CN1376252A - 多级压缩制冷装置 - Google Patents

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Abstract

一种多级压缩制冷装置,将从冷凝器1排出的制冷剂分流,让一部分制冷剂从第一减压机构3流到第一中间冷却器6中,另一部分制冷剂从第二减压机构7流到蒸发器8中,使流入该第二减压机构7的制冷剂与第一中间冷却器6进行热交换,同时,让从蒸发器8排出的制冷剂吸入到低压级侧压缩机构32中,使第一中间冷却器6排出的制冷剂与从该低压级侧压缩机构32排出的制冷剂合流后,吸入到高压级侧压缩机构34中,将低压级侧压缩机构32的排出容积设定成大于高压级侧压缩机构34的排出容积的值,同时,在第一中间冷却器6与合流点106之间,设置有只允许制冷剂从该第一中间冷却器6向合流点108方向流动的单向阀9。因此,可抑制高压级侧压缩机构34的排出气体制冷剂温度使其降低,可缩短到制冷装置起动初期的回路稳定所需的时间,提高了效率。

Description

多级压缩制冷装置
技术领域
本发明涉及用多级压缩机构对制冷剂进行多级压缩的多级压缩制冷装置。
背景技术
以往，公知技术是，在用于冰箱或空调装置的制冷装置中，采用旋转式压缩机，该旋转式压缩机将在各个旋转用气缸的内部旋转的转子组成的两个压缩机构容纳在同一密闭容器内，并把各压缩机构作为低压级侧压缩机构和高压级侧压缩机构，将由低压级侧压缩机构经过一级压缩的制冷剂气体吸入到高压级侧压缩机构，由此，对制冷剂进行多级压缩。
根据这种多级压缩制冷装置，在抑制压缩过程中的扭矩变动的同时，可得到高压缩比。
但是，在上述多级压缩制冷装置中，在使用比热比较高的制冷剂的场合，由于高压级侧压缩机构吸入的低压级侧压缩机构的气体制冷剂温度高，因此，会降低吸气效率，进而带来了输入功率增加的问题。另外，由于高压级侧压缩机构的排出气体制冷剂温度也高，在使用作为润滑油的酯油(例如POE：聚醇酯)的场合，润滑油因热起水解反应，生成酸和乙醇。那么，由于该酸会产生油泥，引发毛细管堵塞问题的同时，也使润滑特性劣化。并且，因制冷效果降低，也会带来装置效率恶化的问题。
由此，提出了这样一种方案，其构成是，对低压级侧压缩机构压缩后排出的气体制冷剂进行冷却，降低高压级侧压缩机构吸入的气体制冷剂的温度，从而抑制高压级侧压缩机构的排出气体制冷剂温度使其降低。作为这种现有的多级压缩制冷装置，公知的技术有例如图4所示的结构，包括：由低压级侧压缩机构和高压级侧压缩机构组成的多级压缩机411、冷凝器412、第一减压机构413、中间冷却器414、第二减压机构415及蒸发器416；从冷凝器412出来的制冷剂经过分流，一部分制冷剂从第一减压机构413导入中间冷却器414，把另一部分制冷剂从第二减压机构415导入蒸发器416，使流入第二减压机构415的制冷剂与中间冷却器414进行热交换，同时，把从蒸发器416排出的制冷剂吸入低压级侧压缩机构，并把从中间冷却器414排出的制冷剂与从低压级侧压缩机构排出的制冷剂混合，吸入到高压级侧压缩机构中。
于是，该多级压缩制冷装置的制冷循环的制冷剂如图5实线所示的P-h曲线图那样进行状态变化。并且在以往的装置中，使流入第二减压机构415的制冷剂与中间冷却器414进行热交换，使流入第二减压机构415的制冷剂冷却并减少如图5所示的焓δH0。由此，可扩大蒸发器416的上述焓之差。
但是，在上述以往的装置中，在压缩机的起动开始初期，吸入气体压力基本相同(＝平衡压力)，当低压级侧压缩机构的排出容积大于高压级侧压缩机构的排出容积时，排出容积大的低压级侧的排出气体量会使高压级侧吸入气体量上升，低压级侧压缩机构的排出气体压力的上升会引起其向中间冷却器414一侧逆流。
该低压级侧压缩机构的排出气体制冷剂的逆流会使中间冷却器414升温，因此通过中间冷却器414不能充分冷却流入第二减压机构415的制冷剂，结果，带来了到回路稳定、进行图5所示的正常时的焓6H0的过冷却的时间过长的问题。
本发明就是鉴于此点而提出的，其目的是提供一种多级压缩制冷装置，利用中间冷却器对低压级侧压缩机构压缩后的排出气体制冷剂进行冷却，在抑制高压级侧压缩机构的排出气体制冷剂温度使其降低的同时，可防止低压级侧压缩机构的排出气体向中间冷却器一侧逆流，能缩短到制冷装置起动初期的回路稳定所需的时间，可提高效率。
发明内容
本发明为一种多级压缩制冷装置，包括：具有低压级侧压缩机构和高压级侧压缩机构的压缩机；冷凝器；第一减压机构；第一中间冷却器；第二减压机构及蒸发器，从上述冷凝器排出的制冷剂经过分流后，一部分制冷剂从上述第一减压机构流到第一中间冷却器中，另一部分制冷剂从上述第二减压机构流到蒸发器中，流入该第二减压机构的制冷剂与上述第一中间冷却器进行热交换，同时，从上述蒸发器排出的制冷剂被吸入低压级侧压缩机构中，从该第一中间冷却器排出的制冷剂与从该低压级侧压缩机构排出的制冷剂合流后，吸入上述高压级侧压缩机构中，上述低压级侧压缩机构的排出容积大于上述高压级侧压缩机构的排出容积，在上述第一中间冷却器与使从该第一中间冷却器排出的制冷剂合流的合流点之间，设置有只允许制冷剂从该第一中间冷却器向合流点方向流动的单向阀。
采用这种结构，可抑制高压级侧压缩机构的排出气体制冷剂温度使其降低，可防止低压级侧压缩机构的排出气体向第一中间冷却器侧的逆流。
此外，在上述蒸发器与上述低压级侧压缩机构之间设置有第二中间冷却器，通过该第二中间冷却器进行热交换的上述另一部分制冷剂与上述第一中间冷却器进行热交换。采用这种结构，与以往装置相比，扩大了制冷装置起动初期的、蒸发器的焓差。
另外，还包括设置在上述中间冷却器与单向阀之间的第三中间冷却器，从上述冷凝器排出的制冷剂与上述第三中间冷却器进行热交换，同时，从该第三中间冷却器排出的制冷剂经由上述单向阀流动，并与从低压级侧压缩机构排出的制冷剂一起被吸入到高压级侧压缩机构中。采用这种结构，可进一步促进上述效果的作用。
进一步，还包括对上述另一部分制冷剂减压的第三减压机构，流入到该第三减压机构的上述另一部分制冷剂与上述第二中间冷却器进行热交换。采用这种结构，可进一步降低蒸发器入口的制冷剂温度。
附图的简要说明
图1是本发明的合适的多级压缩制冷装置的制冷剂回路图。
图2是表示适于本发明的两级压缩式旋转压缩机的主要部分的纵断面图。
图3是本发明多级压缩制冷装置的P-h曲线图。
图4是以往的多级压缩制冷装置的制冷剂回路图。
图5是以往的多级压缩制冷装置的P-h曲线图。
实施发明的最佳形式
以下，参照附图说明本发明的热交换器的一实施形式。
首先，作为本发明多级压缩机构的两级压缩式旋转压缩机10如图2所示，包括：由钢板制成的圆筒状密闭容器12、作为配置在该密闭容器12内的上部空间中的电动元件的驱动电动机14、及配置在电动机14的下部空间中并作为由与该电动机14连接的曲轴(驱动轴)16驱动的压缩元件的旋转压缩机构18。
此外，密闭容器12由以底部作为油池、容纳电动机14及旋转压缩机构18的容器本体12A和密闭该容器本体12A上部开口的盖体2B的两个部件构成，在盖体12B上，安装有把外部电力供给电动机14的连接端子(给电配线省略)20。
电动机14由沿密闭容器12上部空间的内周以环状安装的定子22和配置在该定子22内侧并设置有若干间隙的转子24组成。在该转子24上，一体地设置有通过其中心沿垂直方向延伸的曲轴16。
定子22具有层叠环状电磁钢板而成的层叠体26和卷装在该层叠体26上的多个线圈28。另外，转子24与定子22同样，也由电磁钢板的层叠体30构成。在该实施形式中，虽然作为电动机14使用的是交流马达，但是埋装有永久磁铁的DC马达的场合也是可行的。
旋转压缩机构18包含作为低压级侧压缩机构的低压级压缩元件32和作为高压级侧压缩机构的高压级压缩元件34。即是说，由下述元件构成，这些元件包括：中间隔板36；设置在该中间隔板36上下的上下气缸38、40；与设置在曲轴16上的偏心部42、44连接、并在上下气缸38、40内旋转的上下转子46、48；与该上下转子46、48接触并将上下各气缸38、40内划分成吸入室(吸入侧)和压缩室(排出侧)的上下叶片50、52；以及封闭上下气缸38、40的各开口面的兼用作曲轴16的各轴承部的上部支持部件54和下部支持部件56。
此外，在上部支持部件54和下部支持部件56上，通过图中未示的阀装置形成与上下气缸38、40适当连通的排出消音室58、60，同时，这些各排出消音室等的开口部由上部板62和下部板64封闭。
另外，上下叶片50、52可滑动地配置在形成于上下气缸38、40的气缸壁上的半径方向的导向槽66、68中，并且借助于弹簧70、72施力，使该叶片50、52始终与转子46、48接触。
于是，在下气缸40上进行第一级(低压级侧)压缩作用，而在上气缸38中进行将在下气缸40中压缩的制冷剂气体进一步压缩的第二级(高压级侧)压缩作用。
并且，将构成上述旋转压缩机构18的上部支持部件54、上气缸38、中间隔板36、下气缸40及下部支持部件56按该顺序配置，并与上部板62及下部板64一起用多个安装螺栓74连接固定。
此外，在曲轴16上，在其轴中心形成直油孔76，在其外周面上形成通过横向的给油孔78、80与该孔76的连接的螺旋状给油槽82、84，以便向轴承及各滑动部供油。
在该实施形式的例子中，作为制冷剂使用R404A，另外，作为润滑油的油使用例如矿物油(mineral oil)、烷基苯油、PAG油(聚烷撑二醇系油)、乙醚油、酯油等现有的油。
在上述旋转压缩机构18的低压级压缩元件32中，吸入侧制冷剂压力是0.05MPa，排出侧制冷剂压力是0.18MPa。而且，在高压级压缩元件34中，吸入侧制冷剂压力是0.18MPa，排出侧制冷剂压力是1.90MPa。并且将低压级压缩元件32的排出容积D1设定成比高压级压缩元件34的排出容积D2大的值。在该实施形式的例子中，该排出容积比D2/D1设定为约9～39％。通过设定在这种范围，制冷装置的蒸发温度为-50℃～-70℃范围时的制冷系数得到了改善，实现了提高效率的目的。
此外，在上下气缸38、40中，设置有导入制冷剂的上下制冷剂吸入通路(图中未示)和经由排出消音室58、60排出压缩的制冷剂的制冷剂排出通路86。并且，在该各制冷剂吸入通路和制冷剂排出通路86上，通过固定在密闭容器12上的连接管90、92、94连接有制冷剂配管98、100及102。此外，在制冷剂配管100和102之间，连接有作为气液分离器使用的吸入消声器106。
通过该吸入消声器106，经由制冷剂配管201，将从设置于压缩机10外部的、后述的第三中间冷却器(图中未示)排出来的制冷剂合流。
进一步，在上部板61上，设置有使上部支持部件54的排出消音室58和密闭容器12的内部空间处于连接状态的排出管108，第二级(高压级压缩元件34)的压缩冷却气体直接排出到密闭容器12的内部，经过密闭容器12内部高压化后，通过固定在密闭容器12上部的盖体12B上的连接管96及制冷剂配管104送到外部冷凝器(图中未示)，顺次经过后述的制冷剂回路，通过制冷剂配管98、连接管90及上气缸38的上制冷剂吸入通路，再次返回到低压级压缩元件32中，实现蒸汽压缩式制冷循环。
此外，将低压级压缩元件32上的构成部件相互嵌合的间隙设定成小于高压级压缩元件34上的构成部件相互嵌合的间隙。具体地，将低压级压缩元件32上的构成部件相互嵌合的间隙设定成10μm，将高压级压缩元件34上的构成部件相互嵌合的间隙设定成20μm。由此，能降低密闭容器12内的高压气体向压力差大的低压级压缩元件32方的泄漏侵入，提高容积效率及压缩效率。
下面，参照图1的制冷剂回路说明使用上述两级压缩式旋转压缩机10的本发明的多级压缩制冷装置。
在图1中，1是冷凝器，从上述两级压缩式旋转式压缩机10排出的高压制冷剂通过制冷剂配管104流入该冷凝器中。将利用该冷凝器1凝缩并经过制冷剂配管110的制冷剂与后述的第三中间冷却器2进行热交换后，以该制冷剂配管110分歧成两部分。
3是作为把在分歧的一方分歧配管112中流动的制冷剂减压的第一减压机构的第一膨胀阀。
4是作为把在分歧的另一方分歧配管114中流动的制冷剂减压的第二减压机构5的第二膨胀阀，流过分歧配管114的制冷剂与后述的第二中间冷却器5进行热交换后，流入第二膨胀阀4。
6是连接到第一膨胀阀3的排出侧的第一中间冷却器，与第二膨胀阀4减压的制冷剂进行热交换。并且，第一中间冷却器6的排出侧与上述第三中间冷却器2连接。
从第三中间冷却器2排出的制冷剂通过制冷剂配管201流入上述的吸入消声器106，然后，与通过制冷剂配管100流入吸入消声器106的从低压级压缩元件32排出的制冷剂合流。
并且，在第三中间冷却器2与成为制冷剂合流点的吸入消声器106之间的制冷剂配管201的途中，设置有只允许制冷剂从第三中间冷却器2向合流点方向流动的作为单向阀的止逆阀9。由此，可防止低压级压缩元件32排出的气体制冷剂在压缩机起动开始的初期向第一中间冷却器6一侧的逆流。结果，不会因低压级压缩元件32排出的气体制冷剂的逆流导致第一中间冷却器6及第三中间冷却器2升温，可缩短到回路稳定、得到正常时的过冷却所需的时间。
从吸入消声器106排出的气体制冷剂经由制冷剂配管102被吸入高压级压缩元件34中。
7是作为第二减压机构的毛细管，对第二膨胀阀4排出的制冷剂与第一中间冷却器6热交换后的制冷剂减压。从毛细管7排出的制冷剂供给蒸发器8，制冷剂经过蒸发后与外部进行热交换。在蒸发器8的排出侧连接有上述第二中间冷却器5，该排出制冷剂与流过制冷剂配管114的分流制冷剂热交换之后，经由制冷剂配管98供给压缩机10的低压级压缩元件32的连接管90中。
通过上述结构构成本发明的多级压缩制冷装置的制冷循环。
在这种结构中，通过上述第一中间冷却器6、第二中间冷却器5及第三中间冷却器2吸收周围的热，发挥冷却作用，以下，分别把该第一中间冷却器6、第二中间冷却器5及第三中间冷却器2的热交换部称作第一过冷却部、第二过冷却部及第三过冷却部。
这样，将过冷却部分散成多个解决了下述问题：在上述图4的以往装置中，在起动开始初期，因中间冷却器414的热交换部的配管等保留的显热的影响，使中间冷却器414不能充分冷却流入第二减压机构415中的制冷剂，如图5的虚线所示的那样，不能进行正常时的焓δH0程度的过冷却。
综上所述，试验结果表明，在第二过冷却部冷却的制冷剂经由第二膨胀阀4在第一过冷却部中进行热交换的结构，在分散进行过冷却时，一次过冷却后的制冷剂膨胀之后，通过进行过冷却，可提高此时的热交换效率。
接着，根据图3所示的P-h曲线图说明上述制冷循环中的制冷剂的状态。另外，图中，装置正常时的制冷剂状态用实线表示，装置起动初期的制冷剂状态用虚线表示。
图3中，A点表示从压缩机10的高压级压缩元件34排出的制冷剂状态，用冷凝器1冷凝后，该状态变化到B点。之后，制冷剂在第三过冷却部中通过与第三中间冷却器2的热交换冷却至C点。接着，将C点的制冷剂分流，一部分分流的制冷剂由第一膨胀阀3减压，压力降低到D点之后，流入第一中间冷却器6中。
此外，C点的制冷剂分流的另一部分制冷剂，在第二过冷却部中，通过与连接到蒸发器8排出侧的第二中间冷却器5的热交换冷却至H点，由第二膨胀阀4减压，压力降低到I点。从而，在第一过冷却部中，I点的制冷剂与第一中间冷却器6热交换，状态变化到J点，同时，D点的制冷剂在第一中间冷却器6的出口状态变化到E点。
F点表示的通过与从第三过冷却部的冷凝器1排出的B点制冷剂的热交换的、第三中间冷却器2的排出制冷剂的状态。
此外，J点的制冷剂由毛细管7减压，压力降低到K点之后，流入蒸发器8中。接着，由蒸发器8蒸发的制冷剂(L点)通过第二过冷却部的热交换，状态变化到第二中间冷却器5的出口M点之后，流入压缩机10的低压级压缩元件32中。
接着，由低压级压缩元件32进行第一级压缩的、压力上升到N点的高温、高压排出制冷剂在吸入消声器106中与从第三中间冷却器2的排出制冷剂(F点)混合后，制冷剂被冷却状态变化到G点。将该温度降低的G点制冷剂吸入压缩机10的高压级压缩元件34中，进行第二级压缩(A点)，排出到冷凝器1中。
这样，可在第三过冷却部中进行从冷凝器1排出的制冷剂的过冷却的同时，进一步把流入毛细管7和蒸发器8中的另一部分制冷剂在第一过冷却部及第二过冷却部中进行过冷却。
另外，通过分散过冷却部，能减小各过冷却部保留的显热的热容量，与以往技术相比，在装置起动初期(图3虚线)也能进行过过冷却，扩大了蒸发器8的焓差(δH)。
特别是，除了第一过冷却部外，通过设置与蒸发器8出口的低温制冷剂热交换的第二过冷却部，在装置的起动开始后的短时间内，可充分进行流入毛细管7和蒸发器8的另一部分的制冷剂的过冷却。
另外，上述实施形式的说明只是为了说明本发明而已，并不构成对权利要求范围记载的发明的限定或缩小范围的各种解释。当然，本发明的各部构成也不限于上述实施形式，在权利要求范围记载的技术范围内，可以做出各种变更。
例如，在上述实施形式中，作为多级压缩机构，虽然说明了使用内部高压型两级压缩式旋转压缩机10时的情况，但并不仅限于此，本发明也适用于密闭容器12的内部与低压级压缩元件32的吸入侧制冷剂压力略同的内部低压型或者密闭容器12的内部与低压级压缩元件32的排出侧制冷剂压力略同的内部中压型。
另外，虽然说明了设有多个中间冷却器、具有第一过冷却部、第二过冷却部及第三过冷却部的构成，但并不限于此，本发明也适于用单一的中间冷却器进行过冷却的上述以往装置(图4)。
工业上的应用
根据以上的本发明，对低压级侧压缩机构压缩后的排出制冷剂进行冷却，可抑制高压级侧压缩机构的排出气体制冷剂温度使其降低，同时，能防止低压级侧压缩机构的排出气体向中间冷却器侧的逆流。从而，可提供能缩短到制冷装置起动初期的回路稳定所需的时间、效率高的多级压缩制冷装置。

Claims (4)

1.一种多级压缩制冷装置，包括：具有低压级侧压缩机构和高压级侧压缩机构的压缩机；冷凝器；第一减压机构；第一中间冷却器；第二减压机构及蒸发器，从所述冷凝器排出的制冷剂经过分流后，一部分制冷剂从所述第一减压机构流到第一中间冷却器中，另一部分制冷剂从所述第二减压机构流到蒸发器中，流入该第二减压机构的制冷剂与所述第一中间冷却器进行热交换，同时，从所述蒸发器排出的制冷剂被吸入低压级侧压缩机构中，从所述第一中间冷却器排出的制冷剂与从该低压级侧压缩机构排出的制冷剂合流后，吸入所述高压级侧压缩机构中，其特征是，
所述低压级侧压缩机构的排出容积大于所述高压级侧压缩机构的排出容积，在所述第一中间冷却器与使从该第一中间冷却器排出的制冷剂合流的合流点之间，设置有只允许制冷剂从该第一中间冷却器向合流点方向流动的单向阀。
2.根据权利要求1所述的多级压缩制冷装置，其特征是，在所述蒸发器与所述低压级侧压缩机构之间设置有第二中间冷却器，通过该第二中间冷却器进行热交换的所述另一部分制冷剂与所述第一中间冷却器进行热交换。
3.根据权利要求2所述的多级压缩制冷装置，其特征是，还包括设置在所述中间冷却器与单向阀之间的第三中间冷却器，从所述冷凝器排出的制冷剂与所述第三中间冷却器进行热交换，同时，从该第三中间冷却器排出的制冷剂经由所述单向阀流动，并与从低压级侧压缩机构排出的制冷剂一起被吸入到高压级侧压缩机构中。
4.根据权利要求2或3所述的多级压缩制冷装置，其特征是，还包括对所述另一部分制冷剂减压的第三减压机构，流入到该第三减压机构的所述另一部分制冷剂与所述第二中间冷却器进行热交换。
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