CN1469091A - 蒸汽压缩制冷剂循环系统 - Google Patents

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峰
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Abstract

在蒸汽压缩制冷剂循环系统中，在由逆变器构成的电子电路(12)中产生的废热加热在减压单元(30)中减压后的低压制冷剂。例如，利用电子电路(12)废热加热蒸发器(40)中流动的制冷剂或吸入到压缩机(10)中的制冷剂。由此，例如当蒸汽压缩制冷剂循环系统用于加热空气的加热装置或加热水的水加热器时，压缩机的压缩比能够较小。从而，通过有效地利用电子电路(12)的废热能够降低压缩机(10)的消耗功率。

Description

蒸汽压缩制冷剂循环系统
技术领域
本发明涉及一种用于在循环系统中将热量从低温侧传送到高温侧的蒸汽压缩制冷剂循环系统(vapor compression refrigerant cycle)(例如，热泵循环系统)。该蒸汽压缩制冷剂循环系统适合于用于加热分隔间的加热装置或用于加热供给的水的水加热器。
背景技术
在用于加热分隔间的加热装置或加热供给的水的水加热器中，低压制冷剂通过从外部空气吸收热量在低压热交换器中蒸发，并且吸收的热量和相应于压缩机的压缩操作的热量在高压热交换器中辐射，从而，加热吹入分隔间的空气或被供给的水。由此，在蒸汽压缩制冷剂循环中，当在低压热交换器中吸收的吸收热量变得越大，能够使在压缩机中消耗的消耗功率越小，由此提高加热装置或水加热器的效率。
然而，为了吸收低压热交换器中的热量，在低压热交换器中，必须使低压制冷剂的压力低于与围绕低压热交换器的温度相应的压力。因此，当冬季外面空气的温度较低时，需要降低低压低制冷剂的压力。另一方面，必须保持高压制冷剂的压力在相应于必需的制冷剂温度的压力。因此，当外部空气的温度较低例如在冬季时，压缩机的压缩比(即，排放压力与吸入压力的比值)变得较大，并且增加了压缩机的消耗功率。
此外，为了在低压热交换器中吸收热量，低压制冷剂的温度需要低于围绕低压热交换器的空气的温度(例如，外部空气温度)。在这种情况下，低压热交换器的表面结霜。因此，一般为了除去低压热交换器表面上的霜要加热低压热交换器。融化的水收集在设置在低压热交换器的下侧的排水盘中，并且排出至预定的位置。然而，当外部空气温度较低时，排水盘中的融化的水冻结。在这种情况下，排水盘中的融化的水由诸如电加热器等加热单元加热，从而能够防止排水盘中溶化的水再次冻结。因此，当外部空气温度较低时，蒸汽压缩制冷剂循环中的消耗能量增加。
发明内容
考虑到上述问题，本发明的目的是提供一种蒸汽压缩制冷剂循环系统，该系统能够有效地降低能耗。
根据本发明，一种蒸汽压缩制冷剂循环系统，包括用于吸入和压缩制冷剂的压缩机(10)；高压热交换器(20)，所述高压热交换器设置用于辐射从压缩机(10)排出的高压制冷剂的热量；减压单元(30)，所述减压单元使从高压热交换器(20)流出的高压制冷剂减压；低压热交换器(40)，所述低压热交换器设置用于蒸发在减压单元(30)中减压的低压制冷剂；以及驱动单元(11，12)，所述驱动单元(11，12)包括用于驱动压缩机(10)的电机(11)，和用于控制施加到电机(11)上的驱动电流(drive current)的电子电路(12)；以及废热供给装置，所述废热供给装置用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给在减压单元(30)中减压后的低压制冷剂。
优选方式是，废热供给装置设置用于将驱动单元(11，12)产生的废热供给在低压热交换器(40)中流动的制冷剂。在这种情况下，能够降低压缩机(10)的压缩比，并且能够使得压缩机(10)排出侧的制冷剂的焓和吸入侧制冷剂的焓之间的差值较小。由此，通过有效地利用驱动单元(11，12)的废热能够降低压缩机(10)的消耗功率。在这种情况下，废热供给装置能够设置用于将废热加热的空气引导到低压热交换器(40)，以便驱动单元(12)中产生的废热供给在低压热交换器(40)中流动的制冷剂。作为选择，废热供给装置包括热传送件(13)，废热通过热传送件(13)传送到低压热交换器(40)。
优选方式是，废热供给装置设置用于将来自驱动单元(11，12)的废热供给吸入到压缩机(10)的制冷剂。在这种情况下，由于增加了吸到压缩机(10)的制冷剂的过热度(super-heating degree)，因此，即使当排出压力降低也能够在高压侧获得必需的制冷剂温度。由此，通过利用废热能够有效地降低压缩机(10)的消耗功率。在这种情况下，废热供给装置能够设置用于将废热加热的空气引导到压缩机(10)的吸入侧，以便驱动单元(11，12)中产生的废热供给吸入到压缩机(10)的制冷剂。作为选择，废热供给装置包括热传送件(13)，废热通过热传送件传送到吸入到压缩机(10)的制冷剂。
根据本发明，废热供给装置能够设置用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给低压热交换器(40)的排水盘(70)。在这种情况下，通过利用废热防止排水盘(70)中的水冻结。
附图说明
通过下面结合附图进行详细描述，本发明的其它目的，特征和优点将变得更加清楚，其中：
图1是根据本发明第一个实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的示意图；
图2是根据第一个实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；
图3是根据第一个实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的操作的莫里尔图(p-h图)；
图4是根据本发明第二个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；
图5是根据本发明第三个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；
图6是根据第三个实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的操作的莫里尔图(p-h图)；
图7是根据本发明第四个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；
图8是根据本发明第五个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；
图9是根据本发明第六个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图；及
图10是根据本发明第七个优选实施例的蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件布置的示意图。
具体实施方式
下面参照图1-3描述本发明的第一个优选实施例。在第一个优选实施例中，蒸汽压缩制冷剂循环系统典型地用于加热供给的水的水加热器。在图1所示的蒸汽压缩制冷剂循环系统中，压缩机10通过从电机11获得的动力吸入和压缩制冷剂，并且电机11的激励电流或驱动电流(drivecurrent)通过由逆变器电路(inverter circuit)组成的电子电路12控制。即，用于驱动压缩机10的驱动单元由电机11和电子电路12构成。
在第一个实施例中，二氧化碳用作制冷剂，并且从压缩机10排出的制冷剂的压力增加到等于或大于制冷剂的临界压力。即，在蒸汽压缩制冷剂循环系统中高压侧的制冷剂压力增加到与高压侧必需的制冷剂温度相应的压力。
水-制冷剂热交换器20是高压热交换器，在高压热交换器中，从压缩机10排出的高温和高压制冷剂与水进行热交换。因此，从高温和高压制冷剂中的热量辐射到水-制冷剂热交换器20中的水中，从而加热供给的水。膨胀阀30设置用于使来自水-制冷剂热交换器20的高压制冷剂膨胀和减压。在第一个实施例中，膨胀阀30使制冷剂等焓减压，从而，相对于高压制冷剂的温度，蒸汽压缩制冷剂循环系统的系数(coefficient)变得大约最大。
蒸发器40是低压热交换器，在蒸发器40中，在膨胀阀30中减压的低压制冷剂通过从外部空气吸收热量而蒸发。设置风扇41用于将外部空气吹向蒸发器40。存储器50设置在制冷剂流中蒸发器40的下游，以便来自蒸发器40的制冷剂被引入到存储器50中。流入存储器50的制冷剂分离成气态制冷剂和液态制冷剂，并且分离出来的气态制冷剂供给压缩机10的吸入口，而同时分离出来的液态制冷剂存储在存储器50中。在第一个实施例中，在存储器50中分离出来的润滑油也与气态制冷剂一起供给压缩机10，并且电机11被吸入制冷剂冷却。
图2示出了蒸汽压缩制冷剂循环系统的元件的布置。如图2所示，设置管道61，以便在电子电路12中产生的废热传送到流过蒸发器40的制冷剂中。即，废热供给单元由管道构成。具体地说，电子电路12的散热片13设置在管道61中，在管道61中被废热加热的空气通过风扇41的操作引入到蒸发器40。
其次，下面将描述蒸汽压缩制冷剂循环系统1的操作。图3示出了蒸汽压缩制冷剂循环系统1的操作的p-h图。当废热加热的空气被引入到蒸发器40时，蒸发器40侧的低压制冷剂的压力P(L)从图3中的链线即虚线状态增加到实线状态。从而，压缩机10的压缩比变小，等温线的倾斜角(inclination)变大，并且压缩机10排出侧的焓与压缩机10吸入侧的焓之间的差值变小。因此，通过利用至少电子电路12的废热能够有效地降低压缩机10中的消耗功率，并且能够提高蒸汽压缩制冷剂循环系统的效率(即，工艺效能(efficiency of performance))。
再者，在第一个实施例中，由于压缩机10的吸入制冷剂对直接连接到压缩机10上的电机11进行冷却，电机11产生的废热也供给低压制冷剂。
(第二实施例)
在本发明的上述第一个实施例中，由废热加热的空气通过管道61被引导到蒸发器40，以便加热蒸发器40中的低压制冷剂。然而，在第二个实施例中，如图4所示，电子电路12的散热片13接触蒸发器40，以便废热能够直接传送给蒸发器40，而不通过空气。
在本发明的第二个实施例中，散热片13用于将热量从电子电路12传送到蒸发器40。此外，散热片13接触蒸发器40的板助片或板式散热片(plate fins)。然而，也能够使用除了散热片13之外的热传送单元。
(第三个实施例)
在上述本发明的第一和第二实施例中，设置热传送单元用于将电子电路12中产生的废热供给蒸发器40的制冷剂。然而，在本发明的第三实施例中，设置热传送单元用于将电子电路12中产生的废热供给吸入压缩机10中的制冷剂。具体地说，如图5所示，散热片13和存储器50如此设置，即从存储器50到压缩机10的制冷剂与电子电路12的废热热交换。由此，废热加热从存储器50引导到压缩机10的制冷剂。
如图6所示，根据第三个实施例，由于增加了吸到压缩机10的制冷剂的过热度(super-heating degree)，因此，即使当压缩机10的排出压力从图6中的虚线状态降低到实线状态，也能够在高压侧获得必需的制冷剂温度。
因此，在第三个实施例中，压缩机10的压缩比变小，等温线的倾斜角(inclination)变大，并且压缩机10排出侧的焓与压缩机10吸入侧的焓之间的差值变小。因此，通过利用电子电路12的废热能够有效地降低压缩机10中的消耗功率，并且能够提高蒸汽压缩制冷剂循环系统的效率(即，工艺效能)。
再者，在第三个实施例中，来自存储器50的制冷剂与散热片13中的废热进行热交换。然而，在第三实施例中，也能够将散热片13中的废热加热的空气引导到压缩机10的吸入侧，与吸入到压缩机10中的制冷剂进行热交换。即使在这种情况下，也能够获得与上述相同的效果。
在图5中，在电子电路12中产生的废热供给存储器50和压缩机10之间的制冷剂。然而，在电子电路12中产生的废热能够供给蒸发器40和存储器50之间的制冷剂。
(第四实施例)
下面参照图7描述本发明的第四实施例。在第四实施例中，排水盘70设置在蒸发器40之下，并且通过利用电子电路12中产生废热加热。因此，存储在排水盘70中的上能够通过利用废热而加热。
具体地说，如图7所示，散热片13设置与排水盘70接触，以便电子电路12的废热通过散热片13传送到排水盘70，从而加热排水盘70中的水。即，在第四实施例中，散热片13用作热传送单元，该热传送单元用于将散热片13的废热传送到排水盘70中的水。由此，能够防止排水盘70中溶化的水再次在排水盘70中冻结。从而，不必加热排水盘70的额外热量，并且能够降低蒸汽压缩制冷剂循环系统1中的热量消耗。
在上述第四实施例中，散热片13接触排水盘70，直接将废热传送到排水盘70。然而，能够通过管道将散热片13中的废热加热的空气引导到排水盘70中的水。即使在这种情况下，电子电路12的废热通过管道中的空气传送到排水盘70中的水中，并且利用废热能够有效地加热排水盘70中的水。
(第五实施例)
下面参照图8描述本发明的第五实施例。如图8所示，散热片13设置形成热交换器13a，在热交换器13a中，废热传送到将吸到压缩机10的制冷剂。具体地说，散热片13设置接触制冷剂从蒸发器40流到存储器50的制冷剂管。从而，通过利用电子电路12的废热能够有效地加热吸入到压缩机10的制冷剂，并且能够降低在压缩机10中消耗的消耗功率。
(第六实施例)
下面参照图9描述本发明的第六实施例。如图9所示，类似于上述第五实施例，散热片13设置形成热交换器13a，在热交换器13a中，废热传送到将吸到压缩机10的制冷剂。具体地说，散热片13设置接触制冷剂从存储器50流到压缩机10的制冷剂管。从而，通过利用电子电路12的废热能够有效地加热吸入到压缩机10的制冷剂，并且能够降低在压缩机10中消耗的消耗功率。
(第七实施例)
在上述本发明第五和第六实施例中，在电子电路12中产生的废热通过散热片13供给吸入到压缩机10的制冷剂。然而，在第七实施例中，如图10所示，电子电路12的发热件(例如IGBT和二极管)设置直接接触热交换器13a中的制冷剂管。即，电子电路12的发热件和制冷剂管直接接触，形成热交换器13a。在这种情况下，制冷剂管能够用作连接蒸发器40和存储器50的管子，或者能够用作连接存储器50和压缩机的管子。
尽管参照附图结合优选实施例充分描述了本发明的，但需要注意，可以做出各种改变和修改，这对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。
例如，在上述实施例中，本发明的蒸汽压缩制冷剂循环系统用于水加热器。然而，本发明的蒸汽压缩制冷剂循环系统能够用于加热隔间的加热装置。在这种情况下，作为高压热交换器20，能够使用空气-制冷剂热交换器。
在上述本发明的第一实施例中，二氧化碳用作制冷剂，并且高压侧制冷剂压力增加到高于制冷剂的临界压力。然而，在本发明中，氟利昂(R134a)也能够用作制冷剂。在这种情况下，高压侧制冷剂压力能够等于或高于制冷剂的临界压力，或者能够低于制冷剂的临界压力。
再者，在本发明的上述实施例中，用于等焓使制冷剂减压的膨胀阀用作减压装置。然而，用于等焓使制冷剂减压的喷嘴或膨胀节流阀(expansion throttle)能够用作减压装置。再者，在减压中重新获得的膨胀能量能够用于降低压缩机10的消耗能量。
这种改变和修改被理解为由权利要求所限定的本发明的范围内。

Claims (21)

1.一种蒸汽压缩制冷剂循环系统，包括：
用于吸入和压缩制冷剂的压缩机(10)；
高压热交换器(20)，所述高压热交换器设置用于辐射从压缩机(10)排出的高压制冷剂的热量；
减压单元(30)，所述减压单元使从高压热交换器(20)流出的高压制冷剂减压；
低压热交换器(40)，所述低压热交换器设置用于蒸发在减压单元(30)中减压的低压制冷剂；以及
用于驱动压缩机(10)的驱动单元(11，12)，所述驱动单元(11，12)包括用于驱动压缩机(10)的电机(11)，和用于控制施加到电机(11)上的驱动电流的电子电路(12)；以及
废热供给装置，用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给在减压单元(30)中减压后的低压制冷剂。
2.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置设置用于将驱动单元(11，12)产生的废热供给在低压热交换器(40)中流动的制冷剂。
3.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中
废热供给装置包括空气加热器(13)，在空气加热器(13)中，来自驱动单元的废热加热空气，及
废热供给装置设置用于将由废热加热的空气引导到低压热交换器(40)，以便驱动单元(12)中产生的废热供给在低压热交换器(40)中流动的制冷剂。
4.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置包括热传送件(13)，废热通过热传送件(13)传送到低压热交换器(40)。
5.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中
低压热交换器(40)设置用于进行低压制冷剂和空气之间的热交换，以便蒸发低压制冷剂；及
废热供给装置设置用于增加引导到低压热交换器(40)的空气的温度。
6.根据权利要求5所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中低压热交换器(40)进行低压制冷剂和废热加热的空气之间的热交换，以便增加低压制冷剂的压力。
7.根据权利要求5所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置包括用于利用废热加热空气的空气加热器(13)，及管道(61)，加热的空气通过管道引导到低压热交换器(40)。
8.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中电子电路(12)由逆变器构成，并且废热供给装置设置用于将来自逆变器(12)的废热供给低压热交换器(40)。
9.根据权利要求8所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中逆变器(12)设置在沿空气流动方向低压热交换器(40)的上游，以便来自逆变器(12)的废热通过空气供给低压热交换器(40)。
10.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置设置用于将来自驱动单元(11，12)的废热供给吸入到压缩机(10)的制冷剂。
11.根据权利要求10所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中
废热供给装置包括空气加热器(13)，在空气加热器(13)中，来自驱动单元(11，12)的废热加热空气，及
废热供给装置设置用于将废热加热的空气引导到压缩机(10)的吸入侧，以便驱动单元(11，12)中产生的废热供给吸入到压缩机(10)的制冷剂。
12.根据权利要求10所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置包括热传送件(13)，废热通过热传送件传送到吸入到压缩机(10)的制冷剂。
13.根据权利要求1所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，还包括
存储器(50)，设置用于将来自低压热交换器(40)的制冷剂分离成气态制冷剂和液态制冷剂，并且将分离出来的气态制冷剂引导到压缩机(10)的吸入侧。
14.根据权利要求13所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置设置用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给用于连接存储器(50)和压缩机(10)的制冷剂管中的制冷剂。
15.根据权利要求13所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置设置用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给用于连接蒸发器(40)和存储器(50)的制冷剂管中的制冷剂。
16.一种蒸汽压缩制冷剂循环系统，包括：
用于吸入和压缩制冷剂的压缩机(10)；
高压热交换器(20)，所述高压热交换器设置用于辐射从压缩机(10)排出的高压制冷剂的热量；
减压单元(30)，所述减压单元使从高压热交换器(20)流出的高压制冷剂减压；
低压热交换器(40)，所述低压热交换器设置用于蒸发在减压单元(30)中减压的低压制冷剂；以及
用于驱动压缩机(10)的驱动单元(11，12)，所述驱动单元(11，12)包括用于驱动压缩机(10)的电机(11)，和用于控制施加到电机(11)上的驱动电流的电子电路(12)；
排水盘(70)，设置用于存储低压热交换器(40)中产生的冷凝水；及
废热供给装置，用于将驱动单元(11，12)中产生的废热供给排水盘(70)。
17.根据权利要求16所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中废热供给装置包括热传送件(13)，废热通过热传送件(13)传送到排水盘(70)中的冷凝水。
18.根据权利要求1-17中任何一项所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中高压制冷剂的压力等于或高于制冷剂的临界压力。
19.根据权利要求1-17中任何一项所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中二氧化碳用作制冷剂。
20.根据权利要求1-17中任何一项所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中高压热交换器(20)用作加热装置，所述加热装置用于加热吹到隔间中的空气。
21.根据权利要求1-17中任何一项所述的蒸汽压缩制冷剂循环系统，其中高压热交换器(20)用作加热水的水加热器。
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