CN1864038A - 用于co2制冷系统的吸入管路热交换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种包括吸入管路(74)和毛细管(60)的热交换器，该吸入管路用于输送从蒸发器(28)输出的气态或两相制冷剂，该毛细管将冷却的制冷剂输送到蒸发器。吸入管路包括串联连接的第一和第二基本平行的直筒形部分，并且毛细管的第一和第二部分串联设置并分别螺旋形缠绕于吸入管路的第二和第一部分上。用于旁通毛细管的阀(64)响应于毛细管入口与出口之间的选定压差。U形部分或收集器连接吸入管路的第一和第二部分。收集器可替换地位于蒸发器和被毛细管缠绕的吸入管路部分之间，并且相分离腔通过垂直管连接到收集器上。该收集器包括排出开口以将油返回到系统中。

Description

用于CO2制冷系统的吸入管路热交换器
相关申请的交叉参考
无
关于政府赞助的研究或开发的声明
无
缩微胶片的参考
无
技术领域
本发明涉及热交换器，并且更加具体地，涉及用于跨临界制冷系统的吸入管路热交换器。
背景技术以及由现有技术提出的技术问题
跨临界制冷系统在现有技术中是已知的。这种系统典型地循环压缩、冷却和蒸发制冷剂，该制冷剂流经蒸发器的第一侧并在这里蒸发，从而在蒸发的过程中从蒸发器第二侧吸收热量以冷却在第二侧的流体。这种系统可以用来进行例如汽车上的空气调节。
在示例性的系统中，具有压缩机、冷凝器、蒸发器以及逆流热交换器，该逆流热交换器用于从冷凝器流到蒸发器的流体与从蒸发器流到压缩机的流体之间进行热交换。如美国专利No.5,245,836中所示，在封闭的流体回路的蒸发器和压缩机之间需要设置整体储存部分(液体分离器/接收器)。美国专利NOs.2,467,078、2,530,648和2,990,698中示出了热交换器、收集器和测量装置的组合，它可以与这种制冷系统一起使用。
本发明目的在于改进这种跨临界制冷系统。
发明内容
在本发明的一个方面，提供了一种用于具有制冷剂蒸发器的制冷系统的热交换器，该热交换器包括吸入管路以及毛细管，该吸入管路用于输送从蒸发器输出的制冷剂，该毛细管适于将冷却的制冷剂输送到蒸发器。所述吸入管路包括串联连接的第一和第二基本平行的直筒形部分，由此所述第二直筒形部分从所述第一直筒形部分接收气态制冷剂。所述毛细管包括串联连接的第一和第二螺旋缠绕部分，由此所述第二螺旋缠绕部分从所述第一螺旋缠绕部分接收冷却的制冷剂。所述第一螺旋缠绕部分缠绕于吸入管路的第二直筒形部分上，而所述第二螺旋缠绕部分缠绕于吸入管路的第一直筒形部分上。
在本发明这个方面的一种有利的形式中，旁通安全阀设置在入口与出口之间，该入口通到所述毛细管的第一螺旋缠绕部分，而该出口从所述毛细管的第二螺旋缠绕部分导出。该阀响应于通到所述毛细管第一螺旋缠绕部分的入口与从所述毛细管第二螺旋缠绕部分导出的出口之间的选定压差而打开。
在本发明这个方面的另一种有利的形式中，吸入管路包括U形部分，该U形部分连接所述吸入管路的所述第一和第二筒形部分。
在本发明这个方面的又另一种有利的形式中，收集器设置在所述吸入管路的第一和第二筒形部分之间。
在仍是另外一些有利的形式中，制冷剂是CO2并且毛细管是用于冷却的CO2制冷剂的膨胀装置，和/或制冷系统是跨临界的。
在本发明的另一个方面，提供了一种用在具有制冷剂蒸发器的制冷系统中的热交换器，该热交换器包括吸入管路以及毛细管，该吸入管路用于输送从所述蒸发器输出的制冷剂，该毛细管适于将冷却的制冷剂输送到所述蒸发器。吸入管路包括围绕一轴线基本成筒形的直部分以及位于蒸发器和吸入管路直部分之间的收集器。该毛细管包括围绕一中心轴线螺旋缠绕的部分，该中心轴大致与吸入管路直部分的轴线重合。该收集器包括具有入口和出口相分离腔、包括排出开口的收集器以及位于相分离腔和收集器之间的垂直管，该入口用于接收从蒸发器输出的制冷剂，该出口用于输出气态制冷剂，该气态制冷剂已经在所述相分离腔中与油和液滴分离，该排出开口用于将油排出以将其返回到系统。
在本发明这个方面的一种有利的形式中，第二垂直管设置于所述相分离腔和所述收集器之间，并且该第二垂直管适于保持选定容积的制冷剂充注量。
在本发明这个方面的其它有利的形式中，制冷系统是跨临界的，和/或制冷剂是二氧化碳。
附图说明
图1是实施本发明一个方面的制冷系统的示意图；
图2示出了可以与本发明一起使用的吸入管路热交换器的第一实施例；
图3示出了可以与本发明一起使用的吸入管路热交换器的第二实施例；
图4示出了可以与本发明一起使用的吸入管路热交换器的第三实施例；
图5示出了实施本发明另一方面的吸入管路热交换器；
图6示出了经过修改的具有收集器的吸入管路热交换器；
图7示出了作为替换的吸入管路热交换器和收集器。
具体实施方式
用于实施本发明的制冷系统10的示例性实施例在图1中示出，它包括压缩机20、逆流气体冷却器24和蒸发器28。
在所示的优选实施例中，压缩机20是两级压缩机，其中气态制冷剂被输入到压缩机20的第一级34中进行压缩。被压缩的制冷剂从压缩机第一级34输出到可选的中间冷却器38中，制冷剂在这里可以进行合适地冷却，然后再输入到压缩机20的第二级40中以进一步压缩气态制冷剂。压缩机20的第一和第二级34、40在图1中示意性地表示出来。
虽然根据本发明的一个有利方面，二氧化碳(CO2)可以用作制冷剂，尤其是在跨临界制冷系统中，但是也应当明了，还有其它的工作流体也可以与本发明一起使用，它们包括例如其它制冷剂。
被压缩机20第二级40压缩的制冷剂被排到气体冷却器24中。该气体冷却器24可以是任意的适于冷却和/或冷凝通过冷却器24管的气体的形式。例如，图1中为了说明目的而示意性示出的具有蛇形管44的气体冷却器24，该蛇形管具有位于管44流路之间的翅片46。管44中的气态制冷剂通过与环境空气的热传递而被冷却，该环境空气可以有利地吹过管44和翅片46的空气侧，例如通过示意性示出的风扇48。然而，应当理解，具有圆形管与片状翅片或者微通道管与蛇形翅片的单路或多路冷凝器结构，以及任意其它与系统10使用时所处的环境相适应的热交换器，该热交换器用于冷却从压缩机排出的气态制冷剂，它们都可以有利地与本发明一起使用。
虽然中间冷却器38与气体冷却器24具有单独的制冷剂通道，但它们可以有利地形成为一体，从而使制冷剂可以由吹过(例如通过风扇48)管的空气进行冷却，这些管包含从压缩机第一级34排出的制冷剂(即中间冷却器中的管38)和从压缩机第二级38排出的制冷剂(即管44)。在一种有利的构造中，中间冷却器38和气体冷却器34可以和微通道管和蛇形翅片装配到一起。
从气体冷却器24排出的冷却的气态制冷剂穿过水收集盘/冷却器54中的制冷剂管50，以进一步冷却离开气体冷却器24的制冷剂，这将在下文中进一步描述。
制冷剂管50在水收集盘54之后分支成两路，一路由毛细管60组成而另一路具有中间放气阀64。毛细管60具有较小的直径以对制冷剂节流，从而使制冷剂在毛细管60的出口处膨胀为两相状态，同时也控制通过系统10的制冷剂流量。而且，如下文所述的，制冷剂也在毛细管60中被冷却。
中间放气阀64适于在高于系统10正常运行压力的压力下打开，从而可以在压力非常高(例如可能发生在系统10启动期间的压力峰值)的时候绕过毛细管60进行旁通。
然后，从毛细管60排出的两相制冷剂被送到蒸发器28，液态制冷剂在这里被合适地蒸发成气体状态。例如，如图所示，较热的环境空气可以由风扇70吹过蒸发器28，由此空气的热量被蒸发器28中较冷的制冷剂吸走，从而使制冷剂蒸发为气体状态。
如前面所提到的一样，蒸发器28上凝结的较热环境空气中的水分被收集于水收集盘54中，其中的水用来冷却通过制冷剂管50的制冷剂，该制冷剂管浸入盘54的水中。
气态制冷剂从蒸发器28排出通过吸入管74，该吸入管连接到压缩机20第一级34的输入口，然后制冷剂就像上面所述的一样再次循环通过系统10。
而且，吸入管74与毛细管60共同作用形成吸入管路热交换器78。具体而言，在图1所示的构造中，毛细管60螺旋缠绕于吸入管74上，从而在管60和74中的制冷剂之间进行有利地热交换。
单个控制器92可以响应于所检测的条件来简单地打开和/或关闭压缩机20，从而有利地用来控制系统10。例如，合适的传感器94例如简单的热电偶可以用来检测环境空气温度，并且在温度上升超过所选范围时，控制器92响应于该检测温度来打开压缩机20(以及风扇48、70)。传感器94可以可替换地用来检测不同的条件，例如吸入管74中的温度或压力。
图2-7以不同的方式另外示出了有利的吸入管路热交换器，例如那些可以有利地与发明结合使用的热交换器。
如图2-4大致所示，吸入管路热交换器可以设置成吸入管74包括大致为直线的部分，该部分围绕着轴线96成筒形。毛细管60可以相对于吸入管74不同地设置，从而象前面所述一样在管74和60之间进行热交换。
例如，在图2中，毛细管60a螺旋缠绕于吸入管74a上，其中毛细管60a的螺旋缠绕大致围绕着筒形吸入管74a的轴线96。通过将直径小于2mm的毛细管60a缠绕于仅大约20英寸的吸入管74a上的紧凑结构，可以为本发明制冷系统10的典型应用提供包括所需热交换在内的合适运行。
作为另一种选择，如图3所示，毛细管60b同样可以螺旋缠绕，但是其螺旋缠绕部分位于吸入管74b的内部。而图4所示的另一种简单的可替换方案是毛细管60c同样是直的并且与吸入管74c相邻(或位于其内)设置。
例如图1所示的制冷系统10可以使用图2-4的吸入管路热交换器。然而，这里还公开了各种有利的新式吸入管路热交换器，它们同样可以有利地与实施本发明的制冷系统以及其它系统一起使用。
图5公开了一种这样的有利的新式吸入管路热交换器。在这个实施例中，吸入管74d包括串联连接的第一和第二基本平行的直筒形部分100、102，其中第一直部分100从蒸发器28接收气态流体，而第二直部分102通过U形部分104从第一直部分100接收气态制冷剂。气态制冷剂从第二直部分102输出到压缩机20。
毛细管60d可以将冷却的制冷剂输送到蒸发器28，并且它包括串联连接的第一和第二螺旋缠绕部分110、112，于是第二螺旋缠绕部分112通过连接毛细管部分114从第一螺旋缠绕部分110接收冷却的制冷剂。第一螺旋缠绕部分110缠绕于吸入管第二直筒形部分102上，而第二螺旋缠绕部分112缠绕于吸入管第一直筒形部分100上。
合适的安全阀120设置在毛细管60d的入口和出口之间，该安全阀在这里可以起到例如与结合图1描述的中间放气阀64相类似的作用。也就是，安全阀120适于在压力超过系统10的正常运行压力时打开(例如高于120bar)，以在压力非常高时绕过毛细管60d进行旁通。
在图示的实施例中，阀120包括具有选定强度的弹簧122，该强度可以保持阀120固定不动，除非较高侧(即通往毛细管60d的入口处的压力)的压力至少为选定的水平，在这种情况下该压力足以克服弹簧122的力并且使阀120离开阀座。阀120的离座使得制冷剂可以旁通过毛细管60d，直到压力回到低于所选最大值的水平为止。如前面所指出的，这种压力峰值可能发生在制冷系统的启动阶段。在正常的运行中，阀120保持固定不动(关闭)。但是应当理解，图5所示的特殊阀结构仅仅是示例性的，而且任意适于上述操作的阀结构都可以有利地与所示实施例一起使用。
应当明了，图5所示的吸入管路热交换器可以有利地用在许多应用场合中，尤其是那些空间非常宝贵的场合，因为所示的热交换器可以在相对较短(窄)的空间内进行最大程度的热交换。
图6示出了有利的吸入管路热交换器的又一个实施例。在图示的这个实施例中，除了吸入管74e包括替代图5中U形部分的具有油返回孔132的串联收集器130以外，该吸入管路热交换器与图5的实施例基本相似。应当明了，与图5实施例相似，图6的实施例同样可以有利地用在许多场合，尤其是那些空间非常宝贵的场合，因为图示的热交换器可以在相对较短(窄)的空间内进行最大程度的热交换。
图7示出了有利结构的另一个实施例，该有利结构位于制冷系统10的蒸发器28和压缩机20之间，并且包括吸入管路热交换器。具体而言，该热交换器按照与图2类似的形态示出，其中毛细管60f螺旋缠绕于吸入管74f的直部分。然而应当理解，图7实施例的吸入管路热交换器还可以是其它合适的形式，例如图3-5所示的那些形式。
收集器140设置在吸入管路热交换器和蒸发器之间。具体而言，收集器140包括分离腔或室142，该分离室具有从蒸发器接收制冷剂的入口144。垂直吸入管146在其下端连接到吸入管路热交换器(其具有毛细管60f)中的吸入管部分74f，而在其上端148在分离室142内开口并且与分离室142的底部间隔开。因此，从蒸发器28出来的气态或两相制冷剂在入口144处进入分离室142，制冷剂中的油和液滴将从制冷剂中滴落出来，从而使进入吸入管146上端148以离开室142的制冷剂所含有的混合于其中的液滴量减少到所需的程度。
收集器室150设置在分离室142的下方，并且通过垂直管154连接于其上。从制冷剂分离出来的油和液滴将通过垂直管154向下排入收集器室150，并且可以从这里经过收集器室150中的油返回孔156进行合适的再循环。图中还示出了第二垂直管160，它同样连接着分离室142和收集器室150。然而，应当明了，在本发明的范围内，还可以包括更多的垂直管。
垂直管154、160不仅连接着室142、150，而且为油和系统充注量提供了储存容积。应当明了，通过使用这些管154、160，收集器140可以容易地满足不同的需求。例如，在需要增加储存容积的环境中，这可以通过简单地增加管154、160的长度并且相应地增加室142、150之间的间距来实现。相反，增加每单位高度的容积比需要使用更厚的材料，从而增加了结构的重量。增加的重量可能会使结构在一些重量因素比较重要的应用场合不被接受。
图7所示的第二垂直管160是直的。然而，应当明了，使用其它为充注量和分离的油提供储存容积的垂直延伸管结构也落入本发明的范围内，这些结构包括多于两根的这种管以及不同形状的管，例如螺旋缠绕于室142、150之间的垂直吸入管146和/或其它垂直管上的管。
应当明了，通过上述紧凑的制冷系统10，可以得到高效而可靠的有利冷却。还应当明了，通过使用例如上面所述的紧凑而重量轻的吸入管路热交换器，可以得到高效而可靠的有利冷却。
通过研究本说明书、附图和所附权利要求，还可以得到本发明其它的一些方面、目的以及优点。然而，应当理解，本发明可以以替换的形式使用，在这些替换的形式中上述本发明所有的目的、优点以及优选实施例并不是都可以获得实现。

Claims (10)

1.在具有制冷剂蒸发器的制冷系统中，热交换器包括：
吸入管路，该吸入管路用于输送从所述蒸发器输出的制冷剂，所述吸入管路包括串联连接的第一和第二基本平行的直筒形部分，由此所述第二直筒形部分从所述第一直筒形部分接收气态制冷剂；以及
毛细管，该毛细管用于将冷却的制冷剂输送到所述蒸发器，所述毛细管包括串联连接的第一和第二螺旋缠绕部分，由此所述第二螺旋缠绕部分从所述第一螺旋缠绕部分接收冷却的制冷剂，所述第一螺旋缠绕部分缠绕于所述吸入管路的第二直筒形部分上，而所述第二螺旋缠绕部分缠绕于所述吸入管路的第一直筒形部分上。
2.根据权利要求1所述的热交换器，还包括位于通到所述毛细管的所述第一螺旋缠绕部分的入口和从所述毛细管的所述第二螺旋缠绕部分导出的出口之间的旁通安全阀，所述旁通安全阀响应于所述通到所述毛细管的所述第一螺旋缠绕部分的入口与所述从所述毛细管的所述第二螺旋缠绕部分导出的出口之间的选定压差而打开。
3.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述吸入管路包括U形部分，该U形部分连接所述吸入管路的所述第一和第二筒形部分。
4.根据权利要求1所述的热交换器，还包括所述吸入管路的所述第一和第二筒形部分之间的收集器。
5.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述制冷剂包括CO2，所述毛细管是用于所述冷却的CO2制冷剂的膨胀装置。
6.根据权利要求1所述的热交换器，其中，所述制冷系统是跨临界的。
7.在具有制冷剂蒸发器的制冷系统中，热交换器包括：
用于输送从所述蒸发器输出的制冷剂的吸入管路，所述吸入管路包括：
围绕一轴线基本成筒形的直部分，以及
位于所述蒸发器和所述吸入管路直部分之间的收集器，所述收集器包括：
相分离腔，具有用于从所述蒸发器输出的制冷剂的入口和用于在所述相分离腔中与油和液滴已经分离的气态制冷剂的出口，
包括排出开口的收集器，该排出开口用于将油排出以使所述油返回到所述系统，
位于所述相分离腔与所述收集器之间的垂直管；以及
用于将冷却的制冷剂输送到所述蒸发器的毛细管，所述毛细管包括围绕中心轴线螺旋缠绕的部分，该中心轴线大致与所述吸入管路直部分的轴线重合。
8.根据权利要求7所述热交换器，还包括位于所述相分离腔和所述收集器之间的第二垂直管，所述第二垂直管用于保持选定容积的制冷剂充注量。
9.根据权利要求7所述热交换器，其中，所述制冷系统是跨临界的。
10.根据权利要求7所述的热交换器，其中，所述制冷剂包括二氧化碳。
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