DE60130126T2

DE60130126T2 - Expansionsvorrichtung für ein dampfkompressionssystem

Info

Publication number: DE60130126T2
Application number: DE60130126T
Authority: DE
Inventors: David A. Prospect Heights WIGHTMAN
Original assignee: XDx Inc
Current assignee: XDx Inc
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2008-05-15
Anticipated expiration: 2021-09-15
Also published as: CA2422308C; CN1474923A; EP1317644A1; ATE371154T1; HK1056769A1; US6401471B1; AU2001291017B2; US20020033025A1; US6401470B1; CA2422308A1; JP2004509311A; ES2292623T3; WO2002023102A1; NZ524732A; DE60130126D1; AU9101701A; GB2383404B; GB0305671D0; GB2383404A; JP5025879B2

Description

Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Dampfkompressionssysteme und speziell eine Expansionsvorrichtung für ein Dampfkompressionssystem.
In einem Dampfkompressionszyklus mit geschlossenem Kreislauf wechselt das Wärmeübertragungsfluid den Zustand von Dampf zu Flüssigkeit im Kondensator, wobei es Wärme an die Umgebung abgibt, und wechselt den Zustand von Flüssigkeit zu Dampf im Verdampfer, wobei es während der Verdampfung Wärme aus der Umgebung absorbiert. Ein typisches Dampfkompressionssystem umfasst einen Kompressor, um das Wärmeübertragungsfluid wie z.B. Freon zu einem Kondensator zu pumpen, wo die Wärme abgegeben wird, wenn das Wärmeübertragungsfluid in eine Flüssigkeit kondensiert. Das Wärmeübertragungsfluid fließt dann durch eine Flüssigkeitsleitung zu einer Expansionsvorrichtung, wo das Wärmeübertragungsfluid eine Volumenexpansion vollzieht. Das Wärmeübertragungsfluid ist beim Verlassen der Expansionsvorrichtung üblicherweise eine Flüssigkeits-Dampf-Mischung geringer Qualität. Der hier benutzte Ausdruck "Flüssigkeits-Dampf-Mischung geringer Qualität" bezieht sich auf ein Wärmeübertragungsfluid mit geringem Druck in einem flüssigen Zustand mit einem geringen Anteil Dampfgas, welches das übrige Wärmeübertragungsfluid kühlt, während das Wärmeübertragungsfluid in einem unterkühlten Zustand verbleibt. Das expandierte Wärmeübertragungsfluid fließt dann in einen Verdampfer. Der Verdampfer umfasst eine Rohrschlange mit einem Einlass und einem Auslass, worin das Wärmeübertragungsfluid bei einem niedrigen Druck unter Absorption von Wärme verdampft wird, während es einen Zustandswechsel von einer Flüssigkeit zu einem Dampf vollzieht. Das Wärmeübertragungsfluid, jetzt im Dampfzustand, fließt durch den Rohrschlangenauslass und verlässt den Verdampfer. Das Wärmeübertragungsfluid fließt dann durch eine Saugleitung und zurück zum Kompressor. Ein typisches Dampfkompressionssystem kann mehr als eine Expansionsvorrichtung beinhalten. Darüber hinaus kann die Expansionsvorrichtung an unterschiedlichen Orten innerhalb des Dampfkompressionssystems positioniert sein. Beispielsweise, wenn das Wärmeübertragungsfluid in einen Verdampfer fließt, kann es durch eine zweite Expansionsvorrichtung fließen, wo das Wärmeübertragungsfluid eine zweite Volumenexpansion erfährt. Zusätzlich kann ein typisches Dampfkompressionssystem eine Düse oder eine feste Öffnung umfassen.
Nach einem Aspekt hängt die Effizienz des Dampfkompressionszyklus von der präzisen Steuerung der Volumenexpansion eines Wärmeübertragungsfluids an unterschiedlichen Orten in dem Dampfkompressionssystem ab. Das Wärmeübertragungsfluid wird volumenmäßig expandiert, wenn das Wärmeübertragungsfluid durch eine Expansionsvorrichtung fließt wie z.B. ein thermostatisches Expansionsventil, eine Kapillarröhre und eine Drucksteuerung, oder wenn das Wärmeübertragungsfluid durch eine Düse oder eine feste Öffnung fließt. Oftmals muss das Maß, um das ein Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert, variiert werden, abhängig von den Bedingungen in dem Dampfkompressionssystem. Vorrichtungen wie Kapillarröhren, Drucksteuerungen, Düsen oder feste Öffnungen haben feste Abmessungen und können die Menge, um die ein Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert, nicht variieren. Obwohl viele thermostatische Expansionsventile die Menge variieren können, um die ein Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert wird, sind diese komplex und eher teuer in der Herstellung. Darüber hinaus sind thermostatische Expansionsventile nicht so präzise wie Kapillarröhren, eine Drucksteuerung oder Düsen oder feste Öffnungen, wenn es darum geht, die Menge, um die das Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert wird, zu steuern.
Dementsprechend sind zusätzliche Entwicklungen von Dampfkompressionssystemen und spezieller Expansionsvorrichtungen für Dampfkompressionssysteme nötig, um die Komplexität und Kosten der Herstellung der Expansionsventile zu senken, die die Menge, um die ein Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert wird, steuern können, und um die Präzision von Expansionsvorrichtungen, die die Menge, um die ein Wärmeübertragungsfluid volumenmäßig expandiert wird, variieren können, zu steigern.
Ein Beispiel einer vorbekannten Expansionsvorrichtung mit selektiv variabler Flussmenge ist beschrieben in US-Patent 4,612,783 . Dieses Patent beschreibt eine Expansionsvorrichtung mit einem Kühlmittelfließpfad mit einem Einlass und einem Auslass. Der Hauptkörper besitzt ein Steckelement, welches relativ zum Hauptkörper zwischen einer Vielzahl von unterschiedlichen Flusspositionen, durch die unterschiedliche vorbestimmte Flussmengen des Kühlmittels passieren können, selektiv drehbar ist.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Expansionsvorrichtung für ein Dampfkompressionssystem zur Verfügung gestellt. Die Expansionsvorrichtung hat ein Gehäuse, welches eine Gehäuseöffnung definiert. Die Expansionsvorrichtung besitzt auch wenigstens eine Kugel in dem Gehäuse. Die Kugel ist im Wesentlichen kugelförmig und bildet wenigstens zwei Kanäle, wobei jeder Kanal eine Kanalöffnung definiert. Die effektive Querschnittsfläche der einen Kanalöffnung ist größer als die effektive Querschnittsfläche der anderen Kanalöffnung. Darüber hinaus ist die Kugel zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei die Gehäuseöffnung in der ersten Position effektiv größer gemacht ist als in der zweiten Position.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Dampfkompressionssystem zur Verfügung gestellt. Das Dampfkompressionssystem umfasst eine Leitung für fließendes Wärmeübertragungsfluid, einen Kompressor, verbunden mit der Leitung, zum Erhöhen von Druck und Temperatur des Wärmeübertragungsfluids, einen Kondensator, verbunden mit der Leitung, zum Verflüssigen des Wärmeübertragungsfluids, und eine Expansionsvorrichtung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, verbunden mit der Leitung, zum Expandieren des Wärmeübertragungsfluids. Das Dampfkompressionssystem umfasst ebenso einen Verdampfer, verbunden mit der Leitung, zum Übertragen von Wärme von der Umgebung auf das Wärmeübertragungsfluid.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines Dampfkompressionssystems, angeordnet gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist eine perspektivische Ansicht einer Expansionsvorrichtung, verbunden mit einer Leitung, hier nur zur Information dargestellt und nicht Teil der beanspruchten Erfindung;
3 ist ein perspektivischer Querschnitt der Expansionsvorrichtung von 2, wobei die Expansionsvorrichtung in einer teilweise offenen Position dargestellt ist;
4 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 2, wobei die Expansionsvorrichtung in einer ganz offenen Position dargestellt ist;
5 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 2, wobei die Expansionsvorrichtung in der ganz geschlossenen Position dargestellt ist;
6 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer weiteren Expansionsvorrichtung, hier nur zur Information dargestellt und nicht Teil der beanspruchten Erfindung;
7 ist eine perspektivische Querschnittsansicht einer weiteren Expansionsvorrichtung, wobei die Expansionsvorrichtung in einer geschlossenen Position und hier nur zur Information dargestellt ist und nicht Teil der vorliegenden Erfindung bildet;
8 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 6, wobei die Expansionsvorrichtung in einer teilweise offenen Position dargestellt ist;
9 ist eine perspektivische Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 6, wobei die Expansionsvorrichtung in einer ganz offenen Position dargestellt ist;
10 ist eine perspektivische Ansicht einer weiteren Expansionsvorrichtung, verbunden mit einer Leitung, die hier nur zur Information dargestellt ist und nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildet;
11 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Expansionsvorrichtung von 9;
12 ist eine Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 9, wobei die Expansionsvorrichtung in einer teilweise offenen Position dargestellt ist;
13 ist eine Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 9, wobei die Expansionsvorrichtung in einer ganz offenen Position dargestellt ist;
14 ist eine Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung von 9, wobei die Expansionsvorrichtung in einer ganz geschlossenen Position dargestellt ist;
15 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer weiteren Expansionsvorrichtung, die hier nur zur Information dargestellt ist und nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildet;
16 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Expansionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
17 ist eine vergrößerte Teil-Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung in 16 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
18 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 18 der Expansionsvorrichtung von 17 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
19 ist eine vergrößerte Teil-Querschnittsansicht einer Expansionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
20 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie 20 der Expansionsvorrichtung von 19 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
21 ist eine Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
22 ist eine Querschnittsansicht der Expansionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Zur Vereinfachung und Klarheit der Darstellung sind die Elemente in den Figuren nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet. Beispielsweise sind die Dimensionen einiger Elemente relativ zueinander überzeichnet. Ferner wurden die Bezugszeichen, wenn passend, in den Figuren wiederholt, um entsprechende Elemente anzuzeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER DERZEIT BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein Dampfkompressionssystem 10 ist in 1 dargestellt. Das Dampfkompressionssystem 10 umfasst einen Kompressor 12 zum Steigern von Druck und Temperatur eines Wärmeübertragungsfluids 34, einen Kondensator 14 zum Verflüssigen des Wärmeübertragungsfluids 34, einen Verdampfer 16 zum Übertragen von Wärme von der Umgebung auf das Wärmeübertragungsfluid 34, eine Expansionsvorrichtung 18 zum Expandieren des Wärmeübertragungsfluids 34, und eine Leitung 19 zum Führen des Wärmeübertragungsfluids. Leitung 19 ermöglicht den Fluss eines Wärmeübertragungsfluids 34 von einer Komponente des Dampfkompressionssystems 10, beispielsweise Kompressor 12, Kondensator 14, Verdampfer 16 und Expansionsvorrichtung 18 zu einer anderen Komponente des Dampfkompressionssystems 10. Kompressor 12, Kondensator 14, Verdampfer 16 und Expansionsvorrichtung 18 sind alle mit der Leitung 19 verbunden. in einer Ausführungsform umfasst die Leitung 19 eine Auslassleitung 20, eine Flüssigkeitsleitung 22, eine Gesättigter-Dampf-Leitung 28 und eine Saugleitung 30, wie in 1 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist der Kompressor 12 mit dem Kondensator 14 verbunden durch die Auslassleitung 20, der Kondensator 14 ist verbunden mit der Expansionsvorrichtung 18 durch die Flüssigkeitsleitung 22, die Expansionsvorrichtung 18 ist verbunden mit dem Verdampfer 16 durch die Gesättigter-Dampf-Leitung 28 und der Verdampfer 16 ist verbunden mit dem Kompressor 12 durch die Saugleitung 30, wie in 1 dargestellt.
Das Dampfkompressionssystem 10 umfasst einen Sensor 32, betrieblich verbunden mit der Expansionsvorrichtung 18. Der Sensor 32 kann benutzt werden, um die Rate, um die ein Wärmeübertragungsfluid 34 durch die Expansionsvorrichtung 18 volumenmäßig expandiert wird, zu variieren. Vorzugsweise ist der Sensor 32 an einem Abschnitt der Leitung 19 befestigt, wie z.B. an der Saugleitung 30, und ist betrieblich verbunden mit der Expansionsvorrichtung 18. Der Sensor 32 kann von jedem den Fachleuten bekannten Sensortyp sein, der konstruiert ist, die Zustande in und am Dampfkompressionssystem 10, beispielsweise Temperatur, Druck, Enthalpie und Feuchtigkeit des Wärmeübertragungsfluids 34 oder jede andere Art von Zuständen zu detektieren, die in und um das Dampfkompressionssystem 10 überwacht werden können. Beispielsweise kann der Sensor 32 ein Drucksensor ein, der den Druck des Wärmeübertragungsfluids 34 an einem bestimmten Punkt in dem Dampfkompressionssystem detektiert, oder der Sensor 32 kann ein Temperatursensor sein, der die Temperatur in der Umgebung 11 des Dampfkompressionssystems 10 detektiert. Vorzugsweise ist der Sensor 32 durch die Steuerleitung 33 mit der Expansionsvorrichtung 18 betrieblich verbunden.
Das Dampfkompressionssystem 10 kann im Wesentlichen ein kommerziell erhältliches Wärmeübertragungsfluid 34 benutzen, einschließlich Kühlmittel wie z.B. Chlorfluorkarbone wie R-12, welches ein Dichlordifluormethan ist, R-22, welches ein Monochlordifluormethan ist, R-500, welches ein azeotropisches Kühlmittel ist, bestehend aus R-12 und R-152a, R-503, welches ein azeotropisches Kühlmittel ist, bestehend aus R-23 und R-13, und R-502, welches ein azeotropisches Kühlmittel ist, bestehend aus R-22 und R-115. Das Dampfkompressionssystem 10 kann ebenso Wärmeübertragungsfluide 34 verwenden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kühlmittel R-13, R-113, 141b, 123a, 123, R-114 und R-11. Zusätzlich kann das Dampfkompressionssystem 10 Wärmeübertragungsfluide 34 verwenden einschließlich Hydrochlorfluorkarbone wie z.B. 141b, 123a, 123 und 124; Hydrofluorkarbone wie R-134a, 134, 152, 143a, 125, 32, 23; azeotropische HFCs wie AZ-20 und AZ-50 (allgemein bekannt als R-507); und gemischte Kühlmittel wie MP-39, HP-80, FC-14, R-717 und HP-62 (allgemein bekannt als R-404a). Dementsprechend sollte vermerkt werden, dass das spezielle Wärmeübertragungsfluid 34 oder die Kombination von Wärmeübertragungsfluiden, die in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, als nicht kritisch für den Betrieb der vorliegenden Erfindung eingestuft wird, zumal erwartet werden kann, dass die Erfindung mit scheinbar allen Wärmeübertragungsfluiden 34 mit größerer Systemeffizienz arbeitet, als es mit jedem anderen zuvor bekannten Dampfkompressionssystem erreichbar ist, welches dasselbe Wärmeübertragungsfluid 34 verwendet.
Der Kompressor 12 komprimiert das Wärmeübertragungsfluid 34 auf relativ hohen Druck und Temperatur. Die Temperatur und der Druck, auf die das Wärmeübertragungsfluid 34 durch den Kompressor komprimiert wird, hängt ab von der speziellen Art des Dampfkompressionssystems 10 und den Kühlleistungsanforderungen des Dampfkompressionssystems 10. Der Kompressor 12 pumpt dann das Wärmeübertragungsfluid 34 in die Auslassleitung 20 und in den Kondensator 14. Im Kondensator 14 wird ein Medium wie Luft, Wasser oder ein zweites Kühlmittel gegen die Rohrschlangen in dem Kondensator 14 geblasen, wobei es das unter Druck gesetzte Wärmeübertragungsfluid 34 veranlasst, in den flüssigen Zustand zu wechseln. Die Temperatur des Wärmeübertragungsfluids 34 fällt, da die latente Wärme in dem Wärmeübertragungsfluid 34 während des Kondensationsprozesses ausgetrieben wird. Der Kondensator 14 entlässt das verflüssigte Wärmeübertragungsfluid 34 in die Flüssigkeitsleitung 22.
Wie in 1 dargestellt, entlässt die Flüssigkeitsleitung 22 das Wärmeübertragungsfluid 34 in die Expansionsvorrichtung 18, wo das Wärmeübertragungsfluid 34 eine Volumenexpansion erfährt. Das aus dem Kondensator 14 entlassene Wärmeübertragungsfluid tritt in die Expansionsvorrichtung 18 ein und erfährt eine Volumenexpansion mit einer Rate, die durch die Zustände, z.B. Temperatur und Druck der Saugleitung 30, am Sensor 32 bestimmt ist. Der Sensor 32 meldet die Information über die Zustände der Saugleitung, wie z.B. Druck und Temperatur, durch die Steuerleitung 33 an die Expansionsvorrichtung 18. Nach der Volumenexpansion entlässt die Expansionsvorrichtung 18 das Wärmeübertragungsfluid 34 als gesättigten Dampf in die Gesättigter-Dampf-Leitung 28. Die Gesättigter-Dampf-Leitung 28 verbindet die Expansionsvorrichtung 18 mit dem Verdampfer 16. Der Verdampfer 16 überträgt Wärme von der Umgebung 11 auf das Wärmeübertragungsfluid 34. Die Umgebung 11 ist die Atmosphäre, die das Dampfkompressionssystem 10 umgibt, wie in 1 dargestellt. Nach Verlassen des Verdampfers 16 wandert das Wärmeübertragungsfluid durch die Saugleitung 30 zurück zum Kompressor 12.
Die Expansionsvorrichtung 18 ist in dem Dampfkompressionssystem 10 an einem Punkt angeordnet, wo gewünscht ist, dass das Wärmeübertragungsfluid 34 volumenmäßig expandiert, wie zwischen dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 16. Vorzugsweise ist die Expansionsvorrichtung 18 an einem Punkt in dem Dampfkompressionssystem 10 angeordnet, an dem gewünscht ist, die Rate, mit der ein Wärmeübertragungsfluid 34 volumenmäßig expandiert wird, zu variieren, wie zwischen dem Kondensator 14 und dem Verdampfer 16, wie in 1 dargestellt. Die Expansionsvorrichtung 18 kann verwendet werden anstelle oder in Kombination mit Messvorrichtungen wie z.B., aber nicht beschränkt auf ein thermostatisches Expansionsventil, eine Kapillarröhre, eine Drucksteuerung, eine Düse und eine feste Öffnung. Vorzugsweise wird das Wärmeübertragungsfluid 34 volumenmäßig expandiert, wenn das Wärmeübertragungsfluid 34 durch die Expansionsvorrichtung 18 fließt.
In 2 ist eine perspektivische Ansicht einer Expansionsvorrichtung 18 dargestellt, verbunden mit der Leitung 19, hier nur zur Information beschrieben und nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildend. Die Expansionsvorrichtung 18 umfasst ein Gehäuse 40 und wenigstens eine Lamelle 48, wie in den 3-8 dargestellt. Das Gehäuse 40 definiert eine erste Öffnung 44. Vorzugsweise ist das Gehäuse 40 hergestellt aus und umfasst ein steifes Stahlmaterial, jedoch kann das Gehäuse 40 aus jedem anderen Material hergestellt werden, das dem Fachmann bekannt ist, wie z.B. Keramik, Kohlefaser, Metall oder Metalllegierung, Kunststoff oder irgendein anderes Material. Wie hier definiert, ist eine Öffnung wie z.B. die erste Öffnung 44 eine beliebige Öffnung, durch die ein Fluid, z.B. das Wärmeübertragungsfluid 34, passieren kann. Die Öffnung kann eine oder mehrere Formen haben, wie z.B. eine Kreisform (wie in den 7-9 dargestellt), eine Tränenform, eine Augenform (wie in den 3-6 dargestellt), eine quadratische oder rechteckige Form oder irgendeine unregelmäßige Form. Die Lamelle 48 ist mit dem Gehäuse 40 verbunden. Vorzugsweise ist die Lamelle 48 mit dem Gehäuse 40 verbunden, wie in den 3-8 dargestellt. In einer Ausführungsform ist die Lamelle 48 mit wenigstens einer Führungsbahn 56 in dem Gehäuse 40 verbunden, wobei die Führungsbahn 46 einen Pfad definiert, auf dem die Lamelle 48 sich bewegt. Die Lamelle 48 kann eine oder viele Formen haben, wie z.B. eine Kreisform oder eine Scheibenform, eine V-Form (wie in den 3-5 dargestellt), eine gekrümmte Form (wie in den 7-9 dargestellt), eine quadratische oder rechteckige Form (wie in 6 dargestellt) oder irgendeine irreguläre Form. Die Lamelle 48 umfasst und ist hergestellt aus einem beliebigen Material, welches den Fachleuten bekannt ist, beispielsweise Keramik, Kohlefaser, Metall oder Metalllegierung, Kunststoff oder irgendein anderes Material. Vorzugsweise schließt die Lamelle 48 ein und ist hergestellt aus Federstahl.
Die Lamelle 48 ist beweglich zwischen einer ersten Position, wie in 4 dargestellt, und einer zweiten Position, wie in den 3 und 5 dargestellt, wobei die erste Öffnung 44 in der ersten Position größer ist als in der zweiten Position. Die Lamelle 48 kann entweder manuell von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt werden oder automatisch mit Hilfe eines Motors oder eines anderen Mittels von einer ersten Position zu einer zweiten Position bewegt werden. Wie hier definiert, wird eine Öffnung, z.B. die Öffnung 44, größer, wenn die Querschnittsfläche der Öffnung wirksam vergrößert wird, und eine Öffnung wird kleiner, wenn die Querschnittsfläche der Öffnung effektiv verkleinert wird wie in den 3-5 dargestellt. Durch Vergrößern oder Verkleinern der Querschnittsfläche einer Öffnung wie z.B. der Öffnung 44 kann die Rate der volumenmäßigen Expansion innerhalb eines Wärmeübertragungsfluids 34 gesteuert und variiert werden. Vorzugsweise überlappt die Lamelle 48 wenigstens einen Abschnitt der ersten Öffnung, wenn die Lamelle 48 in der zweiten Position ist, wobei sie die erste Öffnung kleiner macht.
Die Expansionsvorrichtung 18 umfasst eine erste Lamelle 50 und eine zweite Lamelle 52, wie in den 3-5 dargestellt. Vorzugsweise sind die ersten und zweiten Lamellen 50, 52 mit dem Gehäuse 40 verbunden, wie in den 3-8 dargestellt. In einer Ausführungsform sind die ersten und zweiten Lamelle 50, 52 mit wenigstens einer Führungsbahn 56 in dem Gehäuse 40 verbunden, wobei die Führungsbahn 56 einen Pfad definiert, auf dem die ersten und zweiten Lamellen 50, 52 sich bewegen. Die erste Lamelle 50 und die zweite Lamelle 52 sind zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar, wobei die erste Öffnung 44 in der ersten Position größer ist als in der zweiten Position, wie in den 3-5 dargestellt.
Die Expansionsvorrichtung umfasst eine einzige Lamelle 48, wobei die einzige Lamelle 48 eine zweite Öffnung 46 definiert, wie in 6 dargestellt. Vorzugsweise ist die zweite Öffnung 46 benachbart zu der ersten Öffnung 44. Die Lamelle 48 ist zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei die erste Öffnung in der ersten Position größer ist als in der zweiten Position. Durch Bewegen der Lamelle 48 zwischen einer ersten und einer zweiten Position überlappt die zweite Öffnung 46 mit Teilen der ersten Öffnung 44, und die erste Öffnung 44 kann größer oder kleiner gemacht werden.
Die Expansionsvorrichtung 18 kann eine Serie von Lamellen 48 umfassen, wobei die Serie von Lamellen 48 eine zweite Öffnung 46 definiert, wie in den 7-9 dargestellt. Die zweite Öffnung 46 überlappt die erste Öffnung 44. Vorzugsweise ist die zweite Öffnung 46 benachbart zu der ersten Öffnung 44. Die Lamellen 48 sind beweglich zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position, wobei die zweite Öffnung 46 in der ersten Position größer ist als in der zweiten Position. Durch Bewegen der Lamellen 48 zwischen einer ersten und einer zweiten Position kann die zweite Öffnung 46 größer oder kleiner gemacht werden. Da die zweite Öffnung 46 die erste Öffnung 44 überlappt, kann die erste Öffnung 44 größer oder kleiner gemacht werden, wenn die zweite Öffnung 46 größer oder kleiner gemacht wird. In einem Beispiel definieren die Serien von Lamellen 48 eine zweite Öffnung 46, die im Wesentlichen kreisförmig ist, wie in den 7-9 dargestellt. In diesem Beispiel sind die Serien von Lamellen 48 in einer Formation arrangiert, die der Blende einer Kameralinse ähnelt.
In einem Beispiel steuert der Sensor 32 die Bewegung von wenigstens einer Lamelle 48 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position. Vorzugsweise ist der Sensor 32 mit einer Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden, wie z.B. einem Elektromotor oder einem Elektromagneten, wobei die Antriebsvorrichtung benutzt werden kann, um nach Empfangen eines Signals von dem Sensor 32 den Lamelle 48 automatisch von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu bewegen.
In einem weiteren Beispiel, das hier nur zur Information beschrieben wird und nicht Teil der beanspruchten Erfindung bildet, umfasst die Expansionsvorrichtung 18 ein erstes Blech 60, welches eine erste Öffnung 62 definiert, und ein zweites Blech 64, welches das erste Blech 60 überlappt, wie in den 10-15 dargestellt. Das erste Blech 60 und das zweite Blech 64 können hergestellt sein aus und schließen ein jedes Material, das dem Fachmann bekannt ist, wie Keramik, Kohlefaser, Metall oder Metalllegierung, Kunststoff oder ein anderes Material. Vorzugsweise sind das erste Blech 60 und das zweite Blech 64 hergestellt aus und schließen ein Keramikmaterial. Das erste Blech 60 und das zweite Blech 64 können eine von vielen Formen haben, wie z.B. eine Kreisform oder eine Scheibenform (wie in den 3-5 dargestellt), eine V-Form, eine Kurvenform, eine quadratische oder rechteckige Form oder irgendeine irreguläre Form. Das zweite Blech 64 definiert eine zweite Öffnung 66, wobei die zweite Öffnung 66 zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position beweglich ist und wobei die zweite Öffnung in der ersten Position größer ist als in der zweiten Position. In einem Beispiel rotiert entweder das erste Blech 60 oder das zweite Blech 64 um eine gemeinsame Achse 68, wie in 11 dargestellt. Vorzugsweise ist die gemeinsame Achse 68 im Allgemeinen auf dem ersten Blech 60 und dem zweiten Blech 64 zentriert. In einer Ausführungsform ist das erste Blech 60 in Bezug auf ein Gehäuse 70 fixiert, und das zweite Blech 64 rotiert um eine gemeinsame Achse 68, wobei die Achse 68 im Zentrum des ersten Bleches 60 und des zweiten Bleches 64 angeordnet ist, wie in 10 dargestellt. Vorzugsweise umfasst die Expansionsvorrichtung 18 eine Lasche 58, die sich von dem Gehäuse 70 erhebt und mit dem zweiten Blech 64 verbunden ist, wobei die Lasche 58 es möglich macht, das zweite Blech 64 manuell von einer ersten Position in eine zweite Position zu bewegen.
Vorzugsweise wird das Wärmeübertragungsfluid 34 benutzt, um die Lamelle 48 oder die ersten und zweiten Bleche 60, 64 zu schmieren, so dass die Lamelle 48 und/oder das erste und zweite Blech 60, 64 sich frei umeinander bewegen können.
Das zweite Blech 64 definiert mehrere Öffnungen 66, und das erste Blech 60 definiert eine einzige Öffnung 62, wobei die Größe und die Form der Öffnung 62 es möglich machen, dass die Öffnung 62 die mehreren Öffnungen 66 überlappt, wie in 15 dargestellt. Die mehreren Öffnungen 66 sind zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar, wobei die einzige Öffnung die mehreren Öffnungen in der zweiten Position überlappt und wobei die einzige Öffnung 62 größer gemacht ist als die mehreren Öffnungen, die in die zweite Position bewegt sind, wie in 15 dargestellt.
Eine Ausführungsform der Expansionsvorrichtung 18 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in den 16-20 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 78 bezeichnet. Diese Ausführungsform ist in der Funktion ähnlich zu der, die in den 2-15 beschrieben war und die allgemein mit dem Bezugszeichen 18 bezeichnet war. Wie in 16 dargestellt, ist die Expansionsvorrichtung 78 mit der Leitung 19 verbunden. Die Expansionsvorrichtung 78 umfasst ein Gehäuse 80 und wenigstens eine Kugel 84 in dem Gehäuse 80, wie in den 16-20 dargestellt. Das Gehäuse 80 umfasst eine Bohrung 72, die eine Gehäuseöffnung 74 definiert, durch die das Wärmeübertragungsfluid das Gehäuse 80 betritt. Vorzugsweise umfasst das Gehäuse 80 ein steifes Stahlmaterial, jedoch kann das Gehäuse 80 aus jedem anderen steifen Material hergestellt werden, das den Fachleuten bekannt ist, wie z.B. Keramik, Kohlefaser, Metall oder Metalllegierung, Kunststoff oder irgendein anderes steifes Material. Das Gehäuse 80 ist vorzugsweise hergestellt als zweiteilige Struktur mit einem Set von Gewindestutzen 128, die ein Set von Gewindebolzen 94 aufnehmen, wie in 16 dargestellt. Das Gehäuse 80 ist mit einem Endstück 82 verbunden durch ein Set von Öffnungen 130 in dem Endstück 82 und einem Set von Gewindemuttern 110, welche die Gewindebolzen 94 aufnehmen, wie in 16 dargestellt. Eine Gehäusedichtung 92 ist dimensioniert, um dichtend zwischen dem Gehäuse 80 und dem Endstück 82 aufgenommen zu werden.
Die Kugel 84 sitzt in der Bohrung 72 des Gehäuses 80 und ist gehalten zwischen zwei Sitzen 86, die so dimensioniert sind, dass sie in der Bohrung 72 des Gehäuses 80 dichtend aufgenommen sind. Die Kugel 84 hat die Form einer Kugel. Die Kugel 84 bildet eine Nut 126, die einen Justierhebel 88 durch eine zweite Bohrung 130 des Gehäuses 80 aufnimmt. Eine Ringscheibe 90 umringt die Basis des Justierhebels 88. Der Justierhebel 88 empfängt eine Dichtpackung 98, eine Dichtungsmanschette 100, eine Dichtungsfeder 102, eine Federkappe 104 und ein Axiallager 106, die über der Ringscheibe 90 liegen und im Wesentlichen in der Bohrung 130 positioniert sind. Eine Basisplatte 96 hält den Justierhebel 88 in der Bohrung 130. Eine Spitze 89 des Justierhebels 88 stößt durch eine Öffnung in der Basisplatte 96. Ein Handgriff 112 bildet eine Öffnung 116, die auf die Spitze 89 passt. Eine Handgriffbefestigungsschraube 114 befestigt den Handgriff 112 an dem Justierhebel 88. Wenn der Handgriff 112 sich in der Richtung R dreht, drehen sich der Justierhebel 88 und die Kugel 84 in der Richtung R, wie in 16 dargestellt.
Wenn der Handgriff 112 rotiert, ist die Kugel 84 zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar. Die Kugel 84 bildet wenigstens zwei Kanäle 118, die jeweils eine Kanalöffnung 76 bilden, wie in den 18 und 20-22 dargestellt. In einer Ausführungsform geht jeder Kanal 118 ganz durch die Kugel 84, wie in den 18 und 20 dargestellt. In einer Ausführungsform geht der erste Kanal 120 durch die Kugel 84, während der zweite Kanal 122 nur teilweise durch die Kugel 84 geht und den ersten Kanal 120 an einem Punkt innerhalb der Kugel 84 schneidet, wie in 22 dargestellt. Der erste Kanal 120 bildet eine erste Kanalöffnung 76 mit einer effektiven Querschnittsfläche C und der zweite Kanal 122 bildet eine zweite Kanalöffnung 76 mit einer effektiven Querschnittsfläche B, wobei die effektive Querschnittsfläche C ungleich der effektiven Querschnittsfläche B ist, wie in den 18 und 20-22 dargestellt. Wie hier definiert, ist die effektive Querschnittsfläche die Querschnittsfläche entlang einer Ebene durch den Kanal, wobei die Ebene im Wesentlichen senkrecht zu der Richtung F des Flusses des Wärmeübertragungsfluids 34 durch diesen Kanal ist. Vorzugsweise ist die effektive Querschnittsfläche C größer als die effektive Querschnittsfläche B. Besonders bevorzugt ist die effektive Querschnittsfläche C um wenigstens 5 % und noch bevorzugter um wenigstens 10 % größer als die effektive Querschnittsfläche B.
Während ein Kanal, wie z.B. der erste Kanal 120, eine Anzahl von Öffnungen entlang der entwickelten Länge dieses Kanals definieren kann, wie hier definiert, ist die Kanalöffnung 76 die Öffnung, die durch einen Kanal definiert wird, der die kleinste Querschnittsfläche von jeder anderen Öffnung hat, die durch diesen Kanal definiert wird. Beispielsweise, wie in 22 dargestellt, definiert der zweite Kanal 122 eine erste Öffnung 76 und eine zweite Öffnung 77, wobei die erste Öffnung 75 eine effektive Querschnittsfläche B und die zweite Öffnung 77 eine effektive Querschnittsfläche G hat und wobei die effektive Querschnittsfläche B kleiner ist als die effektive Querschnittsfläche G, die Kanalöffnung 76 ist die erste Öffnung 75.
Das Wärmeübertragungsfluid 34 fließt in einer Richtung F durch die Leitung 19 und durch die Gehäuseöffnung 74 mit einem Durchmesser D in die Expansionsvorrichtung 78, wie in den 17-22 dargestellt. Das Wärmeübertragungsfluid 34 fließt dann durch entweder den ersten Kanal 120 oder den zweiten Kanal 122, abhängig von der Position der Kugel 84.
Beispielsweise wenn die Kugel 84 in einer ersten Position ist, kann das Wärmeübertragungsfluid 34 durch den ersten Kanal 120 fließen, und wenn die Kugel 84 in einer zweiten Position ist, kann das Wärmeübertragungsfluid 34 durch den zweiten Kanal 122 fließen. In einer Ausführungsform fließt das Wärmeübertragungsfluid 34, wenn die Kugel 84 in einer ersten Position ist, durch den ersten Kanal 120 und den zweiten Kanal 122, wie in den 21 und 22 dargestellt.
Wie hier definiert, wird eine Öffnung, wie z.B. die Öffnung 74, vergrößert, wenn die Querschnittsfläche der Öffnung effektiv vergrößert ist, und die Öffnung wird verkleinert, wenn die Querschnittsfläche der Öffnung effektiv reduziert ist. Durch Bewegen der Kugel 84 von einer ersten Position zu einer zweiten Position kann die Querschnittsfläche der Gehäuseöffnung 74 effektiv vergrößert oder verkleinert werden, so dass die Rate der Volumenexpansion in einem Wärmeübertragungsfluid 34, welches durch die Gehäuseöffnung 74 und durch die Expansionsvorrichtung 78 fließt, präzise kontrolliert und variiert werden kann.
Die Kugel 84 kann entweder manuell von einer ersten zu einer zweiten Position bewegt werden oder automatisch mit Hilfe eines Motors oder anderen Mitteln von einer ersten zu einer zweiten Position bewegt werden. In einer Ausführungsform steuert der Sensor 32 die Bewegung der Kugel 84 zwischen einer ersten und einer zweiten Position. Vorzugsweise ist der Sensor 32 mit einer Antriebsvorrichtung (nicht dargestellt), wie z.B. einem Elektromotor oder einem Elektromagneten verbunden, wobei die Antriebsvorrichtung benutzt werden kann, um die Kugel 84 nach Empfangen eines Signals von dem Sensor 32 von einer ersten Position zu einer zweiten Position zu bewegen.
In einer Ausführungsform bildet die Kugel 84 einen ersten Kanal 120 mit einer Öffnung 76 mit einer effektiven Querschnittsfläche C, einen zweiten Kanal 122 mit einer Öffnung 76 mit einer effektiven Querschnittsfläche B und einen dritten Kanal 124 mit einer Öffnung 76 mit einer effektiven Querschnittsfläche A, wobei die effektive Querschnittsfläche A ungleich den effektiven Querschnittsflächen C oder B ist und die effektive Querschnittsfläche C ungleich der effektiven Querschnittsflächen B ist, wie in den 17-20 dargestellt.
In einer Ausführungsform bilden der erste Kanal 120 und der zweite Kanal 122 einen Schnittpunkt 132, wobei der Pfad der ersten Kanals 120 den Pfad des zweiten Kanals 122 kreuzt, wie in den 18, 21 und 22 dargestellt. In einer Ausführungsform ist der erste Kanal 120 oberhalb oder unterhalb des zweiten Kanals 122 positioniert und bildet somit keinen Schnitt mit dem zweiten Kanal 122, wie in 20 dargestellt.
In einer Ausführungsform sind der erste Kanal 120 und der zweite Kanal 122 nahe beieinander positioniert, so dass das Wärmeübertragungsfluid 34 entweder durch den ersten Kanal 120 oder den zweiten Kanal 122 oder durch sowohl den ersten als auch den zweiten Kanal 120, 122 fließen kann, abhängig von der Position der Kugel 84, wie in 21 dargestellt. Beispielsweise wenn die Kugel 84 in einer ersten Position ist, kann das Wärmeübertragungsfluid 34 durch den ersten Kanal 120 fließen, und wenn die Kugel 84 in einer zweiten Position ist, kann das Wärmeübertragungsfluid 34 durch den zweiten Kanal 122 fließen. Jedoch, wenn die Kugel in einer dritten Position ist, kann das Wärmeübertragungsfluid sowohl durch den ersten als auch durch den zweiten Kanal fließen. In dieser Ausführungsform können die effektive Querschnittsfläche C des ersten Kanals und die effektive Querschnittsfläche B des zweiten Kanals einander gleich sein.
Die Expansionsvorrichtung 18 kann mit einer traditionellen Expansionsvorrichtung kombiniert werden, wobei die traditionelle Expansionsvorrichtung das Wärmeübertragungsfluid 34 mit einer festen Rate volumenmäßig expandiert. Durch Kombination der Expansionsvorrichtung 18 mit einer traditionellen Expansionsvorrichtung kann das Wärmeübertragungsfluid 34 mit einer variablen Rate volumenmäßig expandiert werden und somit den Effekt eines thermostatischen Expansionsventils simulieren, jedoch mit reduzierten Kosten.
Fachleute werden erkennen, dass mehrere Modifikationen an dem Dampfkompressionssystem 10 vorgenommen werden können, um eine Vielfalt von Anwendungen zu erfüllen. Beispielsweise kann das Dampfkompressionssystem 10, wenn es in einem Lebensmitteleinzelhandelsgeschäft arbeitet, eine Mehrzahl von Verdampfern 16 umfassen, die durch einen gemeinsamen Kompressor 12 bedient werden. Ebenso können in Anwendungen, die Kühlbetrieb mit hohen thermischen Leistungen benötigen, mehrere Kompressoren 12 benutzt werden, um die Kühlkapazität des Dampfkompressionssystems 10 zu steigern.
Fachleute werden erkennen, dass das Dampfkompressionssystem in einer Vielzahl von Konfigurationen realisiert werden kann. Beispielsweise können der Kompressor 12, der Kondensator 14, die Expansionsvorrichtung 18 und der Verdampfer 16 gemeinsam in einem einzigen Gehäuse untergebracht und in einem Kühlraum platziert werden. In dieser Anwendung erstreckt sich der Kondensator 14 durch die Wand des Kühlraums, und Umgebungsluft außerhalb des Kühlraums wird benutzt, um das Wärmeübertragungsfluid 34 zu kondensieren. In einer anderen Anwendung kann das Dampfkompressionssystem 10 für die Klimatisierung einer Wohnung oder eines Büros konfiguriert werden. In noch einer anderen Anwendung kann das Dampfkompressionssystem 10 benutzt werden, um Wasser zu kühlen. In dieser Anwendung ist der Verdampfer 16 in zu kühlendes Wassereingetaucht. Alternativ kann das Wasser durch Röhren gepumpt werden, die mit der Verdampferschlange 44 verbunden sind. In noch einer weiteren Anwendung kann das Dampfkompressionssystem 10 mit einem weiteren System kaskadiert werden, um extrem niedrige Kühltemperaturen zu erreichen. Beispielsweise können zwei Dampfkompressionssysteme, die unterschiedliche Wärmeübertragungsfluide 34 verwenden, derart gekoppelt werden, dass der Verdampfer eines ersten Systems eine niedrige Umgebungstemperatur zur Verfügung stellt. Ein Kondensator des zweiten Systems ist in der Niedrigtemperatur-Umgebung positioniert und wird benutzt, um das Wärmeübertragungsfluid in dem zweiten System zu kondensieren.
Wie den Fachleuten bekannt, kann jedes Element des oben beschriebenen Dampfkompressionssystems 10 wie z.B. der Verdampfer 16, die Flüssigkeitsleitung 22 und die Saugleitung 30 in der Größe verändert und angepasst werden, um eine Vielzahl von Leistungsanforderungen zu erfüllen. Zusätzlich kann die Kühlleistung des Wärmeübertragungsfluids in dem Dampfkompressionssystem 10 gleich oder größer sein als die Kühlleistung eines konventionellen Systems.
Somit ist augenscheinlich, dass hier in Übereinstimmung mit der Erfindung ein Dampfkompressionssystem zur Verfügung gestellt wurde, welches die oben genannten Vorteile voll erfüllt. Obwohl die Erfindung beschrieben und dargestellt wurde mit Bezug auf spezielle illustrierte Ausführungsbeispiele derselben, ist es nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf diese illustrativen Ausführungsformen begrenzt wird. Fachleute werden erkennen, dass Variationen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne die Erfindung zu verlassen. Beispielsweise können nicht halogenhaltige Kühlmittel benutzt werden, wie z.B. Ammoniak und dergleichen. Es ist daher beabsichtigt, in die Erfindung alle solchen Modifikationen und Variationen einzuschließen, die in den Schutzumfang der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Expansionsvorrichtung (78) für ein Dampfkompressionssystem (10), umfassend: ein Gehäuse (80) mit einer Gehäuseöffnung (74); und wenigstens eine Kugel (84) in dem Gehäuse, wobei die Kugel im Wesentlichen sphärisch ist und wenigstens zwei Kanäle (118, 120, 122) bildet, wobei jeder Kanal (118, 120, 122) eine Kanalöffnung (76) definiert, wobei die effektive Querschnittsfläche der einen Kanalöffnung (76) größer ist als die effektive Querschnittsfläche der anderen Kanalöffnung (76), wobei die Kugel (84) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position bewegbar ist und wobei die Gehäuseöffnung (74) in der ersten Position effektiv größer ist als in der zweiten Position.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei die Gehäuseöffnung (74) dazu bestimmt ist, ein Wärmeübertragungsfluid aufzunehmen.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei die Kugel (84) einen dritten Kanal bildet, wobei die Kugel zwischen einer zweiten und einer dritten Position bewegbar ist.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei die Kugel (84) einen dritten Kanal bildet, wobei die Kugel zwischen einer zweiten und einer dritten Position bewegbar ist, wobei die Gehäuseöffnung (74) in der dritten Position effektiv kleiner ist als in der ersten Position.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal (120) und der zweite Kanal (122) sich schneiden.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal (120) und der zweite Kanal (122) sich nicht schneiden.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei die Kanalöffnung (76) im Wesentlichen kreisförmig ist.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal (120) und der zweite Kanal (122) durch die Kugel (84) hindurchgehen.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, wobei der erste Kanal (120) durch die Kugel (84) hindurchgeht, während der zweite Kanal (122) nur teilweise durch die Kugel hindurchgeht und sich mit dem ersten Kanal (120) an einem Punkt innerhalb der Kugel (84) schneidet.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Sensor (32), der mit der Expansionsvorrichtung (78) verbunden ist.
Expansionsvorrichtung (78) nach Anspruch 6, wobei der Sensor (32) die Bewegung der Kugel (84) zwischen der ersten und der zweiten Position steuert.
Dampfkompressionssystem (10), umfassend: eine Leitung (19) zum Führen eines Wärmeübertragungsfluids; einen Kompressor (12), verbunden mit der Leitung (19), zum Erhöhen von Druck und Temperatur des Wärmeübertragungsfluids; einen Kondensator (14), verbunden mit der Leitung (19), zum Verflüssigen des Wärmeübertragungsfluids; eine Expansionsvorrichtung (78) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, verbunden mit der Leitung (19), zum Expandieren des Wärmeübertragungsfluids; und einen Verdampfer (16), verbunden mit der Leitung (19), zum Übertragen von Wärme von der Umgebung auf das Wärmeübertragungsfluid.