DE69414029T2

DE69414029T2 - Kombinierte Expansions- und Strömungsverteilervorrichtung

Info

Publication number: DE69414029T2
Application number: DE69414029T
Authority: DE
Inventors: Larry D. Brownsburg Indiana 46112-8792 Amick; Raymond A. Jr. Gosport Indiana 47433 Rust
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 1993-05-20
Filing date: 1994-05-11
Publication date: 1999-06-10
Anticipated expiration: 2014-05-12
Also published as: DE69414029D1; BR9402009A; EP0625684A1; US5341656A; EP0625684B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Kombinationseinheit aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler zur Verwendung in einer Umkehrzyklus (Wärmepumpen) - Klimaanlage.
Eine Kombinationseinheit aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist in dem US-Patent 4 643 222 beschrieben, das im Namen von Wise ausgegeben worden ist. Ein frei beweglicher Kolben ist innerhalb eines Gehäuses so angeordnet, daß er den Eingang eines Durchlasses verschließt, wenn sich Kältemittel in einer Richtung zwischen einem Paar Mehrkreiswärmetauschern bewegt. Der Kolben hat eine Zumeßöffnung, durch die Kältemittel gedrosselt durchgelassen wird, wenn der Kolben in einer Schließposition ist. Das gedrosselt durchgelassene Kältemittel, das sowohl in der Dampfphase als auch in der flüssigen Phase ist, wird in ein axial ausgerichtetes Bohrloch abgegeben. Eine Serie von Verteilerkanälen führt jeweils unter einem spitzen Winkel in das distale Ende des Bohrloches. Die axiale Länge des Loches ist extrem kurz, und infolgedessen wird sich die Kältemitteldampfphase nicht homogen mit der flüssigen Phase vermischen, bevor die Mischung in die Verteilerkanäle eintritt. Ebenso können wegen des flachen Eintrittswinkels in die Verteilerkanäle ungleiche Mengen an Kältemittelmischung in jeden Kanal abgegeben werden, sofern nicht die Strömungsleitflächen präzise maschinell bearbeitet sind. Demgemäß wird die Leistungsfähigkeit der einzelnen stromabwärtigen Wärmetauscherkreise nachteilig beeinflußt werden.
Es sind Verteiler hoher Präzision verfügbar, die in der Lage sind, Kältemittel in einen Mehrkreiswärmetauscher gleichmäßiger zu verteilen. Diese Vorrichtungen sind jedoch relativ komplex und teuer. Trotz der Verwendung von Präzisionsteilen ist die Verteilung von Kältemittel häufig nichthomogen und ungleichmäßig. Meistens sind diese Präzisionsverteiler zur Verwendung in Umkehrzyklusanlagen nicht geeignet.
Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, Wärmepumpenanlagen zu verbessern, indem eine verbesserte Kombinationseinheit aus Expansionsvorrichtung und Kältemittelverteiler geschaffen wird, die in der Lage ist, eine homogene Mischung aus Kältemittel in der Dampfphase und in flüssiger Phase gleichmäßig auf die Kreise eines Mehrkreiswärmetauschers zu verteilen.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Expansionsvorrichtungs- und Strömungsverteilereinheit zur Verwendung in einer Wärmepumpe zu schaffen, die eine Leistung mit hohem Wirkungsgrad liefern kann, und zwar ungeachtet der montierten Position der Einheiten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit Kolben ausgerüstete Expansionsvorrichtungskombination zu schaffen, die zur Verwendung in einer Wärmepumpe geeignet ist, welche mit einem Hochleistungsströmungsverteiler ausgerüstet ist, der keine teuere maschinelle Präzisionsbearbeitung oder Bearbeitung von Teilen erfordert.
Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Verteilung von Kältemittel in flüssiger Phase und in dampfförmiger Phase in einen Mehrkreisverdampfer zu verbessern.
Diese und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden durch eine Kombinationseinheit aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler, wie sie im Anspruch 1 definiert ist, erreicht, welche zur Verwendung in einer Wärmepumpe geeignet ist, in der Mehrkreiswärmetauscher benutzt werden. Die Einheit weist ein langgestrecktes Gehäuse auf, das einen in einer Kolbenkammer untergebrachten, frei beweglichen Kolben hat. Ein Ende der Kammer ist mit einer Flüssigkältemittelleitung verbunden, so daß der Kolben zurück auf einen Dichtsitz gedrückt wird, wenn Kältemittel über die Flüssigkeitsleitung in die Kammer eindringt. Der Kolben hat eine Zumeßöffnung, durch die eintreten des Kältemittel gedrosselt in eine Steuerkammer abgegeben wird. Eine Mischung aus Kältemittel in dampfförmiger Phase und Kältemittel in flüssiger Phase wird in einen Strömungssteuerkanal abgegeben. Die Steuerkanalgeometrie ist so gewählt, daß die Dampfphase und die flüssige Phase innerhalb des Kanals homogen vermischt werden. Der Kanal leitet die Mischung radial in einen ringförmigen Durchlaß, der den Kanal mit einer Serie von axial angeordneten Strömungsrohren verbindet. Jedes Rohr ist seinerseits mit einem separaten Strömungskreis in dem stromabwärtigen Verdampfer verbunden. Demgemäß wird das Kältemittel gezwungen, zwei Neunzig-Grad-Kurven auszuführen, bevor es in die einzelnen Kreise abgegeben wird, wodurch eine innige, homogene Vermischung der dampfförmigen und der flüssigen Kältemittelphase und die korrekte Verteilung der Mischung gewährleistet werden.
Für ein besseres Verständnis von diesen und anderen Zielen der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende ausführliche Beschreibung der Erfindung Bezug genommen, die in Verbindung mit den zugeordneten Zeichnungen zu lesen ist, in denen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Umkehrzyklusklimaanlage ist, in welcher die Kombinationseinheit aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Fig. 2 eine vergrößerte Längsschnittansicht ist, die die Kombination aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler nach der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
Fig. 3 eine Endansicht der Vorrichtung ist, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Zuerst wird auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher eine insgesamt mit der Bezugszahl 10 bezeichnete Wärmepumpenanlage schematisch dargestellt ist, die einen Kompressor 11 aufweist, der eine Auslaßleitung 12 und eine Saugleitung 13 hat, welche mit einem Vier-Wege-Strömungsumkehrventil 14 verbunden sind. Das System weist weiter ein Paar Wärmetauscher 15 und 16 auf, die in der Lage sind, entweder in einer Kondensations- oder in einer Verdampfungsbetriebsart zu arbeiten. Eine Seite jedes Wärmetauschers ist mit dem Strömungsumkehrventil mittels Leitungen 17-17 verbunden. Die entgegengesetzten Seiten der Wärmetauscher sind durch eine Flüssigkeitsleitung 22 miteinander verbunden. Ein Paar Kombinationseinheiten 20 und 21 aus Expansionsvorrichtung und Strömungsverteiler ist in der Flüssigkeitsleitung angeordnet. Im folgenden ist noch ausführlicher erläutert, daß die Funktion der Einheit automatisch umgekehrt wird, abhängig von der Richtung des Kältemittelstroms durch die Anlage, um die Hochdruckseite der Anlage von der Niederdruckseite zu trennen. Falls der Wärmetauscher 15 in einer Verdampfungsbetriebsart arbeitet, wird die Einheit 21 so eingestellt, daß sie flüssiges Kältemittel von dem Kondensationswärmetauscher 16 zu der zweiten Einheit 20 frei durchläßt. Zu dieser Zeit ist die Einheit 20 darauf eingestellt, das Kältemittel von der Hochdruckseite der Anlage zu der Niederdruckseite zu drosseln, wodurch Kältemittel in Dampfphase und Kältemittel in flüssiger Phase dem Wärmetauscher 15 zugeführt werden.
Die Wärmetauscher enthalten jeweils Mehrfachströmungskreise, die den Nachteil einer schlechten Verteilung von Kältemittel aufweisen und so den Wirkungsgrad der Wärmepumpe beträchtlich reduzieren. Die Einheiten 20 und 21 sind speziell dafür ausgelegt, gleichmäßige Mengen an homogen vermischtem, gedrosseltem Kältemittel in jeden der stromabwärtigen Strömungskreise ungeachtet der räumlichen Positionierung der Anlage gleichförmig zu verteilen.
Die Einheiten 20 und 21 haben beide den gleichen Aufbau und arbeiten auf dieselbe Weise, um Kältemittel in einen zugeordneten Wärmetauscher zu drosseln und zu verteilen, wenn der Wärmetauscher in einer Verdampfungsbetriebsart arbeitet. Demgemäß wird die Flüssigkeitsleitungsseite jeder Einheit hier als die proximale Seite jeder Einheit bezeichnet, wogegen die entgegengesetzte oder Wärmetauscherseite jeder Einheit als die distale Seite bezeichnet wird. Wegen der Ähnlichkeit der Einheiten wird nur eine der Einheiten, die Einheit 20, im folgenden ausführlicher erläutert.
Gemäß den Fig. 2 und 3, auf die zusätzlich Bezug genommen wird, hat die Einheit 20 ein langgestrecktes Gehäuse 24, in welchem eine axial angeordnete Kolbenkammer 25 gebildet ist, die durch das proximale Ende des Gehäuses nach außen mündet. Ein Verbinder 26 ist durch eine geeignete Einrichtung mit dem offenen Ende der Kolbenkammer verbunden, um eine leckdichte Verbindung zwischen der Flüssigkeitsleitung 22 und der Kolbenkammer herzustellen. Ein O-Ring 27 ist zwischen dem Gehäuse und dem Verbinder zusammengedrückt, um die Verbindung zu vervollständigen.
Ein frei beweglicher Kolben 28 ist in der Kolbenkammer verschiebbar enthalten und so angeordnet, daß er sich unter dem Einfluß der Kältemittelströmung von einer Seite der Kammer zur anderen bewegt. Wenn sich das Kältemittel in der durch die Pfeile angegebenen Richtung bewegt, wird der Körper des Kolbens auf einem Sitz 30 gehalten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, und der Wärmetauscher wird in einer Verdampfungsbetriebsart arbeiten. Der Sitz ist ein erhabener Ring, der eine ebene Dichtfläche hat, welche die ebene Stirnfläche des Kolbens berührt. Die Stirnfläche ist hinter dem Nasenkegel 32 des Kolbens geschützt, welcher verhindert, daß der Kolben seitwärts kippt, und die Abdichtung verbessert. Eine Umkehr der Strömung wird den Kolben von dem Sitz weg- und zu der proximalen oder Flüssigkeitsleitungsseite der Kammer hinbewegen.
Der Kolben 28 hat eine Reihe von Umfangsnuten 34, die Kältemittel erlauben, frei um seinen Körper zu strömen, wenn der Kolben zu der proximalen Seite der Kammer getrieben wird. Eine Zumeßöffnung 31 führt axial durch den Körper des Kolbens hindurch und dient zum Drosseln von Kältemittel von der Hochdruckseite der Anlage in die Niederdruckseite, wenn der Kolben in der Schließstellung auf dem Sitz ist, die in Fig. 2 gezeigt ist. Aus obigen Darlegungen dürfte klar hervorgehen, daß eine der Einheiten immer als eine Expansionsvorrichtung arbeiten wird, während die andere Vorrichtung in einer offenen Position ist, abhängig von der Richtung der Strömung durch die Anlage.
Ein Strömungssteuerkanal 36 ist in dem distalen Ende des Gehäuses vorgesehen und so angeordnet, daß er Kältemittel in flüssiger Phase und Kältemittel in dampfförmiger Phase empfängt, die gedrosselt durch die Zumeßöffnung durchgelassen werden. Der Steuerkanal bildet eine sorgfältig bemessene Zone, die dem expandierenden Kältemittel gestattet, langsamer zu werden und den Kanal vollständig auszufüllen, so daß ausreichend Energie in dem Kältemittel verbleibt, um eine Trennung der flüssigen Phase und der dampfförmigen Phase zu verhindern und die Schwerkraftwirkungen, welche durch die Orientierung der Anlage erzeugt werden, zu überwinden.
Der Steuerkanal mündet in einen Verteilerabschnitt 40, der auf das distale Ende des Gehäuses aufgeschraubt ist. Der Verteiler dient zum gleichmäßigen Verteilen der homogenen Mischung von Kältemittel in die einzelnen Strömungskreise 19-19 (Fig. 1) des stromabwärtigen Wärmetauschers. Der Verteiler hat einen ringförmigen Verteilungskanal 41, der so angeordnet ist, daß er die Kältemittelmischung aus dem Strömungssteuerkanal empfängt und die Strömung um neunzig Grad umlenkt. Eine Serie von Strömungsrohren 42, deren Zahl gleich der Zahl der Kreise in dem stromabwärtigen Wärmetauscher ist, führt axial durch die distale Stirnseite 43 des Verteilerabschnitts hindurch in den Verteilungsdurchlaß.
Eine noch energetische, homogene Strömung füllt den Verteilerdurchlaß ohne Hohlräume aus und breitet sich gleichmäßig in die Strömungsrohre aus, ungeachtet der besonderen Lage derselben.
Es sei beachtet, daß die Strömungsrohre für die energetische Strömung, die sich durch den Steuerkanal bewegt, nicht sichtbar sind und daß die Strömung zwei Neunzig-Grad-Kurven ausführen muß, bevor sie in die Kreise des stromabwärtigen Wärmetau schers eintritt. Hier wiederum werden der Abstand und die Größe der Strömungswege so gesteuert, daß ausreichend Energie in der verteilten Strömung verbleibt, um eine homogene Mischung aufrecht zu erhalten und eine gleichmäßige Verteilung der Strömung zu gewährleisten. Es ist weiter zu beachten, daß dieses äußerst erwünschte Ergebnis erzielt wird, indem einfache maschinell bearbeitete Teile verwendet werden, die keine Präzisionskegelspitzen oder eine ringförmige Bohrung wie in dem Fall von ähnlichen bekannten Vorrichtungen erfordern.
Die Erfindung ist zwar unter spezieller Bezugnahme auf die Anwendung bei einer Wärmepumpe beschrieben worden, sie ist jedoch gleichermaßen in jedem Typ von Anlage verwendbar, in welcher eine homogene und gleiche Verteilung einer Kältemittelmischung erforderlich oder erwünscht ist. Die Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf den hier beschriebenen Aufbau erläutert worden, sie beschränkt sich jedoch nicht auf die angegebenen Einzelheiten, vielmehr ist beabsichtigt, daß die Erfindung alle Modifikationen und Änderungen umfaßt, die im Schutzbereich der folgenden Ansprüche liegen:

Claims

1. Expansions- und Strömungsverteilervorrichtung (20), die zur Verwendung in einer Umkehrzyklusklimaanlage geeignet ist, mit:

einem langgestreckten Gehäuse (24), das ein distales Ende und ein proximales Ende hat und eine Kammer (25) enthält, die über das proximale Ende des Gehäuses (24) mündet, wodurch die Kammer (25) mit der Flüssigkeitsleitung (22) der Umkehrzyklusklimaanlage verbunden werden kann,

einem Steuerkanal (36) zum Verbinden des distalen Endes der Kammer (25) und eines Strömungsverteilungsabschnitts (40), der sich an dem distalen Ende des Gehäuses (24) befindet,

wobei der Strömungsverteilungsabschnitt (40) eine Serie von Strömungsrohren (42) hat, die über das distale Ende des Gehäuses (24) münden, wodurch die Strömungsrohre (42) jeweils mit separaten Strömungskreisen (19) eines Wärmetauschers (15) verbunden werden können,

einem frei beweglichen Kolben (28), der in der Kammer (25) verschiebbar angeordnet ist, wobei der Kolben (28) eine axial angeordnete Zumeßöffnung (31) hat, die durch ihn hindurchführt, und

einer Sitzeinrichtung (30), die an dem distalen Ende der Kammer (25) an dem Eingang in den Steuerkanal (36) angeordnet ist, um den Kolben (28) an dem Eingang abdichtend aufzunehmen, wodurch Kältemittel, das sich von der Flüssigkeitsleitung (22) zu dem Wärmetauscher (15) bewegt, durch die Zumeßöffnung (31) in die Steuerkammer (25) gedrosselt abgegeben wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverteilungsabschnitt (40) einen radial erweiterten Teilungsdurchlaß (41) aufweist, der von dem Strömungssteuerkanal (36) radial versetzt ist, wobei der Verteilungsdurchlaß (41) ringförmig ist,

wobei die Strömungsrohre (42), die mit dem radial erweiterten Durchlaß (41) in Strömungsverbindung sind, axial angeordnet sind, und

wobei der Steuerkanal (36) von jedem der axial angeordneten Strömungsrohre (42) radial versetzt ist,

wodurch das Kältemittel, das durch die Zumeßöffnung (31) gedrosselt wird, in dem ringförmigen Verteilungsdurchlaß (41) aus dem Steuerkanal (36) empfangen und gezwungen wird, zwei Neunzig-Grad-Kurven auszuführen, bevor es in die Strömungsrohre (42) geleitet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (28) Umfangsnuten (34) aufweist zum freien Vorbeileiten von Kältemittel an dem Kolben (28), wenn der Kolben von der Sitzeinrichtung (30) abgehoben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkanal (36) eine derartige Geometrie hat, daß Kältemittel in flüssiger Phase und Kältemittel in dampfförmiger Phase, die über die Zumeßöffnung (31) gedrosselt abgegeben werden, homogen vermischt werden, bevor sie in den Verteilungsdurchlaß (41) eintreten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrohre (42) gleichabständig um den Durchlaß (41) angeordnet sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsverteilungsabschnitt (40) mittels Gewinde an dem Gehäuse (24) befestigt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter eine Verbindereinrichtung (26) zum Verbinden der Flüssigkeitsleitung (22) mit dem Gehäuse (24) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sitzeinrichtung (30) ein erhabener Ring an dem Eingang in den Steuerkanal (36) ist, der an dem Körper des Kolbens (28) zwischen der Zumeßöffnung (31) und den Umfangsnuten (34) abdichtet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrohre (42) alle von dem Steuerkanal (36) gleichabständig radial versetzt angeordnet sind.

9. Umkehrzyklusklimaanlage mit einem ersten und einem zweiten Wärmetauscher (15, 16), von denen jeder mehrere Strömungskreise (19) enthält, einer Kompressoreinrichtung (11) und einem Umsteuerventil (14), welches die Kompressoreinrichtung (11) mit einer Seite der Wärmetauscher (15, 16) verbindet, so daß der Strom von Kältemittel durch diese hindurch umkehrbar ist, und einer Flüssigkeitsleitung (22), welche die andere Seite der Wärmetauscher (15, 16) verbindet, gekennzeichnet durch wenigstens eine Expansions- und Strömungsverteilervorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Vorrichtung (20) in der Flüssigkeitsleitung (22) angeordnet ist.

10. Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter eine zweite Expansions- und Strömungsverteilervorrichtung (21) aufweist, die in der Flüssigkeitsleitung (22) angeordnet ist, und daß bei dem zweiten Wärmetauscher (16) dessen Kolbenkammer mit der Flüssigkeitsleitung (22) entgegengesetzt zu der Kolbenkammer (25) der wenigstens einen Expansions- und Strömungsverteilervorrichtung (20, 21) verbunden ist und deren Strömungsrohre (19) mit Strömungskanälen mit dem zweiten Wärmetauscher (16) verbunden sind.