TW505771B - Compression system for cryogenic refrigeration with multicomponent refrigerant - Google Patents

Description

505771 五、發明說明（1 ) 發明之領域 本發明一般上係關於一種冷凍之提供，並且更特別的， 是關於在極低溫度冷凍之提供。 先前技術說明 在典型的冷凍系統中，如R-12，R-134a或其他氟里昂 系之冷媒的冷凍劑流體被壓縮，膨脹而產生冷凍效應，然 後被加溫因而使冷凍從冷凍劑傳到冷凍接受者。然後被加 溫之冷凍劑回到壓縮機，並且冷凍循環被重覆進行。 使用在冷凍循環中的壓縮機一般爲油潤滑式，並且某些 油隨著被壓縮之冷凍劑而離開壓縮機。一般在實際應用上 使用可高度溶解於冷凍劑中如聚α -烯烴基之潤滑油時， 會有良好的運·轉。依此方式，離開壓縮機的所有潤滑油實 際上會隨著被循環之加溫冷凍劑而回到壓縮機。若有離開 壓縮機的大量潤滑油留在冷凍迴路中而無法回到壓縮機時 ，壓縮機中之潤滑油不足會造成壓縮機效率降低，甚至導 致壓縮機故障。 低溫或極低溫冷凍變成越來越重要，例如應用在能源產 生，能源傳遞及電子方面。任何冷凍系統之改進可而提供 或產生在極低溫度下之冷凍者，均受到非常重視。 從而，本發明之目的在提供改進之冷凍系統，用來提供 或產生在極低溫度下之冷凍。 發明之扼要說明 上述及其他目的可由本發明所達成，熟於此技術者在閱

505771 五、發明說明（2) 讀本文後當可明瞭，本發明之一個方面爲： 一種提供冷凍的方法，其中冷媒流體被壓縮，膨脹而產 生冷凍，並且然後被加溫以提供冷凍到接受者中，其特徵 爲：改進包括有： (A )使用一種多成分冷凍劑做爲冷媒流體； (B )多成分冷凍劑在利用以聚α -烯烴油爲主之潤滑的 壓縮機中被壓縮； (C)提供溫度低於220Κ之冷凍。 本發明之另一個方面爲： 一種提供冷凍之裝置，包括： (A ) —個以油潤滑之壓縮機，一個油分離系統，使多 成分冷凍劑從壓縮機通到油分離系統之裝置，以 及使潤滑油從油分離系統通到壓縮機之裝置； (B ) —個膨脹裝置，一個熱交換器，使多成分冷凍劑 從油分離系統通到膨脹裝置，從膨脹裝置到熱交 換器，並且從熱交換器到壓縮機之裝置； (C )用來裝設冷凍接受者到熱交換器之裝置，使冷凍 可從多成分冷凍劑被提供到冷凍接受者。 在此所用之術語「間接熱交換」，意爲使兩種流體在沒 有任何實質接觸或彼此混合之情況下而進行之熱交換關係 〇 在此所用之術語「膨脹」，意即壓力降低之效應。 在此所用之術語「可變負荷冷凍劑」意即多成分冷凍劑

505771 五、發明說明（3) ’即二或多種成分之混合物，其比例爲使這些成分之液態 ’可在混合物之沸點溫度及露點溫度之間進行連續且增加 之溫度變化。混合物之沸點溫度爲在已知壓力下混合物均 爲液態，但是再加入熱量時，會形成氣態且與液態平衡時 之溫度。混合物之露點溫度爲在已知壓力下混合物均爲氣 態，但是再抽出熱量時，會形成液態且與氣態平衡時之溫 度。因而沸點溫度及露點溫度之間的溫度區域爲，液態與 氣態共存而且平衡時之區域。在本發明之應用中，多成分 冷凍劑流體之沸點溫度及露點溫度之間的溫度差一般至少 爲10°C，較佳爲20°C，最好爲至少50°C。 在此所用之術語「大氣氣體」爲下列之一種：氮氣、氬 氣、氪氣、氙氣、氖氣、二氧化碳、一氧化二氮、氧氣、 及氦氣。 在此所用之術語「壓縮機」意即可增加氣體壓力的裝置 〇 在此所用之術語「被潤滑」意即，一種裝置的特徵’其 中一種可降低摩擦、熱及磨損之物質被導入做爲裝置之固 體表面之間的薄膜層。 在此所用之術語「聚α -烯烴」意即具有六個或更多個 碳原子之線性α -烯烴。 在此所用之術語「以聚α -烯烴爲主之油」意即在一種 基塊中使用一或多個烯烴族之油的公式。 在此所用之術語「m i s c i b 1 e (可溶解的）」意即’若是關 505771 五、發明說明（4) 於氣態與液態之相互作用時爲s ο 1 u b 1 e (可溶解的），若是 關於兩種液態之相互作用時爲m i s c i b 1 e (可溶解的）。 在此所用之術語「mi scibi 1 i ty(溶解度）」意即，若是 關於氣態與液態之相互作用時爲s ο 1 ub i 1 i t y (溶解度），若 是關於兩種液態之相互作用時爲m i s c i b i 1 i t y (溶解度）。 附圖之簡單說明 本發明第1圖 爲本發明一個可被應用之較佳裝置的簡 化示意圖。 本發明較佳實施例之詳細說明 一般上，本發明包括有使用一種多成分冷凍劑用來在極 低溫，即在少於220K之溫度下產生冷凍，以及使用被聚 α -烯烴基油所潤滑之壓縮機來壓縮此冷凍劑。此油對冷 凍劑有極低的溶解度，故基本上所有隨著被壓縮之冷凍劑 離開壓縮機之潤滑油，可在進入冷凍循環之極低溫段之前 ，很容易地從冷凍劑中分離。依照此方式，通常若潤滑油 與冷凍劑混合之狀態下，在冷凍循環中極易產生之潤滑油 的凍結可被避免。從極低溫段上游之多成分冷凍劑中分離 的潤滑油，會與冷凍劑分離地回到壓縮機中。 潤滑油與冷凍劑的有限溶解度（低的液態溶解度通常對 應到低的液態與氣態之間的溶解度）亦可促進螺旋式壓縮 機較高之性能，因爲冷凍劑在潤滑油中的有限溶解度會消 除冷凍劑從吐出到吸入之旁通。除此之外，冷凍劑隨著油 經由迴路之旁通會被減少或消除。最好在熱交換器中亦沒

505771 五、 發明說明 ( 5 ) 有 油 ， 則 熱 傳 遞 特 性不會隨時間而劣化。基本上有兩種機 制 可 使 油 被 帶 動： (1 )以小霧滴方式，及（2 )由於其蒸氣 壓 力 而 做 爲 一 種 蒸 氣。較佳之潤滑劑幾乎沒有蒸氣壓力， 因 而在冷 凍 劑 蒸 氣 中沒有大量的潤滑劑。較佳之潤滑劑有 很 局 的 純 度 即 有 很小量、很少種之不純物。 本 發 明 將 參 照 附 圖而更詳細說明之。參照附圖，多成分 冷 凍 劑 流 體 1 進 入 壓縮機10中被壓縮到一般爲從50〜1000 磅 /平方英吋範圍之絕對壓力（psi a)。多成分冷凍劑流體1 較 佳 爲 包括 至 少 兩 種從含有：氟碳化物，氫氟碳化物，氫 氯 氟 碳 化 物 氟 乙 醚化物，氫氟乙醚化物，大氣氣體及碳 氫 化合 物 之 族 群 中 選出之成分。較佳爲可應用在本發明中 之 多 成分冷 凍 劑 流 體1爲可變負荷冷凍劑。 可 應 用 在 本 發 明 中之多成分冷凍劑較佳爲包括至少一種 從含有 : 氟 碳 化 物 、氫氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟乙醚 化 物 之 族 群 中 CBB :¾ 出 之成分，以及包括至少一種從含有：氟 碳 化 物 \ 氫 氟 碳 化 物、氫氯氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟 乙 醚 化 物 、 大 氣 氣 體及碳氫化合物之族群中選出之成分\ 另 一 種 可 應 用 在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 兩 種 從 含有 ： 氟 碳 化物、氫氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟 乙 醚 化 物 之 族 群 中 選出之成分，以及包括至少一種從含有 ·· 氟 碳 化 物 - 氫 氟 碳化物、氫氯氟碳化物、氟乙醚化物、 氫 氟 乙 醚 化 物 > 大 氣氣體及碳氫化合物之族群中選出之成 分 〇 -7-

505771 五、發明說明（6) 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 一種氟碳化物，以及包括至少一種從含有：氟碳化物及大 氣氣體之族群中選出之成分。 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 一種氟碳化物，以及包括至少一種大氣氣體。 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 三種從含有：氟碳化物、氫氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟 乙醚化物之族群中選出之成分，以及包括至少一種從含有 :氟碳化物、氫氟碳化物、氫氯氟碳化物、氟乙醚化物、 氫氟乙醚化物、大氣氣體及碳氫化合物之族群中選出之成 分。 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 二種從含有：氟碳化物、氫氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟 乙醚化物之族群中選出之成分，以及包括至少一種大氣氣 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 二種從含有：氟碳化物、氫氟碳化物、氟乙醚化物、氫氟 乙醚化物，至少一種大氣氣體之族群中選出之成分，以及 包括至少一種從含有：氟碳化物、氫氟碳化物、氫氯氟碳 化物、氟乙醚化物、氫氟乙醚化物、大氣氣體之族群中選 出之成分。 另一種可應用在本發明中之較佳多成分冷凍劑包括至少 一種氟乙醚化物，亦即包括至少氟乙醚化物以及包括至少

505771 五、 發明說明 ( 7) —* 種 從 含有 ·· 氟碳 化物 氫 氟碳化物、氟乙醚、氫氟乙 醚 化 物 、 氫 氯 氟 碳化 物、 碳 氫 化物及大氣氣體之族群中選 出 之 成分 〇 在 本 發 明 —* 個較 佳實 施 例 中，多成分冷凍劑僅包含氟 碳 化 物 〇 在 本 發 明另 一個 較 佳 實施例中，多成分冷凍劑僅 包 含 氟 碳 化 物 及 氫氟 碳化 物 〇 在本發明另一個較佳實施例 中 ， 多 成 分 冷 凍 劑僅 包含 氟 乙 醚化物。在本發明另一個較 佳 實 施 例 中 多 成分 冷凍 劑 僅 包含氟乙醚化物及氫氟乙醚 化 物 〇 在 本 發 明 另一 個較 佳 實 施例中，多成分冷凍劑僅包 含 氟 碳 化 物 氫 氟碳 化物 氟 乙醚化物及氫氟乙醚化物。 在 本 發 明 另 -- 個 較佳 實施 例 中 ，多成分冷凍劑僅包含氟碳 化 物 > 氟 乙 醚 化 物及 大氣 氣 體 。最通常是多成分冷凍劑之 每 —. 個 成 分 爲 氟 碳化 物、 氫 氟 碳、氫氟乙醚，或者爲大氣 氣 體 〇 應 用 在 本 發 明一 個特 別 較 佳之實施例中，多成分冷凍 劑 包括 12摩爾百分比之二氯三 Ξ氟乙烷，約36摩爾百分比 之 五 氟 乙 烷 約 3 9摩爾百分比之四氟甲烷，以及約1 3摩 爾 百 分 比 之 氮 氣 〇 —. 般 5 較 佳 爲應 用在 本 發 明之多成分冷凍劑包含一或 多 種 從 包 括 有 : 二氯 化三 氟 乙 烷、五氟乙烷、四氟甲烷、 氮 氣 全 氟 丁 氧 基-甲烷 、十氟戊烷、二氯五氟丙烷、全 氟 丙 氧 基 -甲烷 、二氯五氟； 乙烷、五氟丙烷、六氟丁烷、 五 氟 丁 烷 、 四 氟 乙烷 、氨 氣 五氟乙烷、全氟丙烷、全氟 •9- 基

505771 五、發明說明（8) 丁烷、全氟癸烷、全氟己烷、二氯甲烷、全氟乙烷、三氟 甲烷、四氟甲烷、氯化四氟乙烷、氬氣、氖氣、氦氣、二 氧化碳、及一氧化二氮。 壓縮機1 〇是以一種聚α -烯烴基油進行潤滑。應用在本 發明中之較佳之聚α -烯烴具有CnH2n + 2之公式，其中η可 爲 10 到 20。其例子包括 C2()H42，C3()H62，C4H2 82 ’ C5〇H102， 〇6〇Η!22 ’ 及 C7〇H2i42。 氣體之溶解度是溫度，壓力，偶極矩（dipole moment) 及溶劑與溶質之間相互作用之特性的函數。假若有路易士 酸基相互作用（Lewis acid-base interaction)，四方力 矩之間有具體化學相互作用，或氫聯結時，氣體之溶解度 會增加。溶解度亦會隨著液態溶解度之增加而增加。聚α -烯烴爲一種直鏈非極性並且一般有中性之飽和碳氫化合 物。較佳之冷凍劑混合物成分亦爲非極性，或顯示低的極 性。其溶解度不會由於溶劑與溶質之間相互作用而增強。 故，在油中這些成分之濃度將會很小，一般小於1%，且少 於300ppm。在油中具有低或幾乎零冷凍劑（1)會減少壓 縮機吐出口處油霧的形成，（2 )在壓縮機吐出口處會形成 較大之油滴，（3 )由於較大的噴霧尺寸，會產生較佳之機 械隔離，並且（4 )由於油滴不會破壞，因而增加油滴之 聚結率。 多成分冷凍劑之成分，特別是使用在潤滑油中之聚α -烯烴被選擇成，可使在冷凍劑中的油溶解度不超過1 %，並 -10- 505771 五、發明說明（9) 且較佳爲不超過500 ppm。 多成分冷凍劑及潤滑油一起在充滿油之壓縮機1 0中被 壓縮後，變成被壓縮之冷凍劑-油流體2，一般它包括從約 爲1 0到2 0重量百分比的油。冷凍劑-油流體2通過整件 式油分離器2 0，其較佳爲重力分離槽或旋風分離器。在油 分離器20中，由於油在冷凍劑中之溶解度很低之故，在 冷凍劑-油流體2中大部份的油從流體中被分離’以氣流3 而流出油分離器20，並且以潤滑油之回流4而被導回壓縮 機10。 去除油之後的冷凍劑流體流5，一般包括從約0 . 01到5 w t %，通常爲1 w t %之潤滑油，從油分離器20通過粗級之 聚結過濾器25，其中油含量被減少到從50到1 00000 ppb(parts per billion)，一般爲 7500 ppb，並且以氣流 6進入細聚結過濾器26中，其中油含量被減少到5 ppb以 下。機械式聚結過濾器25及26是使霧狀油微粒捕捉並且 使它們在過濾器元件中形成較大的油滴。此時，因爲油比 在蒸氣狀態的多成分冷凍劑之密度較高，油會由於重力向 下沉積成油滴而增加尺寸。油滴從多成分冷凍劑蒸氣中分 離，並且回到壓縮機。在顯示於圖之本發明實施例中，潤 滑油以氣流7而從聚結過濾器系統25，以氣流8而從聚結 過濾器系統26被抽出，並且結合成氣流9，它進入回流4 中而被導回壓縮機1 〇。潤滑油可經由一個內浮球閥裝置而 回到壓縮機。其他回油的方法包括在油出口連接處與壓縮 -11- 505771 五、發明說明（1〇 ) 機曲軸箱之間使用一個固定孔口或捕捉件。回油可以一個 電磁閥及定時器，或者電磁閥及水位開關做電子式控制。 若須要時，可使用一或多個額外的聚結過濾器，以更進一 步地減少多成分冷凍劑中之油含量，雖然每一個使用之額 外過濾器會增加系統之壓力損失。 幾乎不含有油之多成分冷凍劑蒸氣以氣流Η進入後冷 卻器30，其中由於與冷卻流體做間接熱交換而使壓縮熱可 被冷卻去除，以形成被壓縮之冷凍劑氣流1 2。若在氣流 1 2中有一些凝縮的話，它可被通過一個蒸氣液體分離器 40。則雙態之氣流1 2被分離成液體及蒸氣部份，通常它 們被導入使用分別之收集管的熱交換器中，使不同的管或 通道中形成均勻的分佈。在某些熱交換器構造及操作條件 中，液氣分離器40不一定須要並且氣流12可直接進入熱 交換器5 0中。 多成分冷凍劑被提供到熱交換器50，其中它與加溫後的 多成分冷凍劑做間接熱交換’下面將更進一步的解釋’以 產生多成分冷凍劑之氣流31，一般其溫度在250Κ到80Κ 之間。多成分冷凍劑之氣流31然後進入膨脹裝置’例如 焦爾-湯姆森膨脹裝置45 ’在此被膨脹以產生冷凍’造成 攜有多成分冷凍劑之氣流3 2的冷凍，其壓力一般在1 〇到 200 psia之間，並且一般溫度在80Κ到200Κ之間。若氣 流3 1之膨脹造成某部份氣流凝縮的話，氣流3 2可在如圖 所示之液氣分離器41中進行處理。 -12- 505771 五、發明說明（11) 在極低溫下攜有多成分冷凍劑之氣流進入熱交換器50 中，在此被加溫以影響如前述般之多成分冷凍劑的冷卻’ 並且亦提供冷凍到冷凍接受者。在圖示之本發明實施例中 ，冷凍接受者是與被加溫之多成分冷凍劑做間接熱交換而 被冷卻，液化及/或過冷卻之氣流5 1狀態之流體。從多成 分冷凍劑提供到冷凍接受者之冷凍，可以使用與膨脹前用 來冷卻多成分冷凍劑之相同的熱交換器’如圖所示’或者 可以使用不同的熱交換裝置。其他可從被加溫之多成分冷 凍劑接受冷凍之冷凍接受者包括冰箱或製冰器系統之內部 環境氣體，以及如壁或架子之固體構造。 從熱交換器50出來的最終被加溫之多成分冷凍劑以氣 流52進入平衡罐 46，以確保沒有任何液體進入壓縮機， 然後從平衡罐46以氣流1進入壓縮機10中，因而冷凍 循環再重新開始。 雖然本發明在此參照某較佳實施例而詳細說明，熟於此 技術者當知，在本發明申請專利範圍之精神與範圍內尙有 其他實施例。 元件符號之說明 1 多成分冷凍劑流體 2 冷凍劑-油流體 4 潤滑油回流 5 除油之冷凍劑流體流 6，7，8，9 氣流 -13- 505771 五、發明說明（12) 10 壓縮機 11, 12 氣流 20 油分離器 25, 26 聚結過濾器 30 後冷卻器 31， 32 氣流 40 蒸氣液體分離器 41 蒸氣液體分離器 45 焦爾-湯姆森膨脹裝置 46 平衡罐 50 熱交換器 51， 52 氣流 -14-

Claims (1)

1. 505771 六、申請專利範圍 1 . 一種提供冷凍的方法，其中冷媒流體被壓縮、膨脹而產 生冷凍，並且然後被加溫以提供冷凍到冷凍接受者中， 其改良處係包括： (A )使用一種多成分冷凍劑做爲冷媒流體； (B) 使用以聚α -烯烴爲主之油潤滑的壓縮機來壓縮該 多成分冷凍劑； (C) 提供溫度低於220Κ之冷凍。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中以聚α —烯烴爲主 之油係在多成分冷凍劑被膨脹之前，從被壓縮之多成分 冷凍劑中分離，並且然後再將經分離的油通入壓縮機中 〇 3 .如申請專利範圍第1項之方法，其中加溫之多成分冷凍 劑亦提供冷凍，以使被壓縮冷凍劑在被膨脹前可被冷卻 〇 4 .如申請專利範圍第1項之方法，其中多成分冷凍劑係包 括從含有：氟碳化物、氫氟碳化物、氫氯氟碳化物、氟 乙醚化物、氫氟乙醚化物、大氣氣體及碳氫化合物族群 中選出之至少兩種成分。 5 .如申請專利範圍第4項之方法，其中多成分冷凍劑僅包 括氟碳化合物。 6 ·如申請專利範圍第4項之方法，其中多成分冷凍劑僅包 括氫氟乙醚化合物。 7 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中多成分冷凍劑包括 _ 1 5 _ 505771 六、申請專利範圍 至少一種大氣氣體。 8.—種提供冷凍之裝置，包括： (A ) —以油潤滑之壓縮機、一油分離系統、一使多成 分冷凍劑從壓縮機通到油分離系統之裝置並使潤 滑油從油分離系統通到壓縮機之裝置； (B ) —膨脹裝置、一熱交換器、一使多成分冷凍劑從 油分離系統通到膨脹裝置，從膨脹裝置到熱交換 器並從熱交換器到壓縮機之裝置；以及 (C ) 一用來提供冷凍接受者到熱交換器之裝置，以使 冷凍可從多成分冷凍劑被提供到冷凍接受者。 9 ·如申請專利範圍第8項之裝置，其中油分離系統係包括 一整件式油分離器及至少一聯合過濾器。 1 0 .如申請專利範圍第8項之裝置，其中油是聚α -烯烴基 之油。 -16-