TW565678B - Compression system for cooling and heating purposes - Google Patents

Description

A7 565678 ^___B7________ 五、發明說明（/ ) <發明之領域> 本發明係有關於一種壓縮冷卻系統，該壓縮冷卻系統 包含一個壓縮機、一個排熱器、一個膨脹裝置、和一個吸 熱器；這些元件係聯結在一個封閉循環迴路裏，該封閉循 環迴路能夠以超臨界高壓力來操作，並且使用二氧化碳或 含有二氧化碳的混合物來作爲系統的冷卻劑。 <發明背景和先前技術之說明> 傳統的蒸氣壓縮系統是將該冷卻劑在對應於給定的溫 度下之飽和壓力所得的亞臨界壓力（sub-critical)下進行 凝結來排放熱量。這些最常被選擇的冷卻劑係能夠使在該 系統內產生的最大壓力遠小於該冷卻劑臨界壓力，並且該 最大壓力經常是不超過一個已知的極限値，譬如是：2 5 巴（bar) 〇 當使用一個具有低臨界溫度之冷卻劑-〜譬如是二氧 化碳--的時候，若散熱片的溫度很高--譬如是高於冷 卻劑的臨界溫度，排熱時候的壓力將必須是「超臨界壓力 」，以便能夠獲得有效率的系統操作。因而這種操作循環 將是橫跨臨界點兩邊，譬如，如同已揭示在W〇9 0/0 7 6 8 3 裏。 W0 94/14 0 16 和W0 97/2743 7 兩者 °都說明一個能夠實現此類系統的簡單迴路·，這樣的系統基 本上包含有一個壓縮機、一個排熱器、一個膨脹裝置、和 一個蒸發器，這些組成元件係連接在一個封閉的迴路裏。 — ___3__ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公f " ------------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一§|，. -丨線 565678 A7 B7 五、發明說明（> ) 由於顧慮到環境保護的問題，該兩專利文獻都較佳地採用 二氧化碳作爲冷卻劑。 w094/14016和W097/27437兩者 的一個主要缺點是：當該系統在高的環境溫度下停滯不動 期間，該系統內將會產生非常高的壓力。如同在冒〇9 7 /2 7 4 3 7裏的解釋，該壓力在攝氏6 〇度時一般將是 高於1 0 0巴。這使得所有的元件都必須要有一個非常高 的設計壓力，結果，造成元件十分笨重和成本高昂。尤其 是，這對於需要氣密（不透氣）功能的壓縮機將是一個缺 點，因爲該殼體的尺寸大小是取決於電動馬達的尺寸大小 0 W〇9 4 / 1 4 0 1 6說明如何能夠改進這個缺點： 以一個獨立的壓力釋放膨脹容器經由一個閥門連接到迴路 的低壓側來予以解決。^個方法的不利之處在於：其將會 增加該系統的成本和複雜性。 但是，W〇 94/14016 和界 097/2743 7的另-個缺點是·其裝塡規格每—公升該系統之內 谷積分別是0· 5 5至Q. 7公斤和Q· 25至〇_ 45公 斤--將產生過咼的裝塡量而，便得對於在低壓側具有一 個大的氣體容積的系統無法達到系統極佳化，譬如是··在 低溫吸熱的時候和/或使用氣密式壓縮機操作時。 W094/14016和W〇g?/27437的另 一個缺點是：其未被考慮到：在帶有受潤滑之壓縮機的系 統內，系統的最佳裝塡將會強烈地受到冷卻劑在系統所用 ______4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297 ----- --------------裝邐| (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -=0. -線. 565678 A7 ___Β7 _ 五、發明說明（今） --------------裝_| (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 潤滑劑裏的溶解度之影響，並且也受到系統的結構元件之 影響。 <發明之總論> 本發明之一個主要目的是要提供一種簡單且有效率的 系統，該系統可以避免前述之缺點和不利之處。 本發明之特徵在於具有如隨附之申請專利範圍第1項 所界定之特性。 本發明之優點更進一步地被界定在如隨附之申請專利 範圍第2項至第9項中。 i!線· 如同以上的說明，本發明是以一個簡單的迴路爲根據 ，該迴路包含有至少一個壓縮機、一個排熱器、一個膨脹 裝置、和一個吸熱器。根據以上所評論之習知技術以高的 冷卻劑裝塡來設計冷卻迴路的事實，本發明透過測試和模 擬令人驚評地發現：藉由在該系統低壓側的正常操作期間 ，修改該等包含有冷卻劑的蒸氣/氣體之元件的內容積， 對一個已知內容積之系統以低度的裝塡量便能夠獲得最佳 之操作條件。因此，能夠達到系統之結構元件可能的最低 設計壓力。 依照這個方式，不需要使用一個個別的壓力釋放膨脹 容器來避免在高溫時停滯狀況下過大的壓力，並且，在該 3系統的低壓側之全部或部份元件能夠被設計成低壓操作。 計算和實驗指出在攝氏6 0度時使用一氧化碳作爲冷媒的 最大停滯壓力很容易便可以被保持在8 0·巴以下。即使是 ___ 5 _____ ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公楚) 565678 A7 ____B7___ 五、發明說明（今） 一個簡單設計的系統’本發明也能夠被用來減少系統的重 量和製造成本。 <隨附圖式之簡單說明> 以下，本發明將更進一步地藉由一些例子並參照隨附 圖式來予以說明。 圖1說明一個蒸氣壓縮系統的一個簡單迴路。 圖2說明當依據本發明來設計，以及對照W〇9 7/ 2 7 4 3 7，在系統停滯時，對於不同的溫度，系統內之 壓力是如何變化。 圖3說明對於最佳化的系統裝塡，對照於如圖表裏陰 影區域所示的根據W 0 94/14016和W0 97/2 7 4 3 7之系統「容積對裝塡」的變動範圍，在本發明之 一般系統裏，不同元件的容積和裝塡對於該系統的全部裝 塡有如何程度的影響。 圖4說明系統最佳充塡所獲致的最大性能係數（C〇 P )，並且說明若是塡充高於或低於該最佳化之數値時， 該性能係數將會如何減低。 圖5係說明一個修改之作業循環的例子，該修改之作 業循環係用來改善系統的操作。 圖6係一個空調和熱泵系統之可逆系統的例子。 <圖號說明> 1 :壓縮機；2 :排熱器；3 ··膨脹裝置；4 :吸熱 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐〉 --------------^^1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) .. 丨線- 565678 B7 五、發明說明（4 ) ----------up, (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 器，1〇·曲線，1 1 ··曲線，2 1 :陰影區域；2 2 : 陰影區域；3 0 :最佳塡充；4 1 :兩喈段壓縮機；4 2 :熱排放器，· 4 3 :膨脹裝置；4 4 :吸熱器；4 5 :內 部熱交換器；4 6 :膨脹裝置；4 7 :內部過冷器；5 χ :壓縮機；5 2 :熱交換器；5 3 ··膨脹裝置=5 4 :熱 交換器；5 5 ·•內部熱交換器；5 6 ··膨脹裝置；5 了 · 四路閥；5 8 :單向閥；5 9 :單向閥； <發明之詳細說明> 圖1說明一個習知蒸氣壓縮系統，該系統包含有：一 個壓縮機1、一個排熱器2、一個膨脹裝置3、和一個吸 熱器4，這些元件係相連在一個封閉的迴路循環系統裏。 線· 當使用譬如是二氧化碳的冷卻劑時，系統高壓側之壓 力有時候可以是低於臨界壓力的’但是此類之系統必須能 夠在散熱片之高溫下以超臨界壓力操作，以便於達到該系 統的最佳效率。系統的高壓側因而必須被設計成具有相應 之高操作壓力，對於二氧化碳而言，若是使用空氣作爲熱 吸收冷源，這通常可能是在筒於1 1 0巴的壓力範圍。然 而，系統的低壓側將極少需要操作壓力高於譬如是6 0巴 --這壓力對應的蒸發溫度爲攝氏2 2度。但是，該停滯 壓力經常會對低壓側的設計壓力有決定性的影響，這是因 爲系統經常必須能夠承受高達攝氏6 0度或更高的停滯溫 度。在這些狀況之下，若是系統可能曝露在這種溫度之下 ，壓力等級可能經常達到系統高壓側之最大操作壓力一樣 高的程度。 _____7______ 本紙張尺度適用中Ϊ國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐) 一 565678 A7 ________ 五、發明說明（匕） 現fl之法規、標準規範、和一般的實務作法已經證明 元件設計之最大壓力的重要性。一般而言，需要以最大壓 力的五倍作爲最低的爆炸壓力。那麼，可能被曝露到1 2 0巴壓力的一個元件將需要承受600巴壓力，然而，一 個可能曝露到7 0巴壓力的元件將只需要能夠承受3 5〇 巴的壓力。這會導致在製造成本、尺寸大小、和重量上有 重大的差別。這對於像是氣密式壓縮機等的元件設計將有 特別重大的影響，因爲該壓縮機的殼體大小是十分大的， 而電動馬達的尺寸對其有決定性的影響。 根據本發明，它是能夠從冷卻劑裝塡方面來設計該系 統以及種種不同元件的體積，以便降低最大停滯壓力。因 而，藉此，可以很容易地減少系統低壓側所需要的設計壓 力，而不會違反該系統操作期間高壓側所需之最佳高壓力 需求。這將有助於在低成本系統中達成最佳的效率。 本發明之目的可以藉由修改調整在正常操作期間系統 之低壓側包含有冷卻劑之蒸氣/氣體之元件的內容積來達 成，以便對於已知的系統內容積，以低的裝塡量獲得最佳 的操作條件。因而，可以達到系統之結構元件可能的最低 設計壓力。該容積可以譬如是被設計成一個較大的管子--這種管子即使對於較高的額定壓力而言是相對較不昂貴 的，以便減少氣密式壓縮機所需要的殼體設計壓力。 3 圖2說明在本發明的系統中，對於停滯時溫度已達均 衡之系統，該系統裏的壓力如何隨著溫度變動。請參照圖 中標示爲1 0之曲線。如同可自該圖中看出，即使在非常 _____ 8_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ·. -丨線- A7 565678 五、發明說明（彳） 高的環境溫度之下，該系統裏的壓力也是低於該冷卻劑的 臨界壓力。爲了作比較起見’圖中也包含有一條代表W〇 97/27437系統的典型曲線1 1。如同可看出的， 其差別是十分明顯的。

圖3說明對於本發明的系統，在設計上，在一選定之 系統裏種種元件累計後的裝塡/容積關係如何變化以達到 最佳的效率。如同可淸楚地看到··對於這個系統，每單位 內容積的塡充量在整個系統裏最終總和達到大約〇.1 4公 斤/公升（見圖中的點2 0 )，這個數値是明顯低於在W 0 94/14016 和W 0 97/27437 裏所描述的 極限値，這些文獻的極限値是分別代表在陰影區域2 1和 陰影區域2 2。 圖4說明所描述的最佳塡充3 0如何給予本發明之系 統一個最大的效率（最大性能係數C ◦P )。該最大性能 係數C 0 P是被界定爲：一個冷卻系統的冷卻能力和被輸 入該系統裏的能量功率之間的關係。當充塡較多或較少時 ，該最大性能係數快速地下降到一個比最佳塡充所對應之 數値明顯較低的數値。 圖2至圖4是根據對本發明的一個系統的詳細模擬， 該系統包含有：一個氣密式壓縮機、一個內部熱交換器、 一個蒸發器、和一個氣體冷卻器。圖4係對應於：當該系 統係操作於排熱時之溫度是攝氏+ 4 0度的環境溫度和蒸 發溫度是依照該系統的充塡和冷卻容量而定在攝氏- 7度 至- 2度的範圍之間的條件下時的各個性能係數的比値。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ---------11.¾. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

一5JI 線- 56^678 A7 -----B7___ 五、發明說明（艺） --------------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其操作高壓力可以在7 0巴至1 2 0巴之間變動，僅視裝 塡量和環境溫度而定。該冷卻能力是大約7 〇 〇瓦。 -----線· 因爲該最佳裝塡量將視各種因素而定，這些因素像是 :操作條件、該系統的結構元件、和冷卻劑在該潤滑劑裏 的溶解度而定，該系統每單位內容積的已知裝塡規格在應 用上不是關連密切的或是有用的。根據本發明，裝塡是關 連到在已知溫度下停滯期間在該系統中所產生的最大壓力 ’适意謂著：該系統具有一個達至均衡的溫度，這個均衡 溫度在整個系統裏都是一致的。根據本發明，若是該系統 的均衡溫度高達攝氏6 0度時，這個壓力應該低於冷卻劑 臨界壓力的1· 26倍。在這個溫度之下或任何其它被界 定爲最大停滯溫度的溫度之下，所產生的壓力是非常重要 的’以便界定系統低壓側的設計壓力，只要該壓力之數値 超過低壓側的最大操作壓力即可。對於單純的二氧化碳， 在已知的溫度之下，這個壓力極限値對應於大約9 3巴的 壓力。 本發明沒有壓力的下限値，因爲較低壓力是符合本發 明的意圖，也即是，可達成降低設計停滯壓力之目的。然 而，對於對應於大約1 0巴壓力的純二氧化碳而言，它是 不可能在這個攝氏6 0度的溫度之下，使該停滯壓力能夠 低於臨界壓力的〇 . 1 4倍。 ^ 許多對該系統效率和操作條件的改善能夠利用許多不 同的元件來獲得，這些元件像是：種種不同容量的壓縮機 、膨脹裝置、種種不同的節流裝置、內部的熱量交換器、 —_- _ίο___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 565678 A7 ____B7_ 一 五、發明說明（ij ) ---------!!.%1 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 調速到中間壓力、或其它工作循環的改進等。在本發明申 請專利範圍第1項所界定之保護範圍以內，降低該系統的 許多元件之設計壓力，並藉此將系統的成本減低到最小的 程度依然是可能的。本發明所述的原理對於爲了某些原因 需要在該系統裏較佳地設置一個容器，而該容器不是被意 圖用來如W〇94/14016所述一般地作爲一個獨立 的膨脹容器，而是被作爲被結合在該系統循環迴路內部的 一個元件而被設置在系統之低壓側的容器也是有效的。 圖5說明一個可能的系統架構和其一個改良過之作業 循環。該舉例性質之系統包含有：一個兩階段之壓縮機4 1、一個熱排放器4 2、一個膨脹裝置4 3、一個吸熱器 -線 4 4、一個內部熱交換器4 5、另一個膨脹裝置4 6、和 一個內部過冷器4 7。該系統在內部過冷器& 了進行節流 調整以前先調節到中間壓力，以便對高壓力之冷卻劑作過 度之冷卻，並且藉由在壓縮期間或是在兩段式壓縮機4工 的兩階段壓縮之間注射入中間壓力之氣體來降低最終的壓 縮溫度。根據本發明，也可以減少處於中間壓力之下的元 件的設計壓力，譬如是，該熱交換器4 了的中間壓力側和 該壓縮機41曝露到中間壓力的部件等。 一個系統具有如下之特徵者也可以得益於本發明··該 系統的操作係可逆的，譬如，如圖6所示的例子。該例子 說明一個可逆的熱啷筒系統，該系統包含有：一個壓縮機 5 1、一個熱交換器5 2、一個膨脹裝置5 3、一個熱交 換器5 4、一個內部熱交換器5 5、另一個膨脹裝置5 6 -— _11 _ 本紙張尺度適用中國國家鮮（CNS)A4規格（21G X 297公楚） " "— -- 565678 A7 ____B7_ 五、發明說明（θ) ----------1¾. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、一個四路閥5 7、一個單向閥5 8、和一個單向閥5 9 。該壓縮機的吸入側將始終是在該系統的低壓力側，並且 ’因而可以得益於先前所說明的較低設計壓力。在冷卻模 式下是在該系統低壓力側的蒸發器/吸熱器，在加熱模式 下將變爲是在系統的高壓力側的熱交換器5 2。然而，在 加熱模式下的最大高壓力經常只有低達7 0至8 0巴之壓 力値’因而，本發明的較低之最大停滯壓力將因而也是有 益於這個元件的。 本發明的較佳冷卻劑是二氧化碳，但是，本發明也能 夠被用於二氧化碳的混合物和其它具有相同特徵的液體， 這些液體在某些操作條件之下其工作循環係跨越臨界壓力 的兩側。 --線· 在此應強調：本發明的使用不限於先前說明裏所舉出 的例子和數字，而是應包含：在申請專利範圍之內所有可 應用本發明之意圖的所有系統。 _________12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 χ 297公釐）

Claims (1)

1. A8B8C8D8 565678 六、申請專利範圍 1 ·一種壓縮冷卻系統，其包含有：~個壓縮機（1 )、一個排熱器（2 )、一個膨脹裝置（3 )、和一個吸 熱器（4)，這些元件被連接在一個封閉的循環迴路內， 該循環迴路可以以超臨界高壓力操作，其特徵在於：該系 統之冷卻劑裝塡和元件設計對應於一個系統內部的停滯壓 力，當整個系統達到均衡溫度爲攝氏6 0度時，該停滯壓 力是低於冷卻劑臨界壓力的1 .2 6倍；並且，該二氧化碳 或包含有二氧化碳的冷卻劑混合物可以被使用在該系統內 作爲該系統的冷卻劑。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之系統，其特徵在於 :使用多段式或可變式容量之壓縮機。 3·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統，其特徵在於：該壓縮機是屬於一種半氣密式或氣 密式的設計。 4·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統’其特徵在於：該壓縮機也包含有一個內部熱父換 5·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統，其特徵在於：該系統係被設計成用來跨越臨界壓 力的操作。 6·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統，其特徵在於··該系統設有一個容器或額外的元件 以提供該系統中額外的容積。 7·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 1 __ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   565678 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 之系統，該系統使用二氧化碳當作冷卻劑，其特徵在於： 該系統的裝塡量是介於每一公升的系統總內容積裏裝塡有 1 8克至2 5 0克之間。 8·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統，其特徵在於：系統工作循環的修改，像是，但不 限於是，節流至中間壓力等，以便能夠改進系統的效率和 /或系統的操作條件。 9·如申請專利範圍第1項至第2項其中任一項所述 之系統，其特徵在於：該系統的操作可以被反向進行的。 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格(210 X 297公釐)