TWI224665B - Expressor capacity control - Google Patents

Description

玫、發明說明： 【發明所屬之技術頜域】 本發明係關於一種用於在空調與冷卻系統中實現冷卻劑 相變之旋轉葉片或雙螺桿膨脹―壓縮機或壓榨機裝置、。 【先前技術】 所有封閉式冷卻系統順次包括一壓縮機，—冷凝器，一 膨脹器以及一蒸發器。膨脹器包括固定噴嘴，€細管，熱 膨脹器及電膨脹器’渦輪機，以及膨脹__壓縮機或壓榨機。 在母一膨脹器中，高壓液體冷卻劑經過一定壓降後將會發 生閃蒸，因此至少其中—些液體冷卻劑將變為装汽，Z 增加了比容：在壓榨機中，制容積之增加向為系統壓縮 機排放輸送高壓冷卻劑的輔助壓縮機提供動力，從而增加 了系統的能力。由於壓榨機中壓縮過程發生之動力不由電 動馬達提供’而係由閃蒸之液體冷卻劑提供，戶斤以整個冷 卻效率與系統能力具有相同的增量。 對於冷凝器典型應用的壓縮比，該壓縮心代表排放壓 力’、吸人;I力I比。壓縮情形τ體積比W為吸人體積與輸 出體積之比，而在膨脹悟形 y下J為輛出體積與吸入體積之 比。對於液體膨脹，Vi值在〗〇式 '、 ， 戍者10以上。對於相同之壓 縮比’蒸汽膨脹之Vi值侉在3式4 *各 二戈左右。液體膨脹與蒸汽膨 脹〜間存在差別之原因為人 # + 在 在相同溫度與壓力條件下， 爲}飞的體積大約為相應數量 里’促隨積爻8倍。另外，冷卻剞 產生相變時需要提供能量以 且右非士一、 文成交為煞汽Q若一膨脹器 具有非吊冋又乂丨，比如為1〇咬 4者更大，在進氣過程結東時 85cS6() 1224665 ’液體將充滿界定該膨脹器之捕捉體積之空腔。在缺少閃 為（flashing) ’也就是次冷卻液體時，或者若由於液體無法 膨脹而使閃蒸速率（flash rate)與體積變化不相匹配時，膨脹 器將不能正確運行。先前技術裝置採用預節流來顯著降低 膨脹器的Pr。 相應地，吸入過程結束時在空腔體積中存在兩相之冷卻 劑。預節流浪費效能的原因在於能量未被使用。 【發明内容】 一種用於在空碉與冷卻系統中實現冷卻劑相變之旋轉葉 片或雙螺旋膨脹·壓縮機或壓榨機裝置。旋轉葉片或雙螺旋 壓榨機實際上為一兩級裝置’膨脹器為第一級，用於提供 動力以驅動壓縮機；該乘炉趟盔 必4、，伯機為弟二級，用於向從系統壓 縮機伸出並與冷凝器遠垃Α t ^ 、 、接在一起义排出管道輸送壓縮後之 鬲壓冷卻劑。根據本發明所 _ . 斤硬隨冷卻劑被提供給膨脹 斋之入口（inlet)。在引入過程姓击 、“<、#、 、'°釆時’壓榨機壓縮機排放出 又向壓熬汽供給至捕捉體積中， t〃 如此可使膨脹器正確運轉 ，同時无分獲得液體轉化為蒗气 ^队壬土 ^ …飞f膨脹過程中所需之機械 動力。啟動時，來自排出管道的—此 「 仳认/¾栌祕、w收 二滅向壓氣f豆被直接提 供給壓ί乍機之膨脹器，获 楮此壓榨機開始旋絲。 本發明之一目的係提供一種將 γ Α节#廿茲 #硬體或次冷液體轉化 為游π亚猎此後得機械動力之高效率方 本發明之另一目的係控制 万1。 太八日日+ ^ %峰 < 旋轉速度或流量。 本w月之又一目的係於啟動期間疼- 給壓榨機之膨脹器。 7、 一出 < 氣體直接提供 85860 1224665 参;d目的係消除對提供給一壓榨機膨脹器的液 體進行預節流。由本發明营見 q + π 貝上見 < 目的及其他目的在下文中 將更為明顯。 飽和液體或次冷液體本質上係提供給壓梓機之膨服器。_ 丨.好在入口過程結東之前或恰好在入口過程完成之後啟動. 在膨脹過私中，壓榨機之壓縮機排放出之高壓蒸汽被提 供至界定一捕捉體積的空腔中。 【實施方式】 在圖1中，數+ 1 0整體表示一冷卻系統或空調系統。從壓鲁 縮機1 2開始，系統丨〇依次包括排出管道丨4，冷凝器1 6，管 路18，一具有壓榨機形式之膨脹器20，管路22，蒸發器24 及吸入管路26，而完成一迴路。參照圖2，壓榨機2〇顯示為 旋ΤΤ葉片表且，名義上其中有一半的轉動具有一膨脹器 足作用，名義上另一半轉動具有壓縮機之作用，所以壓縮 機2 0在平衡貝荷時實際上為一兩級裝置。如圖示，壓榨機 20具有一帶一旋轉軸a的轉子以及8個分別標示為V-1至 V-8沿環向間隔開之葉片。葉片v“至ν·8藉由離心力與由汽_ 缸20-1界定之氣紅壁密封在一起，若必要或吾人期望如此 ’可藉由彈簧偏壓使其與氣缸壁接觸。在每一葉片之排放 側上形成一凹槽，以防止葉片狹槽中之空腔截留流體而成 為流泉（fluid spring)。相對於軸β，壓榨機20之汽缸20-1具 . 有統一；直徑。管路22及其埠（p〇rt)22-l與空腔C-4及C-5不 對稱’藉此減少膨脹器2 0之壓縮機的入口體積，該入口體 積係由密封空腔C-5相對於壓榨機20之膨脹器之排放體積 85860 (discharge volume\^ w ^ ....... …，, 斤’I走’其中該排放相藉由空腔C_4之 最大體積所界定，& 0、A ^ . 匕 '豕於膨脹器除為壓榨機2 〇提供冷卻劑 、 還為…α⑽〜4供給冷卻劑。或者，可變化汽虹|之 'Ή二以便使工腔c_5中之最大體積比空腔C-4中之最大體_ 積還小。 如圖所示，葉片V-I完全縮進其在轉子21中之狹槽中，但 . 與&紅2CM密封接觸。葉片V-2自其在轉子2 1中之狹槽稍微 伸出並與汽虹20]密封接觸。由葉片v]、v_2、轉子及 汎缸20-1之壁共同界定之空腔c_丨中具有自冷凝器丨6底部 _ 及出亚經由官路1 8之高壓液體（飽和液體或次冷液體）。因為 空腔c-i中足泥體壓力作用於葉片v_2之面積比作用於葉片 V-1上之面積更大，所以存在一由空腔C-1中之流體所施加 又力，該力有助於沿順時針方向轉動轉子2丨，如圖示。在 膨脹過程中，空腔C-2相對於空腔Cq為第二級，體積亦更 大。如果空腔C-1在與管路1 8脫離連通之前與管路丨54連通 ’儘管可向空腔C-1提供蒸汽冷卻劑，但向其提供的仍為液 體冷卻劑。空腔C-2與管路154流體連通，從其開始與管路 ® 1 54接觸直到與管路1 54脫離接觸為止，在空腔C-2體積增大 時管路1 54向其供給鬲壓蒸汽。因此，儘管空腔c-2之體積 比芝腔C-1大，但所增加之體積係由蒸汽冷卻劑補充，而非 藉由提供給空腔C-2之液體冷卻劑在空腔C-1中的閃蒸進行 補充。因為空腔C-2中的流體壓力作用於葉片V-3上的面積 大於作用於V-2上的面積，因此存在一由空腔C-2中之流體 ‘加 < 力，該力有助於沿順時針方向轉動轉子2 1 ^ Η5ΚΓ)0 1224665 在膨脹過程中，空腔C-3相對於空腔C-2為史高一級，體 積亦更大。由於在空腔C-3處於空腔C-2之位置時所提供之 物為蒸汽冷卻劑，因此不需要預節流，且不會損失先前技 術裝置的能量/效率，膨脹過程就會發生。因空腔C - 3之Ί 體壓力作用於葉片V-4上的面積大於作用於V-3上的面積’ 因此存在一由空腔C-3中之流體所施加之力，該力有助於沿 順時針方向轉動轉子2 1。空腔C-4位於膨脹過程結束位置。 一旦葉片V - 5與管路2 2連通，空腔c - 4中之低壓液體冷卻㈣ 被傳遞給管路2 2，同時有一部分低壓冷卻齊j氣體流經葉片 V-5進入空腔C-5。典型地，空腔c-4中以液相形式存在之冷 卻劑應占7 〇 — 8 6 %，其餘以氣相的形式存在。進入空腔C - 5 中的冷卻劑以氣相形式存在的部分係由特定的冷卻劑、循 環以及系統構形所確定。例如，冷卻劑1 3 4 a，對於一水冷 式冷凝器而言，被再壓縮的蒸汽質量流量應為進入壓榨機 20中的總液體質量流量的6%，而對於一氣冷式冷凝器而言 則應為1 0%。典型地，被再壓縮的蒸汽至少應為進入壓榨 機20中的總液體質量流量的5%。埠22-1的位置確定了空腔 C-5的封閉程度及其初始體積。假定為冷卻劑丨3乜與一水冷 式冷凝益，提供給芝腔C-5的蒸汽冷卻劑占來自空腔c-4的 總冷卻劑的6%。換言之’氣缸20-1的半徑可變化，以便使 空腔C-5中形成的最大體積小於空腔C-4中形成的最大體積。 玄腔Co位於壓縮過程的第一級，由於埠22·〗的位置或者 由於在芏腔C - 5附近氣缸2 0 -1的壁的半徑減小，在空腔〔_ 5 位於其最大體積位置時其體積比空腔小。空腔及空 85860 1224665 腔C-4中之低壓:具有最小之可旋轉轉子2 1或者抑制其相對 於其他空腔轉動之壓力。在壓縮的前階段，空腔C-6表示一 被壓縮氣態冷卻劑之捕捉體積。由於空腔C-6中之流體冷卻 劑作用在葉片V-6上的體積比作用在葉片ν-7上的體積大， 因此存在一由空腔C - 6中之流體施加之力，該力有助於沿逆 時針方向轉動轉子2 1。當氣缸20-1壁之半徑減小時，葉片 V-6及V-7受流體壓力作用之面積減少。被壓縮後體積之縮 減防止了膨脹器中用於沿順時針方向轉動轉子2 1的對應力 之抵消。 2腔C-7為壓縮過程之最後一級。由於空腔c-7中之流體 力作用於葉片V-7之面積比作用於葉片γ-s之面積大，因此 存在一由空腔C-7中受壓流體施加之力，該力有助於沿逆時 針方向轉動轉子2 1 ’空腔C-2中之高壓抵消了該力，因此轉 子2 1沿順時針方向轉動。空腔C-8為壓縮過程之排放階段， 亚與官路150連通，且其名義上之壓力為壓縮機12的排放壓 力。芏腔C-8與用於向管路14供給高壓冷卻劑之管路15〇流 骨豆連遇。此外’官路丨5〇向管路1 5 1提供壓刀大小為壓縮機 排放壓力 < 氣態冷卻劑，其中管路丨5丨經由節流線丨52持續 入I备1 54及丄腔C-2泥體連通。管路1 5 1經由包含有閥1 之&路〗：)〇有選擇地與管路1 54及空腔連通。閥】6〇可為 任何口適〈類^ ’比如為-藉由脈衝控制通過其中之流量 的e匕閥。包碗閥1 6〇由微處理器丨7〇根據液面高度感測器 1 6 2檢測到的、人;終哭^ 、 … 自0疑备16中足液體高度而進行控制。 運轉過程中，壓增機】9^ r _ 土 ’錢12<熱高壓冷卻劑經由輸出管路14 85860 -11 - 1224665 提供給冷凝器丨6，在該冷凝器中冷卻劑蒸汽被冷凝為液體 。自冷凝器底部流出之液體冷卻劑經由管路丨8被提供給壓 榨機20，在壓榨機中液體冷卻劑經歷由空腔C-1.至空腔C -4 完成之膨脹過程。空腔C-4中低壓液體/蒸汽冷卻劑混合劑 經由管路22提供給蒸發器24，在該蒸發器24中液體冷卻劑 蒸發，以冷卻要求之空間，且最後的氣體冷卻劑經由吸入 管路26提供給壓縮機1 2，由此完成一個循環。其中一些來 自空腔C-4的冷卻劑蒸汽被提供給壓榨機20中壓縮機的空 腔C-5。在依次由空腔C-5至空腔C-8說明之壓縮過程中，低 壓冷卻劑蒸汽被壓縮至一與輸出管路14中壓縮機12之排放 壓力大小相當之壓力。空腔C-8將其中之冷卻劑輸出至管路 1 50中，管路1 50將一部分來自空腔C-8之高壓氣體冷卻劑輸 送至管路1 4中，在管路1 4中冷卻劑有效地增加了熱量，高 壓冷卻劑輸送至冷凝器1 6中並藉此增加了系統1 0之能力與 效率。來自空腔C-8之一部分高壓蒸汽冷卻劑輸出至管路 150中，然後進入管路15卜並經由節流管路152進入管路154 ，再進入空腔C-2，其中該空腔C-2剛與高壓液體冷卻劑管 路1 8斷開連接，或仍然與高壓液體冷卻劑管路1 8相連但即 將斷開連接。節流管路152允許高壓蒸汽冷卻劑以一與轉子 21之最小轉速相關之速率流入至空腔C_2中。管路153平行 於節流管路1 52並包含有一電磁閥160，該電磁閥藉由微處 理器1 70根據冷凝器1 6中之液面高度感測器1 62檢測出冷凝 器1 6中之液面高度而進行控制。轉子2 1之轉速隨閥1 60之開 口度增加而增加。除壓榨機排放之外，在啟動階段，壓縮 85860 -12 - 機排放出之高壓蒸汽經由管路140與150提供給空腔C小用 万：驅動壓^機。利用邓分膨脹過程中空脸中出現冷卻劑 热，藉此膨脹器可正確運行，且可充分獲得液體轉變為 蒸汽所需之機械動力。 從管路18伸出進入空腔中之高壓液體進口埠]8-丨與 液體一蒸汽膨脹Vi相匹配，且蒸汽供給埠丨54_〗以相同壓力 比與蒸汽膨脹Vi相匹配。藉由閥} 6〇控制之高壓蒸汽流量能 力控制壓榨機20之轉速。閥丨6〇關閉時，轉子2 1之速度及膨 脹流量能力（系統10之冷卻能力）為最小。閥16〇用於控制與 壓榨機20之流量能力對應之轉子21之速度。閥16〇完全開啟 時，轉子21之轉度或者壓榨機2〇之流量能力將達到最大。 運轉過紅中，迥常經由管路丨5〇之流動係從壓榨機2〇之壓 縮部分開始進入排放管路14之中。然而，在啟動階段，假 疋系統10中之壓力至少名義上被平衡，一部分提供給排放 管路14之壓縮機12之排放可經由管路15〇提供給壓榨機2〇 。從圖2清楚可見，管路150與空腔體連通，在空腔中 其影響甚微。然而，管路150經由管路151、·[ 52及〗54與空 腔C-2流體連通，因此如上所述，空腔C-2中之壓縮流體使 轉子2 1沿順時針方向轉動，藉此促使壓縮機2〇啟動。 參考圖3，壓榨機20'等同於壓榨機2〇之雙螺桿轉子。壓 榨機20’之所有已標示之結構係與壓榨機2〇之結構相同。儘 管只顯示了 一轉子2Γ，然而很明顯地，空腔c-i至C-4體積 係逐漸增加以界定壓榨機之膨脹器部分，而C-5至C-8體積 係逐漸減小以界定壓榨機之壓縮部分。埠2 2 -1之位置批遲 85860 1224665 了空腔Co之閉合’因此降低了其相對於空腔C-4之最大閉 合體積之最大閉合體積。若必要或者吾人期望如此，在壓 縮過程中，埠22-1可延遲第一捕捉體積之閉合，如同在空 腔C-6中所出現的情況。 圖4為如上所述從芝腔C -1依次至空腔c - 8位置之過程中 壓縮機20及20'中壓縮與膨脹過程之圖表示意圖。中間區域 為與空腔C-4及C-5在圖2中所示之位置對應之低壓流體/蒸 汽排放。 儘管顯示與描述了本發明之較佳具體實施例，熟悉此技鲁 術者可對其進行其他更改，因此本發明之範圍僅由隨附之 專利申請範圍所限定。 【圖式簡單說明】 為了更完整地理解本發明，可參照附圖來瞭解上逑之詳 細說明。 圖】為使用本發明的冷卻系統或空調系統的一略圖。 圖2為圖1系統中壓梓機的簡化表示，其中壓榨機為-旋 轉葉片裝置。 圖3為圖1系、统中壓榨機的簡化表示，其中壓#機為一雔 螺桿裝置。 又 圖形 回為在[彳乍機中膨脹與壓縮過程期間體積改 表示法。 【圖式代表符號說明】 系統 壓縮機 10 85<S6() -14 - 12 1224665 14 排出管道 16 冷凝器 18 管路 18-1 埠 A 旋轉軸 B 轴 CM 〜C-8 空腔 20 膨脹器 20’ 壓榨機 20-1 轉子 21 轉子 22 管路 22-1 埠 24 蒸發器 26 吸入管路 1 50 管路 151 管路 152 節流管路 1 53 管路 154 管路 154-1 埠 160 電磁閥 162 液面高度感測器 170 微處理器 V-卜 V-8 葉片

S5860

Claims (1)

1224665 拾、申請專利範圍： 1 . 一種封閉式冷卻系統，其依次包括一主壓縮機、一排放 管路、一冷凝器、一壓榨機以及一吸入管路，其中·· 該壓榨機之一部分在每半個循環中具有一膨脹器之 - 作用，在每另一半循環中則具有一壓縮機之作用； - 該每半個循環中之該膨脹器部分包括複數個體積依 次增加之捕捉體積，該捕捉體積依次與隨後之構件相連 接：從該冷凝器中提供液體冷卻劑之構件；從該壓榨機 之壓縮機中提供排放壓力之構件，向該蒸發器及該壓释 機之該壓縮機排放之構件，以及 該每另一半循環中之該壓縮機部分包括複數個體積 依次減小之捕捉體積，在該每另一半循環中該捕捉體積 依次減小。 2 .如申請專利範圍第1項之封閉式冷卻系統，其中該膨脹 器部分中之最大捕捉體積比該壓縮機部分中之最大捕 捉體積更大。 3 .如申請專利範圍第1項之封閉式冷卻系統，其中該壓榨 機為一旋轉葉片裝置。 4.如申請專利範圍第1項之封閉式冷卻系統，其進一步包 括調節從該壓榨機之該壓縮機部分供應至該膨脹器部 分之捕捉體積中之排放壓力之構件。 5 .如申請專利範圍第1項之封閉式冷卻系統，其中壓榨機 為一螺旋裝置。 6.如申請專利範圍第1項之封閉式冷卻系統，其進一步包 85860 1224665 括在啟動期間將該排放管路與該膨脹器部分相連接之 構件，藉此主壓縮機向該膨脹器提供被壓縮悛之冷卻劑 ，用於在啟動時驅動該壓榨機。

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