TWI229179B - Closed refrigeration system - Google Patents

Description

1229179 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 — 本發明整體而言係關於一種封閉冷卻系統，尤其係關於 一種具有無油螺旋式膨脹機-壓縮機之封閉冷卻系統。 【先前技術】 所有的封閉冷卻系統依序包含一壓縮機、一冷凝機、一 膨脹裝置及一蒸發器。膨脹裝置包含固定孔、毛細管、熱 電子膨脹閥、渦輪機以及膨脹機-壓縮機或壓榨機。在每一 膨脹裝i中，當高壓液態冷卻劑經歷壓降時，將其閃發使 得至少部分液態冷卻劑變為蒸汽，導致其比容積增加。在 一壓榨機中，該體積之增加用於驅動一輔助壓縮機，該輔 助壓縮機將高壓冷卻劑蒸汽傳送至系統壓縮機之出口，藉 此增加系統負載能力。由於壓榨機中發生的壓縮過程非由 電動馬達，而是由閃發液態冷卻劑所驅動，因此總冷卻效 率與系統負載能力具有相同之增額。 基本上，螺旋式壓縮機與膨脹機在軸向及徑向均不平 衡。共同讓渡的美國專利第6,185,956中示範的具有單一低 壓孔之三端口螺旋式壓榨機在徑向上仍不平衡。 【發明内容】 -種用於相位變換空氣調節系統及冷卻系統中之無油螺 旋式膨脹機_壓_設備，或難機設備。該膨脹機具有一 組定時齒輪之功能讀制陽轉子及陰轉子相對角度位置及 驅動祕榨機的輔助壓_。此方法之所以能夠實現，係 因為該膨脹機具有至少70%之液態冷卻劑組份，該組份形 85859 1229179 成-強烈動態液體薄膜以將該陽轉子與陰轉子分離。該冷 部劑潤滑之膨脹機轉子成為一 " 风為對疋時齒輪，如同乾式螺旋 恩縮機中的習知定時齒輪。壓榨機之壓縮機部分之陽轉子 ”陰轉子<間具有更大的間隙’因此陽轉子與陰轉子不會 相=接觸。該特徵允許壓榨機之壓縮機部分之無油、乾二 羽伯機‘作，如同定時齒輪允許習知壓縮機之無油操作。 白，知乾式壓縮機之定時齒輪與該壓榨機中二相流動螺旋式 膨脹機（間的差異為，前者為來自一機械傳動之習知齒輪 傳送轉趣而後者本身即為-膨脹機。該壓榨機之膨脹機及 壓縮機之轉子係無油，膨脹機之轉子藉由二相工作流體之 硬體邵分來湖滑，且-動態液體薄膜將恩榨機之陽轉子與 陰轉子分離。 本發明之-目的為平衡壓_中徑向及軸向氣體壓力。 本發明之另-目的為限制轉子扭曲，藉此允許減小壓榨 機轉子之間的間隙。 本發明之再一目的為減小壓榨機中的軸承負載。 本發明之又一目的為提高壓榨機性能。 本發明之又另一目的為相對於壓榨機之壓縮機之轉子， -將膨脹機之轉子作為定時齒輪來使用。這些及其他目的可 由本發明所達成，此可以由以下之說明獲致瞭解。 冷卻系統或空氣調節系統中的膨脹裝置基本上係一壓榨 機。該壓棒機由-¾式螺旋膨脹機及一净复式螺旋壓縮機構 成，其中膨脹機之轉子具有定時齒輪之功能。 【實施方式】 85859 1229179 不一冷卻系統或空氣調節系統。

120之入口 120-1之咼壓液態冷卻劑導致轉子12丨及 在圖1中，數字10整體表示 開始於壓縮機12,系統^依力 管線1 8、形ϋ默始她士油< t 動。當轉動時，轉子121及122相互作用充當一膨脹機，該 膨脹機降低冷卻劑之截留體積的壓力，導致其發生閃發。 由於自液態至氣態之相位變換需要能量轉移，所以一部分 液態冷卻劑閃發。通常，15%之液態冷卻劑閃發，但在適 立之（τ、件下可達30%。藉由管線130，在額定蒸發器壓力 下，氣態及液態冷卻劑之低壓混合物自膨脹機出口 12〇_2進 入分離器140。 如圖所示，分離器140可位於壓榨機20之内部，或位於其 外部JL分離器140將液相冷卻劑與汽相冷卻劑分離，並且藉 由管線22將液相及部分汽相冷卻劑提供入蒸發器24。經由 管線141而自分離器140所提供之冷卻劑汽相部分係由特定 的冷卻劑 '週期及系統組態所規定。例如，對於冷卻劑 l34a ’在水冷式冷卻器中之蒸汽約為6%，而在氣冷式冷卻 器中之蒸汽約為10%。通常，該蒸汽至少為5%。假設為冷 85859 1229179 卻劑134a及水冷式冷卻器，則藉由管線丨41將所分離的冷卻 劑汽相中的一部分冷卻劑，約為6%，自分離器140提供，至 壓縮機220之壓縮機吸入口 220-1。參看圖3,藉由公共轉軸 121-1，膨脹機120之螺旋轉子121之轉動將導致壓縮機220 之螺旋轉子221之轉動。同樣地，藉由公共轉軸122_1，膨 脹機120之螺旋轉子122之轉動將導致壓縮機22〇之螺旋轉 子222之轉動。由於壓縮機220之轉子221及222分別由膨脹 機120之轉子121及122驅動，所以提供至壓縮機吸入口 籲 220-1之低壓氣態冷卻劑係藉由轉子221及222之相互作用 而壓縮之。在壓縮機12之額定排出壓力下，將高壓冷卻劑 蒸Ά傳輸至壓縮機出口 220-2並且經由管線150傳至排出管 線14，此處該高壓冷卻劑蒸汽與由主壓縮機12提供的高壓 冷卻劑氣體結合。因此，對於此給定實例，約i 〇6%之壓縮 機12輸出係被供應至冷凝機16。 自上文可知，螺旋轉子221與螺旋轉子121整合在一起且 一體式轉動，螺旋轉子222與螺旋轉子122整合在一起且一 籲 體式轉動。比較圖4及圖5,可以看出該膨脹機i 2〇之轉子121 及122相互接觸，然而壓縮機22〇之轉子221及222之間具有 一間隙’圖5以誇示方式顯示該間隙。因此在冷卻工業中所 - 用的油浸式螺旋壓縮機方式中，螺旋轉子221及222非相互 · 作用。該冷卻工業中，一螺旋轉子嚙合並驅動另一螺旋轉 子。因此，轉子121及122之相互作用為相對於螺旋轉子221 及222之定時齒輪之相互作用。因為轉子221及222不接觸， 所以Έ們不需要潤滑。因為轉子121及122主要受到液態冷 85859 1229179 卻劑的作用，所以液態冷卻劑提供密封及潤滑功能，此功 能通常由潤滑劑提供。由於轉子22 1及222非相互接觸/因 此轉子輪廓之設計用於其密封功能而非用於驅動/被驅動 之關係。轉子121及122與轉子221及222相比具有更為緊密 之葉間間隙。轉子121與122由二相工作流體中的液態冷卻 劑潤滑，並且一動態液體薄膜將轉子！ 2 1及122分離並密 封。轉子121、122、221及222之輪廓設計使得膨脹機丨2〇及 壓縮機220中各對轉子間合成轉矩為單向性。此外，膨脹機 120之轉子121及122之轉子輪廓在傳動帶處具有一高相對 半徑’以最小化轉子間的接觸應力。與如先前技術中所示 之習知的螺旋式壓縮機及膨脹機或三端口壓榨機設計相 比，轉子121、122、221及222具有縮小之扭曲，這將允許 縮小頂部間隙以藉此提高性能。 冷凝機16額定處於與壓縮機12之出口具有相同之壓力 下，壓縮機12經由管線14向冷凝機16供料。壓縮機220之出 口壓力額定與壓縮機12之出口壓力相等。因此，經由管線 18而在端口 120-1處所提供的壓力與經由管線15〇提供至排 出管線14之排出口 220-2處的壓力相等。端口 120-1及端口 22 0-2處—的壓力反向作用於整體轉子121及221以及整體轉 子122及222上，藉此實現平衡。該排出口 12〇-2經由管線 130、分離器140及管線141 ’與入口 22 〇-1流體連通，且使 其處於額定相等的壓力之下。排出口 120-2及吸入端口 22(M 處的壓力反向作用於整體轉子121及221以及整體轉子122 及222上，藉此貫現平衡。結果為，即使未消除，轉子J 2 i 85859 -10- 1229179 及221以及轉子122及222上的軸向負載也大大縮減。 以所描述及說明之方式加載吸入端口及排出口，作用於 膨脹機120及壓縮機220之壓榨機2〇上的軸向及徑向氣體壓 力被最小化。由於軸承負載主要由非平衡耦合導致，因此 上述端口縮減了軸向及徑向軸承負載。 在運行過程中，藉由排出管線14，將來自壓縮機12之高 溫、高壓冷卻劑蒸汽提供至冷凝機16，冷卻劑氣體在冷凝 機16中冷凝為液體，藉由管線18將此液體提供至壓榨機 2〇。藉由管線18將該高壓液態冷卻劑提供至一複式螺旋膨 脹機120，其導致該冷卻劑閃發並降低冷卻劑壓力，同時驅 動膨脹機120之轉子121及122以及壓縮機220之雙轉子221 及222。該低壓冷卻劑蒸汽/液體混合物自膨脹機12〇流至分 離器140，分離器140藉由管線hi將純蒸汽提供至壓榨機2〇 之壓縮機部分，並藉由管線22將一更為濕潤的二相流動混 合物提供至蒸發器24，此處藉由管線26將液體冷卻劑蒸汽 及產生的氣態冷卻劑提供至壓縮機丨2以結束循環。將來自 分離器140之冷卻劑蒸汽提供至複式螺旋壓縮機22〇之吸入 口 220_1。膨脹機120之轉子121與壓縮機220之轉子221整合 在一起並與其-一體式轉動。同樣地，膨脹機12〇之轉子122 與壓縮機220之轉子222整合在一起並與其一體式轉動。因 此’藉由轉子221及222之相互作用，將提供至吸入口 220-1 之氣怨冷卻劑壓縮’並藉由壓縮機2 2 0經由排出口 2 2 0 - 2及 管線150，將產生的壓縮氣態冷卻劑在額定的與壓縮機丨2之 出口壓力相同壓力下傳送至管線14，在此有效地提高了傳 85859 -11- 1229179 送至冷凝機16之咼溫、鬲壓冷卻劑的數量，並藉此提高系 統10之負載能力。 一 參看圖6及圖7，系統1〇,及壓榨機2〇,與圖所示的系統 10及壓榨機20之間的差別在於系統及壓榨機2〇,除去了 分離器140及管線130、141。因為分離器140被除去，所以 藉由管線141’向吸入口 220-1自蒸發器24或自位於蒸發器24 下游之管線26供料。管線141及管線141’均提供額定蒸汽壓 力下的冷卻劑蒸汽。除了除去分離器14〇及其功能，系統！ 〇 與1(V及-壓榨機20與20’之操作基本上相同。 儘管說明並描述了本發明之較佳實施例，但熟習此項技 術者不難瞭解本發明之其他變化。因此，本發明之範圍鹿 僅由附加之申請專利範圍所限制。 【圖式簡單說明】 為更加全面地理解本發明，現應結合附圖，參看下文中 詳細描述。附圖中： 圖1為一運用本發明之冷卻系統或空氣調節系統之示意 園， 圖2為圖1系統之壓榨機之簡圖； 圖3為沿平行於圖2壓榨機之轉子之軸繪製的簡圖； 圖4為沿線4-4截取的圖3之壓榨機之膨脹機部分之截面 TS! · 團， 圖5為沿線5_5截取的圖3之壓榨機之壓縮機部分之截面 圖；及 圖為運用本發明之變化型式之冷卻系統或空氣調節 85859 -12· 1229179 系統之示意圖；及 圖7為圖6系統之壓榨機之簡圖。 【圖式代表符號說明】 10 冷卻系統或空氣調節系統 10f 冷卻系統或空氣調節系統 12 壓縮機 14 排出管線 16 冷凝機 18 - 管線 20 壓梓機 20， 壓榨機 22 管線 24 蒸發器 26 吸入管線 120-2 排出π 120-1 入口 120 膨脹機 121-1 公共轉軸 121 轉子 122 轉子 130 管線 140 分離器 141 管線 14Γ 管線 85859 - 13 - 1229179 150 220-2 220-1 220 221 222 管線 排出口 吸入口 壓縮機轉子轉子 85859 14

Claims (1)

1. 1229€神卿4號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(93年1〇月） 拾、申請專利範園： 1 · 種封閉冷卻系統，其包含冷卻劑，並依序包括一主體壓 縮機、一排出管線、一冷凝機、一壓榨機、一蒸發器及一 吸入管線，其中： 該壓榨機包括一具有一對轉子之螺旋式膨脹機，其中每 一轉子具有一對末端，以及一具有一對轉子之螺旋式壓縮 機’其中每一轉子具有一對末端，且該螺旋式膨脹機之每 一轉子與該螺旋式壓縮機之一對應轉子具有一公共軸； 該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機均具有一入口及一 出口’其中該螺旋式膨脹機之出口及該螺旋式壓縮機之入 口分別位於該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機之該等轉 子之第一相對末端； 該螺旋式膨脹機之出口係連接至該蒸發器； 用於在蒸汽壓力下將冷卻劑蒸汽提供至該螺旋式壓縮 機的入口之裝置； 該螺旋式膨脹機之入口及該螺旋式壓縮機之出口分別 位於該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機之該等轉子之第 二相對末端； 茲螺旋式膨脹機之入口係連接至該冷凝機； 該螺旋式壓縮機之出口係連接至該排出管線。 2·如申請專利範圍第1項之封閉冷卻系統，其中該螺旋式壓 縮機之該等轉子具有一間隙，使得該螺旋式膨脹機之該等 轉子相對於該螺旋式壓縮機之該等轉子具有定時齒輪之 功能。 3·如申請專利範圍第1項之封閉冷卻系統，進一步包括一分 1229179 93. l〇. 14 修正 …補充 離器該分離器將液相冷卻劑與汽相冷卻劑分離並將汽相 冷卻劑中至少5%的冷卻劑提供至該螺旋式壓縮機，以傳 送至該排出管線。 4.如申請專利範圍第1項之封閉冷卻系統，其中該等轉子之 第一相對末端位於最遠末端且第二相對末端位於最近末 端。 5. —種封閉冷卻系統，其包含冷卻劑並依序包括一主體壓縮 機、一排出管線、一冷凝機、一壓榨機、一蒸發器及一吸 入管線，其中： 該壓榨機包括一具有一對轉子之螺旋式膨脹機，其中每 一轉子具有一對末端，以及一具有一對轉子之螺旋式壓縮 機，其中每一轉子具有一對末端，且該螺旋式膨脹機之每 一轉子與該螺旋式壓縮機之一對應轉子具有一公共軸； 該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機均具有一入口及一 出口，其中該螺旋式膨脹機之出口及該螺旋式壓縮機之入 口分別位於該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機之該等轉 子之第一相對末端； 一分離器； 該螺旋式膨脹機之出口係連接至該螺旋式壓縮機之入 口，且經由該分離器連接至該蒸發器； 該螺旋式膨脹機之入口及該螺旋式壓縮機之出口分別 位於該螺旋式膨脹機及該螺旋式壓縮機之該等轉子之第 -—相對末端， 該螺旋式膨脹機之入口係連接至該冷凝機； 該螺旋式壓縮機之出口係連接至該排出管線。 85859 -2- 6. 6. ^ 4nifjE 4jt·, 如令請專利範園, 縮機之該等轉子具有冷卻系統’其中 違螺旋式壓 轉子相對於該螺旋#間隙’使得該螺旋式膨脹機之該等 功能。 ^1縮機之該等轉子具有定時齒輪之 7. 如申請專利範園第$項 诘相、人之、十^ 封閉冷卻系統，其中該分離器將 ’、：，m汽相冷卻劑分離並將汽相冷卻劑中至少5% 的々部4供至孩螺旋式壓縮機，以傳送至該排出管線。 8. 如申請專利範圍第5項之封閉冷卻系統，其中該等轉子之 弟相對末端位於最遠末端且第一相對末端位於最近末 端0 85859