TWI509207B - 使用蒸氣壓縮循環的冷媒迴路 - Google Patents

Description

使用蒸氣壓縮循環的冷媒迴路 發明領域

本發明討論具中級到高冷却能力(典型地約為100 kW及更高)用於冷凍及空調或熱泵，使用蒸氣壓縮循環，包括降膜式或混合降膜式蒸發器，連同連接至係與壓縮機分離的油分離器的潤滑式壓縮機。

發明背景

在對於節能及降低溫室氣體排放的背景中，探索高設備效率及低冷媒充填。為達該等目標，對該等系統的所有組件：壓縮機，可變速驅動裝置，冷媒之最佳化選擇，油分離器，熱交換器等進行改良。大部分的壓縮機需要求大量的潤滑，該潤滑同樣地產生一續存之油總量由該壓縮機進入冷媒迴路。此被帶入冷媒迴路之油必需接著藉由適當的回油系統返回壓縮機，為了避免不同的負面作用如同該等熱交換器之性能惡化。特別是針對螺旋壓縮機：該等機器為了確保在轉子之間氣體之正確的密封並為了避免在轉子之間需要額外的同步齒輪，因而要求特別大量的潤滑。因此，螺旋式壓縮機典型地需要一容器，亦一般視為一油分離器，位設於壓縮機排出與冷凝器之入口之間。與冷凍機及熱泵相關聯的一挑戰在於管理該冷媒迴路中之油。如此係需要在該排氣含油(oil carry-over)，該回油系統與該等熱交換器之技術之間謹慎地結合。

除了將油自該排出氣體分離之外，此容器或油分離器或是分離器容器通常亦具有作為供壓縮機所用的油池的功能。分離器容器或油分離器能夠基於複數操作原理。最為常見者包括：

-衝射分離(impingement separation)：油與氣體之二相混合物係投射在該容器之牆上或是至端部，提供一第一階段的分離。

-重力分離：與油混合的氣體係容許於容器中行進，不論水平地或是垂直地向上；如此容許較大的液相油滴具有足夠時間被重力推向該容器的底部。

-過濾襯墊分離：強制該混合物通過作為濾器之間隔緊密及/或精細交織的細絲或金屬線之襯墊。於一具體實施例中，該過濾襯墊可包括一金屬絲網。根據該過濾器製造廠家的指示，過濾襯墊一般係水平地安裝，讓向上地引導氣體循環。過濾襯墊的過濾程度相對地係為粗糙的；其無法阻止包含在氣體或水氣中極為細小微滴，但與重力分離比較仍能除去較小的微滴。

-離心力分離：該二相的油與氣體混合物係切線地導入於一圓柱形的容器中。旋轉運動易於將油微滴投射在該容器的圓柱形壁上，該處該等微滴結合並落至容器的底部。如同重力分離，離心式分離容許去除最大的油微滴。

-聚結過濾器：該二相的油與氣體混合物係經強制通過作為過濾器的一卡匣。該過濾器材料典型地係為玻璃纖維。與過濾襯墊(見上)比較其過濾較為精細。例如，聚結過 濾器大體上在冷媒迴路之作業期間防止直徑1μm(微米)或較大的微滴通過該聚結過濾器。於一典型的具體實施例中，該等聚結過濾器一般地容許包含於冷媒流中油微滴之質量比大約1到10每百萬分之一(PPM)自分離器排放。

通常同時地於單一分離器中實行複數不同的原理。例如，當使用聚結過濾器時，其通常經安裝以補充一過濾器/分離器，其可以併入一或更多操作原理，諸如衝射、重力、離心式及/或過濾襯墊分離。於一油分離器的設計中，該挑戰係在於於不同的參數諸如價格、尺寸、易於安裝、壓力降、可靠性，當然以及分離的效率之間尋找最佳的折衷方案。

典型的油分離器之設計包括：

-具有聚結過濾器的水平設計。圖1顯示此廣為熟知設計的一實例。該分離在該容器的一端部處以衝射開始，繼續一亦使用作為該油池的一重力分離部分，並以聚結過濾器完成。

-一具有一聚結過濾器的垂直氣旋設計(無顯示)。

當正確地實行時，該等設計通常提供一高度有效的油分離歸功於該等聚結元件。然而，聚結過濾器具有一些缺點。其相對地較為昂貴。假若該等聚結過濾器未正確地安裝，則系列的一些分離器無法符合操作規格。假若需要能夠檢查及去除過濾器，則需要昂貴的額外凸緣或提供進出的人孔其亦增加冷媒洩漏的風險。此外，具有內部聚結過濾器的容器之液壓安全性測試提高了損害該等過濾器 的風險，以及在完成測試後正確地排空及乾燥該容器的相關聯困難性。

在附屬的高流體質量流的例子中，聚結過濾器亦會經歷性能喪失，並在升高的液體力影響下易受阻塞及/或破壞影響。增加的流體質量流對於具高壓鹵化冷媒諸如HFC’s的熱泵應用特別地係為一問題。甚至當在空調應用方面使用時，聚結器或是聚結過濾器在使用諸如R-410A或R-507的高壓HFC’s時需為極大的。使用高溫熱泵增加與該等應用相關連的問題。於該等高溫熱泵中，該蒸發溫度大體上高於當在相對應的空調應用中使用該等相同機器與冷媒時的溫度，由於較高溫度的水或其他介質在蒸發器處經冷卻。於高溫熱泵，自蒸發器離開的水典型地係高於20℃，且能夠上達60℃或更高。甚至當使用一相對地低壓冷媒，諸如R-134a或甚至較低壓冷媒時，例如，如同R-245fa，該最終較高的蒸發溫度大體上增加密度並因此增加冷媒的質量流。

針對使用諸如螺旋式壓縮機的該等壓縮機的熱泵或冷卻器，所需要的是一具有未包括聚結過濾器的一完全地簡單設計的油分離器，同時在操作期間提供一充分的油分離。

發明概要

就使用螺旋式壓縮機的熱泵或冷卻器而言，本揭示內容係針對使用降膜式蒸發器或是混合降膜式蒸發器， 諸如，例如，於美國專利第7,849,710號中所說明者，其於此係以全文引用方式併入本案以為參考。該等蒸發器在最佳化性能與降低冷媒充填之間提供最佳的工藝狀態的折衷方案。此外，降膜式及混合降膜式蒸發器性能與傳統浸沒式蒸發器比較對排氣含油較不敏感，容許使用一油分離器，諸如該過濾襯墊，而未犧牲蒸發器性能。

為了本揭示內容，該用語過濾襯墊一般地結合下 列性能特徵：在冷媒迴路的作業期間大體上防止直徑大約5μm(微米)或較大的微滴穿過該過濾襯墊。於一具體實施例中，該過濾襯墊在包含於源自於該分離器的冷媒流中介於約50到約100百萬分之一(ppm)之間的油的狀況下作動。於該過濾襯墊的另一具體實施例中，過濾襯墊的空隙率係介於約97%與約99%之間。於過濾襯墊的一進一步具體實施例中，該等細線及/或金屬線之直徑一般而言該範圍從介於約直徑0.15mm到0.35mm(公厘)之間。

本發明係針對使用一蒸氣壓縮循環的一冷媒迴路，該迴路可使用於空調，冷凍或熱泵的目的。該迴路包括連接到與該壓縮機分離的一油分離器容器的一經潤滑的壓縮機，一降膜式或混合降膜式蒸發器以及一冷凝器。該油分離器容器大體上水平地延伸。該油分離器容器係藉由一過濾襯墊分隔成一主要空間及一次要空間，該過濾襯墊經組配以大體上自進入該油分離器容器的該冷媒中去除約5μm及大於5μm之所伴隨的油微滴。該主要空間係與壓縮機的一排出作流體上連接。該次要空間係與該冷凝器的入口 作流體上連接。該迴路具有相對於冷媒流質量比至少約2%的源自於該壓縮機之潤滑油的帶油流排放。

1‧‧‧水平容器

2‧‧‧過濾襯墊

2a,2b‧‧‧部分

3‧‧‧主要空間

4‧‧‧入口

5‧‧‧次要空間

6‧‧‧出口

7‧‧‧過濾襯墊

8‧‧‧油管

9‧‧‧壓縮機

11‧‧‧冷凝器

12‧‧‧蒸發器

13‧‧‧分叉內管

15‧‧‧氣體與油混合物

17‧‧‧端部

19‧‧‧液體油

圖1顯示一先前技術的油分離器。

圖2顯示本揭示內容之一油分離器的一示範具體實施例。

圖3顯示本揭示內容之一油分離器的一示範具體實施例。

圖4顯示本揭示內容之一油分離器的一示範具體實施例。

圖5概略地顯示本揭示內容之一蒸氣壓縮系統的一示範具體實施例。

圖6概略地顯示本揭示內容之一蒸氣壓縮系統的一示範具體實施例。

圖7顯示本揭示內容之一油分離器的一示範具體實施例。

圖8顯示本揭示內容之一油分離器的一示範具體實施例。

較佳實施例之詳細說明

圖2顯示一水平容器1具有提供該容器之一縱向分隔成二空間的一過濾襯墊2，該二空間：一主要空間3其具有一入口4接收源自於該壓縮機的排出，以及一次要空間5其具有一出口與一冷凝器(未顯示)的一入口連通。於一示 範具體實施例中，入口4接收壓縮機排放其中進入分離器容器1的一氣體與油混合物15可經佈置以在主要空間3中於該容器1之一端部處提供衝射分離。此外，一第二過濾襯墊7能夠配置位在或是接近於該處出現衝射的容器1之端部17，以限制該氣體排放碰撞該容器之該端部後自該壓縮機排放的氣體再次伴隨液體。

於此佈置中，如於圖2中進一步地顯示，自該氣體分離的油係容許自該主要空間3自由地移動至該次要空間5。於一具體實施例中，過濾襯墊2經安裝橫越容器1之整個橫截面，與容器1之該縱方向橫向。容器1的下部分係收集液體油19並作為油池的功能。當過濾襯墊2對介於主要空間3與次要空間5之間液體油19的循環提供非常低的阻力時，對於二空間該液體油19的液位實質上係為相同的。由第二空間5經過油管8收集液體油19返回至該壓縮機用於潤滑一般而言係為較佳的，因為該油有藉由過濾襯墊2與泡沫及氣泡而為分離，同時從主要空間3遷移到次要空間5的機會。利用此佈置，蒸發器12(圖5)，諸如降膜式蒸發器或混合降膜式蒸發器，該油分離器可容納一油迴路其具有源自於該壓縮機相對於冷媒流質量比約2%或更多的潤滑油的一帶油流排放，亦即冷媒加潤滑油之質量流總合的百分比，諸如與螺旋式壓縮機操作相關聯。於一具體實施例中，該油分離器係與該壓縮機分離。

於一佈置中，將各別的主要及次要空間3、5分隔的一過濾襯墊2大體上係為平面的並係為垂直地安裝，亦 即，與容器1的一縱軸垂直，並且大約位在該分離器容器長度的中間位置。於可交替的佈置中，此過濾襯墊2可相對於該容器軸非垂直地位設，諸如於圖3中顯示。此佈置具有降低流動通過過濾襯墊2的該氣體之速度的優點。因此，與傳統式構造的一容器之直徑比較，本揭示內容的一容器可具有一較小的容器直徑，讓本揭示內容之該較小直徑容器與和通過圖2之該較大的傳統式容器之過濾襯墊2的該操作氣流速度相似一通過該過濾襯墊2的氣體流速作動。於一具體實施例中，本揭示內容之該較小直徑的容器可以小於該較大的傳統式容器之該氣體流速的一通過該過濾襯墊2的氣體流速作動。於另一具體實施例中，過濾襯墊2可由二或更多相互成一角度地，例如於圖4中顯示的一“V”形形狀，其係為該容器之一平面視圖。於又一具體實施例中，部分2a，2b可為不相等長度。

於再一的進一步佈置中，利用相同原理的二油分離段或空間可經整合於一單一容器中，每一段或空間或是次要空間5接收源自於主要空間3的排氣與油之大約一半的容積。於此佈置中，具有一容器1其具有二過濾襯墊2，以及二與該流之方向有關的可能選擇。於如圖7中顯示的一具體實施例中，具有一主要空間3大體上位設於容器1的中間部分並介於二過濾襯墊2之間，以及二次要空間5，將一次要空間5佈置在該容器之每一端部處。如圖顯示，具有大體上位設於主要空間3之中間部分的一共同氣體入口4，以及一出口6位設在相對次要空間5之每一者處，該次要空間5係 位設在主要空間3的每一端部處。該二入口6係連接至該冷凝器入口(無顯示)。介於二出口之間的互連管路能夠位在容器1內部或外部。於另一具體實施例中(圖8)，該等流係為相反的：具有一位設在容器1之每一端部處的主要空間3，將氣體入口4之一端部延伸進入每一各別的主要空間3，以及一位設於相對的主要空間3之間的共同次要空間5，將一共同氣體入口4進入次要空間5。於此具體實施例中，連接到壓縮機排出的入口4之該等段係經劃分成二管子或部分延伸至該二主要空間之每一者，每一者位在容器1之每一端部。入口4之該互連管子或部分可經佈置於該容器之內部或外部。例如，於圖8，具有一共同入口4延伸至一分叉內管13將氣體分配至容器1的每一端部。

於圖7之一可交替的具體實施例中，二出口6可經連接以構成延伸至一冷凝器入口的一單一管路。於一可交替的佈置中，該冷凝器(未顯示)可具有二入口，一入口位在每一端部處；將該二分離器出口6之每一者連接至該等冷凝器入口的其中之一者。

於一共同容器中具有二段或空間的佈置提供許多優點。當減少至每一段或空間之流時，諸如係減少兩倍，因此亦減小該容器之所需的橫截面。因此，不論額外的長度，直徑減小將致使容器較不昂貴。一更進一步的優點在於較小直徑的容器典型地發出較小的噪音，因為在較小直徑的殼中對於壁共鳴的可能性較小。最後，對容器增加長度並不會升高與其他系統組件封裝的問題，只要分離器或 容器的長度大體上沒有超過該熱交換器，諸如冷凝器及/或蒸發器的長度。

當該油分離器容器係為水平的時，該佈置適合容易與水平的外殼及管式熱交換器封裝，以及與一水平螺旋式壓縮機驅動路線封裝。如於圖5中顯示的一可行的佈置中，該壓縮機9的排出係向下地導向到分離器容器1。於如圖6中顯示的另一具體實施例中，該壓縮機9之排出可自該壓縮機9的一側邊導向至該油分離器容器1。於又一具體實施例中，該壓縮機排放可在該壓縮機之該向下方向與側邊方向之間的一定向上經引導至該油分離器容器(未顯示)。於此佈置中，該壓縮機驅動路線可經安裝至少部分地高於該油分離器。如於圖5中進一步顯示，蒸發器12係位設在冷凝器上方並經佈置靠近該壓縮機驅動路線及分離器容器。於其他的具體實施例中(未顯示)，蒸發器12及冷凝器11可彼此相對及/或相對於該壓縮機驅動路線及油分離器容器而位設在不同的佈置中。於另一佈置中，諸如於圖6中顯示，該壓縮機抽吸係垂直地導向，以致該壓縮機9係經安裝位在蒸發器12的頂部上，讓壓縮機自該壓縮機之一側邊排出至油分離器容器1。於另一具體實施例中(未顯示)該壓縮機抽吸可自該側邊向外地延伸，或於又一具體實施例中，該壓縮機抽吸可相對於該油分離器容器1在一垂直與一側邊定向之間延伸。於此佈置中，壓縮機9可經安裝至少部分地高於蒸發器12。如於圖6中進一步地顯示，油分離器容器1係顯示位設在該壓縮機9的側邊以及位在冷凝器11的頂部。於其他具體實施例中，可利用介於壓縮機、油分離器容器、冷凝器及蒸發器之間的其他佈置。

此使用過濾襯墊對於搭配使用利用如HFC’s或HFO’s之鹵化冷媒的熱泵係特別地有利，並當該蒸發溫度係顯著地大於通常與空調應用相關聯的蒸發器溫度(例如，5℃)時。針對該等熱泵，利用HFC冷媒R-134a或可能的等效物該蒸發溫度可上升30℃至約40℃，並甚至高於與諸如R-245fa的低壓冷媒相關聯的溫度。

於另一具體實施例中，該冷媒可包括碳氫化合物諸如R-290或R-1270。

1‧‧‧水平容器

2‧‧‧過濾襯墊

3‧‧‧主要空間

4‧‧‧入口

5‧‧‧次要空間

6‧‧‧出口

7‧‧‧過濾襯墊

8‧‧‧油管

15‧‧‧氣體與油混合物

17‧‧‧端部

19‧‧‧液體油

Claims (16)

1. 一種使用一蒸氣壓縮循環的冷媒迴路，該迴路可使用於空調，冷凍或熱泵的目的，包含連接到與該壓縮機分離的一油分離器容器之一經潤滑的壓縮機、一降膜式或混合降膜式蒸發器、以及一冷凝器，其中該油分離器容器大體上水平地延伸，該油分離器容器係藉由一過濾襯墊分隔成一主要空間及一次要空間，該過濾襯墊經組配以大體上自進入該油分離器容器的該冷媒中去除約5μm及大於5μm之所伴隨的油微滴，該主要空間係與該壓縮機的一排出直接流體連接；該次要空間係與該冷凝器的一入口直接流體連接，該迴路具有相對於冷媒流質量比至少約百分之二的源自於該壓縮機之潤滑油的一帶油流排放。
2. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該油分離器容器之一底部係使用作為一油池，並且該油池係與該壓縮機之供油噴嘴流體連接。
3. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該壓縮機具有大體上向下地導引的一排放以及自於該壓縮機之上方或是向旁邊抽吸，並且其中一壓縮機驅動路線係至少部分地位設於該油分離器上方，以及該蒸發器係至少部分地位設於該冷凝器上方。
4. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該壓縮機具有一向下地導引的抽吸及自該壓縮機之一側邊的一排放，並且其中該壓縮機係至少部分地位設於該蒸發器上 方，以及該油分離器至少部分地位設於該冷凝器上方。
5. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該油分離器容器之一入口係經分叉，該油分離器容器藉由二過濾襯墊分隔成三空間。
6. 如申請專利範圍第5項之冷媒迴路，其中該冷媒流係經分叉。
7. 如申請專利範圍第5項之冷媒迴路，其中該等三個空間包括未彼此相鄰的二個次要空間。
8. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該過濾襯墊係配置成與該油分離器容器之一縱軸垂直。
9. 如申請專利範圍第8項之冷媒迴路，其中該過濾襯墊係配置成大約位在該油分離器容器之該縱軸的中間長度位置，以及包括位在該油分離器容器之一端部處的一第二過濾襯墊。
10. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該過濾襯墊係配置成未與該油分離器容器之一縱軸垂直。
11. 如申請專利範圍第10項之冷媒迴路，其中該過濾襯墊係由二或更多相互成一角度佈置的部分所組成。
12. 如申請專利範圍第11項之冷媒迴路，其中該等二或更多部分係非為等長。
13. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該過濾襯墊容許在源自於該油分離器之冷媒流中所夾帶介於約50到約100ppm之間之油。
14. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其被使用作為一熱 泵，並使用一鹵化流體作為冷媒。
15. 如申請專利範圍第14項之冷媒迴路，其中該鹵化流體係為作為該冷媒之一HFC或一HFO。
16. 如申請專利範圍第1項之冷媒迴路，其中該冷媒係為一碳氫化合物。