TWI565921B - Multi - chamber refrigeration system with multi - cavity evaporator - Google Patents

Description

應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統

本發明是有關於一種冷凍系統，特別是指一種應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統。

參閱圖1，現有一元冷凍系統包括一壓縮機11、一連接該壓縮機11的冷凝器12、一連接該冷凝器12的膨脹閥13，及一連接該膨脹閥13與該壓縮機11的蒸發器14。

經該壓縮機11加壓成高溫高壓的氣態冷媒101，經冷凝器12散熱後成為常溫高壓的液態冷媒102，常溫高壓的液態冷媒102經該膨脹閥13成為低溫低壓的液態冷媒103，低溫低壓的液態冷媒103經該蒸發器14吸熱成為低溫低壓的氣態冷媒104再流往該壓縮機11。現有一元冷凍系統普遍應用於空調系統與冷藏系統，雖然可以達成冷卻效果，但是應用面為間接冷卻其冷卻溫度約在10℃至30℃之間，需要更低溫之冷凍系統時，則需改用二元冷凍系統。

參閱圖2，現有一二元冷凍系統，包括一液化單元15，與一冷卻單元16。該液化單元15包括一液化壓 縮機151、一連接該液化壓縮機151的液化冷凝器152、一連接該液化冷凝器152的液化膨脹閥153，及一連接該液化膨脹閥153與該液化壓縮機151的熱交換器154。該冷卻單元16包括一連接該熱交換器154的冷卻壓縮機161、一連接該熱交換器154的冷卻膨脹閥162，及一連接該冷卻膨脹閥162與該冷卻壓縮機161的冷卻蒸發器163。

該液化單元15是使用例如：R404A或R507在高壓常溫下可液化的冷媒105，而該冷卻單元16則是使用例如：R23在高壓常溫下仍無法液化的冷媒106。利用液化單元15的冷媒105配合該熱交換器154，使該冷卻單元16的冷媒106可以液化，使冷卻溫度可達-85℃左右。

現有一元冷凍系統與二元冷凍系統是各自獨立的系統，因此，若有廣溫域的冷卻需求時，現有作法必須同時具備一個一元冷凍系統，與一個二元冷凍系統，不僅製作成本與後續維護成本較高，而且又佔空間，如何在一系統即能達成廣溫域的冷卻需求，又能降低成本與減少空間浪費，成為相關業者欲改善的目標。

因此，本發明之目的，即在提供一種具有廣溫域應用環境，且能降低成本與減少空間浪費的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統。

於是，本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，包含一第一冷卻裝置、一第二冷卻裝置及一循環切換裝置。該第一冷卻裝置包括一第一壓縮機、一冷凝器、一 第一控制器、一多腔體蒸發器，及一連接該第一壓縮機、該冷凝器、該第一控制器與該多腔體蒸發器且流通有一第一冷媒的第一冷卻管路，該多腔體蒸發器具有一用以連接該第一冷卻管路的第一冷卻流道，及一與該第一冷卻流道相互獨立且不相互連通的第二冷卻流道。

該第二冷卻裝置包括一第二壓縮機、一第一熱交換器，及一連接該第二壓縮機、該第一熱交換器與該多腔體蒸發器的第二冷卻流道的第二冷卻管路。

該循環切換裝置包括一第一切換單元，該第一切換單元具有一安裝於該第一冷卻管路且介於該冷凝器與該第一控制器間的第一切換機構、一連接該第一切換機構、該第一熱交換器與該第一壓縮機的第一循環管路，及一安裝於該第一循環管路且介於該第一切換機構與該第一熱交換器間的第一循環控制器，該第一切換機構能在一第一冷卻位置與一第二冷卻位置間切換，當該第一切換機構在該第一冷卻位置時，該第一冷媒是經該第一冷卻管路與該第一控制器流向該多腔體蒸發器的第一冷卻流道，當該第一切換機構在該第二冷卻位置時，該第一冷媒是由該第一循環管路與該第一循環控制器流向該第一壓縮機。

本發明之功效在於：利用具有相互獨立且不相互連通之第一冷卻流道與第二冷卻流道的多腔體蒸發器，配合能在第一冷卻位置與第二冷卻位置間切換的第一切換機構，使該多元冷凍系統同時兼具一元及二元冷凍系統的冷卻能力，而能降低成本與減少空間浪費。

2‧‧‧第一冷卻裝置

21‧‧‧第一壓縮機

22‧‧‧冷凝器

23‧‧‧第一控制器

24‧‧‧多腔體蒸發器

241‧‧‧第一冷卻流道

242‧‧‧第二冷卻流道

243‧‧‧第三冷卻流道

25‧‧‧第一冷卻管路

26‧‧‧第一輔助單元

261‧‧‧第一油氣分離器

262‧‧‧第一高壓錶

263‧‧‧第一儲液器

264‧‧‧第一乾燥過濾器

3‧‧‧第二冷卻裝置

31‧‧‧第二壓縮機

32‧‧‧第一熱交換器

33‧‧‧第二冷卻管路

34‧‧‧第二輔助單元

341‧‧‧第二油氣分離器

342‧‧‧第二高壓錶

343‧‧‧第二儲液器

344‧‧‧第二乾燥過濾器

35‧‧‧第二控制器

4‧‧‧循環切換裝置

41‧‧‧第一切換單元

411‧‧‧第一切換機構

412‧‧‧第一循環管路

413‧‧‧第一循環控制器

42‧‧‧第二切換單元

421‧‧‧第二切換機構

422‧‧‧第二循環管路

423‧‧‧第二循環控制器

5‧‧‧第三冷卻裝置

51‧‧‧第三壓縮機

52‧‧‧第二熱交換器

53‧‧‧第三冷卻管路

54‧‧‧第三輔助單元

541‧‧‧第三油氣分離器

542‧‧‧第三高壓錶

543‧‧‧第三儲液器

544‧‧‧第三乾燥過濾器

200‧‧‧第一冷媒

201‧‧‧第二冷媒

202‧‧‧第三冷媒

本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是一示意圖，說明現有一個一元冷凍系統的態樣；圖2是一示意圖，說明現有一個二元冷凍系統的態樣；圖3是一系統圖，說明本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統的第一實施例，其中，該第一切換機構在一第一冷卻位置；圖4是一系統圖，說明該第一實施例的第一切換機構在一第二冷卻位置；圖5是一系統圖，說明本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統的第二實施例，其中，該第二切換機構在一第三冷卻位置；及圖6是一系統圖，說明本發明的第二實施例，其中，該第二切換機構在一第四冷卻位置。

在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖3，本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統的第一實施例包含一第一冷卻裝置2、一第二冷卻裝置3，及一連接該第一冷卻裝置2與該第二冷卻裝置3的循環切換裝置4。

該第一冷卻裝置2包括一第一壓縮機21、一冷凝器22、一第一控制器23、一多腔體蒸發器24、一連接該 第一壓縮機21、該冷凝器22、該第一控制器23與該多腔體蒸發器24且流通有一在高壓常溫下可液化的第一冷媒200的第一冷卻管路25，及一安裝於該第一冷卻管路25的第一輔助單元26。

於本實施例中，該第一冷媒200是R507冷媒，而該第一控制器23是用以使該第一冷媒200降壓降溫的毛細管，在實際應用上，該第一控制器23也可以是膨脹閥，依然可以達成相同的效果。

該多腔體蒸發器24具有一用以連接該第一冷卻管路25的第一冷卻流道241，及一與該第一冷卻流道241相互獨立且不相互連通的第二冷卻流道242。

該第一輔助單元26具有一安裝於該第一冷卻管路25且連接該第一壓縮機21的第一油氣分離器261、一安裝於該第一冷卻管路25且連接該第一油氣分離器261與該冷凝器22的第一高壓錶262、一安裝於該第一冷卻管路25且連接該冷凝器22的第一儲液器263，及一安裝於該第一冷卻管路25且連接該第一儲液器263的第一乾燥過濾器264。該第一油氣分離器261可分離第一壓縮機21的潤滑油與第一冷媒200，該第一儲液器263可以分離氣態的第一冷媒200與液態的第一冷媒200並儲存液態的第一冷媒200，而該第一乾燥過濾器264則能乾燥第一冷媒200中的水氣或濕氣並過濾可能的雜質。

該第二冷卻裝置3包括一第二壓縮機31、一第一熱交換器32、一連接該第二壓縮機31、該第一熱交換器 32與該多腔體蒸發器24的第二冷卻流道242的第二冷卻管路33，及一安裝於該第二冷卻管路33的第二輔助單元34。該第二冷卻管路33內流通有一在高壓常溫下仍無法液化的第二冷媒201。於本實施例中，該第二冷媒201是R23冷媒。

該第二輔助單元34包括一安裝於該第二冷卻管路33且連通該第二壓縮機31的第二油氣分離器341、一安裝於該第二冷卻管路33且連接該第二油氣分離器341與該第一熱交換器32的第二高壓錶342、一安裝於該第二冷卻管路33且連接該第一熱交換器32的第二儲液器343，及一安裝於該第二冷卻管路33且連接該第二儲液器343與該多腔體蒸發器24的第二冷卻流道242的第二乾燥過濾器344。該第二油氣分離器341、第二儲液器343與該第二乾燥過濾器344的功效分別與該第一油氣分離器261、第一儲液器263與該第一乾燥過濾器264相似，在此不多加贅述。

該循環切換裝置4包括一連接該冷凝器22的第一切換單元41，該第一切換單元41具有一安裝於該第一冷卻管路25且介於該第一乾燥過濾器264與該第一控制器23間的第一切換機構411、一連接該第一切換機構411、該第一熱交換器32與該第一壓縮機21的第一循環管路412，及一安裝於該第一循環管路412且介於該第一切換機構411與該第一熱交換器32間的第一循環控制器413。

於本實施例中，該第一切換機構411是一三孔 兩位的三通電磁閥，該第一循環控制器413是用以使該第一冷媒200降壓降溫的毛細管，在實際應用上，該第一循環控制器413也可以是膨脹閥，依然可以達成相同的效果。

參閱圖3、4，該第一切換機構411能在一如圖3所示的第一冷卻位置，與一如圖4所示的第二冷卻位置間切換。

參閱圖3，當該第一切換機構411在該第一冷卻位置時，是關閉該第二壓縮機31，使該第二冷卻管路33中的第二冷媒201不流動。

而該第一冷卻管路25內的第一冷媒200經該第一壓縮機21加壓成為高溫高壓的氣態第一冷媒200，氣態第一冷媒200經該冷凝器22散熱後成為常溫高壓的液態第一冷媒200，常溫高壓的液態第一冷媒200經該第一控制器23成為低溫低壓的液態第一冷媒200，低溫低壓的液態第一冷媒200經該多腔體蒸發器24的第一冷卻流道241吸熱後，使該多腔體蒸發器24能提供-50℃左右的冷卻溫度，並成為低溫低壓的氣態第一冷媒200，再流往該第一壓縮機21以完成冷卻循環。

參閱圖4，當該第一切換機構411在該第二冷卻位置時，經該冷凝器22散熱後成為常溫高壓的液態第一冷媒200，是如圖4所示，流向該第一循環管路412的第一循環控制器413，而位於該多腔體蒸發器24的第一冷卻流道241內的第一冷媒200暫時呈停滯狀態。常溫高壓的液態第 一冷媒200經該第一循環控制器413成為低溫低壓的液態第一冷媒200，低溫低壓的液態第一冷媒200經該第一熱交換器32吸收熱後，成為低溫低壓的氣態第一冷媒200再流往該第一壓縮機21並持續循環。

當該第一循環管路412內的第一冷媒200的溫度足以使第二冷卻管路33內的第二冷媒201液化時，則啟動該第二壓縮機31，加壓該第二冷卻管路33內的第二冷媒201成為流向該第一熱交換器32的高溫高壓的氣態第二冷媒201，低溫低壓的液態第一冷媒200與高溫高壓的氣態第二冷媒201於該第一熱交換器32中熱交換，使高溫高壓的氣態第二冷媒201成為低溫高壓的液態第二冷媒201，低溫高壓的液態第二冷媒201流經該多腔體蒸發器24的第二冷卻流道242吸熱後，成為低溫低壓的氣態第二冷媒201再流往該第二壓縮機31，使該多腔體蒸發器24能提供低於-50℃的低溫，甚至是-70℃以下的超低溫的冷卻溫度。

利用具有相互獨立且不相互連通之第一冷卻流道241與第二冷卻流道242的多腔體蒸發器24，配合能在第一冷卻位置與第二冷卻位置間切換的第一切換機構411，使該多元冷凍系統同時兼具一元及二元冷凍系統的冷卻能力，而能降低成本與減少空間浪費。

參閱圖5，本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統的第二實施例大致是與該第一實施例相似，不同的地方在於：該多元冷凍系統還包含一第三冷卻裝置5，而該循環切換裝置4還包括一第二切換單元42，且該多腔體 蒸發器24還具有一與該第一冷卻流道241及該第二冷卻流道242相互獨立且不相互連通的第三冷卻流道243，該第二冷卻裝置3還包括一安裝於該第二冷卻管路33且介於該第一熱交換器32與該多腔體蒸發器24之間的第二控制器35。於本實施例中，該第二控制器35是毛細管。

該第三冷卻裝置5包括一第三壓縮機51、一第二熱交換器52、一連接該第三壓縮機51、該第二熱交換器52與該多腔體蒸發器24的第三冷卻流道243的第三冷卻管路53，及一第三輔助單元54。該第三冷卻管路53內流通有一第三冷媒202。於本實施例中，該第三冷媒202是業者針對需求自行混合調整的冷媒。

該第三輔助單元54包括一安裝於該第三冷卻管路53且連通該第三壓縮機51的第三油氣分離器541、一安裝於該第三冷卻管路53且連接該第三油氣分離器541與該第二熱交換器52的第三高壓錶542、一安裝於該第三冷卻管路53且連接該第二熱交換器52的第三儲液器543，及一安裝於該第三冷卻管路53且連接該第三儲液器543與該多腔體蒸發器24的第三冷卻流道243的第三乾燥過濾器544。該第三油氣分離器541、第三儲液器543與該第三乾燥過濾器544的功效分別與該第一油氣分離器261、第一儲液器263與該第一乾燥過濾器264相似，在此不多加贅述。

該第二切換單元42具有一安裝於該第二冷卻管路33且介於該第二乾燥過濾器344與該第二控制器35間的 第二切換機構421、一連接該第二切換機構421、該第二熱交換器52與該第二壓縮機31的第二循環管路422，及一安裝於該第二循環管路422且介於該第二切換機構421與該第二熱交換器52間的第二循環控制器423。於本實施例中，該第二切換機構421該是一三孔二位的三通電磁閥，而該第二循環控制器423是毛細管。

參閱圖5、6，該第二切換機構421能在一如圖5所示的第三冷卻位置，與一如圖6所示的第四冷卻位置間切換。

參閱圖5，當該第一切換機構411在該第二冷卻位置，且該第二切換機構421在該第三冷卻位置時，關閉該第三壓縮機51，使該第三冷卻管路53中的第三冷媒202不流動。而經該第一熱交換器32散熱後成為常溫高壓的液態第二冷媒201，是流經該第二控制器35成為低溫低壓的液態第二冷媒201，低溫低壓的液態第二冷媒201經該多腔體蒸發器24的第二冷卻流道242吸熱後，使該多腔體蒸發器24能提供低於-50℃的低溫的冷卻溫度，甚至是-70℃以下的超低溫的冷卻溫度，而成為低溫低壓的氣態第二冷媒201，再流往該第二壓縮機31。

參閱圖6，當該第一切換機構411在該第二冷卻位置時，且該第二切換機構421在該第四冷卻位置時，而經該第一熱交換器32散熱後成為常溫高壓的液態第二冷媒201，是流向該第二循環管路422，而位於該多腔體蒸發器24的第一冷卻流道241內的第一冷媒200與第二冷卻流道 242內的第二冷媒201暫時呈停滯狀態。常溫高壓的液態第二冷媒201經該第二循環控制器423成為低溫低壓的液態第二冷媒201，低溫低壓的液態第二冷媒201經該第二熱交換器52吸收熱後，成為低溫低壓的氣態第二冷媒201再流往該第二壓縮機31並持續循環。

當該第二循環管路422內的第二冷媒201的溫度足以使第三冷卻管路53內的第三冷媒202液化時，啟動該第三壓縮機51，加壓該第三冷卻管路53內的第三冷媒202成為流向該第二熱交換器52的高溫高壓的氣態第三冷媒202，低溫低壓的液態第二冷媒201與高溫高壓的氣態第三冷媒202於該第二熱交換器52中熱交換，使高溫高壓的氣態第三冷媒202成為低溫高壓的液態第三冷媒202，低溫高壓的液態第三冷媒202流經該多腔體蒸發器24的第三冷卻流道243吸熱後，成為低溫低壓的氣態第三冷媒202再流往該第三壓縮機51，使該多腔體蒸發器24能提供比第二冷媒201更低的冷卻溫度(約-100℃左右)。

當該第一切換機構411在如圖3所示的該第一冷卻位置，且該第二壓縮機31與該第三壓縮機51未啟動時，該第一冷卻裝置2能進行如圖3所示的冷卻循環，在此不予贅述。

綜上所述，本發明應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統利用具有相互獨立且不相互連通之第一冷卻流道241與第二冷卻流道242的多腔體蒸發器24，配合能在第一冷卻位置與第二冷卻位置間切換的第一切換機構411，使 該多元冷凍系統同時兼具一元及二元冷凍系統的冷卻能力，而能降低成本與減少空間浪費，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

2‧‧‧第一冷卻裝置

21‧‧‧第一壓縮機

22‧‧‧冷凝器

23‧‧‧第一控制器

24‧‧‧多腔體蒸發器

241‧‧‧第一冷卻流道

242‧‧‧第二冷卻流道

25‧‧‧第一冷卻管路

26‧‧‧第一輔助單元

261‧‧‧第一油氣分離器

262‧‧‧第一高壓錶

263‧‧‧第一儲液器

264‧‧‧第一乾燥過濾器

3‧‧‧第二冷卻裝置

31‧‧‧第二壓縮機

32‧‧‧第一熱交換器

33‧‧‧第二冷卻管路

34‧‧‧第二輔助單元

341‧‧‧第二油氣分離器

342‧‧‧第二高壓錶

343‧‧‧第二儲液器

344‧‧‧第二乾燥過濾器

4‧‧‧循環切換裝置

41‧‧‧第一切換單元

411‧‧‧第一切換機構

412‧‧‧第一循環管路

200‧‧‧第一冷媒

201‧‧‧第二冷媒

Claims (7)

1. 一種應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，包含：一第一冷卻裝置，包括一第一壓縮機、一冷凝器、一第一控制器、一多腔體蒸發器，及一連接該第一壓縮機、該冷凝器、該第一控制器與該多腔體蒸發器且流通有一第一冷媒的第一冷卻管路，該多腔體蒸發器具有一用以連接該第一冷卻管路的第一冷卻流道，及一與該第一冷卻流道相互獨立且不相互連通的第二冷卻流道；一第二冷卻裝置，包括一第二壓縮機、一第一熱交換器，及一連接該第二壓縮機、該第一熱交換器與該多腔體蒸發器的第二冷卻流道的第二冷卻管路，該第二冷卻管路內流通有一第二冷媒，在同一時間僅有該第一冷媒或該第二冷媒的其中之一於該多腔體蒸發器中流動；及一循環切換裝置，包括一第一切換單元，該第一切換單元具有一安裝於該第一冷卻管路且介於該冷凝器與該第一控制器間的第一切換機構、一連接該第一切換機構、該第一熱交換器與該第一壓縮機的第一循環管路，及一安裝於該第一循環管路且介於該第一切換機構與該第一熱交換器間的第一循環控制器，該第一切換機構能在一第一冷卻位置與一第二冷卻位置間切換，當該第一切換機構在該第一冷卻位置時，該第一冷媒是經該第一冷卻管路與該第一控制器流向該多 腔體蒸發器的第一冷卻流道，當該第一切換機構在該第二冷卻位置時，該第一冷媒是由該第一循環管路與該第一循環控制器流向該第一壓縮機。
2. 如請求項1所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，其中，該第一冷卻裝置還包括一第一輔助單元，該第一輔助單元具有一安裝於該第一冷卻管路且連接該第一壓縮機的第一油氣分離器、一安裝於該第一冷卻管路且連接該第一油氣分離器與該冷凝器的第一高壓錶、一安裝於該第一冷卻管路且連接該冷凝器的第一儲液器、一安裝於該第一冷卻管路且連接該第一儲液器與該第一切換單元的第一切換機構的第一乾燥過濾器。
3. 如請求項2所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，其中，該第二冷卻裝置還包括一第二輔助單元，該第二輔助單元包括一安裝於該第二冷卻管路且連通該第二壓縮機的第二油氣分離器、一安裝於該第二冷卻管路且連接該第二油氣分離器與該第一熱交換器的第二高壓錶、一安裝於該第二冷卻管路且連接該第一熱交換器的第二儲液器，及一安裝於該第二冷卻管路且連接該第二儲液器與該多腔體蒸發器的第二冷卻流道的第二乾燥過濾器。
4. 如請求項1至2中任一請求項所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，還包含一第三冷卻裝置，該多腔體蒸發器還具有一與該第一冷卻流道及該第二冷卻流道 相互獨立且不相互連通的第三冷卻流道，該第三冷卻裝置，包括一第三壓縮機、一第二熱交換器，及一連接該第三壓縮機、該第二熱交換器與該多腔體蒸發器的第三冷卻流道的第三冷卻管路。
5. 如請求項4所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，其中，該第三冷卻管路內流通有一第三冷媒，在同一時間僅有該第一冷媒、該第二冷媒或該第三冷媒的其中之一於該多腔體蒸發器中流動。
6. 如請求項5所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統，其中，該循環切換裝置還包括一第二切換單元，而該第二冷卻裝置還包括一安裝於該第二冷卻管路且介於該第一熱交換器與該多腔體蒸發器之間的第二控制器，該第二切換單元具有一安裝於該第二冷卻管路且介於該第一熱交換器與該第二控制器間的第二切換機構、一連接該第二切換機構、該第二熱交換器與該第二壓縮機的第二循環管路，及一安裝於該第二循環管路且介於該第二切換機構與該第二熱交換器間的第二循環控制器，該第二切換機構能在一第三冷卻位置與一第四冷卻位置間切換，當該第二切換機構在該第三冷卻位置時，該第二冷媒是經該第二冷卻管路與該第二控制器流向該多腔體蒸發器的第二冷卻流道，當該切換器在該第四冷卻位置時，該第二冷媒是經該第二循環管路與該第二循環控制器流向該第二壓縮機。
7. 如請求項6所述的應用多腔體蒸發器的多元冷凍系統， 其中，該第三冷卻裝置還包括一第三輔助單元，該第三輔助單元包括一安裝於該第三冷卻管路且連通該第三壓縮機的第三油氣分離器、一安裝於該第三冷卻管路且連接該第三油氣分離器與該第二熱交換器的第三高壓錶、一安裝於該第三冷卻管路且連接該第二熱交換器的第三儲液器，及一安裝於該第三冷卻管路且連接該第三儲液器與該多腔體蒸發器的第三冷卻流道的第三乾燥過濾器。