用于級聯(lián)制冷系統(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)的配置的制作方法
【專利摘要】本申請?zhí)峁┯糜谥评湎到y(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)。該溫差環(huán)流系統(tǒng)可包括第一流入口、傾斜的第二流入口和混合流出口。傾斜的第二流入口可包括相對于所述混合流出口成約四十五度或更小的角度θ1。
【專利說明】
用于級聯(lián)制冷系統(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)的配置
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請是要求2015年2月11日提交的序列號為62/114,603的美國臨時申請優(yōu)先權(quán) 的非臨時申請。序列號62/114,603的美國臨時申請通過全文引用合并于本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本申請及由此產(chǎn)生的專利通常涉及制冷系統(tǒng)，尤其涉及一種級聯(lián)制冷系統(tǒng)，其使 用與級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器低端冷卻循環(huán)組件連通的溫差環(huán)流系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 級聯(lián)制冷系統(tǒng)通常包括第一端冷卻循環(huán)，即高端冷卻循環(huán)，以及第二端冷卻循環(huán)， 即低端冷卻循環(huán)。兩個冷卻循環(huán)通過普通的熱交換器，即級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器接合。級聯(lián)制 冷系統(tǒng)可以高效方式在非常低的溫度提供冷卻。
[0005] 目前的制冷趨勢促使采用氨、二氧化碳，及其他類型的天然制冷劑來代替常規(guī)的 基于氟烴的制冷劑。級聯(lián)制冷系統(tǒng)可在高循環(huán)中采用氨并在低循環(huán)中采用二氧化碳。此外， 人們有興趣于至少與常規(guī)的基于氟烴的系統(tǒng)相比改善這種基于天然制冷劑的制冷系統(tǒng)的 整體效率。
[0006] 因此，希望有這樣的改善的制冷系統(tǒng)，例如級聯(lián)制冷系統(tǒng)，其使用天然或其他類型 的制冷劑為冷卻提供增加的效率。這種改善的制冷系統(tǒng)可適應(yīng)以有效、可靠和安全方式對 低溫級聯(lián)冷卻所需的高壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本申請及由此產(chǎn)生的專利因而提供用于制冷系統(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)。該溫差環(huán)流系 統(tǒng)可包括第一流入口，傾斜的第二流入口，和混合流出口。傾斜的第二流入口可包括相對混 合流出口成約四十五度或更小的角度Θ1。與垂直取向相比，傾斜的流可改善質(zhì)量流量或降 低第一入口流和混合出口流的壓力。
[0008] 本申請及由此產(chǎn)生的專利還提供對級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器改善制冷劑質(zhì)量流量或減 少制冷劑壓力損失的方法。該方法可包括如下步驟:為溫差環(huán)流系統(tǒng)提供與級聯(lián)蒸發(fā)器-冷 凝器相連通的出口，從第一源提供第一制冷劑流，從第二源提供第二制冷劑流，以小于約九 十度的角度混合第一制冷劑流和第二制冷劑流，以及通過溫差環(huán)流系統(tǒng)出口向級聯(lián)蒸發(fā) 器-冷凝器提供混合的制冷劑流。
[0009] 本申請及由此產(chǎn)生的專利還提供用于制冷系統(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)。該溫差環(huán)流系統(tǒng) 可包括與液氣分離器罐相連通的罐入口，與一個或多個壓縮機(jī)相連通的傾斜的壓縮機(jī)入 口，以及與級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器相連通的級聯(lián)出口。傾斜的壓縮機(jī)入口可包括相對于級聯(lián)出 口成約四十五度或更小的角度Θ1。
[0010] -旦結(jié)合附圖及所附權(quán)利要求書閱讀以下詳細(xì)的說明書后，本申請及由此產(chǎn)生的 專利的這些和其他特征及改進(jìn)對本領(lǐng)域技術(shù)人員將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0011] 圖1是具有高端循環(huán)和低端循環(huán)的已知級聯(lián)制冷系統(tǒng)的示意圖。
[0012] 圖2是在已知級聯(lián)制冷系統(tǒng)中使用的溫差環(huán)流系統(tǒng)配置的示意圖。
[0013] 圖3是已知溫差環(huán)流系統(tǒng)配置的可替換實施例。
[0014] 圖4是本文描述的具有改善的質(zhì)量流量或降低的壓力損失的溫差環(huán)流系統(tǒng)配置。
[0015] 圖5是本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)配置的可替換實施例。
[0016] 圖6是本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)配置的可替換實施例。
【具體實施方式】
[0017] 現(xiàn)在參照附圖，在這幾個圖中相同的數(shù)字指代相同的元件，圖1示出級聯(lián)制冷系統(tǒng) 100的一個例子。級聯(lián)制冷系統(tǒng)100可用于冷卻例如超市、冷存儲等中使用的任何類型的室。 級聯(lián)制冷系統(tǒng)100也可應(yīng)用于其他類型的加熱、換氣、以及空氣調(diào)節(jié)應(yīng)用和/或不同類型的 商業(yè)和/或工業(yè)應(yīng)用。整體級聯(lián)制冷系統(tǒng)100可具有任意合適的尺寸或功率。其他類型的制 冷系統(tǒng)、循環(huán)和組件也可在此使用。
[0018] 通常地描述，級聯(lián)制冷系統(tǒng)100可包括第一或高端循環(huán)110和第二或低端循環(huán)120。 高端循環(huán)110可包括一個或多個高端壓縮機(jī)130、高端油分離器140、高端冷凝器150,高端接 收器160,和高端膨脹裝置170。高端循環(huán)110還可包括吸入/液體熱交換器180和吸入收集器 190。高端循環(huán)110可包括制冷劑200的流。制冷劑200可包括氨或其他類型制冷劑的流。高端 循環(huán)110組件可具有任何合適的尺寸、形狀、配置或功率。高端循環(huán)110可在此使用其他及額 外的組件及配置。
[0019] 低端循環(huán)120類似地可包括一個或多個低端壓縮機(jī)210、低端油分離器220、低端液 氣分離器罐230、一個或多個低端膨脹裝置240以及一個或多個低端蒸發(fā)器250。低端循環(huán) 120可包括具有栗270和多個流量閥280的中間(medium)溫度回路260以及低溫回路290。收 集器300也可在此使用。低端循環(huán)120可包括制冷劑310的流。制冷劑310可包括二氧化碳或 其他類型制冷劑的流。低端循環(huán)120組件可具有任何合適的尺寸、形狀、配置或功率。低端循 環(huán)120可在此使用其他的或額外的組件及配置。
[0020] 兩個循環(huán)110、120可通過級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320接合。制冷劑200、310的各自的流 可通過級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320交換熱量。級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320可具有任何適合的尺寸、 形狀、配置或功率。其他組件或其他配置可在此使用。
[0021] 制冷劑200可被高端壓縮機(jī)130壓縮并在高端冷凝器150中冷凝。制冷劑200可存儲 在高端接收器160內(nèi)并可按需要被抽出以滿足級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320的負(fù)載。制冷劑200然 后可通過吸入/液體熱交換器180、高端膨脹裝置170和級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320。制冷劑200 再次通過吸入/液體熱交換器180并返回高端壓縮機(jī)130。吸入/液體熱交換器180可被用來 在制冷劑200進(jìn)入級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320之前對其進(jìn)行低溫冷卻。其他組件和其他配置可 在此使用。
[0022] 低端循環(huán)120可以是相似的?；诙趸嫉闹评鋭?10可被低端壓縮機(jī)210壓縮， 然后通過級聯(lián)蒸發(fā)器/冷凝器320。制冷劑310可被儲存在低端液氣分離器罐230內(nèi)并按需要 抽出。制冷劑310可通過一個或多個低端膨脹裝置240和一個或多個低端蒸發(fā)器250。低端循 環(huán)120可分為低溫回路290和中間溫度回路260。其他組件和其他配置可在此使用。
[0023]低端循環(huán)120也可使用溫差環(huán)流系統(tǒng)330。基于熱梯度而非諸如栗及類似物的機(jī)械 裝置，溫差環(huán)流系統(tǒng)330保證了流體(在本案中是制冷劑310)的循環(huán)。在該例子中，溫差環(huán)流 系統(tǒng)330可具有與低端液氣分離器罐230相連通的罐入口 340，與低端壓縮機(jī)210相連通的壓 縮機(jī)入口 350，和與級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器320相連通的級聯(lián)出口 360。
[0024]使用中，二氧化碳制冷劑310的液/氣流可被轉(zhuǎn)移到低端液氣分離器罐230,在液氣 分離器罐230內(nèi)進(jìn)行液氣分離。氣體部分可經(jīng)過溫差環(huán)流系統(tǒng)330被送至級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝 器320,并與離開低端壓縮機(jī)210的氣體混合以將蒸氣冷凝成液體。其他組件和其他配置可 在此使用。
[0025]圖1和圖2示出溫差環(huán)流系統(tǒng)330的常規(guī)配置的例子。壓縮機(jī)入口 350與級聯(lián)出口 360處于一行。罐入口 340可以約九十度(90°)角以垂直關(guān)系并入以便為溫差環(huán)流系統(tǒng)330提 供實質(zhì)上為罐類似"T"的形狀370。圖3示出相似的配置，其中罐入口 340與級聯(lián)出口 360處于 一行，且對于壓縮機(jī)，壓縮機(jī)入口 350以類似"T"的形狀380垂直地并入。無論兩種取向中的 哪一種，數(shù)種流以約垂直角度合并。
[0026]經(jīng)過罐入口 340的來自低端液氣分離器罐230的流可被認(rèn)為第一流390。來自壓縮 機(jī)210去往壓縮機(jī)入口 350的流可被認(rèn)為第二流400。假如使用垂直配置，通過壓降敏感的溫 差環(huán)流系統(tǒng)330造成各種流的中斷可能就成為操作上及效率上的問題。在常規(guī)級聯(lián)系統(tǒng)中， 經(jīng)過罐入口 340的第一流390可處于約435.07psia(約3000kpa)，溫度約22華氏度(約-5.5攝 氏度)并具有約0.17或0.18kg/s的質(zhì)量流量。經(jīng)過壓縮機(jī)360的第二流400可處于約145華氏 度(約63攝氏度)并具有約0.09kg/s的質(zhì)量流量。合并后，在級聯(lián)出口 360處的混合的出口流 410可處于約434.87psia(約2998kpa)，約45華氏度（約7.2攝氏度)并具有約0.26或0.27kg/ s的質(zhì)量流量。其他壓力、溫度、質(zhì)量流量以及其他參數(shù)可在此使用。
[0027]圖4示出本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)420的一個例子。溫差環(huán)流系統(tǒng)420可具有與級 聯(lián)出口 440成一行的罐入口 430。替代上文描述的壓縮機(jī)入口 350以垂直取向并入罐入口 340，溫差環(huán)流系統(tǒng)420可包括傾斜的壓縮機(jī)入口 450。傾斜的壓縮機(jī)入口 450可相對罐入口 430或級聯(lián)出口 440的中心線以角度Θ1設(shè)置。角度Θ1優(yōu)選可從約大于約零度(〇°)至約四十五 度(45°)左右。其他角度可在此使用。其他組件和其他配置可在此使用。
[0028]圖5示出本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)460的進(jìn)一步的例子。在該例子中，溫差環(huán)流系 統(tǒng)460可包括傾斜的罐入口 470和/或傾斜的壓縮機(jī)入口 480。入口 470、480然后可合并進(jìn)級 聯(lián)出口 490以形成實質(zhì)上的類似?'的形狀。傾斜的罐入口 470可相對級聯(lián)出口 490的中心線 以角度Θ2設(shè)置。角度Θ2優(yōu)選從約大于約零度(0°)至約四十五度(45°)左右。其他角度可在此 使用。傾斜的壓縮機(jī)入口 480也可使用與上文描述的相似的角度Θ1。具體地，角度Θ1和Θ2可 以相同或不同。其他組件和其他配置也可在此使用。
[0029]下表示出針對圖2和3的溫差環(huán)流系統(tǒng)330以及圖4和5的溫差環(huán)流系統(tǒng)420、460的 質(zhì)量流量的變化。這種比較假定在罐入口處壓力和溫度相同，在壓縮機(jī)入口處質(zhì)量流量和 溫度相同，在級聯(lián)出口處壓力和溫度相同。進(jìn)入罐入口的和離開級聯(lián)出口的質(zhì)量流量將會 變化。對于圖4的溫差環(huán)流系統(tǒng)420中的傾斜的壓縮機(jī)入口 450,角度Θ1從六度(6°)變化至約 九十度(90°)。同樣，對于溫差環(huán)流系統(tǒng)460的傾斜的罐入口470和傾斜的壓縮機(jī)入口 480，角 度Θ1從約十度（10°)變化至約三十度(30° )，且Θ2從約三度(3°)變化至約三十度(30°)。質(zhì)量 流量中的各種改變因而根據(jù)千克每秒被示出。
[0030]
[0031 ] 罐入口流量和級聯(lián)出口流量因而相對于圖2和圖3的垂直配置出現(xiàn)變化和改善。使 用約六度（6°)至約^^一度（11° )的角度改善了級聯(lián)出口處的質(zhì)量流量從約0.26kg/s至約 0.33kg/s或增加了約百分之四^^一(41%)。相較于垂直角度的設(shè)置，改變第二流400相對第 一流390的角度因而提供了增大的第一流量和/或?qū)ο嗤娜肟谒俣忍峁┝搜氐谝涣鳒p少 壓力下降。
[0032]圖6示出本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)500的進(jìn)一步實施例。在該例子中，溫差環(huán)流系 統(tǒng)500可包括罐入口 510和一字排列的級聯(lián)出口 520。在該例子中，溫差環(huán)流系統(tǒng)500可包括 傾斜的壓縮機(jī)入口 530。傾斜的壓縮機(jī)入口 530的角度Θ1因而可變化。傾斜的壓縮機(jī)入口 530 可具有可變的直徑540。同樣，可變直徑540的直徑可變。變化的角度和直徑也可被用于罐入 口 510。罐入口 510可具有約1-3/8英寸(約34.9毫米)左右的直徑。其他組件和其他配置可在 此使用。
[0033] 下表示出假設(shè)上文描述的罐入口 510不變而改變角度Θ1及直徑從約0.4英寸（約 10.2毫米)至約一 (1)英寸(約25.4毫米)變化的例子。
[0034]
[0036]將具有約三十度的角度Θ1約10.2毫米的可變直徑540用于傾斜的壓縮機(jī)入口 530 因此相對圖2的基線帶來大于100%的改善。具體地，來自壓縮機(jī)210的更高的第二流可從液 氣分離器罐230抽出更多的制冷劑310而不發(fā)生在較小直徑的射流的情況下阻塞流動的情 況。同樣，傾斜的壓縮機(jī)入口 530和罐入口間的直徑比例從約0.7至約0.3變化，優(yōu)選至少0.5 的比例。
[0037] 取決于操作參數(shù)，也可動態(tài)設(shè)置可變直徑540。例如，可變直徑540可根據(jù)整體系統(tǒng) 的負(fù)荷及類似情況進(jìn)行變化。此處可考慮其他參數(shù)。雖然本文中的溫差環(huán)流系統(tǒng)致力于使 用二氧化碳制冷劑310,但本文描述的溫差環(huán)流系統(tǒng)可被用于合并任何類型的第一流和第 二流。
[0038]應(yīng)當(dāng)理解，前文僅涉及本申請及由此產(chǎn)生的專利的某些實施例。在不脫離由下面 的權(quán)利要求及其等同方案限定的本發(fā)明的通常精神及范圍的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可對 本申請作出許多改變和改進(jìn)。
【主權(quán)項】
1. 一種用于制冷系統(tǒng)的溫差環(huán)流系統(tǒng)，包括： 第一流入口； 傾斜的第二流入口；和 混合流出口； 其中，所述傾斜的第二流入口包括相對于所述混合流出口成約四十五度或更小的角度 θ?ο2. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述第一流入口包括與液氣分離器罐相連 通的罐入口。3. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述第二流入口包括與一個或多個壓縮機(jī) 相連通的壓縮機(jī)入口。4. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述混合流出口包括與級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器 相連通的級聯(lián)出口。5. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述第一流入口包括傾斜的第一流入口。6. 如權(quán)利要求5所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述傾斜的第一流入口包括相對于所述混 合流出口成約四十五度或更小的角度Θ2。7. 如權(quán)利要求5所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述傾斜的第一流入口、傾斜的第二流入口 和混合流出口包括實質(zhì)上類似Υ的形狀。8. 如權(quán)利要求6所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中角度Θ1等于角度Θ2。9. 如權(quán)利要求6所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中角度Θ1與角度Θ2不同。10. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中角度Θ1相對于所述混合流出口為三十度或 更小。11. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中角度Θ1相對于所述混合流出口為十一度或 更小。12. 如權(quán)利要求1所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述傾斜的第二流入口包括可變直徑傾斜 的第二流入口。13. 如權(quán)利要求12所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述可變直徑傾斜的第二流入口包括 10.2毫米或更小的直徑。14. 如權(quán)利要求12所述的溫差環(huán)流系統(tǒng)，其中所述可變直徑傾斜的第二流入口和第一 流入口包括約0.5或更小的直徑比例。15. -種對級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器改善制冷劑質(zhì)量流量或減少制冷劑壓力損失的方法，包 括： 為溫差環(huán)流系統(tǒng)提供與所述級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器相連通的出口； 從第一源提供第一制冷劑流； 從第二源提供第二制冷劑流； 以小于約九十度的角度混合所述第一制冷劑流和第二制冷劑流;并通過所述溫差環(huán)流 系統(tǒng)的出口將混合的制冷劑流提供給所述級聯(lián)蒸發(fā)器-冷凝器。
【文檔編號】F25B41/00GK105865093SQ201610082655
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發(fā)明人】奧古斯托·J·偑雷拉·齊默爾曼, 達(dá)勒·N·賽茲莫爾, 小羅伯特·H·奧斯汀
【申請人】西克制冷產(chǎn)品有限責(zé)任公司