[发明专利]用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求序列号为60/663,960的美国专利申请的权益，该专利申请在2005年3月18日提出申请，并且名称为用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节，该申请的公开内容通过引用结合到本申请中，就如同详细地阐明了一样。

发明背景

本发明涉及制冷。更具体地，本发明涉及饮料冷却器。

作为自然的和不损害环境的制冷剂，CO₂(R-744)正引起显著性的注意。在大多数空调器的工作范围内，CO₂(二氧化碳)工作在跨临界方式下。图1示意地展示了利用CO₂作为工作流体的跨临界蒸气压缩系统20。该系统包括压缩机22、气体冷却器24、膨胀装置26和蒸发器28。示例性的气体冷却器可以各自采用制冷剂-空气热交换器的形式。可以促使空气流通过这些热交换器中的一个或两个。例如，一个或多个风扇30和32可以各自驱动气流34和36通过两个热交换器。制冷剂流动通道40包括从蒸发器28的出口延伸到压缩机22的入口42的吸入管线。排出管线从压缩机的出口44延伸至气体冷却器的入口。附加管线连接气体冷却器的出口到膨胀装置的入口，和连接膨胀装置的出口到蒸发器的入口。

因为CO₂的临界温度是87.8，所以跨临界和传统操作之间的主要不同之处是气体冷却器内的热消耗是在超临界区域内。因此，压力不单独地依赖于温度，并且这也提出了系统操作的附加控制和最佳化问题。

对于确定的气体冷却器排出温度而言，当高压侧压力增加时，制冷剂的出口焓减少，产生通过气体冷却器的更高的微分焓。气体冷却器的容量是制冷剂的质量流速和通过气体冷却器的焓的差异的函数。对于饮料冷却器而言，蒸发器可本质上处于冷却器的内部温度。不管外部的条件，特别希望在很窄的范围内去维持这个温度。例如，也许要求去维持内部温度非常接近37。这个温度基本上确定了稳定状态的压缩机吸入压力。

对于确定的压缩机吸入压力，当高压侧压力增加时，由压缩机使用的能量的数量增加，并且压缩机的容积效率减少。当压缩机的容积效率减少时，通过系统的流速减少。当高压侧压力增加时，在气体冷却器容积内，这两个中和作用的平衡典型地加强。然而，超过一定压力，增加的容积数量变得非常小。因为膨胀装置通常是等焓的，所以当高压侧压力增加时，蒸发器容积也显著地增加。

蒸气压缩系统的能量效率，性能系数(COP)，通常表示成系统容量对消耗能量的比率。因为压力的增加明显地既产生了更高的容量又产生了更高的能量消耗，在这两者之间的平衡将支配总的COP。因此，典型地存在着产生最高可能性能的最佳压力。

电子膨胀阀通常用作装置26，以便控制高压侧压力而使CO₂蒸气压缩系统的COP最优化。电子膨胀阀典型地包括附着于针形阀的步进电机，以便改变有效阀的开口或流量到很多的可能位置(明显地超过100)。这提供了对较大范围内工作条件的高压侧压力的有效控制。通过控制器50电子控制阀的开口，以使实际的高压侧压力与要求的定点相匹配。这种压力控制方案包括成本相当高的阀、复杂的控制器50以及用于检测高压侧压力的传感器52。这个装置给CO₂蒸气压缩系统增加了相当数量的花费，使CO₂蒸气压缩系统同HFC系统相比较具有较少的吸引力。

在跨临界蒸气压缩系统使用固定的膨胀装置可能的，但是这种方法具有可能引起性能或功能损失的限制。在稳定的工作状态期间，固定的膨胀装置(例如，固定的孔或毛细管)可以工作得很好，以便调节系统高压侧压力到接近最适宜的压力。在下拉期间，当系统开始工作并且蒸发温度和压力可能是非常高时，通过固定速度和排出量的压缩机的流速可能变得相当地高。这个高的流速可能使高压侧压力超过安全限制。

发明概述

在诸如用在瓶装饮料的冷却器或小容量空调、冰箱或其它系统中的CO₂蒸气压缩系统中，可以排除昂贵的膨胀装置以支持便宜的压力调节器。可以通过使用便宜的、多步的且基于一个或多个电磁阀的固定膨胀装置减少潜在的超压。

在附图和下面的说明中阐明了一个或多个本发明实施例的详细资料。通过说明、图示和权利要求，本发明的其它的特征、目的和优点将是明显的。

附图简述

图1是现有技术的蒸气压缩系统的示意图。

图2是第一个发明性的CO₂蒸气压缩系统的示意图。