[发明专利]具有压力增加释放阀的跨临界制冷

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求美国60/663,959专利申请的权益，该专利申请名称为具有压力增加释放阀的跨临界制冷，并且在2005年3月18日提出申请。共同未决的国际申请案05-258-WO公开了现有技术和发明性的冷却器系统，该国际申请案名称为用于跨临界蒸气压缩系统的高压侧压力调节，并且同这个美国专利申请在同一天提出申请。本申请公开了关于这种系统的可能的变型。所述两个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，本发明涉及诸如饮料的二氧化碳(CO₂)冷却器的跨临界制冷系统。

当同亚临界蒸气压缩系统相比时，跨临界蒸气压缩系统具有控制自由度的较佳的程度。在亚临界系统中，通过热交换器流体温度控制系统高压部件和低压部件内的压力。如果系统是空气-空气系统，则蒸发器压力是进入蒸发器的空气温度的强的函数，而冷凝器压力是进入冷凝器的空气温度的强的函数。这是因为这些温度与热交换器内的饱和压力密切相关。在跨临界系统中，系统的高压侧没有任何的饱和性质，因此压力是不受温度约束的。众所周知的是，高压侧压力的选择对于系统的性能有强烈的影响，并且存在着提供最大能源效率的最佳压力。当单元的工作条件改变时，这个最佳压力将改变。可以多种不同方法完成高压侧压力的控制，但是，对于具有固定的速度和容积的压缩机的系统而言，最强烈的影响是通过膨胀装置决定的。

图1示意性地显示了利用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可以各自驱动空气流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，并且这也展示了附加的控制和系统操作的最佳化问题。

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。这个温度本质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，容积增加的数量变得非常小。因为膨胀装置通常是等焓的，所以当高压侧压力增加时，蒸发器容积也典型地增加。

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。因为压力的增加典型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(典型地超过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。控制器50与用于检测高压侧压力的传感器52配接。

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、目的和优点将变得明显。

附图简述

图1是现有技术的瓶装饮料的CO₂冷却器的示意图。

图2是改进的瓶装饮料的CO₂冷却器的示意图。

图3是封闭条件下图2中的压力增加释放阀截面图。

图4是开放条件下图2中的压力增加释放阀截面图。