专利名称：具有可喷射液体的涡旋式压缩机的深度低温的制冷系统的制作方法
本申请要求获得在2002年9月18日提交的美国临时申请No.60/411676的优先权利。
背景技术：
制冷系统早在1900-1910年就已经出现了，当时已经开发出了密封可靠的制冷系统。从那时起，在制冷技术方面的改进已经证明其既可以用于民用设备也可以用于工业设备中。特别是，低温制冷系统目前为生物医学应用、低温电子学、涂渍操作以及半导体制造应用领域提供了基本的产业功能。制冷系统的制造商面临越来越严格的环境法规，使得制冷工业原理已经迫使制冷工业放弃采用氯氟烃(CFCs)而改用氢氯氟烃(HCFCs)。欧盟的法律也规定从2001年1月1日起禁止在制冷系统中采用氢氯氟烃(HCFC)。
对于制冷工业而言，系统的占地面积也是另一考虑因素。例如，半导体工业希望减小系统的占地面积。因此，制冷系统制造商在不牺牲性能和能力的情况下继续开发出部件尺寸紧凑的系统。
如果水平的占地面积比垂直空间受到更多的限制，则有利的是尽可能地使用垂直空间。例如，往复式和螺杆式压缩机通常是水平卧式的。半封闭式的往复式压缩机尤其是大型的，这增加了制冷系统的所需的占地面积。相反，高效的大容量的涡旋式压缩机是垂直立式的，由此利用了可用的垂直空间并减小了整个系统的占地面积尺寸。
其它的应用领域是生物储藏以及制药和化学处理。深度低温的混合制冷剂的系统已经用于生物冷冻机，并用于制药和化学品处理以便控制过程反应或控制其它过程。其它的应用包括制药和生物试剂、反应试剂、和其它物质的冷冻干燥，以及食品的冷冻干燥。
涡旋式压缩机的构思已经有100年了。但是最近20-30年来所需的机械精度实现之后才使得这种结构可商业化应用。在20世纪80年代末期到90年代早期，涡旋式压缩机开始商业应用，特别是在民用和商用的空调领域。到了20世纪90年代中期，制冷用涡旋式压缩机开始用于商业制冷应用(即超级市场的制冷)。
这些现代的涡旋式压缩机具有立式结构，其中马达轴是垂直的，并且马达在压缩机壳体的下部，并且向下延伸到压缩机油池。涡旋件位于马达之上。可转动的涡旋件的旋转由马达轴来驱动，同时静止涡旋件在可转动的涡旋件之上保持就位。
在深度低温制冷系统中往复式压缩机的通常排气温度在110-130摄氏度的范围内。(在压缩机检修阀处测量的)130摄氏度通常是排气温度的最大容许值。超过130摄氏度导致压缩机油分解并随后出现导致压缩机故障的金属磨损。
涡旋式压缩机往往具有更高的排气温度。为了保持替代压缩机的竞争力，开发出对于制冷用涡旋件的液体喷射，以便控制压缩机的排气温度并且提高制冷量。
在典型的单元中，涡旋式压缩机的排气温度对于压缩机的运行状况强加了明显的限制，并且降低了整个系统的效率。一些重要的因素是整个混合物的组分以及压缩机的排气压力和吸气压力。因此，所希望的是，对于给定的制冷剂系统，发现降低排气温度的装置，以便以较低的蒸发器温度运行，或对于给定的蒸发器温度提供更多的制冷量。
以另一方式来描述，所希望的是，将排气温度保持在安全范围内，同时优化整个系统的性能以实现更高的系统效率，以便与卡诺循环相比，见由Podtchemiaev，Boiarski，和Flynn所著的“Performance ofthrottle-cycle coolers operating with mixed refrigerantsdesigned for industrial applications in a temperature range110 to 190K”，Adavances in Cryogenic EngineeringProceedingof Cryogenic Engineering Conference，Vol.47(2002)。
一种已知的冷却被压缩气体的方法在于，将液体制冷剂从冷凝器经喷嘴通道直接喷射到压缩机中。液体制冷剂可喷射到压缩机的吸气区域，或其喷射到由涡旋件限定的中间包围空间内(例如见美国专利5640854和5076067)。
所使用的制冷剂的发展改变了制冷系统的结构和功能。传统上，烷基苯压缩机油或矿物油与CFC和HCFC系统一起使用。然而，HFC具有较低的可混和性，并且被认为与烷基苯油不混合，因此多元醇型酯(POE)油通常与HFC制冷剂一起使用。制冷系统制造商必须遵守现今的对于指定制冷剂选择的环境法，并且必须提供处理所选的制冷剂成分对制冷剂相关部件例如压缩机的影响。
现今的主要的涡旋式压缩机的制造商例如COPELAND或其它制造商选择、测试、并证实了POE油与常规制冷剂例如R134a、R404A、R507相容。这些油在-45摄氏度(-49F)下具有与这些制冷剂的良好混合性。从压缩机排出到排气管路中的油借助制冷剂返回到压缩机，因此商用的制冷系统不需要油分离器。
所需的是具有这种压缩机的制冷系统与特定的POE油相容，POE油在-45摄氏度(-49F)下与制冷剂相混合。
已经提出了多种与现今的制冷剂相容的高效、紧凑的制冷系统。
2000年8月8日授权给Fujita等人的美国专利6098421“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
2000年6月13日授权给Spauschus等人的美国专利6073454“Reduced pressure carbon dioxide-based refrigerationsystem”披露了一种新的制冷设备和制冷方法。新的制冷设备包括脱附器/蒸发器、与该脱附器/蒸发器连接的涡旋式压缩机、与该压缩机连接的吸附器/冷凝器、与该吸附器/冷凝器和脱附器/蒸发器连接的膨胀装置、包括二氧化碳的循环制冷剂以及与二氧化碳差异共流的液体。该制冷方法包括在涡旋式压缩机中压缩二氧化碳气体和共流的液体，以便使得二氧化碳至少部分地溶解在共流的液体中，并且降低包含二氧化碳的共流的液体的压力，以便溶解的二氧化碳从共流的液体中分离出来，并且私德气态二氧化碳和共流的液体再循环到涡旋式压缩机。
2000年5月2日授权给Tojo等人的美国专利6055827“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一种带有涡旋式压缩机制冷设备，其压缩部分吸入并压缩HFC基制冷剂，并包括冷凝器等，其中滑动轴承可滑动地支承驱动压缩机的压缩部分的驱动轴，压缩部分由含铅的材料制成，并且醚油可与制冷循环所使用的制冷剂混合，以便作为润滑油对滑动轴承进行润滑。
1999年12月28日授权给Tojo等人的美国专利6006542“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一种披露了一种带有涡旋式压缩机制冷设备，其压缩部分吸入并压缩HFC基制冷剂，并包括冷凝器等，其中滑动轴承可滑动地支承驱动压缩机的压缩部分的驱动轴，压缩部分由含铅的材料制成，并且醚油可与制冷循环所使用的制冷剂混合，以便作为润滑油对滑动轴承进行润滑。
1999年6月8日授权给Fujita等人的美国专利5910161“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
1997年11月11日授权给Fujita等人的美国专利5685163“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
Telemark Cryogenics(Nothampton，UK)制造了一种深度低温的制冷系统，其使用制冷用的涡旋式压缩机。一部分的这些系统使用可进行液体喷射的涡旋件，但是没有使用这个特征。不利的是，该系统不具有所希望的高效率。
在Robert D.Lehman所著的在American Laboratory的1996年10月刊的文章“A mechanically refrigerated cryogenic freezerfor air-phase storage of biologicals at-150C without liquidnitrogen”中描述了在自动复叠式制冷系统中的涡旋式压缩机。该文章指的是不进行液体喷射的空调用的涡旋式压缩机。不利的是，该系统不具有所希望的高效率。
本发明的目的在于提供一种效率提高的且尺寸减小的深度低温或深冷制冷系统，其符合现今的规定制冷剂选择的环境法律。
本发明的另一目的在于提供一种高效、高能力、紧凑的压缩机，其减小了制冷系统的占地面积。
本发明的另一目的在于提供一种带有可控制制冷剂排气温度的涡旋式压缩机的制冷系统。
发明内容
在此披露的实施例旨在用于这样的系统，该系统在范围为-60到-208摄氏度的范围内提供制冷效果并且使用包括至少两种制冷剂的混合物，制冷剂的标准沸点(即纯的组分在一个标准大气压下的沸点温度)的差别至少50摄氏度。对于在此披露的内容，深度低温指的是-60到-208摄氏度范围内的温度。
在此披露的内容中，借助“R”数字来表示制冷剂。这些表示方法是由ASHRAE标准#34限定的。ASHRAE代表的是美国采暖、制冷与空调工程师学会。其它制冷剂由其通称的名称来表示，例如氩(Ar)、氮(N2)、和乙烷(C2H6)。
对于在此披露的内容，重要的是基于其标准沸点温度来分开各种制冷剂。沸点高于-15摄氏度的制冷剂称为沸点较高的制冷剂。这组包括但不限于R-124、R-236fa、R-245fa、R-123等。沸点在-15到-60摄氏度的制冷剂称为中等沸点的制冷剂。这组包括但不限于商业常用的制冷剂例如R-134a、R-125、R-22、R-32、R-410A、R-404A、丙烷等。沸点低于-60摄氏度的制冷剂称为低沸点的制冷剂。这组包括但不限于R-23、R-14、乙烷、甲烷、氙、氪、氦、氮、氖、氧、氢等。
特别的，当与包括至少一种较高温度的制冷剂和至少一种低沸点制冷剂的混合物一起使用，在此披露的实施例被认为是最有利的。
本发明代表通过改善效率实现现有技术的效率提高的改进。在此披露的本发明的系统与现有技术的明显区别在于，本发明的系统使用了可进行液体喷射的涡旋式压缩机，以便在深度低温制冷系统中用含大量低沸点制冷剂的混合制冷剂来进行冷却。该低沸点制冷剂形成该制冷剂混合物的大约15％到超过50％，优选的是，形成制冷剂混合物的小于50％，最优选的是形成制冷剂混合物的20-45％。
这种效果是借助以下机构来实现的由于当降低到中间喷射温度的节流作用，室温的液体可进行冷却。在压缩机中中等压缩的气体由于到该点的施加压缩功因而其温度高于环境温度。当与中间压力的液体混合时，液体将蒸发并冷却气体。由于这种混合，中间状态的气体温度下降，因此排气温度将降低。
与中间压力的气体不同组分的液体可加入，其通常具有较高的分子重量的化合物并且通常具有对应的较低比率的比热。因此，整个组分变化，并且这两种混合流的比热的比率下降，排气温度将降低。
在两个涡旋件以吸气压力包围一气体穴之后，加入到压缩过程中的制冷剂使得制冷剂质量流率增加。质量流率的增加使得制冷剂效率提高。
对于沸点较高的液体制冷剂的控制在于，它们没有不利地与混合物分离并聚集在压缩机油池中从而使得这些制冷剂的浓度高于没有液体喷射的涡旋式压缩机可以维持的浓度。这借助例如多种手段来提高整体制冷效率，例如增加热量排散，和/或使用高浓度的低沸点组分的能力，或在较高的压缩比的情况下运行的能力。
在此披露的系统包括高效的、高容量的、紧凑的涡旋式压缩机，其控制包含低沸点制冷剂的混合制冷剂的排气温度。在此披露的系统的有点在于，沸点较高的制冷剂组分的循环如此控制，即，使得其在压缩机运行时在压缩机油池中没有过量聚集。这种改进的控制使得压缩机排气温度降低，并且可使得整体系统的效率提高。
另外，提供了这样的制冷系统，其具有可与特殊的低温POE油相容的压缩机。
在此披露的实施例提供了这样的制冷系统，其具有带有这些所有优点的压缩机，并且同时所需的整体占地空间减小。
通过提供这样一种深度低温制冷系统，其使用了在商业上可制造的带有用于降低排气温度的液体喷射装置的涡旋式压缩机，从而使得这些实施例具有这些和其它的优点，该制冷系统包括带有液体喷射口的涡旋式压缩机，其还包括(可选的)电磁阀；和特定的FMD；以及可选的曲轴箱加热器或带式加热器；
排气管路；冷凝器；(可选的)液体聚集罐；液体管路；制冷过程；制冷剂供应管路；蒸发器盘管；制冷剂返回管路；在制冷过程中至少一个流动调节装置；多个检修阀(都是可选的)；多个电磁阀(都是可选的)；压缩机吸气管路；(可选的)膨胀罐；具有(可选的)油返回管路的油分离器；(可选的)除霜管路；以及液体喷射管路。
其中涡旋式压缩机经排气管路与冷凝器连接。冷凝器使得从制冷剂排散热量并且经液体管路与制冷过程的供应进口连接。液体管路将高压制冷剂供应给制冷过程。制冷过程的供应出口经制冷剂供应管路与用户安装的蒸发器盘管的进口相连。在制冷剂供应管路的位于制冷过程和蒸发器盘管之间的管路中，具有第一流动调节装置(FMD)，其与第一电磁阀相连。蒸发器盘管的出口与制冷剂返回管路连接，其与制冷过程的低压侧连接。制冷过程的返回出口经压缩机吸气管路返回到涡旋式压缩机而使得该环路封闭。
可选的膨胀罐与压缩机吸气管路连接。第二可选的FMD布置在膨胀罐与压缩机吸气管路之间的管路中。在制冷系统中的除霜供应回路按以下方式形成可选的油分离器的入口在涡旋式压缩机和冷凝器之间的节点处与排气管路连接。油分离器的第一出口与可选的第二电磁阀的入口连接，该入口在第一电磁阀与蒸发器盘管之间的节点处经除霜管路与制冷剂供应管路连接。因此，制冷剂旁通绕过制冷过程，以便热的排出气体供应给蒸发器以便加温。还可使用该除霜过程的另外的其它变型。这些在美国专利6574978中进行了描述，其内容通过引证引入到本发明中。
油分离器的第二出口在制冷过程和涡旋式压缩机之间的节点处经油返回管路连接回到压缩机吸气管路。冷凝器的出口与制冷剂供应(液体)管路和液体喷射管路连接。液体喷射管路返回连接到涡旋式压缩机上。(可选的且未示出的)液体聚集罐、可选的电磁阀、和第三FMD位于液体管路与涡旋式压缩机之间的管路中。
油池加热器或曲柄箱加热器是制冷系统上的标准部件，并且其用于防止制冷剂在启动过程对压缩机产生液击。然而，如果使用的话，其可以按两种方式来使用。第一种方法是仅当压缩机停机时接通该加热器以便使得在压缩机油池内的制冷剂液体减至最小。然而，在用于深度低温的混合制冷剂的系统中，这通常不是非常有效，因为其蒸气压力非常低并且对应于标准的较高沸点，所以由这些加热器获得的通常的温度不能有效减少这种液体制冷剂。
在某些情况下，在压缩机油池的外侧包围附加的加热器以便提供足够的能量以控制在油池内的液体量。第二种方法是当压缩机运行时接通加热器，使得在压缩机油池内的制冷剂液体量减小。在替代结构中，当压缩机运行时高温的排出气体与压缩机油池热接触，以便对油池加温，从而代替外部的加热器。
在优选实施例中，本发明的系统是一种使用涡旋式压缩机的深度低温制冷系统，该涡旋式压缩机可以进行液体喷射以便降低排气温度，并且还具有用于给油池加温的可选的加热器，与没有液体喷射的涡旋式压缩机相比，可提高整个系统的效率，同时与使用常规的往复压缩机的制冷系统相比，使得该系统的尺寸减至最小。
所披露的深度低温制冷系统适于与具有较高沸点和低沸点组分的混合的制冷剂(MR)混合物一起使用，并且还适于与特定低温POE油和其它POE油以及其它常规的压缩机油一起使用。
图1是现有技术的深度低温制冷系统的示意图，其中示出了深度低温的混合式制冷过程；图2A示出了涡旋式压缩机的两个主要部件中的一个，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；
图2B示出了涡旋式压缩机的两个主要部件中的另一个，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；图2C示出了涡旋式压缩机的组合的两个主要部件，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；和图3示出了本发明的的深度低温制冷系统的第二实施例。
具体实施例方式
本发明涉及一种使用在商业上可制造的涡旋式压缩机的深度低温制冷系统，该涡旋式压缩机可以进行液体喷射以便降低排气温度，并且还具有用于给油池加温的可选的加热器。通过控制沸点较高的制冷剂的循环，可实现对排气温度的控制，并且可提高整个系统的效率。与使用常规的半封闭式往复压缩机的制冷系统相比，涡旋式压缩机的使用使得该深度低温制冷系统的尺寸紧凑。另外，本发明的深度低温制冷系统使用了在商业上可制造的涡旋式压缩机，并且适于与具有沸点较高的组分和低沸点组分的优化的混合制冷剂(MR)一起使用。
其使用在商业上可制造的涡旋式压缩机，该涡旋式压缩机具有用于降低排气温度的液体喷射装置和用于给油池加温的加热器，其包括带有液体喷射口的涡旋式压缩机，其还包括电磁阀；和特定的FMD；以及可选的曲轴箱加热器或带式加热器。
排气管路；冷凝器；(可选的)液体聚集罐；液体管路；制冷过程；制冷剂供应管路；蒸发器盘管；制冷剂返回管路；至少一个流动调节装置；多个检修阀(都是可选的)；多个电磁阀(都是可选的)；
压缩机吸气管路；可选的膨胀罐；具有油返回管路的油分离器；可选的除霜管路；以及液体喷射管路。
以下参照附图来进一步详细描述制冷系统的各个实施例。
图1所示的是现有技术的深度低温制冷系统100。制冷系统100是具有除霜功能的高效的深度低温制冷系统。制冷系统100包括压缩机102，该压缩机经排气管路106连接到冷凝器104上。冷凝器104经液体管路110连接到制冷过程108的供应进口上。制冷过程108的供应出口经制冷剂供应管路114与用户安装的蒸发器盘管112的进口相连。在制冷剂供应管路114的位于制冷过程108和蒸发器盘管112之间的管路中，具有一流动调节装置(FMD)116，其与电磁阀118相连。蒸发器盘管112的出口又经制冷剂返回管路120与制冷过程108的返回进口相连。制冷过程108的返回出口经压缩机吸气管路122返回到压缩机102而使得该环路封闭。通常，制冷剂管路114、120和蒸发器盘管112是由用户在现场进行安装的。在替代结构中，这些元件可集成到单个封装单元中。
在制冷系统100中的除霜供应回路按以下方式形成可选的油分离器128的入口在压缩机102和冷凝器104之间的节点处与排气管路106连接。油分离器128的第一出口与可选的电磁阀130的入口连接，该入口在电磁阀118与蒸发器盘管112之间的节点处经除霜管路132与制冷剂供应管路114连接。油分离器128的第二出口在制冷过程108和压缩机102之间的节点处经油返回管路134连接回到压缩机吸气管路122上。油分离器128是可选的，并且对其的需要取决于整个系统的设计。在替代实施例中，该油分离器用于离开压缩机的全部流动。在另一替代结构中，完全地省去该油分离器。主要的考虑是限制油在制冷系统中的浓度并且保持其溶解在液相的制冷剂中。
制冷系统100还包括可选的与压缩机吸气管路122连接的膨胀罐124。FMD(流动调节装置)126串联地布置在膨胀罐124与压缩机吸气管路122之间。依据整个系统的设计，膨胀罐124和相关的FMD126是可选的。本领域的普通技术人员应当理解可以在该系统具有该膨胀罐与省去该膨胀罐之间进行折衷选择。
制冷过程108包括热交换器136，相分离器138，热交换器140，热交换器142，和流动调节装置(FMD)144。
经过制冷过程108的供应制冷剂的流动路径如下热交换器136的供应进口与液体管路110相连，而热交换器136的供应出口与相分离器138的供应进口相连。相分离器138的供应出口连接到热交换器140的供应进口，而热交换器140的供应出口连接到热交换器142的供应进口，而热交换器142的供应出口连接到制冷剂供应管路114上。
经过制冷过程108的制冷剂返回路径如下热交换器142的返回进口与制冷剂返回管路120相连，热交换器142的返回出口连接到热交换器140的返回进口。热交换器140的返回出口连接到热交换器136的返回进口。热交换器136的返回出口连接到吸气管路122上。此外，相分离器138的第二出口与FMD144相连，该FMD144在热交换器140和热交换器142之间的节点处连接到制冷剂返回路径中。
对于制冷过程108所示的特定结构是一种可能的结构。多种替代的结构也是可以的。例如，热交换器和相分离器的数量和彼此之间的关系的变型也是可能的。在一些情况下，根本不需要相分离器。主要的要求在于，该制冷过程在深度低温范围内维持制冷量的提供(即在蒸发器排散热量)。美国专利6502410详细地描述了这些不同的结构，其内容在此通过引证引入。
在另一结构中，制冷过程108提供了通过在一个或多个温度时进行热交换以便从第二流体例如气体或液体(例如氮气、空气、或如Galden HT-70的液体传热剂)排散热量的装置。由于可能的温度范围较宽，因此可以在多个温度而不是一个温度下有效地从第二流体排散热量。在一些结构中，整个第二流体与从最冷温度到最暖温度的低压制冷剂进行热交换。在另一结构中，这种热量排散可用于使得气体液化。另外，由于与蒸发器112的热交换，因此出现了自第二流体的热量排散以便冷却和/或液化。
以上所述的制冷系统100的所有元件的相互连接可按流体连通方式来实现。
图1中的示意图示出了与单个蒸发器结合的制冷系统100。通常，该制冷系统可冷却布置成串联或并联或蒸发器串联并联组合的多个蒸发器。
图1所示的制冷系统具有单个压缩机。通常，可使用多个压缩机。这些压缩机串联布置，以便进一步使得该压缩过程分成多个级。当串联布置时，在压缩机中的至少一个压缩机中使用液体喷射。或者，压缩机可并联布置，以便基于冷却的需要使得压缩过程更经济。当并联布置时，在压缩机中的至少一个压缩机中使用液体喷射。
在另一实施例中，该制冷系统布置成复叠形式，其包括至少两个在不同温度下工作的制冷系统，较高温度的制冷过程接受来自较低温度的制冷过程的热量。只要制冷剂是包括通常沸点的差别至少为50摄氏度的两种组分的混合物，该实施例覆盖对于温度级较高的复叠方式，并且该组合的制冷级的总效果在深度低温范围内提供了制冷效果。
图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机适当地用作图1所示的制冷系统100的压缩机102。另外，图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机的使用还优化了深度低温制冷系统100的工作效率和紧凑尺寸，并且该涡旋式压缩机适于与不易燃的、无氯的、无毒的、MR(混合制冷剂)混合物一起使用。
通常，涡旋式压缩机消耗较多的电流，并且因此与其它压缩机例如往复式压缩机相比，对于以给定的流率、吸气压力、和排气压力来压缩给定的制冷剂，涡旋式压缩机需要更多的电力。涡旋式压缩机的优点在于比半封闭式压缩机的水平面积小。本发明提供了一种通过改进压缩机排气温度的控制来提高涡旋式压缩机的效率的方法，因此制冷系统的设计者可使得由压缩机排气温度限定强加的限制减至最小。
应当注意，图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机的使用需要对于图1所示的制冷系统作微小的变型。图3示出了这种系统变型。
图2A、2B、2C示出了本发明使用的在制冷应用中通常使用的涡旋式压缩机的两个主要部件。涡旋式压缩机200是在商业上可获得的具有液体喷射装置的涡旋式压缩机，例如由Copeland Corporation(Sydney，OH)制造的Copeland Glacier Refrigeration Scroll(例如整个ZF系列)。
涡旋式压缩机200包括静止螺旋形部件(涡旋件)210，如图2A所示，还包括移动的或转动的涡旋件，如图2B所示。涡旋件210和220具有相同形状。涡旋件220旋转180度并与涡旋件210配合，如图2C所示。
涡旋式压缩机200的涡旋件210和220配合在一起，以便形成新月形的气体穴。更具体地说，如图2所示，涡旋式压缩机200还包括形成低压穴的区域230、形成中间压力穴的区域240、形成高压力穴的区域250、以及形成中心排气穴的区域260。区域230、240、250均具有(未标出的)互补区域，以便分别形成一对低压穴、中间压力穴、高压力穴。这些所示的气穴是示例性的。然而，因为该涡旋式压缩机具有连续运动的特征，所以这些气穴是由“快速移动”形式的涡旋运动产生的。
压缩机的基本操作是制冷工业领域公知的，即吸入低压低温的制冷剂气体并且将其压缩成高压高温的制冷剂气体。更具体地说，涡旋式压缩机200的基本操作也是已知的，以下只简单地描述。
在工作中，涡旋件210保持固定，而涡旋件220相对于涡旋件210转动。当该螺旋运动持续时，低压气体进入外周(区域230)并且被吸入并受迫朝向涡旋式压缩机200的中心，以便形成逐渐增高的气体压力，并从固定涡旋件210的区域260端口排出气体。制冷剂气体的多个穴同时地进行压缩，以便朝向涡旋式压缩机200的中心(区域250和260)形成更高的压力，并且在整个涡旋转动中提供平滑的、接近连续的循环。
在工作中，气体容积减小，这意味着涡旋式压缩机200进行内压缩。对于给定的成对的涡旋件，压缩量取决于排气端口的尺寸。与往复式压缩机不同，涡旋式压缩机200对于所产生的压缩程度具有明确的限制，并且这涉及涡旋件210和220的形状和尺寸。
使用涡旋式压缩机200作为图1所示的深度低温制冷系统100的压缩机102的优点在于，与使用往复式压缩机(例如螺杆式活塞式压缩机)相比，涡旋式压缩机200具有紧凑的垂直结构，以便减小对于占地面积的要求；可以是完全无油的；使用了对于低振动和非常低的噪音进行均衡的旋转运动；可构造成不使用阀或其它摩擦部件；可以以高达例如10000rpm的高速来运行，并且没有损害到安静且高效的运行；
可以以具有竞争力的成本来制造；具有更高的容积效率；仅使用两个主要部件，以便获得非常高的可靠性；以及具有较低的摩擦速度，以便获得低噪音和低磨损。
在实际中应当注意，可使用不同形式的涡旋式压缩机。在多种制冷过程中，该压缩机可以用油来润滑，并且在排气管路中排出油。另外，涡旋式制冷压缩机通常具有排气阀，尽管作用在该阀上的力明显比作用在往复式压缩机排气阀上的力小。
作为，本发明的第一实施例，图3示出了深度低温制冷系统300。制冷系统300与图1所示的深度低温制冷系统100相同，但只是用涡旋式压缩机200代替了压缩机102。制冷系统300还包括连接液体管路110(冷凝器104的输出口)并返回到涡旋式压缩机200(即涡旋式压缩机200的涡旋件210、220)的液体喷射管路310。FMD320和可选的电磁阀321或其它流动控制装置在液体喷射管路310中位于液体管路110和涡旋式压缩机200之间。FMD320是常规的流动调节装置，例如毛细管、孔口、带有反馈的比例阀、或控制流动的任何节流元件。然而，对于深度低温的应用，其必须重新确定尺寸，以便对于冷却区域提供最佳的气体-蒸气-液体流动。在FMD320是带有反馈的比例阀的情况下，反馈回路通常使用排气温度作为反馈的主源，并且该系统以机械方式节流或借助附加的反馈回路来节流，以便防止在喷射的液体与中等压缩的气体混合之后液体形成在涡旋件内。
需要电磁阀或其它流动控制装置来防止压缩机的满液式启动及其损坏。当压缩机停机时该电磁阀必须关闭。在“停机”循环中电磁阀的故障可能导致液体制冷剂完全地充满该涡旋件。如果在这种情况下再次提供电力，所产生的液压作用将产生足以导致压缩机永久损坏的压力。然而，还可使用其它的防止涡旋件被液体充满的装置。本发明的基本原理在于，借助液体喷射来控制压缩机排气温度。
返回到涡旋式压缩机200的液体喷射管路310的必要性在于，在深度低温制冷系统不使用含较低沸点的制冷剂的混合的制冷剂进行喷射的情况下，涡旋式压缩机的排气温度可能达到180-200摄氏度。然而，涡旋式压缩机200的安全工作的上限通常只在125-135摄氏度的范围内，(这是在检修阀处测量的)，因此进行过量的冷却是必需的。也就是说，排气温度的限制使得该系统设计者调节制冷剂的混合，以便减小低沸点制冷剂的百分比。低沸点制冷剂的下降使得系统的效率降低。借助液体喷射的排气温度的改进控制使得系统效率提高。由于相似的原因，标准制冷系统也使用液体喷射。然而，在这些现有技术的应用中，该系统限制是不同的它们只需要涉及流率和工作状况。在深度低温制冷的情况下，制冷剂混合物组分是新的范围，并且由于其沸点较高因此液体制冷剂的控制更困难。与现有技术相比，系统效率可通过使用液体喷射来提高。
另外，重要的是，由于液体制冷剂比蒸气制冷剂更高效地冷却涡旋式压缩机200，因此基本上喷射液体制冷剂。当使用液体喷射时，液体喷射量必须限制为可确保在喷射的液体与部分压缩的气体混合之后液体不出现在涡旋件中。
对于深度低温的混合制冷剂系统而言，对于液体喷射的要求比使用涡旋式压缩机的常规制冷循环更重要。
这与使用单制冷剂或沸点差别相对接近的制冷剂混合物例如R-410A或R-404A的常规制冷系统相反。由于深度低温的混合制冷剂系统的沸点的大差别，并且使用了沸点相对较高的沸点最高的组分，因此出现了制冷剂组分分离。这是因为深度低温的混合制冷剂系统通常使用标准沸点为-15摄氏度或更高的制冷剂。当用于油润滑的涡旋式压缩机时，沸点较高的制冷剂往往聚集在压缩机油池中。涡旋件的垂直结构以及返回的吸入制冷剂直接进入压缩机的油池中，这两方面使得聚集在压缩机油池中的沸点较高的制冷剂出现该分离效果。即使另外的沸点较高的制冷剂加入以便补偿这种分离情况，当压缩机运行时过度的排气温度状况也将持续。这没有以相同的方式影响到常规的制冷系统，这是因为其循环的流体组分保持大致不变。对于深度低温的混合制冷剂系统的影响是从循环中除去了这些沸点较高的制冷剂。其影响在于，使得压缩机排气温度升高并且使得制冷效率下降。
因此，液体喷射与特别构成的混合制冷剂一起，可使得对于深度低温的混合制冷系统可使用垂直的立式涡旋式压缩机，并且可使得制冷效率比没有液体喷射的情况可能获得制冷效率高。
可将没有液体喷射的涡旋式压缩机应用于深度低温的混合制冷系统，如现有技术的系统所展示的。然而，缺少液体喷射将在确保良好的压缩机可靠性的同时限制可使用的制冷剂组分的范围。这将影响深度低温的沸点的成分的最大组分，例如氩、氮、和R-14，或限制压缩机吸气或排气压力以及相关的压缩比并且导致系统效率下降。
或者，沸点较高的制冷剂的组分可能受到限制，这使得由系统可排出的热量下降。这使得在深度低温下可排出的热量下降，并且限制压缩机运行时的压力。因此，使用液体喷射使得对于深度低温的混合制冷系统可使用垂直的立式涡旋式压缩机，并且可以支持制冷系统的高性能水平，这在不使用液体喷射的情况下是不可能实现的。
为了确保绝大部分的液体制冷剂返回到涡旋式压缩机200的液体管路，液体喷射管路310实体连接到液体管路110中是关键的。因为在自动复叠式制冷系统的液体管路110中的制冷剂是蒸气和/或气体以及液体的混合物，所以液体喷射管路310必须以“T”形式进入液体管路110的水平部分的底部。此外，液体聚集罐可安装在“T”部分与电磁阀之间以便确保较多液体成分的喷射流。这是因为液体制冷剂和蒸气制冷剂尽管一起在液体管路110内流动，但是它们没有形成完全连续的均质流。由于重力，液体聚集在作为液体聚集器的罐的底部。因此，含有较多液体成分的制冷剂经液体喷射管路310返回到涡旋式压缩机200。
在运行中，FMD320允许小部分的液体制冷剂流返回到涡旋式压缩机200。该液体以中间压力喷射到压缩腔。该方法提供了自调节的系统，以便增加/减小吸气压力，并且由此提供了吸入质量流率和系统性能的变化。FMD320还降低了返回涡旋式压缩机200的液体制冷剂的压力，由此确保了对于这两个方法的正量喷射。从液体管路110喷射到涡旋式压缩机200中的液体制冷剂提供了对涡旋件210和220的冷却，由此使得它们的温度降低到安全的运行限制范围内。
没有液体循环经过涡旋件。如果少量的液体制冷剂到达压缩腔并与热的主流体流混合，则该少量的液体制冷剂快速地蒸发。冷却效果主要在于在喷射通道中“冷”的蒸气对流和蒸发式的热量排散。在以中间压力喷射液体的情况下，尤其如此，这是因为气体已经部分地由到达该点的压缩过程加温。
在环境温度条件下，一些混合制冷剂可能具有较高的汽化热，并且具有与例如R22、R134a、R404a的常规制冷剂相比更高的标准沸点。需要更大的加热器输入功率，以便防止在压缩机在停机过程在油池中过多的制冷剂冷凝和液体形成。
所使用的油的类型对于任何压缩机系统的良好应用是重要的。特别是，与作为烷基苯和矿物油使用的以前的油相比，POE油已经难以良好地应用于各种压缩机结构中，包括与涡旋式压缩机。发现一些油可有利地与喷射液体的涡旋式压缩机一起使用，这些油例如是CPIEngineering(Midland Michigan)BVA Solest LT-32(在40摄氏度时大约32厘沲)，BVA Solest 120(在40摄氏度时大约120厘沲)。当然在该产品族中的其它产品和其它销售商的相似黏度等级的其它POE油也应当是有利的。
可与涡旋式压缩机一起使用的烷基苯油的示例是ShrieveChemical(Texas)Zerol 150(在40摄氏度时大约28厘沲)。Zerol300应当也是有利的。相似的，相似黏度等级的其它烷基苯油以及甚至黏度等级较低的尤其是与POE油一起使用的油应当也是有利的。对于深度低温制冷系统而言两个冲突的要求是，压缩机油必须润滑移动的压缩机部件，以便不出现明显的磨损，并且该油必须与所使用的制冷剂相容，以便其在循环的任何位置保持液态。通常，选择较高黏度的油可降低压缩机磨损的可能性，但是将增大油与制冷剂在低温下分离并堵塞管道、膨胀装置、或控制阀的可能性。
本领域的普通技术人员应当理解，需要对所使用的特定的油-压缩机-制冷剂的组合进行适当的可靠性评价。相似地，本领域的普通技术人员应当理解，由于其涉及在系统内的油控制因而需要对制冷系统进行适当的可靠性评价。
本发明披露了制冷剂和压缩机油的多种可能的组合。这种制冷剂的示例可在市场上可获得的现有技术的系统中发现，例如IGCPolycold’S公司(Petaluma，CA)的PFC-550HC、PFC-552HC、PFC-551HC。此外，在美国专利6502410和6481223中披露了特定的制冷剂混合物及其限制，其内容在此通过引证引入。
在使用Copeland Refrigeration公司的型号为ZF48K4E-TWD-551的涡旋式压缩机的实验中，使用Solest LT32与R-236fa、R-125、R-23、R-14和氩的组合，获得到良好的可靠性。然而，用R-245fa来R-236fa导致压缩机出现故障，因此表明对于该特定的混合物而言需要更高黏度的油。尽管低浓度的R-245fa与LT32的组合应当是良好的且有利的。当进行较高黏度等级的实验时，Solest 68与包含R-245fa的混合物一起使用。
还可使用另外的其它油-制冷剂组合。例如，烷基苯油可与无HCFC的制冷剂混合物一起使用。在这种情况下，该系统设计者必须对于油的控制更小心，以便防止在制冷系统的低温阶段出现过多的油。相似地，POE油可以与HCFC制冷剂一起使用，然而，对于POE油而言HCFC制冷剂具有更高的亲合性，并且通常比HFC制冷剂使得油更细化。
在系统中所使用的特定的制冷剂混合物对于本领域的普通技术人员而言是选择的事项。需考虑的一些因素是与系统的其它部件的材料相容性、与压缩机油的溶解性和可混和性、在低温时的冻结性、系统效率、环境法规、毒性、可燃烧性等。本领域的普通技术人员应当理解这些因素的平衡的重要性。当这涉及本发明时，在混合物中的沸点较高的制冷剂与油的相互影响通常是非常关键的。通常所希望的是，该制冷剂具有较高的沸点温度(-15到 40摄氏度)，大约为室温，以便通过提供较高的周围热量排散率从而提高整个系统的效率。然而，较高的沸点温度的制冷剂往往使得压缩机油细化，并且使得由压缩机油提供润滑效果下降。
基于特定制冷剂混合物的(对于填充的重量百分比的)实验，以下的组分范围应当是对于液体喷射有利的，R-236fa 20-45％R-1258-15％R-23 12-30％R-14 18-34％氩 6-15％使用Copeland的ZF48K4E-TWD压缩机来进行混合物的实验，该压缩机使用在改进的类型为Polycold PFC-662的系统上，其中使用可进行液体喷射的涡旋式压缩机以便代替半封闭式的往复式压缩机。由该系统产生的温度的范围在106-160摄氏度内，这取决于外在负荷和制冷剂混合物。所获得的结果表明，液体喷射的使用使得这些系统的运行是可行的，但是这些相同的混合物不能在没有液体喷射的情况下进行工作，这是由于在压缩机热过载的开始阶段造成了过高的排气温度。这些结果强化了在此披露的系统与现有技术的区别。沸点较高的制冷剂的循环的控制使得这些混合物可被调节以便实现整体系统的更高的效率。
也可使用另外的其它制冷剂组合，这取决于制冷系统优化的特定温度。
一个示例为，应当是有利的包含HCFC的混合物是美国专利6481223披露的包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氩的混合物。
一个示例为，应当是有利的无HCFC的混合物是美国专利6502410披露的包括R-4112、R-245fa、R-236fa、E-347、R-134a、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氩、氮、氖、氦的混合物。此外，还可包括其它的化合物例如甲烷、氧气、氢气、氙、和氪。
在此描述的实施例对于深度低温的混合制冷剂系统是有利的，其中所使用的制冷剂混合物包括至少20％的沸点较高的制冷剂和15％的低沸点的制冷剂。各个制冷剂及其组份的各种组合接近无限多。通常，这些实施例的优点随沸点较高的制冷剂和/或低沸点的制冷剂的量的增加而增加，并且随低沸点的制冷剂的沸点的降低而增加，并且随沸点较高的制冷剂的沸点增加而增加。
可选的加热器330以机械方式装接到涡旋式压缩机200的油池上。加热器330是常规的例如由Omgea工程公司制造的曲柄箱加热器或带式加热器。该加热器在“停机”循环中接通，以便防止液体制冷剂聚集在油池中。如果在“满液”状态时重新施加电力，所产生的液压作用可能产生足以导致压缩机永久损坏的高压。
本发明的深度低温制冷系统使用在商业上可制造的带有用于降低排气温度的液体喷射装置和用于对油池加温的加热器的涡旋式压缩机的效果在于，对于高效的运行进行了优化。与使用常规的往复式压缩机的制冷系统相比，其效果在于更紧凑的尺寸，并且适于与具有沸点较高的组分和低沸点组分的混合制冷剂(MR)一起使用。
在一个优选实施例中，沸点较高的制冷剂的沸点限制在-15到 45摄氏度的范围内。
在该系统的另一实施例中，使用气体喷射或气体和液体混合物的喷射，以便在中间压力下冷却压缩机。这应当比液体喷射的有效性低，这是因为其损失了或减少了液体蒸发获得的有效热量排散。
在该系统的另一实施例中，压缩机的液体喷射冷却可与包括至少一种中等沸点的制冷剂和一种低沸点制冷剂的气态混合物一起使用。
在该系统的另一实施例中，在压缩机运行过程中接通可选的加热器330。该加热器可在替代结构中使用，其中加热器用于控制稀释在压缩机油中的液体制冷剂的量。在绝大多数情况下，液体喷射的使用固有地限制与压缩机油混合的液体的量。然而，使用尽管通常是不希望的外部加热器在一些场合中具有优点。正常地，在压缩机运行过程中的热量加入将使得压缩机排气温度升高。然而，一些制冷剂组分和压缩机的组合在该结构中是有利的，这是因为对油池的热量加入防止了液体制冷剂聚集在压缩机油池中，由此可通过降低循环的混合物的比热的比率来降低排气温度。
因为在深度低温的混合制冷剂的系统中存在多种可能的制冷剂组分以及可用的温度，所以第一实施例的多种有利的变型是可行的。
权利要求
1.一种深度低温制冷系统，其中a)压缩机是涡旋式压缩机，b)制冷剂以中间压力从液体制冷剂管路喷射到该涡旋式压缩机压缩腔中，c)该制冷剂是多种组分制冷剂，其中该制冷剂的组分具有差别至少为50摄氏度的沸点，d)该制冷剂包含较高量的低沸点制冷剂。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，还包括以机械方式装接到涡旋式压缩机的油池上的加热器。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该喷射的制冷剂是气态的或气态和液态混合的制冷剂。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该喷射的制冷剂是液态制冷剂。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，没有液体循环经过涡旋式压缩机的涡旋件。
6.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，喷射到涡旋式压缩机中的该液体制冷剂是从发自深度低温的混合制冷剂系统的冷凝器的液体管路的水平部分的底部抽出的。
7.如权利要求6所述的制冷系统，其特征在于，还包括在该液体制冷剂返回该涡旋式压缩机的管路中的流动控制装置。
8.如权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，还包括液体聚集罐，其安装在该液体制冷剂返回该涡旋式压缩机的管路中在与液体管路的连接与该流动控制装置之间。
9.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含至少一种低沸点的制冷剂、至少一种中等沸点的制冷剂、和至少一种较高沸点的制冷剂。
10.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含每种低沸点的、中等沸点的、和较高沸点的制冷剂中的两种或多种。
11.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含超过50％的低沸点的制冷剂。
12.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含大约20-45％的低沸点的制冷剂。
13.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含至少15％的低沸点的制冷剂。
14.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、和R-14的混合物。
15.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包括R-236fa、R-125、R-23、R-14和氩的混合物。
16.如权利要求16所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包含以下的混合物，其中20-45％的R-236fa8-15％的R-12512-30％的R-2318-34％的R-146-15％的氩
17.一种在深度低温制冷系统中降低离开涡旋式压缩机的多种组分的制冷剂的温度的方法，其包括将一定量的多种组分的制冷剂以中间压力从液体管路喷射到该压缩机的压缩腔中。
全文摘要
一种带有涡旋式压缩机的且使用混合制冷剂的深度低温或深冷制冷系统，借助将制冷剂喷射到压缩机中来降低制冷剂排气温度。
文档编号F04C18/02GK1685181SQ03822277
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者K·弗林, O·波德特切尔尼埃夫 申请人:赫力思科技公司
本申请要求获得在2002年9月18日提交的美国临时申请No.60/411676的优先权利。
背景技术：
制冷系统早在1900-1910年就已经出现了，当时已经开发出了密封可靠的制冷系统。从那时起，在制冷技术方面的改进已经证明其既可以用于民用设备也可以用于工业设备中。特别是，低温制冷系统目前为生物医学应用、低温电子学、涂渍操作以及半导体制造应用领域提供了基本的产业功能。制冷系统的制造商面临越来越严格的环境法规，使得制冷工业原理已经迫使制冷工业放弃采用氯氟烃(CFCs)而改用氢氯氟烃(HCFCs)。欧盟的法律也规定从2001年1月1日起禁止在制冷系统中采用氢氯氟烃(HCFC)。
对于制冷工业而言，系统的占地面积也是另一考虑因素。例如，半导体工业希望减小系统的占地面积。因此，制冷系统制造商在不牺牲性能和能力的情况下继续开发出部件尺寸紧凑的系统。
如果水平的占地面积比垂直空间受到更多的限制，则有利的是尽可能地使用垂直空间。例如，往复式和螺杆式压缩机通常是水平卧式的。半封闭式的往复式压缩机尤其是大型的，这增加了制冷系统的所需的占地面积。相反，高效的大容量的涡旋式压缩机是垂直立式的，由此利用了可用的垂直空间并减小了整个系统的占地面积尺寸。
其它的应用领域是生物储藏以及制药和化学处理。深度低温的混合制冷剂的系统已经用于生物冷冻机，并用于制药和化学品处理以便控制过程反应或控制其它过程。其它的应用包括制药和生物试剂、反应试剂、和其它物质的冷冻干燥，以及食品的冷冻干燥。
涡旋式压缩机的构思已经有100年了。但是最近20-30年来所需的机械精度实现之后才使得这种结构可商业化应用。在20世纪80年代末期到90年代早期，涡旋式压缩机开始商业应用，特别是在民用和商用的空调领域。到了20世纪90年代中期，制冷用涡旋式压缩机开始用于商业制冷应用(即超级市场的制冷)。
这些现代的涡旋式压缩机具有立式结构，其中马达轴是垂直的，并且马达在压缩机壳体的下部，并且向下延伸到压缩机油池。涡旋件位于马达之上。可转动的涡旋件的旋转由马达轴来驱动，同时静止涡旋件在可转动的涡旋件之上保持就位。
在深度低温制冷系统中往复式压缩机的通常排气温度在110-130摄氏度的范围内。(在压缩机检修阀处测量的)130摄氏度通常是排气温度的最大容许值。超过130摄氏度导致压缩机油分解并随后出现导致压缩机故障的金属磨损。
涡旋式压缩机往往具有更高的排气温度。为了保持替代压缩机的竞争力，开发出对于制冷用涡旋件的液体喷射，以便控制压缩机的排气温度并且提高制冷量。
在典型的单元中，涡旋式压缩机的排气温度对于压缩机的运行状况强加了明显的限制，并且降低了整个系统的效率。一些重要的因素是整个混合物的组分以及压缩机的排气压力和吸气压力。因此，所希望的是，对于给定的制冷剂系统，发现降低排气温度的装置，以便以较低的蒸发器温度运行，或对于给定的蒸发器温度提供更多的制冷量。
以另一方式来描述，所希望的是，将排气温度保持在安全范围内，同时优化整个系统的性能以实现更高的系统效率，以便与卡诺循环相比，见由Podtchemiaev，Boiarski，和Flynn所著的“Performance ofthrottle-cycle coolers operating with mixed refrigerantsdesigned for industrial applications in a temperature range110 to 190K”，Adavances in Cryogenic EngineeringProceedingof Cryogenic Engineering Conference，Vol.47(2002)。
一种已知的冷却被压缩气体的方法在于，将液体制冷剂从冷凝器经喷嘴通道直接喷射到压缩机中。液体制冷剂可喷射到压缩机的吸气区域，或其喷射到由涡旋件限定的中间包围空间内(例如见美国专利5640854和5076067)。
所使用的制冷剂的发展改变了制冷系统的结构和功能。传统上，烷基苯压缩机油或矿物油与CFC和HCFC系统一起使用。然而，HFC具有较低的可混和性，并且被认为与烷基苯油不混合，因此多元醇型酯(POE)油通常与HFC制冷剂一起使用。制冷系统制造商必须遵守现今的对于指定制冷剂选择的环境法，并且必须提供处理所选的制冷剂成分对制冷剂相关部件例如压缩机的影响。
现今的主要的涡旋式压缩机的制造商例如COPELAND或其它制造商选择、测试、并证实了POE油与常规制冷剂例如R134a、R404A、R507相容。这些油在-45摄氏度(-49F)下具有与这些制冷剂的良好混合性。从压缩机排出到排气管路中的油借助制冷剂返回到压缩机，因此商用的制冷系统不需要油分离器。
所需的是具有这种压缩机的制冷系统与特定的POE油相容，POE油在-45摄氏度(-49F)下与制冷剂相混合。
已经提出了多种与现今的制冷剂相容的高效、紧凑的制冷系统。
2000年8月8日授权给Fujita等人的美国专利6098421“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
2000年6月13日授权给Spauschus等人的美国专利6073454“Reduced pressure carbon dioxide-based refrigerationsystem”披露了一种新的制冷设备和制冷方法。新的制冷设备包括脱附器/蒸发器、与该脱附器/蒸发器连接的涡旋式压缩机、与该压缩机连接的吸附器/冷凝器、与该吸附器/冷凝器和脱附器/蒸发器连接的膨胀装置、包括二氧化碳的循环制冷剂以及与二氧化碳差异共流的液体。该制冷方法包括在涡旋式压缩机中压缩二氧化碳气体和共流的液体，以便使得二氧化碳至少部分地溶解在共流的液体中，并且降低包含二氧化碳的共流的液体的压力，以便溶解的二氧化碳从共流的液体中分离出来，并且私德气态二氧化碳和共流的液体再循环到涡旋式压缩机。
2000年5月2日授权给Tojo等人的美国专利6055827“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一种带有涡旋式压缩机制冷设备，其压缩部分吸入并压缩HFC基制冷剂，并包括冷凝器等，其中滑动轴承可滑动地支承驱动压缩机的压缩部分的驱动轴，压缩部分由含铅的材料制成，并且醚油可与制冷循环所使用的制冷剂混合，以便作为润滑油对滑动轴承进行润滑。
1999年12月28日授权给Tojo等人的美国专利6006542“Refrigerant compressor and refrigerating apparatus”披露了一种披露了一种带有涡旋式压缩机制冷设备，其压缩部分吸入并压缩HFC基制冷剂，并包括冷凝器等，其中滑动轴承可滑动地支承驱动压缩机的压缩部分的驱动轴，压缩部分由含铅的材料制成，并且醚油可与制冷循环所使用的制冷剂混合，以便作为润滑油对滑动轴承进行润滑。
1999年6月8日授权给Fujita等人的美国专利5910161“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
1997年11月11日授权给Fujita等人的美国专利5685163“Refrigerating apparatus”披露了一种用于制冷设备的液体喷射式涡旋式压缩机，其使用HFC制冷剂但不包括氯(HFC-125/HFC-143a/HFC-134a)作为工作流体，并且一定量的喷射液体依据压缩机的排气温度来控制。另外，酯油和/或醚油用作制冷机油，干燥器设置在制冷循环中。借助该结构，在不改变常规制冷设备的结构的情况下可在宽范围内实现稳定制冷循环。
Telemark Cryogenics(Nothampton，UK)制造了一种深度低温的制冷系统，其使用制冷用的涡旋式压缩机。一部分的这些系统使用可进行液体喷射的涡旋件，但是没有使用这个特征。不利的是，该系统不具有所希望的高效率。
在Robert D.Lehman所著的在American Laboratory的1996年10月刊的文章“A mechanically refrigerated cryogenic freezerfor air-phase storage of biologicals at-150C without liquidnitrogen”中描述了在自动复叠式制冷系统中的涡旋式压缩机。该文章指的是不进行液体喷射的空调用的涡旋式压缩机。不利的是，该系统不具有所希望的高效率。
本发明的目的在于提供一种效率提高的且尺寸减小的深度低温或深冷制冷系统，其符合现今的规定制冷剂选择的环境法律。
本发明的另一目的在于提供一种高效、高能力、紧凑的压缩机，其减小了制冷系统的占地面积。
本发明的另一目的在于提供一种带有可控制制冷剂排气温度的涡旋式压缩机的制冷系统。
发明内容
在此披露的实施例旨在用于这样的系统，该系统在范围为-60到-208摄氏度的范围内提供制冷效果并且使用包括至少两种制冷剂的混合物，制冷剂的标准沸点(即纯的组分在一个标准大气压下的沸点温度)的差别至少50摄氏度。对于在此披露的内容，深度低温指的是-60到-208摄氏度范围内的温度。
在此披露的内容中，借助“R”数字来表示制冷剂。这些表示方法是由ASHRAE标准#34限定的。ASHRAE代表的是美国采暖、制冷与空调工程师学会。其它制冷剂由其通称的名称来表示，例如氩(Ar)、氮(N2)、和乙烷(C2H6)。
对于在此披露的内容，重要的是基于其标准沸点温度来分开各种制冷剂。沸点高于-15摄氏度的制冷剂称为沸点较高的制冷剂。这组包括但不限于R-124、R-236fa、R-245fa、R-123等。沸点在-15到-60摄氏度的制冷剂称为中等沸点的制冷剂。这组包括但不限于商业常用的制冷剂例如R-134a、R-125、R-22、R-32、R-410A、R-404A、丙烷等。沸点低于-60摄氏度的制冷剂称为低沸点的制冷剂。这组包括但不限于R-23、R-14、乙烷、甲烷、氙、氪、氦、氮、氖、氧、氢等。
特别的，当与包括至少一种较高温度的制冷剂和至少一种低沸点制冷剂的混合物一起使用，在此披露的实施例被认为是最有利的。
本发明代表通过改善效率实现现有技术的效率提高的改进。在此披露的本发明的系统与现有技术的明显区别在于，本发明的系统使用了可进行液体喷射的涡旋式压缩机，以便在深度低温制冷系统中用含大量低沸点制冷剂的混合制冷剂来进行冷却。该低沸点制冷剂形成该制冷剂混合物的大约15％到超过50％，优选的是，形成制冷剂混合物的小于50％，最优选的是形成制冷剂混合物的20-45％。
这种效果是借助以下机构来实现的由于当降低到中间喷射温度的节流作用，室温的液体可进行冷却。在压缩机中中等压缩的气体由于到该点的施加压缩功因而其温度高于环境温度。当与中间压力的液体混合时，液体将蒸发并冷却气体。由于这种混合，中间状态的气体温度下降，因此排气温度将降低。
与中间压力的气体不同组分的液体可加入，其通常具有较高的分子重量的化合物并且通常具有对应的较低比率的比热。因此，整个组分变化，并且这两种混合流的比热的比率下降，排气温度将降低。
在两个涡旋件以吸气压力包围一气体穴之后，加入到压缩过程中的制冷剂使得制冷剂质量流率增加。质量流率的增加使得制冷剂效率提高。
对于沸点较高的液体制冷剂的控制在于，它们没有不利地与混合物分离并聚集在压缩机油池中从而使得这些制冷剂的浓度高于没有液体喷射的涡旋式压缩机可以维持的浓度。这借助例如多种手段来提高整体制冷效率，例如增加热量排散，和/或使用高浓度的低沸点组分的能力，或在较高的压缩比的情况下运行的能力。
在此披露的系统包括高效的、高容量的、紧凑的涡旋式压缩机，其控制包含低沸点制冷剂的混合制冷剂的排气温度。在此披露的系统的有点在于，沸点较高的制冷剂组分的循环如此控制，即，使得其在压缩机运行时在压缩机油池中没有过量聚集。这种改进的控制使得压缩机排气温度降低，并且可使得整体系统的效率提高。
另外，提供了这样的制冷系统，其具有可与特殊的低温POE油相容的压缩机。
在此披露的实施例提供了这样的制冷系统，其具有带有这些所有优点的压缩机，并且同时所需的整体占地空间减小。
通过提供这样一种深度低温制冷系统，其使用了在商业上可制造的带有用于降低排气温度的液体喷射装置的涡旋式压缩机，从而使得这些实施例具有这些和其它的优点，该制冷系统包括带有液体喷射口的涡旋式压缩机，其还包括(可选的)电磁阀；和特定的FMD；以及可选的曲轴箱加热器或带式加热器；
排气管路；冷凝器；(可选的)液体聚集罐；液体管路；制冷过程；制冷剂供应管路；蒸发器盘管；制冷剂返回管路；在制冷过程中至少一个流动调节装置；多个检修阀(都是可选的)；多个电磁阀(都是可选的)；压缩机吸气管路；(可选的)膨胀罐；具有(可选的)油返回管路的油分离器；(可选的)除霜管路；以及液体喷射管路。
其中涡旋式压缩机经排气管路与冷凝器连接。冷凝器使得从制冷剂排散热量并且经液体管路与制冷过程的供应进口连接。液体管路将高压制冷剂供应给制冷过程。制冷过程的供应出口经制冷剂供应管路与用户安装的蒸发器盘管的进口相连。在制冷剂供应管路的位于制冷过程和蒸发器盘管之间的管路中，具有第一流动调节装置(FMD)，其与第一电磁阀相连。蒸发器盘管的出口与制冷剂返回管路连接，其与制冷过程的低压侧连接。制冷过程的返回出口经压缩机吸气管路返回到涡旋式压缩机而使得该环路封闭。
可选的膨胀罐与压缩机吸气管路连接。第二可选的FMD布置在膨胀罐与压缩机吸气管路之间的管路中。在制冷系统中的除霜供应回路按以下方式形成可选的油分离器的入口在涡旋式压缩机和冷凝器之间的节点处与排气管路连接。油分离器的第一出口与可选的第二电磁阀的入口连接，该入口在第一电磁阀与蒸发器盘管之间的节点处经除霜管路与制冷剂供应管路连接。因此，制冷剂旁通绕过制冷过程，以便热的排出气体供应给蒸发器以便加温。还可使用该除霜过程的另外的其它变型。这些在美国专利6574978中进行了描述，其内容通过引证引入到本发明中。
油分离器的第二出口在制冷过程和涡旋式压缩机之间的节点处经油返回管路连接回到压缩机吸气管路。冷凝器的出口与制冷剂供应(液体)管路和液体喷射管路连接。液体喷射管路返回连接到涡旋式压缩机上。(可选的且未示出的)液体聚集罐、可选的电磁阀、和第三FMD位于液体管路与涡旋式压缩机之间的管路中。
油池加热器或曲柄箱加热器是制冷系统上的标准部件，并且其用于防止制冷剂在启动过程对压缩机产生液击。然而，如果使用的话，其可以按两种方式来使用。第一种方法是仅当压缩机停机时接通该加热器以便使得在压缩机油池内的制冷剂液体减至最小。然而，在用于深度低温的混合制冷剂的系统中，这通常不是非常有效，因为其蒸气压力非常低并且对应于标准的较高沸点，所以由这些加热器获得的通常的温度不能有效减少这种液体制冷剂。
在某些情况下，在压缩机油池的外侧包围附加的加热器以便提供足够的能量以控制在油池内的液体量。第二种方法是当压缩机运行时接通加热器，使得在压缩机油池内的制冷剂液体量减小。在替代结构中，当压缩机运行时高温的排出气体与压缩机油池热接触，以便对油池加温，从而代替外部的加热器。
在优选实施例中，本发明的系统是一种使用涡旋式压缩机的深度低温制冷系统，该涡旋式压缩机可以进行液体喷射以便降低排气温度，并且还具有用于给油池加温的可选的加热器，与没有液体喷射的涡旋式压缩机相比，可提高整个系统的效率，同时与使用常规的往复压缩机的制冷系统相比，使得该系统的尺寸减至最小。
所披露的深度低温制冷系统适于与具有较高沸点和低沸点组分的混合的制冷剂(MR)混合物一起使用，并且还适于与特定低温POE油和其它POE油以及其它常规的压缩机油一起使用。
图1是现有技术的深度低温制冷系统的示意图，其中示出了深度低温的混合式制冷过程；图2A示出了涡旋式压缩机的两个主要部件中的一个，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；
图2B示出了涡旋式压缩机的两个主要部件中的另一个，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；图2C示出了涡旋式压缩机的组合的两个主要部件，该压缩机通常用于依据本发明的制冷应用中；和图3示出了本发明的的深度低温制冷系统的第二实施例。
具体实施例方式
本发明涉及一种使用在商业上可制造的涡旋式压缩机的深度低温制冷系统，该涡旋式压缩机可以进行液体喷射以便降低排气温度，并且还具有用于给油池加温的可选的加热器。通过控制沸点较高的制冷剂的循环，可实现对排气温度的控制，并且可提高整个系统的效率。与使用常规的半封闭式往复压缩机的制冷系统相比，涡旋式压缩机的使用使得该深度低温制冷系统的尺寸紧凑。另外，本发明的深度低温制冷系统使用了在商业上可制造的涡旋式压缩机，并且适于与具有沸点较高的组分和低沸点组分的优化的混合制冷剂(MR)一起使用。
其使用在商业上可制造的涡旋式压缩机，该涡旋式压缩机具有用于降低排气温度的液体喷射装置和用于给油池加温的加热器，其包括带有液体喷射口的涡旋式压缩机，其还包括电磁阀；和特定的FMD；以及可选的曲轴箱加热器或带式加热器。
排气管路；冷凝器；(可选的)液体聚集罐；液体管路；制冷过程；制冷剂供应管路；蒸发器盘管；制冷剂返回管路；至少一个流动调节装置；多个检修阀(都是可选的)；多个电磁阀(都是可选的)；
压缩机吸气管路；可选的膨胀罐；具有油返回管路的油分离器；可选的除霜管路；以及液体喷射管路。
以下参照附图来进一步详细描述制冷系统的各个实施例。
图1所示的是现有技术的深度低温制冷系统100。制冷系统100是具有除霜功能的高效的深度低温制冷系统。制冷系统100包括压缩机102，该压缩机经排气管路106连接到冷凝器104上。冷凝器104经液体管路110连接到制冷过程108的供应进口上。制冷过程108的供应出口经制冷剂供应管路114与用户安装的蒸发器盘管112的进口相连。在制冷剂供应管路114的位于制冷过程108和蒸发器盘管112之间的管路中，具有一流动调节装置(FMD)116，其与电磁阀118相连。蒸发器盘管112的出口又经制冷剂返回管路120与制冷过程108的返回进口相连。制冷过程108的返回出口经压缩机吸气管路122返回到压缩机102而使得该环路封闭。通常，制冷剂管路114、120和蒸发器盘管112是由用户在现场进行安装的。在替代结构中，这些元件可集成到单个封装单元中。
在制冷系统100中的除霜供应回路按以下方式形成可选的油分离器128的入口在压缩机102和冷凝器104之间的节点处与排气管路106连接。油分离器128的第一出口与可选的电磁阀130的入口连接，该入口在电磁阀118与蒸发器盘管112之间的节点处经除霜管路132与制冷剂供应管路114连接。油分离器128的第二出口在制冷过程108和压缩机102之间的节点处经油返回管路134连接回到压缩机吸气管路122上。油分离器128是可选的，并且对其的需要取决于整个系统的设计。在替代实施例中，该油分离器用于离开压缩机的全部流动。在另一替代结构中，完全地省去该油分离器。主要的考虑是限制油在制冷系统中的浓度并且保持其溶解在液相的制冷剂中。
制冷系统100还包括可选的与压缩机吸气管路122连接的膨胀罐124。FMD(流动调节装置)126串联地布置在膨胀罐124与压缩机吸气管路122之间。依据整个系统的设计，膨胀罐124和相关的FMD126是可选的。本领域的普通技术人员应当理解可以在该系统具有该膨胀罐与省去该膨胀罐之间进行折衷选择。
制冷过程108包括热交换器136，相分离器138，热交换器140，热交换器142，和流动调节装置(FMD)144。
经过制冷过程108的供应制冷剂的流动路径如下热交换器136的供应进口与液体管路110相连，而热交换器136的供应出口与相分离器138的供应进口相连。相分离器138的供应出口连接到热交换器140的供应进口，而热交换器140的供应出口连接到热交换器142的供应进口，而热交换器142的供应出口连接到制冷剂供应管路114上。
经过制冷过程108的制冷剂返回路径如下热交换器142的返回进口与制冷剂返回管路120相连，热交换器142的返回出口连接到热交换器140的返回进口。热交换器140的返回出口连接到热交换器136的返回进口。热交换器136的返回出口连接到吸气管路122上。此外，相分离器138的第二出口与FMD144相连，该FMD144在热交换器140和热交换器142之间的节点处连接到制冷剂返回路径中。
对于制冷过程108所示的特定结构是一种可能的结构。多种替代的结构也是可以的。例如，热交换器和相分离器的数量和彼此之间的关系的变型也是可能的。在一些情况下，根本不需要相分离器。主要的要求在于，该制冷过程在深度低温范围内维持制冷量的提供(即在蒸发器排散热量)。美国专利6502410详细地描述了这些不同的结构，其内容在此通过引证引入。
在另一结构中，制冷过程108提供了通过在一个或多个温度时进行热交换以便从第二流体例如气体或液体(例如氮气、空气、或如Galden HT-70的液体传热剂)排散热量的装置。由于可能的温度范围较宽，因此可以在多个温度而不是一个温度下有效地从第二流体排散热量。在一些结构中，整个第二流体与从最冷温度到最暖温度的低压制冷剂进行热交换。在另一结构中，这种热量排散可用于使得气体液化。另外，由于与蒸发器112的热交换，因此出现了自第二流体的热量排散以便冷却和/或液化。
以上所述的制冷系统100的所有元件的相互连接可按流体连通方式来实现。
图1中的示意图示出了与单个蒸发器结合的制冷系统100。通常，该制冷系统可冷却布置成串联或并联或蒸发器串联并联组合的多个蒸发器。
图1所示的制冷系统具有单个压缩机。通常，可使用多个压缩机。这些压缩机串联布置，以便进一步使得该压缩过程分成多个级。当串联布置时，在压缩机中的至少一个压缩机中使用液体喷射。或者，压缩机可并联布置，以便基于冷却的需要使得压缩过程更经济。当并联布置时，在压缩机中的至少一个压缩机中使用液体喷射。
在另一实施例中，该制冷系统布置成复叠形式，其包括至少两个在不同温度下工作的制冷系统，较高温度的制冷过程接受来自较低温度的制冷过程的热量。只要制冷剂是包括通常沸点的差别至少为50摄氏度的两种组分的混合物，该实施例覆盖对于温度级较高的复叠方式，并且该组合的制冷级的总效果在深度低温范围内提供了制冷效果。
图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机适当地用作图1所示的制冷系统100的压缩机102。另外，图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机的使用还优化了深度低温制冷系统100的工作效率和紧凑尺寸，并且该涡旋式压缩机适于与不易燃的、无氯的、无毒的、MR(混合制冷剂)混合物一起使用。
通常，涡旋式压缩机消耗较多的电流，并且因此与其它压缩机例如往复式压缩机相比，对于以给定的流率、吸气压力、和排气压力来压缩给定的制冷剂，涡旋式压缩机需要更多的电力。涡旋式压缩机的优点在于比半封闭式压缩机的水平面积小。本发明提供了一种通过改进压缩机排气温度的控制来提高涡旋式压缩机的效率的方法，因此制冷系统的设计者可使得由压缩机排气温度限定强加的限制减至最小。
应当注意，图2A、2B、2C所示的涡旋式压缩机的使用需要对于图1所示的制冷系统作微小的变型。图3示出了这种系统变型。
图2A、2B、2C示出了本发明使用的在制冷应用中通常使用的涡旋式压缩机的两个主要部件。涡旋式压缩机200是在商业上可获得的具有液体喷射装置的涡旋式压缩机，例如由Copeland Corporation(Sydney，OH)制造的Copeland Glacier Refrigeration Scroll(例如整个ZF系列)。
涡旋式压缩机200包括静止螺旋形部件(涡旋件)210，如图2A所示，还包括移动的或转动的涡旋件，如图2B所示。涡旋件210和220具有相同形状。涡旋件220旋转180度并与涡旋件210配合，如图2C所示。
涡旋式压缩机200的涡旋件210和220配合在一起，以便形成新月形的气体穴。更具体地说，如图2所示，涡旋式压缩机200还包括形成低压穴的区域230、形成中间压力穴的区域240、形成高压力穴的区域250、以及形成中心排气穴的区域260。区域230、240、250均具有(未标出的)互补区域，以便分别形成一对低压穴、中间压力穴、高压力穴。这些所示的气穴是示例性的。然而，因为该涡旋式压缩机具有连续运动的特征，所以这些气穴是由“快速移动”形式的涡旋运动产生的。
压缩机的基本操作是制冷工业领域公知的，即吸入低压低温的制冷剂气体并且将其压缩成高压高温的制冷剂气体。更具体地说，涡旋式压缩机200的基本操作也是已知的，以下只简单地描述。
在工作中，涡旋件210保持固定，而涡旋件220相对于涡旋件210转动。当该螺旋运动持续时，低压气体进入外周(区域230)并且被吸入并受迫朝向涡旋式压缩机200的中心，以便形成逐渐增高的气体压力，并从固定涡旋件210的区域260端口排出气体。制冷剂气体的多个穴同时地进行压缩，以便朝向涡旋式压缩机200的中心(区域250和260)形成更高的压力，并且在整个涡旋转动中提供平滑的、接近连续的循环。
在工作中，气体容积减小，这意味着涡旋式压缩机200进行内压缩。对于给定的成对的涡旋件，压缩量取决于排气端口的尺寸。与往复式压缩机不同，涡旋式压缩机200对于所产生的压缩程度具有明确的限制，并且这涉及涡旋件210和220的形状和尺寸。
使用涡旋式压缩机200作为图1所示的深度低温制冷系统100的压缩机102的优点在于，与使用往复式压缩机(例如螺杆式活塞式压缩机)相比，涡旋式压缩机200具有紧凑的垂直结构，以便减小对于占地面积的要求；可以是完全无油的；使用了对于低振动和非常低的噪音进行均衡的旋转运动；可构造成不使用阀或其它摩擦部件；可以以高达例如10000rpm的高速来运行，并且没有损害到安静且高效的运行；
可以以具有竞争力的成本来制造；具有更高的容积效率；仅使用两个主要部件，以便获得非常高的可靠性；以及具有较低的摩擦速度，以便获得低噪音和低磨损。
在实际中应当注意，可使用不同形式的涡旋式压缩机。在多种制冷过程中，该压缩机可以用油来润滑，并且在排气管路中排出油。另外，涡旋式制冷压缩机通常具有排气阀，尽管作用在该阀上的力明显比作用在往复式压缩机排气阀上的力小。
作为，本发明的第一实施例，图3示出了深度低温制冷系统300。制冷系统300与图1所示的深度低温制冷系统100相同，但只是用涡旋式压缩机200代替了压缩机102。制冷系统300还包括连接液体管路110(冷凝器104的输出口)并返回到涡旋式压缩机200(即涡旋式压缩机200的涡旋件210、220)的液体喷射管路310。FMD320和可选的电磁阀321或其它流动控制装置在液体喷射管路310中位于液体管路110和涡旋式压缩机200之间。FMD320是常规的流动调节装置，例如毛细管、孔口、带有反馈的比例阀、或控制流动的任何节流元件。然而，对于深度低温的应用，其必须重新确定尺寸，以便对于冷却区域提供最佳的气体-蒸气-液体流动。在FMD320是带有反馈的比例阀的情况下，反馈回路通常使用排气温度作为反馈的主源，并且该系统以机械方式节流或借助附加的反馈回路来节流，以便防止在喷射的液体与中等压缩的气体混合之后液体形成在涡旋件内。
需要电磁阀或其它流动控制装置来防止压缩机的满液式启动及其损坏。当压缩机停机时该电磁阀必须关闭。在“停机”循环中电磁阀的故障可能导致液体制冷剂完全地充满该涡旋件。如果在这种情况下再次提供电力，所产生的液压作用将产生足以导致压缩机永久损坏的压力。然而，还可使用其它的防止涡旋件被液体充满的装置。本发明的基本原理在于，借助液体喷射来控制压缩机排气温度。
返回到涡旋式压缩机200的液体喷射管路310的必要性在于，在深度低温制冷系统不使用含较低沸点的制冷剂的混合的制冷剂进行喷射的情况下，涡旋式压缩机的排气温度可能达到180-200摄氏度。然而，涡旋式压缩机200的安全工作的上限通常只在125-135摄氏度的范围内，(这是在检修阀处测量的)，因此进行过量的冷却是必需的。也就是说，排气温度的限制使得该系统设计者调节制冷剂的混合，以便减小低沸点制冷剂的百分比。低沸点制冷剂的下降使得系统的效率降低。借助液体喷射的排气温度的改进控制使得系统效率提高。由于相似的原因，标准制冷系统也使用液体喷射。然而，在这些现有技术的应用中，该系统限制是不同的它们只需要涉及流率和工作状况。在深度低温制冷的情况下，制冷剂混合物组分是新的范围，并且由于其沸点较高因此液体制冷剂的控制更困难。与现有技术相比，系统效率可通过使用液体喷射来提高。
另外，重要的是，由于液体制冷剂比蒸气制冷剂更高效地冷却涡旋式压缩机200，因此基本上喷射液体制冷剂。当使用液体喷射时，液体喷射量必须限制为可确保在喷射的液体与部分压缩的气体混合之后液体不出现在涡旋件中。
对于深度低温的混合制冷剂系统而言，对于液体喷射的要求比使用涡旋式压缩机的常规制冷循环更重要。
这与使用单制冷剂或沸点差别相对接近的制冷剂混合物例如R-410A或R-404A的常规制冷系统相反。由于深度低温的混合制冷剂系统的沸点的大差别，并且使用了沸点相对较高的沸点最高的组分，因此出现了制冷剂组分分离。这是因为深度低温的混合制冷剂系统通常使用标准沸点为-15摄氏度或更高的制冷剂。当用于油润滑的涡旋式压缩机时，沸点较高的制冷剂往往聚集在压缩机油池中。涡旋件的垂直结构以及返回的吸入制冷剂直接进入压缩机的油池中，这两方面使得聚集在压缩机油池中的沸点较高的制冷剂出现该分离效果。即使另外的沸点较高的制冷剂加入以便补偿这种分离情况，当压缩机运行时过度的排气温度状况也将持续。这没有以相同的方式影响到常规的制冷系统，这是因为其循环的流体组分保持大致不变。对于深度低温的混合制冷剂系统的影响是从循环中除去了这些沸点较高的制冷剂。其影响在于，使得压缩机排气温度升高并且使得制冷效率下降。
因此，液体喷射与特别构成的混合制冷剂一起，可使得对于深度低温的混合制冷系统可使用垂直的立式涡旋式压缩机，并且可使得制冷效率比没有液体喷射的情况可能获得制冷效率高。
可将没有液体喷射的涡旋式压缩机应用于深度低温的混合制冷系统，如现有技术的系统所展示的。然而，缺少液体喷射将在确保良好的压缩机可靠性的同时限制可使用的制冷剂组分的范围。这将影响深度低温的沸点的成分的最大组分，例如氩、氮、和R-14，或限制压缩机吸气或排气压力以及相关的压缩比并且导致系统效率下降。
或者，沸点较高的制冷剂的组分可能受到限制，这使得由系统可排出的热量下降。这使得在深度低温下可排出的热量下降，并且限制压缩机运行时的压力。因此，使用液体喷射使得对于深度低温的混合制冷系统可使用垂直的立式涡旋式压缩机，并且可以支持制冷系统的高性能水平，这在不使用液体喷射的情况下是不可能实现的。
为了确保绝大部分的液体制冷剂返回到涡旋式压缩机200的液体管路，液体喷射管路310实体连接到液体管路110中是关键的。因为在自动复叠式制冷系统的液体管路110中的制冷剂是蒸气和/或气体以及液体的混合物，所以液体喷射管路310必须以“T”形式进入液体管路110的水平部分的底部。此外，液体聚集罐可安装在“T”部分与电磁阀之间以便确保较多液体成分的喷射流。这是因为液体制冷剂和蒸气制冷剂尽管一起在液体管路110内流动，但是它们没有形成完全连续的均质流。由于重力，液体聚集在作为液体聚集器的罐的底部。因此，含有较多液体成分的制冷剂经液体喷射管路310返回到涡旋式压缩机200。
在运行中，FMD320允许小部分的液体制冷剂流返回到涡旋式压缩机200。该液体以中间压力喷射到压缩腔。该方法提供了自调节的系统，以便增加/减小吸气压力，并且由此提供了吸入质量流率和系统性能的变化。FMD320还降低了返回涡旋式压缩机200的液体制冷剂的压力，由此确保了对于这两个方法的正量喷射。从液体管路110喷射到涡旋式压缩机200中的液体制冷剂提供了对涡旋件210和220的冷却，由此使得它们的温度降低到安全的运行限制范围内。
没有液体循环经过涡旋件。如果少量的液体制冷剂到达压缩腔并与热的主流体流混合，则该少量的液体制冷剂快速地蒸发。冷却效果主要在于在喷射通道中“冷”的蒸气对流和蒸发式的热量排散。在以中间压力喷射液体的情况下，尤其如此，这是因为气体已经部分地由到达该点的压缩过程加温。
在环境温度条件下，一些混合制冷剂可能具有较高的汽化热，并且具有与例如R22、R134a、R404a的常规制冷剂相比更高的标准沸点。需要更大的加热器输入功率，以便防止在压缩机在停机过程在油池中过多的制冷剂冷凝和液体形成。
所使用的油的类型对于任何压缩机系统的良好应用是重要的。特别是，与作为烷基苯和矿物油使用的以前的油相比，POE油已经难以良好地应用于各种压缩机结构中，包括与涡旋式压缩机。发现一些油可有利地与喷射液体的涡旋式压缩机一起使用，这些油例如是CPIEngineering(Midland Michigan)BVA Solest LT-32(在40摄氏度时大约32厘沲)，BVA Solest 120(在40摄氏度时大约120厘沲)。当然在该产品族中的其它产品和其它销售商的相似黏度等级的其它POE油也应当是有利的。
可与涡旋式压缩机一起使用的烷基苯油的示例是ShrieveChemical(Texas)Zerol 150(在40摄氏度时大约28厘沲)。Zerol300应当也是有利的。相似的，相似黏度等级的其它烷基苯油以及甚至黏度等级较低的尤其是与POE油一起使用的油应当也是有利的。对于深度低温制冷系统而言两个冲突的要求是，压缩机油必须润滑移动的压缩机部件，以便不出现明显的磨损，并且该油必须与所使用的制冷剂相容，以便其在循环的任何位置保持液态。通常，选择较高黏度的油可降低压缩机磨损的可能性，但是将增大油与制冷剂在低温下分离并堵塞管道、膨胀装置、或控制阀的可能性。
本领域的普通技术人员应当理解，需要对所使用的特定的油-压缩机-制冷剂的组合进行适当的可靠性评价。相似地，本领域的普通技术人员应当理解，由于其涉及在系统内的油控制因而需要对制冷系统进行适当的可靠性评价。
本发明披露了制冷剂和压缩机油的多种可能的组合。这种制冷剂的示例可在市场上可获得的现有技术的系统中发现，例如IGCPolycold’S公司(Petaluma，CA)的PFC-550HC、PFC-552HC、PFC-551HC。此外，在美国专利6502410和6481223中披露了特定的制冷剂混合物及其限制，其内容在此通过引证引入。
在使用Copeland Refrigeration公司的型号为ZF48K4E-TWD-551的涡旋式压缩机的实验中，使用Solest LT32与R-236fa、R-125、R-23、R-14和氩的组合，获得到良好的可靠性。然而，用R-245fa来R-236fa导致压缩机出现故障，因此表明对于该特定的混合物而言需要更高黏度的油。尽管低浓度的R-245fa与LT32的组合应当是良好的且有利的。当进行较高黏度等级的实验时，Solest 68与包含R-245fa的混合物一起使用。
还可使用另外的其它油-制冷剂组合。例如，烷基苯油可与无HCFC的制冷剂混合物一起使用。在这种情况下，该系统设计者必须对于油的控制更小心，以便防止在制冷系统的低温阶段出现过多的油。相似地，POE油可以与HCFC制冷剂一起使用，然而，对于POE油而言HCFC制冷剂具有更高的亲合性，并且通常比HFC制冷剂使得油更细化。
在系统中所使用的特定的制冷剂混合物对于本领域的普通技术人员而言是选择的事项。需考虑的一些因素是与系统的其它部件的材料相容性、与压缩机油的溶解性和可混和性、在低温时的冻结性、系统效率、环境法规、毒性、可燃烧性等。本领域的普通技术人员应当理解这些因素的平衡的重要性。当这涉及本发明时，在混合物中的沸点较高的制冷剂与油的相互影响通常是非常关键的。通常所希望的是，该制冷剂具有较高的沸点温度(-15到 40摄氏度)，大约为室温，以便通过提供较高的周围热量排散率从而提高整个系统的效率。然而，较高的沸点温度的制冷剂往往使得压缩机油细化，并且使得由压缩机油提供润滑效果下降。
基于特定制冷剂混合物的(对于填充的重量百分比的)实验，以下的组分范围应当是对于液体喷射有利的，R-236fa 20-45％R-1258-15％R-23 12-30％R-14 18-34％氩 6-15％使用Copeland的ZF48K4E-TWD压缩机来进行混合物的实验，该压缩机使用在改进的类型为Polycold PFC-662的系统上，其中使用可进行液体喷射的涡旋式压缩机以便代替半封闭式的往复式压缩机。由该系统产生的温度的范围在106-160摄氏度内，这取决于外在负荷和制冷剂混合物。所获得的结果表明，液体喷射的使用使得这些系统的运行是可行的，但是这些相同的混合物不能在没有液体喷射的情况下进行工作，这是由于在压缩机热过载的开始阶段造成了过高的排气温度。这些结果强化了在此披露的系统与现有技术的区别。沸点较高的制冷剂的循环的控制使得这些混合物可被调节以便实现整体系统的更高的效率。
也可使用另外的其它制冷剂组合，这取决于制冷系统优化的特定温度。
一个示例为，应当是有利的包含HCFC的混合物是美国专利6481223披露的包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氩的混合物。
一个示例为，应当是有利的无HCFC的混合物是美国专利6502410披露的包括R-4112、R-245fa、R-236fa、E-347、R-134a、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、R-14和氩、氮、氖、氦的混合物。此外，还可包括其它的化合物例如甲烷、氧气、氢气、氙、和氪。
在此描述的实施例对于深度低温的混合制冷剂系统是有利的，其中所使用的制冷剂混合物包括至少20％的沸点较高的制冷剂和15％的低沸点的制冷剂。各个制冷剂及其组份的各种组合接近无限多。通常，这些实施例的优点随沸点较高的制冷剂和/或低沸点的制冷剂的量的增加而增加，并且随低沸点的制冷剂的沸点的降低而增加，并且随沸点较高的制冷剂的沸点增加而增加。
可选的加热器330以机械方式装接到涡旋式压缩机200的油池上。加热器330是常规的例如由Omgea工程公司制造的曲柄箱加热器或带式加热器。该加热器在“停机”循环中接通，以便防止液体制冷剂聚集在油池中。如果在“满液”状态时重新施加电力，所产生的液压作用可能产生足以导致压缩机永久损坏的高压。
本发明的深度低温制冷系统使用在商业上可制造的带有用于降低排气温度的液体喷射装置和用于对油池加温的加热器的涡旋式压缩机的效果在于，对于高效的运行进行了优化。与使用常规的往复式压缩机的制冷系统相比，其效果在于更紧凑的尺寸，并且适于与具有沸点较高的组分和低沸点组分的混合制冷剂(MR)一起使用。
在一个优选实施例中，沸点较高的制冷剂的沸点限制在-15到 45摄氏度的范围内。
在该系统的另一实施例中，使用气体喷射或气体和液体混合物的喷射，以便在中间压力下冷却压缩机。这应当比液体喷射的有效性低，这是因为其损失了或减少了液体蒸发获得的有效热量排散。
在该系统的另一实施例中，压缩机的液体喷射冷却可与包括至少一种中等沸点的制冷剂和一种低沸点制冷剂的气态混合物一起使用。
在该系统的另一实施例中，在压缩机运行过程中接通可选的加热器330。该加热器可在替代结构中使用，其中加热器用于控制稀释在压缩机油中的液体制冷剂的量。在绝大多数情况下，液体喷射的使用固有地限制与压缩机油混合的液体的量。然而，使用尽管通常是不希望的外部加热器在一些场合中具有优点。正常地，在压缩机运行过程中的热量加入将使得压缩机排气温度升高。然而，一些制冷剂组分和压缩机的组合在该结构中是有利的，这是因为对油池的热量加入防止了液体制冷剂聚集在压缩机油池中，由此可通过降低循环的混合物的比热的比率来降低排气温度。
因为在深度低温的混合制冷剂的系统中存在多种可能的制冷剂组分以及可用的温度，所以第一实施例的多种有利的变型是可行的。
权利要求
1.一种深度低温制冷系统，其中a)压缩机是涡旋式压缩机，b)制冷剂以中间压力从液体制冷剂管路喷射到该涡旋式压缩机压缩腔中，c)该制冷剂是多种组分制冷剂，其中该制冷剂的组分具有差别至少为50摄氏度的沸点，d)该制冷剂包含较高量的低沸点制冷剂。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，还包括以机械方式装接到涡旋式压缩机的油池上的加热器。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该喷射的制冷剂是气态的或气态和液态混合的制冷剂。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，该喷射的制冷剂是液态制冷剂。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，没有液体循环经过涡旋式压缩机的涡旋件。
6.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，喷射到涡旋式压缩机中的该液体制冷剂是从发自深度低温的混合制冷剂系统的冷凝器的液体管路的水平部分的底部抽出的。
7.如权利要求6所述的制冷系统，其特征在于，还包括在该液体制冷剂返回该涡旋式压缩机的管路中的流动控制装置。
8.如权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，还包括液体聚集罐，其安装在该液体制冷剂返回该涡旋式压缩机的管路中在与液体管路的连接与该流动控制装置之间。
9.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含至少一种低沸点的制冷剂、至少一种中等沸点的制冷剂、和至少一种较高沸点的制冷剂。
10.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含每种低沸点的、中等沸点的、和较高沸点的制冷剂中的两种或多种。
11.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含超过50％的低沸点的制冷剂。
12.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含大约20-45％的低沸点的制冷剂。
13.如权利要求9所述的制冷系统，其特征在于，多种组分的制冷剂包含至少15％的低沸点的制冷剂。
14.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包括R-123、R-124、R-125、R-218、R-23和/或乙烷、和R-14的混合物。
15.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包括R-236fa、R-125、R-23、R-14和氩的混合物。
16.如权利要求16所述的制冷系统，其特征在于，该制冷剂是包含以下的混合物，其中20-45％的R-236fa8-15％的R-12512-30％的R-2318-34％的R-146-15％的氩
17.一种在深度低温制冷系统中降低离开涡旋式压缩机的多种组分的制冷剂的温度的方法，其包括将一定量的多种组分的制冷剂以中间压力从液体管路喷射到该压缩机的压缩腔中。
全文摘要
一种带有涡旋式压缩机的且使用混合制冷剂的深度低温或深冷制冷系统，借助将制冷剂喷射到压缩机中来降低制冷剂排气温度。
文档编号F04C18/02GK1685181SQ03822277
公开日2005年10月19日 申请日期2003年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者K·弗林, O·波德特切尔尼埃夫 申请人:赫力思科技公司
再多了解一些
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