提供额外最高点以支持致冷剂液体供给系统的装置和方法

摘要

本公开涉及致冷装置和方法，用于提供额外的最高点以支持致冷剂液体供给系统。该致冷装置包括致冷剂液体容器(2)、下沉管道(4)和上升管道(6)，下沉管道(4)向下地延伸到与上升管道(6)连接的连接部，上升管道(6)从与下沉管道(4)连接的连接部向上地延伸。致冷装置还包括蒸发器(8)，蒸发器具有在下游连接到上升管道(6)的入口(12)以及经由返回管道(10)连接到致冷剂液体容器(2)的出口(14)，以及连接到上升管道(6)的气体注入器(16)，气体注入器适于供应气体以便允许气体与上升管道(6)中的液体致冷剂一起上升，由此相对于液体致冷剂的密度降低液体致冷剂和气体的混合物的总密度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种致冷装置和方法，用于提供额外最高点(head)以支 持致冷剂液体供给系统。

背景技术

在致冷系统中的蒸发器的致冷侧上的压降由于结构设计、工作条件、 致冷剂供给速率和致冷剂类型而改变。

当从低容量系统或者从重力供给容器供给致冷剂液体时，可利用的液 压最高点提供液压以驱使致冷剂穿过蒸发器的致冷剂回路。

由于各种原因，例如，蒸发器回路的长度过长、热负荷过高、蒸发温 度过低或者回路的管道直径太小，所提供的最高点有时不够高到足以驱使 足够数量的致冷剂穿过蒸发器回路。可利用的最高点可能由于各种原因而 受到限制，例如在蒸发器上方的有限的高度，或者连接到蒸发器的致冷剂 管道中的流动动限制可能太高。到蒸发器的过低致冷剂流动则会显著降低 其效率。

在JP03211381中，描述了热虹吸。在热虹吸中，通过利用在上升管和 下降管中的密度差，致冷剂自循环。致冷剂液体被加热器加热，加热器被 提供能量以操作蒸汽泵，被汽化的工作流体通过旁路从蒸发器的出口侧吸 入，被供应到空气提升泵的喷嘴并从喷嘴的尖端排放到上升管中。排放出 的蒸汽工作流体变成气泡，并沿着上升管向上流动。结果，由于在一方面 液体工作流体和另一方面包含工作流体的气泡之间的密度差以及由于气 泡的上升引起的上升流，包含所述气泡的工作流体流入到蒸发器中，在蒸 发器处被从周围环境吸收的热量汽化，沿着下降管向下流到冷凝器，在冷 凝器那里其放出热量到周围环境中并液化。

在JP59094444中，描述了一种自然循环型的沸腾冷却器。该冷却器包 括封闭的循环线路，循环线路包括上升管和下沉管。致冷剂液体在高于沸 腾温度的温度被加热器加热以便产生气泡。由于气泡的产生，在上升管中 的致冷剂气液两相混合物与下沉管中的单相的致冷剂液体之间产生了密 度差。由于密度差，致冷剂液体在封闭的循环线路中循环。致冷剂气液两 相混合物流被引导到散热部分并且该散热部分冷却，以便将致冷剂气液两 相混合物冷却成单相的致冷剂液体。

发明内容

本发明的目的是提供额外的最高点以支持任何致冷液体供给系统。

上述目的通过根据独立权利要求的致冷装置和方法实现。

提供一种致冷装置。致冷装置包括：致冷剂液体容器、下沉管道和上 升管道，下沉管道向下延伸到与上升管道连接的连接部，上升管道从与下 沉管道连接的连接部向上延伸。致冷装置还包括蒸发器，其具有在下游连 接到上升管道的入口以及经由返回管道连接到致冷剂液体容器的出口。另 外，致冷装置还包括连接到上升管道的气体注入器。气体注入器适于供应 气体以便允许气体和上升管道中的液体致冷剂一起上升，由此相对于液体 致冷剂的密度降低液体致冷剂和气体的混合物的总密度。

通过致冷装置，可以提供额外的最高点以支持任何致冷液体供给系 统。在运行期间，致冷剂液体的流动被从致冷剂液体容器引导经过下沉管 道、上升管道、蒸发器和返回管道回到致冷剂液体容器。由于致冷剂液体 的密度以及重力，在致冷剂液体容器和下沉管道中产生与在致冷剂液体水 平面下面的深度成比例的液体压力。在一点处的压力与其上的致冷剂液体 的高度以及致冷剂液体的密度成比例。气体注入器适于供应气体到上升管 道。供应气体以便允许气体与上升管道中的致冷剂一起上升，并且因而相 对于致冷剂的密度降低致冷剂和气体的混合物的总密度。因而，在上升管 道中的任何给定点处的压力，至少在气体经由气体注入器被注入的那一点 的上方的那些给定点处的压力，要高于在下沉管道的相同高度处的对应点 处的压力。替代地，在上升管道中的液体高度要高于在下沉管道中的液体 高度，以提供同样的压力。因此，在致冷液体供给中的最高点被提高。

致冷装置可还包括气液分离器，其布置在上升管道的下游并且在蒸发 器的上游。布置在上升管道的下游并且在蒸发器的上游的气液分离器将气 体和液体分开。液体流被引向蒸发器的入口，而气体被引向气体净化管道。 这样，气液分离器保证只有液体或者至少保证只有有限数量的蒸汽被引向 蒸发器。通过只将液体引向蒸发器，与向蒸发器供应液体和气体的混合物 相比，蒸发器的效率提高。

致冷装置可还包括连接到气液分离器的压力调节装置。压力调节装置 允许来自气液分离器的气体的流。此外，压力调节装置调节气液分离器中 的压力。

来自气液分离器的气体可以被直接再循环至致冷剂液体容器，或者经 由返回管道间接再循环至致冷剂液体容器。通过再循环气体，气体可以被 重新利用。

来自气液分离器的气体可以被再循环至气体注入器。通过再循环气 体，气体可以被重新利用。

气体通风口可被连接到气液分离器。可以经由气体通风口再循环气 体。经由气体通风口排出的气体也可以被释放到周围环境中。

此外，致冷剂液体容器可包括气体通风口。然后可经由气体通风口再 循环气体。经由气体通风口排出的气体可被释放到周围环境中。

由气体注入器供应的气体可被加压。被供应气体可被内部或外部压缩 机加压。被压缩的气体可具有比上升管道中的压力更高的压力。通过供应 压力比上升管道中的压力更高的气体，降低了液体进入气体注入器的风 险。

气体可以是致冷剂蒸汽。通过使用致冷剂蒸汽，不会向致冷剂加入异 物。

气体可以是空气。通过使用空气，获得简单的装置。

还提供一种在致冷装置中循环致冷剂液体的方法。方法包括：引导来 自致冷剂液体容器的致冷剂液体的流途经下沉管道、上升管道、蒸发器和 返回管道回到致冷剂液体容器，及经由连接到上升管道的气体注入器供应 气体，以便允许气体与上升管道中的致冷剂液体一起上升，由此相对于致 冷剂液体的密度降低致冷剂液体和气体的混合物的总密度。

方法可还包括在位于蒸发器的下游处的气液分离器处将供应的气体 从致冷剂液体中分开的步骤。

方法可还包括借助于压力调节装置调节气液分离器中的压力的步骤。

方法可还包括将气体从压力调节装置再循环至返回管道或再循环至 致冷剂液体容器的步骤。

方法可还包括在经由气体注入器供应气体之前加压气体的步骤。

其中被供应气体可是致冷剂蒸汽。

方法可还包括从液体致冷剂容器排出致冷剂蒸汽并将被排出的致冷 剂蒸汽供应到气体注入器的步骤。

从下面给出的详细描述中，本发明的其他应用范围将变得显而易见。 然而，应该理解，详细描述和特定示例，尽管显示出本发明的优选实施例， 仅作为说明而给出；因为对本领域技术人员来说，由于该详细描述的教导， 在本发明的精神和范围内的各种改变和变型是显而易见的。

附图说明

参考随附的示意性图示，作为例子，本发明将被更详细地描述。图示 示出本发明当前优选的实施例。

图1示出根据本发明实施例的致冷装置。

图2示出根据本发明实施例的致冷装置。

图3示出根据本发明实施例的致冷装置。

图4示出根据本发明实施例的致冷装置。

具体实施方式

本发明涉及致冷装置和方法，用于提供额外的最高点以支持致冷液体 供给系统。该致冷液体供给系统可以是低容量系统或重力供给系统。还应 该提到的是，本发明也能够提供额外的最高点来支持泵供给系统，以及独 立使用以泵送致冷剂液体或者任何液体。

参考图1，说明根据本发明一个实施例的致冷装置1。致冷装置1包括 致冷剂液体容器2、下沉管道4、上升管道6、蒸发器8和返回管道10。下沉 管道4从致冷剂液体容器2向下延伸至与上升管道6连接的连接部。下沉管 道4可以定位成竖直或倾斜或者这些姿态的组合。下沉管道4甚至可以具有 水平部分。此外，下沉管道4在致冷剂液体容器2中的致冷剂液体表面的下 方连接到致冷剂液体容器2。上升管道6从与下沉管道4连接的连接部向上 延伸。上升管道6可以定位成竖直或倾斜地或者这些姿态的组合。上升管 道6甚至可以具有水平部分。蒸发器8具有在下游连接到上升管道6的入口 12，以及通过返回管道10连接到致冷剂液体容器2的出口14。返回管道10 可以定位成竖直地、水平地、倾斜地或者这些姿态的组合。致冷剂液体容 纳在致冷剂液体容器2。致冷剂液体的水平在蒸发器8的上方、侧方或下方。

在运行期间，致冷剂液体流从致冷剂液体容器2经由下沉管道4、上升 管道6、蒸发器8和返回管道10被引导回到致冷剂液体容器2。

致冷剂液体可以是本领域技术人员所知道的任何一种合适的致冷剂 液体。致冷剂液体的一个实例是氨。

致冷装置1还包括连接到上升管道6的气体注入器16。气体注入器16适 于供给气体到上升管道6。供应气体以便允许气体在上升管道6中与致冷剂 一起上升，由此相对于致冷剂的密度ρ1降低致冷剂和气体的混合物的总密 度ρ2。所供给的气体可以被加压。通过使用气体压缩机28及/或压力容器， 气体可以被进一步加压。气体压缩机28可以放在外部或内部。压力容器可 以放在外部或内部。根据一个实施例，所供给的气体可以是空气。根据另 一个实施例，所供给的气体可以是致冷剂蒸汽。通过使用致冷剂蒸汽，不 会相致冷剂中加入异物。

此外，致冷装置1包括气液分离器18。气液分离器18布置在上升管道6 的下游且蒸发器8的上游处。气液分离器8将液体流引至蒸发器8的入口12， 并经由气体净化管道22引导气体。气体可以被引导回到致冷剂液体容器2。 这样，气体净化管道22可以直接连接到致冷剂液体容器2，或者如图1所示， 经由返回管道10间接连接到致冷剂液体容器2。替代地，在气液分离器18 中分开的气体可以被引至第一气体通风口(未示出)。第一气体通风孔的 出口可以进一步连接到压缩机的吸入侧。压缩机可以是上面提到的压缩机 28。从气液分离器引来的气体可以是干燥气体或气体与致冷剂液体的混合 物。

根据一个实施例，在气液分离器18处分开的气体的一部分可以被再循 环到气体注入器16。在气液分离器18分开的气体的剩余部分随后可以被直 接或经由返回管道10间接再循环至致冷剂液体容器2，或者被释放到周围 环境中。

致冷装置1还包括压力调节装置20。压力调节装置20连接到气液分离 器18。压力调节装置20被整合到气体净化管道22中。压力调节装置20被用 于允许气体从气液分离器18流出并且调节气液分离器18中的压力。如果使 用第一气体通风口，它可以在下游连接到液力调节装置20。

如上面提到的那样，从气液分离器18引出的气体被引导回到致冷剂液 体容器2。这样，来自气液分离器18的气体可以被直接再循环至致冷剂液 体容器2，或者如图1所示，经由返回管道10间接再循环至致冷剂液体容器 2。

致冷剂液体容器2可包含将致冷剂液体从致冷剂蒸汽分开的装置。第 二气体通风口24可连接到致冷剂液体容器2。气体通风口24的出口可以被 进一步连接到致冷剂压缩机(未示出)的吸入侧。这样，致冷剂蒸汽可以 被压回到液相，并且被再循环到致冷剂容器2。替代地，致冷剂蒸汽可以 被供给到气体注入器16并被用作由气体注入器16供应的气体。致冷剂蒸汽 甚至可以供给到压缩机28，以在气体注入器16中进一步使用。

此外，致冷装置1可包括致冷剂供入管道26，该管道直接连接到致冷 剂液体容器2或者连接到返回管道10。供入管道26用于放回已经蒸发的和 已经离开致冷装置1的致冷剂。蒸发的致冷剂可能经由上面提到的第一或 第二气体通风口离开致冷装置1。

让我们假定用在致冷装置1中的气体是致冷剂蒸汽。那么可以如下所 述来解释图1中示出的致冷装置1的功能：

致冷剂液体容纳在致冷剂液体容器2中，由于致冷剂液体的密度ρ1和 重力，在致冷剂液体容器2和下沉管道4中的压力与在致冷剂液体水平面下 方的深度成正比地增大。在一点中的压力与在此点以上的致冷剂液体的高 度以及致冷剂液体的密度成正比。因而，从点A到点B的压力的增加是

ρ1×g×h

其中ρ1是液体的密度，g是重力加速度常数，而h是点A和点B之间的 高度。

在点C处的静压等于在点B处的压力，因为它们在同一水平面上。在点 C处致冷剂蒸汽经由气体注入器16被注入，而具有明显低的多的密度的致 冷剂蒸汽气泡将和上升管道6中的致冷剂液体一起向上上升。

致冷剂液体和气体的混合物的结果密度ρ2将低于纯粹致冷剂液体的 密度ρ1，并且因此在点D处(其与点A处于同样的物理高度)的压力ρ是：

ρ(D)＝ρ(A)+h×g×ρ1-h×g×ρ2

其中ρ(A)是点A处的压力，ρ(D)是点D处的压力。

由于ρ1是大于ρ2的数字，显然在点D处的压力ρ(D)要高于在点A处的压 力ρ(A)。因而，所得到的压力取决于高度h和通过气体注入器16注入在点C 中的气体的流所形成的密度差。

在上升管道6的末端处，气液分离器18引导液体流到蒸发器8的入口 12，并引导致冷剂蒸汽经由气体净化管道22回到致冷剂流体容器2。

通过气体净化管道22连接到气液分离器18的压力调节装置20调节在 气液分离器18中的压力。从气液分离器18引导的蒸汽然后通过返回管道10 被引导回到致冷剂液体容器2。因而，来自压力调节装置20的蒸汽被循环 回到致冷剂液体容器2。

在蒸发器中，致冷剂从周围环境吸取热量并从蒸发器8的出口14离开， 在出口处通常有致冷剂蒸汽和致冷剂液体的混合流，混合流经由返回管道 10返回到液体容器2。

蒸汽可以经由气体通风口24从液体容器2排出，液体容器2可包括将蒸 汽从液体分开的装置。气体通风口24可进一步连接到致冷压缩机(未示出) 的吸入侧。这样，致冷剂蒸汽可以被压回到液相并且再循环到致冷剂液体 容器2。替代地，致冷剂蒸汽可以供给到气体注入器16并用作由气体注入 器16供应的气体。致冷剂蒸汽甚至可以供给到压缩机28，以在气体注入器 16中进一步使用。

应该注意到，也可以经由气体注入器16以液体和气体的两相混合流的 方式来供给致冷剂液体。致冷剂液体可以被加压，并且可以通过膨胀而至 少部分地蒸发。由于膨胀，液体的压力下降，并且部分液体蒸发。根据实 施例，致冷剂液体可以通过阀经受膨胀，并且此后经由气体注入器16被供 应到上升管道6。通过经由气体注入器16以液体和气体的两相混合流的方 式来供给致冷剂液体，在点D处的压力将增大，不仅是由于密度差而且也 因为通过注入致冷剂液体实现注射效果。

上面的这些本发明致冷装置1的基本原理参考图1示出。图2、3和4示 出根据本发明的致冷装置1的替代实施例。根据图2、3和4中所示的实施例 的致冷装置的基本原理与图1中所示的实施例的基本原理相同。

现在参考图2，其示出本发明致冷装置1的替代实施例，其中致冷剂液 体容器2被用作下沉管道4，而上升管道6位于用作下沉管道4的致冷剂液体 容器2的内部。因而，下沉管道4由致冷剂液体容器2的壁和上升管道6的壁 形成。致冷剂液体容器2的壁可以是环形的。上升管道6的壁也可以是环形 的。上升管道6可以位于致冷剂液体容器2的中心。替代地，上升管道6可 以定位成朝向液体容器2的一侧移位。下沉管道4向下延伸到与上升管道6 连接的连接部。上升管道从与下沉管道4连接的连接部向上延伸。如前面 提到的那样，上升管道6可以定位成竖直地或倾斜地，或者这些姿态的组 合。上升管道6甚至可具有水平部分。蒸发器8具有在下游连接到上升管道 6的入口12，以及经由返回管道10连接到致冷剂液体容器2的出口14。返回 管道10可定位成竖直地、水平地、倾斜地或者这些姿态的组合。致冷剂液 体容纳在致冷剂液体容器2中。致冷剂液体的水平面在蒸发器8的上方、侧 方或下方。致冷装置1还包括连接到上升管道6的气体注入器16。气体注入 器16适于供应气体到上升管道6。供应气体以便允许气体与上升管道6中的 致冷剂一起上升，由此相对于致冷剂的密度降低致冷剂和气体的混合物的 总密度，由此根据上面描述的内容增大上升管道6中的压力。同样，该实 施例的致冷装置1可包括气液分离器18。该气液分离器18布置在上升管道6 的下游并且在蒸发器8的上游。气液分离器18将液体流引向蒸发器8的入口 12，并经由气体净化管道22引出气体。气体可以被引回到致冷剂液体容器 2。关于对气液分离器18的更详细的描述，可以看上面的说明。此外，该 实施例的致冷装置1同样可包括压力调节装置20。压力调节装置20连接到 气液分离器18。压力调节装置20整合在气体净化管道22中。压力调节装置 20用于允许来自气液分离器18的气体流以及调节气液分离器18中的压力。

根据图2的本发明致冷装置1的设计的一个优点是，致冷装置1可以是 紧凑的。

现在参考图3，其示出本发明致冷装置1的又一替代实施例。至于图2 中示出的实施例，致冷剂液体容器2被用作下沉管道4而上升管道6位于被 用作下沉管道4的致冷剂液体容器2中。因而，下沉管道4由致冷剂液体容 器2的壁和上升管道6的壁形成。致冷剂液体容器2的壁可以是环形的。上 升管道6的壁也可以是环形的。上升管道6可以位于致冷剂液体容器2的中 心。替代地，上升管道6可以定位成朝向液体容器2的一侧移位。下沉管道 4向下延伸到与上升管道6连接的连接部。上升管道6从与下沉管道4的连接 部向上延伸。如前面提到的那样，上升管道6可以定位成竖直地或倾斜地， 或者这些姿态的组合。上升管道6甚至可具有水平部分。蒸发器8具有在下 游连接到上升管道6的入口12，以及经由返回管道10连接到致冷剂液体容 器2的出口14。返回管道10可定位成竖直地、水平地、倾斜地或者这些姿 态的组合。致冷剂液体容纳在致冷剂液体容器2中。致冷剂液体的水平面 在蒸发器8的上方、侧方或下方。致冷装置1还包括连接到上升管道6的气 体注入器16。气体注入器16适于供应气体到上升管道6。供应气体以便允 许气体与上升管道6中的致冷剂一起上升，由此相对于致冷剂的密度降低 致冷剂和气体的混合物的总密度，由此根据上面描述的内容增大上升管道 6中的压力。该实施例还包括管道，管道一端连接到上升管道6而另一端位 于致冷剂液体容器2内。位于致冷剂液体容器2内的末端是开放的。另外， 位于致冷剂液体容器2内的开放端在致冷剂液体容器2中的致冷剂液体的 水平面的上方。这样，经由气体注入器16供应的气体可以从致冷剂液体逃 逸，并且被供应到致冷剂液体容器2。这样，一端连接到上升管道6而另一 端位于致冷剂液体容器2内的管道形成气液分离器18。

根据图3的本发明致冷装置1的一个优点是，它可以是紧凑的。

参考图4，其示出本发明致冷装置1的替代实施例。致冷装置1的这个 实施例还包括第二下沉管道5。对于图2和3中所示的实施例，致冷剂液体 容器2被用作下沉管道4而上升管道6位于被用作下沉管道4的致冷剂液体 容器2的内部。下沉管道4由致冷剂液体容器2的壁、上升管道6的壁和第二 下沉管道5的壁形成。致冷剂液体容器2可以是环形的。同样，上升管道6 的壁可以是环形的。另外，第二下沉管道5的壁也可以是环形的。下沉管 道4向下延伸到与上升管道6连接的连接部。上升管道6从与下沉管道4连接 的连接部向上延伸。如上面提到的那样，上升管道6可以定位成竖直地或 倾斜地或者这些姿态的组合。上升管道6甚至可以具有水平部分。上升管 道6被连接到第二下沉管道5的入口。

第二下沉管道5的上端是开放的，因而形成气液分离器18。

根据图4中所示的实施例，上升管道6用于将致冷剂液体泵送到第二下 沉管道5。因而，第二下沉管道5位于上升管道6的下游。第二下沉管道5的 入口位于致冷剂液体容器2(即下沉管道4)中的致冷剂液体的水平面的上 方。第二下沉管道5向下延伸到与蒸发器8的入口12连接的连接部。第二下 沉管道5可以定位成竖直地或倾斜地或者这些姿态地组合。第二下沉管道5 甚至可以具有水平部分。

如上面的同样的基本思路用于将致冷剂液体向上泵送到第二下沉管 道5的入口。这样，气体注入器16被连接到上升管道6以便供应气体，以及 允许气体与上升管道6中的致冷剂一起上升，由此相对于致冷剂的密度降 低致冷剂和气体的混合物的总密度，由此根据上面描述的内容而能够提高 在上升管道6中的致冷剂液体的水平面。在正常运行下，与没有气体被供 应时的在上升管道6中的致冷剂液体的水平面相比，在上升管道6中的致冷 剂液体的水平面可以被提高而使高度翻倍。

蒸发器8具有在下游连接到第二下沉管道5的入口12，以及经由返回管 道10连接到致冷剂液体容器2的出口14。返回管道10可以定位成竖直地、 水平地、倾斜地或者这些姿态的组合。

根据图4的本发明致冷装置1的设计的一个优点是，它可以是紧凑的。 根据图4的本发明致冷装置1的设计的另一个优点是它在高度上不会向下 构造。

应该理解，本发明不限于所示的实施例。因而可以想象一些变型和改 造也在本发明的范围内。例如，连同图4所描述的实施例可以与图1描述的 实施例组合。这样的组合将产生一个具有更大压力以循环致冷剂液体的实 施例。