專利名稱：跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制冷系統(tǒng)節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，特別涉及一種跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，用于控制跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的高壓側(cè)與低壓側(cè)的壓力，屬于制冷技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)，采用自然工質(zhì)二氧化碳作為制冷劑，有利于保護(hù)環(huán)境，其性能與傳統(tǒng)氟里昂制冷循環(huán)相當(dāng)，發(fā)展前途得到了普遍認(rèn)可。
跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)的高低壓控制特性與常見的亞臨界壓縮式制冷系統(tǒng)有較大不同。亞臨界循環(huán)壓縮式制冷系統(tǒng)低壓側(cè)壓力的調(diào)節(jié)，是根據(jù)蒸發(fā)器出口的過熱度調(diào)整膨脹閥的開度來實(shí)現(xiàn)的，而對(duì)于高壓側(cè)壓力則不直接進(jìn)行控制。對(duì)于高壓側(cè)來講，冷凝溫度主要依賴于冷卻介質(zhì)的溫度與流量，冷凝壓力與冷凝溫度一一對(duì)應(yīng)，而高壓側(cè)的壓力即為冷凝壓力，因此高壓側(cè)的壓力基本上依賴于冷卻介質(zhì)的溫度與流量，在系統(tǒng)中不需要專門進(jìn)行控制。對(duì)于跨臨界二氧化碳系統(tǒng)，高壓側(cè)制冷劑發(fā)生的不是冷凝過程，而是超臨界氣體的冷卻過程，其壓力與溫度是兩個(gè)獨(dú)立的變量。因此盡管溫度受到冷卻介質(zhì)的限定，但是壓力沒有受到限制。在跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中，高壓側(cè)壓力可達(dá)70-150bar，是常用制冷裝置的7-10倍，另外高壓側(cè)的壓力特性對(duì)于系統(tǒng)的工作效率有很大的影響。因此不管是從安全性還是從熱效率考慮，在跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)中，除了對(duì)于低壓側(cè)壓力進(jìn)行控制外，對(duì)于高壓側(cè)壓力也必須進(jìn)行控制。
已有技術(shù)中，Shengming Liao和Arne Jakobsen在其論文“Shengming Liao，Arne Jakobsen.Optimal heat rejection pressure in transcritical carbon dioxide airconditioning and heat pump systems.Proc.Natural Working Fluids’98，Oslo，1998301-310”中，提出了一種控制思想，其核心是用節(jié)流閥來控制高壓側(cè)的壓力，采用變頻壓縮機(jī)，通過感受受冷空間的溫度來調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率，達(dá)到控制低壓側(cè)性能的效果。這個(gè)方案，雖然在一定程度上解決了高低壓側(cè)同時(shí)受控的問題，但是對(duì)于采用定容量壓縮機(jī)的二氧化碳制冷系統(tǒng)則不能適用。而且變頻壓縮機(jī)的費(fèi)用大大高于定容量壓縮機(jī)，故前述方案的經(jīng)濟(jì)性較差。
已有技術(shù)中，申請(qǐng)?zhí)枮?3116298.3的國家發(fā)明專利“跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)節(jié)流控制機(jī)構(gòu)”提出了一種適用于采用定容量壓縮機(jī)的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)，能對(duì)其高低壓側(cè)壓力同時(shí)進(jìn)行控制的節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，其核心是低壓側(cè)壓力的控制，是根據(jù)蒸發(fā)器的過熱度調(diào)整熱力膨脹閥的開度來進(jìn)行；高壓側(cè)壓力的控制，則是通過電磁閥的開關(guān)，控制進(jìn)入熱力膨脹閥進(jìn)口的制冷劑狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。在這個(gè)方案中，需要由外接電源來驅(qū)動(dòng)電磁閥的動(dòng)作，以及有壓力傳感器來測(cè)試高壓側(cè)的壓力。
到目前為止，還沒有完全采用機(jī)械方式，不需要另外引入電源，可同時(shí)對(duì)于采用定容量壓縮機(jī)的跨臨界二氧化碳系統(tǒng)的高低壓側(cè)壓力進(jìn)行控制的機(jī)構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)提供一種適用于采用定容量壓縮機(jī)的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)，能對(duì)其高低壓側(cè)壓力同時(shí)進(jìn)行控制的全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明提出的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)包括節(jié)流閥、氣液分離器、混合器、熱力膨脹閥、高壓控制閥，其中高壓控制閥包括高壓控制閥調(diào)節(jié)流路、高壓控制閥主流路、進(jìn)氣控制活塞、進(jìn)氣控制彈簧、調(diào)節(jié)螺栓、調(diào)節(jié)桿控制活塞、調(diào)節(jié)桿控制彈簧、調(diào)節(jié)桿。壓縮機(jī)出口與氣體冷卻器進(jìn)口相連，氣體冷卻器出口與節(jié)流閥進(jìn)口相連，節(jié)流閥出口與汽液分離器進(jìn)口相連，汽液分離器的氣相出口與高壓控制閥進(jìn)口相連，高壓控制閥出口和汽液分離器的液相出口均與混合器進(jìn)口相連，混合器出口與熱力膨脹閥進(jìn)口相連，熱力膨脹閥出口與蒸發(fā)器進(jìn)口相連，蒸發(fā)器出口與壓縮機(jī)進(jìn)口相連。
低壓側(cè)的壓力由熱力膨脹閥控制。當(dāng)蒸發(fā)壓力過低時(shí)，蒸發(fā)器出口的過熱度將過大，此時(shí)熱力膨脹閥的開度自動(dòng)增大，使制冷劑的流量增加，從而使得蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度上升；當(dāng)蒸發(fā)壓力過高時(shí)，則膨脹閥通過減小開度，使蒸發(fā)壓力回落。
高壓側(cè)的壓力控制，則是通過控制進(jìn)入熱力膨脹閥的制冷劑狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)的。氣體冷卻器出來的高壓二氧化碳，有可能為過冷液體，也有可能為超臨界流體，但經(jīng)過節(jié)流閥的降壓，均會(huì)變?yōu)槎嗔黧w而流進(jìn)氣液分離器。通過高壓控制閥調(diào)節(jié)氣體流量，則可以調(diào)節(jié)熱力膨脹閥前的制冷劑狀態(tài)。當(dāng)壓力升高時(shí)，流過的氣體較少，進(jìn)入熱力膨脹閥的制冷劑液體成分增加，有利于增大流量，降低高壓側(cè)的壓力；而壓力低的時(shí)候，流過的氣體較多，這樣進(jìn)入熱力膨脹閥的制冷劑包含較多的氣體，流量就會(huì)減小，使得高壓側(cè)的壓力上升。
高壓控制閥中的進(jìn)氣控制活塞、進(jìn)氣控制彈簧、調(diào)節(jié)螺栓、調(diào)節(jié)桿控制活塞、調(diào)節(jié)桿控制彈簧、調(diào)節(jié)桿，用以控制流過高壓控制閥的制冷劑流量大小，以及隨著高壓側(cè)壓力變化而產(chǎn)生響應(yīng)的快慢。預(yù)先調(diào)定進(jìn)氣控制彈簧預(yù)緊力P1和調(diào)節(jié)桿控制彈簧的預(yù)緊力P2，通過進(jìn)氣控制活塞控制制冷劑的流道。當(dāng)作用于進(jìn)氣控制活塞的壓力大于P1時(shí)，進(jìn)氣控制活塞向下移動(dòng)；當(dāng)作用于調(diào)節(jié)桿控制活塞的壓力大于P2時(shí)，調(diào)節(jié)桿控制活塞向下移動(dòng)，并帶動(dòng)調(diào)節(jié)桿向下移動(dòng)，從而增大制冷劑通過調(diào)節(jié)桿控制的高壓控制閥主流路的流道阻力，減小通過的氣體流量。在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路中，調(diào)節(jié)螺栓位于進(jìn)氣控制活塞和調(diào)節(jié)桿控制活塞之間，調(diào)節(jié)螺栓使得進(jìn)氣流路中形成一個(gè)節(jié)流口。將調(diào)節(jié)螺桿向下調(diào)整時(shí)，它將縮小節(jié)流口面積，使得高壓閥的流量調(diào)整對(duì)于系統(tǒng)高壓響應(yīng)的時(shí)間延遲增大；而向上調(diào)整時(shí)，則可以加大節(jié)流口面積，使得高壓閥的流量調(diào)整對(duì)于系統(tǒng)高壓響應(yīng)的時(shí)間延遲減小。當(dāng)外面的壓力升高，作用于調(diào)節(jié)桿控制活塞上的壓力并不是一下子升高到與系統(tǒng)中的高壓側(cè)壓力相等，而是要等制冷劑通過調(diào)節(jié)螺桿控制的節(jié)流孔，才能逐漸作用于調(diào)節(jié)桿控制活塞。節(jié)流孔越小，外面壓力變化反映到調(diào)節(jié)桿控制活塞上的壓力變化越慢。反之，當(dāng)系統(tǒng)中的高壓側(cè)壓力降低時(shí)，作用于調(diào)節(jié)桿控制活塞上的壓力也不是一下子下降到與系統(tǒng)中的高壓側(cè)壓力相等，而是通過節(jié)流口逐步將作用于活塞上部的制冷劑排出，使得壓力下降，一直到等于P1時(shí)。
通過上述的控制方式，在保證低壓側(cè)有合適壓力的同時(shí)，高壓側(cè)的壓力也得到了控制，避免了因高壓側(cè)壓力過高而引起系統(tǒng)的危險(xiǎn)。
本控制機(jī)構(gòu)中，節(jié)流閥、熱力膨脹閥、氣液分離器、混合器均為可購置的經(jīng)濟(jì)通用元件，高壓閥雖為專門設(shè)計(jì)，但結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，而且本控制結(jié)構(gòu)不需要壓力傳感器，不需要引入控制電路，因此經(jīng)濟(jì)性和可靠性較好。雖然同時(shí)控制高壓側(cè)的壓力和蒸發(fā)器的過熱度這兩個(gè)相互耦合的變量，需要關(guān)注控制的穩(wěn)定性問題，但是由于本發(fā)明的高壓閥中有可以調(diào)節(jié)時(shí)間遲延的調(diào)節(jié)螺栓，因此高壓控制調(diào)節(jié)的響應(yīng)慢于蒸發(fā)器過熱度控制回路，可避免可能的控制不穩(wěn)定問題。


圖1為本發(fā)明跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)原理圖。
圖中，1是壓縮機(jī)，2是氣體冷卻器，3是節(jié)流閥，4是氣液分離器，5是混合器，6是熱力膨脹閥，7是蒸發(fā)器，8是高壓控制閥，9是高壓控制閥調(diào)節(jié)流路，10是高壓控制閥主流路，11是進(jìn)氣控制活塞，12是進(jìn)氣控制彈簧，13是調(diào)節(jié)螺栓，14是調(diào)節(jié)桿控制活塞，15是調(diào)節(jié)桿控制彈簧，16是調(diào)節(jié)桿。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。
如圖1所示，本發(fā)明的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)主要包括節(jié)流閥3、氣液分離器4、混合器5、熱力膨脹閥6、高壓控制閥8，其中高壓控制閥8的主要元件為高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9、高壓控制閥主流路10、進(jìn)氣控制活塞11、進(jìn)氣控制彈簧12、調(diào)節(jié)螺栓13、調(diào)節(jié)桿控制活塞14、調(diào)節(jié)桿控制彈簧15、調(diào)節(jié)桿16。除節(jié)流控制機(jī)構(gòu)外，跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)還包括壓縮機(jī)1、氣體冷卻器2、蒸發(fā)器7。
壓縮機(jī)1出口與氣體冷卻器2進(jìn)口相連，氣體冷卻器2出口與節(jié)流閥3進(jìn)口相連，節(jié)流閥3出口與汽液分離器4進(jìn)口相連，汽液分離器4的氣相出口與高壓控制閥8進(jìn)口相連，高壓控制閥8出口和汽液分離器4的液相出口均與混合器5進(jìn)口相連，混合器5出口與熱力膨脹閥6進(jìn)口相連，熱力膨脹閥6出口與蒸發(fā)器7進(jìn)口相連，蒸發(fā)器7出口與壓縮機(jī)1進(jìn)口相連。
高壓控制閥主流路10的進(jìn)口即是高壓控制閥8進(jìn)口，出口即為高壓控制閥8的出口。高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9的一端與高壓控制閥主流路10的進(jìn)口相連，另一端封閉。在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9中，從高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9與高壓控制閥主流路10的相連端到其封閉端依次安裝進(jìn)氣控制彈簧12和進(jìn)氣控制活塞11；調(diào)節(jié)螺栓13；調(diào)節(jié)桿控制彈簧15、調(diào)節(jié)桿控制活塞14、調(diào)節(jié)桿16。進(jìn)氣控制彈簧12的一端與進(jìn)氣控制活塞11相連，另一端固定在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9內(nèi)壁面上。調(diào)節(jié)桿控制彈簧15的一端與調(diào)節(jié)桿控制活塞14相連，另一端固定在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9封閉端內(nèi)壁面上。調(diào)節(jié)桿16的一端與調(diào)節(jié)桿控制活塞14固定，另一端插入高壓控制閥主流路10內(nèi)，通過上下移動(dòng)調(diào)節(jié)桿16來改變高壓控制閥主流路10的流道截面積。調(diào)節(jié)螺栓13旋在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9上，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓13達(dá)到改變高壓控制閥調(diào)節(jié)流路9流道阻力的效果。
在正常工況下，壓縮機(jī)1排出超臨界二氧化碳高壓氣體，流經(jīng)氣體冷卻器2后成為液體或者是溫度較接近環(huán)境溫度的超臨界流體，再流經(jīng)節(jié)流閥3后成為二相流體，通過氣液分離器4的作用，液相和氣相得到分離，液相直接進(jìn)入混合器5，氣相則通過高壓控制閥8再進(jìn)入混合室5，從混合室5出來的二相制冷劑通過熱力膨脹閥6流進(jìn)蒸發(fā)器7，然后再被壓縮機(jī)8吸入。
當(dāng)高壓側(cè)的壓力上升時(shí)，進(jìn)氣控制活塞11被進(jìn)一步向下推，高壓氣體通過調(diào)節(jié)螺栓13控制的節(jié)流孔逐漸流入，作用于調(diào)節(jié)桿控制活塞14上的壓力逐漸加大，控制活塞14向下移動(dòng)，并推動(dòng)調(diào)節(jié)桿16向下移動(dòng)。此時(shí)高壓控制閥主流路10中的流動(dòng)阻力增加，流過高壓控制閥8的氣體流量減小。當(dāng)高壓側(cè)的壓力下降時(shí)，通過一個(gè)相反的過程，流過高壓控制閥8的氣體流量將逐步增加。
調(diào)整進(jìn)氣控制彈簧12和調(diào)節(jié)桿控制彈簧15的預(yù)緊力，可以改變系統(tǒng)的高壓設(shè)定。調(diào)整調(diào)節(jié)螺栓13，則可以改變壓力調(diào)整過程的速度。
熱力膨脹閥6的開度受控于蒸發(fā)器7出口的制冷劑過熱度。當(dāng)蒸發(fā)壓力過低，過熱度過大時(shí)，熱力膨脹閥6的開度增加，制冷劑的流量增加，因此蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度上升，過熱度下降；當(dāng)蒸發(fā)壓力過高時(shí)，則膨脹閥6通過減小開度，來抑制蒸發(fā)壓力的上升。
權(quán)利要求
1.一種跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，主要包括節(jié)流閥(3)、氣液分離器(4)、混合器(5)、熱力膨脹閥(6)，其特征在于還包括高壓控制閥(8)，氣體冷卻器(2)出口與節(jié)流閥(3)進(jìn)口相連，節(jié)流閥(3)出口與汽液分離器(4)進(jìn)口相連，汽液分離器(4)的氣相出口與高壓控制閥(8)進(jìn)口相連，高壓控制閥(8)出口和汽液分離器(4)的液相出口均與混合器(5)進(jìn)口相連，混合器(5)出口與熱力膨脹閥(6)進(jìn)口相連，熱力膨脹閥(6)出口則與蒸發(fā)器(7)進(jìn)口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，其特征是高壓控制閥(8)包括高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)、高壓控制閥主流路(10)、進(jìn)氣控制活塞(11)、進(jìn)氣控制彈簧(12)、調(diào)節(jié)螺栓(13)、調(diào)節(jié)桿控制活塞(14)、調(diào)節(jié)桿控制彈簧(15)、調(diào)節(jié)桿(16)，高壓控制閥主流路(10)的進(jìn)口即是高壓控制閥(8)進(jìn)口，出口即為高壓控制閥(8)的出口，高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)的一端與高壓控制閥主流路(10)的進(jìn)口相連，另一端封閉，在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)中，從高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)與高壓控制閥主流路(10)的相連端到其封閉端依次安裝進(jìn)氣控制彈簧(12)和進(jìn)氣控制活塞(11)；調(diào)節(jié)螺栓(13)；調(diào)節(jié)桿控制彈簧(15)、調(diào)節(jié)桿控制活塞(14)、調(diào)節(jié)桿(16)，進(jìn)氣控制彈簧(12)的一端與進(jìn)氣控制活塞(11)相連，另一端固定在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)內(nèi)壁面上，調(diào)節(jié)桿控制彈簧(15)的一端與調(diào)節(jié)桿控制活塞(14)相連，另一端固定在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)封閉端內(nèi)壁面上，調(diào)節(jié)桿(16)的一端與調(diào)節(jié)桿控制活塞(14)固定，另一端插入高壓控制閥主流路(10)內(nèi)，調(diào)節(jié)螺栓(13)旋在高壓控制閥調(diào)節(jié)流路(9)上。
全文摘要
跨臨界二氧化碳制冷系統(tǒng)全機(jī)械式節(jié)流控制機(jī)構(gòu)，主要包括節(jié)流閥、氣液分離器、混合器、熱力膨脹閥、高壓控制閥，其中高壓控制閥包括高壓控制閥調(diào)節(jié)流路、高壓控制閥主流路、進(jìn)氣控制活塞、進(jìn)氣控制彈簧、調(diào)節(jié)螺栓、調(diào)節(jié)桿控制活塞、調(diào)節(jié)桿控制彈簧、調(diào)節(jié)桿。熱力膨脹閥的開度受控于蒸發(fā)器出口的制冷劑過熱度，通過開度的調(diào)節(jié)，達(dá)到調(diào)節(jié)蒸發(fā)壓力和控制制冷劑過熱度的作用；高壓側(cè)壓力的控制是通過高壓控制閥控制進(jìn)入膨脹閥進(jìn)口的制冷劑氣體含量來實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明控制機(jī)構(gòu)不需要壓力傳感器，不需要引入控制電路，節(jié)流閥、熱力膨脹閥、氣液分離器、混合器均為可購置的經(jīng)濟(jì)通用元件，高壓閥結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單，因此經(jīng)濟(jì)性和可靠性較好。
文檔編號(hào)F25B9/00GK1580672SQ200410018478
公開日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年5月20日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月20日
發(fā)明者丁國良 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)