可变制冷剂、级内压缩热泵

本发明涉及利用可变制冷剂成分以提高扩大范围的效率和/或在加热和冷却 模式中，利用蒸汽射入压缩机内以提高容量和效率的热泵。

热泵系统通常是双向的，即它们能够实现加热或冷却，或者有时同时加热和 冷却。用于加热时，我们已知可利用多组分CFC或HCFC制冷剂来扩大热泵有效 范围的低温端值。但是，由于CFC或HCFC中含有消耗地球臭氧层和使全球变暖 的氯成分，所以近来已限制使用CFC和HCFC，并且将重点移向HFC或其他能 为环境所接受的制冷剂的应用。目前用电力驱动的住宅用和小型商用热泵系统在 运行上和性能存在着两方面的局限。主要是，它们在低于30°F或40°F左右的低 温环境下，没有充足的容量，这样必须利用诸如电阻加热或石油燃烧之类的补充 热源。另外，热泵在低温环境下工作加热的空气温度低于人们感到舒适的温度； 低于90°F的空气进入室内时，由于空气流动，会产生冷气流不舒适感。

本发明的目的包括提供一具有很宽环境运行范围的热泵系统，它能在很宽的 环境温度内有效地运行，这个范围满足建筑物加热负载的要求，通过有效地向空 间提供足够的高温加热空气，热泵能提供舒适的室内空气传送温度，不会再产生 冷气流效应，并且热泵能使用为环境所接受的安全的制冷剂。本发明的目的还包 括在一给定的压缩机内提高热泵系统的容量和效率。

根据本发明的第一方式，一热泵系统使用一多组分非共沸混合制冷剂，制冷 剂中的一种或多种组分的沸点高于混合物中的其他组分；一定量足以实现系统容 量的制冷剂，它具有一大部分从混合物中分离出来的低压组分；一由一精馏柱向 储藏罐供料以及从系统混合物中除去低压组分的分离器。进一步根据本发明的这 种方式，储藏罐内的液体可被加热以进一步增加从混合物中被分离出来的低压组 分。再根据本发明的这种方式，当系统以加热方式运行时，储藏罐内的液体可被 冷凝器的流出物加热，从而可过冷返回的制冷剂。当基本上把低压组分从系统的 混合物中除去，并留在储藏罐内时，可将它隔离，没有必要继续再进行精馏程序 或对制冷剂进行任何特殊的加热或冷却。或者在整个加热模式的运行过程中，可 以继续进行精馏程序。本发明的这个方式在使用很多HFC混合物或其他为环境所 接受的制冷剂时可以完美地工作。可提供的这样一种制冷剂R407C作用特别好， 因为它含有R32、R125和R134a。目前的成分包括R32、(32％)R125(25)和 R134a(低压力组分)52％。但是这些制冷剂的各种组合和其他HFC混合物也可以 有效地工作。

根据本发明另一级内压缩方式，制冷剂蒸汽在冷凝器流出物温度和蒸发器流 出物温度之间平衡的选定压力下从系统制冷剂流体中分离出来，然后蒸汽基本上 在压缩机压缩冲程中所述选定压力点进入压缩机。根据本发明的这个方式，可以 使用闪蒸箱也可以通过在制冷剂流体的液体和蒸汽组分间提供热交换实现这个 蒸汽分离。对于一给定的压缩机，本发明的这个方式显著地增加了一热泵系统的 效率和容量。

根据本发明，制冷剂混合物的调整可扩大有效和高效率加热的范围，并且提 供改进的房间进入空气供给温度，同时还在一选定的中间压力下分离蒸汽，并在 压缩机冲程内的相似压力点处将它传送到一进口，综合使用这些方法可大大提高 容量、效率以及对于热泵系统有用的有效温度范围。

通过下面结合附图对实施例的详细说明，本发明的其他目的、特征和优点将 变得更加清楚。

图1是本发明第一方式双向热泵系统的示意图，它示出在选定运行模式和实 施例前，系统中所有的阀门、连接线路和组件；

图2是图1所示系统的示意图，仅示出在系统注入过量制冷剂时所使用的那 些部件的有效运行；

图3是图1所示系统的示意图，仅示出紧接着图2运行的稳态加热模式中所 使用的那些组件的有效运行；

图4是图1所示系统的示意图，仅示出从中等容量转换到系统最大加热能力 的精馏过程中使用的那些部件的有效运行；

图5是图1所示系统的示意图，仅示出在建立冷却运行的被动反精馏过程中 使用的那些组件的有效运行；

图6是图1所示系统的示意图，仅示出在建立冷却运行的加压反精馏过程中 使用的那些组件的有效运行；

图7是图1所示系统的示意图，仅示出正常冷却运行时所使用的那些部件的 有效运行；

图8是示出当施加热能时典型的动力精馏循环过程中经历的制冷剂成分(按 质量计)图表，说明根据本发明第一实施例的第一方式，在系统中剩留的制冷剂混 合物成分从自然精馏后的高质量浓度的R134a(40％左右)变化到动力精馏后小于 10％的浓度；

图9是说明本发明第二方式(称作级内压缩)原理的系统循环热力学图；

图10是本发明第二方式双向热泵系统的示意图；

图11是本发明具有蒸汽进口的蜗旋式压缩机的局部截面图；

图12是结合本发明第一和第二方式的双向热泵系统的示意图；

图13是本发明第二方式中的第二实施例的双向热泵系统的示意图；

图14是说明本发明第二方式第二实施例原理的相图。

参考图1，本发明的热泵系统12包括一室内部分13和一室外部分14。室 内部分包括一普通的初级盘管16、一膨胀阀17和一诸如止回阀18之类的单向 流动装置。除了在室内部分逆时针流动时，止回阀18使膨胀阀17无效。

室外部分14包括一普通的初级盘管21、一膨胀阀22和一诸如止回阀23之 类的单向流动装置。室外部分还包括一通过导管27连接到一四通阀28上的压缩 机26，图1所示的四通阀位于空档位置。阀28可电动地或电子地定位，如通过 一螺线管31定位，这样当热泵系统处于冷却模式时，导管27通过导管29与盘 管21连接，或者(在另一位置)在运行加热模式时，使导管27通过导管30与盘管 16连接。将在下文中根据图2至7更详细地说明这些模式。为了本发明的第一个 方式的目的，压缩机26可以是任何普通的活塞式、旋转式或其他类型压缩机。 为了结合本发明的级内压缩方式，如下文中图8至图10说明的，较可取的是一 改进的蜗旋式压缩机；但是，如果需要，也可以使用其他类型的压缩机，如螺杆 式、旋转式或往复式压缩机，提供级内压缩技术。

压缩机26通过导管33，由普通的抽吸蓄热器34补给，后者的输入经由导 管35、36可以来自盘管16或21，这要取决于四通阀28的位置。蓄热器34将 有一普通的油抽出(未示)以便缓慢地计量蓄热器内返回压缩机的所有液体，从而 恢复压缩机油。

到目前为止，说明的都是普通的装置。将根据图1对本发明的低压制冷剂的 储藏进行概述，再根据图2至图7对它进行进一步完整说明。根据本发明，低压 制冷剂储藏罐39包括一加热盘管40，通过导管41、42将它连接到阀门B的相 对侧，通过任何合适的电动或电子装置，如螺线管44，可以有选择地操作阀门B。 当打开阀门B时，导管41、42以及加热盘管40均不在系统内。通过一普通的 精馏柱47向储藏罐39供料，精馏柱47结合一普通的液体/蒸汽分离器48一起工 作，它们的工作方式是这样的，当一对阀门A关闭时，罐39、柱47和分离器48 都在系统外。当通过任何合适的电动或电子装置，如螺线管49，打开阀门A时， 在导管36内的高度蒸发的返回制冷剂，通过右边的阀门A50流入分离器48。液 体趋向下流动通过柱47。在普通的方式下，低挥发性(低压)的非共沸(zeotropic) 制冷剂混合物中的制冷剂蒸汽将凝结在柱47内的衬料(packing)上。混合物较高挥 发性(较高压)的组分蒸汽将从液体中分离出来，并且将流经左边的阀门A51中之 一，通过导管52进入导管35，以返回抽吸蓄热器34。根据本发明，当阀门A 打开时，系统填充足够的制冷剂，这样当低压组分被分离出去时，使用高压组分 可以实现系统容量，其中R407C将是在最高环境温度下系统额定值所需填充量的 两倍(或更多)。当阀门A打开而阀门B关闭时，返回的制冷剂将流过导管41和 42，通过位于罐39内用来加热液体的加热盘管40，使得更多的挥发性组分蒸发， 并且通过柱47向上流动。一些向上流动的低挥发性组分的蒸汽将在向上流过的 过程中受到冷却而凝结，并且再返回罐39内。由盘管40产生的热用来促进在柱 47的低压制冷剂从柱47内的高压制冷剂中分离出来。不使用分离器48，也可以 使用一流动分配器；但是制造一简单的分离器构造的成本是合适和有效的。

再根据本发明，可以通过任何合适的电动或电子装置，如螺线管55，通过 导管56、57将储藏罐39的底部与真空蓄热器连接，有选择地打开或关闭阀门 C，以完成反精馏。在一个实施例中，可垂直地安装储藏罐39，使它高于蓄热器 34的进口，这样液体就能通过重力作用，从罐39中流到蓄热器34中。在另一实 施例中，当希望反精馏时，可以关闭阀门A、B和C，加热罐39、柱47和分离 器48中的液体，直到产生了足够的压力为止，这样使打开阀门C将迫使液体流 出罐39，通过导管56、57流入真空蓄热器34。在精馏或反精馏过程中，如果 希望，可用一电气浸没式加热器来代替盘管40、导管41、42以及阀门B。但 是所示的包括盘管的装置更加经济，这是因为它不必使用电能，并且可过冷返回 制冷剂。

虽然具体的制冷剂成分与本发明无关，但是作为一个示例，可买到的制冷剂 是R407C，其中质量百分比是R32为23％,R125为25％，而R134为52％。 也可以使用几种其他的HFC制冷剂非共沸混合物，这取决于希望得到的加热和冷 却变化范围。

根据本发明，当使用图1所示热泵系统来加热室内部分13时，通过有效地 除去制冷剂混合物中大部分最低压力(最小挥发性)的组分，把制冷剂改成一更具 挥发性的混合物，可以提高效率，被吸取热量的室外温度可被显著降低，并且可 以显著地提高真正进入房间的室内温度，从而避免了冷气流效应。正如所适知晓 的那样，根据它的R134a组分以及其他组分，R407C是非共沸的。因此，可以通 过一已知方式的选择性蒸发和凝结，将R134a组分从R32和R125组分中分离出 来。本发明可以通过一改进的方式完成这个步骤，这个方式不需要在加热运行中 对制冷剂进行稳态加热和冷却以保持精馏过程，并且这个方式与迄今为止能得到 的那些方法相比，能够更有效地实现成分的产生。但是本发明可以在整个需加热 的季节连续精馏使用，这是因为加热储藏罐内液体的返回制冷剂的使用可过冷制 冷剂，提高效率。

本发明的一个方面是：可以使用制冷剂过充系统直到它容量的两倍或更多。 为了实现这个目的，在储藏罐39内存放过量制冷剂。在图2中，示出加热模式 运行时，开始填充系统时的配置构造，四通阀28的定位引导压缩机26的流出物 通过导管30和作为冷凝器的盘管16，并接受来自作为蒸发器的盘管21的流体， 并引导它进入导管36以便返回蓄热器34，从而对室内部分进行加热。另外，打 开阀门A，使分离器48与导管36、52连接，这样制冷剂从蒸发器21中的返回 (当系统一开始时返回的制冷剂可能具有较高的液体量)将向分离器48和蓄热器 34提供很大一部分(特别是液体部分)。另外打开阀门B，这样加热盘管40在系 统外面。关闭阀门C这样在罐39的底部和蓄热器34之间就没有什么联系了。在 这种配置结构中，液体和蒸汽都按照普通的方式在柱47内流动，液体朝下流向 储藏罐39，而蒸汽朝上流向分离器48。混合物中更多的挥发组分将保持或进入 蒸汽相，而混合物中较小的挥发性组分(R134a)将保持或进入液体相从而朝下流入 罐39。当系统达到平衡后的某段时间后，系统内R134a(罐39之外)的质量百分 比将从混合物的52％降低到大约40％左右，并且储藏罐39将含有一定量的R32 和R125。可以及时地在这个点上关闭阀门A，如图3所示，将液体密封在罐39 内。当阀门A打开时系统将在这段时间内不再继续运行，因为这将引起所有的压 缩机油积聚在罐39内。当需要适当加热外界大约高于40°(F)的空气温度时，图3 中40％的R134a混合物可用于北半球的春季和秋季。应当注意，不需要加热或 冷却来保持40％的混合物。

当外界空气下降到低于40°(F)时，本发明可以根据图4所示的方式适应更强 的加热需求。在图4中，除了关闭阀门B引起返回制冷剂从导管19直接流入导 管42，通过浸没式加热器40和导管41，从那儿再流入膨胀阀22，它的构造与 图2中的构造完全一致。这引起罐39内的液体以及罐和柱47内的液体和蒸汽温 度提高，从而引起混合组分蒸发，其程度与各自挥发性有关。一些R407C将蒸发 并流入柱47内。当它升高时，蒸汽会逐渐变冷，其中的一些会凝结在衬料上， 结果使一些R407C向下流回罐39内。挥发性更高的组分(R32和R125)将保持蒸 汽相，从而到达分离器48，并经过导管52进入蓄热器34。在这种形式下，可 以达到一个新的平衡，其中R134a的百分比可以下降很多，这取决于整个系统的 参数。这样，如图8所示，就可以轻易地得到小于5％R134A的组分。应该相信， 通过普通调节方法来调节系统参数，可以轻易地得到小的百分比。

当到达平衡时，典型地需一个半或两个小时，这取决于热量、所填充的数量 和其他参数，不必继续进行精馏过程。因此，可以如图3所示，关闭阀门A而打 开阀门B。在图3中，除了关闭阀门A以及再一次打开阀门B之外，其他的构 造都与图4所示的相同，从而可有效地从系统中去除储藏罐39、其加热器40、 导管41、42和精馏柱47及分离器48。现在系统中的混合物含大约5％或更少 的R134a，因为大部分的R134a都储存在罐39内。应当注意不需任何加热或冷 却来保持这种混合物。

在稳态加热时，使用图3中的构造，可能在蒸发器21上产生霜。在这种情 况下，可以倒转四通阀28，使这个构造与图7中的构造相同，从而定期地实现 大约几分钟的除霜运行。如描述的那样进行除霜是传统的方法。不论什么时候， 系统容量太大时，将不能有效地运行。当加热要求下降(如北半球的春天)并且需 要冷却时，系统中工作的制冷混合物应恢复到包含40％R134a。可以通过图5 和/或图6中所说明的反精馏实现这个比例。现在参考图5，它描述的是阀门A 和C关闭而阀门B打开时的装置，四通阀28将压缩机26连接到盘管21上，这 样在图6中的流动逆时针进行；盘管21被用作一冷凝器，并且盘管16被用作一 冷却室内部分的蒸发器。现在打开阀门C，从而通过导管56、57使罐39的底 部与蓄热器34连接。在最简单的实施例中，罐39实际上垂直设置在蓄热器的上 方，从而罐39内的液体将流入蓄热器34。如果在本发明的任何实施例中，蓄热 器34不能设置在罐39的下方以充分地保证足够的流动，那么可以如图6中所说 明的实现加压反精馏。在图6中，当阀门B关闭时，来自盘管21的冷凝器流出 物直接通过罐39的加热器40，而阀门A和C仍保持关闭。这将在罐39内产生 一压力。当形成足够的压力后，可通过再一次打开阀门B和阀门C而关闭阀门A， 使装置转换到5所示的状态，罐39内的压力迫使液体流出罐39，通过导管56、 57进入蓄热器34。当然，如果需要，对罐39加压可与相对于蓄热器34具有适 当高度的罐一起使用，以便重力流动。

当完成反精馏时，可如图3或如图7所示，使用图8中40％R134a的混合 物分别实现加热或冷却。除了四通阀28处于冷却的位置，图7与图3相同。加 热器40和导管41、42、罐39、柱47、分离器48和导管56、57都不在系统 内。

现在参考图10，本发明的一第二级内压缩方式采用一闪蒸箱60，将蒸汽部 分地从膨胀冷凝器流出物中分离出来，并且蒸汽通过一导管61被传送到一改进 的压缩机26a的一辅助进口62，进口位于一经选择的压缩冲程的中间压力点处。 在图10中，四通阀28的定位使热泵系统以冷却方式运行。盘管21被用作冷凝 器，而它的流出物流经一通过任何合适的电动或电子装置，如螺线管31a、与四 通阀28一起被同步控制的第二个四通阀65。液体沿着导管66流经膨胀阀67， 到达闪蒸箱60的进口68。液体从蒸汽中分离出来，并且经过第二个膨胀阀69 和一导管，到达四通阀65，在这以后，在导管71内它被运送到蒸发器中，蒸发 器包括在室内部分13内的盘管16。然后制冷剂沿着导管30穿过四通阀28、导 管36、进入蓄热器34a，在这个实施例中使用普通的蓄热器。

在图9中说明这个过程，其中离开压缩机26a并进入导管27的制冷剂在图9 中由T点表示，具有最高的压力和焓。当制冷剂流经冷凝器时，损失热量和焓， 这样当它离开冷凝器时，如点U所示具有高压力和较低的焓。当制冷剂经过第一 膨胀阀67，压力下降到一经选择的中间压力，平衡于冷凝器温度和蒸发器温度 间的一个温度，使液体如点V所示成为双相。系统设计在最大效率和最大容量之 间权衡，按每种情况的要求，通过模型试验或凭经验决定，确定所选择的中间压 力以达到最佳状态。在某些情况下，它可以是基本上沿压缩机压缩冲程中间位置 的压力。蒸汽经过导管61，在等于所述被选择的中间压力的压缩机冲程内的压 力点(如点W所示)时，进入压缩机26a的进口62。这样得到了一较高的系统容 量。如点X所示，剩余的制冷剂以液态形式离开闪蒸箱，并且在经过膨胀阀69 到达Y点所示的最低压力时，再一次变成双相。然后经过蒸发器和蓄热器34a， 如点Z所示，在压缩机冲程的最低压力点，进入压缩机。

压缩机26a可以是一活塞式压缩机，或者是经过修改大约在其压缩冲程的中 间具有一进口的其他合适的压缩机。但是对于本发明实践来说，较可取的模式是 如图11所示，采用一蜗旋压缩机75，在图11中示出通过具有进口77的壳体76 和穿过螺旋涡管78的截面。壳体76的内部形成一具有腔底81和腔顶(未示)的压 力腔。当螺旋涡管78绕着静止涡管82旋转并位于其中时，制冷剂蒸汽在两涡管 的在两点83、84之间被传送，涡管包括两压缩冲程的进口，在静止涡管82的 每一侧上各有一个。压缩机可能具有两个运动涡管。根据本发明，这些压缩路径 中的每一个在某一点上都具有一对应的级内压缩蒸汽进口，这个点大致位于沿着 压缩冲程所选择的压力点上。在图11中进口包括四个通过钻孔方便地形成的孔 口85、86。但是进口可以是其他形状的，只要它们具有正确的尺寸和定位以实 现最高的性能。在图11中，进口靠近静止涡管82的相应边缘，但是它们可以位 于任何侧向位置内。

在本发明中，通过使相当大一部分制冷剂质量流在一较高的中间压力点进入 压缩机，提高了制冷剂的质量流，从而对于系统内一给定尺寸的蒸发器和冷凝器 以及一定量的制冷剂，提高了冷却(或加热)效果。需要一台更大功率的驱动电动 机。但是即使需要提高电力输入，但仍旧提高了整体效率和EER。

如图9-11所示的采用一闪蒸箱的级内压缩可以在如图10所示的构造中用来 冷却(或通过反转阀门28、65而用来加热)，而没有通过如上述根据图1至图8 描述的那样调节制冷剂成分有任何改进。另一方面，在既需要实现加热又需要冷 却的任何情况下，较可取的是，将本发明的两个方式结合在一起利用。图12说 明结合了本发明两种方式的系统。在图12的系统中，所有的组件都与上述相同 的方式运行，它们各自的特性互不干扰。

可以通过采用一热交换器而不是闪蒸箱来实现本发明的级内压缩方式。在图 13中，如上所述，冷凝器流出物通过四通阀65直接流入膨胀阀67。但是流体被 分开了，并且一些流体流经一导管进入一热交换器92的放热(热释放)部分91， 而其吸热(热供应)部分93接收来自膨胀阀97的已膨胀冷凝器流出物。参考图14 中的相位图，导管27和29内压缩机26a的流出物在点T具有高于系统内任何其 他点的压力和焓。当制冷剂经过冷凝器时，它释放热量，从而损失焓，离开冷凝 器时具有点U所示的压力和焓。一些流体经过膨胀阀67并经历降压过程到达点 V’。导管90内的液体经过热交换器，释放热量给通过阀门67进入热交换器的蒸 汽。这种蒸汽焓的增加使得它到达了图14中的点W，在这种状态下，蒸汽沿着 导管流动，以便在进口62进入压缩机26a内。通过释放热量，热交换器中部分 91内的液体在到达点X’时损失更多的焓。然后通过膨胀阀门69，在点Y’膨胀成 双相。然后制冷剂经过蒸发器，取得热量且蒸发后到达点Z。然后这些蒸汽作为 压缩机的正常输入通过导管30、36和33进入压缩机。

图13中实施例所示的热交换器可以通过变换阀门28、65被用来加热，并 且可以根据图10和12所示很明显的方式与本发明的其他方式组合。

本发明根据使用R407C作为制冷剂的运行进行说明。但是本发明的第一方式 也可用于具有两种或更多种组分的非共沸制冷剂。本发明已根据室内和室外部分 描述本发明，但是初级盘管可以有其他相似的关系。本发明已采用膨胀阀进行说 明，但毛细管等其他膨胀装置也可用于本发明范围内的任何适当位置。本发明可 以使用一变速压缩机以提高加热和冷却运行间的容量和/或效率。图10、12和13 中的实施例可以在所示的四通阀前以普通的方法使用多种膨胀装置和旁路阀，使 制冷剂在即将进入盘管前立即膨胀。所有上述内容均与本发明无关。