用于冷却器系统的节热器的制作方法

本发明总体上涉及用于冷却器系统的节热器。

背景信息

冷却器系统是从介质中去除热量的制冷机器或装置。通常使用诸如水之类的液体作为介质，并且冷却器系统在蒸气压缩制冷循环中运转。该液体接着能通过热交换器进行循环，以根据需要对空气或装备进行冷却。作为必要的副产品，制冷会产生废热，必须将其排放到环境中，或者为了获得更高的效率，将其回收以用于加热的目的。常规的冷却器系统通常使用离心压缩机，该离心压缩机通常被称为涡轮压缩机。因此，这种冷却器系统可以被称为涡轮冷却器。替代地，能使用其它类型的压缩机，例如螺杆压缩机。

在常规的(涡轮)冷却器中，制冷剂在离心压缩机中被压缩并被送到热交换器，在上述热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。这种热交换器被称为冷凝器，因为制冷剂在该热交换器中冷凝。作为结果，热量被传递到介质(液体)以加热介质。离开冷凝器的制冷剂通过膨胀阀膨胀，并被送到另一个热交换器，在该热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。该热交换器被称为蒸发器，因为制冷剂在该热交换器中加热(蒸发)。作为结果，热量从介质(液体)传递到制冷剂，从而使液体冷却。来自蒸发器的制冷剂接着返回到离心压缩机，并重复该循环。所用的液体通常是水。

常规的离心压缩机基本上包括壳体、入口导叶、叶轮、扩散器、马达、各种传感器以及控制器。制冷剂依次流过入口导叶、叶轮以及扩散器。因而，入口导叶联接到离心压缩机的进气端口，而扩散器联接到叶轮的出气端口。入口导叶对进入叶轮的制冷剂气体的流量进行控制。叶轮增大制冷剂气体的速度。扩散器用于将由叶轮给出的制冷剂气体的速度(动态压力)转换成(静态)压力。马达使叶轮旋转。控制器控制马达、入口导叶以及膨胀阀。以这种方式，制冷剂在常规的离心压缩机中被压缩。

为了提高冷却器系统的效率，已使用了节热器。参见例如美国专利申请公开第2010/0251750号和美国专利第4,903,497号。节热器将制冷剂气体与两相(气液)制冷剂分离，并且制冷剂气体被引入压缩机的中压部分。作为常规类型的节热器，在本领域中公知有一种闪蒸罐节热器(flash tank economizer)。例如，参见美国专利申请公布第2010/0326130号。

技术实现要素：

在常规的闪蒸罐节热器中，设置有罐，以通过重力进行气液分离，并且在罐内设置有浮阀。在常规的闪蒸罐节热器中，通过浮阀的阀盘来减小罐出口的制冷剂流量，以通过浮阀来减小制冷剂的压力。尽管这种技术工作得相当好，但这种系统需要一个大罐以确保释放的气体干燥，并避免以液滴形式的形式而被制冷剂气体夹带，这样会导致成本增加。此外，浮阀经常不稳定，这使得节热器系统不可靠。

此外，在常规的闪蒸罐节热器中，难以控制压缩机的中压，因此，无法容易地实现高性能系数(COP)。另外，常规技术需要大直径的节热器。

因此，本发明的一个目的在于提供一种节热器，能在不增加成本的情况下通过使用用于气液分离的分离轮而变得稳定。

本发明的另一个目的在于提供一种节热器，能通过主动控制压缩机的中压来实现高性能系数(COP)。

本发明的又一个目的在于提供一种节热器，能实现节热器直径的减小。

本发明的又一个目的在于提供一种使用本发明的节热器的冷却器系统。

一个或多个上述目的基本上能够通过提供一种适于在包括压缩机、蒸发器以及冷凝器的冷却器系统的节热器获得，所述节热器包括：分离轮，所述分离轮布置和构造为将制冷剂分离成气体制冷剂和液体制冷剂，所述分离轮附接到能绕旋转轴线旋转的轴；马达，所述马达布置和构造成使所述轴旋转，从而使所述分离轮旋转；以及液体储存部，所述液体储存部布置和构造成储存液体制冷剂。

从以下结合附图公开优选实施例的详细描述中，本发明的上述和其它目的、特征、方面以及优点对于本领域技术人员来说会变得清楚可见。

附图简述

现在，参考构成本原始公开的一部分的附图：

图1表示包括本发明一实施方式的节热器的冷却器系统；

图2是图1所示的冷却器系统的离心压缩机的立体图，为了说明的目的，离心压缩机局部剖开并以截面示出；

图3是图2所示的离心压缩机的叶轮、马达以及磁轴承的示意纵剖视图；

图4是螺杆压缩机的立体图；

图5是图1所示的冷却器系统的节热器的纵剖视图，其中，马达配置在节热器内；

图6是图5所示的节热器的侧视图，其中，马达配置在节热器内，为了说明的目的，节热器局部剖开并以截面示出；

图7是图5所示的节热器的示意纵剖视图，其中，马达配置在节热器内；

图8是节热器的示意纵剖视图，其中，马达配置在节热器外；

图9A-图9C是表示性能系数(COP)和第一级压缩比与第二级压缩比的比率之间的关系的图表；

图10是表示使用节热器来控制冷却器系统的方法的流程图；

图11是表示节热器尺寸和第一级压缩比与第二级压缩比的比率之间的关系的图表；

图12是图1的冷却器系统的控制器的示意图。

具体实施方式

现将参照附图，对所选的实施方式进行说明。本领域技术人员从本公开中将清楚可见的是，以下的实施方式的描述仅被提供来用于说明，而不是为了限制由所附权利要求书及其等同物限定的本发明。

首先参照图1，示出了包括本发明一实施方式的节热器26的冷却器系统10。冷却器系统10优选是以常规的方式使用冷却水和冷却器水的水冷却器。本文所示的冷却器系统10是双级冷却器系统。然而，本领域技术人员从本公开将清楚可见的是，冷却器系统10可以是单级冷却器系统或包括三级以上的多级冷却器系统。

冷却器系统10基本上包括串联连接在一起以形成环路制冷循环的冷却器控制器20、压缩机22、冷凝器24、节热器26、膨胀阀25、27以及蒸发器28。另外，各种传感器(未示出)配置于冷却器系统10的整个回路。冷却器系统10可以包括孔口来代替膨胀阀25、27。

参照图1-图3，在所示的实施方式中，压缩机22是双级离心压缩机。本文所示的压缩机22是包括两个叶轮的双级离心压缩机。然而，压缩机22可以是包括三个以上叶轮的多级离心压缩机。

替代地，压缩机22可以是螺杆压缩机。所示实施方式的双级离心压缩机22包括第一级叶轮34a和第二级叶轮34b。离心压缩机22还包括第一级入口导叶32a、第一扩散器/蜗壳36a、第二级入口导叶32b、第二扩散器/蜗壳36b、压缩机马达38、磁轴承组件40以及各种常规传感器(仅示出一些)。

冷却器控制器20接收来自各种传感器的信号，并以常规方式对入口导叶32a、32b、压缩机马达38以及磁轴承组件40进行控制，下面进行更详细说明。制冷剂依次流过第一级入口导叶32a、第一级叶轮34a、第二级入口导叶32b以及第二级叶轮34b。入口导叶32a、32b以常规方式分别对制冷剂气体流入叶轮34a、34b的流量进行控制。叶轮34a、34b通常在不改变压力的情况下增加制冷剂气体的速度。马达速度确定制冷剂气体速度的增量。扩散器/蜗壳36a、36b增大制冷剂压力。扩散器/蜗壳36a、36b相对于压缩机壳体30不可移动地固定。压缩机马达38经由轴42而使叶轮34a、34b旋转。磁轴承组件40对轴42进行磁支承。替代地，轴承系统可包括滚子元件、流体动力轴承、静压轴承和/或磁轴承、或者这些部件的任意组合。通过这种方式，制冷剂在离心压缩机22中被压缩。

在冷却器系统10运转时，压缩机22的第一级叶轮34a和第二级叶轮34b旋转，冷却器系统10中的低压的制冷剂被第一级叶轮34a吸入。通过入口导叶32a调节制冷剂的流量。由第一级叶轮34a吸入的制冷剂被压缩至中压，通过第一扩散器/蜗壳36a增大制冷剂压力，然后制冷剂被引入第二级叶轮34b。通过入口导叶32b来调节制冷剂的流量。第二级叶轮34b将中压制冷剂压缩至高压，并通过第二扩散器/蜗壳36b增大制冷剂压力。然后高压气体制冷剂被排出到冷却器系统10。

参照图2和图3，磁轴承组件40是常规的磁轴承组件，因而，除了与本发明有关之外，本文将不会详细讨论和/或示出。相反，对于本领域技术人员来说清楚可见是，在不偏离本发明的情况下，可以使用任何合适的磁轴承。磁轴承组件40优选包括第一径向磁轴承44、第二径向磁轴承46以及轴向(推力)磁轴承48。在任何情况下，至少一个径向磁轴承44或46能旋转地对轴42进行支承。推力磁轴承48通过作用在推力盘45上而沿着旋转轴线X对轴42进行支承。推力磁轴承48包括附接到轴42的推力盘45。

推力盘45在垂直于旋转轴线X的方向上从轴42径向地延伸，并相对于轴42固定。轴42沿着旋转轴线X的位置(轴向位置)通过推力盘45的轴向位置来控制。第一径向磁轴承和第二径向磁轴承46配置在压缩机马达38的反向的轴向端部上。各种传感器对轴42相对于磁轴承44、46、48的径向和轴向位置进行感测，并以常规方式将信号发送到冷却器控制器20。冷却器控制器20接着以常规方式对输送到磁轴承44、46、48的电流进行控制，以将轴42维持在正确位置。

磁轴承组件40优选是主动磁轴承44、46、48的组合，该磁轴承组件40利用间隙传感器54、56、58来监测轴位置，并将指示轴位置的信号发送到冷却器控制器20。

因此，每个磁轴承44、46、48优选是主动磁轴承。磁轴承控制部71使用该信息对通向磁致动器的所需电流进行调节，以径向和轴向地保持适当的转子位置。

如上所述，冷却器系统10具有本发明的节热器26。节热器26连接到压缩机22的中间级，以将气体制冷剂注入压缩机22的中间级，下面进行更详细说明。在冷却器系统10中，节热器26配置在蒸发器28与冷凝器24之间。

如图5-图8所示，节热器26包括分离轮62、节热器马达64以及液体储存部66。分离轮62、节热器马达64以及液体储存部66配置在节热器壳体60内。分离轮62将两相制冷剂分离成气体制冷剂和液体制冷剂。分离轮62附接到能绕旋转轴线旋转的节热器轴63。节热器马达64使节热器轴63旋转，从而使分离轮62旋转。以这种方式，分离轮62通过动力将制冷剂分离成气体制冷剂和液体制冷剂。节热器26具有其自身的马达，这允许针对各种体积流量要求的可量测性。节热器26还包括节热器变频驱动器67。节热器变频驱动器67对节热器马达64进行控制，以调节分离轮62的转速。冷却器控制器20被编程为执行节热器控制程序以控制节热器变频驱动器67，下面进行更详细说明。液体储存部66储存由两相制冷剂分离出的液体制冷剂。

节热器26还包括入口端口61a、液体出口端口61b以及气体出口端口61c。入口端口61a设置成将两相制冷剂从冷凝器24引入节热器26。液体出口端口61b设置成将从两相制冷剂分离出的液体制冷剂排出到蒸发器28。气体出口端口61c设置成将从两相制冷剂分离出的气体制冷剂排出到节热器26。流入入口端口61a的制冷剂流量由膨胀阀25控制，所述膨胀阀25配置在冷凝器24与节热器26之间。根据本发明，膨胀阀25以远离节热器26的方式配置。这给用于维持液体高度的监测器提供更精确确定的压力。此外，过冷却液体一直保持为液体直到膨胀阀25，其减小了管道尺寸并且通过增大压力提供了更多的过冷却。

在图5-图7所示的实施例中，节热器马达64配置在节热器26内。然而，如图8所示，节热器马达64可以配置在节热器26外。当节热器马达64配置在节热器26外的情况下，节热器马达64通过磁耦接件65结合到分离轮62。以这种方式，节热器马达64通过磁耦接件65使节热器轴63旋转，从而使分离轮62旋转。

在运转中，被冷却以在冷凝器24中冷凝的制冷剂通过膨胀阀25减压至中压，然后被引入节热器26。从入口端口61a引入节热器26的两相制冷剂在分离轮62中通过动力而被分离成气体制冷剂和液体制冷剂。气体制冷剂从节热器26的气体出口端口61c经由管道注入压缩机22的中间级。液体制冷剂从液体出口端口61b引导至蒸发器28，或者储存于液体储存部66。

喷入压缩机22的中间级的气体制冷剂随后与通过压缩机22的第一级叶轮34a压缩后的中压的制冷剂混合。混合后的制冷剂流至第二级叶轮34b以被进一步压缩。

压缩机22可以是图4所示的螺杆压缩机。螺杆压缩机包括：螺杆转子；驱动轴，所述驱动轴插入螺杆转子以驱动该螺杆转子；以及闸转子，所述闸转子与螺杆转子啮合。图4中所示的螺杆压缩机被称为单转子型。替代地，压缩机22可以是双转子型或三转子型。在螺杆压缩机的情况下，来自节热器26的气体制冷剂被注入螺杆转子的中心。

参照图1和图12，冷却器控制器20包括磁轴承控制部71、压缩机变频驱动器72、压缩机马达控制部73、入口导叶控制部74、膨胀阀控制部75以及节热器控制部76。在所示的实施方式中，节热器控制部76是冷却器控制器20的一部分。然而，冷却器控制器20和节热器控制部76可以是分体的控制器，或者可以是单个控制器。此外，压缩机变频驱动器72和压缩机马达控制部73可以是单体部分。

在所示实施方式中，控制部是冷却器控制器20的、被编程为执行本文描述的部件的控制的部分。磁轴承控制部71、压缩机变频驱动器72、压缩机马达控制部73、入口导叶控制部74、膨胀阀控制部75以及节热器控制部76彼此耦接，并形成离心压缩机控制部的电耦合到压缩机22的I/O接口的部分。然而，对于本领域技术人员而言，从本公开中清楚可见的是，只要一个或多个控制器被编程为执行对本文描述的冷却器系统10的部件的控制，则控制部、部件和/或冷却器控制器20的精确数量、位置和/或结构能够在不偏离本发明的情况下进行改变。

节热器控制部76连接到节热器26的节热器变频驱动器67，并与冷却器控制器20的各个部分通信。以这种方式，节热器控制部76能够从压缩机22的传感器接收信号，执行计算，并将控制信号传递至节热器26的节热器变频驱动器67。

冷却器控制器20是常规的控制器，因而包括至少一个微处理器或CPU、输入/输出(I/O)接口、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)以及存储设备(临时或永久)，这些部件形成被编程为执行一个或多个控制程序以控制冷却器系统10的计算机可读介质。冷却器控制器20能可选地包括：诸如小键盘之类的输入接口，所述输入接口接收来自用户的输入；以及显示设备，所述显示设备用于将各种参数显示给用户。上述部件和程序设计除了涉及控制节热器26之外是常规的部件和程序设计，因此，除了理解实施方式所需之外，将不在本文中详细讨论。

参照图9A-图9C，第一级压缩比(Compression Ratio)与第二级压缩比的比率将影响压缩机的性能系数(COP)。图9A示出压缩机的第一级等熵效率与压缩机的第二级等熵效率相同的情况。图9B和图9C示出压缩机的第一级等熵效率与压缩机的第二级等熵效率不同的情况。

如图9A所示，当压缩机的第一级等熵效率与压缩机的第二级等熵效率相同的情况下，在第一级压缩比与第二级压缩比的比率为1.0左右时，性能系数(COP)处于最大值。然而，压缩机的第一级等熵效率通常与压缩机的第二级等熵效率不同。因而，即使压缩机运转使得第一级压缩比与第二级压缩比的比率为1.0，压缩机的性能系数(COP)也不会处于最大值。

如图9B所示，在压缩机的第一级等熵效率与压缩机的第二级等熵效率不同的情况下，性能系数(COP)的峰值将随着第一级压缩比与第二级压缩比的比率发生变化。

当压缩机的第一级等熵效率小于压缩机的第二级等熵效率时，性能系数(COP)的峰值将在图9B中向左移位。在所示实施方式中，在第一级压缩比与第二级压缩比的比率为0.65左右时，将达到性能系数(COP)的峰值。另一方面，当压缩机的第一级等熵效率大于压缩机的第二级等熵效率时，性能系数(COP)的峰值将在图9B中向右移位。在所示实施方式中，在第一级压缩比与第二级压缩比的比率为1.35左右时，将达到性能系数(COP)的峰值。

图9C是将图9B所示的性能系数(COP)的峰值附近放大的图表。如图9C所示，控制第一级压缩比与第二级压缩比的比率的目标范围在0.65与1.35之间。

现将参照图10，对使用节热器26控制冷却器系统10的方法进行更详细说明。

如上所述，节热器26设置在冷却器系统10中，以将气体制冷剂注入压缩机22的中间级。在所示实施方式中，压缩机22是双级离心压缩机。冷却器控制器20的压缩机变频驱动器72被编程为对压缩机22进行控制(S101)。压缩机变频驱动器72被编程为以诸如美国专利申请公布第2014/0260385号和美国专利申请公布第2014/0260388号之类所公开的常规方式对压缩机22进行控制。

在S102中，节热器控制部76由当前的运转状态计算出压缩机22的第一级等熵效率和压缩机22的第二级等熵效率。接着，在S103中，节热器控制部76计算出压缩机22的第一级压缩比与第二级压缩比的最佳比率。如上所述，当第一级压缩比与第二级压缩比的比率最佳时，将达到压缩机22的性能系数(COP)的峰值。

接着，在S104中，节热器控制部76基于第一级压缩比与第二级压缩比的最佳比率，计算出压缩机22的目标中压。

在S105中，节热器控制部76确定压缩机22的当前中压是否为最高效、即压缩机22的当前中压是否为在S104中计算出的压缩机22的目标中压。当节热器控制部76确定压缩机22的当前中压为最高效时(在S105中为“是”)，则结束控制方法。当节热器控制部76确定压缩机22的当前中压不是最高效时(在S105中为“否”)，则节热器控制部76前进到S106。

在S106中，节热器控制部76确定膨胀阀25的开度和节热器变频驱动器67的速度，以实现压缩机22的目标中压。在S107中，节热器控制部76调节膨胀阀25的开度和节热器变频驱动器67的速度，以达到压缩机22的目标中压。以这种方式，流入入口端口61a的制冷剂的流量由膨胀阀25控制，而节热器26的分离轮62的转速由节能器变频驱动器67控制，从而达到压缩机22的目标中压。

在S108中，节热器控制部76确定压缩机22的当前中压是否为最高效、即压缩机22的当前中压是否为压缩机22的目标中压。当节热器控制部76确定压缩机22的当前中压为最高效时(在S108中为“是”)，则结束控制方法。当节热器控制部76确定压缩机22的当前中压不是最高效时(在S108中为“否”)，则节热器控制部76返回到S102，并重复控制方法。例如，当出现以下情况中的至少一种情况时，能反复上述过程：压缩机变频驱动器72的速度以每分钟10％以上的速率变化；压缩机22的排出压力以每分钟10％以上的速率变化；以及压缩机22的吸入压力以每分钟10％以上的速率变化。

图11是表示节热器26的尺寸和压缩机22的第一级压缩比与第二级压缩比的比率之间的关系的图表。

参照图11，所示实施方式中的节热器26具有使节热器26直径减小的优点。图11中的实线示出节热器26的直径。图11中的虚线示出常规闪蒸罐节热器的直径。在第一级压缩比与第二级压缩比的比率未被控制为最佳、即第一级压缩比与第二级压缩比的比率是1.0的情况下，由于常规闪蒸罐节热器通过重力来执行气液分离，因此，常规闪蒸罐节热器所需的直径至少为0.99m。相反，通过使用由动力执行气液分离的分离轮62，能够减小所示实施方式中的节热器26的直径。也就是说，即使在第一级压缩比与第二级压缩比的比率未被控制为最佳的情况下，节热器26的直径也为0.33m，这可实现尺寸减小到大约33％的直径。参见图11的情况(1)。

在第一级压缩比与第二级压缩比的比率被控制为0.65的情况下，由于待处理的流量增加，因此，常规的闪蒸罐节热器需要1.77m的直径。另一方面，通过提高分离轮62的速度，节热器26的直径可以保持在0.33m。因而，能够实现尺寸减小到大约19％的直径。参见图11的情况(2)。

在第一级压缩比与第二级压缩比的比率被控制为1.35的情况下，常规的闪蒸罐节热器需要0.54m的直径。另一方面，节热器26的直径能够维持在0.33m。因此，能够实现尺寸减小到大约61％的直径。参见图11的情况(3)。以这种方式，根据本发明的节热器26具有使节热器26的直径减小的优点。此外，使用根据本发明的节热器26的冷却器系统10所需要的制冷剂更少量。

就全球环境保护而言，考虑在冷却器系统中使用诸如R1233zd、R1234ze之类的新型的低GWP(Global Warming Potential：全球变暖潜值)制冷剂。低全球变暖潜值制冷剂的一个示例为蒸发压力等于或小于大气压的低压制冷剂。例如，低压制冷剂R1233zd是离心冷却器应用的候选项，因为其是不易燃、无毒、低成本，并且与诸如R1234ze之类的其它候选项相比，具有高COP，而所述R1234ze是目前主流的制冷剂R134a的替代品。特别是在使用低压制冷剂的情况下，由于本发明的节热器实现了其直径的减小，因此，本发明的节热器具有优势。另外，能够在本发明的用于气液分离的节热器中使用各种低压制冷剂。

术语的通常解释

在理解本发明的范围时，本文所使用的术语“包括”及其派生词旨在表示开放式术语，其指定表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在，但是不排除其它未表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在。上述内容也适用于具有类似含义的诸如术语“包括”、“具有”及其派生词之类的术语。而且，当以单数形式使用时，术语“部件”、“部”、“部分”、“构件”或“元件”可以具有单个部件或多个部件的双重含义。

本文使用的用于描述由零件、部以及设备等执行的运行或功能的术语“检测”包括不需要物理检测的零件、部以及设备等，还包括确定、测量、建模、预测或计算等，以执行运行或功能。

本文所使用的用于描述设备的零件、部或部件的术语“构造”包括构成和/或编程为执行期望功能的硬件和/或软件。

本文所使用的诸如“大体上”、“大约”以及“大致”的程度术语是指改进后的术语的合理偏差量，而最终结果不会显著改变。

尽管仅选择了选定的实施方式以对本发明进行说明，但对于本领域技术人员来说，从本公开中应当明白，在本文中，能够在不脱离随附权利要求书限定的本发明的范围内进行各种改变和改型。例如，各种零件的尺寸、形状、位置或方向能够根据需要和/或期望来进行改变。

直接连接或彼此接触地示出的零件能够具有配置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件来执行，反之亦然。一个实施方式的结构和功能能够在另一个实施方式中采用。所有优点不需要同时出现在特定实施方式中。现有技术中每个唯一的特征单独或与其它特征相结合，也应当被认为是申请人对进一步发明的单独描述，包括由这些特征所体现的结构和/或功能概念。因而，根据本发明的实施方式的上述描述仅被提供用于说明，并不旨在限制由随附权利要求书及它们的等同物所限定的本发明。