CN1109578A - 致冷循环 - Google Patents

Abstract

使用以氟代烃(hydrofluorocarbon)为主要成分 的致冷剂的致冷循环，其中构成所述致冷循环的致冷 剂管设备中的致冷剂管从下侧向上延伸到上侧，所设 置的该管的内径设定在不大于使致冷剂的流速不小 于零贯穿流速的某一值上。按照本发明可获得使润 滑油能顺利返回到压缩机并因而具有高度可靠性的 致冷循环，即使使用与以氟代烃为主要成分的致冷剂 不相溶的冷冻机油时也是如此。

Description

本发明涉及一种使用以氟代烃为主要成分的致冷剂的致冷循环。

图3表示一种传统的致冷装置的实例。

按常规来说，正如在“Tribologist”的第35卷，第9号（1990），第621至626页中所述，在设计使用HFC134a（氟代烃）作致冷剂的致冷装置时，致冷剂与冷冻机机油的相溶性是重要特性之一，并使用PAG（聚醚）或酯冷冻机机油。图5示出一个使用HFC134a致冷剂的致冷装置。在图5中，标号1代表用于压缩致冷剂气体的压缩机;2代表用于冷凝从压缩机排出的高压致冷剂气体的冷凝器;3代表毛细管;4代表蒸发器;5代表具有致冷剂流量调节功能的集管;6代表存留在压缩机1内的用于润滑压缩机1的滑动部分及密封压缩室的冷冻机油。PAG6a或酯冷冻机油6b被用作冷冻机油6。

下面将描述工作过程。由压缩机1压缩的致冷剂被排入冷凝器2。大部分用于密封压缩室等的润滑油6a或6b在使用了如高压容器的压缩机内被分离。也就是说，相对于致冷剂来说大约0.5至1.0重量百分比的润滑油6a或6b随致冷剂一起从压缩机1中排出。排出的润滑油6a或6b由于具有与致冷剂的相溶性或溶解性，因此它具有足够的流动性通过冷凝器2、毛细管3、蒸发器4和集管5返回到压缩机1。此外不会出现润滑油从压缩机1内损失的情况，因此能实现正常的润滑。此外，当压缩机1长期停止运转时，存在着致冷剂在所谓的“致冷剂睡眠”中起泡的可能性。

使用HFC134a作致冷剂的传统致冷装置具有上述的结构。用作冷冻机油的聚醚的体电阻率在10⁷到10¹⁰Ω·cm的范围，它的饱和水含量约为25000ppM，而酯冷冻机油具有更好的特性，如其体电阻率在10¹²到10¹⁴Ω·cm范围内，饱和水含量约为1500ppM。然而，与目前的CFC12冷冻机油（特性为：体电阻率10¹⁵Ω·cm，饱和水含量500ppM）相比，它们的电绝缘和吸湿特性较差。电绝缘涉及压缩机的长期可靠性的问题。至于吸湿特性，它是涉及到压缩机的组装部件或整个压缩机的问题，要求使饱和水含量尽可能小，但这样就会给处理带来一些麻烦。

另外还存在在装配致冷装置时需处理如减少致冷循环处于开放状态的时间等生产上的问题。此外，如果大量水分进入致冷循环，则还存在加速形成沉积物或水分冻结以致于封闭毛细管，从而引起冷却不良等问题。

此外，在传统的使用HFC134a作致冷剂的致冷装置中，如果致冷剂有较强的吸湿性能，则会出现下面各种问题：很难避免压缩机部件生锈;致冷空调装置的毛细管或膨胀阀被冰阻塞;水分会加速酯润滑油的水解作用，以致于产生沉积物;水分加速用作电机绝缘材料的聚对苯二甲酸乙二醇酯的水解作用并产生沉积物等等。为了避免这些缺陷，在生产过程中必须比在使用CFC12致冷剂的***更彻底地排除润滑油中和致冷回路中的水分。为了增加致冷回路内设置的干燥器的除湿能力，存在的问题是需在致冷回路中提供比传统干燥器更大的干燥器。

另外，在传统的致冷***中，液态致冷剂在压缩机停机时经吸入口回到压缩机容器内，而压缩机内的润滑油在压缩机重新起动时随液态致冷剂一起被带入致冷***内。由于带入的润滑油与HFC134a致冷剂的相溶性较差，所以带入的润滑油难以返回到压缩机，直到流量值（流速）大于预定值时为止。因此，这就使压缩机产生由于缺少润滑油而造成的故障。

本发明解决了上述问题。本发明的目的是提供一种在电绝缘和吸湿方面性能优越并且冷冻机油能高度可靠地返回到压缩机而不存留在致冷***内的致冷循环。

按照本发明，在使用以氟代烃（hydrofluorocarbon）为主要成分的致冷剂的致冷循环中，构成致冷循环的致冷剂管设备中的致冷剂管从下侧向上延伸到上侧，所设置的该管的内径不大于当致冷剂在该管内上升时使粘附到致冷剂管的内壁上的润滑油上升，或使致冷剂流速不小于零贯穿流速的值。

按照本发明，在使用以氟代烃为主要成分的致冷剂的致冷循环中，所设计的致冷剂流速不大于零贯穿流速的致冷循环的构成部件应使该构成部件内的致冷剂流动方向为水平方向或向下方向。

按照本发明，在致冷循环中，设置在蒸发器出口的集管（header）被设计成可使致冷剂的流动方向向下，并且集管出口下侧的吸入管插在该集管内。

按照本发明，在致冷循环中，至插在集管内的吸入管的上表面的集管的内部容积应定在即使存留在集管内的冷冻机油的量增加也不会妨碍压缩机运转的程度上。

按照本发明，在致冷循环中，使存留在致冷剂管的截留（trap）部分内的液体最少。

按照本发明，在致冷循环中，设在压缩机吸入侧的消音器使致冷剂的流动方向向下，在出口下侧的管***该消音器内，并在该管***消音器部分的下部开有小孔。

按照本发明，可获得使润滑油能顺利返回到压缩机并因而具有高度可靠性的致冷循环，即使使用与以氟代烃为主要成分的致冷剂不相溶的冷冻机油时也是如此。

按照本发明，可得到使润滑油能顺利返回到压缩机并且不会有润滑油存留在管道设备中，即使使用与以氟代烃为主要成分的致冷剂不相溶的冷冻机油时也是如此。

在本发明的致冷循环中，比重比以氟代烃为主要成分的致冷剂轻的冷冻机油存留在集管的上部。因此只要压缩机开始运行，冷冻机油就会返回到压缩机内而不会存留在集管内。

本发明的致冷循环即使存留的冷冻机油达到***集管内的吸入管的上表面也不会使压缩机的运行出现故障。

在本发明的致冷循环中，可防止冷冻机油存留在截留部分内。

在本发明的致冷循环中，即使消音器内充满了致冷剂和冷冻机油，比重较大的致冷剂存留在下部，而冷冻机油存留在上部。因为致冷剂在压缩机重新起动时经小孔先返回到压缩机，这样便可减小由于将润滑油吸入压缩机而形成的负荷。

图1是本发明第1至第6实施例的使用致冷剂压缩机的致冷装置的布置图;

图2是本发明第5实施例的致冷剂回路的局部详图;

图3是本发明的压缩机气缸部分的剖面图;

图4是本发明的致冷循环应用于冰箱的说明图;

图5是使用传统致冷剂压缩机的致冷装置的结构图;

图6是表示在传统致冷循环中的冷凝器和蒸发器内致冷剂的流动图。

实施例一

现在将参照图1描述本发明的第一实施例。在图中，标号1代表用于压缩致冷剂气体的压缩机;2代表用于冷凝从压缩机1中排出的高压致冷剂气体的冷凝器;3代表作为减压装置的毛细管;4代表用于蒸发低压液态致冷剂的蒸发器。标号6代表贮存在压缩机1内用于润滑压缩机1的滑动部分及用于密封压缩室的冷冻机油。使用与致冷剂HFC134a不相溶的硬性烷基苯润滑油或聚α-烯烃润滑油作冷冻机油，以使润滑油和致冷剂在致冷循环中的液体部分内呈两相分离状态。此外，在本发明的致冷循环的致冷剂管道设备中，致冷剂从下侧向上流动的上升管被设计成内径不大于一定值，以使致冷剂流速超过某一流速（零贯穿流速），以使粘到上升管内壁上的冷冻机油克服其自身的重力上升。

该零贯穿流速是根据管的内径和气态/液态致冷剂的状态值计算出来的。零贯穿流速Ug^·可利用如公式1所示的Wallis的经验公式推算出来。

[公式1]

Ug^·＝{g·dx·（ (ρ油-ρg)/(ρg) ）}^0.5

＝（g·dx·（867Vx-1）}^0.5

其中：

g：重力加速度（m/sec²）

ρ油：液体润滑油密度（kg/m³）＝867（kg/m³）

ρg：致冷剂气体密度（kg/m³）

dx：在状态x的管内径（m）

Vx：在状态x的比容（m³/kg）

公式1中的状态x指的是运行状态。

致冷剂在管内的流量Ug可由公式2计算出来。

润滑油因摩擦力粘在管内壁上，并且它受其本身向下的重力作用。如果使致冷剂向上流动的上升力大于剪切该粘性力与下降力的合力，则润滑油受到来自致冷剂的力而上升。为此，管处于垂直状态是最困难的，而处于倾斜向上/向下状态则较容易。

[公式2]

G＝SV·N·ηv/Vs

Ug＝G·Vx/{π（dx/2）²}

Ug＝SV·N·ηv·Vx/{Vs·π（dx/2）²}

其中：

G：质量流量（kg/s）

SV：压缩机的工作容积（m³）

N：转数（rps）

ηv：容积效率

Vs：吸气比容（m³/kg）

如果如此计算出的致冷剂流速Ug大于零贯穿流速Ug^·，那么粘到管内壁上的冷冻机油即使在上升管内也能克服其自身的重量而上升，这样，润滑油就不会滞留在管内。所以需使管内径dx不大于某一值，以使Ug＞Ug^·。例如，在工作容积为5（cc）的压缩机内，管内径不大于4.5mm。在工作容积为10（cc）的压缩机内，管内径不大于10mm。这是在最困难状态的垂直上升管的情况。在倾斜上升的情况下，润滑油回程的状态得到改善。另外，在压缩机运行稳定之前的瞬间起动时间如此之短，以致不会出现任何问题。压缩机的工作容积可相当于一个回转式压缩机气缸16的容积。该工作容积应用于往复式或涡旋式压缩机。

在Ug＝Ug^·处管道设备内径由从公式1和2推导出的公式3表达。

[公式3]

dx＝{ 16/(g·（867Vx-1）) · (SV·N·ηv·Vx)/(π·Vs) ）²}^1/5

现在让温度状态设定在冷凝温度40℃，蒸发温度-30℃，吸入温度30℃上，并且使Vs＝0.28652，Vx＝0.02003。因此，dx成为如公式4所示的SV的函数。

[公式4]

dx＝0.602·SV^0.4

使蒸发温度为-40℃，并且使Vs＝0.28652。dx可由公式5表达。

[公式5]

dx＝0.493·SV^0.4

VS代表进气的比容，Vx为冷凝器进口气体比容。下表显示出在每个工作容积对管内径的限制，这些工作容积是从公式4和5得出的，并且其中的管内流速不大于零贯穿流速。

[表1]

SV(cc)工作容积		3.09	3.57	4.18	4.60	5.00
							Te=-30℃	管内径φ内［mm］流速［m/s］	3.770.778	3.990.80	4.250.826	4.420.842	4.570.856
Te=-40℃	管内径φ内［mm］流速［m/s］	3.080.703	3.270.724	3.480.747	3.610.761	3.740.775

SV(cc)工作容积		5.86	7.14	8.36	9.20	10.0
							Te=-30℃	管内径φ内［mm］流速［m/s］	4.860.883	5.260.919	5.600.948	5.8250.966	6.020.983
Te=-40℃	管内径φ内［mm］流速［m/s］	3.980.799	4.310.832	4.590.858	4.7630.874	4.9240.889

上述计算是在管子垂直设置并且在通过对各部位的计算得出的最严格条件的冷凝器入口状态下进行的。

实施例2

本发明的第二实施例将参照图1进行描述。在图中，标号5代表位于蒸发器4出口处的集管（header），用于调节由于外界空气、机内负荷等的变化引起的循环致冷剂的过量和不足（它是用于调节致冷剂的过量和不足并需要有恒定内部容积的致冷剂液体贮存部分）;7代表用于在致冷循环内吸湿的干燥器（它需要恒定的内部容积，以便贮存干燥剂）;8代表设在压缩机吸入侧的用于消声并且部分具有较大直径的消音器（它需要恒定的内部容积，以便产生消音作用）。这样，直径大于第一实施例中管的直径的致冷循环的组成部分使流动朝水平或朝下方向进行，以利于润滑油返回压缩机。有时将消音器作为贮液器而设置。在致冷***中，比如在冰箱中使用集管或消音器，在某些空调***中使用消音器。但是在某些空调器中不使用消音器和贮液器。

消音器的消音作用由公式6中的理论公式表达。在公式中所示的声音TL（dB）的衰减量取决于面积之比。

[公式6]

TL＝10log₁₀1/4{（1+m/m′）²Cos²KL+（m+1/m′）²Sin²KL}

（声音的衰减） +10log₁₀m′/m （dB）

其中

m＝S₂/S₁，m′＝S₂/S₃，f：频率，c：音速，k＝2πf/c

L：消音器的长度

S₁：消音器入口侧的管截面积

S₂：消音器内的管截面积

S₃：消音器出口侧的管截面积

实施例3

蒸发器4的出口侧连接在上述集管5的上侧，压缩机1的吸入侧连接在下侧。压缩机1的吸入管9插在集管5内并向上延伸，以使集管5内的致冷剂从上侧流向下侧。

在传统的集管5中，如果集管5的下侧连接在蒸发器4的出口侧，上侧连接在压缩机1的吸入侧，并且致冷剂液体贮存部分由从下侧朝上侧方向***集管5的管子构成。那么与致冷剂HFC134a不相溶的润滑油，如硬化烷基苯润滑油被贮存起来，使压缩机1内的润滑油量减少，使滑动部件的润滑或密封失效。相反，如果集管5内的流体逆向返回，比重比致冷剂轻的冷冻机油存留在集管5内的比较靠上的部位。这样，一开始运转，冷冻机油不会滞留在集管5内而返回到压缩机1。

实施例4

即使在集管5内到上述***的吸入管9的上端部为止的整个体积都充满了冷冻机油，也能确保压缩机内的油面高度，比如为了确保油面高于供油机构部分或滑动部件，集管的容积不超过达到吸入管设备上端部为止的容积（例如集管达到吸入管设备上端部的容积为40cc）。图3显示出该实施例。在图3中，固定在横向轴上的压缩机内的冷冻机油22被贮存起来，使叶片20的下端部浸在油中。因此，可以将润滑油提供给叶片20与旋转活塞19互相接触的滑动部位处。

实施例5

在上述冷凝器2和蒸发器4内致冷回路中的流动不是采用图6中所示的垂直流动，而是采用图2中所示的水平流动，这样截留（trap）部分被减小到最低限度，以防止冷冻机油被截留。

截留部分指的是由将铜、铁、铝或类似材料的管按U型弯曲的热交换器的方式或将直管弯曲成U型而制成的润滑油蓄积部位。特别是在U型部分按热交换器方式或呈类似方式垂直向下设置的情况下，每个U型部分成为如图6所示的贮存润滑油、致冷剂或类似的液体的部分。在本发明中，致冷剂在这种截留部分内的流动是从上侧向下侧、水平或向上进行的。因此，可使贮存在这部分的液体蓄积部位内的液体限制在最小程度。

现在将参照图4描述这一实例，其中将致冷循环应用于冰箱。

在图4中，虽然被压缩机1压缩的致冷剂和润滑油一起流入蒸发板24、与冰箱的顶板和侧箱连接在一起的冷凝器2、以及机箱管28，但致冷剂从上向下流动，或在这部分的截留部分21内水平流动。因此不会发生致冷剂的滞留现象。

致冷剂从与压缩机和消音器一起设在机箱内的干燥器7经过设在冰箱后部的毛细管23被送到冷却器4。在冷却器内的截留部分21也没有液体蓄积，所以润滑油也随致冷剂一起经集管5和消音器8返回到压缩机1。

也就是说，在该冰箱的实例中，截留部分设在冷凝器、蒸发器的热交换器或机箱内的管道设备内，而对于空调器来说，截留部分设在室外或室内热交换器内，或设在室外机内的致冷剂管道设备中。

尽管截留部分内的流动方向设定成能消除上述的液体蓄积，但这不是说如果在安装状态下将流动设定在消除液体蓄积的方向就能起到很好的效果。

此外，即使截留部分本身，即U型弯曲部分是从下侧向上侧稍微倾斜的，但通过用减少U型部分的数量即可将液体的蓄积减小到最小程度。

实施例6

上述消音器8位于靠近压缩机1的吸入管10内，这样可使致冷剂从上侧向下流入到下侧。管道下侧的端部插在消音器8内，并且在压缩机的范围之内，管道的下侧设有一其范围在&U1到&U2内的小孔18。即使压缩机1停机并且消音器8充满了致冷剂和冷冻机油，具有较大比重的致冷剂也会存留在下部，而冷冻机油存留在上部。致冷剂在压缩机1重新起动时经小孔18先返回到压缩机1，以便减小由于将润滑油吸入压缩机而产生的负荷。

按照本发明，在使用以氟代烃为主要成分的致冷剂的致冷循环内，在构成致冷循环的致冷剂管道设备中，因为从下侧向上延伸到上侧的致冷剂管的内径不大于当致冷剂在管内上升时使粘附到致冷剂管的内壁上的润滑油上升或使致冷剂的流速不小于零贯穿流速的某一值，因此即使使用与以氟代烃为主要成分的致冷剂不相溶的冷冻机油，也可以获得在润滑油返回压缩机方面性能优越，从而具有高度可靠性的致冷循环，

按照本发明，在使用了以氟代烃为主要成分的致冷剂的致冷循环内，致冷剂流速不大于零贯穿流速的致冷循环的构成部件被设计成使该构成部件内的致冷剂朝水平或朝下的方向流动。因此可获得在润滑油返回压缩机方面性能优越并且不会有润滑油滞留在管道设备内的致冷循环，甚至在使用了与以氟代烃为主要成分的致冷剂不相溶的冷冻机油时也是如此。

按照本发明，在致冷循环内，设在蒸发器出口的集管被设计成能使致冷剂向下方流动，并且在集管出口下侧上的吸入管插在该集管内。因此，比重比以氟代烃为主要成分的致冷剂轻的润滑油被存留在集管的上部，这样，只要压缩机一开始运转，就会使润滑油返回到压缩机而不会存留在集管内。

按照本发明，在致冷循环中，到***集管内的吸入管的上端面为止的集管内部容积设定在即使存留在集管内的冷冻机油的量增加也不会使压缩机的运转出现麻烦的程度。因此，即使存留的冷冻机油达到***集管内的吸入管的上端面，也可获得不会使压缩机的运转出现故障的致冷循环。

按照本发明，可获得不会有冷冻机油滞留在截留部分内的致冷循环。

按照本发明，在致冷循环内，设在压缩机吸入侧的消音器使致冷剂的流动方向向下，在出口下侧的管子插在消音器内，该***消音器内的管子的下部开有一小孔。因此，即使消音器充满了致冷剂和冷冻机油，比重较大的致冷剂也会存留在下侧，而冷冻机油存留在上侧，这样可使致冷剂在压缩机重新起动时经小孔先返回到压缩机内，所以可减小由于将润滑油吸入压缩机而产生的负荷。

Claims (8)

1、一种使用以氟代烃(hydrofluorocarbon)为主要成分的致冷剂的致冷循环，其中构成所述致冷循环的致冷剂管设备中的致冷剂管从下侧向上延伸到上侧，所设置的该管的内径不大于当致冷剂在所述管内上升时使粘附到所述致冷剂管的内壁上的润滑油上升的值。

2、按照权利要求1所述的致冷循环，其特征在于，所述致冷剂管的内径为不大于使所述致冷剂的流速不小于零贯穿流速的某一值。

3、一种使用以氟代烃为主要成分的致冷剂的致冷循环，其中所述致冷剂的流速不大于零贯穿流速的所述致冷循环的构成部件被设计成能使所述构成部件内的所述致冷剂的流动方向为水平或向下方向。

4、按照权利要求3所述的致冷循环，其特征在于，设在蒸发器出口内的集管（header）被设计成能使所述致冷剂的流动方向向下，并且所述集管出口下侧上的吸入管插在所述集管内。

5、按照权利要求4所述的致冷循环，其特征在于，达到***所述集管内的所述吸入管的上表面的所述集管的内部容积被设定在即使存在所述集管内的冷冻机油的量增加也不会使压缩机的运转出现故障的程度。

6、按照权利要求3所述的致冷循环，其特征在于，使存留在所述致冷剂管的截留（trap）部分的U型部分内的液体最少。

7、按照权利要求3所述的致冷循环，其特征在于，设在压缩机吸入侧的消音器使所述致冷剂的流动方向向下，位于出口下侧的管子插在所述消音器内，并在所述管***部分下部开有小孔。

8、按照权利要求1所述的致冷循环，其特征在于，使存留在所述致冷剂管的截留部分的U型部分内的液体最少。

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