CN1510098A - 非共沸点混合冷媒，冷冻循环以及冷冻装置 - Google Patents

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Abstract

一种非共沸点混合冷媒，冷冻循环以及冷冻装置，其中非共沸点混合冷媒，其特征在于包含二氧化碳与至少一种可燃性冷媒，且具有温度滑动。在冷冻循环中，压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使上述的非共沸点混合冷媒在此冷冻循环中循环。冷冻装置具备前述冷冻循环，并且包括多数个蒸发器，其中低温用途的蒸发器与比前述低温用途高的高温用途蒸发器为串联配置。借此，可以提供安全且优异绩效系数的非共沸点混合冷媒，也可以提供使非共沸点混合冷媒循环的冷冻循环与冷冻装置。

Description

非共沸点混合冷媒，冷冻循环以及冷冻装置
技术领域
本发明是有关于一种冷媒与冷冻循环以及冷冻装置，且特别是有关于一种混合了二氧化碳与含有至少一种碳化氢的可燃性冷媒的非共沸点混合冷媒，以及使用此非共沸点混合冷媒的冷冻循环与使用此非共沸点混合冷媒的冷冻装置。
背景技术
在冰箱、自动贩卖机及展示柜用的冷冻机中，传统上大部分使用例如二氯氟甲烷(CFC-12)的氟氯化碳冷媒，或者是例如氯二氟甲烷(HCFC-22)等氢氟氯化碳冷媒来作为冷媒。此些冷媒若释放到大气中而到达地球上空的臭氧层后，会有破坏臭氧层的问题，故截至目前为止对于使用于冷冻机中的氯氟化碳冷媒与氢氯氟化碳冷媒等便被禁止使用或限制使用。
为此，便使用如CH2FCF3(HCF-134a)等的氢氟化碳冷媒来替代上述冷媒。但是，就算是HFC冷媒，在地球环境问题另一课题的地球温室效应的影响中，也有与公知HCFC冷媒的HCFC-22(CHClF2)有相同程度的问题。
最近，为了避免上述问题，将碳化氢系冷媒(HC冷媒)，如丙烷(propane)或异丁烷(isobutane)等，实际应用于冷冻装置中的冷媒。但是，因为HC冷媒具有可燃性，故当从冷媒回路漏出时，会有着火或***的危险。特别是在家用冰箱的场合，因为往往靠近各种热源，可燃性冷媒的泄漏会有造成重大事故的危险性在。
另一方面，也有提案使用二氧化碳来作为冷冻装置的冷媒(例如，参考日本专利公报的特开2002-106989号与特开2002-188872号)。二氧化碳的臭氧破坏系数为0，且温室效应系数也小，故具有不可燃性且安全、便宜的特征。
但是，对于单纯的冷冻循环而言，会有无法获得如预期的能源消耗效率与绩效系数的问题。
发明内容
因此，有鉴于上述问题，本发明的目的为提出一种非共沸点混合冷媒，其对于像冷冻冰箱等需要不同蒸发温度的机器而言，为既安全且具有良好的绩效系数。此外，本发明更提出一种使前述非共沸点混合冷媒循环于其中的冷冻循环与冷冻装置。
为达成上述与其它目的，本发明提出一种非共沸点混合冷媒，其包含二氧化碳与至少一种可燃性冷媒，且具有温度滑动(temperatureglide)。
本发明提出更一种非共沸点混合冷媒，其包含二氧化碳与至少一种碳化氢，且具有温度滑动。
本发明提出更一种非共沸点混合冷媒，其包含二氧化碳与至少一种可燃性HFC冷媒，且具有温度滑动。
本发明更提出一种冷冻循环，其中压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使上述的非共沸点混合冷媒在此冷冻循环中循环。
本发明更提出一种冷冻循环，其中压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使上述的非共沸点混合冷媒在此冷冻循环中循环，且前述非共沸点混合冷媒在蒸发器的高压侧成为超临界状态。
本发明更提出一种冷冻循环，其中压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使上述的非共沸点混合冷媒在此冷冻循环中循环，且前述非共沸点混合冷媒在蒸发器的高压侧成为超临界状态，且蒸发器是在蒸发温度为二氧化碳三重点的-56.6℃下动作。
本发明更提出一种冷冻装置，具备前述任一种冷冻循环。此冷冻装置包括多数个蒸发器，其中低温用途的蒸发器与比前述低温用途高的高温用途蒸发器系串联配置。
前述冷冻装置更包括用来进行热交换的辅助热较换器，其配置在形成于放热器出口侧至膨胀机构入口侧间的放热侧的冷媒流路以及形成于蒸发器出口侧至压缩机入口侧间之蒸发器侧的冷媒流路之间。
附图说明
图1为非共沸点冷媒中冷媒混合比率与温度滑动的关系图。
图2为非共沸点冷媒中冷媒混合比率与绩效系数的关系图。
图3为本发明冷冻循环的一范例概念图。
图4为本发明冷冻循环的另一范例概念图。
具体实施方式
接着说明本发明的共沸点混合冷媒与冷冻循环以及冷冻装置。
<共沸点混合冷媒>
本发明的共沸点混合冷媒包含二以化碳以及至少一种可燃性冷媒。可燃性冷媒可以是如乙烷、丙烷、丙烯、丁烷、异丁烷戊烷等的碳化氢为可燃性冷媒，或者是R32、R152a与R14a等的HFC可燃性冷媒。
此外，上述的冷媒虽为可燃性，但是因为与不可燃性的二氧化碳混合，故安全性便得以提升。
共沸点混合冷媒也可以在二氧化碳中加入自然冷媒的碳化氢以外的HFC冷媒(人工冷媒等)。但是，从环保的观点来看，仅以二氧化碳以及自然冷媒的碳化清来构成是较好的。
所谓共沸点混合冷媒为露点与沸点为彼此相异的混合冷媒。此共沸点混合冷媒在一定组成与一定压力下，进行蒸发与凝结的相转移后，蒸发与凝结的产生温度与结束温度不同，而在相转移时产生温度差。此温度差称为温度滑动(temperature glide)。
具体来说，当有温度滑动时，在蒸发时，从蒸发器入口往出口方向，温度会上升。因此如对于冷冻冰箱之类，在冷冻与冷藏需要不同的蒸发温度的机械而言，使用蒸发开始到中间部分作为冷冻范围而且使用中间部分到结束部分作为冷藏范围，可以达到改善循环特性的目的。
如上述观点，共沸点混合冷媒具有以下特征。换据换说：
(1)蒸发及凝结过程中，具有温度与组成变化。
(2)混合成分与混合比例可以任意选择。
(3)使用共沸点混合冷媒的循环特性改善系利用相转移时的温度差来加以改善。
图1是以二氧化碳与丙烯的共沸点混合冷媒为例，绘示出其混合比与温度滑动的关系。此外，表1是除了上述关系外，也呈现出其它特性值。从图1与表1可以看出，随着二氧化碳浓度变高，温度滑动也会变大。当二氧化碳浓度为50％下，温度滑动为最高值的25.6℃。温度滑动变大时，对于需要大温度差的冷冻循环而言是非常有效率的。
表1
    CO2冷媒混合比率(质量％)     R134a
100 70 50 30 10    0R1270 100％
COP     2.60   3.1     3.5   3.65     3.7    3.4     3.44
凝结压力(kPa)     6376   4591     3340   2410     1580    1156     666
蒸发压力(kPa)     1426   1098     767   503     315    212     84
压缩比     3.79   4.18     4.35   4.79     5.02    5.5     7.9
排出温度(℃)     91   86     82   76     63    54     46
质量流(kg/s)     0.052   0.0443     0.037   0.033     0.0322    0.033     0.0645
质量流比     1.00   0.85     0.72   0.64     0.62    0.63     1.24
体积流(m3/s)     0.0015   0.0018     0.0023   0.0032     0.0049    0.0075     0.0154
体积流比     1.0   1.2     1.5   2.1     3.3    5     10.3
液体密度(kg/m3)     735   637     619   586     537    507     1205
液体密度比     1.00   0.87     0.84   0.8     0.73    0.69     1.64
对R134aHC填充比     -   0.16     0.26   0.34     0.4    0.42     1.00
对R1270HC填充比     -   0.38     0.61   0.81   0.95     1     -
包含HC 150g填充量(g)     -   398     246   185   157     150     -
冷冻效果(kJ/kg)     192.4   225.8     268.9   300.4   310.6     303.1     155.1
冷冻效果比     1.00   1.17     1.4   1.56   1.61     1.58     0.81
膨胀阀出口密度(kg/m3)     697   483     511   434   434     423     976
温度滑动(℃)     0   18.4     25.6   20   7     0     0
膨胀阀出口温度(℃)     -30   -34.1     -38.3   -36   -29     -30     -30
饱和气体温度(℃)     -30   -15.7     -12.7   -16   -22     -30     -30
图1所示的温度滑动并不局限于二氧化碳与丙稀的非共沸点混合冷媒，二氧化碳与其它冷媒的组合也可以观察到相同的现象。
此外，特别是通过混合二氧化碳与伊种以上碳化氢等的可燃性自然冷媒，绩效系数(以下称COP)可以比仅以二氧化碳作为冷媒的情形更加提升。
图2与表2为绘示在二氧化碳与丙稀的非共沸点混合冷媒中的丙稀的混合比率与COP间的关系。
从图2来看，对于冷媒仅为二氧化碳时且COP为2.6，随着丙烯混合比率的升高，COP可以确认有增加。在丙烯的比率到达40质量％以上，可以获得与仅有丙烯场合时同等的COP。此外，在此比率以上，也可以获得与R134a同等以上的COP(参考表1)。
表2列出二氧化碳冷媒、二氧化碳与丙烷(R290)的非共沸点混合冷媒(CO2∶R290＝3∶7(质量比))、丙烷冷媒与R134a的COP、冷冻效果比等特性的比较。
与前述的丙烯情形相同，利用在二氧化碳中混合入丙烷，可以获得和丙烷与R134a同等以上的COP。
若仅考虑使COP系数提升时，最好将非共沸点混合冷媒中的二氧化碳比率设定在40至90质量％。此外，若也考虑COP系数提升与温度滑动的关系，则最好将非共沸点混合冷媒中的二氧化碳比率设定在20至80质量％。
表2
CO2  CO2∶R290＝3∶7(mass ratio) R290 R134a
COP     2.60  3.65   3.38   3.44
凝结压力(kPa)     6376  2342   955   666
蒸发压力(kPa)     1426  448   168   84
压缩比     3.79  5.2   5.7   7.9
排出温度(℃)     91  75   46   46
质量流(kg/s)     0.052  0.326   0.0348   0.0645
质量流比     1.00  0.63   0.67   1.24
体积流(m3/s)     0.0015  0.0039   0.0094   0.0154
体积流比     1.0  2.6   6.3   10.3
液体密度(kg/m3)     735  578   492   1205
液体密度比     1.00  0.79   0.67   1.64
对R134aHC填充比     -  0.48   0.41   1.00
对R1270HC填充比     -  0.82   1.00   -
包含HC 150g填充量(g)     -  182   150   -
冷冻效果(kJ/kg)     192.4  306.8   287.4   155.1
冷冻效果比     1.00  1.60   1.49   0.81
膨胀阀出口密度(kg/m3)     697  425   492   976
温度滑动(℃)     0  26   0   0
膨胀阀出口温度(℃)     -30  -39   -30   -30
饱和气体温度(℃)     -30  -13   -30   -30
以上所述的特性并不局限于丙烯或丙烷，在二氧化碳中混合入各种碳化氢等的可燃性冷媒也可以确认出此种特性。
利用上述特性，在具有比二氧化碳高的COP系数的可燃性冷媒中，混合一定量(40至90质量％)的二氧化碳也不会降低它的COP系数。因此，利用在二氧化碳中混合入类似碳化氢等的使用量预先被限制的冷媒，便可以做出非共沸点混合冷媒，使其可以适用于仅用碳化氢冷媒会无法适用的高绝对能力的大型***。
此外，仅仅利用混合二氧化碳，一方面可以维持高COP系数，另一方面可以充分地降低可燃性冷媒的可燃性。
<冷冻循环以及冷冻装置>
本发明冷冻装置是经由冷媒配管依序连接压缩机、气体冷却器、膨胀机构以及蒸发器，而上述的非共沸点混合冷媒便循环于其中。
图3为冷冻循环的一个例子。如图3所示，该冷冻循环包括压缩机100、气体冷却器120、膨胀机构140以及蒸发器160，四方阀180与干燥装置200，而该些构件以实线所示的冷媒流路(冷煤配管)10来连接。此外，在图3中，实线与虚线的箭号分别表示冷媒的流动方向，其中实线一般表示在冷却的情形，而虚线表示在进行除霜或是暖房的情形。
在图3中，干燥装置200配设在膨胀机构140与气体冷却器120之间。但是，干燥装置200的配设装置位置并非限制在此，也可以依据条件来设置在低压侧的位置。
例如，在冷却库内(室内)时，被压缩机100压缩的高温高压冷媒气体通过四方阀180，被气体冷却器120冷却，而成为低温高压冷媒液体。此冷媒液体在膨胀机构140(例如，毛细管、温度式膨胀阀等)被减压，而成为仅含少量气体的低温低压液体，之后再到达蒸发器160。之后，从室内空气取得热而蒸发，在通过四方阀180而到达压缩机100，把室内冷却。
在蒸发器进行除霜或暖房时，切换四方阀180使冷媒通过虚线，冷媒的流向变成与冷房时反向。通过将冷媒流向切换成反向，蒸发器160与气体冷却器120切换，而可以进行除霜或暖房。
在图3所示的冷冻循环中，在蒸发器160的高压侧(特别是入口侧)，前述非共沸点混合冷媒最好变成超临界状态。
此外，当在蒸发器160的高压侧，前述非共沸点混合冷媒变成超临界状态时，蒸发器160最好被设定在非共沸点混合冷媒中的二氧化碳三重点的-56.6℃以上的蒸发温度下动作。
上述的冷冻循环将放热器作为室外侧热交换器且将蒸发器作为室内侧热交换器时，便可以适用于冷暖型空调机，但是主要还是用在冷冻装置比较好。例如，最好是用于像家用冷冻冰箱的冷冻装置，其有必须要更低温的区域(如冷冻室)以及需要某种程度低温的区域(如冷藏室)。
实际上所使用的温度滑动在20至30℃较好。
此外，本发明适用于较大型的冷冻装置。例如，可以适用于二氧化碳加热泵浦的热水供应器的加热泵浦单元，二氧化碳加热泵浦热水供应与暖气机用的加热泵浦单元，二氧化碳自动贩卖机的冷冻循环，二氧化碳冷媒冷冻机器用的冷冻循环等。
当将上述冷冻循环应用于冷冻装置，在多数个蒸发器中，低温用蒸发器与较高温用蒸发器最好是串联配置比较好。
例如，在含有二氧化碳的非共沸点混合冷媒的情形，在第一蒸发器大部分低沸点冷媒蒸发，而获得低温，并利用此来冷冻；而由于在第二蒸发器大部分高沸点冷媒蒸发，获得较高温，并利用此来冷藏。
图3的冷冻循环也可以适用于变更成图4所示的冷冻装置。
换句话说，当本发明的非共沸点混合冷媒沿着箭头A方向循环时，图4所示的冷冻装置可以更包括用以进行热交换的辅助热较换器300，其配置在形成于放热器120出口侧至膨胀机构140入口侧间的放热器120侧的冷媒流路以及形成于蒸发器160出口侧至压缩机100入口侧间的蒸发器160侧的冷媒流路之间。
如图4所示，通过配置辅助热较换器300，冷冻效果可以大为提升。
如上所述，利用本发明非共沸点混合冷煤的温度滑动，可以更有效率地设定所要的温度。此外，利用串联多数个蒸发器，可不需要设置多数个膨胀阀，故成本可以降低。再者，因为可以用简单的配管，冷冻控制也得以简化。

Claims (8)

1.一种非共沸点混合冷媒，其特征在于：包含二氧化碳与至少一种可燃性冷媒，且具有温度滑动。
2.一种非共沸点混合冷媒，其特征在于：包含二氧化碳与至少一种碳化氢，且具有温度滑动。
3.一种非共沸点混合冷媒，其特征在于：包含二氧化碳与至少一种可燃性HFC冷媒，且具有温度滑动。
4.一种冷冻循环，其特征在于：压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使权利要求1至3任一项所述的非共沸点混合冷媒在前述冷冻循环中循环。
5.一种冷冻循环，其特征在于：压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使权利要求1至3任一项所述的非共沸点混合冷媒在此冷冻循环中循环，且使前述非共沸点混合冷媒在前述蒸发器的高压侧成为超临界状态。
6.一种冷冻循环，其特征在于：压缩机、放热器、膨胀机构与蒸发器以冷媒流路连接，并且使权利要求1至3任一项所述的非共沸点混合冷媒在前述冷冻循环中循环，且前述非共沸点混合冷媒在前述蒸发器的高压侧成为超临界状态，且前述蒸发器是在蒸发温度为二氧化碳三重点的-56.6℃下动作。
7.一种冷冻装置，其特征在于：具备权利要求4至6任何一项所述的冷冻循环，前述冷冻装置包括多数个蒸发器，其中低温用途的蒸发器与比低温用途高的高温用途蒸发器是串联配置。
8.如权利要求7所述的冷冻装置，其特征在于：更包括辅助热较换器，其进行热交换，前述辅助热较换器配置在形成于前述放热器出口侧至前述膨胀机构入口侧间的放热侧的冷媒流路以及形成于前述蒸发器出口侧至前述压缩机入口侧间的前述蒸发器侧的冷媒流路之间。
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