WO2021012725A1 - 一种二氧化碳制冷系统及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

二氧化碳制冷系统及其制冷方法。二氧化碳制冷系统，包括顺次相连通的压缩机（10）、冷凝器（11）、储液器（12）和蒸发器（13）；压缩机（10）和冷凝器（11）之间设置有抽吸组件（15），抽吸组件（15）与储液器（12）相连通或者与气液分离器（14）相连通，气液分离器（14）设置在冷凝器（11）和储液器（12）之间，储液器（12）或者气液分离器（14）中的二氧化碳气体能够通过抽吸组件（15）抽回压缩机（10）与冷凝器（11）之间的管道中。制冷系统可有效将气液分离，还能使部分液体闪发，使二氧化碳过冷；闪蒸式冷凝器（11）能够通过辐射达到制冷的效果，腔体内形成气溶胶，快速蒸发降温，增加制冷效率；制冷系统的结构简单、操作方便、安装和维护成本都较低。

Description

一种二氧化碳制冷系统及其制冷方法 技术领域

本发明涉及制冷领域，特别涉及一种二氧化碳制冷系统及其制冷方法。

背景技术

在制冷领域，目前国内外大多采用氟利昂作为制冷剂，但是氟利昂会破坏大气臭氧层，从而产生较高的温室效应。由于氨(R717)的不稳定性而且成本非常高，还会使制冷系统存在不安全因素，故氨(R717)也不是经济安全的制冷剂。随着国际社会对节能减排、环境保护方面的关注度不断加强，氟利昂制冷剂的淘汰步伐也随之加快，二氧化碳作为一种安全、环保的制冷剂，具有广泛的应用前景和可观的经济价值。但由于二氧化碳的固有特性，在工作温度高于临界温度时，无论施加多高的压力以及使用现有常规的风冷冷凝器、水冷冷凝器、蒸发冷冷凝器等均不能使二氧化碳充分液化，因而，极低的二氧化碳制冷效率限制了二氧化碳制冷系统的推广和应用。

为了提高二氧化碳制冷系统的制冷效率，现有的改进方法为，采用二氧化碳双级制冷系统、将二氧化碳作为低温级的复叠制冷系统以及将二氧化碳作为载冷剂的制冷系统。这些改进虽然能够在一定程度上提升二氧化碳侧制冷系统的能效表现，但系统结构复杂，成本高，不易调试和维护，整体制冷系统效率依然很低；且在复叠系统和载冷系统中，还需要加入其他制冷剂(如氟利昂)才能够维持系统正常运行，既无法充分利用天然工质二氧化碳作为制冷剂的优势，也不利于环境保护。

综上，基于二氧化碳制冷剂的特性，已经开展了广泛的研究，由于不同地域具有不同的温度和湿度，并且在冬夏两季差别巨大，目前还存在一个技术偏见，在环境温度高于二氧化碳临界值时，二氧化碳制冷系统很难用于大范围制冷。因此，怎么克服温度和湿度的变化对二氧化碳制冷系统的影响，一直属于研究的课题之一，而且冷凝后的二氧化碳液体可能会夹带部分气体，怎么将冷凝后的二氧化碳液体中的气体分离，同时还能够继续降低二氧化碳液体的温度，使二氧化碳液体过冷，是本发明的创研动机。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、操作方便、安装和维护成本都较低、制冷效率高、能够调节二氧化碳液体温度的一种二氧化碳制冷系统及其制冷方法。

本发明提供的一种二氧化碳制冷系统，其技术方案为：

一种二氧化碳制冷系统，包括顺次相连通的压缩机、冷凝器、储液器和蒸发器；压缩机和冷凝器之间设置有抽吸组件，抽吸组件与储液器相连通或者与气液分离器相连通，气液分离器设置在冷凝器和储液器之间，储液器或者气液分离器中的二氧化碳气体能够通过抽吸组件抽回压缩机与冷凝器之间的管道中。

优选地，抽吸组件包括第一接口、第二接口和第三接口，第一接口与压缩机相连通，第二接口与冷凝器相连通，第三接口与储液器相连通或者与气液分离器相连通。

优选地，抽吸组件是文丘里管或者多个文丘里管并联的文丘里组，气液分离器是浮球阀或者多个浮球阀串联的浮球阀组。

优选地，抽吸组件包括三通阀和负压泵，负压泵设置在第三接口与储液器或者气液分离器相连通的管道上，负压泵在储液器中或者在气液分离器中产生设定的负压。

优选地，冷凝管内的冷凝压力低于120Kg/cm ²，在气液分离器与抽吸组件之间设置有单向阀。

优选地，文丘里管包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段。

优选地，浮球阀包括设置在底部的两个接口和顶部的一个接口。

优选地，二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管和第一浮球阀，第一文丘里管设置在压缩机和冷凝器之间的管道上，第一浮球阀设置在冷凝器和储液器之间的管道上，第一文丘里管的喉道接口与第一浮球阀连接；

或者二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀，第一文丘里管设置在压缩机和冷凝器之间的管道上，第一浮球阀和第二浮球阀串联设置在冷凝器和储液器之间的管道上，第 一文丘里管的喉道接口与第一浮球阀连接，第二文丘里管设置在第一浮球阀与冷凝器之间，第二文丘里管的喉道接口与第二浮球阀连接；

或者二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀、第三文丘里管、第三浮球阀，第一文丘里管设置在压缩机和冷凝器之间的管道上，第一浮球阀、第二浮球阀和第三浮球阀串联设置在冷凝器和储液器之间，第一文丘里管的喉道接口与第一浮球阀连接，第二文丘里管设置在第一浮球阀与冷凝器之间，第二文丘里管的喉道接口与第二浮球阀连接；第三文丘里管设置在第一浮球阀与第二浮球阀之间，第三文丘里管的喉道接口与第三浮球阀连接；

或者二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀、第三文丘里管，第一文丘里管设置在压缩机和冷凝器之间的管道上，第一浮球阀、第二浮球阀串联设置在冷凝器和储液器之间，第一文丘里管的喉道接口与第一浮球阀连接，第二文丘里管设置在第一浮球阀与冷凝器之间，第二文丘里管的喉道接口与第二浮球阀连接；第三文丘里管设置在第一浮球阀与第二浮球阀之间，第三文丘里管的喉道接口与储液器连接；

或者二氧化碳制冷系统包括一个文丘里管和一个以上的浮球阀，文丘里管设置在压缩机和冷凝器之间的管道上，一个以上的浮球阀串联联设置在冷凝器和储液器之间的管道上，一个以上的浮球阀全部连接到一个文丘里管的喉道接口。

优选地，冷凝器是闪蒸式冷凝器，闪蒸式冷凝器包括壳体、负压风机、换热装置和液体雾化装置，负压风机设置在壳体上，负压风机使壳体内部形成负压环境，液体雾化装置和换热装置设置在壳体内，液体雾化装置将雾化后的液体喷射到壳体内部，雾化液体在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置内的二氧化碳介质冷凝液化。

优选地，负压风机的排风量大于壳体内雾化液体的蒸发量；壳体内的静压腔的压力低于环境大气压20Pa以上。

冷凝管内的冷凝压力不高于二氧化碳临界压力，二氧化碳临界压力为74Kg/cm ²。

优选地，负压风机与换热装置之间形成有第一静压腔，液体雾化装置与换热装置之间形成有第二静压腔，负压风机使第二静压腔内形成负压环境，液体雾化装置将雾化液体喷射到第二静压腔内，以使雾化液体蒸发为蒸汽。

优选地，闪蒸式冷凝器包括调压装置，调压装置的进气口设置在壳体外，出气口设置在壳体内，通过调压装置将调节气流送进壳体内，以促进壳体内蒸汽的流动，并在壳体内形成气溶胶；

或者调压装置是一个或多个风扇，风扇靠近液体雾化装置设置；

或者调压装置是负压风机通过蒸汽循环管路连接到壳体。

优选地，制冷系统包括四通换向阀，四通换向阀包括阀体，阀体上设置有第一出口、第二出口、第三出口、第四出口，阀体内部设置有气体通道，气体通道将第一出口、第二出口、第三出口、第四出口连通，阀体内设置有第一阀芯组件和第二阀芯组件，第一阀芯组件和第二阀芯组件能够在阀体内部移动实现气体出口连通关系的转换；通过高压动力气源产生的压力来将阀芯组件移动。

优选地，阀芯组件包括弹簧、阀芯、螺杆、阀管和轴套，螺杆的两端分别与两个阀芯连接，弹簧的一端与其中一个阀芯连接，另一端与弹簧固定底座连接，阀管套在螺杆上，阀管面向出口的一侧为开口结构，开口结构使得气体能够进入四通换向阀内部，阀芯上设置有轴套，轴套与阀管相配合，轴套与阀管组合后能够阻止二氧化碳气体通过；

阀体由相互配合的上封板和下封板构成，阀体上还设置有阀盖。

优选地，二氧化碳制冷系统包括第一四通换向阀、第二四通换向阀、第三四通换向阀，第一四通换向阀的四个出口分别通过气体管道连接到冷凝器入口、压缩机入口、压缩机出口、蒸发器出口；第二四通换向阀的其中两个出口分别通过气体管道连接到冷凝器出口、气液分离器入口，另外两个出口分别与第三四通换向阀的两个出口连接；第三四通换向阀的两个出口分别与储液器出口、蒸发器入口连接，另外两个出口分别与第二四通换向阀的两个出口连接。

优选地，在制冷模式下，第一四通换向阀将压缩机出口和冷凝器入口导通，将蒸发器出口与压缩机入口导通；第二四通换向阀将冷凝器出口与气液分离器入口导通，与第三四通换向阀导通；第三四通换向阀将储液器出口与蒸发器入口导通，与第二四通换向阀导通；

在制热模式下，第一四通换向阀将压缩机出口和蒸发器导通，将冷凝器入口与压缩机入口导通；第二四通换向阀将冷凝器出口与第三四通换向阀导通，将第三四通换向阀与气液分离器入口导通；第三四通换向阀将储液器出口与第二四通换向阀导通，将蒸发器与第二四通换向阀导通。

优选地，二氧化碳制冷系统用于调节室内温度的空调、用作冷库的冷源或者用于速冻库。

优选地，储存液态二氧化碳的储液器与二氧化碳消防管路连接，液态二氧化碳储液器设置在冻土层以下。

优选地，在冷凝器与储液器之间设置有溢流压差阀，溢流压差阀包括压差阀外壳、密封垫片、压差阀入口和压差阀出口，压差阀入口与冷凝器的压差阀出口相连通，压差阀出口与储液器相连通；密封垫片设置在压差阀外壳内部形成的空腔内，压差阀入口和压差阀出口均与压差阀外壳内部的空腔相连通，密封垫片根据压力的变化能够在压差阀外壳内移动，实现压差阀入口与压差阀出口的连通或阻断。

优选地，溢流压差阀还包括压差阀弹簧，压差阀弹簧的一端与密封垫片连接，另一端固定在压差阀外壳上，密封垫片的形状与压差阀外壳内空腔的截面形状相匹配，密封垫片能够随压差阀弹簧的压缩或释放往复移动。

优选地，二氧化碳制冷系统包括低压循环桶，低压循环桶的出液口与蒸发器的入口端相连通，蒸发器的出口端与低压循环桶相连通，低压循环桶的出气口与压缩机相连通。

本发明还提供一种以二氧化碳为介质的制冷方法，包括以下步骤：

1)压缩机将蒸发器中高温二氧化碳气体压缩到冷凝器中进行冷却；

2)通过抽吸组件将混在二氧化碳液体中的二氧化碳气体抽走，实现气液分离；抽吸组件使部分二氧化碳液体闪发，进行多级降温，使液态二氧化碳处于过冷状态；

3)将过冷二氧化碳液体引入储液器中备用。

优选地，步骤1)中，冷凝二氧化碳气体采用闪蒸式冷凝方式，实现二氧化碳在闪蒸式冷凝器内完全冷凝液化，闪蒸式冷凝方式为在密闭壳体中设置换热装置和液体雾化装置，在密闭壳体上设置负压风机，液体通过高压液体雾化装置喷出，形成比表面积大的雾化液体，散布在壳体容纳腔室内；在换热装置产生的辐射热的作用下，以及在负压风机产生的负压作用下，雾化液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成气溶胶，使得雾化液体表面的水分子脱离雾滴本体，转变为蒸汽，带走热量；

步骤2)中，多级降温的方法是设置多个相互串联的浮球阀，二氧化碳液体依次通过浮球阀，浮球阀分别与抽吸组件连接，在抽吸力的作用下部分液体二氧化碳气化使剩余液体处于过冷状态，得到更低温度的液态二氧化碳。如此设置能够控制需要的二氧化碳液体的温度。

本发明的实施包括以下技术效果：

1、将抽吸组件设置在压缩机和冷凝器之间，可将储液器或者气液分离器中存储的二氧化碳(CO ₂)气体抽出，并输送回冷凝器中进行再次冷凝，以提高二氧化碳气体的冷凝量；另一个作用是抽吸组件还能够使部分液体闪发，闪发后的二氧化碳能够带走一部分热量，能够继续降低液态二氧化碳的温度，使液态二氧化碳处于过冷状态。因为具有再次冷却功能，如此结构设置降低了当外界温度和湿度过高时，冷凝器的效率降低后对系统造成的影响，从而提高系统的制冷效率。因为冷凝器内的温度可以采用低于二氧化碳临界值的温度，环境温度高于二氧化碳临界值时，也能够液化部分二氧化碳液体，再通过抽吸组件的二次降温功能就能够得到需要的二氧化碳液体，如果采用本发明的闪蒸式冷凝器，就能够克服外界环境温度和湿度的影响。

2、整个制冷系统采用天然工质二氧化碳作为唯一制冷剂，即使泄露也不会对生态环境造成任何破坏；由于二氧化碳临界温度较低，只有31.06℃，系统跨临界循环时效率较低，本发明通过设置抽吸组件和闪蒸式冷凝器，能够将二氧化碳充分制冷，并得到需要的过冷度。本发明选用的二氧化碳介质，自然含量高，来源广泛，成本低，价格便宜。对环境友好(ODP＝0，GWP＝1)，具有良好的安全性，无毒，不可燃，单位容积制冷量大，是氟利昂的4～8倍。

3、抽吸组件和气液分离器构成的单级或者多级降温系统，能够将液态二氧化碳降低到需要的温度，而且结构简单、操作方便、安装和维护成本都较低。

4、本发明改进后的闪蒸式冷凝器具有以下技术效果：

1)、通过在封闭的负压环境中促进雾化液体的蒸发，使封闭环境内的整体温度降低，换热装置可在低温环境中通过辐射达到制冷的效果，不受外界自然风的温度和湿度的影响，可适应更多不同环境的地区使用；在负压环境下，雾化液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，形成气溶胶，由于气溶胶的 分散介质是气体，气体的粘度小，分散相与分散介质的密度差很大，质点相碰时极易粘结以及液体质点的挥发，使气溶胶有其独特的规律性。气溶胶质点有相当大的比表面和表面能，可以使液化液体快速蒸发，提升制冷效果。液体雾化装置产生的雾化液体在容纳腔室的负压环境中快速闪蒸，由液体雾相变为蒸汽，吸收热量，使壳体内的环境温度降低。雾化液体闪蒸出的蒸汽可通过负压风机排出壳体外，由此，容纳腔室内的雾化液体不断蒸发为蒸汽，释放冷量；蒸汽再不断通过负压风机排出壳体外，以完成制冷。利用壳体内的低温环境，可以对物质进行冷却、降温等。

2)、由于在制冷过程中不需要与外界环境对流换热，所以本发明的闪蒸式封闭冷凝器装机容量小，设备整体所占用的场地小，既方便安装，又节约空间；

3)、本发明的闪蒸式封闭冷凝器完全通过雾化液体蒸发实现制冷，液体由液态变为气态的过程既能够释放冷量制冷，同时设备排出的蒸汽的温度也不会升高，因此在制冷过程中实际上没有热量排放到大气中，不会产生热岛效应，不仅制冷效率高，且制冷效果稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的二氧化碳制冷系统系统结构示意图。

图2为第一种抽吸组件(文丘里管)结构示意图。

图3为第二种抽吸组件(三通阀和负压泵)结构示意图。

图4为三个并联的抽吸组件(文丘里管组)结构示意图。

图5为一级降温组件结构示意图。

图6为二级降温组件结构示意图。

图7为三级降温组件结构示意图。

图8为另一种连接结构的二级降温组件结构示意图。

图9为闪蒸式冷凝器方案一结构示意图。

图10为闪蒸式冷凝器方案二结构示意图。

图11为闪蒸式冷凝器方案三结构示意图。

图12为高压四通换向阀立体结构示意图。

图13为高压四通换向阀内部结构示意图。

图14为制热模式下四通换向阀截面示意图。

图15为制冷模式下四通换向阀截面示意图。

图16为本发明的二氧化碳制冷系统在制冷模式下的结构示意图。

图17为本发明的二氧化碳制冷系统在制热模式下的结构示意图。

图18为另一种连接结构的降温组件结构示意图。

图19为抽吸组件直接连接到储液器的结构示意图。

图20为本发明含有溢流压差阀的二氧化碳制冷系统系统结构示意图。

图21为本发明含有溢流压差阀和文丘里管的二氧化碳制冷系统系统结构示意图。

图22为溢流压差阀结构示意图。

图23为本发明含有低压循环桶的二氧化碳制冷系统系统结构示意图。

图中：10、压缩机；11、冷凝器；12、储液器；13、蒸发器；14、气液分离器；15、抽吸组件；150、第一接口；151、第二接口；152、第三接口；153、收缩段；154、喉道；155、扩散段；156、负压泵；16、电磁阀；17、调节膨胀阀；18、单向阀；20、第一文丘里管；21、第二文丘里管；22、第三文丘里管；23、第一浮球阀；24、第二浮球阀；25、第三浮球阀；26、负压风机；27、壳体；28、换热装置、29、液体雾化装置；30、第一静压腔；31、第二静压腔；32、调压装置；33、补水装置；34、蒸汽循环管路；35、第一四通换向阀；350、上封板；351、下封板；352、第一出口；353、第二出口；354、第三出口；355、第四出口；356第一阀芯组件；357、第二阀芯组件；358、弹簧固定底座；359、弹簧；360、阀芯；361、螺杆；362、阀管；363、轴套；364、阀盖；365、动力气源接入口；36、第二四通换向阀；37、第三四通换向阀；38、溢流压差阀；380、密封垫片；381、压差阀弹簧；382、压差阀外壳、383、压差阀入口；384、压差阀出口；39、低压循环桶。

具体实施方式

下面将结合实施例以及附图对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

实施例1

参见图1所示，本实施例提供的一种二氧化碳制冷系统，包括顺次相连通的压缩机10、冷凝器11、储液器12和蒸发器13，压缩机10排出的二氧化碳气体进入冷凝器11后被冷凝为液体储存在储液器12中，二氧化碳液体在蒸发器13中蒸发制冷后流回压缩机10中反复利用，实现二氧化碳的循环；压缩机10和冷凝器11之间设置有抽吸组件15，抽吸组件15与储液器12相连通(图19所示)或者与气液分离器14相连通(图1所示)，气液分离器14设置在冷凝器11和储液器12之间，储液器12或者气液分离器14中的二氧化碳气体能够通过抽吸组件15抽回压缩机10与冷凝器11之间的管道中，重新进入冷凝器11继续冷凝。气液分离器14能够通过液体，气体不能够通过。

本实施例中，将抽吸组件15设置在压缩机10和冷凝器11之间，可将储液器12或者气液分离器14中存储的二氧化碳气体抽出，并输送回冷凝器11中进行再次冷凝，以提高二氧化碳气体的冷凝量；另一个作用是抽吸组件15还能够使部分液体闪发，闪发后的二氧化碳能够带走一部分热量，能够继续降低液态二氧化碳的温度，使液态二氧化碳处于过冷状态。因为具有再次冷却功能，如此结构设置降低了当外界温度和湿度过高时，冷凝器11的效率降低后对系统造成的影响，从而提高系统的制冷效率。因为冷凝器内的温度可以采用低于二氧化碳临界值的温度，环境温度高于二氧化碳临界值时，也能够液化部分二氧化碳液体，再通过抽吸组件的二次降温功能就能够得到需要的二氧化碳液体，如果采用本发明的闪蒸式冷凝器，就能够克服外界环境温度和湿度的影响。

本实施例中，压缩机10不断将蒸发器13中的二氧化碳气体抽出，使蒸发器13内的环境维持在低温低压状态，以促进液态二氧化碳的持续气化制冷，同时，压缩机10对抽出的二氧化碳气体进行压缩，使二氧化碳气体的温度和压力大幅度升高，以便于提高与冷凝器11的热交换效率；高温高压的二氧化碳气体进入冷凝器11，并在冷凝器11中冷却降温，一部分气态二氧化碳冷凝为液体，形成低温高压的二氧化碳气液混合物。二氧化碳气液混合物进入储液器12或者气液分离器14中，并在储液器12或者气液分离器14中完成气液分离。

参见图2和图3所示，抽吸组件15包括第一接口150、第二接口151和第三接口152，第一接口150与压缩机10相连通，第二接口151与冷凝器11相连通，第三接口152与储液器12相连通或者与气液分离器14相连通。第一接口150和第二接口151用于将压缩机10和冷凝器11连通，第三接口152使得抽吸组件15将气液分离器14或浮球阀中的气体二氧化碳抽回，再流入冷凝器11中进行冷却降温。

具体地，参见图2和图4所示，抽吸组件15是文丘里管或者多个文丘里管并联的文丘里管组，文丘里管包括顺次相连的收缩段153、喉道154和扩散段155，抽吸组件15的第一接口150与收缩段153连通设置，第二接口151与扩散段155连通设置，第三接口152与喉道154连通设置。制冷系统中的压缩机10也可以包括一个压缩机10或者两个以上并联的压缩机组；蒸发器13也可以为一个蒸发器13或者两个以上的蒸发器13组；可根据实际需要设置。参见图4所示，抽吸组件15与压缩机10之间设置有电磁阀16，抽吸组件15与气液分离器14之间设置有单向阀18。通过设置电磁阀16和单向阀18，能够保证系统的安全运行，单向阀还可以防止高温二氧化碳气体进入气液分离器。

参见图2所示，作为一种示例，文丘里管为中空的短圆柱形，收缩段153为中空的锥形管，为逐渐收缩变窄的结构；收缩段153的后部连接有喉道154，喉道154为中空的细圆柱形，喉道154的直径小于入口段的直径；喉道154的后部连接有扩散段155，扩散段155为中空的锥形管，与喉道154相衔接的一端较窄，远离喉道154的一端逐渐扩大变粗。

在文丘里管的喉道154处设置用于吸气的第三接口152，第三接口152与气液分离器14或者储液器12相连通，在制冷系统运行过程中，文丘里管可自动抽吸储液器12中的二氧化碳气体，使储液器12中的二氧化碳气体再次进入冷凝器11进行二次冷凝，以转化成更多的二氧化碳液体，存储在储液器12中。

结合以上对文丘里管的结构的描述，对文丘里管的工作原理进行详细说明。

文丘里管是基于文丘里效应的一种应用形式，文丘里效应是指，受限流动在通过缩小的过流断面时，流 体出现流速增大的现象，其流速与过流断面成反比。通俗地讲，这种效应是指，在高速流动的流体附近会产生低压，从而产生吸附作用。文丘里管就是通过把气流由粗变细，加快气体流速；高速流动的气体附近产生低压，会使文丘里管的内部形成负压环境，负压环境会对相连通的外部环境产生一定的吸附作用。

具体的，如图1和图2所示，经压缩机10压缩后的二氧化碳气体在进入冷凝器11前，会先经过文丘里管，二氧化碳气体首先由文丘里管的进气口进入入口段，在通过收缩段153时，由于管道的直径逐渐变小，使气流由粗变细，因此气体的流动速度逐渐加快。二氧化碳气体在进入喉道154时流速达到最高，此时基于文丘里效应，喉道154内的二氧化碳气体的附近会产生低压，使喉道154内形成负压环境。喉道154与气液分离器14或者储液器12内存储二氧化碳气体的空间相连通，在喉道154内负压环境的吸附作用下，储液器12内的二氧化碳气体会被抽吸至文丘里管中，与压缩机10压缩后的二氧化碳气体一起进入文丘里管的扩散段155内，以减小气体的流速。由于压缩机10压缩后的二氧化碳气体连续不断地通过文丘里管，因此储液器12中的二氧化碳气体也会连续不断地流入文丘里管内，与压缩机10压缩后的二氧化碳气体一起进入冷凝器11中进行换热冷凝。

此外，还需要特别说明的是，上述文丘里管在工作过程中不需要提供额外的动力，即无需添加如电机一类的动力组件，完全依靠二氧化碳自身物性即可实现循环工作。二氧化碳本身具有临界压力高(处于气态状态时的压力较高)、临界温度低(在较低温度下更易保持在气态状态)的特性，与其它制冷剂相比，二氧化碳制冷剂在文丘里管内的流速更高，产生的低压更低，使文丘里管内的负压环境具有更强的吸附效果，因此，二氧化碳制冷剂的自身物性能够维持和促进抽吸组件15的快速高效运行。

基于上述抽吸组件15的循环工作，气液分离器14或者储液器12中的二氧化碳气体可连续不断地重复进入冷凝器11中换热冷凝，以提高二氧化碳制冷剂的液化量，使气液分离器14或者储液器12中得到更多的液态二氧化碳，进而提高制冷系统的制冷效率。

同时，由于气液分离器14或者储液器12中的二氧化碳气体被不断抽出，会导致气液分离器14或者储液器12内的压力变小，此时，会有部分液态二氧化碳闪发为气体，以维持气液分离器14或者储液器12内整体环境压力的平衡。这部分液态二氧化碳在闪发为气体的过程中会吸收热量，使气液分离器14或者储液器12中剩余的液态二氧化碳温度降低，即增大了剩余液态二氧化碳的过冷度，进一步提高了制冷系统的制冷效率。

同时，由于气液分离器14或者储液器12内的闪发二氧化碳气体为低温气体(约13℃)，在文丘里管内与压缩机10压缩后的高温二氧化碳气体(约90℃)混合时，会使高温二氧化碳气体的温度降低，也就是说，在高温二氧化碳气体进入冷凝器11内冷凝之前，先进行了一次降温，降温后的气体再进入冷凝器11中进行冷却，能够提高冷凝器11的冷凝效率，进一步促进二氧化碳气体冷凝液化。

综上，由文丘里管构成的抽吸组件15使本发明的二氧化碳制冷系统具有以下优点：

1、通过将文丘里效应与二氧化碳的自身物性相结合，在不增加动力组件、不影响压缩机10效率的前提下，使储液器12中的气态二氧化碳重复冷凝，提高系统制冷效率；

2、增大储液器12中液态二氧化碳的过冷度，提高系统制冷效率；

3、与现有二氧化碳制冷系统相比，结构更加简单，运行效果稳定，能够实现二氧化碳单级循环制冷。

作为另一种实施方式，参见图3所示，抽吸组件15包括三通阀和负压泵156，负压泵156设置在第三接口152与储液器12或者气液分离器14相连通的管道上，负压泵156在储液器12中或者在气液分离器14中产生设定的负压。负压泵156选择小型可调节的负压泵156，能够调整压力，从而将气态二氧化碳抽走，并且设定的负压值能够使液态二氧化碳闪发，从而能够精确调节液态二氧化碳的过冷度。

冷凝管内的冷凝压力大于30Kg/cm2，小于120Kg/cm2，在气液分离器14与抽吸组件15之间设置有单向阀18。冷凝器11内的冷凝压力需要保持在一个合适的范围内(通常为低于120Kg/cm2，高于蒸发压力30～40Kg/cm2)，冷凝压力过高，会影响系统的安全运行，冷凝压力过低，会影响系统的正常运行。单向阀18能够使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。

参见图5至图8所示，气液分离器14是浮球阀或者多个浮球阀串联的浮球阀组。浮球阀能够使二氧化碳液体通过，但是二氧化碳气体不能通过，达到气液分离的目的。浮球阀包括设置在底部的两个接口和顶部的一个接口，底部的两个接口分别与冷凝器11和储液器12连接；顶部的一个接口与抽吸组件15连接。如此设置使得气液两相的液体在浮球阀腔体内部分离，气液两相的温度均匀。

参见图5所示，二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管20和第一浮球阀23，第一文丘里管20设置在压缩机10和冷凝器11之间的管道上，第一浮球阀23设置在冷凝器11和储液器12之间的管道上，第一文丘里管20的喉道154接口与浮球阀连接。

参见图6所示，二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管20、第一浮球阀23、第二文丘里管21、第二浮球阀24，第一文丘里管20设置在压缩机10和冷凝器11之间的管道上，第一浮球阀23和第二浮球阀24串联设置在冷凝器11和储液器12之间的管道上，第一文丘里管20的喉道154接口与第一浮球阀23连接，第二文丘里管21设置在第一浮球阀23与冷凝器11之间，第二文丘里管21的喉道154接口与第二浮球阀24连接。

参见图7所示，二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管20、第一浮球阀23、第二文丘里管21、第二浮球阀24、第三文丘里管22、第三浮球阀25，第一文丘里管20设置在压缩机10和冷凝器11之间的管道上，第一浮球阀23、第二浮球阀24和第三浮球阀25串联设置在冷凝器11和储液器12之间，第一文丘里管20的喉道154接口与第一浮球阀23连接，第二文丘里管21设置在第一浮球阀23与冷凝器11之间，第二文丘里管21的喉道154接口与第二浮球阀24连接；第三文丘里管22设置在第一浮球阀23与第二浮球阀24之间，第三文丘里管22的喉道154接口与第三浮球阀25连接。

参见图18所示，二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管20、第一浮球阀23、第二文丘里管21、第二浮球阀24、第三文丘里管22，第一文丘里管20设置在压缩机10和冷凝器11之间的管道上，第一浮球阀23、第二浮球阀24串联设置在冷凝器11和储液器12之间，第一文丘里管20的喉道154接口与第一浮球阀23连接，第二文丘里管21设置在第一浮球阀23与冷凝器11之间，第二文丘里管21的喉道154接口与第二浮球阀24连接；第三文丘里管22设置在第一浮球阀23与第二浮球阀24之间，第三文丘里管22的喉道154接口与储液器12连接。储液罐与蒸发器13之间设置有调节膨胀阀17。

参见图8所示，二氧化碳制冷系统包括一个文丘里管和一个以上的浮球阀，文丘里管组设置在压缩机10和冷凝器11之间的管道上，一个以上的浮球阀串联联设置在冷凝器11和储液器12之间的管道上，一个以上的浮球阀全部连接到一个文丘里管的喉道154接口。

进一步地，储存液态二氧化碳的储液器与二氧化碳消防管路连接，液态二氧化碳储液器设置在冻土层以下。将制冷系统中的液态二氧化碳用作消防灭火的介质，降低消防建设成本；地面冻土层以下一般恒温在15℃左右，低于二氧化碳临界温度的31.06℃，如此可以确保储罐内二氧化碳的温度为15℃，保持二氧化碳为恒温的液态，储存成本低廉。二氧化碳用于灭火，不会对物品造成二次破坏，具有天然优势，相同体积的储存罐，液态储存比气态储存的量多很多，灭火面积更大。

本实施例还提供了一种以二氧化碳为介质的制冷方法，包括以下步骤：

1)压缩机10将蒸发器13中高温二氧化碳气体压缩到冷凝器11中进行冷却得到二氧化碳气液混合物或超临界流体。

2)将冷却后的气液混合物或超临界流体进行气液分离和降温；通过抽吸组件15将混在二氧化碳液体中的二氧化碳气体抽走，通过抽吸组件15使部分二氧化碳液体闪发，进行多级降温，使液态二氧化碳处于过冷状态或者使超临界流体变为液体；多级降温的方法是设置多个相互串联的浮球阀，二氧化碳液体依次通过浮球阀，浮球阀分别与抽吸组件15连接，在抽吸力的作用下依次降温。如此设置能够控制需要的二氧化碳液体的温度。

3)将稍微过冷的二氧化碳液体引入储液器12中备用。

实施例2

本实施例与实施例1的不同点是，本实施例的冷凝器明确为闪蒸式冷凝器，系统形式流程与实施例1中例子相同。以二氧化碳为冷却介质的制冷系统中，由于二氧化碳的临界点较低，目前无法解决当外界温度过高时无法将气态二氧化碳液化，本领域一直存在偏见，以二氧化碳为介质的制冷系统无法用于大范围制冷，不能广泛使用，本发明申请人一直在研究以二氧化碳为制冷介质的制冷系统，第一代研制出地源式冷凝技术，已经广泛使用，经过多年的研究，又研究出新的闪蒸式冷凝技术，解决了冷凝二氧化碳介质用于制冷的这一技术难题，使二氧化碳冷凝压力不高于其临界压力并且完全冷凝液化，通过多级经济器的过冷，使冷凝温度远低于其临界温度31℃。

本实施例还提供了一种基于闪蒸式冷凝器以二氧化碳为介质的制冷方法，包括以下步骤：

1)压缩机10将蒸发器13中高温二氧化碳气体压缩到冷凝器11中冷凝得到二氧化碳液体；冷凝二氧化碳气体采用闪蒸式冷凝方式，闪蒸式冷凝方式为在密闭壳体中设置换热装置和液体雾化装置，在密闭壳体上设置负压风机，液体通过高压液体雾化装置喷出，形成比表面积大的雾化液体，散布在壳体容纳腔室内；在换热装置产生的辐射热的作用下，以及在负压风机产生的负压作用下，雾化液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成气溶胶，使得雾化液体表面的水分子脱离雾滴本体，转变为蒸汽，带走热量。多次试验及应用表明，本实施例闪蒸式冷凝器能够完全液化二氧化碳。

2)将完全冷凝后的二氧化碳液体进行过冷降温；通过抽吸组件15将气液分离器中部分液体吸热气化抽走，进而使剩余二氧化碳液体降温，经过多级降温后，使液态二氧化碳处于过冷状态；多级降温的方法是设置多个相互串联的浮球阀，二氧化碳液体依次通过浮球阀，浮球阀分别与抽吸组件15连接，在抽吸力的作用下依次降温。如此设置能够控制需要的二氧化碳液体的温度。

3)将过冷二氧化碳液体引入储液器12中备用。

参见图9和图10所示，冷凝器11是闪蒸式冷凝器，闪蒸式冷凝器包括壳体27、负压风机26、换热装置28和液体雾化装置29，负压风机26设置在壳体27上，负压风机26使壳体27内部形成负压环境，液体雾化装置29和换热装置28设置在壳体27内，液体雾化装置29将雾化后的液体喷射到壳体27内部，雾化液体在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置28内的二氧化碳介质完全冷凝液化。换热装置28优选翅片冷凝管，冷凝管分层交叉并呈一定倾斜角度布置。

进一步地，负压风机26的排风量大于壳体27内雾化液体的蒸发量。一方面可充分排出壳体27内的蒸汽，以提高雾化液体的蒸发效率，另一方面可保持壳体27内的负压环境。壳体27内的静压腔的压力低于环境大气压20Pa以上。冷凝管内的冷凝压力不高于二氧化碳临界压力，二氧化碳临界压力为74Kg/cm ²。

参见图9和图10所示，负压风机26与换热装置28之间形成有第一静压腔30，液体雾化装置29与换热装置28之间形成有第二静压腔31，负压风机26使第二静压腔31内形成负压环境，液体雾化装置29将雾化液体喷射到第二静压腔31内，以使雾化液体蒸发为蒸汽。

参见图9所示，闪蒸式冷凝器包括调压装置32，调压装置32的进气口设置在壳体27外，出气口设置在壳体27内，可通过调压装置32将调节气流送进壳体27内，以促进壳体27内蒸汽的流动，并在壳体27内形成气溶胶。

参见图10所示，调压装置32也可以为一个或多个风扇，风扇靠近液体雾化装置29设置，风扇转动可促进壳体27内蒸汽及雾化液体的流动。

参见图11所示，负压风机26通过蒸汽循环管路34连接到壳体27。使得部分蒸汽被重复利用，引入的该部分蒸气替代外界少量风作为分散介质使雾化的小水滴(分散相)悬浮形成气溶胶环境，该例证实了不引入外界风闪蒸式冷凝器依然可以运行，即完全杜绝了外界环境温度、湿度对闪蒸式冷凝器的影响。

具体地，液体雾化装置29包括供液体管道，供液体管道设置在壳体27的底部，与壳体27外的液体箱或液体管相连通，持续向壳体27内供液体；供液体管道可为单条直线形管路，也可为两条或多条管路并排设置，或采用单条管路环绕成盘状设置。供液体管道上分散设置有多个高压雾化喷嘴，供液体管道中的液体可通过高压雾化喷嘴喷出，形成雾状的雾化液体，散布在容纳腔室内。当然，也可将高压雾化喷嘴替换为超声波雾化器，以形成雾化液体。优选地，高压雾化喷嘴均朝向换热装置28所在方向设置，以便使雾化水更好的喷射向换热装置28。当然，也可将高压雾化喷嘴替换为超声波雾化器，以形成雾化水。

本发明中的液体优先使用水，经济划算，以下以水为例进行说明。液体雾化装置29包括补水装置33，优选软化水补水装置，能够去除钙、镁等无机盐类物质，水通过软化水补水装置的处理，已经没有外界杂质的进入，最大程度避免了冷凝管结垢，增加了冷凝管的使用寿命。液体雾化装置29将每一滴水雾化成原水滴体积的1/500左右，形成微米级或纳米级的水雾，使其与空气接触面积加大，蒸发速度加快300倍以上；细化的水滴从液态到气态吸收的热量则为水升温1℃吸热的540倍左右，可以达到吸收大幅度热量的作用，大大强化换热效果。

除了调压装置32外，壳体27处于封闭状态，壳体27内的环境能够保持在稳定的低温状态，温度低于二氧化碳的液化临界温度。闪蒸式封闭冷凝器的基本冷却原理为：在封闭环境中，促进水由液态蒸发为气态，释放冷量。其中，促进水蒸发的因素主要有：1)水的表面积越大，越利于水的蒸发；2)所处环境的负压值越大，水分子之间越容易相互脱离，形成蒸汽；3)温度越高，水的蒸发越快。

基于上述冷却原理，闪蒸式封闭冷凝器促进水由液态蒸发为气态的具体方案有：

第一，采用水雾化装置将水雾化为小雾滴，雾滴状的水表面积大大增加，能够加速蒸发，同时，雾滴状的水运动活跃，能够在壳体27内四散飘动，加速换热蒸发。

第二，壳体27与负压风机26相配合，使壳体27内的第二静压腔31和第一静压腔30始终保持负压环境，使第二静压腔31内的压力低于环境大气压20Pa以上，此时原本已经雾化为小雾滴的水，其表面的水分子更容易脱离雾滴本体，转变为蒸汽。这里的环境大气压是指，闪蒸式封闭冷凝器所处的工作环境的大气压值。

第三，流入冷凝器11内的二氧化碳制冷剂会在壳体27内吸收冷量放出热量，完成换热，此时冷凝器11会产生辐射热，因此当雾滴靠近冷凝器11时会在辐射热的作用下加速蒸发，进一步吸收二氧化碳制冷剂的热量，使其降温。

此外，未完全蒸发为蒸汽的小雾滴在经过冷凝器11时，还可以通过直接与冷凝器11接触的方式进行热交换，达到辅助降温制冷的作用。由于水雾化成雾滴后体积变小，因此更容易四散飘动，这就使雾滴的流动性加快，能够快速与冷凝器11完成热交换；且小体积的雾滴在直接接触换热的过程中又有大部分吸热蒸发为蒸汽，大大提高了制冷效率。

需要特别说明的是，与现有的风冷式换热器原理不同，闪蒸式封闭冷凝器采用的壳体27是封闭式的，壳体27是为了抑制室外风进入壳体27内，防止壳体27内进入过多的室外风，影响壳体27内雾化水的蒸发。而现有的风冷式换热器恰恰相反，是通过风流经风冷式换热器中的冷凝器11实现换热制冷，因此进入设备壳体27内的风量越大，风冷式换热器的制冷效果越好。

需要补充说明的是，上述的壳体27不等同于完全密封的壳体27，在实际生产中，板材与板材之间或板材与各组成部件之间的接缝处可能存在缝隙，当负压风机26向外排风时，外界环境中的空气可能会通过缝隙进入壳体27内。这种少量的进气不会影响壳体27内整体的负压环境，通过调节负压风机26的转速或调压装置32，能够使壳体27内的负压环境处于一个相对稳定的压力值，因此不会对雾化水的蒸发效果产生影响，即不会影响闪蒸式封闭冷凝器的制冷效果。

闪蒸式封闭冷凝器通过在封闭的负压环境中促进雾化水的蒸发，使壳体27内的整体温度降低，以达到二氧化碳的液化临界温度以下，促进二氧化碳气体液化，提高系统的制冷效率。

具体的，如图9所示的闪蒸式冷凝器的方案，包括壳体27，壳体27呈矩形，由板件结构围成，内部形成有容纳腔室。容纳腔室的底部设置有水雾化装置，容纳腔室的顶部设置有负压风机26，容纳腔室的中部设置有换热装置28，换热装置28位于水雾化装置和负压风机26之间。优选地，换热装置28为盘管式冷凝管，二氧化碳制冷剂通过该盘管式冷凝管进行降温冷凝。

换热装置28与水雾化装置之间形成有第二静压腔31，换热装置28与负压风机26之间形成有第一静压腔30，负压风机26持续将壳体27内的气体排出壳体27外，使第二静压腔31和第一静压腔30内形成均匀稳定的负压环境。

水雾化装置将产生的雾化水喷射到第二静压腔31内，雾化水在第二静压腔31的负压环境中快速蒸发，由水雾相变为蒸汽，吸收热量，使壳体27内的环境温度降低；换热装置28内的二氧化碳制冷剂在通过壳体27内的低温环境时吸收冷量，从而使二氧化碳制冷剂降低温度。

由于第一静压腔30内也为负压环境，因此在第二静压腔31内蒸发后的蒸汽会穿过换热装置28进入第一静压腔30，再通过负压风机26排出壳体27外。由此，第二静压腔31中的雾化水不断蒸发为蒸汽，释放冷量；蒸汽再不断的通过负压风机26排出壳体27外，完成制冷。

进一步，调压装置32可促进壳体27内蒸汽及雾化水的流动。具体的，调压装置32包括一根细长的管件，管件靠近水雾化装置设置；管件的第一端为封闭端，第一端伸入至第二静压腔31内，管件的第二端为开放端，第二端位于壳体27外；管件位于第二静压腔31内的部分，管壁上分散开设有多个出气孔。当闪蒸式封闭冷凝器工作时，少量的室外空气可通过管件的第二端进入管件内，并通过多个出气孔吹向水雾化装置，使第二静压腔31内的雾化水及蒸汽加速流动，促进雾化水蒸发及蒸汽的排出。

管件的第二端开放端处设置有密封盖，当不需要促进第二静压腔31内的雾化水及蒸汽流动时，可通过加盖密封盖阻挡空气进入，关闭调压装置32；也可以通过调节密封盖的密封度，控制空气的进入量，进而调节第二静压腔31内雾化水及蒸汽的流动程度。

需要补充说明的是，基于上述的闪蒸式封闭冷凝器的基本制冷原理，壳体27需要抑制外界自然风进入壳体27内部，这与调压装置32并不冲突。第一，调压装置32虽然能够使外界自然风进入壳体27内，但是，这种可进入的风量非常小，与上述的通过壳体27板材与板材之间的缝隙进入的自然风相类似，都不会影响设备的正常运行；第二，调压装置32设置的目的是，通过微气流的运动促进雾化水及水蒸发后的蒸汽流动，一方面加快蒸汽由第二静压腔31向第一静压腔30运动，促进蒸汽排出，一方面促进雾化水蒸发。也就是说，通过调压装置32进入壳体27内的少量自然风本身不能达到冷却冷凝器11的效果，这与现有的风冷式换热器有着本质区别。

闪蒸式冷凝器具有以下技术效果：

1、通过在封闭的负压环境中促进雾化水的蒸发，使封闭环境内的整体温度降低，换热装置28可在低温环境中通过辐射达到制冷的效果，不受外界自然风的温度和湿度的影响，可适应更多不同环境的地区使用；

在负压环境下，雾化水小质点分散并悬浮在气体介质中形成的胶体分散体系，形成气溶胶，由于气溶胶的分散介质是气体，气体的粘度小，分散相与分散介质的密度差很大，质点相碰时极易粘结以及液体质点的挥发，使气溶胶有其独特的规律性。气溶胶质点有相当大的比表面和表面能，可以使液化水快速蒸发，提升制冷效果。在实际应用中，考虑到外界风方便易取，故通过引入少量风作为雾化水小质点悬浮的气体介质，为证实闪蒸式冷凝器不受外界进入少许空气的温度湿度影响，也可从负压风机出口引入部分蒸汽作为气体介质，如图11所示。

水雾化装置产生的雾化水在容纳腔室的负压环境中快速闪蒸，由水雾相变为蒸汽，吸收热量，使壳体27内的环境温度降低。雾化水闪蒸出的蒸汽可通过负压风机26排出壳体27外，由此，容纳腔室内的雾化水不断蒸发为蒸汽，释放冷量；蒸汽再不断通过负压风机26排出壳体27外，以完成制冷。利用壳体27内的低温环境，可以对物质进行冷却、降温等。

2、由于在制冷过程中不需要与外界环境对流换热，所以本发明的闪蒸式封闭冷凝器装机容量小，设备整体所占用的场地小，既方便安装，又节约空间；

3、本发明的闪蒸式封闭冷凝器完全通过雾化水蒸发实现制冷，水由液态变为气态的过程既能够释放冷量制冷，同时设备排出的蒸汽的温度也不会升高，因此在制冷过程中实际上没有热量排放到大气中，不会产生热岛效应，不仅制冷效率高，且制冷效果稳定可靠。

实施例3

本实施例的内容包括实施例1和实施例2的技术方案，在实施例1和实施例2的基础上，为实现将二氧化碳介质用于制冷的同时，还能够通过四通换向阀切换为制热模式，参见图16和图17所示，二氧化碳制冷制热系统包括第一四通换向阀35、第二四通换向阀36、第三四通换向阀37，第一四通换向阀35的四个出口分别通过气体管道连接到冷凝器11入口、压缩机10入口、压缩机10出口、蒸发器13出口；第二四通换向阀36的其中两个出口分别通过气体管道连接到冷凝器11出口、气液分离器14入口(或者储液器12入口)，另外两个出口分别与第三四通换向阀37的两个出口连接；第三四通换向阀37的两个出口分别与储液器12出口、蒸发器13入口连接，另外两个出口分别与第二四通换向阀36的两个出口连接。

图16为在制冷模式下的二氧化碳走向示意图，在制冷模式下，第一四通换向阀35将压缩机10出口和冷凝器11入口导通，将蒸发器13出口与压缩机10入口导通；第二四通换向阀36将冷凝器11出口与气液分离器14入口(或者储液器12入口)导通，另外两个出口与第三四通换向阀37导通；第三四通换向阀37将储液器12出口与蒸发器13入口导通，另外两个出口与第二四通换向阀36导通。

参见图17为在制热模式下的二氧化碳走向示意图，在制热模式下，第一四通换向阀35将压缩机10出口和蒸发器13导通，将冷凝器11入口与压缩机10入口导通；第二四通换向阀36将冷凝器11出口与第三四通换向阀37导通，将第三四通换向阀37与气液分离器14入口(或者储液器12入口)导通；第三四通换向阀37将储液器12出口与第二四通换向阀36导通，将蒸发器13与第二四通换向阀36导通。

由于二氧化碳的高压特性，现有的四通换向阀承受的压力有限，不适用于二氧化碳制冷系统，因此需要设计一种能够适应压差大的二氧化碳系统的四通换向阀。参见图12和图13所示，四通换向阀包括阀体，阀体上设置有第一出口352、第二出口353、第三出口354、第四出口355，阀体内部设置有气体通道，气体通道将第一出口352、第二出口353、第三出口354、第四出口355相连通，阀体由相互配合的上封板350和下封板351构成，方便组装和维护。阀体上还设置有阀盖364，可以打开阀盖364观察四通阀内部。

阀体内设置有第一阀芯组件356和第二阀芯组件357，第一阀芯组件356和第二阀芯组件357能够在阀体内部移动实现气体出口连通关系的转换；通过弹簧固定底座358能够将阀芯组件移动。阀芯组件包括弹簧359、阀芯360、螺杆361、阀管362和轴套363，螺杆361的两端分别与两个阀芯360连接，弹簧359的一端与其中一个阀芯360连接，另一端与弹簧固定底座358连接，阀管362套在螺杆361上，阀管362面向出口的一侧为开口结构，开口结构使得气体能够进入四通换向阀内部，阀芯360上设置有轴套363，轴套363与阀管362相配合，轴套363与阀管362组合后能够阻止二氧化碳气体通过，起到密封作用。

阀体包括动力气源接入口365，动力气源接入口365与高压动力气源(未视出)连接，通过气体压力的变化和弹簧相互配合推动阀芯组件移动，实现气体出口连通关系的转换。冷热功能切换是通过高压气体动力源的通断来实现的，高压气体动力是从压缩机出口引出的一小分支气体，该小分支气管安装有电磁阀，电磁阀后分成两路接入上封板350处动力气源接入口365。参见图14所示，第一阀芯组件356划向左侧、第二阀芯组件357划向右侧时实现制热。参见图15所示，制冷时，小分支气管安装的电磁阀电打开，当引入的气源压力大于弹簧力时，第一阀芯组件356划向右侧、第二阀芯组件357划向左侧时实现制冷。整个切换过程简单可靠。

二氧化碳制冷系统用于调节室内温度的空调、用于冷库的冷源或者用于速冻库。

实施例4

在上述实施例的基础上，参见图20所示，本实施例提供了一种包含溢流压差阀的单级二氧化碳制冷系统，包括顺次相连的蒸发器13、压缩机10、冷凝器11和储液器12，鉴于冷凝器11中的冷凝压力会出现过低或过高的情况，因此，需要控制压差、控制冷凝压力，本实施例中，在冷凝器11与储液器12之间设置有溢流压差阀38，参见图22所示，溢流压差阀38包括压差阀外壳382、密封垫片380、压差阀入口383和压差阀出口384，压差阀入口383与冷凝器11的出口相连通，压差阀出口384与储液器12相连通；密封垫片380设置在压差阀外壳382内部形成的空腔内，压差阀入口383和压差阀出口384均与压差阀外壳382内部的空腔相连通，密封垫片380根据压力的变化能够在压差阀外壳382内移动，实现压差阀入口383与压差阀出口384的连通或阻断。

具体地，溢流压差阀38还包括压差阀弹簧381，压差阀弹簧381的一端与密封垫片380连接，另一端固定在压差阀外壳382上，密封垫片380的形状与压差阀外壳382内空腔的截面形状相匹配，密封垫片380可随压差阀弹簧381的压缩或释放往复移动。密封垫片380与压差阀弹簧381的相对位置确定了经冷凝器11出来的二氧化碳液体的差压值的大小。当压差变化时，压差阀弹簧381力的平衡被破坏，从而带动密封垫片380运动，可以控制被控差压值为设定值。

当冷凝器11冷凝压力过低时，则溢流压差阀38压差阀入口383一侧的压力较低，此时溢流压差阀38内的密封垫片380和压差阀弹簧381受到的阻力小，压差阀弹簧381释放，使密封垫片380位于溢流压差阀38的压差阀入口383和压差阀出口384之间，即溢流压差阀38处于关闭状态。溢流压差阀38关闭时，冷凝器11中的二氧化碳制冷剂无法通过溢流压差阀38排出，会使冷凝器11中的压力增大，以提高冷凝器11中的冷凝压力。

当冷凝器11中的压力逐渐升高时，溢流压差阀38中的密封垫片380和压差阀弹簧381受到的压力也逐渐增大，此时压差阀弹簧381会逐渐被压缩，密封垫片380会逐渐向溢流压差阀38的下部移动。当冷凝器11中的压力升高至适宜工作的冷凝压力时(高于蒸发压力30～40Kg/cm ²)，密封垫片380移动至溢流压差阀38压差阀出口384的下部，使溢流压差阀38的压差阀入口383和压差阀出口384相连通，此时溢流压差阀38处于打开状态，二氧化碳制冷剂可通过溢流压差阀38的压差阀出口384排出，进入储液器12中。

随着二氧化碳制冷剂通过溢流压差阀38排出，冷凝器11中的冷凝压力会逐渐下降，当冷凝压力过低时，密封垫片380在压差阀弹簧381的推动下再次移动至溢流压差阀38压差阀出口384的上端，使溢流压差阀38关闭。如此往复，可使冷凝器11中的压力始终保持在适宜的范围内，确保冷凝器11高效运行。

需要特别说明的是，现有二氧化碳制冷系统由于冷凝器11的冷凝效率不够高，二氧化碳冷凝效果不理想，常常会发生冷凝器11冷凝压力过高的现象，为了检测并控制冷凝压力，与现有的二氧化碳制冷系统不同的是，本实施例优选采用的是机械溢流压差阀38，通过机械溢流压差阀38控制和调整冷凝器11的冷凝压力，使冷凝压力保持在适宜的范围内。机械溢流压差阀38不仅结构简单，成本低，易于维护，同时能够保证本实用新型的单级二氧化碳制冷系统安全高效运行。溢流压差阀38能够调节冷凝器11内的冷凝压力， 使冷凝压力保持在合适的范围内，保证系统的正常运行。此外，溢流压差阀38还具有一定的节流作用，节流作用能够将二氧化碳进行分级降压，确保系统安全高效的运行。

参见图21所示，本实施例的制冷系统还包括抽吸组件15，抽吸组件15是文丘里管，文丘里管的结构与实施例1相同。

高速旋转的压缩机10内，如果出现液态冷媒，会对压缩机10造成严重损毁。因此，为了确保安全运行，传统的直膨式制冷系统通常会通过调节膨胀阀17的开度，控制进入蒸发器13的制冷剂的流量，以使制冷剂在蒸发器13内充分气化。但这种供液方式无法充分利用蒸发器13的换热面积，影响系统的制冷效率。

具体地，参见如22所示，本实施例的二氧化碳制冷系统包括低压循环桶39，低压循环桶39的出液口与蒸发器13的入口端相连通，蒸发器13的出口端与低压循环桶39相连通，低压循环桶39的出气口与压缩机10相连通，调节膨胀阀17设置在低压循环桶39与储液器12之间。如此设置，可以调节调节膨胀阀17的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器13的出口端仍有一部分未完全蒸发的低压液体，如此可使蒸发器13的换热面积得到充分利用；未完全蒸发的二氧化碳液体暂存在低压循环桶39中，不会进入到压缩机10内，既充分利用了蒸发器13的换热面积，又能够确保系统的安全运行。此外，在低压循环桶39内可以设置有液位计(图中未视出)，用于测量低压循环桶39内的二氧化碳液体的液面高度。

下面结合上述的描述，对制冷剂循环系统的工作过程进行详细说明：调节膨胀阀17的开度，加大二氧化碳液体的流量，使蒸发器13内的换热面积得到充分利用，此时，蒸发器13的出口端会流出低压二氧化碳气体，以及未完全蒸发的低压二氧化碳液体；蒸发器13出口端流出的二氧化碳气液混合物会进入低压循环桶39中完成气液分离，气态的二氧化碳制冷剂被压缩机10抽出，液态的二氧化碳制冷剂暂存在低压循环桶39中；当低压循环桶39中的液态二氧化碳制冷剂累积到一定量时，液位计达到所设上限，减小或暂停二氧化碳液体的供应量。

低压循环桶39结构能够使蒸发器13的换热面积得到充分利用，增强了换热效果，提高系统的制冷效率，同时保证系统的安全运行，且制冷剂循环系统的结构简单，方便控制，运行稳定可靠。

需要说明的是，在本发明的描述中可能出现的术语“正面/背面”、“上/下”、“左/右”、“竖直/水平”、“内/外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。为叙述方便，下文中所称的“左”“右”“上”“下”与附图本身的左、右、上、下方向一致，但并不对本发明的结构起限定作用。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (24)

1. 一种二氧化碳制冷系统，包括顺次相连通的压缩机、冷凝器、储液器和蒸发器；其特征在于：所述压缩机和所述冷凝器之间设置有抽吸组件，所述抽吸组件与所述储液器相连通或者与所述气液分离器相连通，所述气液分离器设置在所述冷凝器和所述储液器之间，所述储液器或者所述气液分离器中的二氧化碳气体能够通过抽吸组件抽回压缩机与冷凝器之间的管道中。
2. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述抽吸组件包括第一接口、第二接口和第三接口，所述第一接口与所述压缩机相连通，所述第二接口与所述冷凝器相连通，所述第三接口与所述储液器相连通或者与所述气液分离器相连通。
3. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述抽吸组件是文丘里管或者多个文丘里管并联的文丘里组，所述气液分离器是浮球阀或者多个浮球阀串联的浮球阀组。
4. 根据权利要求2所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述抽吸组件包括三通阀和负压泵，所述负压泵设置在第三接口与储液器或者气液分离器相连通的管道上，所述负压泵在所述储液器中或者在气液分离器中产生设定的负压。
5. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：冷凝管内的冷凝压力低于120Kg/cm ²，在气液分离器与抽吸组件之间设置有单向阀。
6. 根据权利要求3所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述文丘里管包括顺次相连的收缩段、喉道和扩散段。
7. 根据权利要求3所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述浮球阀包括设置在底部的两个接口和顶部的一个接口。
8. 根据权利要求3所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管和第一浮球阀，所述第一文丘里管设置在所述压缩机和所述冷凝器之间的管道上，所述第一浮球阀设置在所述冷凝器和所述储液器之间的管道上，所述第一文丘里管的喉道接口与所述第一浮球阀连接；

   或者所述二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀，所述第一文丘里管设置在所述压缩机和所述冷凝器之间的管道上，所述第一浮球阀和所述第二浮球阀串联设置在所述冷凝器和所述储液器之间的管道上，所述第一文丘里管的喉道接口与所述第一浮球阀连接，所述第二文丘里管设置在第一浮球阀与所述冷凝器之间，所述第二文丘里管的喉道接口与所述第二浮球阀连接；

   或者所述二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀、第三文丘里管、第三浮球阀，所述第一文丘里管设置在所述压缩机和所述冷凝器之间的管道上，所述第一浮球阀、所述第二浮球阀和所述第三浮球阀串联设置在所述冷凝器和所述储液器之间，所述第一文丘里管的喉道接口与所述第一浮球阀连接，所述第二文丘里管设置在第一浮球阀与所述冷凝器之间，所述第二文丘里管的喉道接口与所述第二浮球阀连接；所述第三文丘里管设置在第一浮球阀与第二浮球阀之间，所述第三文丘里管的喉道接口与所述第三浮球阀连接；

   或者所述二氧化碳制冷系统包括第一文丘里管、第一浮球阀、第二文丘里管、第二浮球阀、第三文丘里管，所述第一文丘里管设置在所述压缩机和所述冷凝器之间的管道上，所述第一浮球阀、所述第二浮球阀串联设置在所述冷凝器和所述储液器之间，所述第一文丘里管的喉道接口与所述第一浮球阀连接，所述第二文丘里管设置在第一浮球阀与所述冷凝器之间，所述第二文丘里管的喉道接口与所述第二浮球阀连接；所述第三文丘里管设置在第一浮球阀与第二浮球阀之间，所述第三文丘里管的喉道接口与所述储液器连接；

   或者所述二氧化碳制冷系统包括一个文丘里管和一个以上的浮球阀，所述文丘里管设置在所述压缩机和所述冷凝器之间的管道上，一个以上的浮球阀串联联设置在所述冷凝器和所述储液器之间的管道上，一个以上的浮球阀全部连接到一个文丘里管的喉道接口。
9. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述冷凝器是闪蒸式冷凝器，所述闪蒸式冷凝器包括壳体、负压风机、换热装置和液体雾化装置，所述负压风机设置在所述壳体上，所述负压风机使壳体内部形成负压环境，所述液体雾化装置和所述换热装置设置在所述壳体内，所述液体雾化装置将雾化后的液体喷射到壳体内部，雾化液体在负压环境下蒸发为蒸汽，将换热装置内的二氧化碳介质完全冷凝液化。
10. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述负压风机的排风量大于壳体内 雾化液体的蒸发量；所述壳体内的静压腔的压力低于环境大气压20Pa以上。
11. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：冷凝管内的冷凝压力不高于二氧化碳临界压力，二氧化碳临界压力为74Kg/cm ²。
12. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述负压风机与所述换热装置之间形成有第一静压腔，液体雾化装置与换热装置之间形成有第二静压腔，负压风机使第二静压腔内形成负压环境，液体雾化装置将雾化液体喷射到第二静压腔内，以使雾化液体蒸发为蒸汽。
13. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述闪蒸式冷凝器包括调压装置，所述调压装置的进气口设置在壳体外，出气口设置在壳体内，通过调压装置将调节气流送进壳体内，以促进壳体内蒸汽的流动，并在壳体内形成气溶胶；

    或者所述调压装置是一个或多个风扇，风扇靠近液体雾化装置设置；

    或者所述调压装置是负压风机通过蒸汽循环管路连接到壳体。
14. 根据权利要求9所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述制冷系统包括四通换向阀，所述四通换向阀包括阀体，所述阀体上设置有第一出口、第二出口、第三出口、第四出口，所述阀体内部设置有气体通道，气体通道将第一出口、第二出口、第三出口、第四出口连通，所述阀体内设置有第一阀芯组件和第二阀芯组件，所述第一阀芯组件和所述第二阀芯组件能够在阀体内部移动实现气体出口连通关系的转换；通过高压动力气源产生的压力来将阀芯组件移动。
15. 根据权利要求14所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：阀芯组件包括弹簧、阀芯、螺杆、阀管和轴套，所述螺杆的两端分别与两个阀芯连接，所述弹簧的一端与其中一个阀芯连接，另一端与弹簧固定底座连接，所述阀管套在所述螺杆上，阀管面向出口的一侧为开口结构，开口结构使得气体能够进入四通换向阀内部，所述阀芯上设置有轴套，所述轴套与所述阀管相配合，轴套与阀管组合后能够阻止二氧化碳气体通过。
16. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述二氧化碳制冷系统包括第一四通换向阀、第二四通换向阀、第三四通换向阀，所述第一四通换向阀的四个出口分别通过气体管道连接到冷凝器入口、压缩机入口、压缩机出口、蒸发器出口；所述第二四通换向阀的其中两个出口分别通过气体管道连接到冷凝器出口、气液分离器入口，另外两个出口分别与所述第三四通换向阀的两个出口连接；所述第三四通换向阀的两个出口分别与储液器出口、蒸发器入口连接，另外两个出口分别与所述第二四通换向阀的两个出口连接。
17. 根据权利要求16所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：在制冷模式下，第一四通换向阀将压缩机出口和冷凝器入口导通，将蒸发器出口与压缩机入口导通；第二四通换向阀将冷凝器出口与气液分离器入口导通，另外两个出口与第三四通换向阀导通；第三四通换向阀将储液器出口与蒸发器入口导通，另外两个出口与第二四通换向阀导通；

    在制热模式下，第一四通换向阀将压缩机出口和蒸发器导通，将冷凝器入口与压缩机入口导通；第二四通换向阀将冷凝器出口与第三四通换向阀导通，将第三四通换向阀与气液分离器入口导通；第三四通换向阀将储液器出口与第二四通换向阀导通，将蒸发器与第二四通换向阀导通。
18. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述二氧化碳制冷系统用于调节室内温度的空调、用作冷库的冷源或者用于速冻库。
19. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：储存液态二氧化碳的储液器与二氧化碳消防管路连接，液态二氧化碳储液器设置在冻土层以下。
20. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：在所述冷凝器与所述储液器之间设置有溢流压差阀，所述溢流压差阀包括压差阀外壳、密封垫片、压差阀入口和压差阀出口，所述压差阀入口与所述冷凝器的压差阀出口相连通，所述压差阀出口与所述储液器相连通；所述密封垫片设置在所述压差阀外壳内部形成的空腔内，所述压差阀入口和所述压差阀出口均与压差阀外壳内部的空腔相连通，所述密封垫片根据压力的变化能够在压差阀外壳内移动，实现所述压差阀入口与所述压差阀出口的连通或阻断。
21. 根据权利要求20所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述溢流压差阀还包括压差阀弹簧，所述压差阀弹簧的一端与所述密封垫片连接，另一端固定在所述压差阀外壳上，所述密封垫片的形状 与所述压差阀外壳内空腔的截面形状相匹配，所述密封垫片能够随压差阀弹簧的压缩或释放往复移动。
22. 根据权利要求1所述的一种二氧化碳制冷系统，其特征在于：所述二氧化碳制冷系统包括低压循环桶，所述低压循环桶的出液口与所述蒸发器的入口端相连通，所述蒸发器的出口端与所述低压循环桶相连通，所述低压循环桶的出气口与所述压缩机相连通。
23. 一种以二氧化碳为介质的制冷方法，其特征在于，包括以下步骤：

    1)压缩机将蒸发器中高温二氧化碳气体压缩到冷凝器中进行冷却；

    2)通过抽吸组件将混在二氧化碳液体中的二氧化碳气体抽走，实现气液分离；抽吸组件使部分二氧化碳液体闪发，进行多级降温，使液态二氧化碳处于过冷状态；

    3)将过冷二氧化碳液体引入储液器中备用。
24. 根据权利要求23所述的一种以二氧化碳为介质的制冷方法，其特征在于：

    步骤1)中，冷凝二氧化碳气体采用闪蒸式冷凝方式，实现二氧化碳在闪蒸式冷凝器内完全冷凝液化，闪蒸式冷凝方式为在密闭壳体中设置换热装置和液体雾化装置，在密闭壳体上设置负压风机，液体通过高压液体雾化装置喷出，形成比表面积大的雾化液体，散布在壳体容纳腔室内；在换热装置产生的辐射热的作用下，以及在负压风机产生的负压作用下，雾化液体小质点分散并悬浮在气体介质中形成气溶胶，使得雾化液体表面的水分子脱离雾滴本体，转变为蒸汽，带走热量；

    步骤2)中，多级降温的方法是设置多个相互串联的浮球阀，二氧化碳液体依次通过浮球阀，浮球阀分别与抽吸组件连接，在抽吸力的作用下部分液体二氧化碳气化使剩余液体处于过冷状态，得到更低温度的液态二氧化碳。

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