CN101326412A - 膨胀箱制冷剂控制 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于控制在冷却系统(100)中的经济器回路的控制算法。该控制算法根据所测得的系统工作参数来调整在经济器回路中的进给阀(114)的位置，以维持在经济器回路中的膨胀箱(110)内的液态制冷剂液位。所测得的系统工作参数可包括压缩机(102)的负荷和在膨胀箱内的制冷剂的压力和温度。

Description

膨胀箱制冷剂控制

相关申请的交叉引用

本专利申请要求2005年12月30提交的编号60/755,222的美国临时专利申请的权益。

技术领域

本发明总体上涉及控制在冷却系统中的经济器回路。更具体而言，本发明涉及控制在经济器回路中的膨胀箱内的液态制冷剂的液位。

背景技术

在制冷和冷却系统中，制冷剂气体被压缩机压缩然后被输送到冷凝器。被输送到冷凝器的制冷剂蒸汽参与与诸如空气或水等的流体的热交换关系，并且经过相变成为制冷剂液体。来自冷凝器的液态制冷剂流过相应的膨胀装置到达蒸发器。在蒸发器内的液态制冷剂参与另一流体例如空气、水或其它二次流体等的热交换关系，并且经过相变成为制冷剂蒸汽。穿过蒸发器流动的另一流体由于与液态制冷剂的热交换关系而被激冷或冷却，然后一般地被供应到一封闭空间内以冷却该封闭空间。最后，在蒸发器内的蒸汽制冷剂返回到压缩机以完成循环。

为了提供制冷或冷却系统的增加的容量、效率和性能，可以将经济器回路加入该系统中。经济器回路典型地可包括：经济器热交换器或膨胀箱；到膨胀箱的入口管路，该入口管路连接到冷凝器或者连接到在冷凝器下游的制冷剂回路；经济器膨胀装置，其被加入该入口管路中；以及自膨胀箱的出口管路，该出口管路连接到压缩机的压缩室内的端口或者连接到压缩机的吸入口。

在膨胀箱经济器回路中，来自冷凝器的液态制冷剂流经入口管路和膨胀装置进入膨胀箱。一旦穿过膨胀装置，液态制冷剂经受压力将下降，因此，至少制冷剂的一部分快速膨胀或者“闪蒸(flashes)”并且从液体转换成气体。在膨胀箱内的液态制冷剂在膨胀箱的底部集中并且穿过第一出口管路返回到制冷剂回路中，以被供应到蒸发器中。第一出口管路可以加入一个或多个阀，以控制返回到制冷剂回路中的液态制冷剂量。在膨胀箱内的气态制冷剂在膨胀箱的顶部集中并且穿过第二出口管路以中间压力返回到压缩机——吸入口或者压缩室内的一点。第二出口管路当连接到压缩室时也可以加入一个或多个阀以控制供应到压缩机的气态制冷剂量。

如上文所论述的，可以使用经济器回路来提供制冷或冷却系统的增加的容量、效率和性能。例如，经济器回路通过将制冷剂气体以中间压力供应到压缩机，由此减少压缩机所需要的功以及提高压缩机效率，可以提高系统效率。可以控制经济器回路中的各种参数来提供制冷或冷却系统的增加的容量、效率和性能。具体地，可以控制或选择进入和离开膨胀箱的制冷剂量、压缩机内的端口位置和到达该端口的相应的中间压力，以及在膨胀箱内的液态制冷剂量，以获得制冷或冷却系统的所需的容量、效率和性能。此外，可以根据预定参数来接合和脱离经济器回路，以进一步提高制冷或冷却系统的运行。

当使用在膨胀箱内的液体量或液体的液位来控制经济器回路时，必须确定制冷剂的液位。在膨胀箱内的制冷剂液位通常用传感器或者诸如浮子的机械装置来确定。该控制方法然后通常调整系统参数以维持在膨胀箱内的所需的制冷剂液位。此技术的一个缺点是，传感器或机械装置会产生故障，由此阻止了经济器回路和系统的有效运行。

因此，需要一种用于简单和容易地控制在经济器回路的膨胀箱内的液态制冷剂液位的系统和方法，以为制冷或冷却系统提供改进性能。

发明内容

本发明的一个实施方案涉及一种用于控制冷却系统中的经济器回路的方法。该方法包括提供用于冷却系统的经济器回路的步骤，该经济器回路具有膨胀箱、入口管路和进给阀。进给阀位于入口管路内。进给阀被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流。该方法还包括：测量冷却系统的至少一个系统工作参数；根据所测得的该至少一个系统工作参数计算用于该进给阀的阀位置；以及将进给阀调整到所计算出的阀位置，以控制在膨胀箱内的液态制冷剂液位。

本发明的另一实施方案涉及一种用于冷却系统的经济器回路的液位控制系统。该系统包括膨胀箱、入口管路和进给阀。进给阀位于入口管路内并且被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流。该液位控制系统包括关于进给阀的多个工作位置的一个映射。该多个工作位置中的每一个工作位置关联于进给阀的预定位置和在膨胀箱内的制冷剂量。进给阀的位置和在膨胀箱内的制冷剂量对应于进给阀的预定位置的流速。该映射被配置为使得该多个进给阀工作位置与多个预定的系统工作参数相关联。

该系统也包括微处理器。该微处理器被配置为控制进给阀的位置以控制在膨胀箱内的液态制冷剂的液位。该微处理器基于该映射产生一个控制信号来定位该经济器回路的该可调阀机构，以控制进给阀的运行。

本发明的另一实施方案涉及一种冷却系统。该冷却系统包括制冷剂回路，该制冷剂回路具有被连接在闭合的制冷剂环路中的压缩机、冷凝器机构、膨胀阀和蒸发器机构。经济器回路连接到该制冷剂回路。该经济器回路包括膨胀箱、入口管路和进给阀。该进给阀被置于入口管路内并且被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流。同样地，冷却系统的控制板包括关于进给阀的多个工作位置的映射。该多个工作位置的每一工作位置关联于进给阀的预定位置以及在膨胀箱内的制冷剂量，该进给阀的预定位置以及在膨胀箱内的制冷剂量对应于该预定位置的流速。该映射被配置为使得该多个进给阀工作位置与多个预定的系统工作参数相关联。在控制板内的微处理器被配置为控制进给阀的位置，以控制在膨胀箱内的液态制冷剂的液位。微处理器基于该映射产生一个控制信号来定位进给阀。

本发明的一个有利之处在于膨胀箱内不需要浮子阀或电子液位传感器，从而在增加系统可靠性的同时降低了系统的成本和复杂性。

本发明的另一有利之处在于通过根据系统状态条件来定位进给阀，可以细微地调节经济器回路的运行以获得在膨胀箱内的所需液位。

根据下文对优选实施方案的更详细的说明，连同通过实施例示出了本发明的原理的附图，本发明的其它特点和有利之处将是显而易见的。

附图说明

图1图解了用于本发明的制冷或冷却系统的实施方案。

图2是示出了本发明的经济器进给阀控制方法的实施方案的流程图。

无论在何处，在所有附图中将使用相同的标记数字来指示相同或类似的部件。

具体实施方式

图1整体上图解了可用于本发明的应用。如图1所示，采暖通风与空调(HVAC)、制冷或液体冷却系统100包括压缩机102、冷凝器机构104、一个或多个膨胀装置105、液体冷却器或蒸发器机构106和控制板108。压缩机102可由通过变速驱动装置(VSD)122提供电力的电动机124驱动。此外，冷却系统100具有经济器回路，该经济器回路包括经济器热交换器或膨胀箱110、入口管路112、经济器进给阀114、第一出口管路116和第二出口管路118。

VSD 122接收来自交流电源的具有特别的固定线路电压和固定线路频率的交流电，并且以所需电压和所需频率将交流电供应到电动机124，可以改变该所需电压和所需频率来满足特殊需要。优选地，VSD122可以为具有比电动机124的额定电压和频率更高的电压和频率以及更低的电压和频率的电动机124提供交流电。优选地，电动机124是能够变速运转的感应电动机。然而，能够变速运转的任意适宜的电动机可用于本发明。

由电动机124驱动的压缩机102压缩制冷剂蒸汽并且将该蒸汽通过排出管路输送到冷凝器104。优选地，压缩机102是螺旋式压缩机，但可以是任意适宜类型的压缩机，例如离心式压缩机、往复式压缩机等。被压缩机102输送到冷凝器104的制冷剂蒸汽参与与诸如空气和水等的流体的热交换关系，并且由于与该流体的热交换关系而经过相变成为制冷剂液体。来自冷凝器104的冷凝的液态制冷剂穿过膨胀装置105流到蒸发器106。

蒸发器106可包括用于制冷负荷的供给管路和回流管路的连接。二次流体——例如水、乙烯、氯化钙盐水、氯化钠盐水——经由回流管路行进到蒸发器106中并且经由供给管路离开蒸发器106。在蒸发器106内的液态制冷剂参与与二次流体的热交换关系，以降低二次流体的温度。在蒸发器106内的制冷剂液体由于与二次流体的热交换关系，经过相变成为制冷剂蒸汽。在蒸发器106内的蒸汽制冷剂离开蒸发器106并且通过吸入管路返回压缩机102，以完成循环。应理解的是，只要能获得在冷凝器104和蒸发器106中的制冷剂的适当相变，在系统100中可以使用冷凝器104和蒸发器106的任意适宜的配置。

在冷凝器104和膨胀装置105之间的主制冷剂回路中加入经济器回路。经济器回路具有直接连接或者流体连通到冷凝器104的入口管路112。入口管路112具有在膨胀箱110上游的经济器进给阀114。经济器进给阀114起到调节进入膨胀箱110的制冷剂量的作用。优选地，进入膨胀箱110的制冷剂处于一个低于压缩机102的排出压力并且高于压缩机102的吸入压力的压力。在一个优选实施方案中，进给阀114也可作为膨胀阀，以降低流过经济器进给阀114的来自冷凝器104的液态制冷剂的压力。在另一实施方案中，可将一个或多个膨胀阀在膨胀箱110之前加入在进给阀114下游的经济器回路。在经济器进给阀114下游，液态制冷剂和气态制冷剂都进入膨胀箱110。在膨胀箱110内，气态制冷剂优选地集中在膨胀箱110的顶部或上部，液态制冷剂优选地沉降到膨胀箱110的底部或下部。膨胀箱110可包括一个或多个上液位开关140和一个或多个下液位开关142。液位开关140、142能够确定膨胀箱内的液位何时高于或低于相应的液位开关。液位开关140、142可为控制板108提供信号，该信号指示在膨胀箱内的液位是否高于相应的液位开关或者替代地低于相应的液位开关。任意适宜的液位开关可用作液位开关140、142，而且优选地是简单、低成本和可靠的液位开关。

在膨胀箱110内的液态制冷剂穿过第一出口管路116流到或者行进到膨胀阀105。膨胀阀105可以是热膨胀阀、电子膨胀阀、孔或任意其它适宜的计量装置或阀。优选地，第二出口管路118使得在膨胀箱110内的气态制冷剂返回在压缩机102内的经济器端口，该经济器端口直接连接到压缩机102的压缩室。替代地，第二出口管路118可以使得在膨胀箱110内的气态制冷剂返回到压缩机102的吸入口。第二出口管路118可包括一个或多个经济器端口阀，以控制从膨胀箱110到压缩机102的气态制冷剂流。

带有经济器回路的常规HVAC、制冷或液体冷却系统100包括许多在图1中没有示出的其它特征。这些特征被故意地省略了，以简化附图，从而便于说明。而且，虽然图1将该HVAC、制冷或液体冷却系统100图解为具有连接在单一制冷剂回路中的一个压缩机，应理解的是该系统100可具有连接到一个或多个制冷剂回路中的每一回路的多个压缩机。此外，每一制冷剂回路可具有其自身的如上所述的一个或多个经济器回路。

控制板108可包括模拟数字(A/D)转换器、微处理器、非易失性存储器以及用于控制该制冷系统100运行的接口板。控制板108也可用于控制VSD 122、电动机124和压缩机102的运行。控制板108执行控制算法或软件来控制系统100的运行，以及来确定和实施用于经济器进给阀114的工作配置或位置，以控制在膨胀箱110内的液态制冷剂液位。在一个实施方案中，控制算法可以是储存在控制板108的非易失性存储器内的计算机程序或者软件，并且可包括一系列可由控制板108的微处理器执行的指令。尽管控制算法在计算机程序内被具体化并且由微处理器来执行是优选的，但应理解的是，控制算法可以由本领域普通技术人员利用数字和/或模拟硬件来实施和执行。如果使用硬件来执行控制算法，可以改变控制板108的相应配置，以加入必要的部件和去除不再需要的部件。

控制板108使用关于进给阀工作位置的映射、表格或数据库来控制进给阀114的工作。用于进给阀114的工作位置涉及阀开口的尺寸以及流过阀开口的相应的制冷剂量。控制板108所使用的映射或表格使得进给阀工作位置与系统工作参数相关联。映射或表格可由实验数据产生，该实验数据根据具体的系统工作参数或条件而确定了用于阀的工作位置。优选地，可以将一个映射应用于多于一个的系统，例如可以应用于一个系列的产品。

图2图解了本发明的经济器进给阀控制方法的实施方案。可以根据来自用于系统100的容量控制方法或其它控制程序的启动命令或指令来开始该进给阀控制方法。经济器进给阀控制方法可以是独立的方法或者程序，或者它可被并入诸如用于冷却系统的容量控制程序等的更大的控制方法和程序中。

该方法从步骤202中的测量系统工作参数开始。虽然可以测量附加的、较少数的或交替性的系统工作参数，所测得的系统工作参数优选地是压缩机102上的负荷以及在膨胀箱110内的制冷剂的压力和温度。压缩机102上的负荷可以用以下几种方式来测量或确定，包括：通过检测在蒸发器106内进入的和离开的液体温度或者通过检测穿过蒸发器106的液体流来测量系统容量；测量压缩机102的速度；检测变速驱动装置122的运行频率；以及检测在压缩机102内的滑阀的位置。在膨胀箱110内的制冷剂的压力和温度可以以下用几种方法来确定，包括：检测在膨胀箱110内的温度和压力，以及通过检测在压缩机102内的吸入和排出压力和/或温度。

在步骤204中，将所测得的系统工作参数与映射中的条目相比较，以确定用于进给阀114的适当的工作位置。在映射中的条目使得所测得的系统工作参数(压缩机102的负荷以及在膨胀箱110内的制冷剂的温度和压力)和其它信息与用于进给阀114的工作位置相关联。在映射中的其它信息可涉及进给阀114的工作位置与进给阀114的横截面通流面积的关系，用于调整进给阀114的工作位置的电动机——优选地步进电动机——的任意的启动要求，和/或对于在所测得的工作参数下压缩机性能的认识，该认识基于在代表系统100运行条件的一个条件范围所测得的或者计算出的压缩机映射。

映射可以是具有基于所测得的系统工作参数的用于进给阀114的工作位置的查阅表。替代地，可以基于一个多变量算法，或者基于一个或多个变量的图形曲线来计算进给阀位置，其中所述变量可以是所测得的系统工作参数。可用作变量的系统工作参数的某些实例包括在膨胀箱110内的温度和压力、在压缩机102内的吸入和排出压力和/或温度、压缩机102的速度、以及膨胀阀105或排出阀的位置。进给阀114可以是数字式增量位置型或模拟型的。此外，用于打开或关闭进给阀114的信号对应于所使用的阀的类型。在一个实施方案中，基于系统100的负荷来打开和关闭进给阀114，也就是说，该阀在较轻的负荷条件下具有较小的移动，在较重的负荷下具有较大的移动。优选地，控制进给阀114来维持在膨胀箱110内的制冷剂的预定液位。

在步骤204中确定或者计算出用于进给阀114的工作位置之后，该方法进行步骤206。在步骤206中，将进给阀114的位置调整到所需的或者所计算出的位置。在定位进给阀114之后，该控制返回到步骤202并且重复该方法。如下文所更详细论述的，可以控制进给阀位置的变化速度。该系统然后返回到步骤202并且重复该方法。可以设置可选的时间延迟208来避免在系统中的偏差(hunting)或者不稳定。在一个优选实施方案中，除了在预定条件下之外，例如根据上液位开关140检测到一个过满条件，否则不允许进给阀114在单个步骤中从全开位置移动到闭合位置。然而，在正常条件下，该系统控制进给阀位置可以改变的速度，以避免进给阀114在单个步骤中被强制全开或关闭。

在一个优选实施方案中，液位开关140、142可以与图2中的控制方法一起使用，以进一步调节在膨胀箱110内的液态制冷剂液位。如果液位开关140、142检测到膨胀箱110内的液位高于上液位界限，或者膨胀箱110内的液位低于下液位界限，则控制板108会就该液位警告系统100的操作者，或者该控制系统可以采取独立与图2中的控制方法的进一步的措施来补救该情形。液位开关140、142可以提供即时控制信号，以根据在膨胀箱110内的低制冷剂液位来打开进给阀114，或者根据在膨胀箱110内的高制冷剂液位来关闭进给阀114，一直到获得所需的冷却剂液位。

在本发明的一个实施方案中，漂移或偏移出上和下液位界限之间的频率和持续时间可用来调整该运行映射。可以使用模糊逻辑推理，或者其它适宜的技术来更新该运行映射，以尝试避免偏移出该上和下液位界限之间。基于具有不同运行性能的具体的冷却系统，可以进行在运行映射或算法中的进一步的调整和补偿。

在一个实施方案中，该系统执行一个查阅表，该查阅表优选地是多维查阅表。同样地，该映射或查阅表可适于基于来自上和下界限开关140、142的反馈来调整。上和下界限开关140、142也可用来相应地补偿用于进给阀114的所需位置和调整映射参数。例如，如果在该箱内的制冷剂液位只检测到高液位指示器读数，将向下补偿映射参数，以使得进给阀114的正常位置是较小开启的位置；如果只检测到低液位，将相应地补偿映射参数，以使得进给阀114的位置通常是在更开启的位置。

虽然已经参照优选实施方案说明了本发明，本领域普通技术人员应理解的是，可以进行各种变化以及对本发明中的要素进行等同替代而不脱离本发明的范围。此外，可以根据本发明的教导进行各种改进以适应具体的情况和材料，而不脱离本发明的实质范围。因此，意图是，本发明并不限于作为预期用于实施本发明的最佳模式的所公开的具体实施方案，而是本发明将包括落入所附权利要求书范围内的所有实施方案。

Claims (25)

1.一种用于控制冷却系统中的经济器回路的方法，该方法包括以下步骤：

提供用于冷却系统的经济器回路，该经济器回路具有膨胀箱、入口管路和进给阀，该进给阀被置于入口管路内并且被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流；

测量用于冷却系统的至少一个系统工作参数；

根据所测得的至少一个系统工作参数计算用于该进给阀的阀位置；以及

将该进给阀调整到所计算出的阀位置，以控制在该膨胀箱内的液态制冷剂液位。

2.权利要求1的方法，其中该至少一个系统工作参数选自压缩机的负荷、在膨胀箱内的制冷剂的压力或者在膨胀箱内的制冷剂的温度。

3.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过根据在该蒸发器内进入的流体温度和离开的流体温度确定系统容量，来确定该压缩机上的负荷。

4.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测穿过该蒸发器的液体流来确定该压缩机上的负荷。

5.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过测量该压缩机的速度来确定该压缩机上的负荷。

6.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测变速驱动装置的运行频率来确定该压缩机上的负荷。

7.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测在该压缩机内的滑阀的位置来确定该压缩机上的负荷。

8.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测在膨胀箱内的压力来确定在膨胀箱内的制冷剂的压力。

9.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测在膨胀箱内的温度来确定在膨胀箱内的制冷剂的温度。

10.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测在压缩机内的吸入压力和排出压力来确定在膨胀箱内的制冷剂的压力。

11.权利要求2的方法，其中该测量至少一个系统工作参数的步骤包括通过检测在压缩机内的吸入温度和排出温度来确定在膨胀箱内的制冷剂的温度。

12.权利要求1的方法，其中该计算阀位置的步骤包括将所测得的该至少一个系统工作参数与在一映射中的条目相比较，以确定用于该进给阀的位置。

13.权利要求12的方法，其中该映射使得该所测得的至少一个系统工作参数以及至少一个附加标准与用于进给阀的工作位置相关联。

14.权利要求13的方法，其中该至少一个附加标准选自一个组，该组包括与该进给阀的至少一个工作位置对应的用于该进给阀的至少一个横截面通流面积、至少一个用于调整进给阀的工作位置的电动机的启动要求、以及基于一个系统运行条件范围上的多个所测得的工作参数下的压缩机的性能。

15.权利要求14的方法，其中该系统工作参数的范围基于所测得的或者计算出的压缩机的映射。

16.一种用于经济器回路的液位控制系统，该经济器回路具有被置于入口管路内并且被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流的进给阀，该控制系统包括：

关于该进给阀的多个工作位置的映射，该多个工作位置中的每一个工作位置关联于该进给阀的预定位置以及在膨胀箱内的制冷剂量，该进给阀的预定位置以及在膨胀箱内的制冷剂量对应于进给阀的该预定位置的流速，该映射被配置为使得该多个进给阀工作位置与多个预定的系统工作参数相关联；

微处理器，该微处理器被配置为控制该进给阀的位置以控制在膨胀箱内的液态制冷剂的液位；以及

其中该微处理器基于该映射产生一个控制信号来定位制冷系统的可调阀机构，以控制该进给阀的运行。

17.权利要求16的系统，其中该映射由实验数据产生，该实验数据根据具体的系统工作参数或条件确定用于该阀的工作位置。

18.权利要求16的系统，其中该映射由计算出的数据产生，该计算出的数据根据具体的系统工作参数或条件确定用于该阀的工作位置。

19.权利要求16的系统，也包括至少一个上液位开关，以确定膨胀箱的制冷剂液位高于预定最高制冷剂液位；以及至少一个下液位开关，以确定预定最低制冷剂液位；该上和下液位开关被配置为产生一个信号，以指示微处理器液位何时超过分别的最高或最低制冷剂液位。

20.权利要求16的系统，其中该预定系统工作参数选自压缩机的负荷、在膨胀箱内的制冷剂的压力或者在膨胀箱内的制冷剂的温度。

21.权利要求20的系统，其中通过根据在该蒸发器内进入的流体温度和离开的流体温度确定系统容量，来确定该压缩机上的负荷。

22.权利要求20的系统，其中通过检测穿过蒸发器的液体流、测量压缩机的速度、检测变速驱动装置运行频率、或者检测在压缩机中滑阀的位置中的至少一种方式来确定该压缩机上的负荷。

23.权利要求20的系统，其中在膨胀箱内的制冷剂的压力通过检测在膨胀箱内的压力或者检测压缩机内的吸入压力和排出压力中的至少一种方式来确定。

24.权利要求20的系统，其中在膨胀箱内的制冷剂的温度通过检测在膨胀箱内的温度或者检测在压缩机内的制冷剂的吸入温度和排出温度中的至少一种方式来确定。

25.一种冷却系统，包括：

制冷剂回路，其具有被连接在闭合的制冷剂环路中的压缩机、冷凝器机构、膨胀阀和蒸发器机构；

经济器回路，其连接到制冷剂回路，该经济器回路包括膨胀箱、入口管路和进给阀，该进给阀被置于入口管路内并且被配置为控制到达膨胀箱的制冷剂流；以及控制板，该控制板包括：

关于进给阀的多个工作位置的映射，该多个工作位置的每一工作位置关联于进给阀的预定位置以及在该膨胀箱内的制冷剂量，该进给阀的预定位置以及在该膨胀箱内的制冷剂量对应于该预定位置的流速，该映射被配置为使得进给阀的该多个工作位置与多个预定的系统工作参数相关联；

微处理器，该微处理器被配置为控制该进给阀的位置以控制在膨胀箱内的液态制冷剂液位；以及

其中该微处理器基于该映射产生一个控制信号来定位该进给阀。

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