CN101501412B - 制冷系统以及控制制冷系统的方法 - Google Patents

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Abstract

所提供的制冷系统具有脉宽调制阀。压缩机温度被监控以防止由于压缩机内部的高温导致的潜在的可靠性问题和压缩机故障。控制器改变脉宽调制阀的占空比，以便在达到期望的容量、符合条件环境下的设计要求、并且不会损害制冷系统可靠性的同时，将温度维持在指定极限值内。当压缩机温度增加时，脉宽调制阀的占空比时间被调节，以确保足够量的制冷剂环流通过压缩机，从而冷却压缩机内部部件。

Description

制冷系统以及控制制冷系统的方法
技术领域
本申请涉及用于吸入阀的脉宽调制控制，从而使制冷系统能够以高效且经济的方式提供连续且准确的容量调节，其中压缩机温度被监控，以便从性能、舒适度和可靠性角度为脉宽调制方法确定优化的占空比。
背景技术
制冷系统被用在很多应用中，例如调节室内环境或冷藏空间。例如，空调和热泵被用于冷却和/或加热进入环境中的空气。这种条件环境下的冷却或加热负载可随着周围条件、内部热负载的产生而变化，并且随着环境居住者对温度和/或湿度水平的需求或对条件空间的要求的改变而变化。因此，制冷系统的操作和控制必须对这些变化做出充分的反应，以便在保留其功能、性能和效率并且持续可靠工作的同时，维持环境中稳定的温度和湿度条件。
现有技术中已知的一种对制冷系统的容量调节进行辅助的方法是脉宽调制控制的使用。现有技术中已知应用脉宽调制控制使吸入阀以某一速率循环运转，以控制到达压缩机的制冷剂的流量，从而调节制冷系统容量。由于脉宽调制阀典型地在完全打开和完全关闭(或接近完全关闭)位置之间循环运转，在这样的部分负载工作期间，会产生最小的额外节流或其它明显的性能丧失。通过限制流经压缩机的制冷剂的量，容量可被减少至低于制冷剂系统满负载容量(大约为总容量以下的5％)的期望的水平，以便准确适应条件环境下的热负载。
吸入阀的脉宽调制引发的一个问题是，被传送进入压缩机吸入端口的制冷制的流量可能会明显减少。在很多压缩机设计中，吸入的制冷剂从马达上方经过，以冷却马达。如果流动通过压缩机吸入端口的制冷剂的量被明显减少，其可能不足以冷却马达。马达温度可能会显著上升并且超过指定极限，而这又导致永久性的马达损坏和灾难性故障。另外，由于依赖较小量的制冷剂来冷却马达，该制冷剂可能变得极热，并且可能将这种热传递给其它的压缩机部件，使这些部件过热(包括使润滑这些压缩机部件的油过热)是非常不希望的。同样，当压缩机工作在脉宽调制模式时，在脉宽调制阀被关闭或接近关闭的循环部分的期间，工作压力比可达到非常高的值。高压力比的工作与过高的马达发热的结合可导致压缩机排放管道处或压缩部件内的高排放温度。因此，如果脉宽调制技术被设置为使关闭的或接近关闭的吸入阀以相对长的周期循环运转，压缩机部件、油和制冷剂可能变得极热，导致潜在的压缩机稳定性问题和烦扰的停机。另外，制冷系统的热惯量可能不足以克服和防止条件环境下的温度和湿度变化，使居住者不舒服或者妨碍制冷。
另一方面，如果使阀循环运转的太频繁而不能最小化上限温度幅度，由于这种大量的循环，可能会增加吸入阀故障的风险，并且二次不稳定影响在整个系统传播，干扰其正常的功能。
因此，需要提供一种方法来控制脉宽调制阀的占空比，以消除所有上述不期望的现象。
发明内容
在本发明公开的实施例中，脉宽调制控制被提供用于选择性地改变从蒸发器向下游压缩机流动的制冷剂的量。通过调节流动通过采用脉宽调制技术控制的吸入阀的制冷剂的量，制冷系统提供的容量可被连续且准确地调节，以适应条件环境下的热负载需求。控制器监控表示压缩机温度的参数，并且确保该温度不超过指定极限值(在误差带内)。
由脉宽调制方法控制的吸入阀的占空比被选择为以确保温度停留在预定极限值以下。在公开的实施例中，在马达处、压缩机单元处、排放管道处、压缩机泵设置的出口处、或其它相关的位置处监控与压缩机温度相关的温度。当温度将要接近预定极限值时，吸入阀的脉宽调制循环速率被调节到较高的值，以将温度保持在指定极限值以下。类似地，只要温度被维持在该域值以下，则不需要调节阀循环速率。另一方面，如果循环速率(单位时间的循环次数)过快(例如，从阀的稳定性来考虑)，则控制器将降低该速率，同时仍然保持测量的温度在预定域值以下。
此外，也可以根据工作条件、条件环境中允许的温度以及湿度变化、吸入阀的可靠性限制、制冷系统的效率目标、系统热惯量以及工作稳定性和功能性考虑等，来调节循环速率。可替换地，也可以利用一些适用的控制器，其中控制器“学习”占空比的变化是如何引起压缩机温度的变化。本领域技术人员将认识到如何提供这样的控制器。
本发明的这些和其它特征能够从下面的说明和附图中最佳地理解，下面是简要描述。
附图说明
图1示出了结合本发明的制冷系统示意图。
图2示出了脉宽调制控制的时间-压力图，包括有温度随时间的变化趋势。
具体实施方式
图1示出了包括压缩机22的制冷系统20，压缩机22压缩制冷剂并且将该制冷剂向下游传送到冷凝器24。该制冷剂向下游流动到膨胀阀28，随后到达蒸发器30。由脉宽调制信号控制的吸入阀34定位在蒸发器30的下游，而在压缩机22的吸入管道100的上游。控制器35调节和维持由脉宽调制信号控制的吸入阀34的占空比参数。
如所示，温度传感器36与压缩机22的马达102相关联。如已知的那样，制冷剂通过吸入管道100进入压缩机，从驱动压缩机泵单元104的马达102的上方流过。在公开的实施例中，压缩机为筒形压缩机，其包括由马达102驱动的轨道旋转部件105，和非轨道旋转部件108。此外，排放管道106接收压缩的制冷剂并且将该压缩的制冷剂传送到冷凝器24，这是已知的。温度传感器136被示出为位于排放管道上。温度传感器236被示出为与压缩机泵单元104相关联，并且特别是与非轨道旋转部件108相关联。这些位置的任何一个都是可接受的用于向控制器35提供温度反馈的位置。当然，任何其它的用于测量相关的压缩机或制冷剂温度的位置也是可行的。例如，温度传感器可被安装为测量压缩机油箱内的油温，或者测量当油经过压缩机内部的各种部件以冷却这些部件之后已经返回到压缩机油箱时的油温。如图1所示，温度传感器47可被安装为靠近或者位于油返回管道48上，所述油返回管道48将油排回压缩机油箱。同样，温度传感器49可被安装为测量压缩机油箱52中的油温。此外，温度传感器可被安装为监控压缩过程中的温度，或者被直接安置在制冷剂离开压缩部件的位置之后，如传感器安装位51所示。
如上所述，来自吸入管道100的制冷剂流入内压缩机腔115，随后流过马达102，以冷却马达。然而，当控制器35已经关闭或者接近关闭阀34(在关闭循环期间)时，流过马达的制冷剂急剧减少。由于马达连续工作，尽管是以明显减小的负载连续工作，马达也可能不能被充分冷却，其温度可能上升到允许的极限之上，而这又可能导致永久性的马达损坏和灾难性的故障。另外，由于依赖于较低量的制冷剂来冷却马达，该制冷剂可能会变得极热，并且会将这样的高温热量传递到其它的压缩机部件，以及润滑这些压缩机部件的油，这是非常不期望的。并且，当脉宽调制阀被关闭或接近关闭时，压缩机入口的吸入压力非常低；这导致很高的工作压力比(排放压力与吸入压力之比)。高压力比的工作与过高的马达发热的结合可导致压缩机排放管道处或压缩部件内的高排放压力。本发明监控温度传感器36、136或236位置处或其组合处的相关的温度，并且改变占空比的参数以确保与压缩机工作有关的温度将不会变的太高。为了本发明的目的，可以利用上述位置中的任何一个，或者其温度能够表示压缩机内部温度的任何其它位置。此外，虽然示出的是筒形压缩机，任何其它类型的压缩机也可以从本发明受益，例如螺旋压缩机、旋转式压缩机或往复式压缩机。
如图2所示，吸入阀34的占空比由脉宽调制信号控制。脉宽调制阀34在关闭位置(对应于平顶峰值位置“P”)和打开位置之间(对应于平顶谷值位置“V”)循环运转。应该注意的是，吸入阀34优选是常开阀，以便在故障事件中，其保持打开而不损害系统的稳定性。在公开的实施例中，例如，吸入阀34是能够快速循环运转的电磁阀。本发明改变占空比，或者改变阀处于打开和关闭位置的时间间隔。
图2还示出压缩机温度，其可以是图1的任意传感器监控到的温度。设置上限LU。同样可设置工作温度目标值LO，系统被期望为工作在该温度，而不允许任何超过上限LU的偏移。该测量的温度被维持为低于该极限值LU，而目标温度值为LO或以下。只要温度不超过该极限(在由测量精度、制造差异性、安装误差等限定的误差带内)，在仍能达到期望的容量、符合条件环境下的温度和湿度变化要求、并且不会盖过制冷系统的热作用的同时，阀以相对慢的速率循环运转。当温度接近上限LU时，吸入阀34以较高的速率循环运转，这会降低相关温度TC使之更接近目标温度值LO。应该注意的是，极高的循环速率可能会被吸入阀的可靠性和在制冷系统20传播的二次不稳定影响所限制。有时，也可能期望将温度维持在某个预设值之上。在此情况下，控制器将调节循环速率以确保温度不降到某个指定温度以下。这是可能发生的，例如，油箱52中的压缩机油的温度需要被维持在某一值以上，以确保油的粘度不会增加到某一域值之上，在该域值处可能会不利于将油传送给压缩机部件。在其它情况下，控制器可调节循环速率，使得温度波动的峰-峰值停留在某一范围内。当部件可能由于从低温到高温的大的波动而损坏，引发热疲劳时，这可能是所期望的。
如可从图2理解的那样，在温度曲线的“X”区域中，测量到的温度TC正接近上限LU。占空比(或者是阀被打开和关闭时峰“P”和谷“V”存在的时间)相对较长。然而，当控制器35检测到温度将要变得过高或者正以不可接受的高速上升接近上限LU(如所示的超过“X”区域)时，占空比变得更快速(循环时间减小)，使阀停留在打开和关闭状态的时间间隔更短。通过减小阀被打开和关闭所经过的循环时间tCYCLE，能够达到较低的峰值温度，而温度变化趋势逆转，远离指定的上限域置LU，如所示的曲线的“X”区域下游。因此，在将温度设置为如上所述的同时，本发明利用脉宽调制信号实现了吸入阀控制。必须注意到的是，制冷系统20提供的容量主要是由阀维持在打开和关闭位置上的时间间隔之比来控制的，而实际上独立于循环速率。因此，制冷系统容量没有被影响，而是被独立控制的。
此外，也可以根据工作条件、条件环境中允许的温度以及湿度变化、吸入阀的可靠性限制、制冷系统的效率目标、系统热惯量以及工作稳定性和功能性考虑来调节循环速率。
在另一特征中，控制器可以是在过去已经提供的自适应控制器，该自适应控制器“记忆”占空比的变化以及作为占空比变化结果的温度的变化。因此，控制器可随着时间的过去而“学习”以便更好地控制温度，并且得到所期望水平的温度处的脉宽操作。通过尝试不同的循环速率以建立将会在强制约束中产生最佳结果的循环速率，控制器还可搜索使脉宽调制的阀循环运转的最佳方式，例如在阀的最大循环速率处使脉宽调制的阀循环运转。
此外，脉宽调制的吸入阀可具有与不需要完全打开和完全关闭的位置对应的打开和关闭状态，这提供了系统控制和操作的额外的灵活性。此外，如果通过如上所述的减少循环时间而不能使温度进入可接受的极限值内，则阀保持在关闭位置的时间长度可以减小(同时将阀保持在打开位置的时间维持不变)。在此情况下，该单元将产生比需要的更多的容量，以便将条件环境冷却至预设水平，因此可能需要单元循环中的一些量(完全关闭压缩机)以便准确地匹配传送和需要的容量。
脉宽调制控制是已知，通过脉宽调制信号来操作的阀也已知。本发明利用这种已知的技术以独特的方式来达到目标，并且如上所述的从中受益。此外，虽然温度值被监控且与压缩机相关联，其它的被测参数(例如电流，功率抽取等)也可以表示压缩机内的实际温度。例如，基于已知的其它被测参数，例如吸入和排放压力、电压等，可以直接计算压缩机内部的温度。对于本申请的目的来说，这些参数将仍然落入用于控制吸入阀34以在压缩机内部或外部的期望位置处控制温度的权利要求的范围内。
尽管图1图示的是筒形压缩机，本发明也可扩展到其它类型的压缩机，包括(但不限于)螺旋压缩机、旋转式压缩机和往复式压缩机。本发明可被应用于空调系统、热泵系统和制冷系统等宽的范围内。这些系统的实例包括室内空调、住宅区空调和热泵安装站、商业区空调和热泵系统，以及用于超市、集装箱和卡车拖车应用的制冷系统。
尽管已经公开本发明的优选实施例，本领域普通技术人员应该认识到某些修改将落入本发明的范围内。为了该理由，应该研究后面的权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (52)

1.一种制冷系统，包括：
压缩机、定位在所述压缩机下游的冷凝器、定位在所述冷凝器下游的膨胀装置，以及定位在所述膨胀装置下游的蒸发器；
定位在所述蒸发器与所述压缩机之间的吸入脉宽调制阀；以及
控制器，其选择性地操作所述吸入脉宽调制阀，以便将制冷剂传送到所述压缩机，所述控制器可操作以便利用脉宽调制信号来操作所述吸入脉宽调制阀，所述脉宽调制信号的占空比被调节以控制与所述压缩机相关的温度。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述温度为检测到的温度。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述温度为根据在所述制冷系统中检测到的其它参数计算出的温度。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为马达驱动的压缩机。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述马达相关。
6.如权利要求5所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与环绕所述马达的制冷剂的温度相关。
7.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为筒形压缩机。
8.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为螺旋压缩机。
9.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为旋转式压缩机。
10.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为往复式压缩机。
11.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与制冷剂或压缩机排放管道相关。
12.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述压缩机泵单元相关。
13.如权利要求12所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述压缩机泵单元内的制冷剂温度相关。
14.如权利要求12所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与压缩机油相关。
15.如权利要求14所述的制冷系统，其特征在于，所述油温为所述压缩机油箱中的油温。
16.如权利要求14所述的制冷系统，其特征在于，所述油温为油返回到所述压缩机油箱之前的油的温度。
17.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，为所述温度设置上限，控制器监控所述温度并且将所述温度与所述上限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限以下。
18.如权利要求17所述的制冷系统，其特征在于，当所述温度接近所述上限时，所述占空比被修改为使得所述阀维持在打开和关闭的时间较短。
19.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述上限被吸入脉冲控制调制阀的可靠性限制。
20.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述上限被压缩机泵设置的可靠性限制。
21.如权利要求17所述的制冷系统，其特征在于，为所述温度设置下限，控制器监控所述温度并且将所述温度与所述上限和下限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限与所述下限之间。
22.如权利要求21所述的制冷系统，其特征在于，当所述温度接近所述上限时，所述占空比被修改为使得所述阀维持在打开和关闭的时间较短。
23.如权利要求17所述的制冷系统，其特征在于，所述上限被压缩机马达的可靠性限制。
24.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，为所述温度设置下限，控制器监控所述温度并且将所述温度与所述下限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述下限以上。
25.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，为高温和低温之间的温差设置上限，控制器监控所述温差，并且将所述温差与所述上限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温差维持在所述上限以下。
26.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述吸入脉宽调制阀是电磁阀。
27.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述压缩机为密封压缩机，其具有壳体和吸入管道，所述壳体内并入有所述压缩机马达和压缩机泵单元，而且所述吸入管道从所述蒸发器接收制冷剂，制冷剂穿过所述吸入管道进入所述密封压缩机壳体，并且经过所述压缩机马达以冷却所述压缩机马达。
28.一种制冷系统，包括：
压缩机、定位在所述压缩机下游的冷凝器、定位在所述冷凝器下游的膨胀装置，以及定位在所述膨胀装置下游的蒸发器；以及
所述压缩机包括：密封壳体，其密封压缩机泵单元和驱动所述压缩机泵单元的一部分的电动机，用于接收与所述压缩机相关的温度的控制器，以及定位在所述蒸发器和所述压缩机之间的吸入阀；以及
控制器，其可操作以利用脉宽调制信号来操作所述吸入阀，所述脉宽调制信号的占空比结合压缩机温度被控制，以确保所述压缩机温度不超过预定极限值。
29.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述马达相关。
30.如权利要求29所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与环绕所述马达的制冷剂的温度相关。
31.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与制冷剂或压缩机排放管道相关。
32.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述压缩机泵单元相关。
33.如权利要求32所述的制冷系统，其特征在于，所述温度与所述压缩机泵单元内的制冷剂温度相关。
34.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，为所述温度设置上限，控制器监控所述温度，并且将所述温度与所述上限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限以下。
35.如权利要求34所述的制冷系统，其特征在于，当所述温度接近所述上限时，所述占空比被修改为使得所述阀维持在打开和关闭的时间较短。
36.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，为所述温度设置下限，控制器监控所述温度，并且将所述温度与所述上限和所述下限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限与所述下限之间。
37.如权利要求36所述的制冷系统，其特征在于，所述下限被吸入阀的可靠性限制。
38.如权利要求36所述的制冷系统，其特征在于，所述下限被压缩机泵设置的可靠性限制。
39.如权利要求36所述的制冷系统，其特征在于，所述下限被压缩机马达的可靠性限制。
40.如权利要求28所述的制冷系统，其特征在于，所述吸入阀是电磁阀。
41.一种控制制冷系统的方法，包括以下步骤：
提供压缩机，定位在所述压缩机下游的冷凝器，定位在所述冷凝器下游的膨胀装置，定位在所述膨胀装置下游的蒸发器，以及定位在所述蒸发器与所述压缩机之间的吸入脉宽调制阀；以及
通过利用脉宽调制信号来操作所述吸入脉宽调制阀，选择性地操作所述吸入脉宽调制阀以便将制冷剂传送到所述压缩机，所述脉宽调制信号的占空比结合压缩机温度被控制，以确保所述压缩机温度不超过预定极限值。
42.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述温度与所述马达相关。
43.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述温度与制冷剂或压缩机排放管道相关。
44.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述温度与压缩机泵单元相关。
45.如权利要求41所述的方法，其特征在于，为所述温度设置上限，控制器将所述温度与所述上限进行比较，所述控制器调节所述吸入阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限以下。
46.如权利要求45所述的制冷系统，其特征在于，当所述温度接近所述上限时，所述占空比被修改为使得所述阀维持在打开和关闭的时间较短。
47.如权利要求45所述的方法，其特征在于，为所述温度设置下限，控制器监控所述温度，并且将所述温度与所述上限和所述下限进行比较，所述控制器调节所述吸入脉宽调制阀的占空比，以确保所述温度维持在所述上限与所述下限之间。
48.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述上限被吸入脉宽调制阀的可靠性限制。
49.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述上限被压缩机泵设置的可靠性限制。
50.如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述上限被压缩机马达的可靠性限制。
51.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述吸入阀是电磁阀。
52.如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述压缩机为密封压缩机，其具有壳体和吸入管道，所述壳体内并入有所述压缩机马达和压缩机泵单元，而且所述吸入管道从所述蒸发器接收制冷剂，制冷剂穿过所述吸入管道进入所述密封压缩机壳体，并且经过所述压缩机马达以冷却所述压缩机马达。
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