CN101563572B - 具有包含可调开口的吸入调节阀的制冷系统及其操作方法 - Google Patents

Abstract

为制冷系统中的吸入调节阀提供了一种脉宽调制控制器。通过吸入调节阀保持有意的小“泄漏”路径，以确保当脉宽调制控制器已经使吸入调节阀运动到闭合位置上时，压缩机外壳内部的压力不会减小到安全可靠性阈值以下，但是同时不会超过某个值，超过该值将使制冷系统效率低下地运行。不断地调节这个最小“泄漏”路径的大小，以确保压缩机外壳内部的最优压力得到保持，而不管蒸发器压力和其它运行条件。

Description

具有包含可调开口的吸入调节阀的制冷系统及其操作方法

技术领域

本申请涉及制冷系统。

背景技术

在本申请涉及的制冷系统中，吸入调节阀(或者在闭合位置上具有小的受控开口的其它类型的阀)设有脉宽调制控制器，以调节制冷系统容量。保持吸入调节阀的最小开口大小，以确保位于吸入调节阀下游的压缩机外壳内部的吸入压力不会降低到特定值以下。然而，这个最小开口大小是响应于系统运行的条件来调节的，以确保压缩机内的吸入压力接近容许的最小值，且不会不合需要地太高。

制冷系统是已知的，且其用于调节二次流体。作为一个实例，空气调节系统使输送到气候控制的环境中的空气冷却和干燥。制冷系统大体包括压缩制冷剂且通过排放管线将该制冷剂输送到第一热交换器的压缩机。制冷剂从第一热交换器通过膨胀装置，然后通过第二热交换器。制冷剂然后返回压缩机。

在各种条件下，制冷系统可提供超额的容量来冷却或加热供应到气候控制的环境的二次流体。已知有用于降低制冷系统的容量的许多方法。

降低容量的一种已知方法是提供用于位于压缩机上游的吸入阀的脉宽调制控制器，以控制从第二热交换器运动到压缩机的制冷剂的量。在用于吸入阀的脉宽调制控制器中，阀迅速地循环(打开和闭合)，以限制流向压缩机的制冷剂的量。这又限制了压缩机中压缩的制冷剂量和贯穿制冷系统而循环的制冷剂流，从而导致制冷系统的容量降低，且提供更高效的运行。

关于这种操作的一个挑战是压缩机外壳内的压力不应被降低到由压缩机可靠性考虑所限定的特定限值以下。作为一个粗略的准则，需要将压缩机外壳内的压力保持在至少1psia(磅/平方英寸(绝对压力))。然而，当吸入调节阀在脉宽调制控制器循环期间完全闭合时，有时，压缩机外壳内的压力可减小到这个特定的最小压力以下。在这种情况下，在用于压缩机马达的末端处可能会出现火花，这可导致末端损害。这种现象被称为“电晕放电”效应，而且这是不合需要的。

因此，在现有技术中已知的是，需要为吸入阀提供最小“泄漏”开口，否则在脉宽调制循环期间吸入阀将闭合，以防止压缩机吸气进入深真空区。同样，在另一种方法中，过去已经提出了脉宽调制阀周围的、包含小内径毛细管或小孔口的分支旁路管线，以通过提供备选的小“泄漏”路径以便于制冷剂流入压缩机中，来防止压缩机吸气进入深真空中。虽然现有技术确实提供了对容量的较好控制，但是“泄漏”开口通常大小设置成确保了压缩外壳中的吸入压力在所有运行条件都超过特定的最小压力。

然而，当吸入阀在闭合位置上时，取决于开口的上游的压力，对于大小不变的开口，压缩机外壳内部的下游压力变化相当大。蒸发器压力取决于制冷系统的运行条件可改变至少一个数量级。因此，在现有技术中，在蒸发器处的高压运行条件下，压缩机内部的吸入压力也将大大高于可认为是对最小压力而言合乎需要的、以便避免“电晕放电”效应的压力。使吸入压力大大超过这个阈值是不合需要的，因为这降低了在脉宽被调制的模式下运行的制冷系统的效率。因此，现有技术不能将压缩机内部的吸入压力有效地控制成在所有运行条件下都刚好超过可接受的阈值而同时避免“电晕放电”。

发明内容

在本发明的一个公开的实施例中，对吸入调节阀的控制使用脉宽调制控制器来操作吸入调节阀，以降低制冷系统容量。当阀在闭合位置上时，控制器取决于制冷系统运行条件来改变阀中的最小开口或“泄漏”开口的大小。在一个公开的实施例中，控制制冷系统运行条件将是吸入调节阀的上游的压力。这个压力通常与蒸发器内部的压力相关联，且非常近似于蒸发器内部的压力。蒸发器压力可由传感器其中之一测量，并且登记的值与吸入调节阀的期望最小开口有关，以实现压缩机外壳内的最小期望压力。已知的是，阀的开口越小，通过该阀的压降越大，因此，对于相同的上游蒸发器压力，可通过改变这个开口的大小来控制下游压缩机吸入压力。这样，就消除了现有技术的这个问题：在吸入调节阀处于闭合位置上的时段期间，在较高的蒸发器压力条件下，使吸入压力远远超过压缩机外壳内的最小阈值压力。

根据以下说明和附图可最佳地理解本发明的这些和其它特征，在其之后是简要说明。

附图说明

图1是结合本发明的制冷系统的一个示意图。

图2显示了现有技术中的脉宽调制控制器的操作。

图3A和图3B显示了现有技术系统的问题。

图4是阐明本发明的特征的图表。

具体实施方式

图1中说明了制冷系统20。制冷系统20结合了压缩制冷剂且将制冷剂向下游输送到冷凝器24的压缩机22。来自冷凝器24的制冷剂通过膨胀装置26，然后到达蒸发器28。来自蒸发器28的制冷剂通过吸入调节阀30，且回到压缩机22。已知的是，用于吸入调节阀30的控制器34可提供脉宽调制控制，以在打开位置和闭合位置之间迅速地改变通过阀30的开口的大小，以便限制从蒸发器28通到压缩机22的制冷剂的量。这样，可实现在制冷系统20部分负载运行期间降低容量。

如图2所示，制冷系统容量随着时间的推移在最大值(完全打开吸入调节阀)和最小值(闭合为具有最小开口的吸入调节阀)之间循环，从而使得平均容量小于没有脉宽调制控制的满载容量。

图3A和图3B阐明了现有技术的缺点。如上所述，通常穿过吸入调节阀而保持某“泄漏”路径，以确保相对小量的制冷剂确实到达压缩机22，且从而在压缩机外壳52内保持最小吸入压力。该最小压力介于0.5psia和3psia之间。如以上所阐明，用于压缩机泵单元51的马达50接收在压缩机外壳52内。如果压缩机外壳52内的压力变得过低，则可能出现不合需要的“电晕放电”效应。出于这个原因，通常提供制冷剂“泄漏”路径来防止压缩机进入深真空区。然而，这个最小“泄漏”路径的大小通常设计成以便确保压力在所有运行条件下都将永远不会降到特定的最小压力(例如，1psia)以下。例如，如图3B所示，如果最小期望上游压力P_上游等于30psia，则最小开口的大小设计成使得吸入调节阀闭合位置处的下游压力P_下游为1psia。然而，在100psia的P_上游压力值下，对于吸入调节阀30的相同量的开口，如图3A所示，P_下游为大约6psia，但对于最高效的运行而言，将需要在吸入调节阀的下游同样具有1psia的压力。

图4显示了当阀在闭合位置上时对于通过脉宽调制阀的三个不同最小开口大小(例如，开口A1、开口A2和开口A3)的吸入调节阀下游压力(P_下游)-吸入调节阀上游压力(P_上游)的图表。开口越大，对于相同的P_上游压力的P_下游压力就越大。如图4所表明，A1是最大的最小开口大小，A3是最小的最小开口大小，且A2最小开口大小介于A1和A3开口大小之间。如可从图4中看出，当阀具有最大的最小开口大小A1时，当上游压力P_上游等于30psia时，下游压力P_下游等于1psia。另外，对于相同的开口A1，当P_上游等于100psia时，P_下游等于6psia。然而，合乎需要的是具有1psia的下游压力P_下游，而不管上游压力P_{上 游}。通过具有可调的最小吸入调节阀开口，即当P_上游压力等于30psia时，最小吸入调节阀开口必须在A1处，并且当P_上游压力等于100psia时，最小吸入调节阀开口必须在A3处，可实现1psia的该P_下游压力。

如可从图1理解，压力传感器32可布置在吸入调节阀30的上游，以测量上游压力P_上游。另一个传感器44可布置在吸入调节阀30的下游，以测量吸入调节阀30的下游压力P_下游(该下游压力对应于且通常紧密地近似于压缩机外壳内部的吸入压力)。从图4中的图表可看出，当吸入调节阀在闭合位置上时，可选择提供了合乎需要的1psia的下游压力P_下游的最小吸入调节阀开口的合乎需要的面积“A”。应当注意，示例性的图4仅显示了对于不同面积“A”开口的三条曲线，且更精确的图表将发展有对应于面积“A”的更多更加紧密地间隔开的线条，从而可通过内插在对应于这个图表上显示的面积的线条之间，来精确地选择合乎需要的面积“A”。因此控制器34不仅驱动吸入调节阀30，以使其具有打开位置和闭合位置之间的脉宽调制运动，而且还取决于运行条件(且特别地为吸入调节阀30的上游压力P_上游)来调节用于吸入调节阀30的最小开口，以保持1psia的P_下游压力，而不管上游压力P_上游。因此，可以总是使压缩机外壳52内的压力保持接近最小压力(例如，1psia)，而不是比期望的高(导致制冷系统20的运行中的不可逆转的效率损失)。

作为开发图4所示的图表的替代，制冷系统20可具有反馈控制器，其中可基于由正测量下游压力P_下游的传感器44检测到的压力来调节用于脉宽调制阀30的最小开口的量。当脉宽调制阀30在闭合位置上时，如果传感器44测得P_下游的值远高于1psia，则减小用于脉宽调制阀30的最小开口大小。在下游压力P_下游正倾向于下降到1psia以下的情况下，则增大用于吸入调节阀30的最小开口大小。控制器34还可在学习模式中运行，或者可在当控制器34学习关于上游压力P_{上 游}需要多少量的开口来保持接近1psia的下游压力P_下游时的模式中运行。

图4呈现的图表是示例性的，且仅出于说明目的而显示，因为曲线的准确形状将取决于特定的压缩机大小和类型、制冷剂类型等。除了依赖于上游压力的测量值P_上游之外，还可测量其它参数以对闭合位置上的脉宽调制阀30所需的最小开口面积的建立进行微调(例如阀的上游和下游的温度等)。虽然使用了涡旋式压缩机来说明本发明，但是其它压缩机类型将落在本发明的范围之内，包括例如旋转式、螺杆式和往复式压缩机。本发明可应用于各种类型的系统，且可包括制冷容器和卡车拖车系统、超级市场安装、家居空气调节和热泵系统以及屋顶单元。最后，如上所述，能够调节最小开口大小的其它阀类型将处于本发明的范围之内且可同等地受益于本发明。

虽然已经公开了本发明的一个优选实施例，但是本领域普通技术人员将认识到，某些修改将处在本发明的范围之内。由于该原因，应当研究所附的权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种制冷系统，其包括：

压缩机，所述压缩机具有泵单元和马达，所述马达和所述泵单元安装在外壳内，所述压缩机将制冷剂输送到第一热交换器，制冷剂从所述第一热交换器通过膨胀装置并到达第二热交换器，制冷剂从所述第二热交换器通过吸入阀并回到所述压缩机，已经通过所述吸入阀的制冷剂传送到所述压缩机外壳中，并且传送到容纳所述电动马达的腔室中；以及

用于所述吸入阀的控制器，所述控制器可操作以使所述吸入阀在打开位置和闭合位置之间迅速地循环，以调节所述制冷系统的容量，并且所述吸入阀在所述闭合位置上保持最小开口面积，所述控制器选择所述最小开口面积，以确保当所述控制器已经使所述吸入阀运动到其闭合位置上时，用于所述压缩机的所述外壳内的压力接近最小预定压力。

2.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述吸入阀是吸入调节阀。

3.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述最小预定压力介于0.5psia和3psia之间。

4.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述最小开口由所述控制器基于与所述第二热交换器相关联的压力来选择。

5.根据权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，所述压力在所述第二热交换器的下游和所述吸入阀的上游的位置处测量。

6.根据权利要求4所述的制冷系统，其特征在于，确定所述压力和用于所述吸入阀的所述最小开口之间的关系，以确保所述压缩机外壳内的压力接近所述最小预定压力，并且所述控制器利用所述关系来选择所述最小开口。

7.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述最小开口由所述控制器基于表明所述压缩机外壳内的所述压力的压力测量值来选择。

8.根据权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，如果所述压缩机外壳内的所述压力高于预期，则所述控制器减小所述最小开口。

9.根据权利要求7所述的制冷系统，其特征在于，如果所述压缩机外壳内的所述压力低于预期，则所述控制器增大所述最小开口。

10.根据权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述吸入阀的所述迅速循环由控制器使用脉宽调制技术来执行。

11.一种操作制冷系统的方法，其包括以下步骤：

(1)提供压缩机，所述压缩机具有泵单元和马达，所述马达和所述泵单元安装在外壳内，所述压缩机将制冷剂输送到第一热交换器，制冷剂从所述第一热交换器通过膨胀装置并到达第二热交换器，制冷剂从所述第二热交换器通过吸入阀并回到所述压缩机；已经通过所述吸入阀的制冷剂传送到所述压缩机外壳中，并且传送到容纳所述电动马达的腔室中；以及

(2)使所述吸入阀在打开位置和闭合位置之间迅速地循环，以调节所述制冷系统的容量，并且所述吸入阀在所述闭合位置上保持最小开口面积，所述控制器选择所述最小开口面积，以确保当所述控制器已经使所述吸入阀运动到其闭合位置上时，用于所述压缩机的外壳内的压力接近最小预定压力。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述吸入阀是吸入调节阀。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述最小预定压力介于0.5psia和3psia之间。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述最小开口由所述控制器基于与所述第二热交换器相关联的压力来选择。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，所述压力在所述第二热交换器的下游和所述吸入阀的上游的位置处测量。

16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，确定所述压力和用于所述吸入阀的所述最小开口之间的关系，以确保所述压缩机外壳内的压力接近所述最小预定压力，并且所述控制器利用所述关系来选择所述最小开口。

17.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述最小开口由所述控制器基于表明所述压缩机外壳内的所述压力的压力测量值来选择。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，如果所述压缩机外壳内的所述压力高于预期，则所述控制器减小所述最小开口。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，如果所述压缩机外壳内的所述压力低于预期，则所述控制器增大所述最小开口。

20.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，利用所述吸入阀的脉宽调制控制器来发生权利要求2的所述迅速循环。

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