CN101627268B - 通过降低吸气压力提高效率的脉宽调制 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种减少在快速循环空载模式下操作的压缩机中部分地压缩制冷剂所需的能量的方法。当压缩机进入空载工况时，吸气管道上的阀关闭。通过这种方法，在空载工况下，部分地压缩压缩机内的制冷剂所需的能量显著减少。

Description

通过降低吸气压力提高效率的脉宽调制
技术领域
本发明涉及到一种提高加热通风、空气调节和制冷(HVAC&R)系统的效率的方法，其中当希望减小系统容量时，压缩机在快速循环空载模式下运行。本发明旨在显著降低空载工况下所作的压缩功，此时没有或者少量制冷剂被抽取通过压缩机。
背景技术
制冷系统被应用于各种应用中，如空气调节器、热泵、制冷装置，等等。众所周知，制冷剂在压缩机内被压缩，然后在制冷系统内循环，以调节如空气等被供应给气候受控室内环境的次级流体。大部分情况下，制冷系统空载运行，因为在受调节环境下，不需要满负载来补偿热载荷的各个部分。因此，需要尽可能高效率地运行制冷系统，尤其是在部分负载工况下。
提高压缩机效率是设计工程师的目标，因为压缩机通常代表了制冷剂系统中的最大能量损耗源。压缩机通过将制冷剂从吸气压力压缩至排气压力来消耗能量。制冷剂系统采用本领域中已知的控制器监测受调节环境中的温度和湿度并将它们维持在特定的容许范围内，并在受调节环境中的热载荷和制冷系统容量需求减小时，通过压缩机卸载来调节由该制冷剂系统提供的容量。
通过压缩机卸载从而减小制冷剂系统容量的各种方法是已知的。在一种已知的方法中，被称为涡旋压缩机的压缩元件被允许以快速周期性速率相互接合和分离，通常在5至30秒的区间之内。当两个压缩元件接合时，压缩机提供满载容量。当两个压缩元件分离时，它们不再压缩制冷剂以及不再在系统中循环该制冷剂。
另一种卸载压缩机的方法是，允许至少一部分被压缩制冷剂返回到吸气管道。
在任一情况下，为了压缩压缩机内的剩余制冷剂都需要消耗数量可观的功率。例如，在上述系统中，当涡旋压缩机元件被允许互相分离时，对剩余制冷剂上仍产生压缩，导致压缩功的损失和制冷剂系统效率的降低。
本发明在部分负载情况下，减少被浪费的压缩功，提高了制冷系统效率。
发明内容
在本发明所揭露的实施例中，当压缩机运行在空载模式下时，控制流入压缩机的吸气制冷剂流的吸气阀关闭。当压缩机回到正常负载模式下，阀打开(部分或者全部)。阀以快速的方式从打开位置移向关闭位置。阀循环速率正常在5秒至30秒的范围之内。选择循环速率，使阀的稳定性达到最佳，并允许受调节环境维持所要求的温度水平。如果阀循环太频繁，阀的稳定性就会得到损害。如果阀循环不足，受调节环境下的温度就不能得到精确控制。如果阀在关闭位置长时间停留，发动机过热也可能会发生，因为可冷却发动机的制冷剂数量减少。在这种情况下，当压缩机在空载模式下时，到达压缩泵元件的吸气压力减小。因此，在空载模式下操作压缩机所需要的功显著减少。所以，与现有技术相比，本发明改进了压缩机和整个制冷系统在部分负载条件下的效率
在一个实施例中，压缩机为带有两个涡旋压缩元件的涡旋压缩机。已知，制冷系统可利用脉宽调制控制器周期性开通和关闭进入腔室的加压制冷剂流，该腔室用于保持两个涡旋压缩元件互相接触。当两个涡旋压缩元件被保持互相接触时，它们能够压缩制冷剂并向下游将制冷剂输送给制冷系统内的其他元件。但是，脉宽调制控制器周期性地阻断了流向这个腔室的加压制冷剂流。在那个时候，涡旋元件能脱离互相接触。当涡旋元件互相不接触时，由于被卸载的涡旋元件之间的有限间隙，制冷剂在压缩机腔室内仍被压缩；但制冷剂不会被完全压缩。进一步地，在这样的系统中，位于排气管道上的流量控制装置一般阻断流向下游冷凝器的制冷剂流。相反地，泄流管路被打开以允许部分压缩的制冷剂回到吸气管道。通过在这些条件下阻断流向压缩机的吸气流，本发明减少了压缩机的工作量，并因此提高了制冷剂系统的效率。
在另一个实施例中，卸载条件只是简单地允许排气管道连通回到吸气管道。同样地，通过利用吸气阀控制器阻断吸气流，本发明降低了部分压缩制冷剂所需要的功率消耗。
通过以下简单描述的说明书和附图，本发明的这些和其他特征可以很好地被理解。
附图说明
附图1A为本发明第一实施例的示意图。
附图1B用图表表示本发明降低的能量损耗。
附图2显示另一个实施例。
具体实施方式
图1A所示为带有压缩机24的制冷剂系统20。压缩机24为涡旋压缩机，其具有与动涡盘24相互配合的静涡盘26。已知静涡盘26可以相对于动涡盘24轴向移动。腔室28接收来自源30的加压制冷剂流。在本领域里已知，当涡旋元件需要接合时，加压源通常处于较高压；当涡旋元件需要互相分离时，加压源通常处于较低压。通常，源的较高压力为排气压力，源的较低压力为吸气压力。在本领域里还已知的是，高压与低压之间的转换通过某种阀装置来完成。控制器32控制从源30至阀36的加压制冷剂流。通过控制流向腔室28的加压制冷剂流，静涡盘26能实现与动涡盘24的接触，或者允许其移离动涡盘24。在一个已知的实施例中，控制器32与电子控制器38连通，以通过利用脉宽调制技术来重复打开和关闭阀36。当阀36关闭时，通向腔室28的制冷剂流被阻断。在这些条件下，当静涡盘26被允许移离动涡盘24时，压缩机24就被有效地卸载。
在正常操作条件下，制冷剂在压缩机22内被压缩，然后穿过冷凝器40和膨胀装置42，被输送至蒸发器44。制冷剂通过吸气管道51回到压缩机22。但是，当希望降低容量时，控制器38与脉宽调制控制器32一起操作阀36，以利用脉宽调制技术重复而快速地打开和关闭阀36。当发生该情况时，静涡盘26元件被允许重复地移离或者移向动涡盘元件24。本系统的操作和控制为本领域公知技术。吸气阀46的控制为本发明的发明点。
在本发明中，图1B显示了正常条件下的操作，其中压缩机在吸气压力P1和排气压力P2之间压缩制冷剂。另外，在现有技术的空载条件下的操作在吸气压力P1和排气压力P3之间进行。
区域A所表示的功为现有技术系统中的所有损失的功。因为基本没有制冷剂被抽取通过压缩机，所有这部分功都是损失掉的。制冷剂从相对高的吸气压力P1被压缩至相对高的排气压力P3。这是所有被损失的功。
本发明通过阀46阻断经由管道51流向压缩机的吸气制冷剂流，降低了吸气压力P1’和排气压力P3’。通过阀46阻断管道51内的制冷剂流优选是发生后立即使涡旋压缩机元件分离。在这种情况中，由于制冷剂将被从压缩机下部壳体内抽取出来，因此阀46下游的吸气压力就会降低，下降至低压值P1’。当阀46下游的吸气压力P1’降低至可接受的水平时，涡旋元件分离。在这样的情形下，所损失的压缩功相当于图1B中B处的小很多的区域。因此，通过选择性地阻断经由吸气阀46流向吸气管道51的制冷剂流，当压缩机运行在空载工况下，压缩机22在空载模式下所需作的功的数量显著减少。当压缩机回到正常的压缩模式时，阀46被打开以允许正常流量的制冷剂进入压缩机22。值得注意的是，图1B所示区域只是压缩机能耗降低的图示和象征性说明，并不是精确实验的实验室结果。即便如此，本发明预期可显著节能。
图2所示为制冷剂系统80，包括压缩机82、下游的截止阀84、卸载管道86以及卸载管道86上的截止阀88。卸载管道86可以是如图2所示的将压缩制冷剂向下游输送至冷凝器的标准排气管道，卸载管道也可以连接至压缩过程中的中间压缩点。为了本申请中的权利要求，任一位置都表示为术语“排气管道”。冷凝器90、膨胀阀92和蒸发器94设置在压缩机80的下游。吸气截流阀96和卸载截止阀88都由控制器98控制。当希望减小容量时，阀84关闭，卸载阀88打开，吸气阀96关闭。与正常卸载操作相比，可取得如第一实施例所描述的好处。由于阀84关闭，为了防止排放管道84里的制冷剂超压，几乎在阀84关闭的同时打开阀88。阀84允许制冷剂在阀96的上游从旁路进入吸气管道。同样的，阀96一关闭就马上关闭阀84和打开阀88。如上文所解释的，完成上述动作是为了在卸载操作开始前减小阀96下游的吸气压力。压缩功图与图1B中斜阴影线区域“B“所代表的图类似。
可以理解是的，通过对两种不同卸载压缩机的方法的介绍，任何卸载压缩机的方式都得益于本发明的教导。可通过关闭入口流来降低压缩机所经历的吸气压力。通过这种方式，被浪费的压缩功也会被减少。
需要指出的是，许多不同压缩机类型都可以应用于本发明。例如，可采用涡旋式、螺杆式、旋转式或者往复式压缩机。
利用本发明的制冷剂系统可用于许多不同应用，包括但不限于，空气调节系统、热泵系统、海运集装箱设备、制冷载重拖车设备和超级市场制冷系统。
虽然描述了本发明的较佳实施例，但本领域技术人员应当明白，可以在本发明的范围内做出一些修改。因此，由权利要求决定本发明的实际范围和内容。

Claims (14)

1.一种制冷剂系统，包括：
压缩机，用于压缩制冷剂和将所述制冷剂输送至下游的冷凝器，位于所述冷凝器下游的膨胀装置，位于所述膨胀装置下游的蒸发器，和位于吸气管道上的吸气阀，该吸气管道从所述蒸发器通回至所述压缩机；
所述压缩机设置有快速循环空载模式，其中当压缩机处于所述空载模式时，介于所述压缩机和所述冷凝器之间的排气阀阻断从所述压缩机至所述冷凝器的制冷剂流，旁路管道使排气管道从所述压缩机连通回至所述吸气管道，所述旁路管道在所述吸气阀下游的位置处与所述吸气管道连通；以及
控制器，用于当所述压缩机进入所述空载模式中时关闭所述吸气阀和所述排气阀，所述空载模式通过打开第三阀产生，所述第三阀位于所述旁路管道上，所述第三阀允许来自排气管道的制冷剂流回至位于所述吸气阀下游的所述吸气管道。
2.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述控制器在同一时间关闭所述排气阀和打开所述第三阀。
3.根据权利要求1所述的制冷剂系统，其特征在于：所述吸气阀关闭后立即关闭所述排气阀。
4.根据权利要求3所述的制冷剂系统，其特征在于：所述吸气阀关闭后立即打开所述第三阀。
5.一种制冷剂系统，包括：
压缩机，用于压缩制冷剂和将所述制冷剂输送到下游的冷凝器，位于所述冷凝器下游的膨胀装置，位于所述膨胀装置下游的蒸发器，和位于吸气管道上的吸气阀，该吸气管道从所述蒸发器通回至所述压缩机；
所述压缩机设置有快速循环空载模式；
控制器，用于当所述压缩机进入空载模式中时关闭所述吸气阀；以及
所述压缩机为涡旋压缩机，该涡旋压缩机具有动涡盘和静涡盘、和用于保持所述动涡盘和所述静涡盘互相接触的偏压腔室，所述偏压腔室被周期性地供应压缩流体且周期性地释放该压缩流体，从而允许所述动涡盘与所述静涡盘重复地互相接触和脱离互相接触，当所述动涡盘和所述静涡盘脱离互相接触时，所述空载模式产生。
6.根据权利要求5所述的制冷剂系统，其特征在于：所述静涡盘接收来自所述静涡盘的基部后面的所述压缩流体的偏压力，所述偏压力移动所述静涡盘使其与所述动涡盘接触。
7.根据权利要求5所述的制冷剂系统，其特征在于：所述吸气阀关闭后，所述动涡盘和所述静涡盘被允许立即脱离互相接触。
8.一种操作制冷剂系统的方法，包括以下步骤：
(a)提供压缩制冷剂和将所述制冷剂输送到下游冷凝器的压缩机、位于所述冷凝器下游的膨胀装置、位于所述膨胀装置下游的蒸发器、和位于吸气管道上的吸气阀，该吸气管道从所述蒸发器通回至所述压缩机；
(b)为所述压缩机设置快速循环空载模式，其中当压缩机处于所述空载模式时，介于所述压缩机和所述冷凝器之间的排气阀阻断从所述压缩机至所述冷凝器的制冷剂流，旁路管道使排气管道从所述压缩机连通回至所述吸气管道，所述旁路管道在所述吸气阀下游的位置处与所述吸气管道连通；以及
(c)当所述压缩机进入空载模式中时关闭所述吸气阀和所述排气阀，所述空载模式通过打开第三阀产生，所述第三阀位于所述旁路管道上，所述第三阀允许制冷剂从所述排气管道流回至位于所述吸气阀下游的所述吸气管道。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：还包括在同一时间关闭所述排气阀和打开所述第三阀的步骤。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：关闭所述吸气阀后立即关闭所述排气阀。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：关闭所述吸气阀后立即打开所述第三阀。
12.一种操作制冷剂系统的方法，包括以下步骤：
(a)提供压缩制冷剂和将所述制冷剂输送到下游冷凝器的压缩机、位于所述冷凝器下游的膨胀装置、位于所述膨胀装置下游的蒸发器、和位于吸气管道上的吸气阀，该吸气管道从所述蒸发器通回至所述压缩机；
(b)为所述压缩机设置快速循环空载模式；
(c)提供用于当所述压缩机进入空载模式中时关闭所述吸气阀的控制器；以及
(d)所述压缩机为涡旋压缩机，该涡旋压缩机设有动涡盘和静涡盘，并提供用于保持所述动涡盘和所述静涡盘互相接触的偏压腔室，所述偏压腔室被周期性地供应压缩流体且周期性地释放该压缩流体，从而允许所述动涡盘和所述静涡盘重复地互相接触和脱离互相接触，当所述动涡盘和所述静涡盘被允许脱离接触时，所述空载模式产生。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述静涡盘接收来自所述静涡盘的基部后面的所述压缩流体的偏压力，所述偏压力移动所述静涡盘使其与所述动涡盘接触。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：关闭所述吸气阀后，所述动涡盘和所述静涡盘被允许立即脱离互相接触。
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