CN101986064B - 一种智能节流阀及其制冷回路系统 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种智能节流阀及其制冷回路系统，包括相互连接的节流阀体、智能调节控制器以及驱动机构，所述智能调节控制器采集所述节流阀体的阀门进出口两端的液体压力，当所述阀门进出口两端的液体压降处于一预定范围时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量，同时，液体流量的控制引入了流量控制模型，使节流阀的流量控制灵活，且适应性强、精确度高。使用了本发明所述智能节流阀的制冷系统可以实现多台压缩机共用一个氟系统，智能节流阀具有更快的响应速度和最小稳定过热度控制逻辑，能够达到千分之0.1精确的流量控制，型号可以满足各种空调冷量范围，可以大大地提高冷水机组的能效。

Description

一种智能节流阀及其制冷回路系统

技术领域

本发明涉及制冷系统节流的领域，特别涉及一种智能节流阀及其制冷回路系统。

背景技术

制冷空调行业已经有了100多年的发展历史，其中膨胀阀也有了70多年的历史。第一代膨胀阀为固定流口，没有任何调节能力，紧随其后是手动膨胀阀。由于具有一定的调节能力，热力膨胀阀作为制冷系统的节流装置应用非常广泛，并且持续了大半个世纪。为了进一步提高膨胀阀的调节能力，实现高能效，电子膨胀阀随之间世。电子膨胀阀之所以如此广泛应用的另一个主要原因是目前对节能的呼吁越来越高。节能问题已经成为世界性的问题，从不断上涨的石油价格可见一斑。中国空调行业也在2004年出台了空调机组的能效等级标准，旨在敦促行业内的空调生产厂家提高其机组的能效。由于电子膨胀阀的价格昂贵而且型号有限，只有50冷吨，100冷吨，250冷吨和400冷吨，最大只能达到400冷吨，目前只有少数几个欧美厂家对电子膨胀阀进行垄断，目前，在螺杆式冷水机组中，绝大多数厂家的多机头机组的制冷剂回路采用的是完全独立的回路，即相对于每台压缩机，制冷剂从蒸发器到压缩机再到冷凝器，流经过滤干燥器、EXV和孔板再回到蒸发器的整个流动过程是完全独立的，如图1所示，除了干燥过滤筒16，图1中显示每个部件均有两个，蒸发器包括蒸发器10、蒸发器11，压缩机包括压缩机12、压缩机13，冷凝器包括冷凝器14、冷凝器15，电子膨胀阀包括电子膨胀阀16、电子膨胀阀17。除了蒸发器和冷凝器管程流动的水是串联以外，制冷剂回路的完全独立使得双机头机组实际上完全相当于两台完全独立的机组。这种独立的回路系统技术方案也有以下缺点：

A.制造成本高。由于两套回路完全独立，因而管路系统特别是液体管路需要准备两套，这些零件包括电子膨胀阀、过滤干燥器、球阀等；控制检测和保护元件如蒸发温度和冷凝温度的传感器及变送器需要准备两套；在容器上除了胀接工作量加倍外，需要增加蒸发器和冷凝器中间管板各两块，需要增加中间垫片各一块。

B.部分负荷性能不能充分发挥优势。由于两个回路系统完全独立，当一台压缩机停机时，空闲的一半蒸发和冷凝面积不能被另一台压缩机所利用，限制了部分负荷时性能的提高潜力。

C.机组维修不方便。这种不方便特别表现在：1)当清洗铜管时，由于铜管可能没有完全对正而使清洗毛刷可能不能通过容器的整个长度，将增加清洗需要打开另端水室的工作量。2)尽管目前还未出现双机头机组铜管冻破和磨破的事故，但万一出现这种问题，在进行拔堵换管操作时，机组需要完全解体，这将大大地延长维修时间，增加维修工作量；

D.限制了机组上使用压缩机的数量，为了避免换热器管程水压降太大，制冷剂多回路机组一般最多使用两个压缩机。

如果使用电子膨胀阀作为节流机构，对于水冷冷水机组大于400冷吨时没有办法采用单一节流机构即多台压缩机共用一个氟系统，必须采用多个节流机构即多台压缩机使用多个氟系统，这样不但冷水机组的成本会大大升高，而且控制程序也会很复杂，现在只有少数几个欧美厂家能够生产电子膨胀阀，国内厂家没有此类研发成果。其中，日本专利(JP特开2001-324246A)公开了一种膨胀阀，其可以智能调节通过阀的制冷剂流量，但其未提出如何达到流量控制的灵活和具有较强的适应性、精确度。

发明内容

本发明的目的是提供一种智能节流阀，其具有对制冷剂的流量控制灵活，且适应性强、精确度高的特点。本发明还公开了利用该智能节流阀的制冷回路系统。

本发明提供一种智能节流阀，其适用于冷水机组氟系统管路，包括相互连接的节流阀体、智能调节控制器以及驱动机构，所述智能调节控制器采集所述节流阀体的阀门进出口两端的液体压力，当所述阀门进出口两端的液体压降处于一预定范围时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量，所述节流阀体的球形阀芯具有扇形流量孔，所述驱动机构驱动球形阀芯在节流阀体中转动时，所述节流阀体的液体流量随所述扇形流量孔的开闭面积而变化，所述智能调节控制器通过一流量控制模型进行所述节流阀体的液体流量控制，所述流量控制模型的输入参数为液体目标流量与液体实测流量的偏差e以及偏差e的变化量ec，其输出参数为所述节流阀体的球形阀芯转轴的旋转角度u。

所述阀门进出口两端的液体压降处于0.5Mpa-2Mpa时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量。

所述驱动机构包括依次连接的驱动电机、齿轮组、蜗杆轴以及涡轮，所述涡轮与驱动所述节流阀体的球形阀芯转动的轴套连接。

所述智能调节控制器的驱动回路连接所述驱动电机，以驱动所述电机旋转；所述智能调节控制器的编码器电路连接一电位器，所述电位器匹配所述节流阀体，用以反馈所述节流阀体的阀位。

另一方面，本发明还提供一种使用如前所述的智能节流阀的多机头共用制冷回路系统，包括蒸发器、压缩机、冷凝器、干燥过滤筒以及智能节流阀，所述蒸发器的输出端连接所述压缩机输入端，所述压缩机输出端连接所述冷凝器输入端，所述冷凝器输出端连接所述干燥过滤筒的输入端，所述干燥过滤筒输出端连接所述智能节流阀的输入端，所述智能节流阀的输出端连接所述蒸发器输入端。

采用本发明所述的一种智能节流阀及其制冷回路系统，包括相互连接的节流阀体、智能调节控制器以及驱动机构，所述智能调节控制器采集所述节流阀体的阀门进出口两端的液体压力，当所述阀门进出口两端的液体压降处于一预定范围时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量，且节流阀体的流量控制引入了流量控制模型建立智能控制的方式，使节流阀对制冷剂的控制灵活，切适应性强，精确度高。而使用了本发明所述智能节流阀的制冷系统可以实现多台压缩机共用一个氟系统，智能节流阀具有更快的响应速度和最小稳定过热度控制逻辑，能够达到千分之0.1精确的流量控制，型号可以满足各种空调冷量范围，可以大大地提高冷水机组的能效。

附图说明

图1为多机头多制冷回路系统流程图；

图2为本发明所述智能节流阀原理框图；

图3为所述智能节流阀结构图的主视图；

图4为所述智能节流阀结构图的侧视图；

图5为本发明中在大压降下制冷剂流量与制冷量变化曲线。

图6为机头共用制冷回路系统流程图。

图7为本发明所述的模糊控制图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

参见图2，图2显示了本发明所述智能节流阀原理框图，本发明提供的一种智能节流阀25，其适用于冷水机组氟系统管路，包括相互连接的节流阀体251251、智能调节控制器252以及驱动机构253253，所述智能调节控制器252采集所述节流阀体251的阀门进出口两端的液体压力，当所述阀门进出口两端的液体压降处于0.5Mpa-2Mpa时，所述智能调节控制器252控制所述驱动机构驱动所述节流阀体251动作，以调节通过所述节流阀体251的液体流量。

参见图2，所述智能调节控制器252包括整流器2521、DA转换器2522、RA/DA转换2523、放大回路2524、CPU2525、编码器电路2526、差动回路2527、比较回路2528、电子制动2529、驱动回路2530、电位器2531、机组传感器2532。所述智能调节控制器252的驱动回路2530连接所述驱动电机2531，以驱动电机旋转；所述智能调节控制器252的编码器电路2526连接一电位器2531，所述电位器2531匹配所述节流阀体251，用以反馈所述节流阀体251的阀位。

参见图3和图4，智能节流阀25的智能调节控制器252和驱动机构253放置在支架254上，驱动机构253通过轴套255驱动阀杆2513，从而带动球形阀芯2522在节流阀体251中转动。所述节流阀体251的球形阀芯2511具有扇形流量孔2512(可以设置为90度扇形)，所述驱动机构253驱动球形阀芯2511在节流阀体251中转动时，所述节流阀体251的液体流量随所述扇形流量孔2512的开闭面积而变化。

参见图2和图3，作为一实施例，所述驱动机构253包括依次连接的驱动电机2531、齿轮组2532、蜗杆轴2533以及涡轮2534，所述涡轮2534与驱动所述节流阀体251的球形阀芯2511转动的轴套255连接。

本发明开发出两种与控制相关的组合方式：智能节流阀与温度传感器配合——IECV+过热度控制；智能节流阀与液位传感器配合——IECV+液位控制。

通过所开发的专用智能调节控制器可以实现与工业级PLC、及其他控制器通讯或自主单独运行。控制器采用先进的工业级控制芯片和控制算法，采用内核为ARM7的工业级芯片，主频可以达到70Mhz，运算、处理速度将大大比市场上其他芯片快，抗干扰和可靠性大大的提高。可靠性可以媲美工业级PLC，运算速度和价格远远低于PLC。将专业控制程序存入芯片的Flash存储器中，并进行32位或128位加密。

PID控制是最早发展起来的应用经典控制理论的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其适用于建立精确数学模型的确定性控制系统。而实际工业控制过程中经常会遇到大滞后、时变、非线性的复杂系统，其中，有的参数未知或缓慢变化，有的存在滞后和随机干扰，有的无法获得精确数学模型等，应用常规PID控制不能达到理想的控制效果。另外系统的模拟PID控制算法呆板，整定不便，性能欠佳，对运行工况的适应性较差等，单纯采用PID控制往往不到满意的结果。模糊控制与控制理论有机地结合起来，可构造一类新型的智能控制系统，即Fuzzy-PID复合型控制系统。模糊控制与PID控制器两者结合起来后能扬长避短，既具有模糊控制灵活而适应性强的优点，又具有PID控制精确度高的特点。因此模糊控制并不是代替，而是拓展了传统的控制

本系统以制冷剂的流量为控制对象，针对流量控制的。所述智能调节控制器252通过一流量控制模型进行所述节流阀体251的液体流量控制，所述流量控制模型的输入参数为液体目标流量与液体实测流量的偏差e以及偏差e的变化量ec，其输出参数为所述节流阀的球形阀芯2511转轴的旋转角度u。

控制原理图如图7所示，以目标流量和制冷剂实测流量的误差为偏差e输入量，偏差的变化作为ec输入量，电动机或阀转轴旋转的角度为控制器输出量u。

e，ec，u对应的模糊变量分别为E，EC和U，3个变量的模糊状态选择如下。

E＝{NB，NM，NS，NZ，PZ，PS，PM，PB}

EC＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}

U＝{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}

每个模糊变量在其论域内可分成以下若干个等级。

E＝{e}＝{-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4}9档，

EC＝{ec}＝{-3，-2，-1，0，1，2，3}7档，

U＝{u}＝{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}11档。

根据实践经验，采用模糊条件推理，得出模糊控制规则表(见下表)。解模糊化采用最大隶属度平均值法。

E、EC、U

NB

NM

NS

Z

PS

PM

PB

NB

PB

PB

PB

PB

PM

PS

Z

NM

PB

PB

PM

PS

PS

Z

Z

NS

PB

PM

PM

PS

Z

Z

NS

NZ

PB

PM

PS

Z

Z

NS

NM

PZ

PM

PS

Z

Z

NS

NS

NB

PS

PS

Z

Z

NS

NS

NM

NB

PM

Z

Z

NS

NS

NM

NB

NB

PB

Z

NS

NS

/

/

NB

NB

参见图6，本发明还提供一种使用如前所述的智能节流阀的多机头共用制冷回路系统，包括蒸发器20、压缩机(压缩机21和压缩机22)、冷凝器23、干燥过滤筒24以及智能节流阀25，所述蒸发器20的输出端连接所述压缩机(压缩机21和压缩机22)输入端，所述压缩机(压缩机21和压缩机22)输出端连接所述冷凝器23输入端，所述冷凝器23输出端连接所述干燥过滤筒24的输入端，所述干燥过滤筒24输出端连接所述智能节流阀25的输入端，所述智能节流阀25的输出端连接所述蒸发器20输入端。

本发明的工作原理是：在冷水机组冷凝器和蒸发器液体管路上装有智能节流阀，在球形阀芯开带有特殊形状的流量孔(扇形流量孔)，节流阀通过智能调节控制器的驱动，在阀门进出口两端液体氟利昂存在较大压降时(0.5Mpa-2Mpa)能够根据冷水机组负荷的不同(冷水机组不同负荷下冷凝压力与蒸发压力的差值也是变化的)，准确控制流过阀门氟利昂的流量，控制精度达到0.0001，同时由于氟利昂有较大压降产生节流降温的作用。经过全负荷和部分负荷性能试验得出阀门的流量与冷水机组负荷的曲线，参见图5所示。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种智能节流阀，其适用于冷水机组氟系统管路，包括相互连接的节流阀体、智能调节控制器以及驱动机构，所述智能调节控制器采集所述节流阀体的阀门进出口两端的液体压力，当所述阀门进出口两端的液体压降处于一预定范围时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量，所述节流阀体的球形阀芯具有扇形流量孔，所述驱动机构驱动球形阀芯在节流阀体中转动时，所述节流阀体的液体流量随所述扇形流量孔的开闭面积而变化，其特征在于，所述智能调节控制器通过一流量控制模型进行所述节流阀体的液体流量控制，所述流量控制模型的输入参数为液体目标流量与液体实测流量的偏差e以及偏差e的变化量ec，其输出参数为所述节流阀体的球形阀芯转轴的旋转角度u。

2.如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，所述阀门进出口两端的液体压降处于0.5Mpa-2Mpa时，所述智能调节控制器控制所述驱动机构驱动所述节流阀体动作，以调节通过所述节流阀体的液体流量。

3.如权利要求1所述的节流阀，其特征在于，所述驱动机构包括依次连接的驱动电机、齿轮组、蜗杆轴以及涡轮，所述涡轮与驱动所述节流阀体的球形阀芯转动的轴套连接。

4.如权利要求3所述的节流阀，其特征在于，所述智能调节控制器的驱动回路连接所述驱动电机，以驱动所述电机旋转；所述智能调节控制器的编码器电路连接一电位器，所述电位器匹配所述节流阀体，用以反馈所述节流阀体的阀位。

5.一种使用权利要求1所述的智能节流阀的多机头共用制冷回路系统，其特征在于，包括蒸发器、压缩机、冷凝器、干燥过滤筒以及智能节流阀，所述蒸发器的输出端连接所述压缩机输入端，所述压缩机输出端连接所述冷凝器输入端，所述冷凝器输出端连接所述干燥过滤筒的输入端，所述干燥过滤筒输出端连接所述智能节流阀的输入端，所述智能节流阀的输出端连接所述蒸发器输入端。

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