CN102374714B - 热泵热水机的电子膨胀阀控制方法及其控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种热泵热水机的电子膨胀阀控制方法及其控制装置。电子膨胀阀的控制装置包括控制单元和步进电机，控制单元的输出端连接到步进电机，步进电机的输出轴连接电子膨胀阀，控制单元包括控制器、驱动电路和一组温度传感器，温度传感器固定热泵热水机的冷媒循环回路中，控制器包含目标过热度设定模块，实际过热度检测模块，调节速度设定模块和驱动信号生成模块。本发明将排气温度和水箱温度、环境温度进行综合判断，设定变化的目标过热度，能够正解地识别排气温度和电子膨胀阀的开度关系，满足热泵热水机变工况状态下不同循环流量的需求，从而达到热泵热水机高效、安全、稳定运行。

Description

热泵热水机的电子膨胀阀控制方法及其控制装置

技术领域

本发明涉及用于利用热泵的流体加热器，尤其涉及一种热泵热水机的电子膨胀阀控制方法及其控制装置。

背景技术

现在市场上的空气源热泵热水机节流方式主要采用热力膨胀阀或者毛细管，热力膨胀阀根据吸气温度，出口压力等参数进行调节，存在调节范围小，精度不高的缺陷，而毛细管系统节流深度不可调节。热力膨胀阀主要是根据空调工况而设计的，没有专门针对空气源热泵热水机这个特殊产品而设计的热力膨胀阀。空气源热泵热水机加热的水温范围5℃至55℃，工作的环境温度为-25℃至45℃，采用热力膨胀阀和毛细管在环境温度-10℃以下或30℃以上都不能有效的调节制冷剂流量，产品运行不稳定、节能效果不理想等众多问题就会随之出现。也有部分热泵热水机厂使用了电子膨胀阀作为空气源热泵热水机节流机构，但是采集的信号主要是按照吸气温度和翅片温度这两个参数值进行控制的，控制方法也不合理。中国发明专利“电子膨胀阀的控制方法、热泵装置自适应控制方法及装置”（专利号ZL200710187388.0，公开号CN101446463）公开了一种公开了电子膨胀阀的控制方法、热泵装置的自适应控制方法及装置，实现了根据排气温度调节热泵装置的制冷剂流量及节流程度,并且可快速获取电子膨胀阀最优开度,大大降低了滞后时间,实时地根据运行状态调整系统节流程度。但是，ZL200710187388专利在调节电子膨胀阀的开度时没有对水箱温度进行识别，不能根据水箱温度改变目标过热度，只根据排气温度调节电子膨胀阀开度。然而，在实际运行过程中，热泵热水机在不同水箱温度时的排气温度值变化很大，例如，在水箱温度20℃，排气温度正常值约为60℃，而当水箱温度为50℃时，排气温度的正常值约为105℃左右。如果仅仅根据ZL200710187388.0专利的排气温度控制方法，仅按照排气温度调节电子膨胀阀的节流深度，会导致热泵热水机在低水温时机组系统高低压压差太小，机组运行效率低、制热量低，甚至会出现润滑不正常的严重故障；而在高水箱温度时，又容易因节流深度过深，导致循环流量低、机组高压高，压缩机处于过负荷状态。另一方面，ZL200710187388专利是通过检测环境温度来调节风机的风速，调节风量，控制蒸发温度，但是，在环境温度一定时，通过调节风量并不能达到控制蒸发温度，只能提高机组的吸气温度，从而调大电子膨胀阀的开度。在高环境温度时，虽然通过降低风机风量，来达到降低吸气温度和排气温度，可以保护压缩机在高环境温度时运行在设计工况内，却会造成机组的蒸发效果变差，节能效果降低。

发明内容

本发明的目的是要提供一种热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，解决现有的热泵电子节流阀控制系统不能根据水箱温度、环境温度和排气温度综合状态调整目标过热度，不能依据热泵热水机变工况调节循环流量的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，所述热泵热水机的冷媒循环回路中包含串联接连的压缩机、水箱换热器、电子膨胀阀和翅片换热器，所述的电子膨胀阀的控制方法通过控制器进行控制，其特征在于所述的控制方法根据水箱温度Ts和环境温度Th，设定产品的目标过热度TSH，保证机组在不同水温和不同环境温度时，自行调节节流深度，保证在变水温时，合适的制冷剂流量；在低环境温度时，提高目标过热度TSH，增加机组的节流深度，保证制冷剂能充分蒸发，在高环境温度时，降低目标过热度TSH，降低节流深度，提高制冷剂的循环流量，所述的控制方法包含以下步骤：

S100)检测环境温度Th，确定电子膨胀阀初始开度Ks的步骤；

S200)按照初始开度Ks开启电子膨胀阀，等待预定的延迟时间t3的步骤；

S300)检测环境温度Th和水箱温度Ts，根据环境温度Th和水箱温度Ts设定目标过热度TSH：

1、当Th≥30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为8℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为5℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为3℃；

2、当7℃≤Th＜30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为10℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为7℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为5℃；

3、当Th＜7℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为12℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为9℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为6℃；

S400)检测压缩机吸气温度Tx和翅片温度Tc，确定实际平均过热度SH的步骤；

S500)比较目标过热度TSH和实际平均过热度SH，根据实际平均过热度SH与目标过热度TSH的差值，根据该差值设定电子膨胀阀的调节速度dK的步骤；

S600)执行调节动作改变电子膨胀阀的开度K的步骤；

S700)延时预定调节周期t1时间，返回步骤S300。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的一种更好的技术方案，其特征在于在所述步骤S300之后还包含：

S320)检测排气温度Tp，比较排气温度Tp和水箱温度Ts，修正目标过热度TSH的步骤。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的一种较佳的技术方案，其特征在于在所述步骤S500之后还包含：

S520)判断排气温度Tp范围，修正调节速度dK的步骤。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的一种改进的技术方案，其特征在于在所述步骤S400之后还包含：

S420)若吸气温度传感器或翅片温度传感器故障，则设定电子膨胀阀开度K为中间值Kz。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的进一步改进的技术方案还包含除霜与压缩机恢复运行状态控制的步骤，该步骤包括以下动作：

S620)储存电子膨胀阀当前开度Kc的步骤；

S640)若热泵热水机进入除霜状态，控制电子膨胀阀开到最大开度Km；

S660)等热泵热水机主控系统发出的压缩机恢复运行状态信号；

S680)将电子膨胀阀的开度调整为快速恢复开度Kh=Kc+Km/4，延时t3分钟后返回步骤S300。

本发明的另一个目的是提供一种热泵热水机的电子膨胀阀控制装置，解决现有的热泵电子节流阀控制装置不能根据水箱温度、环境温度和排气温度综合状态调整目标过热度，不能依据热泵热水机变工况调节循环流量的技术问题。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种使用上述电子膨胀阀控制方法的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置，所述热泵热水机的冷媒循环回路中包含串联接连的压缩机、水箱换热器、电子膨胀阀和翅片换热器，所述的电子膨胀阀的控制装置包括控制单元和步进电机，控制单元的输出端连接到步进电机，步进电机的输出轴连接电子膨胀阀；

所述的控制单元包括控制器、驱动电路和一组温度传感器，所述的一组温度传感器包括吸气温度传感器、排气温度传感器、翅片温度传感器、水箱温度传感器和环境温度传感器；

所述各温度传感器的温度信号输出端连接到所述控制器的输入端，所述控制器的输出端通过驱动电路连接到所述的步进电机；

所述的吸气温度传感器固定在压缩机吸气入口管路上，所述的排气温度传感器固定在压缩机排气管出口管路上，所述的翅片温度传感器固定在翅片换热器上，所述的水箱温度传感器设置在水箱换热器的水箱内，所述的环境温度传感器设置在热泵热水机的工作环境空间内，其特征在于：

所述的控制器包含目标过热度设定模块，实际过热度检测模块，调节速度设定模块和驱动信号生成模块，所述的环境温度传感器、水箱温度传感器和排气温度传感器连接到目标过热度设定模块的输入端，所述的吸气温度传感器和翅片温度传感器连接到实际过热度检测模块的输入端，所述目标过热度设定模块和实际过热度检测模块的输出端连接到调节速度设定模块的输入端，所述的调节速度设定模块的输出端连接到驱动信号生成模块的输入端，驱动信号生成模块的输出端连接到驱动电路的输入端。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置的进一步改进的技术方案是所述的控制器包含微处理器，AD转换单元和数据程序存储单元，所述的各个温度传感器通过AD转换单元连接到微处理器的输入端口，所述的驱动电路连接到微处理器的输出端口。

本发明的有益效果是：

本发明的技术方案可以根据水箱温度和环境温度，设定产品的目标过热度，保证机组在不同水温和不同环境温度时，自行调节节流深度，保证在变水温时，合适的制冷剂流量；在低环境温度时，提高产品的目标过热度，增加机组的节流深度，保证制冷剂能充分蒸发，避免因为蒸发不足导致压缩机因为回液而损坏。在高环境温度时，降低产品的目标过热度，降低产品的节流深度，提高制冷剂的循环流量，从而提高产品节能效果，同时产品在高负荷时也能安全稳定运行。

本发明的技术方案将排气温度和水箱温度、环境温度进行综合判断，设定变化的目标过热度，能够正解地识别排气温度和电子膨胀阀的开度关系，满足热泵热水机变工况状态下不同循环流量的需求，从而达到热泵热水机高效、安全、稳定运行。

附图说明

图1是本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的流程图。

图2是本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置的原理框图；

图3是本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置的结构示意图；

以上图中的各部件的标号：l00-压缩机,200-水箱换热器，300-电子膨胀阀，310-步进电机，400-翅片换热器500-控制单元，600-温度传感器（组），610-吸气温度传感器，620-排气温度传感器，630-翅片温度传感器，640-水箱温度传感器，650-环境温度传感器，700-控制器，710-目标过热度设定模块，720-实际过热度检测模块,730-调节速度设定模块，740-驱动信号生成模块，800-驱动电路。

具体实施方式

为了能更好地理解本发明的上述技术方案，下面结合附图和实施例进行进一步地详细描述。

图3是本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的流程图，本发明的热泵热水机控制方法通过本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置实现控制功能，通过控制器700进行控制。

在图1中，Tx为吸气温度，Tp为排气温度，Tc为翅片温度，Ts为水箱温度，Th为环境温度，TSH为目标过热度，SH为实际平均过热度。

在本发明的电子膨胀阀控制方法的下述实施例中，假定电子膨胀阀的开度范围为550步，正常调节范围为最小开度不能低于80步，最大开度不能超过480步，机组上电后，电子膨胀阀首先初始化复位，电子膨胀阀关闭550步，以保证初始状态为关闭状态。

图1所示的本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法包含以下步骤：

S100)检测环境温度Th，确定电子膨胀阀初始开度Ks：

然后通过环境温度传感器检测环境温度Th，计算初始开度Ks：

Ks=[(Th)*4+100]/4，在本实施例中，Ks为显示开度，实际开度=显示开度*8，如果实际开度小于250，则开到250步。

S200)按照初始开度Ks开启电子膨胀阀，等待预定的延迟时间t3分钟。在本实施例中，预定的延迟时间t3设定为3分钟。

S300)检测环境温度Th和水箱温度Ts，设定目标过热度TSH。本步骤通过环境温度传感器和水箱温度传感器检测环境温度Th和水箱温度Ts，根据以下条件确定目标过热度TSH：

1、当Th≥30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为8℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为5℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为3℃。

2、当7℃≤Th＜30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为10℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为7℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为5℃。

3、当Th＜7℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为12℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为9℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为6℃。

S400)检测压缩机吸气温度和翅片温度，确定实际平均过热度。本步骤通过吸气温度传感器和翅片温度传感器检测吸气温度Tx和翅片温度Tc，在连续30秒内，每5秒取样一次，计算Tx-Tc的平均值，作为实际平均过热度SH。

S500)比较目标过热度和实际平均过热度，设定调节速度。本步骤计算实际平均过热度和比较目标过热度差值，根据该差值设定电子膨胀阀的调节速度dK的绝对值：

1)若｜SH-TSH｜≥5℃，则电子膨胀阀每次调节4*8步；

2)若3℃≤｜SH-TSH｜＜5℃，则电子膨胀阀每次调节2*8步；

3)若0.3℃≤｜SH-TSH｜＜3℃，则电子膨胀阀每次调节1*8步；

4)若0≤｜SH-TSH｜＜0.3℃，则电子膨胀阀保持。

S600)执行调节动作改变电子膨胀阀的开度。本步骤按照步骤S500设定的调节速度调节电子膨胀阀，使电子膨胀阀的开度K=K+dK。

S700)延时预定调节周期时间，返回步骤S300。本步骤按照延时预定调节周期t1等待延时进入下一调节循环，在本实施例中，t1设定为1分钟。

在图1所示的实施例中，步骤S300之后还包含步骤S320，该步骤通过排气温度传感器检测排气温度Tp，比较排气温度Tp和水箱温度Ts，修正目标过热度TSH。本步骤根据以下条件修正目标过热度TSH：

1)当Ts≤30℃时，Tp-Ts≥40℃时，将TSH目标过热度值降低2。

2)当30℃＜Ts≤42℃，Tp-Ts≥45℃时，将TSH目标过热度值降低2。

3)当Ts≥42℃，Tp-Ts≥50℃时，将TSH目标过热度值降低3。

在图1所示的实施例中，在步骤S500之后还包含步骤S520，该步骤判断排气温度范围，根据以下条件修正调节速度：

当Tp105度时，电子膨胀阀每次强制加大40步，当排气温度Tp小于85度时，按正常速度进行过热度调节。

在图1所示的实施例中，步骤S400之后还包含步骤S420，该步骤判断吸气温度传感器和翅片温度传感器的状态，若吸气温度传感器或翅片温度传感器故障，不能获得正确的Tx或者Tc，则设定电子膨胀阀开度K为中间值Kz。在本发明的实施例中，电子膨胀阀开度Kz设定为中间值280步（显示开度为35）。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法的进一步改进的技术方案还包含除霜与压缩机恢复运行状态控制的步骤，该步骤包括以下动作：

S620)储存电子膨胀阀当前开度Kc的步骤：在进入除霜状态或者待机状态之前，控制器把当前开度值存储到数据存储单元中。

S640)若热泵热水机进入除霜状态，控制电子膨胀阀开到最大开度Km。在本实施例中，Km设定为480步。

S660)等热泵热水机主控系统发出的压缩机恢复运行状态信号。

S680)将电子膨胀阀的开度调整为快速恢复开度Kh，延时t3分钟后返回步骤S300。在本实施例中，快速恢复开度Kh=当前开度值Kc+Km/4=当前开度值Kc+120步。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置的第一个实施例如图2和图3所示，热泵热水机的冷媒循环回路中包含串联接连的压缩机100、水箱换热器200、电子膨胀阀300和翅片换热器400；控制装置包括控制单元500和驱动电子膨胀阀300的步进电机310，控制单元500的输出端连接到步进电机310，步进电机310的输出轴连接电子膨胀阀300。控制单元500包括控制器700、驱动电路800和一组温度传感器600。图3所示的温度传感器600表示一组温度传感器，包括分布在冷媒循环管路上的吸气温度传感器610、排气温度传感器620、翅片温度传感器630和水箱温度传感器640，以及设置在热泵热水机的工作环境空间内的环境温度传感器650。如在图2的实施例所示，吸气温度传感器610固定在压缩机100的吸气入口管路上，排气温度传感器620固定在压缩机100的排气管出口管路上，翅片温度传感器630固定在翅片换热器400上，水箱温度传感器640设置在水箱换热器200的水箱内，环境温度传感器650置于热泵热水机的工作环境空间内，例如，可以设置在本发明的控制装置的机体外部或者置于热泵热水机组的环境温度监测点上。温度传感器600的各个温度传感器的温度检测输出端，分别连接到控制单元500的输入端，为避免连线杂乱，图2中省略了各温度传感器与控制单元500之间的连接线。

在图3所示实施例中，控制器700包含目标过热度设定模块710，实际过热度检测模块720，调节速度设定模块730和驱动信号生成模块740，环境温度传感器650、水箱温度传感器640和排气温度传感器620连接到目标过热度设定模块710的输入端，吸气温度传感器610和翅片温度传感器630连接到实际过热度检测模块720的输入端，所述目标过热度设定模块710和实际过热度检测模块720的输出端连接到调节速度设定模块730的输入端，所述的调节速度设定模块730的输出端连接到驱动信号生成模块740的输入端，驱动信号生成模块740的输出端连接到驱动电路800的输入端。

本发明的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置的一个实施例是所述的控制器700包含微处理器，AD转换单元和数据程序存储单元，上述各个温度传感器通过AD转换单元连接到微处理器的输入端口，驱动电路800连接到微处理器的输出端口。

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的技术方案，而并非用作为对本发明的限定，任何基于本发明的实质精神对以上所述实施例所作的变化、变型，都将落在本发明的权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，所述热泵热水机的冷媒循环回路中包含串联接连的压缩机、水箱换热器、电子膨胀阀和翅片换热器，所述的电子膨胀阀的控制方法通过控制器进行控制，其特征在于所述的控制方法根据水箱温度Ts和环境温度Th，设定产品的目标过热度TSH，保证机组在不同水温和不同环境温度时，自行调节节流深度，保证在变水温时，合适的制冷剂流量；在低环境温度时，提高目标过热度TSH，增加机组的节流深度，保证制冷剂能充分蒸发，在高环境温度时，降低目标过热度TSH，降低节流深度，提高制冷剂的循环流量，所述的控制方法包含以下步骤：

S100)检测环境温度Th，确定电子膨胀阀初始开度Ks的步骤；

S200)按照初始开度Ks开启电子膨胀阀，等待预定的延迟时间t3的步骤；

S300)检测环境温度Th和水箱温度Ts，根据以下条件设定目标过热度TSH：

1、当Th≥30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为8℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为5℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为3℃；

2、当7℃≤Th＜30℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为10℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为7℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为5℃；

3、当Th＜7℃时

1)若Ts≤30℃，则TSH值为12℃；

2)若30℃＜Ts≤42℃，则TSH值为9℃；

3)若Ts≥42℃，则TSH值为6℃；

S400)检测压缩机吸气温度Tx和翅片温度Tc，确定实际平均过热度SH的步骤；

S500)比较目标过热度TSH和实际平均过热度SH，根据实际平均过热度SH与目标过热度TSH的差值，设定电子膨胀阀的调节速度dK的步骤；

S600)执行调节动作改变电子膨胀阀的开度K的步骤；

S700)延时预定调节周期t1时间，返回步骤S300。

2.根据权利要求1所述的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，其特征在于在所述步骤S300之后还包含：

S320)检测排气温度Tp，比较排气温度Tp和水箱温度Ts，修正目标过热度TSH的步骤。

3.根据权利要求1所述的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，其特征在于在所述步骤S500之后还包含：

S520)判断排气温度Tp范围，修正调节速度dK的步骤。

4.根据权利要求1至3之任一权利要求所述的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，其特征在于在所述步骤S400之后还包含：

S420)若吸气温度传感器或翅片温度传感器故障，则设定电子膨胀阀开度K为中间值Kz。

5.根据权利要求1至3之任一权利要求所述的热泵热水机的电子膨胀阀控制方法，其特征在于还包含除霜与压缩机恢复运行状态控制的步骤，该步骤包括以下动作：

S620)储存电子膨胀阀当前开度Kc的步骤；

S640)若热泵热水机进入除霜状态，控制电子膨胀阀开到最大开度Km；

S660)等热泵热水机主控系统发出的压缩机恢复运行状态信号；

S680)将电子膨胀阀的开度K调整为快速恢复开度Kh，延时t3分钟后返回步骤S300，

其中，Kh=Kc+Km/4。

6.一种使用权利要求1所述的电子膨胀阀控制方法的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置，所述热泵热水机的冷媒循环回路中包含串联接连的压缩机、水箱换热器、电子膨胀阀和翅片换热器，所述的电子膨胀阀的控制装置包括控制单元和步进电机，控制单元的输出端连接到步进电机，步进电机的输出轴连接电子膨胀阀；

所述的控制单元包括控制器、驱动电路和一组温度传感器，所述的一组温度传感器包括吸气温度传感器、排气温度传感器、翅片温度传感器、水箱温度传感器和环境温度传感器；

所述各温度传感器的温度信号输出端连接到所述控制器的输入端，所述控制器的输出端通过驱动电路连接到所述的步进电机；

所述的吸气温度传感器固定在压缩机吸气入口管路上，所述的排气温度传感器固定在压缩机排气管出口管路上，所述的翅片温度传感器固定在翅片换热器上，所述的水箱温度传感器设置在水箱换热器的水箱内，所述的环境温度传感器设置在热泵热水机的工作环境空间内，其特征在于：

所述的控制器包含目标过热度设定模块，实际过热度检测模块，调节速度设定模块和驱动信号生成模块，所述的环境温度传感器、水箱温度传感器和排气温度传感器连接到目标过热度设定模块的输入端，所述的吸气温度传感器和翅片温度传感器连接到实际过热度检测模块的输入端，所述目标过热度设定模块和实际过热度检测模块的输出端连接到调节速度设定模块的输入端，所述的调节速度设定模块的输出端连接到驱动信号生成模块的输入端，驱动信号生成模块的输出端连接到驱动电路。

7.根据权利要求6所述的热泵热水机的电子膨胀阀控制装置，其特征在于所述的控制器包含微处理器，AD转换单元和数据程序存储单元，所述的各个温度传感器通过AD转换单元连接到微处理器的输入端口，所述的驱动电路连接到微处理器的输出端口。

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