CN102635990B - 制冷量控制装置，使用该装置的试验设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种制冷量控制装置，使用该装置的试验设备及控制方法。制冷量控制装置，包括控制器、压力调节阀、节流装置、制冷装置、热气阀驱动用控制板、热气阀；控制装置通过热气阀驱动用控制板与热气阀连接，压力调节阀设在制冷装置中的压缩机出口及冷凝器进口之间，节流装置设置在制冷装置中的冷凝器出口与蒸发器进口之间，热气阀一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上。本发明可以解决气候与环境试验设备中制冷系统制冷量与温度控制困难，能源消耗浪费的技术问题。

Description

制冷量控制装置,使用该装置的试验设备及控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于气候与环境试验设备上的能够精确控制制冷量的热气阀热气旁通制冷量控制装置，尤其是能够在少用或不用加热的情况下维持制冷系统在接近或高于环境温度的条件下工作，能够降低加热功率的消耗、提高加热效率甚至免除加热器的使用，结构简单，降低能耗，可作为气候与环境试验设备温度精密控制的重要手段。本发明还涉及使用上述控制装置的试验设备。另外，本发明还涉及使用上述控制装置的试验设备及该控制装置采用的控制方法。

背景技术

气候与环境试验设备，包括恒温槽、恒温循环装置、气候环境试验箱、生物人工气候试验箱、低温培养箱等在医药卫生、生物技术、农林研究、电子电器、计量检定、岩土工程、石油化工等领域的生产、科学研究和实验室等方面有着广泛的用途。

制冷装置是气候环境试验设备所不可或缺的重要组成部分，所有需要低于环境温度工作或在工作过程中需要释放热量的系统都涉及制冷装置及制冷技术的应用。由于精密温度控制的需要以及气候与环境试验仪器领域小批量多品种的特点，制冷量的控制以及能源消耗的控制一直是一个被忽视的重要课题。几乎所有气候与环境设备的温度控制技术仍停留在采用连续制冷和加热补偿这种简单与传统的技术水平上，因此造成了大量的能源消耗与浪费。

请参考图1，常规的制冷装置基本构成包括压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器。节流装置作为制冷装置不可或缺的重要部件，有毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀等多种形式，代表了制冷装置控制从简单到自动化的发展历程，在实现制冷量精确控制方面电子膨胀阀的作用变得越来越重要。

制冷量控制中，采用变频压缩机制冷技术、电子膨胀阀节流技术和热泵技术在家用电器或商业用途的电器设备中已经被广泛应用。变频压缩机制冷技术与电子膨胀阀节流技术通常需要配套使用，其中涉及特殊的变频压缩机和复杂的过热度检测与计算，如果没有大量的资金投入或不是设计成批量生产的产品，该技术很难被普遍采用。利用热泵技术进行加热比传统的电阻加热具有极高的能效比，其中涉及加热与制冷切换的四通阀，将传统制冷装置中的冷凝器与蒸发器互换，从而实现制冷与加热的切换。然而有关制冷量的控制仍离不开变频技术或电子膨胀阀的节流技术。

目前电子膨胀阀广泛应用的领域多为家用电器与商用制冷领域，通常作为节流装置与变频压缩机配套使用，主要控制的是蒸发器出口的过热度，通常配置在冷凝器出口与蒸发器入口之间，根据蒸发器出口的过热度，实时分析判断并调整阀的开口大小，实现对过热度的比较优化控制，达到系统制冷量的优化输出，但在精确控制时，由于受到过热度的限制，往往不能发挥最佳的制冷输出控制能力，系统温度控制精度较差。如为了精确控制电子膨胀阀的过热度，常常需要其他辅助手段如蒸发器前后的蒸发温度与制冷剂压力的测量，因此控制电路、控制软件的复杂性与可靠性成为系统成败的关键，如果没有一定的产业化前景与批量生产的工艺研究，很难支撑昂贵的开发费用。同时常规电子膨胀阀适用的温度范围在室温与-40℃之间，无法满足气候环境试验设备应用领域-90～+300℃范围对电子膨胀阀提出的额外要求，加上气候环境试验设备小批量多品种的特点的，很难将电子膨胀阀按传统的方式应用到精密恒温气候环境试验设备中。

热气旁通技术是在传统制冷系统管路中增加一个热气旁通通道以实现制冷与加热的简单技术，其基本工作原理是需要制冷的时候，将热气旁通通道关闭实现最大限度的制冷；当需要降低制冷量或加热的时候，将热气旁通通道开启，这时压缩机排气口的热气没有经过冷凝器的冷却而直接进入蒸发器中，从而限制了制冷量转而实现加热；当需要温度恒定的时候，热气旁通通道可以按一定的频率开启和关闭，从而实现制冷量的调节和恒温。然而综合现有热气旁通制冷量控制技术存在以下问题：

（1）热气旁通通道开启和关闭的频率，受电磁阀寿命的限制不能太频繁，因此制冷量控制的精度是有限的；

（2）电磁阀长期开启处于连续加热状态时，压缩机的排气压力不断下降，制冷装置只能实现有限的加热甚至不能加热，因此在接近室温或高于室温的范围内实际是困难的；

（3）电磁阀的开启和关闭存在噪音，包括阀门动作的噪音和热气流动的噪音；

（4）电磁阀开闭前后的压力冲击，容易引起其他制冷零部件的疲劳与损坏，包括电磁阀本身。

发明内容

本发明的目的是提供一种制冷量控制装置，以解决气候与环境试验设备中制冷系统制冷量与温度控制困难，能源消耗偏大的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种采用上述控制装置的试验设备。

本发明的另一个目的是提供一种上述控制装置采用的控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

制冷量控制装置，包括控制器、压力调节阀、节流装置、制冷装置、热气阀驱动用控制板、热气阀；控制器通过热气阀驱动用控制板与热气阀连接，压力调节阀设在制冷装置中的压缩机出口及冷凝器进口之间，节流装置设置在制冷装置中的冷凝器出口与蒸发器进口之间，热气阀一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上。

所述节流装置为热力膨胀阀。

所述节流装置为毛细管。

所述节流装置为电子膨胀阀。

所述热气阀为连续开关的电动阀或者断续开关的电磁阀。

所述制冷装置包括压缩机、蒸发器、冷凝器；上述部件依次通过管道相连。

试验设备，包括上述制冷量控制装置、恒温箱或恒温槽、温度传感器；温度传感器及制冷量控制装置中的蒸发器均设置在恒温箱或恒温槽内，上述温度传感器连接制冷量控制装置的控制器。

制冷量控制方法，首先在原有制冷装置的压缩机及冷凝器之间安装压力调节阀，然后将热气阀一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上；该热气阀通过热气阀驱动用控制板连接控制器，节流装置设置在制冷装置中的冷凝器出口与蒸发器进口之间；压力调节阀用于确保稳定的排气压力和热气温度，避免热气阀开启或关闭对排气压力影响；节流装置用于控制自主调节蒸发温度与过热度；热气阀以设定的开度或频率直接释放压缩机出口的高温蒸汽，通过压力调节阀限制进入冷凝器的制冷剂从而降低系统的制冷输出，可以实现有效的加热与制冷量控制，并使温度精确恒定在设定点上。

所述热气阀为连续开关的电动阀或者断续开关的电磁阀。

本发明的有益效果是：本发明将常规电动阀或者电磁阀作为热气旁通阀并与节流装置结合的方式构成制冷装置，因此即使制冷装置的工作温度在-30℃以下，以及膨胀阀的流口直径比较大，也能够轻松实现300W～15KW以上制冷量以及-90～+20℃的制冷装置的精确控制。该技术作为气候环境试验设备制冷装置的核心部件，解决了传统热力膨胀阀或毛细管制冷量不能连续控制和作为商业用途的电子膨胀阀制冷量偏大、控制精度低的缺陷。

附图说明

图1是常规制冷装置的结构示意图；

图2是具体实施例中的电子膨胀阀热气旁通制冷量控制装置的结构示意图；

图中：1.控制器、2.压缩机、3.冷却风扇、4.压力调节阀、5.冷凝器、6.节流装置、7.蒸发器、8.循环风扇或循环泵、9.恒温箱或恒温槽、10.温度传感器、11.电子膨胀阀、12.制冷管道、13.电子膨胀阀驱动用控制板。

具体实施方式

本实施例中的电子膨胀阀热气旁通制冷量控制装置请参考图2，包括有控制器1、压缩机2、冷却风扇3、压力调节阀4、冷凝器5、节流装置6、蒸发器7、循环风扇或循环泵8、恒温箱或恒温槽9、温度传感器10、作为热气阀的电子膨胀阀11、制冷管道12、电子膨胀阀驱动用控制板13；其中压缩机2、冷凝器5、节流装置6、蒸发器7通过制冷管道12首尾相连，为冷凝器5散热的冷却风扇3以及为恒温箱或恒温槽9循环恒温的循环风扇或循环泵8构成传常规的制冷装置，请参考图1。这里的电子膨胀阀11作为热气旁通阀使用，采用并联连接的方式一端跨接在在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端跨接在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上。当电子膨胀阀驱动用控制板13的输入接受控制器1的电压、电流等电信号时，控制板13的输出能够直接调节电子膨胀阀11的开启、关闭以及开度大小。控制器1分别与压缩机2、温度传感器10、冷却风扇3、循环风扇或循环泵8、电子膨胀阀驱动用控制板13连接并对其进行控制。温度传感器10及蒸发器7安放在恒温箱或恒温槽9中用于对恒温箱或恒温槽9的温度控制从而实现加热、冷却与恒温。

控制器1能够控制压缩机2、冷却风扇3、循环风扇或循环泵8的开启和关闭，能够通过温度传感器10检测位于恒温箱或恒温槽9中的空气或液体的温度。如果温度偏高，则减小电子膨胀阀11的开度，如果温度偏低，则增加电子膨胀阀11的开度。当温度恒定的时候，电子膨胀阀11的开度应维持基本不变。

压缩机2、冷凝器5、节流装置6和蒸发器7是常规制冷装置的基本组成部分。压缩机2的作用是将从蒸发器7出来的常温低压的制冷剂蒸汽压缩成为高温高压的制冷剂蒸汽，常用的制冷压缩机2包括活塞式、转子式、涡旋式或螺杆式等。冷凝器5的作用是将高温高压的制冷剂蒸汽通过冷却风扇3或其他液体冷媒的散热冷凝成为常温高压的液体，常见的冷凝器5有翅管式、套管式、壳管式或板式等。节流装置6的作用是将常温高压的制冷剂液体变成低温低压的制冷剂液体，制冷剂在压力降低时沸腾与汽化，在实际应用中节流装置6可采用毛细管、热力膨胀阀、电子膨胀阀或任何其他常规节流装置。蒸发器7的作用是作为制冷剂液体蒸发气化的场所，通过不断地吸收蒸发器7周围的热量实现制冷的目的，合理的系统设计应能够最大限度确保制冷剂液体在蒸发器管道内的完全气化，实现5℃以内的过热度，因此制冷剂蒸汽离开蒸发器时，其温度介于恒温箱或恒温槽的工作温度与设备所处环境温度之间。

压力调节阀4是一个专门用于维持压缩机2排气温度的自动控制装置，它不是传统制冷装置所必需的零部件，而是本实施例中所涉及的专门零部件。它的工作原理是：随着排气压力的升高，压力调节阀4的开度增加，或者说当压力达到一个设定值时，阀门开始打开。压力调节阀4的开启或关闭只与压缩机2的排气压力有关，而与压力调节阀4出口压力或冷凝器5内的压力无关，从而避免电子膨胀阀11开启或关闭对排气压力影响，确保稳定的排气压力和热气温度。即使在电子膨胀阀11连续开启的情况下，恒定的排气压力能够实现恒定的热量来源，从而确保足够高的加热温度和温度稳定性，如果缺少该压力调节阀4，则系统无法正常实现能量调节。当恒温箱或恒温槽9内的温度升高时，电子膨胀阀11关闭，从而实现制冷；当恒温箱或恒温槽9内的温度偏低时，电子膨胀阀11开启，如果没有压力调节阀4，排气压力就会开始降低，虽然电子膨胀阀11开启实现加热，但加热的温度不够高，加热量是有限的，同时制冷工作仍通过毛细管等节流装置6在进行中，因此有时无法实现加热，更无法实现制冷量的调节；另外，使用压力调节阀4可以提高电子膨胀阀11的加热温度，同时可以限制节流装置6的制冷量，两者统一作用实现制冷量的控制与加热。

恒温箱或恒温槽9是气候与环境设备中最为常见的与制冷装置关联的部件，为了适应气候环境设备的温度范围与应用目的，通常由内胆、外壳和保温材料组成。为了方便操作，恒温箱或恒温槽9还包括可以开启和关闭的门或盖，如果温度范围需要远离环境温度，门或盖也需要保温，包括密封条或密封片。

温度传感器10用于检测恒温箱或恒温槽9中的空气温度或液体温度，温度传感器10的位置与循环风扇或循环泵8的工作严重影响所检测温度的代表性，从而影响热气旁通电子膨胀阀11的开启或关闭。

电子膨胀阀11和电子膨胀阀驱动控制板13是本实施例中特别涉及的专用零部件。电子膨胀阀11是阀门开启、关闭或开度大小随控制电压或电流变化的自动化零部件。电子膨胀阀驱动用控制板13可以接受来自控制器1的控制信号，如电压或电流，而输出部分可以与电子膨胀阀11所要求的驱动接口对应。通常电子膨胀阀驱动用控制板13接受0V或者4mA的输入信号时，电子膨胀阀11应完全关闭；接受5V或者20mA的输入信号时，电子膨胀阀11应完全开启；当输入信号位于最大值与最小值的中间时，电子膨胀阀11的开启位置或开度大小应与输入信号线性对应。因此当控制器1检测的温度偏高，控制器1输出降低阀门开度的信号时，电压或电流减小，电子膨胀阀11的开度开始变小，制冷量增加，温度相应降低；反之，如果温度偏低，控制器1输出增加阀门开度的信号时，电压或电流增加，电子膨胀阀11的开度开始变大，制冷量减小，温度相应升高；当温度恒定的时候，控制器1的输出信号基本不变，电子膨胀阀11的开度也应维持基本不变。该电子膨胀阀11一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上，并配置一个热力膨胀阀用于控制自主调节蒸发温度与过热度，在温度接近设定目标时，使控制器发出控制信号，控制电子膨胀阀11以一定的开度直接释放压缩机2出口的高温蒸汽，通过压力调节阀4限制进入冷凝器的制冷剂从而降低系统的制冷输出，可以实现有效的加热与制冷量控制，并使温度精确恒定在设定点上。上述作为热气阀的电子膨胀阀为一种可连续控制的流量开关，当然如果降低成本比对温度与制冷量控制的精度更重要时，也可选用电磁阀作为热气阀。

Claims (9)

1.制冷量控制装置，包括制冷装置，其特征在于：还包括控制器、压力调节阀、节流装置、热气阀驱动用控制板、热气阀；控制器通过热气阀驱动用控制板与热气阀连接，压力调节阀设在制冷装置中的压缩机出口及冷凝器进口之间，节流装置设置在制冷装置中的冷凝器出口与蒸发器进口之间，热气阀一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上。

2.依据权利要求1所述的制冷量控制装置，其特征在于：所述节流装置为热力膨胀阀。

3.依据权利要求1所述的制冷量控制装置，其特征在于：所述节流装置为毛细管。

4.依据权利要求1所述的制冷量控制装置，其特征在于：所述节流装置为电子膨胀阀。

5.依据权利要求1所述的制冷量控制装置，其特征在于：所述热气阀为连续开关的电动阀或者断续开关的电磁阀。

6.依据权利要求1所述的制冷量控制装置，其特征在于：所述制冷装置包括压缩机、蒸发器、冷凝器；上述部件依次通过管道相连。

7.试验设备，其特征在于：包括上述制冷量控制装置、恒温箱或恒温槽、温度传感器；温度传感器及制冷量控制装置中的蒸发器均设置在恒温箱或恒温槽内，上述温度传感器连接制冷量控制装置的控制器。

8.制冷量控制方法，其特征在于：首先在原有制冷装置的压缩机及冷凝器之间安装压力调节阀，然后将热气阀一端设置在压缩机出口及压力调节阀前端之间的管道上，另一端设置在节流装置之后、蒸发器入口之间的管道上；该热气阀通过热气阀驱动用控制板连接控制器，节流装置设置在制冷装置中的冷凝器出口与蒸发器进口之间；压力调节阀用于确保稳定的排气压力和热气温度，避免热气阀开启或关闭对排气压力影响；节流装置用于控制自主调节蒸发温度与过热度；热气阀以设定的开度直接释放压缩机出口的高温蒸汽，通过压力调节阀限制进入冷凝器的制冷剂从而降低系统的制冷输出，可以实现有效的加热与制冷量控制，并使温度精确恒定在设定点上。

9.依据权利要求8所述的制冷量控制方法，其特征在于：所述热气阀为连续开关的电动阀或者断续开关的电磁阀。