CN105980795A - 用于制冷系统的电机和驱动器布置 - Google Patents

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Abstract

一种换热器系统包括换热器盘管和风扇，换热器盘管使通过其中的第一传热流体循环，风扇至少部分地由换热器盘管围绕，以促使空气流通过换热器盘管从而将热能从第一传热流体消散。无刷直流风扇电机定位在风扇处以促使风扇转动，而辅助电气部件可操作地连接到换热器系统并且与第一传热流体电气隔离。

Description

用于制冷系统的电机和驱动器布置
联邦研究声明
本发明是根据能源部颁发的合同号DE-EE0003955在政府支持下完成的。政府对本发明享有某些权利。
发明背景
本公开涉及制冷系统。更具体地，本公开涉及具有多个传热流体循环回路的制冷系统。
制冷系统在HVAC&R(加热、通风、空调和制冷)领域中已知，并且其工作以在连接多个部件的整个闭合回路传热流体环路中压缩和循环传热流体，以将热量从要输送到气候受控空间的次级流体传递出去。在基本的制冷系统中，传热流体在压缩机中从较低压力压缩至较高压力，并且被输送到下游的排热换热器(通常被称为冷凝器)以用于其中流体为亚临界流体的应用，并且排热换热器也用于将传热流体从气体状态冷凝成液体状态。高压传热流体从其中热量通常从传热流体传递到周围环境的排热换热器流向膨胀装置，高压传热流体在膨胀装置膨胀到较低压力和温度，并且然后被发送到蒸发器，在蒸发器中，传热流体将要输送到受调节环境的次级传热流体冷却。传热流体从蒸发器返回到压缩机。制冷系统的一个常见示例为空调系统，空调系统工作以调节(冷却并且经常除湿)要输送到气候受控区域或空间中的空气。其他示例可包括用于要求制冷环境的各种应用的制冷系统。
然而，许多已经提出的系统包括诸如丙烷和CO2的材料分别作为初级传热流体和次级传热流体。此类系统为高效的、天然的制冷系统，但在丙烷和类似流体的情况下，易燃性是个问题。美国国家电气规范要求使用易燃制冷剂的所有电气装置必须符合防爆标准。因此，冷凝器风扇电机，以及所使用的其他电气设备必须符合这些要求。然而，对于市售防爆电机只有少数选择，并且相对于它们的非防爆等同物，它们沉重且昂贵。
发明内容
在一个实施方案中，换热器系统包括使通过其中的第一传热流体循环的换热器盘管，和至少部分地由换热器盘管围绕以移动空气流通过换热器盘管的风扇，从而消散来自第一传热流体的热能。无刷直流风扇电机定位在风扇处以使风扇转动，而辅助电气部件可操作地连接到换热器系统并且与第一传热流体电气隔离。
在另一个实施方案中，传热系统包括第一两相传热流体蒸汽/压缩循环回路，该回路包括压缩机和换热器冷凝器组件。冷凝器组件包括：使通过其中的第一传热流体循环的换热器盘管；至少部分地由换热器盘管围绕的风扇，以促使空气流通过换热器盘管从而将来自第一传热流体的热能消散；定位在风扇处的无刷直流风扇电机，以促使风扇旋转；以及可操作地连接到换热器系统并且与第一传热流体电气隔离的辅助电气部件。第一传热循环回路进一步包括膨胀装置和换热器蒸发器/冷凝器的吸热侧。在闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的第一传热流体循环。第二两相传热流体循环回路通过换热器蒸发器/冷凝器将热量传递到第一传热流体循环回路，并且包括换热器蒸发器/冷凝器的排热侧，在竖向上设置在换热器蒸发器/冷凝器下方的液体泵，和换热器蒸发器。闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
附图说明
在本说明书结束时的权利要求中具体指出并且清楚地要求了被视为本发明的主题。从结合附图做出的以下详细描述中，本发明的前述特征和其他特征与优点显而易见，其中：
图1为描绘具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的传热系统的实施方案的方框示意图；以及
图2为用于传热系统的换热器风扇布置的实施方案的示意图。
具体实施方式
具有第一传热流体循环回路和第二传热流体循环回路的示例性传热系统以方框示意图的形式在图1中示出。如图1所示，在第一流体循环回路100中的压缩机110对处于气态的第一传热流体加压，这既加热流体又提供压力以使其在整个系统中循环。从压缩机110离开的热加压的气态传热流体通过管道115流向换热器冷凝器120，换热器冷凝器120用作换热器，以将热量从传热流体传递到周围环境，诸如通过穿过换热器冷凝器120的管道124传递到由风扇122吹出的空气。热的传热流体在冷凝器120中冷凝成加压的中等温度液体。从冷凝器120离开的液体传热流体通过管道125流向膨胀装置130，在膨胀装置130中压力降低。离开膨胀装置130的减压液体传热流体通过管道135流向换热器蒸发器/冷凝器140的吸热侧，换热器蒸发器/冷凝器140用作换热器以在次级流体循环回路200中从第二传热流体吸收热量，并且将第一传热流体汽化，以产生处于其气体状态的传热流体，以通过管道105供给压缩机110，从而完成第一流体循环回路。
第二流体循环回路200中的第二传热流体将热量从换热器蒸发器/冷凝器140的排热侧传递到换热器140的吸热侧上的第一传热流体，并且第二传热流体蒸汽在该过程中冷凝，以形成处于其液体状态的第二传热流体。液体第二传热流体离开换热器蒸发器/冷凝器140并且作为液体泵210的进料流流经管道205。液体第二传热流体以比泵入口压力高的压力离开泵210，并且通过管道215流向换热器蒸发器220，在此热量通过管道230传递到由风扇225吹出的空气。液体第二传热流体在换热器蒸发器220中蒸发，并且气态第二传热流体离开换热器蒸发器220并通过管道235流向换热器蒸发器/冷凝器140的排热侧，在此其冷凝并且将热量传递到主要流体循环回路100中的第一传热流体，从而完成第二流体循环回路200。
在附加的示例性实施方案中，第二流体循环回路200可包括并行设置在流体循环回路中的多个换热器蒸发器(和伴随的风扇)。这可通过在管道215中包括集管(未示出)来实现，以将从泵210中输出的第二传热流体并行分配到多个管道，每个管道通向不同的换热器蒸发器(未示出)。每个换热器蒸发器的输出将供应到另一个集管(未示出)中，其将供应到管道235中。这种具有多个并行的换热器蒸发器的系统可从整个室内环境中的多个位置提供传热，而并不要求针对每个室内单元提供单独的室外流体分配回路，这使用基于常规2相变制冷剂流量系统的室内回路不能容易地达到，常规2相变制冷剂流量系统要求为每个蒸发器提供膨胀装置。在第一流体循环回路100中可任选地采用类似的配置，以包括并行设置在流体循环回路中的多个换热器冷凝器(和伴随的风扇与膨胀装置)，其中管道115中的集管(未示出)将第一传热流体并行分配到多个管道，每个管道通向不同的换热器冷凝器和膨胀装置(未示出)和管道135中的集管(未示出)，以将并行的流体流动路径再结合。当使用多个换热器冷凝器时，换热器冷凝器和膨胀装置的数目通常比换热器蒸发器的数目要少。
第一传热流体循环回路利用在易燃性和/或毒性方面不受限的传热流体，并且该回路基本上为室外回路。第二传热流体循环回路采用符合特定的易燃性和毒性要求的传热流体，并且该回路基本上为室内回路。就基本上室外而言，应当理解，如果不是全部那么大部分回路在室外，但基本上室外的第一回路的一些部分可以在室内，并且基本上室内的第二回路的一些部分可以在室外。在示例性实施方案中，室外回路的任何室内部分以密封方式与室内的其他受保护部分隔离，使得第一传热流体的任何泄漏不会逸出到室内结构的受保护部分。在另一个示例性实施方案中，所有的基本上室外的回路及其部件均定位在室外。就至少部分室内而言，应当理解，回路及其部件的至少一部分在室内，但是一些部件诸如液体泵210和/或换热器蒸发器冷凝器140可定位在室外。至少部分室内的回路可用于传递来自远离建筑外墙体的室内位置的热量，并且对于传热流体的易燃性和毒性具有更严格的要求。基本上室外的回路可用于将热量从室内回路传递到室外环境，并且可利用所选的传热流体提供具有热动力学的室外回路，该室外回路有效地工作同时符合潜在全球变暖和潜在臭氧消耗的目标。在室内的基本上室外回路的一些部分或在室外的室内回路的一些部分的放置将部分取决于换热器蒸发器/冷凝器的放置和配置，在换热器蒸发器/冷凝器中，两个回路热接触。在换热器蒸发器/冷凝器在室外的示例性实施方案中，那么第二回路的管道205和/或235的一些部分将延伸通过外部的建筑墙体，以与室外换热器蒸发器/冷凝器140连接。在换热器蒸发器/冷凝器140在室内的示例性实施方案中，那么第一基本上室外的回路的管道105和/或135的一些部分将延伸通过外部的建筑墙体，以与室内换热器蒸发器/冷凝器140连接。在第一回路的一些部分在室内延伸的这种实施方案中，那么可为换热器蒸发器/冷凝器140和管道105和/或135的室内延伸部分提供通向外部的壳体。在另一个示例性实施方案中，换热器蒸发器/冷凝器140可与外部墙体结合在一起，使得流体循环回路两者均不跨过它们主要(室内或室外)区域的外部。
在第一流体循环回路中使用的传热流体具有大于或等于31.2℃，更具体地大于或等于35℃的临界温度，这有助于使其能够在正常工作条件下维持两相。用于在第一流体循环回路中使用的示例性传热流体包括但不限于饱和烃(例如，丙烷、异丁烷)、不饱和烃(例如，丙烯)、R32、R152a、氨、R1234异构体(例如，R1234yf、R1234ze、R1234zf)、R410a以及包含前述流体中的一种或多种的混合物。
在第二流体循环回路中使用的传热流体具有ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级易燃性等级。用于在第二流体循环回路中使用的示例性传热流体包括但不限于亚临界流体CO2、包含R1234异构体(例如，R1234yf、R1234ze)和R134异构体(例如，R134a、R134)或R32、2相水的混合物或包含前述流体中的一种或多种的混合物。在另一个示例性实施方案中，第二传热流体包含至少25wt％，并且更具体地至少50wt％的亚临界流体CO2。
现在参考图2，其示出换热器冷凝器120和风扇122。换热器冷凝器120包括冷凝器盘管134，第一传热流体循环通过该冷凝器盘管134。在一些实施方案中，冷凝器盘管134形成C形横截面，将风扇122至少部分地包围在横截面内部。风扇122由也定位在横截面内的风扇电机136驱动，以围绕风扇轴138驱动风扇122。为防止由于第一传热流体的易燃性质造成的潜在爆炸和/或火灾，风扇电机136为无电弧无刷DC电机。风扇电机136连接到辅助驱动部件诸如风扇电机驱动器140和风扇电机控制器142并且通过辅助驱动部件驱动。虽然风扇电机驱动器140和风扇电机控制器142的放置在本文中讨论，但本领域的技术人员将理解，所公开的实施方案可类似地应用于其他电器元件，如用于压缩机110和/或膨胀装置130的控制器。如同典型的系统一样，电机驱动器140和风扇电机控制器142在冷凝器盘管134的横截面外部并且距离冷凝器盘管134一定距离处远距离定位，而不是定位在冷凝器盘管134的横截面内，以将驱动器140和控制器142与第一传热流体电气隔离。电机驱动器140和风扇电机控制器142远距离定位，以保持点火源诸如电弧或火花远离第一传热流体。应当理解，在其他实施方案中，驱动器140和控制器142定位在冷凝器盘管134的横截面的内部，但是经由其他方式诸如隔离箱与第一传热流体电气隔离。辅助部件经由一条或多条引线144连接到风扇电机136，引线144符合引线符合的防爆标准，例如，美国国家电气规范的I级。使用无刷DC风扇电机136同时将辅助部件诸如风扇电机驱动器140和风扇电机控制器142距冷凝器盘管134远程定位允许利用易燃性制冷剂诸如丙烷来符合系统的防爆标准。进一步地，无刷DC风扇电机136为较小的、重量更轻的封装，并且成本显著低于通常用于此类环境中的传统防爆AC感应EX电机。
在第一传热流体循环回路中使用的膨胀装置可以为任何种类的已知热膨胀装置，包括简单的孔口或热膨胀阀(TXV)或电子可控制膨胀阀(EXV)。膨胀阀可被控制以控制在换热器蒸发器/冷凝器的吸热侧出口处的过热并且优化系统性能。此类装置以及它们的操作在本领域中已知并且在此无需附加的详细解释。
在另一个示例性实施方案中，压缩机110、风扇122、风扇225和/或泵210中的一个或多个利用变速驱动器(VSD)。VSD的控制可利用已知的功率控制技术来实现，诸如结合输入功率因数校正(PFC)整流器和一个或多个逆变器(例如，用于每个单独的VSD的逆变器)的集成功率电子系统。输入PFC整流器将单相AC输入电压转换成调节的DC公共总线电压，以便使用来自AC电源的低谐波电流提供接近单位功率的因数。电机逆变器可与汲取自公共DC总线的输入并联连接。具有较高功率要求(例如，>1kW，诸如用于压缩机)的电机可使用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电源开关，而具有较低功率要求(例如，<1kW，诸如用于鼓风机)的电机可使用成本较低的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。在VSD中可使用任何类型的电机，包括感应电机或永磁体(PM)电机。在示例性实施方案中，压缩机110利用PM电机，任选地与电子电路和/或微处理器结合，电子电路和/或微处理器仅使用绕组电流信号就可自适应地估计转子磁铁位置，从而消除了通常在PM电机中使用的昂贵的霍尔效应传感器的需要。VSD的精确的速度设置将根据对系统的需求而改变，但可通过系统控制算法设置，以最大化系统工作效率并且/或者符合正如在本领域中已知的系统需求。通常，压缩机和泵速可改变以基于用户需求控制系统能力，同时可以控制室内和室外鼓风机的速度以优化系统效率。
虽然仅与有限数目的实施方案结合详细描述了本发明，但是应当容易理解的是，本发明并不限于这些公开的实施方案。相反，本发明可被修改以结合此前未描述过的任何数目的变化、改变、替换或等效布置，但它们与本发明的精神和范围相称。此外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为由前述描述加以限制，而是仅由所附权利要求的范围进行限制。

Claims (21)

1.一种换热器系统，其包括：
换热器盘管，其使通过其中的传热流体循环；
风扇，其至少部分地由所述换热器盘管围绕，以使空气流通过所述换热器盘管，从而将热能从所述传热流体交换到所述空气流；
无刷直流风扇电机，其设置在所述风扇处以促使所述风扇转动；以及
辅助电气部件，其可操作地连接到所述换热器系统并且与所述传热流体电气隔离。
2.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述电气部件为风扇电机控制器、风扇电机驱动器、压缩机控制器或膨胀装置控制器或阀门控制器中的一种。
3.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述电气部件远离所述换热器盘管定位。
4.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述电气部件并非至少部分地由所述换热器盘管围绕。
5.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述传热流体包括轻度易燃流体或中度易燃流体或高度易燃流体。
6.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述传热流体包括丙烷、丙烯、异丁烷、R32、R152a、氨、R1234异构体或R410A或任何上述流体的混合物。
7.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述换热器盘管为用于空调系统的冷凝器盘管。
8.根据权利要求1所述的换热器系统，其中所述换热器盘管为用于空调系统的蒸发器盘管。
9.一种传热系统，其包括：
第一两相传热流体蒸汽/压缩循环回路，其包括：
压缩机；
换热器组件，其包括：
换热器盘管，其使通过其中的第一传热流体循环；
风扇，其至少部分地由所述换热器盘管围绕，以使空气流通过所述换热器盘管，从而将热能从所述第一传热流体交换到所述空气流；
无刷直流风扇电机，其设置在所述风扇处以促使所述风扇转动；以及
辅助电气部件，其可操作地连接到与所述第一传热流体电气隔离的所述第一传热流体循环回路；
膨胀装置；以及
内部换热器蒸发器/冷凝器的吸热/排热侧；
其中闭合的流体循环回路中的第一管道使通过其中的所述第一传热流体循环；以及
第二两相传热流体循环回路，其通过所述换热器蒸发器/冷凝器将热量交换到所述第一传热流体循环回路，其包括：
排热换热器；
液体泵，其在竖向上设置在所述内部换热器下方；以及
吸热换热器；
其中闭合的流体循环回路中的第二管道使通过其中的第二传热流体循环。
10.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述电气部件为风扇电机控制器、风扇电机驱动器、压缩机控制器或膨胀装置控制器或阀门控制器中的一种。
11.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述电气部件远离所述换热器盘管定位。
12.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述电气部件并非至少部分地由所述换热器盘管围绕。
13.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第一传热流体包括轻度易燃流体或中度易燃流体或高度易燃流体。
14.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第一传热流体包括丙烷、丙烯、异丁烷、R32、R152a、氨、R1234异构体或R410A或任何上述流体的混合物。
15.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述换热器盘管为用于空调系统的冷凝器盘管。
16.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述换热器盘管为用于空调系统的蒸发器盘管。
17.根据权利要求9所述的传热系统，其进一步包括风扇电机驱动器，其可操作地连接到所述风扇电机并且远离所述换热器盘管定位。
18.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第一流体循环回路至少部分地设置在室外。
19.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第二流体循环回路至少部分地设置在室内。
20.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第二传热流体具有ASHRAE A级毒性等级和ASHRAE 1或2L级易燃性等级。
21.根据权利要求9所述的传热系统，其中所述第二传热流体包括亚临界流体CO2。
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