CN109900002A - 具有质量流量稳定化能力的加热、通风、空调和制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有质量流量稳定化能力的加热、通风、空调和制冷系统。其包括蒸发器、压缩机、冷凝器、位于冷凝器与蒸发器之间的膨胀装置、位于蒸发器与压缩机之间的过热控制器、以及位于冷凝器与膨胀装置之间的质量流量计。过热控制器配置为测量制冷剂流体的压力和温度并由此计算过热度，接收并分析从冷凝器流出并由质量流量计测量的制冷剂流体的质量流量，并且还配置为向膨胀装置提供控制信号。

Description

具有质量流量稳定化能力的加热、通风、空调和制冷系统
背景技术
本发明总体涉及加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统。具体而言，本发明涉及一种改良的HVAC-R系统结构和一种控制HVAC-R系统中的膨胀阀以实现改良的蒸发器冷却的改良方法。
在常规HVAC-R系统中，基于过热度控制膨胀阀。过热控制是如下实现的：使用压力传感器和温度传感器分别测量HVAC-R系统的流体压力和温度，然后使用测量的温度和压力计算特定制冷剂的过热度，并使用一组已知的开环或闭环算法中的任何一种来调节压力和温度，使过热度变为目标过热值，以控制过热度。
过热度是压力和温度的函数，并且通常使用压力-温度(P-T)图来计算，该压力-温度图描绘特定压力下的饱和温度。特定压力下的饱和温度值可随不同的制冷剂而变化。在常规HVAC-R系统中，饱和温度和制冷剂温度的这些值通常在蒸发器的出口处测量，并通常用于计算过热度。
从冷凝器流出的制冷剂流体的质量流量相对稳定的典型HVAC-R系统通常比从冷凝器流出的制冷剂流体的质量流量不稳定的类似HVAC-R系统更高效。
因此，需要提供一种改良的HVAC-R系统结构和一种通过稳定从冷凝器流出的制冷剂流体的质量流量然后控制蒸发器出口处的过热度来控制膨胀阀的改良方法。
发明内容
本发明涉及一种控制HVAC-R系统中的膨胀阀的改良结构和改良方法。
在一种实施方式中，加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统包括蒸发器、压缩机、冷凝器、位于冷凝器与蒸发器之间的膨胀装置、位于蒸发器与压缩机之间的过热控制器、以及位于冷凝器与膨胀装置之间的质量流量计。过热控制器配置为测量制冷剂流体的压力和温度并由此计算过热度，接收并分析从冷凝器流出并由质量流量计测量的制冷剂流体的质量流量，并且还配置为向膨胀装置提供控制信号。
通过参照附图阅读下文中的优选实施方式的详细说明，本发明的各个方面对于本领域技术人员来说将变得明显。
附图说明
图1是本发明的HVAC-R系统的第一种实施方式的框图；
图2是本发明的HVAC-R系统的第二种实施方式的框图；
图3是图1和2中所示的通用过热控制器的透视图；
图4是图3中所示的通用过热控制器的横截面图。
具体实施方式
现在请参考图1，其中在10处示出了本发明的HVAC-R系统的第一种实施方式的框图。除了过热控制器20的改良过热处理器22和质量流量计24之外，所示的HVAC-R系统10在很大程度上是本领域的常规技术，并且仅用于示出可在其中使用本发明的一种环境。因此，一般来说，本发明的范围不限于与图1中所示的HVAC-R系统10的特定结构结合使用或与制冷系统结合使用。相反，如下文所述，本发明可在针对下述目的的任何所需环境中使用。
如本领域所公知的，HVAC-R系统10使制冷剂在闭合回路中循环，在该闭合回路中，制冷剂依次经受压缩、冷凝、膨胀和蒸发。循环的制冷剂从一个区域带走热量(从而冷却该区域)，并在另一个区域中排出热量。
为实现此目的，所示的HVAC-R系统10包括蒸发器12，例如蒸发盘管。蒸发器12可以是本领域中的常规蒸发器，并且适于在其入口处接收压力较低的液体制冷剂。可使较暖的流体(例如空气)流过蒸发器12，使得在蒸发器12中流动的压力较低的液体制冷剂膨胀，从流过蒸发器12的制冷剂流体吸收热量，并在蒸发器12内蒸发。因此，进入蒸发器12的入口的压力较低的液体制冷剂变为从蒸发器12的出口流出的压力较低的制冷剂气体。
蒸发器12的出口与压缩机14的入口连通。压缩机14可以是本领域中的常规压缩机，并且适于压缩从蒸发器12流出的压力较低的制冷剂气体，并使这种压力较低的制冷剂气体在较高的压力下通过HVAC-R系统10。压力较高的制冷剂气体从压缩机14的出口排出，该出口与冷凝器16的入口连通。冷凝器16可以是本领域中的常规冷凝器，并且配置为在压力较高的制冷剂气体流过时从该制冷剂气体去除热量。结果，压力较高的制冷剂气体发生冷凝，并变为压力较高的制冷剂液体。
然后，压力较高的制冷剂液体从冷凝器16的出口移动到膨胀装置或阀门的入口。在所示的实施方式中，膨胀装置是如下所述的模块化硅膨胀阀(MSEV)18，该膨胀阀配置为限制从其中流过的制冷剂流体的流量。结果，压力较高的制冷剂液体在离开膨胀装置时变为压力较低的制冷剂液体。然后，压力较低的制冷剂液体被返回至蒸发器12的入口，并且制冷循环重复进行。
所示的HVAC-R系统10的实施方式还包括至少一个外部传感器，该外部传感器构造为如下所述的过热控制器(SHC)20，并且与提供从蒸发器12至压缩机14的流体通路的流体管线连通。所示的HVAC-R系统10的实施方式还包括质量流量计24。质量流量计24可以是本领域中的常规质量流量计，并且配置为测量流过冷凝器16的制冷剂流体的质量流量(单位时间的质量，例如千克/秒)，具体而言是在冷凝器16的出口处测量。质量流量计24通过电线或电缆58向SHC 20报告质量流量数据。可替代地，质量流量计24可通过无线连接方式连接至SHC 20。
SHC 20对流体管线中的制冷剂流体的一种或多种特性(例如由压力传感器部分42测量的压力、以及由温度传感器部分44测量的温度，它们在下文中说明)做出响应，产生代表所述特性的信号，并将该信号发送至控制器或处理器，例如SHC 20内的过热处理器22，如下所述。过热处理器22对来自SHC 20(根据需要，还可能有如下所述的目标装置56、以及其它未示出的传感器或其它输入)的信号做出响应，产生信号以通过电线或电缆60控制MSEV18的操作。可替代地，SHC 20可通过无线连接方式连接至MSEV18。
本发明的HVAC-R系统的第二种实施方式在图2中的10'处示出，并包括SHC 20'的第二种实施方式。如图2所示，过热处理器22'可安装在处于SHC 20'外部的HVAC-R系统10'上。过热处理器22'与过热处理器22基本相同，在此不再赘述。HVAC-R系统10'的第二种实施方式还包括目标装置56，该目标装置56构造为温度传感器，并且经由电线或电缆62连接至过热处理器22、22'。可替代地，目标装置56可通过无线连接方式连接至过热处理器22、22'。目标装置56还可构造为多个温度传感器、膝上型计算机和笔记本计算机、蜂窝电话、存储卡、以及在常规的末端测试设备中使用的任何装置。
MSEV(例如MSEV 18)是电子控制的常闭单向流量控制阀，并且可在常规的HVAC和HVAC-R应用中用于制冷剂流体的质量流量控制。
在图1和2中所示的示例性MSEV 18是两级比例控制阀。第一级是微型阀(未示出)，其构造为导阀，用于控制第二级滑阀(未示出)。当微型阀(未示出)从过热处理器22、22'接收到脉宽调制(PWM)信号时，该微型阀(未示出)进行调节，以改变第二级滑阀(未示出)上的压差。滑阀(未示出)会移动以平衡压差，从而有效地改变MSEV 18的阀孔开度，以控制所需的制冷剂流量。
美国专利9,140,613中公开了一种过热控制器(SHC)。其中公开的SHC是一个自成一体的独立装置，其包含用于自动检测流体类型(例如制冷剂)并报告在民用、工业和科学应用中使用的多种常见流体的过热的所有传感器、电子装置和智能装置。美国专利9,140,613整体结合在此。
图3和图4示出了SHC 20，其与美国专利9,140,613中公开的过热控制器类似。与上述的HVAC-R系统10类似，SHC 20在很大程度上是本领域中的常规装置，并且仅用于示出可在其中使用本发明的一种装置。因此，一般来说，本发明的范围不限于与图3和图4中所示的SHC 20的特定结构结合使用，或者与配置为用于检测和报告流体系统中的过热度的装置结合使用。相反，如下文所述，本发明可在针对下述目的的任何所需装置中使用。
如图3和图4所示，SHC 20的所示实施方式包括具有主体32的外壳30、盖子34和流体入口构件36。流体入口构件36可通过安装环37固定到外壳30上。安装环37通过螺纹连接将流体入口构件36附接至外壳30部分。可替代地，安装环37可通过任何所需的方法附接至流体入口构件36，例如通过焊接或压入配合。在图3和4所示的实施方式中，流体入口构件36是黄铜配件，该黄铜配件具有在中央形成的限定密封面38的孔口。
SHC 20包括集成压力与温度传感器40，该集成压力与温度传感器40具有安装到印刷电路板(PCB)46上的压力传感器部分42和温度传感器部分44。过热处理器22、数据报告或通讯模块50、以及输入/输出(IO)模块52也安装到PCB 46上。IO模块52是物理硬件接口，它通过可用的硬接线接口(例如电线或电缆54)接受输入电力并将数据报告给过热处理器22。可经由IO模块52连接至SHC 20的目标装置56可包括其它温度传感器、膝上型和笔记本电脑、蜂窝电话、存储卡以及可在常规的线路测试设备终端中使用或与之结合使用的任何装置。可替代地，目标装置56可通过无线连接与通讯模块50连接。
过热处理器22安装到PCB 46上，并且是高分辨率、高精度的装置，它处理分别来自集成的压力和温度传感器40的压力和温度传感器部分42和44的输入信号，检测流体类型，计算流体的过热度，并提供标识计算的过热度的输出。过热处理器22还可配置为提供其它数据(例如流体温度、流体压力、流体类型、保存在板载存储器中的相关历史日期(例如告警和开关历史))、以及其它所需的信息。过热处理器22最好在一次校准之后即在典型的压力和温度工作范围内保持很高的精度。适当的过热处理器的非限制性实例包括配有嵌入式和/或非板载式存储器及外围设备的微控制器、现场可编程门阵列(FPGA)和专用集成电路(ASIC)。
从冷凝器16流出的制冷剂流体的质量流量由质量流量计24测量，并提供至过热处理器22、22'。质量流量最好可与分别来自压力传感器部分42和温度传感器部分44的压力和温度数据组合，作为控制HVAC-R系统10的膨胀阀(即MSEV 18)的反馈输入。利用由质量流量计24提供的质量流量，由过热处理器22、22'提供至MSEV 18的控制信号可被加权处理，以保持流入蒸发器12的流体的稳定或一致的质量流量。所述改良的HVAC-R系统10在随时间的负载变化很小的流体系统中尤其有用，例如杂货店中的关着门的冷藏陈列柜等。
本发明的原理和工作方式是通过其优选实施方式说明和示出的。但是，应理解，在不脱离本发明的精神或范围的前提下，能够以与具体说明和示出的方式不同的方式实施本发明。

Claims (19)

1.一种加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统，包括：
蒸发器；
压缩机；
冷凝器；
位于冷凝器与蒸发器之间的膨胀装置；
位于蒸发器与压缩机之间的过热控制器；和
位于冷凝器与膨胀装置之间的质量流量计；
其中，所述过热控制器配置为测量制冷剂流体的压力和温度并由此计算过热度，接收并分析从冷凝器流出并由质量流量计测量的制冷剂流体的质量流量，并且还配置为向膨胀装置提供控制信号。
2.如权利要求1所述的HVAC-R系统，其中，所述从过热控制器提供至膨胀装置的控制信号配置为确保流入蒸发器中的制冷剂流体的稳定质量流量。
3.如权利要求1所述的HVAC-R系统，其中，所述膨胀阀是模块化硅膨胀阀。
4.如权利要求3所述的HVAC-R系统，其中，所述模块化硅膨胀阀是两级比例控制阀，其中第一级是微型阀，该微型阀构造为用于控制第二级滑阀的导阀，其中当所述微型阀接收到来自可操作地连接至过热控制器的过热处理器的脉宽调制(PWM)信号时，该微型阀进行调节，以改变第二级滑阀上的压差，并且其中所述滑阀会移动以平衡压差，改变模块化硅膨胀阀的阀孔开度，以控制所需的制冷剂流量。
5.如权利要求1所述的HVAC-R系统，其中，所述过热控制器包括集成的过热处理器。
6.如权利要求5所述的HVAC-R系统，其中，所述过热控制器包括集成的压力传感器。
7.如权利要求6所述的HVAC-R系统，其中，所述过热控制器包括集成的温度传感器。
8.如权利要求1所述的HVAC-R系统，还包括布置在过热控制器外部并电连接至过热控制器的过热处理器。
9.如权利要求1所述的HVAC-R系统，还包括安装在过热控制器外部并电连接至过热控制器的温度传感器、计算机、蜂窝电话和存储卡之一。
10.一种控制流过加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统的流体的流量的方法，所述方法包括：
测量HVAC-R系统的蒸发器出口处的温度和压力，其中该蒸发器与压缩机、冷凝器和膨胀装置流体连通；
将测量的温度和压力数据发送至过热处理器；
在过热处理器内计算过热度；
测量从冷凝器流出的制冷剂流体的质量流量；
将测量的质量流量数据发送至过热处理器；和
向膨胀装置发送控制信号。
11.如权利要求10所述方法，其中，所述从过热处理器提供至膨胀装置的控制信号配置为确保流入蒸发器中的制冷剂流体的稳定质量流量。
12.如权利要求10所述的方法，其中，所述将控制信号发送至膨胀装置的步骤包括将测量的质量流量数据与过热处理器内的测量的温度和压力数据组合。
13.如权利要求10所述的方法，其中，所述膨胀阀是模块化硅膨胀阀。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述模块化硅膨胀阀是两级比例控制阀，其中第一级是微型阀，该微型阀构造为用于控制第二级滑阀的导阀，其中当所述微型阀接收到来自可操作地连接至过热控制器的过热处理器的脉宽调制(PWM)信号时，该微型阀进行调节，以改变第二级滑阀上的压差，并且其中所述滑阀会移动以平衡压差，改变模块化硅膨胀阀的阀孔开度，以控制所需的制冷剂流量。
15.如权利要求10所述的方法，其中，所述过热处理器是过热控制器的集成部件，并电连接至过热控制器。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述过热控制器包括集成的压力传感器。
17.如权利要求16所述的方法，其中，所述过热控制器包括集成的温度传感器。
18.如权利要求17所述的方法，其中包括安装在过热控制器外部并电连接至过热控制器的温度传感器、计算机、蜂窝电话和存储卡之一。
19.如权利要求18所述的方法，还包括从温度传感器、计算机、蜂窝电话和存储卡之一向过热处理器发送数据的步骤。
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