CN110030748B - 具有同时过冷和过热控制功能的加热通风空调制冷系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有同时过冷和过热控制功能的加热通风空调制冷系统。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包括测量HVAC‑R系统的蒸发器的出口处的温度和压力，其中该蒸发器与压缩机、冷凝器，蒸发器和冷凝器之间的膨胀装置、以及压缩机和冷凝器之间的流量控制阀流体连通，并测量冷凝器出口处的过冷温度。将测量的蒸发器温度和压力数据发送至第一过热处理器，并将测量的过冷温度数据发送至第二过热处理器。然后同时发送从第一过热处理器至膨胀装置的控制信号和从第二过热处理器至流量控制阀的控制信号。

Description

具有同时过冷和过热控制功能的加热通风空调制冷系统
技术领域
本发明总体涉及加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统。本发明尤其涉及一种改良的HVAC-R系统结构和一种同时控制HVAC-R系统中的膨胀阀以改善蒸发器的冷却并控制HVAC-R系统中的流量控制阀以改善冷凝器的运行的改良方法。
背景技术
在一些常规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。
在其它已知的HVAC-R系统中，使用制冷剂充填量在HVAC-R系统启动之前控制过冷。当HVAC-R系统运行时，不能增加或减少制冷剂充填量。因此，在系统运行时可能不会优化过冷。也可使用测量的温度和压力计算特定制冷剂的过冷度，并使用一组已知的开环或闭环算法中的任何一种调节压力和温度，使过冷度变为目标过冷值，以控制过冷度。
过冷度是压力和温度的函数，并且通常可使用压力-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冷凝器的出口处测量，并通常用于计算过冷度。
但是，希望提供一种改良的HVAC-R系统结构和一种通过控制冷凝器出口处的过冷和控制蒸发器出口处的过热来控制膨胀阀的改良方法。
发明内容
本发明涉及一种改良的HVAC-R系统结构和一种同时控制HVAC-R系统中的膨胀阀以改善蒸发器的冷却并控制HVAC-R系统中的流量控制阀以改善冷凝器的运行的改良方法。
在一种实施方式中，一种控制流过加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统的流体的方法包括测量HVAC-R系统的蒸发器的出口处的温度和压力，其中该蒸发器与压缩机、冷凝器，蒸发器和冷凝器之间的膨胀装置、以及压缩机和冷凝器之间的流量控制阀流体连通，并测量冷凝器出口处的过冷温度。将测量的蒸发器温度和压力数据发送至第一过热处理器，并将测量的过冷温度数据发送至第二过热处理器。然后同时发送从第一过热处理器至膨胀装置的控制信号和从第二过热处理器至流量控制阀的控制信号。
在另一种实施方式中，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、冷凝器与蒸发器之间的膨胀装置、以及压缩机与冷凝器之间的流量控制阀。在冷凝器与膨胀装置之间连接有过冷控制器，并且该过冷控制器配置为测量冷凝器出口处的制冷剂流体温度并从该温度计算过冷度，并且还配置为向流量控制阀提供控制信号。在蒸发器与压缩机之间连接有过热控制器，并且该过热控制器配置为测量制冷剂流体压力和温度并从该数据计算过热度，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是图1中所示的已知的通用过热控制器的透视图；
图3是图2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(SHC)20的改良处理器22、过冷控制器(SCC)24、以及流量控制阀25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的出口移动至膨胀装置的入口。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。SHC20对流体管线中的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，以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，例如处理器22。处理器22对来自SHC20(根据需要，还可能有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MSEV 18的操作。可替代地，SHC 20可通过无线连接方式连接至MSEV 18。
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)，其配置为导阀，用于控制第二级滑阀(未示出)。当微型阀(未示出)从处理器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类型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2和图3在此示出了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2和图3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2和图3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2和3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22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产生信号以控制在蒸发器12的入口处的MSEV 18的操作，因此控制流至蒸发器12的所需制冷剂量。
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)。
虽然过热处理器22在图3中示出为SHC 20的一个部件，但是应理解，过热处理器22可安装到SHC 20外部的HVAC-R系统10上，例如图1中的虚线22所示。
请再次参考图1，HVAC-R系统10的所示实施方式包括SCC 24。SCC 24可与SHC 20基本相同，包括过热处理器22，并且配置为与提供从冷凝器16至蒸发器12的流体通路的流体管线连通。
附加且有利地，流量控制阀25配置为与提供从压缩机14至冷凝器16的流体通路的流体管线连通。流量控制阀25可以是本领域中的常规阀门，并配置为控制流入冷凝器16的流体的流量。适当的流量控制阀的例子包括但不限于可调节的高压控制阀。
HVAC-R系统10最好配置为通过流量控制阀25主动控制过冷度。SCC 24对流体管线中的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)做出响应，以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，例如处理器22。处理器22对来自SCC 24(根据需要，还可能有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62控制位于冷凝器16的入口处的流量控制阀25的操作。因此，流量控制阀25能够在冷凝器16的出口处实现并保持期望的过冷值。可替代地，SCC 24可通过无线连接方式连接至流量控制阀25。
同时，SHC 20的过热处理器22分别处理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，并向MSEV 18提供输出信号以调节流入蒸发器12中的流体的质量流量，从而在HVAC-R系统10中保持期望的过热度。
可在SCC 24和SHC 20中的一个或两个内提供控制算法，或者向附加的处理器(未示出，但可操作地安装在SCC 24或SHC 20之内或附近)提供控制算法，该处理器整合来自SCC 24和SHC 20的信号，以同时控制MSEV 18和流量控制阀25。因此，SCC 24和SHC 20可通过电线或电缆64电连接。
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，能够以与具体所述和所示的方式不同的方式实施本发明。

Claims (20)

1.一种控制流过加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统的流体的流量的方法，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、蒸发器和冷凝器之间的膨胀装置、以及压缩机和冷凝器之间的流量控制阀流体连通；
测量冷凝器出口处的过冷温度；
将测量的蒸发器温度和压力数据发送至第一过热处理器；
将测量的过冷温度数据发送至第二过热处理器；和
同时发送从第一过热处理器至膨胀装置的控制信号和从第二过热处理器至流量控制阀的控制信号。
2.如权利要求1所述方法，其中，所述从第一过热处理器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所述方法，其中，所述从第二过热处理器至流量控制阀的控制信号配置为确保流入冷凝器中的制冷剂流体的稳定过冷值。
4.如权利要求1所述的方法，其中，所述膨胀装置是模块化硅膨胀阀。
5.如权利要求1所述的方法，其中，所述流量控制阀是可调节的高压控制阀。
6.如权利要求4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，该微型阀配置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。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述第一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。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述过热控制器包括集成的压力传感器。
9.如权利要求8所述的方法，其中，所述过热控制器包括集成的温度传感器。
10.如权利要求1所述的方法，其中，所述第二过热处理器是过冷控制器的集成部件，并电连接至过冷控制器。
11.如权利要求10所述的方法，其中，所述过冷控制器包括集成的压力传感器。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述过冷控制器包括集成的温度传感器。
13.如权利要求9所述的方法，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。
14.如权利要求13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。
15.如权利要求12所述的方法，还包括安装在过冷控制器外部并电连接至过冷控制器的温度传感器、计算机、蜂窝电话和存储卡之一。
16.如权利要求15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冷处理器发送数据的步骤。
17.一种加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统，包括：
蒸发器；
压缩机；
冷凝器；
冷凝器与蒸发器之间的膨胀装置；
压缩机与冷凝器之间的流量控制阀；
冷凝器与膨胀装置之间的过冷控制器，该过冷控制器配置为测量冷凝器出口处的制冷剂流体温度并从该温度计算过冷度，并且还配置为向流量控制阀提供控制信号；和
蒸发器与压缩机之间的过热控制器，该过热控制器配置为测量制冷剂流体压力和温度并从该数据计算过热度，并且还配置为向膨胀装置提供控制信号。
18.如权利要求17所述的加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统，其中，所述膨胀装置是模块化硅膨胀阀。
19.如权利要求17所述的加热、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统，其中，所述流量控制阀是可调节的高压控制阀。
20.如权利要求18所述的加热、通风、空调和制冷(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，该微型阀配置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。
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