CN110173911A - 新型冷水机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型冷水机，包括循环水箱、媒体泵以及至少一个冷却单元，所述的冷却单元包括依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀，所述的蒸发器设置用于流入从模具流出的媒体的进入口和用于流出冷却媒体的排出口，使得从模具流出的媒体经所述的蒸发器被冷却为冷却媒体，所述的循环水箱与所述的蒸发器的排出口相连通，所述的媒体泵用于从所述的循环水箱向模具输送媒体，所述的蒸发器的进入口设置用于检测从模具流出的媒体的温度的第一温度传感器，所述的压缩机设置第一变频器，根据所述的第一温度传感器检测到的实时温度，所述的第一变频器控制所述的压缩机的电机转速。采用了本发明的新型冷水机，温控精确，能耗低并且稳定性高。
Description
技术领域
本发明涉及注塑技术领域，具体是指一种新型冷水机。
背景技术
在注塑成型行业，模具作为高温塑料被冷却和固化的热交换器，模具的温度、模具冷却时间的长短、冷却效果的好坏，对成型品的外观品质起到决定性作用。因此，为了缩短冷却周期，提高成型品的品质，对模具的冷却及温度管理变的极为重要。而模具自身受外界环境影响较大，本身没有温度调节能力，在保持温度的安定性上无能为力，特别是模具温度较低的工艺条件下，模具冷却用冷水机的性能尤为重要。而目前使用较多的模具冷却用冷水机有其弊端和局限性：
1)、模具温控精度低
2)、能源浪费
3)、压缩机寿命减少
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种温控精确、能耗低以及稳定性高的新型冷水机。
为了实现上述目的，本发明提供的一种新型冷水机，技术方案如下：
所述的新型冷水机包括循环水箱、媒体泵以及至少一个冷却单元，所述的冷却单元包括依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀，所述的蒸发器设置用于流入从模具流出的媒体的进入口和用于流出冷却媒体的排出口，使得从模具流出的媒体经所述的蒸发器被冷却为冷却媒体，所述的循环水箱与所述的蒸发器的排出口相连通，所述的媒体泵用于从所述的循环水箱向模具输送媒体，所述的蒸发器的进入口设置用于检测从模具流出的媒体的温度的第一温度传感器，所述的压缩机设置第一变频器，根据所述的第一温度传感器检测到的实时温度，所述的第一变频器控制所述的压缩机的电机转速。
较佳地，所述的新型冷水机包括第一温度控制器，所述的第一温度控制器设置成将所述的第一温度传感器检测到的实时温度转换成第一输出信号，并将所述的第一输出信号发送给所述的第一变频器，所述的第一变频器设置成根据接收到的第一输出信号控制输出频率以控制压缩机的转速。
较佳地，所述的第一温度控制器设置第一比较模块，所述的第一比较模块设置成将所述的第一温度传感器检测到的实时温度与预设温度相比较，并将比较结果转成第一输出信号。
较佳地，若所述的第一温度传感器检测到的实时温度大于所述的预设温度，则控制输出频率以控制压缩机的转速上升；若所述的第一温度传感器检测到的实时温度小于所述的预设温度，则控制输出频率以控制压缩机的转速降低。
较佳地，所述的媒体泵设置第二变频器和用于媒体泵输送的媒体的实时温度的第二温度传感器，根据所述的第一温度传感器和第二温度传感器检测到的实时温差，所述的第二变频器控制所述的媒体泵的转速。
较佳地，从模具流出的媒体经由所述的循环水箱后流入所述的蒸发器的进入口，所述的第一温度传感器设置在连接模具和循环水箱的管路中。
较佳地，所述的新型冷水机包括第二温度控制器，所述的第二温度控制器设置成获得所述的第一温度传感器和第二温度传感器检测到的实时温差，并将所述的实时温差转换成第二输出信号后发送给所述的第二变频器，所述的第二变频器设置成根据接收到的第二输出信号控制输出频率以控制媒体泵的转速。
较佳地，所述的第二温度控制器设置第二比较模块，所述的第二比较模块设置成将所述的实时温差与预设温差相比较，并将比较结果转成第二输出信号。
较佳地，若所述的实时温差大于所述的预设温差，则控制输出频率以控制媒体泵的转速上升；若所述的实时温差小于所述的预设温差，则控制输出频率以控制媒体泵的转速降低。
较佳地，所述的膨胀阀设置用于控制开度的控制器，所述的蒸发器中制冷剂的出口处设置用于检测制冷剂的温度的第三温度传感器以及用于检测制冷剂的压力的压力传感器，根据所述的第三温度传感器检测到的温度和压力传感器检测到的压力，所述的控制器获得过热度并根据过热度控制所述的膨胀阀的开度。
较佳地，所述的控制器设置第三比较模块，所述的第三比较模块设置成将所述的过热度与预设过热度相比较，根据比较结果，所述的控制器控制所述的膨胀阀的开度，来调整制冷剂的流量。
附图说明
图1为本发明的新型冷水机的结构示意图。
图2为定频冷水机和变频冷水机的压缩机输出对比图。
图3为定频压缩机和变频压缩机随环境温度的输入功率对比图。
图4a和4b分别为定频压缩机和变频压缩机的起动电流图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。
如图1所示，为本发明提供的一种新型冷水机的实施例，该新型冷水机接入用户所使用的模具1，用于冷却模具，其中该新型冷水机中设置一个冷却单元，可以根据需要选择设置两个及以上冷却单元。
如图1所示，本发明提供的冷水机包括媒体循环和冷媒循环，其中，空心箭头表示媒体循环，媒体经由模具1、蒸发器4、循环水箱2、媒体泵3形成循环回路。其中，流经模具的媒体吸收模具1内树脂放出的热量后，以高温媒体的形式流出模具，从模具流出的高温媒体流至蒸发器4，经过蒸发器4的降温作用，高温媒体被冷却为低温媒体，低温媒体进入循环水箱2，由媒体泵3将循环水箱2内的低温媒体输送到模具1，持续吸收模具内树脂放出的热量，完成一个媒体循环。
如图1所示，实心粗箭头表示冷却单元中的冷媒(制冷剂)循环，制冷剂经由蒸发器4、气液分离器14、压缩机9、冷凝器10、膨胀阀8形成循环回路。其中，制冷剂在蒸发器4内吸收高温媒体的热量后蒸发，蒸发后形成低温过热制冷剂气体，经由管路进入压缩机9，压缩机9通过动定涡旋盘将制冷剂压缩成高温高压气体，进入冷凝器10中冷凝，高温高压制冷剂气体在冷凝的过程中放出热量，如实心细箭头所示，热量由冷却水进口12进入的冷却水带走，被冷凝后的液态制冷剂进入电子膨胀阀8，节流降压，被节流降压后的制冷剂气液混合物再进入蒸发器4吸收热量后蒸发，完成一个冷却单元的一个冷媒循环。
除图1所示的实施例外，本发明的冷水机可以设置两个及以上冷却单元，其中每个冷却单元的蒸发器的排出口均与循环水箱连通，优选地，循环水箱同时与每个冷却单元的蒸发器的进入口相连接，使得从模具流出的媒体经由所述的循环水箱后流入所述的蒸发器的进入口，此时，所述的第一温度传感器可以设置在连接模具和循环水箱的管路中。
本发明提供的压缩机9设置变频器，所述的蒸发器4的进入口设置用于检测流入的高温媒体的温度的温度传感器5，根据温度传感器5检测到的实时温度T1，变频器控制压缩机9的电机转速。
压缩机的变频器与温度控制器电性连接，温度控制器与温度传感器电连接，温度控制器设置成温度传感器5检测到的实时温度T1转换成输出信号，该输出信号可以为模拟量参考值(电流或电压信号)，温度控制器将输出信号发送给压缩机的变频器，压缩机的变频器根据接收到的输出信号控制变频器输出频率以控制压缩机的电机转速。
在温度控制器中，通过比较模块，将实时温度T1与预设温度T0相比较，并将比较结果转换成输出信号，其中，若实时温度T1大于所述的预设温度T0，则控制输出频率上升以控制压缩机的电机转速上升；若实时温度T1小于所述的预设温度T0，则控制输出频率降低以控制压缩机的电机转速降低。
因此，本发明提供的压缩机由传统的两位置动作(启停控制)变为转速比例控制。具体来说，在需要控制水温的系统位置上(例如水箱或者管道上)安装PT100热电阻，温度传感器5感知负荷侧的实时水温T1，并将温度转换为电信号传输至温度控制器，根据采集到的电信号变化，温度控制器用比例动作进行没有震荡的平滑控制，输出模拟量参考值信号(电流或电压信号)给压缩机的变频器，根据温度控制器输入的模拟量信号，变频器驱动压缩机，以实现压缩机在不同热负荷的条件下进行转速控制。
温度控制器将实时水温T1与预设水温T0进行比较，为了使实时水温T1无限接近于预设水温T0，温度控制器根据比较结果来实时调整输出的模拟量信号。根据温度控制器输入的模拟量信号，变频器驱动压缩机，其中变频器内部可以预制模拟量信号和频率的线性对应逻辑，例如变频器的输出频率范围是25到100Hz，而温度控制器输出的模拟量信号为4到20mA的电流信号，则4mA对应25Hz，20mA对应100Hz，以此类推。因此，根据温度控制器输入的模拟量信号，变频器调整输出频率，进而控制压缩机的电机转速。
当热负荷减小时，回水温度降低，检测到的实时水温T1低于设定温度T0，反馈信号减小，输出模拟量减小，变频器输出频率和压缩机转速都会降低。反之，热负荷增加时，回水温度升高，检测到的实时水温T1高于设定温度T0，反馈信号增加，输出模拟量增加，变频器输出频率和压缩机转速都会上升。
本发明提供的媒体泵3设置第二变频器和用于检测输送从循环水箱流出的媒体的实时温度T2的温度传感器13，如图1所示，温度传感器13设置在循环水箱2的出水口处，根据温度传感器5和温度传感器13检测到的实时温差Δt1，所述的第二变频器控制所述的媒体泵的转速。
媒体泵的变频器与温度控制器电性连接，温度控制器与温度传感器线连接，媒体泵的温度控制器设置成获得温度传感器5、13检测的媒体的实时温差Δt1，并将所述的实时温差Δt1转换成输出信号后发送给媒体泵的变频器，根据接收到的输出信号，媒体泵变频器控制输出频率以控制媒体泵的转速。
在媒体泵的温度控制器中，通过比较模块，将所述的实时温差Δt1与预设温差Δt0相比较，并将比较结果转成输出信号，其中，若所述的实时温度Δt1大于所述的预设温差Δt0，则控制输出频率上升以控制媒体泵的转速上升；若所述的实时温差Δt1小于所述的预设温差Δt0，则控制输出频率降低以控制媒体泵的转速降低。
因此，本发明冷水机中的媒体泵，可以使用可编程逻辑控制器(PLC)经温度传感器检测到反馈值，通过RS485通讯输出数字信号给媒体泵变频器，变频器根据收到的数字信号控制输出频率和媒体泵电机转速。具体来说，在冷水机进出水管道上安装PT100热电阻，分别用来检测实际进出水温度PV1和PV2，获得实时温差Δt1。根据传热计算公式：Q(换热量)＝C(流体比热)×m(流体质量流量)×Δt1(进出水温差)。当流体比热和流体质量流量一定时，当热负荷减小，进出水温差也会减小；反之，当热负荷增加，进出水温差也会变大。因此，如果将进出水温差设定并保持，就可以通过控制流体流量来改变换热量，而流体流量和媒体泵的输入功率和转速是成正比关系，通过改变媒体泵电机转速就可以控制流量。
在PLC中预制进出水温差的预设温差Δt0，PLC将预设温差Δt0和实时温差Δt1进行比较，为了使实时温差Δt1无限接近于预设温差Δt0，PLC根据比较结果来实时调整输出的数字信号。根据PLC输入的数字信号，媒体泵变频器驱动媒体泵，其中媒体泵变频器内部可以预制数字信号和频率的对应逻辑，例如变频器的输出频率范围是30到50Hz，而数字信号为30到50，则30对应30Hz，50对应50Hz，以此类推。因此，根据接收到的数字信号，媒体泵变频器调整输出频率，进而控制媒体泵的转速。
当热负荷减小时，温差降低，实时温差Δt1小于所述的预设温差Δt0，反馈信号减小，输出数字变小，变频器输出频率和媒体泵转速都会降低。反之，热负荷增加时，温差升高，实时温度Δt1大于所述的预设温差Δt0，反馈信号增加，输出数字变大，变频器输出频率和媒体泵转速都会上升。
本发明提供的膨胀阀8设置用于控制开度的控制器，所述的蒸发器4中制冷剂出口处设置用于检测制冷剂的温度的温度传感器6以及用于检测制冷剂的压力的压力传感器7，其中，制冷剂在蒸发器4内吸收高温媒体的热量后蒸发，蒸发后形成低温过热制冷剂气体，根据所述的温度传感器6检测到的温度和压力传感器检测到的压力，电子膨胀阀的控制器计算获得过热度，根据过热度控制器控制所述的膨胀阀的开度。
在电子膨胀阀的控制器中，通过比较模块，将计算获得的过热度与预设过热度相比较，根据比较结果，所述的控制器向电子膨胀阀的步进电机发出脉冲信号来控制电子膨胀阀的开度，来调整制冷剂的流量。
假设热负荷减小，压缩机转速降低，过热度有可能增加，也有可能减少，需要看压缩机实际输出的冷量和热负荷的比较。
经由本发明的新型冷水机，具有以下有益效果：
1)高精度温控
高精度温控就意味着高精度输出冷量，而压缩机作为冷水机的心脏，控制冷量输出的直接有效手段即控制压缩机的能量输出，压缩机效率的提高就意味着制冷系统整体效率的提高。本发明的变频压缩机可以采用高效稀土永磁无刷电机，转速范围1500～6000rpm，并且可以提供高、低两种涡旋盘压比，无论是风冷还是水冷均能在最优工况下运行。
本发明的压缩机匹配有专门的压缩机变频器驱动，大大提高运行的可靠性。
在对成型机模具进行冷却时，定频压缩机必须通过启停的方式来控制温度，温控精度极为有限。如图2所示，而变频压缩机则可以自动调整转速以匹配负荷变化，高速运行时制冷量大，低速运行时制冷量小，从而很容易的实现±0.5℃以内的温控精度。
2)、低能耗
除了受到季节变化及昼夜温差的影响，生产淡旺季变化以及同一台注塑机塑料制品的不同，都会需要冷水机在部分负荷下运行。在制冷循环工况下，环境温度降低，或者末端热负荷减小的场合，定频压缩机输入功率降幅非常有限，只能通过启停来匹配环境和末端负荷的变化。而变频压缩机能够通过降低转速保证低功率运行，制冷量和输入功率呈很好的线性变化，如图3所示，以丹佛斯给出的其变频压缩机和定频压缩机受环境温度影响的对比图。
制冷机组在部分负荷下运行时，由于冷凝器和蒸发器的热流量减小，制冷系数明显提高。由于实际生产中部分负荷运转的时间占绝大多数，因而可以减少运行电费，以丹佛斯的六款相近容量的压缩机做比较：
上记工况按照冬季环境温度较低的条件：
冷凝温度35℃，蒸发温度7.2℃，过热度11.1K，过冷度8.3K
从上表可以看出，在部分负荷下变频压缩机的C.O.P要高于定频压缩机。
此外，起动电流小也是降低能耗的原因之一。
以三相异步电动机为例，电流值可以从电工学原理分析得出结论：
转子电流：
式中:I2：转子电流(A)
s：转差率
f1：定子电流频率(Hz)
N2：转子每相绕组的匝数
Φ：旋转磁场的每极磁通量
R2：转子每相绕组的电阻(Ω)
X20：转子每相绕组的感抗(Ω)
在电动机持续转动的过程中，转差率s＜1,电阻R2＞＞感抗X20；而电动机刚启动时，转速n＝0，转差率s＝1，电阻R2＜＜感抗X20，转子电流I2迅速增大，致使定子电流I1也迅速增大。一般压缩机的起动电流是最大工作电流的5～7倍左右，不仅耗电，还会使运动部件的磨损加快，并产生震动噪音。因此，电机应尽量避免频繁起停，而要解决频繁起停问题，最好的办法是采用变频调节的方式，使电机保持连续运转。
此外，同样是起动，变频压缩机可以采用软起动的方式将起动电流降至最低，不仅减小了对电网的冲击，特提高了机组的稳定性，这种特点在用电紧张和必须额外配备发电机的场合尤为重要，如图4a和4b所示，同样以丹佛斯的变/定频压缩机做比较。
3)、稳定性提高
工业设备对可靠性的要求远高于民用设备，即使停产几个小时带来的经济损失也非常严重。因此，“故障率低”、“经久耐用”成为很多用户对冷水机的首要需求，而压缩机的频繁启停则是影响压缩机寿命的最大杀手之一。压缩机运转后立即停止，随制冷剂流出的润滑油很容易无法回到压缩机的油池，缺油条件下的频繁动作后轴承磨损增加，最终导致压缩机抱轴卡死。其次，制冷压缩机在运转前处于室温，而运转后吸气温度往往靠近冰点甚至以下，而排气侧温度却高达60℃以上，如果压缩机为了控温而频繁的启停，这样的往复热冲击也是导致金属部件损坏的要因之一。最后当然是起动电流对电机的冲击，起动电流较大，所以会造成短时间线圈的高温，频繁起动会使线圈持续高温并且使漆包线表面的绝缘漆剥落失效，造成线圈烧毁。而采用变频控制的冷水机，压缩机大部分时间都在低于最大转速的场合下连续运行，避免了压缩机的频繁起停。
另一方面，定速压缩机采用的节流装置一般为热力膨胀阀，但热力膨胀阀的动作往往存在滞后性，其原因在于感温包本身就具有较大的热惰性，滞后的结果会导致热力膨胀阀交替的开大或关小，即所谓的震荡现象。当阀开度过大时，蒸发器出口过热度偏低，吸气压力上升；当阀开度过小时，系统供液量不足，吸气压力降低。这样一来，对制冷系统整体的稳定性就会产生不利影响。
本发明使用与变频压缩机系统相适应的电子膨胀阀，解决了热力膨胀阀的上述问题，电子膨胀阀按照预设程序根据设定的过热度调节系统的供液量，且对信号的响应速度快，真正做到与负荷同步，提高系统的稳定性和运转效率。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (11)
1.一种新型冷水机，其特征在于，所述的新型冷水机包括循环水箱、媒体泵以及至少一个冷却单元，所述的冷却单元包括依次连接的蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀，所述的蒸发器设置用于流入从模具流出的媒体的进入口和用于流出冷却媒体的排出口，使得从模具流出的媒体经所述的蒸发器被冷却为冷却媒体，所述的循环水箱与所述的蒸发器的排出口相连通，所述的媒体泵用于从所述的循环水箱向模具输送媒体，所述的蒸发器的进入口设置用于检测从模具流出的媒体的温度的第一温度传感器，所述的压缩机设置第一变频器，根据所述的第一温度传感器检测到的实时温度，所述的第一变频器控制所述的压缩机的电机转速。
2.根据权利要求1所述的新型冷水机，其特征在于，所述的新型冷水机包括第一温度控制器，所述的第一温度控制器设置成将所述的第一温度传感器检测到的实时温度转换成第一输出信号，并将所述的第一输出信号发送给所述的第一变频器，所述的第一变频器设置成根据接收到的第一输出信号控制输出频率以控制压缩机的转速。
3.根据权利要求2所述的新型冷水机，其特征在于，所述的第一温度控制器设置第一比较模块，所述的第一比较模块设置成将所述的第一温度传感器检测到的实时温度与预设温度相比较，并将比较结果转成第一输出信号。
4.根据权利要求3所述的新型冷水机，其特征在于，若所述的第一温度传感器检测到的实时温度大于所述的预设温度，则控制输出频率以控制压缩机的转速上升；若所述的第一温度传感器检测到的实时温度小于所述的预设温度，则控制输出频率以控制压缩机的转速降低。
5.根据权利要求1所述的新型冷水机，其特征在于，从模具流出的媒体经由所述的循环水箱后流入所述的蒸发器的进入口，所述的第一温度传感器设置在连接模具和循环水箱的管路中。
6.根据权利要求1或2所述的新型冷水机，其特征在于，所述的媒体泵设置第二变频器和用于检测媒体泵输送的媒体的实时温度的第二温度传感器，根据所述的第一温度传感器和第二温度传感器检测到的实时温差，所述的第二变频器控制所述的媒体泵的转速。
7.根据权利要求6所述的新型冷水机，其特征在于，所述的新型冷水机包括第二温度控制器，所述的第二温度控制器设置成获得所述的第一温度传感器和第二温度传感器检测到的实时温差，并将所述的实时温差转换成第二输出信号后发送给所述的第二变频器，所述的第二变频器设置成根据接收到的第二输出信号控制输出频率以控制媒体泵的转速。
8.根据权利要求7所述的新型冷水机，其特征在于，所述的第二温度控制器设置第二比较模块，所述的第二比较模块设置成将所述的实时温差与预设温差相比较，并将比较结果转成第二输出信号。
9.根据权利要求8所述的新型冷水机，其特征在于，若所述的实时温差大于所述的预设温差，则控制输出频率以控制媒体泵的转速上升；若所述的实时温差小于所述的预设温差，则控制输出频率以控制媒体泵的转速降低。
10.根据权利要求1所述的新型冷水机，其特征在于，所述的膨胀阀设置用于控制开度的控制器，所述的蒸发器中制冷剂的出口处设置用于检测制冷剂的温度的第三温度传感器以及用于检测制冷剂的压力的压力传感器，根据所述的第三温度传感器检测到的温度和压力传感器检测到的压力，所述的控制器获得过热度并根据过热度控制所述的膨胀阀的开度。
11.根据权利要求9所述的新型冷水机，其特征在于，所述的控制器设置第三比较模块，所述的第三比较模块设置成将所述的过热度与预设过热度相比较，根据比较结果，所述的控制器控制所述的膨胀阀的开度，来调整制冷剂的流量。
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