CN111829111A - 一种磁制冷空调及其变容量控制方法 - Google Patents

一种磁制冷空调及其变容量控制方法 Download PDF

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Abstract

一种磁制冷空调及其变容量控制方法,通过将空调室内机回风温度与用户设定的温度差值作为第一差值,以第一差值调节室内换热器的温度设定值和室内风机的转速、室外风机的转速;根据室内换热器的温度设定值与实际采集到的温度差值作为第二差值,根据第二差值调节驱动电机从而改变磁体的转速,据此控制磁制冷循环频率;实时计算出系统流量的设定值,采集室内换热器与回热式磁工质床之间管路上的流量值,并与系统流量的设定值进行比较得到第三差值,以第三差值作为目标调节双向流体驱动泵的转速,实现热交换流体的流量控制。本发明能够使得磁场的变化周期和热交换流体流量与房间负荷合理匹配,并实现磁制冷空调效率最优。

Description

一种磁制冷空调及其变容量控制方法
技术领域
本发明涉及制冷技术,具体涉及一种磁制冷空调及其变容量控制方法。
背景技术
蒸气压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术,大量应用于空调、冰箱以及冰柜机组等。自20世纪初以来,蒸气压缩循环中的压缩机、换热器等核心部件已历经数代发展,目前最优秀的蒸气压缩制冷系统,其制冷效率已经能接近40%-45%逆卡诺循环的理论效率。但是蒸气压缩制冷系统大量使用对环境及气候变化不利的氟氯烃、氟代烃等制冷剂,这些制冷剂的温室气体效应大多为CO2的1000倍以上,在国际组织的约束下正在被逐渐替代。
室温磁制冷技术是一种基于磁热效应的新型制冷技术,磁热效应是一种在变化磁场下磁性材料磁矩有序性发生变化而产生的热现象,涉及到磁工质内部的相变,对应的熵变及潜热即可用于制冷或热泵。磁工质为固体,无毒、无温室效应、不破坏臭氧层,因此室温磁制冷是一种替代蒸气压缩制冷的新型绿色技术。在交变磁场作用下产生熵变、潜热的磁工质包括但不限于稀土金属单质(例如钆),稀土元素与轻金属的二元合金(例如铒钴合金、钆铝合金、铽钛合金),稀土元素与轻金属的三元合金(例如钆铽铝合金),稀土元素与过渡元素的二元或三元化合物(例如钆硅锗),无稀土元素的锰砷基二元、三元或四元化合物(例如锰砷、锰铁磷砷),哈斯勒合金体系(例如镍锰镓),镧铁硅体系及其氢化物等。相关研究指出,磁制冷能够实现30%-60%的逆卡诺循环效率,因此具有较好的应用前景。
而现阶段,室温磁制冷原型机仅仅只能够实现18%的逆卡诺循环效率,这与蒸气压缩制冷设备效率仍有一定差距。最新的研究表明,考虑部分负荷运行特性及全制冷季性能时,磁制冷机效率能够达额定效率的2倍以上,从而更接近其理论效率极限。因此,实现磁制冷空调在变容量下的自动控制有助于实现室温磁制冷的商业化和产业化。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中室温磁制冷空调制冷效率不高的问题,提供一种磁制冷空调及其变容量控制方法,实现磁制冷空调的制冷效率最优。
为了实现上述目的,本发明具有如下的技术方案:
一种磁制冷空调,包括室外机和室内机;
室外机包括旋转式磁制冷机、室外换热器、室外风机以及双向流体驱动泵,所述的旋转式磁制冷机包括若干组沿圆周方向排列的回热式磁工质床,回热式磁工质床的内外侧分别设置有磁体,磁体与驱动电机连接,磁体通过旋转产生周期性变化的磁场;室内机包括室内换热器和室内风机;双向流体驱动泵分别与回热式磁工质床、室内换热器以及室外换热器相连,改变双向流体驱动泵的正反向运行方式能实现制冷模式与制热模式的转换。
作为优选,所述的室内换热器通过室内侧旋转式流量分配阀与回热式磁工质床的一端连接,室外换热器通过室外侧旋转式流量分配阀与回热式磁工质床的另一端连接。
作为优选,所述的室外机和室内机分别封装在机箱内,室外机的机箱上设置室外机出风格栅,室内机的机箱一侧面上设置室内机出风格栅,另一侧面上设置室内机回风格栅;室内机还包括过滤装置,所述的过滤装置设置在室内机回风格栅处。
作为优选,所述的驱动电机为可变速电机,驱动电机的输出轴经过变速机构连接主轴,主轴悬空设置且与支撑部件之间通过轴承转动连接,所述的磁体安装在主轴上。
作为优选,驱动电机上安装电机转速控制器,双向流体驱动泵上安装驱动泵转速控制器,室外换热器上安装室外侧温度传感器,室内换热器与室内侧旋转式流量分配阀之间的管路上安装流量传感器,室外风机上安装室外侧风机转速控制器,室内换热器上安装室内侧温度传感器,室内机回风格栅上安装回风温度传感器,室内风机上安装室内侧风机转速控制器;所述电机转速控制器、驱动泵转速控制器、室外侧温度传感器、流量传感器、室外侧风机转速控制器、室内侧温度传感器、回风温度传感器以及室内侧风机转速控制器均与控制模块连接。
作为优选,所述的控制模块设置在室内机上,所述的控制模块上设有人机交互界面,在人机交互界面上设置有开、关机功能,并能够人为的选择制冷模式、制热模式和除霜模式。
本发明还提供一种磁制冷空调的变容量控制方法,包括不分先后的以下步骤:
a.将空调室内机回风温度与用户设定的温度差值作为第一差值,以第一差值调节室内换热器的温度设定值和室内风机的转速、室外风机的转速;
b.根据室内换热器的温度设定值与实际采集到的温度差值作为第二差值,根据第二差值调节驱动电机从而改变磁体的转速,据此控制磁制冷循环频率;
c.实时计算出系统流量的设定值,采集室内换热器与回热式磁工质床之间管路上的流量值,并与系统流量的设定值进行比较得到第三差值,以第三差值作为目标调节双向流体驱动泵的转速,实现热交换流体的流量控制。
所述系统流量的设定值根据磁体的转速设定值与利用系数设定值计算得到,不同工况下的利用系数设定值不同,利用系数设定值取决于室外换热器的温度和室内换热器的温度的差值以及磁体的转速设定值;最佳利用系数设定值直接取自存储数据或者人工设置。
空调在除霜模式下控制室外风机、室内风机停止,以最大流量模式运行,将制热模式改变为制冷模式;除霜模式手动选择进入或者自动判断空调是否需要除霜,自动判断空调是否需要除霜时采集室外换热器的温度To并通过采集到的室外环境温湿度数据计算得到露点温度Te,若To-Te<ΔTre且持续时间超过tre,式中的ΔTre为化霜参考温差,tre为化霜参考时间,则空调进入除霜模式,当采集到的室外换热器的温度To超过设定温度Ts时,则停止除霜。
空调的制冷模式与制热模式的转换通过改变磁体强磁场区域的相位角来实现,使得原本位于强磁场区域的回热式磁工质床处于弱磁场区域,原本位于弱磁场区域的回热式磁工质床处于强磁场区域,即使原本要被磁化的回热式磁工质床处于消磁阶段,而原本要消磁的回热式磁工质床处于磁化阶段,相位角根据回热式磁工质床的个数计算;
或者,通过改变双向流体驱动泵的正反向运行实现制冷模式与制热模式的转换,制冷模式下双向流体驱动泵正向运行,制热模式下双向流体驱动泵反向运行。
相较于现有技术,本发明磁制冷空调具有如下的有益效果:设置双向流体驱动泵分别与回热式磁工质床、室内换热器以及室外换热器相连,一方面,改变双向流体驱动泵的正反向运行方式能够实现空调制冷模式与制热模式的转换,另一方面双向流体驱动泵的转速可调,能够使磁场的变化周期和热交换流体流量与房间负荷合理匹配,实现磁制冷空调效率最优。本发明磁制冷空调结构设置简单,能够进行变容量串级控制,避免了室温磁制冷过程受到制约条件限制,相较于室温磁制冷原型机有效提高了室温磁制冷空调的制冷效率。
相较于现有技术,本发明磁制冷空调的变容量控制方法具有如下的有益效果:采用变容量串级控制,通过采集空调室内机回风温度并获取第一差值来调节室内换热器的温度设定值和室内风机的转速、室外风机的转速,通过采集室内换热器的温度并获取第二差值来调节磁体的转速,据此控制磁制冷循环频率,实时计算出系统流量的设定值并通过第三差值调节热交换流体的流量控制。分级调节室内、外侧风机转速,驱动电机转速以及双向流体驱动泵转速,使得磁场的变化周期和热交换流体流量与房间负荷合理匹配,并能够实现磁制冷空调效率最优,该控制方法能够同时控制空调制冷、制热模式的转换并可以实现除霜功能。
附图说明
图1本发明磁制冷空调变容量串级控制系统原理图;
图2本发明磁制冷空调的结构简图;
图3本发明磁制冷空调制冷模式的流程图;
图4本发明磁制冷空调制热模式的流程图;
图5本发明磁制冷空调除霜模式的流程图;
附图中:101-回热式磁工质床;102-磁体;103-主轴;104-变速机构;105-驱动电机;106-室内侧旋转式流量分配阀;107-室外侧旋转式流量分配阀;108-双向流体驱动泵;109-室外换热器;110-室内换热器;201-室外风机;202-室内风机;301-电机转速控制器;302-驱动泵转速控制器;303-室外侧温度传感器;304-流量传感器;305-室外侧风机转速控制器;306-室内侧温度传感器;307-回风温度传感器;308-室内侧风机转速控制器;309-控制模块;401-室外机;402-室外机出风格栅;403-室内机;404-室内机出风格栅;405-室内机回风格栅;406-过滤装置。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1,本发明磁制冷空调的变容量控制方法,包括以下步骤:
a.考虑到被空调冷却或加热的房间热惯性最大,将回风温度传感器307采集到的温度与用户设定的温度的差值作为第一差值,以第一差值调节室内侧换热器110的温度设定值和室内风机202转速、室外风机201转速。在制冷模式下,室内回风温度传感器307超过用户设定温度越大,室内换热器110的温度设定值越低,但不低于5℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均增大;反之,当回风温度传感器307温度低于用户设定温度时,增大室内换热器110的温度设定值,但不高于20℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均减小。在制热模式下,回风温度传感器307低于用户设定温度越多,室内换热器110的温度设定值越高,但不高于45℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均增大;反之,当回风温度传感器307温度高于用户设定温度时,降低室内换热器110的温度设定值,但不低于30℃,同时,室外风机201、室内风机202的转速均减小。
b.根据室内换热器110的温度设定值与室内侧温度传感器306采集到的的温度差值作为第二差值,根据第二差值调节电机转速控制器301从而改变磁体102的转速,据此控制磁制冷循环频率;
c.根据磁体102的转速和室内换热器110与室外换热器109上的传感器采集到的温度差值,实时计算出系统流量的设定值,将流量传感器304采集到的流量值与上述流量的设定值比较得到第三差值,以第三差值作为目标调节驱动泵转速控制器302,实现热交换流体的流量控制。
其中,系统流量的设定值根据磁体102的转速设定值与利用系数设定值计算得到。不同工况下的利用系数设定值不同,利用系数的设定值取决于室外换热器和室内换热器110的温度差值以及磁体102的转速设定值;一种简化的设定方法可以将利用系数的设定值直接取自存储在控制模块309内部的数据,或者通过人机交互界面由用户进行手动设置。得到利用系数设定值后,控制模块309根据磁体102的转速设定值计算得到系统流量的设定值。
参见图2,本发明旋转式磁制冷空调分为室内机403和室外机401,室内机403包括室内换热器110,室内风机202,控制模块309和过滤装置406;室外部分包括旋转式磁制冷机,室外换热器109,室外风机201和双向流体驱动泵108。旋转式磁制冷机包括若干组沿圆周方向排列的回热式磁工质床101,回热式磁工质床101的内外侧分别设置有磁体102,磁体102与驱动电机105连接,通过旋转产生周期性变化的磁场,双向流体驱动泵108通过三通电磁阀分别与回热式磁工质床101、室内换热器110以及室外换热器109相连。控制模块309上设有人机交互界面,人机交互界面上设有开、关机功能,并能够人为选择制冷模式、制热模式和除霜模式,用户可实时调节室内温度;控制模块309通过驱动泵转速控制器302与双向流体驱动泵108连接,从而调节泵转速控制流体流量;所述的控制模块309通过电机转速控制器301与驱动电机105连接,从而调节磁体102转速;控制模块连接室内侧风机转速控制器308和室外侧风机转速控制器305能够分别控制两个风机的转速;控制模块309连接布置于室内换热器110表面的室内侧温度传感器306、布置于室外换热器109表面的室外侧温度传感器303、布置于流体管道上的流量传感器304和布置在室内机回风格栅405处的回风温度传感器307。
热泵型磁制冷空调有三种运行模式:除霜模式、制冷模式、制热模式,
参见图3,当用户开机,选择制冷模式,磁制冷空调开始工作,当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入强磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室外换热器109,同时室外风机201开启;当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入弱磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室内换热器110,同时室内风机202开启。控制模块309将回风温度传感器307采集到的温度与用户设定的温度的差值作为第一差值,若回风温度传感器307超过用户设定温度越大,室内换热器110的温度设定值越低,但不低于5℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均增大;反之,当回风温度传感器307温度低于用户设定温度时,增大室内换热器110的温度设定值,但不高于20℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均减小。
参见图4,当用户开机,选择制热模式,磁制冷空调开始工作,驱动电机105首先改变磁体102的相位角,当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入弱磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室外换热器109,同时室外风机201开启;当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入强磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室内换热器110,同时室内风机202开启。或者,也可以在不改变磁体102相位角的情形下,用户选择制热模式后,磁制冷空调开始工作,当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入强磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室内换热器110,同时室内风机202开启;当驱动电机105带动回热式磁工质床101进入弱磁场区域后,双向流体驱动泵108驱动热交换流体从回热式磁工质床101流向室外换热器109,同时室外风机201开启。通过以上任意一种方式实现制热模式后,控制模块309将空调回风温度传感器307采集到的温度与用户设定的温度的差值作为第一差值,若回风温度传感器307低于用户设定温度越多,室内换热器110的温度设定值越高,但不高于45℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均增大;反之,当回风温度传感器307温度高于用户设定温度时,降低室内换热器110的温度设定值,但不低于30℃,同时,室外风机201、室内风机202转速均减小。控制模块309在每个给定的时间间隔得到室内换热器110的温度设定值与传感器306采集到的温度的差值,通过PID控制算法计算得到驱动电机105转速设定值;控制模块309根据驱动电机105的转速设定值与运行温差(室内换热器110、室外换热器109换热器温度差值)计算得到系统最优流量,通过PID控制算法调节驱动泵转速控制器302,从而使得系统流量达到系统最优流量值。
参见图5,除霜模式下控制室外风机201、室内风机202停止,双向流体驱动泵108的转速为最大,从而实现快速化霜。用户可以通过人机界面手动选择进入除霜模式,也可以由控制模块判断空调是否需要除霜:控制模块309采集室外换热器109的温度To并通过采集到的室外环境温湿度数据计算得到露点温度Te,若判断To-Te<ΔTre,且持续时间超过tre,则空调进入除霜模式。式中的ΔTre为化霜参考温差,tre为化霜参考时间,优选的ΔTre为-8~0℃,tre为30min~45min,当监测到室外换热器109温度To超过设定温度Ts时,则停止除霜。
本发明提出的磁制冷空调及其变容量控制方法采用变容量串级控制,提供了完整的高效自动温控与冷热模式转换流程。通过温度传感器与流量传感器采集信号,分级调节室内、外侧风机转速,驱动电机转速以及双向流体驱动泵转速,使得磁场的变化周期和热交换流体流量与房间负荷合理匹配,并实现磁制冷空调效率最优;通过改变磁体相位或者双向流体驱动泵的流动方向以达到制冷、制热模式的转换并可以实现除霜功能。
以上所述仅仅是本发明的较佳实施例,并不用以对本发明的技术方案进行任何限制,本领域技术人员应当理解的是,在不脱离本发明精神和原则的前提下,该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换,这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围。

Claims (10)

1.一种磁制冷空调,其特征在于:包括室外机(401)和室内机(403),室外机(401)包括旋转式磁制冷机、室外换热器(109)、室外风机(201)以及双向流体驱动泵(108),所述的旋转式磁制冷机包括若干组沿圆周方向排列的回热式磁工质床(101),回热式磁工质床(101)的内外侧分别设置有磁体(102),磁体(102)与驱动电机(105)连接,磁体(102)通过旋转产生周期性变化的磁场;室内机(403)包括室内换热器(110)和室内风机(202);双向流体驱动泵(108)分别与回热式磁工质床(101)、室内换热器(110)以及室外换热器(109)相连,改变双向流体驱动泵(108)的正反向运行方式能实现制冷模式与制热模式的转换。
2.根据权利要求1所述的磁制冷空调,其特征在于:所述的室内换热器(110)通过室内侧旋转式流量分配阀(106)与回热式磁工质床(101)的一端连接,室外换热器(109)通过室外侧旋转式流量分配阀(107)与回热式磁工质床(101)的另一端连接。
3.根据权利要求1所述的磁制冷空调,其特征在于:室外机(401)和室内机(403)分别封装在机箱内,室外机(401)的机箱上设置室外机出风格栅(402),室内机(403)的机箱一侧面上设置室内机出风格栅(404),另一侧面上设置室内机回风格栅(405);室内机(403)还包括过滤装置(406),所述的过滤装置(406)设置在室内机回风格栅(405)处。
4.根据权利要求3所述的磁制冷空调,其特征在于:所述的驱动电机(105)为可变速电机,驱动电机(105)的输出轴经过变速机构(104)连接主轴(103),主轴(103)悬空设置且与支撑部件之间通过轴承转动连接,所述的磁体(102)安装在主轴(103)上。
5.根据权利要求4所述的磁制冷空调,其特征在于:驱动电机(105)上安装电机转速控制器(301),双向流体驱动泵(108)上安装驱动泵转速控制器(302),室外换热器(109)上安装室外侧温度传感器(303),回热式磁工质床(101)的流体管道上安装流量传感器(304),室外风机(201)上安装室外侧风机转速控制器(305),室内换热器(110)上安装室内侧温度传感器(306),室内机回风格栅(405)上安装回风温度传感器(307),室内风机(202)上安装室内侧风机转速控制器(308);
所述的电机转速控制器(301)、驱动泵转速控制器(302)、室外侧温度传感器(303)、流量传感器(304)、室外侧风机转速控制器(305)、室内侧温度传感器(306)、回风温度传感器(307)以及室内侧风机转速控制器(308)均与控制模块(309)连接。
6.根据权利要求5所述的磁制冷空调,其特征在于:所述的控制模块(309)设置在室内机(403)上,所述的控制模块(309)上设有人机交互界面,在人机交互界面上设置有开、关机功能,并能够人为的选择制冷模式、制热模式和除霜模式。
7.一种磁制冷空调的变容量控制方法,其特征在于,包括不分先后的以下步骤:
a.将空调室内机回风温度与用户设定的温度差值作为第一差值,以第一差值调节室内换热器(110)的温度设定值和室内风机(202)的转速、室外风机(201)的转速;
b.根据室内换热器(110)的温度设定值与实际采集到的温度差值作为第二差值,根据第二差值调节驱动电机(105)从而改变磁体(102)的转速,据此控制磁制冷循环频率;
c.实时计算出系统流量的设定值,采集室内换热器(110)与回热式磁工质床(101)之间管路上的流量值,并与系统流量的设定值进行比较得到第三差值,以第三差值作为目标调节双向流体驱动泵(108)的转速,实现热交换流体的流量控制。
8.根据权利要求7所述磁制冷空调的变容量控制方法,其特征在于,所述系统流量的设定值根据磁体(102)的转速设定值与利用系数设定值计算得到,不同工况下的利用系数设定值不同,利用系数设定值取决于室外换热器(109)的温度和室内换热器(110)的温度的差值以及磁体(102)的转速设定值;最佳利用系数设定值直接取自存储数据或者人工设置。
9.根据权利要求7所述磁制冷空调的变容量控制方法,其特征在于,空调在除霜模式下控制室外风机(201)、室内风机(202)停止,以最大流量模式运行,将制热模式改变为制冷模式;除霜模式手动选择进入或者自动判断空调是否需要除霜,自动判断空调是否需要除霜时采集室外换热器(109)的温度To并通过采集到的室外环境温湿度数据计算得到露点温度Te,若To-Te<ΔTre且持续时间超过tre,式中的ΔTre为化霜参考温差,tre为化霜参考时间,则空调进入除霜模式,当采集到的室外换热器(109)的温度To超过设定温度Ts时,则停止除霜。
10.根据权利要求7所述磁制冷空调的变容量控制方法,其特征在于,空调的制冷模式与制热模式的转换通过改变磁体(102)强磁场区域的相位角来实现,使得原本位于强磁场区域的回热式磁工质床(101)处于弱磁场区域,原本位于弱磁场区域的回热式磁工质床(101)处于强磁场区域,即使原本要被磁化的回热式磁工质床(101)处于消磁阶段,而原本要消磁的回热式磁工质床(101)处于磁化阶段,相位角根据回热式磁工质床(101)的个数计算;
或者,通过改变双向流体驱动泵(108)的正反向运行实现制冷模式与制热模式的转换,制冷模式下双向流体驱动泵(108)正向运行,制热模式下双向流体驱动泵(108)反向运行。
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