CN1124054A - 根据蒸发器的干燥度控制冷冻剂的流量 - Google Patents

Abstract

用脉宽调制控制制冷系统(10)中流过电磁膨胀阀(10)的冷冻剂的流量。第一温度传感器(30)安置在蒸发器入口附近，第二温度传感器(28)安置在待冷却的室(22)中。配备了控制器(26)用来控制脉宽调制电磁阀(16)的工作循环。控制器(26)接吸两个温度传感器(28，30)来的输入，并根据两温度的温差控制电磁阀的工作。第二温度传感器(28)最好安置在室(22)的后壁上，也可毗邻室(22)的空气出口配置或配置在空气入口与空气出口之间。

Description

根据蒸发器的干燥度控制冷冻剂的流量

发明背景

本发明总的说来涉及制冷系统中冷冻剂的膨胀控制，更具体地说，涉及用脉宽调制的电磁阀进行膨胀控制。这里使用的“制冷系统”一词是指制冷装置、空调机或任何其它产生致冷作用的系统。

家用冰箱中采用的一般制冷系统通常是按简单的蒸汽压缩循环工作的。这种循环包括一个压缩机、一个冷凝器、一个膨胀装置和一个蒸发器，所有这些都按上述次序依次串联连接，里面装有冷冻剂。冷冻剂经压缩机压缩到高温和高压之后，由冷凝器加以冷凝，这时失去的热量发散到周围环境中。液体冷冻剂接着流经诸如膨胀阀或毛细管之类的膨胀装置，经历绝热膨胀过程。这时处于低压的冷冻剂流经蒸发器，因吸收流过蒸发器上方的空气中的热量而使自身受到蒸发。制冷装置的一个或多个致冷室用冷空气冷却。从蒸发器出来的气态或大部分气态的冷冻剂经抽气管线回到压缩机，重复这个压缩循环。

毛细管是个简单价廉的装置，所以家用冰箱一般采用它控制冷冻剂的膨胀过程。然而，毛细管作为热膨胀装置有一系列局限性。例如，为使内径达到可以制造的程度并大得足以避免堵管，毛细管必须制造得非常长。这就需要冰箱有充分的空间容纳毛细管长度方向的尺寸。此外，由于对毛细管采用膨胀控制，因而生产过程中要求冷冻剂的充料操作得非常精确，因为冷冻剂通过毛细管的流量对系统中冷冻剂的充料量非常敏感。

另外，毛细管的尺寸还可以取得使冷冻剂的流量只有在某一个工作条件下达到最佳状态。因此，毛细管的尺寸通常取得使冷冻剂的流量在正常操作下达到最佳状态。这就是说，致冷循环开始时(以及在高负荷的情况下)，毛细管处于尺寸不够大的状态，因而蒸发器处于冷冻剂供应量不足的状态。这降低了冰箱的冷却能力和效率。制冷循环快结束时，毛细管则处于尺寸过大的状态，因而蒸发器中的冷冻剂泛滥，再次降低冰箱的效率。因此，采用毛细管进行膨胀时的循环效率远低于有效膨胀控制下所能达到的效率。

然而，以一般恒温膨胀阀的形式进行的有效膨胀控制，在家用冰箱中并不能很好发挥作用。恒温膨胀阀尽管经常用于冷冻剂流量大的汽车空调系统和商用制冷系统中，但却不能制造得使其孔板小得足以调节家用冰箱冷冻剂的非常低的流量(一般为10-12磅/小时)。就是说，要达到所要求的压降，这种阀的孔板需要达到10密耳或以下的数量级，这样的尺寸不适宜制造，而且非常容易发生堵塞。

因此，需要有另一种方案代替毛细管和恒温膨胀阀作为家用冰箱的膨胀控制器。发明简介

本发明即满足了上述要求，它采用脉宽调制的电磁阀进行膨胀控制。先是产生脉宽调制的控制信号，用此控制信号使电磁阀周期性地开合。控制信号的脉冲宽度确定了冷冻剂流过电磁阀的平均流量。电磁阀的工作循环随蒸发器的干燥度而变化，精确地控制着冷冻剂的平均流量。

具体地说，本发明提供的制冷系统有一个蒸发器配置在待冷却的室中。蒸发器的入口经其入口与一个脉宽调制的电磁阀相连接。在本发明的一个最佳实施例中，蒸发器的干燥度通过测定蒸发器入口温度与制冷室空气温度之间的温差进行监控。蒸发器入口附近设有第一温度传感器，制冷室中设有第二温度传感器。此外，还装有一个控制器供控制脉宽调制电磁阀的工作循环之用。控制器接收两温度传感器来的输入，按两温度的温差控制电磁阀的工作循环。第一传感器可以安置在蒸发器上或蒸发器的入口管线上。第二温度传感器最好安置在制冷室的后壁上。后壁上可以安置第二温度传感器的位置有：制冷室空气入口附近，制冷室的空气出口附近和空气出口下方两英寸处。

测定制冷室空气温度与蒸发器入口温度之间的温差可以精确、简单地进行控制，并减小“振荡”的倾向。由于调节电磁阀时最先变化的是蒸发器入口的温度，因而可以获得快速的反馈。制冷室空气温度是蒸发器可能有的最高出口温度的基准点，也给非常稳定的控制信号提供了依据。

在本发明的另一个实施例中，蒸发器的干燥度是通过测定蒸发器出口温度与制冷室温度之间的温差进行监控的。

采用脉宽调制的电磁阀进行膨胀控制还有若干好处。由于脉宽调制的电磁阀是以振荡的方式工作的，因而其孔板可以制造得大些，从而避免堵塞问题。采用脉宽调制控制的系统对总的冷冻剂充料量是不太敏感的，这在生产过程中简化了充料方面的要求。脉宽调制电磁阀能适应压缩机在其缸体作容积变化时冷冻剂的不同流量，因而与可调压缩机和/或多速压缩机配用有好处。在中止循环的过程中，脉宽调制电磁阀可用来保持高低压之间可靠的密封作用，从而避免冷冻剂漏出，同时节能。因此这种电磁阀起能量控制阀的作用，无需采用另外的阀门来覆行这个职能。

参看附图阅读下面的详细说明和所附的权利要求书可以清楚了解本发明的其它目的和优点。附图说明

本说明书的结论部分，特别指出和清楚阐明了本发明的主题，但要理解本发明的内容，最好还是参照附图参阅下面的有关说明。附图中：

图1A和1B是本发明制冷系统实施方案的原理图；

图2是本发明用以控制图1A和1B中的膨胀阀的脉宽调制频率信号的示意图。发明详介

参看附图。附图中同样的编号表示同样的元件。从图1A和图1B都可以看到，制冷系统10包括：压缩机12、冷凝器14、膨胀阀16和蒸发器线圈18，所有这些组成部分都按上述次序依次连接在一个串联闭合回路中。冷冻剂注入制冷系统10中，在压缩机12中压缩。冷冻剂经压缩后排到冷凝器14中加以冷却和冷凝，再排入液体管线20中。接着，液态冷冻剂边膨胀边通过膨胀阀16，经蒸发器入口管线21从膨胀阀16流向蒸发器18。蒸发器18最好设在致冷室22中。

冷冻剂通过蒸发器18的过程中与致冷室22中的空气进行热交换，于是热量就传递到流过蒸发器的冷冻剂，使液态冷冻剂蒸发。冷冻剂从蒸发器18出来时最好处于稍微过热的气态。接着气态冷冻剂通过抽气管线24返回压缩机12，在那里重复循环过程。在图1B的设计中，液体管线20和抽气管线24按逆流热交换的方式配置，目的是提高循环效率。这种热交换关系一般是通过使液体管线20与抽气管线24(或这些管线的起码一部分)彼此热接触(即一般通过将相应的管线焊接在一起)建立起来的。

虽然这里是就制冷系统10以简单蒸汽压缩循环的方式工作进行介绍的，但本发明同样也可用于其它制冷循环中。例如，本发明可用在按1990年3月27日公布的、专利权授与Heinz Jaster的美国专利4,910,972中所述的双蒸发器循环方式工作制冷系统中，这里也把该专利包括进来以供参考。

膨胀阀16是控制制冷系统10工作过程的节流或计量装置。按照本发明，膨胀阀16是个脉宽调制电磁阀，作为反馈回路的一部分由控制器26控制着。控制器26根据蒸发器的干燥度控制膨胀阀16。干燥度的高低(即液态冷冻剂的剂量)表示蒸发器18是否需要增添冷冻剂。在蒸汽压缩循环制冷系统中，致冷室22的空气温度与蒸发器入口温度之间的温差表示蒸发器的干燥度。通常，此温差增加时，阀16应该开得更大，以提高冷冻剂的流量。

在本发明在图1A所示的最佳实施例中，致冷室的空气温度是用位于致冷室22中的空气温度传感器测定的。冰箱中可能早已配备有这种传感器以控制压缩机12的工作过程。蒸发器入口温度由位于蒸发器18入口处或附近的入口温度传感器30测定。温度传感器28、30最好是固态传感器，但也可采用任何适当的传感器，例如电阻温度检测器(RTD)、热电偶或热敏电阻等。

空气温度传感器28在致冷室22中的确切位置对控制电路26的响应有很大的影响，特别是制冷系统10用于家用冰箱时，更是如此；在此情况下，致冷室22一般是冰箱的冷冻室。用于冰箱中时，空气温度传感器28通常安置在冷冻室的后面。这不仅便于制造，而且也将传感器28屏蔽起来，使其不受因冷藏室的门打开而引起的温度不均的影响。

空气温度传感器28的一个具体位置是在毗邻冷藏室空气入口处，这一般是在冷藏室的底部。在这个位置传感器暴露在最冷的空气温度中，因而更直接地指示着阀16何时需要调节。然而，这个位置即使在中止循环期间也仍然是非常冷的，因而往往给出虚假的温度信号，从而使起动响应时间没有那么快。因门孔引起的假温度信号也是会剧变的。另一个可能安置传感器的位置是冷冻室顶部，毗邻冷冻室空气出口处。这个位置的空气温度通常最暖和，起动响应时间最短，因而最大限度地减少了假信号，但可能对阀门的控制不利。

空气温度传感器28也可以安置在空气入口与空气出口之间的任何位置，以权衡这两入位置各自的长处。空气温度传感器28的一个较理想的位置是在冷冻室后壁上，在空气出口下方大约2英寸处。

入口温度传感器30安置在与蒸发器18的入口靠近得足以测定蒸发器入口的温度。入口温度传感器30最好安置在致冷室22中，但也可以设在室22外面。入口温度传感器30的确切位置会影响循环的起动响应时间。起动时，压缩机12开始时将液态冷冻剂抽出蒸发器18之外，从而引起虚假的蒸发器入口温度信号。入口温度传感器30重新暴露在冷冻剂中的时间越短，制冷系统10达到其正常工作情况的时间就越短。因此，将入口温度传感器30在蒸发器入口管线21上安置得在仍然可以精确测出蒸发器入口温度的同时尽量靠近膨胀阀16还是比较恰当的。然而，在中止循环期间，周围环境的热量可能会通过蒸发器入口管线21传到入口温度传感器30。若这个热传导大到足以引起假温度信号的程度，则可以把入口温度传感器安置在阀16的下游。为防止热传导过大，甚至还可以把入口温度传感器安置在蒸发器18上，靠近入口处。

控制器26分别从空气温度传感器28和入口温度传感器30接收对应于致冷室的空气温度和蒸发器入口温度的信号。根据这些温度信号，控制器26产生控制信号32馈送给电磁阀16。控制信号32是脉宽调制频率信号，它促使电磁阀16在全开和全闭位置之间振荡，从而，由开至合状态的工作循环确定冷冻剂通过膨胀阀16的平均流量。脉宽按检测出的蒸发器干燥度调节，以便将干燥度保持在较固定的水平。最好致冷室22中的空气温度与蒸发器入口温度之间的温差保持在大约5～15°F的范围。控制阀16的工作循环使蒸发器保持在所要求的干燥度，可以使系统达到最佳的工作性能。

图2示出了控制信号32的取样波形。这是方波的波形，它交替地在最高电压值V1与最低控制电压值V2之间变化。波形处在最高控制电压V1时，阀16移到全开的状态，波形处在最低控制电压V2时，阀16移到全闭状态。图2中所示的脉宽调制波形，其电压变化不是瞬时变化的，而是在最高与最低电压值之间有一个短暂的过渡期。这可以避免膨胀阀突然打开和关闭时冷冻剂中产生压力冲击波的问题。无论系统中冷冻剂流量的要求如何，波形的频率是稳定的。这个频率最好取大约0.1-2赫的范围。

冷冻剂流过阀16的流量取决于脉宽调制波形的工作循环。因此，在图2所示的时间to之前，阀16全开的时间比其全闭的时间短，因而冷冻剂的平均流量较低。在时间to(这时检测出干燥度增加，表明要求提高冷冻剂供应量)之后，控制器26调节工作循环，使阀16全开的时间比其全闭的时间长，从而提高冷冻剂的平均流量。

膨胀阀16最好是个常闭阀，就是说，电磁阀不得电时，阀16关闭。这意味着，阀关闭时，最低控制电压V2可以为0。此外，每当压缩机12停车时，阀16的电源中断。这样可以防止冷冻剂在循环中止时流到蒸发器18中去，从而节能。因此，电磁阀16起能量控制阀的作用，因而无需专门的阀来覆行这项职能。

控制器26可以采用本技术中周知的任何一种脉宽调制控制方案。适用的控制方案有1987年3月24日专利权授予Richard H.Alsenz的美国专利4,651,535和1993年10月26日专利权授予Donald E Janke的美国专利5,255,530中所述的控制方案，这里也把该两个专利包括进来以供参考。

按本发明的另一个实施例，蒸发器出口干燥度的指示是根据致冷室22的空气温度与蒸发器出口温度之间的温差确定的。这两个温度极其接近时，表明蒸发器干燥，应增加冷冻剂流过控制阀16的流量。

参看图1B所示的另一个实施例。控制器26分别从空气温度传感器28和出口温度传感器30收到对应于致冷室空气温度和蒸发器出口温度的信号。控制器26根据这些温度信号产生控制信号馈给电磁阀16。这里，脉中宽度又再次按蒸发器出口的干燥度加以调节，以便将干燥度保持在较固定的水平。可能安置出口温度传感器30的位置有好几个，这包括致冷室22内(如图1B中所示)、致冷室22一出来的地方(图1B中的A点)、在带液体管线20的抽气管线热交换器的入口处(图1B的B点)、抽气管线热交换器的出口处(图1B的C点)和压缩机12的入口处(图1B的D点)。出口温度传感器30位置确定从潮湿到干燥的过渡点，这个位置是为达到最佳的工作性能而先取的。通常出口温度传感器30安置在较靠近蒸发器18的位置会提高循环效率，安置在较靠近在压缩机12的位置会提高冷却能力。

以上已介绍了采用脉宽调制电磁阀进行膨胀控制的经改进的制冷系统。电磁阀按蒸发器的干燥度加以控制。以上已就本发明的一些具体实施例进行说明。不言而喻，在不脱离本发明在本说明书所附权利要求书中所述的精神实质和范围的前提下，本技术领域的行家们是可以对上述实施例进行种种修改的。

Claims (16)

1.一种冷却至少一个致冷室的制冷系统，其特征在于，所述制冷系统包括：

一个蒸发器，有一个入口；

一个脉宽调制电磁阀，由蒸发器入口管线连接到所述蒸发器的所述入口；

传感器装置，用以感测所述蒸发器的干燥度，并产生表示所述干燥度的信号；

一个控制器，响应所述传感器装置，用以根据所述传感器装置发出的所述信号控制所述脉宽调制电磁阀的工作循环，因而所述脉宽调制电磁阀的工作循环是根据感测出的所述蒸发器的干燥度进行控制的。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述传感装置产生的所述信号表示致冷室中的温度与所述蒸发器入口的温度两者之间的温差。

3.如权利要求2所述的制冷系统，其特征在于，所述传感装置有一个第一传感器和一个第二传感器，前者安置在靠近所述蒸发器的入口处，后者安置在致冷室中。

4.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，所述第一温度传感器安置在所述蒸发器中。

5.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，所述第一温度传感器安置在所述蒸发器的入口管线上。

6.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，所述第二温度传感器安置在致冷室的后壁上。

7.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，致冷室有一个空气入口，所述第二温度传感器即毗邻所述空气入口装置。

8.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，致冷室有一个空气出口，所述第二温度传感器即毗所述空气出口配置。

9.如权利要求3所述的制冷系统，其特征在于，致冷室有一个空气出口，所述第二温度传感器安置在致冷室中，在所述空气出口下方的大约2英雨处。

10.如权利要求1所述的制冷系统，其特征在于，所述蒸发器还有一个出口，所述制冷系统还有一个压缩机用一个抽气管线与所述蒸发器的所述出口相连接，且所述传感装置产生的所述信号表示致冷室中的温度与所述蒸发器的出口温度之间的温差。

11.如权利要求10所述的制冷系统，其特征在于，所述传感装置包括第一温度传感器和第二温度传感器，前者安置在所述抽气管线上，后者安置在所述致冷室中。

12.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，所述第一温度传感器安置在所述致冷室中。

13.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，所述第一温度传感器安置在所述压缩机的入口处。

14.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，所述第一温度传感器安置在紧靠所述致冷室出口的地方。

15.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，它还有一个冷凝器和一个将所述冷凝器与所述脉宽调制电磁阀连接起来的液体管线，所述液体管线与所述抽气管线彼此热接触，形成一个有一个入口和一个出口的热交换器，且所述第一温度传感器安置在所述热交换器的入口处。

16.如权利要求11所述的制冷系统，其特征在于，它还有一个冷凝器和一个将所述冷凝器与所述脉宽调制电磁阀相连接的液体管线，所述液体管线与所述抽气管线彼此热接触。形成有一个进出口和一个出口的热交换器，且所述第一温度传感器安置在所述热交换器的所述出口。

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