CN1238034A - 制冷设备的调节方法以及制冷设备和膨胀阀 - Google Patents
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Abstract
用一个膨胀阀(4)调节一种制冷设备(1)的方法，在这种方法中，调节元件的一侧受蒸发器侧的制冷剂压力作用，而调节元件的另一侧则受一个敏感元件系统(22)的蒸汽压力作用，敏感元件的温度由制冷剂的饱和温度和用一个加热元件(27)的供热来确定。供热根据一个测量值(过热或液位)来调节。此外，为了进行这种调节，制冷设备(1)设置了一个膨胀阀(4)作为基本部件。这样就可用经济的和多种可能的方式进行改进的调节。
Description
本发明涉及冷却设备的一种调节方法、一种制冷设备和这种制冷设备用的一种膨胀阀。
专利文献WO82/04142公开了一种制冷设备，这种制冷设备具有一个压缩机、一个冷凝器、一个膨胀阀和一个蒸发器。这种制冷设备用一个膨胀阀调节，该膨胀阀作为调节元件具有一个膜片或膜盒并通过一个加热元件的供热可进行控制。该调节元件的一侧由一个用液体-蒸汽充填的敏感元件系统加载，敏感元件温度由供热确定。在蒸发器的出口端测量过热并根据测量值调节供热。可加热的敏感元件紧贴在蒸发器的出口侧的制冷剂管道上，在该处已经存在过热的制冷剂蒸汽。所以散热相当小，并随过热温度变化。
德国专利DE4005728A1公开了一种制冷设备，这种制冷设备在蒸发器出口根据过热进行调节。为此，膨胀阀具有一个作为膜片构成的调节元件，该调节元件一侧受蒸发器出口的冷却剂压力作用，另一侧受蒸发器出口冷却剂温度相应压力作用。这种调节需要把通到压缩机的吸管或一根例如作成毛细管的测量管一直敷设到膨胀阀。这导致制冷设备的设计上的多方面限制。此外，常常出现波动大的过热的很不平衡的调节。
在上述公开的情况中，还有一个附加的影响叠加在这种过热调节上，这个附加影响是由压缩机和冷凝器之间的管道内的温度所致。为此，膜盒的两个压力室之一充有一种控制介质，这种介质通过薄膜与蒸发器出口侧的过热制冷剂保持热交换，并附加地通过一个加热元件例如一个正温度系数热敏电阻加热。
美国专利US3313121公开了一种制冷设备及其用一个膨胀阀进行调节的一种方法，该膨胀阀作为调节元件具有一个薄膜。其中薄膜的一侧受膨胀阀出口侧的制冷剂压力作用，而另一侧则受一个紧贴在蒸发器过热区段上的敏感元件的压力作用。
本发明旨在用简单和经济的方式改进制冷设备的调节。
这个目的在方法上是通过权利要求1所述的特征来实现的。
在这个方案中，敏感元件始终与液态制冷剂保持热接触，这在基本上恒温的条件下可获得良好的供热。阀门的开度主要由用加热元件的供热来决定。通过加热提高敏感元件系统中的压力。作为充汽压力与温度有关的充汽可用例如一种液体-蒸汽或吸附充汽。这里蒸汽压力是温度的函数，并随温度的上升而增加。输入加热元件的功率越大，阀门的开度也越大。下列公式实际上给出了它们的比例关系：
E～K×A×(Tf-Ts)
E=输入加热元件的功率；
K=导热系数；
A=敏感元件和制冷剂之间的散热面；
Tf=敏感元件温度；
Ts=制冷剂的饱和温度。
不论正好在阀门出口的制冷剂的饱和压力和饱和温度有多高，上述关系式都是有效的。所以阀门的开度与蒸发器压力无关。不需要用加热元件进行可能的匹配。
由于供热进行了调节，亦即借助于一个调节器预先给定，所以可用全部调节技术的可能性来改进调节，例如可用比例积分调节器。此外，也可用其他附加的功能，例如考虑与压缩机转数的相关性、冰冻或压缩的制冷剂的过份加热。这样就可实现很精确的调节。另一个优点在于，在加热元件失效时，膨胀阀关闭。
按权利要求2和权利要求3的改进结构，只需分别在膨胀阀的出口侧测定制冷剂压力和制冷剂温度。蒸发器的出口和膨胀阀之间不需要管道连接。测试点和调节器之间的连接用简单的信号线以及调节器和加热元件之间的连接用简单的电力线即可。这样就导致一个简单和经济的结构。在制冷设备适合一定的使用目的的情况下，管道走向可比迄今为止选择更大的自由度。调节原理不但适用于要进行过热测量的干式蒸发器，也适用于液位作测量值用的浸没式蒸发器。所有这些都可实现多方面的应用。
按权利要求4的一个可选方案，即使在膨胀阀关闭的情况下，少量的制冷剂仍不断膨胀。
这个目的在装置上是通过权利要求5和6的特征来实现的，这两项权利要求提出了测定饱和温度的两个方案。
如果按权利要求7把管子做成毛细管，则该管既可构成一个旁路通道，也可构成第二节流点。通过这种双重功能可节省附加的部件。
按权利要求8连接出口通道和膨胀阀的出口侧是值得推荐的。“膨胀阀的出口侧”一词包括膨胀阀的节流点和蒸发器的实际入口之间的全部范围，即使存在换向阀、分配器或别的部件。所以在设置敏感元件和补偿通道时存在着很大的自由度。
但根据权利要求9将这些部件紧邻膨胀阀设置时，因为由此可用短的管道工作，因而是特别有利的。但补偿通道内的压力等于温度敏感元件设置点的压力也是重要的。
按权利要求10敷设补偿通道时只需一段短的管即可将冷却剂管道与压力室连接起来。
如果补偿通道按权利要求11设置在阀门内部，还可得出一个更经济的解决方案。
根据权利要求12将毛细管敷设到敏感元件温度和压力室温度的明显的分开点。
按权利要求13的解决方案，在膨胀阀的出口上连接的制冷剂管道构成敏感元件和加热元件的优选的支架。根据权利要求14可用一个夹紧箍实现固定。
根据权利要求15的可选方案，敏感元件可设置在膨胀阀的出口侧的外壳中或设置在出口侧的外壳上。其中根据权利要求16，敏感元件可在外壳中的一个空腔内构成。
权利要求17给出了具有旁路通道的一个有利的解决方案。根据权利要求18和19提出了两个可选方案。
在权利要求20的一种优选的方案中，加热元件设置在敏感元件的内部。这就可获得更好的热传导和方便安装。
根据权利要求21进行隔热，有助于避免敏感元件向周围散热。
制冷设备的一个尚待详细描述的重要组成部分是具有权利要求22所述特征的膨胀阀。全部所需的元件都位于膨胀阀中或其附近。
如果按权利要求23将阀壳、补偿通道和敏感元件系统构成一个预制的组件，并根据权利要求26将连接在阀出口上的制冷剂管道也包括在这个组件中时，实际上是有利的。
权利要求24、25和27至29的改进方案提出了不同的优选结构型式。
根据权利要求31，膨胀阀具有一个旁路通道也是有利的。
下面结合附图所示的优选实施例来详细说明本发明。附图表示：
图1表示具有一个直通式蒸发器的本发明制冷设备的原理图；
图2表示膨胀阀的原理图；
图3表示沿图2剖面线A-A剖开的一个断面；
图4表示一种改型的膨胀阀的原理图；
图5表示根据本发明具有一个浸没式蒸发器的一种改型的制冷设备的原理图；
图6表示一种改型的敏感元件；
图7表示一种改型的膨胀阀的另一种方案的原理图；
图8表示本发明制冷设备的另一种结构型式的一部分；
图9表示膨胀阀的另一种结构。
图1表示一个制冷设备1。在这个制冷设备中依序设置了制冷剂的一个压缩机2、一个冷凝器3、一个膨胀阀4和一个干式蒸发器5。所谓干式蒸发器是指全部冷却剂在一次性通过蒸发器时被蒸发的一种蒸发器。
膨胀阀4例如可具有图2所示的形状。阀壳6具有一个入口室7和一个出口室8。阀座9位于该两室之间。所属的密封件10由一个阀杆11支承，该阀杆与一个膜盒13中的一个调节元件12共同作用。密封件10受弹簧14的弹力作用，该弹簧座15可借助于一个调节装置16进行调节，此外，还受下压力室17中的压力PK的作用和上压力室18中的压力PT的相反方向的作用。制冷剂管道19以铜管的形式与出口室8连接，其内腔通过一个作成管子的补偿通道20与一段通到下压力室17的套管21连接。所以压力PK与膨胀阀4出口的制冷剂压力一致。
上压力室18是敏感元件系统22的一部分，它的敏感元件23通过一根毛细管24与上压力室18连通。敏感元件23用第一壁段25贴合在制冷剂管道19上。位于对边上的另一壁段26贴合在电加热元件27上。为此，用一种夹紧装置28例如卡箍或卡板把敏感元件23和加热元件27固定到制冷剂管道19上。电流经电线29送入加热元件28。敏感元件系统22充有液体-蒸汽，这就是说，在相应敏感元件温度情况下，压力室18中的压力PT等于充填介质的饱和压力。
图1还示出，膨胀阀4的操作只需一个唯一的连接元件，即引入膨胀阀4的范围内的电线29。加热元件27输出的热功率由一个调节器30预先确定，瞬时过热，即实际制冷剂温度和饱和温度之差作为实际值输入该调节器30中。为此，按众所周知的方式用一个紧贴在蒸发器出口管道32上的温度敏感元件31测量制冷剂温度，并用一个与管道32内腔连通的压力传感器33测量与饱和温度等值的制冷剂压力。测量值通过信号线34和35传送到调节器30。敏感元件31和33可以是电子敏感元件，它们通过信号线发出电信号。入口36表示除了过热外，还可有别的影响产生效果。
关于制冷剂，在敏感元件系统中的充填介质是这样选择的，即在没有加热的情况下，调节元件以上的敏感元件压力PT稍高于调节元件以下的制冷剂压力PK。但压力比是这样调节的，即由于弹簧14使从下面作用的力稍大于从上面作用的力。所以膨胀阀在没有加热时关闭。但只要有很小的供热就足可打开该阀。此外，还考虑了弹力的总曲线和调节范围内的制冷剂压力PK具有一个恒定的距离，与敏感元件压力PT的曲线具有一个大致恒定的距离。借助于弹簧14可调节过热例如4℃。一旦超过这个过热温度，该膨胀阀便打开。
在运行时，调节器30上，最好是比例积分调节器上调节一个参考值，并将该参考值与过热的测量值进行比较。在测量值的误差与参考值相关的情况下，调节加热功率，所以连续运行只产生很小波动。在这种情况下，阀门的开度与输入的加热功率成比例，即与制冷剂管道19中的蒸发器压力的大小无关。
从图2还可看出，膨胀阀本身是一个标准阀，只不过它的两个压力室17和18按新方式进行连接。由于全部接头都可在离膨胀阀后面不远的部位进行，所以阀壳6、补偿通道20、敏感元件系统22和制冷剂管道19都可作为预制组件提供。
电力线29和信号线34、35敷设在支承冷却设备的装置中是没有困难的，这样有助于进一步降低费用。
在图4中，相应部件采用增加100的参考号，区别在于，补偿通道120作为孔设置在阀壳106的内部。此外，敏感元件123设置在阀壳106的一个空腔中，该空腔用壁段125连接在阀壳106的出口侧的空间108上，并在另一侧具有壁段126，该壁段自由指向外部并用来支承加热元件127。敏感元件123和加热元件127用隔热层137覆盖，以免向外产生辐射损失。
在这种结构中设置了一个新式阀，这种阀在其壳体中和壳体上具有全部重要的特性，并可与或不与制冷剂管道119作为组件预制。
在图5所示制冷设备201中，相同的件沿用图1相同的参考号，修改的件则用增加200的参考号。这里用一个浸没式蒸发器205，该蒸发器通过一根上管238和一根下管239与集液箱240连接，制冷剂作为液体和蒸汽的混合物经上管238流回集液箱240中，而流体制冷剂则经下管239流入蒸发器205中。这种循环自动进行，但也可用一个泵来支持。液位指示器231向调节器30发出液位信号，该调节器便这样调节膨胀阀4的开度，以保持一个要求的液位高度。
在图6所示的敏感元件323中，加热元件327设置在该敏感元件的内腔中。这种敏感元件可用一个类似于夹紧装置28的夹紧装置固定在制冷剂管道19上。
当然，制冷设备也可按上述方式用多个并联的蒸发器运行。在这种情况中，敏感元件可选择地设置在分配器之前或蒸发器后面的双管道的一条管道中。过热也可用不同于图1所示的方式进行测量，例如可在蒸发器前和后各通过一个温度传感器进行测量。也可将图1的管状补偿通道按图5与外壳配置的敏感元件进行组合，或相反地，将图5的内部补偿通道与按图1或图6的紧贴在制冷剂管道上的敏感元件进行组合。
图7表示膨胀阀404的原理图，它的密封件共同与阀座构成第一节流点441。旁路通道442连接这个节流点441。该节流点从阀壳406的入口套管443通到出口套管444，并依序具有一段较小横截面的管段445、一个以小开度形式的固定的第二节流点446和一个膨胀室447。在该膨胀室447的壁上紧贴一个敏感元件423，该敏感元件与位于对面的加热元件427保持热接触，以及经一根毛细管424与上压力室448连通。压力室417通过制冷剂出口侧压力加载。
在这种结构中，膨胀室447内的制冷剂具有的饱和温度与膨胀阀404出口的制冷剂具有的饱和温度相同。
在图8结构型式中，相应的件采用比图7中的参考号增加100。与图7的区别在于，旁路通道542不但连接膨胀阀504的第一节流点541，而且还连接整个蒸发器5，亦即从膨胀阀504的入口套管543一直引到蒸发器5的出口管道532。敏感元件523也紧贴在膨胀室547的壁上，并用一个加热元件527加热。为了考虑蒸发器5中的压力降，压力室517经一条补偿通道520以一根毛细管的形式与出口管道532连接。
图9表示膨胀阀的一种修改的形状，这里相同的件比图1至3中的参考号增加600。
首先可看出图9的膨胀阀604相对于本发明前面所示的结构型式旋转。在本发明的这种结构型式中，与图4的结构型式相似，补偿通道620设置在阀604的内部。此外，阀604基本上与图2的结构型式相同。
在图9所示的结构型式中，没有设置一个单独的敏感元件，而是将加热元件627直接设置在阀604的外壳606的敏感元件室618上。如上所述，电力线629引到调节器30。
在本发明的这个结构型式中，热直接通过加热元件627输入传感器室18中，无须一个单独的传感器和一根毛细管。这使阀604比本发明前面所示的结构型式更简单。但为了使传感器室418中的介质正确和有效加热，阀604必须旋转。
现在来比较精确地描述本发明的工作方式。在本发明的各种结构型式中，无论是由单独的传感器23、123、323、423或523，或者是加热元件627直接将热传递到膨胀阀604的结构型式中，当传感器室18的压力等于压力室17的压力和弹簧14的弹力之和时，膨胀阀打开。在用一个传感器的本发明结构型式中，通过加热元件27、127或327产生的绝大部分热能流入传感器内的介质中，只有很小部分热能通过传感器壁围绕介质流动。加热元件产生热时，流体介质沸腾，被蒸发的制冷剂使水泡向上冒到传感器温度较低的上部。在散热的情况下，制冷剂蒸汽冷凝到紧贴在膨胀阀出口的传感器的上侧。与此同时，传感器内的压力上升，于是压力作用到传感器室18，从而使阀打开。
在本发明图7所示结构中，加热元件627产生的热可按类似方式直接输入传感器室618内的介质中。加热元件产生的热使传感器室618内的液体介质沸腾，从而使传感器室618内的压力上升，于是阀404打开。与此同时，制冷剂泡向上升到传感器室618温度较低的范围。在这里，蒸汽在散热下冷凝到周围液体上，然后通过调节元件612把热导入压力室417中。所以热恒定传递到流经阀604的制冷剂上，即按本发明第一类结构型式的相同方式方法，从传感器23、123或323热恒定传递到来自蒸发器阀的制冷剂管道19。
Claims (31)
1．制冷设备的调节方法，这种制冷设备依序具有一个压缩机、一个冷凝器、一个膨胀阀和一个蒸发器，这种制冷设备用一个膨胀阀调节，该膨胀阀作为调节元件具有一个膜片或膜盒，并通过加热元件的供热可进行控制，其中该调节元件的一侧由蒸发器侧的制冷剂压力加载，该调节元件的另一侧则由一个充有一种其压力与温度有关的介质的敏感元件系统的蒸汽压力加载，其敏感元件的温度由制冷剂的饱和温度和供热来确定；在干式蒸发器的出口侧测量过热或测量浸没式蒸发器的液位，并根据测量值调节供热。
2．按权利要求1的方法，其特征在于，调节元件的一侧由膨胀阀出口侧上的制冷剂压力加载。
3．按权利要求1或2的方法，其特征在于，膨胀阀出口侧的敏感元件温度由制冷剂的饱和温度控制。
4．按权利要求1或2的方法，其特征在于，制冷剂的一部分在膨胀阀的一个节流点旁边流过，并在第二个固定节流点膨胀，第二节流点后面的敏感元件由制冷剂的饱和温度控制。
5．制冷设备，它依序具有一个压缩机(2)、一个冷凝器(3)、一个膨胀阀(4、104)和一个蒸发器(5)，其中膨胀阀(4；104)作为隔开两个压力室(17,18)的调节元件(12)具有一个膜片或膜盒，并可用加热元件(27；127；327)的供热来控制；其中的一个压力室(17)通过一条补偿通道(20；120)与蒸发器侧的制冷剂通道连通，而另一个压力室(18)是敏感元件系统(22；122)的一部分，该敏感元件系统充填一种其压力与温度有关的介质，且其敏感元件(23；123；323)与膨胀阀(4；104)出口侧的制冷剂和加热元件(27；127；327)保持热连接，并设置一个调节器(30)，该调节器根据干式蒸发器(5)出口的过热或根据浸没式蒸发器(205)的液位来调节加热元件(27；127；327)。
6．制冷设备，它依序具有一个压缩机(2)、一个冷凝器(3)、一个膨胀阀(404；504)，一个蒸发器(5)和一条旁路通道(445；545)，该旁路通道连接膨胀阀(404；504)的节流点(441；541)并包括一个与膨胀室(47；57)连接的第二固定节流点(446；546)，其中膨胀阀(404；504)作为隔开两个压力室(417；418；517；518)的调节元件具有一个膜片或一个膜盒，并可通过加热元件(427；527)的供热来控制；其中的一个压力室(417；517)通过一条补偿通道(420)与蒸发器侧的制冷剂通道连通，而另一个压力室(418；518)则是充有一种其压力与温度有关的介质的敏感元件系统的一部分，其敏感元件(423；523)与膨胀室(447；547)中的制冷剂和加热元件(427；527)保持热交换，并设置了一个调节器(30)，该调节器根据干式蒸发器(5)出口的过热或根据浸没式蒸发器(205)的液位来调节加热元件(427；527)。
7．按权利要求5或6的制冷设备，其特征在于，管(445；545)做成毛细管。
8．按权利要求6或7的制冷设备，其特征在于，补偿通道(20；120)与膨胀阀(4；104)的出口侧连接。
9．按权利要求6至8中任一项的制冷设备，其特征在于，补偿通道(20；120)和/或敏感元件(23；123)紧靠膨胀阀。
10．按权利要求6至9中任一项的制冷设备，其特征在于，补偿通道(20)由一根管构成，该管连接紧接膨胀阀(4)出口的制冷剂管道(19)的内腔和一根通向压力室(17)的套管(21)。
11．按权利要求6至9中任一项的制冷设备，其特征在于，补偿通道(120)通过阀门内部。
12．按权利要求6至11中任一项的制冷设备，其特征在于，敏感元件(23；123；325；423；523)经一根毛细管(24；124；424；524)与另一压力室(18；418,518)连接。
13．按权利要求6至8至12中任一项的制冷设备，其特征在于，敏感元件(23)紧贴在膨胀阀(4)的出口上连接的制冷剂管道(19)上，并与加热元件(27)接触。
14．按权利要求13的制冷设备，其特征在于，敏感元件(23)和加热元件(27)通过一个夹紧装置(28)固定在制冷剂管道(19)上。
15．按权利要求6和8至12中任一项的制冷设备，其特征在于，敏感元件(123)设置在膨胀阀(104)出口侧外壳中或出口侧外壳上，并与加热元件(127)接触。
16．按权利要求15的制冷设备，其特征在于，敏感元件(123)由出口侧外壳内的一个空腔构成。
17．按权利要求7至12中任一项的制冷设备，其特征在于，敏感元件(423；523)紧贴在膨胀室(447；547)的壁上。
18．按权利要求7、12和17中任一项的制冷设备，其特征在于，旁路通道(542)也连接蒸发器(5)，该蒸发器(5)后面的补偿通道(520)与制冷剂管道(532)连接。
19．按权利要求7至12、16和17中任一项的制冷设备，其特征在于，膨胀阀(404)出口侧上的旁路通道(442)通入制冷剂管道中。
20．按权利要求6至19中任一项的制冷设备，其特征在于，加热元件(327)设置在敏感元件(323)的内部。
21．按权利要求6至20中任一项的制冷设备，其特征在于，敏感元件(123)和/或加热元件(127)用隔热层(137)与周围隔开。
22．制冷设备用的膨胀阀，具有一个阀箱(6；106)，该膨胀阀在入口室(7)和出口室(8；108)之间具有一个阀座(9)，并在两个压力室(17、18；417、418；517、518)之间具有一个作为膜片或膜盒构成的用来操作一个密封件(10)的调节元件(12)，以及具有一个加热元件(27；127；327；427)，其中出口室(8；108)和一个压力室(17；417；517)通过一条补偿通道(20；120；520)连通，而另一压力室(18；418；518)则构成一个充有液体-蒸汽的敏感元件系统(22；122)的一部分，其敏感元件(23；123；323；423；523)构成与出口侧的制冷剂进行热交换与加热元件(27；127；327；427；527)进行热交换。
23．按权利要求22的膨胀阀，其特征在于，阀箱(6；106)、补偿通道(20；120)和敏感元件系统(22；122)构成一个预制的组件。
24．按权利要求22或23的膨胀阀，其特征在于，敏感元件(23；123；323；423；523)经一根毛细管(24；124；424；524)与另一个压力室(18；418；518)连通。
25．按权利要求22至24中任一项的膨胀阀，其特征在于，敏感元件(123)设置在阀箱(106)中或阀箱(106)上。
26．按权利要求22至24中任一项的膨胀阀，其特征在于，连接在阀出口上的制冷剂管道(19)是该组件的一部分，并作为敏感元件(23)和加热元件(27)的支架。
27．按权利要求22至26中任一项的膨胀阀，其特征在于，加热元件(27；127)外部紧贴在敏感元件(23；123)上。
28．按权利要求22至26中任一项的膨胀阀，其特征在于，加热元件(327)设置在敏感元件(323)的内部。
29．按权利要求26至28中任一项的膨胀阀，其特征在于，补偿通道(20)由一根管构成，该管在阀箱(6)上用一根通到一个压力管(17)的套管(21)连通制冷剂管道(19)的内腔。
30．按权利要求22至29中任一项的膨胀阀，其特征在于，补偿通道(120)经过阀箱(106)的内部。
31．按权利要求22、24和27至30中任一项的膨胀阀，其特征在于，膨胀阀(404；504)的入口和出口经一条旁路通道(442；542)连接，该旁路通道具有一个紧接着膨胀室(447；547)的固定节流点；敏感元件(423；523)紧贴在膨胀室(447；547)的壁上。
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