CN1431441A - 电子控制的膨胀阀 - Google Patents
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Abstract
一种控制一膨胀阀(16)的方法，它包括以下步骤：检测主要系统条件；确定在主要系统条件中的误差；检测次要系统条件；确定在次要系统条件中的误差；以及根据主要和次要误差中的较小者调节膨胀阀。
Description
本申请是国际申请日为1999年3月23日、申请号为99805598.0(国际申请号为PCT/US99/06335)、发明名称为“电子控制的膨胀阀”的发明专利申请的分案申请。
本发明的技术背景
本发明涉及供暖、通风和空气调节系统，涉及制冷系统，还涉及冷冻系统，该冷冻系统调节一膨胀阀，以维持系统条件、诸如过热、制冷剂液体水平、或冷冻水温度。本发明还能调节膨胀阀，以维持最小的润滑剂流给压缩机。为此，冷冻系统还被限定为包括HVAC(取暖，通风，空调)系统和制冷系统。
某些系统利用横跨压缩机的压力差使润滑剂返回到压缩机。用于压缩机的润滑剂可润滑轴承或类似零件，并可密封压缩机的转子、外壳或其它压缩零件之间的间隙。
在一些系统里，通过调节膨胀阀来维持系统热交换器之一的制冷剂液体水平控制。冷凝的热交换器可用通过(例如)冷却塔提供的、并由冷却水温度确定的冷冻水环流进行冷却。蒸发的热交换器可提供冷冻水，以用作热交换介质，而膨胀阀可进行调节，以便通过蒸发的热交换器提供的液体来维持冷冻水温度。如果蒸发的热交换器是一种下降薄膜型蒸发器，可调节膨胀阀以维持在蒸发的热交换器里的液体水平。
由于这种液体水平控制，横跨压缩机的压力差由冷却水温度和冷冻水温度之间的差异确定。如果冷却水温度和冷冻水温度之间的差异较小或相反，压力差将太小而不能将润滑剂抽回压缩机。冷冻系统将在低油流情况下或无油情况下停机。产生这种情况的条件是一系统在低冷却塔温度和温暖的冷冻水温度下启动时所发生的特征。
具体地说，在正常的运转条件下，液体水平控制器维持在蒸发的热交换器底部里的一贮槽液体。一液体水平传感器检测贮槽的深度，在控制器里的一PID算法通过调节一电子膨胀阀、关闭它的位置和影响制冷剂流进入蒸发器的速度、来维持所需的水平。液体水平控制器维持由压缩机从蒸发器里排出的制冷剂气体流和从冷凝器返回到电子膨胀阀的液体制冷剂流之间的质量平衡。当电子膨胀阀打开，进入蒸发器的制冷剂流增加，而在某一点将超过离开蒸发器的流体。这将使冷凝器排放至一程度，在该程度，将是气体从冷凝器流向蒸发器，而不是液体制冷剂。然后，因为制冷剂气体较低的密度将重新建立质量平衡。然而，制冷剂气体的流动降低了冷冻系统的效率，因为最后气体将被抽回到冷凝器里，而不会提供有效冷却。
另一方面，当膨胀阀关闭时，离开蒸发器的制冷剂流将会小于进入的制冷剂流。这将使蒸发器贮槽下降，最后变干。因为压缩机将从蒸发器里抽吸出比电子膨胀阀允许进入蒸发器更多的制冷剂，从而使蒸发器压力下降。由于蒸发器的压力下降，横跨压缩机的压力差增加。较高的压力差将降低压缩机效率，而经过压缩机的流动将减少，从而重新建立质量流平衡，但冷冻效率再次降低。
最好是该膨胀阀能被控制，以便在所需的最小极限处或之上同时维持液体水平和维持压缩机压力差。
本发明的简要说明
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来解决现有技术中的膨胀阀控制器的问题。
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来控制一膨胀阀，以便维持最小的压缩机压力差。
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来控制一膨胀阀，以便维持一系统标准、诸如作为主要标准的液体水平、过热、或冷冻水温度。
本发明的另一个目的是，利用本发明的特征和优点来使用一膨胀阀，以便维持一次要标准、诸如最小的压缩机压力差。
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来建立在相反的启动条件下向压缩机的润滑剂流动。
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来建立和/或维持在低的系统温度差或压力差下启动系统时向压缩机的油流动。
本发明的一个目的是， 利用本发明的特征和优点来增加冷冻系统操作性能。
本发明的一个目的是，利用本发明的特征和优点来使用一电子膨胀阀，以便有助于建立和控制系统压力差。
本发明提供一种控制一膨胀阀的方法，它包括以下步骤：检测主要系统条件；确定在主要系统条件中的误差；检测次要系统条件；确定在次要系统条件中的误差；以及根据主要和次要误差中的较小者调节膨胀阀。
本发明还提供一种控制膨胀阀的方法，它包括以下步骤：检测制冷剂液体水平；用检测到的制冷剂液体水平与所需的制冷剂液体水平比较，以便建立制冷剂水平误差；检测一系统压力差；用检测到的系统压力差与所需的最小系统压力差比较，以确定系统压力差误差；比较液体水平误差和压力差误差，以确定较小的误差；以及调节膨胀阀来控制较小的误差。较小的意味着最小的正数或最大的负数，它们将产生最小的打开或最大的关闭。
本发明还提供一种控制在HVAC系统里的液体水平的方法。该方法包括以下步骤：物理校准一液体水平传感器至一所需水平；计算液体水平传感器选定的点至一下端的偏移量；检测液体水平；从测得的液体水平中减去计算出的偏移量；用减去的结果与零比较，以确定一误差；以及控制液体水平，使该误差最小。
本发明还提供一种维持横跨压缩机的最小压力差的方法。该方法包括以下步骤：操纵压缩机以压缩一流体，由此在压缩机进口和压缩机出口之间产生一压力差；检测该压力差，将测得的压力差与所需的压力差比较，以确定一压力差误差；以及控制一膨胀阀，对应压力差误差来维持横跨压缩机的最小压力差。
附图的简要说明
图1是按照本发明的冷冻系统的示意图；
图2是按照本发明的膨胀阀控制装置的示意图；
图3是论证怎样调整液体水平范围、以避免使用传统的给定值的视图；
图4是按照图3所示操作本发明的流程图。
附图的详细说明
参看图1，冷冻系统10包括一压缩机12、一冷凝器14、一电子膨胀阀16和一蒸发器18，它们依次连接，形成一密封的闭合回路系统。该系统目前由美国标准公司下的Trane公司销售，其牌号是R系列，RTHC型号，它作为使用一螺旋压缩机的水冷冻系统来工作。本发明预期包含其它的HVAC系统、其它的制冷系统和其它的冷冻系统，无论这些系统是使用螺旋压缩机、离心压缩机、涡卷压缩机或往复式压缩机。本发明限定的元件利用横跨压缩机的系统压力差，以便使润滑剂回流到压缩机里，并利用膨胀阀来维持该压力差。
系统10包括一润滑分支系统20，而该分支系统20包括一个或几个位于压缩机压送管道24上的油分离器22，而压送管路24在压缩机12和冷凝器14之间。油分离器22使润滑剂与制冷剂分离，并引导制冷剂至冷凝器14，还通过润滑剂管道28引导润滑剂至油槽26。润滑剂从油槽26流入另一润滑剂管道30，并通过一任选的油冷却器32和过滤器34进入压缩机12。润滑系统20还包括一自油槽26至冷凝器14的管道36，以便提供一从油槽26至冷凝器14的制冷剂气体返回路径。经实验确定，润滑系统20一般经受约151.69千帕的压降。本申请人的普通转让的美国专利第5,341,658号(Roach等人)描述了这种润滑系统和压缩机的进一步细节，该专利被参考引用。其它的细节由本申请人的普通转让的美国专利第5,431,025和5,347,821号(Oltman等人)提供，它们也被参考引用。
任选的油冷却器32通过制冷剂管道40接受来自冷凝器14的制冷剂，并通过另一制冷剂管道42使制冷剂返回到蒸发器18。油冷却器32的工作是由在制冷剂管道40上的热膨胀阀44控制的，该热膨胀阀具有一传感器46，该传感器46在方便的位置上与润滑剂管道30可操作地连接。
制冷剂在冷凝器14里冷凝，该冷凝器14通常使用便宜的热交换介质、诸如水，水位于冷却盘管48里，且通常由一水源50、诸如冷却塔或城市管道提供。虽然不是很普遍的，但可提供一变速泵52，以控制通过盘管48的热交换介质的流速。本申请人的普通转让的美国专利第5,600,960号(Schwedler等人)提供了冷凝器14和水源50之间的关系的进一步说明，该专利在这里被参考引用。
蒸发器18通过冷却在其里面的热交换盘管60中的热交换流体而提供冷冻的热交换液体、诸如水。蒸发器18本身较佳的是本申请人的普通转让的美国专利第5,645,124和5,588,596号(Hartfield等人)所述的下降薄膜蒸发器类型(它们在这里被参考引用)，除了本发明包括一不同于一内部流体蒸汽分离器的外部流体蒸汽分离器。本申请人的普通转让的美国专利第5,419,146和5,632,154号(Sibik等人)描述了蒸发器水温控制和膨胀阀16的相应控制，这些专利在这里被参考引用。
在两种情况下，均根据传感器64测得的情况对膨胀阀16进行调节，以便控制液体的水平。一种典型的膨胀阀16如申请人的美国专利第5,011,112号(授予Glamm)所述，并按照申请人的美国专利第5,000,009号(授予Clanin)所述的方法进行控制。这些专利均已普通转让给本申请人，它们在这里被参考引用。虽然传感器64较佳的是测量在蒸发器18底部68的贮槽66里的液体水平，但该液体水平传感器64也可用来测量在液体气体分离器62里的液体液面或在冷凝器14底部70里的液体水平。关于这方面的进一步细节可参阅授予Sibik等人的美国专利第5,632,154号。在测量冷凝器里的液体水平的情况下，变速泵52的速度可改变，以便有助于维持系统压力差。
由于在蒸发器18底部68处的贮槽66里包含制冷剂/润滑剂混合物(其中润滑剂较多)，因此提供一放油管72，以便让润滑剂较多的混合物返回到压缩机12里。提供一气泵74，以便定期地将定量的制冷剂/润滑剂混合物输送给压缩机12。
本发明包括一控制器80或一组控制器80，以便有效地控制系统10的工作。作为例子的控制器可是Trane公司生产的，牌号是Trace、UCP、Summit、SCP和PCM。就本发明而言，控制器80控制膨胀阀16的工作，以便按照液体水平传感器64测得的情况维持蒸发器18底部68里的所需的液体水平。这具有在热交换盘管60出口处维持一需要的冷冻水温度的效果。
系统10利用系统压力差，即冷凝器至蒸发器的压力差，输送润滑剂通过润滑系统20至压缩机。前面参考引用的Roach等人的专利对此有更详细的介绍，但也可从图1中看到，油分离器22的上部90易受压缩机输送压力的影响，而制冷系统的回油管92易受压缩机吸入压力的影响。该压力差迫使润滑剂通过润滑系统20至压缩机12。这种类型的压缩机取决于油的流动，以便密封压缩机螺杆或涡卷元件，从而获得压缩和轴承润滑。润滑剂的损失可能导致压缩机失效。
如果系统的压力差跌落至低于系统相关水平，压缩机12可能因缺油而导致失效。使油移动的问题在系统压力差跌落至低于系统相关水平的任何时候都是困难的。例如，通过传感器96和98分别测得、并通过线路100和102分别提供给控制器80的自冷凝器14至蒸发器18的172.375千帕是R系列冷却器里的系统压力差的最低要求。
在冷凝器和蒸发器压力大致相同的情况下平衡启动过程中，压缩机12进行抽吸，使压力下降到足以在启动时建立润滑剂通过润滑系统20的流动。然而，在冷凝器压力小于蒸发器压力的反向启动过程中，以及在蒸发器压力在冷凝器压力的25psi范围内的低压力差启动过程中，压缩机12的抽吸动作可能不足以建立必要的润滑剂通过润滑系统20的流动。
在本发明的液体水平控制系统里，横跨压缩机的压力差实际上是盘管48里的冷却水温度和在盘管60里的冷冻水温度之间的差的函数。如果冷却水和冷冻水温度之间的差较小或相反，系统压力差将太小而不能使润滑剂通过润滑系统20回到压缩机12里。冷冻系统10将通过控制器80确定，在低油流动情况下或失油情况下时停机。产生这些判断所必需的条件是低冷却塔温度和温暖的冷冻水温度的启动的特征。虽然这一般来说是一个短暂过渡问题，但控制器80可能不能建立正常的操作条件。
具体地说，在正常的运转操作条件过程中，液体水平传感器64检测贮槽66的深度，并将检测到的水平提供给控制器80。控制器80里的比例+积分+导数(PID)算法将维持在蒸发器18里的所需的液体水平，而这是通过调节电子膨胀阀16的位置、从而影响自液体气体分离器62通过管道104流入蒸发器18的制冷剂的速度实现的。通过控制器80控制的液体水平将维持通过压缩机12借助管道106和108从蒸发器18里消除制冷剂气体的流动之间的、以及从冷凝器14通过膨胀阀16由管道104返回至蒸发器18的液体制冷剂流动之间的质量平衡。如果膨胀阀16是打开的，那么通过管道104流入蒸发器18的制冷剂将超过通过管道106流出蒸发器的量，最后，冷凝器将排放至这样的程度，即气体制冷剂从冷凝器14流入蒸发器18。最后，由于制冷剂气体的低密度，质量平衡将重新建立。然而，来自冷凝器14的制冷剂气体流动将降低冷冻系统效率，因为制冷剂气体最后将返回冷凝器14而不提供有效的冷却。
另一方面，如果膨胀阀16关闭得太多，贮槽66将下降，最后变干。压缩机12通过管道106和108从蒸发器18里排出的制冷剂将比通过膨胀阀自冷凝器14返回的更多，通过传感器98测得蒸发器压力将下降。当蒸发器压力下降时，跨越压缩机12和压力差增加。较高的压力差将降低压缩机效率，且通过压缩机12的流动将下降，从而重新建立质量流平衡，但冷冻系统效率将再降低。
本发明通过给膨胀阀16提供一种次要控制目标以阻止这种情况。提供给膨胀阀16的次要控制目标就是维持最小的压缩机压力差。
图2是按照本发明的一膨胀阀控制框图。一般来说，液体水平传感器64给控制器80提供一液体水平测量值，控制器使用普通的PID算法来控制通过膨胀阀16的膨胀阀运动。参看图3，液体水平传感器64具有一范围130，传感器64在该范围内检测液体水平132。在较佳的实施例里，该范围130大约是3.08厘米，这样，传感器64可从在0厘米的下端134检测到至3.08厘米的上端136。
由于液体水平传感器64用途和可使用这种传感器的各种设备的较大变化范围，传感器64没有传统的给定值。这里不用储存在一RAM(随机存取存储器)存储单元里的一个编程的给定值或通过一诸如传感器或一DIP开关的设备输入的给定值，而安装和设置本发明的液体水平传感器64，使传感器中点138以被控制的设备的所需的液体水平140为中心。在较佳的实施例里，中点138在范围130的中心，位于离开上端136和下端134的2.54厘米处。
参看图3和4，流程图148显示了怎样避免使用传统的给定值。在步骤150处以任何传统的方式启动程序后，在步骤152处计算所需的液体水平140和范围130下端134之间的偏移量142。在较佳的实施例里，偏移量142大约是2.54厘米。如步骤154所示，通过传感器64检测实际的液体水平132并输送给控制器80。在图3中，显示了在所需的液体水平140和测得的液体132之间的实际误差144。
在步骤156处，从测得的液体水平132中减去偏移量142，由标号158表示。这将有效地重新在范围130的下端134附近以误差144为中心。重新定中心的误差146现在以范围130的0厘米测量值为中心。在步骤160处，通过将重新定中心的误差146比作O，根据重新定中心的误差146是正值还是负值可容易地确定打开还是关闭膨胀阀。此外，重新定中心的误差146的大小将决定膨胀阀变化的大小。步骤162表示，误差是通过响应如此确定的误差而较容易地得到控制。指示线164表示，按照控制器80的正常操作方案重复该循环。
实质上，液体水平传感器64被物理校准至所需的液体水平，从而通过选择在传感器范围内的任何点和使用该选定点作为给定值而避免使用传统的给定值。其优点是，传感器64可用于各种各样的设备里，并避免确定给定值应该在哪里。此外，在一种方法里，传感器64可用一指示器在外部进行标注，以便显示选定的点的位置，该指示器与在被控制的装置里的所需的液体水平对齐。
再参看图2，给膨胀阀16提供一次要控制目标，以维持最小的压缩机压力差。在加法器120处通过比较由传感器96确定的冷凝器压力减去由传感器98确定的蒸发器压力并减去根据经验确定的所需的最小系统压力差而形成次要误差，并由存储单元122提供。在本发明里，所需的最小系统压力差172.375千帕被确定为略微大于横跨润滑系统20的压力差151.69千帕。由加法器120确定的该压力差以与液体水平误差相同的刻度记录在一定标器124上，并提供给一误差仲裁器126。
误差仲裁器126比较由加法器118提供的液体水平误差和由加法器120提供的压力差误差，并让两个误差中的较小者输入PID算法119。
由于这种布置，膨胀阀16将维持横跨压缩机12的压力差至少是172.375千帕。由于系统压力在盘管60里的冷冻水变冷时和在盘管48里的冷却水变热时自然建立，因此膨胀阀16将打开，使蒸发器18里的贮槽66上升。由于贮槽66上升，膨胀阀16的控制目标将转换，从控制压力差到控制贮槽66里的液体水平。由于冷冻系统10可在不确定的压力差控制下运转，因此冷冻系统10将总是建立正常的操作条件。如果系统压力在任何时候下降，膨胀阀16的控制目标将转换到压力差控制。
本发明提供运转控制器，它具有维持主要系统条件、诸如冷冻水温度、蒸发器液体水平、或过热的主要目标，但还具有维持次要系统目标、诸如压缩机压力差的次要目标。对于本技术领域的技术人员来说很清楚的是，还可以对这种布置提出许多改进和替换，包括替换需要按照系统压力差抽吸润滑剂的各种压缩机，以及使用各种主要条件作为主要膨胀阀控制目标。而所有这些改进应该被认为落入本发明要求保护的构思和范围内。
Claims (11)
1.一种控制在HVAC系统里的液体水平的方法，它包括以下步骤：
物理校准一液体水平传感器至一所需水平；
计算从液体水平传感器选定的点至一下端的偏移量；
检测液体水平；
从测得的液体水平中减去计算出的偏移量；
用减去的结果与零比较，以确定一误差；以及
控制液体水平，使该误差最小。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，校准步骤包括使传感器上选定的点与所需的水平对齐的步骤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，该传感器具有一范围，该选定的点位于该范围的中心点。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，控制步骤还包括使用一膨胀阀。
5.一种维持横跨压缩机的最小压力差的方法，它包括以下步骤：
操纵压缩机以压缩一液体，由此在压缩机进口和压缩机出口之间产生一压力差；
检测该压力差，将测得的压力差与所需的压力差比较，以确定一压力差误差；以及
控制一膨胀阀，对应压力差误差来维持横跨压缩机的最小压力差。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，压缩机与一冷凝的热交换器串联，而该冷凝的热交换器与膨胀阀串联，而该膨胀阀与一蒸发的热交换器串联，而该蒸发的热交换器又与压缩机串联；以及
该膨胀阀被同时控制以维持在蒸发热交换器里的最小液体水平。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该蒸发器包括一液体水平传感器，以确定所需的液体水平；以及
根据液体水平传感器误差和压力差误差中的较小者控制该膨胀阀。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，液体水平传感器具有一范围，在该范围内它可操作地检测液体水平；以及
在液体水平范围内选定的点应于所需的液体水平处。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，控制该膨胀阀，以通过使所需的水平和选定的点之间的误差最小来维持该液体水平。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，选定的点位于该范围的中点处。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括将润滑分支系统连接在压缩机出口和压缩机进口之间，由此使压力差抽吸润滑剂从压缩机出口通过润滑系统至压缩机进口。
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