TWI472708B - 具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統 - Google Patents

具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統 Download PDF

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具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統
本發明為一種具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統，特別是一種具有電子式膨脹閥之冰水機組冷媒循環系統。
滿液式冰水機為市面上常用的一種冰水機，其透過冷媒吸收冰水熱量而蒸發成氣態冷媒回到壓縮機，但若當冷媒充填過多或是蒸發器吸熱不足，將導致液態冷媒進入蒸發器後未變成氣態就回到壓縮機，並造成液壓縮現象，亦即液態冷媒流入壓縮機，此現象會導致減少壓縮機之壽命；若冷媒填充不足，則造成系統效率降低。
習知之滿液式冰水機組冷媒循環系統，其分別於冷凝器或是蒸發器內設置有一高壓浮球開關與一低壓浮球開關，利用高壓及低壓浮球開關來控制冷媒的流通量。在習知之滿液式冰水機組冷媒循環系統中使用的控制系統可分為兩種，一種是高壓液位冷媒節流控制系統，另一種是低壓液位冷媒節流控制系統。
在高壓液位冷媒節流控制系統中，當冷媒液面上升超過高壓浮球開關所設之預設高度時，高壓浮球開關即會感測到並使冷媒流入蒸發器內。而在低壓液位冷媒節流控制系統中，當冷媒液面下降至低於低壓浮球開關所設之預設高度時，低壓浮球開關便會感測到並使冷凝器內之冷媒流入蒸發器內。
雖然上述兩種控制系統都能控制冷媒流入蒸發器內的流 通量，但卻無法準確的控制冷媒的流通量，因此如何設計出一個完善之冰水機組冷媒循環系統，以適時精確的控制電子式膨脹閥的開度，並提高或降低冷媒進入蒸發器內的流通量，乃為目前業者最迫切的需求。
本發明為一種具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統，其係透過控制器控制串接於冷凝器及蒸發器間之電子式膨脹閥，並依照蒸發器所需之冷媒流量自動控制電子式膨脹閥之開度，進而避免過量液態冷媒進入壓縮機，以達到增加壓縮機的壽命的功效。
本發明提供一種具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統，其包括有：一壓縮機，其具有一吐出口及一回流口，一冷凝器、一電子式膨脹閥、一蒸發器依序藉由複數根管路串接於該吐出口及該回流口間，其中該吐出口處設有一第一 溫度感測器，回流口處設有一第二溫度感測器，該冷凝器至該電子式膨脹閥設有一第一壓力感測器，該電子式膨脹閥至該回流口設有一第二壓力感測器，其特徵在於：一控制器，用以讀取壓縮機之一實際工作頻率、第一溫度感測器之一實際吐出溫度、第二溫度感測器之一實際回流溫度、第一壓力感測器之一第一壓力及第二壓力感測器之一第二壓力，以控制電子式膨脹閥之一開度，又控制器之控制方法包括下列步驟：設定一保護溫度，保護溫度為一理論吐出溫度或回流溫度及一安全溫度之和；以及判斷是否低溫，其中低溫係定義為實際吐出溫度或回流溫度低 於保護溫度，若為低溫時，則根據實際吐出溫度或回流溫度與保護溫度自動控制過熱度，以確保實際吐出溫度或回流溫度高於保護溫度；若非低溫，則依照蒸發器所需之冷媒流量進行負載控制。
藉由本發明的實施，至少可達到下列進步功效：
一、藉由控制器驅動電子式膨脹閥之開度控制，能精確的提高或降低液態冷媒流入蒸發器內之流通量，使得壓縮機不論在全載或部分負載都能保持在高效率狀態。
二、透過控制器驅動電子式膨脹閥之開度控制，除了能降低液態冷媒流入蒸發器內之流通量，另外還能增加其壓縮機之使用壽命。
為了使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。
第1圖為本發明實施例之一種具有液冷媒控制之冰水機組循環系統之結構示意圖。第2圖為本發明實施例之一種控制器之控制步驟流程圖。第3圖為本發明實施例之一種壓力-焓之函數關係示意圖。
如第1圖所示，本實施例為一種具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統10，其包括有：一壓縮機20；一油分離器30； 一冷凝器40；一蒸發器50；一電子式膨脹閥60；以及一控制器70。
壓縮機20，具有一吐出口21及一回流口22，然後冷凝器40、油分離器30、電子式膨脹閥60、及一蒸發器50分別 藉由複數根管路連接於吐出口21及回流口22間，如此形成一完整的迴路。
為了偵測及控制的需要，在上述迴路中，於吐出口21處設有一第一 溫度感測器71，回流口22處設有一 第二溫度感測器74；於冷凝器40至電子式膨脹閥60設有一第一壓力感測器72，也就是說，第一壓力感測器可以設置在冷凝器40上、可以設置在電子式膨脹閥60上、或者也可以設置在冷凝器40與膨脹閥60間的管路上，以測量一第一壓力也就是高壓壓力；膨脹閥60至回流口22設有一第二壓力感測器73，也就是說，第二壓力感測器73可以設置在膨脹閥60與蒸發器50間的管路上、可以設置在蒸發器50上、或者也可以設置在蒸發器50與回流口22間的管路上，以測量一第二壓力也就是一低壓壓力。
壓縮機20之吐出口21透過連接管線與油分離器30之入口連接，又油分離器30之出口透過連接管線與冷凝器40之入口連接，但在某些實務應用中，可以省略油分離器30而不設置，或者直接在壓縮機20內設置一種內建式的油分離器(圖未示)。
蒸發器50之冷媒入口串接於冷凝器40之冷媒出口，而蒸發器50之冷媒出口又串接於壓縮機20之回流口22，並且蒸發 器50設有一第二壓力感測器73用以測量電子式膨脹閥60至壓縮機20之回流口22間之管線或設備內之一低壓壓力。電子式膨脹閥60則是串接於冷凝器40與蒸發器50間的管路上，以上各元件的連接關係及功能已為習知技術，因此在此不再贅述。
如第1圖所示，本實施例之特徵在於本實施例包括有一控制器70，其係分別與電子式膨脹閥60、第一溫度感測器71、第一壓力感測器72、第二壓力感測器73及第二溫度感測器74電訊連接，並讀取壓縮機20之一實際工作頻率(S)、第一溫度感測器71之一實際吐出溫度(TApp1 或TApp2 )、第二溫度感測器74之一實際回流溫度(Tsuc )、第一壓力感測器72之一第一壓力(Pc)及第二壓力感測器73之一第二壓力(Pe)，以自動控制電子式膨脹閥60之開度。
如第2圖所示，控制器70執行之控制包括下列步驟：設定一保護溫度(步驟S10)以及判斷是否低溫(步驟S20)以進行過熱度保護控制(步驟S30)或進行負載控制(步驟S40)。
如第3圖所示，設定一保護溫度(步驟S10)之步驟中保護溫度Tdprotect 為一理論吐出溫度Tdis 及一安全溫度△Td之和，而理論吐出溫度Tdis 可以由第二壓力(Pe)與第一壓力(Pc)依照一壓力-焓之函數式加以計算產生，並且理論吐出溫度Tdis 係與第一壓力(Pc)及第二壓力(Pe)成一函數關係。保護溫度Tsprotect 為蒸發器飽和溫度Tsat 及一安全溫度△Ts之和，蒸發器飽和溫度Tsat 可由事先建立之第二壓力(Pe)與Tsat 的關係方程式計算而得。
安全溫度△Td及△Ts是預先定義，並且因為保護溫度Tdprotect 及Tsprotect 是用以保護冰水機組冷媒循環系統10之溫度，因此藉由在理論吐出溫度Tdis 再外加上安全溫度△Td的設計，可以增加一溫度緩衝區，以確保實際吐出溫度(TApp2 )不會低於理論吐出溫度Tdis 。Tsat 再外加上安全溫度△Ts的設計，以確保實際回流溫度Tsuc 為過熱蒸汽。
判斷是否低溫(步驟S20)，其中當實際吐出溫度TApp1 低於保護溫度Tdprotect 或Tsuc 低於保護溫度Tsprotect 時就定義為低溫。因此當低溫時，即表示實際吐出溫度TApp1 低於保護溫度Tdprotect 或Tsuc 低於保護溫度Tsprotect ，並表示已有過多的冷媒流入蒸發器50中，因此控制器70將自動控制電子式膨脹閥60進行過熱度保護控制(步驟S30)，以驅使實際吐出溫度TApp1 高於保護溫度Tdprotect 或Tsuc 高於保護溫度Tsprotect 。
而當非低溫時，即表示實際吐出溫度TApp2 高於保護溫度Tdprotect 或實際回流溫度Tsuc 高於保護溫度Tsprotect ，並且蒸發器50可正常運作，則控制器70便依照蒸發器50所需之冷媒流量進行負載控制(步驟S40)。
若為高溫時，則電子式膨脹閥60的開度(Op)係與一流量係數(Cv)與液冷媒流率(V)成函數關係，而流量係數(Cv)可以等於液冷媒流率(V)乘以係數a後再除以一壓力差之根號值的函數關係，其中液冷媒流率(V)又等於壓縮機20之實際工作頻率(S)除以壓縮機20之最大工作頻率(Smax)再乘以最大工作頻率下之滿載條件下排氣量(Vstd)再乘以蒸發器50至壓縮機20入口狀態之一冷媒密度(Dv)再除以冷凝器40至電子式膨脹閥60 入口狀態之一冷媒密度(D)，而壓力差(△P)係為第一壓力(Pc)減去第二壓力(Pe)估算值，其中第二壓力(Pe)估算值亦與一蒸發溫度(Te)估算值成函數關係，而蒸發溫度(Te)估算值則等於冰水出水設定溫度(TSetpoint )減去接近溫度(TApproach )，前述關係式可以以下列方程式表示：Op=f(Cv,V)
△P=Pc-Pe(Te)
Te=TSetpoint -TApproach
本實施例所述之具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統10可以為滿液式冰水機冷媒循環系統、噴淋式冰水機冷媒循環系統或直膨式冰水機冷媒循環系統。
惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。
10‧‧‧冰水機組冷媒循環系統
20‧‧‧壓縮機
21‧‧‧吐出口
22‧‧‧回流口
30‧‧‧油分離器
40‧‧‧冷凝器
50‧‧‧蒸發器
60‧‧‧電子式膨脹閥
70‧‧‧控制器
71‧‧‧第一溫度感測器
72‧‧‧第一壓力感測器
73‧‧‧第二壓力感測器
74‧‧‧第二溫度感測器
TApp1 、TApp2 ‧‧‧實際吐出溫度
Tdprotect ‧‧‧吐出保護溫度
Tsprotectt ‧‧‧回流保護溫度
Tdis ‧‧‧理論吐出溫度
Tsuc ‧‧‧實際回流溫度
Tsat ‧‧‧蒸發器飽和溫度
△Td‧‧‧吐出安全溫度
△Ts‧‧‧回流安全溫度
TApproach ‧‧‧接近溫度
第1圖為本發明實施例之一種具有液冷媒控制之冰水機組循環系統之結構實施例圖。
第2圖為本發明實施例之一種控制器之控制步驟流程圖。
第3圖為本發明實施例之一種壓力-焓之函數關係實施例圖。
S10‧‧‧設定一保護溫度
S20‧‧‧判斷是否低溫
S30‧‧‧過熱度保護控制
S40‧‧‧負載控制

Claims (8)

  1. 一種具有液冷媒控制之冰水機組冷媒循環系統，其包括有：一壓縮機，其具有一吐出口及一回流口，一冷凝器、一電子式膨脹閥、及一蒸發器依序藉由複數根管路串接於該吐出口及該回流口間，其中該吐出口處設有一溫度感測器，回流口處設有第二溫度感測器，該冷凝器至該電子式膨脹閥設有一第一壓力感測器，該電子式膨脹閥至該回流口設有一第二壓力感測器，其特徵在於：一控制器，用以讀取該壓縮機之一實際工作頻率、該第一溫度感測器之一實際吐出溫度、第二溫度感測器之一實際回流溫度、該第一壓力感測器之一第一壓力及該第二壓力感測器之一第二壓力，以控制該電子式膨脹閥之一開度，其中當該實際吐出溫度低於該保護溫度時就定義為低溫，已有過多的冷媒流入該蒸發器中，該控制器自動控制該電子式膨脹閥進行過熱度保護，進而驅使該實際吐出溫度高於該保護溫度，且該開度(Op)之計算方程式為：Op=f(Cv,V) 其中蒸發溫度(Te)=冰水出水設定溫度(TSetpoint)-接近溫度(TApproach)，該計算方程式中Op為開度、Cv為流量係數、V為液冷媒流率、Cv為流量係數、a為係數、S為壓 縮機之實際工作頻率、Smax為壓縮機之最大工作頻率、Vstd為滿載條件下排氣量、Dv為蒸發器至壓縮機入口之冷媒密度、D為冷凝器至電子式膨脹閥入口之冷媒密度，△P為壓力差、Pc為第一壓力、Pe為第二壓力，又其中該控制器之控制方法包括下列步驟：設定一保護溫度，該保護溫度為一理論吐出溫度或回流溫度及一安全溫度之和；判斷是否低溫，其中低溫係定義為該實際吐出溫度低於該保護溫度或實際回流溫度低於保護溫度；過熱度保護控制，若判斷為低溫時，則根據該實際吐出或回流溫度與該保護溫度自動進行過熱度保護控制，以確保該實際吐出溫度或回流溫度高於該保護溫度；以及負載控制，若判斷為非低溫，則依照該蒸發器所需之冷媒流量進行該負載控制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該第一壓力感測器用以測量該壓縮機之吐出口至該電子式膨脹閥間之管線或設備內之一高壓壓力，而該第二壓力感測器用以測量該電子式膨脹閥至該壓縮機之回流口間之管線或設備內之一低壓壓力。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該理論吐出溫度係由該第二壓力及第一壓力依照一壓力-焓之函數式加以計算產生；蒸發器飽和溫度可由第二壓力的關係方程式計算而得。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該理論吐出溫度係與該第一壓力及該第二壓力成一函數關係。蒸發器飽和溫度與第二壓力成一函數關係。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該電子式膨脹閥之該開度係與一流量係數及冷媒流率成函數關係。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該流量係數等於一液冷媒流率乘以係數後再除以一壓力差之根號值。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該液冷媒流率等於該壓縮機之該實際工作頻率除以該壓縮機之一最大工作頻率再乘以該最大工作頻率下之一滿載條件下排氣量再乘以該蒸發器至壓縮機入口狀態之一冷媒密度再除以冷凝器至電子式膨脹閥入口狀態之一冷媒密度，其中該壓力差為該第一壓力減去該第二壓力之估算值，該第二壓力估算值亦與一蒸發溫度估算值成函數關係，並且該蒸發溫度估算值等於冰水出水設定溫度減去接近溫度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之冰水機組冷媒循環系統，其中該冰水機組冷媒循環系統係為一滿液式冰水機組冷媒循環系統、一噴淋式冰水機組冷媒循環系統或一直膨式冰水機組冷媒循環系統。
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