專利名稱：基于冷卻器溫差和排放過熱控制電子膨脹閥的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于冷凍裝置和/或熱泵的壓縮機領(lǐng)域，尤其是用電子膨脹閥控制冷卻器溫差和保護排放過熱。
熱泵系統(tǒng)使用一制冷劑將熱能從循環(huán)回路的相對較熱側(cè)帶到循環(huán)回路的相對較冷側(cè)。制冷劑的壓縮發(fā)生在回路的較熱側(cè)，這里，壓縮機使制冷劑的溫度上升。制冷劑的蒸發(fā)發(fā)生在回路的較冷側(cè)，這里，制冷劑膨脹，從而由于膨脹時需要熱量而使溫度下降。由于制冷劑與室內(nèi)空氣之間以及制冷劑與室外空氣之間的溫差，分別在回路一側(cè)的制冷劑中加入熱能，從另一側(cè)的制冷劑中吸取熱能，以將室外空氣用作熱能源或熱能的散發(fā)和吸收。
過程是可逆的，因此熱泵既能用于加熱也能用于冷卻。住宅用加熱和冷卻裝置是雙向的，其中，合適的閥和控制結(jié)構(gòu)有選擇地使制冷劑經(jīng)過室內(nèi)和室外熱交換器，使得室內(nèi)熱交換器在制冷劑循環(huán)回路的熱側(cè)加熱而在冷側(cè)進行冷卻。一循環(huán)鼓風(fēng)機使室內(nèi)空氣經(jīng)過室內(nèi)熱交換器，并經(jīng)過輸送管引向室內(nèi)空間。返回管從室內(nèi)空間中吸取空氣并帶到室內(nèi)熱交換器中。同樣一鼓風(fēng)機使周圍空氣經(jīng)過室外熱交換器，并將熱量釋放到戶外空氣中，或從中吸取可用的熱量。
這類熱泵系統(tǒng)只有當(dāng)在各自熱泵中的制冷劑與空氣之間有一適當(dāng)?shù)臏夭顣r才會運轉(zhuǎn)，以保持熱能的輸送。對于加熱，只要空氣與制冷劑之間的溫差能夠使得可以得到的熱能大于運行壓縮機和各自鼓風(fēng)機所需的電能，熱泵就是有效的。對于冷卻，即使在熱天，空氣與制冷劑之間的溫差通常都是足夠的。空調(diào)器或冷凍裝置，其工作類似于熱泵，但僅僅是將熱量從室內(nèi)傳送到室外。對于大部分的其它方面，循環(huán)都是相同的。
當(dāng)制冷劑從冷凝器到蒸發(fā)器時，它通過一諸如電子膨脹閥(EV)的閥。系統(tǒng)中的主流控制是該膨脹閥，它能使制冷劑從冷凝器的高壓膨脹到蒸發(fā)器中的低壓。膨脹使部分液體蒸發(fā)，由此將其余液體冷卻到蒸發(fā)器溫度。蒸發(fā)器里面的制冷劑的高度也由EV控制，制冷劑的高度由探測器的輸入測定。一探測器輸入來自于蒸發(fā)器里面的熱探測器，而第二輸入來自于飽和的吸收溫度。根據(jù)這兩個輸入，可以估計出蒸發(fā)器里面的液體高度。但將熱探測器安裝在蒸發(fā)器里面和使用這兩個輸入來確定蒸發(fā)器里面的液體高度精度不夠，這樣就出現(xiàn)了許多問題。
簡而言之，一用在一熱泵或冷凍裝置的制冷劑循環(huán)中的電子膨脹閥(EXV)被控制，以保持最小的溫差(pinch)，從而通過監(jiān)控冷卻器流體與飽和吸入溫度之間的δ溫度來確保合適的滿溢式冷卻器交換性能。監(jiān)控排放過熱，以避免壓縮機中液體的緩動現(xiàn)象(slug)。如果排放過熱低于預(yù)定值，就調(diào)節(jié)EXV的開口。一控制器監(jiān)控某些用于確定EXV最佳位置的系統(tǒng)變量，以使系統(tǒng)性能、合適的排放過熱值和適當(dāng)?shù)闹评鋭┑淖⑷胱顑?yōu)化。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，控制一制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的方法包括如下的步驟通過監(jiān)控在所述冷卻器中的流體與系統(tǒng)飽和吸收溫度之間的溫度變化來確保合適的滿溢式冷卻器交換性能；通過監(jiān)控系統(tǒng)的排放過熱來保護系統(tǒng)的壓縮機；以及當(dāng)排放過熱低于預(yù)定值時校正電子膨脹閥開口的大小。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，控制一制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的方法包括如下的步驟為系統(tǒng)確定一飽和吸收溫度(SST)；為系統(tǒng)確定一飽和排放溫度(SDT)；為系統(tǒng)確定一冷卻器流體溫度(CFT)；為系統(tǒng)確定一飽和冷凝溫度(SCT)；將溫差確定為CFT減去SST；將溫差誤差確定為溫差減去溫差設(shè)定點；將溫差率(pinch rate)確定為一當(dāng)前溫差減去一特定時間之前的溫差；將排放過熱設(shè)定為SDT減去SCT；將排放過熱誤差設(shè)定為排放過熱減去一排放過熱設(shè)定點；將一排放過熱率確定為一當(dāng)前排放過熱減去一特定時間之前的排放過熱；設(shè)定一特定溫度的靜區(qū)；以及根據(jù)溫差誤差、溫差率、排放過熱誤差、排放過熱率以及靜區(qū)控制電子膨脹閥的移動。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，一控制制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的裝置包括確定系統(tǒng)一溫差的裝置；確定系統(tǒng)一溫差誤差的裝置；確定系統(tǒng)溫差率的裝置；確定系統(tǒng)排放過熱的裝置；確定系統(tǒng)排放過熱誤差的裝置；確定系統(tǒng)的排放過熱率的裝置；確定一特定溫度的靜區(qū)的裝置；以及根據(jù)溫差誤差、溫差率、排放過熱誤差、排放過熱率以及靜區(qū)控制電子膨脹閥的移動的裝置。


圖1示出了一制冷系統(tǒng)的示意圖。
圖2示出了本發(fā)明方法的有所改變的流程圖。
參閱圖1，一基本的制冷系統(tǒng)10包括一通過一電子膨脹閥EXV流體連接于一蒸發(fā)器30的冷凝器20。閥EXV由一控制器15控制。蒸發(fā)器30通過一壓縮機40流體連接于冷凝器20。盡管圖中只示出一個壓縮機，但是，也可以將一個以上的壓縮機平行連接在同一回路中。返回水(或空氣)進入蒸發(fā)器33，在那兒熱量傳遞到制冷劑。盡管圖中只示出一個制冷劑回路，但是也可使用兩個獨立的制冷劑回路。當(dāng)冷卻需要時，冷卻器供應(yīng)水(或空氣)被循環(huán)。一傳感器或一熱敏電阻80讀出由控制器15接收的冷卻器流體溫度(CFT)。一壓力傳感器(pressure transducer)50讀出制冷劑的飽和冷凝壓力，并在控制器15處將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成飽和冷凝溫度(SCT)。一壓力傳感器60讀出制冷劑的飽和吸收壓力，并在控制器15處將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成飽和吸收溫度(SST)。一排氣熱敏電阻探測器70向控制器15提供飽和排放溫度(SDT)?；蛘?，一壓力傳感器讀出制冷劑的飽和排放壓力，并將讀數(shù)轉(zhuǎn)換成SDT。人們經(jīng)常使用壓力傳感器，由于它們比直接測量溫度的已知裝置要精確。
溫差(pinch)定義為CFT減去SST。排放過熱(DSH)定義為SDT減去SCT。在本發(fā)明的方法中，這些變量用于控制EXV的活動，從而控制系統(tǒng)10內(nèi)的制冷劑流動。最好控制得EXV能保持最小的溫差，以便通過監(jiān)控冷卻器流體與飽和吸收溫度之間的δ溫度來確保合適的冷卻器交換性能。打開EXV通常會降低冷卻器的溫差，從而增加了冷卻器交換性能。但是，打開EXV太多會使排放過熱下降、油的壓力下降，制冷劑流量減少。因此，本發(fā)明具有兩個目的，一個是保持一小的冷卻器溫差，另一個是保護排放過熱。
參閱圖2，一起始步驟110設(shè)定用于本發(fā)明方法中的各個變量的數(shù)值。盡管可使用任何合理的循環(huán)時間，但該方法的循環(huán)每一次為10秒鐘。用控制器15(圖1)讀出CFT、SST、SDT和SCT的值。PINCH定義為CFT減去SST。PINCH_ERROR定義為PINCH減去PINCH_SETPOINT(通過制造商、安裝者或使用者編程到系統(tǒng)控制器中)，PINCH_RATE定義為當(dāng)前PINCH減去10秒鐘之前的PINCH。DSH定義為SDT減去SCT，DSH_ERROR定義為DSH減去DSH_SETPOINT(通過制造商、安裝者或使用者編程到系統(tǒng)控制器中)，DSH_RATE定義為當(dāng)前DSH減去10秒鐘之前的DSH。
在步驟112中，PINCH_ERROR的絕對值與DEADBAND(靜區(qū))比較。當(dāng)溫差誤差(pinch error)小于“靜區(qū)”(deadband)時，沒有活動施加到EXV。靜區(qū)用于避免探測器的不精確所引起的不穩(wěn)定。靜區(qū)的值可由使用者選擇設(shè)定，但在用作本發(fā)明例子的實施例中，靜區(qū)定為0.4°F。如果PINCH_ERROR的絕對值大于DEADBAND，在步驟114中EXV_MOV設(shè)定為(PINCH_ERROR減去DEADBAND)乘上KP加上PINCH_RATE乘上KD。否則的話，EXV_MOV的值不變。KP是比例增益，被溫差誤差相乘以獲得比例作用。在該實施例中，KP是0.33％°F。KD是導(dǎo)數(shù)增益，被溫差誤差中的變化率相乘，以獲得導(dǎo)數(shù)作用。對于該實施例，KD是O.33％每°F每10秒鐘。比例和導(dǎo)數(shù)作用的總和表示以百分比計算的EXV活動。一否定的結(jié)果對應(yīng)于一關(guān)閉動作，而一肯定的結(jié)果對應(yīng)于一打開動作。
然后，在步驟116中，檢查系統(tǒng)時鐘，看看系統(tǒng)是否已經(jīng)運行3分鐘以上。如果不，在步驟118中將EXV_POSITION_LIMIT設(shè)定為EXV活動的總的可能范圍的52％，控制進入到步驟162。即，在要化些時間的啟動過程中，排放過熱保護被旁路，EXV位置的極限被再初始化在52％。如果系統(tǒng)已運行三分鐘以上，在步驟120檢查DSH_ERROR，如果小于-3.5°F，在步驟120中EXV_MOV設(shè)定為-0.33％加上0.033乘以DSH_RATE，控制進入步驟162。如果不，在步驟124中檢查EXV_MOV，看看它是否小于零。
如果EXV_MOV小于零，即，如果溫差小于設(shè)定點，在步驟126中，控制器檢查，看看DSH_ERROR是否大于2°F,EXV_POSITION是否小于40％,PINCH_ERROR是否大于-0.5°F，如果是的話，在步驟128中將EXV_MOV設(shè)定為0％。如果不，在步驟130中，控制器進行檢查看看DSH_ERROR是否大于-1°F,EXV_POSITION是否小于36％，如果是的話，在步驟132中將EXV_MOV設(shè)定為0％。否則的話，控制進入步驟162。在步驟124中，如果EXV_MOV不小于零，在步驟134中，控制器檢查，看看DSH_ERROR是否小于-2°F，如果是的話，將EXV_MOV設(shè)定為-0.2％，此后，控制進入步驟162。否則的話，在步驟138中，控制器檢查，看看EXV_POSITION減去6％是否大于EXV_OLD_POSITION。即，控制器檢查，看看每當(dāng)具有6％的EXV打開活動時，在冷卻器溫差中是否獲得一真正的減少(在步驟140中定義為大于0.6°F的變化)，因為如果不能獲得一真正的減少，EXV在其最佳位置打開。如果在步驟138中EXV_POSITION減去6％不大于EXV_OLD_POSITION，控制進入到步驟146。如果它較大，在步驟140中控制器檢查，看看PINCH_LAST_EXV減去PINCH_ERROR是否大于0.6°F，如果不，在步驟142中，EXV_POSITION_LIMIT設(shè)定為EXV_POSITION。如果PINCH_LAST_EXV減去PINCH_ERROR不大于0.6°F，在步驟144中，EXV_OLD_POSITION置于EXV_POSITION,PINCH_LAST_EXV置于PINCH_ERROR。
然后在步驟146中，控制器檢查，看看DSH_ERROR是否小于-1°F，如果是的話，在步驟148中，將EXV_MOV設(shè)定為0％,EXV_POSITION_LIMIT設(shè)定為EXV_POSITION，此后，控制進入步驟162。如果不，控制器檢查，看看EV_POSTION是否大于EXV_POSITION_LIMIT，如果是的話，在步驟152中，將EXV_MOV設(shè)定為0％，控制進入步驟162。如果EXV_POSITION不大于EXV_POSITION_LIMIT，在步驟154中控制器檢查，看看DSH_ERROR是否小于1°F,EXV_MOV是否大于0.46％，如果是的話，在步驟156中將EXV_MOV設(shè)定為0.46％。否則的話，在步驟158中控制器檢查，看看DSH_ERROR是否大于零，如果是，在步驟160中將EXV_POSITION_LIMIT設(shè)定為EXV_POSITION加上2％。
如果DSH_ERROR不大于零，在步驟162控制器檢查，看看PINCH_RATE是否大于0.4°F，這樣表明，操作條件可能已經(jīng)改變。如果是的話，在步驟164中將EXV_OLD_POSITION設(shè)定為EXV_POSITION。如果不是，在步驟166控制器檢查，看看PINCH_LAST_EXV減去PINCH_ERROR是否小于-0.2°F，如果是，在步驟168將PINCH_LAST_EXV設(shè)定為PINCH_ERROR。然后在步驟170中，EXV移動，EXV_MOV變量再設(shè)定為零。然后再開始循環(huán)。
根據(jù)本發(fā)明，控制EXV保持最小的溫差，以通過觀察CFT與SST之間的溫度的變化來確保冷卻器交換性能。EXV的打開活動通常使冷卻器溫差下降，從而提高冷卻器交換性能。
權(quán)利要求
1．一種控制一制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的方法，其特征在于包括如下的步驟通過監(jiān)控在所述系統(tǒng)中冷卻器中的流體與飽和吸收溫度之間的溫度變化來確保合適的滿溢式冷卻器交換性能；通過監(jiān)控所述系統(tǒng)的排放過熱來保護所述系統(tǒng)的壓縮機；以及當(dāng)所述排放過熱低于一預(yù)定值時改正所述電子膨脹閥開口的大小。
2．一種控制一制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的方法，其特征在于包括如下的步驟為所述系統(tǒng)確定一飽和吸收溫度(SST)；為所述系統(tǒng)確定一飽和排放溫度(SDT)；為所述系統(tǒng)確定一冷卻器流體溫度(CFT)；為所述系統(tǒng)確定一飽和冷凝溫度(SCT)；將溫差確定為所述CFT減去所述SST；將溫差誤差確定為所述溫差減去溫差設(shè)定點；將溫差率確定為一當(dāng)前溫差減去一特定時間之前的溫差；將排放過熱設(shè)定為所述SDT減去所述SCT；將排放過熱誤差設(shè)定為所述排放過熱減去一排放過熱設(shè)定點；將一排放過熱率確定為一當(dāng)前排放過熱減去一特定時間之前的排放過熱；設(shè)定一特定溫度的靜區(qū)；以及根據(jù)所述溫差誤差、所述溫差率、所述排放過熱誤差、所述排放過熱率以及所述靜區(qū)控制所述電子膨脹閥的移動。
3．控制制冷劑循環(huán)系統(tǒng)中的電子膨脹閥的裝置，其特征在于它包括確定所述系統(tǒng)溫差的裝置；確定所述系統(tǒng)溫差誤差的裝置；確定所述系統(tǒng)溫差率的裝置；確定所述系統(tǒng)排放過熱的裝置；確定所述系統(tǒng)排放過熱誤差的裝置；確定所述系統(tǒng)的排放過熱率的裝置；確定一特定溫度的靜區(qū)的裝置；以及根據(jù)溫差誤差、所述溫差率、所述排放過熱誤差、所述排放過熱率以及所述靜區(qū)控制所述電子膨脹閥移動的裝置。
全文摘要
控制一用在一熱泵或冷凍裝置的制冷劑循環(huán)中的電子膨脹閥(EXV),以保持最小的溫差(pinch),從而通過監(jiān)控冷卻器流體與飽和吸入溫度之間的δ溫度來確保合適的滿溢式冷卻器交換性能。監(jiān)控排放過熱,以避免壓縮機的液體緩動。如果排放過熱低于預(yù)定值,就調(diào)節(jié)EXV的開口。一控制器監(jiān)控某些用于確定EXV最佳位置的系統(tǒng)變量,以使系統(tǒng)性能、合適的排放過熱值和適當(dāng)?shù)闹评鋭┻M入量最優(yōu)化。
文檔編號F25B1/00GK1313493SQ0111165
公開日2001年9月19日 申請日期2001年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年3月15日
發(fā)明者巴－通·彭, 克雷坦·帕斯卡爾 申請人:開利公司