制冷回路中的流率控制系统、用于控制制冷系统的方法以及制冷系统

摘要

本发明涉及制冷回路中的流率控制系统、用于控制制冷系统的方法以及制冷系统，确切地说，例如制冷系统可包括从家用冰箱到空调系统。特别地，本发明涉及一种解决以下问题的方案：膨胀阀(17)中的效率损耗，当系统负载变化时，膨胀阀(17)在低于其额定容量下工作并因此处于低效率。达到本发明的目的的一个方法是通过制冷回路中的流率控制系统，该制冷回路包括流体地连接到闭合回路(20)上的封闭式压缩机。闭合回路(20)包括冷凝器(11)、蒸发器(12)以及流体膨胀装置(17)，闭合回路(20)充满流体，流体膨胀装置(17)具有额定膨胀容量，并位于蒸发器(12)和冷凝器(11)之间，封闭式压缩机(10)促进闭合回路(20)内的流体流，闭合回路(20)具有回路额定流率容量。此外，该系统包括位于冷凝器(11)的出口和流体膨胀装置(17)的入口之间的流控制阀(15)，对流控制阀(15)进行调节，使得通过流体膨胀装置(17)的流体始终处于额定膨胀容量。还公开了一种用于控制制冷系统的方法。

说明书

本发明涉及制冷回路中的流率控制系统、用于控制制冷系统的方 法以及制冷系统，确切地说，例如制冷系统可包括从家用冰箱到空调 系统。特别地，本发明涉及用于毛细管(或较大制冷系统中的膨胀阀) 中的效率损耗的一种解决方案，当系统负载变化时，使毛细管低于其 额定容量下工作并因此处于低效率。

现有技术描述

通常，制冷系统的基本目的是保持一间(或多间)隔室内的低温， 采用将热从这些环境的内部传递到外部环境的装置，利用这些环境的 内部的温度测量来对负责传热的装置进行控制，设法将温度维持在所 讨论的制冷系统的类型的预定极限内。

视制冷系统的复杂性和应用类型的情况，所要保持的温度极限或 多或少受到限制。其发生的原因是，在设计制冷系统时，对其进行优 化以获得可能的最低功率消耗。举例来说，可将膨胀系统优化至将在 其中测量功率消耗的温度(例如25℃)。然而，当在该膨胀系统(毛细管) 温度固定在高于或低于25℃的情况下时，系统不会正常工作。此外， 越对毛细管进行优化，其使用的应用领域越窄。例如，如果系统已经 优化至仅25℃，则系统正常工作的范围是从18℃到32℃，但如果系 统在从10℃到43℃下工作，则毛细管的流率会增加，这负面地影响 功率消耗。

将热从制冷系统内传递到外部环境的常用方法是通过使用连接 到闭合回路上的封闭式压缩机，冷却液在该闭合回路中循环，该压缩 机具有促进(promote)该制冷系统内的冷却气流的功能，能够引起发生 冷却气体的蒸发和冷凝的点间的压差，使传热过程能够发生和低温能 够产生。为了在制冷回路中引起压差，视系统的大小而使用称为毛细 管或膨胀阀的装置(对家用系统而言，使用毛细管，而在大型系统中， 使用膨胀阀)。

在现有技术中，毛细管根据压缩机的固定容量和在单一环境温度 下更优性能条件设置尺寸。该性能随着环境温度和制冷系统的内部负 载的变化而下降。对于可变容量压缩机而言，该问题上升，因为毛细 管的尺寸依压缩机的最大容量而定，并且当在低容量下工作时，毛细 管具有比由压缩机抽吸的流率更快的流率，引起系统的效率下降。视 系统和环境温度的情况，该效率损耗可在5％到15％之间变化。

为了避免该问题，一些解决方案对用于控制制冷回路内的流体流 的阀的使用进行了描述。这些解决方案中的一个解决方案公开于美国 专利No.6,047,556，其描述了控制阀的使用，快速调节控制阀以控制 制冷回路中冷却流体的流。此外，该系统使用了可由微处理器控制的 电子膨胀阀。尽管预见了用于调节回路中的流体量的控制阀的使用， 但没有预期到将以这样的方式对阀进行控制：优化膨胀阀(或毛细管) 的工作，以便使其可始终在最佳条件下工作。

在专利文件WO90/07683中描述了另一现有技术参考。根据该文 件的教导，控制阀用于调节制冷回路中的流体量，但没有预期将使控 制阀位于膨胀阀入口的前方以优化其工作。

又一现有技术参考是专利文件US2004/0187504，其对位于膨胀阀 入口的前方的阀的使用进行了描述，该系统的调节与压缩机的开和关 同步，但没有预期的是，在系统工作时，对毛细管的入口的前方的阀 进行调节以控制流体流。

发明目的与简述

本发明的目的在于，通过按照顺序增设流控制阀来优化毛细管(或 膨胀阀)的工作，以使其在所有容量下工作，并使制冷系统始终以最大 可能效率工作。

为了克服现有技术的问题，即膨胀阀(毛细管)或通常被指定的膨 胀装置常时处于非最佳条件下，本发明所公开的是，在阀内部循环的 流体应始终在最佳条件下工作，并且流体流应被控制成：只有当其达 到了相应的额定工作值时，才得以释放而通过膨胀装置(膨胀阀)，并 因此获得有效且具有良好的灵活性的系统，就是说，其可在任何环境 温度和热负载的条件下；以及在由变速压缩机施加的不同制冷容量下 工作。

因此，通常，所提出的解决方案是维持原本对于系统的最大容量 (最大流率)设计的毛细管，即，将毛细管维持在额定膨胀容量甚至更 高，并在冷凝器的出口和毛细管的入口之间增设阀(电磁阀或另外的脉 动阀)。该阀可由压缩机或系统本身电子地控制，例如，在可变容量压 缩机(VCCs)的情况下由压缩机的电子系统控制，或由另外的电子系统 控制，另外的电子系统可以是制冷系统的恒温器或常规的固定容量压 缩机的电子起动系统。

该控制按照需要并根据压缩机的容量、系统内的负载以及环境温 度确定阀的调节。因此，冷却剂流的控制通过阀来执行，该阀将在蒸 发压力和冷凝压力下工作，但是冷却流体的膨胀会继续在毛细管中发 生。相对于仅采用毛细管的系统，该类型的结构的优势在于系统的灵 活性，该系统在所有的环境温度和热负载条件以及由变速压缩机施加 的不同制冷容量下最佳地工作。相对于仅采用膨胀阀的系统，其主要 优势是：继续利用热交换器毛细管-吸入管线的可能性和冷却剂的膨 胀仅在毛细管中发生的事实，避免了在降低阀体的温度时在其上方随 后结冰的问题。在将膨胀阀直接应用在蒸发器上时结冰发生，如果是 在制冷系统内，由于高压侧较热，阀会将热传至系统；然而，如果是 在外部，则低压侧冷而引起结冰。在两种情况下，这都影响系统的效 率。对于流控制阀，将其应用在冷凝器的出口和毛细管的入口之间， 该现象不会发生。

达到本发明的这些目的方法中的一个方法是通过制冷回路中的 流率控制系统，该制冷回路包括流体地连接到闭合回路上的封闭式压 缩机。闭合回路包括冷凝器、蒸发器以及流体膨胀装置，闭合回路充 满流体，流体膨胀具有额定膨胀容量，并位于蒸发器和冷凝器之间， 封闭式压缩机促进闭合回路内的流体流，闭合回路具有回路额定流率 容量。此外，系统包括位于冷凝器的出口和流体膨胀装置的入口之间 的流控制阀，对流控制阀进行调节，使得通过流体膨胀装置的流体始 终基本上处于额定膨胀容量。

达到本发明的目的的另一方法是通过制冷回路中的流率控制系 统，该制冷回路包括流体地连接到闭合回路上的封闭式压缩机，闭合 回路包括冷凝器、蒸发器、热交换器、吸入管线以及流体膨胀装置； 冷凝器从封闭式压缩机的出口与膨胀装置、热交换器和蒸发器相连， 吸入管线连接到蒸发器的出口上，吸入管线穿过热交换器到达封闭式 压缩机的入口，流体膨胀装置具有额定膨胀容量，并位于蒸发器和冷 凝器之间，封闭式压缩机促进闭合回路内的流体流，闭合回路具有回 路额定流率容量，系统还包括位于冷凝器的出口和流体膨胀装置的入 口的前方之间的流控制阀，并且事实是，流体膨胀装置具有大于或等 于闭合回路额定流率容量的额定膨胀容量，使流控制阀脉动，使得流 体在冷凝器中受到拦阻，并且当流体达到了基本上等于额定膨胀容量 的量时，才得以释放；换句话说，每当阀关闭时，流体在冷凝器中受 到拦阻(被积聚)，膨胀装置应具有等于或稍大于制冷系统的工作条件 所需流率的流率。

仍根据本发明的教导，提供了一种控制制冷系统的方法，该系统 包括流体地连接到闭合回路上的封闭式压缩机，闭合回路包括冷凝 器、蒸发器以及流体膨胀装置；流体膨胀装置具有额定膨胀容量，并 位于蒸发器和冷凝器之间，封闭式压缩机促进闭合回路内的流体流， 闭合回路具有回路额定流率容量；流控制阀位于冷凝器的出口和流体 膨胀装置的入口的前方之间，并且该方法包括以下步骤：在邻接于流 控制阀的冷凝器中积聚流体；当流体量低于额定膨胀容量时，保持流 控制阀关闭；以及当流体量等于或大于额定膨胀容量时，使流控制阀 脉动以释放流体，直到量已经达到低于额定膨胀容量。

附图简述

根据图1所示的实施例的实例，将对本发明进行更详细的描述， 图1显示了闭合回路的示意图，图示了压缩机、冷凝器、蒸发器、流 体膨胀装置以及热交换器，该闭合回路充满流体。

附图详述

图1示出了闭合回路20，其包括冷凝器11、蒸发器12、热交换 器18、吸入管线25以及流体膨胀装置17，如先前所描述的，流体膨 胀装置17可以是毛细管或膨胀阀。

在图中示出的结构中，冷凝器11从封闭式压缩机10的出口与膨 胀阀17、热交换器18和蒸发器12相连，吸入管线25连接到蒸发器 12的出口，并穿过热交换器18到达封闭式压缩机10的入口。

在另一实施例中(未示出)，放弃了对热交换器18的使用，并且蒸 发器12的出口连接到压缩机10上，而未改变系统的原理和本发明的 方法。

在制冷回路中的流控制系统的工作方面，闭合回路20充满冷却 流体，封闭式压缩机10促进闭合回路内的流体流，闭合回路20具有 回路额定流率容量。

根据本发明的教导，具有额定膨胀容量的流体膨胀装置17，位于 蒸发器12和冷凝器11之间，并且系统还设有流控制阀15，流控制阀 15位于冷凝器11的出口和流体膨胀装置17的入口之间。

关于流体膨胀装置17的特征，其应被设计成具有大于或等于闭 合回路额定流率容量20的额定膨胀容量。因此，将有可能的是，调 节流控制阀15，使得流体在冷凝器11中受到拦阻，并且只有当流体 达到等于额定膨胀容量的流率量时才得以释放，即，以这种方式，膨 胀阀将始终在最佳条件下工作，从而产生最大效率。

流控制阀15可以是诸如脉动阀、电磁阀或其它类型的快速响应 阀，以便以适当的方法控制流体流，从而始终维持闭合回路正常工作， 并使得流体膨胀阀17可以基本上以与环境温度成比例地打开和关闭 的额定膨胀容量连续工作。

在流控制阀15的控制方面，其应被控制成间歇地脉动，以在流 体具有基本上等于额定膨胀容量的量时逐渐释放流体，拦阻时间可根 据制冷系统的要求而变化。

作为整体的系统的控制，应当通过处于压缩机或系统中的电子控 制(未示出)来执行。可通过在短时间间隔内的阀的开/关控制(打开和关 闭)，或者通过处于等于零的最小值(完全关闭的阀)和最大值(完全打开 的阀)之间的、带有无数中间步骤的流的变化，实现流调节。换句话说， 控制阀有两个位置：打开或关闭，使得其能够被100％打开，或者以 打开与关闭之间的从0到100％的脉冲变化而脉动。举例来说，为了 达到压缩机容量的50％，阀可保持10秒打开和10秒关闭(改变这些时 间)。

为了操作制冷回路中的流率控制系统(本发明的目的)，预见以下 步骤：

-根据压缩机/系统的容量，按比例调节流阀15，

-当流体量低于额定膨胀容量时，保持流控制阀15关闭，以及

-当流体量等于或大于额定膨胀容量时，使流控制阀15脉动以释 放流体，直到量达到了额定膨胀容量。在该步骤中，流控制阀脉动15 间歇地执行。

本发明的教导可适用于任何制冷系统，制冷系统可包括家用制冷 系统、工业制冷系统、空调系统等。

已参照优选实施例，对本发明的实例进行了描述，要理解的是， 本发明的范围包含其他可能的变型，并仅由所附权利要求书限定，其 中包括可能的等同物。