一种制冷系统和控制方法与流程

本发明属于空调技术领域，具体涉及一种制冷系统和控制方法。

背景技术：

制冷空调行业内，热气旁通技术很多时候用于除霜或者调整蒸发温度；在数码涡旋压缩机上，热气旁通主要起到负荷卸载作用，以降低能力输出。绝大部分的蒸汽压缩式热泵/制冷机组都不需要在停机时特意进行高低压的平衡处理，主要是机组本身可以通过一段时间的停机放置而达到高低压平衡，通常在几分钟即可达到高低压平衡状态，压缩机重新启动不会带压启动。

在一些精密控制需求温度的冷水机组或者油冷机组中，热气旁通直接把部分高温高压制冷剂通入节流后即蒸发器的进口端，与原来节流后的低温低压制冷剂液体混合，从而提高蒸发器入口的压力和温度，进一步影响到被冷却液体的出口温度。这种做法通常会造成制冷系统的波动，稳定时间过长，相应地被冷却液体的出口温度(也就是控制目标)也会出现波动影响，甚至有时候还不如原来的控制稳定性。

为了解决这种相互影响的波动，有些精密机组采用辅助电加热技术把被冷却液体的温度提升到目标温度范围，通过可控硅等设计对辅助电加热实施精密的加热能力输出，这种方法可以快速实现目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性。但缺点是需要耗费额外的电能、电加热的安全性比较差、可控硅对控制器的硬件设计和软件控制比较复杂。显然，解决制冷系统控制稳定性和电加热的安全性、可靠性问题，是精密制冷机组的重点问题。

由于现有技术中的制冷系统存在被冷却介质的温度调节存在波动，不稳定，甚至引起制冷系统的波动，稳定时间过长，相应地被冷却液体的出口温度(也就是控制目标)也会出现波动影响，无法快速实现被冷却介质达到目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性，需要耗费额外的电能、电加热的安全性比较差、可控硅对控制器的硬件设计和软件控制比较复杂等技术问题，因此本发明研究设计出一种制冷系统和控制方法。

技术实现要素：

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的制冷系统存在无法同时实现被冷却介质快速稳定达到目标温度并且不会影响到制冷系统的稳定性，且不需要耗费额外的电能的缺陷，从而提供一种制冷系统和控制方法。

本发明提供一种制冷系统，其包括：

压缩机，冷凝器、冷凝风机，电子膨胀阀和蒸发器；

冷却介质管路，其中通有被冷却介质，且所述冷却介质管路通入所述蒸发器中、使得制冷剂和被冷却介质在所述蒸发器中进行换热；

控温器，设置在所述冷却介质管路上，且所述控温器设置在所述冷凝风机的出风侧、以使得所述冷凝风机吹出的热风与经过所述控温器中的冷却介质管路中的被冷却介质之间进行换热。

优选地，

所述控温器设置在所述冷却介质管路上且位于沿被冷却介质流动方向、所述蒸发器的下游段。

优选地，

所述控温器包括风道和设置在所述风道入口处的风阀，所述风阀能够控制所述风道打开和关闭、以及调节开度大小。

优选地，

在所述冷却介质管路上位于所述控温器的进口端设置有第一温度传感器。

优选地，

在所述冷却介质管路上位于所述控温器的出口端设置有第二温度传感器。

优选地，

当包括第一温度传感器时，所述第一温度传感器为感温包；当包括第二温度传感器时，所述第二温度传感器为感温包。

优选地，

所述控温器为翅片式换热器，且所述翅片式换热器包括外壁带环形肋片的散热管或外壁带纵向肋片的散热管，且所述外壁带环形肋片的散热管布置为管轴线方向与所述冷凝风机的出风方向相垂直，所述外壁带纵向肋片的散热管布置为管轴线方向与所述冷凝风机的出风方向相平行。

优选地，

所述被冷却介质为水，水通入所述冷却介质管路先经过所述蒸发器中被冷却、然后再进过所述控温器中以能够被加热。

本发明还提供一种制冷系统的控制方法，其使用前述的制冷系统，对被冷却介质的温度实现精确控制。

优选地，

当包括第一温度传感器和第二温度传感器时，通过所述第一温度传感器检测出所述控温器的冷却介质进口温度为tb，通过所述第二温度传感器检测出所述控温器的冷却介质出口温度为ta；设定被冷却介质的目标温度为ts；

所述制冷系统启动时，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，使得tb的温度达到tb≤ts+△t，所述△t为第一精度误差。

优选地，

当ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t时，维持所述压缩机、所述电子膨胀阀和所述冷凝风机的当前运行状态，其中所述△t1为第二精度误差。

优选地，

当tb＜ts-△t-△t1时，且当包括风阀时，则开启所述风阀，以通过所述控温器对所述被冷却介质进行加热升温，直到重新满足ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t。

优选地，

判断所述冷却介质出口温度ta是否满足-△t≤ts-ta≤△t，如满足，则维持现有风阀开度；

当ts-ta＞△t时，则加大风阀开度，并且ts-ta的差值越大风阀的开度越大，直到ta达到-△t≤ts-ta≤△t，此时维持风阀开度；

当ts-ta＜-△t时，则关闭所述风阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，增大制冷量。

本发明提供的一种制冷系统和控制方法具有如下有益效果：

1.本发明通过设置控温器，控温器设置在所述冷却介质管路上；控温器设置在所述冷凝风机的出风侧、以使得所述冷凝风机吹出的热风与经过所述控温器中的冷却介质管路中的被冷却介质之间进行换热；能够通过冷凝风机吹出的热风在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，充分利用冷凝废热用于加热冷却介质到目标温度范围，无需对制冷系统的负载进行更精准的调整，使得蒸发器出口的冷冻介质温度的波动范围可以适当放大，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

2.本发明通过第一和第二温度传感器以及风阀的设置，能够根据蒸发器内的冷冻介质出口温度与目标温度的偏差量，调整风阀的开度，使得从风冷翅片管冷凝器吹出来的热风部分通过控温器，通过散热管加热低温冷冻水，直到出水温度到达控制目标。

附图说明

图1是本发明的制冷系统的实施例1的结构示意图；

图2是本发明的制冷系统的实施例2的结构示意图。

图中附图标记表示为：

1、压缩机；2、冷凝器；21、冷凝风机；3、电子膨胀阀；4、蒸发器；5、冷却介质管路；6、控温器；61、风道；62、散热管；8、风阀；91、第一温度传感器；92、第二温度传感器。

具体实施方式

如图1-2所示，本发明提供一种制冷系统，其包括：

压缩机1，冷凝器2、冷凝风机21，电子膨胀阀3和蒸发器4；

冷却介质管路5，其中通有被冷却介质，且所述冷却介质管路5通入所述蒸发器4中、使得制冷剂和被冷却介质在所述蒸发器4中进行换热；

控温器6，设置在所述冷却介质管路5上，且所述控温器6设置在所述冷凝风机21的出风侧、以使得所述冷凝风机21吹出的热风与经过所述控温器6中的冷却介质管路5中的被冷却介质之间进行换热(对被冷却介质进行加热升温)。(本发明的控温器实质上起到的是换热器的作用，使得制冷剂和被冷却介质在其中进行热交换，这里的控温器不局限于具体结构，即，使得制冷旁通支路和冷却介质管路进行换热的部分段都可以称作控温器)。

本发明通过设置控温器，控温器设置在所述冷却介质管路上；控温器设置在所述冷凝风机的出风侧、以使得所述冷凝风机吹出的热风与经过所述控温器中的冷却介质管路中的被冷却介质之间进行换热；能够通过冷凝风机吹出的热风在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，充分利用冷凝废热用于加热冷却介质到目标温度范围，无需对制冷系统的负载进行更精准的调整，使得蒸发器出口的冷冻介质(即被冷却介质，下同)温度的波动范围可以适当放大，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

优选地，

所述控温器6设置在所述冷却介质管路5上且位于沿被冷却介质流动方向、所述蒸发器4的下游段。这是本发明的控温器的优选设置位置，即将其设置于蒸发器的下游段能够使得被冷却介质先进入蒸发器中被冷却降温后、再通过该控温器对被冷却介质进行加热升温，进而对被冷却介质的温度进行精确控制或微调，从而实现对被冷却介质的温度的精确和稳定的控制。前者进行大幅度降温处理，后者进行轻微的升温调节处理到目标温度。

常规降温处理方法通过直接调节电子膨胀阀以调节进入蒸发器中的冷媒量的方法，其到达目标温度范围时系统的稳定速度非常慢。本发明在此基础上能快速到达目标温度，但通过对过冷的冷冻水进行升温处理速度更快，并且能够实现快速稳定控制、替代电加热的升温处理的节能性，避免冷冻水温度过低影响机床，常规方法中通过制冷机组的各种波动控制后再达到新的稳定过程需要比较长的时间，冷冻水温度过高时要达到新的稳定控制也是一个长时间的稳定控制过程，这是常规控温技术的不足之处。

优选地，

所述控温器6包括风道61和设置在所述风道61入口处的风阀8，所述风阀8能够控制所述风道61打开和关闭、以及调节开度大小。通过设置风道能够接收冷凝风机吹来的热风，且在风道入口处设置风阀能够对风道进口的风进行控制作用，以根据实际需求控制被冷却介质是否被控温器加热，实现智能控制，对制冷系统的稳定性影响比较小。

优选地，

在所述冷却介质管路5上位于所述控温器6的进口端设置有第一温度传感器91；在所述冷却介质管路5上位于所述控温器6的出口端设置有第二温度传感器92。通过在控温器的进口端设置第一温度传感器能够对被冷却介质进入控温器之前的温度实现检测作用，通过在控温器的出口端设置第二温度传感器能够对被冷却介质进入控温器之后的温度实现检测作用；通过蒸发器出口的冷冻介质温度(低温冷冻水)与控温目标进行对比，根据偏差量计算所需要的加热量，进而准确控制风阀，使得控温器内的冷冻介质被精确加热到目标温度，实现快速稳定的控温目标；控温器内为显热交换、分级控温有利于系统稳定。

本发明通过第一和第二温度传感器以及风阀的设置，能够根据蒸发器内的冷冻介质出口温度与目标温度的偏差量，可以估算所需的热气旁通制冷剂量，从而精准控制旁通的制冷剂热气，实现制冷系统的精准和快速稳定；根据感温包a(出口温度)与设定温度之差，决定风阀的开度调节控制“控温器”内的热量交换大小，从而可以精准地对低温冷冻水进行升温调整。

优选地，

当包括第一温度传感器91时，所述第一温度传感器91为感温包；当包括第二温度传感器92时，所述第二温度传感器92为感温包。这是本发明的第一和第二温度传感器的优选结构形式。

优选地，

所述控温器6为翅片式换热器，且所述翅片式换热器包括外壁带环形肋片的散热管62(实施例1，如图1所示)或外壁带纵向肋片的散热管62(实施例2，如图2所示)，且所述外壁带环形肋片的散热管62布置为管轴线方向与所述冷凝风机的出风方向相垂直，所述外壁带纵向肋片的散热管62布置为管轴线方向与所述冷凝风机的出风方向相平行。这是本发明的控温器的两种不同的优选结构形式，通过外壁带环形肋片的散热管、并将其轴线与出风方向垂直布置，能够使得热风最大效率地与翅片之间进行换热，提高换热效率，通过外壁带纵向肋片的散热管、并将其轴线与出风方向平行布置，能够使得热风最大效率地与翅片之间进行换热，提高换热效率。

本发明：1.使得低温冷冻水进入控温器的散热管，由散热管外部流过并且风量受控的热风加热低温冷冻水；热风量由可控风阀的开度大小进行调节，而风阀的开度根据低温冷冻水与目标温度的关系进行调节控制；控温器内可以采用热风横掠环形肋片散热管(即热管轴线与出风方向垂直)，也可以采用热风纵掠纵向肋片散热管(即热管轴线与出风方向平行)，充分利用翅片管冷凝器散发的热风。

2.通过蒸发器出口的冷冻介质温度(低温冷冻水)与控温目标进行对比，根据偏差量计算所需要的加热量，进而准确控制风阀开度调节热风通过控温器的风量，使得控温器内的冷冻介质被精确加热到目标温度，实现快速稳定的控温目标；控温器内为显热交换、分级控温、不涉及制冷系统调节，有利于提高系统控温的稳定性。

优选地，

所述被冷却介质为水，水通入所述冷却介质管路5先经过所述蒸发器4中被冷却、然后再进过所述控温器6中以能够被加热。这是本发明的被冷却介质的优选种类，能够通过水被控制达到精确温度后对精密零件进行冷却降温，提高冷却效果。

如图1和图2所示，压缩机、冷凝器(本方案以风冷翅片管冷凝器为图示)、节流元件(本方案以电子膨胀阀为例)和蒸发器顺次连接，制冷剂流向与此顺序方向相同并形成基本制冷循环。

翅片管冷凝器出风方向上布置有一个控温器，控温器的进风口由风阀控制，利用冷凝风机的余压把部分热风吹入控温器、利用风阀开度大小控制热风经过控温器的流量，从而控制控温器内的显热交换量。

控温器包括风管(即风道61)、风管入口处的可控制风阀、以及散热管。散热管可以是外壁带环形肋片也可以是外壁带纵向肋片，还可以采用翅片管换热器或者微通道换热器替换上述两种散热管。较优的，热风横掠环形肋片散热器(如图1所示)、热风纵掠纵向肋片散热器(如图2所示)。

水系统进水先经过蒸发器，冷却降温成低温水后从蒸发器出来再进入控温器，蒸发器与控温器连接的水管上布置有感温包b(即第一温度传感器91)，用于检测低温水(低温冷冻水)的温度；低温冷冻水进入控温器后被外部热风精确加热到受控目标温度后从控温器流出，出口水管上布置有感温包a(即第二温度传感器92)，用于检测出水温度。

感温包a和感温包b，布置位置不应受到热风吹袭影响，避免检测不准确。

优选的，高温进水管上有感温包c，用于检测高温进水的温度(图中未示出)。

本发明还提供一种制冷系统的控制方法，其使用前任一项所述的制冷系统，对被冷却介质的温度实现精确控制。通过设置控温器，控温器设置在所述冷却介质管路上；控温器设置在所述冷凝风机的出风侧、以使得所述冷凝风机吹出的热风与经过所述控温器中的冷却介质管路中的被冷却介质之间进行换热；能够通过冷凝风机吹出的热风在控温器中对冷却介质管路中的被冷却介质进行加热升温，充分利用冷凝废热用于加热冷却介质到目标温度范围，无需对制冷系统的负载进行更精准的调整，使得蒸发器出口的冷冻介质温度的波动范围可以适当放大，不会造成蒸发器内制冷剂状态的明显波动，从而提高了制冷系统的稳定性，无需安全性差的电加热，降低设计难度的同时提升了系统性能和可靠性、安全性。

优选地，

当包括第一温度传感器91和第二温度传感器92时，通过所述第一温度传感器91检测出所述控温器6的冷却介质进口温度为tb，通过所述第二温度传感器92检测出所述控温器6的冷却介质出口温度为ta；设定被冷却介质的目标温度为ts；

所述制冷系统启动时，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，使得tb的温度达到tb≤ts+△t，所述△t为第一精度误差。优选以最快的速度(通常采用记忆状态下的运行参数进行启动运行，记忆状态下有机组的最佳运行组合参数)。

这是本发明的根据冷却介质进口温度的启动制冷系统的优选控制方法，能够使得通过蒸发器将被冷却介质降温冷却到目标温度ts的误差范围以下，这样能够使得被冷却介质的温度降至目标温度范围的误差范围以下，以便于进一步的升温以使其水温达到目标温度的误差范围以内。

优选地，

当ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t时，维持所述压缩机、所述电子膨胀阀和所述冷凝风机的当前运行状态，其中所述△t1为第二精度误差。这是本发明的根据被冷却介质的进口温度在目标温度的误差范围内时的具体控制方式，ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t说明被冷却介质的入口温度已达到目标设定温度的误差范围内，这时只需要维持压缩机、电子膨胀阀和冷凝风机的当前状态，便能维持被冷却介质的温度在目标温度范围内，满足所需要求。优选△t＝0.5℃，△t1＝0.5℃。

优选地，

当tb＜ts-△t-△t1时，且当包括风阀时，则开启所述风阀8，以通过所述控温器6对所述被冷却介质进行加热升温，直到重新满足ts-△t-△t1≤tb≤ts+△t。根据主机控制逻辑重新调整上述负载的运行状态减小制冷量输出，优选△t＝0.5℃，△t1＝0.5℃。

这是本发明的被冷却介质的入口温度小于目标设定值误差范围内时的优选控制方式，即tb＜ts-△t-△t1说明被冷却介质的入口温度小于目标设定值误差范围，需要对其进行加热升温，此时打开风阀以通过控温器中的制冷剂对被冷却介质实现加热升温的效果，实现对介质的精确控温的作用。

优选地，

判断所述冷却介质出口温度ta是否满足-△t≤ts-ta≤△t，如满足，则维持现有风阀开度；

当ts-ta＞△t时，则加大风阀开度，并且ts-ta的差值越大风阀的开度越大，直到ta达到-△t≤ts-ta≤△t，此时维持风阀开度；

当ts-ta＜-△t时，则关闭所述风阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，增大制冷量。

这是本发明的根据冷却介质出口温度来进行控制的优选控制方式，即-△t≤ts-ta≤△t说明出口温度在目标设定温度误差范围内时，则保持风阀开度不变，对介质进行该状态下的继续持续加热；ts-ta＞△t说明介质出口温度过低，此时需要对介质进行增大制热量的方式进行控制，因此此时加大风阀的开度，以增大对介质的制热量，风阀开度的大小与温差(ts-ta)的大小呈正比，能够最快速度地提升介质的温度；ts-ta＜-△t说明介质出口温度过高，此时需要对介质进行停止制热、转而进行制冷的方式进行控制，此时关闭所述风阀，并且调节所述压缩机频率增大、所述电子膨胀阀的开度增大和所述冷凝风机的转速增大中的至少一个，从而能够有效地降低介质的温度，以使其达到目标温度范围内，满足使用需求。

具体地，控温器内的主要是热空气与另外一侧的低温冷冻介质进行显热交换，不涉及制冷系统的调节控制，有利于制冷系统的稳定运行。机组水系统目标温度的具体的主要控制步骤如下：

1)运行时，根据设定温度ts，调节压缩机频率和/或电子膨胀阀开度和/或冷凝风机转速，以最快的速度(通常采用记忆状态下的运行参数进行启动运行，记忆状态下有机组的最佳运行组合参数)使得tb≤ts+△t(△t为用户设定控温精度，如设定控制精度为±0.5℃，则△t＝0.5，其余类同)；当ts-△t-0.5≤tb≤ts+△t时，维持上述负载的运行状态；

2)当tb＜ts-△t-0.5时，则根据主机控制逻辑重新调整上述负载的运行状态减小制冷量输出，直到重新满足ts-△t-0.5≤tb≤ts+△t；

a)判断出口温度-△t≤ts-ta≤△t是否成立。如是，则维持现有风阀开度；

b)当ts-ta＞△t时，则加大风阀开度，并且ts-ta的差值越大风阀的开度越大，直到-△t≤ts-ta≤△t时维持风阀开度；

c)当ts-ta＜-△t时，则关闭风阀，转为调节制冷系统的负载使得系统的制冷量加大，重新进入步骤1)。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。