专利名称：制冷机及其操作方法
技术领域：
本发明涉及一种制冷机，特别是一种热力泵，其包括具有制冷剂的闭合环路，在该环路中依次设置有蒸发器、压缩机、冷凝器以及特别的电驱动的膨胀阀。此外，本发明还涉及一种用于操作该制冷机的方法。
背景技术：
开头所述类型的制冷机基本上是为人所熟知的。制冷剂在蒸发器中蒸发并使之过热，也就是说，超过其饱和温度。制冷剂的过热也意味着，在恒定的压力下，制冷剂温度超过其饱和温度。过热被定义为例如在蒸发器出口区域中的制冷剂的实际温度和制冷剂的蒸发温度或饱和温度之间的差。
通常，在传统的制冷机中预设有用于制冷剂过热的预定值，并且，为了一方面实现制冷机优化的效率，另一方面确保制冷剂的完全蒸发，而这样地调整过热，即过热不依赖于其他的工作条件而基本不偏离预定值。过热的典型数值例如为6K到10K。
在已知的热力泵中存在的问题是，在一定的工作条件下，例如在特别低的外部温度下，蒸发的制冷剂温度在压缩机的出口处达到相当高的值，即破坏了压缩机中的油(例如，润滑油)和/或造成了压缩机的机械性磨损。这可以导致压缩机的损坏，并且需要关闭热力泵或压缩机。此外，在特别低的外部温度下，产生蒸发器冻结的危险，这也要求关闭热力泵或切换为此目的而设置在压缩机和冷凝器或蒸发器之间的转换阀(特别是四通转换阀)，以便于蒸发器的解冻。
为了避免在压缩机出口处升高的压缩终止温度而关闭热力泵，并且为了蒸发器的解冻而关闭热力泵或切换转换阀都关系到热力泵的停机时间，这削弱了热力泵的经济性。
发明内容
因此，本发明的目的在于，提出一种具有改善的经济性的制冷机，以及一种用于操作该制冷机的方法。
该目的通过根据权利要求1所述的方法及根据权利要求13所述的制冷机来实现。
因此，根据本发明的方法的特征尤其在于，在压缩机区域中的制冷剂的温度，特别是压缩终止温度将通过过热调节单元至少间隔性地这样调节，即该温度不超过临界的温度上限值。
在此，温度被理解为临界的温度上限值，在该温度时，由于例如压缩机中的润滑油的破坏和/或压缩机的机械磨损将产生损坏压缩机的危险。
通过将制冷剂温度调节到预定的目标温度，在压缩机区域中的制冷剂温度，特别是压缩终止温度能够始终保持在临界的温度上限值之下，其中，为了考虑到制冷剂温度的过冲特性，预定的目标温度优选地选择为在临界的温度上限值之下的一定数值。通过这种方式，有效地避免了压缩机的损坏以及从前为保护压缩机而必须关闭制冷机。因此，由制冷机的关闭或压缩机的损坏导致的制冷机的停机时间，以及与之相关的冷却功率或加热功率的损失被最小化。
同时，制冷剂温度可以通过过热调节单元这样地调节，即该温度尽可能紧密地靠近温度上限值，也就是尽可能地高。借此，实现了作为热力泵工作的制冷机的最佳化的加热功率。此外，过热调节单元满足双重功能其不仅用于将过热调节到预定值上，而且同时也用于调节在压缩机区域中的制冷剂温度。
制冷机的最少停机时间以及其优化的加热功率都导致了制冷机的全年总效率的提高，由此而改善了制冷机的经济性。
不需要持续地进行在压缩机区域中的制冷剂温度的调节，特别是压缩终止温度的调节。例如，可以仅仅在特别低的外部温度时，例如在冬季时调节制冷剂温度就足够了，因为在这样的条件下，压缩终止温度达到的值导致压缩机损坏的危险特别高。
本发明的有利实施例在从属权利要求、说明书及附图中详细说明。
根据本发明的方法的有利实施例，制冷机的环境温度，特别是外部温度被测量。假如没有提供对制冷剂温度的持续的、例如全年的调节，那么当环境温度或外部温度超过预设温度下限值时，可以在测量环境温度或外部温度时激活该调节。因此，制冷剂温度的调节的激活根据天气情况来实现。
优选地，测量压缩机的下游，特别是在压缩机出口区域中的制冷剂温度。通过这种方式能够直接地确定出在压缩机出口处的制冷剂温度是否超出预设目标温度，其中，在压缩机出口处的制冷剂温度是最高的。如果制冷剂温度超出了该目标温度或者有发生这类情况的征兆，那么制冷剂温度可以通过相关措施的干预(将在下文中详细说明)相应地向下调节。一旦制冷剂温度再次处于目标温度的范围内，干预措施可以再次撤消或终止。
制冷剂温度以有利的方式通过在蒸发器中制冷剂的过热的变化来调节。制冷剂的过热的提高导致在压缩机区域中制冷剂温度的升高，特别是压缩终止温度的升高，反之，过热的减少引起制冷剂温度的降低。换句话说，过热并不是被调节成一个一直保持恒定的值，待设定的过热值是变化的，其中过热的可变调节尤其根据天气情况来实现。
通过过热的相应变化，在压缩机区域中的制冷剂温度，特别是压缩终止温度在确定的界限内这样地调节，即该界限始终处于预设目标温度的范围内。为了实现最佳化的加热效率，过热优选地这样控制，即在压缩机出口的制冷剂温度尽可能紧密地靠近临界的温度上限值，但是不超过该温度上限值。因此，在压缩机区域中的制冷剂温度构成调节参数，而过热被描述为变量，并且膨胀阀被描述为相应的调节装置。
此外，通过过热的减少能够降低蒸发器冻结的危险。通过这种方式将进一步减少停机时间并进一步改善制冷机的经济性。
当特别是在压缩机区域中被测量的制冷剂温度超过或将要超过预设目标温度时，过热可以被减少。因此，在这种情况中，为了调节制冷剂温度，优选地在压缩机出口上进行制冷剂温度的直接监测。
过热以有利的方式基于制冷机的环境温度，尤其是外部温度来调节。
过热由制冷剂的饱和压力和/或饱和温度来确定。例如由于外部温度的降低而造成的饱和温度或饱和压力的下降将导致过热的增加，以及因此而导致在压缩机中制冷剂温度的上升，反之，例如由于外部温度的上升而造成的饱和温度或饱和压力的升高将导致过热的减少，以及因此而导致在压缩机中制冷剂温度的下降。考虑到环境温度或外部温度，通过对过热的相应调节，可以相对地起到升高或降低压缩机中制冷剂温度的作用。
优选地，过热通过相应地控制膨胀阀来改变。增加通过膨胀阀的制冷剂流量，也就是打开膨胀阀，将导致过热的减少，反之，关闭膨胀阀则造成制冷剂流量的减少及过热的增加。
可选地或者额外地，为了减少过热，在压缩机区域中的制冷剂温度通过单独冷却压缩机中的制冷剂来降低。通过这种方式，当用于降低制冷机中的制冷剂温度的过热的减少不充分或不能减少时，压缩机中制冷剂温度本身可以还是继续保持在临界的温度上限值之下。
可以通过将液态的制冷剂导入到压缩机中来冷却压缩机。使用液态的制冷剂是特别有利的，因为该液态制冷剂相比压缩机中的压缩气态制冷剂具有更低的温度。
优选地，液态制冷剂特别是压缩机的出口区域中被导入到压缩的制冷剂中。借此，制冷剂被直接冷却并由此而间接地降低压缩机的温度。
液态的制冷剂以有利的方式在冷凝器的下游从环路中分流并向压缩机传送。制冷剂在穿过冷凝器之后具有一个温度，在该温度时制冷剂被液化，因此，该温度低于压缩终止温度，但其同时比压缩机入口处的制冷剂温度要高。因此，液态的制冷剂可以喷射到蒸发的制冷剂中，而且不会损坏压缩机。
通过权利要求15所述的根据本发明的制冷机及其有利的设计方案将相应地实现前述优点。
接下来，参照附图示例性地说明本发明。图中示出图1是根据本发明的制冷机的示意图；图2是图1中的制冷机的制冷剂的log p-H图及其相关循环；图3是在降低的制冷剂的饱和温度或降低的制冷剂饱和压力时的图2的log p-H图；图4是在升高的制冷剂的液化温度时的图2的log p-H图；图5是在降低的过热时的图3的log p-H图；图6是在升高的液化温度、减少的过热以及液态的制冷剂向压缩机输送时的图3的log p-H图。
具体实施例方式
图1中示出的、在此以热力泵的功能来描述的根据本发明的制冷机包括闭合环路10，该闭合环路具有制冷剂。在制冷剂环路10中依次设置有蒸发器12、压缩机14、冷凝器16以及电驱动的膨胀阀18。
蒸发器12和压缩机14通过抽气管路20相互连接。因为压缩机14被设计用于仅仅压缩蒸发的制冷剂，并且有可能被无意中渗漏的液态制冷剂损坏，所以在抽气管路20中的液体分离器22设置在压缩机14的上游，该液体分离器从制冷剂流中分离并收集在蒸发器12中没有完全蒸发的和/或在抽气管路20中已液化的液态制冷剂。
在抽气管路20中的四通转换阀24设置液体分离器22的上游，该四通转换阀同时也设置在从压缩机14通向冷凝器16的热气管路26中。如在本文中所描述的制冷机如果作为热力泵，也就是说在加热操作中运行，那么在压缩机14中加热的制冷剂流可以在转换阀24的相应操作中被切换以用于蒸发器12的解冻，并被完全地输送给蒸发器12。可选地，转换阀24能够这样地切换制冷剂流，即制冷机能够在致冷操作中运行。
旁路管路28在冷凝器16的下游从冷却环路10分支出来，该旁路管道与连接到压缩机14上的喷射管路29连接。旁路管路28和喷射管路29实现液态制冷剂向压缩机14的输送。为了控制该制冷剂输送，而设置有在旁路管路28中设置的磁阀30。此外，在喷射管路29中可以设置节流机构31，例如喷嘴或毛细管，通过该节流机构，待喷射到压缩机14中的制冷剂可以减压，并可以借此额外地冷却。
通过旁路管路28和喷射管路29输送给压缩机14的液态制冷剂喷射到压缩的制冷剂中，从而以这种方式降低压缩的制冷剂的温度，尤其在压缩机出口区域中的温度。借此可以保护压缩机14避免过高的温度，该温度有可能会对压缩机14造成损坏。
可选或额外地，向压缩机14输送的液态的制冷剂也可以通过在压缩机14中相应设计的冷却管路来循环。这将起到冷却压缩机14自身的作用，然后，压缩的制冷剂也通过压缩机冷却。
磁阀30与过热调节单元32连接并且由其控制。过热调节单元32可以是独立的单元，或者被集成在中央热力泵控制装置中。
另外，用于控制膨胀阀18的过热调节单元32也与膨胀阀连接。膨胀阀18为电驱动的膨胀阀。
此外，设置在抽气管路20上并且与过热调节单元32连接的压力传送器或压力传感器34以及与过热调节单元32连接的温度传感器36连接在液体分离器22的上游。
通过压力传感器34可以测量蒸发器中蒸发的制冷剂的蒸发压力。以制冷剂的热力属性及物理属性上的认识，可以由测量出的蒸发压力计算出制冷剂的饱和温度。通过温度传感器36可确定流过抽气管路20的过热的制冷剂的实际温度或抽气温度。通过抽气温度和饱和温度之间的差，过热调节单元32确定出制冷剂的过热。
此外，为了测量热力泵的环境温度，尤其是外部温度，温度传感器38与过热调节单元32连接。
为了测量由压缩机14压缩的制冷剂的温度，在压缩机出口区域中另外设置有与过热调节单元32连接的温度传感器40。
接下来，将描述图1的热力泵的制冷过程。
图2示出了在图1的热力泵中使用的制冷剂的log p-H图，其中制冷剂的压力p设定为热函函数H的对数。饱和液42、饱和气44的界限以及恒定温度曲线46都被描绘出来。
点E描述出在膨胀阀18膨胀后的制冷剂状态。在蒸发器12中进行制冷剂的蒸发E-A以及过热A-B。
压缩机14用于制冷剂的压缩B-C，该压缩伴随着相应的温度升高。在所示出的实施例中，制冷剂的温度通过压缩机14从蒸发器12的出口处的+10℃升高到+90℃。
在冷凝器16中实现制冷剂的液化C-D，其中，在所示出的示例中，液化温度为+50℃。现在液化的并且温度仅为50℃的制冷剂随后通过膨胀阀18减压(D-E)，并一直冷却到0℃。
在图2所示的实施例中，过热为10K，即正好是点B上的温度(+10℃)和点A上的温度(0℃)之间的差。点B上的温度对应于在抽气管路中的制冷剂的实际温度，并且通过温度传感器36来测量。相反，点A上的温度对应于制冷剂的蒸发温度，该蒸发温度由通过压力传感器34测量的制冷剂蒸发压力来确定。
在图3中示出了一种情况，在该情况时，由于与图2中示出的情况相比降低了蒸发压力，制冷剂的蒸发温度下降了10K，也就是说仅为-10℃。例如，蒸发压力的这样的下降可以由较低的外部温度造成。制冷剂的下降的蒸发温度导致了过热A-B的升高，该过热反过来又起到升高压缩机14的出口上的制冷剂温度(点C)的作用。在所示出的实施例中，压缩机出口上的升高的制冷剂温度为+120℃。
液化温度的升高也导致了压缩机出口C上的制冷剂温度的升高，在该液化温度中制冷剂在冷凝器16中被液化。如图4中举例示出，与图2所示的情况相比，在蒸发温度保持0℃不变时，液化温度从50℃升高到60℃造成在压缩出口C上的制冷剂温度从90℃升高到120℃。
当升高的制冷剂温度超过临界的温度上限值时，压缩机出口上的制冷剂温度的升高存在着问题，如前文所述，超过该临界的温度上限值例如会破坏在压缩机14中的润滑油，从而会损坏压缩机14。
根据本发明，在压缩机出口处的制冷剂温度的调节通过过热调节单元32这样地实现，即压缩机出口处的制冷剂温度不超过前述的临界的温度上限值。为此，压缩机出口处的制冷剂温度被调节到预设目标温度，该目标温度设为略低于临界的温度上限值。另外，制冷剂的过热A-B以及可选或额外地液态制冷剂向压缩机14中的喷射都被作为变量提供，其中，该过热可以通过膨胀阀18的开启度的变化而改变。
如在图5中示出的图表获悉，从图3中示出的情况开始，也就是从降低的蒸发温度-10℃开始，压缩机出口处的制冷剂温度C可以通过制冷剂的过热的减少而下降。反之，压缩机出口处的制冷剂温度C可以通过过热的升高而上升。
通过过热的相应调节，压缩机出口处的制冷剂温度C或压缩终止温度可以这样地在确定的界限之内调节，即该制冷剂温度取最大的数值，但刚好不超出临界的温度上限值。借此来优化热力泵的加热效率，并且避免了压缩机的损坏或热力泵的关闭。因此，热力泵的停机时间被最小化。其结果是实现了热力泵的改善的经济性。
必需的过热的调节将通过过热调节单元32对膨胀阀18的相应控制来实现，膨胀阀18的开启，也就是提高通过膨胀阀18的制冷剂流量将导致过热的减少，而在膨胀阀18节流，也就是降低通过膨胀阀18的制冷剂流量则提高过热。
如果用于降低压缩机出口处的制冷剂温度C的过热的减少不充足时，例如是因为除了降低的蒸发温度-10℃之外，还存在升高的液化温度+60℃，如图6中所示，那么根据本发明附加地产生一种可能性，即制冷剂在压缩机14中冷却，如这已经在图1中相应地描述过。液态的制冷剂在点B1上向压缩机14的输送起到降低制冷剂的热函的效果，由此压缩机出口C处的压缩终止温度能够从大约140℃下降到90℃。
在压缩机出口处的制冷剂温度的调节，将在图1示出的热力泵中通过以下方法来执行在热力泵工作时，过热调节单元32通过温度传感器38持续地监测外部温度。此外，过热调节单元32通过温度传感器36监测抽气管路20中的实际制冷剂温度，并且通过压力传感器34监测抽气管路20中的实际蒸发压力。根据测量出的制冷剂的实际制冷剂温度及测量出的蒸发压力，过热调节单元32确定出制冷剂的当前存在的过热。必要时，过热调节单元32控制膨胀阀18，以便维持住对于热力泵正常工作所推荐的过热值。
一旦外部温度超出预定值，那么过热调节单元32通过温度传感器40开始监测压缩机出口处的制冷剂温度。如果压缩机出口处的制冷剂温度超过或将要超过处于临界的温度上限值之下的预设目标温度时，过热调节单元32将这样控制膨胀阀18，即提高制冷剂通过膨胀阀18的流量。因此，过热被减少并且随之将压缩机出口处的制冷剂温度降低到目标温度。为降低压缩机出口处的制冷剂温度，膨胀阀被进一步地打开。
如果压缩机出口处的制冷剂温度不能通过过热的减少而保持在预设目标温度的范围内，那么过热调节单元32额外地激活磁阀30，从而将用于压缩的制冷剂的冷却的液态制冷剂输送给压缩机14。磁阀30的操作根据压缩机出口处的制冷剂温度来实现。
如果例如基于制冷剂的液化温度的下降和/或蒸发压力的升高而实现的冷却来使压缩机出口处的制冷剂温度下降到预设目标温度以下，那么磁阀30将由过热调节单元32再次关闭，并且终止向压缩机14输送液态制冷剂。
如果压缩机出口处的制冷剂温度还在继续下降，那么过热调节单元32将通过对膨胀阀18的相应控制起到降低制冷剂通过膨胀阀18的流量的作用，以使得制冷剂的过热再次回到原始的、推荐的数值。
通过对压缩机出口处的制冷剂温度的根据本发明的调节，尤其在较冷的外部温度时提高了热力泵的效率，并且扩大了热力泵在较高的液化温度上及较高的热容量上的工作范围。同时，减少了由超出临界的温度上限值带来的损坏压缩机14的危险以及蒸发器12冻结的危险。因而最小程度地减少了热力泵的关闭阶段及解冻。其结果在于，根据本发明的可变的以及尤其根据天气情况而进行的过热调节，以及压缩机出口处的制冷剂温度，尤其是压缩终止温度的调节实现了热力泵的改善经济性。
参考标识10制冷剂环路12蒸发器14压缩机16冷凝器18膨胀阀20抽气管路22液体分离器24转换阀26热气管路28旁路管路29喷射管路30磁阀31节流机构32过热调节单元34压力传感器36温度传感器38温度传感器40温度传感器42饱和液界限44饱和气界限46恒定温度曲线
权利要求
1.一种用于操作制冷机，特别是操作热力泵的方法，所述热力泵包括具有制冷剂的闭合环路(10)，在所述环路中依次设置有蒸发器(12)、压缩机(14)、冷凝器(16)、以及特别是电驱动的膨胀阀(18)，其特征在于，在所述压缩机区域中的制冷剂温度，特别是压缩终止温度通过过热调节单元(32)至少间隔性地这样调节，即所述温度不超过临界的温度上限值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述制冷机的环境温度，特别是外部温度被测量，并且在调节时考虑到这些因素。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，为了调节制冷剂温度，在所述压缩机(14)区域中的，尤其是所述压缩机出口处的制冷剂温度被测量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，制冷剂温度在所述压缩机区域中通过在所述蒸发器(12)中的制冷剂的过热的变化来调节。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，当在所述压缩机(14)区域中测量的制冷剂温度，尤其是压缩终止温度超过预设目标温度时，减少过热。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，过热根据所述制冷机的环境温度，尤其是外部温度来调节。
7.根据权利要求4到6中任一项所述的方法，其特征在于，过热通过膨胀阀(18)的相应控制来改变。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述压缩机区域中的制冷剂温度通过单独地冷却在所述压缩机(14)中制冷剂来降低。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述压缩机区域中的制冷剂温度通过所述压缩机(14)的冷却来降低，尤其是在其出口区域中。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩机(14)通过将液态制冷剂导入到所述压缩机(14)中而冷却。
11.根据权利要求8到10中任一项所述的方法，其特征在于，液态制冷剂特别是在所述压缩机(14)的出口区域中被导入到压缩的制冷剂中。
12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，液态的制冷剂在所述冷凝器( 6)的下游从所述环路(10)中分流并向所述压缩机(14)传送。
13.一种制冷机，特别是一种热力泵，所述热力泵包括具有制冷剂的闭合环路(10)，在所述环路中依次设置有蒸发器(12)、压缩机(14)、冷凝器(16)、以及特别是电驱动的膨胀阀(18)，其特征在于，过热调节单元(32)至少间隔性地这样调节压缩机区域中的制冷剂温度，特别是压缩终止温度，即所述温度不超过临界的温度上限值。
14.根据权利要求13所述的制冷机，其特征在于，设置有与所述过热调节装置(32)连接的第一温度传感器(40)，所述第一温度传感器用于测量所述压缩机(14)下游的制冷剂温度，特别是压缩终止温度。
15.根据权利要求14所述的制冷机，其特征在于，所述第一温度传感器(40)设置在压缩机出口区域中。
16.根据权利要求13到15中任一项所述的制冷机，其特征在于，设置有与所述过热调节装置(32)连接的第二温度传感器(38)，所述第二温度传感器用于测量制冷机的环境温度，尤其是外部温度。
17.根据权利要求13到16中任一项所述的制冷机，其特征在于，用于可变地、尤其是根据天气情况来控制制冷剂的过热的膨胀阀(18)可通过所述过热调节单元(32)来控制。
18.根据权利要求13到17中任一项所述的制冷机，其特征在于，设置有部件(28、29、30、31)，其实现液态制冷剂向所述压缩机(14)中的导入。
19.根据权利要求18所述的制冷机，其特征在于，喷射管路(29)连接到所述压缩机(14)上，液态的制冷剂可通过所述喷射管路导入到所述压缩机(14)中。
20.根据权利要求18或19所述的制冷机，其特征在于，节流机构(31)设置在所述喷射管(29)中。
21.根据权利要求19或20所述的制冷机，其特征在于，所述部件包括磁阀(30)，所述磁阀可通过所述过热调节单元(32)控制，并且所述磁阀设置在制冷剂管路(28)中。
22.根据权利要求21所述的制冷机，其特征在于，所述制冷剂管道(28)的一端在所述冷凝器(16)下游与所述制冷剂环路(10)连接，并且另一端与所述喷射管(29)连接。
全文摘要
本发明涉及一种制冷机，特别是一种热力泵，其包括具有制冷剂的闭合环路，在该闭合环路中依次设置有蒸发器、压缩机、冷凝器、以及特别是电驱动的膨胀阀，并且该热力泵还具有过热调节单元，其用于至少间隔性地调节压缩机区域中的制冷剂温度，特别是压缩终止温度。此外，本发明还涉及一种用于操作前述类型的制冷机的方法。
文档编号F25B49/02GK1989378SQ200580024407
公开日2007年6月27日 申请日期2005年4月20日 优先权日2004年7月27日
发明者阿里·R·内贾德 申请人:埃莫森电器两合公司