专利名称：制冷剂系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及冷却和加热。更具体地，本发明涉及节能式空气
调节、热泵或制冷系统。
背景技术：
美国专利No.6,955,059公开了具有不同卸载4莫式的节能式蒸 汽压缩系统。此外，共同转让的美国专利No.4，938,666公开了通过气体旁 通而卸载气缸组中的一个气缸和通过切断吸气而卸栽整个气缸组。共同转 让的美国专利No.4，938,029公开了压缩机的全部级的卸载和节能器的使 用。共同转让的美国专利No.4,878,818公开了带阀的公共端口的使用，公
体积指J(、;7控制，这里的Vi等于在p:气端;街获一的气体的体积(Vs;)与
在释放给排气端之前保留压缩包中的捕获气体的体积的比。在采用这些不 同方法时，阀结构通常是全开的、全闭的，或者阀开度被调整，从而保持 在某个固定位置。共同转让的美国专利No.6,047,556 (该556专利，该专 利详细阐述的全部内容作为参考引入)，公开了电磁阀的使用，电磁阀在 全开位置和全闭位置之间快速循环以提供容量控制。循环的电磁阀能够设 置在压缩机吸气管路中、压缩机节能器管路中和/或压缩机旁路管路中，这 压缩机旁路管路将节能器管路与吸气管路连接。阀打开的时间百分比确定 要实现的调整程度。美国专利No.6，619，062公开了仅仅基于涡旋式压缩机 压力比操作对涡旋式压缩机卸载机构的控制。
尽管如此，本领域仍存在进一步改进的空间。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种制冷剂系统，该制冷剂系统设置 成交替地运行在节能模式和标准模式中。控制系统响应于确定的效率而使 所述制冷剂系统在节能模式和标准模式之间切换，确定的效率反映以下效 率中的至少两个的组合压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机 械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。在旁路才莫式中，来自于中间端口的旁路制冷剂流可以返回至P及气端口。类似地， 切换到旁路模式中的控制可以基于确定的效率。 本发明的一个或更多实施例的细节在附图和下文的描述中 阐述。本发明的其它特征、目的和益处通过所述描述和附图以及权利要求 将是显而易见的。
图1是采用本发明的节能式制冷或空气调节系统的示意图。 图2是图1的系统的压缩机等熵效率相对于密度比的一系列 曲线。 图3是理想EER相对于密度比的一系列曲线。 图4是冷凝器温度差相对于质量流速的一系列曲线。 图5是蒸发器温度差相对于质量流速的一系列曲线。 图6是冷凝器效率相对于质量流速的一系列曲线。 图7是蒸发器效率相对于质量流速的一系列曲线。 图8是马达效率相对于负荷的曲线。 图9是变频驱动器效率相对于负荷的曲线。 在各个附图中，相同的附图标记和名称表示相同的元件。
具体实施例方式
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图1示出了示例性封闭制冷或空气调节系统20。这系统具有 压缩机22,压缩机22具有吸气(入口 )和排气(出口 )端口 24和26， 在它们之间限定压缩路径。该压缩机还包括沿着压缩路径的中间位置处的 中间端口 28。示例性压缩机包括马达29。示例性马达是电动马达。替代 性的马达可以包括内燃机。其它变型包括由内燃机发电机提供动力的电动 马达。示例性压缩机配置是螺杆式压缩机(但是可以使用包括涡旋式压缩 冲几、离心式压缩冲几和往复式压缩机在内的其它压缩机)。压缩机可以是封 闭式的、半封闭式的或者开启式的(open drive)(其中，马达不在压缩机< 壳体内)。 压缩机排气管路30从排气端口 26向下游延伸到散热式热交 换器(例如，冷凝器或气体冷却器)32。中间管路的干线34从冷凝器向 下游延伸。主支路36从千线34延伸到节能器热交换器(节能器)40的第一分支(leg)38。支路36从节能器40延伸到第一膨胀装置42。支路36 从第一膨胀装置42延伸到吸热式热交换器(例如，蒸发器)44。支路36 从蒸发器44延伸回到吸气端口 24。第二支路50从干线34向下游延伸到 第一阀52。支路50从笫一阀52延伸到第二膨胀装置54。这支路从第二 膨胀装置54延伸到节能器40的第二分支56,第二分支56靠近第一分支 38并与第一分支38进行热交换。支路50从节能器40向下游延伸到中间 端口 28。设置有旁通阀62的旁路管道60在所述支路之间(例如，在蒸发 器和吸气端口之间的主支路36上的第一位置和节能器与中间端口之间的 第二支路50上的第二位置之间)延伸。可选地，所述吸气调整阀(SMV) 64可以位于蒸发器的下游(例如，在蒸发器和旁路管道60与吸气管路的 接合处之间)。 示例性膨胀装置42和54是电子膨胀装置(EEV)，且示出 为联接到控制/监测系统70 (例如，基于微处理器的控制器)，以分别经 由控制线路72和74接收控制输入。替代地， 一个或两个膨胀装置可以是 热力膨胀阀(TXV)。类似地，示例性阀52和62是电磁阀且示出为分别 经由控制线路76和78联接到控制系统。替代地，如果膨胀装置54是EEV, 它也可以用作阀52 (例如，切断通过支路50的流)。控制系统也可以经 由控制线路79控制SMV64。 压缩机马达29可以经由控制线路80联接到控制系统70。控 制系统70可以经由合适的机构来控制马达速度。例如，马达可以是多速 马达。替代地，马达可以是由变频驱动器(VFD)驱动的可变速度马达。 替代地，开启式压缩机可以由具有可变发动机速度的发动机(马达)直接 驱动。示例性控制系统可以从一个或多个温度传感器82和84接收输入， 如温度输入。其它温度传感器可以处于温度受控环境中或者可以放置成测 量热交换器的状况(例如，分别在热交换器32和44上的传感器86和88 )。 附加的或替代的传感器可以包括指示压缩机吸气和排气位置处的压力的 传感器和/或指示蒸发器和/或冷凝器入口或出口处的压力的传感器。控制 系统可以从一个或多个输入装置(例如恒温器90)接收外部控制输入。然 而，可以包括其它的传感器(例如，测量驱动器电压或频率或压缩机负荷)。 在用于冷却时，蒸发器44可以置于要被冷却的空间中或者 在流向该空间的空气流的流动路径中。冷凝器可以;改置在外部(例如，室 外)或者沿通向外部位置的流动路径放置。在加热配置中，所迷情况应颠倒。在可以提供两种配置的热泵系统中， 一个或多个阀(例如，四路反位 阀，未示出)可以选择性地引导制冷剂，以允许每个热交换器结构交替地 用作冷凝器和蒸发器。示例性系统具有多个操作模式。为了便于参考，第一模式是 标准非节能式(标准)模式。实质上，在该模式中，两个阀52和62都关 闭，使得通过第二支路50和从而通过节能器第二分支56的制冷剂流受 到限制(例如，阻断)；通过旁路管道60的制冷剂流也受到限制(例如， 阻断)。因而，通过中间端口 28的制冷剂流最小或者不存在。大多数(如 果不是全部)的制冷剂从排气端口 26流向冷凝器32;通过冷凝器32; 通过节能器第 一分支38 (没有热交换效果，因为没有通过第二分支的流)； 通过笫一膨胀装置42;通过蒸发器44;回到吸气端口 24,然后沿压缩路 径被再次压缩。用于加热或冷却应用的示例性压缩机通常在与固有压缩机 体积比相对应的系统操作点处具有峰值效率。在该点附近，压缩结束处的 压缩包中的压力等于或几乎等于排气增压压力。当这些压力相等时，没有 过压缩或欠压缩损失。该点在系统密度比(系统高压测的制冷剂密度pd 除以系统低压测的制冷剂密度ps)等于压缩机固有体积比(压缩机吸气体 积除以排气体积)时发生。在确定最佳压缩机操作时，与使用系统压力比 (高压侧的压力除以低压侧的压力)相比，使用系统密度比可能是更有效 的。系统压力比可能与压缩机体积比相关程度较少。对于给定的压缩机操 作模式，取决于吸气和/或排气温度，可以有多个压力比与固有体积比相对 应，而只有单个密度比与固有体积比相对应。 最佳压缩机体积比可以根据压缩机操作模式变化。如果压缩 机以卸栽模式操作，在该卸栽才莫式中，来自于沿着压缩路径的中间位置的 制冷剂的一部分旁通回到吸气状况，那么相对于标准才莫式操作最佳体积比 可以减小。类似地，如果附加的制冷剂在中间位置处返回到压缩机，那么 相对于标准模式最佳体积比值通常较高。图2示出了标准模式操作的压缩 4几等熵效率ti 等编压縮机 (% )相对于密度比的曲线200。第二操作模式是节能模式。通常，在节能模式中，第一阀52 开启且第二阀62关闭。来自于压缩机的流被分开，主要部分流经主支路 36,如标准模式那样。然而，节能器部分流经第二支路50，经过阀52和 节能器第二分支56，在节能器第二分支56中，制冷剂与第一分支38中的 制冷剂进行热交换。在该才莫式中，节能器40给沿第一分支38的制冷剂提供附加的过冷却。附加的过冷却增加了系统容量，从而在冷却模式中提供 更多的系统冷却(例如，被冷却的空间)且在加热才莫式中提供更多的加热。
节能器流从第二分支56返回到中间端口 28，并被喷射(作为蒸汽)到压 缩路径的下游部分并再次压缩。图2还示出了节能模式的压缩机等熵效率 相对于密度比的曲线202。在大约密度比504之上，节能模式比标准才莫式 具有更高的压缩机效率。第三模式是旁路模式。通常，在旁路模式中，阀52关闭且 阀62开启。此外，在所示实施例中，中间压力释放旁路流将离开中间端 口 28且通过旁路管道60以返回吸气端口 24。图2还示出了旁路模式的压 缩机等熵效率相对于密度比的曲线204。在密度比506之下，旁路模式比 标准和节能对莫式具有更高的压缩机等熵效率。在示例性实施例中，密度比
506小于密度比504，因而在这些密度比之间，标准4莫式比旁路和节能冲莫 式具有更高的压缩机效率。 为了确定给定系统操作状况的最有效的操作模式，考虑除了 压缩机等熵效率之外的其它因素。图3示出了在恒定排气压力下理想循环 效率(例如，压缩机、马达或其它相关部件中没有损失，且具有无限大的 热交换器盘管)随密度比的变化。曲线210、 211和212分别表示标准、 节能和旁路冲莫式。理想系统效率用EER (压缩机以100%效率操作时理想 系统容量除以压缩机功率)表示。节能模式在高于密度比510的高密度比 范围内具有最高的循环效率。旁路模式在较低密度比范围(例如，低于比 510)内具有最高的效率。在该示例中，标准模式效率从未高于旁路和节 能模式效率中的较高者。然而，其它变型可能与此不同。 此外，在确定最有效的沖莫式时，可以考虑通过热交换器的制 冷剂的质量流速^ 。图4和5分别表示环境温度和所调节的环境都为固定 温度时经过冷凝器和蒸发器的温度差AT。 AT是在热交换器中的制冷剂的饱和温度和热交换器下游的 空气温度之间的绝对温度差。图4示出了温度差随通过冷凝器的制冷剂质 量流速A的变化。曲线220示出了标准模式的AT,曲线221示出了节能 模式，曲线222示出了旁路模式。例如通过以不同操作速度驱动压缩机可 以改变质量流速^。 图5示出了温度差随通过蒸发器的质量流速的变化。曲线225 示出了标准模式的蒸发器八T,曲线226示出了节能模式，曲线227示出了旁路模式。该示出了用于特定压缩机操作速度的温度差。如图所示，例
如图4,对于选定的操作速度，在旁路模式时经过冷凝器的质量流速是标 准模式的~60%，在节能模式时的质量流速是标准模式的 140% (为了图 示目的仅显示不同模式时的质量流率之间的差，因为准确的百分比将随具 体压缩机类型和系统操作状况变化)。类似地，对于图5,对于相同的才喿 作速度，在旁路模式时经过蒸发器的质量流速是节能模式的~60%,在标 准模式时的质量流速是节能模式的一05 % 。 较高的温度差与较低效率的热交换器或者较低效率的操作 相关联。例如，理想的热交换器的效率将是100%,且具有无限大的热交 换表面、零温度差和零压降损失。图6和7分别示出了对于固定环境温度 和所调节环境的固定温度而言冷凝器和蒸发器的热交换器效率，其中效率 相对于制冷剂质量流量绘出。在图6中，曲线230、 231和232分别与标 准、节能和旁路才莫式相关联。类似地，在图7中，曲线235、 236和237 表示标准、节能和旁路才莫式的蒸发器效率。每种模式的效率也针对选定的 具体压缩机操作速度示出。环境温度和所调节环境的温度的每种组合将具 有与图4-7类似的独特曲线。在设置控制器程序(例如，硬件、软件或 输入设置中的一个或更多)时，系统设计者可以针对每个环境温度和所调 节环境的温度来分析这些曲线，以选择最有效的操作模式，同时考虑所需 系统容量的约束。控制器可以编程或设置成操作系统使该系统响应于确定 的效率在所述模式之间切换，确定的效率反映包括上述效率和下文讨论的 效率在内的效率分量的组合。 如上述示例所示，当经过热交换器的质量流速增加(热交换 器"超载"以及由于制冷剂质量流速增加而引入附加的压降损失)时，热 交换器以较低效率操作。 其它因素可以包括与马达(例如，电动马达及其变频驱动器) 有关的损失。图8示出了马达效率ri马达随负荷(额定负荷的％ )变化的曲 线250。三种示例性模式(标准；节能和旁路)中的每一种将使马达得到 不同地负载。点251、 252和253分别表示与标准、节能和旁路模式有关 的负荷。 图9示出了变频驱动器效率tivfd随VFD负荷(额定VFD负 荷的％ )变化的曲线260。额定VFD负荷可以与额定马达负荷相对应或者 可以不与额定马达负荷相对应。对应性将取决于VFD和马达负荷特性如何匹配以及匹配得如何。点261、 262和263分别表示与标准、节能和旁 路模式有关的负荷。如果压缩机由发动机驱动(直接或者间接)，那么对 于不同操作模式，可以取代马达效率或者连同马达效率一起考虑发动机效 率。此外，有效循环损失也可以考虑。例如，所表示的操作模式可以经历 不同程度的循环，且循环可以对每种模式具有不同的影响。例如，在节能 模式中，预期系统循环要比旁路沖莫式更频繁。这是因为在节能模式操作中 比标准模式或旁路^f莫式产生更多的冷却容量。因而，为了使得产生的容量 与所需容量匹配，在节能模式中系统将需要比旁路冲莫式更频繁地接通和切 断。因而，可以考虑循环效率因素Ti郝。例如，如果系统连续操作，循环 效率是100%。因而，总EER值可以基于由上述各种效率修正的理想EER 值计算。
五^"」 总=^"^"及理想循坏 "等编压垴机 "蒸发jl "冷凝器 ^马达 "w① ^循环 这些因素及其相关分量中的一些对系统设计者来说可能是 未知的。例如，在设计/选择压缩机时，具体变频驱动器效率可能是未知的。 这种未知因素可以被忽略或者仅仅被估计。在基本示例中，仅仅考虑压缩 机等熵效率且忽略其它效率。该基本示例得到示例性操作方法，包括以下 述方式操作系统低于密度比506,以旁路模式操作；在密度比506和504 之间，以标准冲莫式操作；高于密度比504，以节能才莫式操作。 一个实施例 的粗略示例性值包括分别为约2.9和约3.25的密度比506和504。 已经描述了本发明的一个或多个实施例。然而，应当理解的 是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以作出各种修改。例如，当 用作现有系统的改造或者再设计时，现有系统的细节可能^f艮大程度上影响 实施方式的细节。因此，其它实施例属于以下权利要求的范围。
权利要求
1.一种设备(20)，包括压缩机(22)，所述压缩机具有吸气端口(24)、排气端口(26)和中间端口(28)；冷凝器(32)；蒸发器(44)；节能器热交换器(40)；管道系统，所述管道系统将所述冷凝器联接到所述排气端口；将所述节能器热交换器联接到所述冷凝器；与所述节能器热交换器和所述蒸发器协作以在所述节能器热交换器和所述吸气端口之间限定第一流路；与所述节能器热交换器协作以在所述节能器热交换器和所述中间端口之间限定第二流路，该第二流路绕过所述蒸发器；具有一个或多个阀，用于选择性地阻断和接通所述第二流路；和控制系统(70)，所述控制系统联接到所述一个或多个阀，且设置成以多种模式交替地操作所述设备，所述多种模式包括标准模式，在该标准模式中，来自于冷凝器的制冷剂流沿着第一流路流动而不沿第二流路流动；和节能模式，在该节能模式中，制冷剂流分成沿着第一流路流动的第一部分；和延伸通过第二流路部分以返回至中间端口的第二部分；以及配置成响应确定的效率而使所述设备在所述模式之间切换，所述确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于 所述控制系统设置成确定反映以下所述效率中的至少三个的组合的效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与才莫式有关的循环效率。
3. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于 所述多个模式还包括旁路模式，在该旁路模式中，制冷剂流沿着第一流路流动，来自于中 间端口的旁路制冷剂流返回至吸气端口 。
4. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于机械地提供动力给压缩机的硬件的所述效率包括电动马达效率和变 频驱动器效率的组合。
5. 根据权利要求1所迷的设备，其特征在于所述控制器设置成确定制冷剂密度比率并响应于确定的制冷剂密度 比率来确定所述压缩机等熵效率。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于所述控制器设置成基于以下参数的组合来确定所述制冷剂密度比率 压缩才几吸气温度；压缩才几吸气压力；压缩机排气温度；和压缩才几排气压力。
7. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于 所述一个或多个阀中的至少笫 一个是电磁阀。
8. 根据权利要求1所迷的设备，其特征在于 所述一个或多个阀是双稳态的。
9. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于 所述压缩机是螺杆式压缩机。
10. —种操作冷却系统的方法，所述系统具有压缩;机，所述压缩4几具有吸气端口、排气端口和中间端口；冷凝器，所述冷凝器具有入口和出口，冷凝器入口联接到所述排气端口 ；蒸发器，所述蒸发器具有入口和出口，蒸发器出口联接到压缩机吸气端口；和节能器第一和第二流路部分； 所述方法包4舌确定多个模式中的最有效;摸式，所述确定包括确定与以下效率中的至少两个有关的效率因素压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率；以及 响应于所述确定，在不同时间使系统以节能模式运行，其中，来自于排气端口的制冷剂流前进基本 通过冷凝器，该制冷剂流分成第一部分和第二部分，第一部分延伸通过第 一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口 ，第二部分延伸通过第二流路部分 以返回至中间端口；以及使系统以非节能模式运行，在该非节能模式中，来自于排气端口的制 冷剂流前进基本通过冷凝器、第一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口 。
11. 根据权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括 使系统以旁路模式运行，在该旁路才莫式中，来自于排气端口的制冷剂流前进基本通过冷凝器、第一流路部分和蒸发器以返回至吸气端口，且来 自于中间端口的旁路制冷剂流返回至吸气端口 。
12. 根据权利要求IO所述的方法，其特征在于 所述确定包括确定至少三个所述效率因素。
13. 根据权利要求IO所述的方法，其特征在于，还包括 检测选自包括以下参数的组的至少一个操作参数饱和蒸发温度； 饱和蒸发压力；进入或离开蒸发器的空气温度；々包和冷凝温度；^炮和冷凝压力；进入或离开冷凝器的空气温度； 压缩才几电 流;压缩纟几电压；和 压缩才几功率；以及 响应于所述至少 一个操作参数选择所述才莫式中的 一种。
14. 一种系统，包括 压缩机；冷凝器； 蒸发器； 节能器；第一装置，所述第一装置将蒸发器和节能器与压缩机和冷凝器联接， 用于使系统交替操作在以下述冲莫式中 标准模式；和 节能才莫式；以及第二装置，用于确定标准模式和节能才莫式的相应效率，且联接到所迷 第一装置，以响应于所述的确定的效率在所述标准模式和所述节能模式之 间切换。
15. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成控制所述第一装置，以使所述系统交替地操作在所述标准模式、所述节能模式和一种旁路模式中。
16. 根据权利要求15所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少两个的组合的所述相应效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与模式有关的循环效率。
17. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少两个的组合的所述相应效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与模式有关的循环效率。
18. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少三个的组合的所迷相应效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与模式有关的循环效率。
19. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少四个的组合的所迷相应效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。
20. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于 所述第二装置设置成确定反映以下效率中的至少全部的组合的所迷相应效率压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与冲莫式有关的循环效率。
21. —种制冷系统控制器，该控制器设置成使所迷制冷系统交替地操作在多个模式中，所述多个模式包括非节能的标准才莫式；和 节能模式；以及设置成响应于确定的效率而使所述制冷系统在所述模式之间切换，所迷确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合 压缩机等熵效率； 冷凝器效率； 蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和 与模式有关的循环效率。
全文摘要
一种制冷剂系统，设置成交替地运行在节能模式和标准模式中。控制系统响应于确定的效率而使所述制冷剂系统在节能模式和标准模式之间切换，确定的效率反映以下效率中的至少两个的组合压缩机等熵效率；冷凝器效率；蒸发器效率；机械地提供动力给压缩机的硬件的效率；和与模式有关的循环效率。在旁路模式中，来自于中间端口的旁路制冷剂流可以返回至吸气端口。类似地，切换到旁路模式中的控制可以基于确定的效率。
文档编号F25B49/02GK101617183SQ200780051885
公开日2009年12月30日 申请日期2007年2月28日 优先权日2007年2月28日
发明者A·利夫森 申请人:开利公司