运输制冷系统及操作方法

专利名称：运输制冷系统及操作方法
技术领域：
本发明大体而言涉及运输制冷系统，且更特定而言，涉及以跨临界循环操作的 制冷剂蒸汽压缩系统的容量调制。
背景技术：
制冷剂蒸汽压缩系统是本领域中熟知的且常用于调节供应到住宅、办公楼、医 院、学校、饭店或其它设施内的气候控制的舒适区的空气。制冷剂蒸汽压缩系统也常用 于运输制冷系统以制冷供应到用于运输易腐物品的卡车、拖车、集装箱或类似物的温度 控制货物空间的空气。在传统上，这些制冷剂蒸汽压缩系统中的大部分是以亚临界制冷 剂压力操作且通常包括压缩机、冷凝器和蒸发器、和膨胀装置(通常为膨胀阀)，膨胀装 置相对于制冷剂流动安置于蒸发器上游和冷凝器下游。这些基本的制冷剂系统构件由制 冷剂管线互连成闭合的制冷剂回路，根据已知的制冷剂蒸汽压缩循环布置且对于所用的 特定制冷剂，在亚临界压力范围操作。在亚临界范围操作的制冷剂蒸汽压缩系统通常充 注常规氟碳制冷剂，诸如(但不限于)氢氯氟碳化合物(HCFC)，诸如R22，且更通常地 充注氢氟碳化合物(HFC)，诸如R134a、R410A和R407C。在当今市场上，对替代HFC制冷剂的“天然”制冷剂(诸如二氧化碳)用于 空调和运输制冷系统示出更大关注。但是，由于二氧化碳具有低临界温度，充注了二 氧化碳作为制冷剂的大多数制冷剂蒸汽压缩系统被设计成在跨临界压力模式下操作。 举例而言，运输制冷剂蒸汽压缩系统具有空气冷却的制冷剂散热热交换器，空气冷却 的制冷剂散热热交换器在周围空气温度超过二氧化碳的临界温度点31.1°C (87.8° F) 的环境中操作，这种运输制冷剂蒸汽压缩系统必须也在超过二氧化碳的临界点压力 7.38MPa(1070psia)的压缩机排放压力下操作且将以跨临界循环操作。在以跨临界循环操 作的制冷剂蒸汽压缩系统中，制冷剂散热热交换器作为气体冷却器操作而不是作为冷凝 器操作且以超过制冷剂临界点的制冷剂温度与压力操作，而蒸发器在亚临界范围的制冷 剂温度与压力下操作。为了优化使用二氧化碳作为制冷剂且以跨临界状况操作的这种系统的容量或效 率，需要增加系统的高压(气体冷却器压力)从而降低进入到蒸发器的特定焓，由此增加 容量。这进而需要增加压缩机的压力比。诸如在卡车/拖车和制冷集装箱中所用的运输制冷系统在很难预测的环境中操 作。温度与湿度在一天的不同时间和在一年中不同季节可能变化很大。而且，产品负载 可显著地且以不可预测的方式不同。系统的容量必须被设计成用于最苛刻状况(即，例 如在高环境温度下的下拉)，但能在不太严苛的状况下，诸如在部分负载下有效地操作。选择性地改变压缩机容量的一种办法在US 5,471,120中示出，其中负载周期与 卸载时间段的持续时间是以时间脉冲方式调制以便使总系统效率最大化。这通过调制涡 旋构件之间的相对轴向移动以形成穿过涡旋齿端(wrap tip)与对置端板的泄漏路径或者通 过减小涡旋构件之一的轨道半径来形成穿过涡旋齿(wrap)的侧表面的泄漏路径而达成。虽然这种所谓的“数字涡旋式压缩机”主要实施用于以亚临界状况操作的住宅空调系 统，其尚未应用于以跨临界循环操作的运输制冷系统。这种情况的主要原因是这种数字 涡旋式压缩机不能在高压力比状况下长期操作，而高压力比是在跨临界范围高效操作所 必需的。另外，运输制冷系统的特征在于极其严格的温度控制要求。在易腐部分负载操 作状况下，其导致很低的质量流率。当系统使用CO2作为工作流体时，压缩机排放温度 将随着压缩比快速升高。必须使用大量液体注入来保持压缩排放温度在操作限度内，诸 如275° F。在低质量流率下，当液体注入超过特定量时，吸气过热将变得低到可能由于 溢流而损坏压缩机。因此挑战在于设计一种能以低质量流率操作但其压缩机排放温度仍 在安全限度内的系统
发明内容
简言之，根据本发明的一方面，以跨临界范围操作的蒸汽压缩系统的制冷剂蒸 汽由数字涡旋式压缩机压缩。根据本发明的又一方面，提供防止数字涡旋式压缩机在这种系统中变得过载的 控制方法和设备。


图1是结合到蒸汽压缩系统内的本发明的示意说明。图2A与图2B是根据本发明的压缩机容量调制的图解说明。图3是根据本发明所得到的冷量控制的图解说明。图4是结合到经济型蒸汽压缩系统内的本发明的图解说明。图5是结合到另一类型的经济型蒸汽压缩系统内的本发明的示意说明。
具体实施例方式本发明大体上以10示出，结合到制冷剂蒸汽压缩系统内，制冷剂蒸汽压缩系统 利用CO2作为制冷剂操作且以串联流动关系包括压缩机11，制冷剂散热热交换器12，膨 胀装置13以及制冷剂吸热热交换器14。制冷剂吸热热交换器14通常被称作蒸发器，包 括电机驱动风扇16用于在其上循环空气以便进行冷却。由于该系统使用CO2作为工作流体，其必需以跨临界循环操作，使得制冷剂散 热热交换器12 (其可被称作冷凝器)的高压制冷剂与空调系统或运输制冷系统中的冷却介 质(最通常地为环境空气)成热交换关系传递。在这种以跨临界循环操作的制冷剂蒸汽 压缩系统中，制冷剂散热热交换器12构成气体冷却器热交换器，超临界制冷剂与冷却介 质成传热关系地通过气体冷却器热交换器。冷凝器/气体冷却器12具有风扇17，其由多 速电机18驱动且以下文所述的方式控制。为了适应使用(02作为以跨临界循环操作的工作流体，在该回路中在冷凝器/气 体冷却器12与蒸发器14之间还包括第一膨胀装置19与闪蒸槽接收器21。在CO2制冷 剂从气体冷却器12出来时，其穿过第一膨胀装置19，在第一膨胀装置19中，其膨胀至 较低压力，且然后制冷剂作为液体制冷剂与蒸汽的混合物进入闪蒸槽接收器21。液体制冷剂下沉到闪蒸槽接收器21下部且制冷剂蒸汽在闪蒸槽接收器21中液体上方的上部中聚集。液体制冷剂从闪蒸槽接收器21传递到膨胀装置13，其在膨胀装置13中膨胀至较 低压力与温度，之后进入到蒸发器14。蒸发器14构成制冷剂蒸发热交换器，膨胀的制冷 剂通过该制冷剂蒸发热交换器与加热流体成热交换关系传递，且制冷剂被蒸发且通常被 过热。与制冷剂成热交换关系传递的加热流体构成被供应到与运输制冷单元相关联的易 腐货物存储区的空气。低压制冷剂蒸汽从蒸发器14出来且然后返回到压缩装置11的吸 入端口。压缩机11包括数字涡旋式压缩机，诸如在美国专利Νο.5,741,120中所述且可在 市场上购自CopelandCorporation的数字涡旋式压缩机。数字涡旋分两个阶段操作“负载状态”，这时压缩机类似于标准涡旋操作且 递送全容量与质量流量；以及“卸载状态”，这时无容量且无质量流量通过压缩机。数 字涡旋式压缩机在循环时间概念下操作。每个循环时间包括“负载状态”时间与“卸载 状态”时间。数字涡旋式压缩机将通过控制循环时间来有效地降低压缩比和因此压缩机 排放温度。在“负载状态”，压缩机类似于标准涡旋操作且递送全容量与质量流量。在
“卸载状态”，无容量且无质量流量通过压缩机。这两个时间段的持续时间决定压缩机 的容量调制。举例而言，如图2Α所示，在20秒的循环时间中，如果负载状态时间是10 秒且卸载状态时间是10秒，那么压缩机调制是(10秒X 100%+10秒Χ0%)/20 = 50%。 如果对于相同的循环时间，负载状态时间是15秒且卸载状态时间是5秒，如图2Β所示， 压缩机调制是75%。容量是负载状态容量与卸载状态容量的时间平均和。通过改变负载 状态时间与卸载状态时间，可由压缩机递送10%至100%的任何容量。因此可精确地调 整制冷系统容量以匹配在很广范围应用上的负载需求。如上文所讨论，这种数字压缩机尚未用于使用CO2作为制冷剂且以跨临界循环 操作的系统中，因为这种压缩机通常不能耐受在这种系统中普遍的高压缩比。但是，由 于这里提供的控制特点，该系统可以维持压缩比在一定水平的方式操作，该水平将允许 这种数字涡旋式压缩机持续用于以跨临界状况操作的系统中。 如在美国专利5,741,120中所述，数字涡旋式压缩机被设计成其容量受到控制装 置22的调制，控制装置22沿着线23向数字涡旋式压缩机11递送可变的占空比信号S用 于该目的。但是，根据本发明，控制装置22用于实施另外的控制特点以便以下文所述的 方式来限制数字涡旋式压缩机11所经历的压缩比。风扇17的驱动电机18是多速电机，其可以相对高速或相对低速选择性地操作。 因此，其可为两速电机或者其可为变速电机，变速电机可在连续范围上改变其速度。电 机速度的控制由控制装置22沿着线24以下文所述的方式来维持。压力传感器26与温度传感器27安装于压缩机11的排放口，且它们各自输出分 别沿着线28与29被发送到控制装置22。尽管系统被示出具有压力传感器26与温度传感 器27，其可利用二者中的任一个来操作且不使用其中的另一个。即，出于控制目的，希 望传感指示压缩机11的压力比的状况，且排放压力或排放温度可用于该目的，如将在下 文中所述。在系统控制中使用的另一参数是被冷却的空间31内的温度。这个温度由温度传感器32确定，温度传感器32向比较器33发送所传感的温度信号以与设定点进行比较， 且差异沿着线34发送到控制装置。现考虑控制数字涡旋式压缩机11的容量的方式，规 定取决于系统的特定操作模式来改变控制算法。在图3中示出三种可能操作模式，包括 易腐模式、冷冻模式以及下拉模式。当处于易腐(冷藏)模式时，控制器22维持供应空气温度在设定点，且压缩机 11以部分负载状况操作。因此，为了从系统移除额外容量，控制装置22首选选择气体 冷却器风扇电机18的低速，且打开阀19以便降低压缩机排放压力。然后，尽可能缩短 压缩机的“负载状态”时间，同时维持供应空气温度在设定点。通过降低压缩机排放压 力，由于较低的压缩比，降低压缩机拱顶温度(dome temperature)降低，进而改进压缩机 的可靠性。在图3中的线A示出在这种模式操作期间冷量改变的方式。当以冷冻模式操作时，应认识到冷冻范围货物对于微小温度变化并不敏感。因 此，在这个范围所采用的温度控制方法利用这点来显著地改进该单元的能量效率。在冷 冻范围的温度控制通过根据负载需求的需要在负载状态与卸载状态之间循环压缩机来达 成。通过控制阀19使压缩机排放压力处于优化点且风扇电机18可以高速或低速操作。 线B指示冷冻操作模式的典型的冷量变化。在下拉模式，压缩机11以全负载状况操作， 且需要最大容量。因此，风扇电机18以高速运转且如压力传感器26或温度传感器27所 示的压缩机排放压力维持在最大设计点。控制装置22然后根据防止压缩机过载所必需地 来改变“负载状态”与“卸载状态”的循环时间。举例而言，最大压缩机排放温度可 确立为300° F且在接近该温度时，减小压缩机调制(即，与卸载时间相比，缩短负载状 态时间)以便防止超过该温度。在图3中的线C示出在下拉操作模式期间典型的冷量变 化。 如图1所示且如上文所述，本发明可应用于非经济型数字涡旋式压缩机系统。 但是其同样可用于诸如图4与图5所示的各种类型的经济型系统。在图4中，控制系统 被示出用于闪蒸槽经济型系统，闪蒸槽经济型系统由具有蒸汽注入端口 36的数字涡旋式 压缩机11驱动。此处，闪蒸槽接收器21不仅用作充注控制槽，而且也用作闪蒸槽经济 器。在闪蒸槽接收器21中液位上方的部分中聚集的蒸汽制冷剂从接收器21沿着管线37 和电磁阀38传递到蒸汽注入端口 36。电磁阀38受到控制装置22的控制以便开启和关掉 经济器操作。在尽管使用如上文所述的控制系统，压缩机11仍倾向于以高温操作的情况下， 需要提供到蒸汽注入端口 36内或替代液体端口内的液体注入。因此，提供管线39与相 关联电磁阀41用于该目的。应认识到在图4的实施例中，仅当闪蒸槽蒸汽压力大于蒸汽注入端口 36处的压 力时发生经济型操作。否则，经济器将不操作。本控制方法可适用的另一类型的经济型系统在图5中示出。此处，不包括闪蒸 槽，而是包括级间经济器42，其简单地为钎焊板热交换器。电磁阀43与膨胀阀44通往 级间经济器42。因此，当电磁阀43打开时，制冷剂蒸汽从气体冷却器12，通过电磁阀 43与膨胀阀44流到级间经济器42内，且蒸汽然后被注入到蒸汽注入端口 36内。当电磁 阀关闭时，制冷剂蒸汽沿着管线46流动到级间经济器42，且无经济器操作发生。在任一 情况下，提供充注料存储容器45以仅用于存储过量充注料的目的。
虽然参考附图所示的优选方式特别地示出并描述了本发明，但本领域技术人员 应了解在不偏离权利要求书所限定的本发明的精神与范围的情况下可对本发明做出各种 细节变化。
权利要求
1.一种利用CO2作为工作流体从而需要以跨临界循环操作的类型的蒸汽压缩系统， 其以串联工作流体流动关系包括气体冷却器，其用于接收较高温度的CO2蒸汽且排放较低温度的CO2蒸汽；充注料存储容器，其用于从所述气体冷却器接收CO2制冷剂且排放液体形式的 CO2;位于所述气体冷却器与所述充注料存储容器之间的膨胀阀；用于从所述充注料存储容器接收液体CO2且排放CO2蒸汽与液体的混合物的膨胀阀；蒸发器，其用于接收CO2蒸汽与液体的混合物，且排放CO2蒸汽；以及，数字涡旋式压缩机，其响应于可变的占空比信号来通过以脉冲宽度调制方式调制相 应负载状态与卸载状态时间而改变其容量，所述压缩机从所述蒸发器接收低压CO2蒸 汽，且向所述气体冷却器排放高压CO2蒸汽。
2.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其中所述充注料存储容器包括闪蒸槽，闪蒸槽 适于在其中容纳CO2蒸汽与CO2液体。
3.如权利要求1所述的蒸汽压缩系统，其包括气体冷却器风扇和多速电机，所述多速 电机能以高速或低速驱动所述风扇。
4.如权利要求3所述的蒸汽压缩系统，其包括控制装置，用于确定蒸汽压缩系统是以 全负载操作状况操作还是以部分负载操作状况操作，以及用于根据全负载操作状况或部 分负载操作状况以高速或低速操作所述风扇电机。
5.如权利要求4所述的蒸汽压缩系统，其中如果所述系统以部分负载状况操作，所述 控制装置以低速操作所述风扇。
6.如权利要求5所述的蒸汽压缩系统，其中所述控制装置然后通过操作来缩短所述负 载状态操作时间。
7.如权利要求4所述的蒸汽压缩系统，其中如果所述系统以全负载操作状况操作，所 述控制装置适于以高速操作所述风扇。
8.如权利要求7所述的蒸汽压缩系统，其中所述控制装置然后可通过操作以按照防止 所述压缩机过载所必需地来缩短所述负载状态操作时间。
9.如权利要求8所述的蒸汽压缩系统，其包括传感器用于获得所述压缩机操作的压力 比的指示且向所述控制装置发送代表信号。
10.一种控制制冷剂蒸汽压缩系统的方法，所述制冷剂蒸汽压缩系统为具有带多速风 扇的气体冷却器且被设计成以跨临界循环的类型，所述方法包括以下步骤提供数字涡旋式压缩机，所述数字涡旋式压缩机具有通过以脉冲宽度调制方式调制 相应负载状态与卸载状态时间而改变其容量的能力；以及在部分负载操作状况时间段期间，以低速操作所述风扇且缩短所述数字涡旋式压缩 机的负载状态操作时间。
11.如权利要求10所述的方法，包括以下步骤以串联流动关系在所述气体冷却器的下游提供膨胀阀和充注料存储容器；以及传感指示压缩机压力比的状况且改变所述膨胀阀以控制所述压力比。
12.—种控制制冷剂蒸汽压缩系统的方法，所述制冷剂蒸汽压缩系统为具有带多速风扇的气体冷却器且被设计成以跨临界循环操作的类型，所述方法包括以下步骤提供数字涡旋式压缩机，其具有通过以脉冲宽度调制方式来调制相应负载状态与卸 载状态时间而改变其容量的能力；在全负载操作状况时间段期间，以高速操作所述风扇；以及， 按照防止所述压缩机过载所必需地来缩短所述负载状态操作时间。
13.如权利要求12所述的方法，其包括以下步骤以串联流动关系在所述气体冷却器的下游提供膨胀阀与充注料存储容器；以及 传感指示所述压缩机的压力比的状况且改变所述膨胀阀来控制所述压力比。
全文摘要
本发明提供一种制冷剂蒸汽压缩系统，其使用CO2作为工作流体且以跨临界循环操作，通过使用数字涡旋式压缩机来实现这种制冷剂压缩，数字涡旋式压缩机以脉冲宽度调制的方式适应可变的占空比。取决于操作模式，通过选择性地控制系统内的各种构件来维持压缩比在可接受的水平。
文档编号F25B1/04GK102027300SQ200980117112
公开日2011年4月20日 申请日期2009年5月13日 优先权日2008年5月14日
发明者L·Y·刘, Y·H·陈 申请人:开利公司