控制到蒸发器的制冷剂流量的方法

专利名称：控制到蒸发器的制冷剂流量的方法
技术领域：
本发明涉及一种控制到布置于制冷系统中的蒸发器的制冷剂流量的方法。本发明的方法允许控制该制冷系统使得与使用现有技术方法的情况相比确保该蒸发器的制冷容量被更有效地利用。
背景技术：
制冷系统常常通过调整膨胀阀的开度和/或通过打开/关闭膨胀阀由此控制供应给蒸发器的液态制冷剂的量来操作。需要控制膨胀阀使得实现供应给蒸发器的全部液态制冷剂在离开蒸发器之前蒸发，并且使得混合相制冷剂存在于蒸发器的出口或刚好在蒸发器的出口前。在允许液态制冷剂离开蒸发器的情况下，会存在此液态制冷剂到达压缩机的风险，且这在某些情况下可能会对压缩机造成损害。另一方面，在液态制冷剂通过蒸发器的第一部分时蒸发的情况下，那么蒸发器的制冷容量将没有得到完全利用。制冷剂的过热提供关于是否实现了上述情形的信息。过热通常定义为流体的实际温度与该流体的沸点之间的差。由此，过热取决于流体的温度及压力。因此，过热是用于控制膨胀阀的开度的适当参数。通常需要制冷剂具有低但正的过热。当在这种情况下时，就实现了上述情形，即，蒸发器的制冷容量得到最大可能程度的利用，且将由于通过蒸发器的液态制冷剂而对压缩机造成损害的风险降至最低。因此，离开蒸发器的制冷剂的过热值应理想地为零。然而，当过热值为零时不能知道蒸发器是否以最佳方式操作，即，液态制冷剂在蒸发器中完全蒸发，或者是否大量液态制冷剂通过蒸发器。因此，在大部分现有技术制冷系统中，控制膨胀阀的开度使得维持(例如) 大约5-10K的正过热。因此，确保无液态制冷剂被允许通过蒸发器。然而，这样的后果就是蒸发器的制冷容量没有得到充分利用。在 A. Tambovtsev 禾口 H. Quack, "COP Improvements by Transfer of the Superheating into the Internal Heat Exchanger", ICR07-B2-1406 中ffii^I—禾中令系统和一种控制制冷系统的方法。该制冷系统具备额外的内部热交换器，该热交换器确保已被允许经过蒸发器的液态制冷剂在它到达压缩机之前被蒸发。由此得到略微湿的出口， 且因此能将蒸发器的整个传热面积用于蒸发制冷剂，且改进蒸发器的效率。然而，缺点在于在此论文中建议的解决方案需要额外的热交换器，因为这增加了制造制冷系统的成本及系统的复杂性。

发明内容
本发明的目的是提供一种控制到蒸发器的制冷剂流量的方法，其中，与现有技术的控制方法中的情况相比，该方法允许更大程度上利用蒸发器的制冷容量。本发明的另一目的是提供一种控制到蒸发器的制冷剂流量的方法，其中实现蒸发器的制冷容量增加的利用而无损害压缩机的风险。本发明的再一目的是提供一种控制到蒸发器的制冷剂流量的方法，该方法允许减少制冷系统的构件数量和复杂性。根据本发明，上述目的和其它目的通过提供一种控制到布置于制冷系统中的蒸发器的制冷剂流量的方法来实现，该制冷系统还包括膨胀阀和压缩机，该膨胀阀，该蒸发器和该压缩机被布置于制冷剂流动路径中，制冷剂在制冷剂流动路径中流动，该方法包括以下步骤
-增加膨胀阀的开度，由此增加到蒸发器(1)的制冷剂流量到足以基本消除蒸发器的干区；
-在经过一段时间后减小膨胀阀的开度，以及 -重复增加和减小所述膨胀阀的开度的步骤。制冷剂可为任何合适种类的制冷剂，例如，选自下列制冷剂组中的一种HFC， HCFC, CFC或HC。另一种适当的制冷剂是C02。根据本发明的方法一开始增加膨胀阀的开度。增加膨胀阀的开度增加了供应给蒸发器的制冷剂流量。开度被增加一定量且持续一段时间间隔，该时间间隔足以确保到蒸发器的制冷剂流量增加到足以基本上消除蒸发器的干区。这应解释为表示液态/混合制冷剂与气态制冷剂之间的边界移动到蒸发器的出口，或甚至超过出口，即，蒸发器中的制冷剂处于液态或者其为液态制冷剂和气态制冷剂的混合物。因此，离开蒸发器的制冷剂的过热值为零，且液态制冷剂很可能被允许通过蒸发器。在经过一段时间后，膨胀阀的开度减小到这样的开度，即该开度优选地减小到对应于执行增加膨胀阀的开度的步骤之前的膨胀阀的开度。因此，膨胀阀的开度短暂地增加， 且然后返回到由用于控制制冷系统的控制策略规定的水平。这样的结果就是到蒸发器的制冷剂流量减小到足以形成蒸发器的干区，即，液态制冷剂不再被允许通过蒸发器。由此，离开蒸发器的制冷剂的过热值增加到低但正的值。增加和减小开度的步骤重复进行，优选地多次进行。由此，膨胀阀的开度是‘脉动的’。膨胀阀的‘脉动的’开度造成离开蒸发器的制冷剂的过热值在零与低但正的值之间“切换”。由此与过热值始终保持在低、正水平的情况相比，离开蒸发器的制冷剂的平均值降低， 因为过热值被周期性地允许降低到零水平。由此蒸发器的制冷容量得到更有效的利用，即， 制冷系统以更有效方式操作。同时，确保只有少量的液态制冷剂被允许通过蒸发器，因为过热值仅在膨胀阀的开度再次减小之前被允许维持在零水平较短时间段，由此，增加过热到正值。因此排除了或者至少在很大程度上降低了由于通过蒸发器的液态制冷剂而对压缩机造成损害的风险。可增加膨胀阀的开度使得在增加该膨胀阀的开度之前增加制冷剂流量为制冷剂流量的5%-15%,诸如7%- 12%，诸如大约10%。增加和减小膨胀阀的开度的步骤可以以基本规律间隔重复。根据此实施例，膨胀阀的开度，和因此离开蒸发器的制冷剂的过热值以基本规律周期‘脉动’。作为替代，此周期可为可变的，例如，决定于制冷系统的各种操作条件。作为替代或作为补充，在膨胀阀的开度减小之前经过的时间段可有基本恒定的长度。根据此实施例，允许维持膨胀阀的增加开度的时间间隔基本上是恒定的，且因此是有限的。结果，离开蒸发器的制冷剂的过热值仅在有限的一段时间为零水平，且允许通过蒸发器的液态制冷剂的总量由此被限制到不会对压缩机造成损害的量。在重复增加膨胀阀的开度
4的步骤之前经过的时间段也可具有基本上恒定的长度，在这种情况下以基本规律间隔来重复增加和减小开度的步骤，如上文描述的那样。然而，在增加膨胀阀的开度的步骤之前经过的时间段替代地可具有可变的长度。或者，在膨胀阀的开度减小之前经过的时间段可具有可变的长度，所述可变的长度基于制冷剂的过热值的测量来确定。根据此实施例，优选地监控离开蒸发器的制冷剂的过热值。如上文所述，在增加膨胀阀的开度之后，离开蒸发器的制冷剂的过热值降低到零水平。当这种情况由用于监控过热值的传感器检测到时，可能在允许经过固定时间间隔以允许制冷剂保持在零水平一段时间后，将膨胀阀的开度减小到先前的开度。在重复增加膨胀阀的开度的步骤之前经过的时间段可为固定的或可变的，如上文所述的那样。在这个时间段是可变的情况下，其可同样基于制冷剂的过热值的测量来确定。在这种情况下，当检测到过热值增加到正值时可有利地增加膨胀阀的开度。从而确保过热值在大部分时间保持在零水平，同时确保仅有限量的液态制冷剂被允许通过蒸发器。该方法还可包括监控制冷剂的过热值的步骤。这可通过在蒸发器的出口处或蒸发器的出口附近放置过热传感器来实现。过热传感器可为一种单独地测量离开蒸发器的制冷剂的温度与压力的传感器，或它可为一种直接测量过热的传感器。在这种情况下该方法还可包括以下步骤在监控制冷剂的过热值的步骤表明在开度减小后过热保持在零水平的情况下，延迟增加膨胀阀的开度的步骤的开始。根据此实施例，增加和减少步骤的重复的‘脉动’周期和/或在重复增加步骤之前经过的时间段在正常条件下可有利地基本上恒定。然而，在过热值的测量表明过热值没有响应于减小膨胀阀的开度而增加到正值的情况下，这指示平均过热值太低，且因此存在允许过量液态制冷剂通过蒸发器的危险。为了防止这种情况，允许膨胀阀的开度在更长一段时间保持在较低值，例如，持续增加/减小循环的额外周期。如果过热值仍然保持在零值，可更进一步延迟增加膨胀阀的开度的步骤的开始，或甚至可减小膨胀阀的开度。因此，该方法还可包括以下步骤在监控制冷剂的过热值的步骤表明在减小开度后过热保持在零水平的情况下，减小该开度额外的量。在监控离开蒸发器的制冷剂的过热值的情况下，该方法可包括在下面意义上的 “跟踪功能”。过热值最初可相对较高，且因此少量地增加膨胀阀的开度将不足以允许过热值达到零水平。因此，作为在允许经过一时间段之后减小该开度的替代，再次少量地增加该开度。重复这种情况直到监控的过热值表明离开蒸发器的制冷剂的过热值已经达到零水平。然后如上文所述执行该方法，即，膨胀阀的开度是‘脉动的’。持续这种情况直到检测到在减小膨胀阀的开度后离开蒸发器的制冷剂的过热值保持在零水平。然后延迟增加膨胀阀的开度的步骤的开始，或者甚至减小膨胀阀的开度，如上文所述的那样。作为替代或补充，该方法可包括监控离开蒸发器的制冷剂的过热值和确定过热值增加还是降低。如果监控的过热值表明过热值‘太高’，即，它尚未达到零水平，尽管增加了膨胀阀的开度，但过热值降低，然后可决定维持膨胀阀的开度在当前水平，或甚至减小膨胀阀的开度以允许它如上文所述‘脉动’。这是因为降低的过热值表示过热值“处于正轨”。系统包括某种‘惯性’，在这个意义上，开度的增加以一些延迟反映在过热值的减小中。由此， 上文描述的方案防止过热值的降低地太多以至于导致允许过量液态制冷剂通过蒸发器。可作为滞后控制策略的叠加来执行增加和减小膨胀阀的开度的步骤。根据此实施例，膨胀阀的‘基本’开度是根据正常滞后控制策略来控制。当执行增加开度的步骤时，因此开度增加到高于正常滞后控制策略规定的开度的水平。当执行减小膨胀阀的开度的步骤时，开度返回到由滞后控制策略规定的开度。


现将参考附图更详细地描述本发明，其中
图1图示蒸发器和在正常操作期间作为沿着蒸发器的位置的函数的制冷剂的过热值； 图2示出当使用现有技术的控制策略来控制膨胀阀的开度时作为时间函数的过热； 图3示出当使用根据本发明的实施例的方法来控制膨胀阀的开度时作为时间函数的过热；
图4图示对于本发明的两个不同实施例作为时间函数的膨胀阀的开度； 图5图示对于本发明的另一实施例作为时间函数的过热和膨胀阀的开度；以及图6是根据本发明的实施例用于控制到蒸发器的制冷剂流量的控制系统的示意图。
具体实施例方式图1示出在制冷系统操作期间的蒸发器1。蒸发器1有第一区域2和第二区域3。 第一区域2包含液态/混合态的制冷剂，即，在蒸发器1的第一区域2中的制冷剂为液相或者为液态制冷剂与气态制冷剂的混合物。第二区域3包含纯气相的制冷剂。因此，制冷剂的蒸发发生在蒸发器1的第一区域2中，而不是发生在蒸发器1的第二区域3中，S卩，仅对应于第一区域2的蒸发器1的部分实际上被利用。在蒸发器1下方的曲线图说明了作为沿着蒸发器1的位置的函数的制冷剂的过热值。能够看出过热值在蒸发器1的第一区域2中为零。只要一到达第一区域2与第二区域 3之间的边界，过热值3就增加直到到达蒸发器1的出口开口 4。结果，在图1所图示的情形中，离开蒸发器1的制冷剂的过热值相对较高。可通过将第一区域2与第二区域3之间的边界朝向蒸发器的出口开口 4移动来降低离开蒸发器1的制冷剂的过热值，即，通过增加第一区域2的长度而减少第二区域3的长度。理想地，应完全消除第二区域3，S卩，第一区域2应基本上穿过整个蒸发器1延伸。然而，如上文所述，必须要小心防止大量的液态制冷剂被允许通过蒸发器1。图2是当使用现有技术的控制策略来操作包括蒸发器的制冷系统时示出作为时间函数的离开蒸发器的制冷剂的过热值的曲线图。可以看出过热值最初相对较高，但其逐渐减小到基本上恒定的低但为正的水平。图3是示出作为时间函数的离开蒸发器的制冷剂的过热值的曲线图。在图3所示的情形下，使用根据本发明的实施例的方法来控制到蒸发器的制冷剂流量。过热值最初处于相对高的水平且减小到低但为正的水平，类似于图2中示出的情形。当过热值达到该低但正的水平时，开始根据本发明的方法的步骤。因此，膨胀阀的开度增加，例如，大约10%。 由此，增加到蒸发器的液态制冷剂供应，且随后，蒸发器的第一区域与第二区域之间的边界朝向蒸发器的出口开口移动。这造成过热值降低，如5处所示，且过热值最终在6处达到零水平。在这点，第一区域延伸穿过蒸发器的整个长度，即，液态/混合态制冷剂存在于整个蒸发器中，且消除了蒸发器的干区。
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在经过一段时间之后，减小膨胀阀的开度，优选地到开始增加步骤之前的膨胀阀的开度。由此减少到蒸发器的液态制冷剂供应，且第一区域与第二区域之间的边界再次移动远离开口出口，即，在蒸发器中再次形成干区域。这使得离开蒸发器的制冷剂的过热值增加，如7处所示，直到过热值达到在8处的低但正的水平。然后重复增加和减小膨胀阀的开度的步骤。能从图3的曲线图中看出这使得过热值在零水平与低但正的水平之间“切换”。因此，平均过热值比该低但正的水平更低，且因此更有效地利用了蒸发器的制冷容量。但是，仍确保允许通过蒸发器的液态制冷剂量为足够小以防止对压缩机造成损害。图4是图示对于本发明的两个不同的实施例作为时间函数的膨胀阀的开度的曲线图。根据第一实施例9，开度增加了相对较大的量，且在较短的一段时间后减小该开度。 根据第二实施例10，开度增加了稍微更小的量，大约为第一实施例9的量的一半。根据第二实施例10，在开度减小之前经过的时间段更长，大约为根据第一实施例9经过的时间的两倍长。供应给蒸发器的液态制冷剂的总增加对于两个实施例9和10而言大约相同。这由阴影线部分的区域示出。图5图示对于本发明的另一实施例作为时间函数的过热和膨胀阀的开度。最初， 离开蒸发器的制冷剂的过热值相对较高，表明蒸发器的相对较长部分包含纯气态制冷剂。 增加膨胀阀的开度以使得过热减小。能够看出开度的增加对于过热具有预期效果，即，过热值降低，但不足以达到零值。因此，再次增加膨胀阀的开度，使得过热值进一步降低，但仍不足以达到零水平。膨胀阀的开度然后重复地增加直到过热值基本上达到11处的零水平。 当在膨胀阀的开度的最后一次增加后经过一段时间时，依据本发明的方法减小开度。膨胀阀的开度然后如上文所述“脉动”，因此使得过热值在零水平与低但正的水平之间‘切换’。图6示出布置于制冷系统中的蒸发器1。膨胀阀12控制供应给蒸发器1的液态制冷剂的流量。基于经由出口 4离开蒸发器1的制冷剂的过热值的测量来控制膨胀阀12的开度。利用过热传感器13来测量过热值。过热传感器13供应信号到偏移控制器14，偏移控制器14生成偏移控制信号，偏移控制信号取决于制冷系统上的负荷。过热传感器13还供应信号到脉冲控制器15，脉冲控制器15生成脉冲控制信号，该脉冲控制信号包括关于膨胀阀12的开度的增加/减小的脉动部分的预期频率及预期振幅的信息。由计算单元16将偏移控制信号和脉冲控制信号加起来。计算单元16供应控制信号给膨胀阀12，控制信号包含偏移部分以及脉动部分。然后根据控制信号来控制膨胀阀12的开度。在图6中图示了作为控制信号的脉动部分的结果，第一区域2与第二区域3之间的边界在两个极端位置之间移动。在极端位置之一，边界移到蒸发器1的出口 4位置，即， 离开蒸发器1的制冷剂的过热值为零，如上文所述的那样。在另一极端位置，第二区域3 占据蒸发器1的长度的大约一半，即，离开蒸发器1的制冷剂的过热值相对较高。
权利要求
1.一种控制到布置于制冷系统中的蒸发器(1)的制冷剂流量的方法，所述制冷系统还包括膨胀阀(12)和压缩机，所述膨胀阀(12)，所述蒸发器(1)和所述压缩机布置于制冷剂流动路径中，制冷剂在制冷剂流动路径中流动，所述方法包括以下步骤-增加膨胀阀(12)的开度，由此增加到蒸发器(1)的制冷剂流量到足以基本上消除所述蒸发器(1)的干区(3)，-在经过一段时间后减小所述膨胀阀(1 的开度，以及 -重复增加和减小所述膨胀阀(12)的开度的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述增加和减小所述膨胀阀(12)的开度的步骤以基本规律间隔重复。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述膨胀阀(12)的开度减小之前经过的时间段具有基本上恒定的长度。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在所述膨胀阀(12)的开度减小之前经过的时间段具有可变的长度，所述可变的长度基于制冷剂的过热值的测量来确定。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于还包括监控所述制冷剂的过热值的步骤。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于还包括以下步骤在监控所述制冷剂的过热值的步骤表明在减小所述开度之后过热保持在零水平的情况下，延迟增加所述膨胀阀的开度的步骤的开始。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于还包括以下步骤在监控所述制冷剂的过热值的步骤表明在减小所述开度之后所述过热保持在零水平的情况下，将所述开度减小额外量。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于作为滞后控制策略的叠加来执行所述增加和减小所述膨胀阀(12)的开度的步骤。
全文摘要
本发明公开了一种控制到布置于制冷系统中的蒸发器(1)的制冷剂流量的方法。该制冷系统还包括膨胀阀(12)和压缩机，膨胀阀(12)、蒸发器(1)和压缩机布置于制冷剂流动路径中，制冷剂在制冷剂流动路径中流动。该方法包括以下步骤增加膨胀阀(12)的开度，由此增加到蒸发器(1)的制冷剂流量到足以基本消除蒸发器(1)的干区(3)，在经过一段时间后减小膨胀阀(12)的开度，以及重复增加和减小膨胀阀(12)的开度的步骤。因此，膨胀阀(12)的开度是‘脉动的’。这使得离开蒸发器(1)的制冷剂的过热值在零水平与低但正的水平之间‘切换’。由此降低离开蒸发器(1)的制冷剂的平均过热值，且更有效地利用蒸发器(1)的制冷容量。同时，确保允许通过蒸发器(1)的液态制冷剂的量保持足够低以防止对压缩机造成损害。
文档编号F25B41/06GK102203525SQ200980144158
公开日2011年9月28日 申请日期2009年9月4日 优先权日2008年9月5日
发明者泰博 C., F. S. 拉森 L. 申请人:丹福斯有限公司