制冷系统的制作方法

本发明涉及制冷系统和操作制冷系统的方法。

背景技术：

可通过利用制冷循环的制冷系统来提供制冷或加热，在制冷循环中，压缩、冷却、膨胀且然后加热制冷剂流体。

在使用制冷系统来满足冷却负载的情况下，制冷剂流体的冷却可经由排热热交换器将热量排到大气中来完成，且制冷剂流体的加热可经由吸热热交换器从待冷却的对象（如用于低温存储的制冷空间或建筑物的内部）吸收热量来完成。以此方式，即使当内部比大气冷时，制冷系统也可将热量从制冷空间或建筑物内传递到制冷空间或建筑物外。

备选地，制冷系统可用作热泵以满足热量需求。在此情况下，吸热热交换器可用于从低温源吸收热量，其中制冷回路然后将热量排到待加热的较高温度的对象。再次例如，这可能是建筑物的内部。

申请人认为，仍有改进制冷系统的机会。

技术实现要素：

本发明提供一种制冷系统，包括：

制冷回路，包括压缩装置、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器；

一个或多个传感器，其配置成测量与排热热交换器相关联的压力；以及

控制器，其配置成将由一个或多个传感器测量的压力与预测压力进行比较，并基于该比较来控制膨胀装置。

基于与排热热交换器相关联的测量的压力与对应的预测压力之间的比较来控制膨胀装置可改进制冷系统的功能，具体是通过稳定制冷系统的操作、拓宽该系统可操作的条件（即扩大其操作范围），并提高制冷系统的效率。

申请人已经认识到，制冷回路（的排热热交换器）内的制冷剂流体的液体段塞（或“段塞流”）现象（和类似的不稳定性）可能导致制冷系统不稳定，从而降低系统可以可靠地操作的条件，并降低其效率。

申请人还认识到，可通过将测量的压力与对应的预测压力进行比较来检测制冷回路（的排热热交换器）内存在（或不存在）段塞流（或类似的不稳定性）。具体而言，如下面将更详细描述的，不存在段塞流现象（或类似的不稳定性）的排热热交换器内的最大压力可以（且在各种实施例中是）基于可容易地测量和/或确定的制冷系统的各种操作参数（除了测量的压力外）计算。测量的压力达到或超过此预测压力可指示段塞流（或类似的不稳定性）的存在。

申请人还认识到，可通过基于比较来控制膨胀装置来控制（例如消除或减少）段塞流现象（和类似的不稳定性）。例如，当检测到段塞流现象时（基于比较），可控制膨胀装置，以便增加通过制冷回路的制冷剂的流速，从而从排热热交换器冲洗制冷剂并消除或减少段塞流现象。

因此，将认识到，本公开提供了一种改进的制冷系统。

制冷剂流体可设在制冷回路内。制冷剂流体可包括任何合适的制冷剂流体，如具有液相和气相的混合物的两相制冷剂，例如，如r410a、r454b或r134a制冷剂，等等。在各种特定实施例中，制冷剂流体包括r32制冷剂。诸如润滑油的油还可选地可与制冷剂流体一起提供到制冷回路内。

压缩装置可为用于提高制冷剂流体的压力的任何合适的装置，且因此可为压缩机。压缩装置可具有连接到来自吸热热交换器的流体路径的入口和连接到通向排热热交换器的流体路径的出口。

排热热交换器可为冷凝器。排热热交换器可包括微通道热交换器（mche）。排热热交换器可具有连接到来自压缩装置的流体路径的入口和连接到通向膨胀装置的流体路径的出口。

膨胀装置可为用于减小制冷剂流体的压力的任何合适的装置，如膨胀阀，或具有膨胀功能的分离器。膨胀装置可布置成诸如通过使用具有可控制的开度的阀来提供可控制的膨胀度。膨胀阀可为电子膨胀阀。膨胀阀的开度可由控制器控制。膨胀装置可具有连接到来自排热热交换器的流体路径的入口和连接到通向吸热热交换器的流体路径的出口。

吸热热交换器可为蒸发器。吸热热交换器可为钎焊板式热交换器（bphe）。吸热热交换器可具有连接到来自膨胀装置的流体路径的入口和连接到通向压缩装置的流体路径的出口。

一个或多个传感器可包括一个或多个压力传感器，其配置成测量与排热热交换器相关联的压力，如制冷流体的压力。一个或多个传感器可配置成测量排热热交换器内的制冷流体的压力或指示排热热交换器内的制冷流体压力的压力。一个或多个传感器可包括压力传感器，其位于排热热交换器的入口附近，即，在压缩装置和排热热交换器之间。

一个或多个传感器可配置成（在操作中）基本上连续地或周期性地测量（制冷流体的）压力。该系统可配置成使得指示由一个或多个传感器测量的压力的信息发送到控制器（并且由控制器接收）。

控制器可配置成计算（预测）预测压力。在操作中，控制器可配置成基本上连续地或周期性地计算（预测）预测压力。

预测压力可（大约）是在没有段塞流（或类似的不稳定性）的情况下将可能的与排热热交换器相关联（例如在其中）的制冷流体的最大压力。

将认识到，该压力可例如取决于制冷系统的特定操作条件而变化。因此，控制器可配置成使用制冷系统的一个或多个测量和/或确定的参数（除了测量的压力外）来计算预测压力。

对应地，系统可配置成测量和/或确定一个或多个参数中的一个或多个或每个。在操作中，系统可配置成基本上连续地或周期性地测量和/或确定一个或多个参数中的一个或多个或每个。

一个或多个参数可包括：（i）室外空气温度；（ii）与吸热热交换器相关联的温度，如吸热热交换器的温度；（iii）压缩装置的容量（吨位）；（iv）与排热热交换器相关联的面积，如排热热交换器的面积；（v）与制冷回路相关的压力比；以及/或（vi）风扇速度。申请人已经认识到可使用这些参数来计算合适的预测压力。

这些参数中的一个或多个或每个可用于计算预测压力。这些参数中的至少一个或多个或每个可由制冷系统测量和/或确定（实时）。然而，这些参数中的一个或多个可为恒定的（在此情况下，系统无需测量或确定参数，而是可改为使用适当的恒定值，例如其可存储在存储器中）。

控制器配置成将测量的压力与预测的压力进行比较。在操作中，控制器可配置成基本上连续地或周期性地将测量的压力与预测压力进行比较。

控制器配置成基于比较来控制膨胀装置。控制器可配置成基于比较来控制膨胀装置的膨胀度。控制器可配置成基于比较来控制膨胀装置的膨胀阀的开度。

当测量的压力小于预测压力时，控制器可控制膨胀装置，以便维持通过制冷回路的期望制冷剂流速。这可包括控制器控制膨胀阀以便将其开度维持在第一值。

当测量的压力大于或等于预测压力时，控制器可控制膨胀装置，以便暂时增加通过制冷回路的制冷剂流速。这可包括暂时增加膨胀阀的开度。在一些相对短的时间段内，如在几秒或几十秒的时间段内，膨胀阀的开度可增加到例如大约2倍或3倍。

以此方式增加膨胀装置的开度将具有增加通过制冷回路的制冷剂的流速的效果，从而从排热热交换器冲洗制冷剂并消除或减少段塞流现象。通过仅在一些相对短的时间段内暂时增加膨胀装置的开度，可以以不显著影响制冷系统的功能，即不显著影响由制冷系统提供的制冷（或加热）的方式来做到这一点。

因此，当测量的压力大于或等于预测压力时，控制器可控制膨胀阀，以便暂时将其开度从第一值增加到第二值，其中第二值大于第一值。控制器可控制膨胀阀，以便在一时间段内将其开度维持在第二值，并然后（在该时间段之后）可控制膨胀阀，以便使其开度返回至第一值（或其它一些期望值）。

在各个实施例中，第二值与第一值之比可为例如（i）≥1.5；（ii）≥2；（iii）≥2.5；（iv）≥3；（v）≥3.5；或（vi）≥4。在各种实施例中，时间段可为例如（i）1-10秒；（ii）10-20秒；（iii）20-30秒；（iv）30-40秒；（v）40-50秒；（vi）50-60秒；或（vii）>60秒。

本发明还提供一种操作制冷系统的方法，该制冷系统包括制冷回路，该制冷回路包括压缩装置、排热热交换器、膨胀装置和吸热热交换器，该方法包括：

测量与排热热交换器相关联的压力；

将测量的压力和预测压力进行比较；以及

基于比较来控制膨胀装置。

该方法可包括将制冷剂流体从吸热热交换器传递到压缩机，将制冷剂流体从压缩机传递到排热热交换器，将制冷剂流体从排热热交换器传递到膨胀装置，和/或将制冷剂流体从膨胀装置传递到吸热热交换器。该方法可包括压缩装置升高制冷剂流体的压力，和/或膨胀装置降低制冷剂流体的压力。

测量与排热热交换器相关联的压力可包括测量排热热交换器内的制冷流体的压力或指示排热热交换器内的制冷流体压力的压力。

测量与排热热交换器相关联的压力可包括基本上连续地和/或周期性地测量与排热热交换器相关联的压力。

该方法可包括计算预测压力。这可基本上连续地和/或周期性地完成。可使用制冷系统的一个或多个测量和/或确定的参数（除了测量的压力外）来计算预测压力。该方法可包括连续地和/或周期性地测量一个或多个参数。

一个或多个参数可包括：（i）室外空气温度；（ii）与吸热热交换器相关联的温度，如吸热热交换器的温度；（iii）压缩装置的容量（吨位）；（iv）与排热热交换器相关联的面积，如排热热交换器的面积；（v）与制冷回路相关的压力比；以及/或（vi）风扇速度。申请人已经认识到可使用这些参数来计算合适的预测压力。

将测量的压力与预测压力进行比较可包括基本上连续地和/或周期性地将测量的压力与预测压力进行比较。

膨胀装置可包括具有可控制的开度的阀，并且该方法可包括基于比较来控制膨胀阀的开度。

该方法可包括控制膨胀装置，以便在测量的压力小于预测压力时维持通过制冷回路的期望制冷剂流速。这可包括控制膨胀阀，以便将其开度维持在第一值。

该方法可包括控制膨胀装置，以便当测量的压力大于或等于预测压力时，暂时增加通过制冷回路的制冷剂流速。这可包括：当测量的压力大于或等于预测压力时，将膨胀阀的开度从第一值暂时增加到第二值，其中第二值大于第一值。该方法可包括控制膨胀阀，以便在一时间段内将其开度维持在第二值，并然后（在该时间段之后）控制膨胀阀，以便使其开度返回至第一值（或其它一些期望值）。

第二值与第一值之比可为大约（i）≥1.5；（ii）≥2；（iii）≥2.5；（iv）≥3；（v）≥3.5；或（vi）≥4。第一时间段可具有大约（i）1-10秒；（ii）10-20秒；（iii）20-30秒；（iv）30-40秒；（v）40-50秒；（vi）50-60秒；或（vii）>60秒的时间段。

制冷系统可用于满足冷却负载。在此情况下，制冷剂流体的冷却可通过排热热交换器将热量排到大气来完成，并且制冷剂流体的加热可通过吸热热交换器从待冷却的对象（如用于低温存储的制冷空间或建筑物的内部）吸收热量来完成。

备选地，制冷系统可用作热泵以满足热量需求。在此情况下，吸热热交换器可用于从低温源吸收热量，其中制冷回路然后将热量排到待加热的较高温度的对象（如加热空间或建筑物的内部）。

附图说明

现在将参考以下附图，仅以举例的方式描述本发明的某些优选实施例，在附图中：

图1是根据各种实施例的制冷系统的示意图；

图2是示出在没有各种实施例的技术的情况下操作的制冷系统的测量的压力随时间变化的曲线图；

图3是示出根据各种实施例的操作制冷系统的方法的流程图；以及

图4是示出根据各种实施例操作的制冷系统的测量的压力随时间变化的曲线图。

具体实施方式

如图1中所示，制冷系统包括一起形成制冷回路的压缩装置12、排热热交换器14、膨胀装置18和吸热热交换器16。制冷回路包含制冷剂流体，并且制冷剂流体经由压缩装置12的循环使制冷系统能够利用制冷循环（或热泵循环）来满足冷却（或加热）负载。

在该示例中，压缩装置12是用于压缩气态制冷剂流体的压缩机12，排热热交换器14是用于至少部分地冷凝制冷剂流体的冷凝器，膨胀装置18是用于使制冷剂流体膨胀的膨胀阀，并且吸热热交换器16是用于使制冷剂流体至少部分地蒸发的蒸发器。制冷系统可布置成使得流体在冷凝器14处完全冷凝，并在蒸发器16处完全蒸发。

还如图1中所示，该系统还包括控制器20，该控制器可从制冷系统接收各种输入，并且该控制器可配置成控制制冷系统的各个部分。控制器可包括合适的控制电路，该控制电路配置成使制冷系统以本文所述的各种实施例的方式操作。控制器可包括合适的处理电路，该处理电路配置成针对本文描述的各种实施例执行任何一个或多个或所有必要的处理操作。在各种实施例中，控制器可包括合适的计算装置（计算机）、微处理器系统、可编程fpga（现场可编程门阵列）等。

如图1中所示，控制器20可接收来自布置在排热热交换器14的入口处的压力传感器22的压力测量值作为输入。如将在下面进一步描述的，控制器可配置成从制冷系统（图1中未示出）接收其它输入。

控制器还可配置成通过控制膨胀阀的开度来控制膨胀装置18。控制器可配置成控制制冷系统的其它元件（图1中未示出）。

排热热交换器14可包括微通道热交换器（mche）。通常，这些热交换器已使用r410a或r134a制冷剂操作。

通过引入r32制冷剂，申请人已经认识到，排热热交换器14内的制冷剂流体的液体段塞（或“段塞流”）现象可能导致制冷系统不稳定，从而降低了系统可以可靠地操作的条件，并降低其效率。认为这是由于新的制冷剂/油混合物具有较低的制冷剂密度，但是具有较高的油粘度。当其它高压制冷剂（如r32、r410a、r454b等）与微通道热交换器（mche）一起使用时，也可发生类似现象。

图2是示出了在没有基于各种实施例的方式中的比较来控制膨胀装置18的情况下操作的制冷系统中，由传感器22测量的压力随时间变化的曲线图。图2还示出了膨胀阀18的开度随时间的变化。

在该示例中，系统最初以“正常”状态操作，由此膨胀阀18以期望的开度操作，在该示例中为大约7％。然而，在该示例中，在排热热交换器14内发生段塞流，且因此由传感器22测量的压力随时间升高直到达到最大允许操作压力。当达到最大允许操作压力时，控制器20通过完全关闭膨胀装置18来使制冷系统关闭。

这不利地给用户造成干扰，因为当系统在危险的高压下操作时，由于控制器20关闭系统而系统停止操作。

根据各种实施例，控制器20设有附加逻辑，以便消除或减少与段塞流相关联的问题。

具体而言，控制器20可配置成计算在没有段塞流现象的情况下预期由传感器22测量的最大压力值。该计算可使用制冷系统的操作参数（除了测量的压力之外）来完成，该参数可容易地测量和/或确定。测量的压力达到或超过此预测压力可指示段塞流（或类似的不稳定性）的存在。

在这方面，申请人已经认识到可基于室外空气温度、蒸发器温度、压缩机吨位、热交换器面积、压力比和风扇转速来确定合适的预测最大压力值。具体而言，可使用以下等式确定预测压力值：

。

在此等式中，“每盘管吨位（tonspercoil）”可为打开的压缩机数量除以回路的盘管数量；“oat”可为室外空气温度（其可由温度传感器测量）；“sst”可为回路的饱和吸入温度（其可由压力传感器测量，例如在吸入管上）；“pdischarge/psuction”可为回路的排出压力与吸入压力之比（其可由压力传感器测量，例如在排出管和吸入管上）；以及“rpmfan”可为回路的风扇频率（其可从软件确定）。应该注意的是，所有这些参数都可使用制冷系统中可能已经存在的传感器进行测量或确定，因此可能不需要额外的传感器。

各种系数a、b、c、d和e可针对所论述的特定制冷系统的需要来设定，例如取决于校准和/或变化的操作条件。例如，它们设置成以便考虑到盘管的污染等。

控制器20可配置成将由传感器22测量的压力与所计算的预测压力值进行比较。

如果由传感器22测量的压力值大于计算的预测值，则控制器20可控制膨胀阀18以便增加其开度，以便瞬时增加通过制冷回路的制冷剂的质量流速，从而降低排热热交换器14内的压力，并停止或减少排热热交换器14内的段塞流。

控制器20可控制膨胀阀18，以便在足够短的时间段内且在足够低的开度下增加其开度，使得压力波对制冷系统的操作的影响无关紧要，意味着其无法由用户检测到。

图3是示出用于控制膨胀阀18的控制器20的编程逻辑的流程图。

如图3中所示，控制器接收指示由传感器22测量的压力（“排出压力”）的信息。将压力测量值与最大系统压力进行比较，该最大系统压力使用上述等式计算得出。控制器20可配置成连续地或周期性地从传感器22接收读数，以连续地或周期性地计算最大系统压力，并且连续地或周期性地将测量值与最大系统压力进行比较。

如果压力测量值接近最大系统压力，则控制器20通过在特定量时间和特定开度下打开膨胀阀18来激活其“清洗盘管逻辑”，从而从系统消除任何段塞流。

图4是示出了基于各种实施例的方式中的比较，在控制膨胀装置18时操作的制冷系统中，由传感器22测量的压力随时间变化的曲线图。

在该示例中，系统最初以“正常”状态操作，由此膨胀阀18以期望的开度操作，在该示例中为大约7％。然而，在该示例中，在排热热交换器14内发生段塞流，且因此由传感器22测量的压力随时间升高。

然而，与此同时，系统以上述方式连续地计算最大压力。一旦测量的压力达到或超过计算的最大压力，则膨胀阀18的开度就会在短时间量（几秒或几十秒）内增加，并处于特定的开度百分比（在本示例中为大约18％），从而降低排热热交换器14内的制冷剂流体的压力，并消除和/或除去任何段塞流。

该过程在制冷系统的操作期间不断重复，使得压力永远不会达到最大允许操作压力。

有利地，这导致制冷系统的连续操作，而不会给用户造成干扰。这也可扩大制冷系统的操作范围，并提高其效率。

例如，在一些特定条件下，通过产生额外的过冷，低比例的液体段塞可提供更高的效率。低负载条件下的效率提升估计在高达5％。

将认识到，各种实施例提供了一种算法，该算法可检测段塞流现象并且可作用为确保在各种可能的操作条件下的稳定操作。连续监测热交换器14的压力，并且连续评估理论盘管压力。

当热交换器14的压力高于理论盘管压力时，激活清洗盘管逻辑。清洗盘管逻辑涉及在特定的时间段和打开位置上打开膨胀装置18，以便通过冲洗液体混合物几秒来清洗热交换器14的盘管，从而显著增加制冷剂流。

各种实施例有利地提供了系统的更稳定的操作，而对所提供的制冷没有任何可见的影响，拓宽了系统的操作范围，并改进了其效率。