CN101341367A - 具有脉宽调制控制器的热泵 - Google Patents

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Abstract

一种热泵，提供有具有脉宽调制控制器以调整***容量的部件。因此，通过利用脉宽调制技术控制这个部件，本发明能够使热泵的运输容量精密地适合需求的容量而不使组件循环。在一个实施例中，所述部件具有脉宽调制吸入阀。在另一个实施例中，被调制的部件是压缩机泵单元，并且具体地，是允许彼此接触和分离的一对涡旋构件。也可结合具有节约器功能和/或卸载器功能的热泵来利用脉宽调制控制装置。

Description

具有脉宽调制控制器的热泵
技术领域
本发明涉及热泵，所述热泵可在冷却模式和加热模式下运转，并且其中至少一个部件被脉宽调制技术控制以改变热泵的容量。
背景技术
制冷***用于在各种待被调节的室内环境中控制空气的温度和湿度。在一般的运转于冷却模式的制冷***中，制冷剂在压缩机中被压缩并输送到冷凝器(或者在该情况下是室外热交换器)。在冷凝器中，热量在外部环境空气和制冷剂之间交换。制冷剂从冷凝器传送到膨胀装置，在所述膨胀装置，制冷剂被膨胀至较低的压力和温度，然后传送到蒸发器(或者室内热交换器)。在蒸发器中，热量在制冷剂和室内空气之间交换，从而调节室内空气。在制冷***运转时，蒸发器冷却正在供给到室内环境的空气。
以上描述是对用于冷却运转模式的制冷***的描述。在加热模式中，制冷剂流过***是基本上相反的。室内热交换器变为冷凝器并且将热量释放到要被调节的(在该情况下是被加热的)环境中，而室外热交换器用作蒸发器并与相对较冷的室外空气交换热量。热泵已知为这样的***：所述***能通过制冷循环反转制冷剂流动，以便于加热和冷却模式下运转。这通常通过将四通换向阀(或等价装置)结合到***设计中来实现，所述四通换向阀位于压缩机排出口的下游。在***分别处于运转的加热或冷却模式时，四通换向阀有选择地引导制冷剂流过室内或室外热交换器。此外，如果膨胀装置不能处理反转的流动，那么例如可以替代地使用一对各自带有止回阀的膨胀装置。
对制冷***的运转和控制面临很多难题。一个难题在于：受调节的环境所要求冷却或加热的容量可以改变。理想的是只提供所需的容量，因为能量效率和舒适度随着组件循环的量被减少或消除而改善。然而，热泵一般还没有提供在可能需要时保证充分可变性的特征以便使所需的容量连续地匹配组件输送的容量而没有频繁的循环。
在空调***中，已经提供了已知为脉宽调制控制的技术。在这个技术中，各种部件提供有脉宽调制控制器，其迅速地使部件循环“开”和“关”以改变容量。例如，脉宽调制吸入阀可迅速地打开和关闭以限制输送至压缩机的制冷剂的量。虽然这种脉宽调制控制器为空调***提供足够的性能可变性，但其到目前为止尚未引入到热泵中。
发明内容
在本发明的公开实施例中，四通换向阀有选择地在冷却模式中控制制冷剂从压缩机排出到室外热交换器的流动，或者在加热模式中控制制冷剂从压缩机排出到室内热交换器的流动。如前所述，制冷剂在任一模式下流过完整的循环并返回到压缩机。制冷剂流在其返回压缩机的途中再次经过四通换向阀。
为了提供由热泵***输送的容量的更大的可变性以符合外载荷要求，热泵***内的至少一个部件装备有脉宽调制控制器。在公开的实施例中，这个部件可以是脉宽调制吸入阀，其控制通过吸入管路流向压缩机的制冷剂的量。在另一实施例中，提供有脉宽调制控制器的部件可以是压缩机泵单元。在一个公开的示例中，在涡旋压缩机中，一对涡旋构件以脉宽调制的方式有选择地保持接触或者允许彼此离开，从而控制由压缩机压缩并输送至其它***部件的制冷剂的量。
通过利用脉宽调制控制器，本发明能够使输送的容量适于符合制冷热泵***所需的容量要求。在这些设置中，提供热泵使得能在运转的加热或冷却模式中更好地匹配输送的***容量和受调节的环境需求的容量(及其潜在的和明显的部件)。
在其它实施例中，节约循环(Economizer cycle)结合到热泵原理中以提供附加的容量控制。如已知的，节约循环主要使制冷剂流的一部分分流经过辅助膨胀装置。所述制冷剂流的一部分与主制冷剂流一起经过节约热交换器。在两个制冷剂流之间交换热量，分流的制冷剂冷却主制冷剂。分流的制冷剂一般以蒸汽状态离开节约热交换器。该蒸汽在压缩过程中的一些中间点返回到压缩机。主制冷剂流动传送到主膨胀装置，然后传送到下游热交换器(蒸发器)，由于经过节约热交换器所获得的附加冷却而具有更大的冷却能力。用于在热泵***中配置和结合节约循环的各种实施例公开于本发明。
本发明因此允许多个容量控制的附加步骤。在一个实施例中，卸载器功能允许部分压缩的制冷剂的至少一部分转向压缩机吸入口以减小容量。
因此，在本申请中公开的多个实施例允许使用带有脉宽调制的全部容量。控制器结合部件中的一个的调制也可以使用卸载器功能和节约器功能，以进一步控制***容量。
从以下详细说明和附图可最好地理解本发明的这些及其它特征，以下是对附图的简要说明。
附图说明
图1A是第一示意图；
图1B示出替代性的方法；
图2示出替代性的示意图；
图3示出替代性的示意图；
图4示出替代性的示意图；
图5示出用于标准节约热交换器的替代方案。
具体实施方式
图1A示出热泵制冷***20，热泵制冷***20包括压缩机22，压缩机具有排出管路23，排出管路23把压缩的制冷剂供给四通换向阀26。四通换向阀26有选择地在***运转于冷却模式时把制冷剂从排出管路23连通到室外热交换器24，或者在***运转于加热模式时把制冷剂从排出管路23连通到室内热交换器30。在任一情况中，制冷剂在离开压缩机之后从其首先遇到的热交换器转到主膨胀装置28。制冷剂从主膨胀装置28传送直到第二热交换器，并回到四通换向阀26。四通换向阀26将制冷剂沿管路送到吸入管路31中，吸入管路返回通向压缩机22。这是用于热泵***的非常简化的示意图。应当理解，更多的复杂***是可行的。脉宽调制阀40位于吸入管路31上。如已知的，脉宽调制吸入阀40可被快速循环以控制流过压缩机的制冷剂的量。以该方式，制冷***的容量可被控制。如所提到的，这种控制器是已知用于空调***的，但是还没有利用在热泵中。通过将该类型的控制器结合到热泵***中，处于加热运转模式或冷却模式的热泵的容量(和功率)能以非常有效的方式精确地适合所要求的容量。一般地，利用大约3秒至30秒的循环时间。
图1B示意地示出实施例301。已知涡旋压缩机的旋转涡旋构件302和非旋转涡旋构件304可通过腔室306中的气体压力一起被偏压。打开和关闭阀门310可控制腔室306中的压力。如图所示，在阀门310关闭时，阀门310经由制冷管路308与另一压力源连通，所述另一压力源所处的压力不同于腔室306中的压力。在腔室306中的压力降低到某一水平以下时，涡旋构件将彼此分离，于是压缩机抽吸的制冷剂的量减少。在腔室306中的压力增大到某一水平以上时，涡旋构件将彼此接触，然后恢复正常的压缩过程。阀门310可被脉宽调制控制器312控制。因此，通过调制腔室306中的压力，两个涡旋构件302和304可被允许周期地彼此离开和接触。应当注意，图1B所示的示意图只是为说明目的而示出。例如，代替允许涡旋构件304轴向地运动与涡旋构件302接触和脱离，涡旋构件302可被允许在涡旋构件304沿轴向方向保持基本静止的时候轴向地运动。此外，阀门312可位于压缩机的内部或外部。
控制器42(或312)根据许多因素提供由压缩机输送的制冷剂的量的变化。由于***20的容量需求改变，于是脉宽调制控制器可改变流过压缩机的制冷剂的量。而且，很可能的是，较少的制冷剂以冷却或加热模式中的一个模式理想地经过压缩机。此外，发明的控制器无疑允许某种改进。另外，如在下文所述的，卸载器旁路特征(如果可用的话)提供整个***的容量的进一步变化，并且提供更好地使控制器适合运转的加热或冷却模式的能力。
图2示出另一实施例***100，其中，第二路由阀(routing valve)102被定位以有选择地将来自热交换器24和30中的任一个的制冷剂选通到主流体管路103中。制冷剂通过路由阀102从热交换器24或30中的任一个流到液体管路103中。在运转的加热和冷却模式中，制冷剂最初从热交换器30或热交换器24转到液体管路103，通过节约热交换器104，然后通过主膨胀装置28。该制冷剂然后通过路由阀102向下游相应地流回到热交换器24或热交换器30。
如已知的，分流管路106有选择地从液体管路103分流制冷剂的一部分，然后将该分流的制冷剂转到节约膨胀装置108。该制冷剂流过节约热交换器104并冷却主制冷剂流。蒸汽注入管路110使分流的制冷剂返回到压缩机22的中间压缩点。虽然通过节约热交换器104的分流的制冷剂流和主制冷剂流以相同方向显示，但实际上，一般优选的是所述制冷剂流处于反向流动的关系。然而，为了说明的简便，所述制冷剂流被示出沿相同方向流动。而且，应当注意，辅助膨胀装置108和节约器流动转向点可位于节约热交换器104的下游。
如已知的，节约器功能允许通过主液体管路中的制冷剂的附加冷却提供增大的容量。此外，可使用脉宽调制技术控制位于吸入管路31上的脉宽调制阀40以使提供的容量适合需求的容量。节约器特征与任选的卸载器特征和脉宽调制控制器一起允许***以最少量的循环运转，从而符合特定的冷却/加热容量需求。
图3示出另一实施例，其中，以略微不同的方式实现节约器功能。在节约冷却模式中，已经经过位于分流管路上的冷却模式的节约膨胀装置204的分流的制冷剂通过蒸汽注入管路110返回到压缩机22。来自主液体管路的制冷剂通过冷却模式的节约热交换器202、主膨胀装置28和加热模式的节约热交换器206流到室内热交换器30，然后回到压缩机22。由于在该运转的模式中分流的制冷剂不会流过加热模式的节约热膨胀装置208，在加热模式的节约热交换器206中没有热交换。
当***200运转于节约加热模式时，整个***的制冷剂流动方向基本上反转，且分流的制冷剂流过加热模式的节约热交换器206，但不流过冷却模式的节约热交换器202。控制器控制节约膨胀装置204和208，使得它们也提供断流阀功能。当***200运转于冷却模式时，膨胀装置204打开，且膨胀装置208关闭。当***200运转于加热模式时，阀门的位置颠倒。再次，类似于图2实施例，节约器功能与控制器42控制的脉宽调制吸入阀40一起允许处于运转的加热或冷却模式的热泵***提供的容量与要求容量的精确匹配。
图4示出另一实施例220，其中，提供单个节约热交换器230。一对主膨胀装置224设置在节约热交换器的每一侧上。旁通管路222和止回阀226也设置在每个主膨胀装置224的周围。现在，制冷剂将根据运转的模式(冷却或加热)和制冷剂流动方向经过选择性主膨胀装置224中的一个，因为环绕所述膨胀装置的制冷剂的流动会被相应的止回阀226阻挡。同时，制冷剂流会被允许环绕另一膨胀装置流动，但不经过该膨胀装置。节约膨胀装置228和热交换器230以类似于图3实施例的方式运转，唯一的区别在于节约流被分流到节约热交换器230的上游或下游。此外，阀门40与节约器功能一起允许使提供的容量适合要求的容量，所述阀门40位于吸入管路31上，并由使用脉宽调制技术的控制器42控制。
图5示出实施例260，其中，节约热交换器被闪蒸罐262代替。如已知的，输入管路264是主液体管路。所述输入管路进入闪蒸罐262，在闪蒸罐262中，制冷剂液体266与蒸汽分离。所述蒸汽通过蒸汽注入管路268返回到压缩机中间口。回流液体管路270在下游传送到热交换器或附加的膨胀装置。
在上述实施例中的每一个实施例中，如图2实施例所示也可以结合卸载器功能。
因此，本发明提供不仅用卸载器功能控制容量，也用如已知的节约器功能控制容量的能力。然而，本发明也通过运转脉宽调制吸入阀40或通过使涡旋构件彼此分离以调制所述涡旋构件来提供增加的能力以控制容量、控制由压缩机(参见图1B)抽吸的制冷剂的量以进一步控制输送的容量。本领域普通技术人员会想到这种对容量的控制在何时是理想的。通过在运转的冷却或加热模式中使输送的容量和所需的容量精密地匹配，本发明允许减少***“开”和“关”的循环并从而增强***的性能以及改善调节空间的舒适度。一般来说，制冷***部件的脉宽调制占空比足够快速而不在调节环境中引起很大的温度波动。对于一般的应用，脉宽调制周期在3到30秒之间。
虽然已经公开了本发明的优选实施例，本领域普通技术人员会想到某些改进会落入本发明的范围。基于这个原因，应当学习所附权利要求以确定本发明的真正的范围和内容。

Claims (18)

1.一种热泵，包括：
压缩机，用于将压缩的制冷剂输送到排出管路；
路由流动控制装置，用于选择性地在处于冷却运转模式时将来自所述排出管路的制冷剂路由到室外热交换器，以及在处于加热运转模式时将来自所述排出管路的制冷剂路由到室内热交换器；以及
至少一个部件，设置有脉宽调制控制器，以控制经过这个部件的制冷剂的量。
2.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于：所述至少一个部件是脉宽调制吸入阀，所述脉宽调制吸入阀设置在吸入管路上，所述吸入管路将制冷剂输送到所述压缩机。
3.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于：脉宽调制周期在3和30秒之间。
4.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于：所述至少一个部件是压缩机泵单元。
5.根据权利要求4所述的热泵，其特征在于：所述压缩机泵单元被所述脉宽调制控制器调制，从而允许涡旋构件彼此接触和分离。
6.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于：所述热泵还设置有节约器功能。
7.根据权利要求6所述的热泵，其特征在于：所述节约器功能设置有节约热交换器。
8.根据权利要求6所述的热泵，其特征在于：所述节约器功能设置有闪蒸罐。
9.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于：卸载器功能选择性地将制冷剂的至少一部分卸载回到吸入管路，所述制冷剂的该至少一部分被所述压缩机至少部分地压缩。
10.一种运转热泵的方法，包括步骤：
(1)设置压缩机，所述压缩机设置有排出管路，所述排出管路与流动控制装置连通，用于选择性地在加热运转模式中将来自所述排出管路的制冷剂路由到室内热交换器，或者在冷却运转模式中将来自所述排出管路的制冷剂路由到室外热交换器；
(2)运转所述流动控制装置以选择性地将来自所述排出管路的制冷剂路由到所述室内热交换器和所述室外热交换器中的一个，并且将来自所述室内热交换器和所述室外热交换器中的另一个的制冷剂路由回所述压缩机；以及
(3)选择性地运转具有脉宽调制控制器的热泵中的至少一个部件，以改善热泵的输送容量和所需容量之间的匹配。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述至少一个部件是脉宽调制吸入阀，所述脉宽调制吸入阀设置在吸入管路上，所述吸入管路将制冷剂输送到所述压缩机。
12.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：脉宽调制周期在3和30秒之间。
13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述至少一个部件是压缩机泵单元。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述压缩机泵单元被所述脉宽调制控制器调制，从而允许涡旋构件彼此接触和分离。
15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述热泵还设置有节约器功能。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述节约器功能设置有节约热交换器。
17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述节约器功能设置有闪蒸罐。
18.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：卸载器功能选择性地将制冷剂的至少一部分卸载回到吸入管路，所述制冷剂的该至少一部分被所述压缩机至少部分地压缩。
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