CN101568777B - 带有排气至吸气旁路的脉宽调制 - Google Patents

带有排气至吸气旁路的脉宽调制 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种脉宽调制控制器，用于定位在吸气管路上的吸气阀。当制冷剂***中的流速需要降低时，吸气阀迅速地从打开位置循环至关闭位置。本发明还提供了置于压缩机排气侧上的排气阀和连接压缩机排气与压缩机吸气的旁路管路，该旁路管路具有旁路阀。当控制器关闭吸气阀时，它也关闭排气阀，以防止制冷剂回流进旁路管路，同时控制器打开旁路阀。旁路阀的打开降低了排气压力，使压缩机功率消耗减少及由此带来的操作效率增大。

Description

带有排气至吸气旁路的脉宽调制
技术领域
本申请涉及一种制冷剂***的控制，其利用脉宽调制技术来改善制冷剂***的控制，其将排气旁路与脉宽调制相结合来降低压缩机的功率消耗。
背景技术
很多应用场合都使用制冷剂***调节气候受控环境。具体地，空调和热泵用来冷却和/或加热进入气候受控环境的空气。环境条件、使用程度、可感觉的潜在负荷需求的变化、以及当环境的占用者调节温度和/或湿度设定点时，都可以引起环境冷却或加热负荷的变化。
人们已知调整制冷剂***容量的各种特征。本领域中已用于减少制冷剂***容量的一种方法是使用脉宽调制技术来控制压缩机吸气管路上的速动电磁阀。通过利用脉宽调制技术迅速循环该阀来提供额外而精确的容量控制。
脉宽调制控制的目标是有效地压缩质量流速已降低的制冷剂。当制冷剂***的热负荷需求低于满负荷压缩机提供的热负荷时就这样做。
然而，该技术并不总是能达到期望的效率改善的目标，因为即使吸气压力在吸气阀关闭(或几乎关闭)时显著降低，但排放压力仍然很高，从而造成压缩机功率消耗高于所期望的。此外，排气侧的压缩制冷剂可能会回流进压缩腔，其进一步增加了压缩机功率消耗，这是由于对该回流制冷剂再压缩造成的。这个问题在未配备动态排气阀的压缩机(对于用在标准空调应用中的压缩机经常如此)中尤其严重。缺少动态排气阀引起处于排气压力的压缩制冷剂回流进压缩机的压缩腔，从而促使功率消耗增加。然而，该问题同样存在于具有动态排气阀的压缩机中，在这里制冷剂仍需压缩至排气压力。制冷类型的压缩机通常是使用动态排气阀压缩机的例子。
发明内容
在本发明公开的实施方式中，压缩机与制冷剂***相关联。该制冷剂***具有能够快速循环的阀。该阀安装在吸气管路上，并为该吸气阀提供脉宽调制控制器。该脉宽调制控制器可操作使该阀从打开位置迅速地循环至关闭位置，以通过控制输送至压缩机的制冷剂量来改变制冷剂***的容量。
提供旁路管路将压缩机排气侧连接至吸气侧；该旁路管路还包括旁路阀。当脉宽调制控制器将吸气阀移至关闭位置时，旁路阀打开。压缩制冷剂以这种方式返回至压缩机的吸气管路。在公开的实施方式中，旁路管路使制冷剂返回至吸气阀下游的位置。由于压缩机排气现在直接连接至吸气管路，因此制冷剂没有被压缩至高压，压缩机功率消耗得到大大减少。
尽管为了说明目的，针对包含涡旋压缩机的制冷剂***来描述本发明，但是本发明同样适用于其他类型的压缩机。
从以下的说明和附图，可以很好地理解本发明的这些和其他特点，接下来是附图的简要说明。
附图说明
图1是包含本发明的制冷剂***的示意图。
图2显示了压缩机的压力对容积曲线图。
具体实施方式
图1中所示的制冷剂***19具有涡旋压缩机21，该涡旋压缩机包含非旋转涡旋构件22和旋转涡旋构件24。人们已知，轴26由电机28驱动以使旋转涡旋构件24旋转。人们还已知，油槽32和轴26中的油通道34向压缩机21中的各种运动元件供油。
已知的是冷凝器36位于压缩机21的下游，膨胀装置38位于冷凝器36的下游，且蒸发器40位于膨胀装置38的下游。压缩机21由电机28驱动以压缩制冷剂和驱使制冷剂流过整个制冷剂***19也是已知的。
控制器30可以是微处理器，或是能对位于吸气管路212上的吸气调节阀210提供脉宽调制控制的其他类型控制器。应当理解的是，控制器30包括程序，该程序接受来自制冷剂***内的不同位置的输入，并确定何时需要开始吸气调节阀210的脉宽调制。用这样的吸气调节阀执行本发明的控制器在本领域中是已知的。该阀本身可为电磁阀，电磁阀同样是已知的。
现在，当控制器30确定希望减少制冷剂***19的容量时，使用脉宽调制控制器使吸气调节阀210迅速地从打开位置循环至关闭位置(循环率一般在3-30秒的范围内)。对于该脉宽调制循环，吸气调节阀210的关闭位置不必是完全关闭位置，吸气调节阀210的打开位置则不必是完全打开位置。
人们已知，压缩机外壳密封，使得当压缩机运行时，在制冷剂通过涡旋构件22和24中的一个相对另一个的旋转运动被压缩之后，腔121中产生吸气压力，以及在腔123中产生排气压力。
如图所示，排气阀200置于排气管202中(该阀也可置于排气管路206中，该排气管路206将排气管202连接至冷凝器36)。排气阀200可为电磁阀或可以是机械止回阀。在图示的实施例中，排气阀200是由控制器30控制的电磁阀。值得注意的是，当压缩机不在脉宽调制模式下运行时，此阀通常是打开的，使得制冷剂可相对畅通地流过排气管202到达冷凝器36。旁路管路204选择性地使来自排气管202(或排气管路206，或排气压力腔123)的制冷剂旁通回到吸气腔121。旁路阀216置于旁路管路204上。旁路阀216通常需要在脉宽调制阀210关闭(之前或之后)的0到0.2秒的时间间隔内打开。
当控制器将吸气阀210移至关闭位置时，排气阀200也关闭，并且旁路阀216打开。制冷剂通过这种方式从排气腔123回到吸气腔121。与此同时，关闭的排气阀200阻止制冷剂从排气管路206回流到排气腔123中。因此，可将排气腔123中的压力保持在与吸气腔121中的压力相同或几乎相同的低压下。这降低了压缩机电机28的功率消耗，因为制冷剂不再需要压缩至与冷凝器36中高压相对应的压力。排气阀200通常需要在脉宽调制阀210关闭(之前或之后)的0到0.2秒的时间间隔内打开。如果排气阀200是电磁阀，它通常可在阀210关闭的0到0.2秒的时间间隔内关闭。如果排气阀200是例如机械止回阀，它将自动关闭，因为来自冷凝器36的制冷剂将开始进入腔123，从而关闭排气阀200。
图2显示了所谓的PV曲线图，该曲线图代表压缩机21中的压缩过程。在该图中，P是压缩机21的涡旋构件内的变化的压力，而V是该涡旋构件内的变化的压缩容积。PV图覆盖的区域表示压缩机21消耗的功率。如图2所示，交叉影线区(ABC)表示当脉宽调制阀210处在关闭位置并且具有本发明的旁路布置时结合本发明的压缩机21所耗功。非交叉影线区(DEFG)表示当脉宽调制阀210关闭时在不带本发明的旁路管路的情况下的压缩机21消耗的功率。由此可知，本发明可节省大量能量，如图2中上述两区的比较所示。应当理解的是，该图是例示图，实际结果会随任何给定压缩机和操作条件而变化。同样如图2所示，点G表示当吸气调节阀210处在关闭位置时、在没有本发明的旁路布置的情况下压缩机吸气腔121内的压力。众所周知，对于带有密封电机的压缩机，该压力需要保持在一定的阈值以上(如果该压力减小到某值以下，所谓的“电晕放电”效应会破坏电机终端引脚，其发生在压缩机吸气腔121的近真空条件下)。通常情况下，该压力保持在约1psia水平。在没有旁路布置的情况下，排气腔123中的压力将为点F标明的排气压力。
当使用旁路布置时，该压力将释放至接近吸气压力的压力，如点C所示。由于在本发明的布置中，排气压力从F减小到C，因此电机可以减少功率的消耗，原因是压缩制冷剂所需的做功量减少了。此外，还应当注意的是，对于本发明的旁路布置，吸气压力将从由点G所指示的压力稍微增大到点C所指示的压力。出现这种情况是因为截留在排气侧的一些制冷剂再膨胀后回到吸气腔121，从而引起吸气腔121中的压力上升到点G所指示的压力以上，点G所指示的压力是现有技术的脉宽调制布置中的压力水平。
应当理解的是，虽然是针对包含涡旋压缩机的制冷剂***描述本发明的，但是本发明可适用各种压缩机类型包括螺杆压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机等。本发明也可应用于不同的制冷剂***，包括住宅空调应用、集装箱和载重拖车应用、热泵应用、超市应用、屋顶应用等。该制冷剂***还可包括一些额外特点，如经济回路，其采用具有蒸气注射管路的压缩机。压缩机也可以具有旁路管路，该旁路管路将制冷剂从中间压缩点旁通至吸气。如果采用中间点至吸气管路的旁路管路，那么经由该中间点至吸气的旁路管路也可建立本申请中所描述的排气旁路与压缩机吸气之间的连接。当然，本发明也适用于各种类型的制冷剂，例如R410A，R134a，R22，R407C，R744等。
尽管已公开了本发明的优选实施方式，本领域技术人员仍将承认在本发明范围内可作出某些修改。出于该原因，应根据权利要求书来确定本发明的真正范围和内容。

Claims (16)

1.一种制冷剂***，包括：
压缩机和电机，该压缩机将制冷剂压缩至排气压力，该电机驱动所述压缩机，所述压缩机被收容在外壳内；
冷凝器、膨胀装置和蒸发器，该冷凝器位于所述压缩机的下游，该膨胀装置位于所述冷凝器的下游，以及该蒸发器位于所述膨胀装置的下游；
吸气阀，其位于从所述蒸发器通到所述压缩机外壳内的吸气管路上；
控制器，其使用脉宽调制使所述吸气阀在打开位置和关闭位置之间循环，所述吸气阀处在关闭位置时阻止制冷剂从所述吸气管路中流过；以及
旁路管路，其选择性地将由所述压缩机压缩至排气压力的制冷剂旁通到所述吸气阀下游的位置，所述旁路管路包括旁路阀，所述旁路阀由所述控制器控制，当所述控制器关闭所述吸气阀时，所述旁路阀打开。
2.如权利要求1所述的制冷剂***，其中：所述压缩机选自由旋转式压缩机和往复式压缩机组成的组。
3.如权利要求2所述的制冷剂***，其中：所述压缩机选自由涡旋压缩机和螺杆压缩机组成的组。
4.如权利要求1所述的制冷剂***，其中：在所述压缩机的排气侧上还布置有排气阀，该排气阀在所述旁路管路的下游。
5.如权利要求4所述的制冷剂***，其中：当所述吸气阀被控制关闭时，所述排气阀关闭，所述旁路阀则被控制打开。
6.如权利要求5所述的制冷剂***，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内关闭所述排气阀。
7.如权利要求5所述的制冷剂***，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内打开所述旁路阀。
8.如权利要求1所述的制冷剂***，其中：所述旁路管路使制冷剂返回至所述吸气管路的位于所述吸气阀下游的位置。
9.如权利要求1所述的制冷剂***，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内打开所述旁路阀。
10.一种操作制冷剂***的方法，包括以下步骤：
(1)提供用于将制冷剂压缩至排气压力的压缩机和用于驱动所述压缩机的电机，所述压缩机被收容在外壳内；
(2)提供位于所述压缩机下游的冷凝器、位于所述冷凝器下游的膨胀装置、以及位于所述膨胀装置下游的蒸发器；
(3)提供吸气阀，该吸气阀位于从所述蒸发器通到所述压缩机外壳内的吸气管路上；
(4)提供控制器使用脉宽调制使所述吸气阀在打开位置和关闭位置之间循环，所述吸气阀处于关闭位置时阻止制冷剂从吸气管路中流过；以及
(5)通过旁路管路选择性地将由所述压缩机压缩至排气压力的制冷剂旁通到所述吸气阀下游的位置，所述旁路管路包括旁路阀，所述旁路阀由所述控制器控制，当所述控制器关闭所述吸气阀时，所述旁路阀打开。
11.如权利要求10所述的方法，其中：在所述压缩机的排气侧还布置有排气阀，该排气阀在所述旁路管路的下游。
12.如权利要求11所述的方法，其中：当所述吸气阀被控制关闭时，所述排气阀关闭，所述旁路阀则被控制打开。
13.如权利要求12所述的方法，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内关闭所述排气阀。
14.如权利要求12所述的方法，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内打开所述旁路阀。
15.如权利要求10所述的方法，其中：所述旁路管路使制冷剂返回至所述吸气管路的位于所述吸气阀下游的位置。
16.如权利要求10所述的方法，其中：在所述吸气阀关闭的0到0.2秒之间的时间间隔内打开所述旁路阀。
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