製冷系統的製作方法
2023-08-02 09:24:16
專利名稱：製冷系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及製冷系統，尤其涉及通過向壓縮機中注入液體製冷劑來控制從壓縮機中排放的製冷劑的溫度的技術。
背景技術：
製冷系統包括用來壓縮製冷劑的壓縮機、用來冷凝壓縮製冷劑的冷凝器、用來降低冷凝的製冷劑的壓力的減壓裝置和用來蒸發減壓的製冷劑以冷卻冰箱或類似裝置中的空氣的蒸發器。
在這種製冷系統中，需要防止壓縮機排出的氣體製冷劑的溫度(此溫度在下文中被稱作「排出氣體溫度」)超過設定溫度，以防止製冷劑變質和製冷劑中含有的制冷機油的粘度降低。因此，排出氣體溫度由排出氣體溫度傳感器檢測，如果檢測到的溫度不低於設定溫度，則在液體注入裝置的壓縮衝程中，液體製冷劑被注入壓縮機中的製冷劑中(例如，參見JP-A-09-159288)。
另外，由於被吸入壓縮機的製冷劑的壓力低，並且製冷劑的密度低，所以從壓縮機排出的氣體製冷劑的熱容量小。因此，在非穩態條件，例如壓縮機開始工作的情況下，氣體製冷劑的溫度被降低，因為從壓縮機排出的氣體製冷劑與管路等類似裝置接觸，它們在氣體製冷劑到達氣體傳感器之前吸收了氣體製冷劑的熱量。結果，在氣體傳感器檢測的溫度和實際的排出氣體溫度之間產生溫差，直到管路和類似裝置的溫度升高至穩態條件下的溫度。
然而，與JP-A-09-159288中披露的製冷系統相似，在根據排出氣體溫度傳感器的檢測值將液體製冷劑注入壓縮機的這種控制情況下，在控制開始時會產生延遲，從而排出氣體溫度將可能超過設定溫度。
發明內容
本發明的目的是控制排出氣體溫度至設定溫度，而不論製冷系統的操作狀態如何。
為此目的，本發明提供了一種製冷系統，包括吸取製冷劑以壓縮製冷劑的壓縮機、用來冷凝壓縮機排出的製冷劑的冷凝器、用來降低冷凝的製冷劑的壓力的減壓裝置、用來蒸發減壓的製冷劑的蒸發器、用來向壓縮機注入液體製冷劑的液體注入裝置、分別用於檢測吸入壓縮機的製冷劑的溫度和壓力以及從壓縮機排出的製冷劑的壓力的傳感器，以及依靠傳感器傳送的檢測值控制液體製冷劑注入量的控制裝置，其中，控制裝置根據傳感器傳送的檢測值，估計從壓縮機排出的氣體製冷劑的溫度，並根據估計溫度發出控制液體製冷劑注入量的指令。
也就是說，輸入壓縮機的能量與從壓縮機輸出的能量相等，因此從壓縮機排出的氣體製冷劑的溫度(排出氣體溫度)可通過吸入壓縮機的製冷劑的溫度(輸入氣體溫度)和壓力(輸入氣體壓力)以及排出壓縮機的氣體製冷劑的壓力(排出氣體壓力)獲得。
這裡，注意到，即使在製冷負荷突然變化的非穩態條件下，對於輸入氣體溫度、輸入氣體壓力和排出氣體壓力，傳感器的檢測值基本上等於實際值，因此，排出氣體溫度可從輸入氣體溫度、輸入氣體壓力和排出氣體壓力通過計算準確地估計出來。此外，通過根據估計的排出氣體溫度計算液體製冷劑的注入量，液體製冷劑的適當的量可被計算出來。因此，如果估計的排出氣體溫度超過設定溫度，通過控制液體製冷劑的注入量，即使在非穩態條件下，液體製冷劑仍能以適當的量被注入。
在此情況下，在穩態條件下，製冷負荷被穩定地保持時，傳感器檢測出的排出氣體溫度基本上等於實際值，因此，需要執行控制，以使液體製冷劑以基於傳感器檢測值的量被注入壓縮機。更具體而言，提供了用來檢測排出壓縮機的氣體製冷劑溫度的溫度傳感器，如果傳感器檢測值和估計溫度之間的偏差小於設定值，則根據溫度傳感器的檢測值控制注入壓縮機的液體製冷劑的注入量，但如果偏差超過設定值，則根據估計溫度控制液體製冷劑的注入量。
因此，根據本發明，排出氣體溫度可被控制到設定值，而不論操作條件如何。
通過以下結合附圖對本發明的實施例的說明，本發明的其它目的、特徵和優點將變得更加明顯。
圖1是應用本發明的第一個實施例的製冷系統的系統的示意圖；圖2是解釋注入液體製冷劑至壓縮機的控制的流程圖；圖3是說明應用本發明的第二個實施例的製冷系統的系統示意圖。
具體實施例方式
(第一個實施例)參見圖1和圖2，下文將解釋應用本發明的製冷系統的第一個實施例。參見圖1，它是描述本發明第一個實施例的製冷系統的系統示意圖，將對應用於冰箱中的製冷系統的實施例進行說明，但本發明不限於此實施例，它可被用在冷凍裝置、空調系統或類似裝置中。
參見圖1，用在冰箱中的製冷系統，包括向其內吸入製冷劑以壓縮製冷劑的渦旋式壓縮機(下文簡稱「壓縮機」)10、用來冷凝和液化壓縮機10排出的氣體製冷劑的冷凝器12、作為減壓裝置用來減壓被冷凝器12液化的製冷劑的膨脹閥14和用來蒸發被膨脹閥14減壓的製冷劑的蒸發器16等。此外，製冷劑管路18通過膨脹閥14將冷凝器12連接至蒸發器16。需要注意，除渦旋式壓縮機之外的任何類型的壓縮機均可被用作壓縮機10。
用來檢測被吸入壓縮機10的製冷劑的溫度(下文簡稱為「輸入氣體溫度」)的輸入氣體溫度傳感器24和用來檢測被吸入壓縮機10的製冷劑的壓力(下文簡稱為「輸入氣體壓力」)的輸入氣體壓力傳感器27被設置在壓縮機10的注入側。此外，用來檢測從壓縮機10排出的氣體製冷劑的壓力(下文簡稱為「排出氣體壓力」)的排出氣體壓力傳感器28被設置在壓縮機10的排出側。
壓縮機10通過液體注入迴路作為液體注入裝置被注入液體製冷劑。液體注入迴路包括從製冷劑管路18分出並連接到壓縮機10的中壓段的注入管路20，和連接到注入管路20中的作為流量調節裝置的流量調節閥22。在壓縮機的中壓段中，製冷劑處於壓縮衝程，也就是被壓縮，因此液體製冷劑通過注入管路20被注入這個階段中。需要注意，作為流量調節裝置，可以使用多個固定流速調節器(例如可更換的毛細管)和能夠逐步調整流速的電磁閥。此外，控制單元26被設置用來向流量調節閥22發出與輸入氣體溫度傳感器24、輸入氣體壓力傳感器27和排出氣體壓力傳感器28傳送的檢測值相應的指令。
下文將解釋組成上述製冷循環的製冷系統的基本操作。吸入壓縮機的製冷劑被壓縮，然後被排出。所述排出的液體製冷劑與例如大氣中的空氣進行熱交換，以在冷凝器12中被冷凝。所述冷凝的製冷劑通過製冷劑管路18導入膨脹閥14，以便被減壓。被減壓的製冷劑通過二級製冷劑(例如，空氣)在蒸發器16中被蒸發。被蒸發的製冷劑被返回至壓縮機10。通過蒸發器16中的製冷劑冷卻的二級製冷劑被導入冰箱。需要注意，用來冷卻冰箱內部的製冷循環的操作已被解釋，除了製冷劑的流動通過四通選擇閥被反方向引導之外，用來加熱熱負荷的製冷循環的操作基本上與上述操作類似。
參見圖2，根據本發明，在製冷系統起動時，向壓縮機10注入的例子中，向壓縮機10中注入液體製冷劑的控制操作將被解釋。圖2顯示了控制注入液體製冷劑至壓縮機10中的流程圖。圖中顯示的控制程序被裝在控制單元26中。
如圖2所示，獲得傳感器的檢測值(S102)。更具體而言，獲得由輸入氣體溫度傳感器24檢測的輸入氣體溫度T1、由輸入氣體壓力傳感器27檢測的輸入氣體壓力P1和由排出氣體壓力傳感器28檢測的排出氣體壓力P2。排出氣體溫度T2從輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2通過計算被估計出來(S104)。所述排出氣體的估計溫度T2與設定的排出氣體溫度T0進行比較(S106)。需要注意，設定溫度T0被預先確定，以防止製冷劑變質和製冷劑中含有的制冷機油的粘度降低，並設定在例如90至110攝氏度的範圍中。
在步驟106中，如果排出氣體的溫度T2不低於設定溫度T0，則確定排出氣體的溫度T2應當被降低，因此作為液體製冷劑的注入量的液體注入量Q(kg/sec)通過排出氣體的估計溫度T2和設定溫度T0之間的差值被計算出來(S108)。對應所述計算出的液體注入量Q(kg/sec)的指令被傳送給流量控制閥22(S110)。流量控制閥22根據傳送的指令被調整至預定的打開程度，從而使液體製冷劑從製冷劑管路18注入壓縮機10的中壓段。需要注意在步驟106中，如果排出氣體溫度T2低於設定溫度T0，則液體注入量Q(kg/sec)可根據排出氣體溫度T2和設定溫度T0之間的偏差被減少(S107)。
為了解釋排出氣體溫度T2的估計原理，考慮壓縮機10的能量守恆。也就是說，對壓縮機10的輸入能量和壓縮機10輸出的輸出能量必須是相等的，因此能量守恆能通過例如下述方程(公式)(1)表示。因此，從公式(1)中看出，除了排出氣體的溫度T2處，在步驟104中的值均可被測量出來。作為選擇，它們可由壓縮機10的規格預先確定。因此，排出氣體的溫度T2可通過公式(1)獲得。
輸入氣體的焓×製冷劑循環量(kg/sec)+壓縮需要的能量-排出氣體的焓×製冷劑循環量(kg/sec)＝通過液體注射注入的液體製冷劑的焓×液體注入量Q(kg/sec)(1)公式(1)中的參數可通過如下計算獲得輸入氣體的焓可從入口溫度T1、吸入壓力P1和製冷劑的物理性質通過計算得到。具體而言，通過將入口溫度T1和吸收壓力P1代入例如根據物理屬性確定的摩爾圖(例如，如R410之類的製冷劑)獲得。摩爾圖展示了製冷循環中焓和壓力之間關係。
製冷劑循環量(kg/sec)可從輸入氣體體積(m3/sec)、容積效率(％)和輸入氣體密度(kg/m3)獲得。需要注意輸入氣體密度是通過輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和製冷劑的物理屬性計算出來的。此外，容積效率是被實際吸入壓縮機10的製冷劑的體積變化指數，它是由製冷劑的洩漏或類似情況引起的，並且由壓縮機10的規格決定。
壓縮需要的能量可通過壓縮機10的整體絕熱壓力效率(％)、輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和壓縮機的規格計算出來。需要注意整體絕熱壓力效率(％)可由壓縮機10的規格決定。此外，代替計算，其可利用測量裝置測量注入壓縮機10的功率來獲得。
排出氣體的焓可從輸入氣體壓力P1、排出氣體溫度T2獲得。在步驟S104中，排出氣體溫度T2是通過計算估計出的值。
通過液體注射注入的液體製冷劑的焓可由注入壓縮機10的液體製冷劑的溫度和液體製冷劑的物理屬性計算出來。需要注意注入的液體製冷劑的溫度可從排出壓力P2獲得。做為選擇，它可通過溫度傳感器測得。
液體注入量Q(kg/sec)在壓縮機的啟動時刻被初始化為0，但在製冷系統的工作過程中，在步驟S110中計算出的直接液體注入量Q(kg/sec)可被使用。在本實施例中，對於輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2，因為即使在壓縮機啟動時或類似的非穩態情況下，它們在檢測值和實際值之間顯示了基本相同的值，所以實際的排出氣體溫度T2可根據輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2估計(推測)。因此，通過控制液體注入量Q，即使在非穩態條件下，液體製冷劑仍可被精確地注入。此外，通過根據估計的氣體溫度T2計算液體注入量Q，適當注入量的液體製冷劑可被注入至壓縮機10中。
也就是說，在此實施例中，可以在製冷循環的工作過程中，根據估計的排出氣體溫度T2執行預定的控制以控制液體注入量Q(kg/sec)。因此，在排出氣體到達如溫度傳感器之類的測量部分的過程中，即使當排出氣體的溫度通過與其接觸的部件(包括管路)的熱吸收被降低時，排出氣體溫度也能被適當地控制，因此可以防止因製冷氣體的過熱引起的製冷劑和制冷機油變質。因此，壓縮機10的滑動部分的潤滑可以被保證，從而可以防止壓縮機10被卡住。此外，由於溫度傳感器本身在檢測中的延遲的影響不會產生。
這裡需要注意在製冷系統工作過程中，代替根據估計的排出氣體溫度控制液體注入量Q(kg/sec)，在輸入溫度T1、輸入壓力P1和排出壓力P2逐漸變化的同時，測量排出氣體溫度T2，這樣獲得的測量值可被存儲在控制單元26的存儲器中作為數據表。此外，在製冷系統的工作過程中，通過對照表上的輸入溫度T1、輸入壓力P1和排出壓力P2以估計出排出氣體溫度T2，液體注入量Q(kg/sec)可被控制。
在製冷系統的工作過程中，代替根據估計的排出氣體溫度T2控制液體注入量Q(kg/sec)，可以使用數據表，其上存有根據逐漸變化的輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2獲得的排出氣體溫度T2的測量值，所述數據表被存在控制單元26的存儲器中。此外，在製冷系統工作過程中，已經被檢測的輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2與數據表進行對照，以估計排出氣體溫度T2，根據此溫度，液體注入量Q(kg/sec)可被控制。
除了本實施例之外，可以考慮在壓縮機中，就在壓縮衝程的下遊，結合溫度傳感器，以降低控制中的延遲。然而，它應結合到壓縮機10的耐壓密封容器中，相應地，導致複雜的結構或密封能力的降低，致使壓縮機10的可靠性變差。考慮此點，根據本實施例，即使不設置溫度傳感器，壓縮機10的排出氣體溫度仍可估計出來。
此外，在本實施例中，雖然說明了使用R410(重量比R3250％/R12550％)的結構，但是各種製冷劑均可以被使用。然而需要注意，R410A的潤滑性與例如含氯原子的R22或R12相比不高，與R404A(重量比R12544％/R143a52％/R134a4％)相比具有易升溫的傾向。因此，通過在使用R10A的製冷系統中應用本發明，本發明進一步地展示了它的技術效果和優勢。
(第二實施例)以下將參照圖3說明應用本發明的第二個實施例，參見圖3，它是說明本發明該實施例中的製冷系統的系統示意圖。第二個實施例的結構基本上與第一個實施例的相同，但是，在第二實施例中，穩態條件和非穩態條件被測定，然後根據測定的結果，液體注入量的控制模式被轉換。
參見圖3，與圖1顯示的第一個實施例相比，排出溫度傳感器30被設置在製冷系統中壓縮機10的排出側。在第二個實施例中，排出氣體溫度T3的檢測值被送入控制單元26。此外，與第一個實施例相似，排出氣體溫度T2也由控制單元26估計，以獲得排出氣體溫度T2和T3之間的溫差。如果所述獲得的溫差小於預定值，那麼確定製冷系統處於穩態。因此，根據排出溫度傳感器30測出的排出氣體溫度T3，液體注入量Q(kg/sec)可被控制。需要注意，穩態條件是指製冷系統穩定地工作，也就是，例如排出氣體溫度基本上等於與排出氣體接觸的管路或類似裝置的溫度。
此時，如果排出氣體溫度T2和T3之間的溫差不小於預定值，那麼確定製冷系統處於非穩態。因此，從輸入氣體溫度T1、輸入氣體壓力P1和排出氣體壓力P2通過計算估計排出氣體的實際溫度T2，如第一個實施例所述，基於估計的溫度T2，液體注入量Q(kg/sec)可被控制。
也就是說，當製冷系統處於穩態時，作為檢測值的排出氣體溫度T3，與排出氣體溫度T2相比，有更大可能性接近實際排出氣體溫度，因此優選執行基於排出氣體溫度T3的控制。同時，當製冷系統處於非穩態時，作為估計值的排出氣體溫度T2，與排出氣體溫度T3相比，有更大可能性接近實際排出氣體溫度，因此第一個實施例中描述的預測控制被優先執行。
根據該實施例，即使存在製冷系統從穩態條件至非穩態條件，或從非穩態條件至穩態條件的狀態重複變換，由於液體製冷劑能精確地以適當的量注入壓縮機10，所以可以進一步防止排出氣體溫度超過設定溫度T0。
雖然本發明以第一個和第二個實施例的形式進行了說明，但本發明並不限於這些實施例。例如，雖然壓縮機啟動的時候被作為非穩態的例子，但是本發明也能被用在制冷機的蓋被打開或關閉的情況下。也就是，本發明可被應用在由於製冷負荷相對突然地變化而引起被吸入壓縮機10的製冷劑的壓力和溫度變化的情況下。
此外，在多個壓縮機10被包括在製冷系統中的情況下，或構造其中包括多個製冷系統的多系統的情況下，由於任一壓縮機的重複啟動或停止，或工作的製冷系統的數量的增加或減少，而引起通過循環的製冷劑的量突然變化，通過應用本發明，可以進一步防止排出氣體溫度超過設定溫度T0。
本領域的技術人員還可進一步理解，雖然上述描述基於本發明的實施例，但是本發明並不限於此，各種改變和改進可以被做出，而不脫離本發明的精神和附加的權利要求的範圍。
權利要求
1.一種製冷系統，包括壓縮機，其用於吸取製冷劑以便壓縮製冷劑；冷凝器，其用來冷凝從壓縮機排出的製冷劑；液體注入裝置，其用來向壓縮機注入液體製冷劑；傳感器，其分別用於檢測吸入壓縮機的製冷劑的溫度和壓力以及從壓縮機排出的製冷劑的壓力；控制裝置，所述控制裝置依靠傳感器傳送的檢測值控制被注入壓縮機的液體製冷劑的注入量，其中，所述控制裝置根據傳感器傳送的檢測值，估計從壓縮機排出的氣體製冷劑的溫度，並根據估計溫度向液體注入裝置發出控制液體製冷劑注入量的指令。
2.一種製冷系統，包括壓縮機，其用於吸取製冷劑以便壓縮製冷劑；冷凝器，其用來冷凝從壓縮機排出的製冷劑；減壓裝置，其用來降低被冷凝的製冷劑的壓力；蒸發器，其用來蒸發被減壓的製冷劑；液體注入裝置，其用來向壓縮機注入液體製冷劑；傳感器，其分別用於檢測吸入壓縮機的製冷劑的溫度和壓力以及從壓縮機排出的製冷劑的壓力；控制裝置，所述控制裝置用於控制注入壓縮機的液體製冷劑的注入量，其中，所述控制裝置根據傳感器傳送的檢測值，估計從壓縮機排出的製冷劑的溫度，並根據估計溫度向液體注入裝置發出控制液體製冷劑注入量的指令。
3.根據權利要求1所述的製冷系統，其特徵在於所述控制裝置包括用來比較估計溫度和設定溫度的裝置，和計算裝置，如果估計溫度高於設定溫度，所述計算裝置根據估計溫度計算液體製冷劑的注入量。
4.根據權利要求2所述的製冷系統，其特徵在於所述液體注入裝置包括供液體製冷劑流過的注入通道，以及在該注入通道中連接的流量調節裝置，所述流量調節裝置用於根據從控制部分發送的指令來改變液體製冷劑的注入量。
5.根據權利要求1所述的製冷系統，其特徵在於提供用來檢測排出壓縮機的氣體製冷劑溫度的附加的溫度傳感器，如果第二傳感器的檢測值和所估計的溫度之間的偏差小於設定值，則控制裝置根據所述溫度傳感器的檢測值控制液體製冷劑的注入量，但如果所述偏差不小於設定值，則控制裝置根據估計溫度控制液體製冷劑的注入量。
全文摘要
一種製冷系統，包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器、分別檢測吸入壓縮機的製冷劑的溫度和壓力以及從壓縮機排出的製冷劑壓力的傳感器，包括輸入通道和連接在輸入通道中的流量控制閥的液體注入系統，和用來根據傳感器傳送的檢測值，估計壓縮機排出的氣體製冷劑的溫度，並根據估計溫度向流量調節閥送出控制液體製冷劑注入量指令的控制裝置，從而可以將從壓縮機排出的氣體的溫度控制為設定值，而不論工作狀態如何。
文檔編號F25B1/00GK1677016SQ200510062548
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月29日 優先權日2004年3月30日
發明者大西泰寬, 上杉秀史 申請人:株式會社日立空調系統