專利名稱：帶有分離式傳感器裝置的熱泵控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及空調(diào)器、熱泵和致冷設(shè)備的電子控制系統(tǒng)。更確切地說，本發(fā)明涉及使用數(shù)字電路的裝置和方法，用來控制通過致冷系統(tǒng)的致冷劑流量，以便獲得最佳的效率和延長元器件的使用壽命。
空調(diào)器系統(tǒng)，熱泵系統(tǒng)和致冷設(shè)備均需要使用相當(dāng)大量的電能。每年，愈來愈多的住戶和商業(yè)大樓將安裝大量的空調(diào)器系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)。由于電能的需求量上升，以及電能價格變得更加昂貴，人們迫切期待提高致冷循環(huán)系統(tǒng)的效率。
已經(jīng)呈現(xiàn)出很有前途的一種方法是測量通過系統(tǒng)的致冷劑。致冷劑因在通常稱為蒸發(fā)器螺旋管的熱交換器汽化而引起冷卻。對通過限流管(有時稱為調(diào)節(jié)閥)進(jìn)入蒸發(fā)器螺旋管的致冷劑進(jìn)行測量。理想的情況是，致冷系統(tǒng)應(yīng)該測定出剛好足夠的致冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器螺旋管中，當(dāng)致冷劑汽化時，在遍及螺旋管的整個長度內(nèi)，致冷劑均吸取熱量。由于系統(tǒng)的動態(tài)特性的變化，溫度自動調(diào)節(jié)器的設(shè)定值的改變，以及陽光、風(fēng)力等負(fù)荷方面的變化，其最佳性能特性不總是容易實(shí)現(xiàn)的。
例如，當(dāng)蒸發(fā)器螺旋管的周圍的溫度較高時，致冷劑很快地從液態(tài)轉(zhuǎn)化成氣態(tài)，此時，不可能有足夠液態(tài)的致冷劑注入到整個的螺旋管中。當(dāng)這種情況發(fā)生時，效率遭受損失，因?yàn)?，?shí)際上有一部分蒸發(fā)器螺旋管沒有起作用。相反地，如果蒸發(fā)器螺旋管周圍的溫度較低時，沒有足夠的熱量讓所有的致冷劑從液態(tài)汽化到氣態(tài)。當(dāng)這種情況發(fā)生時，液態(tài)致冷劑可能進(jìn)入壓縮機(jī)中，降低了效率，有可能損害壓縮機(jī)。普通的致冷系統(tǒng)均使用一些不同類型的控制方案，用來測量進(jìn)入蒸發(fā)器螺旋管中的致冷劑。雖然取得了某些成功，但仍有大量尚須解決的問題。
本發(fā)明的目的是，通過采用微處理機(jī)控制系統(tǒng)和數(shù)字式控制閥門，致力于解決這類問題。由于使用了分離式傳感器，有可能對致冷劑進(jìn)行精確的測量，從而，可以消除因系統(tǒng)動態(tài)變化而引起的上述麻煩的誤差，這種控制系統(tǒng)能在至今難以達(dá)到的低溫條件下保持高效率的工作狀態(tài)。
本發(fā)明的結(jié)果是，獲得了一種高效率和較適用的現(xiàn)代化的空調(diào)器系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)。因?yàn)榭梢跃_地控制致冷劑的流量，使液態(tài)致冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)的可能性大大減少，其結(jié)果是延長了壓縮機(jī)的使用壽命。
參考附圖，并通過下面的詳細(xì)說明，可以更完整地理解本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)。
圖1表示基本的致冷循環(huán)系統(tǒng)的示意圖;
圖2表示本發(fā)明提出的致冷控制系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施例在熱泵中使用的示意圖;
圖3a和3b表示壓縮機(jī)過熱溫度和壓縮機(jī)排出溫度之間的關(guān)系的曲線圖;
圖4表示本發(fā)明采用的分離式傳感器裝置的示意圖;
圖5與圖4相似，表示現(xiàn)有技術(shù)的溫度傳感器裝置的示意圖;
圖6表示為減小輻射熱的影響而本發(fā)明所采用的環(huán)境溫度傳感器的優(yōu)選設(shè)置方式的剖視圖;
圖7表示在各種室外環(huán)境溫度下壓縮機(jī)排出溫度和壓縮機(jī)過熱溫度之間的關(guān)系的曲線圖，推薦出最大系統(tǒng)效率下工作的過熱范圍;
圖8表示在冷卻狀態(tài)下壓縮機(jī)排出溫度和室外空氣溫度之間的關(guān)系的曲線圖;
圖9表示在加熱狀態(tài)下壓縮機(jī)排出溫度和室內(nèi)空氣溫度之間的關(guān)系的曲線圖;
圖10表示本發(fā)明提出的調(diào)節(jié)閥設(shè)定值的校正速率和室外空氣溫度之間的函數(shù)關(guān)系的曲線圖;
圖11表示按本發(fā)明提出的優(yōu)選方式，根據(jù)溫度誤差以步數(shù)或增量形式改變調(diào)節(jié)閥設(shè)定值的示意圖。
本發(fā)明提出了為獲得最優(yōu)性能的致冷循環(huán)系統(tǒng)而采用的裝置和方法，該系統(tǒng)可使用于空調(diào)器、加熱泵和致冷設(shè)備中。本致冷循環(huán)系統(tǒng)采用了含有獨(dú)特的傳感器和電子控制調(diào)節(jié)閥的微信息處理器控制系統(tǒng)，以便最優(yōu)地控制系統(tǒng)的過熱狀態(tài)。為了詳細(xì)地說明本發(fā)明的基本原理，將敘述一種具有加熱和冷卻功能的加熱泵系統(tǒng)。該類加熱泵系統(tǒng)可適用于加熱和冷卻商業(yè)大樓或公寓樓，不過本發(fā)明的基本原理不局限于商業(yè)大樓或公寓樓的加熱和冷卻，它能適用于所有泵式的熱交換器系統(tǒng)。
然而，在詳細(xì)介紹本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例之前，結(jié)合附圖1所示基本冷卻系統(tǒng)，先對致冷循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行簡要的評述。
致冷循環(huán)系統(tǒng)是利用汽化冷卻效應(yīng)以降低溫度或?qū)χ車h(huán)境進(jìn)行“空調(diào)”，為實(shí)現(xiàn)上述的冷卻，讓高壓的致冷劑(通常處于液態(tài))釋放到低壓區(qū)域，使致冷劑膨脹，變成一種低溫的氣態(tài)和液態(tài)的混合物。通常，這低壓區(qū)域包括一個蒸發(fā)器螺旋管，例如蒸發(fā)器螺旋管10。處于蒸發(fā)器螺旋管10中的致冷劑混合物一旦受到要求冷卻區(qū)域的高溫空氣的影響，致冷劑吸取周圍空氣的熱量從液態(tài)汽化成氣態(tài)，因而冷卻了周圍空氣。為了循環(huán)周圍的空氣，并迫使空氣加速與蒸發(fā)器螺旋管接觸，以增加熱交換效果，經(jīng)常使用風(fēng)扇或鼓風(fēng)機(jī)(圖中未示出)。因?yàn)樵谡舭l(fā)器螺旋管中的致冷劑是處于低壓狀態(tài)，故致冷劑能夠蒸發(fā)或汽化，在從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)的過程中，汽化的潛熱是從周圍空氣中吸取的。
通常，致冷劑釋放到低壓的蒸發(fā)器螺旋管中去的過程是由限流管或限流閥來測量的，限流閥又稱為調(diào)節(jié)閥12。目前，許多不同種類的調(diào)節(jié)裝置正在使用著，從簡單的非調(diào)節(jié)的毛細(xì)管到電子控制的調(diào)節(jié)閥，例如寬脈沖調(diào)制閥。
倘若能夠源源不斷地提供在蒸發(fā)器螺旋管中膨脹的高壓狀態(tài)的致冷劑，又若這些致冷劑能安全地排放到大氣層中，那致冷系統(tǒng)僅要求一個蒸發(fā)器螺旋管就能工作。然而，由于幾乎不存在很易得到的能夠被使用的高壓狀態(tài)的致冷劑源，也不允許致冷劑排向大氣層，因而基本致冷系統(tǒng)也包括一套回收系統(tǒng)，將蒸發(fā)器螺旋管出口處收集致冷劑，重新加以壓縮，使致冷劑再處以高壓狀態(tài)，并使致冷劑冷凝成液態(tài)，再一次地被使用。
這種基本致冷循環(huán)系統(tǒng)能將來自蒸發(fā)器螺旋管出口處的氣態(tài)致冷劑送入壓縮機(jī)14，該壓縮機(jī)壓縮氣態(tài)致冷劑，使致冷劑處于高壓和高溫，這種仍處于氣態(tài)的高壓和高溫的致冷劑被輸入到除熱系統(tǒng)，在那里，高壓的氣態(tài)致冷劑被冷凝成液態(tài)。
通常，這種除熱系統(tǒng)包括另一個稱為冷凝器螺旋管16。由于將冷凝器螺旋管設(shè)置在比高壓致冷劑的溫度更低的環(huán)境溫度下，因而從致冷劑中吸取熱量，使致冷劑充分地冷卻，轉(zhuǎn)變成液態(tài)。來自冷凝器螺旋管輸出口的液態(tài)致冷劑可以存入備用的液態(tài)貯存箱18中，此后，液態(tài)致冷劑又重新回到調(diào)節(jié)閥中，開始再一次地循環(huán)。
在蒸發(fā)器螺旋管中，致冷劑從液態(tài)蒸發(fā)成氣態(tài)的過程不是瞬間發(fā)生的。當(dāng)致冷循環(huán)系統(tǒng)正在工作時，如果檢測一下蒸發(fā)器螺旋管10的內(nèi)部，人們將會發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)口處(靠近調(diào)節(jié)閥端)一部分致冷劑是處于氣態(tài)，而另一部分致冷劑是處于液態(tài)。當(dāng)致冷劑穿過蒸發(fā)器螺旋管時，極大部分的致冷劑被汽化成或蒸發(fā)成氣態(tài)，極少量的致冷劑仍處于液態(tài)。
在某個部位(可能是在螺旋管的內(nèi)部，也可能是在螺旋管出口處以外的通向壓縮機(jī)的那條管道上)，致冷劑終于被完全地蒸發(fā)成氣態(tài)。該部位被稱為干透區(qū)，干透區(qū)是十分重要的，因?yàn)樗鼧?biāo)志著在該區(qū)的致冷劑可能已把溫度升高到飽和溫度或汽化溫度以上。這種把溫度上升到飽和溫度以上的現(xiàn)象稱為過熱現(xiàn)象。
為了理解過熱現(xiàn)象，人們必須認(rèn)識到，在一個密封系統(tǒng)中，例如在蒸發(fā)器螺旋管中，在壓力恒定的情況下，只要在系統(tǒng)中仍然存在著液體的話，其汽化的液體仍然保持著恒定的汽化溫度。當(dāng)然，汽化溫度與壓力有關(guān)，其服從于熱力學(xué)定律。然而，一旦所有的液態(tài)致冷劑都汽化完了，這時，氣態(tài)致冷劑能夠吸收外加的熱量，將其溫度提高到汽化溫度以上。
當(dāng)氣態(tài)致冷劑與液態(tài)致冷劑相互接觸時，通常稱為處于飽和狀態(tài)。在飽和狀態(tài)下，氣態(tài)致冷劑的溫度與汽化溫度相同。一旦所有的液態(tài)致冷劑汽化完了，只要加上外加的熱量，蒸汽的溫度就上升到汽化溫度以上，那時，蒸汽被說成過熱。采用過熱術(shù)語是用來表示蒸汽溫度和飽和溫度(汽化點(diǎn)的溫度)之間的溫度差。
通過測量蒸發(fā)器螺旋管排出的致冷劑的過熱現(xiàn)象，有可能得到正在工作著的致冷系統(tǒng)的效率狀況。例如，如果沒有出現(xiàn)過熱，表明致冷劑在蒸發(fā)器螺旋管中沒有完全汽化。這時，在蒸發(fā)器螺旋管出口處存在著高密度液態(tài)致冷劑，意味著它有可能進(jìn)入壓縮機(jī)，將大大降低壓縮機(jī)的效率，甚至損壞壓縮機(jī)。
另一方面，極度的過熱表明了蒸發(fā)器螺旋管需要被提供更多的致冷劑，也標(biāo)志著效率的降低。致冷控制系統(tǒng)的一個設(shè)計目標(biāo)是精確地計量出合理的致冷劑量，以致在使用著的蒸發(fā)器螺旋管的整個長度范圍內(nèi)沒有流入過量的、可能以液態(tài)進(jìn)入壓縮機(jī)的致冷劑。
已敘述了致冷循環(huán)系統(tǒng)的基本原理，現(xiàn)在將敘述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。雖然本發(fā)明能采取多種的形式，現(xiàn)以圖2的加熱泵系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)描述。
參考圖2，符號20表示整個的加熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括室內(nèi)機(jī)組22，房內(nèi)機(jī)組或溫度自動調(diào)節(jié)器23和室外機(jī)組24。室內(nèi)機(jī)組又包括室內(nèi)螺旋管或稱熱交換器26和室內(nèi)風(fēng)扇28。室內(nèi)風(fēng)扇最好由變速電動機(jī)30來驅(qū)動。使用合適的管形構(gòu)件來固定室內(nèi)風(fēng)扇和螺旋管，以致讓風(fēng)扇迫使室內(nèi)的空氣以一定的速率通過室內(nèi)螺旋管，其速率可由變速電動機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)定。
室外機(jī)組包括室外螺旋管或熱交換器32和由電動機(jī)36驅(qū)動的室外風(fēng)扇34。室外機(jī)組最好有一個保護(hù)罩，可將室外螺旋管和室外風(fēng)扇圍封起來，以便讓風(fēng)扇吸取室外的環(huán)境空氣使其通過室外螺旋管，加速熱交換過程。室外機(jī)組還裝有壓縮機(jī)38。
圖2所說明的系統(tǒng)是所謂的“熱泵系統(tǒng)”，因?yàn)?，只要簡單地轉(zhuǎn)換一下室內(nèi)螺旋管和室外螺旋管的功能，該系統(tǒng)既可用于冷卻，也可用于加熱，使用一只四通轉(zhuǎn)換閥40，就可做到上述的轉(zhuǎn)換。參考圖2，當(dāng)四通轉(zhuǎn)換閥設(shè)置在冷卻位置時(如圖所示)，室內(nèi)螺旋管當(dāng)作蒸發(fā)器螺旋管來使用，而室外螺旋管當(dāng)作冷凝器螺旋管來使用。當(dāng)四通轉(zhuǎn)換閥接到加熱位置(交錯位置)時，螺旋管的功能即被轉(zhuǎn)化，室內(nèi)螺旋管當(dāng)作冷凝器，而室外螺旋管當(dāng)作蒸發(fā)器。
除了室內(nèi)螺旋管，室外螺旋管和壓縮機(jī)之外，本系統(tǒng)還使用一種電子控制調(diào)節(jié)閥42。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，調(diào)節(jié)閥是一種可連續(xù)變化的(或增量變化的)步進(jìn)馬達(dá)式的調(diào)節(jié)閥，該閥門可用電子儀器來調(diào)節(jié)，能在很寬范圍內(nèi)調(diào)節(jié)管口的尺寸或閥門的口徑，從全開到全關(guān)。雖然能用不同類型的電子控制調(diào)節(jié)閥來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的控制系統(tǒng)，如寬脈沖調(diào)制式閥門可作為一個實(shí)例，但本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例推薦使用步進(jìn)馬達(dá)式調(diào)節(jié)閥，因?yàn)樵撻y門可穩(wěn)定地和安全地工作。當(dāng)需要調(diào)節(jié)管口尺寸時，步進(jìn)馬達(dá)式調(diào)節(jié)閥才需要移動或旋轉(zhuǎn)。在常用的工作程序中，上述的調(diào)節(jié)工作也僅進(jìn)行數(shù)次(例如，每小時幾次)。相反地，寬脈沖調(diào)制式閥門在整個工作程序中是不斷地轉(zhuǎn)動的。
本發(fā)明提出的控制系統(tǒng)是一種微處理機(jī)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以從各種傳感器中采集數(shù)據(jù)，根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，又可確定調(diào)節(jié)閥的正確設(shè)定值。更具體地說，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例使用了三個微處理機(jī)為基礎(chǔ)的控制元件44，45和46?？刂圃?4是和室外機(jī)組24相連接，控制元件46是和室內(nèi)機(jī)組22相連接。另外，房內(nèi)機(jī)組或溫度自動控制調(diào)節(jié)器23也可包括微處理機(jī)為基礎(chǔ)的控制元件45。最好是，由一條適用的通信連接線路，例如并聯(lián)的或串聯(lián)的通信連接線路，將所有三個微處理機(jī)為基礎(chǔ)的控制元件連接在一起。室外控制元件44主要用于數(shù)據(jù)收集，而室內(nèi)控制元件46主要用于系統(tǒng)循環(huán)運(yùn)行的開、關(guān)，調(diào)節(jié)室內(nèi)風(fēng)扇的速度，控制調(diào)節(jié)閥，除霜故障檢測的啟動、終止、執(zhí)行系統(tǒng)的判斷功能。
要獲得調(diào)節(jié)閥的正確設(shè)定值并不像先前已敘述的那么簡單。通常是根據(jù)蒸發(fā)器螺旋管內(nèi)的過熱情況來控制調(diào)節(jié)閥。如上所述，過熱是系統(tǒng)效率的一種量度，所以可用來作為控制參數(shù)。過熱又是一個差額參數(shù)，表示了溫度的差異，或者表示了致冷劑溫度高于飽和溫度或汽化溫度的溫度增量。正因?yàn)檫^熱是差額參數(shù)，為了確定其值，要求測得二個數(shù)值。
應(yīng)用熱力學(xué)定律，只要知道蒸發(fā)器螺旋管出口處的壓力和溫度，就能計算出過熱值。和溫度傳感器相比，壓力傳感器是十分昂貴的，所以，大多數(shù)普通的控制系統(tǒng)都是通過測量二個不同部位處(例如，在蒸發(fā)器螺旋管的入口處和出口處)的溫度來確定過熱。普通的控制系統(tǒng)不使用壓力傳感器，其假定了在二個溫度測量部位處的壓力是相同的(常常是不正確的假設(shè))。將二個測得的溫度相減，即可推算出過熱值。
這種傳統(tǒng)的測試技術(shù)，雖然簡單，但不精確。如上所述，在正常的致冷循環(huán)期間，蒸發(fā)器螺旋管內(nèi)產(chǎn)生干透區(qū)的部位會隨意地移動，因而大大地降低了通用的溫度-溫度測量方法的可靠性。
舉例說明如下，假定干透區(qū)產(chǎn)生在蒸發(fā)器螺旋管的中部，離出口端溫度傳感器的上段較遠(yuǎn)，在這種情況下，將測得較高的過熱值，因?yàn)槌隹诙藴囟葌鞲衅髡x出從螺旋管中部到出口端之間已可能提高了溫度的過熱蒸汽的溫度。相反地，如果干透區(qū)發(fā)生在出口端溫度傳感器的下段，那末，將測得不過熱的結(jié)果，在這種情況下，溫度傳感器將顯示出蒸汽處于飽和狀態(tài)。
在普通的致冷系統(tǒng)中，溫度傳感器被安置在蒸發(fā)器螺旋管的二個固定的地方，例如螺旋管的進(jìn)口端和出口端。當(dāng)采用這種普通的系統(tǒng)時，圖3a和圖3b表示出過熱量與流過調(diào)節(jié)閥的致冷劑量或致冷劑流量的函數(shù)關(guān)系。在低的流量下，僅能輸入少量的致冷劑，干透區(qū)較早產(chǎn)生，過熱值較大。在某個高流量速率下，干透區(qū)沒有產(chǎn)生，系統(tǒng)處于飽和狀態(tài)，過熱值為零。由于系統(tǒng)的波動和干透區(qū)的變動，存在著一個不穩(wěn)定區(qū)域，如圖3a中所表示的A區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)，過熱值是無法測準(zhǔn)的。為此，為避開這個穩(wěn)定區(qū)，普通的控制系統(tǒng)選定一個最小的穩(wěn)定過熱值(圖3a中的Tmin)，該值是避開這不穩(wěn)定區(qū)的。例如，這最小的穩(wěn)定過熱值大約是10°-20°F，典型的不穩(wěn)定區(qū)相對應(yīng)的過熱值大約為5°F左右。
圖3b是獲得最小穩(wěn)定過熱值Tmin的另一種描述方式。該圖表示壓縮機(jī)的排出溫度隨壓縮機(jī)的過熱量而變化的曲線。兩個座標(biāo)軸均以華氏溫度表示。曲線是通過實(shí)驗(yàn)測試方法繪制而成，以長方形框點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)顯示在圖3b上。在高于5°F的過熱溫度下，曲線表現(xiàn)為一條具有平緩上升斜率(大約0.9)的直線。相反地，在過熱溫度低于5°F時，數(shù)據(jù)值分布在很寬的壓縮機(jī)排出溫度范圍內(nèi)(比較數(shù)據(jù)值m和n)。另外，在這個區(qū)域里，曲線的斜率是十分陡斜的(斜率約15.2)。根據(jù)這些實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)，最小的穩(wěn)定過熱值Tmin應(yīng)設(shè)置在拐角處或拐點(diǎn)處，在那里，斜率是在平緩和斜之間變化。最好是把系統(tǒng)設(shè)計在Tmin或略大于Tmin的過熱值下運(yùn)行，以避開由A表示的不穩(wěn)定區(qū)。
不穩(wěn)定區(qū)域的主要影響是迫使普通的控制系統(tǒng)必須在較高的預(yù)定過熱值下運(yùn)行，這一點(diǎn)是可以做到的，只要讓出口端傳感器在整個正常工作中不設(shè)置在變動的干透區(qū)附近。由于是一種固定式的溫度傳感器，故沒有一種方便的辦法來探測干透區(qū)的變動位置。通過在較高過熱溫度下建立一個閉合控制回路，普通的測量系統(tǒng)定可避開這種干透區(qū)。在通用的方法中，上述的方法是低效率的，但這也是不得已的。
本發(fā)明的控制系統(tǒng)是以測量不易受變動的干透區(qū)影響的現(xiàn)象為基礎(chǔ)，因而，它就排除了這種固有的不可預(yù)測性。本系統(tǒng)所使用的第一個溫度傳感器是用來顯示系統(tǒng)的工作溫度，而第二個傳感器是用來顯示所設(shè)系統(tǒng)的環(huán)境溫度。在圖4中已詳細(xì)地說明了這一點(diǎn)。為了加以比較，在圖5中詳細(xì)介紹了現(xiàn)有技術(shù)的控制系統(tǒng)。圖4和圖5都闡述了設(shè)置在外部環(huán)境52中的致冷系統(tǒng)50。二個致冷系統(tǒng)均包含有蒸發(fā)器螺旋管10，調(diào)節(jié)閥12，壓縮機(jī)14和冷凝器螺旋管16。如圖所示，本發(fā)明(圖4)的第一溫度傳感器54是設(shè)置在致冷系統(tǒng)50中，但第二個溫度傳感器56是設(shè)置在外部環(huán)境52中，以便使它與致冷系統(tǒng)50分開。相反的，現(xiàn)有技術(shù)控制系統(tǒng)(附圖5)是將二個溫度傳感器均設(shè)置在致冷系統(tǒng)中(即，設(shè)置在蒸發(fā)器螺旋管10的相對兩端)。
如圖2(也如圖4)所示，在本發(fā)明提出的優(yōu)選實(shí)施例中，所設(shè)置的第一個溫度傳感器54是用來測量離開壓縮機(jī)時的高壓致冷劑的排出溫度。另一個傳感器的位置可以加以選擇，但本發(fā)明推薦的溫度傳感器的位置會得到準(zhǔn)確、可重復(fù)的結(jié)果，這可能是部分地起因于如下的事實(shí)，由于干透區(qū)的任何變動產(chǎn)生的溫度偏差所引起的壓縮機(jī)排出溫度的波動被完全抑制住了。
第二個溫度傳感器56最好設(shè)置在空氣流通的路徑處，用來測量圍繞冷凝器螺旋管16的或強(qiáng)迫通過冷凝螺旋管16的環(huán)境空氣溫度。這環(huán)境空氣溫度提供了一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)溫度，實(shí)際上，該溫度是與致冷系統(tǒng)中的任何工作波動隔絕的或分離的。
由于將溫度測量與系統(tǒng)隔絕或分離，故本發(fā)明的系統(tǒng)能在比普通的系統(tǒng)更低的最小穩(wěn)定過熱設(shè)定值下工作。在本發(fā)明提出的優(yōu)選實(shí)施例中，該系統(tǒng)可在5°F標(biāo)定過熱值下工作，這恰好是在圖3表示的穩(wěn)定區(qū)(A區(qū))的范圍內(nèi)，因?yàn)樗鶞y得的變量是與干透區(qū)變動而引起的波動分離的，故本發(fā)明能在上述的低過熱溫度下穩(wěn)定工作。
環(huán)境空氣溫度傳感器的放置位置是十分重要的。在冷卻狀態(tài)下，由于冷凝器螺旋管被放置在室外，環(huán)境空氣溫度傳感器應(yīng)設(shè)置在不會受到直射陽光的地方。這是可以做到的，只要把環(huán)境空氣溫度傳感器裝在一個與空氣流相通而又能遮住直射陽光的管子中或匣子中。
圖6敘述了一種防護(hù)環(huán)境空氣溫度傳感器的方法。如圖所示，傳感器56設(shè)置在管子58中，該管子是安裝在室外機(jī)組24的殼體的側(cè)壁處。該管子能使傳感器56免受直射的陽光，又與大氣和殼體的內(nèi)部相通，在室外風(fēng)扇34的驅(qū)使下，環(huán)境空氣將流過傳感器56。實(shí)際上，由風(fēng)扇34產(chǎn)生的流動的空氣流不存在任何因陽光輻射能造成的殼體被加熱所引起的輻射熱效應(yīng)和傳導(dǎo)熱效應(yīng)，其結(jié)果是，能精確地測得在風(fēng)扇34驅(qū)使下通過室外螺旋管32的環(huán)境空氣溫度。
在加熱狀態(tài)下，環(huán)境空氣溫度傳感器是用來測量橫穿過室內(nèi)螺旋管的空氣溫度。如果需要的話，安裝在系統(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)器內(nèi)的溫度傳感器60能用來提供這方面的信息。通常，沒有必要考慮室內(nèi)空氣溫度傳感器的安放部位，因?yàn)橄到y(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)器一般都設(shè)置在不會過分受到直射陽光影響的地方。雖然系統(tǒng)溫度自動調(diào)節(jié)器通常都能用作加熱工作狀態(tài)下的環(huán)境溫度傳感器，但如果需要的話，也可將一個單獨(dú)的溫度傳感器安裝在空氣回路管道處，用來測量穿過室內(nèi)螺旋管26的環(huán)境空氣溫度。
雖然，由壓縮機(jī)排出溫度和環(huán)境空氣溫度不能直接得出與過熱等量的數(shù)值，但它們確實(shí)能得到一個過熱的征兆值。這是因?yàn)橹吕鋭┑娘柡蜏囟群蜕藴氐恼羝麥囟戎g的差值，即過熱，歸根到底是決定于系統(tǒng)內(nèi)的溫度(例如，壓縮機(jī)排出溫度)和根據(jù)系統(tǒng)給以溫度要求的環(huán)境。實(shí)際上，測定過熱溫度的目的是為了獲得一個調(diào)節(jié)閥孔的正確設(shè)定值。業(yè)已發(fā)現(xiàn)，使用一個系統(tǒng)指示溫度和一個環(huán)境指示溫度(例如壓縮機(jī)排出溫度和環(huán)境空氣溫度)能夠得到較好的結(jié)果，它比依賴于兩個相關(guān)的系統(tǒng)指示溫度的常規(guī)系統(tǒng)所得到的結(jié)果更精確，重復(fù)性更好。
為了將系統(tǒng)溫度測量值和環(huán)境溫度測量值轉(zhuǎn)換成調(diào)壓閥設(shè)定值，可以采取計算法或查表法。為了把已測得的環(huán)境溫度變換成壓縮機(jī)排出溫度設(shè)定值，本發(fā)明提出的優(yōu)選實(shí)施例是使用一條直線或使用一次方程式y(tǒng)＝mx+b，如圖8和圖9中所示。根據(jù)實(shí)驗(yàn)值m(直線的斜率)和b(y軸上的截距)，可以計算過熱(△T)和壓縮機(jī)排出溫度設(shè)定值之間關(guān)系。這些實(shí)驗(yàn)值隨系統(tǒng)的情況而變化的，可選用一個典型的系統(tǒng)，在不同的環(huán)境溫度下，正常工作范圍內(nèi)，通過簡單的溫度測量，就能測得這些實(shí)驗(yàn)值。在理想情況下，能選出那些代表最高工作效率的數(shù)據(jù)值。圖7表示了一個典型系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其中包含了本發(fā)明所建議的數(shù)值或推薦的工作范圍。在測得足夠的數(shù)據(jù)值以后，就可繪制出與圖8和圖9相似的一條直線圖，即可確定出斜率m和y軸上的截距b，此后，根據(jù)環(huán)境溫度測量值，計算出正確的系統(tǒng)溫度設(shè)定值。
本發(fā)明提出的優(yōu)選實(shí)施例更傾向于使用一次方程式的計算方法，而不是查表法。在許多使用的器件中，步進(jìn)馬達(dá)式調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值是與計算法相適應(yīng)的速率下加以校正的。當(dāng)然，在那些需要通過更頻繁的計算控制調(diào)節(jié)閥的使用場合，或者在直線近似法不能滿足要求的情況下，可以采用查表法。
調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值是過熱(△T)的間接函數(shù)，代表了所要求的穩(wěn)定狀態(tài)的目標(biāo)設(shè)定值。通常，調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值需要經(jīng)常校正，但不是連續(xù)不斷的校正。本發(fā)明提供的控制系統(tǒng)使用了一種經(jīng)改進(jìn)的積分式控制方法，在系統(tǒng)要求的響應(yīng)時間內(nèi)改變調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值。根據(jù)室外溫度，在一種速率或一種頻率下校正調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值。根據(jù)設(shè)置點(diǎn)的實(shí)際溫度和由上述介紹的y＝mx+b的計算法得出的設(shè)定值溫度的差值或偏差，以增量或步數(shù)的方式校正調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值。
圖10表示本發(fā)明提出的調(diào)節(jié)閥設(shè)定值的校正速度或校正時間隨室外空氣溫度而變化的情況。由圖10曲線所示，調(diào)節(jié)閥校正速度(以分計)與室外空氣溫度成反比關(guān)系。當(dāng)室外溫度高時，將更頻繁地校正調(diào)節(jié)閥設(shè)定值，當(dāng)室外溫度低時，進(jìn)行校正的次數(shù)減少，當(dāng)然要以滿足不同室外溫度下的系統(tǒng)響應(yīng)時間為條件。
圖11表示本發(fā)明優(yōu)選的方法，根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)溫度和所要求的系統(tǒng)溫度的差值或偏差，以步數(shù)或增量的方式來改變調(diào)節(jié)閥設(shè)定值。再重申一遍，本發(fā)明優(yōu)選的調(diào)節(jié)閥是一種步進(jìn)馬達(dá)式調(diào)節(jié)閥，它能夠在不連續(xù)的增量或步數(shù)的情況下進(jìn)行調(diào)節(jié)。如圖11中的曲線所示，當(dāng)偏差小時，以較小的步數(shù)(例如，小于10°F偏差時，為1步或2步)來改變調(diào)節(jié)閥;當(dāng)偏差大時，以較大的步數(shù)(例如10°F-20°F偏差時，為4步;20°F-30°F偏差時，為8步;30°F以上偏差時為12步)來改變調(diào)節(jié)閥。
如上所述，本發(fā)明的控制方法與普通的致冷循環(huán)控制方法有顯著的差別。通過使用分離式溫度測量方法(壓縮機(jī)的排出溫度和環(huán)境空氣溫度)，能夠?qū)岜没蚩照{(diào)器的致冷循環(huán)系統(tǒng)控制到前所未有的精確程度。系統(tǒng)能在普通系統(tǒng)難以達(dá)到的較低最小過熱狀態(tài)下運(yùn)行工作，并達(dá)到前所未有的高效率。
本發(fā)明僅根據(jù)上述提到的熱泵實(shí)施例來加以敘述的，當(dāng)然，本發(fā)明也能應(yīng)用于許多形式的空調(diào)器系統(tǒng)和致冷系統(tǒng)。因此，本發(fā)明的基本原理將不局限于所述的裝置，在不偏離所附權(quán)利要求書所述的本發(fā)明構(gòu)思的情況下，本發(fā)明容許進(jìn)行某些變更和改變。
權(quán)利要求
1.一種控制熱泵系統(tǒng)的致冷劑循環(huán)的方法，該系統(tǒng)包括室內(nèi)熱交換器、室外熱交換器和能把致冷劑輸入室內(nèi)熱交換器讓其從設(shè)置有熱泵系統(tǒng)的環(huán)境中吸取熱量的調(diào)節(jié)閥，所述方法包括下列步驟在熱泵系統(tǒng)內(nèi)預(yù)先確定的位置處測量第一參數(shù)值，即致冷劑溫度；測量第二參數(shù)值，即裝有室外熱交換器的環(huán)境溫度；使用第一和第二參數(shù)值來控制調(diào)節(jié)閥，因而控制輸入蒸發(fā)器的致冷劑調(diào)節(jié)量。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，上述的熱泵系統(tǒng)包含一臺壓縮機(jī)，是用來壓縮在室內(nèi)熱交換器中已吸取熱量的致冷劑的，并在高壓狀態(tài)下排出致冷劑，通過測量排出的致冷劑的溫度，完成測量第一參數(shù)值的步驟。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，上述的熱泵系統(tǒng)包含室外熱交換器，它是一臺冷凝器，是為了在致冷劑通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)入室內(nèi)熱交換器之前，用來冷卻致冷劑的。通過測量冷凝器附近的環(huán)境空氣溫度完成測量第二參數(shù)值的步驟。
4.一種控制熱泵系統(tǒng)的致冷劑調(diào)節(jié)量的控制系統(tǒng)，包括室內(nèi)熱交換器、室外熱交換器和能把致冷劑輸入室內(nèi)熱交換器，讓其從設(shè)置有熱泵系統(tǒng)的環(huán)境中吸取熱量的調(diào)節(jié)閥，上述系統(tǒng)還包括在熱量方面與上述熱泵系統(tǒng)相連接的第一傳感器，用來測量第一參數(shù)值，即致冷劑的溫度;在熱量方面與上述熱泵系統(tǒng)相分離的第二傳感器，用來測量第二參數(shù)值，即設(shè)置有室外熱交換器的環(huán)境溫度;在電路方面與上述的第一和第二傳感器及調(diào)節(jié)閥相連接的信息處理機(jī)，它可根據(jù)上述的第一和第二參數(shù)值來控制調(diào)節(jié)閥，從而控制輸入室內(nèi)熱交換器的致冷劑調(diào)節(jié)量。
5.按照權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的熱泵系統(tǒng)還包括一臺壓縮機(jī)，是用來壓縮在室內(nèi)熱交換器中已吸取熱量的致冷劑的，并在高壓狀態(tài)下排出致冷劑。上述的第一傳感器包括一個在熱量方面與上述的熱泵系統(tǒng)相連接的溫度傳感器，用來測量由壓縮機(jī)輸出的致冷劑排出溫度。
6.按權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的室外熱交換器包括一個冷凝器，是為了在致冷劑通過調(diào)節(jié)閥進(jìn)入上述蒸發(fā)器之前，用來冷卻致冷劑的。上述的第二傳感器包括一個溫度傳感器，用來測量冷凝器附近的環(huán)境空氣溫度。
7.按照權(quán)利要求4所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的熱泵系統(tǒng)包括了一臺使用者能調(diào)試的溫度自動調(diào)節(jié)器。
8.一種控制熱泵系統(tǒng)的制冷劑調(diào)節(jié)量的控制系統(tǒng)，上述熱泵系統(tǒng)應(yīng)用致冷劑循環(huán)回路，經(jīng)由這個循環(huán)回路，致冷劑被增壓并從第一測定點(diǎn)的環(huán)境中吸取熱量，把熱量排放到第二測定點(diǎn)的環(huán)境中，這種加熱泵系統(tǒng)包括設(shè)置在上述的第一測定點(diǎn)的第一熱交換器，設(shè)置在上述的第二測定點(diǎn)的第二熱交換器，使致冷劑增壓并使致冷劑流過上述循環(huán)回路的壓縮機(jī)，上述控制系統(tǒng)包括和上述的壓縮機(jī)、第一熱交換器和第二熱交換器相連接的換向閥，用來有選擇性地在加熱狀態(tài)和冷卻狀態(tài)之間改變工作狀態(tài)，在加熱狀態(tài)中，致冷劑直接從上述的第一熱交換器流向上述的第二熱交換器，而在冷卻狀態(tài)中，致冷劑直接從上述的第二熱交換器流向上述的第一熱交換器，把上述第一和第二熱交換器相連接的調(diào)節(jié)閥，用來測量上述熱交換器之間的致冷劑流量，在熱量方面與上述熱泵系統(tǒng)分離的第一傳感器，用來測量第一參數(shù)值，即上述第一測定點(diǎn)的環(huán)境溫度;在熱量方面與上述加熱泵系統(tǒng)分離的第二傳感器，用來測量第二參數(shù)值，即上述第二測定點(diǎn)的環(huán)境溫度;在熱量方面與上述熱泵系統(tǒng)相連接的第三傳感器，用來測量第三參數(shù)值，即致冷劑的溫度;在電路方面與上述的第一、第二、第三傳感器和調(diào)節(jié)閥相連接的信息處理機(jī)，按如下方式控制上述的調(diào)節(jié)閥在上述的加熱狀態(tài)中，根據(jù)第一和第三參數(shù)值控制上述的調(diào)節(jié)閥，以便控制輸入到第二熱交換器中的致冷劑調(diào)節(jié)量;在上述的冷卻狀態(tài)中，根據(jù)第二和第三參數(shù)值控制上述的調(diào)節(jié)閥，以便控制輸入到第一熱交換器中的致冷劑調(diào)節(jié)量。
9.按照權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的第一傳感器是一個與使用者可調(diào)試的溫度自動調(diào)節(jié)器相連接的溫度傳感器。
10.按照權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的第三傳感器是一個溫度傳感器，在熱量方面它與緊靠于壓縮機(jī)處的致冷劑回路相連接。
11.按照權(quán)利要求8所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，上述的第三傳感器是一個溫度傳感器，用來測量從壓縮機(jī)輸出的致冷劑的排出溫度。
全文摘要
本發(fā)明涉及空調(diào)器、加熱泵和致冷裝置用的電子控制系統(tǒng)，采用了微處理機(jī)和數(shù)字式控制閥門。由于使用了分離式傳感器，有可能對致冷劑進(jìn)行精確地測量，從而消除了因系統(tǒng)動態(tài)變化而引起的誤差，故本系統(tǒng)能在更低的最小過熱狀態(tài)下，在更高的效率下運(yùn)行工作。
文檔編號F25B13/00GK1082699SQ9310948
公開日1994年2月23日 申請日期1993年8月11日 優(yōu)先權(quán)日1992年8月12日
發(fā)明者維佳·O·比海爾, 漢克·E·米萊特, 米基·F·希基, 亨格·M·菲姆, 格雷戈里·P·赫瑞恩 申請人:科普蘭公司