專利名稱：雙蒸發(fā)器兩級(jí)致冷循環(huán)中冷凍劑流量液面的控制的制作方法
有關(guān)申請(qǐng)相關(guān)的參考文獻(xiàn)本申請(qǐng)與待審批的題為“簡(jiǎn)單蒸汽壓縮致冷循環(huán)中冷凍劑流量的液面控制”的專利申請(qǐng)有關(guān)，該專利申請(qǐng)序號(hào)為RD-23,429，是與本申請(qǐng)同時(shí)申請(qǐng)并轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人的。發(fā)明背景本發(fā)明總的說(shuō)來(lái)涉及制冷系統(tǒng)中冷凍劑的膨脹控制，更具體地說(shuō)，涉及用脈寬調(diào)制的電磁閥進(jìn)行膨脹控制。這里使用的“制冷系統(tǒng)”一詞是指一制冷裝置、空調(diào)機(jī)或任何其它產(chǎn)生致冷作用的系統(tǒng)。
家用冰箱采用的一般制冷系統(tǒng)通常是按簡(jiǎn)單的蒸汽壓縮循環(huán)工作的。這種循環(huán)包括一個(gè)壓縮機(jī)、一個(gè)冷凝器、一個(gè)膨脹裝置和一個(gè)蒸發(fā)器，所有這些都按上述次序依次串聯(lián)連接。制冷裝置的空氣吹過(guò)蒸發(fā)器，控制空氣流使部分空氣流流到冷藏室，其余的空氣流流到新鮮食物室。因此致冷循環(huán)在適合于冷藏室的溫度產(chǎn)生其致冷作用，這個(gè)溫度比新鮮食物室所需要的溫度要低。由于在低溫下產(chǎn)生冷卻作用所需要的機(jī)械能高于較高溫度下相應(yīng)的機(jī)械能，因而簡(jiǎn)單的蒸汽壓縮循環(huán)使用的機(jī)械能要比在兩種溫源下產(chǎn)生冷卻作用的那種循環(huán)所使用的機(jī)械能多。
1990年3月27日專利權(quán)授予Heinz Jaster且轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的同一受讓人的美國(guó)專利4,910,972中介紹了一種適用于家用冰箱、熱力效率有所提高的致冷循環(huán)。美國(guó)專利4,910,972中公開的循環(huán)包括第一和第二壓縮機(jī)、一個(gè)冷凝器、第一膨脹裝置、第一蒸發(fā)器、一個(gè)分相器、第二膨脹裝置和第二蒸發(fā)器，所有這些組成部分都按上述次序依次串聯(lián)連接。分相器接收來(lái)自第一蒸發(fā)器的兩相劑，并將液相冷凍劑提供給第二膨脹裝置，將飽和汽相冷凍劑提供給第二壓縮機(jī)。第一蒸發(fā)器在大約25°F下工作，冷卻新鮮食物室，第二蒸發(fā)器在大約-10°F下工作，冷卻冷藏室。這種雙蒸發(fā)器的兩級(jí)循環(huán)消耗的機(jī)械能比一般單蒸發(fā)器系統(tǒng)要少得多。
毛細(xì)管簡(jiǎn)單、價(jià)廉，因此家用冰箱一般都采用它作為膨脹裝置。然而，毛細(xì)管作為膨脹裝置有某一系列的局限性。例如，毛細(xì)管必須制造昨非常長(zhǎng)，內(nèi)徑達(dá)到可以制造并大得足以避免堵管。這就需要冰箱有中足夠的內(nèi)部空間來(lái)容納毛細(xì)管長(zhǎng)度方向的尺寸。此外，由于采用對(duì)毛細(xì)管的膨脹控制，因而生產(chǎn)過(guò)程中要求冷凍劑的注入操作得非常精確，因?yàn)槔鋬鰟┩ㄟ^(guò)毛細(xì)管的流量對(duì)系統(tǒng)中冷凍劑的料量非常敏感。
具體結(jié)合到雙蒸發(fā)器兩級(jí)致冷循環(huán)，毛細(xì)管還有其另外的局限性。雙蒸發(fā)器兩步循環(huán)一般的致冷室溫度控制方案是在蒸發(fā)器室的溫度高于設(shè)定值時(shí)啟動(dòng)蒸發(fā)器的風(fēng)扇，并在兩室的溫度已達(dá)到較低溫度設(shè)定值時(shí)關(guān)掉所有風(fēng)扇和壓縮機(jī)。若兩毛細(xì)管的尺寸按兩風(fēng)扇都在運(yùn)行的情況選取，則關(guān)掉新鮮食物室的風(fēng)扇時(shí)，新鮮食物蒸發(fā)器的壓力就下降，降低了流經(jīng)第二毛細(xì)管的冷凍劑流量。發(fā)生這種情況時(shí)，分相器中的液面上升，于是液態(tài)冷凍劑會(huì)溢流入新鮮食物的抽氣管線中。這也會(huì)使冷藏蒸發(fā)器出口顯著過(guò)熱，使冷藏蒸發(fā)器的壓力下降。所有這些現(xiàn)象都起降低冷藏室冷卻能力和系統(tǒng)效率的作用。
此外，毛細(xì)管的尺寸還可以取得使冷凍劑的流量只在某一個(gè)工作條件下達(dá)到最佳狀態(tài)。因此，毛細(xì)管的尺寸通常取得使冷凍劑的流量在正常工作條件征達(dá)到最佳狀態(tài)。這就是說(shuō)，致冷循環(huán)開始時(shí)(以及在高負(fù)荷的情況下)，毛細(xì)管尺寸不夠大，蒸發(fā)器中致冷劑不足。這降低了冰箱的冷卻能力和效率。致冷循環(huán)快結(jié)束時(shí)，毛細(xì)管則尺寸過(guò)大，因而蒸發(fā)器中的冷凍劑泛濫，再次降低冰箱和效率。因此，采用毛細(xì)管進(jìn)行膨脹時(shí)的循環(huán)效率遠(yuǎn)低于有效膨脹控制下所能達(dá)到的效率。
然而，以一般恒溫膨脹的形式進(jìn)行的有效膨脹控制，在家用冰箱中并不能很好發(fā)揮作用。恒溫膨脹閥盡管經(jīng)常用于冷凍劑流量大的汽車空調(diào)系統(tǒng)和商用制冷系統(tǒng)中，但卻不能制造得使流量孔小到足以調(diào)節(jié)家用冰箱冷凍劑非常之低的流量率(一般為10-12磅/小時(shí))。就是說(shuō)，要達(dá)到所要求的壓降，閥孔需要達(dá)到10密耳或以下的數(shù)量級(jí)，這樣的尺寸對(duì)制造是不實(shí)際的，而且非常容易發(fā)生堵塞。
因此，需要有另一種方案代替毛細(xì)管和恒溫膨脹閥作為家用冰箱的膨脹控制器。發(fā)明簡(jiǎn)介本發(fā)明即滿足了上述要求，它采用脈寬調(diào)制的的電磁閥進(jìn)行膨脹控制。先是產(chǎn)生脈寬調(diào)制的控制信號(hào)，因此控制信號(hào)使電磁閥周期性地開合?？刂菩盘?hào)的脈沖寬度確定了冷凍劑流過(guò)電磁閥的平均流量。電磁閥的工作循環(huán)隨蒸發(fā)器的干燥度而變化，精確控制著冷凍劑的平均流量。
具體地說(shuō)，本發(fā)明提供的制冷系統(tǒng)包括由一個(gè)脈寬調(diào)制的電磁閥構(gòu)成的第一膨脹裝置、一個(gè)冷藏間蒸發(fā)器、第一和第二壓縮機(jī)、一個(gè)冷凝器、第二膨脹裝置和新鮮食物蒸發(fā)器，所有這些部件都按上述次序依次串聯(lián)連接。此外還連接有一個(gè)分相器，接收來(lái)自新鮮食物蒸發(fā)器的冷凍劑，分相器的第一出口用以給脈寬調(diào)制電磁閥提供液相冷凍劑，分相器的第二出口用以給第二壓機(jī)提供氣相冷凍劑。分相器中配置有一液面?zhèn)鞲衅?，此外還配備有一個(gè)控制器，供控制脈寬調(diào)制電磁閥的工作循環(huán)，接收來(lái)自液面?zhèn)鞲衅鞯妮斎搿?br> 液面?zhèn)鞲衅鞯念愋涂梢允悄欠N隨液面的變化提供連續(xù)的變化信號(hào)的液面?zhèn)鞲衅?，也可以是液面開關(guān)。在后一種情況下，控制器在分相器液面高于液面開關(guān)的位置時(shí)產(chǎn)生第一脈沖寬度的控制信號(hào)，在液面低于液面開關(guān)的位置時(shí)產(chǎn)生脈沖寬度較小的第二脈沖寬度控制信號(hào)。另一方案，也可以配備兩個(gè)液面開關(guān)。在此情況下，當(dāng)液面高于較高液面開關(guān)的位置時(shí)控制器增加脈沖寬度，在液面低于較低液面開關(guān)的位置時(shí)減小脈沖寬度。
采用脈寬調(diào)制的電磁閥進(jìn)行膨脹控制有若干好處。由于脈寬調(diào)制電磁閥是以振蕩的方式工作的，因而流量孔可以制造得大些，從而避免堵塞問(wèn)題。采用脈寬調(diào)制控制的系統(tǒng)對(duì)總的冷凍劑的充料量是不太敏感的，這在生產(chǎn)過(guò)程中簡(jiǎn)化了進(jìn)料方面的要求。脈寬調(diào)制電磁閥能適應(yīng)壓縮機(jī)在其汽缸工作容積變化時(shí)冷凍劑的不同流量率，因而有利于與可調(diào)壓縮機(jī)和/或多速壓縮機(jī)配用。在中止循環(huán)的過(guò)程中，脈寬調(diào)制電磁閥可用來(lái)保持高低壓之間可靠的密封作用，從而避免冷凍劑流動(dòng)，同時(shí)節(jié)能。因此這種電磁閥起能量控制閥的作用，無(wú)需采用另外的閥門來(lái)覆行這個(gè)職能。
除了確保制冷器的蒸發(fā)器中足夠的液體致冷劑、控制分相器的液面水平外，還能防止液體致冷劑進(jìn)入新鮮食品抽出管線。分相器的液面由一傳感器監(jiān)視，且因?yàn)榉窒嗥鬣徑蛎涢y還防止了“振蕩工作”(hunting)。
參看附圖閱讀下面的詳細(xì)說(shuō)明和所附的權(quán)利要求書可以清楚了解本發(fā)明的其它目的和優(yōu)點(diǎn)。


本說(shuō)明書的結(jié)論部分，特別指出和清楚闡明了本發(fā)明的主題，但要理解本發(fā)明的內(nèi)容，最好還是參照附圖參閱下面的有關(guān)說(shuō)明。附圖中圖1是本發(fā)明致冷循環(huán)一個(gè)實(shí)施例的原理圖2是按本發(fā)明用來(lái)控制膨脹閥的脈寬調(diào)制頻率信號(hào)的示意圖；圖3是采用兩個(gè)液面開關(guān)的液面檢測(cè)機(jī)構(gòu)形式的示意圖。發(fā)明詳介參看附圖，所有不同各視圖中同樣的編號(hào)表示同樣的元件。圖1示出了制冷系統(tǒng)10，該系統(tǒng)包括第一壓縮機(jī)12、第二壓縮機(jī)14、冷凝器16、第一膨脹裝置18、第一蒸發(fā)器20、分相器22、第二膨脹裝置24和第二蒸發(fā)器26，所有這些組成部分都按上述次序依次串聯(lián)連接。冷凍劑加入制冷系統(tǒng)10中，在壓縮機(jī)12、14中加以壓縮。冷凍劑經(jīng)壓縮后排到冷凍器16中冷卻和冷凝。接著，冷凍劑流過(guò)第一膨脹裝置18，邊流過(guò)邊膨脹，再流入配置在制冷裝置中的新鮮食物室中的第一蒸發(fā)器20。熱從新鮮食物室傳遞到流過(guò)新鮮食物蒸發(fā)器20中的冷凍劑，從而冷卻新鮮食物室。
兩相冷凍劑從新鮮食物蒸發(fā)器20排到分相器22中。分相器22由一個(gè)封閉的容器構(gòu)成，其上部分有一個(gè)入口供接收兩相冷凍劑之用，此外還有兩個(gè)出口。一個(gè)出口位于容器底部，給第二膨脹裝置24提供液相冷凍劑。另一個(gè)出口由一個(gè)從容器上部分延伸到外面的導(dǎo)管形成。因此這個(gè)導(dǎo)管設(shè)計(jì)得使其將氣相冷凍劑提供給接第二壓縮機(jī)14入口的新鮮食物抽氣管28。
提供給第二膨脹裝置24的液相冷凍劑在第二膨脹裝置24中膨脹，然后流向配置在冷藏室中的第二蒸發(fā)器26。冷凍劑流過(guò)冷藏蒸發(fā)器26中時(shí)，熱量從冷藏室傳遞到冷凍劑，使冷凍劑蒸發(fā)。冷凍劑從冷藏蒸發(fā)器26中出來(lái)時(shí)最好處在過(guò)熱的氣態(tài)。接著，氣相冷凍劑通過(guò)冷藏抽氣管線30，返加第一壓縮機(jī)12。第一壓縮機(jī)12輸出的經(jīng)壓縮的氣相冷凍劑與來(lái)自新鮮食物抽氣管線28的氣相冷凍劑混合，此混合的冷凍劑流到第二壓縮機(jī)14的入口，這時(shí)重復(fù)上述循環(huán)。上述美國(guó)專利4,910,972更全面地介紹這種雙蒸發(fā)器兩步循環(huán)過(guò)程，這里也把該美國(guó)專利包括進(jìn)來(lái)，以供參考。
雖然圖1中沒有示出，但不言而喻，新鮮食物抽氣管線28也可與冷凝器16、第一膨脹裝置18之間的冷凍劑管線按逆流熱交換的關(guān)系配置，從而提高循環(huán)效率。同樣，冷藏抽氣管線30也可與冷凝器16與第一膨脹裝置18之間的冷凍劑管線并與分相器22、第二膨脹裝置24之間的冷凍劑管線按逆流熱交換的關(guān)系配置。這種熱交換關(guān)系一般是通過(guò)將相應(yīng)各管線(或至少各管線的一部分)焊接在一起達(dá)到的。
按照本發(fā)明，第二膨脹裝置24是個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥，作為反饋回路的一部分由控制器32加以控制?？刂破?2根據(jù)分相器22中的液面控制膨脹閥24。為達(dá)到此目的，分相器22配備有液面?zhèn)鞲衅?4。液面?zhèn)鞲衅?4檢測(cè)分相器22中的液面，并產(chǎn)生與該檢測(cè)液面相應(yīng)的輸出信號(hào)。控制器32接收該輸出信號(hào)，并產(chǎn)生控制信號(hào)36饋給電磁閥24?？刂菩盘?hào)36是個(gè)脈寬調(diào)制頻率信號(hào)，它促使閥24在全開與全合狀態(tài)之間振蕩，從而以開-合狀態(tài)的工作循環(huán)確定了冷凍劑通過(guò)膨脹閥24的平均流量。根據(jù)檢測(cè)出的液面調(diào)節(jié)脈沖寬度，以控制閥24的工作循環(huán)，從而保持所要求的使系統(tǒng)的工作性能最佳的液面。通常，液面上升時(shí)，流量會(huì)增加，液面下降時(shí)，流量會(huì)減小。
圖2示出了控制信號(hào)36的抽樣波形。波形是個(gè)數(shù)字方波，在最高控制電壓V1與最低控制電壓V2之間交替變化。波形處在最高控制電壓V1時(shí)，閥24移到全開的狀態(tài)，波形處在最低空制電壓V2時(shí)，閥24移到全合的狀態(tài)。圖2中所示的脈寬調(diào)制波形，其電壓變化不是瞬時(shí)變化的，而是在最高與最低電壓值之間有一個(gè)短暫的過(guò)渡期。這可以避免膨脹閥突然打開和關(guān)閉時(shí)冷凍劑產(chǎn)生壓力沖擊波的問(wèn)題。無(wú)論系統(tǒng)中冷凍劑流量率的要求如何，波形頻率是穩(wěn)定的。這個(gè)頻率最好取大約0.1-2赫的范圍。
冷凍劑流過(guò)閥24的平均流量率取決于脈寬調(diào)制波形的工作循環(huán)。因此，在圖2所示的時(shí)間to之前，閥24全開的時(shí)間比其全閉的時(shí)間短，因而冷凍劑的平均流量率較低。在時(shí)間to(這時(shí)檢測(cè)出分相器22中的液面升高)之后，控制器32調(diào)節(jié)工作循環(huán)，使閥24全開的時(shí)間比其全閉的時(shí)間長(zhǎng)，從而提高冷凍劑的平均流量。
膨脹閥24最好是個(gè)常閉閥，就是說(shuō)，閥24在其電磁線圈斷電時(shí)關(guān)閉。這意味著，閥關(guān)閉時(shí)，最低控制電壓V2可以為0。此外，每當(dāng)壓縮機(jī)12停車時(shí)，閥24的電源中斷。這樣可以防止冷凍劑在循環(huán)中止時(shí)流到蒸發(fā)器18中去，從而節(jié)能。因此，電磁閥24起能量控制閥的作用，因而無(wú)需專門的閥來(lái)覆行這個(gè)職能。
控制器32可以采用本技術(shù)領(lǐng)域中周知的任何一種脈寬調(diào)制控制方案。適用的控制方案有1987年3月24日專利權(quán)授予RichardH,Alsenz美國(guó)專利4,651,535和1993年10月26日專利權(quán)授予DonaldE Janke的美國(guó)專利5,255,530中所述的控制方案，這里也把該兩個(gè)專利包括進(jìn)來(lái)以供參考。
液面?zhèn)鞲衅?4可以是現(xiàn)有技術(shù)中周知的幾乎任何類型液面?zhèn)鞲醒b置。適用于本發(fā)明的一種傳感器是隨液面的變化提供連續(xù)變化的電流或電壓信號(hào)的傳感器。在此情況下，控制信號(hào)16按液面連續(xù)調(diào)節(jié)。這樣就可以根據(jù)分相器22的液面精密控制冷凍劑流過(guò)閥24的流量。另一種不太精確但較經(jīng)濟(jì)的方法是采用液面開關(guān)，例如浮控開關(guān)。液面開關(guān)只指示液面高于或低于給定的液面。在本發(fā)明中，控制信號(hào)36在分相器22中的液面高于給定液面時(shí)取較大的脈沖寬度，在所述液面低于給定液面時(shí)取較小的脈沖寬度。
圖3示出了采用兩個(gè)液面開關(guān)的另一種結(jié)構(gòu)方案。第一個(gè)液面開關(guān)34a安置在分相器22中所要求最高液面的位置，第二個(gè)液面開關(guān)34b安置在所要求最低液面的位置。只要實(shí)際液面在兩個(gè)液面開關(guān)34a、34b之間，控制信號(hào)的脈沖寬度就按冷凍劑通過(guò)閥24的正常流量設(shè)定。每當(dāng)液面超過(guò)液面時(shí)，第一個(gè)液面開關(guān)34a受激發(fā)于是控制信號(hào)的脈沖寬度增加。每當(dāng)液面下降到最低液面以下時(shí)，第二液面開關(guān)34b受激發(fā)，于是控制信號(hào)36的脈沖寬度增加。此外，若液面開關(guān)34a或34b受激發(fā)從而脈沖寬度受到調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)一段給定的時(shí)間之后，液面沒有恢復(fù)到正常液面，則可以進(jìn)一步增加或減小脈沖寬度，這視乎哪一個(gè)液面開關(guān)受激發(fā)而定。
第一膨脹裝置18可以是象毛細(xì)管之類的普通膨脹裝置，也可以是另一種也由控制器32控制的脈寬調(diào)制電磁閥。在后一種情況下，在冷凝器14與第一膨脹裝置18之間的冷凍劑管線上裝上另外一個(gè)分相器。附加的這個(gè)分相器配備以液面?zhèn)鞲衅?，供反饋到控?2之用。與其它分相器不同，增設(shè)的這個(gè)分相器只需要一個(gè)在底部的出口，供將液相冷凍劑提供給第一膨脹裝置18之用。
上面已介紹過(guò)用脈寬調(diào)制電磁閥進(jìn)行膨脹控制經(jīng)改進(jìn)的制冷系統(tǒng)。電磁閥是根據(jù)分相器中的液面控制的。雖然上面是就本發(fā)明的一些具體實(shí)施例進(jìn)行說(shuō)明的，但本技術(shù)領(lǐng)域的行家們都知道，在不脫離本發(fā)明在本說(shuō)明書所附的權(quán)利要求書中所述的精神實(shí)質(zhì)和范圍的前提下是可以對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行種種修改的。
權(quán)利要求
1.一種制冷系統(tǒng)，供使用在有一個(gè)冷藏室和一個(gè)新鮮食物室的制冷裝置中，所述制冷系統(tǒng)包括第一膨脹裝置，由一個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥組成；第一蒸發(fā)器，供冷卻冷藏室之用；第一和第二壓縮機(jī)；一個(gè)冷凝器；第二膨脹裝置；第二蒸發(fā)器，供冷卻新鮮食物室之用；所有以上部件都按上述次序依次串聯(lián)連接在一起；和一個(gè)分相器，供接收來(lái)自第二蒸發(fā)器的冷凍劑，其第一出口給所述脈寬調(diào)制電磁閥提供液相冷凍劑，其第二出口給所述第二壓縮機(jī)提供氣相冷凍劑；一個(gè)液面?zhèn)鞲衅?，配置在所述分相器中；和一個(gè)控制器，供控制所述脈寬調(diào)制電磁閥的工作循環(huán)之用，控制器的輸入端與所述液面?zhèn)鞲衅飨噙B接。
2.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液面?zhèn)鞲衅麟S所述分相器中液面的變化提供連續(xù)變化的信號(hào)。
3.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述液面?zhèn)鞲衅魇莻€(gè)液面開關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在所述分相器中的液面高于所述液面開關(guān)的位置時(shí)產(chǎn)生脈沖寬度為第一脈沖寬度的控制信號(hào)，在所述分相器中的液面低于所述液面開關(guān)的位置時(shí)產(chǎn)生脈沖寬度為第二脈沖寬度的控制信號(hào)。
5.如權(quán)利要求3所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，它還包括另一個(gè)液面開關(guān)，配置在所述分相器中，且與所述控制器的輸入端相連接，所述附加的液面開關(guān)在安置在所述第一次提到的液面開關(guān)下面。
6.如權(quán)利要求5所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述控制器在所述分相器中的液面高于所述第一次提到的液面開關(guān)的位置時(shí)增加其控制信號(hào)的脈沖寬度在所述分相器中的液面低于所述附加的液面開關(guān)的位置時(shí)減小其控制信號(hào)的脈沖寬度。
7.如權(quán)利要求1所述的制冷系統(tǒng)，其特征在于，所述第二膨脹裝置是個(gè)脈寬調(diào)制電磁閥。
全文摘要
用脈寬調(diào)制法控制電磁膨脹閥(24)的冷凍劑流量，該閥用于雙蒸發(fā)器兩級(jí)循環(huán)制冷系統(tǒng)(10)。(10)有一分相器(22)接收低溫蒸發(fā)器(20)的兩相冷凍劑，將液相冷凍劑送給脈寬調(diào)制電磁閥(24)。(22)中有液面?zhèn)鞲衅?34)，還有控制器(32)控制脈寬調(diào)制電磁閥(24)的工作循環(huán)，并接收液面?zhèn)鞲衅?34)的輸入。(34)隨液面變化提供連續(xù)變化信號(hào)或根據(jù)分相器的液面高于或低于給定液面來(lái)控制電磁閥的工作循環(huán)的液面開關(guān)。也可配備兩個(gè)液面開關(guān)(34a，34b)。
文檔編號(hào)F25B5/04GK1124055SQ95190141
公開日1996年6月5日 申請(qǐng)日期1995年2月22日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月3日
發(fā)明者H·賈斯特 申請(qǐng)人:通用電氣公司