專利名稱：根據蒸發器的干燥度控制冷凍劑的流量的制作方法
背景技術：
本發明總的說來涉及制冷系統中冷凍劑的膨脹控制，更具體地說，涉及用脈寬調制的電磁閥進行膨脹控制。這里使用的“制冷系統”一詞是指制冷裝置、空調機或任何其它產生致冷作用的系統。
家用冰箱中采用的一般制冷系統通常是按簡單的蒸汽壓縮循環工作的。這種循環包括一個壓縮機、一個冷凝器、一個膨脹裝置和一個蒸發器，所有這些都按上述次序依次串聯連接，里面裝有冷凍劑。冷凍劑經壓縮機壓縮到高溫和高壓之后，由冷凝器加以冷凝，這時失去的熱量發散到周圍環境中。液體冷凍劑接著流經諸如膨脹閥或毛細管之類的膨脹裝置，經歷絕熱膨脹過程。這時處于低壓的冷凍劑流經蒸發器，因吸收流過蒸發器上方的空氣中的熱量而使自身受到蒸發。制冷裝置的一個或多個致冷室用冷空氣冷卻。從蒸發器出來的氣態或大部分氣態的冷凍劑經抽氣管線回到壓縮機，重復這個壓縮循環。
毛細管是個簡單價廉的裝置，所以家用冰箱一般采用它控制冷凍劑的膨脹過程。然而，毛細管作為熱膨脹裝置有一系列局限性。例如，為使內徑達到可以制造的程度并大得足以避免堵管，毛細管必須制造得非常長。這就需要冰箱有充分的空間容納毛細管長度方向的尺寸。此外，由于對毛細管采用膨脹控制，因而生產過程中要求冷凍劑的充料操作得非常精確，因為冷凍劑通過毛細管的流量對系統中冷凍劑的充料量非常敏感。
另外，毛細管的尺寸還可以取得使冷凍劑的流量只有在某一個工作條件下達到最佳狀態。因此，毛細管的尺寸通常取得使冷凍劑的流量在正常操作下達到最佳狀態。這就是說，致冷循環開始時(以及在高負荷的情況下)，毛細管處于尺寸不夠大的狀態，因而蒸發器處于冷凍劑供應量不足的狀態。這降低了冰箱的冷卻能力和效率。制冷循環快結束時，毛細管則處于尺寸過大的狀態，因而蒸發器中的冷凍劑泛濫，再次降低冰箱的效率。因此，采用毛細管進行膨脹時的循環效率遠低于有效膨脹控制下所能達到的效率。
然而，以一般恒溫膨脹閥的形式進行的有效膨脹控制，在家用冰箱中并不能很好發揮作用。恒溫膨脹閥盡管經常用于冷凍劑流量大的汽車空調系統和商用制冷系統中，但卻不能制造得使其孔板小得足以調節家用冰箱冷凍劑的非常低的流量(一般為10-12磅/小時)。就是說，要達到所要求的壓降，這種閥的孔板需要達到10密耳或以下的數量級，這樣的尺寸不適宜制造，而且非常容易發生堵塞。
因此，需要有另一種方案代替毛細管和恒溫膨脹閥作為家用冰箱的膨脹控制器。發明簡介本發明即滿足了上述要求，它采用脈寬調制的電磁閥進行膨脹控制。先是產生脈寬調制的控制信號，用此控制信號使電磁閥周期性地開合。控制信號的脈沖寬度確定了冷凍劑流過電磁閥的平均流量。電磁閥的工作循環隨蒸發器的干燥度而變化，精確地控制著冷凍劑的平均流量。
具體地說，本發明提供的制冷系統有一個蒸發器配置在待冷卻的室中。蒸發器的入口經其入口與一個脈寬調制的電磁閥相連接。在本發明的一個最佳實施例中，蒸發器的干燥度通過測定蒸發器入口溫度與制冷室空氣溫度之間的溫差進行監控。蒸發器入口附近設有第一溫度傳感器，制冷室中設有第二溫度傳感器。此外，還裝有一個控制器供控制脈寬調制電磁閥的工作循環之用。控制器接收兩溫度傳感器來的輸入，按兩溫度的溫差控制電磁閥的工作循環。第一傳感器可以安置在蒸發器上或蒸發器的入口管線上。第二溫度傳感器最好安置在制冷室的后壁上。后壁上可以安置第二溫度傳感器的位置有制冷室空氣入口附近，制冷室的空氣出口附近和空氣出口下方兩英寸處。
測定制冷室空氣溫度與蒸發器入口溫度之間的溫差可以精確、簡單地進行控制，并減小“振蕩”的傾向。由于調節電磁閥時最先變化的是蒸發器入口的溫度，因而可以獲得快速的反饋。制冷室空氣溫度是蒸發器可能有的最高出口溫度的基準點，也給非常穩定的控制信號提供了依據。
在本發明的另一個實施例中，蒸發器的干燥度是通過測定蒸發器出口溫度與制冷室溫度之間的溫差進行監控的。
采用脈寬調制的電磁閥進行膨脹控制還有若干好處。由于脈寬調制的電磁閥是以振蕩的方式工作的，因而其孔板可以制造得大些，從而避免堵塞問題。采用脈寬調制控制的系統對總的冷凍劑充料量是不太敏感的，這在生產過程中簡化了充料方面的要求。脈寬調制電磁閥能適應壓縮機在其缸體作容積變化時冷凍劑的不同流量，因而與可調壓縮機和/或多速壓縮機配用有好處。在中止循環的過程中，脈寬調制電磁閥可用來保持高低壓之間可靠的密封作用，從而避免冷凍劑漏出，同時節能。因此這種電磁閥起能量控制閥的作用，無需采用另外的閥門來覆行這個職能。
參看附圖閱讀下面的詳細說明和所附的權利要求書可以清楚了解本發明的其它目的和優點。
本說明書的結論部分，特別指出和清楚闡明了本發明的主題，但要理解本發明的內容，最好還是參照附圖參閱下面的有關說明。附圖中圖1A和1B是本發明制冷系統實施方案的原理圖2是本發明用以控制圖1A和1B中的膨脹閥的脈寬調制頻率信號的示意圖。發明詳介參看附圖。附圖中同樣的編號表示同樣的元件。從圖1A和圖1B都可以看到，制冷系統10包括壓縮機12、冷凝器14、膨脹閥16和蒸發器線圈18，所有這些組成部分都按上述次序依次連接在一個串聯閉合回路中。冷凍劑注入制冷系統10中，在壓縮機12中壓縮。冷凍劑經壓縮后排到冷凝器14中加以冷卻和冷凝，再排入液體管線20中。接著，液態冷凍劑邊膨脹邊通過膨脹閥16，經蒸發器入口管線21從膨脹閥16流向蒸發器18。蒸發器18最好設在致冷室22中。
冷凍劑通過蒸發器18的過程中與致冷室22中的空氣進行熱交換，于是熱量就傳遞到流過蒸發器的冷凍劑，使液態冷凍劑蒸發。冷凍劑從蒸發器18出來時最好處于稍微過熱的氣態。接著氣態冷凍劑通過抽氣管線24返回壓縮機12，在那里重復循環過程。在圖1B的設計中，液體管線20和抽氣管線24按逆流熱交換的方式配置，目的是提高循環效率。這種熱交換關系一般是通過使液體管線20與抽氣管線24(或這些管線的起碼一部分)彼此熱接觸(即一般通過將相應的管線焊接在一起)建立起來的。
雖然這里是就制冷系統10以簡單蒸汽壓縮循環的方式工作進行介紹的，但本發明同樣也可用于其它制冷循環中。例如，本發明可用在按1990年3月27日公布的、專利權授與Heinz Jaster的美國專利4,910,972中所述的雙蒸發器循環方式工作制冷系統中，這里也把該專利包括進來以供參考。
膨脹閥16是控制制冷系統10工作過程的節流或計量裝置。按照本發明，膨脹閥16是個脈寬調制電磁閥，作為反饋回路的一部分由控制器26控制著。控制器26根據蒸發器的干燥度控制膨脹閥16。干燥度的高低(即液態冷凍劑的劑量)表示蒸發器18是否需要增添冷凍劑。在蒸汽壓縮循環制冷系統中，致冷室22的空氣溫度與蒸發器入口溫度之間的溫差表示蒸發器的干燥度。通常，此溫差增加時，閥16應該開得更大，以提高冷凍劑的流量。
在本發明在圖1A所示的最佳實施例中，致冷室的空氣溫度是用位于致冷室22中的空氣溫度傳感器測定的。冰箱中可能早已配備有這種傳感器以控制壓縮機12的工作過程。蒸發器入口溫度由位于蒸發器18入口處或附近的入口溫度傳感器30測定。溫度傳感器28、30最好是固態傳感器，但也可采用任何適當的傳感器，例如電阻溫度檢測器(RTD)、熱電偶或熱敏電阻等。
空氣溫度傳感器28在致冷室22中的確切位置對控制電路26的響應有很大的影響，特別是制冷系統10用于家用冰箱時，更是如此；在此情況下，致冷室22一般是冰箱的冷凍室。用于冰箱中時，空氣溫度傳感器28通常安置在冷凍室的后面。這不僅便于制造，而且也將傳感器28屏蔽起來，使其不受因冷藏室的門打開而引起的溫度不均的影響。
空氣溫度傳感器28的一個具體位置是在毗鄰冷藏室空氣入口處，這一般是在冷藏室的底部。在這個位置傳感器暴露在最冷的空氣溫度中，因而更直接地指示著閥16何時需要調節。然而，這個位置即使在中止循環期間也仍然是非常冷的，因而往往給出虛假的溫度信號，從而使起動響應時間沒有那么快。因門孔引起的假溫度信號也是會劇變的。另一個可能安置傳感器的位置是冷凍室頂部，毗鄰冷凍室空氣出口處。這個位置的空氣溫度通常最暖和，起動響應時間最短，因而最大限度地減少了假信號，但可能對閥門的控制不利。
空氣溫度傳感器28也可以安置在空氣入口與空氣出口之間的任何位置，以權衡這兩入位置各自的長處。空氣溫度傳感器28的一個較理想的位置是在冷凍室后壁上，在空氣出口下方大約2英寸處。
入口溫度傳感器30安置在與蒸發器18的入口靠近得足以測定蒸發器入口的溫度。入口溫度傳感器30最好安置在致冷室22中，但也可以設在室22外面。入口溫度傳感器30的確切位置會影響循環的起動響應時間。起動時，壓縮機12開始時將液態冷凍劑抽出蒸發器18之外，從而引起虛假的蒸發器入口溫度信號。入口溫度傳感器30重新暴露在冷凍劑中的時間越短，制冷系統10達到其正常工作情況的時間就越短。因此，將入口溫度傳感器30在蒸發器入口管線21上安置得在仍然可以精確測出蒸發器入口溫度的同時盡量靠近膨脹閥16還是比較恰當的。然而，在中止循環期間，周圍環境的熱量可能會通過蒸發器入口管線21傳到入口溫度傳感器30。若這個熱傳導大到足以引起假溫度信號的程度，則可以把入口溫度傳感器安置在閥16的下游。為防止熱傳導過大，甚至還可以把入口溫度傳感器安置在蒸發器18上，靠近入口處。
控制器26分別從空氣溫度傳感器28和入口溫度傳感器30接收對應于致冷室的空氣溫度和蒸發器入口溫度的信號。根據這些溫度信號，控制器26產生控制信號32饋送給電磁閥16。控制信號32是脈寬調制頻率信號，它促使電磁閥16在全開和全閉位置之間振蕩，從而，由開至合狀態的工作循環確定冷凍劑通過膨脹閥16的平均流量。脈寬按檢測出的蒸發器干燥度調節，以便將干燥度保持在較固定的水平。最好致冷室22中的空氣溫度與蒸發器入口溫度之間的溫差保持在大約5～15°F的范圍。控制閥16的工作循環使蒸發器保持在所要求的干燥度，可以使系統達到最佳的工作性能。
圖2示出了控制信號32的取樣波形。這是方波的波形，它交替地在最高電壓值V1與最低控制電壓值V2之間變化。波形處在最高控制電壓V1時，閥16移到全開的狀態，波形處在最低控制電壓V2時，閥16移到全閉狀態。圖2中所示的脈寬調制波形，其電壓變化不是瞬時變化的，而是在最高與最低電壓值之間有一個短暫的過渡期。這可以避免膨脹閥突然打開和關閉時冷凍劑中產生壓力沖擊波的問題。無論系統中冷凍劑流量的要求如何，波形的頻率是穩定的。這個頻率最好取大約0.1-2赫的范圍。
冷凍劑流過閥16的流量取決于脈寬調制波形的工作循環。因此，在圖2所示的時間to之前，閥16全開的時間比其全閉的時間短，因而冷凍劑的平均流量較低。在時間to(這時檢測出干燥度增加，表明要求提高冷凍劑供應量)之后，控制器26調節工作循環，使閥16全開的時間比其全閉的時間長，從而提高冷凍劑的平均流量。
膨脹閥16最好是個常閉閥，就是說，電磁閥不得電時，閥16關閉。這意味著，閥關閉時，最低控制電壓V2可以為0。此外，每當壓縮機12停車時，閥16的電源中斷。這樣可以防止冷凍劑在循環中止時流到蒸發器18中去，從而節能。因此，電磁閥16起能量控制閥的作用，因而無需專門的閥來覆行這項職能。
控制器26可以采用本技術中周知的任何一種脈寬調制控制方案。適用的控制方案有1987年3月24日專利權授予Richard H.Alsenz的美國專利4,651,535和1993年10月26日專利權授予Donald E Janke的美國專利5,255,530中所述的控制方案，這里也把該兩個專利包括進來以供參考。
按本發明的另一個實施例，蒸發器出口干燥度的指示是根據致冷室22的空氣溫度與蒸發器出口溫度之間的溫差確定的。這兩個溫度極其接近時，表明蒸發器干燥，應增加冷凍劑流過控制閥16的流量。
參看圖1B所示的另一個實施例。控制器26分別從空氣溫度傳感器28和出口溫度傳感器30收到對應于致冷室空氣溫度和蒸發器出口溫度的信號。控制器26根據這些溫度信號產生控制信號饋給電磁閥16。這里，脈中寬度又再次按蒸發器出口的干燥度加以調節，以便將干燥度保持在較固定的水平。可能安置出口溫度傳感器30的位置有好幾個，這包括致冷室22內(如圖1B中所示)、致冷室22一出來的地方(圖1B中的A點)、在帶液體管線20的抽氣管線熱交換器的入口處(圖1B的B點)、抽氣管線熱交換器的出口處(圖1B的C點)和壓縮機12的入口處(圖1B的D點)。出口溫度傳感器30位置確定從潮濕到干燥的過渡點，這個位置是為達到最佳的工作性能而先取的。通常出口溫度傳感器30安置在較靠近蒸發器18的位置會提高循環效率，安置在較靠近在壓縮機12的位置會提高冷卻能力。
以上已介紹了采用脈寬調制電磁閥進行膨脹控制的經改進的制冷系統。電磁閥按蒸發器的干燥度加以控制。以上已就本發明的一些具體實施例進行說明。不言而喻，在不脫離本發明在本說明書所附權利要求書中所述的精神實質和范圍的前提下，本技術領域的行家們是可以對上述實施例進行種種修改的。
權利要求
1.一種冷卻至少一個致冷室的制冷系統，其特征在于，所述制冷系統包括一個蒸發器，有一個入口；一個脈寬調制電磁閥，由蒸發器入口管線連接到所述蒸發器的所述入口；傳感器裝置，用以感測所述蒸發器的干燥度，并產生表示所述干燥度的信號；一個控制器，響應所述傳感器裝置，用以根據所述傳感器裝置發出的所述信號控制所述脈寬調制電磁閥的工作循環，因而所述脈寬調制電磁閥的工作循環是根據感測出的所述蒸發器的干燥度進行控制的。
2.如權利要求1所述的制冷系統，其特征在于，所述傳感裝置產生的所述信號表示致冷室中的溫度與所述蒸發器入口的溫度兩者之間的溫差。
3.如權利要求2所述的制冷系統，其特征在于，所述傳感裝置有一個第一傳感器和一個第二傳感器，前者安置在靠近所述蒸發器的入口處，后者安置在致冷室中。
4.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，所述第一溫度傳感器安置在所述蒸發器中。
5.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，所述第一溫度傳感器安置在所述蒸發器的入口管線上。
6.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，所述第二溫度傳感器安置在致冷室的后壁上。
7.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，致冷室有一個空氣入口，所述第二溫度傳感器即毗鄰所述空氣入口裝置。
8.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，致冷室有一個空氣出口，所述第二溫度傳感器即毗所述空氣出口配置。
9.如權利要求3所述的制冷系統，其特征在于，致冷室有一個空氣出口，所述第二溫度傳感器安置在致冷室中，在所述空氣出口下方的大約2英雨處。
10.如權利要求1所述的制冷系統，其特征在于，所述蒸發器還有一個出口，所述制冷系統還有一個壓縮機用一個抽氣管線與所述蒸發器的所述出口相連接，且所述傳感裝置產生的所述信號表示致冷室中的溫度與所述蒸發器的出口溫度之間的溫差。
11.如權利要求10所述的制冷系統，其特征在于，所述傳感裝置包括第一溫度傳感器和第二溫度傳感器，前者安置在所述抽氣管線上，后者安置在所述致冷室中。
12.如權利要求11所述的制冷系統，其特征在于，所述第一溫度傳感器安置在所述致冷室中。
13.如權利要求11所述的制冷系統，其特征在于，所述第一溫度傳感器安置在所述壓縮機的入口處。
14.如權利要求11所述的制冷系統，其特征在于，所述第一溫度傳感器安置在緊靠所述致冷室出口的地方。
15.如權利要求11所述的制冷系統，其特征在于，它還有一個冷凝器和一個將所述冷凝器與所述脈寬調制電磁閥連接起來的液體管線，所述液體管線與所述抽氣管線彼此熱接觸，形成一個有一個入口和一個出口的熱交換器，且所述第一溫度傳感器安置在所述熱交換器的入口處。
16.如權利要求11所述的制冷系統，其特征在于，它還有一個冷凝器和一個將所述冷凝器與所述脈寬調制電磁閥相連接的液體管線，所述液體管線與所述抽氣管線彼此熱接觸。形成有一個進出口和一個出口的熱交換器，且所述第一溫度傳感器安置在所述熱交換器的所述出口。
全文摘要
用脈寬調制控制制冷系統(10)中流過電磁膨脹閥(10)的冷凍劑的流量。第一溫度傳感器(30)安置在蒸發器入口附近，第二溫度傳感器(28)安置在待冷卻的室(22)中。配備了控制器(26)用來控制脈寬調制電磁閥(16)的工作循環。控制器(26)接吸兩個溫度傳感器(28，30)來的輸入，并根據兩溫度的溫差控制電磁閥的工作。第二溫度傳感器(28)最好安置在室(22)的后壁上，也可毗鄰室(22)的空氣出口配置或配置在空氣入口與空氣出口之間。
文檔編號G05D23/20GK1124054SQ95190140
公開日1996年6月5日 申請日期1995年2月22日 優先權日1994年3月3日
發明者W·F·貝斯勒 申請人:通用電氣公司