專(zhuān)利名稱(chēng)：使用變速壓縮機(jī)的熱泵水加熱系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及 一 種包括變速壓縮機(jī)的熱泵或制冷系統(tǒng)，變速壓 縮機(jī)改變流過(guò)壓縮機(jī)的制冷劑的速度，以便優(yōu)化系統(tǒng)的性能系數(shù)，該 性能系數(shù)通常限定為加熱能力與壓縮機(jī)和風(fēng)扇電功率消耗的比例。
二氧化碳是通常用于制冷系統(tǒng)中的環(huán)保制冷劑。二氧化碳具有低 的臨界點(diǎn)，并且利用二氧化碳作為制冷劑的大多數(shù)制冷系統(tǒng)跨臨界或 部分在臨界點(diǎn)之上運(yùn)行。次臨界流體的壓力是飽和狀態(tài)下溫度的函數(shù) (在具有液體和蒸氣時(shí))。但是，流體溫度高于臨界溫度或者是超臨 界時(shí)，壓力變成流體密度的函數(shù)。
熱泵系統(tǒng)可在寬范圍的狀態(tài)下操作。室外空氣溫度可從冬天的大
約-20。F到夏天的大約120°F。因此，制冷劑蒸發(fā)溫度可以從冬天的大 約-20。F到夏天的大約IO(TF。因此，夏天二氧化碳在壓縮機(jī)抽吸口處 的密度比冬天二氧化碳在壓縮機(jī)抽吸口處的密度大八到十倍。但是， 制冷系統(tǒng)的加熱負(fù)載不能隨著室外空氣溫度變化而改變多少。
為了避免熱交換器系統(tǒng)的尺寸過(guò)大，加熱能力和制冷劑的質(zhì)量流 量應(yīng)該保持大致恒定。質(zhì)量流量是壓縮機(jī)抽吸口處的制冷劑密度與容 積流量的乘積。由于夏天的制冷劑抽吸口密度增加，夏天的容積流量 應(yīng)該顯著低于冬天的容積流量。
變速壓縮機(jī)用來(lái)調(diào)節(jié)容積流量，以便在不同工作條件下保持制冷 劑的質(zhì)量流量。在一個(gè)系統(tǒng)中，壓縮機(jī)速度與室外空氣溫度相關(guān)。在 室外溫度接近最高設(shè)計(jì)溫度時(shí)，壓縮機(jī)在最小速度下操作，并且在室 外溫度接近最低設(shè)計(jì)溫度時(shí)，壓縮機(jī)在最大速度下操作。這在壓縮機(jī) 速度和室外空氣溫度之間需要一定預(yù)設(shè)關(guān)系，以便調(diào)節(jié)制冷劑的容量 流量。在另一系統(tǒng)中，壓縮機(jī)速度取決于蒸發(fā)器負(fù)載。在蒸發(fā)器的冷 卻負(fù)載最高時(shí)，壓縮機(jī)在最小速度下操作，并且在冷卻負(fù)載最低時(shí)， 壓縮機(jī)在最高速度下操作。
在這些系統(tǒng)中，冬天壓縮機(jī)速度較低，以便保持幾乎恒定的加熱 能力。但是，對(duì)于某個(gè)室外空氣溫度來(lái)說(shuō)預(yù)設(shè)壓縮機(jī)速度不是實(shí)現(xiàn)性 能最佳系數(shù)的最佳壓縮機(jī)速度。另外，預(yù)設(shè)壓縮機(jī)速度不能適應(yīng)系統(tǒng)部件長(zhǎng)時(shí)間之后退化造成的COP的任何變化。
因此，需要一種包括變速壓縮機(jī)的熱泵或制冷系統(tǒng)，變速壓縮機(jī) 適用于并能夠改變壓縮機(jī)速度，以便在所有操作條件下實(shí)現(xiàn)最佳性能 系數(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
熱泵或制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹裝置以及蒸發(fā)器。 制冷劑循環(huán)通過(guò)閉合回路系統(tǒng)。最好是，二氧化碳用作制冷劑。二氧 化碳具有低臨界點(diǎn)，并且利用二氧化碳作為制冷劑的系統(tǒng)通?？缗R界運(yùn)行。
制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)壓縮并且接著在氣體冷卻器內(nèi)冷卻。氣體冷卻 器內(nèi)的制冷劑將熱量排出到例如水的流體介質(zhì)，加熱水。制冷劑接著 經(jīng)過(guò)膨脹裝置，并且膨脹成低壓。在膨脹之后，制冷劑流過(guò)蒸發(fā)器并 且通過(guò)周?chē)彝饪諝饧訜?。制冷劑接著被壓縮，完成循環(huán)。
變速驅(qū)動(dòng)器控制流過(guò)壓縮機(jī)的制冷劑的速度。改變制冷劑流過(guò)壓 縮機(jī)的速度改變系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量，并且影響氣體冷卻器和蒸 發(fā)器的性能。減小制冷劑質(zhì)量流量造成制冷劑更加緩慢地流過(guò)熱交換 器，增加每單位制冷劑流量的能量交換，并且改善熱交換器的性能。 但是，在質(zhì)量流量降低時(shí)，在蒸發(fā)器線圈內(nèi)，每單位流量的風(fēng)扇功率 增加。在每單位流量的風(fēng)扇功率增加時(shí)，性能系數(shù)降低。對(duì)于任何環(huán) 境情況，存在用于壓縮機(jī)的最佳的操作速度，以便實(shí)現(xiàn)最佳性能系數(shù)。 通常，室外溫度越高，獲得最佳性能系數(shù)的壓縮機(jī)的最佳速度越低。
將從以下說(shuō)明書(shū)和附圖中最佳地理解本發(fā)明的這些和其它特征。


本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員從當(dāng)前優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中清楚本發(fā)
明的多種特征和優(yōu)點(diǎn)。伴隨詳細(xì)描述的附圖可以如下簡(jiǎn)單描述 圖1示意表示采用變速壓縮機(jī)的制冷系統(tǒng)的視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示包括壓縮機(jī)22、氣體冷卻器24、膨脹裝置26和蒸發(fā)器 28的跨臨界制冷系統(tǒng)20。制冷劑循環(huán)通過(guò)閉合回路系統(tǒng)20。最好是， 二氧化碳用作制冷劑。雖然描述了二氧化碳，可以使用氣體制冷劑。 二氧化碳具有低臨界點(diǎn)，并且采用二氧化碳作為制冷劑的系統(tǒng)通常跨 臨界運(yùn)行。在水加熱模式下操作時(shí)，制冷劑在高壓和高熱函下離開(kāi)壓縮機(jī)22。 制冷劑流過(guò)氣體冷卻器24，并且損失熱量，在低熱函和高壓下離開(kāi)氣 體冷卻器24。例如水的流體介質(zhì)流過(guò)氣體冷卻器24的散熱器30,并 且與制冷劑交換熱量。水泵32將流體介質(zhì)流過(guò)散熱器30。冷流體34 在散熱器入口或返回部36處進(jìn)入散熱器30,并且在與制冷劑流動(dòng)方向 相反的方向上流動(dòng)。在從制冷劑接收熱量之后，被加熱的水38在散熱 器出口或供應(yīng)部40處離開(kāi)。制冷劑在制冷劑入口 62處進(jìn)入氣體冷卻 器24并且在制冷劑出口 64處離開(kāi)。制冷劑在膨脹裝置26內(nèi)膨脹成低壓。膨脹裝置26可以是電子膨 脹閥(EXV)或者其它類(lèi)型的膨脹裝置。制冷劑在低壓和低熱函下離開(kāi) 膨脹裝置。在膨脹之后，制冷劑流過(guò)蒸發(fā)器28并且從室外空氣接收熱量。室 外空氣44流過(guò)散熱器46并且將熱量排出到經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器28的制冷劑。 室外空氣經(jīng)由散熱器入口或返回部48進(jìn)入散熱器46，并且在與制冷劑 流動(dòng)方向相反的方向上流動(dòng)。風(fēng)扇54運(yùn)動(dòng)蒸發(fā)器28之上的周?chē)諝猓?并且控制蒸發(fā)器28上運(yùn)動(dòng)的空氣的速度。在與制冷劑交換熱量之后， 被冷卻的室外空氣50經(jīng)由散熱器出口或供應(yīng)部52離開(kāi)散熱器46。制 冷劑在制冷劑入口 68處進(jìn)入蒸發(fā)器28,并且在制冷劑出口 66處離開(kāi)。 制冷劑在高熱函和低壓下離開(kāi)蒸發(fā)器28。壓縮機(jī)22的速度被調(diào)節(jié)，以便對(duì)于任何室外空氣44溫度來(lái)說(shuō)實(shí) 現(xiàn)最佳性能系數(shù)。性能系數(shù)限定為系統(tǒng)20的加熱能力除以系統(tǒng)的功率 輸入。系統(tǒng)20的加熱能力是氣體冷卻器24內(nèi)的熱傳遞量，并且系統(tǒng) 20的功率輸入是壓縮機(jī)22的功加上在蒸發(fā)器28上吹送空氣的風(fēng)扇54 的功。變速驅(qū)動(dòng)器70控制流過(guò)壓縮機(jī)22的制冷劑的速度。改變流過(guò)壓 縮機(jī)22的制冷劑的速度改變系統(tǒng)20內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量，并且影響 氣體冷卻器24和蒸發(fā)器28的熱傳遞性能。減小質(zhì)量流量造成制冷劑更加緩慢地流過(guò)氣體冷卻器24和蒸發(fā)器 28,增加制冷劑的每單位流量的能量交換，并且改善氣體冷卻器24和 蒸發(fā)器28的性能。但是，在質(zhì)量流量降低時(shí)，每單位流量的風(fēng)扇54 的功率增加。因此，在每單位流量的風(fēng)扇54的功率增加時(shí)，性能系數(shù) 增加。通常室外溫度44越高，壓縮機(jī)22的最佳速度越低。傳感器74檢測(cè)系統(tǒng)20的性能系數(shù)，并且將此數(shù)值發(fā)送到控制器 72?？刂破?2被編程，以便確定被檢測(cè)的性能系數(shù)是否是最佳性能系 數(shù)。控制器74相應(yīng)地改變壓縮機(jī)22的速度，以便提供最佳性能系數(shù)。通過(guò)改變流過(guò)壓縮機(jī)22的制冷劑速度，系統(tǒng)20可動(dòng)態(tài)地適用于 不同的環(huán)境情況和系統(tǒng)退化，以便總是實(shí)現(xiàn)最佳性能系數(shù)。對(duì)于每個(gè) 環(huán)境情況壓縮機(jī)22具有實(shí)現(xiàn)最佳性能系數(shù)的最佳操作速度。此系統(tǒng)可以單獨(dú)使用，或者與其它系統(tǒng)操作方法結(jié)合使用。以上描述只是本發(fā)明原理的示例性說(shuō)明。在以上教導(dǎo)的啟示下本 發(fā)明可以進(jìn)行多種變型和改型。已經(jīng)披露了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但 是，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解到某些變型會(huì)在本發(fā)明的范圍內(nèi)。因 此，應(yīng)該理解到在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以特別描述以外 的方式實(shí)施。為此，應(yīng)該閱讀下面的權(quán)利要求來(lái)確定本發(fā)明的真實(shí)范 圍和內(nèi)容。
權(quán)利要求
1. 一種跨臨界制冷系統(tǒng)，包括將制冷劑壓縮到高壓的壓縮裝置；冷卻所述制冷劑的熱量排出熱交換器；將所述制冷劑降低到低壓的膨脹裝置；蒸發(fā)所述制冷劑的熱量接收熱交換器，并且空氣流在所述熱量接收熱交換器內(nèi)與所述制冷劑交換熱量；以及以可變速度將所述制冷劑運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)所述壓縮機(jī)以便優(yōu)化系統(tǒng)性能系數(shù)的變速裝置。
2. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，制冷劑是二氧化碳。
3. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括在所述熱量接 收熱交換器之上吹送流體的風(fēng)扇。
4. 如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在于，性能系數(shù)與系統(tǒng)的加 熱能力以及壓縮裝置的功的量加上風(fēng)扇功的量相關(guān)，其中系統(tǒng)的加熱 能是熱量排出熱交換器內(nèi)熱量傳遞的量。
5. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，變速裝置調(diào)節(jié)經(jīng)過(guò)壓縮裝置的制冷劑的質(zhì)量流量。
6. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，減小制冷劑的質(zhì)量流 量增加了制冷劑的每單位流量的風(fēng)扇功率。
7. 如權(quán)利要求l所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性 能系數(shù)的傳感器。
8. 如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征在于，還包括控制變速裝置 的控制器，并且在傳感器確定性能系數(shù)不是最佳性能系數(shù)時(shí)，控制器 通過(guò)變速裝置調(diào)節(jié)制冷劑的質(zhì)量流量。
9. 一種跨臨界制冷系統(tǒng)，包括 將制冷劑壓縮到高壓的壓縮裝置； 冷卻所述制冷劑的熱量排出熱交換器； 將所述制冷劑降低到低壓的膨脹裝置；蒸發(fā)所述制冷劑的熱量接收熱交換器，并且空氣流在所述熱量接 收熱交換器內(nèi)與所述制冷劑交換熱量；在所述熱量接收熱交換器之上吹送流體的風(fēng)扇；以可變速度將所述制冷劑運(yùn)動(dòng)經(jīng)過(guò)所述壓縮機(jī)以便優(yōu)化系統(tǒng)性能系數(shù)的變速裝置；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能系數(shù)的傳感器；以及控制變速裝置的控制器，并且在傳感器確定性能系數(shù)不是最佳性 能系數(shù)時(shí)，控制器通過(guò)變速裝置調(diào)節(jié)制冷劑的質(zhì)量流量。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其特征在于，性能系數(shù)與系統(tǒng)的 加熱能力以及壓縮裝置的功的量加上風(fēng)扇功的量相關(guān)，其中系統(tǒng)的加 熱能是熱量排出熱交換器內(nèi)熱量傳遞的量。
11. 一種優(yōu)化跨臨界制冷系統(tǒng)的性能系數(shù)的方法包括如下步驟 將制冷劑壓縮到高壓；冷卻制冷劑；將制冷劑膨脹到低壓；蒸發(fā)制冷劑；檢測(cè)系統(tǒng)的性能系數(shù)；以及根據(jù)系統(tǒng)性能系數(shù)，調(diào)節(jié)流過(guò)所述壓縮機(jī)的制冷劑的速度。
全文摘要
跨臨界制冷系統(tǒng)包括壓縮機(jī)、氣體冷卻器、膨脹裝置以及蒸發(fā)器。制冷劑循環(huán)通過(guò)閉合回路系統(tǒng)。最好是，二氧化碳用作制冷劑。變速裝置控制流過(guò)壓縮機(jī)的制冷劑的速度。改變流過(guò)壓縮機(jī)的制冷劑的速度改變系統(tǒng)內(nèi)制冷劑的質(zhì)量流量，以便優(yōu)化性能系數(shù)。
文檔編號(hào)F25B49/00GK101253374SQ200580051463
公開(kāi)日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2005年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月31日
發(fā)明者L·張, Y·陳 申請(qǐng)人:開(kāi)利公司