改善制冷系统可靠性的反季节启动.pdf

一种蒸汽压缩系统，包括计时器和控制器，用于在系统通常应被关闭的反季节期间(主要是不需冷却的月份)定期地启动该系统。这可以对压缩机的部件提供定期润滑，并阻止因为过量的制冷剂聚集在压缩机(尤其是压缩机油槽)和其他系统部件中而引起的严重满液式启动。还规定按顺序打开和关闭系统部件，例如压缩机，蒸发器风扇和冷凝器风扇，以增强系统操作。用于启动之间的时间间隔和反季节操作循环次数的计时顺序也被提供。

1、  一种在反季节时期操作蒸汽压缩系统的方法，该系统在反季节时期通常是关闭的，所述方法包括以下步骤：
提供计时器，用来计时系统关闭的时间间隔；
如果时间间隔超过第一预定阈值，则启动压缩机；
在时间间隔超过第二预定阈值后，关闭压缩机。

2、  如权利要求1所述的方法，包括打开和关掉蒸发器风扇的附加步骤。

3、  如权利要求2所述的方法，其中：所述蒸发器风扇的开关与压缩机的启停是基本同时的。

4、  如权利要求1所述的方法，包括打开和关掉至少一个冷凝器风扇的附加步骤。

5、  如权利要求4所述的方法，其中：在压缩机启动后打开所述的至少一个冷凝器风扇。

6、  如权利要求4所述的方法，其中：在压缩机停机之前关掉所述的冷凝器风扇。

7、  如权利要求1所述的方法，其中：还提供一种附加步骤，该附加步骤检测至少一个参数以决定是否需要启动压缩机。

8、  如权利要求7所述的方法，其中：所述的至少一个参数从以下一组参数中选择：环境温度、室内温度、吸气压力、排气压力、饱和吸气温度、饱和排气温度或它们的组合。

9、  如权利要求1所述的方法，其中：计时器的设定由至少一个参数确定。

10、  如权利要求9所述的方法，其中：所述的至少一个参数选自由环境温度和室内温度构成的组。

11、  如权利要求1所述的方法，其中：第一预定阈值在2天到4周之间。

12、  如权利要求1所述的方法，其中：第二预定阈值在2分钟到15分钟之间。

13、  一种蒸汽压缩系统，包括：
压缩机，用于压缩制冷剂；
冷凝器，用于排出被压缩制冷剂的热量；
膨胀装置，用于将被压缩制冷剂膨胀到较低压力和温度；
蒸发器，用于接受来自膨胀装置的制冷剂，并将被冷却空气的热量传递给制冷剂；
计时器，用于确定蒸汽压缩系统被关闭的时间段；和
控制器，用于在系统被关闭预定时间段之后启动压缩机。

14、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，其中：一种蒸发器风扇与所述蒸发器操作上相关联，所述控制器也控制所述蒸发器风扇的打开与关闭。

15、  如权利要求14所述的蒸汽压缩系统，其中：所述的控制器在启动和关闭压缩机的基本同时打开和关闭所述蒸发器风扇。

16、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，其中：一种冷凝器风扇与所述冷凝器操作性上相关联，所述控制器也控制所述冷凝器风扇的打开与关闭。

17、  如权利要求16所述的蒸汽压缩系统，其中：所述控制器在启动所述压缩机之后打开所述冷凝器风扇。

18、  如权利要求16所述的蒸汽压缩系统，其中：所述控制器在关闭所述压缩机之前关闭所述冷凝器风扇。

19、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，包括至少一个传感器，用来检测至少一个参数，以确定是否需要启动压缩机。

20、  如权利要求19所述的蒸汽压缩系统，其中：至少一个参数从以下一组参数中选择：环境温度，室内温度，吸气压力，排气压力，饱和吸气温度，饱和排气温度或它们的组合。

21、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，其中：计时器的设定由至少一个参数确定。

22、  如权利要求21所述的蒸汽压缩系统，其中：至少一个参数选自由环境温度和室内温度构成的组。

23、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，其中：蒸汽压缩系统被关闭的时间段在2天到4周之间。

24、  如权利要求13所述的蒸汽压缩系统，其中：连续关闭之间的蒸汽压缩系统操作时间在2分钟到15分钟之间。

改善制冷系统可靠性的反季节启动
背景技术
本发明总体上涉及一种蒸汽压缩系统，更具体地说，涉及一种用于阻止由于系统操作的季节性引起的严重满液式启动的方法和设备。
典型的空调系统包括，串流连通的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。压缩机压缩制冷剂，并将该高压制冷剂蒸汽传递到冷凝器中，在冷凝器中，通过与例如为空气或水的第二流体的热传递交互作用，使该蒸汽降温、冷凝并通常过冷。液体制冷剂然后流向膨胀装置，并在膨胀装置中被膨胀到较低压力和温度，从而在膨胀装置的出口处形成两相(液体和蒸汽)制冷剂混合物，同时一部分制冷剂闪发(flash)成为蒸汽。该蒸汽和液体制冷剂混合物然后流向蒸发器，在蒸发器中，制冷剂吸收了热量，同时冷却了通常被送至所调节空间的另一种第二流体，蒸发产生的通常过热的制冷剂蒸汽流回到压缩机，完成了循环。
在季节性气候的地区，或是在具有需冷却和加热的季节的地理区域，通常需要暖通空调HVAC(空调，加热和通风)设备的制冷和制热部件，该空调制冷系统绝大多数是在炎热和/或潮湿的夏季月份里使用，在冬季的时候(也可能是在秋季和夏季的月份里)通常会被关闭，且持续中断几个月。由于制冷剂往往会移向系统中最冷的点，且压缩机通常是设置在该系统的室外部分，因此在冬季的月份里，液体制冷剂聚集在包括冷凝器和压缩机的室外部件里。因此当系统关闭很长一段时间后，液体制冷剂就会充满室外系统部件的容积。尤其是，压缩机油槽中的润滑油会被稀释，并且与液体制冷剂混合，从而使得它的润滑性能降低。然后，如果在夏季或春季启动该系统，此时压缩机油槽和其他压缩机部件都充满了制冷剂，液体制冷剂将会冲击通过压缩机，其可能导致压缩机的损坏。此外，经过长时间未启动或者间歇操作，在运行时正常是聚集在压缩机接触部分(例如轴承，涡旋压缩机的涡杆部件，往复式压缩机的活塞环，螺杆压缩机的转子等等)的所有剩余润滑油就不再存在，其已被制冷剂洗掉或者彻底从表面上排走。这样的情况就会加剧压缩机潜在损害或者性能降低的问题。
在本领域中已知人们已经尝试利用流动控制装置(例如电磁阀或止回阀)将冷凝器和压缩机隔离开，以减少满液启动的严重性。我们还知道，这些流动控制装置经过一段时间就会出现泄露的情况，因此仍然会有相当数量的制冷剂滞留在压缩机和蒸发器之间。在现有技术中，在压缩机启动前还用压缩机曲轴箱加热器加热压缩机油槽，以蒸发至少一部分自上次关闭后积在油槽中的液体制冷剂。尽管这种技术很有效，但是它却不能影响蒸汽压缩系统中的充满液体制冷剂的其他部件。另外，曲轴箱加热器自身也存在可靠性问题，经过几年的操作后可能会失效。曲轴箱加热器还增加了额外成本，并降低了整个系统的效率。因此，期望提供一种可靠的，又节约成本的方法来减少或者消除由于空调设备的季节性操作模式引起的严重满液式启动。
发明内容
简单的说，依照本发明的一个方面，安装了一种计时器，该计时器与系统控制器连通或者是集成到系统控制器内，以在反季节的月份里可以定期地启动系统，以阻止过量制冷剂流入到压缩机油槽中，从而消除了严重满液式启动。
依照本发明的另一方面，记录环境条件，以确定是否存在执行反季节启动程序所需的足够量的液体制冷剂聚集在压缩机容积里，特别是压缩机油槽里。该环境条件可以包括(但不仅限于)环境温度和室内温度。
依照本发明的又一方面，蒸汽压缩系统部件会按预先设定的顺序启动，这个顺序由环境参数和操作参数确定。例如，在一定条件下，压缩机，蒸发器风扇和冷凝器风扇可同时启动。另一方面，典型地是当环境温度降到低于一定阈值时，压缩机和蒸发器风扇先启动，全部冷凝器风扇或其中的一些随后延时启动。这样的操作和环境参数可以包括，例如，排气压力、吸气压力、环境温度和室内温度。
在下面描述的图中，绘出了一种优选实施例；然而，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以对其进行多种其他的改变和变化。
附图说明
附图1是包含本发明的示例性蒸汽压缩系统。
附图2是示出了根据本发明的方法的流程图。
具体实施方式
基本的蒸汽压缩系统10通常包括以串联制冷剂流连通方式相互连接的压缩机11、冷凝器12、膨胀装置13和蒸发器14。
来自蒸发器14的制冷剂蒸汽被传递到压缩机11，并在压缩机中受到压缩，被压缩的蒸汽接着流向冷凝器12，并在冷凝器中通过第二流体如环境空气使之降温、冷凝且通常过冷。接下来液体制冷剂流向膨胀装置13，并在膨胀装置中被膨胀到较低的压力和温度，从而形成了两相(液体和蒸汽)混合物，其中部分制冷剂被闪发为蒸汽。蒸汽和液体制冷剂混合物接着流向蒸发器14，并在蒸发器中通过要传送到调节空间的另一种第二流体如空气使之蒸发并通常过热，同时该第二流体得到冷却。制冷剂蒸汽接着流向压缩机11，完成了循环。应注意的是，附图1中提到的基本空调系统10是示例性的，其还可以包括很多不同的选择和改善特征。所有这些不同系统构造都在本发明的范围内。同样地，正如本领域所知的那样，如果蒸汽压缩系统使用了具有相对低临界点的制冷剂，例如CO₂，那么在跨临界(而不是传统的亚临界)的制冷剂循环中，冷凝器12就变成单相的气体冷却器。这样的系统也同样受益于本发明。
冷凝器风扇16使环境空气循环通过冷凝器12，以提供与在冷凝器通道中流动的制冷剂的热传递交互作用(热量从制冷剂传递到空气)，蒸发器风扇17使要被冷却和传递到调节空间的空气循环通过蒸发器14，以提供与蒸发制冷剂的热传递交互作用并冷却空气。在附图1中所示的空调系统10实施例是所谓的空气对空气系统，其中一种空气流被冷却并被传递到被调节的空间，同时另一种空气流(通常是环境空气)被制冷剂加热。在本领域中人们已知，有些蒸汽压缩系统，使用水或者乙二醇替代空气成为第二流体。在这些系统中，风扇16和17的每一个都被液体泵取代，以循环这些第二流体。这些系统也在本发明的范围内，并且同样受益于本发明。
如上文所描述的，系统中的制冷剂往往会移向蒸汽压缩系统中的最冷的一个部件(或多个部件)。在所谓的反季节或冬季月份里，液体制冷剂会聚集在系统的室外部分，且典型地是在冷凝器12和压缩机11中。因此当系统关闭了很长时间之后，液体制冷剂就会充满室外系统部件的容积。尤其是压缩机油槽里的润滑油会被液体制冷剂稀释并与之混合，从而导致它的润滑性能降低。然后，当系统在夏季或春季启动时，此时压缩机油槽和其他压缩机部件内充满了制冷剂，液体制冷剂会冲击通过压缩机，并会导致压缩机的损坏。此外，在长时间未启动或者即使是间歇运行后，在系统运行时正常应聚集在压缩机接触部件(例如轴承，涡旋压缩机的涡杆部件，往复式压缩机的活塞环，螺杆压缩机的转子，等等)上的所有剩余润滑油将不再存在或者已经被制冷剂冲洗掉或者彻底从表面上排空。这样的情况就会加剧压缩机潜在损害问题或者恶化其性能。
为了解决上述问题，控制器19增加了一个计时器18。在操作中，计时器18在系统关闭时开始计时。在反季节期间经过预定的足够长时间段后，系统启动，并且被允许在第二预定的相对短的时间段内运行。这个定时操作使压缩机部件得到润滑，同时允许制冷剂循环、再分配，并且至少部分地蒸发聚积在压缩机油槽和系统的其他部件中的任何液体制冷剂。第二预定时间段结束后，系统关闭，计时器18重新设定为第一预定时间段，在该第一预定时间段之后重复反季节启动循环。
如果蒸汽压缩系统10配备有用来检测环境条件并把检测到的值传递给系统控制器19的传感器，那么可以改进反季节启动程序。监控和记录检测到的环境条件以确定是否有执行反季节启动程序所需的足够液体制冷剂会聚集在系统部件中，例如压缩机11(特别是压缩机油槽)、冷凝器12和蒸发器14。如果确定会有足够数量的液体制冷剂聚集，那么就执行反季节启动程序。另外要重新设定计时器，并使时间间隔与检测到的环境条件相适应(温度较低则表明启动间隔的时间间隔较短)。这样的环境条件可以包括(但不限于)由温度传感器21检测的环境温度T_AMB和由温度传感器22检测的室内温度T_INDOOR。温度传感器例如可以是热敏电阻或者热电偶型。
另外，代替同时启动压缩机11和风扇16和17，控制器19可以按照由环境和操作参数限定的预定顺序启动蒸汽压缩系统10的这些部件。例如，这些操作和环境参数可以包括：传感器23检测的排气压力P_D，传感器24检测的吸气压力P_S，，传感器21检测的环境温度T_AMB，传感器22检测的室内温度T_INDOOR或者它们的组合。通常插在油槽中或者绕在油槽位置处的压缩机外壳上的压缩机加热器20在压缩机启动前可以先打开，通常经过几小时的时间以汽化聚集在压缩机11的油槽中的至少一些制冷剂。然后，例如，如果环境温度下降低于预定阈值时，压缩机11和蒸发器风扇17就会先启动，同时传感器23监控排气压力P_D并将该排气压力P_D传送给控制器19。如果排气压力P_D超过了上限值，则打开冷凝器风扇(或者部分冷凝器风扇)16以使空气移动经过冷凝器12，从而降低该压力。另外，如果由传感器23检测和控制器19监控的排气压力P_D降到下限值以下，冷凝器风扇(或者部分冷凝器风扇)16就会关闭，以将排气压力P_D保持在所期望的上限值和下限值之间。本领域普通技术人员都知道，油槽加热器20和压缩机11的启动之间以及压缩机11和冷凝器风扇16的启动之间的时间间隔取决于特定的系统构造和制冷剂的充注量。
连续启动之间的时间间隔可基于多个因素调整，例如蒸汽压缩系统的构造和原理、制冷剂充注量、环境温度、环境气温变化等等。一般来说，连续启动所间隔的时间(即上述的第一预定时间段)为三天到四周。
类似地，操作时间(即第二预定时间段)可以根据上面所描述的很多因素进行调整。一般来说，操作运行时间范围是2-15分钟。
除了考虑上述的因素之外，反季节系统启动的合适时间的选择还应考虑居住时间表，例如要避开建筑物被使用的时间段，并避免在夜间、周末或假期执行该反季节系统启动程序以最小化对使用者的干扰及其不适感。参照附图2，该流程图显示了本发明的方法和控制逻辑。在步骤21中，控制器确定蒸汽压缩系统是否精密到足以能对指示反季节启动需要的环境和操作条件提供检测，以及是否精密到足以能将这些条件传送给系统的控制器以启动反季节启动程序，该反季节启动程序能避免严重满液工况和上述提到的相关问题。也就是说，例如如果系统没有包括上面提到的在与蒸汽压缩系统相关的不同位置处检测能反映该问题的温度和/或压力的不同传感器，那么就会假定需要执行反季节启动方法并转到步骤24。如果系统的确是包括能显示需要采取行动的多个传感器的类型，那么方法就转到步骤22，对这些操作参数进行检测。这些环境条件可以包括(但不限于)环境温度T_AMB和室内温度T_INDOOR。
控制器根据检测参数的结果在步骤23中确定是否需要反季节启动。例如，如果环境温度T_AMB降到40℉以下，则可以确定需要反季节启动。如果确定不需要反季节启动，那么控制器就会执行步骤28以重新设定计时器，然后重复上述的步骤。需要指出的是，重新设定的计时器的时间间隔可以与检测到的环境条件相适应(较低温度表明需要较短的启动时间间隔)。
如果控制器在步骤23中确定需要反季节启动，那么压缩机11和蒸发器风扇17先启动。在步骤26中确定排气压力已经超过了上限阈值之后，则启动冷凝器风扇(或者多个风扇)16的操作顺序，以使排气压力P_D保持在上限值和下限值之间。
经过第二预定时间段后，在步骤28中，系统关闭，计时器重新设定(就像上面讨论过的，可能是依据环境条件所设定的新的值)。经过第一预定时间段后，重复上述步骤。