用于空调系统的高潜冷制冷剂控制线路

摘要

一用于空调系统的高潜冷控制组件，在室内蒸发器盘管的离开空气侧有一过冷却器盘管。一液体管道分支把冷凝器的制冷剂送到过冷却器盘管，TXV流量限流器在制冷剂到达蒸发器盘管的膨胀装置之前降低过冷却的液体压力。一旁路管道把冷凝器和膨胀装置连接起来，它有一由湿度调节器控制的电磁阀，去湿时，电磁阀关闭，制冷剂流过过冷却器。湿度满足时，电磁阀打开，制冷剂绕过过冷却器。高潜过冷却器组件可现场安装或改装到现有空调器中。

说明书

本发明涉及压缩/膨胀制冷，尤其涉及空调系统，在该空调系统中采用一过冷却器，以降低相对湿度，即，增加离开室内空气蒸发器的空气中的潜冷量。

单流体双相空调和制冷系统一般采用一压缩机，进入该压缩机的是低温、低压蒸气状态的双相工作流体，出去的是高温、高压蒸气的双相工作流体。然后工作流体来到室外的冷凝器盘管或热交换器，在那儿，压缩热量从工作流体排放到室外的空气中，使工作流体由蒸气冷凝成液体。然后此高压液体经过一膨胀装置，例如一固定的或可调的膨胀阀或一减压孔，以低压状态进入一室内蒸发器盘管。在这个阶段，工作流体为双相流体(既有液相又有汽相)，并从室内空调区域的空气中吸取热量，使液相转变为蒸气。由此完成了一个循环，蒸气则回到压缩机的输入侧或吸收侧。

当室内的暖空气通过蒸发器盘管时，由于其热量传给了冷的蒸发器盘管而使其温度下降。当空气温度下降至露点或在露点之下时，湿气在蒸发器盘管上冷凝而脱离室内空气。离开的空气的实际温度降低了(即显冷却)，同时也使空气去湿(即潜冷却)。潜冷却或去湿的量取决于室内空气中的水分是否会脱离空气并在蒸发器盘管中冷凝。

只有当蒸发器盘管的温度低于通过的空气的露点时，室内空气中的水蒸气才会冷凝，露点是指空气中的水冷凝的温度。

室内空气质量的现行标准强调要能够控制空调空间的湿度。业已经发现，较高的湿度是促使病原生物或过敏生物生长的主要因素。最好是，空调空间的相对湿度应保持在30％至60％。较高的湿度除对人的感觉和健康有不利的影响之外，在许多制造工艺中高湿度还可能产生次品，并使许多制冷系统效率变低，例如在超市中开启式冷藏柜或冰箱。较高的湿度还会破坏有价值的艺术品、图书或档案文件。

在很热而湿的条件下，由于如上所述的传统空调器要把它的大部分冷却功率用来把空气冷却到露点(显冷却)，因此只有极少的功率用来去湿(潜冷却)。

解决在热而湿的空气中去掉大量湿气的传统的方法是，降低恒温器的恒温设定点和使空气过度冷却。这个方法意味着空调器的运行时间必须延长，从而将消耗更多的能量。此外，还会出现令人感觉不舒服的冷空气吹到在室内空调空间的人的身上的情况。从本质上来说，空气的过度冷却的目的是降低蒸发器盘管的温度，使盘管上产生更多的冷凝。然而，这种空气太冷让人不舒服。为了使室内空气恢复到舒适的温度，有时候在离开的空气回到空调空间之前再重新加热。用一加热部件或一载有来自压缩机的热的压缩蒸气的盘管使室内空气的温度上升到一个舒适的水准，使过度冷却的空气的温度上升(同时降低了相对湿度)。不管是用加热部件还是用热蒸气盘管，都需要消耗较多的能量。

最近的一个以较少的能量即可以增加空调系统的潜冷却的建议是采用热管。热管是一种简单的、含有热传递剂(一般为制冷剂如R-22)的互联的热交换器盘管的无源结构。热管系统可提高空调系统的去湿能力，减少用于上述过度冷却/再加热过程的能量的消耗。热管系统是具有吸引力的，因为它能在不输入能量的情况下把热量从一个地方传递到另一个地方。热管的一个热交换器放置在进入蒸发器的暖空气中，另一个热交换器放置在离开蒸发器的冷空气中。进入蒸发器的空气加热热管系统的进入侧的热交换器的制冷剂，而制冷剂蒸气流到离开侧的热交换器，在那儿，制冷剂的热量传递给离开的空气而冷凝下来。然后冷凝的制冷剂由于重力或毛细管的作用重新返回到进入侧的热交换器，并如此不断循环。

置入空调器的热管系统能提高潜冷却量，同时把显冷却保持在较佳的舒适的恒温器设定点的温度。在需要较高的去湿情况下或相对湿度必须保持在某一点以下的环境中，普通的空气调节系统是不能有效处理高温和高湿度的冷却负荷的。然而，采用热管的空调系统在进入的空气到达空调器的蒸发器盘管之前能把它冷却。进入侧的热管热交换器预冷却进入(蒸发器盘管)的空气，因此对蒸发器盘管的显冷却要求较低，为它留下较大能力去进行潜冷却或去湿。离开蒸发器的室内供应空气，温度比需要的温度低，在离开侧的热管热交换器冷凝蒸气，由此使该室内供应的空气的温度回到所需的舒适的温度。

虽然热管结构具有某些优点，例如无源和简单，但也有一些缺陷。例如，热管总是留在线路中，即使不需要去湿而要增加显冷却时，也不能简单方便地关闭热管。此外，由于除蒸发器盘管之外，在室内空气通道中还有两个热管热交换器盘管，可能会限制室内空气的流动。而且，对现有的空调器进行改型以在同样的蒸发器的机壳中容纳两个附加的盘管是困难的，因此常常必须变动大量装置的位置，放大机壳，以容纳热管。

因此，本发明的一个目的是提供一种具有能增加空调器潜冷却能力可控制机构的空调系统。

本发明的目的是通过根据权利要求的前序部分和特征部分的装置来实现的。

根据本发明的一个方面，一过冷却器热交换器设置在室内蒸发器盘管的离开侧。该过冷却器热交换器的输入口连接于冷凝器热交换器输出侧，使高压液体制冷剂流向过冷却器热交换器。后者还有一个通过一流量限流器装置、然后通过膨胀装置连接到蒸发器盘管的输出口。一旁路液体管道通过膨胀装置直接使冷凝器与蒸发器盘管相连，在该旁路液体管道中装有一液体管道电磁阀。当需要通常的冷却时(即不需要去湿)，液体管道的电磁阀导通，制冷剂绕过过冷却器。然而，当冷却和去湿都需要时，例如，当湿度调节器发出一个有较高的相对湿度的信号时，电磁阀闭合，液体制冷剂就经过过冷却器。在这种情况下，具有在冷的离开的空气中过冷却液体制冷剂的作用，从而提高制冷剂的冷却能力。然后，过冷却的制冷剂进入蒸发器，使室内空气冷却到一个需要的湿球温度，并使湿气冷凝。然后离开的空气经过过冷却器，该过冷却器使离开的室内空气或提供的空气到达理想的室内舒适的温度。

过冷却器在线时，先让流出过冷却器的过冷却液体在流量限流器装置的两端产生一个第一压降，然后再让进入蒸发器盘管的液体在膨胀装置的两端产生一个第二压降。当电磁阀被驱动，使液体制冷剂绕过过冷却器时，流量限流器装置为过冷却的液体提供一个十分强的流阻通道，所以，大部分的液体制冷剂直接从冷凝器经过膨胀装置流到蒸发器盘管。电磁阀最好是这样构造的，万一出现故障，流体以旁路的方式流动。电磁阀可以由线路电源供电(例如120伏交流电)或也可以由恒温器供电(例如24伏交流电)。

空调设备由一具有冷却引线的恒温器控制，在到达或超过冷却设定点温度的时候，该冷却引线发出一信号以驱动压缩机。在本发明的一实施例中，一湿度控制线连接于恒温器冷却引线，湿度控制线包括一与液体管道的电磁阀或驱动电磁阀的控制继电器串联的湿度调节器。湿度控制引线还有一与压缩机的吸入侧流体连通的低压开关，以便探测压缩机的吸入侧的低压情况，低压的出现表示出现了蒸发器的结霜或结冰情况。

空调器可有一个双级恒温器，当达到第二个较高的设定点时，一第二冷却引线被驱动。在一实施例中，降低湿度的控制装置可包括一连接于第二冷却引线的控制继电器，并有一与湿度控制线串联的电源引线。在另一个实施例中，空调器可包括两个分开的空调系统，每一个有它自己的压缩机、冷凝器、膨胀装置、蒸发器和过冷却器，其中一个空调系统由第一冷却引线驱动，而另一个空调系统由第二冷却引线驱动。

从下面结合附图、对所选的较佳实施例的描述中，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将会显得更清楚。

图1是已有技术的采用一热管增强的空调系统示意图。

图2是根据本发明一实施例的、采用一过冷却器的空调系统示意图。

图3示出了一用于本发明的一实施例的恒温控制线路。

图4是说明上述实施例工作情况的压力—焓的曲线图。

图5示出了一用于本发明的另一实施例的恒温控制线路。

图6是根据本发明又一实施例的、采用一过冷却器的空调系统示意图。

参阅附图，首先是图1。图中空调系统10对室内空调区进行空气调节和去湿。进行一些本领域的技术人员熟知的改变，系统10也可构造成一热泵，以对室内空调区进行加热，并还可提供热水。这里，在此空调系统10中，压缩机12的吸入口S接受低压的制冷剂蒸气，从一排放或压力口D排放高压的蒸气。被压缩的制冷剂蒸气沿着一压力管道14从压缩机到一室外的冷凝器热交换器16。在冷凝器中，制冷剂蒸气的热量排放到室外的空气中，并冷凝成液体。高压液体制冷剂从冷凝器热交换器16通过一液体管道18输送到一膨胀器装置20，而后进入一室内空气冷却盘管或蒸发器热交换器22。膨胀器装置可以是任一合适的能使制冷剂成为低压的双相(液体和蒸气)流体传送到蒸发器22的节流(减压)装置。在一目前的较佳实施例中，膨胀器装置20可以是一对间置的、被铜焊到蒸发器22输入口的孔板(如“Dixie盖”)。蒸发器热交换器是一个盘管，盘管中的制冷剂吸收经过该盘管的室内空气流24中的热量，然后该空气流再回到室内空调空间。一蒸气管道26使蒸发器热交换器22的蒸气回到压缩机的吸入口S，重复压缩—冷凝—膨胀—蒸发的循环。

在图1的空调系统中，用一已有技术的热管结构30来完成去湿工作。热管结构与冷却盘管或蒸发器热交换器22相连，它包括一对热交换器盘管和互连管，在蒸发器盘管22的空气进入或返回侧的室内空气流24中设置一空气进入的盘管32，在盘管22的离开空气或供应侧设置一离开空气的盘管34。互连管36使工作流体(通常为制冷剂)能在两盘管32与34之间流动。热管结构30吸收湿度比较高的进入房间的空气中的热量，以去掉蒸发器盘管22的部分冷却负荷，并把热量传递给离开的空气。例如，空气流24中进入房间的空气的温度为78度(华氏温度)，热管盘管32把该进入的空气的显温度降低到约69度。这降低了进入的空气干球温度(dry-bulb temperature)，并使进入的空气接近其露点。蒸发器热交换器22把空气流冷却至49度，并冷凝水分，冷凝的水分在一滴盘中集中(图未示)。然后，过度冷却的离开的空气经过热管盘管34，其显性温度恢复至一较舒适的水准，例如59度。湿球温度保持在49度，所以室内空气的相对湿度能有效地降低，其降低程度比没有热管结构30时的相对湿度要低得多。这里所述的热管结构非常简单因而具有吸引人的特点，它不需要动部件，成本低，维修费用低。热管组件可装进现有的设备，虽然在大多数情况下，设备需要作些改变以便把盘管32和34装到现有设备所提供的空间中。另一方面，热管结构总是在线的，不可能把它关闭，例如，当需要增加显冷却，但不需要去湿或去湿不重要时不可能把它关掉。热管结构没有电或机械的控制装置。而且，在某些条件下，水分冷凝可能发生在进入空气的热管盘管32上，使冷凝水滴入设备的机壳中。很显然，室内空气流必须经过三个盘管，即除蒸发器盘管22之外还有热管32和34，所以增加了室内空气的送风负荷。

本发明着眼于解决热管系统的问题，不仅在需要去湿时可使空调系统增加去湿功能，而且在湿度控制不重要的时候也能进行一般性的潜冷却，从而提供更多的显冷却。

本发明一实施例的空调系统如图2所示，前面结合图1已描述过的部件或零件在图2中用相同的编号表示。所以，空调系统所需的基本零部件的详细描述在此不再重复。在此实施例中，不是用热管结构，而是在空调系统中包括一在离开蒸发器22的室内空气中过冷却液体制冷剂的过冷却器组件40。高压液体管道18连接于一把液体制冷剂供应给一过冷却器热交换器盘管44的过冷却器分支管道42，该过冷却器热交换器盘管44设置在蒸发器盘管22的离开侧的室内空气流24中。该盘管44冷却冷凝的液体制冷剂，并通过一过冷却液体管道46把过冷却的液体送到蒸发器。管道46包括一流量限流器48，这里为一固定的流量限流器。过冷却的液体通过流量限流器48，然后通过膨胀装置20以一双相流体进入蒸发器盘管22。流量限流器的一个可行的例子在Honnold，Jr.的美国专利№3,877,248中有所描述，当然在这方面还可采用许多其他的流量限流装置。这种固定的流量限流器可以是一种所谓的流量调节装置(accurator)，它是一个被加工成约二分之一英寸(1.2cm)长带有一个预定直径的通孔的铜套。孔径与给定的制冷剂匹配，降压与给定的运行条件相对应。该流量调节装置主体可以变换以便与一给定的空调设备的常用的运行条件相匹配。流量调节装置必须确保到达膨胀装置20的制冷剂具有足够的剩余压力，使制冷剂为液体而不是双相流体。一液体旁路管道50使液体管道18不通过过冷却器热交换器盘管44和流量限流器48，而直接连接到膨胀装置20和蒸发器盘管22。在旁路管道50中有一个液体管道电磁阀52，当需要去湿(增加的潜冷却)的时候，控制电磁阀以关闭旁路管道，当需要通常的冷却时打开电磁阀。固定的流量限流器产生一个纯压降，使制冷剂液体的压力下降到现有膨胀装置20可接受的压力。由此使过冷却器组件40作为一“顺便装入”件或附件的形式提供，对现有系统10几乎没什么影响。旁路管道50和电磁阀52用来使制冷剂液体绕过冷却器，使过冷却器组件40既可在线又可离线。如果液体管道电磁阀52打开，过冷却器盘管44就离开线路。制冷剂流沿着旁路管道50经过阻力最小的通道，而流量限流器48产生一阻力，使经过过冷却器盘管44的制冷剂流保持在一个极小的数量。另一方面，当电磁阀52关闭的时候，所有的液体制冷剂都经过过冷却器盘管44。旁路管道的电磁阀52打开后，过冷却器盘管离线，使系统在不增加潜冷却效果的情况下达到全显冷却的效果。然后关闭旁路液体管道电磁阀52，制冷剂流通过过冷却器盘管44，蒸发器盘管22和过冷却器盘管44具有一全去湿效果。

当过冷却器组件40在线时，过冷却器盘管44加热离开蒸发器盘管22的空气，并过冷却由冷凝器盘管16供应的液体制冷剂。过冷却的制冷剂液体，其压力由于流量限流器48而下降，然后该制冷剂液体经过节流装置或膨胀装置20进入蒸发器或冷却盘管22。室内空气流冷却到一合适的较低的温度，例如，如前所述的49华氏度，室内空气中的水分冷凝下来。然后过冷却器盘管44加热离开的空气使显温度回到一舒适的水准如59度。

在这里，空调系统10还采用一压缩机低压开关54，它连接于蒸气返回管道26中，当压缩机的吸入压力太低时它可检测出来，以防止蒸发器结冰。

现在结合图3说明用于高潜制冷剂控制的恒温器控制结构。安装在建筑物空调空间的恒温器装置60与提供24伏交流电压的变压器62连用。120伏的线路交流电压则为变压器62供电。恒温器有一个到变压器62的返回引线R，到室内送风继电器(图未示)的送风引线G和一控制压缩机和室外送风接触器(图未示)的冷却引线Y1，当到达或超过一预定冷却设定点，以及需要冷却时，该冷却引线Y1驱动压缩机12。湿度控制线路64连接于冷却引线Y1，并与低压开关54和一设置在空调空间的、安装在壁上的湿度调节器66串联。在这个实施例中，一控制继电器68也串联在湿度控制线路64中，输出引线把线路电压供应到液体管道的电磁阀52。然而，如果24伏的变压器62具有足够的功率，湿度控制线路可直接为螺线管式继电器52供电。

安装在壁上的湿度调节器66可直接激发和关闭使过冷却器盘管44处在制冷剂线路中和离开制冷剂线路的旁路液体管道的电磁阀52。当压缩机的吸入压力太低的时候，低压开关将探测到这种情况，并使过冷却器盘管44离线，以免蒸发器盘管结冰。

图4是一系统的压力—焓示意图，它解释了系统的制冷剂的热流，在图中，总的系统损失忽略不计。压力画在垂直轴或纵轴，焓在水平轴或横轴。在这个实施例中，制冷剂工作流体为R22，液体、蒸气和双相区域如图中所示。实线图形代表具有在线过冷却器盘管44(高潜冷却)的空调器工作模式，而虚线图形代表旁路工作模式(通常的冷却)。点A表示制冷剂离开蒸发器盘管22而进入压缩机12的状态。点B表示离开压缩机而进入冷凝器14的制冷剂的状态。在冷凝器中，由于制冷剂冷凝成液体状态，把热流释放到外面的空气中，焓明显地下降。在点C，已冷凝的制冷剂离开冷凝器14进入过冷却器盘管44。在过冷却器中，由于降低了液体饱和线的左面的液体温度，制冷剂的焓减少了。然后在点D，过冷却的制冷剂液体来到压力限流器48，压力下降到点E，此时的液体进入节流装置或膨胀装置20。在点F，制冷剂以低压的液体和蒸气的混合体进入蒸发器盘管22。当制冷剂通过盘管22，液体制冷剂蒸发，直到只有蒸气离开盘管回到压缩机吸入侧为止(点A)。

当旁路电磁阀52开通的时候，过冷却器盘管44离线，于是制冷剂沿着图4中用断折线表示的压力—焓图形。制冷剂蒸气在点A’进入压缩机12的吸入口，在点B’处离开压缩机排放口P进入冷凝器16。由于现在的线路旁路过过冷却器盘管44和流量限流器48，液体制冷剂在点E’处进入膨胀装置20，在点F’处减压释放进蒸发器盘管22。这里应该注意到，在过冷却(高潜冷却)方式(E到F)和旁路(通常的冷却)方式(E’到F’)中，通过膨胀装置20两端的压降大致是相同的。在过冷却工作方式中，蒸发器和压缩机吸入口的制冷剂流体的压力比旁路工作方式中的低一点。这就意味着蒸发器盘管的冷却程度在高潜冷却方式中比在通常的冷却工作方式中要高出几度，从而冷凝更多的水分，把离开的空气的湿球温度降低到旁路工作方式所能达到的温度之下。

图5示出一用于双级系统的恒温器控制。与图3中所示的零部件相对应的零部件在这里用相同的编号表示，其详细描述不再重复。在这个实施例中，一双级恒温器160与恒温器变压器相连，恒温器有前面描述过的一个返回引线R，一个送风引线G和一个冷却引线Y1。此外还有一个第二冷却引线Y2，当到达或超过比冷却引线Y1的设定点高的第二温度设定点时，第二冷却引线Y2会被驱动。低压开关54、湿度调节器66和控制继电器如前面那样连接在连接于冷却引线Y1的湿度控制线路64上。此外，一第二控制继电器170的驱动器连接到第二冷却引线Y2，其输出引线串联在湿度控制线路64中。

在这个实施例中，如果在空调空间的温度持续上升并超过第二个较高的设定点，第二级冷却将撇开高潜过冷却器，并使它脱离运行。由此使空调系统10达到其全显冷却效果。然后，空调的空间一旦回到在上设定点之下的可接受的温度时，满足了第二级冷却，在湿度调节器66需要去湿的任何时候，过冷却器就能回到线路中。

图6示出改进的高潜冷却系统的又一个实施例。在这里，与图1和2的空调系统共同的零部件用相同的编号表示，在此省去详细的描述。在这个实施例中，与图2的实施例的运行区别是用一恒温膨胀阀148替代固定的流量限流器48。恒温膨胀阀或TXV是一种已知的装置，它常常用作蒸发器的输入口的膨胀阀，虽然在这个实施例中，TXV148是用来在离开过冷却器盘管44的冷凝的液体到达与蒸发器盘管22相连的膨胀装置20之前，降低其压力的。TXV148有一个连接于低压蒸气管道26的平衡管道150，和一个安装在蒸发器盘管22下游和压缩机12的吸入口S之前的管道26上的温度探测球152。TXV根据制冷剂温度和吸入压力调制过冷却的制冷剂液体的流量。这种结构能保证有一个恒定过热进入压缩机吸入口，所以压缩机不会溢流(flooding)。TXV148使制冷剂压力下降，但该压力保持在可存在双相(液体和蒸气)流体的压力点之上，即大约在图4的点E处。下游的膨胀装置20使进入蒸发器盘管的制冷剂流体的压力下降到双相或扼流点。由此使本发明的过冷却器的结构适用于多种空调和去湿负荷，同时保持可接受的运行条件。

本发明的任何一个实施例的过冷却器组件40可作为“顺便装入”的系统改进设施来提供，不需要花费大的努力就能安装，而且很容易装进由现有的空调系统提供的空间中。由于只在现有的蒸发器盘管发生水分冷凝，所以不需要另外的设备就能收集冷凝物。过冷却器组件只要用螺栓固定过冷却器盘管44就可以了，此外只要进行用支路42、50和46表示的管道安装和如图3和5所示地把接线接到恒温器装置上就行了。

由于只有单个的附加盘管44设置在室内空气的流动通道24中，室内送风负荷不会明显增加。