专利名称：直流供电的暖通空调及制冷系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及直流供电的暖通空调及制冷系统。
背景技术：
暖通空调及制冷(HVAC/R)系统通常具有包括压缩机、冷凝器风扇和鼓风机的部 件，每一个部件根据从一个或多个电源接收的电力操作。这些部件的每一个都是用AC电源 或DC电源供电。用DC电力供电的压缩机通常是电力效率低的。因此，具有DC供电的压缩 机的HVAC/R系统通常是电力效率低的
发明内容
本文描述了一种直流(DC)供电的暖通空调及制冷(HVAC/R)系统。所述系统包 括接收器，用于接收直流电力；变频驱动(VFD)，与接收器电连接，并配置成提供三相交流 (AC)电力；和三相AC压缩机，配置成由三相AC电力供电。还描述一种直流(DC)供电的空调系统。冷却环境空气的所述空调系统包括冷凝 器；一个或多个蒸发器；直流(DC)电力接收器；变频驱动(VFD)电力供应器，其与DC电力接 收器电连接且被配置成给变速压缩机电机提供三相电力；脉冲操作的制冷剂流量控制阀， 配置成控制到一个或多个蒸发器的制冷剂流量。
图1是示出了根据一个实施例的HVAC/R系统的示意性方框图；图2是示出了由DC源供电的AC压缩机的示意性方框图；图3是示出了由变频驱动(VFD)供电的AC压缩机的示意性方框图；图4是示出了由从升压模块接收升压电压的变频驱动(VFD)供电的AC压缩机的 示意性方框图；图5A和5B每个是示出了图4的升压模块的实施例的示意性方框图；图6是图1的HVAC/R系统的蒸汽压缩部分的示意性表示。
具体实施例方式图1是示出根据一个实施例的HVAC/R系统100的示意性方框图。HVAC/R系统100 具有电力供应器110和包括压缩机120、冷凝器风扇130和鼓风机140的部件。此外，HVAC/ R系统100具有控制模块150。每一个部件都可以由DC电力、AC单相电力或AC三相电力 供电。在一些实施例中，所有部件都由DC供电。在一些实施例中，不是所有的部件都由同 一类型的电力(DC、AC单相或AC三相)供电。例如，在一些实施例中，压缩机120和冷凝器 风扇130是DC供电的，而鼓风机140是AC单相供电的。对部件的AC和DC供电的所有其 他组合都是可以设想的。电力供应器110配置成根据所述部件以及控制模块150的需要来给每一个部件和控制模块150提供电力。此外，控制模块150配置成根据部件所需要的信号类型(AC或DC) 提供控制信号给所述部件。图2是示出了用DC源供电的AC压缩机125的示意性方框图。在这个实施例中， 给DC/AC逆变器160提供DC电力。所述DC/AC逆变器160配置成基于接收的DC电力为AC 压缩机125提供AC电力(单相或三相)。DC电力可以由任何DC源提供。例如DC电力可 以由太阳能源(例如光伏源)、电池或DC线路提供。在一些实施例中，DC电力可以由整流 的AC源提供。图3是示出了由具有变频驱动(VFD) 160 (也称为变速驱动(VSD))的DC源供电的 AC压缩机125的示意性方框图。在这个实施例中，DC电力被提供给VFD 160。VFD 160配 置成给AC压缩机125提供AC电力(单相或三相)。DC电力可以由任何DC源提供。例如， DC电力可以由太阳能源(诸如光伏源)，电池或DC线路提供。在一些实施例中，DC电力可 由整流的AC源提供。使用VFD给压缩机电机125供电允许速度控制，从而消除了系统全开或全关的限 制。例如，具有VFD的HVAC/R系统可以以对应于温度受控的环境的冷却要求的速度来操作 压缩机。例如，如果受控环境产生500瓦的电力，则压缩机可以以对应于500瓦产生的热量 的速度操作。由于避免了反复启动和停止压缩机所经历的电力效率低下，这允许提高系统 的电力效率。此外，在一些受控环境中，例如隔热很好的空间，产生的热量是相对恒定的。因此， 要移除的能量是相对恒定的。对于这种环境，压缩机的电机可以根据对应于要移除的相对 恒定的能量的负载来为操作进行设计。这种有限范围的负载允许有效率地操作压缩机。当与其中压缩机全开或全关的传统的HVAC/R系统相比，速度控制的另外一个好 处是显著地减小了受控环境的温度范围。在传统的HVAC/R系统中，为了防止在开和关之间 频繁的状态改变，控制系统的工作有滞后的特点。在这样的系统中，温度漂移对应于滞后。 例如，在一些系统中，系统的滞后是3度。如果温度设定为-5C，一旦环境温度为-5C，压缩 机就被关闭了。然而，由于3度的滞后，在环境温度是-2C以前都不再打开压缩机。相反， 在具有控制压缩机的VFD的HVAC/R系统中，有效控制系统逐步地增加和降低压缩机的速度 来提供对环境温度的精确控制。因此，不存在滞后，因而显著地减少了温度一致性和电力消 耗之间的权衡。图4是示出系统400的示意性方框图，所述系统400具有AC压缩机125，VFD 160， 升压(set up)模块170。在系统400中，VFD 160从升压模块170接收升压电压来给AC压 缩机125供电。所述升压模块170可以从任何DC源接收DC电力。在应用优选使用少的蓄 电池、但是仍然使用高电压用于AC压缩机125的情况下，具有升压电压是特别有利的。例 如，在系统400中，DC源可以是一个12V的DC电池，并且VFD可以使用更高的电压。因此， 升压模块170用来将电压从约12V DC升高到更高的电压。图5A和图5B是每个示出升压模块的实施例的示意性方框图。在图5A中，升压模 块500包括两个12V DC到120V AC逆变器84和85，整流器86和87，以及滤波器88。升压 模块500配置成基于施加到逆变器84的正极端子和逆变器85的负极端子两端的约24V的 DC输入信号来产生约330V的DC信号。所述约24V的DC信号可以由任何DC源提供。在一些实施例中，所述约24V的DC信号由两个约12V的电池提供。两个逆变器84和85每个都配置成接收12V DC输入然后输出有效值为120V的AC 信号。在一些实施例中，DC电源60，逆变器84和85串联连接在24V的DC输入两端。因 此，逆变器84和85每一个接收约12V的输入。响应于12V的输入，逆变器84和85每一个 产生有效值约为120V的AC信号。逆变器84的有效值为120V的AC信号提供给整流器87，而逆变器85的有效值 120V的AC信号提供给整流器86。整流器86和整流器87对各自的AC信号进行整流，产 生每个约165V的基本为DC的输出。整流器86和87串联连接，因此共同产生基本总计约 330V的DC信号。在图5A所示的实施例中，整流器86和87每个示出为与电容器并联的四 个二极管的桥式整流器。也可以使用其它整流器配置。滤波器88连接在串联连接的整流器86和87两端。滤波器配置成通过滤掉整流 器86和87产生的信号的非DC组分，来提高DC输出信号的质量。如图5A所示，滤波器88 是单个电容器。在其他实施例中也可以采用其它滤波器。在图5B中，升压模块550包括两个12V DC到120V AC逆变器84和85，整流器86 和87，以及滤波器88。升压模块550配置成基于施加到每个逆变器84和逆变器85的正极 端子和负极端子两端的约12V的DC输入信号来产生约330V的DC信号。在这个实施例中， 整流器86和87被用来产生两个每个约165V的基本为DC的信号。正如在图5B的实施例 中的那样，整流器被串联连接以产生基本上总计330V的DC信号。由于逆变器84、85和整 流器86、87的布置，所产生的基本为DC的电压不依赖于每个逆变器84、85的AC信号的频 率和相位。在另外一个实施例中，上面所述的HVAC/R系统包括脉冲操作的控制阀以控制从 冷凝器到蒸发器的制冷剂流量。VFD供电的HVAC/R系统产生变化的压缩机速度，从而导致 可变的到冷凝器和蒸发器的制冷剂流量。然而，传统的膨胀装置例如毛细管或膨胀阀(AEV 或TEV)不能处理或利用变化的制冷剂流量并且摆动(hunt)或溢流(flood)，由此降低了蒸 发器的效率和系统的性能。为了实现这样的可变的制冷剂流量的理想的优势，根据本实施 例，在不使得蒸发器欠流(starve)或溢流的情况下采用脉冲调节(pulsing)的制冷剂控制 阀以全制冷剂流动产生全范围的蒸发器过热控制。在由可变压缩机速度导致较低的制冷剂 流速下，这种制冷剂控制尤其重要。传统的膨胀装置设计成以全流量操作，而且在较低流量 时效率低并且再次使流量波动，使蒸发器欠流和/或溢流。脉冲调节阀(pulsing valve) 可以是诸如美国专利号5675982和6843064中所述的机械阀，也可以是美国专利号5718125 中所述类型的电操作阀，关于这些阀的描述通过引用的方式整体并入本文中。所述阀操作 成在整个可变的制冷剂流量范围内控制从压缩机和冷凝器到蒸发器的制冷剂流量。图6示意性地示出了如图1所示的HVAC/R系统的蒸汽压缩部分。脉冲操作的控制 阀410安装在引导制冷剂从冷凝器420到蒸发器430的制冷剂回路管道的液体制冷剂线路 412上。在这个实施例中，压缩机352通过VFD 322供电，冷凝器420通过冷凝器风扇354 冷却。尽管上面的详细描述已经示出、描述和指出了应用到各个实施例中的新颖的特 征，但是应该理解，在不背离本发明的精神的前提下，本领域技术人员可以对示出的装置和 过程的形式和细节做出各种省略、替代以及改变。例如，输入，输出和信号都仅仅是作为例
6子给出的。正如所认识到的那样，本发明可实施在不提供本文所述的所有特征和益处的形 式中，因为一些特征可以与其他特征分开地使用或者实施。此外，应当理解，本文所述的 HVAC/R系统可以被配置为空调，冷却器，热泵以及制冷系统。
权利要求
一种直流(DC)供电的暖通空调及制冷(HVAC/R)系统，该系统包括接收器，用于接收直流电力；变频驱动(VFD)，其与接收器电连接，并配置成提供三相交流(AC)电力；和三相AC压缩机，配置成由三相AC电力供电。
2.根据权利要求1所述的DC供电的HVAC/R系统，其中VFD还可以供应单相电力。
3.根据权利要求2所述的DC供电的HVAC/R系统，其中单相电力驱动HVAC/R系统中的 风扇。
4.根据权利要求1所述的DC供电的HVAC/R系统，还包括控制模块，配置成改变三相 AC压缩机的速度。
5.根据权利要求1所述的DC供电的HVAC/R系统，还包括升压模块，配置成基于DC输 入电压向VFD提供DC电力电压，其中所述DC输入电压低于所述DC电力电压。
6.根据权利要求5所述的DC供电的HVAC/R系统，其中DC输入电压约为24VDC。
7.根据权利要求5所述的DC供电的HVAC/R系统，其中DC输入电压约为12VDC。
8.根据权利要求5所述的DC供电的HVAC/R系统，其中DC电力电压约为330VDC。
9.根据权利要求5所述的DC供电的HVAC/R系统，其中升压模块包括多个每个与整流 器相连接的逆变器。
10.根据权利要求1所述的DC供电的HVAC/R系统，还包括至少一个冷凝器、至少一个 蒸发器、引导制冷剂从三相AC压缩机到所述至少一个冷凝器以及从所述至少一个冷凝器 到所述至少一个蒸发器的管道、和连接到所述管道以控制到所述至少一个蒸发器的制冷剂 流量的脉冲操作的制冷剂流量控制阀。
11.根据权利要求10所述的DC供电的HVAC/R系统，其中脉冲操作的制冷剂流量控制 阀是机械阀。
12.根据权利要求10所述的DC供电的HVAC/R系统，其中脉冲操作的制冷剂流量控制阀是电子阀。
13.一种直流(DC)供电的空调系统，该系统包括 冷凝器；一个或多个蒸发器； 直流(DC)电力接收器；变频驱动(VFD)电力供应器，其与DC电力接收器电连接，并配置成向变速压缩机提供 三相电力；和脉冲操作的制冷剂流量控制阀，配置成控制到一个或多个蒸发器的制冷剂流量。
14.根据权利要求13所述的空调系统，其中脉冲操作的制冷剂流量控制阀是机械阀。
15.根据权利要求13所述的空调系统，其中脉冲操作的制冷剂流量控制阀是电子阀。
16.根据权利要求13所述的空调系统，还包括控制模块，其配置成改变压缩机的速度。
17.根据权利要求13所述的空调系统，还包括升压模块，配置成基于来自DC电力接收 器的DC输入电压向VFD提供DC电力电压，其中所述DC输入电压低于所述DC电力电压。
18.根据权利要求17所述的空调系统，其中DC输入电压约为24VDC。
19.根据权利要求17所述的空调系统，其中DC输入电压约为12VDC。
20.根据权利要求17所述的空调系统，其中DC电力电压约为330VDC。
21.根据权利要求17所述的空调系统，其中升压模块包括多个每个与整流器相连接的 逆变器。
全文摘要
本发明公开了一种直流供电的暖通空调及制冷系统。该系统可以是用于冷却环境空气的空调器。该系统可以包括DC电力接收器，其可转化电力以供应给HVAC/R系统中的三相压缩机。该系统可以包括与DC电力接收器电连接并且被配置成向变速压缩机电机提供三相电力的变频驱动(VFD)电力供应器。该系统还可提供脉冲操作的制冷剂流量控制阀，其配置成控制到一个或多个蒸发器的制冷剂流量。
文档编号F25B49/02GK101968290SQ201010277850
公开日2011年2月9日 申请日期2010年7月27日 优先权日2009年7月27日
发明者K·哈利利, P·萨尔基相, U·罗肯费勒, W·哈海 申请人:罗基研究公司