專利名稱：控制器和用于控制制冷系統(tǒng)膨脹閥的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及制冷系統(tǒng)控制領域，更確切地講，是涉及膨脹閥控制領域，該膨脹閥對進入包括在制冷系統(tǒng)內(nèi)蒸發(fā)器的制冷劑噴射操作進行控制。制冷系統(tǒng)還包括至少一個壓縮機和至少一個冷凝器。蒸發(fā)器使介質(zhì)(通常是空氣或水)冷卻。膨脹閥通常是電控的。在控制器中，通常把一個控制單元和多個傳感器與蒸發(fā)器連接，或者在系統(tǒng)包括幾個蒸發(fā)器的情況下，與每個蒸發(fā)器相連。傳感器可以記錄被冷卻介質(zhì)的各種選定溫度和壓力以及在制冷系統(tǒng)不同位置的制冷劑。將已測量的壓力和溫度用在控制器中，對制冷劑噴入蒸發(fā)器的操作進行控制，從而在蒸發(fā)器外部低過熱狀態(tài)時保持穩(wěn)定的操作條件，同時確保過熱溫度不會降到零度。
背景技術：
US5,782,103公開了一種控制裝置，其中將制冷劑的蒸發(fā)壓力作為一個前饋參數(shù)。更確切地講，該裝置包括一PID控制器，該控制器帶有一PI元件和一與PI元件串聯(lián)的D元件。PID控制器對膨脹閥進行控制，該閥按順序控制制冷劑從冷凝器流到膨脹器。所提供的傳感器，用于測量蒸發(fā)器入口處制冷劑的溫度或者蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)壓力。另一個傳感器測量蒸發(fā)器出口處已蒸發(fā)制冷劑的溫度，同時減法器產(chǎn)生兩個溫度例如制冷劑過熱溫度和上述已蒸發(fā)制冷劑溫度之間的差值。過熱溫度作為輸入值送入PI元件，因而，在蒸發(fā)器入口處的制冷劑溫度，通過P元件送入D元件。
再者，用于控制膨脹閥的閥開口度的控制器中，代表過熱狀況的反饋信號例如在蒸發(fā)器入口處制冷劑的溫度和在蒸發(fā)器出口處(或者壓縮機入口處)已蒸發(fā)制冷劑的溫度之間的溫度差，可以從US5,749,238、US6,018,959、US4,689,968、US5,809,794、US4,807,445、US4,617,804、US5,157,934、US5,259,210、US5,419,146、和lUS5,632,154中得知。其中，還建議使用各種PI、PID和模糊邏輯控制器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種US5,782,103公開型式的控制器和方法，其中，優(yōu)選實施例中的控制器和方法能夠在制冷系統(tǒng)的工作條件變化時，較快地對干擾作出反應或較快地對被冷卻介質(zhì)的溫度作出反應或者在制冷系統(tǒng)啟動當中作出較快的反應。本發(fā)明優(yōu)選實施例的另一個目的是提供一種控制器，該控制器在使制冷系統(tǒng)保持穩(wěn)定工作狀態(tài)的同時，保持正過熱量(SH)和穩(wěn)定的蒸發(fā)壓力(P0)，由此可以看出穩(wěn)定的蒸發(fā)壓力與低過熱量結合，能保證制冷系統(tǒng)的高效率。正過熱量還能保證不會有液態(tài)制冷劑從蒸發(fā)器傳送到壓縮機。本發(fā)明優(yōu)選實施例的再一個目的是能將制冷系統(tǒng)下調(diào)到低過熱狀態(tài)，該低過熱狀態(tài)處于穩(wěn)定工作條件或者能對由操作變化引起的干擾進行補償?shù)臓顟B(tài)，其中操作變化有例如增大負載或者制冷系統(tǒng)的元件操作變化，例如壓縮機容量或者冷凝壓力的逐漸變化、冷卻介質(zhì)的溫度變化或者冷卻介質(zhì)的流量變化。本發(fā)明優(yōu)選實施例的理想狀況是迅速和有效地將過熱量下調(diào)到與制冷系統(tǒng)啟動有關的足夠低的值，同時在對干擾進行修正和啟動過程中能確保正過熱量。最后，希望本發(fā)明控制器優(yōu)選實施例中的參數(shù)調(diào)節(jié)，能夠在簡單的調(diào)整原則基礎上進行。
因此，本發(fā)明提供了一種可以廣泛應用的控制器，該控制器對包括壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器的制冷系統(tǒng)進行控制，該控制器根據(jù)至少一個被測參數(shù)控制膨脹閥的開口度。
更確切地講，本發(fā)明提供一種對用于冷卻介質(zhì)的制冷系統(tǒng)的膨脹閥進行控制的控制器和方法，制冷系統(tǒng)具有一制冷循環(huán)且包括至少一個壓縮機、一冷凝器、一使制冷劑蒸發(fā)且與膨脹閥串聯(lián)的蒸發(fā)器，膨脹閥由控制信號進行電控制，控制器設定為包括在控制信號產(chǎn)生中，對第一和第二信號相加或相減的相加點的輸出值。根據(jù)本發(fā)明，第一信號至少從對蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑蒸發(fā)溫度(T0)的測量和對介質(zhì)特性例如蒸發(fā)器入口或出口處介質(zhì)溫度或者介質(zhì)的多個流量測量中獲得。換句話說，第一信號不受過熱溫度測量的影響(過熱溫度還可認為是過熱量、過熱度或者過熱狀態(tài))。在制冷劑的前后關系中，術語“蒸發(fā)器的出口處”應該理解為在蒸發(fā)器和壓縮機之間制冷劑管道的任何位置。
人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在制冷系統(tǒng)啟動和制冷系統(tǒng)工作條件受到干擾或者變化中，過熱溫度通常反應相對較慢。因此，在過熱溫度的測量上，實現(xiàn)控制器的整體調(diào)節(jié)也較慢。然而，根據(jù)過熱溫度進行的整體調(diào)節(jié)，在此認為是為膨脹閥提供控制信號的共同和確定的方法。因此，值得欣賞的是，本發(fā)明包括一種控制膨脹閥的新穎和有創(chuàng)造性的原則，當利用不受過熱溫度影響、而在蒸汽溫度和冷卻介質(zhì)特性的測量基礎上產(chǎn)生作用的信號完成控制操作時，能夠更快速地對膨脹閥進行反應調(diào)節(jié)。
應該理解，本發(fā)明的控制器和方法可以由電腦的硬件或軟件執(zhí)行。


下面，參照附圖對本發(fā)明進行更詳細的說明，其中圖1表示本發(fā)明中安裝著一控制器的制冷系統(tǒng)的示意圖；圖2a和2b表示本發(fā)明中控制器的兩個實施例，以及它們在控制系統(tǒng)中的執(zhí)行情況；圖3表示在包括本發(fā)明控制器的制冷系統(tǒng)中，制冷劑的被測溫度和過熱溫度與時間的函數(shù)關系，特別是表示出對冷卻介質(zhì)升高溫度的溫度響應；圖4表示在現(xiàn)有的制冷系統(tǒng)中，圖5中的溫度與時間的函數(shù)關系；圖5表示在現(xiàn)有系統(tǒng)的兩個不同啟動條件下，被測溫度和過熱溫度與時間的函數(shù)關系；圖6表示在本發(fā)明的系統(tǒng)中，圖7中的溫度與時間的函數(shù)關系；圖7和8表示本發(fā)明控制器的另一實施例以及它們在控制系統(tǒng)中執(zhí)行情況的示意圖。
具體實施例方式
圖1表示一制冷系統(tǒng)的示意圖，該制冷系統(tǒng)包括一壓縮機100、一冷凝器102、一膨脹閥104、一蒸發(fā)器106、一控制單元108、一用于冷卻介質(zhì)的驅(qū)動單元110以及第一、第二、第三和第四傳感器112、114、116和118。
第一傳感器112確定蒸發(fā)器內(nèi)的壓力P0，從該傳感器得到蒸發(fā)器內(nèi)的蒸發(fā)溫度T0，即蒸發(fā)器內(nèi)的飽和溫度。另一種方式是，傳感器112可以是一個直接提供T0測量值的溫度傳感器，該溫度傳感器可以安裝在和蒸發(fā)器106成整體或者與蒸發(fā)器106連接的管路內(nèi)，且該管路容納著制冷劑氣體和制冷劑液體的混合物。
第二傳感器114確定在蒸發(fā)器的制冷劑出口處的制冷劑溫度S2。該傳感器例如可以是一個溫度傳感器，該溫度傳感器與蒸發(fā)器106外流動的制冷劑熱接觸。
第三傳感器116確定在蒸發(fā)器106入口處被冷卻介質(zhì)的溫度S3。
第四傳感器118確定在蒸發(fā)器106出口處被冷卻介質(zhì)的溫度S4。
最后，需要設置用于確定被冷卻介質(zhì)的流量 的裝置。例如，如果利用一循環(huán)泵傳送介質(zhì)，可以用泵的旋轉(zhuǎn)速度測量流量。
如圖2a和2b所示，將代表確定的壓力、溫度和/或流量的信號，傳送到控制單元108，在該控制單元中對這些信號進行處理，產(chǎn)生一個到膨脹閥104的控制信號。如圖2a和2b所示，可以理解從蒸發(fā)器106得到傳感器信號，因而，傳感器信號與蒸發(fā)器有關。例如，蒸發(fā)溫度可以從安裝在與蒸發(fā)器制冷劑出口相距某一距離的管段內(nèi)的壓力傳感器確定。與蒸發(fā)器T0和S2有關的信號，通過適用的信號傳導體傳送到第一相加點120，在此計算出S2-T0的差值。該差值是對蒸發(fā)器出口處的制冷劑的過熱量和過熱溫度的測量。將代表過熱溫度的信號傳送到第二相加點122，在此對已確定的過熱溫度和標準過熱溫度之間的差值進行確定。該差值作為第一PI元件的輸入信號，該PI元件的輸出被傳送到第三相加點126，在該相加點處，上述輸出作為蒸發(fā)溫度信號的標準值。將被測蒸發(fā)溫度也傳送到第三相加點126，在此確定被測蒸發(fā)溫度和其標準值之間的差值，該差值作為第二PI元件128的輸入值。第PI元件128的輸出信號作為膨脹閥的控制信號，該膨脹閥控制進入蒸發(fā)器的制冷劑流量。
從上述說明和圖2a可以明顯地看出，控制器包括一內(nèi)和外控制環(huán)。外環(huán)根據(jù)過熱量S2-T0控制內(nèi)環(huán)的標準值且控制過熱溫度的標準值。內(nèi)環(huán)根據(jù)蒸發(fā)溫度和由外環(huán)提供的標準值控制進入膨脹閥的控制信號。內(nèi)環(huán)利用從膨脹閥開口度到蒸發(fā)溫度T0作為過熱量函數(shù)的靜態(tài)放大量是線性和充分定義的情況，以及利用蒸發(fā)溫度控制中的原動力比過熱量控制中對應的原動力快的情況。
本發(fā)明的控制器還包括或和代表壓縮機容量的信號一起操作，例如啟動步驟的數(shù)量、冷凝器容量、冷凝壓力或者在膨脹閥入口處的制冷劑溫度。
而且，本發(fā)明利用蒸發(fā)壓力(P0)控制中的原動力(該控制是對蒸發(fā)溫度T0進行測量)比過熱控制中(特別是用于整體反饋信號的控制元件中)的原動力快得多的結論。
按照上述特點和結論，本發(fā)明控制器的優(yōu)選實施例具有下列優(yōu)點?；趫D3-6形成的試驗，在帶有兩個獨立制冷循環(huán)(即兩個系統(tǒng))的水冷卻器上完成，兩個系統(tǒng)中每一個都帶有一往復壓縮機，該壓縮機具有兩個容量階梯(steps)，一空氣冷卻冷凝器和一蒸發(fā)器以及與每個冷凝器相連的頻率轉(zhuǎn)換器。在冷卻器中，將兩個蒸發(fā)器安裝在同一容器中。蒸發(fā)器是具有四個制冷劑通徑和單個共同水側面的殼狀和管狀蒸發(fā)器。制冷劑是R407c，冷卻器的容量是192.5kW(55TR)。
能夠選定內(nèi)環(huán)的尺寸，這樣就可以在整個控制頻譜內(nèi)使蒸發(fā)壓力得到穩(wěn)定地控制，同時，能夠選定外環(huán)內(nèi)控制的尺寸，該外環(huán)控制過熱量下降到某一低值。如圖3所示，其結果是產(chǎn)生具有高效率的穩(wěn)定壓力和低過熱量。
當改變冷卻介質(zhì)的溫度、逐步改變壓縮機容量、逐步改變壓縮機容量、逐步改變冷凝器的容量以及改變將被冷卻介質(zhì)的流量時，頻繁發(fā)生的干擾要求對內(nèi)環(huán)的標準值進行微小的調(diào)整。這種干擾最好通過對內(nèi)環(huán)的控制進行補償。由于內(nèi)環(huán)內(nèi)的快速原動力，使干擾得到快速補償。
根據(jù)對靜態(tài)放大的簡單確定和借助參數(shù)估算例如自動調(diào)節(jié)，能使內(nèi)環(huán)的控制參數(shù)優(yōu)化。
外環(huán)的控制參數(shù)不取決于膨脹閥確定的尺寸，而是通過對靜態(tài)放大特性的測量來確定。外環(huán)中的控制參數(shù)，在一定程度上取決于安裝有控制器的特殊制冷系統(tǒng)。
對內(nèi)和外環(huán)的分析表明對內(nèi)環(huán)的控制明顯地比外環(huán)快。
根據(jù)將被冷卻介質(zhì)的溫度信息，能夠把在啟動狀態(tài)下、內(nèi)環(huán)標準值的初始值調(diào)節(jié)為接近最佳值。其結果是對壓力(P0)和過熱量(SH)產(chǎn)生快速的反應/傳輸，因而在啟動后的短時間內(nèi)可以獲得最佳效率。
在本發(fā)明中，MOP功能(最大工作壓力(Maximum Operating Pressure)、蒸發(fā)壓力上限的設定)的執(zhí)行，可作為內(nèi)環(huán)參數(shù)標準值的限制，因而可看作上限T0、T0max。T0的極限值可以作為第一PI元件123的輸出信號，這樣，如果輸出值超過T0max，送到相加點126的T0標準值被設定為T0max。
特別需要指出的是，本發(fā)明中控制器的優(yōu)選實施例解決了依然存在于US5,782,103公開的控制器中的下述問題。
對內(nèi)環(huán)的放大參數(shù)難于進行準確地調(diào)整，這是因為該參數(shù)取決于壓縮機裝置的階梯尺寸。
過熱控制中放大參數(shù)的調(diào)整，從一個制冷系統(tǒng)到另一個各不相同，并且取決于膨脹閥的尺寸。
通過被冷卻介質(zhì)溫度的變化，會錯誤地對膨脹閥的開度給予補償，該錯誤補償會導致過熱量過高。例如，在升高的介質(zhì)溫度下開口度應該增大，以保持過熱量恒定。但是，如圖4所示，前饋信號內(nèi)放大要素標記產(chǎn)生的結果是在升高的介質(zhì)溫度下減小開口度，因而使過熱量過高。這種情況在圖2a所示的控制器中也經(jīng)常出現(xiàn)，但是，參照附圖2b以及下面的描述可知，上述問題通過考慮被冷卻介質(zhì)(或者將被冷卻的介質(zhì))的溫度而得以解決。
當被冷卻介質(zhì)的流量變化時，開口度也被錯誤地給予補償，這一點暗含著流體會流入壓縮機的危險。如圖2b所示，這一問題可以通過考慮蒸發(fā)器出口處的被冷卻介質(zhì)的溫度(S4)而得以解決。
當如圖5所示對過熱信號只提供整體控制作用時，向穩(wěn)定工作狀態(tài)進行的初始控制操作通常比較慢。
盡管圖2a表述出一控制器，其中，內(nèi)環(huán)控制僅根據(jù)蒸發(fā)溫度實現(xiàn)，內(nèi)環(huán)的控制還可以通過T0與下列參數(shù)中的一個或者多個的結合而實現(xiàn)，這些參數(shù)包括圖2b中在蒸發(fā)器入口處將被冷卻的介質(zhì)的溫度(S3)、在蒸發(fā)器出口處將被冷卻的介質(zhì)的溫度(S4)、通過蒸發(fā)器的將被冷卻介質(zhì)的流量 的測量值。這些變化在圖7中也表示出來。
圖6表示出在圖2b所示的充滿的蒸發(fā)器啟動時以及在壓縮機階梯向上轉(zhuǎn)換時控制器的特性。過熱量SH和蒸發(fā)溫度T0的曲線和圖5對應曲線的比較表明圖2b中的控制器能比US5,782,103中的控制器能明顯較快地對干擾進行補償。
根據(jù)蒸發(fā)器外部制冷劑溫度的標準偏差，可以控制外環(huán)的標準值，其與US6,018,959公開的方法相似。見圖8，標準值S2可以根據(jù)蒸發(fā)溫度進行限定，以確保正過熱量。
膨脹閥可以包括任何適用的已知閥，例如步進馬達驅(qū)動閥或者DE19647718和US4,364,238中公開的閥的類型。
PI元件124和128(見圖2a和2b)可由其它適當?shù)目刂圃鏟ID元件或者模糊邏輯控制器替代。在PID元件中，內(nèi)和外環(huán)各個差值的影響，可以至少部分的從反饋信號中獲得。
在本發(fā)明中，可以提供一第一和/或第二D元件。第一D元件的結構是可以產(chǎn)生第一信號或者對第一信號的產(chǎn)生起作用。第二D元件的結構是可以確定過熱信號(SH)的導數(shù)。因而，在控制器中可以獲得差值的作用。最好提供第一D元件，使其對提供給相加點126的第一信號產(chǎn)生影響，而不是對提供給相加點122的信號產(chǎn)生影響，而且可以提供第二D元件，以對提供給相加點122的信號產(chǎn)生影響，而不對提供給相加點126的信號產(chǎn)生影響。
權利要求
1.一種控制冷卻介質(zhì)的制冷系統(tǒng)的膨脹閥(104)的控制器，該制冷系統(tǒng)具有一制冷循環(huán)且包括至少一個壓縮機(100)、一冷凝器(102)、一用于蒸發(fā)制冷劑且被設置成與膨脹閥(104)串聯(lián)的蒸發(fā)器(106)；其中膨脹閥利用控制信號進行電控，控制器具體包括在控制信號產(chǎn)生中，對第一和第二信號進行加和減的相加點(126)的輸出值；其特征在于所說第一信號至少從蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度(T0)的測量和介質(zhì)特性的測量中獲得。
2.根據(jù)權利要求1所述的控制器，包括第一和第二控制元件(124、128)，其中第一控制元件(124)具體為對所說相加點(126)的輸入產(chǎn)生作用，同時第二控制元件(128)具體為接收所說相加點(126)的輸入和輸出。
3.根據(jù)權利要求2所述的控制器，包括另一個相加點(122)，用于從標準的過熱溫度減去制冷劑的過熱溫度(SH)，過熱溫度(SH)從蒸發(fā)器(106)的制冷劑出口的制冷劑溫度(S2)和所說蒸發(fā)溫度(T0)的差(S2-T0)推導出來；第一控制元件(124)設置為接收標準過熱溫度和過熱溫度的差值或者從所說差值導出的信號作為輸入值，并產(chǎn)生一輸出值，即所說的第二信號。
4.根據(jù)權利要求2或3所述的控制器，包括一個內(nèi)控制環(huán)和一個外控制環(huán)，其中第一控制元件(124)具體為對內(nèi)環(huán)產(chǎn)生一標準值，內(nèi)環(huán)根據(jù)所說第一信號和由外環(huán)產(chǎn)生的標準值對膨脹閥(104)產(chǎn)生控制信號。
5.根據(jù)權利要求2-4中任一項所述的控制器，其特征是至少第一和第二控制元件(124、128)中的一個由下列元件之一構成一個P元件；一個I元件；一個D元件；一個PI元件；一個PID元件；一個PD元件；一模糊邏輯元件。
6.根據(jù)上述任一項權利要求所述的控制器，在所說第一信號的推導中至少包括一個i.在蒸發(fā)器(106)介質(zhì)入口處的介質(zhì)溫度(S3)；ii.介質(zhì)的流量率 的測量；以及iii.在蒸發(fā)器(106)介質(zhì)出口處介質(zhì)的溫度(S4)。
7.根據(jù)權利要求6所述的控制器，利用下列公式中至少一個參數(shù)推導第一信號I)m.·(S3-S4)/In{(S3-T0)/(S4-T0)};]]>II)(S3-S4)/In{(S3-T0)/(S4-T0)}；III)S3-T0；IV)S4-T0。
8.根據(jù)上述任一項權利要求所述的控制器，包括產(chǎn)生所說第一信號的第一D元件。
9.根據(jù)權利要求3-8中任一項所述的控制器，包括確定過熱信號(SH)的變量的第二D元件。
10.一包括權利要求1-9中任一項所述的控制器的制冷系統(tǒng)。
11.一種控制冷卻介質(zhì)的制冷系統(tǒng)的膨脹閥(104)的方法，該制冷系統(tǒng)具有一制冷循環(huán)且包括至少一個壓縮機(100)、一冷凝器(102)、一用于蒸發(fā)制冷劑且被設置成與膨脹閥(104)串聯(lián)的蒸發(fā)器(106)；其中膨脹閥利用控制信號進行電控，該方法包括在控制信號產(chǎn)生中，對第一和第二信號進行加和減的相加點(126)的輸出值；其特征在于所說第一信號至少從蒸發(fā)器內(nèi)制冷劑的蒸發(fā)溫度(T0)的測量和介質(zhì)特性的測量中獲得。
全文摘要
一種用于冷卻介質(zhì)的制冷系統(tǒng)的膨脹閥(104)的控制器的結構包括在控制信號產(chǎn)生中，對蒸發(fā)器(106)內(nèi)制冷劑蒸發(fā)溫度(T0)的測量和被冷卻介質(zhì)的特性的測量，最好不受制冷劑的過熱溫度(SH)測量的影響?？刂破靼ㄒ籔I元件(128)，該元件成整體且對膨脹閥產(chǎn)生控制信號，該膨脹閥對流入蒸發(fā)器(106)的制冷劑流量進行控制；將PI元件(128)設置在內(nèi)控制環(huán)中，該元件的標準值由外控制環(huán)產(chǎn)生?？刂破髟谥评湎到y(tǒng)的工作條件改變時對干擾作出快速反應和/或?qū)橘|(zhì)溫度作出快速反應，和/或?qū)χ评湎到y(tǒng)啟動和保持較低的穩(wěn)定工作狀態(tài)、但是為正過熱量和穩(wěn)定蒸發(fā)壓力的情況作出快速反應。
文檔編號G05D27/02GK1512284SQ20031011810
公開日2004年7月14日 申請日期2003年10月8日 優(yōu)先權日2002年10月8日
發(fā)明者L·M·詹森, L M 詹森 申請人:丹福斯有限公司