专利名称：热泵的改进型结霜/融霜控制系统的制作方法
技术领域：
本发明一般说来涉及空调器、热泵和致冷设备的电子控制系统。更确切地说，本发明涉及利用数字电路来控制一台正常运转循环中的热泵的装置和方法，以达到在融霜循环中提供最佳的系统效率和性能的同时，控制户外蒸发器蛇管上霜冻的积聚。
无论是作为一个空调系统运转还是作为一个热泵系统运转，基本的致冷循环都是用以一个精确控制的方式调节通过一闭合系统的冷却剂来运转的。冷却剂是在一台通常叫做蒸发器蛇管的热交换器中用蒸发来冷却的。冷却剂通过一个有时称为膨胀阀的阀口被调节进入蒸发器蛇管。理想的情况是，一个致冷系统应该调节刚好足够的冷却剂进入蒸发器蛇管，以使冷却剂在蒸发中通过蛇管全长提取热量。由于该系统在变化中的动态特性，温度自动调节器设定值的变化以及来自日光、风等负荷的变化，当系统运转时通过膨胀阀的最佳流量也将需要变化。
为达到稳态运转中的最佳效率，膨胀阀在稳态运转中的精确控制，已成为继续努力提高能量效率的大量研究的主题。除了需要提高效率外，还需要解决霜冻积聚问题。在一个热泵系统的加热方式运转中，每当蛇管温度降到低于32°F时，一层霜冻就通常在户外蛇管表面上形成。这层霜冻显著地降低于热泵的加热容量以及当该霜冻层继续积聚时，该装置的性能最后恶化到不得不去融霜的程度。
然而，这个融霜过程是非常低效率的。加热的过程被中断而且，实际上是被一个反生产的(counterproductive)空气调节过程所代替的。这将浪费能量并降低热泵的加热容量。在融霜周期中，热是流向错误的方向，从而冷却房屋或建筑。为了抵销这个冷却作用就可能必需接通电阻加热器，从而消耗额外的能量。
对蒸发器蛇管融霜的要求，在除了最为干燥者外的所有环境中，看来都是一项必然的祸害。因而，假如能开发出一个热泵系统来减小每天融霜循环的次数并且还能在需要时更迅速和高效地实施融霜循环，则这正是所需的。
本发明通过使用一个以微处理机为基础的控制系统和数控膨胀阀来解决这个需要。本系统利用一个需量融霜的方案，其中融霜循环之间的时间间隔是变化的，而不是在一个周期性的基础上简单地被执行。只有当一个预定的霜冻量已在蒸发器蛇管上积聚时，融霜循环才会开始。这就通过消除不必要的融霜循环来节约能量和提高效率。
此外，通过使户外蛇管的条件不那么有利于霜冻的形成，而将融霜循环之间的时间间隔进一步达到最大限度。这是通过依照环境空气和户外蛇管之间的温差来监控霜冻形成的积聚速率而实现的。如果检测出该温差的斜率有变化，通过调节膨胀阀设定值使得流经该系统的冷却剂流量增加，从而提高户外蛇管温度。以微处理机为基础的控制系统确定出适当的阀门设定值，使得维持一个高效的蛇管温度的目标与逐步提高蛇管温度的目标相平衡(要牺牲一些效率)以减低霜冻积聚的速率。该系统因此能较长时期地保持高效运转水平。
本控制系统还调节膨胀阀设定值以打开阀口，使它在融霜循环开始时大于正常时的直径。这就使冷却剂装料得以快速地转移到户外蛇管去并显著地缩短融霜循环的持续时间。此外，通过在融霜循环终止前预先起动户外风扇，降低了压力瞬变，导致热泵和它的组件有较高的可靠性和较长的寿命。
上述结果是一个现代化的热泵系统，能提供高的效率和较长的组件寿命。因为户外蛇管上的霜冻形成受到监测和精确的控制，故融霜之间的时间间隔能达到最大值。融霜循环招致的损耗达到最小，而且系统效率能达到最佳值。
关于对本发明的目的和优点的更为完整的理解，可以结合附图参考下列说明和所附权利要求书。
图1是基本的致冷循环示意图;
图2是本发明的致冷控制系统的一个最佳实施例示意图，是其在一台热泵应用中的图解;
图3是本发明控制系统示意图;
图4和5是详细示意图，说明各微处理机之间的通信;
图6是一幅示意图，说明本发明利用的传感器布置情况;
图7是一张截面图，显示对本发明中户外环境温度传感器进行布置的一种最佳方式，以此减小辐射加热的影响;
图8A和8B(这里也统称为图8)是一张流程图，说明本发明中改进的融霜循环执行情况;
图9是一张曲线图，描绘通过在融霜循环终止前预起动户外风扇而获得的性能改善;
图10是一张曲线图，说明通过采用膨胀阀控制的策略而获得的性能改善;
图11A和11B(这里也统称为图11)是一流程图，说明本发明用来监控和减少户外蛇管上霜冻的形成的控制策略;
图12是一张曲线图，描绘作为时间函数的空气和户外蛇管的温差;
图13是一张软件方框图，说明本最佳的以微处理机为基础的控制系统;
图14A和14B(这里也统称为图14)是一曲线图，显示两个不同膨胀阀控制的策略在一段时间中的户外蛇管温差，图14A描绘一个较长的融霜过程，而图14B描绘一个较短的融霜过程;
图15是一曲线图，显示不同户外环境温度的最佳融霜起始温度。
本发明提供一个装置和方法，以优化空调器、热泵和致冷设备中采用的致冷循环。本系统采用一个以微处理机为基础的控制系统和一套独特的成组传感器和一个电控膨胀阀。为了说明本发明的原理，将对一个既能提供加热又能提供冷却的热泵系统进行描述。所描述的这种型式的热泵系统可能适合于对一座商业或住宅建筑的采暖和降湿，虽然本发明的原理并不限定于商业和住宅的采暖和降温，而是可以应用到所有的泵传送热的系统。
然而，在对本最佳实施例进行详细描述之前，先对致冷循环简要地回顾一下。该循环将结合在图1中示意地画出的基本热泵系统进行描述。
该热泵循环使用蒸发冷却效应来降低邻接一个热交换器(蒸发器)的环境温度，并且它使用高压高温气体的加热效应以提高邻近另一热交换器(冷凝器)的环境温度。达到上述目的的做法是，通过释放带压力的冷却剂(通常为液态)进入到一个低压区，使冷却剂膨胀成一种气体和液体的低温混合物。通常，这个低压区包括一个蒸发器蛇管，例如蒸发器蛇管10。一度曾在蒸发器蛇管10中的该冷却剂混合物作用于要冷却的该区的高温环境空气中。冷却剂从液体蒸发为气体时，从环境空气吸收热从而使之冷却。
将冷却剂释放进入低压蒸发器蛇管中时，通常通过一个节流孔或阀门(通常叫做膨胀阀12)来进行计量。现今有种类繁多的各种型式的膨胀装置在使用中，其分类可从简单的不可调节的毛细管到比如象脉宽调制阀门之类的电可调阀。在蒸发器蛇管出口的冷却剂被压缩机14压缩回到一个高压状态并被冷凝器16冷凝成液体状态供重新使用。在一台热泵的应用中，高压气体冷凝为液体状态时向周围环境供应热量。
我们已经回顾了热泵循环的基本原理，现将提供本发明的最佳实施例。虽然本发明能有许多形式，将结合图2进行描述，图中在20的地方对一台热泵系统一般地进行描绘。该系统包括一台室内装置22，一台房间装置或温度自动调节装置23以及一台户外装置24。室内装置包括一台户内蛇管或热交换器26以及一台室内风扇28。室内风扇最好是由一台变速电动机30来驱动。室内风扇和蛇管的定位使用合适的风道结构，使得风扇以由变速电动机的转速决定的速度驱使环境的室内空气横穿室内蛇管。
户外装置包括一台户外蛇管或热交换器32以及由合适的电动机36驱动的一台户外风扇34。在热泵的加热方式中，这个户外蛇管起蒸发的作用，当户外蛇管32的温度降到低于32°F时，一般就在其上形成霜冻。户外装置最好包括一个保护外罩，包住户外蛇管和户外风扇，使得风扇将抽取环境内的户外空气横穿户外蛇管以改善热交换。户外装置一般还装有1台压缩机38。
在图2中所示的系统是个所谓“热泵”系统，因为通过简单地颠倒室内蛇管和户外蛇管的作用，它就既能用于冷却又能用于加热。用一个四通换向阀40就可以达到上述目的。参阅图2，当四通阀切换到“冷却”位置(图中所示)，室内蛇管就起蒸发器作用而户外蛇管就起冷凝器作用。当四通换向阀放置到“加热”位置(另外的位置)，这些蛇管的作用就颠倒过来。室内蛇管就起冷凝器蛇管作用，而户外蛇管起蒸发器蛇管作用。
除了室内和户外蛇管以及压缩机外，本系统还使用一个电控膨胀阀(EXV)42。在本最佳实施例中，膨胀阀是一个连续变化的(或增量变化的)步进电动伐，它能电调节到一个大范围的节流口尺寸或阀门开度，从全开到全闭。虽然可用其他型式的电控阀来实现本发明的控制系统，脉宽调制阀就是一个例子，但本实施例最好使用步进电动阀，因为它提供无波动的运转并且较为无故障。仅当调整节流口尺寸时，步进电动阀才需要移动或循环。在一个典型的运转顺序中这可能要发生几次(例如每小时几次)。与此对比，脉冲宽度调制阀在整个运转顺序中都要连续循环。
为控制户外蒸发器蛇管上的霜冻积聚，本最佳系统是一个以微处理机为基础的系统，它从各种各样的传感器以及其他的事物中收集数据，根据所收集的数据确定膨胀阀的适当设定值。更加具体地说，本最佳实施例利用三台互连的微处理机为基础的控制单元44，45和46。控制单元44是和户外装置24联系在一起的，而控制单元46是和室内装置22联系在一起的。此外房间装置或温度自动调节的装置23也可以包括一台微处理机为基础的控制单元45。最好，所有三台以微处理机为基础的控制单元都通过一个适当的通信链路48，例如一并行或串行的通信链路，相互连接在一起。户外控制单元44部分地负责收集数据而室内控制单元46则负责下列系统的通/断循环，调节室内风扇转速，控制膨胀阀，需量融霜的起动/终止，故障探测和执行系统诊断功能。
为了方便起见，用于实现图2致冷系统的以微处理机为基础的控制系统大体上示于图3。具体地说，室内装置22，房间装置或温度自动调节装置23和户外装置24通过通信链路48互连。通信链路48最好是一个向所有3台装置供应交流电力和地线，并且还提供一对串行通信数据线的4线总线。室内装置22，房间装置23和户外装置24都各有一个以微处理机为基础的控制单元，它们通过通信链路相互通信。在图3中，以微处理机为基础的控制单元44和46已经这样地画出。房间装置23也包括一个微处理机为基础的控制单元。图3中已省略了细节以简化附图。
包括一个整体式驱动和变速电动机30在内的室内风扇或鼓风机28也和室内装置22联系在一起。本最佳实施例使用一台需要240V交流电的电动机。通过通信链路48传递的控制信号和逻辑信号的电压为交流24伏和直流5伏。为此目的，在室内装置中提供了一台降压变压器180。电动机30通过电动机通信路线182以交流24V线路电平从室内控制单元46接受它的运转控制指令并向室内控制单元供给状态信号。
本最佳实施例使用电阻加热器提供辅助加热。室内控制单元46负责确定何时接通和切断辅助加热。这个信号是以交流24V逻辑电平供给的。室内控制单元46还供应直流24V逻辑信号以控制膨胀阀42。
户外装置还通过图示的路径以交流24V逻辑电平提供和接受若干不同的控制信号。例如户外控制单元44向压缩机继电器K1提供通断信号。这个继电器又使压缩机接触器190通电。户外控制单元44同样向加热/冷却继电器K2提供通断控制信号，该继电器如前所述切换换向阀40来将该系统置于“加热”或“冷却”方式。户外控制单元向风扇通断继电器K3和风扇转速继电器K4提供逻辑信号。这些继电器又控制户外风扇电动机36。在本最佳实施例中，户外风扇电动机36是一台双速电动机。户外控制单元44还从下列户外传感器接受逻辑电平数据，例如测定户外蛇管温度的第一温度传感器55，测定周围或环境空气温度的第二温度传感器56，以及测定压缩机出口温度的出口温度传感器54。
参阅图4和5，用稍微详细一点的方式示出了以微处理机为基础的控制单元44，45和46，以显示在运转中这些单元之间的通信信号的类型。在图4中，房间装置控制单元45与它的配套键盘192和显示器194一起示出。该键盘通过一条8线并行数据总线连到房间装置控制单元45上。显示器也是类似地通过一条36线并行数据总线进行连接。注意室内温度传感器60和室内湿度传感器62也连到房间装置控制单元45上。还要注意在户外装置中也可采用一台湿度传感器196(见图5)，以使户外的湿度也能测量。为了保护户外装置，提供了一个压力保险装置198和一个温度保险装置200。
室内控制单元46行使主控制器的职责，控制全面的系统性能和三台控制单元之间的许多通信。图13是一软件方框图，示出构成本控制系统的功能软件元件。因为室内控制单元在本最佳实施例中行使主控制器的职责，图13中的许多软件模块属于室内控制单元46并由它来使用。当然，从一个系统的观点出发，任一个微处理机为基础的模块都可能担任主控制器的职责。此外图13中所描绘的软件功能，可以在所有3台控制单元中间分配或由它们分担。因此，不应把某些功能对本实施例采用的某些控制单元的具体分配，看成为对权利要求范围的一种限制。
参阅图13，在软件控制系统的中心是主控制块302。这个块或模块，或是直接或是间接地和每一个其余的块或模块都接口。干线块202由主控制系统块201来监督，该控制系统块201提供全系统性能的要求。干线控制块通过与其他模块的接口负责实行主控制系统的指令。例如，加电初始化和加电诊断块是在起始加电时由干线控制块调用的。干线控制块可以访问一个数学程序块208，该块可以在发生数学计算的任何时候调用。相似地，干线控制块202可以访问时钟支撑和三端双向可控硅开关驱动块210以及计时器更新杂用控制块212，这些模块用于涉及到事件计时的任何地方。
本系统是自适应的，因为它能在正常运转中连续更新参数。然而，在起始加电时，本系统使用存储在一个通过NOVRAM控制/接口模块214访问的非易失性RAM或NOVRAM存储器中的预先设定的起动参数。非易失性RAM也可存储其他数值，例如系统运转中通常不改变的常数。为了这个目的，使用非易失RAM是十分有利的，因为它允许在装运前在工厂中将一个标准化的硬件系统按定制编制程序。这就允许在一宽范围的不同加热和冷却系统中，通过简单地在工厂中编制程序，使用或多或少的标准控制模块包。这将导致节省相当大的费用。
通信和信息处理由通信块216和控制支撑信息块218来提供。这些模块履行表Ⅰ-Ⅲ中描述的通信协议。关于将信息放置到通信链路上的方式的具体细节由总线块220来处理。系统诊断由模块222来实现。如果希望的话。本系统的程序可编制成能执行自检测和自组态。这是由模块224来实现的。此外，不能适合于其他所述的范畴的任何杂项支撑功能可由干线控制块来调用。为了图解说明的目的，杂项支撑226就这样地示于图13中。
干线控制块202还负责控制致冷系统组件、室内风扇和任何辅助加热设备的重要功能。关于致冷系统的组件，提供了一个电控膨胀阀控制块228。这个模块负责确定和实现膨胀阀设定值。相似地，为了通过继电器K1来接通和切断压缩机，提供了压缩机控制块230。在模块232中提供了一个比例积分微分算法或其他适当的控制算法，它提供自适应的控制，能使得本系统在运转中更新其参数。
关于风扇转速控制，鼓风机控制块234从鼓风机反馈探测块236，脉宽调制输出块238和鼓风机通/断延时块240接受指令。本最佳室内风扇电动机由一个脉宽调制系统驱动，该系统使电动机驱动信号的脉冲宽度发生变化以调节转速。脉宽调制输出控制块238和鼓风机反馈探测块236提供脉宽调制的闭环系统功能。鼓风机通/断延时块240改变室内风扇的通/断顺序，以使与热交换元件的温度有关的空气流达到最佳值。
在使用辅助加热，例如电阻加热元件的系统中，提供了电热丝加热控制块242和分级控制块244。电热丝加热控制块基本上负责触发一个或更多的继电器以接通辅助加热元件。分级控制块使电热丝控制块根据所要求的温度和需要的热量来分级工作。
本最佳实施例使用一个需量融霜循环以周期地融化蛇管上积聚的霜冻。这是由融霜控制块246来处理的。对这个模块246，在图8和11的流程图上更为详细地描述。融霜控制块246和户外装置24之间的接口通过干线控制块202，通信块216和总线块220来实现。此外，风扇转速可以调节以控制湿度或维持系统运转在美国供暖、致冷和空调工程师学会(ASHRAE)规定的舒适区之内。这点是由湿度控制块248来处理的。
在回顾图4和5时应该十分注意，本最佳单元间通信是通过串行通信链路48完成的。串行通信的特性是通信线为所有单元所共享，从而每次仅能有一个信息进行通信。于是在这些图中，画出房间装置控制单元45与室内控制单元46之间以及户外控制单元44与室内控制单元45之间的详细列明的数据流，以说明在系统运转中来回传递的信息类型。虽然这种数据传送是作为并行运转来说明，并且它能够在一个并行通信链路中实现，但本实施例却宁愿要一个串行链路。
要在系统运转中来回传送这么多信息，以微处理机为基础的系统按照一个预定义协议以串行方式发送和确认信息。三个单元中的每个单元都有足够的随机存取存储器，而且在某些情况下还有不易失性存储器，用以存储构成它们之间所通信信息的各种参数。这样，例如，由传感器56测定的户外温度存储在户外控制单元44的随机存取存储器中，以便此后与室内控制单元46通信，并存储在控制单元46的随机存取存储器内。此后，同样的户外温度数据可以与房间装置通信并存储在房间装置控制单元的随机存取存储器内。
然后建筑的居住者能够，如果希望的话，输入适当的键盘功能，要求显示户外温度。这仅仅是数据如何从模块流到模块的一个实例。通过使用在每个模块中的临时存储，每个模块能处理自己系统的具有高优先权的关键任务，而只是在有时间时才去照料非关键性任务。这样，要求显示户外温度的建筑居住者不会使户外模块忽视它控制压缩机的任务，并且同样不会使户内控制单元忽视调节风扇转速的任务。要求户外温度显示的建筑的住居者会看到一个温度值立即显示出来，虽然显示的数值会是在最近数据更新顺序中得到的数值。
如图6和7所示，温度传感器55位于致冷系统50内，但温度传感器56却位于外部环境52中。此外，温度传感器54测定为达到稳态工作而用以控制膨胀阀设定值的压缩机出口温度。温度传感器55最好定位于邻近户外蛇管16并准确地测定蛇管表面温度。温度传感器56最好定位于一个空气流路线中，它将测定围绕户外蛇管16或被迫横穿过蛇管16的环境空气温度。这个环境空气温度传感器的部位可能是重要的。在“加热”方式中，由于蒸发器蛇管位于户外，环境温度传感器应这样地定位以使它不会直接受到阳光的照射。通过放置该环境温度传感器在一根管子或箱子中就可做到这一点，上述管子或箱子应对空气流开放但屏蔽住阳光直接照射。
图7示出了屏蔽户外环境空气温度传感器56的一种方式。如图所示，传感器56位于一根管子58之内，该管子安装于户外装置24的外罩侧墙上。如图所示，该管子屏蔽住传感器56使之不受阳光直接照射，但对大气和外罩内部都开放，在户外风扇34的力量下，环境空气将流过传感器56。风扇34产生移动的空气流实际上取消了通过太阳辐射能对外罩加热造成的任何辐射和传导加热效应。这个结果是一个由风扇34抽送穿过户外蛇管32的环境空气温度的准确测量。
使用本发明的控制系统以及传感器55和56所提供的温度数据就能对霜冻的形成进行监测和控制。微处理机44，45和46最好合作来接受由那些传感器和温度自动调节器23以及其他系统组件提供的数据输入。这些微处理机最好也如上所述合作以向包括EXV42，风扇28和34，4通换向阀40等等在内的各种其他热泵组件提供控制信号。
按照本发明的教导，从传感器55和56以及微处理机44，45和46获得的温度测定，促进实现优化融霜循环之间的时间间隔的一个需量融霜方案。只有当蒸发器蛇管上的霜冻已积聚到优化的最大量时，才按照需要来开始融霜循环。本发明的控制系统为提供这种类型的融霜系统而实现的步骤顺序详细地示于图8的流程图中。
如同图中所示，在100步中，对由传感器56和55分别测量到的户外空气环境温度和户外蛇管温度之差(用△t表示)进行了计算。然后在102步中，户外蛇管温度与一个预定的允许数值(最好是大约32°F)比较，超过该允许数值时，融霜循环将不会开始。然后温差△t与一个内部的温差相比较，该温差是表示必需去起动融霜循环的最佳最大霜冻量。内部的温差最好根据户外环境空气温度的一个线性函数来计算。该线性函数有一斜率和Y轴截距(y＝mx+b)。当与一清洁(无霜冻的)户外蛇管容量相比较有20%的容量损失时即要求融霜。
图15示出了最佳融霜起始温度和户外空气温度之间的函数关系。
如蛇管温度并未低于允许数值，或温差还不够大，或自从上次融霜循环以来的足够时间尚未过去了(约40分钟，108步)，就执行104步，其中用于加热工作的压缩机出口温度控制程序已开始，而温度监测过程在100步重新开始。
另一方面，如果102，106和108步的判据都能满足，则将现有的EXV42的开口Y记录到存储器中供以后使用(110步)，并且启动112步的融霜循环。为了开始融霜循环，四通阀40换向而户外风扇34停机。并且，不过，EXV42由控制系统调节而打开阀口到一个最大尺寸开度，该开度最好要比一般用于冷却方式中的开度大。通过控制这个EXV开度，使得它要大于一般用于正常冷却方式运转时的开度，这样，在融霜开始时完成了快速转移冷却剂装料到户外蛇管。这就显著地提高了融霜循环效率-常规流量控制装置不容易达到的一项功能。通过加大这个EXV开度，已证明融霜循环时间在缩短。通过比较图14A和14B，就能看到融霜循环时间的缩短，注意图14B中的较短的融霜周期。因为较大的开度允许较大的冷却剂流量，霜冻融解较快和泄水时间较短，这样就显著地改善了系统的性能。
这个融霜循环或方式将继续下去直到最大量的时间已终了(例如12分钟)，或等到户外蛇管32已达到了一个足够的高温(最好大约65°F)以保证融霜循环终止(114和116步)。消逝的时间最好靠微处理机之一中的内部时钟来计时，而由传感器55提供温度。
然而，在122步中终止融霜循环之前，执行118和120步。控制系统刚一检出户外蛇管温度已达到预设置的内部融霜终止温度，就接通户外风扇以减低压力瞬变。在一个常规控制系统中一个融霜循环刚一终止，户外热交换器中的高压冷却剂马上就暴露于压缩机的低压吸入管线，而户内热交换器中的低压冷却剂则暴露于压缩机的高压出口管线。压缩机出口管线经历一个突然压力升高和降低，压缩机和冷却剂管线如此的压力瞬变使它们遭受到机械冲击，对热泵的可靠性和寿命都有损害。
通过在融霜循环终止之前先起动户外风扇，本控制系统允许在融霜终止时使户外蛇管冷却并且压力瞬变降低。户外风扇在融霜终止前的一个预定时间量以前接通，这个时间量最好是大约20秒。这就显著地降低了加热方式循环中的压力瞬变。如图9中曲线图所示，图中示出压缩机出口压力对时间变化曲线，在融霜终止前预先起动风扇显著地降低系统中的压力瞬变。
一旦户外风扇接通了预定时间量，按照122步终止融霜循环。四通阀换向而冷却剂重新从压缩机流到冷凝器(室内蛇管)以重新开始加热运转。不过，EXV42仍留在它的全开位置。这将加快冷却剂气体通过系统的流动量以加强加热容量的恢复。见图10，在阴影区示出了通过遵循融霜终止的改进策略而获得的效益。
这将继续进行下去直等到已超过一个预定的时间量(124步)为止。其中在126步中将减小EXV的开度。EXV的开度减小到一个等于Y+△Y的量。按照128步这将继续进行一个预定的时间量，然后执行104步的压缩机出口温度控制程序，其中EXV42的开度控制是基于压缩机出口温度而进行的。
除了已在上述过程中描述的仅仅按照需量起动融霜循环外，本发明的控制系统使融霜循环之间的时间达到最佳值。如以前所解释的那样，只要当户外蛇管温度低于32°F时，户外蛇管表面上就形成霜冻。这将降低热泵的加热容量，需要融霜以从户外蛇管上清除霜冻。通过探测霜冻的积聚速率能减少霜冻的形成，从而允许热泵在需要融霜前可运转一段较长时期。
通过监控户外空气和户外蛇管之间的温差△t就可以实现这个目的。在户外蛇管上霜冻的积聚使△t增大(参阅图12)。控制器监控△t的斜率变化(参阅图12)并且如它检出了斜率的一个变化则通过由调节EXV而增大冷却剂流量来响应，从而提高户外蛇管温度并使户外蛇管的条件不那么有利于形成霜冻。减少霜冻积聚的控制逻辑示于图11中。当该策略会导致可能损坏压缩机的反向溢流(flood back)现象时，就不遵循这个策略。因此，本最佳实施例的结构将不允许使压缩机出口温度降到一个预置数值(例如150°F)以下。
图11中示出的130-136步根据压缩机出口温度来保证最佳的加热方式运转。一旦本系统以一个最佳的加热方式运转时，就执行138-150步，其中对户外环境空气温度和户外蛇管温度之差进行计算和监控。如果152-156步确定出积聚速率是在增加，则执行霜冻减少程序，除非压缩机出口温度会使压缩机发生溢流(flooding)和导致降低系统可靠性(160-162步)。在执行这个霜冻减少程序时，对EXV42进行调节以增加通过系统的冷却剂流量并使户外蛇管的条件不那么有利于形成霜冻。在这样做时，本系统就恢复到根据压缩机出口温度的控制方式。
从以上所述，可以看出本发明表现出与常规融霜循环控制技术有显著的区别，本发明将允许系统以高于以前所达到的效率运转。低效融霜运转之间的时间间隔已达到最大而且更加快速地完成融霜。
虽然已经针对本最佳热泵实施例描述了本发明，但是当然会理解到本发明能够被应用到各种形式的空气加热和热泵系统中去。因此，本发明的原理并不限于已描述的实施例。本发明能作某些变更和变化而不会偏离所附权利要求书中提出的本发明的精神。
表Ⅲ注:在信息2中,顶部缩写词表示系统在手动方式时所示出的号,下部缩写词表示在正常方式时的号HUM SET PT 湿度设定点HUM% 测量的室内相对湿度(2次)INV SPD 变换器速度(0=关;200=开)OUT FAN 户外风扇速度(0=关;100=低;200=高)STP HT 电阻加热通电平的号EEV POS 电子膨胀阀开位置BLWR SPD 室内风扇速度CHECK SUM 信息中的号码和(模256)HR 时MIN 分TEMP WHOLE 测量房间温度总号TEMP FRACT 测量房间温度小数部分SET PT 温度自动调节器设定点NXT PRG TIME 下次程序设定点变化时间NXT PRG ST PT 下次程序设定点BLWR SPD 在风扇通方式下室内风机速度DIAG MODE 诊数方式号MNUL MODE 手动方式NORM 正常运行方式PWR UP 上电KEY PRES 键压下CMFT 舒适方式
ECON 经济方式PARAMETER SETUP 参数设置方式BLOWER ON 在风扇通方式下的风机LOCKOUT OVRIDE 压缩机锁定时间增量MODE 关冷却加热或Emer工作方式CONFIG 户外结构MODE 户外单元工作方式INV FRQ 转换器频率(压缩机通或断)MALF 户外故障码SUCT TEMP 抽吸温度DSCH TEMP 出口温度OTDR AMB 户外环境温度OTDR COIL1 户外蛇管#1OTDR COIL2 户外蛇管#2CRNT 压缩机电流OTDR %HUM 户外相对湿度百分比ST PT OVRIDE 设定点增量DIAG 诊断方式号COMP SPD 压缩机速度(通/断)OTDR AMB 户外环境温度OTDR %HUM 户外相对湿度百分比MALFUNCTION 故障下的系统运行MODE ECHO 响应温度自动调节器的系统方式(加热等)AUX HT 电阻丝加热通/断DEFROST 运行融霜程序LOCKOUT 锁定时的压缩机
EEV POS 电子膨胀阀开位置BLWR SPD 室内风机速度STRP HT 电阻丝加热水平通数OUT PID PID控制值PWM OFF TIME 电阻丝加热分或压缩机关循环PWM ON TIME 电阻丝加热分或压缩机通循环PID DER TERM PID值的微分项值DIAGNOSTICS 诊断方式的系统DEFROST 融霜方式的系统RU COMM ERROR 室内和温度自动调节器间的通信错误OD COMM ERROR 室内和户外之间的通信错误
权利要求
1.一种操作一个热泵系统的方法，用于控制在正常加热方式运转中积聚在户外蒸发器蛇管上的霜冻，包括下列步骤确定一个最大允许的霜冻积聚量；测定一个指示当前霜冻积聚量的第一参数；使用所述的第一参数来控制通过户外蒸发器蛇管的冷却剂流量，以提高蛇管温度和减少霜冻积聚；当所述的当前霜冻量基本上等于所述的最大允许量时，通过起动一融霜循环进一步减少霜冻积聚，在融霜循环中热气体被泵入所述的蒸发器蛇管中以融解所述霜冻；终止所述融霜循环；以及恢复所述热泵系统到正常加热方式运转。
2.按照权利要求1的方法，它还包括检测户外环境空气温度和检测户外蒸发器蛇管温度的步骤。
3.按照权利要求2的方法，其中所述最大允许的霜冻积聚量是作为户外环境空气温度和户外蒸发器蛇管温度的函数而确定的。
4.按照权利要求3的方法，其中所述最大的允许霜冻积聚量是作为户外环境空气温度和户外蛇管温度之差的函数而确定的。
5.按照权利要求2的方法，其中所述当前的霜冻积聚量是作为户外环境空气温度和户外蒸发器蛇管温度的函数确定的。
6.按照权利要求2的方法，其中所述当前霜冻积聚量是作为户外环境空气温度和户外蒸发器蛇管温度之差的函数而确定的。
7.按照权利要求3的方法，其中当所述的户外环境空气温度和所述的户外蛇管温度之间的所述温差超过了一个预定量而所述的户外蒸发器蛇管的所述温度下降到低于一个预定的数值时，起动融霜循环。
8.按照权利要求7的方法，其中所述的预定的蒸发器蛇管温度数值大约为32°F。
9.按照权利要求7的方法，其中所述的户外环境空气温度和蒸发器蛇管温度之间的所述预定温差是以户外空气温度为根据的。
10.按照权利要求1的方法，其中只有当自从上次融霜循环以来一个预定的时间量已经消逝时才起动所述的融霜循环。
11.按照权利要求1的方法，它还包括确定户外蒸发器蛇管的一个融霜循环终止温度的步骤。
12.按照权利要求11的方法，其中所述的融霜终止温度大约为65°F。
13.按照权利要求1的方法，其中所述的热泵系统包括一台运送空气横穿所述户外蛇管的风扇，以及所述的方法还包括在终止所述融霜循环并恢复到正常加热方式之前接通户外风扇的步骤。
14.一种操作一个热泵系统的方法，用于控制在正常加热方式运转中积聚在户外蒸发器蛇管上的霜冻，它包括下列步骤探测在所述蛇管上霜冻积聚的速率;监控所述积聚的增长速率;导致通过户外蛇管的冷却剂流量增加以提供高蛇管温度和减少霜冻的积聚。
15.按照权利要求14的方法，其中通过监测户外空气和户外蒸发器蛇管之间的温差来探测所述的积聚速率。
16.按照权利要求14的方法，其中所述的热泵是具有一台膨胀阀的型式而所述的冷却剂流量是通过调节所述的膨胀阀而增大的。
17.按照权利要求16的方法，其中对所述的膨胀阀进行调节以产生一个大于系统在正常冷却方式中使用的开度。
18.一个具有改善了的融霜性能的空气调节系统，包括一个热泵流体回路，它有一台户外热交换器，一台室内热交换器和一台压缩机;配置在所述的热泵流体回路中的一台电调膨胀阀;检测指示户外空气温度值的第一传感器装置;检测指示户外热交换器温度值的第二传感器装置;以及一个处理机系统，它连接到所述的第一和第二传感器装置和所述的膨胀阀上以调节所述膨胀阀的设定值;所述的处理机系统包括决定霜冻控制策略的装置，该装置包括根据户外空气温度和户外热交换器温度之间的温差来调节所述的膨胀阀设定值的装置。
19.按照权利要求18的空气调节系统，其中所述的决定霜冻控制策略的装置，根据户外空气温度和户外热交换器温度之间的温差的时间变化率来调节所述的膨胀阀设定值。
20.按照权利要求18的空气调节系统，其中所述的决定霜冻控制策略的装置根据所述的户外热交换器上的霜冻积聚，调节所述膨胀阀设定值以增加通过所述膨胀阀的流量，从而提高户外热交换器的温度，使条件不那么有利于霜冻的形成。
21.一个具有改善了的融霜性能的空气调节系统，包括一个热泵流体回路，它有一台户外热交换器，一台室内热交换器和一台压缩机;配置在所述的热泵流体回路中的一台电调膨胀阀;检测户外热交换器上霜冻形成速率的装置;以及一个处理机系统，它连接到所述的检测装置上和所述膨胀阀上以调节所述膨胀阀设定值;所述处理机系统包括决定霜冻控制策略的装置，该装置包括根据霜冻形成速率调节所述膨胀阀设定值以增加通过所述热泵流体回路的流量的装置。
22.一个具有改善了的融霜性能的空气调节系统，包括一个热泵流体回路，它有一台户外热交换器，一台室内热交换器和一台压缩机，可以运转以提供一个正常的热交换循环和一个融霜循环，其中通过流体回路的流动被反向以融解积聚的霜冻;配置在所述的热泵流体回路中的一台电调膨胀阀;处理机系统，它连接到所述膨胀阀以调节该膨胀阀设定值;所述处理机系统包括决定融霜策略的装置用于(a)至少是在所述融霜循环的一部分循环中使所述膨胀阀基本上全开，以及(b)计算出用于在所述的融霜循环终止时的一个快速恢复膨胀阀设定值;所述要计算的快速恢复膨胀阀设定值使所述的热泵流体回路以一个较快的速率达到稳态运转，其速率要快于使用正常热交换循环中所用的该阀设定值所达到的速率。
23.一个控制系统，用以控制一个热泵系统的户外蛇管上的霜冻积聚，它包括第一传感器装置，同所述的热泵系统热力上分离以测定指示户外环境空气温度的一个第一参数;第二传感器装置，热力上耦合到所述热泵系统以测定指示该户外蛇管温度的一个第二参数;处理机装置，电气上耦合到所述的第一和第二传感器装置以控制一个融霜循环的起动，其中当所述第一和第二参数之间的差超过一个预定量时就把热气体泵过所述的户外蛇管以融解所述霜冻;以及其中所述的热泵系统包括一个膨胀阀，以计量流入所述的蒸发器蛇管的冷却剂流量，而所述的控制系统还包括监控所述第一和第二参数之间的所述差的装置，所述的处理机装置在电气上耦合到所述监控装置和所述膨胀阀以响应于所述所监控差的变化速控制所述阀。
24.按照权利要求23的控制系统，其中所述的预定量的根据是户外空气温度。
25.按照权利要求23的控制系统，其中所述的处理机装置至少是部分地根据检测户外蛇管温度是否下降到低于一个允许的数值来控制所述融霜循环的起动。
26.按照权利要求25的控制系统，其中所述的允许数值是32°F。
27.按照权利要求23的控制系统，其中根据所述所监控的差的变化率来控制所述的阀。
28.按照权利要求23的控制系统，其中当起动融霜循环时，对所述的膨胀阀进行控制以打开一个达到大于热泵系统的正常冷却方式中使用的阀口尺寸。
29.按照权利要求23的控制系统，其中所述的处理机装置还在电气上耦合到一台运送空气横穿所述户外蛇管的风扇，当所述融霜循环一开始时，就立即停止所述风扇运转，并对它控制以使它在终止所述的融霜循环之前再次起动。
全文摘要
一个以微处理机为基础的控制系统，用于在正常的加热方式运转中，对一个热泵系统的户外蒸发器蛇管上霜冻的积聚进行控制。通过仅当一个最佳最大数量的霜冻已在蛇管上积聚时才启动融霜循环的技术，实现了一个提高效率和使融霜循环之间的时间间隔达到最大值的需量融霜概念。该控制系统还促进了对霜冻积聚速率的监控使得户外蛇管的条件不那么有利于霜冻的形成。
文档编号F24F1/00GK1095153SQ9410057
公开日1994年11月16日 申请日期1994年1月24日 优先权日1993年1月25日
发明者维杰伊·O·巴赫尔, 汉克·E·米利特, 米基·F·希基, 亨格·M·费姆, 格雷戈里·P·赫伦 申请人:科普兰公司