专利名称：空调设备及其控制方法
技术领域：
本发明主要涉及一种空调设备及其控制方法，特别是涉及采用脉宽调制压缩机的空调设备及其控制方法。
作为具有依所需冷却容量变化而变化容量的压缩机，变速压缩机是已知的。这种变速压缩机根据所需冷却容量的变化通过逆变控制方法改变加在电机上的电流频率，由此控制电机的转速，从而调节压缩机的容量。传统的变速压缩机需要这种控制回路，该回路用于根据所需冷却容量控制电机的速度。该控制回路具有用于将交流电变换为直流电的变换单元，及用于将直流电变换为交流电的变换单元。
然而，传统的变速压缩机的缺点是由于在控制回路中的大量的能量损失其效率恶化。
脉宽调制(PWM)压缩机作为另一种类型的变容量压缩机在美国专利No.6,047,557和日本专利公开公布No.8-334094中被披露。PWM压缩机有效地用在具有多个冷藏分隔室或冷冻分隔室的致冷系统中，但它不能同样地用于建筑物使用的空调系统，因为建筑物具有不同于致冷系统的控制环境。
图8a是当在压缩机卸载状态下总的所需冷却容量已经减小时传统压缩机的控制操作图和吸入压力图，而图8b是当在压缩机加载状态下总的所需冷却容量已经减少时传统压缩机的控制操作图和吸入压力图。
参见图8a，当在相应循环(第N个循环)(Ta)的卸载状态(不排出制冷剂的状态，其中PWM阀被开启)下总的所需冷却容量已经减小时，从室内单元吸入压缩机的制冷剂数量减小。然而，压缩机的加载时间(A)在相应循环(第N个循环)中保持相同，由此压缩机排出多于实际所需的制冷剂数量。参见图8b，当在相应循环(第N个循环)的加载状态(排出制冷剂的状态，其中PWM阀被关闭)下总的所需冷却容量已经减少时，压缩机的加载时间(A)在相应循环(第N个循环)中保持相同。因此，压缩机排出多于实际所需的制冷剂数量。从而，压缩机的吸入压力在相应循环(第N个循环)中过度降低(参见图8b中的“D”)。
因此，在现有技术中，即使在相应周期中实际所需的冷却容量减小，压缩机的容量也不被调节。在相应周期结束后，压缩机的容量相应于变化的所需冷却容量被改变。
如上所述，如果空调设备采用PWM压缩机，排出制冷剂时的加载时间和不排出制冷剂时的卸载时间在压缩机的操作期间循环重复，以便制冷剂周期性地循环流动。因此，如果压缩机的容量不被很快地调节，以便满足总的所需冷却容量，压缩机的吸入压力会迅速降低或提高，由此引起压缩机的损坏和造成压缩机操作的中断。
此外，尽管减少了总的所需冷却容量，但如果压缩机排出过多的制冷剂，室内热交换器易于被过度冷却甚至被冻结。因此，为了防止各自的室内热交换器被过度冷却必须周期性地操作室内单元。
依照本发明的一个方面，为实现本发明的上述和其它目的，本发明提供一种空调设备，包括具有根据占空控制信号可变化容量的压缩机，所述占空控制信号控制压缩机经历用于在循环中保持加载状态的加载时间和用于在循环中保持卸载状态的卸载时间；及控制单元，所述控制单元用于当所述压缩机被操作时总的所需冷却容量已经改变时，甚至在相应循环结束前根据总的所需冷却容量的变化确定加载时间和卸载时间以便产生所述占空控制信号，并且根据所述占空控制信号控制所述压缩机。
依照本发明的另一个方面，本发明提供一种控制空调设备的方法，该空调设备包括具有根据占空控制信号变化容量的压缩机，所述占空控制信号具有在相应循环中的加载时间和卸载时间，该方法包括如下步骤a)操作所述压缩机；b)确定总的所需冷却容量是否已经被改变；及c)当总的所需冷却容量在相应的循环中已经被改变时，甚至在相应循环结束前根据总的所需冷却容量的变化确定加载时间和卸载时间以便产生所述占空控制信号，并且根据所述占空控制信号控制所述压缩机。
本发明的空调设备1包括室外单元8和一组室内单元9。室外单元8包括压缩机2和冷凝器5，而室内单元组9由彼此并联布置的多个室内单元组成。室内单元组9的每一个室内单元具有电子膨胀阀4和蒸发器5。因此，空调设备1具有这种结构，即其中多个室内单元共同连接到一个室外单元8。室内单元的容量和类型可以相同或不同。
同时，用于测量流入蒸发器5的制冷剂温度的蒸发器入口温度传感器31安装在蒸发器5的入口中。用于测量流出蒸发器5的制冷剂温度的蒸发器出口温度传感器32安装在蒸发器5的出口中。温度传感器31和32是用于测量制冷剂过热的程度的装置。
室内单元中的每一个具有位于靠近蒸发器5附近的室内风扇37。室内风扇37允许室内空气穿过蒸发器5，以便通过蒸发器5执行热交换。
如图2a和2b所示，以脉宽调制方式控制的变容量压缩机被用作压缩机2。压缩机2包括具有吸入口18和排出口19的外壳20，安装在外壳20中的电机21，用于根据电机21的转动动力转动的转动螺旋元件22，及限定转动螺旋元件22和固定螺旋元件24之间的压缩腔23的固定螺旋元件24。在外壳20中，安装有旁通管25，旁通管25连接固定螺旋元件24的上端和吸入口18。电磁阀形式的PWM阀26安装在旁通管25中。图2a示出了PWM阀26被断开以便关闭旁通管25的状态。在该状态下，压缩机2排出压缩的制冷剂。这种状态被定义为“加载状态”，其中压缩机2在100％的容量下运转。图2b示出了PWM阀26被开启以便打开旁通管25的状态。在该状态下，压缩机2不排出制冷剂。这种状态被定义为“卸载状态”，其中压缩机2在0％的容量下运转。无论是加载状态还是卸载状态，压缩机2被供给电源电压，并且电机21恒速运转。如果不供给压缩机2电源电压，电机21不运转并且压缩机停止。
图3是在压缩机2的操作期间加载或卸载状态和排出的制冷剂数量之间的关系图。如图3所示，在压缩机2被操作时，压缩机2通过加载状态和卸载状态重复循环，并且加载时间和卸载时间根据总的所需冷却容量改变。当压缩机2在加载时间中排出制冷剂时，蒸发器5的温度降低。相反，当压缩机2在卸载时间不排出制冷剂时，蒸发器5的温度上升。在图3中，用倾斜线标出的区域表示排出的制冷剂量。用于控制加载时间和卸载时间的信号定义为占空控制信号，该信号由后面将描述的室外控制单元产生。
图4是本发明优选实施例的空调设备控制系统的框图。如图4所示，室外单元8具有压缩机2和室外控制单元27，两者连接到PWM阀26上以便传输信号。室外控制单元2 7连接到室外通信电路单元28上，以便发射和接受数据。室内单元9中的每一个具有室内控制单元30，室内控制单元30的输入端口连接到蒸发器入口温度传感器31，蒸发器出口温度传感器32，室内温度传感器34和期望温度设置单元35上。室内控制单元30的输出端口连接到电子膨胀阀4和室内风扇驱动单元36。蒸发器入口温度传感器31探测通过电子膨胀阀4流入蒸发器5中的制冷剂温度，而蒸发器出口温度传感器32探测流出蒸发器5的制冷剂温度。室内温度传感器34探测房间内或空气调节空间的温度，并且探测到的温度信息输入到室内控制单元30中。如果室内单元9被开启，室内控制单元30控制室内风扇驱动单元36，以便开启室内风扇37，并且根据基于蒸发器5的出口温度和入口温度求出的过热程度调节电子膨胀阀4的目标打开比率。另一方面，如果室内单元9被关掉，室内控制单元30关闭电子膨胀阀4，并且控制室内风扇驱动单元36，以便关闭室内风扇37。
室内控制单元30接受室内温度传感器34探测到的室内温度和期望温度设置单元35设定的设定温度。室内控制单元30具有关于相应的室内单元的冷却容量的信息，并且能够根据室内温度和设定温度的差别和相应的室内单元的冷却容量，或仅仅根据相应的室内单元的冷却容量求出所需的冷却容量。
由每一个室内单元所求出的所需的冷却容量通过通信电路单元29和33被传输到室外控制单元27。通过求室内单元所需冷却容量的和，室外控制单元27计算出总的所需冷却容量，然后根据计算出的总的所需冷却容量控制压缩机2和PWM阀26。表1表示根据在20秒的循环中总的所需冷却容量设定的加载时间和卸载时间。
总的所需冷加载卸载 加载 卸载总的所需却容量时间时间 时间 时间冷却容量(千卡/小(秒)(秒) 时) (秒) (秒) (千卡/小时)20 0 148.5↑ 1 10 69.5-77.5018 2 135.5-148.5 9 11 60.5-69.517 3 126.5-135.5 8 12 51.5-60.516 4 118.5-126.5 7 13 43.5-51.515 5 110.5-18.56 14 34.5-43.514 6 102.5-110.5 5 15 26.5-34.513 7 93.5-102.54 16 17.5-26.512 8 85.5-93.5 3 17 17.5↓11 9 77.5-85.5 - - -
室外控制单元27输出到PWM阀26用于根据总的所需冷却容量确定压缩机2的加载时间和卸载时间的占空控制信号，由此调整压缩机2的容量。详细描述如下，室外控制单元27周期性地或连续地检查总的所需冷却容量。如果总的所需冷却容量已经变化，室外控制单元27产生用于确定相应于总的所需冷却容量的变化的加载时间和卸载时间的占空控制信号，并且输出所产生的占空控制信号到PWM阀26，由此调节压缩机2的容量。在这种情况下，总的所需冷却容量改变的时刻依卸载状态和加载状态非常显著。根据总的所需冷却容量的变化数量确定加载时间的操作将参照图5a和5b详细描述。
如果总的所需冷却容量在卸载状态下已经被改变，如图5a所示，室外控制单元27改变加载时间。这里，图5a中的“(A)”表示这种情形，即在相应循环中相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间T3比前一循环中的加载时间T2变短。图5a中的“(B)”表示这种情形，即在相应循环中相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间T4比前一循环中的加载时间T2变长。图5a中的“(C)”表示这种情形，即相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间T5变长，其中由于在总的所需冷却容量增加时的时刻Ta加载时间T5长于剩余时间Tb，所以新的循环被使用。
此外，如图5b所示，如果总的所需冷却容量在加载状态下已经被改变，室外控制单元27改变加载时间。这里，图5b中的“(A)”表示这种情形，即在相应循环中相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间T6比前一循环中的加载时间T2变短。此外，图5b中的“(B)”表示这种情形，即在相应循环中相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间T7比前一循环中的加载时间T2变短，其中加载时间T7不长于到达在总的所需冷却容量减少时的时刻Ta所经过的时间，以便加载状态迅速转换到卸载状态并且保持卸载状态直到相应的循环结束。此外，图5b中的“(C)”表示这种情形，即相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间T8长于前一循环中的加载时间T2并且超过加载时间T2相应于增加的所需冷却容量的加载时间Td，其中当前的循环Na比前一个循环N-1变长。
图6是包括在本发明的空调设备1中的室内单元9的操作流程图。下面参见图6详细描述室内单元9的操作。首先，在步骤S101室内控制单元30确定用户是否输入了室内单元关闭信号。根据在步骤S101的确定结果，如果没有输入室内单元关闭信号，在步骤S102室内控制单元30通过蒸发器入口温度传感器31和蒸发器出口温度传感器32探测蒸发器5的入口温度和出口温度，并且通过室内温度传感器34探测室内温，并且进一步地探测通过期望温度设置单元35所设置的温度。由此，在步骤S103室内控制单元30根据探测到的蒸发器5的入口温度和出口温度之间的差值求出蒸发器5的过热程度，并且根据过热程度调节电子膨胀阀4的目标打开比率，并且进一步控制室内风扇驱动单元36，以便打开室内风扇37。然后，在步骤S104室内控制单元30根据室内单元的冷却容量和室内温度与设定温度的差值求出室内单元9的所需冷却容量，并且在步骤S107通过室内通信电路单元33将求出的所需冷却容量传送到室外单元8。
另一方面，如果在步骤S101输入了室内单元关闭信号，室内控制单元30关闭电子膨胀阀4，并且在步骤S105控制室内风扇驱动单元36关闭室内风扇37。由此，蒸发器5的热交换操作被停止，并且吸入压缩机2的制冷剂的压力被降低。此时，在步骤S106因室内单元9已经被关闭室内控制单元30求出室内单元9的所需冷却容量为“0”，并且在步骤S107将求出的数值(所需冷却容量0)传送到室外单元8。
图7a到7c是表示本发明的空调设备1的室外单元8的操作的流程图。参见图7a到7c，在步骤S200室外控制单元27总计室内单元的所需冷却容量并且求出总的所需冷却容量。然后，在步骤S210室外控制单元27确定总的所需冷却容量是否为“0”。如果总的所需冷却容量是“0”，在步骤S211室外控制单元27停止压缩机2，并且返回到重复该程序的初始步骤。
再者，如果在步骤S210总的所需冷却容量不是“0”，在步骤S220室外控制单元27启动压缩机2，根据总的所需冷却容量确定加载时间和卸载时间，产生占空控制信号，并且将占空控制信号应用于PWM阀26，由此控制压缩机2。
然后，在步骤S220室外控制单元27确定总的所需冷却容量是否已经被改变。如果在步骤S220总的所需冷却容量没有被改变，室外控制单元27进行到步骤S200，在保持当前占空控制信号的加载时间和卸载时间的同时连续控制压缩机2。
再者，如果在步骤S220总的所需冷却容量已经被改变，在步骤S240室外控制单元27确定总的所需冷却容量被改变的时间是在相应循环的卸载状态还是加载状态。如果总的所需冷却容量在卸载状态被改变，在步骤S250室外控制单元27确定总的所需冷却容量与前一个循环相比是否已经被减少。
在步骤S250，如果总的所需冷却容量已经被减少，在S260室外控制单元27根据图5a的“(A)”所示的减少的所需冷却容量确定加在时间T3。然后，在步骤S270室外控制单元27产生相应于加载时间T3的占空控制信号并且在相应的循环将占空控制信号应用于PWM阀26。此时，相应循环的加载时间T3比前一个循环的加载时间变短，由此在步骤S280允许压缩机2的容量被降低。
另一方面，如果总的所需冷却容量没有被减少，在步骤S290室外控制单元27确定所需冷却容量是否在卸载状态下已经被增加了。如果总的所需冷却容量没有被增加，室外控制单元27返回到该程序的初始步骤。
如果在步骤S290所需冷却容量已经被增加，在步骤S300室外控制单元27确定相应于图5a的“(B)和(C)”所示的增加的总的所需冷却容量的加载时间T4或T5。然后，在步骤S310室外控制单元27计算在增加的时刻Ta的剩余时间Tb，并且在步骤S320确定加载时间T4或T5是否长于计算出的剩余时间Tb。如果加载时间T4不长于剩余时间Tb，在步骤S330控制单元27产生相应于加载时间T4的占空控制信号，并且在相应的循环将占空控制信号应用于PWM阀26。此时，在步骤S340加载时间T4变得长于前一个循环的加载时间，由此压缩机2排出的制冷剂量增加，从而增加了压缩机的容量。再者，如果在步骤S320加载时间T5长于剩余时间Tb，在步骤S350控制单元27产生相应于加载时间T5的占空控制信号，在从增加的时刻Ta开始的新的循环中将占空控制信号应用于PWM阀26，从而在步骤S360允许压缩机2的容量被增加。
另一方面，如果在步骤S240总的所需冷却容量没有改变，在步骤S370室外控制单元27确定总的所需冷却容量是否在加载状态下被改变了。如果总的所需冷却容量在加载状态下没有被改变，室外控制单元27返回到该程序的初始步骤。
如果在步骤S370总的所需冷却容量在加载状态下已经被改变，在步骤S380室外控制单元27确定总的所需冷却容量与前一个循环相比是否已经减小。在步骤S380，如果确定总的所需冷却容量已经减小，在步骤S390室外控制单元27确定相应于图5b的“(A)，(B)”所示的减小的总的所需冷却容量的加载时间T6或T7。然后，在步骤S400室外控制单元27计算从加载开始时刻到减小的时刻Ta经过的加载时间Tc，然后在步骤S410确定加载时间T6或T7是否长于经过的加载时间Tc。
如果在步骤S410加载时间T6长于经过的加载时间Tc，在步骤S420室外控制单元27产生相应于加载时间T6的占空控制信号，并且在步骤S430在相应的循环将占空控制信号应用于PWM阀26，以便压缩机的容量被减少。然而，如果在步骤S410加载时间T7不长于经过的加载时间Tc，在步骤S440室外控制单元27将加载状态切换到卸载状态，然后保持卸载状态直到相应循环结束。
再者，如果在步骤S380总的所需冷却容量没有减小，在步骤S450室外控制单元27确定总的所需冷却容量是否已经增加。如果总的所需冷却容量没有增加，室外控制单元27返回到该程序的初始步骤。另一方面，如果在步骤S450总的所需冷却容量已经增加，在步骤S460室外控制单元27确定相应于图5b的“(C)”所示的增加的总的所需冷却容量的加载时间T8，从加载时间T8中减去前一加载时间T2，然后，在步骤S470计算超过加载时间T2的加载时间Td。在步骤S470之后，在步骤S480室外控制单元27保持加载状态直到加载时间Td，由此允许压缩机2的容量增加。
工业适用性如上所述，在根据本发明的空调设备和控制该设备的方法中，当总的所需冷却容量已经被改变时，甚至在相应的循环结束之前通过改变相应于变化的总的所需冷却容量的加载时间控制PWM阀的操作，由此，产生占空控制信号，以便压缩机排放的制冷剂量能够相应于总的所需冷却容量的变化而调节。因此，在空调设备和控制该设备的方法中，当空调设备应用于多空调设备系统时，尽管总的所需冷却容量的突然变化压缩机也能够稳定地操作，由此增加了压缩机的可靠性并且消除了室内热交换器的防冷冻操作。
尽管为了说明的目的已经披露了本发明的实施例，但在不偏离本发明权利要求所提出的范围和精神的情况下，可以对实施例作出多种修改，添加和替换这对本领域的普通技术人员而言是非常明显的。
权利要求
1.一种空调设备，包括具有根据占空控制信号可变化容量的压缩机，所述占空控制信号控制压缩机经历用于在循环中保持加载状态的加载时间和用于在循环中保持卸载状态的卸载时间；及控制单元，所述控制单元用于当所述压缩机运转而总的所需冷却容量已经被改变时，甚至在相应循环结束前根据总的所需冷却容量的变化确定加载时间和卸载时间以便产生所述占空控制信号，并且根据所述占空控制信号控制所述压缩机。
2.根据权利要求1所述的空调设备，其中所述控制单元将所述占空控制信号应用于所述相应的循环。
3.根据权利要求1所述的空调设备，其中所述控制单元将所述占空控制信号应用于跟随所述相应的循环的新循环。
4.根据权利要求1所述的空调设备，其中如果所述总的所需冷却容量在相应循环的卸载状态下已经减小，所述控制单元产生用于减小加载时间的占空控制信号以便相应于减小的总的所需冷却容量，并且根据在相应循环中产生的所述占空控制信号减小所述压缩机的容量。
5.根据权利要求1所述的空调设备，其中如果所述总的所需冷却容量在相应循环的卸载状态下已经增加，所述控制单元根据相应循环的剩余时间和相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间产生占空控制信号，并且根据所述占空控制信号增加所述压缩机的容量。
6.根据权利要求5所述的空调设备，其中如果相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间不长于所述剩余时间，所述控制单元在相应循环中根据所述占空控制信号增加所述压缩机的容量。
7.根据权利要求5所述的空调设备，其中如果相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间长于所述剩余时间，所述控制单元在从总的所需冷却容量增加的时刻开始的新循环中根据所述占空控制信号增加所述压缩机的容量。
8.根据权利要求1所述的空调设备，其中如果总的所需冷却容量在所述相应循环的加载状态下已经减小，所述控制单元根据相应循环的经过的加载时间和相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间产生占空控制信号，并且根据所述占空控制信号减小所述压缩机的容量。
9.根据权利要求8所述的空调设备，其中如果相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间不长于所述经过的加载时间，所述控制单元根据在相应的循环中所产生的占空控制信号减小所述压缩机的容量。
10.根据权利要求8所述的空调设备，其中如果相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间不长于所述经过的加载时间，所述控制单元从其加载状态切换到卸载状态，并且保持卸载状态直到相应循环结束，以便减小所述压缩机的容量。
11.根据权利要求1所述的空调设备，其中如果所述总的所需冷却容量在相应循环的加载状态下已经增加，所述控制单元相应于增加的总的所需冷却容量产生用于增加加载时间的占空控制信号，并且保持该加载状态直到增加的加载时间结束，以便增加所述压缩机的容量。
12.根据权利要求1所述的空调设备，其中所述控制单元安装在与一组室内单元相连的室外单元中，并且根据通过总计室内单元所需要的冷却容量所获得的总的所需冷却容量确定总的所需冷却容量是否已经被改变。
13.一种控制空调设备的方法，该空调设备包括具有根据占空控制信号变化容量的压缩机，所述占空控制信号具有在相应循环中的加载时间和卸载时间，该方法包括如下步骤a)操作所述压缩机；b)确定总的所需冷却容量是否已经被改变；及c)当总的所需冷却容量在相应的循环中已经被改变时，甚至在相应循环结束前根据总的所需冷却容量的变化确定加载时间和卸载时间以便产生所述占空控制信号，并且根据所述占空控制信号控制所述压缩机。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括这样的步骤，即总计连接到室外单元上的多个室内单元所需要的冷却容量，其中步骤b)根据求得的所需冷却容量的总和执行。
15.根据权利要求13所述的方法，其中步骤b)包括这样的步骤，即确定总的所需冷却容量的变化时刻是在相应循环的加载状态内或卸载状态内。
16.根据权利要求15所述的方法，其中步骤b)包括这样的步骤，即如果在相应循环的卸载状态下总的所需冷却容量已经减小，在相应的循环中根据以与减小的所需冷却容量相应的加载时间为基础所产生的占空控制信号减小压缩机的容量。
17.根据权利要求15所述的方法，其中如果在相应循环的卸载状态下总的所需冷却容量已经增加，步骤b)包括这样的步骤，即计算相应循环的剩余时间，将剩余时间与相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间比较，并且如果相应的加载时间不长于剩余时间，在相应循环中根据占空控制信号增加压缩机的容量，或者如果相应的加载时间长于剩余时间在新的循环中根据占空控制信号增加压缩机的容量。
18.根据权利要求15所述的方法，其中如果在相应循环的加载状态下总的所需冷却容量已经减小，步骤b)包括这样的步骤，即计算在相应循环中经过的加载时间，将剩余时间与相应于减小的总的所需冷却容量的加载时间比较，并且如果相应的加载时间长于经过的加载时间在相应循环中根据占空控制信号减小压缩机的容量，或者如果相应的加载时间不长于经过的加载时间切换加载状态到卸载状态并且保持卸载状态直到相应循环结束，以便减小压缩机的容量。
19.根据权利要求13所述的方法，其中如果在相应循环的加载状态下总的所需冷却容量已经增加，步骤b)包括这样的步骤，即确定相应于增加的总的所需冷却容量的加载时间，计算在所确定的加载时间中超过前一加载时间的加载时间，并且保持加载状态直到所述超过的加载时间结束，以便增加压缩机的容量。
全文摘要
本发明披露了一种空调设备和控制该设备的方法。该空调设备包括具有根据占空控制信号可变化容量的压缩机。所述占空控制信号控制压缩机经历用于在循环中保持加载状态的加载时间和用于在循环中保持卸载状态的卸载时间。该空调设备还包括控制单元,所述控制单元用于如果当所述压缩机被操作的时总的所需冷却容量已经被改变,甚至在相应循环结束前根据总的所需冷却容量的变化确定加载时间和卸载时间以便产生所述占空控制信号,并且根据所述占空控制信号控制所述压缩机。
文档编号F25B1/00GK1423740SQ01808160
公开日2003年6月11日 申请日期2001年10月18日 优先权日2001年2月16日
发明者金钟烨 申请人:三星电子株式会社