用于制冷系统的温度控制逻辑的制作方法
【专利摘要】一种制冷系统包括：压缩机，其具有第一级(20a)和第二级(20b)；电动机(22)，其驱动所述压缩机；排热换热器，其具有风扇(44)，所述风扇(44)吸汲所述排热换热器上方的环境流体，所述排热换热器包括中间冷却器(43)和气体冷却器，所述中间冷却器耦接至所述第一级的出口以及所述气体冷却器(41)耦接至所述第二级的出口；闪蒸罐(70)，其耦接至所述气体冷却器的出口；初级膨胀装置(55)，其耦接至所述闪蒸罐的出口；吸热换热器(50)，其耦接至所述初级膨胀装置的出口，所述吸热换热器的出口耦接至所述第一级的吸气口；以及控制器(100)，其用于实施下拉模式、控制模式和分级逻辑模式。
【专利说明】用于制冷系统的温度控制逻辑
[0001]发明背景
[0002]实施方案大体上涉及制冷剂蒸汽压缩系统并且更特别地涉及用于制冷系统的温度控制逻辑。
[0003]制冷剂蒸汽压缩系统是本领域熟知的，并通常被用于将供应到住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其它设施内的气候受控舒适区的空气进行调节。制冷剂蒸汽压缩系统也常用于制冷供应到商业场所中的展示柜、商柜、冷冻柜、冷室或其它易腐/冷冻产品贮存区域的空气。
[0004]制冷剂蒸汽压缩系统也通常用于运输制冷系统以制冷供应到卡车、拖车、集装箱或类似物的温度受控货物空间的空气以通过卡车、铁路、船或联运装置运输易腐/冷冻物品。由于制冷剂蒸汽压缩系统操作以将货物空间内的产品维持在所需温度所处的广泛操作负荷条件和广泛户外环境条件，与运输制冷系统结合使用的制冷剂蒸汽压缩系统一般经受更严格的操作条件。取决于被保藏货物的性质，货物需要被控制的所需温度也可以在很宽的范围变化。制冷剂蒸汽压缩系统不但需要有足够的能力以迅速拉下装载到环境温度下货物空间的产品温度，而且当在运输过程中维持稳定的产品温度时也能够有效地在低负荷下操作。此外，运输制冷剂蒸汽压缩系统经受静止制冷剂蒸汽压缩系统不会经历的震动和移动。
[0005]当用于在运输时冷却易腐或冷冻物品时，运输制冷系统通常需要将货物空间中的温度控制在严格的温度带内。将货物空间维持在温度带中会导致制冷系统的不稳定操作，归因于反复地在温度带上方和下方波动。如此，对更平稳地控制物品温度的改善将在本领域中被很好地接受。
[0006]发明简述
[0007]根据本发明的一个方面，一种制冷系统包括:压缩机，其具有第一级和第二级；电动机，其驱动压缩机；排热换热器，其具有吸汲所述排热换热器上方的环境流体的风扇，该排热换热器包括中间冷却器和气体冷却器，中间冷却器耦接至第一级的出口以及气体冷却器耦接至第二级的出口 ；闪蒸罐，其耦接至气体冷却器的出口 ；初级膨胀装置，其耦接至闪蒸罐的出口 ；吸热换热器，其耦接至初级膨胀装置的出口，吸热换热器的出口耦接至第一级的吸气口 ；控制器，其用于实施将空间冷却至控制温度设定点的带内的控制温度的下拉模式、将控制温度维持在控制温度设定点的带内的控制模式以及减少系统容量同时将控制温度维持在控制温度设定点的带范围内的分级逻辑模式。
[0008]根据结合附图进行的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加明显。
[0009]附图简述
[0010]在说明书开始处的权利要求中特别地指出被看作是本发明的主题并且明确要求保护该主题。根据结合附图进行的以下详细描述，本发明的前述特征和其它特征和优点是明显的，在附图中:
[0011]图1是示出制冷剂蒸汽压缩系统的示例性实施方案的示意图；以及
[0012]图2描绘了图1的系统的示例性控制操作。[0013]通过参照附图的实例，在发明详述部分解释了本发明的实施方案连同优点和特征。
[0014]发明详述
[0015]图1描绘制冷剂蒸汽压缩系统10的示例性实施方案，制冷剂蒸汽压缩系统10适合用于运输制冷系统以制冷卡车、拖车、集装箱或类似物的温度受控货物空间内的空气或其它气态大气从而运输易腐/冷冻品。制冷剂蒸汽压缩系统10也适用于将供应到住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其它设施内的气候受控舒适区的空气进行调节。制冷剂蒸汽压缩系统也可被采用从而制冷供应到商业场所中的展示柜、商柜、冷冻柜、冷室或其它易腐/冷冻产品贮存区的空气。
[0016]制冷剂蒸汽压缩系统10特别适合于用低临界温度制冷剂(例如但不限于二氧化碳)在跨临界循环中操作。制冷剂蒸汽压缩系统10包括多级压缩机20、制冷剂排热换热器40、制冷剂吸热换热器50 (本文也称为蒸发器)和初级(低压)膨胀装置55(例如电子式膨胀阀或恒温膨胀阀)，初级膨胀装置55可操作地与蒸发器50相关联、具有连接初级制冷剂回路中的上述部件的制冷剂管线2、4和6。初级膨胀装置55可以是可定位在众多操作位置中的步进阀。
[0017]排热换热器40包括气体冷却器41和中间冷却器43，与冷却介质(诸如但不限于环境空气)有热交换关系。风扇44吸汲气体冷却器41和中间冷却器43上方的空气以从通过气体冷却器41和/或中间冷却器43的制冷剂去除热量。风扇44是可控的，并且可以是以第一(例如，低)和第二(例如，高)速度操作的双速风扇。可替换地，风扇44是具有可由电子驱动信号控制的众多风扇速度的可变速风扇。
[0018]制冷剂吸热换热器50充当蒸发器，其中液体制冷剂通过时与将冷却的流体(最常见为空气)有热交换关系、从温度受控环境吸汲和返回到温度受控环境(诸如制冷运输卡车、拖车或集装箱的货箱或商业场所中的展示柜、商柜、冷冻柜、冷室或其它易腐/冷冻产品贮存区域)或者从住宅、办公楼、医院、学校、餐馆或其它设施内的气候受控舒适区吸汲和返回到该气候受控舒适区。在所描绘的实施方案中，制冷剂吸热换热器50包括翅片管式换热器，制冷剂通过翅片管式换热器时与空气有热交换关系，空气由与蒸发器50相关联的蒸发器风扇54从制冷货箱吸汲以及返回到制冷货箱。翅片管式换热器可包括例如翅片和圆形管换热盘管或翅片和微通道扁平管换热器。风扇54是可控的，并可是以第一(例如，低)和第二(如高)速度操作的双速风扇。可替换地，风扇54是具有可由电子驱动信号控制的众多风扇速度的可变速风扇。
[0019]加热器51被定位成靠近蒸发器50以在某些情况下引入热量到将被冷却的空间。加热器51可以是电阻加热器，其能够响应于来自控制器100的控制信号在开-关控制或调节控制下实现多种热量输出。
[0020]压缩装置20运行以压缩制冷剂并且使制冷剂循环通过初级制冷剂回路，如将在下文中进一步详细讨论的。压缩装置20可包括单个多级制冷剂压缩机(例如涡旋式压缩机、螺旋式压缩机或往复式压缩机)，其设置在初级制冷剂回路并具有第一压缩级20a和第二压缩级20b。可替代地，压缩装置20可包括一对独立的压缩机20a和20b。在独立的压缩机实施方案中，压缩机20a和20b可以是涡旋式压缩机、螺旋式压缩机、往复式压缩机、旋转式压缩机或任何其它类型的压缩机或任何此类压缩机的组合。在两级可变速压缩机20的第一级20a中，制冷剂从吸入压力压缩到中间级压力。然后在中间冷却器43经由制冷剂管线8冷却制冷剂。然后制冷剂经由制冷剂管线16进入第二级压缩机20b或取决于节能器阀73是打开还是关闭与来自闪蒸罐70的制冷剂混合或不混合。该制冷剂被压缩以排出第二级压缩机20b的压力并然后在气体冷却器41中被冷却。电动机22驱动压缩机20a和20b。电动机22可以是但无须一定是可变频驱动(VFD)电动机，其能够取决于操作要求而在多种速度下操作，如本文中进一步详细描述的。
[0021]此外，制冷剂蒸汽压缩系统10包括闪蒸罐70，其被插置于初级制冷剂回路的制冷剂管线4中，相对于气体冷却器41的制冷剂流动的下游和相对于蒸发器50的制冷剂流动的上游。次级(高压)膨胀装置65被插置于制冷剂管线4中、在操作中与闪蒸罐70关联并在其上游。次级膨胀装置65可以是电子膨胀阀或固定节流孔膨胀装置。次级膨胀装置65可以是可定位在众多操作位置中的步进阀。穿过次级膨胀装置65的制冷剂被膨胀到足以建立蒸汽状态的制冷剂和液体状态的制冷剂的混合物的较低压力。闪蒸罐70限定分离腔室，其中液体状态的制冷剂聚集在分离腔室的下部且蒸汽状态的制冷剂聚集在分离腔室中液体制冷剂上方的部分。
[0022]聚集在闪蒸罐70的下部的液体制冷剂由此通过制冷剂管线4并穿过初级膨胀装置55，初级膨胀装置55被插置于制冷剂管线4中、相对于蒸发器50的制冷剂流动的上游。在此液体制冷剂穿过初级膨胀装置55时，它在进入蒸发器50之前膨胀到较低压力和温度。蒸发器50构成制冷剂蒸发换热器，膨胀的制冷剂通过制冷剂蒸发换热器时与将被冷却的空气有热交换关系，由此制冷剂被蒸发且通常是过热的。如在常规实践中，初级膨胀装置55计量通过制冷剂管线4的制冷剂流以将离开蒸发器50的制冷剂蒸汽维持在所需的过热水平，以确保没有液体存在于离开蒸发器50的制冷剂中。离开蒸发器50的低压制冷剂蒸汽通过制冷剂管线6返回到压缩装置20的第一压缩级20a的吸气口。
[0023]制冷剂蒸汽压缩系统10也包括制冷剂蒸汽注入管线14。制冷剂蒸汽注入管线14建立闪蒸罐70的分离腔室的上部和压缩机20的第二级20b之间的制冷剂流动连通。制冷剂蒸汽注入管线14包括节能器阀73，其在某些操作条件下打开，如本文中进一步详细描述的。节能器阀73可以是可定位为打开或关闭的电磁阀。可替换地，节能器阀73是可定位在众多操作位置中的步进阀。
[0024]制冷剂蒸汽压缩系统10也可以包括压缩机卸载旁通管线16。压缩机20的第一级20a的排出经制冷剂管线8耦接到中间冷却器43。卸载旁通管线16通过卸载阀93将中间冷却器43的出口耦接到第一压缩级20a的吸入部。卸载阀93可以是可定位为打开或关闭的电磁阀。可替换地，卸载阀93是可定位在众多操作位置中的步进阀。
[0025]制冷剂蒸汽压缩系统10包括控制器100。控制器100控制各流量控制阀73和93的操作以选择性地引导制冷剂流过制冷剂蒸汽注入管线14和卸载旁通管线16，但也可以控制电子膨胀装置55和65、压缩机20的电动机22以及风扇44和54的操作。如在常规实践中，除了监控环境条件之外，控制器100也借助于可操作地与控制器100相关联并且设置在整个系统中的选定位置的各种传感器来监控各种操作参数。例如，在图1所示的示例性实施方案中，压力传感器102被设置为在操作中与闪蒸罐70相关联以感测闪蒸罐70内的压力，压力传感器104被提供以感测制冷剂吸入压力，以及压力传感器106被提供以感测制冷剂排出压力。压力传感器102、104、106可以是常规压力传感器，例如压力换能器。另外，整个蒸发器的温度由回风温度传感器110和供给温度传感器112来测量。温度传感器110和112可以是常规温度传感器，例如热电偶或热敏电阻。
[0026]本发明的实施方案包括由控制器100实施的控制逻辑，制冷系统10在运输中将物品维持在带内的温度(例如，易腐或冷冻)时，控制逻辑提供制冷系统10的平稳操作。图2是由控制器100实施的示例性控制逻辑的流程图。
[0027]在200，控制器100确定控制温度设定点是否高于阈值温度。控制温度设定点是将被冷却的空间中的所需温度。如果控制温度设定点低于阈值(例如，14.4华氏度/-9.7摄氏度)，则系统不需要执行控制逻辑。
[0028]如果控制温度设定点高于阈值，则流程转至202，其中控制器100确定控制温度是否高于控制温度设定点加上带。控制温度是从制冷剂吸热换热器50离开的流体(最常见为空气)温度，如由温度传感器112所指示的。该带是控制温度设定点附近的较窄(例如，+/-0.36华氏度/+/-0.2摄氏度)的温度带。如果在202中，控制温度高于控制温度设定点加上带，则这表示将被冷却的空间需要使用高容量冷却进行冷却。在这种条件下，流程转至204，其中进入下拉模式。
[0029]在下拉模式204中，目的是为了冷却储藏合适物品的空间。控制器100命令到电动机22的VFD驱动信号的频率保持全速(即100% )。次级膨胀装置65被控制以控制压缩机20处的排出压力(如由压力传感器106所指示的)以实现所需的排出压力。基于在当前操作条件下优化系统效率和/或系统容量来计算所需的排出压力。初级膨胀装置55被控制以控制蒸发器50的过热温度。可以基于蒸发器50处的温度和来自压力传感器104的吸入压力来确定过热。风扇54和44由控制器100控制被设置在高速下。控制器100基于闪蒸罐70的压力(如由压力传感器102所指示的)来控制节能器阀73打开或关闭。
[0030]下拉模式204继续直到控制温度在控制温度设定点的带内为止。在该点，流程从202转至控制模式206。在控制模式206中，三个控制环(例如，PID)被用在制冷系统10中。首先，压缩机20的速度被调节以将控制温度维持在设定点。其次，压缩机20的排出压力由次级膨胀装置55的逐步控制来控制，以实现所需的排出压力。基于在当前操作条件下优化系统效率来计算所需的排出压力。再次，蒸发器50的过热温度由次级膨胀装置65的逐步控制来控制。
[0031]在示例性实施方案中，控制器100命令到电动机22的VFD驱动信号的频率，以控制将被冷却的空间的控制温度。次级膨胀装置65被控制以控制压缩机20处的排出压力，如由压力传感器106所指示的。初级膨胀装置55被控制以控制蒸发器50的过热温度。可以基于蒸发器50处的温度和来自压力传感器104的吸入压力来确定过热。风扇54和44由控制器100控制被设置在高速下。控制器100基于闪蒸罐70的压力(如由压力传感器102所指示的)来控制节能器阀73打开或关闭。加热器51也可以被用来将控制温度保持在控制温度设定点附近的带内。
[0032]为了提高系统效率并降低系统意外关机的可能性，分级逻辑模式208被用来修改制冷系统容量，使得系统可以继续运行同时满足相对低的冷却需求。期望的是，系统10满足低的冷却要求而不会意外关机，因为过多意外关机和启动导致更不稳定的控制温度。启动也会带来与压缩机溢流相关的问题。
[0033]分级逻辑模式208由控制器100实施并分配控制点以减少容量使得制冷系统10不会意外关机，并以最小功耗使控制温度在带内持续。容量上的每次减少可逆且可重复，并且可以包括以下的一种或多种。风扇44的速度可以被调节以减少容量。节能器阀73可被关闭，而卸载阀93被打开以减少容量。到电动机22的VFD驱动信号频率可以被保持在最小VFD (例如15%)以减少容量。风扇44可以被调节以控制温度。这些容量减少措施的一个、全部或其任意数量可以被采用以使制冷系统10在低制冷需求期间运行。另外，当低容量模式仍然超过冷却需求时，加热器51也可以被用来将控制温度保持在控制温度设定点附近的带内。
[0034]关闭积分器210被用于确定是否需要使制冷系统10关机。关闭积分器210由控制器100实施，并且在控制温度低于控制温度设定点时跟踪由系统积累的误差量。关闭积分器将控制温度和控制温度设定点之间的差在时间上求和。如果这个总和差超过关闭积分器限制同时在可接受的控制范围之外，则制冷系统10将在212进入关机模式直到控制温度超过控制温度设定点加上带为止，在此之后，系统10将重新进入启动顺序。
[0035]在212，如果系统10处于关闭并且控制温度低于控制温度设定点，则系统10将不操作制冷系统，并且蒸发器风扇54将根据控制温度设定点操作。此外，如果控制温度低于控制温度设定点且超出控制范围，则加热器51可以被用来控制温度。
[0036]利用该控制逻辑，可以将控制温度平稳地维持在控制温度设定点附近的温度带内，特别是当系统容量被减少至以致制冷系统将正常关机的低水平时。分级逻辑分配控制点以减少容量使得制冷系统10不会意外关机并且以最小功率消耗使控制温度在带内持续。
[0037]虽然仅结合有限数量的实施方案对本发明进行了详细描述，但是应容易理解，本发明并不限于这些公开的实施方案。相反，本发明可以被修改以涵盖任何数量的变化、变更、替换或之前未予描述但与本发明的精神和范围相称的等效布置。另外，虽然对本发明的各种实施方案进行了描述，但是应当理解，本发明的方面可仅包括所述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为局限于前面的描述，而是仅由所附权利要求的范围限制。
【权利要求】
1.一种制冷系统，其包括: 压缩机，其具有第一级和第二级； 电动机，其驱动所述压缩机； 排热换热器，其具有吸汲所述排热换热器上方的环境流体的风扇，所述排热换热器包括中间冷却器和气体冷却器，所述中间冷却器耦接到所述第一级的出口和所述气体冷却器耦接到所述第二级的出口； 闪蒸罐，其耦接到所述气体冷却器的出口 ； 初级膨胀装置，其耦接到所述闪蒸罐的出口 ； 吸热换热器，其耦接到所述初级膨胀装置的出口，所述吸热换热器的出口耦接到所述第一级的吸气口； 控制器，其用于实施将空间冷却至控制温度设定点的带内的控制温度的下拉模式、将所述控制温度维持在所述控制温度设定点的所述带内的控制模式以及减少系统容量同时将所述控制温度维持在所述控制温度设定点的所述带范围内的分级逻辑模式。
2.如权利要求1所述的制冷系统，其还包括: 次级膨胀装置，其位于所述气体冷却器和所述闪蒸罐之间； 所述下拉模式包括控制所述次级膨胀装置以控制所述压缩机处的排出压力。
3.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述下拉模式包括控制·所述初级膨胀设备以控制所述吸热换热器的过热温度。
4.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述控制模式包括控制到所述电动机的驱动信号以控制所述控制温度。
5.如权利要求4所述的制冷系统，其中: 所述电动机是可变频驱动(VFD)电动机。
6.如权利要求1所述的制冷系统，其还包括: 次级膨胀装置，其位于所述气体冷却器和所述闪蒸罐之间； 所述控制模式包括控制所述次级膨胀装置以控制所述压缩机处的排出压力。
7.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述控制模式包括控制所述初级膨胀设备以控制所述吸热换热器的过热温度。
8.如权利要求1所述的制冷系统，其还包括: 加热器； 所述控制模式包括控制所述加热器以将所述控制温度维持在所述控制温度设定点的所述带内。
9.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述分级逻辑模式包括调节所述风扇来减少系统容量。
10.如权利要求1所述的制冷系统，其还包括: 节能器阀，其使所述闪蒸罐耦接到所述第二级的入口 ； 其中，所述分级逻辑模式包括关闭所述节能器阀。
11.如权利要求1所述的制冷系统，其还包括: 卸载阀，其将所述中间冷却器的出口耦接到所述第一级的所述吸气口； 其中，所述分级逻辑模式包括打开所述卸载阀。
12.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述分级逻辑模式包括调节所述风扇来控制所述控制温度。
13.如权利要求1所述的制冷系统，其中: 所述控制器实施关闭积分器，在所述控制温度低于所述控制温度设定点时，所述关闭积分器跟踪由所述系统积累的误差量。
14.如权利要求13所述的制冷系统，其中: 所述关闭积分器将所述控制温度和所述控制温度设定点之间的差在时间上求和。
15.如权利要求14所述的制冷系统，其中: 其中，当所述总和差超过关闭`积分器限制时，所述控制器实施关机模式。
【文档编号】F25B49/02GK103717981SQ201280037530
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年7月25日 优先权日:2011年7月26日
【发明者】J.孙, H-J.赫夫, A.夏皮诺, G.B.霍夫斯达尔, M.甘, W.李 申请人:开利公司