制冷系统冷凝器风扇控制的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器和变速冷凝器风扇的制冷系统的方法。所述方法包括：确定环境温度或压缩机吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值；如果所述环境温度或所述压缩机吸入压力的所述变化高于所述预先确定的阈值，那么确定近最优冷凝压力/温度；基于所述确定的近最优冷凝压力/温度来设定冷凝压力设定点；以及基于所述冷凝压力设定点来设定变速冷凝器风扇的速度。
【专利说明】制冷系统冷凝裔风扇丨￡制发明领域
[0001]本文公开的主题涉及制冷系统，并且更具体地说涉及对运输制冷系统的冷凝器风扇控制优化。
技术背景
[0002]通常使用如冷冻拖车的控温货物集装箱来运输食物产品和其它温度敏感产品。冷冻拖车通常包括一般安装于拖车前壁上的制冷机组，所述制冷机组有一部分突出至拖车内部。在一些已知拖车中，烧燃料的发动机可用于驱动制冷系统的压缩机。
[0003]燃料使用和燃料效率在运输制冷系统的评估中很关键。为了减少燃料使用或改进燃料效率，尤其在部分负荷条件下，一些运输制冷系统从单速技术移至变频驱动(VFD)或多速驱动(MSD)技术。需要适当控制VFD和MSD以便获得重大改进。
发明概要
[0004]—方面，提供一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器和变速冷凝器风扇的制冷系统的方法。所述方法包括:确定环境温度或压缩机吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值；如果环境温度或压缩机吸入压力的变化高于预先确定的阈值，那么确定近最优冷凝压力/温度；基于确定的近最优冷凝压力/温度来设定冷凝压力设定点；以及基于冷凝压力设定点来设定变速冷凝器风扇的速度。
[0005]除了上述一个或多个特征以外，或作为替代，其它实施方案可包括:其中确定近最优冷凝压力/温度的步骤包括确定环境温度，确定离开蒸发器的饱和温度，确定压缩机速度，以及基于确定的环境温度、离开蒸发器的饱和温度和压缩机速度来确定近最优冷凝压力/温度；其中近最优冷凝压力/温度是使用本文描述的方程(I)来确定；确定制冷系统的第一总功率消耗并且设定为当前最小功率(Wmin)，使变速冷凝器风扇的速度减小预先确定的量，随后确定制冷系统的第二总功率消耗并且设定为当前功率(Wcur)，并且确定Wcur是否大于Wmin ;如果Wcur大于Wmin，那么使变速冷凝器风扇的速度增加预先确定的量；和/或随后确定制冷系统的第三总功率消耗并且设定为当前功率(Wcur)，并且确定Wcur是否大于Wmin0
[0006]另一方面，提供一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器和多速冷凝器风扇的制冷系统的方法。所述方法包括:确定环境温度或吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值；如果环境温度或吸入压力的变化大于预先确定的阈值，那么确定冷凝压力(Pcd);确定上限冷凝压力(Pcd_upbound);确定下限冷凝压力(Pcd_lowbound);以及基于确定的冷凝压力Pcd和上限冷凝压力Pcd_upbound和下限冷凝压力Pcd_lowbound中的至少一个来设定多速冷凝器风扇的速度。
[0007]除了如上所述的一个或多个特征以外，或作为替代，其它实施方案可包括:其中确定冷凝压力Pcd包括使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中条件是环境温度、蒸发器出口饱和温度/压力和压缩机速度的函数；其中确定上限冷凝压力PccLupbound包括使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中条件包括环境温度、蒸发器出口饱和温度或箱内温度、车辆行驶/停止状态和压缩机速度；其中确定下限冷凝压力Pcd_1wbound包括使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中条件包括环境温度、蒸发器出口温度或箱内温度、车辆行驶/停止状态和压缩机速度；确定Pcd是否大于Pcd_upbound ;如果Pcd大于Pcd_upbound，那么以高速模式来操作多速冷凝器风扇；确定Pcd是否大于Pcd_lowbound ;如果Pcd大于Pcd_lowbound，那么以低速模式来操作多速冷凝器风扇；和/或如果Pcd小于或等于Pcd_lowbound，那么关闭多速冷凝器风扇。
[0008]另一方面，提供一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器、变速冷凝器风扇和多速冷凝器风扇的制冷系统的方法。所述方法包括:确定环境温度或压缩机吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值；控制变速冷凝器风扇的速度；以及控制多速冷凝器风扇的速度。控制变速冷凝器风扇的速度包括:如果环境温度或压缩机吸入压力的变化高于预先确定的阈值，那么确定近最优冷凝压力/温度；基于确定的近最优冷凝压力/温度来设定冷凝压力设定点；以及基于冷凝压力设定点来设定变速冷凝器风扇的速度。控制多速冷凝器风扇的速度包括:如果环境温度或吸入压力的变化大于预先确定的阈值，那么确定冷凝压力(Pcd);确定上限冷凝压力(Pcd_upbound);确定下限冷凝压力(Pcd_lowbound);以及基于确定的冷凝压力Pcd和上限冷凝压力Pcd_upbound和下限冷凝压力Pcd_lowbound中的至少一个来设定多速冷凝器风扇的速度。
[0009]附图简述
在本说明书结尾部分的权利要求书中，具体地指出被视作是本发明的主题并且清楚地要求保护所述主题。本发明的前述和其它特征和优点根据结合附图进行的以下详述变得明显，在附图中:
图1是示例性制冷系统的示意图；
图2是控制图1示出的制冷系统的第一示例性方法的控制流程图；以及图3是控制图1示出的制冷系统的第二示例性方法的控制流程图。
【具体实施方式】
[0010]图1示出制冷系统10。在示例性实施方案中，制冷系统10可操作地与控温货物集装箱(未示出)相关联，所述货物集装箱被配置来经由使用制冷系统10将位于货物集装箱内的货物维持在选定温度。货物集装箱可用于经由例如卡车、火车或船只来运输货物。运输制冷应用由于其广泛范围的操作条件而不同于其它应用。举例来说，环境温度可从130 T至-20 °F变化，并且货物集装箱可设定于100 °?与-22 °F之间的温度。然而，系统10可用于各种其它制冷应用中。
[0011]制冷系统10由发电系统12供电，所述发电系统一般包括流体连接至燃料箱16的发动机14。虽然描述为制冷系统，但是系统10可为任何合适的环境调节系统。举例来说，系统10可为卡车的驾驶室空调机组。
[0012]制冷系统10 —般包括压缩机22、冷凝器24、膨胀设备26和蒸发器28。如所示出，系统10可包括接收器30、过冷却器32、吸液式热交换器34、累积器36和抽吸调节阀38。
[0013]制冷系统10是制冷剂以各种状态(如液体和蒸气)在其中循环的闭环系统。因此，低温、低压过热气体制冷剂经由导管40从蒸发器28抽吸至压缩机22中。制冷剂被压缩并且所得的高温、高压过热气体经由导管42从压缩机22排放至冷凝器24。
[0014]在冷凝器24中，气态制冷剂在放出热量时冷凝成液体。过热气体制冷剂进入冷凝器24并且经由热交换器过程被降温、冷凝和过冷却，其中冷凝器风扇44迫使空气穿过冷凝器24以吸收热量。液体制冷剂从冷凝器24排放出来并且经由导管46由接收器30供应至过冷却器32。制冷剂由来自冷凝器风扇44的空气进一步过冷却并且经由导管48供应至吸液式热交换器34。
[0015]在示例性实施方案中，吸液式热交换器34使来自冷凝器24的液体制冷剂相对于来自蒸发器28的已蒸发和/或正在蒸发的制冷剂来冷却。冷却的液体制冷剂随后经由导管50供应至蒸发器28。冷却的液体制冷剂穿过计量或膨胀设备26 (例如，膨胀阀)，所述计量或膨胀设备将相对较高温度、高压过冷却液体转化成低温饱和液体-蒸气混合物。
[0016]然后，低温饱和液体-蒸气制冷剂混合物进入蒸发器28，所述混合物在所述蒸发器中沸腾并且当它从集装箱中的空气(或其它热交换流体)吸收了所需的蒸发热量时，状态变成过热气体。然后，低压过热气体以与热交换器34进行热交换的关系来传送，所述低压过热气体在所述热交换器中进一步加热以增加气体的过热并且蒸发可通过蒸发器28的任何剩余液滴。然后，过热气体被抽吸至压缩机22的入口中并且循环重复。
[0017]在示例性实施方案中，制冷系统10包括热气阀53、主要加热阀55和旁路导管52，所述旁路导管在压缩机22下游的导管42与蒸发器28上游的导管50之间延伸。旁路导管52可选择性地用于迫使来自压缩机22的高温制冷剂直接流至蒸发器28以便以冷却模式对蒸发器28除霜或以加热模式加热。此外，制冷系统10可包括节能装置循环(未示出)。
[0018]冷凝器循环中利用冷凝器风扇44，并且在一些实施方案中，可利用一个以上冷凝器风扇44。冷凝器风扇44可为变速冷凝器风扇和/或多速冷凝器风扇。变速冷凝器风扇44可与变频驱动(VFD)可操作地相关联，并且多速冷凝器风扇44可与多速驱动(MSD)可操作地相关联。
[0019]使用可变/多速风扇44有助于通过控制风扇速度来调整或调节系统10的冷凝压力/温度。举例来说，较低冷凝器风扇速度导致风扇44使用的功率较少。然而，这导致较高冷凝压力/温度，从而需要更多压缩机压力提升并且导致压缩机功率消耗和发动机燃料使用有所增加。因此，存在压缩机功率与冷凝器风扇功率之间的平衡，并且制冷系统10包括控制器60，所述控制器被配置来优化冷凝器风扇44的控制以使风扇44和压缩机22的总功率消耗减小到最低限度且/或使发动机14的燃料效率增加到最大限度。如本文所使用，术语控制器是指专用集成电路(ASIC)、电子电路、执行一个或多个软件或固件程序的处理器(共用、专用或群组)和存储器、组合逻辑电路，和/或提供所描述功能的其它合适部件。
[0020]控制器60被配置来确定最优冷凝压力/温度设定点，其可定义为:调整冷凝器风扇速度以便在制冷系统10以最低功率消耗操作的同时维持此冷凝压力/温度设定点。最优冷凝压力/温度可由以下示出的方程(I)抽象地计算。此外，最优压力/温度设定点可保存于表中，并且控制器60可搜索所述表以获得针对给定测量变量(例如，所测量的环境温度、蒸发器出口压力或饱和温度或箱内温度、车辆是否具有行驶或停止状态，和压缩机速度)的最优冷凝压力/温度。因此，确定的最优冷凝压力/温度对应于冷凝器风扇的某个速度。
[0021]方程⑴= f (Talllb，Tsoutjevap) X CFconp,
其中是冷凝压力或温度的最优设定点，Tanib是环境温度，T OTap是蒸发器出口的饱和温度，并且CFronip是考虑到压缩机速度的校正因子。压缩机速度校正因子可为以每分钟转数为单位的压缩机速度的函数f (rpm)。在一个实施方案中，压缩机速度校正因子可为以每分钟转数为单位的压缩机速度的非线性函数。
[0022]因此，控制器60随后在对应于最优冷凝压力/温度设定点(其是所测量的环境温度、蒸发器出口压力/饱和温度和压缩机速度的函数)的速度下操作风扇44，从而考虑到运输行驶对冷凝器空气流的影响来为系统10提供最具有燃料效率的条件。燃料效率可定义为系统10容量与燃料消耗的比率。通过使用方程(I)或预先保存的表，可获得最优冷凝压力/温度(对应于最高系统效率)。控制器60可通过改变风扇速度来控制系统10的冷凝压力以达到设定点或在设定点的预先确定的范围内，如对于变速风扇44使用比例积分微分(PID)控制器或对于多速风扇44使用逻辑控制。
[0023]然而，在一些情况下，由函数或表定义的最优冷凝压力/温度可能并不是计算风扇速度的最佳值，这是由于摸拟/计算误差和或未能考虑到车辆运行或未运行时的空气流影响。因此，可使用系统功率消耗测量和试验过程来找出实际最优冷凝压力/温度。因此，对于变速冷凝器风扇44和多速冷凝器风扇44中的每一个，优化控制可为不同的，如本文更详细地描述。
[0024]图2示出通过对冷凝器风扇44的特殊控制使制冷系统10的功率和/或燃料消耗减小到最低限度的示例性方法100。在示例性实施方案中，冷凝器风扇44是变速风扇。
[0025]方法100包括具有粗略搜索102和精细搜索104的两级优化。粗略搜索102 —般包括确定近最优冷凝压力/温度设定点，这个设定点是使用基于离线摸拟结果的预定义函数来计算，如本文所描述。然后，可将变速风扇44设定于产生并且维持近最优冷凝压力/温度设定点的速度。每当有环境和/或操作条件的显著变化时，可根据确定的近最优冷凝压力/温度来更新冷凝压力/温度设定点。为了进一步改进系统效率，可使用精细搜索104经由微扰来确定最优冷凝压力/温度，如本文更详细地描述。
[0026]进一步参考图2，方法100包括在步骤110中确定环境空气温度和/或压缩机吸入压力的变化是否超过预先确定的阈值。如果成立，那么控制进行至粗略搜索102并且在步骤112中通过使用例如方程(I)的计算来计算近最优冷凝压力/温度。在步骤114中，更新冷凝压力/温度设定点(例如，每秒一次)，并且在步骤115中，控制器60调节风扇速度以维持设定点。在步骤116中，确定(例如，通过电流和电压传感器来测量)制冷系统10的总功率消耗的读数并且设定为当前最小功率Wmin。此时，控制返回到步骤110。
[0027]如果步骤110不成立，控制进行至精细搜索104。在步骤118中，使冷凝器风扇速度减小预定义的阶跃变化(例如，1%)。在步骤120中，再次确定总功率消耗并且设定为当前功率Wcur。
[0028]在步骤122中，确定Wcur是否大于Wmin。如果不成立，那么控制进行至步骤124，其中将Wcur设定为新的最小功率Wmin，并且控制随后返回到步骤110。可重复步骤110-124，直到Wcur大于Wmin为止，然后改变搜索方向(步骤126)。
[0029]如果步骤122成立，那么控制进行至步骤126并且使冷凝器风扇速度增加预定义的阶跃变化(例如，1%)。在步骤128中，再次确定总功率消耗并且设定为当前功率Wcur。在步骤130中，确定Wcur是否大于Wmin0
[0030]如果不成立，那么控制进行至步骤132，其中将Wcur设定为新的最小功率Wmin，并且控制随后返回到步骤126。可重复步骤126-132，直到Wcur大于Wmin为止，其中达到最小功率。如果步骤130成立，那么控制返回到步骤110。
[0031]因此，精细搜索104从近最优设定点开始，随后使冷凝器风扇速度减少/增加较小预定义变化。如果总功率减小，那么搜索在相同方向上继续(即，减小或增加)。否则，搜索在相反方向上进行(增加/减小设定点)。如果总功率开始增加，那么设定点不能再改进并且处于最优冷凝压力/温度。
[0032]图3示出通过对冷凝器风扇44的特殊控制使制冷系统10的功率和/或燃料消耗减小到最低限度的示例性方法200。在示例性实施方案中，冷凝器风扇44是具有高速模式和低速模式的多速风扇。然而，多速冷凝器风扇44可具有在各种速度下操作的许多模式。
[0033]方法200包括控制优化来确定如何在不同操作条件下使多速风扇44在不同速度模式之间切换。选择冷凝压力/温度作为标准变量，并且可通过经验函数来计算阈值(上限和下限冷凝压力/温度)并且使其与摸拟结果曲线拟合。
[0034]进一步参考图3，方法200包括在步骤202中确定环境空气温度和/或压缩机吸入压力的变化是否已超过预先确定的阈值。如果不成立，那么控制返回到步骤202。如果成立，那么在步骤204中确定冷凝压力Pcd。在步骤206中，在不同条件下通过最优压力表确定上限冷凝压力Pcd_upbound。这个最优压力表可通过模拟来定义。上限和下限是确定冷凝器风扇状态的压力限值。当冷凝压力高于上限压力时，冷凝器风扇在高速下操作。当冷凝压力低于下限压力时，冷凝器风扇关闭。当冷凝压力在下限压力与上限压力之间时，冷凝器风扇在低速下操作。
[0035]在步骤208中，确定Pcd是否大于Pcd_upbound。如果成立，那么在步骤210中在第一模式(例如，高速)下操作多速冷凝器风扇44并且控制返回到步骤202。如果不成立，那么在步骤212中在不同条件下通过最优压力表确定下限冷凝压力PccLlowbound。
[0036]在步骤214中，确定Pcd是否大于Pcd_lowbound。如果成立，那么在步骤216中，在第二模式(例如，低速)下操作多速冷凝器风扇44并且控制返回到步骤202。如果不成立，那么在步骤218中以第三模式来操作(例如，关闭)冷凝器风扇44并且控制返回到步骤 202。
[0037]本文描述用于通过对一个或多个系统冷凝器风扇的控制优化使制冷系统的功率和/或燃料消耗减小到最低限度的系统和方法。冷凝器风扇可包括变速和/或多速冷凝器风扇。对变速风扇的控制优化包括基于环境和系统操作条件来确定近最优冷凝压力/温度和/或经由系统微扰来确定最优冷凝压力/温度。对多速冷凝器风扇的控制优化包括选择冷凝压力/温度作为标准变量，计算上限和下限冷凝压力，以及基于标准变量相对于上限和下限来调整风扇速度模式。
[0038]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，但是应易于理解，本发明不限于这些已公开的实施方案。相反，可修改本发明来合并之前并未描述但与本发明的精神和范围相符的任何数量的变化、改变、替代或等效布置。另外，虽然已描述了本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的各方面可仅包括所描述实施方案中的一些。因此，本发明不应被视为受前文描述的限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。
【主权项】
1.一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器和变速冷凝器风扇的制冷系统的方法，所述方法包括: 确定环境温度或压缩机吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值； 如果所述环境温度或所述压缩机吸入压力的所述变化高于所述预先确定的阈值，那么确定近最优冷凝压力/温度； 基于所述确定的近最优冷凝压力/温度来设定冷凝压力设定点；以及 基于所述冷凝压力设定点来设定所述变速冷凝器风扇的速度。2.如权利要求1所述的方法，其中确定所述近最优冷凝压力/温度的步骤包括: 确定所述环境温度； 确定离开所述蒸发器的饱和温度； 确定压缩机速度；以及 基于所述确定的环境温度、离开所述蒸发器的饱和温度和压缩机速度来确定所述近最优冷凝压力/温度。3.如权利要求2所述的方法，其中所述近最优冷凝压力/温度是使用以下方程来确定: 由 opt f (T3Jiib， Tsout，evap) X CPcomp， 其中是冷凝压力或温度的最优设定点，Tanib是所述环境温度，Ts _ OTap是所述蒸发器出口处的所述饱和温度，并且CFranip是考虑到所述压缩机速度的校正因子。4.如权利要求1所述的方法，其还包括: 确定所述制冷系统的第一总功率消耗并且设定为当前最小功率(Wmin); 使所述变速冷凝器风扇的速度减小预先确定的量； 随后确定所述制冷系统的第二总功率消耗并且设定为当前功率(Wcur);以及 确定Wcur是否大于Wmin。5.如权利要求4所述的方法，其还包括: 如果Wcur大于Wmin，那么使所述变速冷凝器风扇的所述速度增加预先确定的量； 随后确定所述制冷系统的第三总功率消耗并且设定为当前功率(Wcur);以及 确定Wcur是否大于Wmin。6.一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器和多速冷凝器风扇的制冷系统的方法，所述方法包括: 确定环境温度或吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值； 如果所述环境温度或所述吸入压力的所述变化大于所述预先确定的阈值，那么确定冷凝压力(Pcd); 确定上限冷凝压力(Pcd_upbound)； 确定下限冷凝压力(Pcd_lowbound);以及 基于所述确定的冷凝压力Pcd和所述上限冷凝压力Pcd_upbound和所述下限冷凝压力Pcd_lowbound中的至少一个来设定所述多速冷凝器风扇的速度。7.如权利要求6所述的方法，其中确定所述冷凝压力Pcd包括:使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中所述条件包括环境温度、蒸发器出口饱和温度或箱内温度、车辆行驶/停止状态和压缩机速度。8.如权利要求6所述的方法，其中确定所述上限冷凝压力Pcd_upbound包括:使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中所述条件包括环境温度、蒸发器出口温度或箱内温度、车辆行驶/停止状态和压缩机速度。9.如权利要求6所述的方法，其中确定所述下限冷凝压力Pcd_lowbound包括:使用定义不同条件下的最优压力的最优压力表，其中所述条件是环境温度、蒸发器出口饱和温度/压力和压缩机速度的函数。10.如权利要求6所述的方法，其还包括确定Pcd是否大于Pcd_upbound。11.如权利要求10所述的方法，其还包括:如果Pcd大于Pcd_upbound，那么以高速模式来操作所述多速冷凝器风扇。12.如权利要求6所述的方法，其还包括确定Pcd是否大于Pcd_lowbound。13.如权利要求12所述的方法，其还包括:如果Pcd大于Pcd_lowbound，那么以低速模式来操作所述多速冷凝器风扇。14.如权利要求12所述的方法，其还包括:如果Pcd小于或等于Pcd_lowbound，那么关闭所述多速冷凝器风扇。15.一种控制具有压缩机、冷凝器、蒸发器、变速冷凝器风扇和多速冷凝器风扇的制冷系统的方法，所述方法包括: 确定环境温度或压缩机吸入压力的变化是否大于预先确定的阈值； 控制所述变速冷凝器风扇的速度，其包括: 如果所述环境温度或所述压缩机吸入压力的所述变化高于所述预先确定的阈值，那么确定近最优冷凝压力/温度； 基于所述确定的近最优冷凝压力/温度来设定冷凝压力设定点；以及 基于所述冷凝压力设定点来设定所述变速冷凝器风扇的速度；以及 控制所述多速冷凝器风扇的速度，其包括: 如果所述环境温度或所述吸入压力的所述变化大于所述预先确定的阈值，那么确定冷凝压力(Pcd); 确定上限冷凝压力(Pcd_upbound)； 确定下限冷凝压力(Pcd_lowbound)，以及 基于所述确定的冷凝压力Pcd和所述上限冷凝压力Pcd_upbound和所述下限冷凝压力Pcd_lowbound中的至少一个来设定所述多速冷凝器风扇的速度。
【文档编号】F25B49/02GK105987550SQ201510089508
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月27日
【发明人】孙剑, 陈林辉
【申请人】开利公司