具有大容量冷冻系统的环境试验设备及其控制方法

专利名称：具有大容量冷冻系统的环境试验设备及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备及其控制方法。
背景技术：
这几年来，环境试验的要求越来越高。尤其是试验设备的大型化，温度变化速度的增加。为了达到这些要求，近年使用大容量冷冻回路(功率IOHp以上的冷冻回路)的实例明显地上升。采用大容量冷冻回路，实现了低温试验上的高发热负荷处理，每分10度的快速温变，等等的高度要求。
环境试验设备的设计上，选定冷冻回路，加热器等等的机器，都是按照最高要求来选定的。比如最苛刻的条件是每分10度的快速温变的话，按这个条件来计算需要的冷冻能力以及选定能发挥需要能力的冷冻回路。但是客户的试验不一定进行最苛刻的条件。用上述的例子的话，有时候进行每分10度，有时候进行每分2度的温变试验。如果小容量(比如功率IOHp —下)的冷冻回路的话，本来的冷冻能力也不大。所以冷冻回路一直以一定的能力(最大能力)来开。如果冷冻能力过大话，在空调器里装备的加热器来调整适合的装置能力，就可以。但是，大容量冷冻回路的话，它的能力很大，如果只有最大能力的用法，冷冻能力过大时，要很大的加热器能力。这样的话，消费能力也太高，设备也产生了诸如大型化，成本太高等，不现实，非效率的问题。另外，冷冻回路的流量控制方法是现有技术。比如，装备几种不同流量的毛细管来切换冷媒循环流量，或者采用电子膨胀阀或者热力膨胀阀的开度来控制冷媒循环流量。不管用什么方法来控制流量，都会发生以下的问题
A、高温运行时的冷却不足产生压缩机吐出管温度的过高现象。B、低温运行时的压缩机结霜现象。C、小流量运行时的压缩机吸入压力过低现象。这些问题直接影响压缩机的寿命。如果继续运行不正常的回路状态，容易发生压缩机的损坏，发生很大的费用损失与试验的中断。对这些问题有以下的方法来解决。I、压缩机吐出管温度过高现象
装备高温旁路来冷却压缩机吸入口的冷媒温度。这是把冷冻回路高压侧的液体冷媒膨胀到适合的压力后回到蒸发器后面的冷冻回路低压部分。就是用冷冻回路循环冷媒的一部分，冷却回到压缩机的冷媒。如果这个回路的流量太少就发生冷却不足。如果流量太多也发生回液现象。都是对压缩机不好的现象。为了避免这些问题，一般大容量的冷冻回路装备几种流量的切换或者热力膨胀阀的流量控制。而且高温旁路的适合流量对主回路的流量(电子膨胀阀的开度)，试验温度都相关。2、压缩机结霜现象以及压缩机吸入压力过低现象
大容量的冷冻回路一般装备有热气旁通回路。这是把压缩机出来的高温高压冷媒通过能力控制阀直接回到压缩机吸入口。能力控制阀的作用是确保一定以上的压缩机吸入压力的同时除霜压缩机。这个回路装备电磁阀，需要的时候打开，不需要的时候关闭来控制。以上说明了，冷冻能力的控制方法，以及保持正常的冷冻回路状态，高温旁路与热气旁通回路的动作与作用，这些都是现有技术。但是这些技术都是相关的。目前没有用于这三个可动回路的合理控制方法。只能采用产生固定流量的用法，或者简单的组合起来进行能力变化与保护回路的控制。所以不能发挥大容量冷冻回路的有效能力以及不能保证回路的可靠性。

发明内容
本发明提供一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备及其控制方法，能够合理的控制冷冻回路，高温旁路与热气旁通回路，保证可靠性。为了达到上述目的，本发明提供一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备，该环境试验设备包含试验室、与试验室连接的可控制温度的空调部分、与空调部分通过配管连接的若干冷冻回路，以及电路连接上述各个部分的电气计装部分；
所述的冷冻回路包含通过板式换热器连接的高温侧回路和低温侧回路。所述的空调器部分设置有送风机、加热器、蒸发器。所述的电气计装部分设置有温度控制器、电路连接所述温度控制器的温度传感器和固态继电器，固态继电器电路连接所述的加热器。所述的高温侧回路包含管路连接的高温侧压缩机、冷凝器、膨胀阀。所述的低温侧回路包含管路连接的低温侧压缩机、电子膨胀阀、蒸发器、高温旁路、热气旁通。所述的高温旁路包含管路连接的第一高温电磁阀、第二高温电磁阀、第三高温电磁阀、大毛细管、中毛细管、小毛细管。所述的热气旁通包含管路连接的电磁阀、能力调整阀。一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的控制方法，该控制方法包含以下步骤
步骤I、根据温度控制器预先设定的温度值和温度控制器测量得到的温度值，温度控制器计算得到加热器输出量，将该加热器输出量输出给固态继电器，固态继电器控制加热器的输出信号；
步骤2、温度控制器设定电子膨胀阀的开度，来控制冷冻能力；
步骤3、根据设定的温度值和电子膨胀阀开度，选择高温旁路的流量和热气旁通的启闭。所述的步骤2包含以下步骤
步骤2. I、选择控制方法，若选择加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 2，若选择运行状态与加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 3 ；步骤2. 2、利用加热器输出量来控制电子膨胀阀的开度；
步骤2. 3、利用运行状态与加热器输出量来控制电子膨胀阀的开度；
加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀的一次操作量的范围是变化的；
根据恒温运行或温度变化试验这两种运行状态，以及设定的温度值和测量的温度值来设定加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀的一次操作量。所述的步骤2. 2包含以下步骤
步骤2. 2. I、启动时电子膨胀阀的开度为最小；
步骤2. 2. 2、温度控制器设定加热器的输出量的领域范围； 在加热器输出量0-100%里，设定UP领域，KEEP领域，DOWN领域；
步骤2. 2. 3、温度控制器设定电子膨胀阀的一次操作量；
步骤2. 2. 4、根据加热器的输出量，每隔温度控制器设定的时间周期，判断一次电子膨胀阀的操作量，若加热器输出量在UP领域，则执行步骤2. 2. 5，若加热器输出量在KEEP领域，则执行步骤2. 2. 6，若加热器输出量在DOWN领域，则执行步骤2. 2. 7 ;
步骤2. 2. 5、判断电子膨胀阀是否达到最大开度，若是，开度不变，如果另外有冷冻回路的话，启动第二组冷冻回路，若否，电子膨胀阀的开度增加一次操作量；
步骤2. 2. 6、电子膨胀阀的开度不变；
步骤2. 2. 7、判断电子膨胀阀是否达到最小开度，若是，开度不变，如果启动了复数个冷冻回路的话，关闭一组冷冻回路，若否，电子膨胀阀的开度减少一次操作量
本发明在发挥大容量冷冻回路的有效能力的同时，能维持它的正常运行状态，能保证高可靠性的冷冻回路。


图I是本发明提供的一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的结构示意 图2是本发明提供的一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的冷冻回路的结构示意 图3是电子膨胀阀控制 图4是电子膨胀阀控制 图5是高温旁路和热气旁通的控制图。
具体实施例方式以下根据图I 图5，具体说明本发明的较佳实施例
如图I所示，是一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的结构示意图，该环境试验设备包含试验室110、与试验室110连接的可控制温度的空调部分120、与空调部分120通过配管连接的若干冷冻回路130，以及电路连接上述各个部分的电气计装部分140 ；
所述的空调器部分120设置有送风机121、加热器122、蒸发器123 ；
所述的电气计装部分140设置有温度控制器141、电路连接所述温度控制器141的温度传感器142和固态继电器143，固态继电器143电路连接所述的加热器122 ；
如图2所示，所述的冷冻回路130包含通过板式换热器214连接的高温侧回路210和低温侧回路220 ；所述的高温侧回路210包含管路连接的高温侧压缩机211、冷凝器212、膨胀阀213 ；所述的低温侧回路220包含管路连接的低温侧压缩机221、电子膨胀阀222、蒸发器123、闻温芳路230、热气芳通240 ；
所述的高温旁路230包含管路连接的第一高温电磁阀231、第二高温电磁阀232、第三高温电磁阀233、大毛细管234、中毛细管235、小毛细管236 ；
所述的热气旁通240包含管路连接的电磁阀241、能力调整阀242。如高温旁路230需要大流量的话，第一高温电磁阀231打开，需要中流量的话，就将第二高温电磁阀232打开，需要小流量的话，就将第三高温电磁阀233打开，如果需要热气旁通回路开启，就将电磁阀241打开。本发明还提供一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的控制方法，包含以下步骤 步骤I、根据温度控制器141预先设定的温度值(一般的环境试验设备的温度范围是-70度到+120度左右)和温度控制器141测量得到的温度值，温度控制器141计算得到加热器输出量，将该加热器输出量输出给固态继电器143，固态继电器143控制加热器122的0-100%的输出信号；
一般用PID控制输出0-100%的加热器输出量；
PID控制是温度控制器的一般控制理论。P 比例，I:积分，D:微分。用设定值与测量值的相差来比例计算，以及积分计算，现在的温度变化状态来微分计算。步骤2、温度控制器141设定电子膨胀阀222的开度，来控制冷冻能力；
步骤2. I、选择控制方法，若选择加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 2，若选择运行状态与加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 3 ；
步骤2. 2、利用加热器输出量来控制电子膨胀阀222的开度(如图3所示)；
步骤2. 2. I、启动时电子膨胀阀222的开度为最小；
步骤2. 2. 2、温度控制器141设定加热器的输出量的领域范围；
在加热器输出量0-100%里，设定UP领域，KEEP领域，DOWN领域；
比如，0-20%是UP领域，20-80%是KEEP领域，80-100%是DOWN领域；
所述的领域范围是按照试验设备的用法、冷冻回路与加热器的能力平衡来设定的，UP领域太大的话省能上不利，太小的话能力增加速度慢，KEEP领域太小的话，会发生冷冻能力增加减少反复现象等问题，所以通过技术计算或者设备调试的结果，设定适合的范围；
步骤2. 2. 3、温度控制器141设定电子膨胀阀222的一次操作量；
比如，电子膨胀阀总操作量的1% ；
步骤2. 2. 4、根据加热器的输出量，每隔温度控制器141设定的时间周期(如3秒)，判断一次电子膨胀阀222的操作量，若加热器输出量在UP领域，则执行步骤2. 2. 5，若加热器输出量在KEEP领域，则执行步骤2. 2. 6，若加热器输出量在DOWN领域，则执行步骤2. 2. 7 ;
步骤2. 2. 5、判断电子膨胀阀222是否达到最大开度，若是，开度不变，如果另外有冷冻回路的话，启动第二组冷冻回路，若否，电子膨胀阀222的开度增加一次操作量，如1% ；
步骤2. 2. 6、电子膨胀阀222的开度不变；
步骤2. 2. 7、判断电子膨胀阀222是否达到最小开度，若是，开度不变，如果启动了复数个冷冻回路的话，关闭一组冷冻回路，若否，电子膨胀阀222的开度减少一次操作量，如1% ；步骤2. 3、利用运行状态与加热器输出量来控制电子膨胀阀222的开度；
加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀222的一次操作量的范围是变化的；
根据恒温运行或温度变化试验这两种运行状态，以及设定的温度值和测量的温度值来设定加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀222的一次操作量；
如图4所示，在本实施例中，设定了五种状态，当然可以按照设备的使用状态，设定几种状态；
环境试验设备的主要运行是恒温运行与温度变化运行，温度变化里也有变化速度的区
别；
恒温试验时不需要敏感的操作，温变速度大的时候需要比较大的操作量；
1、恒温运行，而且设定温度与测量温度的相差10度以内时考虑省能，尽量小输出量 的状态稳定；
0-20% 是 UP 领域，20-30% 是 KEEP 领域，30-100% 是 DOWN 领域；
加热器输出量为0-10%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0. 8%，加热器输出量为10-20%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0. 4%，加热器输出量为20-30%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0%，加热器输出量为30-40%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0. 4%，加热器输出量为40-100%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0. 8% ；
2、恒温运行，而且设定温度与测量温度的相差10度以上时增加每个领域的操作量，实现较快达到设定温度；
0-20% 是 UP 领域，20-30% 是 KEEP 领域，30-100% 是 DOWN 领域；
加热器输出量为0-10%时，电子膨胀阀222的一次操作量为4%，加热器输出量为10-20%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2%，加热器输出量为20-30%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0%，加热器输出量为30-40%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2%，加热器输出量为40-100%时，电子膨胀阀222的一次操作量为4% ；
3、温度变化试验，而且设定温度超过20度温度变化试验比恒温试验需要敏感的冷冻能力变化，但是在高温领域的变化量不是特别大；
0-30% 是 UP 领域，30-70% 是 KEEP 领域，70-100% 是 DOWN 领域；
加热器输出量为0-10%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2%，加热器输出量为10-20%时，电子膨胀阀222的一次操作量为1%，加热器输出量为20-30%时，电子膨胀阀222的一次操作量为5%，加热器输出量为30-70%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0%，加热器输出量为70-100%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0. 5% ；
4、温度变化试验而且设定温度+20度以下，而且设定温度与测量温度的温差在I度以内达到低温的温度变化需要敏感的冷冻能力的变化，但是快要达到设定温度的时候，操作量变小一点，防止过冲；
0-30% 是 UP 领域，30-70% 是 KEEP 领域，70-100% 是 DOWN 领域；
加热器输出量为0-10%时，电子膨胀阀222的一次操作量为3%，加热器输出量为10-20%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2%，加热器输出量为20-30%时，电子膨胀阀222的一次操作量为1%，加热器输出量为30-70%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0%，加热器输出量为70-100%时，电子膨胀阀222的一次操作量为1% ；
5、温度变化试验而且设定温度+20度以下，而且设定温度与测量温度的温差超过I度需要敏感的冷冻能力变化，操作量变大；
0-30% 是 UP 领域，30-70% 是 KEEP 领域，70-100% 是 DOWN 领域；
加热器输出量为0-10%时，电子膨胀阀222的一次操作量为5%，加热器输出量为10-20%时，电子膨胀阀222的一次操作量为3%，加热器输出量为20-30%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2%，加热器输出量为30-70%时，电子膨胀阀222的一次操作量为0%，加热器输出量为70-100%时，电子膨胀阀222的一次操作量为2% ；
采用这样操作量的详细控制，会实现更细腻的冷冻能力控制；
步骤3、根据设定的温度值和电子膨胀阀222开度，选择高温旁路230的流量和热气旁通240的启闭；
如图5所示，本实施例设定五种状态 1、设定温度高(10度-80度)，电子膨胀阀开度大(流量大)(40-100%)的领域
高温而且流量大的回路状态，回到压缩机的冷媒是最高温，选择最大流量的高温旁路，
打开第一高温电磁阀231 ；
2、设定温度中温，电子膨胀阀开度大(40-100%)的领域
比状态I小的流量可以冷却回到压缩机的冷媒温度，所以选择中流量的高温旁路，打开第二高温电磁阀232 ；
3、设定温度低温(-50度-20度)，电子膨胀阀开度大(40-100%)的领域
比状态2小的流量可以冷却回到压缩机的冷媒温度，所以选择小流量的高温旁路，打开第三高温电磁阀233 ；
4、设定温度高(10度-80度)，电子膨胀阀的开度小(0-40%)的领域
虽然高温，但是回路流量小，所以选择中流量的高温旁路，打开第二高温电磁阀232，但是，电子膨胀阀的开度小时候容易发生压缩机吸入口压力的过低现象，所以打开热气旁通回路，打开电磁阀241 ；
5、设定温度中低温(-50度10度)，电子膨胀阀的开度小(0-40%)的领域
温度比较低，而且流量也小，所以选择小流量的高温旁路，打开第三高温电磁阀233，但是，电子膨胀阀的开度小时候容易发生压缩机吸入口压力的过低现象，所以打开热气旁通回路，打开电磁阀241 ；
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
权利要求
1.一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，该环境试验设备包含试验室(110)、与试验室(110)连接的可控制温度的空调部分(120)、与空调部分(120)通过配管连接的若干冷冻回路(130)，以及电路连接上述各个部分的电气计装部分(140)； 所述的冷冻回路(130)包含通过板式换热器(214)连接的高温侧回路(210)和低温侧回路(220)。
2.如权利要求I所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的空调器部分(120)设置有送风机(121)、加热器(122)、蒸发器(123)。
3.如权利要求2所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的电气计装部分(140 )设置有温度控制器(141 )、电路连接所述温度控制器(141)的温度传感器(142)和固态继电器(143)，固态继电器(143)电路连接所述的加热器(122)。
4.如权利要求I所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的高温侧回路(210)包含管路连接的高温侧压缩机(211)、冷凝器(212)、膨胀阀(213)。
5.如权利要求I所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的低温侧回路(220)包含管路连接的低温侧压缩机(221)、电子膨胀阀(222)、蒸发器(123)、高温芳路(230 )、热气芳通(240 )。
6.如权利要求5所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的高温旁路(230)包含管路连接的第一高温电磁阀(231)、第二高温电磁阀(232)、第三高温电磁阀(233)、大毛细管(234)、中毛细管(235)、小毛细管(236)。
7.如权利要求5所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备，其特征在于，所述的热气旁通(240 )包含管路连接的电磁阀(241)、能力调整阀(242 )。
8.一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备的控制方法，其特征在于，该控制方法包含以下步骤 步骤I、根据温度控制器(141)预先设定的温度值和温度控制器(141)测量得到的温度值，温度控制器(141)计算得到加热器输出量，将该加热器输出量输出给固态继电器(143)，固态继电器(143)控制加热器(122)的输出信号； 步骤2、温度控制器(141)设定电子膨胀阀(222)的开度，来控制冷冻能力； 步骤3、根据设定的温度值和电子膨胀阀(222)开度，选择高温旁路(230)的流量和热气旁通(240)的启闭。
9.如权利要求8所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备的控制方法，其特征在于，所述的步骤2包含以下步骤 步骤2. I、选择控制方法，若选择加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 2，若选择运行状态与加热器输出量控制方法，则执行步骤2. 3 ； 步骤2. 2、利用加热器输出量来控制电子膨胀阀(222)的开度； 步骤2. 3、利用运行状态与加热器输出量来控制电子膨胀阀(222)的开度； 加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀(222)的一次操作量的范围是变化的； 根据恒温运行或温度变化试验这两种运行状态，以及设定的温度值和测量的温度值来设定加热器的输出量的领域范围和电子膨胀阀(222)的一次操作量。
10.如权利要求9所述的具有大容量冷冻系统的环境试验设备的控制方法，其特征在于，所述的步骤2. 2包含以下步骤步骤2. 2. I、启动时电子膨胀阀(222)的开度为最小； 步骤2. 2. 2、温度控制器(141)设定加热器的输出量的领域范围； 在加热器输出量0-100%里，设定UP领域，KEEP领域，DOWN领域； 步骤2. 2. 3、温度控制器(141)设定电子膨胀阀(222)的一次操作量； 步骤2. 2. 4、根据加热器的输出量，每隔温度控制器(141)设定的时间周期，判断一次电子膨胀阀(222)的操作量，若加热器输出量在UP领域，则执行步骤2. 2. 5，若加热器输出量在KEEP领域，则执行步骤2. 2. 6，若加热器输出量在DOWN领域，则执行步骤2. 2. 7 ; 步骤2. 2. 5、判断电子膨胀阀(222)是否达到最大开度，若是，开度不变，如果另外有冷冻回路的话，启动第二组冷冻回路，若否，电子膨胀阀222的开度增加一次操作量； 步骤2. 2. 6、电子膨胀阀(222)的开度不变； 步骤2. 2. 7、判断电子膨胀阀(222)是否达到最小开度，若是，开度不变，如果启动了复数个冷冻回路的话，关闭一组冷冻回路，若否，电子膨胀阀(222)的开度减少一次操作量。
全文摘要
一种具有大容量冷冻系统的环境试验设备及其控制方法，该环境试验设备包含试验室、与试验室连接的可控制温度的空调部分、与空调部分通过配管连接的冷冻回路，以及电路连接上述各个部分的电气计装部分，所述的冷冻回路包含通过板式换热器连接的高温侧回路和低温侧回路。温度控制器设定电子膨胀阀的开度，来控制冷冻能力，根据设定的温度值和电子膨胀阀开度，选择高温旁路的流量和热气旁通的启闭。本发明能够合理的控制冷冻回路，高温旁路与热气旁通回路，保证可靠性。
文档编号B01L7/00GK102794206SQ201110138280
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月26日 优先权日2011年5月26日
发明者梶口宜弘, 李路 申请人:上海爱斯佩克环境设备有限公司