用于控制可变容量压缩机的系统和方法与流程

本申请要求于2015年6月9日提交的美国发明申请第14/734,115号的优先权，并要求于2014年6月9日提交的美国临时申请第62/009,568号的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开内容涉及具有可变容量压缩机的气候控制系统。

背景技术：

本部分提供与本公开内容相关的背景信息，但不一定是现有技术。

诸如例如热泵系统、制冷系统或空调系统的气候控制系统可以包括流体回路，该流体回路具有：室外热交换器；室内热交换器；布置在室内热交换器与室外热交换器之间的膨胀装置；以及使工作流体(例如，制冷剂或二氧化碳)在室内热交换器与室外热交换器之间循环的压缩机。改变压缩机的容量可以影响系统的能量效率以及系统能够加热或冷却房间或空间的速度。

技术实现要素：

本部分提供本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开内容。

在一种形式中，本公开内容提供了一种气候控制系统，其包括可变容量压缩机单元和控制压缩机单元的控制模块。压缩机单元能够在第一容量模式下以及在高于第一容量模式的第二容量模式下进行操作。控制模块可以被配置成基于需求信号和压缩机单元在预定时间段内已经被切换到停机状态的次数来在停机状态、第一容量模式与第二容量模式之间对压缩机单元进行切换。

在一些实施方式中，控制模块基于压缩机单元的总运行时间与预定低容量运行时间的比较来在第一容量模式与第二容量模式之间对压缩机单元进行切换。

在一些实施方式中，压缩机单元的总运行时间是压缩机单元自最近处于停机状态以来已经运行的时间段。

在一些实施方式中，控制模块基于压缩机单元在预定时间段内已经被切换到停机状态的次数来调整预定低容量运行时间。

在一些实施方式中，如果压缩机单元在预定时间段期间已经被切换到停机状态超过一次，则控制模块增加预定低容量运行时间。

在一些实施方式中，控制模块被配置成：如果压缩机单元在预定时间段内已经被切换到停机状态一次或更多次，则将压缩机单元从停机状态切换到第一容量模式。

在一些实施方式中，控制模块被配置成：如果压缩机单元在预定时间段内已经被切换到停机状态零次，则将压缩机单元从停机状态切换到第二容量模式。

在一些实施方式中，将压缩机单元从停机状态切换到第二容量模式包括：在第一容量模式下启动压缩机单元，并且在第一容量模式下运行短的时间段(例如，大约5秒或小于1分钟)之后切换到第二容量模式。

在一些实施方式中，预定时间段为大约45分钟。

在一些实施方式中，控制模块被配置成响应于来自用户的输入而执行将压缩机单元切换到第二容量模式的重载(override)功能。

在另一形式中，本公开内容提供了一种工作流体回路，其可以包括室内热交换器、室外热交换器、膨胀装置、可变容量压缩机和控制模块。室外热交换器与室内热交换器流体连通。膨胀装置布置在室内热交换器与室外热交换器之间。可变容量压缩机使工作流体在室内热交换器与室外热交换器之间循环。控制模块可以控制压缩机，并且基于需求信号和压缩机在预定时间段内已经被切换到停机状态的次数来使压缩机在第一容量模式和第二容量模式中的一个容量模式下操作。

在一些实施方式中，控制模块基于压缩机的总运行时间与预定低容量运行时间的比较来在第一容量模式与第二容量模式之间对压缩机进行切换。

在一些实施方式中，压缩机的总运行时间是压缩机自最近处于停机状态以来已经运行的时间段。

在一些实施方式中，控制模块基于压缩机在预定时间段内已经被切换到停机状态的次数来调整预定低容量运行时间。

在一些实施方式中，如果压缩机在预定时间段期间已经被切换到停机状态超过一次，则控制模块增加预定低容量运行时间。

在一些实施方式中，控制模块被配置成：如果压缩机在预定时间段内已经被切换到停机状态一次或更多次，则将压缩机从停机状态切换到第一容量模式。

在一些实施方式中，控制模块被配置成：如果压缩机在预定时间段内已经被切换到停机状态零次，则将压缩机从停机状态切换到第二容量模式。

在另一形式中，本公开内容提供了一种控制压缩机的方法，所述压缩机能够在第一容量模式下以及在高于第一容量模式的第二容量模式下进行操作。该方法可以包括：从恒温器接收需求信号；开始观察期；基本上与开始观察期同时地在第一容量模式下启动压缩机的操作；跟踪压缩机在观察期内已经被切换到停机状态的次数；以及基于压缩机在观察期内已经被切换到停机状态的次数来使压缩机在第一容量模式和第二容量模式中的一个容量模式下操作。

在一些实施方式中，该方法包括将压缩机的总运行时间与预定运行时间值进行比较。

在一些实施方式中，该方法包括基于压缩机的总运行时间与预定运行时间值的比较在第一容量模式与第二容量模式之间对压缩机进行切换。

在一些实施方式中，压缩机的总运行时间是压缩机自最近处于停机状态以来已经运行的时间段。

在一些实施方式中，预定运行时间值是预定低容量运行时间值。

在一些实施方式中，该方法包括基于压缩机在观察期内已经被切换到停机状态的次数来调整预定低容量运行时间值。

在一些实施方式中，调整预定低容量运行时间值包括：如果压缩器在观察期期间已经被切换到停机状态超过一次，则增加预定低容量运行时间值。

在一些实施方式中，该方法包括：如果压缩机在观察期内已经被切换到停机状态一次或更多次，则将压缩机从停机状态切换到第一容量模式。

在一些实施方式中，该方法包括：如果压缩机在观察期内已经被切换到停机状态零次，则将压缩机从停机状态切换到第二容量模式。在一些实施方式中，将压缩机从停机状态切换到第二容量模式包括：在第一容量模式下启动压缩机单元，并且在第一容量模式下运行小于1分钟之后切换到第二容量模式。

在一些实施方式中，该方法包括响应于来自用户的输入而执行将压缩机切换到第二容量模式的重载功能。

根据本文所提供的描述，另外的适用领域将变得明显。本概述中的描述和具体示例仅旨在出于说明的目的，而不旨在限制本公开内容的范围。

附图说明

本文所描述的附图仅用于所选择的实施方式的说明性目的，而不是所有可能的实现，并且不旨在限制本公开内容的范围。

图1是根据本公开内容的原理的气候控制系统的示意性表示；以及

图2是示出用于控制图1的系统的压缩机的方法的状态图。

遍及附图的几个视图，相应的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

现在将参考附图来更充分地描述示例实施方式。

提供了示例实施方式以使得本公开内容将是透彻的，并且将向本领域技术人员充分地传达范围。阐述了诸如具体部件、装置和方法的示例等许多具体细节，以提供对本公开内容的实施方式的透彻理解。对于本领域技术人员而言将明显的是：不需要采用具体细节；可以以许多不同的形式来实现示例实施方式；并且具体细节和示例实施方式都不应当被解释为限制本公开内容的范围。在一些示例实施方式中，未对公知的过程、公知的装置结构和公知的技术进行详细的描述。

本文所使用的术语仅用于描述特定示例实施方式的目的，而不旨在是限制性的。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“该”也可以旨在包括复数形式。术语“包括”“包含”“含有”和“具有”是包括性的，并且因此指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其组。除非被具体地确定为执行的顺序，否则本文所描述的方法步骤、过程和操作不应当被解释为必须要求它们以所讨论或所示出的特定顺序来执行。还应当理解，可以采用另外的或替选的步骤。

当元件或层被称为在另一元件或层“上”或者“接合至”、“连接至”或“耦接至”另一元件或层时，其可以直接在另一元件或层上或者直接接合、连接或耦接至另一元件或层，或者可以存在中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在”另一元件或层“上”或者“直接接合至”、“直接连接至”或“直接耦接至”另一元件或层时，则不可以存在中间的元件或层。用于描述元件之间的关系的其他词语应当以类似的方式来解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括关联列出的项中的一个或更多个项的任何组合和所有组合。

尽管可以在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应当受限于这些术语。这些术语可以仅用于将一个元件、部件、区域、层或部分与另一区域、层或部分区分开。除非上下文清楚地指出，否则诸如“第一”、“第二”和其他数字术语等术语当在本文中使用时不暗示次序或顺序。因此，在不脱离示例实施方式的教导的情况下，下面讨论的第一元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二元件、部件、区域、层或部分。

为了便于描述，可以在本文中使用诸如“内”、“外”、“之下”、“以下”、“下部”、“以上”、“上部”等空间相对术语来描述如图所示的一个元件或特征与另外的一个或多个元件或特征的关系。空间相对术语除了包括图中所图示的取向以外，还可以旨在包括装置在使用或操作中的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，则被描述为在其他元件或特征“以下”或“之下”的元件将被定向为在其他元件或特征“以上”。因此，示例术语“以下”可以包括以上和以下两种取向。装置可以以其他方向定向(旋转90度或处于其他取向)，并且相应地解释本文所使用的空间相对描述用语。

参考图1，提供了气候控制系统10，其可以包括可变容量压缩机(或可变容量压缩机组)12、室外热交换器14、室外鼓风机15、第一膨胀装置16、第二膨胀装置17、室内热交换器18和室内鼓风机19。在图1所示的特定配置中，系统10是具有换向阀20的热泵系统，所述换向阀20能够操作来控制工作流体流过系统10的方向，从而在加热模式与冷却模式之间切换系统10。在一些配置中，系统10可以是例如空调系统或制冷系统，并且能够仅在冷却模式下进行操作。如下面将更详细描述的，控制模块22可以控制压缩机12的操作，并且可以基于从恒温器26接收的信号、压缩机12的运行时间T与低容量运行时间阈值T1之间的比较、和/或压缩机12在预定时间段(观察期)内被关停和开启的次数N来在低容量模式与高容量模式之间对压缩机12进行切换。控制模块22可以在待加热或冷却的空间内保持可接受的舒适水平的同时，最小化或减少高容量模式操作的使用以最小化或减少能量使用。

压缩机12可以是或包括例如涡旋压缩机、往复式压缩机或旋叶式压缩机和/或任意其他类型的压缩机。压缩机12可以是能够在至少低容量模式和高容量模式下操作的任意类型的可变容量压缩机。例如，压缩机12可以是或包括多级压缩机、可独立操作的压缩机组、多速或可变速压缩机(具有可变速或多速电动机)、具有调制的抽吸(例如，阻塞的抽吸)的压缩机、具有流体注射(例如，节约(economizer)回路)的压缩机、被配置用于涡旋分离的脉冲宽度调制涡旋压缩机(例如，数字涡旋压缩机)、具有被配置成泄漏中间压力工作流体的可变容积比式阀的压缩机、或者具有上述容量调制装置中的两个或更多个装置的压缩机。应当理解，压缩机12可以包括用于改变其容量和/或系统10的操作容量的任何其他另外的或替选的结构。应当理解，低容量和/或高容量模式可以是连续的稳态操作模式，或者压缩机12可以在低容量模式下的操作期间和/或在高容量模式下的操作期间被调制(例如，脉冲宽度调制)。示例性可变容量压缩机被公开在受让人的共同拥有的美国专利第8,616,014号、美国专利第6,679,072号、美国专利第8,585,382号、美国专利第6,213,731号、美国专利第8,485,789号、美国专利第8,459,053号和美国专利第5,385,453号中，其公开内容通过引用合并在此。

压缩机12、室外热交换器14、室外鼓风机15、第一膨胀装置16和换向阀20可以布置在室外单元28中。第二膨胀装置17、室内热交换器18和室内鼓风机19可以布置在室内单元30(例如，空气处理器或炉)内，该室内单元30布置在住宅或其他建筑物32内。第一止回阀34可以布置在室外热交换器14与第一膨胀装置16之间，并且可以限制或防止流体在冷却模式下流过第一膨胀装置16，并且可以允许流体在加热模式下流过第一膨胀装置16。第二止回阀36可以布置在第二膨胀装置17与室内热交换器18之间，并且可以限制或防止流体在加热模式下流过第二膨胀装置17，并且可以允许流体在冷却模式下流过第二膨胀装置17。应当理解，在一些实施方式中，连接室外热交换器14和室内热交换器18的工作流体管道可以不包括一个或更多个阀34、36和/或膨胀装置16、17。在这样的实施方式中，可以提供另外的或替选的结构来控制室外热交换器14与室内热交换器18之间的流体流动，并且控制在其之间流动的流体的膨胀。

恒温器26布置在建筑物32的内部和室内单元30的外部，并且被配置成测量要由系统10冷却或加热的房间或空间内的空气温度。恒温器26可以是例如单级恒温器，其响应于房间或空间内的温度升到设定点温度以上(在冷却模式下)或降到设定点温度以下(在加热模式下)而仅产生一种类型的需求信号。例如，控制模块22可以布置在任何合适的位置中例如室外单元28的内部或附近或者室内单元30的内部或附近。

在冷却模式下，例如，室外热交换器14可以作为冷凝器或作为气体冷却器进行操作，并且可以通过将热从工作流体传递至被室外鼓风机15强制通过室外热交换器14的空气来冷却从压缩机12接收的排出压力工作流体。室外鼓风机15可以包括固定速度、多速或可变速风扇。在一些实施方式中，室外热交换器14可以将热从工作流体传递至一些其他流体(例如，水)而不是空气。在冷却模式下，室内热交换器18可以作为蒸发器进行操作，其中，工作流体吸收来自被室内鼓风机19强制通过室内热交换器18的空气的热以冷却住宅或建筑物32内的空间。室内鼓风机19可以包括固定速度、多速或可变速风扇。在一些实施方式中，室内热交换器18可以将热从工作流体传递至一些其他流体(例如，水)而不是空气。在加热模式下，室外热交换器14可以作为蒸发器进行操作，并且室内热交换器18可以作为冷凝器或作为气体冷却器进行操作，并且可以将热从由压缩机12排出的工作流体传递至待加热的空间。

参考图1和图2，将描述控制模块22的方法和控制算法100。算法100可以控制压缩机12的操作并且在低容量模式与高容量模式之间对压缩机12进行切换。如上所述，算法100可以基于从恒温器26接收的信号、压缩机12的运行时间T与低容量运行时间阈值T1之间的比较、和/或压缩机12在预定时间段(观察期)内被关停和开启的次数N来使控制模块22在低容量模式与高容量模式之间对压缩机12进行切换。

在初始状态110下，压缩机12可以关停。恒温器26可以响应于要由系统10加热或冷却的空间中的空气温度降到所选择的设定点温度以下(在加热模式下)或升到所选择的设定点温度以上(在冷却模式下)来向控制模块22发送需求信号Y。响应于需求信号Y的接收，控制模块22可以在步骤120处将低容量运行时间阈值T1设置为5分钟，并且将值N设置为零。然后，控制模块22可以基本上同时地在步骤130处启动观察期，并且在低容量模式(状态140)下启动压缩机12的操作。在低容量模式下启动压缩机12的操作可以减少或最小化在压缩机12的启动期间的能量和机械应力的涌入(in-rush)。

压缩机12可以继续在低容量模式下运行，直至需求信号Y关断为止、直至压缩机12的运行时间T(即，自压缩机12在状态140下启动以来经过的时间)大于低容量运行时间阈值T1为止、或者直至算法被(例如，关停压缩机12的压缩机或系统故障检测/保护系统)重载为止。当需求信号Y关断时，压缩机12可以关停(状态150)。如果压缩机12的运行时间T超过低容量运行时间阈值T1，则控制模块22可以将压缩机12切换到高容量模式(状态160)。此后，压缩机12可以继续在高容量模式下操作，直至需求信号Y关断并且压缩机关停(状态150)为止或者直至算法100被(例如，关停压缩机12的压缩机或系统故障检测/保护系统)重载为止。

如上所述，控制模块22可以与在低容量模式(状态140)下启动压缩机12的操作基本上同时地在步骤130处启动观察期。在观察期期间，控制模块22可以在步骤170处跟踪并记录压缩机12关停(响应于关断(状态150)的需求信号Y)和从状态150返回至接通(响应于返回至接通的需求信号Y)的次数N。可以将值N存储在与控制模块22相关联的存储器或数据存储模块中。在一些实施方式中，观察期可以是例如大约45分钟或60分钟或者一些其他时间长度。在观察期结束之后(状态180)，控制算法100可以将值N重置为零并且循环回到步骤130。在一些实施方式中，在观察期结束与重置值N和/或重新开始另一观察期之间存在时间延迟。在一些实施方式中，控制算法100可以在控制算法达到状态180之后重置值N并且立即重新开始另一观察期。

响应于压缩机12在步骤150处关停的同时需求信号Y接通，算法100可以将值N增加1(如果给定的观察期仍在运行)，并且在步骤190处检查在步骤170处由控制模块保存的值N。如果值N在步骤190处等于零，则控制模块22可以(在步骤200处)将低容量运行时间阈值T1设置为5分钟(如果T1还未被设置为5分钟)，并且在低容量模式(状态140)下启动压缩机12，并且在切换到高容量模式(状态160)之前在低容量模式下运行短的时间段(例如，大约5秒)。此后，压缩机12可以继续在高容量模式下运行，直至需求信号Y关断为止或者直至算法100被重载为止。

如果在步骤190处值N等于1，则控制模块22可以在低容量模式(状态140)下启动压缩机12，并且不对低容量运行时间阈值T1做出改变。此后，压缩机12可以继续在低容量模式下运行，直至需求信号Y关断为止、直至运行时间T超过低容量运行时间阈值T1(此时压缩机12可以被切换到高容量模式)为止或者直至算法100被重载为止。

如果值N在步骤190处大于1，则控制模块22可以将低容量运行时间阈值T1设置为20分钟(在步骤210处)，并且在低容量模式(状态140)下启动压缩机12。此后，压缩机12可以继续在低容量模式下运行，直至需求信号Y关断为止、直至运行时间T超过低容量运行时间阈值T1(此时压缩机12可以被切换到高容量模式)为止或者直至算法100被重载为止。

如果压缩机12在状态150下保持关停长于预定时间段(例如，七天或任何其他所选择的时间长度)，如果关停控制模块22或系统10的电力，或者如果算法100被压缩机或系统故障检测/保护系统重载，则算法100可以重置为状态110。

应当理解，在以上描述中给出的T1和阈值N值本质上是示例性的。在算法100的一些实施方式中，T1和/或阈值N值中的一个或更多个可以与以上提供的示例性值不同。

在一些实施方式中，控制模块22可以被配置成执行高需求功能，所述高需求功能可以在压缩机12运行时或在压缩机12关停时和/或在系统10处于待机状态时启动。高需求功能可以重载算法100(或由控制模块22执行的任何其他算法)。如果例如用户想要在减少关注或不考虑能量使用或能量效率的情况下尽可能快地冷却房间或建筑物，则用户可以启动高需求功能。当高需求功能启动时，控制模块22将使压缩机12在高容量模式下操作，并且使压缩机12能够保持在高容量模式下，直至由恒温器26读取的空气温度达到期望的设定点温度或降到期望的设定点温度以下为止或者直至压缩机或系统故障检测/保护系统关停压缩机12为止。

用户可以通过在预定时间段内接通和关断需求信号Y至少预定次数来启动高需求功能。例如，预定次数可以是三次，并且预定时间段可以是15秒。应当理解，预定次数可以是任何其他数量，并且预定时间段可以是任何其他持续时间。

另外地或可替选地，控制模块22可以被配置成使得用户的其他动作可以启动高需求功能。例如，系统控制装置(例如，在恒温器26上或在诸如智能电话、平板电脑或其他计算机等远程系统控制装置上)可以包括如果被致动则使控制模块22启动高需求功能的按钮、开关、拨号盘或其他接口。控制模块22可以被配置成使得其他动作和/或条件将启动高需求功能。

贯穿本申请，术语“模块”可以用术语“电路”来替代。术语“模块”可以指的是以下器件的一部分或者包括以下器件：专用集成电路(ASIC)；数字、模拟或混合的模拟/数字分立电路；数字、模拟或混合的模拟/数字集成电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；执行代码的(共享的、专用的或组的)处理器；存储由处理器执行的数据和/或代码的(共享的、专用的或组的)存储器；提供所描述的功能的其他合适的硬件部件；或者以上的一些或全部的组合，诸如在片上系统中。

前面的描述在本质上仅是说明性的，并且决不旨在限制本公开内容、其应用或用途。可以以各种形式来实现本公开内容的广泛教导。因此，尽管本公开内容包括特定示例，但是由于其他修改在对附图、说明书和所附权利要求进行研究之后将变得明显，所以本公开内容的真实范围不应当被如此限制。如本文所使用的，短语A、B和C中的至少一个应当被解释为意味着使用非排他性的逻辑或(OR)的逻辑(A或B或C)。应当理解，在不改变本公开内容的原理的情况下，可以以不同的顺序(或同时地)来执行方法中的一个或更多个步骤。

出于说明和描述的目的已经提供了实施方式的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开内容。特定实施方式的单个元件或特征通常不限于该特定实施方式，而是即使没有具体地示出或描述，也可以在能够适用时进行互换并且可以用于所选择的实施方式。同样也可以以许多方式变化。这样的变型不应被认为是偏离本公开内容，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开内容的范围内。