用于控制到蒸发器的制冷剂供应的包括计算参考温度的方法与流程

本发明涉及一种用于控制到蒸发器的制冷剂供应的方法。更具体地讲，在本发明的方法中，制冷剂供应是基于参考温度来控制的，该参考温度已经基于温度测量值被计算出来。

背景技术：

蒸气压缩系统(诸如制冷系统、空调系统或者热泵)通常包括沿着制冷剂路径安排的至少一个压缩机、至少一个冷凝器、至少一个膨胀装置(例如呈膨胀阀的形式)、以及至少一个蒸发器。制冷剂在制冷剂路径中循环并被交替地膨胀和压缩，并且在这些冷凝器和这些蒸发器中发生热交换。经膨胀的制冷剂以气态制冷剂和液态制冷剂的混合态进入这些蒸发器。当制冷剂穿过这些蒸发器时，该制冷剂在与跨每个蒸发器的次级流体流(诸如空气流)交换热量时蒸发。为了最大程度地利用给定蒸发器的潜在制冷能力，希望沿着蒸发器的整个长度都存在液态制冷剂。另一方面，不希望液态制冷剂穿过蒸发器并进入抽吸管线，因为如果液态制冷剂到达压缩机则可能对这些压缩机造成损坏。因此希望控制到这些蒸发器的制冷剂供应，其方式为使得在给定蒸发器中，在混合相制冷剂与气态制冷剂之间的边界恰好在蒸发器的出口处。

为了获得这点，通常测量和/或计算离开这些蒸发器的制冷剂的过热度。过热度是离开蒸发器的制冷剂的温度与离开蒸发器的制冷剂的露点之差。因此，低的过热度值表明离开蒸发器的制冷剂的温度接近露点，而高的过热度值表明离开蒸发器的制冷剂的温度显著高于露点、并且表明蒸发器的相当大的一部分因此包含气态制冷剂。在蒸发器的包含气态制冷器的部分中，周围环境与在蒸发器中流动的制冷剂之间的热传递显著低于在蒸发器的包含气态制冷剂和液态制冷剂的混合物的部分中的热传递。因此，在蒸发器的相当大的一部分包含气态制冷剂时，蒸发器的总效率降低。因此试图控制到蒸发器的制冷剂供应，其方式为使得将过热度值维持在小而正的水平处。

wo2012/052019a1描述了一种用于控制到蒸发器的制冷剂供应的方法，其中sh＝0点可以纯粹地基于测量的温度信号来确定。对部件(诸如膨胀阀、风扇或者压缩机)进行致动，其方式为使得蒸发器的干燥区改变。对代表离开蒸发器的制冷剂的温度的温度信号进行测量和分析，例如，包括得出变化率信号。然后确定在所致动的部件与所测量的温度信号之间的传递函数的增益从最大值下降到最小值时的温度值。所确定的温度值被定义为对应于零过热度值(sh＝0)。

技术实现要素：

本发明的实施例的目的是提供一种用于控制到蒸发器的制冷剂供应的方法，其中可以动态地计算出参考温度。

本发明的实施例的另一个目的是提供一种用于控制到蒸发器的制冷剂供应的方法，其中即便运行情况改变也可以获得离开蒸发器的制冷剂的最佳过热度。

本发明提供了一种用于控制到蒸气压缩系统的蒸发器的制冷剂供应的方法，该蒸气压缩系统包括安排在制冷剂路径中的至少一个蒸发器、至少一个压缩机、至少一个冷凝器以及至少一个膨胀阀，该方法包括以下步骤：

-开始系统识别阶段，在该系统识别阶段中，该膨胀阀的开度被交替地增大和减小，

-在该系统识别阶段的过程中，监测离开该蒸发器的制冷剂的温度s2以及跨该蒸发器流动的空气在空气流动远离该蒸发器的位置处的温度s4，并且确定在这些所监测的温度之间的最大温度差(s4-s2)最大，

-一旦完成该系统识别阶段，就通过以下方式来控制到该蒸发器的制冷剂供应：

-监测离开该蒸发器的制冷剂的温度s2以及流动远离该蒸发器的空气的温度s4，

-基于流动远离该蒸发器的空气的所监测的温度s4以及在该系统识别阶段的过程中确定的最大温度差(s4-s2)最大来计算参考温度s2，参考，并且

-基于计算出的参考温度s2，参考并且为了获得与计算出的参考温度s2，参考基本上相等的离开该蒸发器的制冷剂的温度s2来控制到该蒸发器的制冷剂供应。

在本文的上下文中，术语‘蒸气压缩系统’应当被解释为意指以下任何系统：其中一种流体介质流(诸如制冷剂)循环并且被交替地压缩和膨胀，由此提供对一定体积的制冷或加热。因此，该蒸气压缩系统可以是制冷系统、空调系统、热泵等。

该蒸气压缩系统包括至少一个蒸发器、至少一个压缩机、至少一个冷凝器以及至少一个膨胀阀。因此，该蒸气压缩系统可以仅包括每种这些部件中的一个，或者该蒸气压缩系统可以包括任何这些部件中的两个或更多个。例如，该蒸气压缩系统可以包括单个压缩机，或者它可以包括例如被安排在一个压缩机机组中的两个或更多个压缩机。类似地，该蒸气压缩系统可以仅包括一个蒸发器，或者它可以包括两个或更多个蒸发器。在后一种情况下，每个蒸发器可以被安排成为单独的制冷体积提供制冷。这些单独的制冷体积可以例如是超市的多个单独的展示柜。无论如何，每个蒸发器被优选地连接到单独的膨胀阀上，该单独的膨胀阀控制到该蒸发器的制冷剂供应，该制冷剂供应独立于到其他蒸发器的制冷剂供应。此外，蒸发器单元可以包括单个区段、或者可以包括串联连接或并联连接的两个或更多个区段。

根据本发明的方法与经由相应的膨胀阀控制到单个蒸发器的制冷剂供应有关。然而，可以将这种蒸发器很好地安排在包括一个或多个附加蒸发器的蒸气压缩系统中，在这种情况下分别控制到这些附加蒸发器的制冷剂供应。

根据本发明的方法，首先开始系统识别阶段。在系统识别阶段的过程中，膨胀阀的开度被交替地增大和减小，即，膨胀阀的开度进行调整或脉动。在本文的上下文中，术语‘系统识别阶段’应当被解释为意指时间段，在这个时间段中，可以识别出蒸气压缩系统的各种特性(例如蒸气压缩系统的动态)以便在操作蒸气压缩系统时考虑这样的特性。

在系统识别阶段的过程中，监测离开蒸发器的制冷剂的温度s2以及跨蒸发器流动的空气在空气流动远离该蒸发器的位置处的温度s4。温度s2与离开蒸发器的制冷剂的过热度有关。温度s4是跨蒸发器流动的空气在已经与流动穿过蒸发器的制冷剂发生了热交换之后(即，空气已经被蒸发器冷却)的温度。因此，温度s4反映了在制冷体积中占主导的温度以及蒸发器的瞬时冷却功率，因为高冷却功率将降低这个温度。

例如，可以借助于被安排在适当位置处的多个温度传感器来测量温度s2和s4。

基于所监测的温度s2和s4来确定在所监测的温度之间的最大温度差(s4-s2)最大。膨胀阀的开度在系统识别阶段的过程中交替地增大和减小导致了所监测的温度交替地升高和降低。然而，离开蒸发器的制冷剂的温度s2的变化预期大于跨蒸发器流动的空气的温度s4的变化。由此，在所监测的温度s2与s4之间的差值在膨胀阀的开度增大或减小的期间变化。对于每个时间段，确定所监测的温度之间的最大差值。随后，最大温度差(s4-s2)最大被确定为每个时间段确定的温度差的最大值。

因此，最大温度差(s4-s2)最大提供了给定情形下关于离开蒸发器的制冷剂的温度s2距最佳过热度值有多远的信息、以及由此的关于在蒸发器没有溢流风险的情况下(即，液态制冷剂被允许穿过蒸发器)温度s2可以被进一步降低多少的信息。在系统识别阶段的过程中，蒸发器在若干尝试或若干时间段中将几乎溢流。合理的是试图将操作点移动到其预期的冷区域。当蒸发器几乎溢流时，离开蒸发器的制冷剂的温度s2接近露点温度附近的水平。在这种情况下，提供了对露点温度的良好估算。同时，流动远离蒸发器的空气的温度s4接近其可能的最低水平。当蒸发器几乎填满液态制冷剂并且制冷空间被冷却时，在相同时间段中在s4的最低值与s2的最低值之间的差距提供了对于制冷剂露点与s4测量值之间预期温度差的估算测量。这种差距使得我们能够限定离开蒸发器的制冷剂的温度s2的设定点，该设定点适当地接近露点温度，同时避免了蒸发器的溢流。

一旦完成系统识别阶段，就通过以下方式来控制到蒸发器的制冷剂供应。

基本上如上所述，监测离开蒸发器的制冷剂的温度s2以及在远离蒸发器的方向上跨蒸发器流动的空气的温度s4。

然后，基于所监测的温度s4以及在系统识别阶段的过程中确定的最大温度差(s4-s2)最大来计算参考温度s2，参考。因此，在操作蒸气压缩系统(包括控制到蒸发器的制冷剂供应)的过程中动态地计算参考温度s2，参考。因此，如果所监测的温度s4改变，那么计算出的参考温度s2，参考也相应地改变。为此目的，温度s4是适当的参数，因为在蒸气压缩系统的稳态操作中，温度s4是最冷的信号，并且温度s4的变化与离开蒸发器的制冷剂的露点温度直接相关。因此，如果离开蒸发器的制冷剂的露点温度升高，那么流动远离蒸发器的空气的温度s4也升高。类似地，如果(例如，由于吸入压力降低)离开蒸发器的制冷剂的露点温度下降，那么流动远离蒸发器的空气的温度s4也降低。

此外，由于参考温度s2，参考是基于最大温度差(s4-s2)最大来计算的，因此该参考温度如上所述同样反映了离开蒸发器的制冷剂的温度s2可以进一步安全地降低多少。

计算参考温度s2，参考的步骤可以例如使用计算器来执行，该计算器可以例如是或形成控制器或微处理器的一部分。

最后，基于计算出的参考温度s2，参考并且为了获得与计算出的参考温度s2，参考基本上相等的离开蒸发器的制冷剂的温度s2来控制到蒸发器的制冷剂供应。由此确保了控制到蒸发器的制冷剂供应，其方式为将离开蒸发器的制冷剂的过热度维持在安全水平，而不必计算过热度值或测量离开蒸发器的制冷剂的压力。

计算参考温度s2，参考的步骤可以包括在预定义的前一时间间隔过程中计算流动远离蒸发器的空气的温度s4的平均温度根据这个实施例，在适当长度的时间间隔过程中获得温度s4的平均值或均值，并且使用所获得的平均值代替瞬时测量的温度s4来计算参考温度s2，参考。由此，当计算参考温度s2，参考时应用的温度值代表在空气远离蒸发器流动的位置处跨蒸发器流动的空气中占主导的典型温度，并且没有考虑短时间内的任何扰动或变化。

预定义的前一时间段可以例如简单地是在紧接当前时间点之前消逝的给定长度的时间段。作为替代方案，预定义的前一时间段可以是前一个夜间时间或前一个日间时间。在这种情况下，在日间可以应用一个平均温度并且在夜间可以应用另一个平均温度。

在这种情况下，参考温度s2，参考可以被计算为：

其中，δ是恒定安全值。

根据这个实施例，参考温度s2，参考被计算为在流动远离蒸发器的空气的温度的平均值与系统识别阶段的过程中确定的最大温度差(s4-s2)最大之间的差值。原则上，这将提供与零过热度值(sh＝0)相对应的参考温度s2，参考。然而，为了提供离开蒸发器的制冷剂的受控温度的安全裕量，由此确保离开蒸发器的制冷剂的过热度值不会变得极低而冒有液态制冷剂穿过蒸发器的风险，增加了恒定安全值δ。因此，根据这个实施例，控制到蒸发器的制冷剂供应，其方式为获得离开蒸发器的制冷剂的最佳过热度值。

可以使用比例积分(pi)调节器来执行控制到蒸发器的制冷剂供应的步骤。这是标准部件，并且它提供了非常简单的方式来控制蒸气压缩系统。将计算出的参考温度s2，参考和离开蒸发器的制冷剂的所测量的温度s2供应至pi调节器，并且基于此对到蒸发器的制冷剂供应进行控制，其方式为在所测量的温度s2高于参考温度s2，参考的情况下增加制冷剂供应，在所测量的温度s2低于参考温度s2，参考的情况下减少制冷剂供应。

作为替代方案，可以应用其他传统的调节器。

该方法还可以包括以下步骤：在系统识别阶段的过程中，确定一个或多个系统动态参数、将这些系统动态参数供应到比例积分(pi)调节器、并且根据这些系统动态参数设计比例积分(pi)调节器。根据这个实施例，pi调节器是根据关于系统动态的实际信息来设计的。这确保了准确控制到蒸发器的制冷剂供应。

系统动态参数可以例如包括蒸气压缩系统的各种时间常数、时间延迟和/或增益。

控制到蒸发器的制冷剂供应的步骤还可以包括以下步骤：

-获得跨蒸发器的空气流的空气温度t空气，

-将所获得的空气温度t空气与参考值t空气，参考进行对比，并且

-基于比较步骤并且基于计算出的参考温度s2，参考来控制到蒸发器的制冷剂供应。

根据这个实施例，进一步控制到蒸发器的制冷剂供应，以便获得跨蒸发器流动的空气的希望温度。这将典型地对应于制冷体积内部的空气的温度。因此，对到蒸发器的制冷剂供应进行控制，以便获得制冷体积内部的希望温度。

空气温度t空气可以是朝向蒸发器流动的空气(即，在空气被蒸发器冷却之前)的温度、流动远离蒸发器的空气(即，紧接空气已经被蒸发器冷却之后)的温度、或者朝向蒸发器流动的空气的温度与流动远离蒸发器的空气的温度的加权值。以此方式考虑空气温度确保了膨胀阀的开度和由此到蒸发器的制冷剂供应以平滑且连续的方式变化。

考虑到离开蒸发器的制冷剂的温度以及空气温度，使用单个pi调节器可以控制到蒸发器的制冷剂供应。

附图说明

现在将参照附图更详细地描述本发明，在附图中

图1是用于执行根据本发明的实施例的方法的蒸气压缩系统的一部分的简图，

图2是展示了使用根据本发明的实施例的方法操作蒸气压缩系统的过程中膨胀阀的开度与各种温度测量值的曲线图，并且

图3是展示了根据本发明的实施例的方法的框图。

具体实施方式

图1是用于执行根据本发明的实施例的方法的蒸气压缩系统1的一部分的简图。蒸气压缩系统1包括蒸发器2，该蒸发器连同一个或多个压缩机(未示出)和一个或多个冷凝器(未示出)被安排在制冷剂路径中。膨胀阀3也被安排在该制冷剂路径中，以用于控制到蒸发器2的制冷剂供应。

蒸气压缩系统1还包括许多温度传感器。第一温度传感器4被安排在该制冷剂路径中在蒸发器2的出口后。因此，第一温度传感器4测量温度信号s2，该温度信号代表离开蒸发器2的制冷剂的温度。

第二温度传感器5被安排在跨蒸发器2的次级空气流中、在空气到达蒸发器2之前的位置处。因此，第二温度传感器5测量温度信号s3，该温度信号代表朝向蒸发器2流动的空气的温度。应当注意，为了执行根据本发明的方法的目的，第二温度传感器5可以省去。

第三温度传感器6被安排在跨蒸发器2的次级空气流中、在空气已经通过蒸发器2之后的位置处。因此，第三温度传感器6测量温度信号s4，该温度信号代表流动远离蒸发器2的空气的温度。

在系统识别阶段的过程中，膨胀阀3的开度被交替地增大和减小。同时地，监测温度信号s2和s4，并且将其供应到参考温度计算器7。在参考温度计算器7中，基于所测量的温度信号s2和s4确定最大温度差(s4-s2)最大。以下将参照图2更详细地对此进行描述。参考温度计算器7可以例如是或形成控制器或微处理器的一部分。

当已经完成系统识别阶段时，监测温度信号s4并将其供应到参考温度计算器7。然后参考温度计算器7基于所监测的温度s4以及在系统识别阶段的过程中确定的最大温度差(s4-s2)最大来计算参考温度s2，参考。参考温度s2，参考可以例如被计算为：

其中，是在预定义的前一时间间隔过程中获得的s4的平均值，并且δ是恒定安全值。以这种方式计算出的参考温度s2，参考代表离开蒸发器2的制冷剂的温度，该温度提供了制冷剂的最佳过热度。

计算出的参考温度s2，参考被供应到比例积分(pi)调节器8。此外，监测温度信号s2并且将其供应到pi调节器8。基于此，pi调节器8生成用于膨胀阀3的控制信号。响应于控制信号，膨胀阀3调整开度以及由此的到蒸发器2的制冷剂供应，以便获得与计算出的参考温度s2，参考基本上相等的离开蒸发器2的制冷剂的温度s2。

此外，将温度信号s3和s4供应到传感器选择单元9。传感器选择单元9选择：是将温度信号s3和s4中的一者选择作为代表在制冷体积内部占主导的温度的空气温度t空气还是选择这两个温度信号s3和s4的加权值。该选择可以例如基于传感器5和6的可用性、或者基于安装者的选择。基于该选择，生成温度信号t空气，并且将t空气供应到空气跟踪单元10。

同样将参考空气温度t空气，参考供应到空气跟踪单元10。参考空气温度t空气，参考代表制冷体积内部(即，跨蒸发器2流动的空气中)希望的参考或目标温度。

空气跟踪单元10将温度信号t空气与参考空气温度t空气，参考进行对比并且生成被供应到pi调节器8的信号。所生成的信号表明了实际空气温度t空气到参考空气温度t空气，参考的接近程度。因此，当pi调节器8生成用于膨胀阀3的控制信号时，考虑到还可能需要对膨胀阀3的开度进行调节以便获得跨蒸发器2流动的空气的希望温度。因此，对膨胀阀3的开度和由此的到蒸发器2的制冷剂供应进行控制，以便获得离开蒸发器2的制冷剂的参考温度s2，参考并且以便获得制冷体积内部跨蒸发器2流动的空气的参考温度t空气，参考。

蒸气压缩系统1还配备有安全逻辑11以便检测可能的误差或安全问题。例如，安全逻辑11可以检测是否存在蒸发器2溢流的风险，即，离开蒸发器2的制冷剂的过热度值是否接近于零。

图2是展示了使用根据本发明的实施例的方法操作蒸气压缩系统的过程中膨胀阀的开度与各种温度测量值的曲线图。蒸气压缩系统可以例如是图1中所展示的蒸气压缩系统。

图2的曲线图展示了对蒸气压缩系统的三个不同的控制阶段，即，降温阶段、系统识别阶段以及正常控制阶段。

在降温阶段之前，蒸气压缩系统已经在一段时间内不工作。因此，在蒸气压缩系统中占主导的所有温度s2、s3和s4已经均衡在基本上相同的温度水平上。

在降温阶段开始时，膨胀阀的开度12被设定为最大值以便尽可能快地填充蒸发器，由此驱动测量的温度下降。温度信号s2代表离开蒸发器的制冷剂的温度，温度信号s3代表朝向蒸发器流动的空气的温度，并且温度s4代表流动远离蒸发器的空气的温度，如以上参照图1所描述的。

从图2可以看出，在降温阶段的过程中，相比于其他测量的温度s2和s3，流动远离蒸发器的空气的温度s4初始降低得更快。这是由于蒸发器以有效率的方式冷却跨蒸发器流动的空气。朝向蒸发器流动的空气的温度s3和离开蒸发器的制冷剂的温度s2也降低，但是速率较低。

在某一时间点，离开蒸发器的制冷剂的温度s2急剧降低。这表明了液态制冷剂遍及蒸发器的几乎整个长度，并且正在接近零过热度情况。因此，降温阶段结束，并且开始系统识别阶段。

在系统识别阶段的过程中，膨胀阀的开度12在最大值与最小值之间交替地增大和减小。此外，对温度信号s2、s3和s4进行监测。

由图2可以看出膨胀阀的开度12的交替增大和较小导致了离开蒸发器的制冷剂的温度s2显著的降低和升高。这是由于蒸发器几乎被填满了液态制冷剂，膨胀阀的开度12以及由此的到蒸发器的制冷剂供应的变化由此显著地影响了离开蒸发器的制冷剂的温度s2。

由于空气被蒸发器冷却，流动远离蒸发器的空气的温度s4同样在系统识别阶段的过程中变化，并且流动远离蒸发器的空气的温度s4因此取决于蒸发温度。然而，流动远离蒸发器的空气的温度s4的变化小于离开蒸发器的制冷剂的温度s2的变化。

最后，朝向蒸发器流动的空气的温度s3在系统识别阶段过程中简单地持续降低，只具有不显著的变化。

对于膨胀阀的开度12的每个增大和减小的时间段，监测在离开蒸发器的制冷剂的温度s2与流动远离蒸发器的空气的温度s4之间的温度差(s4-s2)，并且确定温度差的最大值。一旦完成系统识别阶段，最大温度差(s4-s2)最大就被确定为是在增大和减小膨胀阀的开口度12的时间段过程中确定的温度差(s4-s2)的最大值。最大温度差(s4-s2)最大被供应到参考温度计算器，并且被用于以上述方式计算参考温度s2，参考。

因此，最大温度差(s4-s2)最大提供了给定情形下关于离开蒸发器的制冷剂的温度s2距最佳过热度值有多远的信息、以及由此的关于在蒸发器没有溢流风险的情况下(即，液态制冷剂被允许穿过蒸发器)温度s2可以被进一步降低多少的信息。基于最大温度差(s4-s2)最大计算出的用于离开蒸发器的制冷剂的参考温度s2，参考因此考虑了这一信息。

最后，开始正常控制阶段。在这个阶段过程中，对膨胀阀的开度12进行控制，以便获得离开蒸发器的制冷剂的温度s2，该温度基本上等于参考温度s2，参考。基于在系统识别阶段的过程中确定的最大温度差(s4-s2)最大并且基于流动远离蒸发器的空气的所监测的温度s4来连续计算参考温度s2，参考。

图3是展示了根据本发明的实施例的例如用于控制图1的蒸气压缩系统的方法的框图。

空气温度t空气和参考空气温度t空气，参考例如参考图1以上述方式被供应到空气跟踪单元10的比较器13。比较器13的输出经过过滤器14，并且在信号从空气跟踪单元10供应到比例积分(pi)调节器8的积分部分之前给信号施加增益15。

此外，参考温度计算器7计算离开蒸发器的制冷剂的参考温度s2，参考。基本上以上述方式计算参考温度s2，参考，并且将其供应到比较器16，该参考温度在比较器处与离开蒸发器的制冷剂的测量温度s2进行对比。

比较器16的输出被供应至pi调节器8。基于从空气跟踪单元10和参考温度计算器7接收的输入，pi调节器8生成用于膨胀阀的控制信号，以便控制膨胀阀的开度，其方式为使得离开蒸发器的制冷剂的温度s2基本上等于计算出的参考温度s2，参考，并且其方式为获得与参考空气温度t空气，参考相等的空气温度t空气。从空气跟踪单元10接收的输入确保以平滑的方式控制膨胀阀的开度。