蒸气压缩系统及用于控制蒸气压缩系统的方法
【技术领域】
[0001]本发明总体涉及蒸气压缩系统，并且更具体地涉及控制蒸气压缩系统的操作。
【背景技术】
[0002]诸如热栗、制冷和空气调节系统的蒸气压缩系统被广泛使用于工业和住宅应用中。蒸气压缩系统是电能的较大消费主体，并且需要冷却和加热的有效手段。期望改进蒸气压缩循环的操作效率，而不会增加蒸气压缩系统的部件成本。
[0003]将变速压缩机、变位阀和变速风扇引入到蒸气压缩循环已大大改进了操作灵活性。然而，灵活性提高的这些可变致动器需要严格控制制冷剂质量的流量。通过蒸发制冷剂实现环境(例如，房间内的空间或杂货店中的陈列柜)的冷却。冷却包括蒸发工艺，由此物质从液体转换为蒸气。，该工艺在热量被制冷剂吸收时发生，从而从待冷却的空间去除热量。在此工艺期间，当一些制冷剂在液相中并且一些制冷剂在气相中时，制冷剂被认为是两相混合物。
[0004]该蒸发工艺发生在通常被称为蒸发器的热交换器中。对于最节能的操作，应该严格控制进入蒸发器的制冷剂的量。理想的情况下，具有部分液体及部分蒸气的两相混合物的制冷剂进入蒸发器，并且随着制冷剂离开蒸发器而经由蒸发工艺完全转换为蒸气。如果太少的制冷剂进入蒸发器，则在制冷剂离开蒸发器之前所有的制冷剂过早转换为气相，这意味着相当大的一部分的蒸发器表面积未用于执行冷却，从而减小了系统的效率。相反，如果太多的制冷剂被允许进入蒸发器，则仍在部分液相状态下使制冷剂离开蒸发器，这意味着充分发挥潜力来执行有益的冷却并未在蒸发器中得以执行，还减小了效率。此外，制冷剂的离开蒸发器的液体成分可以被摄取到压缩机中，这可能潜在地导致损坏。
[0005]蒸发工艺一般是恒温过程(蒸发温度取决于蒸发期间的材料属性和制冷剂压力)。在完全蒸发之后，另外传递到气相制冷剂的热量导致制冷剂温度的温度提高。提高的气相温度与蒸发温度之间的温度差被称为过热温度。离开蒸发器且已完全蒸发为气相的制冷剂呈现大于蒸发温度的温度，换句话说，具有正的过热温度。适当控制蒸发器出口处的制冷剂过热温度优化了效率，并且保护蒸气压缩设备。
[0006]为了直接测量制冷剂过热，各种方法确定通向蒸发器的进口处的蒸发温度，这需要测量蒸发压力。在测量蒸发压力之后，可以使用制冷剂性能来计算蒸发温度。还测量蒸发器出口处的蒸气温度，并且将过热计算为测量的出口蒸气温度与蒸发温度的差。这种直接测量方法需要至少一个压力传感器和一个(通常多于两个)温度测量仪器。用于测量制冷剂压力的传感器是昂贵且通常不可靠的，因此过热的直接测量通常受限于非常昂贵的系统，其可能要容忍高部件成本并且提供冗余的感测手段。
[0007]胜于直接地测量过热，可以使用不那么昂贵的温度传感器来估算过热。例如，U.S.6，769，264描述了一种用布置在蒸发器热交换器的进口和出口附近的两个专用温度传感器来估计过热的方法。虽然该方法可估算合理精度的过热温度，但该方法仍需要特别位于热交换器上的位置的额外专用温度传感器。所述额外传感器增加了机器成本。
[0008]U.S.5，311，748教导的是，可使用压缩机排放温度(离开压缩机的制冷剂温度)和室外空气温度的组合以控制过热这样的方式来控制制冷剂。使用这些传感器计算出控制正确的制冷剂量的阀位置。虽然该方法避免了不必要的热交换器温度或压力传感器，但是该方法不适合具有变速压缩机的蒸气压缩系统。
[0009]鉴于以上考虑，在本领域中需要有一种测量进入蒸发器的制冷剂量以优化具有变速压缩机的蒸气压缩系统的效率和成本的方法。
【发明内容】
[0010]本发明的一些实施方式确定蒸发器正确的制冷剂量，无需使用压力传感器或不依赖于专用的热交换器温度传感器。例如，本发明的一个实施方式只使用出于备用原因(诸如设备保护及监测)装设的蒸气压缩系统的传感器。以这种方式，可以保持有效操作，同时保持部件成本降至最低。
[0011]此外，本发明的各种实施方式明确地应用于变速压缩机，其影响排放温度以及阀位置而破坏蒸气压缩系统的操作。实际上，一些实施方式调节具有变速压缩机的蒸气压缩系统的过热，并且采用不需要额外的传感器的方式。
[0012]本发明的一些实施方式基于以下实现策略:排放温度使小的正过热温度变化与室外空气温度和压缩机速度有关。进一步认识到，这两个因素可以考虑计算实现期望的过热温度的正确的排放温度。
[0013]本发明的一些实施方式基于另一实现策略:在变速蒸气压缩系统中，压缩机速度可作为用户启动室内设定点温度的改变的回应而突然改变，导致排放温度突然改变。然而，由于压缩机速度的可变性质和独立控制，排放温度的这种突然改变可能破坏整个蒸气压缩系统的操作。
[0014]因此，本发明的一些实施方式的目的是提供用于稳定地操作用减小的多个传感器和变速压缩机操作的蒸气压缩系统的各种部件的控制的一种系统和一种方法。
[0015]因此，一个实施方式公开了一种用于控制包括变速压缩机的蒸气压缩系统的方法。所述方法包括以下步骤:使用所述压缩机的速度及室外空气温度的值和所述压缩机的排放温度的值之间的映射来确定所述压缩机的期望排放温度；确定用于将当前排放温度转换为所述期望排放温度的转换函数，使得所述转换函数是连续的并且该转换函数的变化率受到限制；以及控制所述蒸气压缩系统的阀，使得基于所述转换函数将所述排放温度转换为所述期望排放温度。所述方法的步骤由处理器执行。
[0016]另一实施方式公开了一种用于控制蒸气压缩系统的方法，所述方法包括以下步骤:确定期望排放温度；使用转换函数对所述期望排放温度进行滤波，以产生速率受限的排放温度；以及控制所述蒸气压缩系统的阀，使得实际排放温度与速率受限的排放温度之间的误差最小化。所述方法的步骤由处理器执行。
[0017]又一实施方式公开了一种蒸气压缩系统，所述蒸气压缩系统包括:压缩机，所述压缩机具有用于在该系统中压缩以及栗送制冷剂的速度，其中所述压缩机的所述速度是可变的并且由压缩机控制装置控制，所述压缩机控制装置被构造成响应于一个或更多个环境参数的改变来确定并调整所述压缩机的所述速度；阀，所述阀用于在所述蒸气压缩系统的高压部和低压部之间提供可调整压力，其中阀控制装置控制膨胀阀。所述系统还包括:第一温度传感器，所述第一温度传感器用于测量所述压缩机的实际排放温度；第二温度传感器，所述第二温度传感器用于测量室外空气温度；存储器，所述存储器用于存储所述压缩机的所述速度及所述室外空气温度的值和所述压缩机的所述排放温度的值之间的映射；处理器，所述处理器操作性地连接到所述存储器，所述压缩机控制装置和所述第二传感器，以使用所述室外空气温度、所述压缩机的所述速度和所述映射来确定期望排放温度；以及反馈控制器，所述反馈控制器用于生成针对所述阀控制装置的命令，以减小由所述第一温度传感器测量的所述实际排放温度与根据转换函数确定的速率受限的期望排放温度之间的误差。
【附图说明】
[0018]图1是根据本发明的一个实施方式的蒸气压缩系统的框图；
[0019]图2A是根据本发明的一个实施方式的蒸气压缩系统的压缩机的排放温度、压缩机的速度和室外空气温度之间的映射的图示；
[0020]图2B是代表根据本发明的另一实施方式的映射的表；
[0021]图3A是排放温度的改变值与实际排放温度值和期望排放温度值之间的误差之间的时间相关的关系；
[0022]图3B是采用结合图3A描述的一些原理的根据本发明的一个实施方式用于控制蒸气压缩的方法的框图；
[0023]图4A是根据另一实施方式的反馈控制回路的示意图；
[0024]图4B是根据另一实施方式用于控制蒸气压缩系统的方法的框图；以及
[0025]图5是根据本发明的一个实施方式凭经验确定转换函数的平滑因子的图示。
【具体实施方式】
[0026]本发明的各种实施方式提供以下系统和方法:用于使用限制的多个传感器和处理信号来控制蒸气压缩系统的制冷剂量，使得系统的稳定性得以保持并且优化了效率。为了描述一些实施方式的原理，示例性蒸气压缩系统为以冷却模式(即，去除来自室内环境的热量)操作的空气调节器。然而，该示例并不意在限制本发明的范围，并且各种实施方式拟定涵盖蒸气压缩系统(以冷却以及加热模式操作的空气调节器、冷水机、冷冻机，等)的所有操作模式。
[0027]图1示出了根据本发明的一些实施方式的蒸气压缩系统100的框图。系统100的示例为实施蒸气压缩循环的任何加热、通风、空气调节(HVAC)系统。通常情况下，使用具