制冷系統冷凝器風扇控制的制作方法
【專利摘要】本發明提供一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器和變速冷凝器風扇的制冷系統的方法。所述方法包括：確定環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值；如果所述環境溫度或所述壓縮機吸入壓力的所述變化高于所述預先確定的閾值，那么確定近最優冷凝壓力/溫度；基于所述確定的近最優冷凝壓力/溫度來設定冷凝壓力設定點；以及基于所述冷凝壓力設定點來設定變速冷凝器風扇的速度。
【專利說明】制冷系統冷凝裔風扇丨￡制發明領域
[0001]本文公開的主題涉及制冷系統，并且更具體地說涉及對運輸制冷系統的冷凝器風扇控制優化。
技術背景
[0002]通常使用如冷凍拖車的控溫貨物集裝箱來運輸食物產品和其它溫度敏感產品。冷凍拖車通常包括一般安裝于拖車前壁上的制冷機組，所述制冷機組有一部分突出至拖車內部。在一些已知拖車中，燒燃料的發動機可用于驅動制冷系統的壓縮機。
[0003]燃料使用和燃料效率在運輸制冷系統的評估中很關鍵。為了減少燃料使用或改進燃料效率，尤其在部分負荷條件下，一些運輸制冷系統從單速技術移至變頻驅動(VFD)或多速驅動(MSD)技術。需要適當控制VFD和MSD以便獲得重大改進。
發明概要
[0004]—方面，提供一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器和變速冷凝器風扇的制冷系統的方法。所述方法包括:確定環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值；如果環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化高于預先確定的閾值，那么確定近最優冷凝壓力/溫度；基于確定的近最優冷凝壓力/溫度來設定冷凝壓力設定點；以及基于冷凝壓力設定點來設定變速冷凝器風扇的速度。
[0005]除了上述一個或多個特征以外，或作為替代，其它實施方案可包括:其中確定近最優冷凝壓力/溫度的步驟包括確定環境溫度，確定離開蒸發器的飽和溫度，確定壓縮機速度，以及基于確定的環境溫度、離開蒸發器的飽和溫度和壓縮機速度來確定近最優冷凝壓力/溫度；其中近最優冷凝壓力/溫度是使用本文描述的方程(I)來確定；確定制冷系統的第一總功率消耗并且設定為當前最小功率(Wmin)，使變速冷凝器風扇的速度減小預先確定的量，隨后確定制冷系統的第二總功率消耗并且設定為當前功率(Wcur)，并且確定Wcur是否大于Wmin ;如果Wcur大于Wmin，那么使變速冷凝器風扇的速度增加預先確定的量；和/或隨后確定制冷系統的第三總功率消耗并且設定為當前功率(Wcur)，并且確定Wcur是否大于Wmin0
[0006]另一方面，提供一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器和多速冷凝器風扇的制冷系統的方法。所述方法包括:確定環境溫度或吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值；如果環境溫度或吸入壓力的變化大于預先確定的閾值，那么確定冷凝壓力(Pcd);確定上限冷凝壓力(Pcd_upbound);確定下限冷凝壓力(Pcd_lowbound);以及基于確定的冷凝壓力Pcd和上限冷凝壓力Pcd_upbound和下限冷凝壓力Pcd_lowbound中的至少一個來設定多速冷凝器風扇的速度。
[0007]除了如上所述的一個或多個特征以外，或作為替代，其它實施方案可包括:其中確定冷凝壓力Pcd包括使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中條件是環境溫度、蒸發器出口飽和溫度/壓力和壓縮機速度的函數；其中確定上限冷凝壓力PccLupbound包括使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中條件包括環境溫度、蒸發器出口飽和溫度或箱內溫度、車輛行駛/停止狀態和壓縮機速度；其中確定下限冷凝壓力Pcd_1wbound包括使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中條件包括環境溫度、蒸發器出口溫度或箱內溫度、車輛行駛/停止狀態和壓縮機速度；確定Pcd是否大于Pcd_upbound ;如果Pcd大于Pcd_upbound，那么以高速模式來操作多速冷凝器風扇；確定Pcd是否大于Pcd_lowbound ;如果Pcd大于Pcd_lowbound，那么以低速模式來操作多速冷凝器風扇；和/或如果Pcd小于或等于Pcd_lowbound，那么關閉多速冷凝器風扇。
[0008]另一方面，提供一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器、變速冷凝器風扇和多速冷凝器風扇的制冷系統的方法。所述方法包括:確定環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值；控制變速冷凝器風扇的速度；以及控制多速冷凝器風扇的速度。控制變速冷凝器風扇的速度包括:如果環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化高于預先確定的閾值，那么確定近最優冷凝壓力/溫度；基于確定的近最優冷凝壓力/溫度來設定冷凝壓力設定點；以及基于冷凝壓力設定點來設定變速冷凝器風扇的速度。控制多速冷凝器風扇的速度包括:如果環境溫度或吸入壓力的變化大于預先確定的閾值，那么確定冷凝壓力(Pcd);確定上限冷凝壓力(Pcd_upbound);確定下限冷凝壓力(Pcd_lowbound);以及基于確定的冷凝壓力Pcd和上限冷凝壓力Pcd_upbound和下限冷凝壓力Pcd_lowbound中的至少一個來設定多速冷凝器風扇的速度。
[0009]附圖簡述
在本說明書結尾部分的權利要求書中，具體地指出被視作是本發明的主題并且清楚地要求保護所述主題。本發明的前述和其它特征和優點根據結合附圖進行的以下詳述變得明顯，在附圖中:
圖1是示例性制冷系統的示意圖；
圖2是控制圖1示出的制冷系統的第一示例性方法的控制流程圖；以及圖3是控制圖1示出的制冷系統的第二示例性方法的控制流程圖。
【具體實施方式】
[0010]圖1示出制冷系統10。在示例性實施方案中，制冷系統10可操作地與控溫貨物集裝箱(未示出)相關聯，所述貨物集裝箱被配置來經由使用制冷系統10將位于貨物集裝箱內的貨物維持在選定溫度。貨物集裝箱可用于經由例如卡車、火車或船只來運輸貨物。運輸制冷應用由于其廣泛范圍的操作條件而不同于其它應用。舉例來說，環境溫度可從130 T至-20 °F變化，并且貨物集裝箱可設定于100 °?與-22 °F之間的溫度。然而，系統10可用于各種其它制冷應用中。
[0011]制冷系統10由發電系統12供電，所述發電系統一般包括流體連接至燃料箱16的發動機14。雖然描述為制冷系統，但是系統10可為任何合適的環境調節系統。舉例來說，系統10可為卡車的駕駛室空調機組。
[0012]制冷系統10 —般包括壓縮機22、冷凝器24、膨脹設備26和蒸發器28。如所示出，系統10可包括接收器30、過冷卻器32、吸液式熱交換器34、累積器36和抽吸調節閥38。
[0013]制冷系統10是制冷劑以各種狀態(如液體和蒸氣)在其中循環的閉環系統。因此，低溫、低壓過熱氣體制冷劑經由導管40從蒸發器28抽吸至壓縮機22中。制冷劑被壓縮并且所得的高溫、高壓過熱氣體經由導管42從壓縮機22排放至冷凝器24。
[0014]在冷凝器24中，氣態制冷劑在放出熱量時冷凝成液體。過熱氣體制冷劑進入冷凝器24并且經由熱交換器過程被降溫、冷凝和過冷卻，其中冷凝器風扇44迫使空氣穿過冷凝器24以吸收熱量。液體制冷劑從冷凝器24排放出來并且經由導管46由接收器30供應至過冷卻器32。制冷劑由來自冷凝器風扇44的空氣進一步過冷卻并且經由導管48供應至吸液式熱交換器34。
[0015]在示例性實施方案中，吸液式熱交換器34使來自冷凝器24的液體制冷劑相對于來自蒸發器28的已蒸發和/或正在蒸發的制冷劑來冷卻。冷卻的液體制冷劑隨后經由導管50供應至蒸發器28。冷卻的液體制冷劑穿過計量或膨脹設備26 (例如，膨脹閥)，所述計量或膨脹設備將相對較高溫度、高壓過冷卻液體轉化成低溫飽和液體-蒸氣混合物。
[0016]然后，低溫飽和液體-蒸氣制冷劑混合物進入蒸發器28，所述混合物在所述蒸發器中沸騰并且當它從集裝箱中的空氣(或其它熱交換流體)吸收了所需的蒸發熱量時，狀態變成過熱氣體。然后，低壓過熱氣體以與熱交換器34進行熱交換的關系來傳送，所述低壓過熱氣體在所述熱交換器中進一步加熱以增加氣體的過熱并且蒸發可通過蒸發器28的任何剩余液滴。然后，過熱氣體被抽吸至壓縮機22的入口中并且循環重復。
[0017]在示例性實施方案中，制冷系統10包括熱氣閥53、主要加熱閥55和旁路導管52，所述旁路導管在壓縮機22下游的導管42與蒸發器28上游的導管50之間延伸。旁路導管52可選擇性地用于迫使來自壓縮機22的高溫制冷劑直接流至蒸發器28以便以冷卻模式對蒸發器28除霜或以加熱模式加熱。此外，制冷系統10可包括節能裝置循環(未示出)。
[0018]冷凝器循環中利用冷凝器風扇44，并且在一些實施方案中，可利用一個以上冷凝器風扇44。冷凝器風扇44可為變速冷凝器風扇和/或多速冷凝器風扇。變速冷凝器風扇44可與變頻驅動(VFD)可操作地相關聯，并且多速冷凝器風扇44可與多速驅動(MSD)可操作地相關聯。
[0019]使用可變/多速風扇44有助于通過控制風扇速度來調整或調節系統10的冷凝壓力/溫度。舉例來說，較低冷凝器風扇速度導致風扇44使用的功率較少。然而，這導致較高冷凝壓力/溫度，從而需要更多壓縮機壓力提升并且導致壓縮機功率消耗和發動機燃料使用有所增加。因此，存在壓縮機功率與冷凝器風扇功率之間的平衡，并且制冷系統10包括控制器60，所述控制器被配置來優化冷凝器風扇44的控制以使風扇44和壓縮機22的總功率消耗減小到最低限度且/或使發動機14的燃料效率增加到最大限度。如本文所使用，術語控制器是指專用集成電路(ASIC)、電子電路、執行一個或多個軟件或固件程序的處理器(共用、專用或群組)和存儲器、組合邏輯電路，和/或提供所描述功能的其它合適部件。
[0020]控制器60被配置來確定最優冷凝壓力/溫度設定點，其可定義為:調整冷凝器風扇速度以便在制冷系統10以最低功率消耗操作的同時維持此冷凝壓力/溫度設定點。最優冷凝壓力/溫度可由以下示出的方程(I)抽象地計算。此外，最優壓力/溫度設定點可保存于表中，并且控制器60可搜索所述表以獲得針對給定測量變量(例如，所測量的環境溫度、蒸發器出口壓力或飽和溫度或箱內溫度、車輛是否具有行駛或停止狀態，和壓縮機速度)的最優冷凝壓力/溫度。因此，確定的最優冷凝壓力/溫度對應于冷凝器風扇的某個速度。
[0021]方程⑴= f (Talllb，Tsoutjevap) X CFconp,
其中是冷凝壓力或溫度的最優設定點，Tanib是環境溫度，T OTap是蒸發器出口的飽和溫度，并且CFronip是考慮到壓縮機速度的校正因子。壓縮機速度校正因子可為以每分鐘轉數為單位的壓縮機速度的函數f (rpm)。在一個實施方案中，壓縮機速度校正因子可為以每分鐘轉數為單位的壓縮機速度的非線性函數。
[0022]因此，控制器60隨后在對應于最優冷凝壓力/溫度設定點(其是所測量的環境溫度、蒸發器出口壓力/飽和溫度和壓縮機速度的函數)的速度下操作風扇44，從而考慮到運輸行駛對冷凝器空氣流的影響來為系統10提供最具有燃料效率的條件。燃料效率可定義為系統10容量與燃料消耗的比率。通過使用方程(I)或預先保存的表，可獲得最優冷凝壓力/溫度(對應于最高系統效率)。控制器60可通過改變風扇速度來控制系統10的冷凝壓力以達到設定點或在設定點的預先確定的范圍內，如對于變速風扇44使用比例積分微分(PID)控制器或對于多速風扇44使用邏輯控制。
[0023]然而，在一些情況下，由函數或表定義的最優冷凝壓力/溫度可能并不是計算風扇速度的最佳值，這是由于摸擬/計算誤差和或未能考慮到車輛運行或未運行時的空氣流影響。因此，可使用系統功率消耗測量和試驗過程來找出實際最優冷凝壓力/溫度。因此，對于變速冷凝器風扇44和多速冷凝器風扇44中的每一個，優化控制可為不同的，如本文更詳細地描述。
[0024]圖2示出通過對冷凝器風扇44的特殊控制使制冷系統10的功率和/或燃料消耗減小到最低限度的示例性方法100。在示例性實施方案中，冷凝器風扇44是變速風扇。
[0025]方法100包括具有粗略搜索102和精細搜索104的兩級優化。粗略搜索102 —般包括確定近最優冷凝壓力/溫度設定點，這個設定點是使用基于離線摸擬結果的預定義函數來計算，如本文所描述。然后，可將變速風扇44設定于產生并且維持近最優冷凝壓力/溫度設定點的速度。每當有環境和/或操作條件的顯著變化時，可根據確定的近最優冷凝壓力/溫度來更新冷凝壓力/溫度設定點。為了進一步改進系統效率，可使用精細搜索104經由微擾來確定最優冷凝壓力/溫度，如本文更詳細地描述。
[0026]進一步參考圖2，方法100包括在步驟110中確定環境空氣溫度和/或壓縮機吸入壓力的變化是否超過預先確定的閾值。如果成立，那么控制進行至粗略搜索102并且在步驟112中通過使用例如方程(I)的計算來計算近最優冷凝壓力/溫度。在步驟114中，更新冷凝壓力/溫度設定點(例如，每秒一次)，并且在步驟115中，控制器60調節風扇速度以維持設定點。在步驟116中，確定(例如，通過電流和電壓傳感器來測量)制冷系統10的總功率消耗的讀數并且設定為當前最小功率Wmin。此時，控制返回到步驟110。
[0027]如果步驟110不成立，控制進行至精細搜索104。在步驟118中，使冷凝器風扇速度減小預定義的階躍變化(例如，1%)。在步驟120中，再次確定總功率消耗并且設定為當前功率Wcur。
[0028]在步驟122中，確定Wcur是否大于Wmin。如果不成立，那么控制進行至步驟124，其中將Wcur設定為新的最小功率Wmin，并且控制隨后返回到步驟110。可重復步驟110-124，直到Wcur大于Wmin為止，然后改變搜索方向(步驟126)。
[0029]如果步驟122成立，那么控制進行至步驟126并且使冷凝器風扇速度增加預定義的階躍變化(例如，1%)。在步驟128中，再次確定總功率消耗并且設定為當前功率Wcur。在步驟130中，確定Wcur是否大于Wmin0
[0030]如果不成立，那么控制進行至步驟132，其中將Wcur設定為新的最小功率Wmin，并且控制隨后返回到步驟126。可重復步驟126-132，直到Wcur大于Wmin為止，其中達到最小功率。如果步驟130成立，那么控制返回到步驟110。
[0031]因此，精細搜索104從近最優設定點開始，隨后使冷凝器風扇速度減少/增加較小預定義變化。如果總功率減小，那么搜索在相同方向上繼續(即，減小或增加)。否則，搜索在相反方向上進行(增加/減小設定點)。如果總功率開始增加，那么設定點不能再改進并且處于最優冷凝壓力/溫度。
[0032]圖3示出通過對冷凝器風扇44的特殊控制使制冷系統10的功率和/或燃料消耗減小到最低限度的示例性方法200。在示例性實施方案中，冷凝器風扇44是具有高速模式和低速模式的多速風扇。然而，多速冷凝器風扇44可具有在各種速度下操作的許多模式。
[0033]方法200包括控制優化來確定如何在不同操作條件下使多速風扇44在不同速度模式之間切換。選擇冷凝壓力/溫度作為標準變量，并且可通過經驗函數來計算閾值(上限和下限冷凝壓力/溫度)并且使其與摸擬結果曲線擬合。
[0034]進一步參考圖3，方法200包括在步驟202中確定環境空氣溫度和/或壓縮機吸入壓力的變化是否已超過預先確定的閾值。如果不成立，那么控制返回到步驟202。如果成立，那么在步驟204中確定冷凝壓力Pcd。在步驟206中，在不同條件下通過最優壓力表確定上限冷凝壓力Pcd_upbound。這個最優壓力表可通過模擬來定義。上限和下限是確定冷凝器風扇狀態的壓力限值。當冷凝壓力高于上限壓力時，冷凝器風扇在高速下操作。當冷凝壓力低于下限壓力時，冷凝器風扇關閉。當冷凝壓力在下限壓力與上限壓力之間時，冷凝器風扇在低速下操作。
[0035]在步驟208中，確定Pcd是否大于Pcd_upbound。如果成立，那么在步驟210中在第一模式(例如，高速)下操作多速冷凝器風扇44并且控制返回到步驟202。如果不成立，那么在步驟212中在不同條件下通過最優壓力表確定下限冷凝壓力PccLlowbound。
[0036]在步驟214中，確定Pcd是否大于Pcd_lowbound。如果成立，那么在步驟216中，在第二模式(例如，低速)下操作多速冷凝器風扇44并且控制返回到步驟202。如果不成立，那么在步驟218中以第三模式來操作(例如，關閉)冷凝器風扇44并且控制返回到步驟 202。
[0037]本文描述用于通過對一個或多個系統冷凝器風扇的控制優化使制冷系統的功率和/或燃料消耗減小到最低限度的系統和方法。冷凝器風扇可包括變速和/或多速冷凝器風扇。對變速風扇的控制優化包括基于環境和系統操作條件來確定近最優冷凝壓力/溫度和/或經由系統微擾來確定最優冷凝壓力/溫度。對多速冷凝器風扇的控制優化包括選擇冷凝壓力/溫度作為標準變量，計算上限和下限冷凝壓力，以及基于標準變量相對于上限和下限來調整風扇速度模式。
[0038]雖然僅結合有限數量的實施方案對本發明進行了詳細描述，但是應易于理解，本發明不限于這些已公開的實施方案。相反，可修改本發明來合并之前并未描述但與本發明的精神和范圍相符的任何數量的變化、改變、替代或等效布置。另外，雖然已描述了本發明的各種實施方案，但是應理解，本發明的各方面可僅包括所描述實施方案中的一些。因此，本發明不應被視為受前文描述的限制，而是僅受所附權利要求書的范圍限制。
【主權項】
1.一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器和變速冷凝器風扇的制冷系統的方法，所述方法包括: 確定環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值； 如果所述環境溫度或所述壓縮機吸入壓力的所述變化高于所述預先確定的閾值，那么確定近最優冷凝壓力/溫度； 基于所述確定的近最優冷凝壓力/溫度來設定冷凝壓力設定點；以及 基于所述冷凝壓力設定點來設定所述變速冷凝器風扇的速度。2.如權利要求1所述的方法，其中確定所述近最優冷凝壓力/溫度的步驟包括: 確定所述環境溫度； 確定離開所述蒸發器的飽和溫度； 確定壓縮機速度；以及 基于所述確定的環境溫度、離開所述蒸發器的飽和溫度和壓縮機速度來確定所述近最優冷凝壓力/溫度。3.如權利要求2所述的方法，其中所述近最優冷凝壓力/溫度是使用以下方程來確定: 由 opt f (T3Jiib， Tsout，evap) X CPcomp， 其中是冷凝壓力或溫度的最優設定點，Tanib是所述環境溫度，Ts _ OTap是所述蒸發器出口處的所述飽和溫度，并且CFranip是考慮到所述壓縮機速度的校正因子。4.如權利要求1所述的方法，其還包括: 確定所述制冷系統的第一總功率消耗并且設定為當前最小功率(Wmin); 使所述變速冷凝器風扇的速度減小預先確定的量； 隨后確定所述制冷系統的第二總功率消耗并且設定為當前功率(Wcur);以及 確定Wcur是否大于Wmin。5.如權利要求4所述的方法，其還包括: 如果Wcur大于Wmin，那么使所述變速冷凝器風扇的所述速度增加預先確定的量； 隨后確定所述制冷系統的第三總功率消耗并且設定為當前功率(Wcur);以及 確定Wcur是否大于Wmin。6.一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器和多速冷凝器風扇的制冷系統的方法，所述方法包括: 確定環境溫度或吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值； 如果所述環境溫度或所述吸入壓力的所述變化大于所述預先確定的閾值，那么確定冷凝壓力(Pcd); 確定上限冷凝壓力(Pcd_upbound)； 確定下限冷凝壓力(Pcd_lowbound);以及 基于所述確定的冷凝壓力Pcd和所述上限冷凝壓力Pcd_upbound和所述下限冷凝壓力Pcd_lowbound中的至少一個來設定所述多速冷凝器風扇的速度。7.如權利要求6所述的方法，其中確定所述冷凝壓力Pcd包括:使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中所述條件包括環境溫度、蒸發器出口飽和溫度或箱內溫度、車輛行駛/停止狀態和壓縮機速度。8.如權利要求6所述的方法，其中確定所述上限冷凝壓力Pcd_upbound包括:使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中所述條件包括環境溫度、蒸發器出口溫度或箱內溫度、車輛行駛/停止狀態和壓縮機速度。9.如權利要求6所述的方法，其中確定所述下限冷凝壓力Pcd_lowbound包括:使用定義不同條件下的最優壓力的最優壓力表，其中所述條件是環境溫度、蒸發器出口飽和溫度/壓力和壓縮機速度的函數。10.如權利要求6所述的方法，其還包括確定Pcd是否大于Pcd_upbound。11.如權利要求10所述的方法，其還包括:如果Pcd大于Pcd_upbound，那么以高速模式來操作所述多速冷凝器風扇。12.如權利要求6所述的方法，其還包括確定Pcd是否大于Pcd_lowbound。13.如權利要求12所述的方法，其還包括:如果Pcd大于Pcd_lowbound，那么以低速模式來操作所述多速冷凝器風扇。14.如權利要求12所述的方法，其還包括:如果Pcd小于或等于Pcd_lowbound，那么關閉所述多速冷凝器風扇。15.一種控制具有壓縮機、冷凝器、蒸發器、變速冷凝器風扇和多速冷凝器風扇的制冷系統的方法，所述方法包括: 確定環境溫度或壓縮機吸入壓力的變化是否大于預先確定的閾值； 控制所述變速冷凝器風扇的速度，其包括: 如果所述環境溫度或所述壓縮機吸入壓力的所述變化高于所述預先確定的閾值，那么確定近最優冷凝壓力/溫度； 基于所述確定的近最優冷凝壓力/溫度來設定冷凝壓力設定點；以及 基于所述冷凝壓力設定點來設定所述變速冷凝器風扇的速度；以及 控制所述多速冷凝器風扇的速度，其包括: 如果所述環境溫度或所述吸入壓力的所述變化大于所述預先確定的閾值，那么確定冷凝壓力(Pcd); 確定上限冷凝壓力(Pcd_upbound)； 確定下限冷凝壓力(Pcd_lowbound)，以及 基于所述確定的冷凝壓力Pcd和所述上限冷凝壓力Pcd_upbound和所述下限冷凝壓力Pcd_lowbound中的至少一個來設定所述多速冷凝器風扇的速度。
【文檔編號】F25B49/02GK105987550SQ201510089508
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2015年2月27日
【發明人】孫劍, 陳林輝
【申請人】開利公司