专利名称：控制器和用于控制制冷系统膨胀阀的方法
技术领域：
本发明涉及制冷系统控制领域，更确切地讲，是涉及膨胀阀控制领域，该膨胀阀对进入包括在制冷系统内蒸发器的制冷剂喷射操作进行控制。制冷系统还包括至少一个压缩机和至少一个冷凝器。蒸发器使介质(通常是空气或水)冷却。膨胀阀通常是电控的。在控制器中，通常把一个控制单元和多个传感器与蒸发器连接，或者在系统包括几个蒸发器的情况下，与每个蒸发器相连。传感器可以记录被冷却介质的各种选定温度和压力以及在制冷系统不同位置的制冷剂。将已测量的压力和温度用在控制器中，对制冷剂喷入蒸发器的操作进行控制，从而在蒸发器外部低过热状态时保持稳定的操作条件，同时确保过热温度不会降到零度。
背景技术：
US5,782,103公开了一种控制装置，其中将制冷剂的蒸发压力作为一个前馈参数。更确切地讲，该装置包括一PID控制器，该控制器带有一PI元件和一与PI元件串联的D元件。PID控制器对膨胀阀进行控制，该阀按顺序控制制冷剂从冷凝器流到膨胀器。所提供的传感器，用于测量蒸发器入口处制冷剂的温度或者蒸发器内的蒸发压力。另一个传感器测量蒸发器出口处已蒸发制冷剂的温度，同时减法器产生两个温度例如制冷剂过热温度和上述已蒸发制冷剂温度之间的差值。过热温度作为输入值送入PI元件，因而，在蒸发器入口处的制冷剂温度，通过P元件送入D元件。
再者，用于控制膨胀阀的阀开口度的控制器中，代表过热状况的反馈信号例如在蒸发器入口处制冷剂的温度和在蒸发器出口处(或者压缩机入口处)已蒸发制冷剂的温度之间的温度差，可以从US5,749,238、US6,018,959、US4,689,968、US5,809,794、US4,807,445、US4,617,804、US5,157,934、US5,259,210、US5,419,146、和lUS5,632,154中得知。其中，还建议使用各种PI、PID和模糊逻辑控制器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种US5,782,103公开型式的控制器和方法，其中，优选实施例中的控制器和方法能够在制冷系统的工作条件变化时，较快地对干扰作出反应或较快地对被冷却介质的温度作出反应或者在制冷系统启动当中作出较快的反应。本发明优选实施例的另一个目的是提供一种控制器，该控制器在使制冷系统保持稳定工作状态的同时，保持正过热量(SH)和稳定的蒸发压力(P0)，由此可以看出稳定的蒸发压力与低过热量结合，能保证制冷系统的高效率。正过热量还能保证不会有液态制冷剂从蒸发器传送到压缩机。本发明优选实施例的再一个目的是能将制冷系统下调到低过热状态，该低过热状态处于稳定工作条件或者能对由操作变化引起的干扰进行补偿的状态，其中操作变化有例如增大负载或者制冷系统的元件操作变化，例如压缩机容量或者冷凝压力的逐渐变化、冷却介质的温度变化或者冷却介质的流量变化。本发明优选实施例的理想状况是迅速和有效地将过热量下调到与制冷系统启动有关的足够低的值，同时在对干扰进行修正和启动过程中能确保正过热量。最后，希望本发明控制器优选实施例中的参数调节，能够在简单的调整原则基础上进行。
因此，本发明提供了一种可以广泛应用的控制器，该控制器对包括压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器的制冷系统进行控制，该控制器根据至少一个被测参数控制膨胀阀的开口度。
更确切地讲，本发明提供一种对用于冷却介质的制冷系统的膨胀阀进行控制的控制器和方法，制冷系统具有一制冷循环且包括至少一个压缩机、一冷凝器、一使制冷剂蒸发且与膨胀阀串联的蒸发器，膨胀阀由控制信号进行电控制，控制器设定为包括在控制信号产生中，对第一和第二信号相加或相减的相加点的输出值。根据本发明，第一信号至少从对蒸发器内制冷剂蒸发温度(T0)的测量和对介质特性例如蒸发器入口或出口处介质温度或者介质的多个流量测量中获得。换句话说，第一信号不受过热温度测量的影响(过热温度还可认为是过热量、过热度或者过热状态)。在制冷剂的前后关系中，术语“蒸发器的出口处”应该理解为在蒸发器和压缩机之间制冷剂管道的任何位置。
人们已经发现，在制冷系统启动和制冷系统工作条件受到干扰或者变化中，过热温度通常反应相对较慢。因此，在过热温度的测量上，实现控制器的整体调节也较慢。然而，根据过热温度进行的整体调节，在此认为是为膨胀阀提供控制信号的共同和确定的方法。因此，值得欣赏的是，本发明包括一种控制膨胀阀的新颖和有创造性的原则，当利用不受过热温度影响、而在蒸汽温度和冷却介质特性的测量基础上产生作用的信号完成控制操作时，能够更快速地对膨胀阀进行反应调节。
应该理解，本发明的控制器和方法可以由电脑的硬件或软件执行。
下面，参照附图对本发明进行更详细的说明，其中图1表示本发明中安装着一控制器的制冷系统的示意图；图2a和2b表示本发明中控制器的两个实施例，以及它们在控制系统中的执行情况；图3表示在包括本发明控制器的制冷系统中，制冷剂的被测温度和过热温度与时间的函数关系，特别是表示出对冷却介质升高温度的温度响应；图4表示在现有的制冷系统中，图5中的温度与时间的函数关系；图5表示在现有系统的两个不同启动条件下，被测温度和过热温度与时间的函数关系；图6表示在本发明的系统中，图7中的温度与时间的函数关系；图7和8表示本发明控制器的另一实施例以及它们在控制系统中执行情况的示意图。
具体实施例方式
图1表示一制冷系统的示意图，该制冷系统包括一压缩机100、一冷凝器102、一膨胀阀104、一蒸发器106、一控制单元108、一用于冷却介质的驱动单元110以及第一、第二、第三和第四传感器112、114、116和118。
第一传感器112确定蒸发器内的压力P0，从该传感器得到蒸发器内的蒸发温度T0，即蒸发器内的饱和温度。另一种方式是，传感器112可以是一个直接提供T0测量值的温度传感器，该温度传感器可以安装在和蒸发器106成整体或者与蒸发器106连接的管路内，且该管路容纳着制冷剂气体和制冷剂液体的混合物。
第二传感器114确定在蒸发器的制冷剂出口处的制冷剂温度S2。该传感器例如可以是一个温度传感器，该温度传感器与蒸发器106外流动的制冷剂热接触。
第三传感器116确定在蒸发器106入口处被冷却介质的温度S3。
第四传感器118确定在蒸发器106出口处被冷却介质的温度S4。
最后，需要设置用于确定被冷却介质的流量 的装置。例如，如果利用一循环泵传送介质，可以用泵的旋转速度测量流量。
如图2a和2b所示，将代表确定的压力、温度和/或流量的信号，传送到控制单元108，在该控制单元中对这些信号进行处理，产生一个到膨胀阀104的控制信号。如图2a和2b所示，可以理解从蒸发器106得到传感器信号，因而，传感器信号与蒸发器有关。例如，蒸发温度可以从安装在与蒸发器制冷剂出口相距某一距离的管段内的压力传感器确定。与蒸发器T0和S2有关的信号，通过适用的信号传导体传送到第一相加点120，在此计算出S2-T0的差值。该差值是对蒸发器出口处的制冷剂的过热量和过热温度的测量。将代表过热温度的信号传送到第二相加点122，在此对已确定的过热温度和标准过热温度之间的差值进行确定。该差值作为第一PI元件的输入信号，该PI元件的输出被传送到第三相加点126，在该相加点处，上述输出作为蒸发温度信号的标准值。将被测蒸发温度也传送到第三相加点126，在此确定被测蒸发温度和其标准值之间的差值，该差值作为第二PI元件128的输入值。第PI元件128的输出信号作为膨胀阀的控制信号，该膨胀阀控制进入蒸发器的制冷剂流量。
从上述说明和图2a可以明显地看出，控制器包括一内和外控制环。外环根据过热量S2-T0控制内环的标准值且控制过热温度的标准值。内环根据蒸发温度和由外环提供的标准值控制进入膨胀阀的控制信号。内环利用从膨胀阀开口度到蒸发温度T0作为过热量函数的静态放大量是线性和充分定义的情况，以及利用蒸发温度控制中的原动力比过热量控制中对应的原动力快的情况。
本发明的控制器还包括或和代表压缩机容量的信号一起操作，例如启动步骤的数量、冷凝器容量、冷凝压力或者在膨胀阀入口处的制冷剂温度。
而且，本发明利用蒸发压力(P0)控制中的原动力(该控制是对蒸发温度T0进行测量)比过热控制中(特别是用于整体反馈信号的控制元件中)的原动力快得多的结论。
按照上述特点和结论，本发明控制器的优选实施例具有下列优点。基于图3-6形成的试验，在带有两个独立制冷循环(即两个系统)的水冷却器上完成，两个系统中每一个都带有一往复压缩机，该压缩机具有两个容量阶梯(steps)，一空气冷却冷凝器和一蒸发器以及与每个冷凝器相连的频率转换器。在冷却器中，将两个蒸发器安装在同一容器中。蒸发器是具有四个制冷剂通径和单个共同水侧面的壳状和管状蒸发器。制冷剂是R407c，冷却器的容量是192.5kW(55TR)。
能够选定内环的尺寸，这样就可以在整个控制频谱内使蒸发压力得到稳定地控制，同时，能够选定外环内控制的尺寸，该外环控制过热量下降到某一低值。如图3所示，其结果是产生具有高效率的稳定压力和低过热量。
当改变冷却介质的温度、逐步改变压缩机容量、逐步改变压缩机容量、逐步改变冷凝器的容量以及改变将被冷却介质的流量时，频繁发生的干扰要求对内环的标准值进行微小的调整。这种干扰最好通过对内环的控制进行补偿。由于内环内的快速原动力，使干扰得到快速补偿。
根据对静态放大的简单确定和借助参数估算例如自动调节，能使内环的控制参数优化。
外环的控制参数不取决于膨胀阀确定的尺寸，而是通过对静态放大特性的测量来确定。外环中的控制参数，在一定程度上取决于安装有控制器的特殊制冷系统。
对内和外环的分析表明对内环的控制明显地比外环快。
根据将被冷却介质的温度信息，能够把在启动状态下、内环标准值的初始值调节为接近最佳值。其结果是对压力(P0)和过热量(SH)产生快速的反应/传输，因而在启动后的短时间内可以获得最佳效率。
在本发明中，MOP功能(最大工作压力(Maximum Operating Pressure)、蒸发压力上限的设定)的执行，可作为内环参数标准值的限制，因而可看作上限T0、T0max。T0的极限值可以作为第一PI元件123的输出信号，这样，如果输出值超过T0max，送到相加点126的T0标准值被设定为T0max。
特别需要指出的是，本发明中控制器的优选实施例解决了依然存在于US5,782,103公开的控制器中的下述问题。
对内环的放大参数难于进行准确地调整，这是因为该参数取决于压缩机装置的阶梯尺寸。
过热控制中放大参数的调整，从一个制冷系统到另一个各不相同，并且取决于膨胀阀的尺寸。
通过被冷却介质温度的变化，会错误地对膨胀阀的开度给予补偿，该错误补偿会导致过热量过高。例如，在升高的介质温度下开口度应该增大，以保持过热量恒定。但是，如图4所示，前馈信号内放大要素标记产生的结果是在升高的介质温度下减小开口度，因而使过热量过高。这种情况在图2a所示的控制器中也经常出现，但是，参照附图2b以及下面的描述可知，上述问题通过考虑被冷却介质(或者将被冷却的介质)的温度而得以解决。
当被冷却介质的流量变化时，开口度也被错误地给予补偿，这一点暗含着流体会流入压缩机的危险。如图2b所示，这一问题可以通过考虑蒸发器出口处的被冷却介质的温度(S4)而得以解决。
当如图5所示对过热信号只提供整体控制作用时，向稳定工作状态进行的初始控制操作通常比较慢。
尽管图2a表述出一控制器，其中，内环控制仅根据蒸发温度实现，内环的控制还可以通过T0与下列参数中的一个或者多个的结合而实现，这些参数包括图2b中在蒸发器入口处将被冷却的介质的温度(S3)、在蒸发器出口处将被冷却的介质的温度(S4)、通过蒸发器的将被冷却介质的流量 的测量值。这些变化在图7中也表示出来。
图6表示出在图2b所示的充满的蒸发器启动时以及在压缩机阶梯向上转换时控制器的特性。过热量SH和蒸发温度T0的曲线和图5对应曲线的比较表明图2b中的控制器能比US5,782,103中的控制器能明显较快地对干扰进行补偿。
根据蒸发器外部制冷剂温度的标准偏差，可以控制外环的标准值，其与US6,018,959公开的方法相似。见图8，标准值S2可以根据蒸发温度进行限定，以确保正过热量。
膨胀阀可以包括任何适用的已知阀，例如步进马达驱动阀或者DE19647718和US4,364,238中公开的阀的类型。
PI元件124和128(见图2a和2b)可由其它适当的控制元件例如PID元件或者模糊逻辑控制器替代。在PID元件中，内和外环各个差值的影响，可以至少部分的从反馈信号中获得。
在本发明中，可以提供一第一和/或第二D元件。第一D元件的结构是可以产生第一信号或者对第一信号的产生起作用。第二D元件的结构是可以确定过热信号(SH)的导数。因而，在控制器中可以获得差值的作用。最好提供第一D元件，使其对提供给相加点126的第一信号产生影响，而不是对提供给相加点122的信号产生影响，而且可以提供第二D元件，以对提供给相加点122的信号产生影响，而不对提供给相加点126的信号产生影响。
权利要求
1.一种控制冷却介质的制冷系统的膨胀阀(104)的控制器，该制冷系统具有一制冷循环且包括至少一个压缩机(100)、一冷凝器(102)、一用于蒸发制冷剂且被设置成与膨胀阀(104)串联的蒸发器(106)；其中膨胀阀利用控制信号进行电控，控制器具体包括在控制信号产生中，对第一和第二信号进行加和减的相加点(126)的输出值；其特征在于所说第一信号至少从蒸发器内制冷剂的蒸发温度(T0)的测量和介质特性的测量中获得。
2.根据权利要求1所述的控制器，包括第一和第二控制元件(124、128)，其中第一控制元件(124)具体为对所说相加点(126)的输入产生作用，同时第二控制元件(128)具体为接收所说相加点(126)的输入和输出。
3.根据权利要求2所述的控制器，包括另一个相加点(122)，用于从标准的过热温度减去制冷剂的过热温度(SH)，过热温度(SH)从蒸发器(106)的制冷剂出口的制冷剂温度(S2)和所说蒸发温度(T0)的差(S2-T0)推导出来；第一控制元件(124)设置为接收标准过热温度和过热温度的差值或者从所说差值导出的信号作为输入值，并产生一输出值，即所说的第二信号。
4.根据权利要求2或3所述的控制器，包括一个内控制环和一个外控制环，其中第一控制元件(124)具体为对内环产生一标准值，内环根据所说第一信号和由外环产生的标准值对膨胀阀(104)产生控制信号。
5.根据权利要求2-4中任一项所述的控制器，其特征是至少第一和第二控制元件(124、128)中的一个由下列元件之一构成一个P元件；一个I元件；一个D元件；一个PI元件；一个PID元件；一个PD元件；一模糊逻辑元件。
6.根据上述任一项权利要求所述的控制器，在所说第一信号的推导中至少包括一个i.在蒸发器(106)介质入口处的介质温度(S3)；ii.介质的流量率 的测量；以及iii.在蒸发器(106)介质出口处介质的温度(S4)。
7.根据权利要求6所述的控制器，利用下列公式中至少一个参数推导第一信号I)m.·(S3-S4)/In{(S3-T0)/(S4-T0)};]]>II)(S3-S4)/In{(S3-T0)/(S4-T0)}；III)S3-T0；IV)S4-T0。
8.根据上述任一项权利要求所述的控制器，包括产生所说第一信号的第一D元件。
9.根据权利要求3-8中任一项所述的控制器，包括确定过热信号(SH)的变量的第二D元件。
10.一包括权利要求1-9中任一项所述的控制器的制冷系统。
11.一种控制冷却介质的制冷系统的膨胀阀(104)的方法，该制冷系统具有一制冷循环且包括至少一个压缩机(100)、一冷凝器(102)、一用于蒸发制冷剂且被设置成与膨胀阀(104)串联的蒸发器(106)；其中膨胀阀利用控制信号进行电控，该方法包括在控制信号产生中，对第一和第二信号进行加和减的相加点(126)的输出值；其特征在于所说第一信号至少从蒸发器内制冷剂的蒸发温度(T0)的测量和介质特性的测量中获得。
全文摘要
一种用于冷却介质的制冷系统的膨胀阀(104)的控制器的结构包括在控制信号产生中，对蒸发器(106)内制冷剂蒸发温度(T0)的测量和被冷却介质的特性的测量，最好不受制冷剂的过热温度(SH)测量的影响。控制器包括一PI元件(128)，该元件成整体且对膨胀阀产生控制信号，该膨胀阀对流入蒸发器(106)的制冷剂流量进行控制；将PI元件(128)设置在内控制环中，该元件的标准值由外控制环产生。控制器在制冷系统的工作条件改变时对干扰作出快速反应和/或对介质温度作出快速反应，和/或对制冷系统启动和保持较低的稳定工作状态、但是为正过热量和稳定蒸发压力的情况作出快速反应。
文档编号G05D27/02GK1512284SQ20031011810
公开日2004年7月14日 申请日期2003年10月8日 优先权日2002年10月8日
发明者L·M·詹森, L M 詹森 申请人:丹福斯有限公司