CN103105023B - 用于气冷式冷凝器在精确制冷时的风扇速度控制 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于气冷式冷凝器在精确制冷时的风扇速度控制。根据本公开的空气调节器***包括冷凝器风扇、环境温度传感器、制冷剂压力传感器和控制器。环境温度传感器用于感测***所处的环境温度。制冷剂压力传感器用于感测***的制冷剂的压力。目标制冷剂压力模块用于识别***中的制冷剂的最优压力。控制器用于生成表示冷凝器风扇的速度的输出，所述冷凝器风扇可操作用于随着***的环境温度变化而将制冷剂的压力维持在大约最优压力。

Description

用于气冷式冷凝器在精确制冷时的风扇速度控制
技术领域
本公开涉及用于气冷式冷凝器的风扇速度控制。
背景技术
这个部分提供了与本公开有关的背景信息，但不一定是现有技术。
诸如使用蒸汽压缩循环的类型之类的冷却***可以包括压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器。压缩机可操作用于将供应给冷凝器的工作流体或制冷剂从吸入压力压缩至排放压力。在冷凝器中，热被从制冷剂去除，同时制冷剂处在升高的压力下。制冷剂从冷凝器流动通过膨胀装置，其中压力被减小。制冷剂从那里流动通过蒸发器，其中热被添加并且制冷剂的温度增加。制冷剂从蒸发器流动到压缩机，并且该过程再次开始。
冷凝器可以是气冷式冷凝器，其中，风扇可以被用来供应冷凝器之上的气流，以有利于从流过其中的制冷剂中除热。在这些类型的冷却***中，当前的控制方法涉及将冷凝压力(冷凝器处/冷凝器中的制冷剂的压力)维持在固定和升高的值，以允许膨胀阀的恰当功能。固定的冷凝压力是最小的冷凝压力。例如，作为非限制性的例子，当R407C用作制冷剂时，冷凝压力可以维持在近似220PSIG或以上。通过调整冷凝器的操作，冷凝压力可以维持在固定的升高值或以上。例如，使用可变频率驱动或风扇速度控制，可以调整供应通过冷凝器的气流的风扇的速度，以维持固定的升高的冷凝压力。通过调整入口阀、压头控制阀或用以减少气冷式冷凝器效用的其它装置，冷凝压力也可以维持在固定的升高值或以上。
然而，尤其是在较冷的环境状况期间，通过将冷凝器风扇维持在高于必要的速度，这样一来就将冷凝压力维持在比满足冷却负荷所必须的值低的值，这些操作的模式可能会浪费压缩机能量(降低效率)。另外，当用于气冷式冷凝器的风扇速度增加以维持最小冷凝压力时，风扇所生成的噪声可能过度。过度的噪声可能需要使用额外的隔音或消音材料，以将噪声维持在可接受的水平。
因此，有利的是提供一种使用气冷式冷凝器的冷却***和操作方法，其可以减少压缩机能量的浪费(增加效率)和/或减少冷却***所生成的噪声，降低制冷剂注入，并且减少***重量。如果该方法允许能够在对效率的需要和对安静操作的希望之间进行平衡的灵活途径，则会进一步有利。还会有利的是，将制冷剂的温度稳固地维持到不同的环境温度。
发明内容
这个部分提供了本公开的一般概述，而不是其全部范围或其全部特征的全面公开。
本教导提供了一种空气调节器***，该空气调节器***包括冷凝器风扇、环境温度传感器、制冷剂压力传感器和控制器。环境温度传感器用于感测***所处的环境温度。制冷剂压力传感器用于感测***的制冷剂的压力。目标制冷剂压力模块用于识别***中的制冷剂的最优压力。控制器用于生成表示冷凝器风扇的速度的输出，所述冷凝器风扇可操作用于随着***的环境温度变化而将制冷剂的压力维持在大约最优压力。
本教导还提供了一种空气调节器***，该空气调节器***包括压缩机、冷凝器风扇、环境温度传感器、制冷剂温度传感器、目标制冷剂温度模块和控制器。环境温度传感器用于感测***所处的环境温度。制冷剂温度传感器用于感测***的制冷剂的温度。目标制冷剂温度模块用于识别***中的制冷剂的最优温度。控制器用于生成表示冷凝器风扇的速度的输出，所述冷凝器风扇可操作用于将制冷剂的温度维持在大约最优温度。
本教导进一步提供了一种用于使用控制器来控制空气调节器***的冷凝风扇的方法。该方法包括确定空气调节器***的压缩机是接通还是断开。该方法进一步包括：当压缩机接通时，在预定的时间段内以对应于感测的环境温度的第一速度使空气调节器***的冷凝器风扇运转。该方法还包括：在预定的时间段期满之后，以第二速度使冷凝器风扇运转，所述第二速度由控制器基于感测的环境温度以及在感测的制冷剂压力和目标制冷剂压力之间的误差来确定。第二速度足以将感测的制冷剂压力移动到目标制冷剂压力。
优选地，以第三速度使所述冷凝器风扇运转，所述第三速度由所述控制器基于感测的所述环境温度以及在感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差来确定，所述第三速度足以将感测的所述制冷剂温度移动到所述目标制冷剂温度。
优选地，只有当感测的所述制冷剂温度大于或等于35℃时，才以所述第三速度使所述冷凝器风扇运转。
本教导还提供了一种用于使用控制器来控制空气调节器***的冷凝风扇的方法。该方法包括：当感测的制冷剂温度小于第一预定制冷剂温度时，使冷凝风扇停止。该方法还包括：当感测的制冷剂温度大于或等于第一预定制冷剂温度并且小于第二预定制冷剂温度时，以被预定用来对应于感测的环境温度的第一速度使冷凝风扇运转。该方法进一步包括：当感测的制冷剂温度大于或等于第二预定制冷剂温度并且小于第三预定制冷剂温度时，以被预定用来对应于感测的环境温度并且基于感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差的第二速度使冷凝风扇运转，所述第二速度足以将感测的制冷剂温度移动到目标制冷剂温度。该方法更进一步包括：当感测的制冷剂温度大于或等于比第二预定制冷剂温度更大的第三预定制冷剂温度时，以基于感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差的第三速度使冷凝风扇运转，所述第三速度足以将感测的制冷剂温度移动到目标制冷剂温度。
优选地，以第四速度使所述冷凝风扇运转，所述第四速度由所述控制器基于感测的所述环境温度以及在感测的制冷剂压力和目标制冷剂压力之间的误差来确定，所述第四速度足以将感测的所述制冷剂压力移动到所述目标制冷剂压力。
从在此提供的描述中，进一步的适用性方面将会变得明显。这个概述中的描述和特定例子目的只是为了示意，而不是打算限制本公开的范围。
附图说明
在此描述的附图目的只是为了示意选择的实施例而不是全部可能的实施方式，并且不是打算限制本公开的范围。
图1是图示了根据本教导的冷却***的框图；
图2是图示了图1的冷却***的控制***的功能框图；
图3是用于冷却***的冷凝风扇的控制方法的流程图；
图4是图示了图1的冷却***的另一个控制***的功能框图；
图5是用于冷却***的冷凝风扇的另一个控制方法的流程图；以及
图6是提供了关于图5的控制方法的额外细节的流程图。
贯穿附图中的几个视图，相应的标号指示相应的部分。
具体实施方式
现在参考附图来更加充分地描述示例实施例。
提供了示例实施例，以便本公开将会彻底并且将会充分地将范围传达给本领域技术人员。阐述了众多的特定细节，诸如特定部件、装置和方法的例子，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员而言将会明显的是，不需要使用特定的细节，可以以许多不同的形式来实施示例实施例，并且都不应当被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施例中，没有详细地描述众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术。
以标号10在图1中一般地图示了根据本教导的冷却***的概观。冷却***10包括气冷式冷凝器12、膨胀装置14、蒸发器16和压缩机18。压缩机18可操作用于将制冷剂或工作流体从吸入压力压缩至排放压力。制冷剂从压缩机18出来，并且流过冷凝器12、膨胀装置14和蒸发器16，然后返回到压缩机18。在冷凝器12之内，通过流经冷凝器12的气流使热Q1从制冷剂去除。通过由马达22供电的风扇20来提供气流。随着制冷剂穿过膨胀装置14，制冷剂的压力下降。在蒸发器16之内，热Q2被传递到流过其中的制冷剂。
冷却***10进一步包括用于监视***10的各种传感器或其它装置。例如，压力传感器24感测冷却***10中的制冷剂的冷凝压力。环境温度传感器26感测由风扇20向冷凝器12供应的气流的环境温度。制冷剂温度传感器28感测制冷剂的温度。
冷却***10一般地由控制器30控制。控制器30配置成比如从压缩机18、压力传感器24、环境温度传感器26、制冷剂温度传感器28和马达22接收各种输入，所述马达22表示马达22和风扇20的速度，如在此进一步描述的那样。控制器30还可以接收用户输入32，该用户输入32指示希望的用于冷却***10的操作模式。控制器30进一步配置成生成比如朝向冷凝器风扇20的马达22的各种输出。如在此进一步描述的那样，控制器30包括各种模块。如在此使用的那样，术语“模块”指的是执行一个或多个软件或固件程序的专用集成电路(ASIC)、电子电路、处理器(共享、专用或组合)和存储器、组合的逻辑电路或者提供描述的功能的其它适当的部件。
另外参考图2，以标号50一般地图示了冷却***10的示例性控制***。在图2的控制***50中，控制器30被图示为具有第一控制器配置30A(在此被称为控制器30A)。控制器30A包括比例-积分-微分控制器(PID)模块52、第一功能模块54和第二功能模块56。开关58选择来自控制器30A的输出，如在此进一步描述的那样。
控制器30A可以是可操作用于执行描述的功能的单个模块、如示出的那样的可以执行描述的功能的多个集成模块、可以执行描述的功能的集成模块和单独模块的组合以及/或者可以执行描述的功能的一个或多个单独模块。因此，如图示和描述的那样的控制器30A本质上只是示例性的，并且不打算限制本公开的范围。例如，虽然控制器30A被描述为包括PID模块52，但是可以包括任何适当的控制模块。
控制器30A基于多种不同输入生成向马达22输出的冷凝器风扇速度。例如，压缩机18向控制器30A提供表示压缩机的接通/断开状态的输入。制冷剂压力传感器24提供表示观测的制冷剂压力的输入。环境温度传感器26提供表示观测的环境温度的输入。从模块34向控制器30A输入制冷剂的目标压力(或设定点)。目标压力是基于针对整个冷却***10的优化计算和效率的预定的最优压力。如在此描述的那样，通过控制马达22和冷凝器风扇20的速度，即使当环境温度传感器26所检测的环境温度变化时，控制器30A也将制冷剂维持在目标压力。
另外参考图3，现在描述控制***50的操作。在***50于开始框102处初始化之后，***50在框104处基于来自压缩机18的由控制器30A接收的压缩机接通/断开状态输入确定压缩机18是接通还是断开。如果压缩机没有接通，那么控制器前进到框106，并且在以适当的速度运转30秒之后使冷凝器风扇20停止。控制器30A然后在框108处结束操作。在不同的实施例中，控制返回到框104以监视压缩机18的接通/断开状态。
如果压缩机接通，那么控制器30A前进到框110，并且首先设置开关58，使得控制器30A的输出由第二功能模块56生成。基于由环境温度传感器26感测的环境温度，第二功能模块56生成用于马达22的初始速度，以及由此而来的用于风扇20的初始速度。在框110处生成的初始速度向控制器30A提供了快速初始响应，该快速初始响应会将冷凝器风扇20的速度设置得足够高，以防止感测的制冷剂压力超过目标制冷剂压力，从而防止压力“过调节”。
在预定的时间段之后，控制器30A移动到框112并且设置开关58，使得控制器30A的输出由PID模块52生成。PID模块52基于两个输入来生成输出。第一个输入由第一功能模块54基于由环境温度传感器26观测的环境温度而生成，并且包括用于PID模块52的增益和参数。第二个输入是由制冷剂压力传感器24感测的制冷剂压力和在模块34处生成的目标制冷剂压力设定点之间的误差。PID模块52的输出表示用于马达22的速度，并从而表示用于冷凝器风扇20的速度，其足以将由制冷剂压力传感器24感测的制冷剂压力带到或几乎带到模块34的目标制冷剂压力。为了当控制器30A在第二功能模块56和PID模块52之间切换输出时提供平滑传递，在PID模块52和控制器30A的选择输出之间提供无波动传递，如图2所示。
只要控制器30A在框104处检测到压缩机18接通，PID模块52就会生成输出，该输出被更新以将制冷剂压力传感器24所感测的制冷剂压力维持在或近似维持在模块34所生成的目标制冷剂压力，同时也将环境温度传感器26所感测的环境温度的变化纳入考虑。例如响应于用户输入32，控制器30A可以在框114处结束操作。
另外参考图4，以标号150一般地图示了冷却***10的另一个示例性控制***。在图4的控制***150中，控制器30被图示为具有第二控制器配置30B(在此被称为控制器30B)。和控制器30A一样，控制器30B包括PID模块52、第一功能模块54和第二功能模块56。控制***150进一步包括第三功能模块60、第一开关62、第二开关64和零风扇速度检测器66。控制器30B可以代替或者添加到控制器30A，例如作为备用，以基于如制冷剂温度传感器28所感测的制冷剂温度来控制冷凝器风扇20的速度。
和控制器30A一样，控制器30B可以是可操作用于执行描述的功能的单个模块、如示出的那样的可以执行描述的功能的多个集成模块、可以执行描述的功能的集成模块和单独模块的组合以及/或者可以执行描述的功能的一个或多个单独模块。因此，如图示和描述的那样的控制器30B本质上只是示例性的，并且不打算限制本公开的范围。例如，虽然控制器30B被描述为包括PID模块52，但是可以包括任何适当的控制模块。
控制器30B基于多种不同输入生成向马达22输出的冷凝器风扇速度。例如，压缩机18在第一开关62处向控制器30B提供表示压缩机的接通/断开状态的输入。环境温度传感器26向第一功能模块54和第二功能模块56提供表示感测的环境温度的输入。制冷剂温度传感器28向第三功能模块60提供表示感测的制冷剂温度的输入。从模块36向控制器30B输入制冷剂的目标制冷剂温度(或设定点)。感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差被输入到PID模块52。目标制冷剂温度(或设定点)是基于针对整个冷却***10的优化计算和效率的预定温度。如在此描述的那样，通过控制马达22和冷凝器风扇20的速度，即使当环境温度和各种其它环境状况变化时，控制器30B也将制冷剂维持在目标温度。
另外参考图5，现在描述控制***150的操作。在***150于开始框202处初始化之后，控制器30B确定压缩机18是否接通。如果压缩机18没有接通，那么控制器30B前进到框206，并且在以预定速度运转预定时间比如像大约30秒之后使冷凝器风扇20停止。预定速度可以是任何适当的速度，比如足以提供标准运转的速度。如果控制器30B确定压缩机接通，那么控制器30B前进到框208。否则，控制器30B可以在框224处结束操作或者返回到框204。在不同的实施例中，控制返回以监视压缩机18是接通还是断开。
在框208处，控制器30B从制冷剂温度传感器28读取输入并且访问第三功能模块60，以确定制冷剂温度是否大于或等于例如15℃或者别的适当的预置温度。如果制冷剂温度没有大于或等于15℃，那么控制器30B前进到框210并且生成输出以停止马达22和冷凝器风扇20。如果制冷剂温度大于或等于15℃，那么控制器30B前进到框212。否则，控制器30B可以在框224处结束操作或者返回到框204。在不同的实施例中，控制返回以监视压缩机18是接通还是断开。
在框212处，控制器30B从制冷剂温度传感器28读取输入并且访问第三功能模块60，以确定制冷剂温度是否大于或等于例如25℃或者别的适当的预置温度。如果制冷剂温度没有大于或等于25℃，那么控制器30B前进到框214。在框214，控制器30B访问第二功能模块56，该第二功能模块56包括具有基于环境温度的用于冷凝器风扇20的预置速度的环境温度表。控制器30B使用第二功能模块56以生成朝向马达22的输出，以便以基于环境温度传感器26所感测的环境温度的环境温度表所规定的预置速度使冷凝器风扇20运转。如果制冷剂温度大于或等于25℃，那么控制器30B前进到框216。否则，控制器30B可以在框224处结束操作或者返回到框204。在不同的实施例中，控制返回以监视压缩机18是接通还是断开。
在框216处，控制器30B从制冷剂温度传感器28读取输入并且访问第三功能模块60，以确定制冷剂温度是否大于或等于例如35℃或者别的适当的预置温度。如果制冷剂温度没有大于或等于35℃，那么控制器30B前进到框218。在框218，生成向马达22输出的风扇速度，该风扇速度***了基于由PID模块52进行的控制的风扇速度和由第二功能模块56的环境温度表规定的风扇速度。如果制冷剂温度大于或等于35℃，那么控制器30B前进到框220。否则，控制器30B可以在框224处结束操作或者返回到框204。在不同的实施例中，控制返回以监视压缩机18是接通还是断开。
在框220处，控制器30B使用PID模块52来生成向马达22输出的风扇速度。另外参考图6来详细地描述使用PID模块52来控制冷凝器风扇20的速度的框220。
在框220之内，控制器30B前进到框230并且访问第一功能模块54，以从第二功能模块56的环境温度表中加载PID增益常数，并且针对PID模块52执行增益调度。在框232，控制器30B基于零风扇速度检测器66的输出确定冷凝器风扇20的速度是否为零。如果速度为零，那么控制器前进到框234。在框234处，控制器30B基于在框230处执行的增益调度来确定风扇20的初始速度。如果在框232处控制器30B确定风扇速度不为零，那么控制器30B绕过框234。
在框236处，控制器30B记录用于无波动传递的风扇20的当前速度。在框238处，控制器30B既基于从制冷剂温度传感器28接收的输入来读取感测的制冷剂温度，又从模块36读取目标制冷剂温度(设定点)。感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的差或误差被输入到PID模块52。基于这个误差，PID模块52在框240处计算输出。这个输出表示了马达22和由此而来的风扇20的速度，该速度足以将传感器28所感测的制冷剂温度带到模块36所提供的目标制冷剂温度。在框240处生成输出之后，控制器30B可以在框224处(图5)结束操作或者返回到框204。在不同的实施例中，控制返回以监视压缩机18是接通还是断开。
这样一来，不管传感器26感测的环境温度为多少，控制***150总是将制冷剂温度维持在目标制冷剂温度。这种混合控制可以利用低成本的温度传感器，如随着温度而改变电阻的热变电阻器，来代替冷凝器出口处的压力传感器以控制冷凝器风扇速度，并且可以独立地使用或者在压力传感器25故障时作为备用。
为了示意和描述的目的已提供了前述对实施例的描述。并不打算穷举或限制本公开。具体实施例中的单独元件或特征一般地并不限于该具体实施例，而是在适用的情况下可互换，并且可以用在选择的实施例中，即使没有特别地示出或描述。同样的情形也可以用许多方式改变。这样的改变不被认为是背离本公开，而是所有这样的修改都将包括在本公开的范围之内。

Claims (14)

1.一种空气调节器***，包括：
冷凝器风扇；
环境温度传感器，用于感测所述***所处的环境温度；
制冷剂压力传感器，用于感测所述***的制冷剂的压力；
目标制冷剂压力模块，用于识别所述***中的所述制冷剂的最优压力；以及
控制器，用于生成表示所述冷凝器风扇的速度的输出，所述冷凝器风扇可操作用于随着所述***的环境温度变化而将所述制冷剂的压力维持在大约最优压力,
其中，所述输出包括：第一输出，其由所述控制器的功能模块生成；以及第二输出，其由所述控制器的PID模块生成，当预定的时间段期满时，在所述第一输出之后生成所述第二输出。
2.根据权利要求1所述的空气调节器***，其中，当所述***的压缩机未被激活时，所述控制器生成使所述冷凝器风扇停止的输出。
3.一种空气调节器***，包括：
压缩机；
冷凝器风扇；
环境温度传感器，用于感测所述***所处的环境温度，根据所述环境温度设置所述冷凝器风扇的初始速度；
制冷剂温度传感器，用于感测所述***的制冷剂的温度；
目标制冷剂温度PID模块，用于识别所述***中的所述制冷剂的最优温度；以及
控制器，用于生成表示所述冷凝器风扇的速度的输出，所述冷凝器风扇可操作用于将所述制冷剂的温度维持在大约最优温度。
4.根据权利要求3所述的空气调节器***，其中，当接收到表示所述压缩机没有接通的输入时，所述控制器生成使所述冷凝器风扇在大约30秒之内停止的输出。
5.根据权利要求3所述的空气调节器***，其中，在所述控制器接收到表示所述压缩机接通的输入之后，如果所述制冷剂的温度没有大于或等于15℃，则所述控制器生成使所述冷凝器风扇停止的输出。
6.根据权利要求3所述的空气调节器***，其中，在所述控制器接收到表示所述压缩机接通的输入之后，如果所述制冷剂的温度大于或等于15℃但是没有大于或等于25℃，则所述控制器生成根据基于感测的环境温度的预置速度而使所述冷凝器风扇运转的输出。
7.根据权利要求3所述的空气调节器***，其中，在所述控制器接收到表示所述压缩机接通的输入之后，如果所述制冷剂的温度大于或等于25℃但是没有大于或等于35℃，则所述控制器生成根据基于感测的环境温度的预置速度和所述控制器的所述PID模块的输出而使所述冷凝器风扇运转的输出。
8.一种用于使用控制器来控制空气调节器***的冷凝风扇的方法，包括：
确定所述空气调节器***的压缩机是接通还是断开；
如果确定所述压缩机是接通：
在启动后的预定时间段内以对应于感测的环境温度的第一速度使所述空气调节器***的冷凝器风扇运转；以及
在所述预定时间段期满之后，以第二速度使所述冷凝器风扇运转，所述第二速度由所述控制器基于感测的所述环境温度以及在感测的制冷剂压力和目标制冷剂压力之间的误差来确定，所述第二速度足以将感测的所述制冷剂压力移动到所述目标制冷剂压力，
其中，所述控制器包括PID模块，并且所述感测的环境温度为所述PID模块确定PID参数，所述参数确定所述第二速度。
9.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
使用所述控制器的PID模块来确定所述第二速度。
10.根据权利要求8所述的方法，进一步包括：
以第三速度使所述冷凝器风扇运转，所述第三速度由所述控制器基于感测的所述环境温度以及在感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差来确定，所述第三速度足以将感测的所述制冷剂温度移动到所述目标制冷剂温度。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
只有当感测的所述制冷剂温度大于或等于35℃时，才以所述第三速度使所述冷凝器风扇运转。
12.一种用于使用控制器来控制空气调节器***的冷凝风扇的方法，包括：
当感测的制冷剂温度小于第一预定制冷剂温度时，使所述冷凝风扇停止；
当感测的制冷剂温度大于或等于所述第一预定制冷剂温度并且小于第二预定制冷剂温度时，以被预定用来对应于感测的环境温度的第一速度使所述冷凝风扇运转；
当感测的制冷剂温度大于或等于所述第二预定制冷剂温度并且小于第三预定制冷剂温度时，以被预定用来对应于感测的环境温度并且基于感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差的第二速度使所述冷凝风扇运转，所述第二速度足以将感测的制冷剂温度移动到所述目标制冷剂温度；以及
当感测的制冷剂温度大于或等于比所述第二预定制冷剂温度更大的第三预定制冷剂温度时，以基于感测的制冷剂温度和目标制冷剂温度之间的误差的第三速度使所述冷凝风扇运转，所述第三速度足以将感测的制冷剂温度移动到所述目标制冷剂温度。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
将所述第一预定制冷剂温度设置为15℃；
将所述第二预定制冷剂温度设置为25℃；以及
将所述第三预定制冷剂温度设置为35℃。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
以第四速度使所述冷凝风扇运转，所述第四速度由所述控制器基于感测的所述环境温度以及在感测的制冷剂压力和目标制冷剂压力之间的误差来确定，所述第四速度足以将感测的所述制冷剂压力移动到所述目标制冷剂压力。
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