專利名稱：膨脹閥的前饋控制的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的目標(biāo)是對(duì)加熱、通風(fēng)、空調(diào)或制冷(簡(jiǎn)稱為HVAC/R)系統(tǒng)中的膨脹閥進(jìn)行前饋控制。這里要敘述的本發(fā)明的最佳實(shí)施例中，HVAC/R系統(tǒng)是水冷凍機(jī)系統(tǒng)。雖然我們的討論以水冷凍機(jī)為例，但本發(fā)明可適用于一切具有可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)擾動(dòng)的HVAC/R系統(tǒng)。所謂系統(tǒng)擾動(dòng)包括壓縮機(jī)啟動(dòng)、加載或減載引起的壓縮機(jī)容量的變化、系統(tǒng)所用的各種冷卻介質(zhì)物理量的變化(例如蒸發(fā)器或冷凝器中的水溫的變化)、由諸如風(fēng)扇啟動(dòng)引起的冷凝器冷卻容量的變化、蒸發(fā)器中熱交換器容量的變化、設(shè)定值的變化、冷卻塔容量的變化，以及由建筑物負(fù)荷變動(dòng)引起的變化等。
在水冷凍機(jī)系統(tǒng)中，水在蒸發(fā)器中被冷卻，以向別處的空調(diào)機(jī)提供冷卻介質(zhì)。水既便宜又安全，而且很容易通過(guò)主水環(huán)路由管道輸送到空氣調(diào)節(jié)器。空氣調(diào)節(jié)器在空氣和水之間進(jìn)行熱交換以調(diào)節(jié)空氣溫度，供一個(gè)區(qū)域或建筑物使用。
水冷凍機(jī)系統(tǒng)中蒸發(fā)器的作用是通過(guò)與制冷劑的熱交換來(lái)控制水溫。制冷劑經(jīng)過(guò)一個(gè)環(huán)路在整個(gè)冷凍機(jī)系統(tǒng)中循環(huán)。在制冷劑環(huán)路中，制冷劑從蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)并在其中提升壓力而改變其冷凝點(diǎn)。經(jīng)過(guò)壓縮的制冷劑從壓縮機(jī)進(jìn)入冷凝器，并在那兒通過(guò)與冷卻介質(zhì)(通常為一輔助水系統(tǒng))的熱交換，由蒸汽冷凝成液態(tài)制冷劑。然后液態(tài)制冷劑經(jīng)過(guò)膨脹閥返回蒸發(fā)器，繼續(xù)冷凍機(jī)系統(tǒng)的循環(huán)。典型冷凍機(jī)系統(tǒng)的概況見(jiàn)于下列美國(guó)專利US 4,780,061(Butterworth)；US4,762,409(Tischer)；US 4,730,995(Dewhirst)；US 4,662,819(Tischer)和US 5,201,648(Lakowske)，所有這些專利均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并被本發(fā)明所引用。
冷凍機(jī)系統(tǒng)中的膨脹閥是電子膨脹閥，它根據(jù)測(cè)得的制冷劑離開(kāi)壓縮機(jī)后的過(guò)熱量調(diào)節(jié)流過(guò)膨脹閥的制冷劑流量。典型的電子膨脹閥見(jiàn)于下列美國(guó)專利US 5,083,745(Tischer)；US 4,986,085(Tischer)；US4,928,494(Glamm)和US 5,011,112(Glamm)。這些專利均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并被本發(fā)明所引用。
壓縮機(jī)的容量通常根據(jù)蒸發(fā)器的出水溫度調(diào)節(jié)。各種壓縮機(jī)容量和冷凍機(jī)容量的控制方法在下列美國(guó)專利中有說(shuō)明US 5,027,608(Rentmeester等)；US 5,203,685(Anderson等)；US5,211,026(Linnert)；US 4,715,190(Han等)和US 4,689,967(Han等)。這些專利均已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并被本發(fā)明所引用。
雖然這些不同的控制膨脹閥和壓縮機(jī)容量的方法是有效而經(jīng)濟(jì)的，但仍可能也希望有更好的控制方法。更具體地說(shuō)，一般對(duì)膨脹閥的控制是通過(guò)將代表膨脹閥動(dòng)作結(jié)果(通常為測(cè)得的過(guò)熱量)的信號(hào)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)的。這種控制方式盡管是有效的，但都是后效式的而不是先期式的。因此，膨脹閥不斷地對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)(例如壓縮機(jī)容量的變化)作出反應(yīng)。
發(fā)明概要本發(fā)明的主要目的是為水冷凍機(jī)一類的HVAC和制冷系統(tǒng)提供更好的控制方法。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是將對(duì)膨脹閥的控制直接與系統(tǒng)擾動(dòng)聯(lián)系起來(lái)。系統(tǒng)擾動(dòng)包括諸如負(fù)載的變化、壓縮機(jī)容量的變化，或系統(tǒng)所用的各種熱交換流體溫度的變化。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是對(duì)膨脹閥提供前饋控制。在正常的容量控制過(guò)程中，膨脹閥的位置是由壓縮機(jī)容量的變化確定的。這樣就可預(yù)測(cè)系統(tǒng)的擾動(dòng)。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是提供一個(gè)直接對(duì)壓縮機(jī)容量變化作出反應(yīng)的膨脹閥。
本發(fā)明的目的之一，是提供一個(gè)直接對(duì)進(jìn)入蒸發(fā)器的水的溫度變化作出反應(yīng)的膨脹閥。
本發(fā)明的目的之一，是提供一個(gè)直接對(duì)進(jìn)入和離開(kāi)蒸發(fā)器的水的溫度差的變化作出反應(yīng)的膨脹閥。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是根據(jù)主要控制標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱主控量)對(duì)膨脹閥提供閉環(huán)控制，并根據(jù)輔助控制標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱輔控量)提供膨脹閥的開(kāi)環(huán)控制。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是以排出液體的過(guò)熱量作為主控量，而以蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度或進(jìn)、出水溫度之差作為輔控量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是以蒸發(fā)器中制冷劑液面為主控量，而以壓縮機(jī)容量為輔控量。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是利用由壓縮機(jī)減荷器來(lái)的前饋控制信號(hào)，在系統(tǒng)產(chǎn)生擾動(dòng)的瞬間重新調(diào)整膨脹閥的位置，以減小排出液體過(guò)熱量或制冷劑液面的波動(dòng)范圍。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是根據(jù)指示減荷器位置、飽和蒸發(fā)器溫度和飽和冷凝溫度的信號(hào)，來(lái)確定和控制電子膨脹閥的位置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是在減荷器位置或飽和工作溫度發(fā)生變化的瞬間，重新調(diào)整膨脹閥的位置。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是當(dāng)蒸發(fā)器液面上升或下降時(shí)，通過(guò)調(diào)整膨脹閥的位置來(lái)控制蒸發(fā)器中液面的高低。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是當(dāng)流出液體過(guò)熱量上下變動(dòng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整膨脹閥的位置來(lái)控制流出液體的過(guò)熱量。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，是根據(jù)電動(dòng)機(jī)電流的變化重新調(diào)整膨脹閥的位置。
本發(fā)明的目的、特色和優(yōu)點(diǎn)之一，是提供一個(gè)根據(jù)壓縮機(jī)的抽氣速率而開(kāi)啟的膨脹閥。該抽氣速率是按膨脹閥兩邊的壓力差及制冷劑的密度計(jì)算出來(lái)的。
本發(fā)明提供一種控制制冷系統(tǒng)中膨脹閥的方法，它包含以下步驟按主要的反饋控制量控制膨脹閥的調(diào)節(jié)；按輔助的前饋控制量控制膨脹閥的調(diào)節(jié)。
本發(fā)明還提供一種控制包含膨脹裝置和壓縮裝置的制冷系統(tǒng)中制冷劑流量的方法。該方法包括以下步驟測(cè)量壓縮裝置的抽氣能力或立方英尺/分鐘(CFM)的位移能力；調(diào)整膨脹裝置使與測(cè)得的壓縮機(jī)容量相匹配。
本發(fā)明還提供一種膨脹閥的控制方法，步驟如下(a)根據(jù)主控量不斷控制膨脹閥；(b)確定由膨脹閥控制的系統(tǒng)中輔控量的擾動(dòng)；(c)按輔控量對(duì)膨脹閥提供前饋控制信號(hào)；(d)按輔控量控制膨脹閥。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供制冷或HVAC系統(tǒng)中控制膨脹閥的方法，步驟如下按主控量提供膨脹閥的閉環(huán)控制；根據(jù)至少一個(gè)與主控量不同的輔控量提供膨脹閥的開(kāi)環(huán)控制。
本發(fā)明附帶提供一種控制冷凍系統(tǒng)容量的方法，該系統(tǒng)包含循環(huán)連接的壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器。在此系統(tǒng)中，蒸發(fā)器接收具有某一溫度的進(jìn)水，提供具有某一溫度的出水，同時(shí)壓縮機(jī)壓縮具有某一測(cè)得的過(guò)熱量的制冷劑。該控制方法包括以下步驟測(cè)量出水溫度和制冷劑的過(guò)熱量；確定作為出水溫度與設(shè)定值之差的函數(shù)的出水溫度誤差；提供當(dāng)膨脹閥按測(cè)得的過(guò)熱量進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)容量控制的主模式；提供當(dāng)膨脹閥按出水溫度誤差或壓縮機(jī)容量的變化進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)容量控制的輔助模式。
本發(fā)明還進(jìn)一步提供一種根據(jù)冷凍機(jī)系統(tǒng)容量變化重新定位膨脹閥的方法。該冷凍機(jī)系統(tǒng)具有一臺(tái)調(diào)節(jié)進(jìn)水溫度并提供出水的蒸發(fā)器。該方法包括以下步驟監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度；監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的出水溫度；確定進(jìn)水和出水溫度之差；確定溫差的設(shè)定值；將水的溫差與溫差設(shè)定值進(jìn)行比較以建立誤差；重新調(diào)整膨脹閥使得此誤差最小。
本發(fā)明附帶提供一種水冷凍機(jī)系統(tǒng)，它包含一臺(tái)將流體冷卻的蒸發(fā)器和一臺(tái)壓縮機(jī)，后者接收由蒸發(fā)器加熱過(guò)的制冷劑，并通過(guò)壓縮改變制冷劑的冷凝溫度。該系統(tǒng)還包含一臺(tái)冷凝器，它接收經(jīng)壓縮機(jī)壓縮了的制冷劑并使之冷凝，一個(gè)膨脹裝置，它接收經(jīng)冷凝器冷凝了的制冷劑并有控制地使之返回蒸發(fā)器；一個(gè)控制器，它在操作上與膨脹裝置相連接，用以控制膨脹裝置的動(dòng)作。該系統(tǒng)還包含一個(gè)與控制器相連的前饋控制單元以預(yù)測(cè)蒸發(fā)器負(fù)載的變化。前饋控制包含一個(gè)主傳感器，用來(lái)探測(cè)主控量，并據(jù)此控制膨脹閥的動(dòng)作。
附圖簡(jiǎn)述

圖1為采用本發(fā)明的前饋控制概念的水冷凍機(jī)系統(tǒng)示意圖；圖2為一種可供選擇的實(shí)施例，它包含一個(gè)樹形噴淋式蒸發(fā)器，其中的膨脹閥對(duì)壓縮機(jī)容量的變化作出反應(yīng)，以便液面擾動(dòng)最小；圖3是本發(fā)明運(yùn)行的控制方塊圖；圖4是表說(shuō)明第一和第二優(yōu)選實(shí)施例中，在穩(wěn)態(tài)和系統(tǒng)擾動(dòng)條件下所采用的控制方法；圖5是第一優(yōu)選實(shí)施例的圖線；圖6是第二優(yōu)選實(shí)施例的圖線。
附圖詳述圖1是一個(gè)典型的冷凍機(jī)系統(tǒng)10，它利用制冷劑給空調(diào)機(jī)提供冷卻水。冷凍機(jī)系統(tǒng)10有一個(gè)包含蒸發(fā)器20的制冷劑環(huán)路12、一臺(tái)如膨脹閥30這樣的膨脹裝置；一臺(tái)冷凝器40和一臺(tái)壓縮機(jī)50。整個(gè)系統(tǒng)由電子控制器60控制。
蒸發(fā)器20可以是溢流式、直接膨脹式、樹形噴淋式、降膜式或其它形式。蒸發(fā)器20利用由膨脹閥30提供的制冷劑使水冷卻。進(jìn)水經(jīng)由管道70從空氣調(diào)節(jié)器72提供，并由進(jìn)水溫度傳感器74測(cè)量其溫度。測(cè)得的進(jìn)水溫度(EWT)由電連線76送到控制器60。進(jìn)水在蒸發(fā)器20中作熱交換后經(jīng)由管道78返回空氣調(diào)節(jié)器72。從蒸發(fā)器20出來(lái)的水一般叫做出水。出水溫度(LWT)由溫度傳感器80量測(cè)并經(jīng)由電連線82送至控制器60。經(jīng)冷卻的出水在空氣調(diào)節(jié)器72中與空氣進(jìn)行熱交換，然后空氣經(jīng)管道84送到某區(qū)域或建筑物供空調(diào)機(jī)使用。由空氣調(diào)節(jié)器72、管道70及78及蒸發(fā)器20構(gòu)成主水環(huán)路86。
在蒸發(fā)器20中制冷劑通過(guò)與主水環(huán)路86的熱交換被汽化。作為制冷劑環(huán)路12的一部分，汽化制冷劑離開(kāi)蒸發(fā)器20后經(jīng)由管道90進(jìn)入壓縮機(jī)50并被壓縮。壓縮機(jī)的容量(通常用以立方英尺/分鐘為單位的抽氣能力來(lái)度量)通過(guò)流量控制裝置(例如前面引用過(guò)的美國(guó)專利5,203,685中所示的活塞式減荷器裝置)來(lái)調(diào)節(jié)。這種減荷器裝置在圖1中用標(biāo)號(hào)100表示，它可以通過(guò)電連線102和電磁閥(圖中未示)或如美國(guó)專利5,203,685中描述的類似裝置由系統(tǒng)控制器60來(lái)控制。減荷器的位置可由如步進(jìn)馬達(dá)之類的直接定位裝置來(lái)直接控制，或者由位置傳感器101測(cè)量后經(jīng)由電連線傳至控制器60。典型的傳感器101的例子在美國(guó)專利US5,257,921(Clark等)和US 4,610,612(Kocher)中已有說(shuō)明。這些專利都被本發(fā)明所引用。
經(jīng)過(guò)壓縮的制冷劑離開(kāi)壓縮機(jī)50后由管道104送入冷凝器40。制冷劑的過(guò)熱量由傳感器92和106測(cè)得的溫度差來(lái)度量(其它度量方法在下面再說(shuō)明)。傳感器測(cè)出的信號(hào)分別由電連線94和108送至控制器60。
在冷凝器40中，一種如輔助水環(huán)路110的冷卻介質(zhì)將經(jīng)過(guò)壓縮的汽化制冷劑冷凝成液體。被冷凝的液態(tài)制冷劑則通過(guò)管道120、膨脹閥30和管道122返回蒸發(fā)器20。膨脹閥30在前面引用過(guò)的幾項(xiàng)專利中已有說(shuō)明。實(shí)際上，制冷劑環(huán)路12包括蒸發(fā)器20、管道90、壓縮機(jī)50、管道104、冷凝器40、管道120、膨脹閥30和管道122。
通常情況下是用測(cè)得的過(guò)熱量來(lái)調(diào)節(jié)通過(guò)膨脹閥30的制冷劑總量。在本發(fā)明中則是通過(guò)電連線124由控制器60對(duì)膨脹閥30進(jìn)行這種控制。
本發(fā)明包括在壓縮機(jī)50的正常容量控制過(guò)程中對(duì)膨脹閥30的位置進(jìn)行控制。對(duì)于采用閉環(huán)反饋控制的一般情況，要等到由傳感器92和106測(cè)出的過(guò)熱量達(dá)到一定值時(shí)，膨脹閥30才會(huì)根據(jù)壓縮機(jī)容量的變化來(lái)調(diào)節(jié)。這是一種反饋控制，因?yàn)橐话阋鹊綁嚎s機(jī)容量真正變化后幾分鐘動(dòng)作才會(huì)發(fā)生。
本發(fā)明建議采用前饋信號(hào)，在壓縮機(jī)容量發(fā)生變化時(shí)調(diào)整膨脹閥30，以預(yù)測(cè)過(guò)熱量的變化。在第一種優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)減荷器100的位置改變時(shí)，本發(fā)明采用由傳感器74測(cè)得的進(jìn)水溫度EWT和由傳感器80測(cè)得的出水溫度LWT之差(即蒸發(fā)器的水溫差ΔT)作為前饋信號(hào)重新定位膨脹閥30。這種由蒸發(fā)器的水溫差代表的壓縮機(jī)容量的間接度量，可以用來(lái)根據(jù)水溫差顯示的負(fù)荷變化使膨脹閥30重新定位。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)主要擾動(dòng)時(shí)，也可能出現(xiàn)一些次要的擾動(dòng)，例如飽和蒸發(fā)器溫度或壓力的變化，或者飽和冷凝溫度或壓力的變化等。在這種情況下，主要的系統(tǒng)擾動(dòng)是壓縮機(jī)容量的變化。次要變量的影響可以用于對(duì)膨脹閥30的前饋信號(hào)的計(jì)算中。
實(shí)際上，只要蒸發(fā)器的水溫差基本恒定，則膨脹閥30一般是由傳感器92和106測(cè)出的流出液體的過(guò)熱量來(lái)控制。但是，如果蒸發(fā)器的水溫差是變化的，則膨脹閥30要根據(jù)蒸發(fā)器水溫差變動(dòng)的預(yù)計(jì)方向和大小來(lái)重新定位。這樣就在壓縮機(jī)容量變化的同時(shí)給膨脹閥30提供一個(gè)前饋控制信號(hào)。如下面與圖5有關(guān)的討論中所見(jiàn)，對(duì)膨脹閥30的常規(guī)控制是與前饋控制同時(shí)進(jìn)行的。
圖2是冷凝器40、膨脹閥30和蒸發(fā)器20之間的詳細(xì)配置圖。這是本發(fā)明的第二優(yōu)選實(shí)施例，當(dāng)希望使制冷劑環(huán)路12中的制冷劑用量最少時(shí)最宜采用。圖中盡可能采用與圖1類似的標(biāo)號(hào)。
圖2的第二優(yōu)選實(shí)施例中包含一臺(tái)接收器或稱輔助冷卻器130，它裝在管道120上，用于對(duì)從冷凝器40來(lái)的液態(tài)制冷劑的接收、貯存或輔助冷卻。膨脹閥30控制從冷凝器40和液體接收器130流到蒸發(fā)器20的制冷劑的流量。
與第一優(yōu)選實(shí)施例中采用溢流式蒸發(fā)器20不同，圖2中的蒸發(fā)器20是一種噴射流形蒸發(fā)器。這時(shí)液態(tài)制冷劑貯存在液體/蒸汽分離器132中，且通過(guò)管道134分流給噴射管群136。噴射管136將制冷劑噴到主水環(huán)路86中的水管138上。噴射的制冷劑與水管138接觸并吸收熱量后經(jīng)由管道90流出蒸發(fā)器進(jìn)入壓縮機(jī)50。液態(tài)制冷劑貯存在蒸發(fā)器20的底部140，其高度H1可按常規(guī)方法測(cè)量，例如用通過(guò)電連線146連到控制器60的傳感器144來(lái)測(cè)量。如需要，在液體/蒸汽分離器132中的液體高度H2也可用類似方法測(cè)量。同樣，也可測(cè)量冷凝器40中的液態(tài)制冷劑高度H3。
根據(jù)由實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)支持的理論，即膨脹閥的位置是跟隨減荷器位置變化而改變，圖2所示的第二優(yōu)選實(shí)施例是按減荷器100的位置來(lái)調(diào)節(jié)膨脹閥30的。因而該實(shí)施例是對(duì)膨脹閥30作前饋調(diào)節(jié)以跟蹤減荷器100位置的變化，而對(duì)膨脹閥30的位置作反饋調(diào)節(jié)以跟蹤液面H1、H2或H3中的一個(gè)(最好是H1)。這與以往系統(tǒng)中按測(cè)得的過(guò)熱量調(diào)節(jié)膨脹閥30有所不同。
更確切地說(shuō)，膨脹閥30的前饋調(diào)節(jié)是根據(jù)控制器60的指令跟蹤減荷器100位置的變化來(lái)完成的，而反饋調(diào)節(jié)是跟蹤蒸發(fā)器20底部140的液態(tài)制冷劑高度H1來(lái)完成的。此高度H1是由傳感器144量測(cè)后傳至控制器60。在反饋調(diào)節(jié)時(shí)，膨脹閥30隨著蒸發(fā)器20底部140的液態(tài)制冷劑高度H1降低而逐漸開(kāi)啟，而隨著H1增高逐漸關(guān)閉。
在圖2所示的第二優(yōu)選實(shí)施例中，膨脹閥的位置可隨著液體/蒸汽分離器132中液態(tài)制冷劑高度H2的變化或隨著冷凝器40中制冷劑高度H3的變化而調(diào)節(jié)。
圖3的方框圖說(shuō)明當(dāng)本發(fā)明中控制器60按常規(guī)控制方式工作時(shí)的控制概況。方框圖200定期地或當(dāng)任何一個(gè)預(yù)先設(shè)定的事件發(fā)生時(shí)開(kāi)始工作。這樣的預(yù)定事件包括減荷器100位置的變化，進(jìn)水或出水溫度的變化，或液態(tài)制冷劑高度H1、H2和H3中任一個(gè)的變化。
在圖中201這一步，需要確定系統(tǒng)擾動(dòng)是已經(jīng)發(fā)生了還是正在發(fā)生。所謂系統(tǒng)擾動(dòng)，是指一個(gè)不是用來(lái)對(duì)膨脹閥作反饋控制的變量的變化。這種變化將改變系統(tǒng)的工作條件。系統(tǒng)擾動(dòng)可表現(xiàn)為壓縮機(jī)容量的變化，它可用減荷器100的變動(dòng)或進(jìn)水和出水溫度之差來(lái)度量。其它的系統(tǒng)擾動(dòng)包括風(fēng)扇變級(jí)引起的冷凝器冷卻容量的變化、設(shè)定點(diǎn)的變化、冷卻塔容量的變化、建筑物負(fù)荷的變化，或電動(dòng)機(jī)電流的變化。美國(guó)專利5,058,031(Swanson等)中有測(cè)量電動(dòng)機(jī)電流的典型實(shí)例。該專利已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人并被本發(fā)明所引用。
系統(tǒng)擾動(dòng)被傳送到前饋控制單元206，該單元是為消除系統(tǒng)擾動(dòng)的影響而設(shè)計(jì)的。前饋控制根據(jù)已知的擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律使膨脹閥30的位置得到調(diào)整。在本發(fā)明的第一和第二優(yōu)選實(shí)施例中，擾動(dòng)會(huì)引起通過(guò)壓縮機(jī)50的質(zhì)量流量的變化。為消除這種變化對(duì)蒸發(fā)器20的影響，前饋控制206控制膨脹閥30的位置來(lái)維持蒸發(fā)器20中的質(zhì)量平衡。
如果沒(méi)有系統(tǒng)擾動(dòng)，常規(guī)的反饋膨脹閥控制單元205在將常規(guī)的反饋信號(hào)204(例如測(cè)得的過(guò)熱量)與設(shè)定值203相比較后繼續(xù)下一步驟202?？刂普`差在202單元處被確定并經(jīng)反饋控制計(jì)算單元205處理后控制膨脹閥30。反饋膨脹閥控制單元205一般是根據(jù)測(cè)得的過(guò)熱量來(lái)調(diào)節(jié)膨脹閥30的位置，但也可以如本發(fā)明所述，根據(jù)液面的高度來(lái)調(diào)節(jié)。
如果在步驟201已確定有系統(tǒng)擾動(dòng)，則本發(fā)明的前饋控制206投入工作。前饋控制206將力圖使反映系統(tǒng)擾動(dòng)的誤差信號(hào)最小，而不是使與測(cè)得的過(guò)熱量或液面有關(guān)的誤差信號(hào)最小。例如，當(dāng)進(jìn)水和出水溫度之差比預(yù)定的常數(shù)改變了足以被認(rèn)為是誤差的一個(gè)量，則膨脹閥30將立即被調(diào)節(jié)以減小這個(gè)誤差。另一個(gè)例子是，減荷器100位置的任何變化將立即引起膨脹閥位置的相應(yīng)改變。
反饋控制205與前饋控制206同時(shí)工作。反饋控制205除了對(duì)設(shè)定值203的變化和前饋控制206中的模型誤差有反應(yīng)外，還對(duì)預(yù)定變量(如過(guò)熱量)的擾動(dòng)有反應(yīng)。若反饋信號(hào)204和設(shè)定值203之差達(dá)到足以構(gòu)成誤差的量時(shí)，反饋控制205將產(chǎn)生一個(gè)適當(dāng)?shù)闹噶钚盘?hào)送到膨脹閥30，以使該誤差最小。前饋信號(hào)206和反饋信號(hào)205在207處相加后被用來(lái)控制系統(tǒng)10。
圖4以列表方式說(shuō)明用于第一和第二優(yōu)選實(shí)施例時(shí)，不同的開(kāi)環(huán)控制和閉環(huán)控制方式。
在第一優(yōu)選實(shí)施例中，控制閥的閉環(huán)控制是按流出液體過(guò)熱量的反饋控制。這時(shí)如出現(xiàn)擾動(dòng)，則根據(jù)進(jìn)水和出水溫度之差ΔT實(shí)行前饋控制方式。兩種控制方式同時(shí)工作，不過(guò)前饋控制方式是按開(kāi)環(huán)控制起作用，而反饋控制方式是按閉環(huán)控制起作用。
圖5的曲線表示第一優(yōu)選實(shí)施例的兩種控制方式。進(jìn)水和出水溫度之差ΔT示于橫坐標(biāo)220上，膨脹閥位置示于縱坐標(biāo)222上并在最小和最大位置之間變化。曲線224表示前饋控制。ΔT的任何變化立即引起膨脹閥的位置沿曲線224產(chǎn)生相應(yīng)的變化。迭加在曲線224上的正弦波226表明，即使在前饋控制根據(jù)ΔT動(dòng)作的情況下，對(duì)流出液體過(guò)熱量的控制如何在曲線224附近改變膨脹閥的位置。第一優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)之一是，減小了膨脹閥位置的波動(dòng)范圍，這種波動(dòng)在先有技術(shù)的一些控制方式中是很大的。這種大范圍波動(dòng)由曲線228表示，它使得膨脹閥30在最大和最小位置之間變化，以對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)作出反應(yīng)。本發(fā)明消除了這種大范圍的波動(dòng)。
回過(guò)頭來(lái)看圖4。第二優(yōu)選實(shí)施例中有一種根據(jù)蒸發(fā)器中液面高度的液面控制，液面的高度是通過(guò)測(cè)量H1，或者H2或H3來(lái)確定的。當(dāng)?shù)诙?yōu)選實(shí)施例探測(cè)到系統(tǒng)擾動(dòng)(例如減荷器位置的變動(dòng))，立即就會(huì)使膨脹閥30的位置作相應(yīng)的改變。
這種措施可以用圖6來(lái)說(shuō)明，圖中減荷器位置示于橫坐標(biāo)240上，膨脹閥(EXV)的位置示于縱坐標(biāo)242上。對(duì)系統(tǒng)擾動(dòng)作出反應(yīng)的前饋控制由曲線244表示。由減荷器100引起的任何容量的變化，例如容量從點(diǎn)246增至點(diǎn)248，則膨脹閥位置立即就從點(diǎn)250變到點(diǎn)252。雖然膨脹閥在寬范圍的改變是沿曲線244進(jìn)行的，但液面控制的采用可使膨脹閥30的位置繼續(xù)得以改變，如迭加在曲線244上的正弦波254所示。
這種先期式前饋控制的第三種可選實(shí)施例，是將由傳感器74測(cè)得的進(jìn)水溫度(EWT)直接與冷卻水的設(shè)定溫度相比較。水溫的任何變化反映蒸發(fā)器水環(huán)路86中負(fù)載的變化。于是，膨脹閥30就受到控制對(duì)測(cè)出的負(fù)載變化作出反應(yīng)，以預(yù)測(cè)系統(tǒng)容量的變化。這種系統(tǒng)擾動(dòng)可能表現(xiàn)為壓縮機(jī)容量的變化，并由進(jìn)水溫度和設(shè)定值之差來(lái)度量。在第三實(shí)施例中，系統(tǒng)擾動(dòng)是系統(tǒng)冷卻容量低于其最小值(當(dāng)減荷器100完全卸載時(shí)達(dá)到)時(shí)所應(yīng)引起的變化。為抵銷負(fù)載變化的影響，前饋控制206調(diào)節(jié)膨脹閥30的位置，使得制冷劑蒸汽與所需負(fù)載成反比地從冷凝器40噴出。如果進(jìn)水溫度與設(shè)定值之差大于某預(yù)定值，以致可以認(rèn)為構(gòu)成了誤差，則膨脹閥30立即被調(diào)節(jié)以減小與設(shè)定值的誤差。減荷器完全卸載時(shí)調(diào)節(jié)膨脹閥的詳細(xì)過(guò)程，在申請(qǐng)人的一種正在審查的美國(guó)專利申請(qǐng)中作了說(shuō)明。該專利序號(hào)為08/234,091，于1994年4月28日提出申請(qǐng)，題目是“冷凍機(jī)系統(tǒng)中蒸發(fā)器水溫的控制”。發(fā)明是LeeL.Sibik，Daniel C.Leaver和Paul R.Glamm。該項(xiàng)申請(qǐng)已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，并被本發(fā)明所引用。
綜上所述，顯見(jiàn)本發(fā)明提供了水冷凍機(jī)系統(tǒng)的前饋控制方法。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，本發(fā)明也適用于其它的制冷和HVAC以及冷凍機(jī)系統(tǒng)，而且各種更改預(yù)料應(yīng)落入權(quán)利要求書的實(shí)質(zhì)和范圍內(nèi)。這些更改包括用以下型式的壓縮機(jī)代替這里所用的螺桿式壓縮機(jī)變?nèi)菪碗x心壓縮機(jī)、變速型渦輪壓縮機(jī)、變速型往復(fù)式壓縮機(jī)等等。例如，本發(fā)明用于離心式冷凍機(jī)時(shí)，可以用進(jìn)水溫度或ΔT作閉環(huán)反饋控制標(biāo)準(zhǔn)，也可以用壓縮機(jī)的速度或進(jìn)口導(dǎo)翼的位置作開(kāi)環(huán)前饋控制的標(biāo)準(zhǔn)。其它的更改包括用常規(guī)的蒸發(fā)器(包括直接膨脹式蒸發(fā)器)代替這兒所用的溢流式蒸發(fā)器。此外，也可以有其它的前饋信號(hào)，例如空氣冷卻式冷凝器中風(fēng)扇啟動(dòng)產(chǎn)生的信號(hào)等。這類啟動(dòng)技術(shù)在美國(guó)專利US 5,138,844(Clanin等)中有說(shuō)明。該專利與本發(fā)明一起轉(zhuǎn)讓并在這兒被引用。還應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，這兒所述的膨脹閥的前饋控制，一般是與目前使用的常規(guī)比例-積分-微分(PID)膨脹閥控制一同工作的。例如，即使減荷器的動(dòng)作產(chǎn)生一個(gè)預(yù)示系統(tǒng)容量有顯著變化的前饋信號(hào)，膨脹閥仍能根據(jù)測(cè)得的過(guò)熱量來(lái)調(diào)節(jié)制冷劑的流量。
最后，雖然我們將過(guò)熱量定義為由傳感器92測(cè)得的制冷劑溫度和由傳感器106測(cè)得的制冷劑溫度之差，該領(lǐng)域技術(shù)人員當(dāng)然知道還有一些其它的用于控制膨脹閥30的過(guò)熱量定義。參見(jiàn)圖1，過(guò)熱量可在蒸發(fā)器20兩邊用傳感器280和282來(lái)測(cè)量。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中省略了從這些傳感器到控制器60的電連線。精確測(cè)出的由傳感器280和282的讀數(shù)之差所代替的過(guò)熱量，目前仍被用作控制膨脹閥30的標(biāo)準(zhǔn)。過(guò)熱量的另一種定義是采用傳感器92和280之間的讀數(shù)差來(lái)控制膨脹閥30。其它的過(guò)熱量的定義一般都為工業(yè)界所熟知，而且所有這些定義都包含在本發(fā)明所采用的過(guò)熱量定義之內(nèi)。
據(jù)此，我們提出用作美國(guó)專利的權(quán)利要求范圍如下。
權(quán)利要求
1.一種控制制冷系統(tǒng)中膨脹閥的方法，該方法包括以下步驟根據(jù)主反饋控制量控制膨脹閥的調(diào)節(jié)；根據(jù)輔助前饋控制量控制膨脹閥的調(diào)節(jié)。
2.如權(quán)利要求1的方法，其特征在于，膨脹閥的反饋調(diào)節(jié)以常規(guī)比例-積分-微分(PID)控制為依據(jù)，而前饋控制以前饋控制方式為依據(jù)。
3.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，系統(tǒng)包含一臺(tái)提供冷卻水的蒸發(fā)器，冷卻水有一進(jìn)水溫度、一出水溫度，及進(jìn)水和出水溫度之差ΔT，且輔控量是ΔT的函數(shù)。
4.如權(quán)利要求3的方法，其特征在于，主控量是流出液體過(guò)熱量的函數(shù)。
5.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，系統(tǒng)包含一臺(tái)可變?nèi)萘繅嚎s機(jī)，且輔控量是壓縮機(jī)容量的函數(shù)。
6.如權(quán)利要求5的方法，其特征在于，系統(tǒng)包含一個(gè)制冷劑液面?zhèn)鞲衅鳎抑骺亓渴怯稍搨鞲衅鳒y(cè)量所得結(jié)果的函數(shù)。
7.如權(quán)利要求2的方法，其特征在于，系統(tǒng)包含一臺(tái)提供冷卻水的蒸發(fā)器，冷卻水有一進(jìn)水溫度和一出水溫度，且輔控量是進(jìn)水溫度和設(shè)定值之差的函數(shù)。
8.如權(quán)利要求1的方法，包括確定系統(tǒng)擾動(dòng)存在與否的步驟。
9.如權(quán)利要求8的方法，還包括系統(tǒng)擾動(dòng)一旦被確定，則根據(jù)輔控量對(duì)膨脹閥提供同時(shí)控制的步驟。
10.控制膨脹閥的方法，包括以下步驟按主控量不斷控制膨脹閥；確定在由膨脹閥控制的系統(tǒng)中輔控量是否存在擾動(dòng)；根據(jù)輔控量對(duì)膨脹閥提供前饋控制信號(hào)；根據(jù)輔控量控制膨脹閥。
11.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，主控量或者是測(cè)得的過(guò)熱量，或者是測(cè)得的液面高度；輔控量或是壓縮機(jī)的容量，或是被蒸發(fā)器冷卻的流體溫度，或者系統(tǒng)的冷卻容量。
12.如權(quán)利要求11的方法，其特征在于，壓縮機(jī)容量是由壓縮機(jī)電動(dòng)機(jī)電流的變化或壓縮機(jī)抽氣能力的變化來(lái)確定的。
13.如權(quán)利要求10的方法，其特征在于，前饋控制信號(hào)是按照次要的系統(tǒng)擾動(dòng)變化來(lái)修正的，這些擾動(dòng)包括飽和蒸發(fā)器溫度變化、飽和蒸發(fā)器壓力變化、飽和冷凝器溫度或壓力變化。
14.控制制冷或HVAC系統(tǒng)中膨脹閥的方法，包括以下步驟根據(jù)主控量提供膨脹閥的閉環(huán)控制；根據(jù)至少一個(gè)與上述主控量不同的輔控量提供膨脹閥的開(kāi)環(huán)控制。
15.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于，主控量或者是測(cè)得的過(guò)熱量，或者是測(cè)得的液面高度；輔控量或者是壓縮機(jī)的容量，或者是被蒸發(fā)器冷卻的流體溫度，或者是系統(tǒng)的冷卻容量。
16.如權(quán)利要求14的方法，其特征在于，開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制是同時(shí)進(jìn)行的。
17.一種控制制冷系統(tǒng)中制冷劑流量的方法，該系統(tǒng)包含一個(gè)膨脹裝置和一個(gè)壓縮裝置，控制步驟如下測(cè)量壓縮裝置的容量；按測(cè)得的壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)膨脹裝置。
18.如權(quán)利要求17的方法，還包括以下步驟確定系統(tǒng)的過(guò)熱量；根據(jù)測(cè)得的過(guò)熱量調(diào)節(jié)膨脹閥，直至測(cè)出的壓縮機(jī)容量的變化超過(guò)預(yù)先設(shè)定的參數(shù)。
19.如權(quán)利要求18的方法，其特征在于，壓縮機(jī)容量是通過(guò)測(cè)量來(lái)確定的。
20.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，壓縮裝置包含一個(gè)滑閥，而測(cè)量的對(duì)象是滑閥的位置。
21.如權(quán)利要求20的方法，其特征在于，測(cè)量對(duì)象是按照指令確定的滑閥位置。
22.如權(quán)利要求19的方法，其特征在于，制冷系統(tǒng)包含一臺(tái)使水冷卻的蒸發(fā)器，一個(gè)測(cè)量進(jìn)入蒸發(fā)器待冷的水溫的進(jìn)水溫度傳感器，測(cè)量對(duì)象是進(jìn)水溫度。
23.如權(quán)利要求22的方法，其特征在于，蒸發(fā)器包含一個(gè)用來(lái)測(cè)量被它冷卻的水溫的出水溫度傳感器，測(cè)量對(duì)象是進(jìn)水和出水溫度之差。
24.一種控制冷凍機(jī)系統(tǒng)容量的方法，該系統(tǒng)包含一臺(tái)循環(huán)連接的壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置和一臺(tái)蒸發(fā)器，蒸發(fā)器接收某一溫度的進(jìn)水并提供某一溫度的出水，壓縮機(jī)壓縮具有某一過(guò)熱量的制冷劑，該方法包括以下步驟測(cè)量水溫和制冷劑過(guò)熱量；確定作為水溫和設(shè)定值之差的函數(shù)的水溫誤差；提供第一種容量控制模式，這時(shí)膨脹閥是按測(cè)得的過(guò)熱量來(lái)調(diào)節(jié)的；提供第二種容量控制模式，這時(shí)膨脹閥是按水溫誤差來(lái)調(diào)節(jié)的。
25.按照權(quán)利要求24的方法，還包括確定作為進(jìn)水和出水溫度之差的函數(shù)的水溫誤差的步驟。
26.如權(quán)利要求24的方法，還包括確定作為出水溫度和設(shè)定值之差的函數(shù)的水溫誤差的步驟。
27.如權(quán)利要求24的方法，還包括確定作為進(jìn)水溫度和設(shè)定值之差的函數(shù)的水溫誤差的步驟。
28.一種根據(jù)系統(tǒng)容量變化對(duì)冷凍機(jī)系統(tǒng)中膨脹閥重新定位的方法，該冷凍機(jī)系統(tǒng)包含一臺(tái)冷卻進(jìn)水提供出水的蒸發(fā)器，該方法包括以下步驟監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的進(jìn)水溫度；監(jiān)測(cè)蒸發(fā)器的出水溫度；確定進(jìn)水和出水溫度之差；確定溫差設(shè)定值；將水溫差與該設(shè)定值加以比較以建立誤差；對(duì)膨脹閥重新定位使該誤差最小。
29.一種控制水冷凍機(jī)系統(tǒng)中出水溫度的方法，其步驟如下測(cè)量出水溫度；將出水溫度與其設(shè)定值加以比較以建立誤差；調(diào)節(jié)膨脹閥使該誤差最小。
30.一個(gè)水冷凍機(jī)系統(tǒng)，包含一臺(tái)將流體冷卻的蒸發(fā)器；一臺(tái)壓縮機(jī)，它接收從蒸發(fā)器來(lái)的經(jīng)過(guò)加熱的制冷劑，并通過(guò)壓縮改變制冷劑的冷凝溫度；一臺(tái)冷凝器，它接收經(jīng)壓縮機(jī)壓縮過(guò)的制冷劑并使之冷凝；一個(gè)膨脹裝置，它接收經(jīng)冷凝器冷凝的制冷劑，并有控制地將它返回蒸發(fā)器；一個(gè)控制器，它在操作上與膨脹裝置相連，以控制膨脹裝置的動(dòng)作；與控制器相連的前饋控制，用于預(yù)測(cè)蒸發(fā)器負(fù)荷的變化，前饋控制包含一個(gè)主傳感器，用來(lái)探測(cè)主控量并根據(jù)測(cè)量結(jié)果控制膨脹閥的動(dòng)作。
31.如權(quán)利要求30的水冷凍機(jī)系統(tǒng)，包含一個(gè)主傳感器，它在操作上與控制器相連，并用于測(cè)量主流體進(jìn)入蒸發(fā)器時(shí)的溫度，該溫度即為上述主控量。
32.如權(quán)利要求30的冷凍機(jī)系統(tǒng)，還包括一個(gè)主溫度傳感器，操作上與控制器相連，用于測(cè)量進(jìn)入蒸發(fā)器的流體溫度；一個(gè)輔助溫度傳感器，操作上與控制器相連，用于測(cè)量離開(kāi)蒸發(fā)器的流體溫度；一個(gè)比較器，操作上與控制器相連，用于確定主、輔傳感器測(cè)得的溫度差，這個(gè)差即為主控量。
33.如權(quán)利要求30的冷凍機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，壓縮機(jī)包含一個(gè)滑閥和一個(gè)操作上與控制器相連并用于確定滑閥位置的裝置，滑閥的位置就是上述主控量。
34.如權(quán)利要求33的冷凍機(jī)系統(tǒng)，還包括一個(gè)輔傳感器，它與蒸發(fā)器相接并在操作上與控制器相連，用于確定蒸發(fā)器底部液體制冷劑的高度，該高度用作輔助量以控制膨脹裝置的位置。
35.如權(quán)利要求30的冷凍機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，蒸發(fā)器包括一個(gè)液體蒸汽分離器，由主傳感器確定累積于液體蒸汽分離器中的液態(tài)制冷劑總量，并將代表該量的信號(hào)提供給控制器，這時(shí)，主控量就是測(cè)得的液體蒸汽分離器中液態(tài)制冷劑的總量。
36.如權(quán)利要求30的冷凍機(jī)系統(tǒng)，其特征在于，主傳感器測(cè)量冷凝器底部的液態(tài)制冷劑的貯量，并將代替該貯量的信號(hào)送至控制器，這時(shí)，測(cè)得的冷凝器中液態(tài)制冷劑的貯量就是主控量。
全文摘要
一種控制制冷系統(tǒng)(10)中膨脹閥(30)的方法。該方法包括以下步驟:根據(jù)主反饋控制量控制膨脹閥(30)的調(diào)節(jié);根據(jù)輔助前饋控制量控制膨脹閥(30)的調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)F25B41/06GK1181805SQ95197817
公開(kāi)日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1995年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月28日
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