CN102165194B - 运输制冷系统上的压缩机排放控制 - Google Patents

Abstract

在具有压缩机、冷凝器、蒸发器和用于控制膨胀阀的控制器的制冷系统中，一种用于在冷却循环期间控制压缩机排放的程序，包括以下步骤：监测压缩机排放参数；将所述压缩机排放参数与存储在控制器存储器内的设定点进行比较；以及响应于所述压缩机排放参数与所述设定点之间的差选择性操作所述蒸发器上游的所述膨胀阀。

Description

运输制冷系统上的压缩机排放控制

相关申请的交叉引用

本申请参照并要求2008年9月26日申请的、名称为“COMPRESSORDISCHARGECONTROLONATRANSPORTREFRIGERATIONSYSTEM”的美国临时申请61/100,445号的优先权，该申请的全部内容在此引用作为参考。

技术领域

本公开一般涉及运输制冷单元，更特别地涉及在没有猝熄阀（quenchvalve）的情况下控制压缩机排放过热。

背景技术

用于控制封闭区域（例如用在卡车、拖车、集装箱或类似联合运输单元上的隔热箱）的运输制冷系统通过从封闭区域吸热并将热释放到箱外进入环境中而起作用。运输制冷系统通常包括压缩机以对制冷剂蒸气加压，以及包括冷凝器以冷却来自压缩机的加压蒸气，从而将制冷剂的状态从气态变为液态。外界空气可从冷凝器内的制冷剂盘管吹过以实现热交换。运输制冷系统还包括蒸发器，所述蒸发器用于通过抽取或推动返回空气掠过蒸发器内的容纳制冷剂的盘管而将热抽出箱外。此步骤蒸发流过蒸发器的任何剩余液体制冷剂，随后可将其抽取通过吸入调节阀（SMV）并回到压缩机内以完成循环。该系统可包括蒸发器上游的制冷剂管线内的恒温膨胀阀（TXV），其对蒸发器内产生的过热（过热定义为所感测的蒸气温度与相同压力下的饱和温度之间的差）作出响应。运输制冷系统通常还包括发电机，所述发电机适于产生选定电压和频率的AC电流以操作压缩机驱动马达来驱动制冷压缩机。

包括运输制冷的一些制冷系统需要在减少容量的情况下运转以将产品保持在非常窄的温度范围内。在一些情况下采用吸入调节来减小并调整容量。这影响吸入与排放温度。当吸入调节发生于高外界温度时，供给到压缩机的制冷剂可能会太热，缺少一些校正措施，从而导致太高的压缩机排放温度。

另外，运转在低吸入密度和低质量流条件以及高压缩比下的制冷系统需要额外的压缩温度控制。在其它制冷系统中，例如在热带气候下使用的移动集装箱系统中，高外界温度对制冷剂温度，特别是压缩机排放温度有不利影响。如果没能防止排放温度变得过高，则压缩机润滑剂可能分解并最终导致压缩机故障。

用于控制压缩机排放温度的典型方法包括利用注液回路经由压缩机上的节热器/蒸气注入口注入液体制冷剂。注入液体制冷剂的一种方法是使用通常称作猝熄阀的螺线管操作阀。猝熄阀绕过蒸发器，也即，液体管线在蒸发器上游分支并倾泻在压缩机吸入口处。

不幸的是，采用猝熄阀的制冷系统增大了复杂性，这提高了成本。在运输制冷系统的受限空间内，增加的复杂性还使系统封装更加困难。另外，额外的控制参数必须被设计并实现到系统控制器内。

使用猝熄阀的系统的另一个缺陷是液体制冷剂绕过蒸发器，从而降低了系统效率。还有，因为大量液体被倾泄到压缩机吸入口中，使得用螺线管阀控制压缩机过热更加困难。太多的液体制冷剂还会造成回流到压缩机并可能最终导致压缩机故障。

发明内容

提供一种稳定的系统与程序以在不使用猝熄阀的情况下控制压缩机过热的程度。

在具有压缩机、冷凝器、蒸发器和用于控制膨胀阀的控制器的制冷系统内，提供一种程序用于在冷却循环期间控制压缩机排放，其包括步骤：监测压缩机排放参数，将所述压缩机排放参数与存储在控制器存储器内的设定点进行比较，并响应于所述压缩机排放参数与所述设定点之间的差选择性操作所述蒸发器上游的所述膨胀阀。所述压缩机排放参数可以是温度，其中所述设定点值可为约132摄氏度。

所述程序还可包括步骤：监测外界温度和返回空气温度并将所述外界温度、所述返回空气温度及所述压缩排放参数与存储在所述控制器存储器内的第一预定限制进行比较。仅当所述外界温度、所述空气返回温度及所述压缩机排放参数符合所述第一预定限制时，初始化用于在冷却循环期间控制压缩机排放的程序。所述第一预定限制可为所述外界温度大于约43摄氏度，所述返回空气温度小于约负18摄氏度，且所述压缩机排放温度大于约118摄氏度。

所述程序还可包括步骤：如果程序参数符合第二预定限制，则停止所述程序。所述程序参数可以是返回空气温度或外界空气温度，且所述第二预定限制可分别为大于约18摄氏度，以及小于约38摄氏度。

操作所述膨胀阀的步骤可包括在所述压缩机入口与所述蒸发器出口之间的位置处没有分离地注入液体制冷剂的情况下操作膨胀阀。

附图说明

为了进一步理解本发明，将参照本发明的以下将联系附图阅读的详细说明，附图中：

图1示意性示出现有技术的制冷系统；

图2示意性示出根据本发明的制冷系统的示范实施例；及

图3为总体表示流程的框图，示出用于在制冷系统运转期间控制压缩机过热的程序的示范实施例。

具体实施方式

图1示出制冷剂蒸发压缩系统10（例如常规的现有技术运输制冷系统）的示范实施例的示意图。这样的系统10通常包括由马达14驱动以压缩制冷剂的压缩机12，例如往复式压缩机。在此压缩机内，制冷剂被压缩到更高的温度与压力。然后制冷剂移动到可为空气冷却冷凝器的冷凝器16。冷凝器16包括多个冷凝器盘绕翅片及管道18，其接收通常由冷凝器风扇（未示出）吹出的空气。通过以此步骤去除潜热，制冷剂冷凝成高压/高温的液体并流到在低温运转期间为过量液体制冷剂提供存储的接收器20。制冷剂从接收器20流过过冷器单元22，然后流到保持制冷剂清洁干燥的过滤器-干燥器24，然后流到增加制冷剂过冷的换热器26。最终，制冷剂流经蒸发器28之后重新进入压缩机12。这种现有技术中制冷剂经过蒸发器28的流率将由机械式恒温膨胀阀（“TXV”）30响应于通过膨胀阀球（bulb）32来自蒸发器的反馈而被调节。膨胀阀30调整传递到蒸发器28的制冷剂量以在蒸发器出口处建立预定过热，下文称之为蒸发器过热（ESH）33。当液体制冷剂流经膨胀阀30的开孔时，其至少一部分蒸发。然后制冷剂流经蒸发器28的管道或盘管34，管道或盘管34从返回空气（即从箱返回的空气）中吸热并在这样做时蒸发剩下的液体制冷剂。返回空气优选地被至少一个蒸发器风扇（未示出）抽吸或推动掠过管道或盘管34。制冷剂蒸气然后经过吸入调节阀（“SMV”）36从蒸发器28被抽回到压缩机12内。

现有技术的制冷剂蒸气压缩系统10还包括液体注入阀（“LIV”）38，或猝熄阀，所述液体注入阀38将液体管线从接收器20连接到在吸入调节阀36与压缩机12之间的点处的吸入管线。LIV36具有位于压缩机排放管线上的感测球40。运转中，LIV36响应于在压缩机排放处测量的过热而受到控制。如果球40感测到的过热高于预定值，则LIV36打开以允许液体制冷剂进入压缩机吸入口。一旦球40感测到过热在预定限制内，则LIV36闭合。

参照图2，示意性示出根据本公开的制冷剂蒸气压缩系统100的示范实施例，其中与图1类似的附图标记指示类似的元件。制冷剂（其在所公开实施例中为R134A）被用于冷却制冷剂蒸气压缩系统100的箱空气（即集装箱或拖车或卡车内的空气）。在所示实施例中，压缩机112为涡旋式压缩机，但也可为其他压缩机例如往复式压缩机或螺杆式压缩机而不限制本公开的范围。马达114可以是由低速（例如，45Hz）或高速（例如，65Hz）下运转的同步发电机（未示出）所驱动的整体式电驱马达。然而，本公开另一实施例将马达114规定为柴油发动机，例如高速（约1950RPM）或低速（约1350RPM）下运转的四缸、2200cc排量柴油发动机。

离开压缩机112的高温、高压制冷剂蒸气然后移动到空气冷却冷凝器116，空气冷却冷凝器116包括多个冷凝器盘绕翅片或管道114，所述盘绕翅片或管道114接收通常由冷凝器风扇146吹来的空气。通过经此步骤去除潜热，制冷剂冷凝成高压/高温液体并流到在低温运转期间存储过量液体制冷剂的接收器120。制冷剂从接收器120流到保持制冷剂清洁干燥的过滤器-干燥器124，并随后通过增加制冷剂过冷的节热器换热器148。

制冷剂从节热器换热器148流到电子膨胀阀（“EXV”）150。当液体制冷剂流过EXV的开孔时，其至少一部分蒸发。然后制冷剂流过蒸发器128的管道或盘管152，管道或盘管152从返回空气154（即从箱返回的空气）吸热并在这样做时蒸发剩余的液体制冷剂。返回空气优选地由至少一个蒸发器风扇156抽吸或推动掠过管道或盘管152。然后制冷剂蒸气通过吸入检修阀137从蒸发器128被抽回到压缩机内。

系统100还包括节热器回路158。当该回路起作用时，阀160打开以允许制冷剂通过辅助膨胀阀162，辅助膨胀阀162具有位于压缩机112的中部入口167上游的感测球164。阀162响应于球164处测得的温度而受到控制，并用作膨胀及冷却前进到节热器逆流换热器148中的制冷剂，从而使前进到EXV150的液体制冷剂过冷。

系统100还包括将压缩机112的排放连接到吸入口的数字卸荷阀166。在系统100产生过大压力差或安培数（amperagedraw）时，卸荷阀166打开并平衡排放与吸入之间的压力，从而导致涡旋装置（scrollset）分离并停止制冷剂流。

制冷剂蒸气压缩系统100内的许多点都受到控制器550的监测与控制。控制器550包括微处理器552及其相关联的存储器554。控制器550的存储器554可以包括操作者或所有者预先选择的、期望的用于系统100内各种操作参数的值，这些参数包括但不限于系统100或箱内的各种位置的温度设定点、压力限制、电流限制、发动机速度限制以及系统100内的任何多种其它的期望操作参数或限制。在此公开实施例中，控制器550包括含微处理器552及存储器556的微处理器板556、含模数转换器560的输入/输出（I/O）板558，所述模数转换器560接收来自系统中各种点的温度输入与压力输入、AC电流输入、DC电流输入、电压输入与湿度水平输入。此外，I/O板558包括驱动电路或场效应晶体管（“FET”）以及继电器，其从控制器550接收信号或电流并进而控制系统100内的各种外部或外围设备，例如EXV150。

由控制器550监测的特定传感器与换能器中间包括：返回空气温度（RAT）传感器168，其根据蒸发器返回空气温度将可变电阻值输入到微处理器552内；外界空气温度（AAT）传感器170，其根据在冷凝器116之前读取的外界空气温度将可变电阻值输入到微处理器552内；压缩机吸入温度（CST）传感器172，其根据压缩机吸入温度将可变电阻值输入到微处理器；压缩机排放温度（CDT）传感器174，其根据压缩机112穹盖（dome）内部的压缩机排放温度将电阻值输入到微处理器552；蒸发器出口温度（EVOT）传感器176，其根据蒸发器128的出口温度将可变电阻值输入到微处理器552；压缩机吸入压力（CSP）换能器178，其根据压缩机112的压缩机吸入值将可变电压输入到微处理器552；压缩机排放压力（CDP）换能器180，其根据压缩机112的压缩机排放值将可变电压输入到微处理器552；蒸发器出口压力（EVOP）换能器182，其根据蒸发器出口压力或蒸发器128将可变电压输入到微处理器552；直流传感器186和交流传感器188（分别为CT1与CT2），其对应于由系统100抽取的电流将可变电压值输入到微处理器552。

本发明的改进之一是去掉了注液阀（LIV）及相关联的管件设备与控制器元件。鉴于现有技术的制冷系统严重依赖于将液体制冷剂注入压缩机级的入口内以控制压缩机过热的程度，本公开展示了一种独特的程序以在不依赖于LIV的情况下控制压缩机过热，如以下详细说明。

在所公开实施例的基础实施方式中，采用本领域普通技术人员了解的算法，微处理器552利用来自EVOP传感器182与EVOT传感器176的输入以计算蒸发器盘管蒸发器过热并将计算结果存储在存储器模块133中。然后微处理器552将计算的蒸发器过热值与存储在存储器556中的预选的期望过热值或设定点相比较。微处理器552被编程以根据实际和期望过热之间的差异来致动EXV150以便维持期望过热设定（即，最小过热，从而使单元容量最大化）。微处理器552可被编程以维持过热的最低设定，其将保持控制并且仍不导致回流（即，液体制冷剂溢入压缩机内）。此值将根据该系统的容量与特定构造而变化，并可由本领域普通技术人员通过实验确定。然后此最低水平的过热可用作“基础”设定，在各种操作和/或外界条件时从该“基础”设定作出过热偏移。

在以上讨论的基础实施方式中已了解到压缩机112内产生的伴随过热在一些运转状况中超过了安全限制。这种状况的一个示例是，当外界温度大于43.3℃（110℉），返回空气温度小于-18℃（0℉），且压缩机排放温度大于118℃（224.4℉）时。发明人已发现如果从系统中去除猝熄阀且满足上述条件，则常规的控制技术（即控制蒸发器过热）在防止压缩机排放过热方面是无效的。在基础实施方式中，压缩机排放温度继续上升。为解决此点，在努力向压缩机112添加更多的液体制冷剂时，蒸发器过热设定点被继续降低。然而，即使当蒸发器过热设定点为1.5℃时，传送到压缩机112以将排放温度保持在可接受运转限制的液体制冷剂还是不够。另外，降低设定点导致零过热，意味着制冷剂在PH图的穹顶内。由于液体/蒸气的成分（质量）在运行温度和压力下无法确定，这种条件致使膨胀阀150不稳定。为了控制压缩机内产生的过热需要不同于基础实施方式的控制算法。

参见图2和图3，示出了用于在冷却循环期间控制压缩机排放过热的程序200。程序200包括以基础实施方式模式运转的步骤210，其中，在所公开示例中，EXV150的控制响应于蒸发器128过热。在步骤212，RAT传感器168、AAT传感器170和CDT传感器174受到监测。在步骤214，所监测的值与存储在控制器550内的第一预定限制进行比较。如果在步骤216内不符合第一预定限制，则系统100的控制保持在基础实施方式。在所公开实施例中，第一预定限制为：外界空气温度大于43.3℃（110℉），返回空气温度小于-18℃（0℉），且压缩机排放温度大于118℃（244.4℉）。如果符合第一预定限制，则EXV150的控制被选择为响应于压缩机排放参数。

在步骤218，用于微处理器552控制EXV50的设定点从蒸发器过热设定点改变为压缩机排放参数。在所公开实施例内，压缩机排放参数是如由CDT174感测的压缩机排放温度。然而在另一实施例中，压缩机排放参数是如使用CDT传感器174与CDP传感器180计算的压缩机过热，其将在下面予以讨论。此设定点使用一个与来自CDT传感器174的那时存在的（then-existing）读数相等的值来初始化。此初始化程序基本上导致设定点与EXV150位置之间的零误差并免于EXV的大初始化误差。

初始化后，在步骤220，将压缩机排放参数的最终设定点与指令一起输入到微处理器，以在预定时间段内达到设定点。在所公开示例中，设定点为压缩机排放温度等于132.2℃（270℉），时间段为90秒。从上面的示例可见，当压缩机排放温度低于该设定点时，控制算法被初始化。发明人已发现，如果在压缩机排放温度升高到期望设定点之前初始化程序200，则系统100更易于控制且设定点也更易于达到。如果在压缩机排放温度高于设定点时初始化程序200，则系统100较难于得到控制。

在一个示例中，程序200采用比例积分微分（PID）控制器以校正测得的压缩机排放参数与期望设定点之间的误差。PID计算然后输出能够调整EXV150以使压缩机排放温度更接近设定点的校正动作。比例值决定对当前误差的反应，积分值决定基于近期误差总和的反应，并且微分值决定对误差改变率的反应。合在一起，这三个值的加权和被用于经由EXV150的位置调整压缩机排放参数。在所公开示例中，如这里公开的，对PID的设定点值被改变了，而比例值、积分值和微分值保持与现有技术系统中所采用值相同。

程序200继续，直至返回空气温度或外界温度符合第二预定限制，或遇到报警条件。在步骤222，执行各种系统诊断监测检查，并且如果遇到任何报警条件，则终止程序200且关闭系统100或采取补救动作。在一个示例中，如果压缩机排放温度（如由CDT174所测得的）在十分钟内近似等于外界温度（如由AAT170所测得的），则发出报警代码，指示排放温度传感器已失效。

在步骤224，执行检查以确定是否条件许可返回到操作的基础实施方式模式。如果程序参数符合第二预定限制，则控制算法在步骤226回到基础实施方式模式并且程序200在步骤210重新开始。在一个示例中，程序参数为如RAT传感器168所感测的返回空气温度，且第二预定限制为大于-17.8℃（0℉）。在另一个示例中，程序参数为如AAT传感器170所感测的外界空气温度，且第二预定限制为小于37.8℃（100℉）。在其它示范实施例中，程序参数上的第二预定限制可导致程序200基本上变为基础实施方式。

如上讨论，在本公开的另一实施例中，用于控制压缩机排放过热的程序由不同的压缩机排放参数（例如由如CDT传感器174和CDP传感器180计算的压缩机过热）来控制。该具体实施例中，在步骤212，如CDP传感器180所感测的压缩机排放压力也受到监测。在步骤217，微处理器552计算压缩机排放过热（CDSH）值192并将此值存储在存储器554中。通过首先使用CDP传感器180感测的值和已知算法来计算压缩机排放饱和温度，然后从所感测的压缩机排放温度减去压缩机排放饱和温度，从而确定CDSH值192。在初始化步骤218，使用等于那时存在的CDSH值192的值来初始化此设定点。在步骤220，压缩机过热设定点被输入为22.8℃（73℉），并且到达设定点的时间段为90秒。

所公开系统100的一个优点是其复杂性较小。去除液体猝熄阀及相关联的管件设备与控制元件简化了设计且降低了制造成本。

所公开系统100与程序200的另一个优点是其更加高效。如参见图1可见的，注液阀138与相关联的管件设备基本上绕过蒸发器128。当LIV138打开时，由于绕过的制冷剂量而降低了蒸发器128的容量，所以系统100效率降低。

另一个优点是提高了系统100的稳定性。在如图1所示的现有技术系统内，LIV138是螺线管阀。由于其设计，该阀或打开或闭合，这导致大量液体制冷剂被倾泻到压缩机112吸入口内。大量的液体可导致压缩机112内的不稳定性。去除LIV138也去除了不稳定性的来源。

Claims (19)

1.在具有压缩机、冷凝器、蒸发器和用于控制膨胀阀的控制器的制冷剂蒸气压缩系统中，一种用于在冷却循环期间控制压缩机排放的方法，包括以下步骤：

在基础方式中根据所述蒸发器的实际过热和期望过热之间的差异来致动所述膨胀阀；

监测压缩机排放参数、外界温度和返回空气温度；

将所述外界温度、所述返回空气温度及所述压缩机排放参数与存储在所述控制器存储器内的第一预定限制进行比较；

仅当所述外界温度、所述返回空气温度及所述压缩机排放参数符合所述第一预定限制时开始：

-将所述压缩机排放参数与存储在控制器存储器内的设定点进行比较；以及

-响应于所述压缩机排放参数与所述设定点之间的差选择性操作所述蒸发器上游的所述膨胀阀。

2.如权利要求1所述的方法，其中，操作所述膨胀阀是在所述压缩机的入口与所述蒸发器的出口之间的位置处没有分离地注入液体制冷剂的情况下进行的。

3.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩机排放参数为压缩机排放温度。

4.如权利要求3所述的方法，其中，所述设定点值大于所述压缩机排放温度。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述设定点约为132摄氏度。

6.如权利要求1所述的方法，其中，所述压缩机排放参数为过热。

7.如权利要求3所述的方法，其中，所述第一预定限制为：

所述外界温度大于43摄氏度；

所述返回空气温度小于负18摄氏度；且

所述压缩机排放温度大于118摄氏度。

8.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：如果过程参数符合第二预定限制，则停止所述方法，所述过程参数包括返回空气温度和外界空气温度。

9.如权利要求8所述的方法，其中，所述过程参数是返回空气温度，而所述第二预定限制是大于负18摄氏度。

10.如权利要求8所述的方法，其中，所述过程参数为外界空气温度，而所述第二预定限制为小于38摄氏度。

11.如权利要求1所述的方法，其中，所述膨胀阀为电子膨胀阀。

12.一种制冷剂蒸气压缩系统，包括：

用于压缩制冷剂的压缩机，所述压缩机具有吸入口、排放口和操作耦接到所述排放口的压缩机排放传感器，所述压缩机排放传感器构造成提供压缩机排放参数；

操作耦接到所述压缩机的所述排放口的空气冷却换热器；

操作耦接到所述空气冷却换热器和所述压缩机的所述吸入口的蒸发器换热器，及操作耦接到所述蒸发器的蒸发器出口压力传感器或蒸发器出口温度传感器中的至少一个；

耦接到所述蒸发器的入口的膨胀阀，用于至少部分地蒸发进入所述蒸发器的所述制冷剂；

外界空气温度传感器，用于监测外界空气温度；

返回空气温度传感器，用于监测返回空气温度；以及

与所述膨胀阀操作关联的控制器，所述控制器构造成：

-在基础方式中根据所述蒸发器的实际过热和期望过热之间的差异来致动所述膨胀阀；

-监测所述外界空气温度传感器、所述返回空气温度传感器及所述压缩机排放传感器；

-将所述外界空气温度、所述返回空气温度及所述压缩机排放参数与存储在所述控制器存储器内的第一预定限制进行比较；以及

-仅当所述外界空气温度、所述返回空气温度及所述压缩机排放参数符合所述第一预定限制时响应于设定点和所述压缩机排放参数之间的差而控制所述膨胀阀。

13.如权利要求12所述的制冷剂蒸气压缩系统，其中，所述控制器包括比例积分微分控制器。

14.如权利要求12所述的制冷剂蒸气压缩系统，其中，所述膨胀阀为电子膨胀阀。

15.如权利要求12所述的制冷剂蒸气压缩系统，其中，所述压缩机排放传感器为所述压缩机排放温度传感器或所述压缩机排放压力传感器中的至少一个。

16.如权利要求15所述的制冷剂蒸气压缩系统，其中，所述压缩机排放参数为压缩机排放温度，所述设定点为118℃，并且所述控制器构造成当所述压缩机排放温度大于所述设定点时控制所述膨胀阀。

17.如权利要求16所述的制冷剂蒸气压缩系统，所述控制器还构造成当所述返回空气温度传感器读数小于-18℃时控制所述膨胀阀。

18.如权利要求16所述的制冷剂蒸气压缩系统，所述控制器还构造成当所述外界空气温度传感器读数大于43℃时控制所述膨胀阀。

19.如权利要求12所述的制冷剂蒸气压缩系统，其中，所述排放参数为过热。