CN109323504B - 基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱及其控制方法，多温区冰箱包含冷藏室和冷冻室，冷藏室和冷冻室内置感温包，工作在正常制冷模式时，位于机仓的旋转式磁制冷机能够交替地通过热交换流体和三通阀向冷藏室、冷冻室供冷，同时通过高温换热器向环境散热，控制器通过间室温度与用户设定温度的差值动态调节电机转速控制器和驱动泵转速控制器，实现自动高效控温。当用户选择速冷模式时，电机转速设定为最大转速，保证冷藏室、冷冻室尽快达到设定温度。当风冷冰箱运行过程中结霜恶化制冷性能时，控制器可自动判定进入化霜模式，利用回风化霜对冷藏室化霜，利用逆循环方式对冷冻室化霜。
Description
技术领域
本发明涉及制冷技术，具体涉及一种基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱及其控制方法，能够应用磁制冷技术实现冰箱多温区控制以及自动高效化霜。
背景技术
蒸气压缩循环是目前全球采用最为广泛的制冷技术，大量应用于空调、冰箱以及冰柜机组等。自20世纪初以来，蒸气压缩循环中的压缩机、换热器等核心部件已历经数代发展，目前最优秀的蒸气压缩制冷系统，其制冷效率已经能接近40％-45％逆卡诺循环的理论效率。但是蒸气压缩制冷系统大量使用对环境及气候变化不利的氟氯烃、氟代烃等制冷剂，这些制冷剂的温室气体效应大多为CO2的1000倍以上，在国际组织的约束下正在被逐渐替代。
室温磁制冷技术是利用加磁和退磁使磁工质内部的磁畴进行有序和无序转化，涉及到磁工质内部的相变，对应的熵变及潜热即可用于制冷或热泵，是一种替代蒸气压缩制冷的新型绿色技术。在交变磁场作用下产生熵变、潜热的磁工质包括但不限于稀土金属单质(例如钆)，稀土元素与轻金属的二元合金(例如铒钴合金、钆铝合金、铽钛合金)，稀土元素与轻金属的三元合金(例如钆铽铝合金)，稀土元素与过渡元素的二元或三元化合物(例如钆硅锗)，无稀土元素的锰砷基二元、三元或四元化合物(例如锰砷、锰铁磷砷)，哈斯勒合金体系(例如镍锰镓)，镧铁硅体系及其氢化物等。相关研究指出，磁制冷能够实现30％-60％的逆卡诺循环效率，因此具有较好的应用前景。目前，主流的磁制冷机中的磁工质床均采用专利US 4332135 A中公开的回热式磁工质床(Active Magnetocaloric Regenerator)技术方案。为了提升磁制冷机运行频率及紧凑性，新型磁制冷机普遍采用专利US 6668560B2、US 6526759 B2、US 2010/0146989 A1、Int.J.Refrigeration 2015(58):14-21中公开的旋转式磁制冷机设计方案，即回热式磁工质床在圆周方向上分布，磁体或磁工质床的相对旋转可产生周期性变化的磁场激发磁工质的磁热效应，热交换流体通过磁工质床两侧的流量分配阀将回热式磁工质床内产生的热量传递至高温侧换热器，将回热式磁工质床产生的冷量传递至低温侧(制冷)换热器。
此前，CN 103062973 A、CN 203274395 U公开了便携式磁制冷冰箱的技术方案，但基于的是US 5934078中公开的往复式磁制冷机技术。CN 105823298 A虽然公开了应用模块化磁制冷机的酒柜技术方案，但其侧重点在单冷藏温区酒柜和磁制冷机的结构特征。
目前尚没有应用于多温区冰箱的旋转式磁制冷机系统及其高效控温与智能化霜方案。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱及其控制方法，能够实现多温区自动控温及智能化霜，并能满足用户速冷需求。
为了实现上述目的，本发明基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱包括具有冷冻室、冷藏室以及机仓的冰箱本体；所述的冷冻室当中布置有冷冻室风道与冷冻换热器，冷藏室当中布置有冷藏室风道与冷藏换热器，冷冻室风道与冷藏室风道连通并在通道上设置有制冷风机，所述的冷冻换热器与冷藏换热器通过三通阀交替连通热交换流体；所述的冷藏室风道上设置有若干送风格栅，冷冻室与冷藏室之间通过风阀连接，冷冻室风道上开设冷冻室送风口，冷藏室风道上开设冷藏室回风口；所述的机仓内设置有旋转式磁制冷机，旋转式磁制冷机包括若干组沿圆周方向排列的回热式磁工质床，回热式磁工质床的内外侧分别设置有磁体，磁体通过旋转能够产生周期性变化的磁场，回热式磁工质床上安装有能够随磁体同步转动的低温侧旋转式流量分配阀和高温侧旋转式流量分配阀，高温侧旋转式流量分配阀与高温换热器相连，且连接管路上设有能够调速及改变流向的流体驱动泵，低温侧旋转式流量分配阀通过热交换流体管网连接两个三通阀，分别通过两个三通阀交替向冷藏换热器与冷冻换热器供冷。
所述的流体驱动泵正向运行时，热交换流体自高温侧旋转式流量分配阀经过流体驱动泵进入高温换热器；所述的流体驱动泵反向运行时，热交换流体从高温换热器经过流体驱动泵进入高温侧旋转式流量分配阀。所述的磁体与低温侧旋转式流量分配阀、高温侧旋转式流量分配阀均连接在主轴上，主轴通过变速机构连接能够变转速的驱动电机，主轴通过轴承座固定在机仓箱壁上，所述的机仓内布置有用于对高温换热器和驱动电机进行冷却的散热风机。流体驱动泵通过驱动泵转速控制器连接控制器，所述的控制器通过电机转速控制器连接能够变转速的驱动电机；所述的控制器连接三通阀使热交换流体分别流通在冷藏换热器和冷冻换热器上或者完全切断；所述的控制器连接散热风机和制冷风机并能够分别控制各风机通断；所述的控制器连接风阀并能够控制其在完全开启和完全封闭两种状态间切换；所述的控制器连接布置于高温换热器表面的高温侧温度传感器以及分别布置在冷藏室和冷冻室内的冷藏室感温包和冷冻室感温包。所述的控制器上具有人机交互界面，人机交互界面上设有开、关机功能，并能够人为选择速冷模式和正常制冷模式；速冷模式下还能够选择冷冻室速冷模式或冷藏室速冷模式；控制器能够判断后自动进入化霜模式，冷藏室设定温度和冷冻室设定温度能够实时调节。所述的控制器内部存储有七个预先设定的阈值：第一阈值用来判断冷藏换热器和冷冻换热器的结霜情况；第二阈值用来判断化霜模式是否结束；第三阈值用来判断冷藏室化霜是否结束；第四阈值用来判断冷冻室化霜是否结束；第五阈值用来判断化霜结束后恢复正常制冷模式前的准备阶段是否结束；第六阈值用来判断正常制冷模式下冷冻室间歇运行时间是否达到；第七阈值用来判断正常制冷模式下冷藏室间歇运行时间是否达到；所述的第二阈值时间等于第三阈值、第四阈值、第五阈值三者的时间求和。
本发明对基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱的控制方法，包括以下步骤：
a.根据驱动电机累积运行时间和控制器内部预先设定的第一阈值进行比较，判定是否进入化霜模式，若累积运行时间超过第一阈值，则进入化霜模式；
b.若已进入化霜模式，根据本次化霜阶段持续时间与控制器内部预先设定的第二阈值进行比较，判定化霜是否完成，若本次化霜阶段持续时间超过第二阈值，则结束本次化霜，并将驱动电机累积运行时间和化霜阶段持续时间清零；
c.若不进入化霜模式且用户选择速冷模式，且冷藏室感温包温度高于冷藏室设定温度或冷冻室感温包温度高于冷冻室设定温度，则自动执行速冷模式的控制逻辑；
d.若不进入化霜模式且用户选择正常制冷模式，或者用户未选择速冷模式，或者选择速冷模式但冷藏室感温包温度低于冷藏室温度且冷冻室感温包温度低于冷冻室设定温度，则默认执行正常制冷模式的控制逻辑。
化霜模式分为三个阶段：
首先对冷藏室进行回风化霜，关闭磁制冷机的驱动电机以及流体驱动泵，关闭散热风机，开启制冷风机，关闭风阀阻断冷冻室空气；当冷藏室化霜时间大于第三阈值时，进入冷冻室的化霜阶段，直至冷冻室化霜时间超过第四阈值，在此阶段使用逆循环化霜，即磁制冷机驱动电机开启，且通过电机转速控制器设置为最大转速，流体驱动泵反向运行，流体驱动泵转速通过驱动泵转速控制器设为最大，三通阀切换至冷冻室流路，散热风机开启，制冷风机和风阀关闭；当冷冻化霜时间超过第四阈值时，进入制冷准备阶段，此时磁制冷机驱动电机开启，且通过电机转速控制器设置为最大转速，流体驱动泵正向运行，流体驱动泵转速通过驱动泵转速控制器设为最大，三通阀切换至冷冻室流路，散热风机开启，制冷风机和风阀关闭。
工作在速冷模式时：
若用户选择冷冻室速冷模式且冷冻室感温包温度高于冷冻室设定温度时，驱动电机开启且通过电机转速控制器设置为最大转速，流体驱动泵正向运行，三通阀切换至冷冻换热器所在的冷冻室流路，散热风机、制冷风机和风阀开启；
若用户选择冷藏室速冷模式且冷藏室感温包温度高于冷藏室设定温度时，驱动电机开启且通过电机转速控制器设置为最大转速，流体驱动泵正向运行，三通阀切换至冷藏换热器所在的冷藏室流路，散热风机和制冷风机开启，风阀关闭；流体驱动泵的最优流量根据驱动泵转速控制器控制，驱动泵转速控制器转速由冷藏室感温包读数、冷冻室感温包读数、高温侧温度传感器读数以及电机转速控制器转速设定值计算得到。
正常制冷模式不分先后的包括步骤：1)冷冻室制冷，驱动电机累积运行时间不超过控制器内部预先设定的第六阈值，期间磁制冷机驱动电机开启，流体驱动泵正向运行，三通阀切换至冷冻室流路，散热风机、制冷风机和风阀开启；2)冷藏室制冷，驱动电机累积运行时间不超过控制器内部预先设定的第七阈值，期间磁制冷机驱动电机开启，流体驱动泵正向运行，三通阀切换至冷藏室流路，散热风机和制冷风机开启，风阀关闭；3)电机转速控制器转速设定值由负反馈控制方法决定，若工作在冷冻室的制冷阶段，由冷冻室的设定温度与冷冻室感温包的温度差值作为负反馈控制器的输入信号，若工作在冷藏室的制冷阶段，由冷藏室的设定温度与冷藏室感温包的温度差值作为负反馈控制器的输入信号；4)流体驱动泵的最优流量根据驱动泵转速控制器进行控制，驱动泵转速控制器转速由冷藏室感温包读数、冷冻室感温包读数、高温侧温度传感器读数以及电机转速控制器转速设定值计算得到。
与现有技术相比，本发明具有如下的技术效果：从系统结构及制冷方式角度来看，与现有利用蒸气压缩制冷技术的冰箱相比，本发明利用磁制冷工质，完全消除了氟利昂工质高温室气体效应、可燃性、毒性等问题，实现了节能减排效果。与现有利用磁制冷效应的冷藏设备相比，本发明提供了完整的高效自动温控与智能化霜流程，使得冷藏室、冷冻室在任何储物、设定温度、房间环境温度工况下的磁制冷机实时效率最优。用户能够指定速冷模式，发挥磁制冷机最大制冷量，同时根据冷藏室或冷冻室温度，独立对冷藏室或冷冻室快速、高效制冷。本发明能够对冷藏室和冷冻室独立化霜，针对冷藏食材保湿保险的需求，提出将回风化霜的原理应用于磁制冷机的解决方案，减小食材的水分耗散。针对冷冻室高效化霜减小冷冻食材温度波动的需求，在磁制冷机中应用能够改变流向的流体驱动泵，在流体驱动泵逆向流动时，实现磁制冷机逆循环除霜的控制流程，利用逆循环高效的化霜效率缩短化霜时间。
附图说明
图1本发明立式风冷多温区冰箱的结构简图；
图2本发明立式风冷多温区冰箱的系统控制流程图；
图3本发明立式风冷多温区冰箱的高效化霜控制流程图；
图4本发明立式风冷多温区冰箱工作在速冷模式下的控制方法流程图；
图5本发明立式风冷多温区冰箱工作在正常制冷模式下的控制方法流程图；
附图中：101-回热式磁工质床；102-磁体；103-主轴；104-变速机构；105-驱动电机；106-低温侧旋转式流量分配阀；107-高温侧旋转式流量分配阀；108-流体驱动泵；109-高温换热器；110-轴承座；111-三通阀；112-冷藏换热器；113-冷冻换热器；201-散热风机；202-制冷风机；203-风阀；301-电机转速控制器；302-驱动泵转速控制器；303-高温侧温度传感器；304-冷藏室感温包；305-冷冻室感温包；306-控制器；401-机仓箱壁；402-机仓格栅；403-箱体及绝热层；404-冷藏室；405-冷冻室；406-机仓；407-冷藏室柜门；408-冷冻室柜门；409-隔断层；410-冷藏室风道；411-冷冻室风道；412-冷藏室回风口；413-冷冻室送风口；414-柔性连接件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱及其控制方法涉及磁工质在外界交变磁场激励作用下发生相变产生的热效应，磁工质在外界磁场强度增大时放热，在外界磁场强度减小时吸热。相变可以是一阶相变或高阶相变。回热式磁工质床101内部填充一种居里温度的磁工质或多种不同居里温度按顺序排布的磁工质。回热式磁工质床101是由不规则颗粒状或球形颗粒状材料填充，或是由平行板材构成，或是由微通道结构或蜂窝状结构构成。
参见图1，立式风冷多温区冰箱的冷冻室405位于顶部，冷藏室404位于中部，磁制冷机位于底部的机仓406。冷冻室405的冷量来自冷冻换热器113，当制冷风机202开启、风阀203打开时，冷冻室405内的空气将自风阀203经过制冷风机202、冷冻室风道411、冷冻换热器113、冷冻室送风口413重新进入冷冻室405对冷却储物。冷藏室404的冷量来自冷藏换热器112，当制冷风机202开启、风阀203关闭时，冷藏室404内的空气将自冷藏室回风口412经过冷藏换热器112、制冷风机202、冷藏室送风道410并通过送风格栅进入冷藏室404，冷却储物。冰箱冷冻室405、冷藏室404的冷量来自磁制冷机，除了风阀203状态区别外，磁制冷机热交换流体管网中的三通阀111保证了热交换流体的流路切换，即冷冻室制冷时冷藏室不供冷，全部热交换流体通过三通阀111连通冷冻换热器113；反之，冷藏室制冷时冷冻室不供冷，全部热交换流体通过三通阀111连通冷藏换热器112，保证了冷藏室和冷冻室的间歇运行。热交换流体管网内部充满液态热交换流体介质用来将冷量从磁制冷机传递至冷藏换热器112和冷冻换热器113。热交换流体可以是乙醇、乙二醇的水溶液或其它盐溶液，内部可添加防腐蚀介质。磁制冷机位于冰箱机仓406内部，可变速驱动电机105通过变速机构104减速，并与主轴103相连接，带动磁体102旋转，对位于垂直于主轴平面圆周方向上排布的回热式磁工质床101施加周期性变化的磁场，使磁工质周期性地产生热量和冷量。与回热式磁工质床101连接的低温侧旋转式流量分配阀106、高温侧旋转式流量分配阀107和主轴103同步转动。可变速驱动电机105的转速可连续或分级调节，进而控制磁体102和两个旋转式流量分配阀的转速。在流体流路上，可变速流体驱动泵108驱动流体在高温换热器109、三通阀111及磁工质床101之间流动，回热式磁工质床101内具体的流量分配取决于两个旋转式流量分配阀的设计及功能需求。可变速、可变流向的流体驱动泵108的转速、流向均可调，进而控制热交换流体的流量和流向。工作在非化霜模式下时，流体驱动泵108正向流动，热交换流体管网内流体自高温侧旋转式流量分配阀107经过流体驱动泵108进入高温换热器109，将回热式磁工质床101内经历加磁阶段产生的热量传递至高温换热器109进而排至环境空气；同时，流体驱动泵108正向流动将回热式磁工质床101内经历退磁阶段产生的冷量传递至三通阀111，进一步可冷却冷藏换热器112或冷冻换热器113。流体驱动泵108仅在冷冻室化霜阶段反向流动，其技术特征在于通过流体驱动泵108反向流动实现化霜阶段高温换热器109从环境吸热，向冷冻换热器113排热化霜的目标，一般是冰箱运行10～30小时(正向运行)后需要化霜(反向运行)，与现有磁制冷技术中利用可变流向的流体驱动泵在每个磁制冷周期(1秒的量级)内通过改变流向实现加磁后排热、退磁后供冷的目的完全不同。
机仓406内设置的散热风机201和机仓格栅402，保证高温换热器109充分向环境空气散热。磁制冷机主轴103通过轴承座110连接至机仓箱壁401，驱动电机105通过由橡胶结构件或弹簧、记忆合金等制成的柔性连接件414固定在机仓箱壁401上，达到减小振动及噪声的目标。由于主轴103转速远低于驱动电机105转速，轴承座110和机仓箱壁401之间可不使用柔性连接件。冰箱的冷藏室、冷冻室由箱体及绝热层403包裹，冷藏室404和冷冻室405由隔断层409分割。冷藏室404和冷冻室405分别设置冷藏室柜门407和冷冻室柜门408。
为了实现冰箱的高效自动控温及智能化霜需求，系统内设置若干传感器作为控制输入信号，包括检测冷藏室空气温度的冷藏室感温包304，检测冷冻室空气温度的冷冻室感温包305，检测高温换热器109温度的高温侧温度传感器，这三个传感器通过电缆通讯或短距离无线通讯方式与控制器306连接。同时，控制器306通过电缆通讯或短距离无线通讯方式与执行机构连接，可对执行机构进行通断控制，包括空气侧的散热风机201，制冷风机202，风阀203，磁制冷机侧的驱动电机105和流体驱动泵108，同时，部分执行机构有特殊调控功能，控制器306通过电机转速控制器301可连续或分级调节驱动电机105的转速，控制器306通过驱动泵转速控制器302可调节热交换流体的流量并可控制流体的流向，控制器306可控制三通阀111在冷藏换热器112流路和冷冻换热器113流路或完全关闭三种状态间切换。除此之外，控制器还可以与用户交互，通过图形、语音或通过互联网连接移动智能设备等交互界面，获得用户需要的冷藏室404、冷冻室405的设定温度，以及由用户在正常制冷模式和速冷模式之间选择，若用户选择速冷模式，可进一步选择冷藏室速冷或冷冻室速冷。
参见图2，系统的控制原理是通过读取上述三个温度传感器的温度读数、用户输入的设定温度和制冷模式，并根据控制器306内部存储的多个数据，包括第一阈值和第二阈值，来动态自动判定系统的运行模式，实现高效温控和智能化霜的需求。从本次冰箱开机开始，控制器306开始统计驱动电机105的累积运行时间，当该累积运行时间超过预先存储在控制器306内的第一阈值时(一般设置为10～30小时)，根据家电冰箱的常规使用频率和温湿度条件可判定此时冷冻换热器113和冷藏换热器112表面霜层已开始影响系统制冷性能，需要进入化霜模式。一旦进入化霜模式，控制器306开始统计化霜时间，系统处于化霜模式，直到化霜时间大于存储于控制器306内预先设定的第二阈值，结束本次化霜，并清零驱动电机105累积运行时间和化霜时间。当累积运行时间未超过第一阈值时，系统不需要进入化霜模式，此时根据用户选择速冷模式或正常制冷模式运行。速冷模式需要参考用户输入的设定温度判定是否进入速冷模式，只有当用户选择速冷模式，且冷藏室感温包304温度高于冷藏室设定温度或冷冻室感温包305温度高于冷冻室设定温度时，执行速冷模式的控制逻辑；正常制冷模式需要根据用户设定的冷藏室设定温度和冷藏室感温包304的差值以及冷冻室设定温度和冷冻室感温包305的差值实时动态调节电机转速控制器301设定值。速冷模式或正常制冷模式均需使用三个温度传感器的读数，实时计算最优的热交换流体流量设定值，来保证任何工况下冰箱处于最小耗电量状态。当控制器完成模式判别后，根据三种模式(化霜模式、速冷模式、正常制冷模式)各自的控制逻辑计算确定每个执行机构的设定状态(通断)或设定值大小，通过控制器306将控制信号发送至各执行机构。上述数据读取、模式判别、控制信号输出步骤执行的采样周期Δt1可以从1s到60s不等。
化霜模式、速冷模式、正常制冷模式的控制逻辑参见图3-5中的三个案例流程解释。
控制器306内存储了预先设定的第三阈值、第四阈值、第五阈值参数。进入化霜模式后先对冷藏室404进行回风化霜，由于冷藏室设定温度高于0℃，只需停止对冷藏室404供冷，继续开启空气循环即可完成化霜，不需消耗多余的电量，同时，回风化霜可以保证冷藏室404内空气保持较高湿度，有利于食品保鲜。回风化霜要求磁制冷机关闭，即驱动电机105、流体驱动泵108、散热风机201均关闭，空气侧隔断冷冻室，关闭风阀203，继续开启制冷风机202。冷藏室化霜累积时间超过第三阈值后进入冷冻室化霜阶段，此时由于冷冻室405温度低于0℃，需采用逆循环化霜，开启磁制冷机但反向运行，即驱动电机105、流体驱动泵108、散热风机201均开启，空气侧制冷风机202和风阀关闭，流体驱动泵108反转，使得回热式磁工质床101内周期性产生的热量此时通过三通阀111进入冷冻换热器113，利用该部分热量去除冷冻换热器表面的霜层。此时，电机转速控制器301、驱动泵转速控制器302设定转速均为最大值，保证化霜时间尽可能地短，降低化霜阶段耗电量。当冷冻室化霜累积持续时间超过第四阈值时，结束冷冻室化霜，开始进入制冷准备阶段。该阶段通过关闭空气侧的制冷风机202、风阀203但开启磁制冷机的驱动电机105、流体驱动泵108(正转)、散热风机201，使得通过三通阀111连通的冷冻换热器113温度尽快从化霜阶段的高温状态回归至冷冻室温度状态，此时，为了缩短制冷准备时间，电机转速控制器301、驱动泵转速控制器302转速均设定为最大值。当制冷准备时间超过第五阈值时，制冷准备阶段结束，同时，冷藏室化霜累积时间、冷冻室化霜累积时间、制冷准备时间全部清零，完成了整个化霜阶段流程。
如图4所示，若用户选择了冷冻室速冷，且冷冻室感温包305温度高于冷冻室设定温度时，开启驱动电机105、散热风机201、制冷风机202、风阀203，开启流体驱动泵108且保持正向流动，三通阀111切换至冷冻换热器113流路；若用户选择了冷藏室速冷，且冷藏室感温包304温度高于冷藏室温度设定值，开启驱动电机105、散热风机201、制冷风机202，关闭风阀203，开启流体驱动泵108且保持正向流动，三通阀111切换至冷藏换热器112流路。不论用户选择冷冻室速冷还是冷藏室速冷，电机转速控制器301的转速均设置为最大转速，保证最大制冷量，使冷冻食材尽快通过结晶区保证储物品质，或使冷藏食材尽快达到用户所需的冷藏温度；同时，流体驱动泵转速控制器302的转速设定值由电机转速控制器301的设定值(最大转速)、冷藏室感温包304温度、冷冻室感温包305温度、高温侧温度传感器303温度实时计算得到的最优流量值推算得到。根据电机转速控制器301的设定值及实时温度计算最优流量的方法可参考专利201810602010.0描述的控制方法。
若用户选择了正常制冷模式，或用户未选择速冷模式，或选择速冷模式，但冷藏室感温包304温度低于冷藏室温度且冷冻室感温包305温度低于冷冻室设定温度，则执行正常制冷模式的控制逻辑。控制器306内存储了预先设定的第六阈值和第七阈值。进入正常制冷模式后，系统先对冷冻室405供冷，同时控制器306开始统计冷冻室累积运行时间。此时，驱动电机105、散热风机201、制冷风机202、风阀203开启，流体驱动泵108正向流动，三通阀111切换至冷冻换热器113流路。以冷冻室设定温度和冷冻室感温包305温度的差值作为控制信号，电机转速控制器301的转速通过负反馈控制方法进行连续或分级调节。流体驱动泵转速控制器302的转速设定值由电机转速控制器301的实时设定值、冷藏室感温包304温度、冷冻室感温包305温度、高温侧温度传感器303温度实时计算得到的最优流量值推算得到，计算方案参考专利201810602010.0。若冷冻室累积运行时间超过第六阈值，则停止对冷冻室405供冷，转向冷藏室404制冷，并统计冷藏室累积运行时间。此时，驱动电机105、散热风机201、制冷风机202开启，风阀203关闭，流体驱动泵108正向流动，三通阀111切换至冷藏换热器112流路。以冷藏室设定温度和冷藏室感温包304温度的差值作为控制信号，电机转速控制器301的转速通过负反馈控制方法进行连续或分级调节。流体驱动泵转速控制器302的转速设定值由电机转速控制器301的实时设定值、冷藏室感温包304温度、冷冻室感温包305温度、高温侧温度传感器303温度实时计算得到的最优流量值推算得到。若冷藏室累积运行时间超过第七阈值，则停止冷藏室404制冷，并清零冷冻室累积运行时间、冷藏室累积运行时间。下一采样周期若按照图2描述的模式判定流程仍为正常制冷模式，则重新进入冷却冷冻室405，从而实现冷冻室405、冷藏室404的交替制冷功能。
通常，第一阈值用来判断冷藏换热器112和冷冻换热器113的结霜情况，一般设置为驱动电机105连续运行10～30小时；第二阈值用来判断化霜模式是否结束，一般设置为25～45分钟；第三阈值用来判断冷藏室化霜是否结束，一般设置为10～20分钟；第四阈值用来判断冷冻室化霜是否结束，一般设置为10～20分钟；第五阈值用来判断化霜结束后恢复正常制冷模式前的准备阶段是否结束，一般设置为5分钟以内；第六阈值用来判断正常制冷模式下冷冻室间歇运行时间是否达到；第七阈值用来判断正常制冷模式下冷藏室间歇运行时间是否达到；其中，第二阈值时间等于第三阈值、第四阈值、第五阈值三者时间求和。
Claims (10)
1.一种基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于：包括具有冷冻室(405)、冷藏室(404)以及机仓(406)的冰箱本体；所述的冷冻室(405)当中布置有冷冻室风道(411)与冷冻换热器(113)，冷藏室(404)当中布置有冷藏室风道(410)与冷藏换热器(112)，冷冻室风道(411)与冷藏室风道(410)连通并在通道上设置有制冷风机(202)，冷冻换热器(113)与冷藏换热器(112)通过两个三通阀(111)交替连通热交换流体；所述的冷藏室风道(410)上设置有若干送风格栅，冷冻室(405)与冷藏室(404)之间通过风阀(203)连接，冷冻室风道(411)上开设冷冻室送风口(413)，冷藏室风道(410)上开设冷藏室回风口(412)；机仓(406)内设置有旋转式磁制冷机，旋转式磁制冷机包括若干组沿圆周方向排列的回热式磁工质床(101)，回热式磁工质床(101)的内外侧分别设置有磁体(102)，磁体(102)通过旋转能够产生周期性变化的磁场，回热式磁工质床(101)上安装有能够随磁体(102)同步转动的低温侧旋转式流量分配阀(106)和高温侧旋转式流量分配阀(107)，高温侧旋转式流量分配阀(107)与高温换热器(109)相连，且连接管路上设有能够调速及改变流向的流体驱动泵(108)，低温侧旋转式流量分配阀(106)通过热交换流体管网连接两个三通阀(111)，分别通过两个三通阀(111)交替向冷藏换热器(112)与冷冻换热器(113)供冷；
所述的磁体(102)与低温侧旋转式流量分配阀(106)、高温侧旋转式流量分配阀(107)均连接在主轴(103)上，主轴(103)通过变速机构(104)连接能够变转速的驱动电机(105)；
所述的流体驱动泵(108)通过驱动泵转速控制器(302)连接控制器(306)，所述的控制器(306)通过电机转速控制器(301)连接能够变转速的驱动电机(105)；
所述的控制器(306)连接布置于高温换热器(109)表面的高温侧温度传感器(303)以及分别布置在冷藏室(404)和冷冻室(405)内的冷藏室感温包(304)和冷冻室感温包(305)。
2.根据权利要求1所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于：所述的流体驱动泵(108)正向运行时，热交换流体自高温侧旋转式流量分配阀(107)经过流体驱动泵(108)进入高温换热器(109)；所述的流体驱动泵(108)反向运行时，热交换流体从高温换热器(109)经过流体驱动泵(108)进入高温侧旋转式流量分配阀(107)。
3.根据权利要求1所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于：主轴(103)通过轴承座(110)固定在机仓箱壁(401)上，所述的机仓(406)内布置有用于对高温换热器(109)和驱动电机(105)进行冷却的散热风机(201)。
4.根据权利要求1所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于：所述的控制器(306)连接三通阀(111)使热交换流体分别流通在冷藏换热器(112)和冷冻换热器(113)上或者完全切断；所述的控制器(306)连接散热风机(201)和制冷风机(202)并能够分别控制各风机通断；所述的控制器(306)连接风阀(203)并能够控制其在完全开启和完全封闭两种状态间切换。
5.根据权利要求1所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于：所述的控制器(306)上具有人机交互界面，人机交互界面上设有开、关机功能，并能够人为选择速冷模式和正常制冷模式；速冷模式下还能够选择冷冻室速冷模式或冷藏室速冷模式；控制器(306)能够判断后自动进入化霜模式，冷藏室设定温度和冷冻室设定温度能够实时调节。
6.根据权利要求1所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱，其特征在于，所述的控制器(306)内部存储有七个预先设定的阈值：第一阈值用来判断冷藏换热器(112)和冷冻换热器(113)的结霜情况；第二阈值用来判断化霜模式是否结束；第三阈值用来判断冷藏室化霜是否结束；第四阈值用来判断冷冻室化霜是否结束；第五阈值用来判断化霜结束后恢复正常制冷模式前的准备阶段是否结束；第六阈值用来判断正常制冷模式下冷冻室间歇运行时间是否达到；第七阈值用来判断正常制冷模式下冷藏室间歇运行时间是否达到；所述的第二阈值时间等于第三阈值、第四阈值、第五阈值三者的时间求和。
7.一种使用权利要求1-6中任意一项所述基于旋转式磁制冷机的立式风冷多温区冰箱的控制方法，其特征在于，包括不分先后的以下步骤：
a.根据驱动电机(105)累积运行时间和控制器(306)内部预先设定的第一阈值进行比较，判定是否进入化霜模式，若累积运行时间超过第一阈值，则进入化霜模式；
b.若已进入化霜模式，根据本次化霜阶段持续时间与控制器(306)内部预先设定的第二阈值进行比较，判定化霜是否完成，若本次化霜阶段持续时间超过第二阈值，则结束本次化霜，并将驱动电机(105)累积运行时间和化霜阶段持续时间清零；
c.若不进入化霜模式且用户选择速冷模式，且冷藏室感温包(304)温度高于冷藏室设定温度或冷冻室感温包(305)温度高于冷冻室设定温度，则自动执行速冷模式的控制逻辑；
d.若不进入化霜模式且用户选择正常制冷模式，或者用户未选择速冷模式，或者选择速冷模式但冷藏室感温包(304)温度低于冷藏室温度且冷冻室感温包(305)温度低于冷冻室设定温度，则默认执行正常制冷模式的控制逻辑。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，化霜模式分为三个阶段：首先对冷藏室(404)进行回风化霜，关闭磁制冷机的驱动电机(105)以及流体驱动泵(108)，关闭散热风机(201)，开启制冷风机(202)，关闭风阀(203)阻断冷冻室空气；当冷藏室化霜时间大于第三阈值时，进入冷冻室(405)的化霜阶段，直至冷冻室化霜时间超过第四阈值，在此阶段使用逆循环化霜，即磁制冷机驱动电机(105)开启，且通过电机转速控制器(301)设置为最大转速，流体驱动泵(108)反向运行，流体驱动泵(108)转速通过驱动泵转速控制器(302)设为最大，三通阀(111)切换至冷冻室流路，散热风机(201)开启，制冷风机(202)和风阀(203)关闭；当冷冻化霜时间超过第四阈值时，进入制冷准备阶段，此时磁制冷机驱动电机(105)开启，且通过电机转速控制器(301)设置为最大转速，流体驱动泵(108)正向运行，流体驱动泵(108)转速通过驱动泵转速控制器(302)设为最大，三通阀(111)切换至冷冻室流路，散热风机(201)开启，制冷风机(202)和风阀(203)关闭。
9.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于：工作在速冷模式时，若用户选择冷冻室速冷模式且冷冻室感温包(305)温度高于冷冻室设定温度时，驱动电机(105)开启且通过电机转速控制器(301)设置为最大转速，流体驱动泵(108)正向运行，三通阀(111)切换至冷冻换热器(113)所在的冷冻室流路，散热风机(201)、制冷风机(202)和风阀(203)开启；若用户选择冷藏室速冷模式且冷藏室感温包(304)温度高于冷藏室设定温度时，驱动电机(105)开启且通过电机转速控制器(301)设置为最大转速，流体驱动泵(108)正向运行，三通阀(111)切换至冷藏换热器(112)所在的冷藏室流路，散热风机(201)和制冷风机(202)开启，风阀(203)关闭；流体驱动泵(108)的最优流量根据驱动泵转速控制器(302)控制，驱动泵转速控制器(302)转速由冷藏室感温包(304)读数、冷冻室感温包(305)读数、高温侧温度传感器(303)读数以及电机转速控制器(301)转速设定值计算得到。
10.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，正常制冷模式不分先后的包括步骤：
1)冷冻室制冷，驱动电机(105)累积运行时间不超过控制器(306)内部预先设定的第六阈值，期间磁制冷机驱动电机(105)开启，流体驱动泵(108)正向运行，三通阀(111)切换至冷冻室流路，散热风机(201)、制冷风机(202)和风阀(203)开启；
2)冷藏室制冷，驱动电机(105)累积运行时间不超过控制器(306)内部预先设定的第七阈值，期间磁制冷机驱动电机(105)开启，流体驱动泵(108)正向运行，三通阀(111)切换至冷藏室流路，散热风机(201)和制冷风机(202)开启，风阀(203)关闭；
3)电机转速控制器(301)转速设定值由负反馈控制方法决定，若工作在冷冻室(405)的制冷阶段，由冷冻室(405)的设定温度与冷冻室感温包(305)的温度差值作为负反馈控制器的输入信号，若工作在冷藏室(404)的制冷阶段，由冷藏室(404)的设定温度与冷藏室感温包(304)的温度差值作为负反馈控制器的输入信号；
4)流体驱动泵(108)的最优流量根据驱动泵转速控制器(302)进行控制，驱动泵转速控制器(302)转速由冷藏室感温包(304)读数、冷冻室感温包(305)读数、高温侧温度传感器(303)读数以及电机转速控制器(301)转速设定值计算得到。
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