CN1995847A - 空调系统的能量效能控制 - Google Patents

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Abstract

设置一种空调系统(10)用于在主发动机没有运转时冷却卡车车厢(16)。该系统(10)包括变速压缩机(20)、变速冷凝器风扇(22)、变速蒸发器吹风机(24)和控制器(14)，该控制器(14)被成形成通过选择性调节变速组件(20、22、24)的速度将系统(10)的制冷量最优化至车厢(16)的制冷需求量。

Description

空调系统的能量效能控制
本申请是序列号为No.11/130,576，于2005年5月17日提交的申请的部分连续申请，其要求了临时申请序列号为No.60/572,654，于2004年5月18日提交的标题为“空调系统的能量效能控制”(“EnergyEfficient Capacity Control for an Air Conditioning System”)的申请的优先权。
技术领域
本发明涉及车辆空调系统，并且特别是应用于大型卡车的带卧铺的驾驶室或车厢的空调系统。
背景技术
目前，用于车辆，特别是用于大型卡车的带卧铺的驾驶室的空调系统是通过发动机驱动空调系统提供的。然而，考虑到空气和噪音污染，就会出现在某些情况下不允许卡车为了给带卧铺的驾驶室开动空调而空转发动机的可能。除了污染之外，估计过夜空转的费用包括每年2400美元的燃料消耗和每年250美元的额外维修。关于空气污染，估计一辆卡车空转一年产生250磅的CO，615磅的NOx，和17吨的CO2。
可能替代主发动机空转的方法包括：辅助电源单元，其中以柴油发动机驱动车用交流(AC)压缩机和直流/交流同步发电机(alternatorDC/AC)转动，并且其与现有的驾驶室空气处理和现有的车辆采暖、通风与空调(HVAC)冷却系统相互对接；发电机组(GENSET)，其中柴油发动机供给发电机动力，以提供用于车辆的交流电；120交流电，岸电(shore power)，其中，卡车制动器提供电出线口；和辅助电池，其中，为车辆增加了额外的电池，供驾驶室有卧铺汽车的HVAC系统使用。
电驱动的密封蒸气压缩空调(A/C)系统是很常见的，但却很少用于车辆。不使用这种可靠的提供空气调节方法的主要原因在于缺乏可用电源。美国专利No.6,622,500描述了一种蒸气压缩空调系统，其试图通过控制可变容积式压缩机来增强效率。
发明内容
依据本发明的一个特征，如果是为卡车的有卧铺的车厢提供操作蒸气压缩空调系统的方法，该空调系统包括用于对致冷剂加压的变速压缩机、冷凝器、蒸发器和用于引导气流通过蒸发器的变速吹风机。所述方法包括的步骤有：
a)监控有卧铺的车厢的空气温度；
b)监控流出蒸发器的气流温度；
c)监控压缩机的致冷剂排放压力；
d)监控致冷剂的过热；
e)根据步骤a)、b)和c)的监控调节压缩机的速度；以及
f)根据步骤d)的监控调节吹风机的速度。
根据一个特征，步骤e)包括调节提供到变速压缩机的电压。
在一个特征中，步骤f)包括调节提供到变速吹风机的电压。
依据一个特征，步骤e)包括将流出蒸发器的空气温度与露点比较。
在一个特征中，步骤e)包括将有卧铺的车厢温度与设定温度相比。在进一步的特征中，步骤e)进一步包括将流出蒸发器的空气温度与设定温度相比。在更进一步的特征中，步骤e)进一步包括将流出蒸发器的空气温度与露点比较。
根据一个特征，步骤f)包括将致冷剂的过热与校验值比较。
依据一个特征，步骤e)包括将排放压力与校验值相比。
在一个特征中，所述方法进一步包括：
g)监控致冷剂的过冷；
h)根据步骤g)的监控调节冷凝器风扇的速度。
依据本发明的一个特征，设置空调系统用于冷却卡车的有卧铺的车厢。该系统包括致冷剂流动通道；对致冷剂流动通道中的致冷剂加压的变速压缩机；位于压缩机下游的致冷剂流动通道中的冷凝器；位于冷凝器下游的致冷剂流动通道中的蒸发器；形成成用于引导气流通过蒸发器以冷却有卧铺的车厢的变速吹风机；多个传感器，用于监控有卧铺的车厢的空气温度、流出蒸发器的气流温度、压缩机的致冷剂排放压力，和致冷剂流动通道中的致冷剂的过热；和与传感器及压缩机以及吹风机相连的控制器，该控制器被成形成根据从多个传感器接收到的信号选择性调节压缩机和吹风机的速度。
根据一个特征，控制器被成形成根据指示有卧铺的车厢空气温度的信号调节压缩机的速度。
在一个特征中，控制器被成形成根据指示离开蒸发器的气流温度的信号调节压缩机的速度。
根据一个特征，控制器被成形成根据指示压缩机的排放压力的信号调节压缩机的速度。
依据一个特征，控制器被成形成根据指示有卧铺的车厢空气温度、离开蒸发器的气流温度和压缩机的排放压力的信号调节压缩机的速度。
在一个特征中，控制器被成形成根据指示致冷剂过热的信号调节吹风机的速度。
在一个特征中，所述系统进一步包括变速冷凝器风扇，其被成形成用以引导气流通过冷凝器，并且控制器被成形成根据指示致冷剂过冷的信号调节所述风扇的速度。
依据本发明的一个特征，如果是为卡车的有卧铺的车厢提供操作蒸气压缩空调系统的方法，该空调系统包括用于对致冷剂加压的变速压缩机、冷凝器、蒸发器和用于引导气流通过蒸发器的变速吹风机。所述方法包括的步骤有：
a)根据流出蒸发器的气流温度和离开压缩机的致冷剂排放压力来调节压缩机的速度；和
b)根据致冷剂的过热来调节吹风机的速度。
根据一个特征，步骤a)进一步包括根据有卧铺车厢中的空气温度来调节压缩机的速度。
在一个特征中，所述方法进一步包括根据致冷剂的过冷来调节变速冷凝器风扇的速度的步骤。
依据本发明的一个特征，空调系统被设置用于冷却卡车的有卧铺车厢。该系统包括致冷剂流动通道；对致冷剂流动通道中的致冷剂加压的变速压缩机；位于压缩机下游的致冷剂流动通道中的冷凝器；位于冷凝器下游的致冷剂流动通道中的蒸发器；成形成用于引导气流通过蒸发器以冷却有卧铺车厢的变速吹风机；和控制器，其被构造成根据指示流出蒸发器的气流温度、离开压缩机的致冷剂排放压力和致冷剂过热的信号来选择性调节压缩机和吹风机的速度。
在一个特征中，所述系统进一步包括成形成用于引导气流通过冷凝器的变速风扇，并且其中，控制器被成形成根据指示致冷剂过冷的信号来调节所述风扇的速度。
本发明的其它目的、特征和优点会通过对整个说明书包括所附权利要求和附图的阅读而变得清楚。
附图说明
图1是将本发明具体化的用于冷却卡车带卧铺的驾驶室或车厢的空调系统的图形表示；
图2是用于图1中系统的电气控制示意图；
图3是图表，示出了卡车带卧铺的驾驶室的非空转制冷要求，其中可使用图1的系统；
图4是用于图1的系统的控制运算法；
图5是卡车的侧视图，其中可使用图1的系统；
图6是图表，示出了在某些非空转情况下与图5中的卡车相关的某些温度；
图7是表格，示出了依据本发明创建的测试系统的重量；
图8是图表，示出了体现本发明的测试系统的测试结果；
图9和10是用于体现本发明的系统的输入瓦数和制冷瓦数与冷凝器环境关系的图表；
图11是图表，示出了用于体现本发明的系统的制冷量与压缩比的关系；和
图12是对比体现本发明的系统的某些系统参数的表格。
具体实施方式
参考图1和2，本发明提供了以电驱动的、密封的蒸气压缩空调系统10，其将在车辆中保持舒适的温度，以12示意性示出，在不运转主发动机的情况下通过利用电子控制线路或控制器14使制冷输出与制冷需求量有效匹配。
风洞试验在典型的H类带卧铺的驾驶室16上进行，并且进行了一些额外的计算机计算以确定舱室16的制冷需求量。所得结果在本申请的图3中示出。优选地，依据本发明的系统10与制冷需求量准确地匹配或设法准确地匹配，以便以最高效的方式运转空调系统10。
所述系统10由选择的空调组件和传感器组成，它们可以被控制以便在最小化动力消耗的同时输送所需的制冷量。优选地，系统10包括压缩机20，压缩机控制器21，冷凝器风扇22和蒸发器吹风机24，所有这些都是连续可变速的。系统10进一步优选地包括冷凝器26，减压装置28，例如膨胀阀、恒温膨胀阀、节流管，优选的是电子控制膨胀阀28，和蒸发器30，所有这些都在致冷剂流动路径32中串联地与压缩机20相连。用于决定控制操作的传感器在图1中示出，图1中示出了传感器34和36，分别用于监控压缩机排放温度T1和压缩机排放压力P1，传感器38和40分别用于监控压缩机吸入温度T2和压缩机吸入压力P2，传感器42用于监控膨胀阀入口温度T3，传感器44用于监控膨胀阀出口温度T4，传感器46用于监控蒸发器空气出口温度T5，和传感器47用于监控车辆内部温度T6，该内部温度T6优选的是车辆12的驾驶室有卧铺的汽车车厢16的内部温度。还包括传感器48和49，用以分别监测环境干球温度和环境相对湿度。还设置有操作者控制器50，象前面描述的传感器一样与控制器14相连。控制器14将优选地包括具有将在后面说明的控制算法的印刷电路板。优选地，如图2中所见，在非空转模式时系统10由电池组52提供动力，而在空转模式时由车辆交流发电机54、电池56和充电器/转换器58提供动力。优选地，充电器/转换器58将120伏交流电转换成24伏直流电用于单元和辅助电池充电。
参考图2，可以看到系统控制器14优选地以12伏直流电为动力来运转，而可变速压缩机20、冷凝器风扇22和蒸发器吹风机24以24伏直流电为动力来运转。此外，虽然没有示出，电子控制膨胀阀28可以在电子控制简图中以与压缩机20、冷凝器风扇22和蒸发器吹风机24相同的方式被连接。
图4示出了电子控制器使用的系统算法图。应当指出，所示各种检验参数的值代表用于特定系统的当前最佳假设，但是为了最优化系统和每个特定应用的控制线路，所述参数值是可以改变的。因此，应该明白，用于调节驾驶室有卧铺的汽车温度和蒸发器出口温度的设置温度的数值，用于调节蒸发器出口温度相对露点比较的露点的值，用于压缩机排出压力(P1)的校验压力值，用于过冷(SC)的校验值，和用于过热(SH)校验值都可以调节，以便根据特定组件和与每个系统相关的参数来最优化每个特定系统。
如图4中所见，控制器14构成成以根据驾驶室有卧铺的汽车车厢16中的空气温度、流出蒸发器30的气流温度、压缩机20的排放压力P1、致冷剂的过冷和致冷剂的过热来调节压缩机20、风扇22和吹风机24的速度。更具体地，可以看出控制器优选地调节压缩机20的速度，这是通过压缩机20上电压的增加或减小，根据与设定温度相比的驾驶室有卧铺的汽车温度、与设定温度相比较的流出的蒸发器30的气流温度、与露点相比的流出蒸发器30的气流温度，以及与校验压力相比较的从压缩机20出来的排放压力P1进行的。控制器14根据致冷剂与校验值相比较的过热，通过吹风机24上电压的增加或减小来调节吹风机24的速度，并且根据致冷剂与校验值相比较的过冷，通过风扇上电压的增加或减小来调节风扇22的速度。
应该明白，对某些系统组件的控制可视作比最小化动力消耗的目标更关键。例如，对压缩机电压的控制可视作对动力消耗具有最高的试样提出的顺序效果(order effect)命令顺序，随后的是吹风机电压控制，最后是风扇电压控制。关于这一点，应该指出，在有些系统中可能期望不控制较低顺序的组件，例如，不控制风扇电压。在这种情况下，算法将只通过删除过冷(SC)校验和相关的增加或减小风扇电压的命令而被改变。
将依据本发明创建和控制的系统安装于试验台车辆中并在风洞中测试性能。试验台车辆为8级重型卡车，如图5所示，其包括6.5英尺宽度的驾驶室，7.9英尺宽度的带卧铺的驾驶室，6.8平方英尺的前挡风玻璃面积，3.3平方英尺的带卧铺的驾驶室窗户，5.9英尺长乘6.5英尺宽乘9.8英尺高的驾驶室有卧铺的汽车本体，而墙壁中几乎没有保温措施。测试单元包括连续可变的压缩机20、冷凝器风扇22和蒸发器吹风机24。使用手动控制膨胀阀28而不是电子控制的膨胀阀。测试系统10被做成24英寸宽乘24英寸高乘16英寸深的模块，并被安装在驾驶室有卧铺的汽车之下。系统组件的重量在图7中示出。
图3中所示的车辆制冷负荷需求量，至少部分由测试车辆的风洞试验产生，其结果于图6中示出，用于发动机空转结束后过夜冷却。制冷需求量的峰值是发动机的热量(由机油温度和散热器上水室温度代表)造成的结果，在初始非空转时间段期间，发动机的热量将驾驶室和驾驶室有卧铺的汽车的内部加热。此项测试的结果随后被创建在模拟计算机模型中，其在模拟结果和测试结果之间产生精确的比较。
初步的测试表明所需制冷量可以最小的电输入产生。测试显示出提供几乎8小时保持驾驶室有卧铺的汽车车厢在21℃/70_且具有外部空气环境温度为32℃-90_和在整个8小时期间所需要的2500瓦(电力)的能力。处于中等设置(medium settings)的第一生成单元使用两个12伏直流100安培小时电池-产生6个小时(2000瓦电力)。处于中等设置的第二生成单元使用两个12伏直流125安培小时电池-几乎产生8个小时的运行。可以用额外的电池以及可能地用精确的控制策略和致冷剂组分获得延长的工作期。图8是显示非空转HVAC组件过夜处于90_环境温度和40％相对湿度下的测试结果的图。
图9和10示出了由初始测试获得的结果，该初始测试是为帮助确定用于系统的最有效操作点而做。进一步就此而言，图11示出了压缩机的压缩比对能力的影响，图12是一表格，其是关于相对安培数、过热、压缩机20的吸入压力和压缩机20的排放压力的压力比，并且提供了如何控制系统10以获得更佳的电池寿命的指示。
上述及其它测试的结果指出，采用无级变速压缩机20和无级变速风扇22及吹风机马达24，系统10的运转可以比采用目前生产的组件更有效。
本发明的优点包括适当选择可控组件，和使所述系统输出有效地与需求相匹配的控制，由此使动力消耗最小化。

Claims (22)

1.一种操作用于卡车的有卧铺车厢的蒸气压缩空调系统的方法，所述空调系统包括用于对致冷剂加压的变速压缩机、冷凝器、蒸发器和用以引导气流穿过蒸发器的变速吹风机，所述方法包括的步骤有：
a)监控卧铺的车厢的空气温度；
b)监控流出蒸发器的气流温度；
c)监控压缩机的致冷剂排放压力；
d)监控致冷剂的过热；
e)根据步骤a)、b)和c)的监控来调节压缩机的速度；以及
f)根据步骤d)的监控来调节吹风机的速度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)包括调节变速压缩机的电压。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤f)包括调节变速吹风机的电压。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)包括将流出蒸发器的空气温度与露点相比。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)包括将有卧铺车厢温度与设定温度相比。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤e)包括将流出蒸发器的空气温度与设定温度相比。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤e)进一步包括将流出蒸发器的空气温度与露点相比。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤f)包括将致冷剂的过冷与校验值相比。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤e)包括将排放压力与校验值相比。
10.如权利要求1所述的方法，进一步包括：
g)监控致冷剂的过冷；
h)根据步骤g)的监控来调节冷凝器风扇的速度。
11.一种用于冷却卡车的有卧铺车厢的空调系统，该系统包括：
致冷剂流动通道；
对致冷剂流动通道中的致冷剂加压的变速压缩机；
压缩机下游的致冷剂流动通道中的冷凝器；
冷凝器下游的致冷剂流动通道中的蒸发器；
构造成引导气流通过蒸发器以冷却有卧铺车厢的变速吹风机；
多个传感器，用于监控有卧铺车厢的空气温度、流出蒸发器的气流温度、压缩机的致冷剂排放压力，和致冷剂流动通道中的致冷剂的过热；以及
与传感器及压缩机以及吹风机相连的控制器，该控制器被构造成根据从所述多个传感器接收到的信号有选择地调节压缩机和吹风机的速度。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，控制器被构造成根据指示有卧铺车厢的空气温度的信号来调节压缩机的速度。
13.如权利要求11所述的系统，其特征在于，控制器被构造成根据指示离开蒸发器的气流温度的信号来调节压缩机的速度。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，控制器被构造成根据指示压缩机的排放压力的信号来调节压缩机的速度。
15.如权利要求11所述的系统，其特征在于，控制器被构造成根据指示有卧铺的车厢的空气温度、离开蒸发器的气流温度和压缩机的排放压力的信号来调节压缩机的速度。
16.如权利要求11所述的系统，其特征在于，控制器被构造成根据指示致冷剂过热的信号来调节吹风机的速度。
17.如权利要求11所述的系统，其特征在于，进一步包括变速冷凝器风扇，其被构造成用以引导气流通过冷凝器，所述控制器被构造成根据指示致冷剂过冷的信号来调节所述风扇的速度。
18.一种操作用于卡车的有卧铺车厢的蒸气压缩空调系统的方法，该空调系统包括用于对致冷剂加压的变速压缩机、冷凝器、蒸发器和用于引导气流通过蒸发器的变速吹风机，所述方法包括的步骤有：
a)根据流出蒸发器的气流温度和离开压缩机的致冷剂排放压力来调节压缩机的速度；和
b)根据致冷剂的过热来调节吹风机的速度。
19.如权利要求18所述的方法，其中步骤a)进一步包括根据有卧铺的车厢中的空气温度来调节压缩机的速度。
20.如权利要求18所述的方法，进一步包括根据致冷剂的过冷来调节变速冷凝器风扇的速度的步骤。
21.一种用于冷却卡车的有卧铺车厢的空调系统，该系统包括：
致冷剂流动通道；
对致冷剂流动通道中的致冷剂加压的变速压缩机；
位于压缩机下游的致冷剂流动通道中的冷凝器；
位于冷凝器下游的致冷剂流动通道中的蒸发器；
构造成用于引导气流通过蒸发器以冷却有卧铺的车厢的变速吹风机；以及
控制器，该控制器被构造成根据指示流出蒸发器的气流温度、离开压缩机的致冷剂排放压力和致冷剂过热的信号来选择性调节压缩机和吹风机的速度。
22.如权利要求21所述的系统，其特征在于，进一步包括成形成引导气流通过冷凝器的变速风扇，控制器被构造成根据指示致冷剂过冷的信号来调节所述风扇的速度。
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