TWI718075B - 應用於冷凍系統的冷凝壓力控制方法及其冷凍系統 - Google Patents

應用於冷凍系統的冷凝壓力控制方法及其冷凍系統 Download PDF

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Abstract

一種冷凝壓力控制方法，應用於一冷凍系統，該冷凍系統包括一壓縮機、一冷凝器、一膨脹閥、一蒸發器以及一控制器，該控制方法包括：控制器依據時間序列連續地記錄蒸發器的第一溫度與膨脹閥的第二溫度以及冷凍系統環境溫度的第三溫度，控制器依據複數溫度差以及複數第二溫度進行運算，當判斷當冷凍系統的製冷狀態過低及冷媒溫度過高且第三溫度小於一第一環境溫預設值時，控制器連續性地調降冷凝器的冷凝壓力。

Description

應用於冷凍系統的冷凝壓力控制方法及其冷凍系統
本發明係有關一種冷凝壓力控制方法，尤指通過判斷壓縮機運轉狀態調整冷凝器冷凝壓力的冷凝壓力控制方法。
一般的冷凝壓力控制裝置，大多是固定冷凝壓力設定值，但因為蒸發器熱負荷的情況會因為周圍環境之溫濕度狀況、使用頻率的條件以及外界氣候，而會有變動。因此，固定冷凝壓力設定值，常常造成壓縮機運轉在低負載或是氣候很涼爽時，冷凝壓力設定過高，而衍生壓縮機高耗能及運轉壽命降低之情況。
為此，如何設計出一種冷凝壓力控制方法，特別是解決現有技術之前述技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之一目的在於提供一種冷凝壓力控制方法，可解決現有技術之壓縮機運轉在低負載，冷凝壓力設定過高，而衍生壓縮機高耗能及運轉壽命降低，達到冷凝器所控制之條件可控制冷凍冷藏負載之穩定性及節能之目的。
為了達到前述目的，本發明所提出的冷凝壓力控制方法，系應用於一冷凍系統，冷凍系統包括一壓縮機、一冷凝器、一膨脹閥、一蒸發器以及一控制器，所述判斷方法包括：測量該冷凝器的一冷凝壓力；測量該蒸發器的一出風口的一第一溫度；測量該膨脹閥的一冷媒出口的一第二溫度；測量該冷凍系統環境溫度的一第三溫度；以及該控制器依據一時間序列連續地記錄N筆該第一溫度、N筆該第二溫度與N筆該第三溫度，並獲得N筆該第一溫度以及N筆該第三溫度之間的N筆溫度差；其中，該控制器對N筆該溫度差進行常態運轉狀態運算，獲得一常態運轉參數；該控制器對N筆該溫度差進行序列抽樣M筆該溫度差進行暫態運轉狀態運算，獲得一暫態運轉參數；其中，該控制器對N筆該第二溫度進行常態冷媒狀態運算，獲得一常態冷媒狀態參數；該控制器對N筆該第二溫度進行序列抽樣M筆該第二溫度進行暫態冷媒狀態運算，獲得一暫態冷媒狀態參數；其中，該控制器依據該常態運轉參數以及該暫態運轉參數，判斷該冷凍系統的一製冷狀態是否過低；該控制器依據該常態冷媒狀態參數以及該暫態冷媒狀態參數判斷冷媒的一冷媒溫度是否過高，當該控制器判斷該製冷狀態過低及該冷媒溫度過高且第N筆的該第三溫度小於一第一環境溫預設值時，該控制器判斷該壓縮機運轉在低負載狀態，該控制器連續性地調降該冷凝壓力，直到該製冷狀態過低或該冷媒溫度過高條件不成立，該控制器停止調降該冷凝壓力。
進一步而言，所述之冷凝壓力控制方法，更包括：該控制器對N筆該溫度差進行一運轉狀態乖離運算，獲得一運轉狀態乖離參數；當該控制器判斷該暫態運轉參數小於該常態運轉參數以及該運轉狀態乖離參數之差值時，該控制器判斷該製冷狀態過低。
進一步而言，所述之冷凝壓力控制方法，更包括：該控制器對N筆該第二溫度進行一冷媒狀態乖離運算，獲得該冷媒狀態乖離參數；當該控制器判斷該暫態冷媒狀態參數大於該常態冷媒狀態參數與該冷媒狀態乖離參數之差值時，該控制器判斷該冷媒溫度異常並對該冷媒溫度異常次數累加以獲得一累加值；其中，當該累加值與M之商值大於一第一閥值時，該控制器判斷該冷媒溫度過高。
進一步而言，所述之冷凝壓力控制方法，更包括：當該累加值與M之商值小於一第二閥值且該第三溫度大於一第二環境溫預設值時，該控制器判斷該壓縮機為高負載狀態，該控制器連續性地升高該冷凝壓力直到該累加值與M之商值大於一第二閥值或該第三溫度小於該第二環境溫預設值時，該控制器停止升高該冷凝壓力。
進一步而言，所述之冷凝壓力控制方法，其中進行抽樣的M筆該第二溫度與M筆該溫度差之資料包含第N筆該第二溫度與第N筆該溫度差。
為了達到前述之目的，本發明提供一種具有冷凝壓力調整功能的冷凍系統，包括：壓縮機；冷凝器，連接該壓縮機；膨脹閥，連接該冷凝器；蒸發器，連接該膨脹閥以及該壓縮機；冷凝壓力計，測量該冷凝器出口冷媒壓力；第一溫度計，測量該蒸發器的一出風口的一第一溫度；第二溫度計，測量該膨脹閥的一冷媒出口的一第二溫度；第三溫度計，測量所述冷凍系統環境溫度的一第三溫度值；以及控制器，電連接該冷凝器、該第一溫度計、該第二溫度計、該第三溫度計、冷凝壓力計以及該膨脹閥；其中，該控制器執行如前述的冷凝壓力調整方法。
相較於傳統方式來說，由於缺乏對於壓縮機監測方式，往往壓縮機已經長期處於低負載運轉卻無法得知，而使得冷凝器的冷凝壓力設定過高，而衍生壓縮機高耗能及運轉壽命降低。
為此，本發明所述之冷凝壓力控制方法，可解決現有技術之壓縮機以壓縮機高耗能及運轉壽命降低之問題，達到整體系統之冷凍冷藏負載之穩定性及節能之目的。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明以及附圖，相信本發明特徵以及特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考以及說明用，並非用來對本發明加以限制者。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點以及應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾以及變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解以及閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義，任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參閱圖1及圖2所示。其中，圖1為本發明具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統之一實施例的系統示意圖。圖2為本發明具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統之該實施例的架構示意圖。
在本發明之一實施例中，所述具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統包括：壓縮機10、冷凝器20、膨脹閥30、蒸發器40、第一溫度計T10、第二溫度計T20、第三溫度計T30、冷凝壓力計P10、風扇50以及控制器70；其中，冷凝器20連接壓縮機10，膨脹閥30連接冷凝器20，蒸發器40連接膨脹閥30以及壓縮機10，第一溫度計T10測量蒸發器40的出風口的第一溫度T1(圖中未示)，第二溫度計T20測量膨脹閥30的冷媒出口的第二溫度T2(圖中未示)，第三溫度計T30測量冷凍系統環境溫度的第三溫度T3(圖中未示)，冷凝壓力計P10測量冷凝器20出口冷媒壓力，冷凝器20包括冷凝風扇21，冷凝風扇21配置於冷凝器的入風口處，用以對冷凝器散熱，風扇50是配置於蒸發器40的入風口處，用以將空氣傳送至蒸發器40中。控制器70分別電連接壓縮機10、冷凝風扇21、第一溫度計T10、第二溫度計T20、第三溫度計T30、冷凝壓力計P10、膨脹閥30。
控制器70依據時間序列連續地記錄N筆(其中，N＞1)N筆第一溫度T1、N筆第二溫度T2與N筆第三溫度T3，並獲得N筆第一溫度T1以及N筆第三溫度T3之間的N筆溫度差Yi，利用N筆的第二溫度T2與溫度差Yi與第N筆的第三溫度T3等資料可以判斷冷媒溫度狀態以及製冷狀態並進一步得到判斷壓縮機10是否運轉於低負載狀態，當控制器70判斷壓縮機10運轉於低負載狀態時，控制器70連續性地的降低冷凝壓力計P10的設定值，使冷凝器20的冷凝壓力降低。
控制器70判斷壓縮機10是否處於運轉於低負載狀態可藉由判斷冷媒溫度是否過高以及製冷狀態是否過低與第三溫度T3是否小於第一環境溫預設值Tsetl(圖中未示)以進行判斷，以下為進一步說明：
判斷冷媒溫度是否過高的方法為控制器70對N筆第二溫度T2=
Figure 02_image001
進行常態冷媒狀態運算，獲得常態冷媒狀態參數
Figure 02_image003
，接著控制器70對N筆第二溫度進行序列抽樣取出其中M筆(其中，M＞1)第二溫度，並對M筆第二溫度進行暫態冷媒狀態運算，獲得暫態冷媒狀態參數
Figure 02_image005
，其中M筆第二溫度的內容可包含第N筆第二溫度數值，控制器70對常態運轉參數
Figure 02_image007
進行冷媒狀態乖離運算，獲得冷媒狀態乖離參數
Figure 02_image009
，當控制器70判斷暫態冷媒狀態參數參數
Figure 02_image011
大於常態冷媒狀態參數
Figure 02_image007
時，控制器70判斷冷媒溫度異常；更進一步地，為了使判斷結果更精準，可將常態冷媒狀態參數
Figure 02_image007
與冷媒狀態乖離參數
Figure 02_image013
微分之差值進行比較，即當控制器70判斷
Figure 02_image015
時，控制器70判斷冷媒溫度異常。
當控制器70判斷發生冷媒溫度異常時，控制器70統計所述異常的累加值C，繼而控制器70判斷當所述異常的累加值C大於第一閥值f時，控制器70確認冷媒溫度過高；為了使判斷更準確，在本發明之所述實施例中，控制器70判斷已統計之所述異常的累加值C除以M數值的商值大於第一閥值f時，即
Figure 02_image017
時，控制器70判斷冷媒溫度過高。
另一方面，判斷製冷狀態是否過低的方法為控制器70對N筆溫度差T3-T1=
Figure 02_image019
進行常態製冷狀態運算，獲得常態製冷參數F
Figure 02_image021
。控制器70對N筆溫度差進行序列抽樣取出其中M筆(其中，M＞1)溫度差，並對M筆溫度差進行暫態製冷狀態運算，獲得暫態製冷狀態參數
Figure 02_image023
，其中M筆溫度差的內容包含第N筆溫度差數值，控制器70對常態製冷參數
Figure 02_image025
進行製冷狀態乖離運算，獲得製冷狀態乖離參數
Figure 02_image027
，當控制器70判斷暫態製冷參數
Figure 02_image029
小於或等於常態製冷參數
Figure 02_image025
時，控制器判斷冷凍系統製冷狀態過低；同樣地，為了使判斷結果更準確，可將常態製冷狀態參數F以及製冷狀態乖離參數E微分之差值作為比較依據，即當
Figure 02_image031
時，控制器判斷冷凍系統製冷狀態過低。
當控制器70判斷冷凍系統的冷媒溫度過高及製冷狀態過低且第三溫度T3小於第一環境溫預設值Tsetl時，控制器70即判斷壓縮機10運轉在低負載狀態並且控制器70連續性的降低冷凝壓力計P10的設定值，使冷凝器20的冷凝壓力降低直到冷媒溫度過高或製冷狀態過低的條件不成立時或低於壓縮機原廠要求之最低下限值時，控制器70停止調降冷凝壓力計P10的設定值；其中，所謂的連續性地調降冷凝壓力計P10的設定值，於實際操作時可以採一固定頻率方式進行調降，其中每一次設定值調降得幅度可以為固定或不固定，並不以此為限。
特別說明，控制器70可藉由調降冷凝壓力計P10的設定值而間接驅動相關元件進而調降冷凝器20之冷凝壓力，以本實施例為例，當控制器70調降冷凝壓力計P10的設定值時，冷凝器冷卻風扇21的轉速依據冷凝壓力計P10的設定值與目前冷凝壓力值之差值間距調高風扇轉速，使流通冷凝器20的風量變大而使冷凝壓力緩步下降至冷凝壓力P10的設定值；在其他輔助冷卻冷凝器的實施方式中，如採用水冷冷卻方式的，也可以透過提高水流量或提高散熱水塔風扇轉速的方式使冷凝壓力下降。
另一方面，控制器70也可以利用同樣的數據資料判斷壓縮機10是否運轉高負載狀態，相關的判斷流程說明如後；
控制器70確認累加值C與M之商值小於一第二閥值h即
Figure 02_image033
時，控制器70判斷冷媒溫度正常，當控制器70判斷冷媒溫度正常且第N筆的該第三溫度T3大於該第二環境溫預設值Tseth時，該控制器70判斷該壓縮機為高負載狀態，該控制器70連續性地升高冷凝壓力計P10的冷凝壓力設定值直到該累加值C與M之商值大於一第二閥值h或該第三溫度小於該第二環境溫預設值Tseth時或高於壓縮機原廠要求之最高上限值時，該控制器停止升高該冷凝壓力；其中，控制器70調降或升高冷凝壓力計P10的冷凝壓力設定值，都是以不低於或不高於壓縮機10要求之最低壓力下限值或最高壓力上限值為基準，第一閥值f大於第二閥值h。
特別說明，第一環境溫預設值Tsetl與第二環境溫預設值Tseth，其預設值可以為相等或不相等，如在不相等的情況下，第一環境溫預設值Tsetl會小於第二環境溫預設值Tseth。
請參閱圖3所示，為本發明具有裝置異常狀態判斷功能的冷凍系統之另一實施例的系統示意圖，此一實施例與前述實施例大致相同，惟，壓縮機10與冷凝器20各為兩台相互並聯設置，並且冷凍系統進一步包含三個冷凝壓力計P10，其中，冷凝壓力計P10可分別設置在每一個冷凝器的冷媒出口處與冷媒出口管路的並聯出口處，控制器70可藉由調整任一個或任意組合的冷凝壓力計P10的設定值來調整冷凝壓力使壓縮機運轉最適化。
請參閱圖4，為判斷壓縮機10運轉於低負載狀態下，本發明冷凝壓力控制方法的步驟流程示意圖，同時元件標號請一併參照圖1至圖3所示，相同之處不再贅述。
首先控制器70通過第一溫度計T10測量蒸發器40的出風口的第一溫度T1(步驟S1)；控制器70通過第二溫度計T20測量膨脹閥30的冷媒出口的第二溫度T2(步驟S2)；控制器70通過第三溫度計T30測量冷凍系統環境的第三溫度T3(步驟S3)；控制器70依據時間序列連續地記錄 N筆第一溫度T1、N筆第二溫度T2與N筆第三溫度T3，並獲得N筆該第一溫度以及N筆該第三溫度之間的N筆溫度差(步驟S4)。
接著控制器70判斷冷媒溫度是否過高與製冷狀態是否過低以及第N筆的第三溫度T3是否小於第一環境溫預設值Tsetl(步驟S5~S7)，如皆是，則控制器70判斷壓縮機運轉於低負載狀態並連續性地調降冷凝壓力，即控制器70連續性地調降冷凝壓力計P10的設定值(步驟S8)。
請進一步參閱圖5，為判斷壓縮機運轉於高負載狀態下，本發明冷凝壓力控制方法的步驟流程示意圖。
控制器70通過第二溫度計T20測量膨脹閥30的冷媒出口的第二溫度T2(步驟H1)；控制器70通過第三溫度計T30測量冷凍系統環境的第三溫度T3(步驟H2)；控制器70依據時間序列連續地記錄N筆第一溫度T1以及N筆第二溫度T2，並獲得N筆該第一溫度以及N筆該第二溫度之間的N筆溫度差(步驟H3)。
接著控制器70判斷冷媒溫度是否正常，控制器70依據累加值C與M之商值小於一第二閥值h即
Figure 109121791-A0305-02-0012-6
<h判斷冷媒溫度正常且該第三溫度大於第二環境溫預設值Tseth時(步驟H4~H5)，該控制器70判斷壓縮機10為高負載狀態且控制器70連續性地升高冷凝器的冷凝壓力，即控制器70連續性地升高冷凝壓力計P10的設定值。(步驟H6)
本發明利用控制器第一溫度T1、第二溫度T2與第三溫度T3進行運算判斷冷媒溫度狀態、冷凍系統製冷狀態等各類狀態，並結合第N筆的第三溫度T3的數值判斷壓縮機10運轉的負載狀況進而調整冷凝壓力計P10的壓力設定值使冷凝器的冷凝壓力改變，藉此達成最佳冷凝壓力之目的，確保蒸發器所控制之環境之溫度控制穩定性及節能。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明以及圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神以及其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10:壓縮機
20:冷凝器
21:冷凝風扇
30:膨脹閥
40:蒸發器
50:風扇
70:控制器
T10:第一溫度計
T20:第二溫度計
T30:第三溫度計
P10：冷凝壓力計
Tsetl：第一環境溫預設值
Tseth：第二環境溫預設值
S1~S8:步驟
H1~H6:步驟
圖1為本發明具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統之一實施例的系統示意圖；
圖2為本發明具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統之該實施例的架構示意圖；
圖3為本發明具有冷凝壓力控制方法的冷凍系統之另一實施例的系統示意圖
圖4為判斷壓縮機運轉於低負載狀態下，本發明冷凝壓力控制方法的步驟流程圖。
圖5為判斷壓縮機運轉於高負載狀態下，本發明冷凝壓力控制方法的步驟流程圖。
10:壓縮機
20:冷凝器
21:冷凝風扇
30:膨脹閥
40:蒸發器
50:風扇
T10:第一溫度計
T20:第二溫度計
T30:第三溫度計
P10:冷凝壓力計

Claims (6)

  1. 一種冷凝壓力控制方法，應用於一冷凍系統，該冷凍系統包括一壓縮機、一冷凝器、一膨脹閥、一蒸發器以及一控制器，所述判斷方法包括：測量該冷凝器的一冷凝壓力測量該蒸發器的一出風口的一第一溫度；測量該膨脹閥的一冷媒出口的一第二溫度；測量該冷凍系統環境溫度的一第三溫度；以及該控制器依據一時間序列連續地記錄N筆該第一溫度、N筆該第二溫度與N筆該第三溫度，並獲得N筆該第一溫度以及N筆該第三溫度之間的N筆溫度差；其中，該控制器對N筆該溫度差進行常態運轉狀態運算，獲得一常態運轉參數；該控制器對N筆該溫度差進行序列抽樣M筆該溫度差進行暫態運轉狀態運算，獲得一暫態運轉參數；其中，該控制器對N筆該第二溫度進行常態冷媒狀態運算，獲得一常態冷媒狀態參數；該控制器對N筆該第二溫度進行序列抽樣M筆該第二溫度進行暫態冷媒狀態運算，獲得一暫態冷媒狀態參數；其中，該控制器依據該常態運轉參數以及該暫態運轉參數，判斷該冷凍系統的一製冷狀態是否過低；該控制器依據該常態冷媒狀態參數以及該暫態冷媒狀態參數判斷冷媒的一冷媒溫度是否過高，當該控制器判斷該製冷狀態過低及該冷媒溫度過高且第N筆的該第三溫度小於一第一 環境溫預設值時，該控制器判斷該壓縮機運轉在低負載狀態，該控制器連續性地調降該冷凝壓力，直到該冷媒溫度過高狀態或該製冷狀態過低狀態不成立時，該控制器停止調降該冷凝壓力。
  2. 如請求項1所述之冷凝壓力控制方法，更包括：該控制器對N筆該溫度差進行一運轉狀態乖離運算，獲得一運轉狀態乖離參數；當該控制器判斷該暫態運轉參數小於該常態運轉參數以及該運轉狀態乖離參數微分之差值時，該控制器判斷該製冷狀態過低。
  3. 如請求項2所述之冷凝壓力控制方法，更包括：該控制器對N筆該第二溫度進行一冷媒狀態乖離運算，獲得該冷媒狀態乖離參數；當該控制器判斷該暫態冷媒狀態參數大於該常態冷媒狀態參數與該冷媒狀態乖離參數微分之差值時，該控制器判斷該冷媒溫度異常並對該冷媒溫度異常次數累加以獲得一累加值；其中，當該累加值與M之商值大於一第一閥值時，該控制器判斷該冷媒溫度過高。
  4. 如請求項3所述之冷凝壓力控制方法，更包括：當該累加值與M之商值小於一第二閥值且第N筆的該第三溫度大於一第二環境溫預設值時，該控制器判斷該壓縮機為高負載狀態，該控制器連續性地升高該冷凝壓力直到該累加值與M之商值大於一第二閥值或該第三溫度小於該第二環境溫預設值時，該控制器停止升高該冷凝壓力。
  5. 如請求項4所述之冷凝壓力控制方法，其中進行抽樣的M筆該第二溫度與M筆該溫度差之資料包含第N筆該第二溫度與第N筆該溫度差。
  6. 一種具有冷凝壓力調整功能的冷凍系統，包括：一壓縮機；一冷凝器，連接該壓縮機；一膨脹閥，連接該冷凝器；一蒸發器，連接該膨脹閥以及該壓縮機；一冷凝壓力計，測量該冷凝器出口冷媒壓力；一第一溫度計，測量該蒸發器的一出風口的一第一溫度；一第二溫度計，測量該膨脹閥的一冷媒出口的一第二溫度；一第三溫度計，測量所述冷凍系統環境溫度的一第三溫度值；以及一控制器，電連接該冷凝器、該第一溫度計、該第二溫度計、該第三溫度計、冷凝壓力計以及該膨脹閥；其中，該控制器執行如請求項1至5任一項的冷凝壓力控制方法。
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