專利名稱：適應性的除霜方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及控制蒸發(fā)器盤管的除霜，尤其涉及運輸用制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器盤管的適應性除霜方法。
背景技術：
運載對于溫度敏感的貨物的運輸車輛包括一被調(diào)節(jié)的空間，該空間的溫度控制在預定溫度范圍內(nèi)。溫度控制單元可編程為便于將該被調(diào)節(jié)的空間冷卻或加熱到熱力設定值。
當該溫度控制單元在冷卻模式中容易使得霜積聚在蒸發(fā)器盤管上。這種形式的霜或最終形成的冰顯著地降低該機組的效率，并且因此通常需要實施除霜循環(huán)以便除去冷凝物/冰?？山柚沟昧鹘?jīng)該系統(tǒng)的制冷劑流反向以便使得熱的流體流經(jīng)蒸發(fā)器盤管從而實現(xiàn)除霜循環(huán)。也可使用電阻式加熱器來實現(xiàn)除霜循環(huán)。在每次周期性的除霜循環(huán)之后，溫度控制單元返回到冷卻模式的工作中，直到積聚的冷凝物需要再次進行除霜循環(huán)。
總體而言，所希望的是使得冷卻循環(huán)的時間最大化，并且使得除霜循環(huán)的時間最小化。也就是說，由于除霜所用的時間代表了該被調(diào)節(jié)的空間沒有被冷卻的時間，并且由于在除霜之后不僅需要彌補該被調(diào)節(jié)的空間被加熱而且需要冷卻在除霜循環(huán)之后本身被加熱的蒸發(fā)器盤管，因此優(yōu)選的是盡可能長時間地等待才啟動除霜循環(huán)。然而，由于霜在蒸發(fā)器盤管上的積聚所導致的效率損失會最終使得必需啟動該除霜循環(huán)。這樣，對于任何特定的機組而言，可以通過在啟動除霜循環(huán)之前確定有多少冷凝霜積聚從而優(yōu)化除霜循環(huán)的時間?？傮w而言，由于狀況和參數(shù)比較穩(wěn)定(即，固定的被調(diào)節(jié)空間溫度、固定的壓縮機運行狀況、和對于電阻式加熱器的固定電壓)，因此霜的積聚的優(yōu)化直接與運行時間相關，并且一旦穩(wěn)定下來，可在最后一次除霜循環(huán)起壓縮機運行一預定時間之后簡單地且非常規(guī)律地啟動該除霜循環(huán)。
然而，在一些應用場合中，霜積聚間隔的運行參數(shù)不一定是恒定的。例如，在冷藏集裝箱裝載在運輸船只上的情況下，集裝箱的有效荷載貨物需要在裝載之后立即冷卻下來；在集裝箱內(nèi)的濕度水平可能依據(jù)貨物的特征而改變或依據(jù)為了使得貨物通風而引入到集裝箱中的空氣的溫度和濕度而改變；并且冷卻的強度和蒸發(fā)器盤管的溫度可能依據(jù)晝夜循環(huán)、天氣、或沿航行路線的氣候變化所引起的冷卻負荷而改變。
長期以來已經(jīng)認識到，通過觀察系統(tǒng)所需的除霜時間、并將該時間與先前確定的理想時間進行比較、并基于該除霜時間小于或大于該理想時間以便使得霜積聚間隔調(diào)節(jié)成較長或較短，從而實現(xiàn)適應于運行參數(shù)的改變。
然而，在一些應用場合中，所述運行參數(shù)不一定是恒定的。例如，在冷藏集裝箱裝載在運輸船只上的情況下，該集裝箱由船只系統(tǒng)提供電力，由于不同數(shù)量的發(fā)電機組周期性地聯(lián)機或脫機，因此不能總是以固定電平提供電力。由于功率隨船只供電的電壓的平方而變化，因此由電阻式加熱器提供的熱量在給定的時間段內(nèi)明顯地變化。這又使得除霜所需的時間被縮短或延長。

發(fā)明內(nèi)容
簡單地說，依據(jù)本發(fā)明的一個方面，冷凝物積聚間隔是作為在先除霜間隔的函數(shù)并且基于在除霜循環(huán)中加熱器所用的瓦數(shù)來計算的。以這樣的方式，可以顧及到變化的熱量或電壓的影響，以便由此使得冷凝物積聚間隔的選擇優(yōu)化，并且由此提高該系統(tǒng)的效率。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了以下的技術方案周期性地感測供應給蒸發(fā)器加熱器元件的電壓，以便可以計算出在除霜循環(huán)時間段內(nèi)瓦數(shù)的增加和累積。由在除霜過程中所用的總能量，可以計算出冰融化的量。該數(shù)值隨后可用于計算用于下一個除霜循環(huán)的積聚間隔。
依據(jù)本發(fā)明的另一方面，凍結(jié)的冷凝物的當前積聚率可基于在除霜循環(huán)過程中融化的冰的量和壓縮機自在先除霜循環(huán)起運行的時間來計算。隨后，新的積聚間隔可基于冷凝物的當前積聚率和預定的最大可允許的凍結(jié)冷凝物的質(zhì)量來計算。


在以下的附圖中描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例；在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出其它的各種變型和替代結(jié)構(gòu)，在附圖中圖1是依據(jù)本發(fā)明的一實施例的制冷裝置的示意圖；
圖2A和2B是以依據(jù)本發(fā)明的干蒸發(fā)器盤管除霜能量為特征的方法的流程圖；和圖3A和3B是依據(jù)本發(fā)明的示意性除霜循環(huán)控制方法的流程圖。
具體實施例方式
參照圖1，其中示出了制冷設備的蒸發(fā)式循環(huán)部分，其包括蒸發(fā)器盤管11、壓縮機12、冷凝器13、和膨脹裝置14，所有這些部件均在一常規(guī)回路中，制冷劑以常規(guī)方式經(jīng)該回路循環(huán)。
設置有蒸發(fā)器風扇16，以用于使得來自該溫度受控制的空間的空氣移動經(jīng)過蒸發(fā)器盤管11并返回到該溫度受控制的空間內(nèi)?；仫L溫度傳感器17設置成便于感測從該溫度受控制的空間返回到蒸發(fā)器盤管11的空氣流的實際溫度。該溫度優(yōu)選為保持在回風設定值溫度或接近回風設定值溫度，并且如下所述該溫度用于控制過程。
已知的是，蒸發(fā)式循環(huán)機組的運行使得冷凝水形成在蒸發(fā)器盤管11上，冷凝水凍結(jié)并易于積聚在蒸發(fā)器盤管上，這導致冷卻流經(jīng)該盤管的空氣的有效性下降。因此設置有一電阻式加熱器18以便周期性地接通，以便融化形成在蒸發(fā)器盤管11上的冰。該電阻式加熱器18從電源19獲得電力，該電源的電壓電平往往是變化的，由此還使得在每一除霜循環(huán)之間以及在任一個除霜循環(huán)中電阻式加熱器18的瓦數(shù)明顯變化。為此，電壓傳感器21設置在從電源19引出的電線上，以便周期性地感測電壓電平。實際上，在除霜循環(huán)運行過程中每秒都感測該電壓并且計算電阻式加熱器18的瓦數(shù)。該系統(tǒng)的控制是由基于中央處理器的控制器20來維持的，該控制器接受來自電壓傳感器21、回風溫度傳感器17、蒸發(fā)器風扇16的輸入以及來自裝接到蒸發(fā)器盤管11上的除霜終止溫度傳感器22的輸入。除霜終止溫度傳感器22的功能是測量蒸發(fā)器盤管的溫度以便確定除霜循環(huán)何時完成。
在正常運行中，除霜循環(huán)在其開始之后的一時間段內(nèi)是連續(xù)的。另一方面，冷卻循環(huán)往往是開和關的循環(huán)，該控制器20按需要使得壓縮機12工作和停機，以便使得在該受控空間中實現(xiàn)所需溫度。然而，應當理解，當除霜循環(huán)開始時，冷卻循環(huán)停止。因此，在除霜循環(huán)運行過程中，不僅供應給受控空間的空氣沒有被冷卻，而且蒸發(fā)器盤管11還被加熱。由電阻式加熱器18傳遞給蒸發(fā)器盤管11的熱量不僅包括使得形成在蒸發(fā)器盤管上的冰融化所需的熱量，而且還包括傳遞給蒸發(fā)器盤管11本身的熱量。該熱量稱為干盤管除霜能量，并且是對于干的蒸發(fā)器盤管進行除霜所需的能量或者是當蒸發(fā)器盤管上沒有冰時完成除霜過程所需的能量。在回風設定值溫度從10℃到-25℃的溫度范圍內(nèi)，體現(xiàn)干盤管除霜能量函數(shù)為特征的過程(即以千瓦時為單位的受控空間的溫度的函數(shù))如圖2A和2B所示。除霜終止設定值任意地設定為18℃，對于這種系統(tǒng)而言這是合理的常用的數(shù)值。這些數(shù)值在方框23中建立。如方框24所示，機組隨后在冷卻模式中運行，直到回風控制溫度等于回風設定值溫度，此后在方框26中啟動該除霜模式，直到除霜終止控制溫度(即除霜終止溫度傳感器22的實際溫度)大于除霜終止設定值溫度。在方框27中，該機組隨后以冷卻模式運行，直到回風控制溫度等于回風設定值溫度。
如方框28所示，隨后通過首先將干盤管除霜能量設定為零并且再向加熱元件18提供電力從而啟動干盤管除霜過程，直到除霜終止控制溫度大于除霜終止設定值溫度。以瓦秒單位的干盤管除霜能量隨后在每秒中積分并且記錄。在方框29中，回風控制溫度和干盤管除霜能量被存儲以便進行迭代。
回風設定值溫度隨后降低5℃，并且重復相同的過程以獲得對于該溫度的數(shù)據(jù)。如方框31所示，在以5℃間隔降低到-25℃的過程中繼續(xù)該過程。
如方框32所示，所獲得的數(shù)據(jù)隨后被記錄以便后續(xù)應用。在方框33中，對于回風控制溫度與干盤管除霜能量之間關系的函數(shù)執(zhí)行線性回歸，并且結(jié)果被記錄以便后續(xù)應用。干盤管除霜能量函數(shù)的斜率和節(jié)距隨后被記錄，并且在方框34中，干盤管除霜能量作為回風控制溫度的線性函數(shù)被存儲。
現(xiàn)參照圖3A和3B，其中示出了適應性除霜循環(huán)控制方法。首先，接通電力，并且在方框36中，獲得壓縮機自最后一次除霜起的運行時間、壓縮機最后一次運行的時間、霜積聚間隔、和當前日期和時間的數(shù)據(jù)。如方框37所示，如果壓縮機自最后一次除霜起的運行時間小于24小時，則程序推進到方框39。如果其大于24小時，則如方框38所示設定數(shù)值，霜積聚間隔被任意地設定為3小時。
在方框39中，向壓縮機和蒸發(fā)器風扇提供電力以便開始冷卻循環(huán)，以一秒遞增的方式記錄壓縮機運行時間。如方框41所述，如果壓縮機自最后一次除霜操作的運行時間小于霜積聚間隔，則程序返回到方框39。如果其大于霜積聚間隔，則程序移動到方框42，其中啟動除霜或除冰過程。
如方框43所示，在除霜過程中，對于每一秒的運行而言，感測電壓并且計算出瓦數(shù)。這一直持續(xù)，直到除霜終止控制溫度大于除霜終止設定值溫度，如方框44所示，并且所獲得的數(shù)據(jù)用于計算下一個霜積聚間隔，如方框46所示。在此，首先借助使用在圖2A和2B中所示的步驟所確定的干盤管除霜能量函數(shù)來計算得到干盤管除霜能量。隨后從方框43中已經(jīng)計算出的總除霜能量中減去干盤管除霜能量，以便獲得從蒸發(fā)器盤管上除去凍結(jié)的冷凝物所需的凈除霜能量。接著，基于冰的比熱、冰的融化熱、和回風控制溫度來計算由該凈除霜能量融化的冰的量，回風控制溫度已經(jīng)在執(zhí)行除霜過程之前被記錄。接下來，基于融化的冰的量和壓縮機運行時間可計算凍結(jié)的冷凝物積聚的當前速率。最后，通過假定冷凝物積聚的當前速率以及預定的最大可允許的凍結(jié)冷凝物重量，可計算得到新的霜積聚間隔。
示例為了描述計算新的霜積聚間隔的過程，以下將通過示例給出該過程的及其使用的參數(shù)

接通電源
如果假定當前時間減去壓縮機最后一次運行時間大于24小時，則當前霜積聚間隔＝180分鐘，壓縮機運行時間此刻＝0。
開始循環(huán)在壓縮機運行了霜積聚間隔之后(在該示例中首次運行180分鐘)，開始除霜過程。設定除霜能量＝0，并且向蒸發(fā)器加熱元件提供能量。假定在除霜過程開始之前回風控制溫度被記錄為-3.0℃。
對于在除霜過程中的每一秒，測量向蒸發(fā)器加熱元件提供的電壓。為了簡化該示例，假定在該除霜過程中該電壓是恒定的480VAC；因此加熱器的瓦數(shù)是恒定的。然而，本申請要求保護的是，以足夠的頻率來計算即時的瓦數(shù)，以便在除霜過程中在加熱器電源變化的情況下在一時間間隔內(nèi)可實施一種對于功率積分的有效方法。這樣，以足夠的精度可測量出在除霜過程中所引入的總能量，從而實現(xiàn)有用地估算積聚的凍結(jié)冷凝物，計算方式如下。
由于電阻式加熱元件的加熱功率隨供應的電壓的平方而改變，并且如果在該示例中加熱器的瓦數(shù)是在460VAC時為3.167kW，這樣在480VAC時瓦數(shù)為(3.167kW)×((480×480)/(460×460))，或3.448kW。如果假定除霜過程持續(xù)1260秒(21分鐘)，除霜能量為(3.448×1260)kW-秒，或1.207kW-hr。
依據(jù)上述的干盤管除霜能量函數(shù)，計算出干盤管除霜能量為(0.9kW-hr-(0.0190x-3.0))，或0.957kW-hr。因此，用于從蒸發(fā)器盤管上除去凍結(jié)冷凝物的凈除霜能量為(1.207-0957)kW-hr，或0.25kW-hr。
假定用于從蒸發(fā)器盤管上除去凍結(jié)冷凝物的該凈除霜等于將冰的溫度從-3.0℃升高到0.0℃所需的能量以及融化該冰所需的能量。本領域的普通技術人員應當理解，回風控制溫度必需高于當除霜過程啟動時凍結(jié)冷凝物的實際溫度，但該事實被忽略并且如果這樣做的話不會實質(zhì)上減小本發(fā)明所述方法的有效性。
因此，凍結(jié)冷凝物的量可由以下公式給出kg冰＝凈除霜能量/((0.0℃-回風控制溫度)×冰的比熱)+(融化熱)
在該示例中為(0.25)/((3.0×0.0005812)+0.09266)，或2.648kg。在回風控制溫度大于0.0℃的情況下，冷凝物假定處于0.0℃或接近0.0℃，并且因此比熱所占的項可忽略。
在先的霜積聚間隔是180分鐘；因此，積聚率是(2.648kg/180min)，或0.0147kg每分鐘。
最大積聚依據(jù)機組制造商的實驗和觀察來進行預定。該積聚量被偏置以便實現(xiàn)稍微偏離最優(yōu)的短的霜積聚間隔，以便防止出現(xiàn)不可接受的大的冷凝物積聚的更不利的情況。下一個霜積聚間隔應當剛好足以在該示例中積聚9kg的凍結(jié)冷凝物。以當前的積聚率，9kg的冷凝物積聚需要612分鐘，因此霜積聚間隔設定10小時12分鐘，壓縮機自除霜的運行時間重新設定為0，并且重復該循環(huán)，但是該時間具有新的積聚間隔。
以上描述本發(fā)明的一個或多個實施例。然而應當理解，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可作出各種變型。例如，可加入現(xiàn)有技術中已知的或者以后開發(fā)出來的附加特征。因此，其它的實施例也落入后附權(quán)利要求限定的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種確定在制冷裝置的第一除霜循環(huán)和第二除霜循環(huán)之間的積聚間隔的方法，該制冷裝置具有蒸發(fā)器盤管和在除霜循環(huán)過程中用于向該蒸發(fā)器盤管提供熱量的電除霜加熱器，該方法包括以下步驟在第一除霜循環(huán)過程中，周期性地感測在第一除霜循環(huán)過程中供應給該加熱器的電壓；對于每一感測的電壓，計算并記錄在該周期中所用的能量；增加所述所用的能量以便獲得在第一除霜循環(huán)過程中所用的總能量；和應用所述所用的總能量以便確定積聚間隔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定該積聚間隔的所述步驟包括計算在第一除霜循環(huán)過程中冰融化的量的步驟。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，確定該積聚間隔的所述步驟包括計算在第一除霜循環(huán)過程中所用的干盤管除霜能量的步驟。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，確定該積聚間隔的所述步驟包括一附加步驟，即，從所述所用的總能量中減去所述所用的干盤管除霜能量以便獲得用于從所述蒸發(fā)器盤管上除去凍結(jié)的冷凝物的凈除霜能量。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，計算冰融化量的所述步驟是基于從溫度受控的空間返回到所述蒸發(fā)器盤管的空氣的感測溫度來實現(xiàn)的。
6.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，計算冰融化量的所述步驟包括計算在第一除霜循環(huán)和第二除霜循環(huán)之間的時間段內(nèi)凍結(jié)的冷凝物的積聚率的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，計算凍結(jié)的冷凝物的積聚率的所述步驟是通過判斷在第一除霜循環(huán)過程中融化的冰的量以及壓縮機自該第一除霜循環(huán)起的運行時間從而實現(xiàn)的。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述積聚間隔是基于凍結(jié)的冷凝物的所述積聚率以及預定的最大可允許的凍結(jié)冷凝物來確定的。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，周期性地感測該電壓的步驟在每秒實施。
10.一種用于制冷裝置的控制系統(tǒng)，該制冷裝置具有蒸發(fā)器盤管和在除霜循環(huán)過程中用于向該蒸發(fā)器盤管提供熱量的電除霜加熱器，該控制系統(tǒng)包括以下步驟用于周期性地感測在除霜循環(huán)過程中供應給該加熱器的電壓的感測裝置；第一計算裝置，其用于計算在每一所述周期中所用的能量并且用于增加所述能量以便以便獲得在該除霜循環(huán)過程中優(yōu)該除霜加熱器所用的總能量；和第二計算裝置，其用于基于所述所用的總能量來計算到下一個除霜循環(huán)的積聚間隔。
11.如權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第一和第二計算裝置容納在一控制器內(nèi)。
12.如權(quán)利要求11所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制系統(tǒng)包括用于感測從溫度受控的空間返回到所述蒸發(fā)器盤管的空氣溫度的溫度傳感器。
13.如權(quán)利要求12所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，該控制器接受來自所述溫度傳感器的輸入。
14.如權(quán)利要求10所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二計算裝置包括用于確定在該除霜循環(huán)過程中冰融化的量的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述第二計算裝置包括用于確定在該除霜循環(huán)之后凍結(jié)冷凝物的積聚率的裝置。
16.如權(quán)利要求15所述的控制系統(tǒng)，其特征在于，所述積聚率確定步驟是作為在該除霜循環(huán)過程中冰融化的量的函數(shù)和壓縮機在該除霜循環(huán)之后的運行時間來實現(xiàn)的。
全文摘要
在具有電除霜加熱器的制冷裝置的除霜循環(huán)之間的霜積聚時間段是基于在先前的除霜循環(huán)過程中用于從蒸發(fā)器盤管上除去冰所消耗的能量來計算的。以這樣的方式，可以顧及到供應給該加熱器的電壓電平的變化，并且可以更準確地控制在除霜循環(huán)之間積聚在盤管上冰的程度。
文檔編號F25D21/02GK1946977SQ200580012899
公開日2007年4月11日 申請日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月24日
發(fā)明者E·W·杜德利, D·M·史密斯 申請人:開利公司