具有先进节能特征的用于冷藏设备和装置的控制系统

摘要

本发明公开了一种控制系统，适用于任何冷藏柜和任何具有冷藏存储隔间的冷藏设备。该控制系统包括具有存储器的电子控制器。该控制系统使用一个或多个温度探测器并且能通过从所述温度探测器提取温度变化值来建立数据集。该数据集被用于从该控制系统建立分析模型，能够明确设备的两种不同的运行模式：名为常规模式和节能模式，其中节能模式被定义为设备在温度高于常规模式期间所使用的温度的一段运行周期时间。

说明书

技术领域

下面的发明描述了一种用于冷藏设备和装置(用于饮料和不容易腐烂的食 物，以下称作消费品)的控制系统，其中上面提到的控制系统，具有或者没有 用于进入冷藏存储隔间的门，实现先进的节能特征。

现有技术的情况

冷藏设备在世界范围内使用，因为它们提供了在商店、餐馆、购物中心等 等(以下称作出售商店)处，于最佳温度(以下称作交易温度或者设定值 (SETPOINT))卖出消费品的能力。

众所周知，任何冷藏设备实现冷却/冷冻电路，其中至少使用压缩机、具有 或者没有风扇的蒸发器、冷凝器和隔离/冷藏存储隔间来维持消费品处于低于环 境温度的温度(称作运行SETPOINT)。这使消费品更具有吸引力并且提升了它 们的消费量。通常，一些类型的电子或机械控制设备被用于维持冷藏设备中的 运行温度。

把任何产品维持在低于周围环境温度的温度都需要大量的能量消耗，这导 致了经销商的运营成本的增加。出于这个原因，在最近几年，许多节能概念已 经引入到冷藏设备中(减少能耗和运营成本两者)。

注意现有技术的情况

现有解决方案中的一种是仅仅在出售商店的营业时间期间维持消费品处于 运行SETPOINT，并且在非营业时间使用高于SETPOINT的不同温度。

现在，用于改变冷藏设备的工作温度的最有效的技术概括如下：

·手动改变SETPOINT：这需要外部操作者的交互，这需要操作者在出售商 店临关闭期间之前将温度设定为高于SETPOINT。这种解决方案具有如下的缺 点，即，不能一直执行这种操作(改变SETPOINT)，并且如果SETPOINT被 改变了，并且在同一出售商店开门之后的第一时间内不能被改回，消费品的真 实温度将(由于与任何商品相关的温度惯性)不处于所需的SETPOINT。

·通过使用时钟电子电路自动改变SETPOINT。这种解决方案需要附加的电 子电路并且它不能检测出售商店开门和关门时间的变化，或者由于夏令时的开 始或者结束而引起的时间改变。如果发生这些事件，冷藏设备的SETPOINT设 置必须由外部操作者手动校正。

·通过使用安装在冷藏设备上的外部“使用传感器”(例如门传感器、存在传 感器、振动传感器等等)自动改变SETPOINT。EP1540438B1公开了这种技术： 它是非常有效的技术，因为冷藏设备能根据冷藏设备自身的使用或者出售商店 开门间隔的改变而自动改变商品的SETPOINT温度。在相反的方面，这种解决 方案需要在冷藏设备上安装附加的组件。例如门传感器、存在传感器等等。这 对冷藏设备的原材料和安装时间来说都引入了额外的成本。

·如在专利US2007/0225871A1中公开的前瞻性地管理一些可预测的冷藏设 备的热环境。这种方法使用一套预先定义的动作，其当特定预言事物发生时执 行。这种解决方案没有自适应能力并且需要实现对不同设备的不同预测。

减少能耗的另一种技术是优化压缩机的开/关周期：它的目的是减少压缩机 的开启时间。

·专利US2012/0059522A1公开了一种通过分析设备使用的实际模式和预测 模式并通过测量内部和外部温度来优化压缩机开/关周期的方法。这允许通过时 间增加能效，但是它需要使用外部的温度传感器，这导致增加所使用的控制系 统的复杂性并且也引入额外的成本。

·专利EP2474799A2公开了一种不使用任何放入隔间自身中的温度探测器 而控制冷藏存储隔间温度的方法。通过测量和比较来自外部温度探测器和电源 电压分析仪的一个或两个信号来执行温度调节。也能使用来自门传感器的附加 信号。这些信号允许产生冷藏设备的运行模式，这种运行模式被用于修改压缩 机的开/关周期。这种方法基于一达到所需的温度就达到压缩机的平稳状态的假 设。它需要结合来自不同来源的信号并且不能保证精确的温度控制，也不可能 显示冷藏存储隔间的真实温度。此外，必须进行特定的测试以估计任何不同设 备的最优运行模式，这意味着复杂性和最终成本的增加。

用于增加冷藏设备的效率并且能够节约能耗和节省成本的另一种技术是优 化解冻周期。需要解冻周期来融化蒸发器表面上存在的冰。事实上，蒸发器表 面上的冰的存在使冷却电路的热交换变差，增加总体能耗。用于优化解冻周期 的现有技术概述如下：

·关闭周期解冻：在这种情况中，作为冷却电路一部分的压缩机按照预设的 时间表停止并持续预定的时间间隔。

·具有蒸发器温度控制的解冻：设置在蒸发器表面的温度探测器器被用于一 旦测量到温度达到并超过预设值，就停止解冻周期的运行。还使用安全定时器 来保证在任何故障的情况下，这个安全定时器的时间过去之后，运行的解冻周 期都被停止。与前一种情况相同，解冻周期遵循预设的时间表。

·分析通过被设置在蒸发器表面上的蒸发器探测器所测量的蒸发器温度趋 势：在这种情况下，检测到冰正在融化的状态(通常被认为是潜在加热的状态)， 并且在融化状态的最后用脉冲调制标准激活加热元件，以优化解冻周期的持续 时间。专利EP328151B1公开了这种方法。

在上述提到的解决方案中，改变SETPOINT的方案和优化解冻周期的方案 两者都缺少用于节能的集成控制系统。这个控制系统应当仅仅使用在标准冷藏 设备中已经存在的资源，并且以任何可能的方式自动优化能量消耗。

本发明解决了这些需求，结合了仅仅在出售商店的营业时间维持商品的低 SETPOINT温度的能力，并且不在冷藏设备中引入任何其操作通常所不需要的 附加组件。此外，本发明通过对在冷藏设备中存在的并造成能量消耗的各种资 源进行集成管理和优化而引入了一种新的节能概念。

发明概述

本发明目的是要应用于任何冷藏设备，具有或者没有用于进入冷藏存储隔 间的门，并且使用已经存在的温度探测器(调节探测器和蒸发器探测器)以控 制冷藏存储隔间内部的温度，并且用于估计节能模式激活的时间周期，这里“节 能模式”是指冷藏存储设备处于温度高于经营温度的任何工作时段。用于进一步 的信息，冷藏设备处于经营温度的任何工作时段，在以下被定义为“常规模式”。

附图的简要说明

图1：示出了表示本发明控制系统对象的结构图。公开了输入、输出和它们 与电子控制器的交互。下面的表显示出对图1中出现的方块的说明。

图2：描述了关于本专利发明对象的功能模型所使用的方法的流程图。

图3：描述了关于在冷藏设备运行期间所测量的任何温度变化的分类的流程 图。

图4：描述了关于在任何节能模式期间，解冻周期的管理的流程图。

详细说明

本发明目的是应用到任何冷藏设备，其中冷藏存储隔间的温度调节由电子 控制器控制。在普通的文献中，设备的一部分，冷藏存储隔间的温度调节通常 由温度控制系统管理，并且通过监测由一个或多个温度探测器测量的一个或多 个特性温度趋势而管理。这样的温度控制系统能通过监督所有涉及的部件(压 缩机、蒸发器、冷凝器、风扇，见图1)而在其控制下调节设备的温度。

这样的温度控制系统的输入被定义为：

·通过使用放置在设备的冷藏存储隔间中的“调节温度探测器”控制物品的温 度；

·通过使用放置在蒸发器表面的“蒸发器探测器”控制蒸发器温度。这个输入 被温度控制系统用于保持蒸发器与进入冷藏存储隔间的空气之间的热交换的高 效率。这个输入的另一种用途(并且也由温度控制系统执行的)是避免冰堆积 在蒸发器表面上。

·通过使用放置在冷凝器表面上的冷凝器探测器控制冷凝器温度。这个输入 被用于保持冷凝器与设备周围的环境空气之间的热交换的高效率。

此外，温度控制系统中可以包括一些其它功能、普通知识文献的一些部分： 这些功能可以是用于检查物品的最高温度和由于冷凝器或者压缩机延迟激活而 达到的最高温度的安全功能，或者本领域技术人员能够实现的其它功能。

最近，一些关于能耗优化的功能已经被引入。它们中的一些涉及到管理解 冻周期。描述解冻的优化方法的现有知识文献能概括如下：

·被动方法：通过压缩机循环停止来执行解冻。

·主动方法：通过使用热气，也被称为循环反转，或者使用电加热元件来执 行解冻。

在上面两种情况中，目标是融化存在于蒸发器表面上的冰。下面将介绍融 化冰的间接效果：取决于蒸发器的位置和存在的冰的数量，升高冷藏存储隔间 的温度。出于这个原因，第一要求是优化解冻周期的持续时间和时间表以限制 冷藏存储隔间内部温度的上升。有不同的方式获得这种结果：

·使用专门的温度探测器、蒸发器探测器，以检查蒸发器表面上的温度并且 一旦测量的温度值超过预设值就中断解冻周期的运行。这种简单的解决方案没 有对解冻周期的持续时间和时间表进行优化，因为它没有考虑蒸发器表面上存 在的冰的实际数量。

·分析蒸发器温度曲线的趋势以检测冰融化状态，称作潜在加热状态，并且 仅仅当这个融化状态结束时才中断解冻周期的运行。这种在电子解冻(主动解 冻方法)的情况下能工作得很好的方法，并不能适应所有使用被动解冻方法(压 缩机停止运转)的那些情况中。

EP0328151B1公开了用于解冻周期的现有方法的情形。在这样的解决方案 中，通过使用主动驱动的电子加热器元件完成解冻周期，直到潜在加热状态结 束，并且脉冲调制直到达到结束解冻条件。以预设时间间隔分析蒸发器温度趋 势以检测潜在加热状态的结束和结束解冻条件。

本发明介绍了一种创新方法，通过整合以下两者把蒸发器温度趋势分析也 扩展到使用被动解冻方法的设备上：

·对比分析蒸发器温度趋势和通过压缩机和蒸发器风扇的精确驱动方法获得 的调节温度。不断地监测调节温度和蒸发器温度之间的差异以检测何时达到预 设的结束解冻条件。

·使用任何“节能模式”的开始来开始解冻周期。这允许控制器利用由于从“常 规模式”改变到“节能模式”而引起的温度增加，并且在任何解冻周期结束时使用 这个热梯度来减少对额外能量的需求，以达到SETPOINT温度。

获得节能的另一种方法是根据处于控制之下的设备的工作条件使用不同的 SETPOINT。例如，这里有一些来自本领域现有技术的解决方案：

·按照预设时间表改变温度SETPOINT。这需要附加的硬件，被称作实时时 钟，其必须被手动设置并且取决于出售商店的营业时间。如果出售商店改变它 的营业时间或者如果时间季节性地改变，那么这种解决方案达不到期望的结果。

·EP1540438B1公开了一种解决方案，其使用不同的SETPOINT，允许动态 产生和更新时间间隔。来自“使用传感器(例如门开关或者振动传感器)”的多 个信号被用于实现处于控制之下的设备的使用模式。以这种方式，当检测到设 备上的一些活动时，可以使用所需的SETPOINT，并且在不活动期间使用高于 SETPOINT温度的不同温度值。这种解决方案需要使用至少一个“使用传感器”， 即使这些传感器对制造商来说导致额外的原材料和生产成本。

本发明提出了避免任何“使用传感器”但是仍然提供节能的优点的可能性。 本发明公开了一种分析温度变化而不是分析活动信号(从使用传感器产生的) 的方法。以这种方式，简化了生产工艺并且对生产商来说减少了最终成本。在 短时间内并且以简单的方式替换或者修整任何一种已经存在本领域中的设备 (冷藏设备)也是可能的。本发明的另一方面是使用不同的节能方法并且把它们 并入相同的控制系统中，获得更好的执行方案。

用于识别节能时期的分析模型

可以在以下两者之间区别控制系统(图1)的运行模式和本发明的目标：

·“常规模式”：这种运行模式被识别为冷藏存储隔间的调节温度等于 SETPOINT的时段

·“节能模式”：这种运行模式被识别为冷藏存储隔间的调节温度高于 SETPOINT的时段。

本发明的控制系统使用电子控制器(图1的C)，其提供来自在冷藏设备中 使用的可用温度探测器(图1的A、B)的数据收集。这种电子控制器把收集的 数据转换为数据集，并随后分析这个数据集。分析结果是能按照可用输出(图1 的E，F，G和H)而自动改变冷藏设备的运行模式的分析模型。

通常，本发明的控制系统对象由以下组成：

·放置在冷藏存储隔间中并被用于调节温度和检测任何温度变化的一个或多 个温度探测器(图1的A，B)。由温度探测器测量的所述温度变化被分类如下：

-短时期变化，其被定义为瞬间的温度变化。它是由于在控制之下的设 备的平衡状态的任何改变而引起的。这可能是由于打开门或者冷藏存储隔 间的任何填充操作而引起的。

-中时期变化，其被定义为缓慢的温度变化。它可能由于在控制之下的 设备朝着周围环境的散热或者随后的日夜温度变化或者由于季节性的温度 变化而引起的。

这些温度探测器中的一个可以被放置在蒸发器表面上，以测量蒸发器温度 并控制任何解冻周期。

·电子控制器(图1的C)能收集、分析、分类、处理和存储从可用温度探 测器检测到的温度变化(数据集处理)。这个电子控制器驱动可用负载，这里“负 载”的意思是处于控制下的设备的、需要能量的所有元件、部件，例如设备中的 压缩机、风扇、灯和加热器元件(图1的E，F，G，H)。通过数据集处理，并且通 过使用内部算法，电子控制器能建立运行的分析模型。通过使用这个模型，电 子控制器能使设备的功能适用于任何特定情况，在营业温度和节能要求之间给 出最佳优化。以这种方式，分析模型能够允许设备在两种不同的情况下运行： 上面提到的“节能模式”和“常规模式”。分析模型将检测到温度变化的任何时段识 别为“常规模式”，并且将没有检测温度变化的任何时段识别为“节能模式”。当在 “节能模式”中时：

-SETPOINT将移动到高于营业SETPONT的值并且依赖预设值。

-在任何“节能模式”的开始时，将执行解冻周期(图4)。

-通过控制调节温度与蒸发器探测器(图4的17，18，19)温度之间的差异 来优化解冻周期的持续时间。通过分析这个差异，可以决定停止解冻的运行的 合适时刻。这允许解冻周期自动化，而没有第三人的任何外部介入。

-使解冻周期自动化和优化，减少了冷藏存储隔间中的(由于与任何解冻过 程相关的物理过程而引起的)商品的温度增加的温度升高，在解冻结束运行后， 需要较少的能量来维持在SETPOINT。

下面的段落陈述完成该分析模型的详细说明：

A、在通电之后(图2的1)重置电子控制器的数据存储器。电子控制器执 行调节以达到营业SETPOINT(在任何“常规模式”期间使用的一个SETPOINT)， 然后通过使用温度变化分析(图2的3，4，5，8和图3)开始计算系数CDS(设备 的扩散系数)。

B、在分析新PERIOD(时期)的设置阶段(图2的2)，并且取决于预设 配置，电子控制器将开始预定期间(从1到20天)的新PERIOD分析。任何 PERIOD被分为每30分钟的子间隔并且称为单元(CELLs)。CELL用于收集、 分析和分类来自可用温度探测器的所有温度数据(图3)。

C、在任何30分钟的时间间隔(等于一个CELL)内(图3)，算法存储高 于系数CDS(图3的11，12，13)的温度变化(VT)(图3的14)的数量。在任 何一个CELL结束时那个CELL(CDC)的中间扩散系数被更新(图3的15)。

D、一天一次，或者任何48个CELLs一次，将温度变化的平均数(MVT)， 作为VT的最近48个存储值的平均值。然后将CDS系数更新(图2的8)为最 近48个存储的CDC值的平均值。然后根据CELL的适当的VT数，算法分类 属于刚刚完成的PERIOD的CELL：

-如果第n个CELL的VT数高于或等于平均值MVT(图2的11)，那么第 n个CELL被分类属于“常规模式”(NM-CELL)。

-如果第n个CELL的VT数低于平均值MVT(图2的11)，那么第n个 CELL被分类属于“节能模式”(ES-CELL)。

-算法的最后操作是为设备生成功能模型(图2的11)，其中属于同一模式 的CELL被分为一组。过滤器被用于迫使低于预设值(其取决于配置)的任何 ES-CELL序列属于“常规模式”。

E、在分析任何新PERIOD的期间执行下面的步骤：

-重复实施这里上面的部分(B)

-重复实施这里上面的部分(C)

-如果经过分析，真实的CELL显示出属于不同的模式(相对于前一 PERIOD)，那么这个CELL的运行模式被立刻改变(图2的6，7)。

-重复实施这里上面的部分(D)。

下面的段落提供自动解冻管理的详细说明：

A、在任何“节能模式”的开始，开始新的解冻周期(图4的16)。

B、电子控制器根据调节和蒸发器温度探测器之间的温度差异驱动输出(压 缩机(图1的E)、蒸发器风扇(图1的F)和加热元件(图1的G))(图4的 17)。

C、电子控制器持续地计算调节和蒸发器温度探测器之间的温度差异。

D、一旦这里的上述温度差异达到预设值，电子控制器就停止运行中的解冻 周期(图4的19)。

E、在运行的解冻周期结束时，电子控制器重新开始调节，以便达到和维持 所需要的SETPOINT(图4的20)。