专利名称：空调系统的自由冷却能力控制的制作方法
空调系统的自由冷却能力控制
技术领域：
本发明涉及空调系统。更具体地说，本发明涉及控制具有自由冷却模式 和冷却模式的空调系统的方法和系统。
背景技术：
空调系统通过消耗能量而冷却给定体积的空气的方式运行。通常，空调 系统运行于冷冻或冷却模式下，其包括使制冷剂循环通过热力学循环。在此 循环期间，热和功被转移到制冷剂。制冷剂进入热交换器并且冷冻例如水、 空气或乙二醇等工作流体，进而，所述工作流体能够被用于冷却受调节的空 间。通常使用压缩机将功转移到制冷剂。
但是，当环境外部空气的温度低时，外部空气可以;波用以冷却制冷剂， 而不必运行压缩机。当空调系统使用环境外部空气来冷却制冷剂时，该系统 被称为运行于自由冷却模式下。因为在自由冷却模式下运行空调系统需要更 少的功输入，所以，在自由冷却模式下运行该系统比在冷却模式下运行该系 统效率更高。
通常，即使在环境外部温度低的时候空调系统也运行于冷却模式下。在 这种情况下运行于冷却模式下提供的是低效的制冷剂调节手段。相反，在这 种情况下使空调系统运行于预冷却模式下是更高效的。在自由冷却模式下， 一个或更多通风的热交换器和泵被起动，并且循环经过空调系统的制冷剂被 外部环境空气所冷却，而不必用压缩机。
于是，在空调系统运行于自由冷却模式下时存在对控制空调系统的冷却 能力的方法和系统的需要。
发明内容提供了空调系统及控制方法，当运行于自由冷却模式下时，其包括自由 冷却能力控制序列，该程序至少基于离开所述空调系统的工作流体与设定点 之间的温度差改变膨胀装置的开口 。
提供了 一种具有自由冷却模式的空调系统。该系统包括具有压缩机、泵、 膨胀装置和控制器的制冷回路，其中，所述膨胀装置具有可变开口。控制器 通过经由泵使制冷剂循环经过制冷回路而选择性地使系统运行于自由冷却 模式下。该系统包括存在于控制器上的自由冷却能力控制序列。该自由冷却 能力控制序列至少通过基于工作流体温度和设定点温度之间的温度差调整 所述可变开口来调整所述系统的冷却能力。
还提供了 一种控制具有自由冷却模式的空调系统的方法。该方法包括确 定被调节的工作流体的温度，在所述温度高于设定点时至少通过增大制冷剂 膨胀装置的开口来增加该系统的冷却能力，并且在所述温度低于设定点时至 少通过减小制冷剂膨胀装置的开口来减小该系统的冷却能力。
根据如下详细描述、附图及所附的权利要求书，所属技术领域的技术人 员将了解和理解本发明的上述及其它特征和优点。
图l是根据本发明处于自由冷却模式下的空调系统的示例性实施方式；
图2是根据本发明处于冷却模式下的空调系统的示例性实施方式；以及
图3示出了根据本发明用于控制空调系统在自由冷却模式下的能力的 方法的示例性实施方式。
具体实施方式
现参照附图，具体是参照图1和图2，示出了空调系统("系统")的 示例性实施方式，并且该系统总体上用附图标记10来标示。系统10^C配置 成运行于自由冷却模式12 (图1)及冷却模式14(图2)。系统10包括用于选择性地切换于自由冷却4莫式12和冷却模式14之间
的控制器16。有利地，控制器16包括能力控制程序("程序")18，在运 行于自由冷却模式12下时，该程序监测系统IO中的一个或多个条件，并且 调整膨胀装置的开口尺寸，从而调整系统10的冷却能力。与现有技术的系 统相比，程序18通过可以加强对系统10的冷却能力的控制改善了系统10 运行于自由冷却模式12下的性能。
系统10包括制冷回路20，其具有冷凝器22、泵24、膨胀装置26、蒸 发器28以及压缩机30。控制器16被配置成选择性地控制或者泵24 (当在 自由冷却模式12下时)或者压缩机30 (当在冷却模式14下时)，从而使制 冷剂沿流动方向(D)循环经过系统IO。因而，当在自由冷却模式12下时， 系统10控制泵24以使制冷剂沿流动方向D循环。但是，当在冷却模式14 下时，系统10控制压缩机30，以压缩制冷剂并使制冷剂沿流动方向D循环。 自由冷却模式12比冷却模式14使用的能量少，因为自由冷却模式12不需 要输入另外的功来运行压缩机30。
根据给定应用的冷却要求，系统10可以包括任意数量的制冷回路20。 有利地，这使得加强了对系统10的冷却能力的控制。
系统10包括压缩机绕行回路32以及泵绕;斤回路34。系统10包括受控 制器16控制的三通阀35，以及一个或更多个阀36,使得控制器可以选择性 地定位阀35以根据需要选择性地打开和闭合压缩机绕行回路32。阀36优选 为^又允许在系统10内沿一个方向流动的止回阀。在一个实施方式中，阀36 是机械阀而没有任何控制。在另 一个实施方式中，阀36受控制器16的控制。 当绕行回路32闭合时，阀36防止制冷剂回流到压缩机内，并且在泵运行时 防止制冷剂回流到泵24的吸入侧。
在冷却模式14下，控制器16控制阀35,使得压缩机绕行回路32被关 闭。在此配置下，泵24不运行，并且系统10 ^f吏得压缩机30可以压缩制冷剂并且使制冷剂流经泵绕行回路34而沿流动方向D循环。
相反，当在自由冷却模式12下时，控制器16控制三通阀35,使得压缩 机绕行回路32被打开。在此配置中，系统10使得泵24可以使制冷剂流经 压缩机绕;ft回^各32而沿流动方向D循环。
因此，系统10在蒸发器28内提供了制冷剂44和工作流体46之间的热 交换。热量从工作流^本46转移到了制冷剂44 ，冷却了工作流4本46 。 ^皮冷却 的工作流体46在出口 48退出蒸发器28，循环经过所有4争被冷却的区域，并 且经过入口 50返回到蒸发器。此过程发生于自由冷却模式12和冷却模式14 二者下。制冷剂44能够是R22、 R410A或者任意其它已知的制冷剂。工作 流体46能够是空气、水、乙二醇或任意其它现有技术中已知的工作流体。
在冷却模式14下，系统10运行为现有技术中已知的标准蒸气-压缩空 调系统，其中通过压缩和通过膨胀装置26膨胀制冷剂来调节工作流体46。 膨胀装置26能够是任意已知的膨胀装置，例如但不限于可控膨胀装置(例 如热膨胀阀)。在一个优选实施方式中，膨胀装置26是电子可控膨胀阀。 在另一个优选实施方式中，膨胀装置26两通阀。在膨胀装置26是可控膨胀 阀的示例中，膨胀装置优选地受控制器16控制。因而，膨胀装置26包括能 够受控于例如完全打开位置和基本闭合位置之间的开口 2 5 。
在自由冷却模式12下，系统10利用外部环境空气40的热移除能力， 外部环境空气通过一个或更多个风机42而与冷;疑器22呈热交换关系。
系统IO包括温度传感器54，其定位成当工作流体46离开冷;疑器28时 测量工作流体46的温度52。温度传感器54能够是现有技术中已知的任意的 温度传感器元件，其包括但不限于电阻热装置、热电耦、热控管等。
系统10维持工作流4本46的离开温度52接近设定温度(设定点)，该 设定点被存储在控制器16内，并且由给定一组环境下的给定应用的冷却要 求所确定。在一个优选实施方式中，该设定点能够由控制器16自动地确定。在另一优选实施方式中，该设定点由用户输入。当该设定点由控制器16来 增减时，系统10减小或增加其冷却能力，使得工作流体46的离开温度52 与新的"&定点相匹配。
在一个示例性实施方式中，使用温度传感器54确定离开温度52。优选 地，控制器16通过接口与温度传感器54连接，以基于离开温度52和设定 点来确定何时应当调整系统10的冷却能力。
每个制冷回; 各20可以包括多个压缩机30。在冷却才莫式14下，系统IO 的冷却能力能够通过增加起作用的压缩机30的个数来调整。例如，在具有 四个压缩机的制冷回路中，在冷却要求低(较高的设定点)时可以4吏用一个 压缩机，在冷却要求高(较低的设定点)时可以使用所有四个压缩机。但是， 在自由冷却模式12下，通过使用压缩机绕行回路32而绕过压缩机30，因此， 此机构不能被用于控制系统10内的冷却能力。
有利地，控制器16包括程序18,其在自由冷却模式12下监测和改变系 统10内的一个或更多个条件，以调整系统的冷却能力。
在一个优选实施方式中，控制器16是比例-积分-微分(PID)控制器。 控制器16执行程序18，其获取离开温度52的测量值并且将其与设定点相比 较。然后，这两个值之间的差被用于调整系统10的冷却能力，直到离开温 度52近似等于该设定值。这样，程序18不断地监测和调整系统10的冷却 能力。
图3更详细地描述了程序18的操作。当系统10运行于冷却模式H下 时，方法60包括第一 自由冷却确定步骤62。在第一 自由冷却确定步骤62 期间，方法60确定系统10是否能够运行于自由冷却模式12下。如果离开 温度52和外部环境空气40的温度之间的温度差不足以在自由冷却模式12 下运行系统10，则系统10则继续在冷却模式14下运行。但是，如果满足了 自由冷却的必要条件，则方法60执行第一切换步骤64,使得系统10运行于
9在第一切换步骤64之后，控制器16起动程序18。程序18包括第一温 度比较步骤66。在第一温度比较步骤66中，方法60确定离开温度(所示为 离开水温度或LWT)是否近似等于设定点。
如果在第一温度比较步骤66处离开温度52近似等于设定点，则程序18 确定系统IO的冷却能力充足并且不需要做出调整。因而，控制器16通过程 序18不断地监测系统10以确保离开温度52保持近似等于设定值。如果在 第一温度比较步骤66处程序18确定离开温度52不近似等于设定值，则方 法60执行第二温度比较步骤68。
在第二温度比较步骤68处，当方法60确定离开温度52低于设定点时， 方法60执行第一膨胀装置调整步骤70,其中控制器16减小膨胀装置26的 开口25的尺寸。通过减小开口25的尺寸，制冷剂44的流量降低，因此系 统10的冷却能力也降低。控制器16可以以任何已知的方式改变开口 25的 尺寸。例如，可以相对于离开温度52和设定点之间的差线性地调整开口 25 的尺寸。替代地，可以相对于离开温度52和设定点之间的差非线性地调整 开口25的尺寸。当膨胀装置开口 25完全打开时，膨胀装置26具有上限， 当膨胀装置基本上闭合时，膨胀装置26具有下限。在一些实施方式中，控 制器16被配置成持继地改变开口 25的尺寸以持续地调整系统10的冷却能 力。在其它实施方式中，控制器16被配置成周期性地改变开口 25的尺寸， 从而周期性地调整系统10的冷却能力。
在第一膨胀装置调整步骤70之后，方法60执行装置下限检查步骤72。 装置下限检查步骤72确定是否已经达到膨胀装置26的下限。当开口 25的 尺寸不再减小并且仍维持系统10处于自由冷却模式12下的可运行条件下， 达到了膨胀装置26的下限。如果尚未达到膨胀装置26的下限，则系统10 继续运行于自由冷却模式12下，并且程序18继续监测离开温度52以及调整开口 25以确保系统10具有充足的冷却能力。
在系统IO包括多于一个制冷回路20的实施方式中，并且如果在执行调 整步骤70后达到了膨胀装置26的下限，则方法60能够执行第一回路检查 步骤74。在第一回路检查步骤74中，方法60确定在系统10中是否存在更 多可用的制冷回路20。系统10可以包括多个制冷回路20。但是，根据被冷 却的空间的冷却要求，系统10可以不使用全部的制冷回路20。因此，当冷 却要求不需要全部的制冷回^各20时， 一个或更多个制冷回i 各20可以-波关闭 和断开或者从系统10卸下。相反，如果冷却要求增高，则一个或更多个制 冷循环20可以#皮连^妄或装载到系统10 。
如果方法60在第 一 回路检查步骤74确定存在多于 一 个运行中的回路， 则方法60执行卸载步骤76,其中制冷回路20中的一个坤皮从系统IO中卸载 掉，因此减小了系统10的冷却能力。在执行卸载步骤76之后，系统10继 续运行于自由冷却模式12下，并且控制器16继续监测和调整系统10中任 意保持加载的制冷回路20中的膨胀装置26的开口 25的尺寸。
如果系统IO的冷却能力太高，并且方法60不能通过调整膨胀阀和卸载 制冷回路来充分地减小冷却能力，则在停止步骤78处停止系统10。如果需 要更大的冷却能力并且如果自由冷却确定步骤62确定系统10能够运行于自 由冷却模式12下，则现在系统10准备好在自由冷却模式12下重新起动。
重新参照第二温度比较步骤68，当方法60确定离开温度52高于设定点 时，方法60执行第二膨胀装置调整步骤80,其中控制器16增加膨胀装置 26的开口 25的尺寸。增加开口 25的尺寸增加了制冷剂44的流动，因而增 加了系统10的冷却能力。在第二膨胀装置调整步骤80之后，方法60执行 装置上限检查步骤82。装置上限检查步骤82确定是否达到了膨胀装置26 的上限，或者换言之，膨胀装置26的开口 25是否被完全打开。
如果方法60在装置上限检查步骤82处确定膨胀装置26小于完全打开，则系统IO继续运行于自由冷却模式下，并且控制器16继续监测和调整开口
25的尺寸以维持系统中的充分的冷却能力。
在系统IO包括多于一个制冷回3各20的实施方式中，并且如果方法60 确定膨胀阀26被完全打开，则第二回路检查步骤84能够^皮执行以确定是否 存在更多的能够被加载到系统10上以提供更大的冷却能力的制冷回路20。 如果方法60确定存在一个或更多可用的制冷循环20，则在加载步骤86处将 另外的制冷回路20加载到系统10上。
在加载步骤86之后，系统10继续运行于自由冷却模式12下，并且控 制器16继续监测和调整开口 2 5的尺寸以维持系统内充分的冷却能力。相反， 如果方法60确定系统10不具有另外的可用的制冷回路20,则执行第二切换 步骤88，将系统10切换出自由冷却模式12并且切换成冷却模式14。
因此，由于程序18的起动，方法60至少基于离开温度52和设定点温 度之间的差控制系统IO，以选择性地控制经过膨月长装置26的流动从而维持 所需的冷却能力等级。方法60在完全打开位置和基本闭合位置之间及其间 的任意子范围内任意处改变膨胀装置26。当系统10的冷却能力低于所需等 级时，即当离开温度52高于设定点时，控制器16增加膨胀装置26的开口 25的尺寸和/或将另外的制冷回路加载到系统10上。当系统10的冷却能力 高于所需等级时，即当离开温度52低于设定点时，控制器16减小膨胀装置 26的开口 25的尺寸和/或从系统10卸载另外的制冷回路20。然后，控制器 16继续监测离开温度52并且调整开口 25的尺寸和/或加载到系统10上的制 冷回3各的个数。
如果在自由冷却模式12下通过调整膨^:阀和增加更多的制冷回路20到 系统IO不能达到所需的冷却能力，则方法60将系统10切换成冷却模式14。
应当注意，术语"第一"、"第二"、"第三"、"上"、"下"等在 此可用于修饰不同的元件。除非具体说明，这些修饰语并不意味着所修饰的元件的空间、顺序或分级的次序。
虽然参照 一 个或更多示例性实施方式描述了本发明，所属技术领域的技 术人员将可了解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以做出多种变型，并 且等同物可用以替代其中元件。另外，在不脱离本发明的范围的情况下，可 以做出许多改型来使具体的情况或材料适于本发明的教示。因此，意在本发 明并不局限于披露为所预料到的最佳模式的具体实施方式
，而是本发明将包 括落入所附权利要求书的范围内的所有实施方式。
权利要求
1.一种具有自由冷却模式的空调系统，所述系统包括具有泵、冷凝器及膨胀装置的制冷回路，所述膨胀装置具有可变开口；用于通过经由所述泵使制冷剂循环经过所述制冷回路在所述自由冷却模式下选择性地操作所述制冷回路的控制器；以及存在于所述控制器上的自由冷却能力控制序列，所述自由冷却能力控制序列至少通过基于退出所述冷凝器的工作流体温度与设定点温度之间的温度差调整所述可变开口来调整所述制冷回路的冷却能力。
2. 如权利要求l所述的系统，其中，所述自由冷却能力控制序列被配 置成在所述工作流体温度低于所述设定点温度时减小所述可变开口的尺寸。
3. 如权利要求l所述的系统，其中，所述自由冷却能力控制序列被配 置成在所述可变开口达到预定极限值时将所述制冷回路切换出自由冷却模式。
4. 如权利要求2所述的系统，其中，所述制冷回路包括多个制冷回路； 其中，所述自由冷却能力控制序列被配置成对所述制冷回路加载和卸载所述 多个制冷回^各。
5. 如权利要求l所述的系统，其中，所述自由冷却能力控制序列在所 述工作流体温度高于所述设定点温度时增加所述可变开口的尺寸。
6. 如权利要求5所述的系统，其中，所述制冷回路包括多个制冷回路； 其中，所述自由冷却能力控制序列被配置成对所述制冷回路加载和卸载所述 多个制冷回i 各。
7. 如权利要求l所述的系统，其中，所述自由冷却能力控制序列相对 于所述温度差线性地改变所述可变开口。
8. 如权利要求l所述的系统，其中，所述自由冷却能力控制序列相对 于所述温度差非线性地改变所述可变开口。
9. 如权利要求l所述的系统，其中，所述控制器是比例-积分一效分控制器。
10. 如权利要求l所述的系统，进一步包括测量所述工作流体温度的温度传感器，其中，所述控制器与所述温度传 感器连接并且计算所述温度差。
11. 一种控制具有制冷回路和自由冷却模式的空调系统的方法，所述方 法包括确定被调节的工作流体的温度；在所述温度高于设定点时增大制冷剂膨胀装置的开口 ；以及 在所述温度低于设定点时减小所述制冷剂膨胀装置的所述开口。
12. 如权利要求11所述的方法，其中，所述制冷回路包括多个制冷回 路；所述方法进 一 步包括对所述制冷回路加载第二制冷回路。
13. 如权利要求12所述的方法，进一步包括确定是否达到了所述制冷剂膨胀装置的所述开口的上限； 当达到了所述上限时加载所述第二制冷回^^各。
14. 如4又利要求11所述的方法，其中，所述制冷回路包括多个制冷回 路；所述方法进 一 步包括从所述制冷回路卸载第二制冷回路。
15. 如权利要求14所述的方法，进一步包括确定是否达到了所述制冷剂膨胀装置的所述开口的下限； 当达到了所述下限时卸载所述第二制冷回路。
16. 如权利要求11所述的方法，进一步包括确定是否达到了所述制冷剂膨胀装置的所述开口的下限； 当达到了所述下限时卸载所述制冷回路并且停止所述系统。
17.参照附图1至3中任一幅图所描述的空调系统或控制空调系统的方法。
全文摘要
一种具有自由冷却模式的空调系统。该系统包括具有压缩机、泵、膨胀装置和控制器的制冷回路，其中，所述膨胀装置具有可变开口。控制器通过经由泵使制冷剂循环经过制冷回路而选择性地使系统运行于自由冷却模式下。该系统包括存在于控制器上的自由冷却能力控制序列。该自由冷却能力控制序列至少通过基于工作流体温度和设定点温度之间的温度差调整所述可变开口来调整所述系统的冷却能力。
文档编号F25D17/06GK101680699SQ200680056923
公开日2010年3月24日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年12月28日
发明者B·范, P·德佩奇, P·里加尔 申请人:开利公司