具有集成冻结保护的先进阀门致动系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体上涉及阀门和阀门致动器，并且更具体地涉及在加热、通风和空调 (HVAC)系统中使用的阀门和阀门致动器。
【背景技术】
[0002] 在寒冷季节，加热、通风和空调（HVAC)水盘管可能发生冻结，并且这可能在液相 传热系统中产生问题。通常有两种类型的传热系统--液相和汽/液相。液相系统通过感 热的传递或温度变化来进行操作。汽/液系统通过沸腾冷凝循环而利用汽化热进行热传 递。
[0003] 随着水膨胀成冰，其体积增大大约9%，并且因此可能对含有水的任何管道或阀门 产生过大的力。加热和冷却盘管通常由穿过所形成的散热片（通常为铝）的薄片的一排排 迂回盘绕的管子（通常为铜）构成。随着空气通过盘管并接触散热片表面，热量从空气传 递到管子中的水。由于加热和冷却盘管由能够与可能非常冷的空气发生接触的相当大长度 的管子构成，因而这些盘管中的水易于冻结。
[0004] 除了对水盘管、线路和配件造成的任何损坏之外，由于盘管中的水的冻结，还可能 对墙壁、天花板和建筑物内部物体造成大规模的建筑损坏。在发生这种情况时，通常会发生 漏水，直到发现漏水并切断供水为止。供水切断还会扰乱建筑物的其它部分，因为集中式的 管道系统可以为建筑物的具有多个房间的区域（例如，整个楼层）服务。也可能没有立即 发觉漏水，因为其可能在建筑物空置时发生，或者可能发生在不易接近的位置，因而有可能 在发觉漏水之前造成大规模的水浸损坏。
[0005] 针对常规HVAC系统，通常使用的水盘管冻结保护方法是将几个部件组合到一起， 以基于本地气温与盘管和连结的管道中的水温之间的相关性来获得防冻保护，并且然后在 感测到可能的冻结状况时利用完全不受控制的流率。常规的冻结保护方法通常用于保护家 庭用水管道不受冻结状况的影响，并且将这些系统用于HVAC水盘管系统中未必是理想的。 一些常规的冻结保护系统受到限制，因为它们根据附近的气温来估计水温，并且通常需要 对多个装置进行安装和布线，由此延长了安装时间，提高了系统成本和要维护的装置的数 量。
[0006] 此外，针对常规HVAC系统，控制阀门可以具有最大流量设定，该最大流量设定能 够被本地设定，但是不能被远程调整。此外，很多常规HVAC系统无法适当地操纵HVAC控制 应用，HVAC控制应用包含两管道转换加热/冷却水系统、季节转换、以及与建筑物的离心式 冷水机和冷凝式锅炉的能量同步或者与建筑物管理系统（BMS)的能量同步。在美国专利公 布No. 2010/0142535中公开了使用通信网络来实施的建筑物管理系统，通过引用的方式将 该美国专利公布的教导和公开内容并入本文中。
[0007] 本发明的实施例表示相对于关于HVAC系统及其控制的现有技术的进步。通过本 文中提供的对本发明的描述，本发明的这些和其它优点以及附加的发明特征将变得显而易 见。
【发明内容】
[0008] 在一个方面中，本发明的实施例提供了具有集成冻结保护的HVAC阀门和致动器 组件，该HVAC阀门和致动器组件包括被配置为控制进入水盘管的水或水混合物的流量的 阀门、以及被配置为控制阀门的打开和闭合的阀门致动器。阀门和致动器组件还包括被配 置为感测流经阀门的水或水混合物的温度的第一温度传感器、被配置为感测水盘管周围的 空气的温度的第二温度传感器、以及被配置为测量流经阀门的水或水混合物的流率的流量 计。阀门致动器包括控制模块，控制模块被配置为接收来自第一温度传感器和第二温度传 感器的数据以及来自流量计的数据，并且控制模块还被配置为基于从流量计以及第一温度 传感器和第二温度传感器接收的数据来判断水盘管中的水或水混合物将发生冻结的可能 性。阀门致动器操作阀门，以使其在可能的冻结状况下允许最小流量的水或水混合物流经 阀门和水盘管。最小流量足以防止水盘管中的水或水混合物发生冻结。
[0009] 在具体实施例中，阀门包括设置在阀门的流动通路（flowpassage)中的节流塞， 节流塞可以在阀门内移动，以控制流动通路中的水或水混合物的流量。在该实施例中，阀门 致动器包括通过联动组件耦合到节流塞的电机和齿轮系、以及具有用于调节电机和齿轮系 的操作的控制电路和使致动器能够经由串行通信总线与建筑物管理系统进行通信的通信 电路的电路板。此外，阀门致动器可以被配置为将阀门用作压力无关阀门或压力有关阀门 来进行操作。在更具体的实施例中，阀门致动器被配置为通过跳线开关的设定来将阀门用 作压力无关阀门或压力有关阀门来进行操作。在阀门致动器将阀门用作压力无关阀门来进 行操作时，压力无关阀门具有防止水盘管中出现冻结状况的最小流率和针对所限定的差压 范围的最大流率。
[0010] 在具体实施例中，阀门致动器具有多个可调整的工作参数，该工作参数的值控制 阀门致动器的操作。此外，多个可调整的工作参数可以被本地或远程调整。
[0011] 在另一方面中，本发明的实施例提供了操作具有集成冻结保护的阀门和致动器组 件的方法。方法包括以下步骤：感测经过HVAC阀门流入用于加热或冷却空间的HVAC盘管 中的液体的温度、感测HVAC盘管周围的空气的温度、以及测量流经HVAC阀门的液体的流 率。方法还包括：基于感测到的液体和空气温度并且基于流率测量来判断HVAC盘管中的液 体将发生冻结的可能性、以及控制流经HVAC阀门和HVAC盘管的液体的流量来提供足以防 止HVAC盘管中的液体发生冻结的最小流量。
[0012] 在某些实施例中，方法包括基于液体是水还是与已知浓度的防冻剂混合的水来判 断HVAC盘管中的液体将发生冻结的可能性。在一些实施例中，控制流经HVAC阀门和HVAC 盘管的液体的流量来提供足以防止HVAC盘管中的液体发生冻结的最小流量包含提供足以 防止HVAC盘管中的液体发生冻结的最小流量，直到液体温度在至少5分钟的时间段内上升 到超过冻结温度设定点至少10度的目标温度为止。此外，方法可以包括设定冻结温度设定 点、目标温度和时间段，其中，用户可以对冻结温度设定点、目标温度和时间段进行本地或 远程设定。
[0013] 在其它实施例中，方法包括：在判断HVAC盘管中的液体没有发生冻结的可能性的 情况下，使足以防止HVAC盘管中的液体发生冻结的最小流量中断。
[0014] 通过结合附图来考虑以下【具体实施方式】，本发明的其它方面、目标和优点将变得 显而易见。
【附图说明】
[0015] 包含在说明书中并且形成说明书的一部分的附图示出了本发明的几个方面，并且 附图与文字描述一起用来解释本发明的原理。在附图中：
[0016] 图1是现有技术的具有水盘管冻结保护的HVAC阀门构造的示意图；
[0017] 图2是用于开环水系统的现有技术的HVAC阀门和盘管位置的示意图；
[0018] 图3是用于闭环水系统的现有技术的HVAC阀门和盘管位置的示意图，并且阀门位 于盘管的返回侧上；