膨胀阀位置控制系统和方法
【专利摘要】一种系统，包括负荷模块、比较模块和控制模块。负荷模块配置为确定压缩机的当前负荷。比较模块配置为将当前负荷与压缩机的先前负荷进行比较以基于比较生成比较信号。控制模块配置为（i）基于压缩机的过热值生成第一控制信号，以及（ii）基于当前负荷以及先前负荷生成第二控制信号。控制模块配置为，基于比较信号，根据第一控制信号或者第二控制信号控制膨胀阀的位置。
【专利说明】膨胀阀位置控制系统和方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2012年11月21日提交的美国临时申请第61/729029号的优先权，上述申请的全部公开内容通过引用并入本文中。
【技术领域】
[0003]本公开涉及冷却系统，更具体地说，涉及膨胀阀控制系统。
【背景技术】
[0004]本节提供涉及不一定是现有技术的本公开的背景信息。
[0005]冷却系统适用于其中要冷却流体的许多不同的应用。流体可能是例如空气的气体或者例如水的液体。示例应用包括用于将例如办公室等人们所在的空间进行冷却的供热、通风、空调(HVAC)系统以及数据中心气候控制系统。数据中心可以指的是具有例如计算机服务器等一些电子设备的房间。
[0006]在图1中，示出了可以在例如机房中使用的空调50。空调50包括冷却回路51和机柜52。冷却回路51被布置在机柜52中并且包括蒸发器54、空气移动装置56、压缩机58、冷凝器60以及膨胀阀62。蒸发器54、压缩机58、冷凝器60以及膨胀阀62连接在冷却流体(例如相变制冷剂)在其中循环的封闭环路中。蒸发器54可以包括具有多个冷却片的V形或者A形盘管组件以提供增加的冷却能力。蒸发器54接收冷却流体并且将流经蒸发器54的开口的空气冷却。空气移动装置56 (例如风扇或者离心风机)从机柜52内的入口(未示出)吸入空气并且经过蒸发器54。冷却的空气从蒸发器54导出到机柜52中的空腔64中。
[0007]压缩机58将冷却流体循环通过冷凝器60、膨胀阀62、蒸发器54并且返回压缩机58。压缩机58可以是例如涡旋式压缩机。涡旋式压缩机可以是定速压缩机、数字速度压缩机或者变速压缩机。涡旋式压缩机通常包括两个偏移螺旋盘。第一螺旋盘是静止盘或者静涡盘。第二螺旋盘是动涡盘。冷却流体在涡旋式压缩机的入口处被接收，在偏移螺旋盘之间被捕获，被压缩并且在朝向冷凝器60的中心(或者出口)处被排放。冷凝器60可以是将从压缩机58接收的冷却流体冷却的微通道冷凝器。膨胀阀62可以是电子膨胀阀并且将冷却流体从例如液体到蒸汽从冷凝器60中膨胀出来。
[0008]可以调节膨胀阀62的位置(或者膨胀阀的开口百分比)来控制压缩机58的吸入过热值。压缩机的过热值等于压缩机吸入温度减去压缩机饱和吸入温度。压缩机吸入压力可以用于确定压缩机饱和吸入温度。可以基于来自在蒸发器54与压缩机58之间连接的对应的传感器的信号来确定压缩机吸入温度和压缩机吸入压力。过热值指的是将气态下的冷却流体的温度加热到压缩机饱和吸入温度以上的量。
[0009]过热值可用于调制(或者调节)膨胀阀62的位置。膨胀阀62的位置(或者开口百分比)的控制可以由比例积分微分(PID)控制模块执行。PID控制模块控制过热值以与恒定的预定过热设定点相匹配。这确保压缩机可靠性并且提高压缩机的效率。
【发明内容】
[0010]本节提供本公开的总体概要，但并非全面公开其全部范围或者其所有特征。
[0011]在一个方面，提供了一种系统，该系统包括负荷模块、比较模块和控制模块。负荷模块配置为确定压缩机的当前负荷。比较模块配置为将当前负荷与压缩机的先前负荷进行比较以基于比较生成比较信号。控制模块配置为(i)基于压缩机的过热值生成第一控制信号，以及(ii)基于当前负荷和先前负荷生成第二控制信号。控制模块配置为，根据第一控制信号或者第二控制信号，基于比较信号控制膨胀阀的位置。
[0012]在另一个方面，提供了一种系统，该系统包括负荷模块和控制模块。负荷模块配置为检测压缩机的负荷的变化。控制模块配置为(i)基于压缩机的过热值生成比例积分微分(PID)控制信号，以及(ii)基于负荷的变化生成膨胀阀控制信号。控制模块配置为，响应于负荷的变化，从根据PID控制信号来控制膨胀阀的位置转变为根据膨胀阀控制信号来控制膨胀阀的位置。
[0013]在另一个方面，提供了一种方法，该方法包括确定压缩机的当前负荷并且将当前负荷与压缩机的先前负荷进行比较。基于比较生成比较信号。基于比较信号，该方法还包括:基于压缩机的过热值生成第一控制信号并且根据第一控制信号控制膨胀阀的位置；或者基于当前负荷和先前负荷生成第二控制信号并且根据第二控制信号控制膨胀阀的位置。
[0014]此外，根据本文中提供的描述，应用的领域将变得明显。该
【发明内容】
中的描述和具体示例仅意在说明的目的而并不意在限制本公开内容的范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]本文中所描述的附图仅出于所选择的实施方式而非所有可能的实施方式的说明性目的，而并不意在限制本公开内容的范围。
[0016]图1是现有技术的空调的透视图；
[0017]图2是根据本公开的一个方面并入冷却控制模块的多级冷却系统的示意图；
[0018]图3是根据本公开的一个方面的过热调控系统的功能框图；以及
[0019]图4是示出依照本公开的一个方面的过热调控方法的逻辑流程图。
[0020]在附图中的若干图中，相应的附图标记表不相应的部分。
【具体实施方式】
[0021 ] 现将参考附图更全面地描述示例实施方式。
[0022]可以用PID控制模块来控制空调系统和/或冷却回路的电子膨胀阀(EEV)。PID控制模块可以基于压缩机的过热值的变化控制(有时被称为调制)EEV的位置(或者开口百分比)。
[0023]PID控制模块在响应过热值的变化时具有相关联的延迟。当压缩机以恒定的负荷工作或者在预定的时间段负荷的变化小于预定的量时，该延迟不会造成问题。在压缩机大于预定的量的机械负荷与空载的变化期间内，PID控制模块的响应速度可能不够快。例如，在操作具有气缸卸载装置的数字涡旋式压缩机或者半封闭压缩机时，可能会发生此种情况。
[0024]归因于PID控制模块的延迟的响应，PID控制模块可以过冲过热设定点由此提供高过热过冲状态或者低过热过冲状态。另外，延迟的响应也可以提供低压缩比(或者压力差)。压缩机的压力差指的是压缩机的入口压力或者吸入压力与出口压力或者排出压力之差。低压力差(或者小于预定的差值的差值)可能会导致压缩机损坏、压缩机故障和/或压缩机和/或系统工作不稳定。
[0025]本文中公开的实施方式提供了包括在压缩机负荷和空载状态期间的快速过热调节的EEV控制技术。该实施方式包括使用多个过热控制方法以阻止(i)出现高过热过冲和低过热过冲状态以及(ii)低压缩比的发生。
[0026]在图2中，示出了冷却系统100的示意图。冷却系统100包括具有上游(或者第一)冷却回路104的上游冷却级102以及具有下游冷却回路108的下游(或者第二)冷却级106。冷却回路104、冷却回路108通过冷却控制模块109来控制。虽然示出了两个冷却回路，但是也可以包括不同数量的冷却回路。上游冷却回路104包括第一蒸发器110、第一膨胀阀112、第一冷凝器114、第一压缩机116以及第二压缩机118。下游冷却回路108包括第二蒸发器120、第二膨胀阀122、第二冷凝器124、第三压缩机126以及第四压缩机128。蒸发器110、蒸发器120具有各自的蒸发器风扇130、蒸发器风扇132或者串行地具有公共的风扇。冷凝器114、冷凝器124具有各自的冷凝器风扇134、冷凝器风扇136或者串行地具有公共的风扇。
[0027]冷却控制模块109可以生成冷凝器风扇信号C0ND1、冷凝器风扇信号C0ND2、蒸发器风扇信号EVAP1、蒸发器风扇信号EVAP2、膨胀阀信号EXP1、膨胀阀信号EXP2以及压缩机信号PWM1、压缩机信号PWM2、压缩机信号PWM3、压缩机信号PWM4来控制风扇130、风扇132、风扇134、风扇136、膨胀阀112、膨胀阀122以及压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机 128。
[0028]冷却控制模块109可以基于来自各种传感器的信号来控制风扇130、风扇132、风扇134、风扇136、膨胀阀112、膨胀阀122和/或压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128。传感器可以包括例如环境温度传感器150、吸入压力传感器152、吸入压力传感器154、排出压力传感器156、排出压力传感器158和/或压缩机入口(或者蒸发器出口)温度传感器160、压缩机入口(或者蒸发器出口)温度传感器162。环境温度传感器150可以是室外环境温度传感器并且生成环境温度信号TA。压力传感器152、压力传感器154生成吸入压力信号SUCl、吸入压力信号SUC2并且检测由压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128接收的流体的压力。排出压力传感器156、排出压力传感器158生成排出压力(或者排放压力)信号HEAD1、排出压力(或者排放压力)信号HEAD2并且检测出自压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128的流体的压力。温度传感器160、温度传感器162检测(i)来自蒸发器110、蒸发器120的下游的流体的温度，以及(ii)蒸发器110、蒸发器120以及压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128之间的流体的温度。
[0029]蒸发器110、蒸发器120可以是微通道(MC)冷却盘管组件和/或包括MC热交换器和/或可以是翼片管式冷却盘管组件。膨胀阀112、膨胀阀122是基于电子的膨胀阀(例如EEV)。冷凝器114、冷凝器124中的每一个冷凝器可以具有多种类型，例如风冷式冷凝器、水冷式冷凝器或者乙二醇冷凝器。冷凝器114、冷凝器124可以包括排热装置，排热装置将热量从返回流体传递到较冷介质例如外部空气。排热装置可以包括空气或者液体冷却热交换器。[0030]在冷却回路104、冷却回路108中的每一个冷却回路中，冷却流体(或者制冷剂)由压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128的相应的对循环。流体从压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128流经冷凝器114、冷凝器124，膨胀阀112、膨胀阀122以及蒸发器110、蒸发器120然后返回压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128。蒸发器110、蒸发器120可以被布置在各级中，使得空气以串行方式首先流经上游蒸发器110，然后流经下游蒸发器120。通过为串行空气流动布置的多个冷却级，减小了跨蒸发器110、蒸发器120的温度差。这接着允许蒸发器110、蒸发器120以不同的压力水平操作，并且允许减少相应的蒸发器110、蒸发器120以及冷凝器114、冷凝器124之间的压力差。
[0031]由于压缩机功率是蒸发器与冷凝器之间的压力差的函数，因此较低的压力差是更加高能效的。冷却回路104、冷却回路108中的每一个冷却回路可以包括串列压缩机对(例如压缩机116、压缩机118或者压缩机126、压缩机128)。串列压缩机中的每一个压缩机可以是固定容量涡旋式压缩机(例如压缩机116、压缩机126)或者可变容量涡旋式压缩机(例如压缩机118、压缩机128)。固定容量涡旋式压缩机可以基于由冷却控制模块109生成的控制信号被激活(上电状态0N)和禁用(上电状态OFF)。可变容量涡旋式压缩机可以通过从冷却控制模块109接收的相应的数字信号来控制。
[0032]冷却回路104、冷却回路108中的每一个冷却回路可以包括串列压缩机组。串列组中的每一个压缩机可以包括同等体积位移的两个压缩机。第一压缩机可以是接收PWM百分比信号来控制第一压缩机的速度和容量的数字脉宽调制(PWM)涡旋式压缩机。第二压缩机可以是具有简单的开启/关闭容量控制的定速涡旋式压缩机。这两个压缩机的吸入管线和排放管线可以是并联管道以形成串列组。作为示例，压缩机116、压缩机126可以是PWM涡旋式压缩机，并且压缩机118、压缩机128可以是定速涡旋式压缩机。定速涡旋式压缩机可以接收开启/关闭控制信号，而非来自冷却控制模块109的PWM信号。
[0033]串列压缩机组的配置通过为空调系统的冷却回路提供宽范围的容量调制而允许高能效的温度控制。串列组通过允许数字PWM涡旋式压缩机在定速涡旋式压缩机之前被激活来提供压缩机在启动时的高能效的配置。这有效地允许串列组提供减少了体积排量/容量的部分位移操作，直到需要来自固定涡旋式压缩机的额外的容量为止。
[0034]如这里使用的的压缩机压力差指的是压缩机的输入压力和输出压力之间的差。低压力差(小于预定的差值和/或压缩机的吸入压力和排出压力彼此相等)可以导致空载的压缩机状态。压缩机空载可以导致串列压缩机组在启动时的冷却容量减少以及串列组和/或相关联的压缩机电机的潜在损坏。压缩机空载会降低串列组移动蒸汽的能力，因此减少冷却容量。如果压力差反复出现减少，这种压力差的减少也会导致压缩机电机的损坏。
[0035]也参考图3，示出了过热调控系统200的功能框图。过热调控系统200包括冷却控制模块109和冷却回路202 (例如冷却回路104、冷却回路108之一)。冷却控制模块109包括过热模块204、第一加法器206、PID控制模块208、压缩机负荷模块210、位置确定模块212以及膨胀阀(EV)控制模块214。
[0036]过热模块204从冷却回路202的传感器216 (例如传感器154、传感器156、传感器160、传感器162)接收传感器信号和/或从饱和模块218接收饱和温度SatTemp。传感器信号可以包括吸入压力信号SucPres和压缩机入口温度信号ComplNTemp。饱和模块218基于吸入压力信号SucPres确定冷却回路202的压缩机(例如压缩机116、压缩机118、压缩机126、压缩机128之一)的饱和温度SatTemp。过热模块204可以包括可以将压缩机入口温度ComplNTemp减去饱和温度SatTemp来生成过热信号SH的第二加法器220。过热信号SH可以包括指示压缩机的过热状态的当前过热值。
[0037]第一加法器206用过热设定点SET减去过热信号SH来生成错误信号ERROR。可以由设定点模块222来指出过热设定点SET。设定点模块222生成可以是预定的值的过热设定点SET。
[0038]PID控制模块208提供冷却回路202的EV的位置的比例积分微分控制。PID控制模块208生成控制信号PIDC0NT (或者第一控制信号)以基于错误信号ERROR控制EV的位置。PID控制模块208可以具有调整参数例如比例、积分和微分增益，该调整参数可以用于确定用于EV控制的PID的值。
[0039]压缩机负荷模块210确定压缩机的负荷(或者压缩机负荷)并且生成指示所确定的负荷的负荷信号LOAD。压缩机负荷可以指的是可用的总压缩机负荷的百分比水平。可用的总压缩机负荷可以指的是一个或者更多个压缩机可能的总的负荷。压缩机负荷可以指的是对于串列压缩机组可用的负荷的总量。压缩机负荷可以与压缩机的占空比(或者开启(ON)时间相比于关闭(OFF)时间)成正比。
[0040]作为示例，在一个实施方式中，使用了具有两个压缩机的串列组并且包括数字涡旋式压缩机以及固定涡旋式压缩机。在压缩机负荷小于或者等于例如可用的总压缩机负荷的50%时，可以使用数字涡旋式压缩机。在压缩机负荷大于可用的总压缩机负荷的50%时，除了数字涡旋式压缩机以外还可以使用固定涡旋式压缩机。如果压缩机负荷是60%，可以由固定涡旋式压缩机提供50%的压缩机负荷并且可以由数字涡旋式压缩机提供10%的压缩机负荷。数字涡旋式压缩机的负荷在开启固定涡旋式压缩机时可以斜降，并且在关闭固定涡旋式压缩机时可以斜升的 。
[0041]可以基于冷却请求和/或除湿请求生成负荷信号LOAD以在房间或者预定的区域内调节温度和/或湿度水平。冷却控制模块109可以响应于针对冷却控制模块109的温度和湿度水平的输入(共同地称为输入信号INPUT)生成冷却请求和/或除湿请求。温度和湿度水平输入可以经由例如用户接口 224提供，用户接口 224可以连接到冷却控制模块109或者作为一部分包括在冷却控制模块109中。用户接口 224可以包括小键盘、显示器、触摸屏或者其他合适的接口。
[0042]位置确定模块212确定EV226 (例如EVl 12、EV122之一)的位置或者开口百分比并且生成第二控制信号0ΡΕΝ%。位置确定模块212基于负荷信号LOAD生成第二控制信号0ΡΕΝ%。可以根据例如式I生成第二控制信号0ΡΕΝ%，在式I中0PEN%P,ev是先前确定的开口百分比或者第二控制信号0ΡΕΝ%的第一值，0PEN%Cur是当前开口百分比或者第二控制信号0ΡΕΝ%的第二值，CompLOADcur是当前压缩机负荷或者负荷信号LOAD的当前值，CompLOADprev是先前压缩机负荷或者负荷信号LOAD的先前值，a是第一输入常数，b是第二输入常数(或者指数常数)。变量a和b可以是预定的值。
【权利要求】
1.一种系统，包括: 负荷模块，其配置为确定压缩机的当前负荷； 比较模块，其配置为将所述当前负荷与所述压缩机的先前负荷进行比较以基于所述比较生成比较信号；以及 控制模块，其配置为(i)基于所述压缩机的过热值生成第一控制信号，以及(ii)基于所述当前负荷与所述先前负荷生成第二控制信号， 其中，所述控制模块配置为，基于所述比较信号，根据所述第一控制信号或者所述第二控制信号来控制膨胀阀的位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块配置为响应于所述比较信号大于预定的阈值，根据所述第二控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述控制模块配置为响应于所述比较信号小于或者等于所述预定的阈值，根据所述第一控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
4.根据权利要求2所述的系统，还包括定时器模块，所述定时器模块配置为将定时器的值与预定的时间进行比较， 其中，所述控制模块配置为(i )确定所述先前负荷，然后启动定时器，以及(ii )确定在所述定时器的值等于所述预定的时间时的所述当前负荷。
5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块配置为默认根据所述第一控制信号来控制所述膨胀阀的位置，并且在所述负荷的变化大于预定的阈值时根据所述第二控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一控制信号为比例积分微分控制信号中的至少一个。
7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于过热设定点生成所述第一控制信号， 其中，所述控制模块配置为基于以下来确定所述过热值:(i)所述压缩机的吸入温度，以及(ii )所述压缩机的吸入压力。
8.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于所述当前负荷和所述先前负荷的比率来生成所述第二控制信号。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于所述第二控制信号的先前版本来生成所述第二控制信号。
10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于第一输入常数、所述当前负荷和所述先前负荷的比率以及第二输入常数来生成所述第二控制信号。
11.一种系统,包括: 负荷模块，其配置为检测压缩机的负荷的变化；以及 控制模块，其配置为(i )基于所述压缩机的过热值来生成比例积分微分PID控制信号，以及(ii)基于所述负荷的变化来生成膨胀阀控制信号， 其中，所述控制模块配置为，响应于所述负荷的变化，从根据所述PID控制信号来控制膨胀阀的位置转变成根据所述膨胀阀控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制模块配置为默认根据所述PID控制信号来控制所述膨胀阀的所述位置，并且在所述负荷的变化大于预定的阈值时根据所述膨胀阀控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于所述负荷和所述压缩机的先前负荷的比率来生成所述膨胀阀控制信号。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于所述膨胀阀控制信号的先前版本来生成所述膨胀阀控制信号。
15.根据权利要求14所述的系统，其中，所述控制模块配置为基于以下三者相乘来生成所述膨胀阀控制信号:(i)第一输入常数，(ii)所述膨胀阀控制信号的所述先前版本，以及(iii)所述负荷和先前负荷的比率的指数输入常数的幂。
16.—种方法,包括: 确定压缩机的当前负荷； 将所述当前负荷与所述压缩机的先前负荷进行比较； 基于所述比较生成比较信号；以及 基于所述比较信号， 基于所述压缩机的过热值生成第一控制信号并且根据所述第一控制信号控制膨胀阀的位置，或者 基于所述当前负荷和所述先前负荷生成第二控制信号并且根据所述第二控制信号控制所述膨胀阀的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括: 响应于所述比较信号大于预定的阈值根据所述第二控制信号来控制所述膨胀阀的位置；以及 响应于所述比较信号小于或者等于所述预定的阈值根据所述第一控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括: 在所述负荷的变化小于或者等于预定的阈值时根据所述第一控制信号而不是根据所述第二控制信号来控制所述膨胀阀的位置；以及 在所述负荷的变化大于所述预定的阈值时，根据所述第二控制信号而不是根据所述第一控制信号来控制所述膨胀阀的位置。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括基于以下生成所述第二控制信号: 所述压缩机的所述当前负荷和所述先前负荷的比率；以及 所述第二控制信号的先前版本。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括: 基于过热设定点来生成所述第一控制信号； 基于(i)所述压缩机的吸入温度以及(ii)所述压缩机的吸入压力来确定所述过热值；以及 基于所述 膨胀阀的先前位置以及所述当前负荷和所述先前负荷的比率来生成所述第二控制信号。
【文档编号】F25B49/02GK103836861SQ201310590547
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2013年11月20日 优先权日:2012年11月21日
【发明者】林之勇, 丹尼尔·J·舒特, 贝内迪克特·J·多尔奇赫, 罗杰·诺尔 申请人:力博特公司