具有低温负载的冷却系统的制作方法

相关申请的相互引用

本申请要求2015年9月16日提交的、具有共同发明人的、题目为“用于具有低温负载的co2跨临界增压循环的压缩机吸气过热控制方法”的、序列号为62/219,261的美国临时申请的权益，其全部内容通过引用结合于此。

本公开大体上涉及冷却系统，特别是具有低温负载的冷却系统。

背景技术：

制冷系统可以被配置成二氧化碳增压器系统。该系统可以使co2制冷剂循环以冷却使用制冷剂的空间。制冷剂可以循环通过低温负载、低温压缩机、中温负载和中温压缩机。然而，当中温负载不存在时，循环通过中温压缩机的制冷剂的温度可能过高，从而导致中温压缩机难以操作，这可能导致不安全运行的情况出现。

技术实现要素：

根据一个实施例，一种系统包括高压侧热交换器、闪蒸罐、负载、第一压缩机、第二压缩机、闪蒸气体旁通管线和液体充注管线。高压侧热交换器从制冷剂中移除热量。闪蒸罐储存来自所述高压侧热交换器的制冷剂。负载使用来自所述闪蒸罐的制冷剂来从邻近所述负载的空间中移除热量。所述第一压缩机压缩来自所述负载的制冷剂。所述第二压缩机压缩来自所述第一压缩机的制冷剂并且将制冷剂传送至所述高压侧热交换器。所述闪蒸气体旁通管线被联接至所述闪蒸罐和所述第二压缩机。所述闪蒸气体旁通管线从所述闪蒸罐传送闪蒸气体以在来自所述第一压缩机的制冷剂被所述第二压缩机接收之前与来自所述第一压缩机的制冷剂混合。所述液体充注管线被联接至所述闪蒸罐和所述第二压缩机。所述液体充注管线从所述闪蒸罐传送液体制冷剂以在来自所述第一压缩机的制冷剂被所述第二压缩机接收之前与来自所述第一压缩机的制冷剂混合。

根据另一实施例，一种方法包括通过高压侧热交换器从制冷剂中移除热量以及通过闪蒸罐储存来自所述高压侧热交换器的制冷剂。所述方法还包括负载使用来自所述闪蒸罐的制冷剂来从邻近所述负载的空间中移除热量以及通过第一压缩机压缩来自所述负载的制冷剂。所述方法进一步包括通过第二压缩机压缩来自所述第一压缩机的制冷剂以及通过所述第二压缩机将制冷剂传送至所述高压侧热交换器。所述方法还包括通过联接至所述闪蒸罐和所述第二压缩机的闪蒸气体旁通管线从所述闪蒸罐传送闪蒸气体以在来自所述第一压缩机的制冷剂被所述第二压缩机接收之前与来自所述第一压缩机的制冷剂混合。所述方法进一步包括通过联接至所述闪蒸罐和所述第二压缩机的液体充注管线从所述闪蒸罐传送液体制冷剂以在来自所述第一压缩机的制冷剂被所述第二压缩机接收之前与来自所述第一压缩机的制冷剂混合。

根据又一实施例，一种系统包括闪蒸罐、负载、第一压缩机、第二压缩机和液体充注管线。所述闪蒸罐储存制冷剂。所述负载使用来自所述闪蒸罐的制冷剂来从邻近所述负载的空间中移除热量。所述第一压缩机压缩来自所述负载的制冷剂。所述第二压缩机压缩来自所述第一压缩机的制冷剂。所述液体充注管线被联接至所述闪蒸罐和所述第二压缩机并且从所述闪蒸罐传送液体制冷剂以在来自所述第一压缩机的制冷剂被所述第二压缩机接收之前与来自所述第一压缩机的制冷剂混合。

某些实施例可以提供一个或多个技术优点。例如，一实施例通过将来自闪蒸罐的液体制冷剂与进入中温压缩机的制冷剂混合来允许中温压缩机在co2增压器系统中不存在中温负载时安全运行。如另一实例，一实施例通过将制冷剂与来自闪蒸罐的液体制冷剂混合来降低过热制冷剂的温度和/或压力。某些实施例可能不包括上述技术优点，或者包括上述技术优点中的一些或全部。一个或多个其他的技术优点对于本领域技术人员来说从此处所包括的附图、说明书和权利要求中是显而易见的。

附图说明

现在结合附图、参考以下说明来更完整地理解本公开，其中：

图1示出处于增压器配置下的示例性冷却系统；

图2示出处于增压器配置下没有中温负载的示例性冷却系统；

图3是示出运行图2的示例性冷却系统的方法的流程图；

图4是示出运行图2的示例性冷却系统的方法的流程图。

具体实施方式

本公开的实施例和其优点最佳地通过参考附图中的图1至图4来理解，各个附图中的相同或对应的部分使用相同的附图标记。

诸如制冷系统的冷却系统可以被配置在co2增压器配置下。这些系统可以使来自闪蒸罐的制冷剂循环通过低温负载和中温负载以冷却对应于所述负载的空间。例如，在杂货店中，低温负载可以是用于储存冷冻食品的冷冻机，中温负载可以是用于储存新鲜农产品的制冷货架。来自低温负载的制冷剂被传送通过低温压缩机，然后被压缩的制冷剂与来自中温负载的制冷剂以及来自闪蒸罐的制冷剂混合。然后该混合物被传送通过中温压缩机，进而循环回到冷凝器。

通过使来自低温压缩机的制冷剂与来自中温负载以及闪蒸罐的制冷剂混合，来自低温压缩机的制冷剂的温度可以在被传送至中温压缩机之前下降。然而，当中温负载不存在和/或从制冷系统中移除时，混合物中不包括来自中温负载的制冷剂。因此，所述混合物的温度可能过高，从而导致中温压缩机不能安全操作。如果所述混合物被传送至中温压缩机，则可能导致不安全运行的情况出现(例如，中温压缩机破裂和/或导致中温压缩机失效)。

本公开提出一种降低不安全混合物的温度并且避免所述不安全运行情况出现的制冷系统配置。在所述配置下，来自低温压缩机的制冷剂在被中温压缩机接收之前与液体制冷剂和来自闪蒸罐的闪蒸气体混合。所述液体制冷剂通过由脉冲阀控制的液体充注管线来提供。控制器以来自中温压缩机处的温度传感器和压力传感器的测量值为基础控制对脉冲阀的操作。所述闪蒸气体通过闪蒸气体旁通管线来提供。以此方式，制冷剂可以在被传送至中温压缩机之前被液体制冷剂和闪蒸罐中的闪蒸气体冷却。

将使用图1至图4来更详细地介绍冷却系统和所提出的配置。图1显示了具有中温负载的冷却系统。图2显示了被配置成没有中温负载的图1的冷却系统。图3和图4描述了图2的系统的运行。

如图1中所提供的是，系统100包括高压侧热交换器105、膨胀阀110、闪蒸罐115、膨胀阀120、低温负载125、膨胀阀130、中温负载135、低温压缩机140、中温压缩机145和闪蒸气体旁通管线150。系统100可以使制冷剂循环以从邻近低温负载125和中温负载135的空间中移除热量。

高压侧热交换器105可以从制冷剂中移除热量。当从制冷剂中移除热量时，制冷剂被冷却。本公开提出高压侧热交换器105作为冷凝器和/或气体冷却器来运行。当作为冷凝器运行时，高压侧热交换器105冷却制冷剂，以使得制冷剂的状态由气态变为液态。当作为气体冷却器运行时，高压侧热交换器105冷却制冷剂，但是制冷剂保持气态。在某些配置下，高压侧热交换器105被定位成使得，从制冷剂中移除的热量可被排入空气。例如，高压侧热交换器105可被定位在天台，以使得从制冷剂中移除的热量可以排入空气。如另一实例，高压侧热交换器105可被定位在建筑物的外部和/或建筑物的侧面。

膨胀阀110、120和130降低制冷剂的压力并因此降低其温度。膨胀阀110、120和130降低流入膨胀阀110、120和130的制冷剂的压力。于是，制冷剂的温度可随着压力降低而下降。因此，进入膨胀阀110、120和130的暖或热的制冷剂在离开膨胀阀110、120和130时会变冷。离开膨胀阀110的制冷剂被供给至闪蒸罐115中。膨胀阀120和130分别供给低温负载125和中温负载135。

闪蒸罐115可以储存通过膨胀阀110从高压侧热交换器105接收的制冷剂。本公开提出闪蒸罐115储存任意状态(例如液态和/或气态)下的制冷剂。离开闪蒸罐115的制冷剂通过膨胀阀120和130供给至低温负载125和中温负载135。在某些实施例中，闪蒸罐115被称为接收容器。

系统100可以包括低温部分和中温部分。低温部分可以在比中温部分低的温度下运行。在一些制冷系统中，低温部分可以是冷冻系统而中温系统可以是普通的制冷系统。在杂货店的情况下，低温部分可以包括用于保存冷冻食品的冷冻机而中温部分可以包括用于保存农产品的制冷货架。制冷剂可以从闪蒸罐115流向制冷系统的低温部分和中温部分。例如，制冷剂可以流向低温负载125和中温负载135。当制冷剂到达低温负载125或中温负载135时，制冷剂从低温负载125或中温负载135周围的空气中移除热量。因此，空气被冷却。于是，被冷却的空气可以通过例如风扇来循环以冷却诸如冷冻机和/或制冷货架的空间。随着制冷剂通过低温负载125和中温负载135，制冷剂可以从液态变为气态。

制冷剂可以从低温负载125和中温负载135流向压缩机140和145。本公开提出系统100可包括任意数量的低温压缩机140和中温压缩机145。低温压缩机140和中温压缩机145均可被配置成增大制冷剂的压力。因此，制冷剂中的热量可变得集中并且制冷剂可变成高压气体。低温压缩机140可以压缩来自低温负载125的制冷剂并且将被压缩的制冷剂传送至中温压缩机145。中温压缩机145可以压缩来自低温压缩机140和中温负载135的制冷剂。进而，中温压缩机145可以将被压缩的制冷剂传送至高压侧热交换器105。

如果制冷剂的温度过高，那么中温压缩机145也许不能安全地压缩制冷剂。为了调节中温压缩机145所接收的制冷剂的温度，来自低温压缩机140的制冷剂在被中温压缩机145接收之前可以与来自中温负载135的更冷的制冷剂混合。来自低温压缩机140的制冷剂可以进一步经由闪蒸气体旁通管线150与来自闪蒸罐115的更冷的闪蒸气体混合。通过使来自低温压缩机140的制冷剂在其被中温压缩机145接收之前冷却可以允许中温压缩机145安全地压缩所接收的制冷剂。

为了更好地调节中温压缩机145所接收的制冷剂的温度和/或压力，闪蒸气体旁通管线150可被用于使来自低温压缩机140和中温负载135的制冷剂在被中温压缩机145接收之前与来自闪蒸罐115的闪蒸气体混合。由闪蒸气体旁通管线150供应的闪蒸气体在所述制冷剂被中温压缩机145接收之前冷却所述制冷剂。闪蒸气体旁通管线150包括闪蒸气体旁通阀155。在某些实施例中，闪蒸气体旁通阀155进一步冷却来自闪蒸罐115的闪蒸气体。在一些实施例中，闪蒸气体旁通阀155基于闪蒸罐115的内部压力来操控。例如，闪蒸气体旁通阀155可以在闪蒸罐115的内部压力超过闪蒸气体旁通阀155的配置阈值时打开。闪蒸气体旁通阀155对闪蒸气体流过闪蒸气体旁通管线150进行控制。当闪蒸气体旁通阀155打开时，闪蒸气体可以从闪蒸罐115流过闪蒸气体旁通管线150。当闪蒸气体旁通阀155关闭时，闪蒸气体不能从闪蒸罐115流过闪蒸气体旁通管线150。在系统100的运行期间，闪蒸气体旁通阀155可以处于使得闪蒸罐115的内部压力被维持在能量效率最佳的设定点的位置(姿态)。

在特定实施例中，来自低温压缩机140的制冷剂(125°f-140°f)被来自中温负载135的制冷剂(25°f-35°f)和来自闪蒸气体旁通管线150的制冷剂(21°f)、以约10％-15％来自低温负载140、45％-50％来自中温负载135以及30％-40％来自闪蒸气体旁通管线150的比例冷却。这使得中温压缩机145安全地运行。

如图1所示的系统100的运行可以取决于中温负载135是否存在。如果中温负载135不存在，那么中温压缩机145所接收的制冷剂可能温度过高从而导致中温压缩机145不能安全地压缩。本公开提出一种系统100的配置，所述配置可以允许中温压缩机145在中温负载135不存在时安全地压缩所接收的制冷剂。图2示出了备选配置。图3和图4描述了备选配置的运行。

图2示出了被配置成没有中温负载的图1的示例性冷却系统100。如图2中所示，系统100包括低温负载125但不包括中温负载。此外，系统100包括液体充注管线200、脉冲阀或步进阀205、控制器210、温度传感器215和压力传感器220。这些部件的每一个可以运行以调节中温压缩机145所接收的制冷剂的温度和/或压力。

当中温负载从系统100中移除时，将不再能够将来自低温压缩机140的制冷剂与来自中温负载的制冷剂混合。因此，中温压缩机145所接收的制冷剂可能过热从而导致中温压缩机145不能安全地压缩。当中温压缩机145不能安全地压缩制冷剂时，系统100可能发生故障或者制冷剂可能从系统100中排出。

为了在没有中温负载的情况下调节中温压缩机145所接收的制冷剂的温度和/或压力，系统100可以将来自低温压缩机140的制冷剂与来自闪蒸罐115的液体制冷剂混合。混合在来自闪蒸罐115的液体制冷剂中使得来自低温压缩机140的制冷剂的温度下降，以使得中温压缩机145可以安全地压缩制冷剂。因此，即使在中温负载被移除时，系统100也可以安全地运行。

液体充注管线200允许来自闪蒸罐115的液体制冷剂流过。液体制冷剂可以流过液体充注管线200以与来自低温压缩机140的制冷剂混合。因此，来自低温压缩机140的制冷剂可以在被中温压缩机145接收之前被冷却。

阀205可以是脉冲阀、步进阀或任意其他合适的阀。阀205可以对液体制冷剂流过液体充注管线200进行控制。例如，当阀205打开时，液体制冷剂可以流过液体充注管线200以与来自低温压缩机140的制冷剂混合。当阀205关闭时，液体制冷剂不可流过液体充注管线200。在特定实施例中，阀205可与闪蒸气体旁通阀155结合起来操作以改进对液体制冷剂流过液体充注管线200进行的控制。例如，打开和/或关闭闪蒸气体旁通阀155可以使得制冷剂管线中产生压力差，所述压力差有助于将来自闪蒸罐115的液体制冷剂注入制冷剂管线中。因此，来自低温压缩机140的制冷剂在被中温压缩机145接收之前与液体制冷剂混合。在某些实施例中，通过将来自闪蒸罐115的液体制冷剂与来自低温压缩机140的制冷剂混合，来自低温压缩机140的制冷剂的温度可以下降，以使得中温压缩机145可以安全地压缩制冷剂。

控制器210可以基于温度传感器215和/或压力传感器220所采取的测量来操作阀205和闪蒸气体旁通阀155。如图2所示，控制器210包括处理器225和存储器230。本公开提出，处理器225和存储器230被配置成执行此处所描述的控制器210的任何功能。

处理器225是任意电子电路，包括，但不限于微处理器、专用集成电路(asic)、专用指令集处理器(asip)和/或状态机，其可通信地联接至存储器230并且控制控制器210的运行。处理器225可以是8位、16位、32位、64位的或具有其他合适的结构。处理器225可以包括用于执行算数和逻辑运算的算术逻辑单元(alu)、向alu供应运算对象并且储存alu运算结果的处理器寄存器以及从存储器拿取指令并且通过指导alu、寄存器和其他部件的协同运行来实施指令的控制单元。处理器225可以包括其他运行以控制和处理信息的硬件和软件。处理器225实施储存于存储器230上的软件以执行此处所描述的任何功能。处理器225通过处理从系统100的部件、例如温度传感器215和压力传感器220接收的信息来控制控制器210的运行和管理。处理器225可以是可编程逻辑装置、微控制器、微处理器、任何合适的处理装置或者前述装置的任意合适的组合。处理器225不限于单处理装置，并且可以包含多处理装置。

存储器230永久性地或者暂时性地储存数据、操作软件或其他用于处理器225的信息。存储器230包括适用于储存信息的易失或不易失的、本地或远程的装置中的任意一个或其组合。例如，存储器230可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、磁存储装置、光存储装置或任何其他合适的信息存储装置或这些装置的组合。软件表示收录在计算机可读存储介质中的任何合适的指令集、逻辑集或代码集。例如，软件可以收录在存储器230、磁盘、cd或闪存盘中。在特定实施例中，软件可以包括可由处理器225实施的应用以执行此处所描述的一个或多个功能。

控制器210可以接收来自温度传感器215的温度测量值。温度传感器215可以被定位在制冷剂管线中以在制冷剂被中温压缩机145接收之前测量所述制冷剂的温度。控制器210还可以接收来自压力传感器220的压力测量值。压力传感器220可以被定位在制冷剂管线中以在制冷剂被中温压缩机145接收之前测量所述制冷剂的压力。

控制器210可以将测得的制冷剂的温度和/或压力与阈值比较。如果测得的温度和/或压力中的一个或多个超过阈值，那么控制器210可以操作阀205和闪蒸气体旁通阀155以将来自闪蒸罐115的液体制冷剂注入制冷剂管线中。因此，液体制冷剂与来自低温压缩机140的制冷剂混合并且在所述制冷剂被中温压缩机145接收之前降低其温度。例如，如果测得温度和/或测得压力中的一个或多个超过阈值，那么控制器210可以致动阀205。在特定实施例中，当阀205未被致动时，控制器210可以将闪蒸气体旁通阀155保持在使得闪蒸罐115的内部压力被维持在能量效率最佳的设定点的位置(姿态)。当阀205被致动时，闪蒸罐115的内部压力可以不同于最佳设定点。

温度传感器215和压力传感器220可以继续测量制冷剂管线中的制冷剂的温度和压力。控制器210可以继续监控这些测量值。当制冷剂的温度和/或压力中的一个或多个下降到阈值以下时，控制器210可以关停和/或关闭阀205，以便停止将液体制冷剂注入制冷剂管线中。

在某些实施例中，当中温压缩机145和液体充注管线200之间的压力差为至少45磅每平方英寸时，控制器210可以打开和/或致动阀205。控制器210可以基于来自压力传感器220的测量值来确定该压力差。在一些实施例中，控制器210可以操作闪蒸气体旁通阀155以在中温压缩机145和液体充注管线200之间产生至少45磅每平方英寸的压力差。

在特定实施例中，控制器210可以基于制冷剂管线中的制冷剂的测得温度和/或测得压力中的一个或多个的变化率来操作阀205和/或闪蒸气体旁通阀155。例如，控制器210可以监控测得温度和测得温度中的一个或多个的变化率。控制器210可以将变化率与变化率阈值进行比较。控制器210还可以将测得温度和测得压力与阈值进行比较。如果变化率超过变化率阈值并且测得温度或测得压力中的一个或多个超过阈值，那么控制器210可以开始关闭闪蒸气体旁通阀155。因此，闪蒸罐115中的压力可以增大，这允许来自闪蒸罐115的液体制冷剂通过液体充注管线200注入。通过基于测得温度和测得压力的变化率来操作阀205和闪蒸气体旁通阀155，制冷剂管线中的制冷剂的温度和/或压力可以更好地调节。

在某些实施例中，通过控制对阀205的操作，来自低温压缩机140的制冷剂的温度和/或压力可被调节，以使得中温压缩机145可以安全地压缩制冷剂。因此，系统100可以安全地运行。

在特定实施例中，系统100可以包括从制冷剂中移除热量的第二高压侧热交换器。第二高压侧热交换器被定位在低温压缩机140和中温压缩机145之间。第二高压侧热交换器可以作为气体冷却器或冷凝器运行。第二高压侧热交换器可以接收来自低温压缩机140的制冷剂、从所述制冷剂中移除热量、然后将制冷剂传送至中温压缩机145。以此方式，在制冷剂被中温压缩机145接收之前，可以从所述制冷剂中移除额外的热量。

在某些实施例中，当测得温度和测得压力中的一个或多个未超过阈值时，控制器210可以完全打开闪蒸气体旁通阀155。以此方式，来自低温压缩机140的制冷剂可以在被中温压缩机145接收之前与来自闪蒸罐115的闪蒸气体混合。因此，制冷剂管线中的制冷剂的温度和/或压力可以更好地保持。

图3是示出运行图2的示例性冷却系统100的方法300的流程图。在特定实施例中，系统100的各个部件执行方法300。通过执行方法300，中温压缩机所接收的制冷剂的温度和/或压力可以在系统100中不存在中温负载的情况下调节。

在步骤305中，高压侧热交换器可以通过从制冷剂中移除热量来开始方法300。在步骤310中，闪蒸罐储存制冷剂。接着在步骤315中，低温负载使用制冷剂来从邻近负载的空间中移除热量。在步骤320中，低温压缩机压缩制冷剂。

在步骤325中，控制器确定制冷剂的温度或压力是否超过阈值。如果压力和温度没有超过阈值，那么在步骤335中，中温压缩机压缩制冷剂。如果温度或压力中的一个或多个超过阈值，那么液体制冷剂与制冷剂混合。在步骤330中，储存于闪蒸罐中的液体制冷剂通过液体充注管线传送至制冷剂管线。因此，来自低温压缩机的制冷剂在被中温压缩机接收之前冷却。接着在步骤335中，中温压缩机压缩制冷剂。

图4是示出运行图2的示例性冷却系统100的方法400的流程图。在特定实施例中，控制器210执行方法400。通过执行方法400，中温压缩机所接收的制冷剂的温度和/或压力可以调节。

在步骤405中，控制器210通过测量压缩机处的制冷剂的温度来开始。控制器210从温度传感器接收该测量值。在步骤410中，控制器210测量压缩机处的制冷剂的压力。控制器210可以从压力传感器接收该测量值。

在步骤415中，控制器210确定温度或压力是否超过阈值。如果温度和压力没有超过阈值，那么控制器210结束方法400。如果温度或压力超过阈值，那么控制器210继续步骤420以致动脉冲阀。

在步骤425中，控制器210确定温度或压力是否下降到阈值以下。如果温度和压力没有下降到阈值以下，那么控制器210等待直至温度或压力下降到阈值以下才继续。如果温度或压力下降到阈值以下，那么控制器210继续步骤430以关停脉冲阀。

可以对图3和图4中所描绘的方法300和方法400做出修改、增加或省略。方法300和方法400可以包括更多、更少或其他步骤。例如，步骤可以并行或以任何合适的顺序执行。虽然被描述成通过冷却系统100的各个部件来执行步骤，但是系统100的任何合适的部件或部件组合可以执行方法300和方法400中的一个或多个步骤。

虽然本公开包括多个实施例，但是对于本领域技术人员来说可以提出各种改变、变化、备选、变形和修改，并且本公开意在包含落入所附权利要求的范围中的这种改变、变化、备选、变形和修改。