冷却器容量控制设备、方法和系统的制作方法
【专利说明】冷却器容量控制设备、方法和系统
[0001] 相关申请的交叉引用 本专利合作条约专利申请要求2012年12月4日提交的美国临时专利申请No. 61/733, 215的权益，该美国临时专利申请通过参引的方式全部结合至本文中。
【背景技术】
[0002] 配备有可变速和可变几何形状压缩机(例如具有变频驱动器和可变入口引导叶片 的离心式压缩机）的冷却器在冷却器容量的控制和效率优化方面带来了独特的机遇和挑 战。对于任何给定的冷却器容量，具有无限数量的可以提供期望的冷却器容量的成对的压 缩机速度和几何形状。还具有无限数量的产生不理想的压缩机喘振的成对的压缩机速度和 叶片位置。通常，通过使压缩机在其喘振边界处或喘振边界附近运行，能够使压缩机效率最 大化。发明人已经发现，遵循压缩机效率方面的传统观点的控制技术带来了意想不到的控 制挑战，并且可能产生意外的控制偏差。例如，在一定的容量范围内，传统的控制技术可能 试图减小冷却器容量，结果却反而增加了冷却器容量；反之，试图增加冷却器容量，结果却 反而减小了冷却器容量。也可能遇到控制极限循环。本文公开的容量控制技术在控制和效 率方面提供了意想不到的优点。不断增加效率和可靠性水平的要求产生了对本文公开的独 特而具有创新性的冷却器容量控制设备、系统和方法的显著需求。
【发明内容】
[0003] 为了清楚、简洁和准确地描述本发明的示例性实施方式以及制造和使用本发明的 方式和方法，并且为了使本发明付诸实践以及制造和使用本发明，现在将对包括附图所示 的内容在内的某些示例性实施方式进行参考，并且将使用专用语言来描述这些实施方式。 然而，应当理解的是，并不会因此对本发明的范围产生限制，并且本发明包括和保护本发明 所属领域的普通技术人员能够想到的对示例性实施方式的修改、变型和进一步的应用。
[0004] 公开了用于具有可变速和可变几何形状压缩机的冷却器的控制。一些示例性实施 方式使用配备了变频驱动器和可变入口引导叶片的离心式压缩机。一些示例性控制构造成 确定冷却器容量命令、速度命令和叶片位置命令。速度命令和叶片位置命令可以在一个或 多个容量范围内保持系统在喘振控制边界处或喘振控制边界附近的运行以提高效率并且 可以在某些容量范围内偏离喘振控制边界以提高可控性或避免控制误差。另外的实施方 式、形式、目的、特征、优点、方面和益处将从下文的描述和附图中变得显而易见。
【附图说明】
[0005] 本文的描述参照附图进行，贯穿多幅图使用相同的附图标记来指代相同的部件， 并且其中： 图1是示例性冷却器系统的示意图。
[0006] 图2是示例性冷却器控制系统的示意图。
[0007] 图3是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了喘振控制边 界。
[0008] 图4是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了喘振控 制边界。
[0009] 图5是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了第一控制路 径。
[0010] 图6是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了第一控 制路径。
[0011] 图7是压缩机压力系数对入口引导叶片开度百分比的曲线图，示出了第二控制路 径。
[0012] 图8是压缩机速度对冷却器容量与最大冷却器容量之比的曲线图，示出了第二控 制路径。
【具体实施方式】
[0013] 参照图1，示出了包括制冷剂环路的冷却器系统100,该制冷剂环路包括离心式压 缩机110、冷凝器120、蒸发器130和可变几何形状入口引导叶片140。制冷剂以闭环从压缩 机110经过冷凝器120、蒸发器130回到压缩机110而流动通过系统100。
[0014] 压缩机110由电动马达170驱动，电动马达170则进而由变频驱动器150驱动。在 图示的实施方式中，变频驱动器150构造成输出三相PWM驱动信号，并且马达170是永磁马 达。其他类型和构造的变频驱动器和电动马达的使用也是能够想到的。另外，其他类型的 可变速压缩机也可以使用，例如可变压缩机速度通过使用变速器或其他齿轮机构或者通过 改变驱动涡轮机两端的压力而提供的系统。
[0015] 冷凝器120构造成从接收自压缩机110的压缩制冷剂传递热量。在图示的实施方 式中，冷凝器120是水冷冷凝器，其在入口 121处接收冷却水，将热量从制冷剂传递至冷却 水，并且在出口 122处输出冷却水。还能够想到，可以使用其他类型的冷凝器，例如空冷冷 凝器或蒸发冷凝器。
[0016] 蒸发器130构造成使制冷剂膨胀，以降低其温度并且将热量从冷却了的介质传递 至冷却了的制冷剂。在图示的实施方式中，蒸发器130构造为水冷却器，其接收提供至入口 131的水，将热量从水传递至制冷剂，并且在出口 132处输出冷却过的水。其他类型的蒸发 器或冷却器系统也能够想到，包括干式膨胀蒸发器、溢流式蒸发器、裸管蒸发器、平板表面 蒸发器和翅片式蒸发器，等等。还将注意到，本文对水的称谓包括水溶液，除非另有明确限 制。
[0017] 冷却器系统100还包括控制器160,控制器160在输出口 161处输出速度控制信 号。速度控制信号被变频驱动器150接收并且可用于改变变频驱动器150操作电动马达 170以驱动压缩机110时的速度。控制器160还在输出口 162处输出入口引导叶片位置控 制信号。入口引导叶片信号由控制入口引导叶片140的位置的入口引导叶片致动器接收。
[0018] 控制器160从多个传感器接收输入。传感器163向控制器160输出指示冷凝器制 冷剂压力的信号。传感器164向控制器160输出指示冷凝器进入水压力的信号。传感器 165向控制器160输出指示蒸发器进入水温度的信号。传感器166向控制器160输出指示 蒸发器制冷剂温度或压力的信号。蒸发器中的制冷剂条件是饱和的，因此传感器166可以 是温度转换器或压力转换器。从压力到温度的转换或者从温度到压力的转换通过应用适当 的制冷剂属性转换而完成。传感器167向控制器160输出指示蒸发器离开水温度的信号。 控制器160构造成根据控制程序处理从所述多个传感器接收的输入，并且输出压缩机速度 控制信号161和入口引导叶片位置命令162。将注意的是，本文描述的控制、控制程序和控 制模块可以利用硬件、软件、固件以及硬件、软件、固件的各种组合来实现，并且可以使用存 储在非瞬态计算机可读介质或多个非瞬态计算机可读介质中的可执行指令。
[0019] 参照图2,示出了控制器160的更详细的视图，图示了容量控制模块180和多致动 器控制模块182。容量控制模块180从传感器165接收蒸发器进入水温度信息并且从传感 器167接收蒸发器离开水温度信息。容量控制模块180对这些输入进行处理并且向多致动 器控制模块182输出容量命令183。容量控制模块180可以使用将在下文中进一步详细描 述的技术和原理来执行这些操作。还能够想到的是，可以使用替代的或附加的控制输入来 生成冷却器容量控制命令。
[0020] 除了从容量控制模块180接收容量控制命令183之外，多致动器控制模块182还 从传感器163接收冷凝器制冷剂压力信息，从传感器166接收蒸发器制冷剂温度或压力信 息，从传感器164接收冷凝器进入水温度信息，并且接收蒸发器离开水温度167。多致动器 控制模块182对这些输入进行处理并且在输出口 161处输出压缩机速度控制信号以及在输 出口 162处输出入口引导叶片位置控制信号。多致动器控制模块182可以使用将在下文中 进一步详细描述的技术和原理来执行这些操作。还能够想到的是，可以使用替代的或附加 的控制输入来生成压缩机速度和几何形状