用于基于過熱設定點控制的過冷控制的設備和方法
【專利說明】
[0001] 相關申請的交叉引用
[0002] 本公開內容是2013年11月13日提交的美國專利申請第14/078, 734號的部分繼 續申請。本申請要求2012年11月21日提交的美國臨時申請第61/729, 037號的權益。上 述申請的全部公開內容通過引用合并到本文中。
技術領域
[0003] 本公開內容涉及冷卻系統，并且更具體地涉及膨脹閥控制系統。
【背景技術】
[0004] 本部分提供不一定是現有技術的、與本公開內容相關的背景信息。
[0005] 冷卻系統在流體要被冷卻的大量不同的應用中具有適用性。流體可以是諸如空氣 的氣體或諸如水的液體。示例應用是用于冷卻人們所在的空間諸如在辦公室以及數據中心 中的采暖、通風、空調（HVAC)系統。數據中心可以指具有諸如計算機服務器的電子裝置集 合的房間。
[0006] 在圖1中示出了可以在例如計算機房間使用的空調50。空調50包括冷卻回路51 和機柜52。冷卻回路51設置在機柜52中，并且包括蒸發器54、空氣移動裝置56、壓縮機 58、冷凝器60以及膨脹閥62。蒸發器54、壓縮機58、冷凝器60和膨脹閥62以使冷卻流體 (例如，相變制冷劑）循環的閉合回路連接。蒸發器54可以包括具有多個冷卻板（slab)的 V形盤管組件以提供增強的冷卻能力。蒸發器54接收冷卻流體并且對穿過蒸發器54中的 開口的空氣進行冷卻。空氣移動裝置56(例如，風扇或鼠籠式鼓風機）從機柜52中的入口 (未示出）吸取空氣并使其穿過蒸發器54。經冷卻的空氣從蒸發器54導出并且從機柜52 中的增壓室64出來。
[0007] 壓縮機58使冷卻流體循環通過冷凝器60、膨脹閥62、蒸發器54并返回到壓縮機 58。壓縮機58可以是例如渦旋式壓縮機。渦旋式壓縮機可以是定速、數字或變速壓縮機。 渦旋式壓縮機通常包括兩個偏移螺旋盤。第一螺旋盤是固定盤或渦旋部。第二螺旋盤是繞 動禍旋部。冷卻流體在禍旋式壓縮機的入口處被接收，在偏移螺旋盤之間被捕獲，被壓縮， 并且在中心（或出口）排向冷凝器60。冷凝器60可以是對從壓縮機58接收的冷卻流體進 行冷卻的微通道冷凝器。膨脹閥62可以是電子膨脹閥并且可以使從冷凝器60出來的冷卻 流體膨脹，例如從液體到氣體。
[0008] 可以調節膨脹閥62的位置（或膨脹閥的開度百分比）來控制壓縮機58的吸入過 熱值。壓縮機的吸入過熱值等于壓縮機吸入溫度減去壓縮機飽和吸入溫度。可以使用壓縮 機吸入壓力來確定壓縮機飽和吸入溫度。可以基于來自連接在蒸發器54與壓縮機58之間 的相應傳感器的信號來確定壓縮機吸入溫度和壓縮機吸入壓力。過熱值指處于氣態的冷卻 流體的溫度被加熱高于壓縮機飽和吸入溫度的量。
[0009] 可以使用過熱值來調整（或調節）膨脹閥62的位置。可以通過比例、積分、微分 (PID)控制模塊來執行膨脹閥62的位置（或開度百分比）控制。PID控制模塊控制過熱值 以匹配恒定的預定過熱設定點。這確保了壓縮機穩定性并且提高了壓縮機效率。
【發明內容】
[0010] 該部分提供了本公開內容的一般概述，而不是其全部范圍或其所有特征的全面公 開。
[0011] 提供了一種系統，其包括設定點模塊、求和器、控制模塊以及膨脹閥模塊。設定點 模塊被配置成通過基于（i)返回空氣溫度設定點或供應空氣溫度設定點以及（ii)室外環 境溫度調節過熱設定點來間接地控制冷凝器的過冷。求和器被配置成確定過熱設定點與壓 縮機的過熱水平之間的誤差。控制模塊被配置成基于誤差生成控制信號。膨脹閥模塊被配 置成基于控制信號電子控制膨脹閥的狀態。
[0012] 在另一方面，提供了一種方法，其包括：通過基于（i)返回空氣溫度設定點或供應 空氣溫度設定點以及（ii)室外環境溫度調節過熱設定點，間接地控制冷凝器的過冷；確定 過熱設定點與壓縮機的過熱水平之間的誤差；基于誤差生成控制信號；以及基于控制信號 電子控制膨脹閥的狀態。
[0013] 在另一方面，提供了一種系統，并且該系統包括誤差模塊，該誤差模塊被配置成對 過熱信號與過熱設定點之間的差進行積分以生成誤差信號，其中過熱信號指示壓縮機的吸 入過熱值。比較模塊被配置成將誤差信號與第一預定閾值進行比較，以基于該比較生成第 一比較信號。零交叉模塊被配置成將第一計數值與第二預定閾值進行比較，以生成第二比 較信號。第一計數值是基于過熱信號與過熱設定點之間的至少一個比較來生成的。設定點 模塊被配置成基于第一比較信號和第二比較信號來調節過熱設定點。
[0014] 在另一方面，提供了一種系統，并且該系統包括邊界計數器、邊界模塊、設定點模 塊以及控制模塊。邊界計數器被配置成：在壓縮機的過熱信號超過預定限制時，使第一計數 值遞增。邊界模塊被配置成：將第一計數值與第一預定閾值進行比較，以生成第一比較信 號。設定點模塊被配置成：基于第一比較信號調節過熱設定點。控制模塊被配置成：基于過 熱設定點調節膨脹閥的位置。
[0015] 在另一方面，提供了一種系統，并且該系統包括不穩定模塊、排放模塊以及設定點 模塊。不穩定模塊被配置成：確定壓縮機的不穩定吸入過熱條件是否存在，以及生成不穩定 信號。排放模塊被配置成：將壓縮機的排放壓力與預定壓力進行比較，以生成第一比較信 號。設定點模塊被配置成：基于不穩定信號和第一比較信號來調節過熱設定點。
[0016] 根據本文中提供的描述，另外的適用性領域將變得明顯。本
【發明內容】
中的描述和 具體示例僅意在用于說明的目的，而并非意在限制本公開內容的范圍。
【附圖說明】
[0017] 本文中所描述的附圖僅用于說明所選擇的實現方式而并非所有可能的實現方式 的目的，而且并非意在限制本公開內容的范圍。
[0018] 圖1是現有技術空調的透視圖；
[0019] 圖2是根據本公開內容的一個方面的結合有冷卻控制模塊的多級冷卻系統的示 意圖；
[0020] 圖3是根據本公開內容的一個方面的過熱設定點調整系統的功能性框圖；
[0021] 圖4是根據本公開內容的一個方面的圖2的結合有不穩定模塊的冷卻控制模塊的 一部分的功能性框圖；
[0022] 圖5是示出根據本公開內容的一個方面的過熱設定點調整方法的邏輯流程圖；
[0023] 圖6是根據本公開內容的一個方面的過熱設定點調節系統的功能性框圖；以及
[0024] 圖7是示出根據本公開內容的一個方面的過熱設定點調節方法的邏輯流程圖。
[0025] 貫穿附圖中的幾個圖，相應的附圖標記表示相應的部分。
【具體實施方式】
[0026] 現在參照附圖更全面地描述示例實現方式。
[0027] 空調系統可以包括冷凝器（或室外盤管）、膨脹閥、蒸發器（或室內盤管）以及壓 縮機。可以將膨脹閥的位置（或開度百分比）調節成使壓縮機的過熱值保持在預定（或調 節的）過熱設定點處。由于空調系統的室內操作條件的變化，可以引起空調系統的不穩定 操作。在本文中所公開的示例防止不穩定條件出現，并且如果出現不穩定條件，則示例使空 調系統穩定化。這種不穩定防止以及穩定化是通過對過熱設定點的調整和/或調節來提供 的。
[0028] 空調系統的室內操作條件可能例如由于在要求溫度和/或除濕設定的改變而變 化。操作條件改變、冷凝器及蒸發器的容量的相對尺寸、以及在蒸發器中的冷卻流體的裝載 (charge)過低（小于第一預定裝載）或者在蒸發器中的冷卻流體的裝載過高（大于第二預 定裝載）可能導致不穩定操作。冷卻流體的裝載可以指冷卻流體的量或質量。可以在蒸發 器中存在例如低裝載的冷卻流體的情況下保持過熱值，以避免壓縮機的高排放（輸出）壓 力。在壓縮機的排放壓力大于預定壓力時，可以關閉壓縮機。在蒸發器中存在高裝載的冷 卻流體的情況下保持過熱值可能導致來自冷凝器的過冷的損失。過冷的損失可能導致不穩 定的壓縮機操作。不穩定的壓縮機操作可能導致不穩定的空調系統操作。
[0029] 下面公開的實現方式包括使處于各種操作條件下的壓縮機的過熱值穩定。實現方 式包括管理蒸發器與冷凝器之間的冷卻流體裝載以得到穩定操作。這包括基于某些參數 (例如，壓縮機吸入壓力、壓縮機入口溫度以及壓縮機排放壓力）來調節過熱設定點。上述 參數依賴于操作條件。因此，實現方式提供了過熱設定點的動態調整以用于膨脹閥位置控 制。實現方式使得壓縮機的過熱設定點能夠被穩定成合適的設定點，可以實時地（或者在 相關空調系統的操作期間）確定該合適的設定點。如果檢測到不穩定的過熱條件，則執行 過熱設定點調整以根據當前設定對過熱設定點進行重置，以使蒸發器與冷凝器之間的裝載 重新平衡，這穩定了過熱值和系統操作。
[0030] 圖2示出冷卻系統100的示意圖。冷卻系統100可以是變頻空調系統，并且包括 具有上游（或第一）冷卻回路104的上游冷卻級102和具有下游冷卻回路108的下游（或 第二）冷卻級106。冷卻回路104、108經由冷卻控制模塊109來控制。雖然示出了兩個冷 卻回路，但是可以包括不同數量的冷卻回路。上游冷卻回路104包括第一蒸發器110、第一 膨脹閥112、第一冷凝器114、第一壓縮機116以及第二壓縮機118。下游冷卻回路108包 括第二蒸發器120、第二膨脹閥122、第二冷凝器124、第三壓縮機126以及第四壓縮機128。 蒸發器110、120具有各自的蒸發器風扇130、132。冷凝器114、124具有各自的冷凝器風扇 134、136。
[0031] 冷卻控制模塊109可以生成冷凝器風扇信號CONDI、C0ND2,蒸發器風扇信號 EVAP1、EVAP2，膨脹閥信號EXP 1、EXP2，以及壓縮機信號PWM1、PWM2、PUMP3、PUMP4，從而控制 風扇 130、132、134、136，膨脹閥112、122以及壓縮機116、118、126、128。
[0032] 冷卻控制模塊109可以基于來自各個傳感器的信號來控制風扇130、132、134、 136,膨脹閥112、122和/或壓縮機116、118、126、128。例如，傳感器可以包括環境溫度傳 感器150,吸入壓力傳感器152、154,排出壓力（head pressure)傳感器156、158和/或壓 縮機入口（或蒸發器出口）溫度傳感器160、162。環境溫度傳感器150可以是室外環境溫 度傳感器，并且生成環境溫度信號T A。吸入壓力傳感器152、154生成吸入壓力信號SUC1、 SUC2并且檢測壓縮機116、118、126、128所接收的流體的壓力。排出壓力傳感器156、158生 成排出壓力（或排放壓力）信號HEADUHEAD2并且檢測從壓縮機116、118、126、128出來的 流