冷卻器容量控制設(shè)備、方法和系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】冷卻器容量控制設(shè)備、方法和系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用 本專利合作條約專利申請(qǐng)要求2012年12月4日提交的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/733, 215的權(quán)益，該美國臨時(shí)專利申請(qǐng)通過參引的方式全部結(jié)合至本文中。
【背景技術(shù)】
[0002] 配備有可變速和可變幾何形狀壓縮機(jī)(例如具有變頻驅(qū)動(dòng)器和可變?nèi)肟谝龑?dǎo)葉片 的離心式壓縮機(jī)）的冷卻器在冷卻器容量的控制和效率優(yōu)化方面帶來了獨(dú)特的機(jī)遇和挑 戰(zhàn)。對(duì)于任何給定的冷卻器容量，具有無限數(shù)量的可以提供期望的冷卻器容量的成對(duì)的壓 縮機(jī)速度和幾何形狀。還具有無限數(shù)量的產(chǎn)生不理想的壓縮機(jī)喘振的成對(duì)的壓縮機(jī)速度和 葉片位置。通常，通過使壓縮機(jī)在其喘振邊界處或喘振邊界附近運(yùn)行，能夠使壓縮機(jī)效率最 大化。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，遵循壓縮機(jī)效率方面的傳統(tǒng)觀點(diǎn)的控制技術(shù)帶來了意想不到的控 制挑戰(zhàn)，并且可能產(chǎn)生意外的控制偏差。例如，在一定的容量范圍內(nèi)，傳統(tǒng)的控制技術(shù)可能 試圖減小冷卻器容量，結(jié)果卻反而增加了冷卻器容量；反之，試圖增加冷卻器容量，結(jié)果卻 反而減小了冷卻器容量。也可能遇到控制極限循環(huán)。本文公開的容量控制技術(shù)在控制和效 率方面提供了意想不到的優(yōu)點(diǎn)。不斷增加效率和可靠性水平的要求產(chǎn)生了對(duì)本文公開的獨(dú) 特而具有創(chuàng)新性的冷卻器容量控制設(shè)備、系統(tǒng)和方法的顯著需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了清楚、簡(jiǎn)潔和準(zhǔn)確地描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式以及制造和使用本發(fā)明的 方式和方法，并且為了使本發(fā)明付諸實(shí)踐以及制造和使用本發(fā)明，現(xiàn)在將對(duì)包括附圖所示 的內(nèi)容在內(nèi)的某些示例性實(shí)施方式進(jìn)行參考，并且將使用專用語言來描述這些實(shí)施方式。 然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，并不會(huì)因此對(duì)本發(fā)明的范圍產(chǎn)生限制，并且本發(fā)明包括和保護(hù)本發(fā)明 所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠想到的對(duì)示例性實(shí)施方式的修改、變型和進(jìn)一步的應(yīng)用。
[0004] 公開了用于具有可變速和可變幾何形狀壓縮機(jī)的冷卻器的控制。一些示例性實(shí)施 方式使用配備了變頻驅(qū)動(dòng)器和可變?nèi)肟谝龑?dǎo)葉片的離心式壓縮機(jī)。一些示例性控制構(gòu)造成 確定冷卻器容量命令、速度命令和葉片位置命令。速度命令和葉片位置命令可以在一個(gè)或 多個(gè)容量范圍內(nèi)保持系統(tǒng)在喘振控制邊界處或喘振控制邊界附近的運(yùn)行以提高效率并且 可以在某些容量范圍內(nèi)偏離喘振控制邊界以提高可控性或避免控制誤差。另外的實(shí)施方 式、形式、目的、特征、優(yōu)點(diǎn)、方面和益處將從下文的描述和附圖中變得顯而易見。
【附圖說明】
[0005] 本文的描述參照附圖進(jìn)行，貫穿多幅圖使用相同的附圖標(biāo)記來指代相同的部件， 并且其中： 圖1是示例性冷卻器系統(tǒng)的示意圖。
[0006] 圖2是示例性冷卻器控制系統(tǒng)的示意圖。
[0007] 圖3是壓縮機(jī)壓力系數(shù)對(duì)入口引導(dǎo)葉片開度百分比的曲線圖，示出了喘振控制邊 界。
[0008] 圖4是壓縮機(jī)速度對(duì)冷卻器容量與最大冷卻器容量之比的曲線圖，示出了喘振控 制邊界。
[0009] 圖5是壓縮機(jī)壓力系數(shù)對(duì)入口引導(dǎo)葉片開度百分比的曲線圖，示出了第一控制路 徑。
[0010] 圖6是壓縮機(jī)速度對(duì)冷卻器容量與最大冷卻器容量之比的曲線圖，示出了第一控 制路徑。
[0011] 圖7是壓縮機(jī)壓力系數(shù)對(duì)入口引導(dǎo)葉片開度百分比的曲線圖，示出了第二控制路 徑。
[0012] 圖8是壓縮機(jī)速度對(duì)冷卻器容量與最大冷卻器容量之比的曲線圖，示出了第二控 制路徑。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 參照?qǐng)D1，示出了包括制冷劑環(huán)路的冷卻器系統(tǒng)100,該制冷劑環(huán)路包括離心式壓 縮機(jī)110、冷凝器120、蒸發(fā)器130和可變幾何形狀入口引導(dǎo)葉片140。制冷劑以閉環(huán)從壓縮 機(jī)110經(jīng)過冷凝器120、蒸發(fā)器130回到壓縮機(jī)110而流動(dòng)通過系統(tǒng)100。
[0014] 壓縮機(jī)110由電動(dòng)馬達(dá)170驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)馬達(dá)170則進(jìn)而由變頻驅(qū)動(dòng)器150驅(qū)動(dòng)。在 圖示的實(shí)施方式中，變頻驅(qū)動(dòng)器150構(gòu)造成輸出三相PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并且馬達(dá)170是永磁馬 達(dá)。其他類型和構(gòu)造的變頻驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)馬達(dá)的使用也是能夠想到的。另外，其他類型的 可變速壓縮機(jī)也可以使用，例如可變壓縮機(jī)速度通過使用變速器或其他齒輪機(jī)構(gòu)或者通過 改變驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)兩端的壓力而提供的系統(tǒng)。
[0015] 冷凝器120構(gòu)造成從接收自壓縮機(jī)110的壓縮制冷劑傳遞熱量。在圖示的實(shí)施方 式中，冷凝器120是水冷冷凝器，其在入口 121處接收冷卻水，將熱量從制冷劑傳遞至冷卻 水，并且在出口 122處輸出冷卻水。還能夠想到，可以使用其他類型的冷凝器，例如空冷冷 凝器或蒸發(fā)冷凝器。
[0016] 蒸發(fā)器130構(gòu)造成使制冷劑膨脹，以降低其溫度并且將熱量從冷卻了的介質(zhì)傳遞 至冷卻了的制冷劑。在圖示的實(shí)施方式中，蒸發(fā)器130構(gòu)造為水冷卻器，其接收提供至入口 131的水，將熱量從水傳遞至制冷劑，并且在出口 132處輸出冷卻過的水。其他類型的蒸發(fā) 器或冷卻器系統(tǒng)也能夠想到，包括干式膨脹蒸發(fā)器、溢流式蒸發(fā)器、裸管蒸發(fā)器、平板表面 蒸發(fā)器和翅片式蒸發(fā)器，等等。還將注意到，本文對(duì)水的稱謂包括水溶液，除非另有明確限 制。
[0017] 冷卻器系統(tǒng)100還包括控制器160,控制器160在輸出口 161處輸出速度控制信 號(hào)。速度控制信號(hào)被變頻驅(qū)動(dòng)器150接收并且可用于改變變頻驅(qū)動(dòng)器150操作電動(dòng)馬達(dá) 170以驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)110時(shí)的速度?？刂破?60還在輸出口 162處輸出入口引導(dǎo)葉片位置控 制信號(hào)。入口引導(dǎo)葉片信號(hào)由控制入口引導(dǎo)葉片140的位置的入口引導(dǎo)葉片致動(dòng)器接收。
[0018] 控制器160從多個(gè)傳感器接收輸入。傳感器163向控制器160輸出指示冷凝器制 冷劑壓力的信號(hào)。傳感器164向控制器160輸出指示冷凝器進(jìn)入水壓力的信號(hào)。傳感器 165向控制器160輸出指示蒸發(fā)器進(jìn)入水溫度的信號(hào)。傳感器166向控制器160輸出指示 蒸發(fā)器制冷劑溫度或壓力的信號(hào)。蒸發(fā)器中的制冷劑條件是飽和的，因此傳感器166可以 是溫度轉(zhuǎn)換器或壓力轉(zhuǎn)換器。從壓力到溫度的轉(zhuǎn)換或者從溫度到壓力的轉(zhuǎn)換通過應(yīng)用適當(dāng) 的制冷劑屬性轉(zhuǎn)換而完成。傳感器167向控制器160輸出指示蒸發(fā)器離開水溫度的信號(hào)。 控制器160構(gòu)造成根據(jù)控制程序處理從所述多個(gè)傳感器接收的輸入，并且輸出壓縮機(jī)速度 控制信號(hào)161和入口引導(dǎo)葉片位置命令162。將注意的是，本文描述的控制、控制程序和控 制模塊可以利用硬件、軟件、固件以及硬件、軟件、固件的各種組合來實(shí)現(xiàn)，并且可以使用存 儲(chǔ)在非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)或多個(gè)非瞬態(tài)計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中的可執(zhí)行指令。
[0019] 參照?qǐng)D2,示出了控制器160的更詳細(xì)的視圖，圖示了容量控制模塊180和多致動(dòng) 器控制模塊182。容量控制模塊180從傳感器165接收蒸發(fā)器進(jìn)入水溫度信息并且從傳感 器167接收蒸發(fā)器離開水溫度信息。容量控制模塊180對(duì)這些輸入進(jìn)行處理并且向多致動(dòng) 器控制模塊182輸出容量命令183。容量控制模塊180可以使用將在下文中進(jìn)一步詳細(xì)描 述的技術(shù)和原理來執(zhí)行這些操作。還能夠想到的是，可以使用替代的或附加的控制輸入來 生成冷卻器容量控制命令。
[0020] 除了從容量控制模塊180接收容量控制命令183之外，多致動(dòng)器控制模塊182還 從傳感器163接收冷凝器制冷劑壓力信息，從傳感器166接收蒸發(fā)器制冷劑溫度或壓力信 息，從傳感器164接收冷凝器進(jìn)入水溫度信息，并且接收蒸發(fā)器離開水溫度167。多致動(dòng)器 控制模塊182對(duì)這些輸入進(jìn)行處理并且在輸出口 161處輸出壓縮機(jī)速度控制信號(hào)以及在輸 出口 162處輸出入口引導(dǎo)葉片位置控制信號(hào)。多致動(dòng)器控制模塊182可以使用將在下文中 進(jìn)一步詳細(xì)描述的技術(shù)和原理來執(zhí)行這些操作。還能夠想到的是，可以使用替代的或附加 的控制輸入來生成壓縮機(jī)速度和幾何形狀