CN101688703B - 具有自由冷却泵保护程序的空调系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种具有冷却模式和自由冷却模式的空调系统。该系统包括制冷剂回路、两个压力传感器、控制器和存储于控制中的泵保护程序。制冷剂回路包括压缩机和泵。第一压力传感器位于泵的入口处，而第二压力传感器位于泵的出口处。控制器选择性地在冷却模式运行或者在自由冷却模式运行，冷却模式运行通过所述压缩机循环并压缩所述制冷剂经过所述制冷剂回路，自由冷却模式通过所述泵循环所述制冷剂经过所述制冷剂回路。泵保护程序至少基于由控制器确定的由第一压力传感器和第二压力传感器探测到的压力差来将所述泵转换到关闭状态。

Description

具有自由冷却泵保护程序的空调系统和方法
技术领域
本发明涉及空调系统，更具体地，本发明涉及用于控制具有自由冷却模式和冷却模式的空调系统的方法和系统。
背景技术
在空调系统的通常运行期间，空调系统以冷却模式运行，其中能量通过运行压缩机而消耗。压缩机压缩制冷剂，并循环制冷剂到冷却(chill)或者以公知的方式来调节工作流体，例如空气或者其他辅助循环流体(例如，冷却水或者冷却乙二醇)。因而调节的工作流体可用于冷冻机、冰箱、建筑物、汽车以及具有气候控制环境的其他场所。
但是，当外部环境温度较低时，存在无需用到压缩机就可以将外部环境空气自身用于提供于冷却工作流体的可能。当空调系统使用外部环境空气来调节工作流体时，空调系统被称为以自由模式运行。
如上所述，通常当外部环境温度较低时，空调系统以冷却模式运行。在这些情形下以冷却模式运行提供较低效率调节工作流体的装置。相比之下，在这些情形下以自由冷却模式运行空调系统更加有效。以自由冷却模式运行时，激活多于一个的通风换热器和泵使得制冷剂由泵循环并且由外部环境空气冷却。按照这种方式，由外部环境空气冷却的制冷剂能够被用于冷却工作流体而无需低效率的压缩机。
因此，如由本发明所确定的，存在改善具有自由冷却模式的空调系统的效率的方法和系统的需要。
发明内容
当空调系统以自由冷却模式运行时，提供的空调的控制系统和方法包括泵保护程序，所述泵保护程序至少基于跨越泵的压力差。
一种具有冷却模式和自由冷却模式的空调系统被提供。该空调系统包括制冷剂回路、两个压力传感器、控制器以及存储于控制器上(resident on the controller)的泵保护程序。制冷剂回路包括压缩机和泵。第一压力传感器位于泵的入口处，而第二压力传感器位于泵的出口处。控制器选择性地由压缩机循环并压缩制冷剂通过制冷回路而以冷却模式运行，或者由泵循环制冷剂通过制冷回路而以自由模式运行。泵保护程序至少基于由控制器决定的来自被第一压力传感器和第二压力传感器探测到的压力差而将泵转换到关闭状态。
本发明还提供控制具有冷却模式和自由冷却模式的空调系统的方法。该方法包括：将空调系统切换到自由冷却模式，并至少基于跨越制冷剂泵的压力差决定是否将空调系统维持在制冷剂泵处于打开状态的自由冷却模式，或者是否将空调系统切换到制冷剂泵处于关闭转台的冷却模式。
通过下面详细的描述、附图及权利要求，本领域的技术人员将理解和了解本发明如上所述的及其他的特征和益处。
附图说明
图1是根据本发明的处于冷却模式的空调系统的示例性实施方式；
图2是根据本发明的处于自由冷却模式的空调系统的示例性实施方式；
图3示出了根据本发明的图1和图2的运行空调系统的方法的示例性的实施方式。
具体实施方式
现在参考附图并且具体地参考图1和图2，示出了根据本发明的空调系统(“系统”)的示例性实施方式，所述空调系统通常通过标号10参考。系统10被配置以冷却模式12(图1)和以自由冷却模式14(图2)运行。
系统10包括控制器16，控制器16用于选择性地在冷却模式12和自由冷却模式14之间切换。有利地，控制器16包括存储于其上的泵保护程序18，其在空调系统10以自由冷却模式14运行时监测系统10中的压力，以便减轻泵空化(Pump Cavitation)的情况。按照该方式，系统10与现有系统相比在自由冷区模式14期间改善了泵的可靠性。
系统10还包括制冷剂回路20，制冷剂回路20包括冷凝器22、泵24、膨胀设备26、蒸发器28以及压缩机30。控制器16被配置以便选择性地控制压缩机30(当系统10处于冷却模式12时)或者泵24(当系统10处于自由冷却模式14时)，从而使得制冷剂沿着流动方向(D)循环经过系统10。因此，当处于冷却模式12时，系统10控制压缩机30以便压缩制冷剂并沿着流动方向D循环制冷剂。但是，当处于自由冷却模式14时，系统10控制泵24以便沿着流动方向D循环制冷剂。照此，自由冷却模式14使用的能量比冷却模式少，因为冷却模式不需要由压缩机30消耗的能量。
系统10包括压缩机旁通回路32和泵旁通回路34。系统10多于一个的由控制器16控制的阀36-2和多于一个的机械止回阀36-1和36-3。按照这种方式，控制器16能够选择性地定位阀36-2以便选择性地打开和关闭旁通回路32，同时止回阀36-1和36-3能避免沿着不期望方向的制冷剂的流动。
处于冷却模式12时，控制器16控制阀36-2使得压缩机旁通阀32被关闭，止回阀36-3在此被制冷剂的流动打开，使得泵旁通回路34被打开。按照这种方式，系统10被配置以允许压缩机30压缩制冷剂并沿着流动方向D循环制冷剂流动通过泵旁通回路34。
相反，当处于自由冷却模式14时，控制器16控制阀36-2使得压缩机旁通回路32被打开，止回阀36-1在此被保持并通过制冷剂流动被关闭。按照这种方式，系统10被配置以沿着流动方向D循环制冷剂流动通过压缩机旁通回路32。
因此，系统10能够在冷却模式12和自由冷区模式14时以与蒸发器28热交换联通的方式调节(即冷却和/或除湿)工作流体38。工作流体38能够是室内环境空气或者辅助循环流体，例如但不限于冷却水或者冷却乙醇。
处于冷却模式12时，系统10以现有技术公知的标准的蒸汽压缩空调系统的方式运行，在此使用通过膨胀设备26的制冷剂的压缩和膨胀来调节工作流体38。膨胀设备26能够是任何公知的膨胀设备，例如但不限于，固定膨胀设备(例如：孔口)或者可控制的膨胀设备(例如：热膨胀阀)。在该实施例中，膨胀设备26在此为可控制的膨胀设备，膨胀设备26优选地由控制器16控制。
处于自由冷却模式14时，系统10利用外部环境空气40的热去除能力，其通过多于一个的风扇42来进行与冷凝器22有关的热交换，从而调节工作流体38。
虽然此处所描述的系统10为传统的空调(冷却)系统，本领域的技术人员将认识到系统10还可以被配置为热泵系统以通过增加反向阀(未图示)来提供加热和冷却，使得冷凝器22(即室外换热器)起到处于加热模式的蒸发器的作用并且蒸发器28(即室内换热器)起到处于加热模式的冷凝器的作用。
通过本发明已确定离开冷凝器22的制冷剂——即使在以自由冷却模式运行期间——能够处于多种不同状态(所谓的气态、气液态或者液态)中的一种。因此，当系统10以自由冷却模式14运行时，泵24能够被供给不同态的制冷剂。
遗憾的是，当泵24供给有气态或者液气态的制冷剂时，泵24不能根据所期望的方式运行。而且，气态或者液气态的制冷剂能够导致泵24空化和/或发散，这可能会损害泵和/或泵马达(未图示)。
例如，当系统10以自由模式14运行时，系统10可能经历例如系统失调、制冷剂泄露以及其他情形的事情，这会影响位于冷凝器22和膨胀设备26之间的制冷剂回路20中的制冷剂的态，这会导致泵24空化(例如：液气态制冷剂)或者化解(defuse)(例如：气态制冷剂)。如果没有探测到泵24的这些态，则存在泵损害的风险。
有利地，控制器16包括泵保护程序18，所述泵保护程序18在泵运行时(即以系统10自由冷却模式14运行时)探测泵24中的空化和/或化解。因此，控制器16在自由冷却模式期间连续地监视泵24以此来探测泵的异常。
系统10包括与控制器16电连通的第一压力传感器44和第二压力传感器46。第一压力传感器44设置在泵24的入口48-1，而第二压力传感器46设置在泵的出口48-2。控制器16使用由第一压力传感器44和第二压力传感器46检测到的压力来连续地确定泵的压力差。
参考图3来更加详细地描述泵保护程序18的运行。图3示出了具有泵保护程序18的控制系统10的方法50的示例性实施方式以及根据本发明的泵保护程序的示例性实施方式。
当系统10以冷却模式12运行时，方法50包括第一自由冷却确定步骤52。在第一自由冷却确定步骤52中，方法50确定环境空气40的温度对于系统10是否充足，以便切换至自由冷却模式14。如果自由冷却模式可行，则方法50在切换步骤54将系统10切换到自由冷却模式14并使其运行，这导致泵24的打开。如果自由冷却模式不可行，则方法50使得系统10继续以冷却模式12运行。
应当认识到，在此所描述的方法50是示例性的，其中使用中系统10以冷却模式12运行。当然，应当考虑用于方法50的本发明在系统10停止时具有等同使用，使得泵保护程序18在系统10在从停止状态进入到自由冷却模式的起动期间避免了泵的空化。
在自由冷却切换步骤54后，方法50包括泵初始化步骤56，方法50在此初始化泵保护程序18。一旦初始化，则泵保护程序18包括第一比较步骤58和第二比较步骤60。
第一比较步骤58将泵的压力差(DP)与预设的最小压力差阈值(DP-阈值，DP_threshold)进行比较。如在此所使用的，泵的压力差(DP)由第一压力传感器44和第二压力传感器46测量到的压力差。最小DP-阈值至少部分地基于泵24的尺寸。例如，最小DP-阈值能够设置为用于较小制冷剂泵的约35kPa或者用于较大制冷剂泵的70kPa。
在程序18的开始阶段(在所谓的第一比较步骤58期间)，控制器16将泵24转换到打开状态以用于第一预设时间周期。然后，第一比较步骤58将压力差(DP)与最小DP-阈值比较。在比较后，控制器16停止泵24以用于第二预设时间周期。
由第一比较步骤58按照如下方式重复该循环(即运行泵24以用于第一时间周期、比较以及停止泵以用于第二时间周期)。在示例性的实施方式中，第一预设时间周期为约10秒钟并且第二预设时间周期约为4秒钟，使得每个循环为约14秒钟。
当第一比较步骤58确定最小DP-阈值已经被建立，则泵24被认为处于引爆状态或者敏感状态。但是，当第一比较步骤58确定最小DP-阈值没有被建立时，泵24被认为处于空化状态。
经过第一预设循环次数后，如果第一比较步骤58确定泵24处于引爆状态或者敏感状态，则然后程序18执行泵关闭步骤62并将系统10在冷却模式切换步骤64处切换回冷却模式12。泵24在此被认为处于空化状态。在示例性的实施方案中，第一预设循环次数能够为大约25次。
如果第一比较步骤58确定泵24处于用于第二预设循环次数的引爆状态或者敏感状态，则然后程序18执行使得泵24处于“打开”状态并且继续第二比较步骤60。泵24在此被认为处于敏感状态。在示例性的实施方案中，第一预设循环次数能够为约4次(例如：56秒)。
第二比较步骤60将泵的压力差的标准偏离平均值(DPstd)与预设的标准偏离平均压力差阈值(DPstd-阈值)进行比较。DPstd-阈值至少部分地还基于泵24的尺寸。例如，DPstd-阈值对于较小的制冷剂泵能够设置为约35kPa或者对于较大的制冷剂泵能够设置为约70kPa。
第二比较步骤60被执行以便在自由冷却模式期间避免泵的化解。
如果DPstd在第二比较步骤60处小于用于第三预设时间周期的DPstd-阈值，则然后系统10继续以自由冷却模式运行。泵24在此被认为处于敏感状态。在示例性的实施方案中，第三预设时间周围大约为30秒。
但是，如果DPstd在第二比较步骤60处大于DPstd-阈值，则然后程序18将泵24在泵关闭步骤62转换到“关闭”状态，并且在冷却模式切换步骤64将系统10切换回冷却模式12。泵24在此被认为处于化解状态。
在完成泵保护状态18后，如果系统10保持在自由冷却模式14，则方法50还包括第二自由冷却确定步骤66。在第二冷却确定步骤66期间，方法50在此确定环境空气的温度对于系统10是否是充足的以便将系统10保持在自由冷却模式14。如果自由冷却可行，则方法50将系统10维持在自由冷却模式14。如果自由冷却模式不可行，则方法50在冷却模式切换步骤64将系统10切换回冷却模式12。
按照这种方式，程序18被配置以便在制冷剂回路20中的制冷剂在泵中以气态和/或液气态出现时持续地监测泵24处的压力差并且关闭所述泵。
因此，具有泵保护程序18的本发明的系统10和方法50能够被用于在系统10处于自由冷却模式14的运行期间防止泵24受损害。照此，本发明的系统10和方法50防止泵24由于泵中的空化和化解而受损害。
应当指出的是，术语“第一”、“第二”、“第三”“上”、“下”等可以在此使用以便改变各种元件。除非特别声明，否则这些改变没有暗示空间、连续或者分级次序。
尽管参考多于一个的示例性的实施方案对本发明进行了描述，但是本领域技术人员应当理解可以对本发明进行各种变化和替代而不脱离本发明的范围。此外，可以根据本发明的教导进行许多的变化以适应具体的情形或者材料而脱离本发明的范围。因此，本发明的目的不限于所公开的考虑了最好模式的具体实施方式，而在于本发明将包括落在由所附的权利要求限定的全部实施方式。

Claims (15)

1.一种具有冷却模式和自由冷却模式的空调系统，其包括：
具有压缩机和泵的制冷剂回路；
位于所述泵的入口处的第一压力传感器；
位于所述泵的出口处的第二压力传感器；
控制器，其用于选择性地由所述压缩机而不是所述泵循环并压缩所述制冷剂经过所述制冷剂回路以在冷却模式运行，或者由所述泵而不是所述压缩机循环所述制冷剂经过所述制冷剂回路以在自由冷却模式运行；
存储于所述控制器中的泵保护程序，当所述空调系统以所述自由冷却模式运行时，所述泵保护程序至少基于由所述控制器确定的来自于所述第一压力传感器和第二压力传感器探测到的压力的压力差来将所述泵转换到关闭状态。
2.如权利要求1所述的空调系统，其中，所述泵保护程序至少基于所述压力差与预设的压力差阈值的比较结果来将所述泵转换到所述关闭状态。
3.如权利要求1所述的空调系统，其中，所述泵保护程序基于压力差的标准偏离平均值与预设的标准偏离平均阈值的比较结果来将所述泵转换到所述关闭状态。
4.如权利要求1所述的空调系统，其中，所述制冷剂回路进一步包括以换热方式与所述制冷剂和工作流体连通的蒸发器。
5.如权利要求4所述的空调系统，其中，所述工作流体包括室内环境空气。
6.如权利要求4所述的空调系统，其中，所述工作流体包括辅助循环流体。
7.如权利要求1所述的空调系统，其中，所述制冷剂回路进一步包括膨胀设备。
8.如权利要求7所述的空调系统，其中，所述膨胀设备为固定膨胀设备。
9.如权利要求7所述的空调系统，其中，所述膨胀设备为可控制的膨胀设备。
10.如权利要求9所述的空调系统，其中，所述可控制的膨胀设备由所述控制器控制。
11.一种控制具有冷却模式和自由冷却模式的空调系统的方法，所述方法包括步骤：
将所述空调系统切换到自由冷却模式而制冷剂压缩机处于关闭状态；以及
至少基于跨越制冷剂泵的压力差来确定是否将空调系统维持在自由冷却模式而所述制冷剂泵处于打开状态，或者是否将空调系统切换到冷却模式而所述制冷剂泵处于关闭状态。
12.如权利要求11所述的方法，其中，所述确定步骤包括将所述压力差与预设的压力差阈值进行比较。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述确定步骤进一步包括：
如果所述压力差大于所述预设的压力差阈值，则将所述空调系统维持在自由冷却模式而所述制冷剂泵处于所述打开状态；以及
如果所述压力差小于所述预设的压力差阈值，则将所述空调系统切换到冷却模式而所述制冷剂泵处于所述关闭状态。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述确定步骤包括将所述压力差的标准偏离平均值与预设的标准偏离平均阈值进行比较。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述确定步骤进一步包括：
如果所述标准偏离平均值小于所述预设的标准偏离平均阈值，则将所述空调系统维持在所述自由冷却模式而所述制冷剂泵处于所述打开状态；以及
如果所述标准偏离平均值大于所述预设的标准偏离平均阈值，则将所述空调系统切换到所述冷却模式而所述制冷剂泵处于所述关闭状态。
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