CN102483251A - 冗余冷却方法和系统 - Google Patents

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Abstract

提供冗余冷却方法和系统。该系统和方法包括：提供多个可变制冷物流动空气冷却单元，其中空气冷却单元的数量至少比当以等于最大冷却能力运行空气冷却单元时满足最大冷却负荷所需的数量多一个；以与在调节空间中的空气热连通的方式耦接多个可变制冷物流动空气冷却单元；为多个可变制冷物流动空气冷却单元的每个确定选择的最优运行条件，这将导致该冗余冷却系统大约最低的总能耗，同时使该调节空间中的空气的平均温度保持在所需的设定点；和运行所述多个空气冷却单元，使每个空气冷却单元运行在大约所选择的最优运行条件处。

Description

冗余冷却方法和系统
技术领域
这里公开的实施方式通常涉及空气处理和冷却系统。更特别地，所述实施方式涉及用于电子装备的冗余冷却系统的装置和方法。
背景技术
用于冷却或减小来自生热电子装备运行过程中过多的热的已知方法是邻近各个电子组件提供空气调节器或其他空气冷却系统。如果不采用可靠的冷却系统，电子组件可能通过增大的过多的热而损坏，或者运行可能通过用于对过高温度提供保护的内部保护机构而中断，任何一种情形对于关键应用都是不想要的。
当前，关键的电子和电气相关的应用必然采用冗余空气冷却系统，由此在N+1构造中存在至少两个空气冷却单元。至少个单元构建用于提供所需的空气冷却，而至少一个另外的单元构建为使得其在第一空气冷却单元在使用过程中遭遇技术故障或类似情况时能够立即执行第一空气冷却单元的任务。
在许多应用中，冗余系统是最好的，因为其确保在至少一个单独的空气冷却单元故障的情形下总的运行得以维持。可以想象，根据所需的模块数和冗余度的水平，可以在冗余系统中提供多于两个的空气冷却单元或子系统，例如2+1构造、3+1构造、3+2构造等。
1+1冗余冷却系统的简单实现将是，其中两个独立的冷却系统(单元)邻近需要冷却的装备放置，每个能够单独地和独立地满足总的所需的冷却要求。具有较低温度设定点的单元指定为活动单元，而具有较高但是仍然可接受的温度设定点的单元指定为备用单元。如果活动单元正确地运行，其将使邻近需要冷却的装备处的温度维持在较低的设定点，导致具有较高设定点的备用单元保持不作动。如果活动单元由于一些故障条件而不能够使温度保持在较低的设定点处的话，邻近需要冷却的该装备的温度将上升到较高的设定点，从而作动备用机器并确保持续的冷却，虽然在稍微较高的温度。
该简单的冗余实现虽然在提供故障保护冷却中是有效的，但是具有许多缺点，这些缺点导致现有技术中的一些方案。
该简单的冗余实现运行一个冷却单元直至其发生故障，于是第二冷却单元作动。这对于冷却系统的总寿命不是最优的，所以已经获得了方法和系统以交替备用和活动单元，从而使得它们随着系统寿命而经受均匀的磨损。实现该功能的控制器通常称为超前-滞后控制器。除了活动和备用单元之间的交替运行，所述超前-滞后控制器还需要在当前作动单元发生故障的情形下启动该备用单元。
在简单的冗余实现的进一步改进中，超前-滞后控制器通常提供警告维护人员其中一个冷却单元已经发生故障并需要修理或替换的方法——不能以及时的方式修理该故障可能引起整个系统故障，如果第二冷却单元在其他单元修理之前发生故障的话。
尽管超前-滞后控制器克服了简单冗余实现中的一些缺点，通常还不能够最优化冷却系统的能效，也不能够完全最优化冷却系统的总寿命。超前-滞后控制器自身的故障在一些情形下还可能导致整个冷却系统的故障，减弱了冗余系统单故障的免疫力。
公开的实施方式旨在克服上面讨论的一个或多个问题。
发明内容
在个实施方式中，公开了用于冗余冷却系统的方法，其可以包括步骤：邻近需要冷却的电子装备提供多个空气冷却单元，其中每个所述空气冷却单元能够独立地控制邻近空间的温度直至其最大能力；为所述冷却系统装备充足的空气冷却单元，从而使得在至少一个所述空气冷却单元故障的情形下电子装备保持可获得需要的冷却；在至少一个所述空气冷却单元故障的情形下用于通知维护人员的装置；为每个所述冷却单元确定运行点，这将提供总的需要的冷却，同时最小化总的能耗和/或最大化系统的寿命；并且为每个空气冷却单元基于确定的最优运行条件运行和控制所述多个空气冷却单元；用于当在主电源超出特定的条件的情形下从备份电源为每个空气冷却单元供电的装置。
在另一个实施方式中，每个所述多个空气冷却单元可以包括活动的空气调节器，其包括：压缩机，该压缩机可以以这样的方式控制，以改变管路中的制冷物流动进而控制该单元的冷却能力；用于将热从邻近需要冷却的电子装备的空气传送到制冷物的换热器和风扇；用于将热从制冷物传送到需要冷却的空间的外面的换热器和风扇；测量制冷物流动的膨胀设备；和测量邻近需要冷却的装备的空气的温度和控制压缩机和风扇以保持在或邻近设定点处的温度和湿度的控制器；用于该控制器以共享关于该单元的运行条件的信息的装置，从而使得能够为整个系统确定最优化运行点；用于将该单元的运行点调节到确定的最优化运行点的装置。
附图说明
图1是在此描述的具有空气冷却单元的空气冷却系统的示意图。
图2是一个空气冷却单元的元件的示意图。
图3是图表，其描绘了在此描述的设置的空气冷却单元的能效比率(EER)相对于热负荷的图。
图4是在每个空气冷却单元中的控制器的方框图。
图5是用于从冷却单元平均温度反馈的方法的流程图表示。
图6是用于在运行的线性和开/关模式之间进行切换的方法的流程图表示。
图7是这里所述的用于空气冷却单元的电力回路和电力转换器单元的示意图。
具体实施方式
除非另外地指出，说明书和权利要求中使用的所有表达成分数量、尺寸反应条件等等的数字理解为在所有情形下都通过术语“约”进行了修整。
在本申请和权利要求中，单数的使用包括了多数，除非有另外地专门地陈述。此外，“或”的使用意味着“和/或”，除非另外地陈述。而且，术语“包括”及其其他形式——例如“包含”和“含有”——的使用不是限制性的。另外，例如“元件”或“组件”这样的术语包括两个都是元件、包括一个单元的组件和元件、和包括多于一个单元的组件，除非另外地专门地陈述。术语“压缩机”指压缩机电机和压缩机，而术语“风扇”指风扇电机和风扇，除非另外地陈述。
根据如图1所示的一个实施方式，提供冷却系统，其包括至少两个独立的空气冷却子系统或单元(101，102，103)，其中每个冷却单元包括至少一个独立的空气冷却装置，并且每个冷却单元能够独立地控制调节空间(111)的温度直至其最大额定能力的热负荷。每个单元(101，102，103)经由在调节空间(111)中的空气可运行地耦接到要被冷却的电子装备(110)上，从而使得其能够冷却该电子装备(110)并将热排放到调节空间(112)外面的空气中。包括在冷却系统中的冷却单元(101，102，103)的数量(N)选择为使得N-1个冷却单元具有足够的冷却能力以满足需要冷却的电子设备(110)总的冷却要求，使得冷却系统通常具有至少等于一个冷却单元(101，102，103)那样的空闲冷却能力。当其中一个冷却单元(101，102，103)在冷却系统中发生故障时，剩下的可运行的冷却单元具有足够的剩余能力并继续冷却该电子装备(110)，从而实现冗余冷却系统的目的。
在一个实施方式中，每个冷却单元(101，102，103)本质上是相同的，具有相同的额定冷却能力和特性。还可能并在本发明范围内的是，如果想要，采用具有不同额定冷却能力和特性的冷却系统构建冗余冷却系统。
图1的实施方式进一步包括主电源(115)，其典型地为来自公用事业(utility)的单相或三相AC电源。对于紧急应用，电子装备可以通过不可中断的电源(113)供电，其在电信应用情形下典型地具有24V DC或48V DC输出。不可中断的电源典型地含有电池或其他储能设备，其允许在主电源发生故障的情形下提供不中断的电力(114)给紧急装备。对于要求高利用性水平的应用或主电源的质量较差，主电源还可以通过柴油发电机(未示出)或类似的设备进行支持。
还是参见图1，这里示例的实施方式还包括通信总线(104)，其允许每个单元(101，102，103)与连接到该通信总线(104)的其他冷却单元(101，102，103)和连接到该通信总线的其他元件分享关于其运行状况的信息。该通信总线还可以含有辅助电源连接，以冗余的方式从每个冷却单元获得，合适用于提供故障保护电力到连接到该通信总线的控制元件。
图1的实施方式还包括连接到通信总线(104)的用户界面(105)，其能够从连接到总线的其他元件接收信息并提供信息给这些元件。尽管冷却系统正确的冗余运行或者效率或寿命的最优化没有对此作出要求，用户界面(105)能够将冷却系统中的任何故障通知维护人员并能够辅助故障诊断。如果需要，该功能可选地能够提供在每个单独的单元(101，102，103)的控制器(211)中或者其他地方。如果需要的话，用户界面(105)还提供用于改变冷却系统的设定点的方便手段。用户界面的警报通知逻辑可以是主动良好(active ok)那样，而用户界面(105)自身的故障通过相反指示的缺失而诊断，其提供故障保护的故障指示。这里公开的实施方式还可以以其他警报通知策略进行，其提供故障保护故障指示。
图1的实施方式还包括可选的补充的温度控制器(106)，其能够补偿由于温差导致的误差，该温差存在于温度通过冷却单元(101，102，103)得到检测的位置或方位和得到控制的位置或方位之间，所述得到控制的位置或方位例如在非常靠近电子装备(110)观测到。方便起见，典型的空气调节单元通常测量和控制返回气体在通过单元中的室内换热器之前的温度。返回空气温度和控制下的位置或方位处的温度之间的误差典型地将合理地较小，但是该补充的温度控制器(106)为那些要求更高温度精度的关键应用提供了校正该误差的方法。可选的方案，例如将温度传感器从每个冷却单元(101，102，103)延伸到控制下的位置或方位，也可以被选择用于实现相同的结果，尽管这样的可选策略从成本和方便角度看并不是最优的。每个冷却单元(101，102，103)还可以构建为从该补充的温度控制器(106)只接受在限定范围内的温度校正值，以确保该补充的温度控制器(106)的故障不能够危及整个冷却系统的运行。
图1的实施方式还包括可选的湿度控制器(107)，其能够测量调节空间(111)中的湿度。对于许多电子冷却应用，控制湿度与控制温度相比不是非常重要，且湿度传感器的成本可能不能保证在每个单元(101，102，103)中结合有湿度传感器。对于要求湿度控制的应用，湿度控制器(107)用于将测量的湿度与需要的设定点进行比较并提供对冷却单元(101，102，103)的室内换热器(202)的风扇速度的调节，从而增加或减小它们潜在的冷却能力，进而控制调节空间(111)的湿度。每个冷却单元(101，102，103)可以构建用于从湿度控制器(107)只接受在限定范围内的风扇调节值，以确保湿度控制器(107)中的故障不能够危及整个冷却系统的运行。
尽管为了清楚起见，对用户界面(105)、补充的温度控制器(106)和湿度控制器(107)分开地进行了表示和描述，这些元件可以典型地组合到一个物理单元中，以使成本最优化。
图1的实施方式还可以包括可选的电力转换器单元(121，122，123)，其中所述电力转换器单元(121，122，123)的数量典型地对应于冷却单元(101，102，103)的数量。电力转换器单元可以具有两个电力输入，一个适于连接到主电源(115)，一个适于连接到不可中断的电源(114)。当主电源满足特定的条件时，电力转换器单元可以构建用于将冷却单元连接到主电源，或者当主电源超出特定的条件时，电力转换器单元可以构建用于将冷却单元连接到不可中断的电源。这样的运行对于整个效率是有利的，因为不可中断的电源(113)在主电源满足特定的条件时不为冷却单元供电，节省了这些电力转换的损失。电力转换器单元还可以包括电力转换电路，其能够将不可中断电源或主电源转换为适于为冷却单元供电的电源，如果这样的转换是必要的话，例如DC/AC转换器、DC/DC转换器、AC/DC转换器或类似的转换器。
如果例如主电源的质量达到可接受的水平，或者如果主电源得到柴油发电机的支持，或者在其他情形下，上面所述的电力转换器单元(121，122，123)对于冗余冷却系统的正确运行可能是不需要的。然而，电力转换器单元在下面的这样情形下可以用于提高冷却系统的有效性，例如其中主电源的质量没有达到可接受的水平，或者备份的柴油机发电机的运行不是所想要的。尽管这些电力转换器单元(121，122，123)对于冷却单元分别示出，因为该功能可能不是在所有情形下都是需要的，然而如果需要，所有或部分电力转换器单元可以结合到冷却单元或其他地方。图7中示例的该系统，其将在下面更详细地描述，提供了用于电力转换器单元中的合适的电路的例子。
现在参见图2，每个上述空气冷却单元(101，102，103)还装备有可变制冷物流动系统。可变制冷物流动系统具有在某些部分负载条件下有改进的效率的优点，以使整个系统的效率通过使每个冷却单元运行在合适的运行点而得到优化。图2的实施方式结合有通过变速驱动(210)控制的电机驱动压缩机(206)，以实现可变的制冷物流动，但是图2的实施方式的该方面不限于这里公开的多种实施方式的范围。本发明还包括这样构建的冗余冷却系统，其采用结合有其他的可变制冷物流动系统——例如数字涡旋式压缩机、多级压缩机、双速度压缩机——的冷却单元和当在部分负载条件下运行时能够提供改进的效率的其他的冷却单元。为了高的效率，该压缩机还可以但是不是需要地经由DC无刷电机或永磁体同步电机(PMSM)驱动，尽管经由感应电机或其他类型的电机变速驱动的压缩机也能够使用并获得有利的结果。
每个空气冷却单元(101，102，103)还可以包括多个换热器，其中至少一个换热器构建为室内换热器(203)，以从热产生装备吸收热，并且至少一个换热器构建为室外换热器(207)，以将热排出到冷源(heat sink)，例如外部空气中。每个空气冷却单元(101，102，103)还可以包括至少一个控制器(211)，其用于控制和运行每个空气冷却单元，和至少一个温度传感器(212)，其用于测量调节空间的温度。每个换热器还可以装备有至少一个电机驱动风扇(202，208)，以提高换热处理的效率。在一个实施方式中，室内风扇(202)的速度通过变速驱动(201)控制，其能够进行湿度控制，如同前面所述那样，并且能够有利地减少部分负载条件下的电力消耗。类似地，在该实施方式中，室外风扇(208)的速度可以通过变速驱动(210)控制，以能够有利地减少部分负载条件下的电力消耗和实现冷却单元在低环境条件下运行的能力。为了高的效率，所述风扇还可以但是不是需要地经由DC无刷电机或永磁体同步电机(PMSM)驱动，尽管经由感应电机或其他类型的电机变速驱动的风扇也能够使用并获得有利的结果。
每个空气冷却单元(101，102，103)还可以包括用于测量冷却剂流动的膨胀设备(204)。在个实施方式中，由于其在许多不同运行条件下提供靠近最优性能的能力，电子膨胀阀(EEV)用作膨胀设备(204)，但是也可以采用其他膨胀设备，例如毛细管、恒温膨胀阀(TXV)和诸如此类。
每个空气冷却单元(101，102，103)还可以包括输入转换器(215)，其用于将连接到冷却单元的电源(214)转换为那些适于输入到变速驱动(201，209，210)的电源。这例如在这样的情形下可能是需要的，其中电源(214)是AC，而变速驱动(201，209，210)的运行要求DC输入。输入转换器(215)还可以提供输入电流和DC总线电压控制，以用于要求该功能性的应用。输入转换器的例子在下面描述的图7中更加详细地示出。每个冷却单元还可以包括适于为至少一个控制器(211)提供电力的辅助电源(216)。在每个空气冷却单元中的辅助电源(216)的输出还可以经由通信总线(104)以故障保护、冗余的方式连接(例如电流限定和二极管保护)，用于为连接到总线的不同控制元件提供冗余电力。
图7示例了这样的情形下适于为所述实施方式的元件供电的电源电路的一个例子，其中主电源(115)是AC，而不可中断的电源(113)是DC，这例如对于电信应用是典型的。输入转换器(215)构建为使得其都能够从类似电压水平的AC和DC中运行，当从AC运行时，控制输入电流接近正弦曲线并与输入电压同相，而当从DC运行时，最小化输入电流的低频AC组分，这两者都将穿过电容B4的平均DC总线电压控制到选择的水平。桥式整流器(A1-A4)和升压转换器(B1-B4)在示例的实施方式中提供该功能性。
电信应用通常要求连接到DC不可中断的电源(113)的输出上的装备满足严格的标准，其中包括与AC主电路的隔离、最小化低频AC波纹电流的水平和低的EMC辐射。电信不可中断的电源的公称DC电压典型地为24V或48V，这通常与构建用于从公称208-240V RMS或者90-115V RMS的主电源运行的输入转换器(215)是不兼容的。
电力转换器单元(121)可以含有变压器(J4)，其匝数比选择用于将DC不可中断的电源的电压水平转变到适于输入到输入转换器(215)的水平，并且其可以提供所需的与AC主电路的电流隔离。半导体开关J2和J3交替地开关，典型地以高频开关，以最小化变压器(J4)的尺寸和成本，并有利地以固定的几乎50％的占空比开关，以提高效率并最小化通过电容(J1)的高频波纹电流，减小为满足EMC要求所需的过滤量。当输入转换器(215)控制其输入电流(也即电力转换器单元的输出电流)以最小化低频AC含量且电力转换器(J1-J8)以固定的占空比运行时，到电力转换器单元的输入电流的低频AC含量也得以最小化。电力转换器(J1-J8)的输出电压通常不需要严格地调节，因为输入转换器(215)典型地能够在充分的输入电压范围内运行，这进一步简化了电力转换器并允许其以固定的占空比运行。
转换继电器(K1)可以这样运行，使得当主电源(115)满足专门的条件时，输入转换器(215)连接到主电源上，而当主电源超出专门的条件时，输入转换器连接到电力转换器(J1-J8)的输出上，从而使得空气冷却单元平常在主电源(115)合适时以高效率从主电源供电，而当主电源故障时从不可中断的电源(113)供电。
可变速驱动(210)可以采用连接到输入转换器(215)的DC输出上的半导体开关(C1-C6)并通过控制所述开关(C1-C6)而构建，从而使得可变幅值和频率的AC电压产生用于控制压缩机电机和压缩机(206)的速度。类似地，可变速驱动(210和209)可以采用半导体开关构建并被控制，从而生成可变幅值和频率的AC电压，以分别控制室内和室外风扇电机和风扇(202，208)。由于输入转换器(215)不可中断地供电，所以压缩机和风扇也将不可中断地供电。
辅助电源(216)还可以连接到输入转换器(215)的输出上，从而也不可中断地供电。在示例的实施方式中，辅助电源是采用半导体开关(L1)、耦合电感(L2)、输出整流器L3和输出电容(L4)构建的回扫(flyback)DC/DC转换器，尽管其他电源拓扑也能够提供类似的功能性。来自辅助电源的电力可以用于为至少一个控制器(211)供电，并且还可以经由合适的限流和二极管保护电路而连接，以提供冗余的、不可中断的电力到连接到通信总线上的控制元件。
上述不同的实施方式可以在选定的条件下运行，以提高整个系统的能效。图3示例了根据这里公开的多种实施方式，对于装备有变速压缩机控制的可变制冷物流动冷却单元，能效比率(EER)和额定负荷的百分比之间的关系(301)。其特性根据可变制冷物流动控制单元的结构而有点不同，但是一般的特性是，可变制冷物流动冷却系统的能效比率随着额定负荷的百分比从额定能力的下降(箭头304指示的区域)而增长，并达到最大值(303)，然后下降(箭头305指示的区域)，因为来自控制电路、电力转换器等等的损失超出了通过在部分负荷条件下运行该单元所获得的效率。通常，对于可变制冷物流动冷却单元，能效比率最大处的额定负荷百分比在额定负荷的50％以下，典型地在额定负荷的10％-40％范围内。对于变速压缩机冷却单元还典型地存在最小速度，在该速度上压缩机可以得到控制，以调节冷却单元的能力——在该最小速度之下时，能力调节需要通过以合适的速率切换压缩机的开和关而实现，从而使得单元的平均冷却能力而不是瞬时冷却能力得以调节。
对于冗余冷却系统，其包括许多(N)个本质上相同的图2所示例的实施方式中的可变制冷物冷却单元(200)，该冗余冷却系统的运行可以认为是分为两个区域。第一区域是在每个冷却单元的平均负荷(也即总的冷却负荷除以冷却单元的数量N)大于冷却单元发生最大能效比率处的负荷百分比处(图3中通过箭头304指示的区域)。在公开的实施方式中，在该区域中的运行称为“线性”运行模式。第二区域是在每个冷却单元的平均负荷小于冷却单元发生最大能效比率处的负荷百分比处(图3中箭头305指示的区域)。在公开的实施方式中，在该区域中的运行称为“开/关”运行模式。
冷却单元(101，102，103)能效比率vs.额定负荷百分比的模型基于冷却单元的设计并通过测量冷却单元(101，102，103)的特性而确定。然后该模型可以嵌入到每个单元(101，102，103)中的控制器(211)中，并用于确定每个单元的平均负荷是否落入上述第一或第二区域中，并相应地确定跟随哪个运行模式(也即线性或开/关)以最小化总的冷却系统能量消耗，同时调整调节空间的温度。
对于在上述第一区域中的运行(也即每个冷却单元的平均负荷大于冷却单元发生最大能效比率处的地方)，最高总冷却系统效率可以通过使每个冷却单元(101，102，103)在等于每个冷却单元平均负荷的点处运行而实现。换句话说，对于最高的总冷却系统效率，总的冷却负荷将通过所有的冷却单元等分。这不同于超前-滞后控制方法，其中平常至少个单元保持备用(从而处于无负荷状态)，而活动的单元加载到额定负荷条件的100％。
由于测量总的热负荷进而计算每个单元所需的平均冷却能力既不简单又不便宜，想要的是一种控制方法，其能够平均每个冷却单元的冷却能力，同时将调节空间中的温度控制在想要的设定点，而不测量总的冷却负荷。在稳定状态条件下(也即当每个冷却单元的冷却能力已经相等且调节空间的温度已经稳定在想要的设定点时)，每个冷却单元因而将在等于每个冷却单元所需的平均能力的点处运行，如同同步温度控制和最小能量消耗所需的那样。
对于装备有变速压缩机的冷却单元，该单元的冷却能力大约与压缩机速度成比例。因此，控制在每个本质上相同的冷却单元中的压缩机速度接近或等于包括在冗余冷却系统中的其他本质上相同的冷却单元的压缩机的速度将有效地确保每个冷却单元接近于相等地负荷。此外，接近相等的压缩机速度能够控制用于调整调节空间的温度，提供同步温度控制并相对接近最小能耗。
图4示例了适合用于控制包括冗余冷却系统的每个冷却单元的控制器的方框图，如在图2中通过元件211描述的那样，其处于“线性”运行模式中。冷却单元进而冷却单元控制器的主要功能在于将调节空间中的温度维持在设定点温度，以使需要冷却的装备得以正确运行。控制器的第二个功能在于通过控制压缩机和风扇速度而最小化单个冷却单元(101，102，103)在任何特别的运行点处的能耗，从而使得所需的冷却输出以最小输入电力消耗而提供。与在包括冗余冷却系统的其他冷却单元中的控制器联合的控制器的还有一个功能在于最小化总的冗余冷却系统能耗。
控制器中的比例积分(PI)元件(401)可以用于比例于想要的温度(Tset)和平均测量反馈温度(Tav)之间的差值而控制压缩机速度。PI元件(401)中的积分项(term)消除想要的温度(Tset)和平均测量反馈温度(Tav)之间的任何偏差，这典型地发生在采用纯比例控制的时候。基于控制方法论的其他反馈同样可以用于实现控制器。
每个控制器还包括温度反馈平均元件(402)，其基于通过每个冷却单元测量到并经由通信总线(213)通信的温度(T1，T2，Tn)计算平均温度(Tav)。当在每个控制器中的温度反馈平均元件(402)平均相同组的测量温度(T1，T2，Tn)时，每个元件计算相同的Tav值，确保在每个单元的PI元件中相同的反馈温度值用于计算压缩机速度。该功能确保每个单元之间的温度传感器误差得以平均化。可以对来自每个冷却单元中的温度传感器的可接受的温度范围进行限定，以确保来自故障温度传感器的值被排除在平均计算之外，以保护冗余冷却系统的完整性。故障的温度传感器可以构建成产生警报，以提示维护人员进行修理。图5是表示用于实现该故障保护功能的合适的算法的一个例子的流程图。
每个控制器还包括积分器项(term)平均元件(403)，其基于通过每个冷却单元确定的并经由通信总线(213)通信的温度(I1，I2，In)计算平均积分项(Iav)。当在每个控制器中的积分器项平均元件(403)平均相同组的积分项(I 1，I2，In)时，每个元件计算相同的Iav值，确保在每个单元的PI元件(401)中相同的积分项值用于计算压缩机速度。该功能确保每个单元之间的积分项之间的任何差值——例如通过不同时间供应到所述单元的电力所引起——得以平均化。
从上面的说明将显而易见的是，由于到每个冷却单元的控制器中的PI元件(401)的输入是相同的，每个冷却单元的控制器中的PI元件(401)将为每个冷却单元确定大约相同的压缩机速度，进而使得在包括在冗余冷却系统中的每个冷却单元中的压缩机速度大约相等，并满足前面详细提到那样的接近最小的总能耗的目的。
还将显而易见的是，在通信总线故障的情形下，每个冷却单元仍然能够独立控制调节空间的温度，从而维持冗余系统的完整性，虽然有能量最小化功能上的损失。通信总线中的故障可以构建成产生警报，以提示维护任何进行维修。
除了上述的温度控制和压缩机速度平均化功能，每个控制器还可以含有风扇速度控制元件(404和405)，用于控制室外和室内换热器风扇速度(图2中208和202)，以最小化每个单元在部分负荷条件处的电力。由于风扇消耗的电力比例于速度的立方，风扇电力消耗的大量的节约可以通过以减小的速度运行风扇而实现。然而，减小的风扇速度导致换热器上的空气流动比例于风扇速度地减小，这随之导致需要更多的压缩机功率用以满足相同的冷却要求。在部分负荷条件的某些范围处，通过以减小的速度运行风扇实现的电力节约可能超出压缩机功能中的补偿的增加，这导致冷却单元在该部分负荷条件的特定范围中更高的能效。
基于冷却单元的该确定的模型，控制器可以构建用于实现多个功能，以根据单元上的冷却负荷改变室内和室外风扇速度，以最小化冷却单元在特别的负荷条件处的能耗。如同前面指出的那样，冷却能力大约比例于压缩机速度，从而压缩机速度可以作为合适的参数选择用于确定最优的室内和室外风扇速度。由于该系统将把压缩机速度调节为互相相等，因此在每个冷却单元中的室内和室外风扇速度可以作为压缩机速度的函数得以控制，而冷却单元之间的风扇速度也将近似地相等。
上面描述了在“线性”运行模式过程、即图3的部分304中使用的合适的控制方法，其中每个冷却单元所需的平均输出高于冷却单元最大能效比率发生处的。在其他情形下，每个冷却单元所述的平均输出可以选择为是，或者碰巧是，低于冷却单元最大能效比率发生处的，也即图3中通过305指示的负荷范围。这例如可以发生在冗余冷却系统是过尺寸的时候，以允许热产生装备能力的扩展，或者发生在其他情形下。在该情形下，从能效观点看可能更想要的是，在最大能效比率发生的点处(图3的部分303)运行单个冷却单元。
就在上面所述的在过尺寸或类似的情形下，如果每个单独的冷却单元以高于为满足总冷却要求所需的平均输出的冷却输出运行时，冗余冷却系统的总冷却输出将大于为匹配总冷却需求所需的输出，且调节空间的温度将减小。然而，通过关闭充足数量的单个的冷却单元并使剩余的单元在它们最大能效比率发生的运行点处运行，冗余冷却系统的总冷却输出可以减小到低于为匹配总冷却要求所需的输出，且调节空间的温度将升高。从而，通过合适地交替开或关在它们最大能效比率发生的点处的单个的冷却单元，可能的是，控制调节空间的平均温度等于在图3的部分305所示的开/关运行模式中想要的设定点。
图6是详细示出合适的算法的流程图，该算法用于控制单个的冷却单元的运行，在如前面定义的“线性”运行模式304和“开/关”运行模式305之间切换。该算法或类似的算法可以嵌入到每个冷却单元中的控制器中(图2中211)。每个单元开始以线性模式运行，其中每个控制器中的PI元件(401)基于平均测量温度(Tav)和设定点温度(Tset)之间的差值调节压缩机速度，且同时使冷却单元之间的压缩机速度相等，如同前面所述那样。如果包括在冗余冷却系统内的所有冷却单元的总冷却输出大于所需的冷却量，调节空间的温度将减小。这随之将引起每个控制器中的PI元件(401)调节压缩机速度，直至包括在冗余冷却系统中的所有单元的总冷却输出等于所需的冷却，且调节空间的测量温度(Tav)将稳定在设定点(Tset)。如果计算得到的压缩机速度(其在每个冷却单元中大约都相同)低于嵌入的模型确定该单元发生最大能效比率处，该单元可以构建用于改变到开/关运行模式。类似地，具有相等的压缩机速度的其他单元也将在大约相同的时间改变到开/关运行模式。
在开/关运行模式中，每个控制器核对平均测量温度(Tav)是否降到设定点(Tset)下面多于预定的量(Toff)。如果是，单元中的压缩机将关闭。在该实行中，在所有冷却单元中的控制器确定相同的Tav并具有相同的设定点(Tset)和Toff，从而都将作出相同的决定以关闭它们的压缩机。每个单元的风扇速度作为压缩机速度的函数而得以控制，以最大化单元的能效——当压缩机速度设定到零时，室内和室外风扇速度也设定到零，以最小化单元的能耗，将每个单元的电力消耗减小到接近零。
当冷却单元的压缩机关闭时，冷却输出减小到零，引起调节空间中的温度上升。每个控制器核对平均测量温度(Tav)是否上升到设定点(Tset)之上多个预定的量。如果是，单元中的压缩机打开。在该实行中，在所有冷却单元中的控制器确定相同的Tav并具有相同的设定点(Tset)和Ton，从而都将作出相同的决定以在大约相同的时间打开它们的压缩机。如果平均测量温度(Tav)持续上升，一旦所有单元在最大EER点运行它们的压缩机，这指示总的冷却负荷大于运行在它们的最大EER点处的所有单元的总冷却输出——指示线性运行模式将用于控制。如果平均测量温度(Tav)达到高于设定点(Tset)的门限点(Tlinear)，每个单元回到线性运行模式。
在些情形下，可能想要的是，在开/关运行模式阶段打开和关闭单独的冷却单元，而不是令所有冷却单元同时打开和同时关闭。这例如可以允许温度在较窄的开/关带内控制，而没有单独的冷却单元多余的循环。这可以这样实现：一次关闭一个冷却单元，在接续的冷却单元被关闭之间具有充分的时间长度，以核对调节空间的温度是否上升，进而核对总冷却输出是否小于所需的冷却输出。类似地，冷却单元可以一次切换回打开一个，在接续的冷却单元被打开之间具有充分的时间长度，以核对调节空间的温度是否下降，进而核对总冷却输出是否大于所需的冷却输出。通信总线可以用于轮换冷却单元的运行，并确保单元经历均匀的磨损。
上面的说明主要聚焦于通过在所有冷却单元上均分冷却负荷而最小化公开的冗余冷却系统的能耗的目的。本领域技术人员将显而易见的是，引起组件寿命减少的一个因素是组件运行所处的温度。根据阿列纽斯(Arrhenius)方程式，10C的温度增加导致大约50％的MTBF减少。相应地，从可靠性观点看，低温下运行关键组件是有利的。
冷却单元中的某些组件受到运行过程中电气和机械损失所引起的加热的影响。由于这里公开的实施方式与典型的超前/滞后控制系统相比提高了冗余冷却系统的效率，所述发明中的总损失得以减小。较低的损失意味着组件较少的发热和相应改进的MTBF。还将显而易见的是，在线性运行模式过程中，损失在包括冗余冷却系统的所有冷却单元中均分，以比较于超前/滞后控制系统中损失只在活动单元之间均分的情形。所以，在线性运行模式过程中，总的冷却系统损失由于系统效率的提高而减小，且与超前/滞后控制方法相比，损失在更多的冷却单元中细分，致使每个冷却单元基本上更小的损失。
尽管与超前/滞后控制方法相比，所述控制方法的每个冷却单元的损失基本上更小，每个单元持续地运行，而不像在超前/滞后控制方法中那样在定比例的时间中保持备用。对于典型的系统实行和运行条件，较低温度下运行组件获得的增益超出额外运行时间带来的影响，这导致改进的系统MTBF。
在一些情形下，从成本角度看可能需要的是，采用“舒适”型的冷却单元作为冗余冷却系统中的冷却单元用于冷却电子装备。“舒适”型冷却单元通常制造在高的容积中，允许实现每个单元低的成本。“舒适”型冷却单元(其设计用于为人提供舒适的环境)和“精确”冷却单元(其设计用于为电子设备提供合适的环境)之间的一个区别在于舒适型冷却单元其总的冷却能力的相对较大比例用于潜在的冷却(移除湿度)。冷却单元总的冷却能力定义为可感觉的冷却能力(用于降低空气温度的能力)和潜在的能力(用于减小空气的湿度的能力)的总和。冷却单元可感觉的热比率(SHR)定义为可感觉的冷却能力对于冷却单元总冷却能力的比率。
通信装备(和其他电子生热源)不产生湿度，且装备所处的调节空间通常相当好地与外部大气密封，这意味着很少或没有湿度移除(潜在的冷却)是需要的。多余的潜在冷却引起调节空间中的湿度减小到想要的水平之下且不是能量有效的。舒适型的冷却单元通常设计为在额定条件处具有大约60-80％的可感觉的热比率(SHR)，而精确的冷却单元通常设计为在额定条件处具有大约90-100％的可感觉的SHR。因此，舒适型的冷却单元对于在电子装备冷却应用中的应用通常不是理想的。
冷却单元的SHR是单元的总冷却能力和穿过室内换热器的空气流的容量的函数。穿过舒适型冷却单元的室内换热器的最大空气流通常通过该单元在其周围设计的风扇和电机限定，所以通常不能够容易地改变以增加空气流从而增加单元的SHR。然而，通过以减小的冷却输出运行冷却单元并保持比例较高的空气流，增加冷却单元的SHR是可能的。在前面所述的线性和开/关运行模式中，每个冷却单元通常运行在小于最大冷却输出条件下，以允许每个冷却单元的SHR通过保持比例较高的穿过冷却单元的室内换热器的空气流容量而提高。在一个实施方式中，这可以实现在功能中，其根据每个冷却单元的控制器中的压缩机速度控制室内风扇速度。
在一个冷却单元故障的情形下，每个剩余的单元可以加载到它们的最大额定冷却能力。在这种情形下，每个冷却单元的SHR和同样地总的冗余冷却系统将减小回到每个冷却单元在额定能力处那样。在舒适型冷却单元用作包括冗余冷却系统的冷却单元的情形下，冗余SHR将低于冷却电子设备的最优值，这可以引起湿度减小到想要的值之下，且冷却系统的效率受到影响。调节空间的温度还可以从设定点增加，因为可感觉的热负荷可能超出剩余的冷却单元的可感觉的冷却能力。然而，冷却单元的故障可以构建为提示维护人员立即行动，并且根据应用，在短时间内调节空间低于所需湿度和效率和高于温度是可以接受的。
如同指出的，用于电子应用的冷却系统通常不需要提供除湿(潜在的冷却)，因为电子装备不产生湿度。然而对于调节空间没有与外部环境良好隔离的情形，提供除湿可能是必要的，以将调节空间的湿度保持在所需的水平。
为了使冷却单元提供除湿，室内换热器需要处于低于通过换热器的空气的露点(dew point)的温度。在一个实施方式中，这通过减小室内换热器的风扇的速度而实现，从而减小在室内换热器上的空气流动。这随之引起室内换热器温度补偿减小，以将返回空气温度保持在设定点。通过室内风扇速度的合适的减小将获得需要的除湿量。
在一个实施方式中，湿度控制器(图1的107)监测调节空间的湿度。如果湿度超出湿度设定点限定的量，湿度控制器将经由通信总线通知所有冷却单元需要除湿。
冷却单元相应地减小它们的室内风扇速度，从而使得它们提供除湿。一旦湿度降低到湿度设定点之下限定的量，湿度控制器将经由通信总线通知所有冷却单元不再需要除湿，于是所有冷却单元调节它们的室内风扇速度回到导致冷却单元获得最佳效率的水平。该系统可以结合有警报，如果除湿需要长于预定的时间长度的话，该警报将启动，指示该系统潜在的问题，或者调节空间没有得到良好的密封。冷却单元还可以结合保护特征，从而如果调节空间的温度上升到预定水平之上时，除湿得以取消，以保护湿度控制器使其防止故障。在用于控制湿度的可选的实施方式中，只有一个冷却单元可以选择用于减小其室内风扇速度，以进行除湿，而剩余的单元保持它们的风扇速度在导致各个冷却单元获得最佳效率的水平上。该可选的实施方式需要更长的时间进行所需的除湿，但是可能导致较低的总能耗。该可选的实施方式还可以包括在冷却单元中轮换除湿单元的特征，以使冷却单元均匀磨损。
在上面公开的实施方式中，冷却单元的模型用于为每个单元确定最优的运行点。在可选的实施方式中，可以遵循闭环方法，从而每个冷却单元(101，102，103)的电力消耗得以测量，总的电力消耗通过相应地调节每个冷却单元(101，102，103)的运行点而最小化。该闭环方法还要求冷却单元适当精确的模型，并要求额外的传感器以测量每个冷却单元的输入电力。通常，如果与采用上述开环方法的足够好的建模的单元相比，这样的系统额外的成本和复杂性不正比于运行中的受益。
在上述开环实施方式中，每个冷却单元独立地控制调节空间的温度到设定点，而通信总线用于分享信息以允许所述单元使它们的压缩机速度相等并提供静态信息。在可选的开环实施方式中，每个冷却单元构建为使得其压缩机速度比例于测量温度和设定点温度之间的差值。由于通过每个单元测量的调节空间的温度将靠近通过所有其他单元测量的温度，每个冷却单元中的压缩机速度将接近相同，而无需冷却单元之间的任何连接或通信。然而，在调节空间的设定点温度和测量温度之间将存在最终的稳定的状态误差。
如果调节空间中的热负荷相对恒定且设定点和实际温度之间的特定误差是可接受的话，这可以通过调节冷却单元中的温度设定点而手动地补偿。可选地，外部温度控制器可以测量调节空间的温度并调节冷却单元的设定点以补偿该最终的稳定的状态误差；然而该控制器将要求到每个单元上的连接，以调节设定点。很可能的是，更简单和更低成本的连接(例如模拟信号)可以用于调节该可选的实施方式的设定点温度而不用上述的通信总线。然而，对于简单的连接，比起采用通信总线的时候，可获得到/来自每个单元的更少的控制和状态信息，从而当采用简单的连接时，使得进行故障发现、诊断和调节变得更加复杂。还有，由于温度传感器的误差和测量调节空间的温度的位置的差异，压缩机速度也将不能如在上述特征为通信总线的开环实施方式中那样相等。
如上所述，多种实施方式最优地用于生热装备，其需要空气冷却以移除多余热量。冗余冷却系统也可以以与那些描述用于要求液体冷却以移除热量的生热装备类似的方式和类似的好处和特征那样构建。在该情形下，室内空气到液体换热器和单独的冷却单元的风扇可以替换为液体到液体的换热器，或者来自每个冷却单元的制冷物可以直接流通通过换热器或生热装备中的换热器，如果生热装备可合适地没计的话。
本发明不同的实施方式也可以包括权利要求中叙述的不同元件的的置换，如同每个从属权利要求是合并每个在前从属权利要求和独立权利要求的限定的多重从属权利要求。这样的置换清楚地包括在本发明的范围内。
尽管本发明已经通过参考多个实施方式而特别地示出和描述，本领域技术人员将理解的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对这里公开的不同实施方式作出形式和细节上的改变，并且这里公开的不同的实施方式不旨在作为对权利要求的范围的限定。这里引用的所有参考文献通过参考整个地结合。

Claims (20)

1.一种实现冗余冷却系统的方法，包括：
提供多个可变制冷物流动空气冷却单元，其中空气冷却单元的数量至少比当以等于最大冷却能力运行空气冷却单元时满足最大冷却负荷所需的数量多一个；
以与调节空间中的空气热连通的方式耦接多个可变制冷物流动空气冷却单元；
为多个可变制冷物流动空气冷却单元的每个确定选择的最优运行条件，这将导致该冗余冷却系统大约最低的总能耗，同时使该调节空间中的空气的平均温度保持在所需的设定点；和
运行所述多个空气冷却单元，使每个空气冷却单元运行在大约所选择的最优运行条件处。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述可变制冷物流动空气冷却单元包括变速压缩机，且还包括当每个冷却单元的冷却输出超过该单元的最大能效比率发生处的时候，以大约相同的速度运行所述多个制冷物流动空气冷却单元的每个的变速压缩机。
3.根据权利要求2所述的方法，还包括下面中的至少一个：
当所有所述多个空气冷却单元的平均冷却输出低于该空气冷却单元的最大能效比率发生处的时候，关闭所述多个空气冷却单元的一个或多个的变速压缩机；和
在大约所述空气冷却单元发生最大能效比率的点处运行所述多个空气冷却单元的每个。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述可变制冷物流动空气冷却单元的每个与控制器相关联，该控制器提供要改变的该冷却单元的冷却输出，以控制该调节空间的温度到大约等于该温度设定点的温度。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括：
控制所述多个空气冷却单元的每个的压缩机打开的时间长度；和
控制所述多个空气冷却单元的每个的压缩机关闭的时间长度，从而使得每个所述空气冷却单元的压缩机随着时间的磨损大致相等。
6.根据权利要求4所述的方法，还包括在与每个可变制冷物流动空气冷却单元相连的控制器之间通信信息，以为每个冷却单元确定最优的运行点，由此与每个单元相关的控制器提供和接收信息，这将导致所述冗余冷却系统大约最低的总能耗，且在大约确定的最优运行点处运行每个冷却单元。
7.根据权利要求6所述的方法，其中在每个可变制冷物流动空气冷却单元中的控制器结合有通信装置，从而在每个单元中的控制器提供关于冷却单元的信息，这允许确定其运行或故障状态中的至少一个并且从而所述冷却单元的设定点能够调节。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述通信装置是数字通信总线。
9.根据权利要求1所述的方法，其中每个可变制冷物流动空气冷却单元结合有变速驱动和相关的控制装置，该方法还包括调节室内风扇的速度以控制该冷却单元的潜在的冷却能力。
10.根据权利要求1所述的方法，还包括测量调节空间的湿度和调节冷却单元的潜在的冷却能力，以控制调节空间的湿度。
11.根据权利要求1所述的方法，还包括调节与所述多个可变制冷物流动空气冷却单元的一个或多个相关的室内风扇的速度，以大约最小化冷却单元在选择的冷却输出处的能耗。
12.根据权利要求1所述的方法，还包括调节与所述多个可变制冷物流动空气冷却单元的一个或多个相关的室外风扇的速度，以大约最小化冷却单元在选择的冷却输出处的能耗。
13.根据权利要求1所述的方法，还包括：
监测具有通信装置的单独的冷却单元的状态，且状态信息用作用于确定故障条件的一个输入；和
通知用户或维护人员在所述冗余冷却系统中的故障条件。
14.根据权利要求1所述的方法，还包括通过运行所述多个可变制冷物流动空气冷却单元的一个或多个选择的单元提高该系统的可感觉的热比率，其中对于选择的冷却输出，室内空气流动成比例地高于最大冷却输出处的最大室内空气流动。
15.根据权利要求1所述的方法，还包括通过最小化该系统中的总的损失和通过在所有冷却单元中均匀地分割所述最小化的损失提高所述多个可变制冷物流动空气冷却单元的MTBF。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括：
当主电源满足特定的条件时，从主电源为每个冷却单元供电；和
当主电源超出特定的条件时，从辅助不可中断的电源为每个冷却单元供电。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述不可中断的电源的输出是DC，且提供多个电力转换器，该方法还包括将所述不可中断的电源的DC输出转换为合适幅值和频率的AC，以为所述空气冷却单元供电。
18.根据权利要求1所述的方法，还包括由DC电源运行每个空气冷却单元。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
从多个电力转换器单元提供电力到所述空气冷却单元，所述电力转换器单元将所述DC不可中断的电源的电压水平转换为适于连接到所述空气冷却单元的DC电压；和
在所述AC电源和DC不可中断的电源的输出之间提供电流隔离。
20.一种冷却系统，包括：
多个空气冷却单元；
与所述多个空气冷却单元相连以用于控制和运行所述多个空气冷却单元的一个或多个控制单元；
接口，其提供用于在多个空气冷却单元之间以及一个或多个控制单元和所述多个空气冷却单元之间通信和分享信息，其中至少一个控制单元构建成用于控制所述空气冷却单元，以提供合适的环境温度；和
至少一个湿度控制器，其构建成用于控制所述空气冷却单元，以提供合适的环境湿度。
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