CN104736952B - 离心式压缩机入口导向叶片控制 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在包括压缩机、冷凝器和冷却器的冷却机系统启动之前定位入口导向叶片组件的方法，所述方法包括从位于所述冷却器和所述冷凝器中的传感器接收第一输入。基于来自所述传感器的所述输入来计算饱和温度。接收指示耦接至所述压缩机的马达在启动时的最小速度的第二输入。使用所述计算的饱和温度和所述第二输入，而确定所述入口导向叶片组件的容许位置。然后，将所述入口导向叶片组件移动至所述确定的容许位置。

Description

离心式压缩机入口导向叶片控制
发明背景
本发明一般涉及冷却机制冷系统，并且更详细而言涉及一种在启动时最大化冷却机制冷系统的冷却能力的方法。
在许多传统的冷却机中，压缩机(例如像离心式压缩机)由驱动装置(例如像电动马达)直接驱动或者通过变速器进行驱动。压缩机的最佳性能受到压缩机旋转速度的强烈影响。必须针对正在冷却的空间的空调要求所需的负荷变化，而调节流经压缩机的制冷剂的体积。通常通过单独地或以协同方式改变入口导向叶片和叶轮速度来实现对流量的控制。
当传统的冷却机系统初始启动时，入口导向叶片通常处于完全闭合位置，从而仅允许最小流量流入到压缩机中，以便防止马达停转。只有当马达达到全速时，系统才会开始开启入口导向叶片，进而增强系统的能力。因此，从冷却机系统初始启动时，直到导向叶片完全开启并且系统在最大能力下运行，可能会耗费大量的时间。一些应用(例如像数据中心)要求系统以比使用传统系统所容许的时间更短的时间量来达到最大能力。
发明简述
根据本发明的方面，提供一种在包括压缩机、冷凝器和冷却器的冷却机系统启动之前定位入口导向叶片组件的方法，所述方法包括从位于所述冷却器和所述冷凝器中的传感器接收第一输入。基于来自传感器的所述输入来计算饱和温度。接收指示耦接至所述压缩机的马达在启动时的最小速度的第二输入。使用所计算的饱和温度和所述第二输入，确定所述入口导向叶片组件的容许位置。然后，将所述入口导向叶片组件移动至所确定的容许位置。
从下文结合附图所做的描述中，这些和其它优点以及特征将变得更加显而易见。
附图简述
特别在本说明书前面部分的权利要求书中指出和明确地要求保护被视为本发明的主题。从下文结合附图所做的详细描述中，本发明的上述和其它特征以及优点将是显而易见的，其中：
图1是示例性冷却机制冷系统的示意图；
图2是示例性冷却机制冷系统的透视图；
图3是示例性入口导向叶片组件的透视图；
图4是示例性入口导向叶片致动系统的透视图；
图5是根据本发明实施方案的、用于冷却机制冷系统的控制系统；和
图6是根据本发明实施方案的、用以在冷却机制冷系统启动之前确定入口导向叶片组件的容许位置的方法。
发明详述
现在参考图1和图2，所示出的示例性冷却机制冷系统10包括流动性耦接而形成回路的压缩机组件30、冷凝器12和冷却器或蒸发器20。第一导管11从冷却器20的出口22邻近处延伸至压缩机组件30的入口32。压缩机组件30的出口34通过导管13耦接至冷凝器12的入口14。在一个实施方案中，冷凝器12包括第一腔室17，以及仅可从第一腔室17内部接触的第二腔室18。第二腔室18内的浮阀19通过另一导管15连接至冷却器20的入口24。取决于冷却机系统10的尺寸，压缩机组件30可以包括用于小型系统的旋转式、螺杆式或往复式压缩机，或者用于较大系统的螺杆式压缩机或离心式压缩机。典型的压缩机组件30包括壳体36，壳体36在一端具有马达40，并且在第二、相对端具有离心式压缩机44，这两者通过变速器组件42互连。压缩机44包括用以使制冷剂蒸汽加速至高速的叶轮46、用以使制冷剂减速至低速同时将动能转化为压能的扩散器48，以及呈蜗壳或收集器形式的、用来收集排放蒸汽而为了后续流动至冷凝器的排放气室(未示出)。定位于压缩机30的入口32附近的是入口导向叶片组件60。因为从冷却器20流动至压缩机44的流体必须在进入叶轮46之前首先穿过入口导向叶片组件60，所以入口导向叶片组件60可以用来控制进入压缩机44的流体流量。
冷却机制冷系统10内的制冷循环可以如下文所述。压缩机44从蒸发器/冷却器20接收制冷剂蒸汽，并且将其压缩至更高温度和压力，然后相对较热的蒸汽穿入至冷凝器12的第一腔室17中，其中所述相对较热的蒸汽通过与冷却介质(例如像水或空气)的热交换关系而冷却和冷凝为液态。因为第二腔室18比第一腔室17具有更低的压力，所以液体制冷剂的一部分闪蒸为蒸汽，进而冷却剩余的液体。第二腔室18内的制冷剂蒸汽通过冷的热交换介质再次冷凝。然后，制冷剂液体排入到位于第一腔室17和冷却器20之间的第二腔室18中。浮阀19形成密封，以便防止来自第二腔室18的蒸汽进入冷却器20。随着液体制冷剂穿过浮阀19，制冷剂在进入冷却器20时膨胀为低温两相液体/蒸汽状态。冷却器20为热交换器，其允许热能从热交换介质(例如像水)迁移至制冷剂气体。当气体返回至压缩机44时，制冷剂处于制冷循环开始的温度和压力两者之下。
现在参考图3和4，其中更为详细地示出示例性入口导向叶片组件60。入口导向叶片组件60包括多个导向叶片子组件70和翼片环壳体62。每个导向叶片子组件70都包括大体上扁平的空气箔叶片72、与翼片环壳体62的外部相邻定位的翼片滑轮76，以及将叶片72连接至翼片滑轮76的叶片轴74。叶片轴74在安装于翼片环壳体62中的轴承内旋转。入口导向叶片组件60另外包括多个惰轮78，其安装至相邻翼片滑轮之间的翼片环壳体62。缆线77缠绕所述多个惰轮78和翼片滑轮76。入口导向叶片组件60安装在抽吸壳体79内。
入口导向叶片组件60包括致动系统80，用以使导向叶片子组件70在闭合位置和开启位置之间移动。导向叶片致动器82(例如)利用所示出的支架81而安装至抽吸壳体79的一部分。从导向叶片致动器82延伸的致动器轴84包括致动器链轮86。翼片滑轮76中的一个滑轮充当驱动滑轮，并且被配置成将所述多个翼片滑轮76耦接至致动系统80。驱动滑轮的叶片轴74延伸穿过抽吸壳体79的密封组件，并且连接至驱动链轮83。密封组件85防止制冷剂渗漏至大气。驱动链轮83和致动器链轮86由链条88连接，从而使得致动器轴84的旋转引起所述多个惰轮78和翼片滑轮76相对于翼片环壳体62而旋转。致动系统80可以围封在外壳89内，以便防止灰尘聚集，并且防止在维修压缩机30时受损。所述致动方法仅仅出于说明性目的，并且用以使所述多个入口导向叶片子组件70旋转的额外致动方法也处于本发明的范围内。
图5中所示出的、包括控制器110的控制系统100，控制冷却机制冷系统10的运行。可以使用执行计算机程序以执行本文所述操作的通用控制器来实施控制器110。可以使用硬件(例如，ASIC、FPGA)和/或硬件与软件的组合来实施控制器110。控制器110的一种功能是响应于负荷条件，例如，通过调节入口导向叶片组件60的定位，而控制冷却机10的冷却能力。耦接至入口导向叶片组件60的一部分的传感器120(例如像电位计)向控制器110提供指示导向叶片子组件70的位置的输入信号IGV1。微控制器110也被配置成与入口导向叶片致动系统80进行通信，以便来自控制器110的输出信号将使得致动系统80调节入口导向叶片子组件70的位置。
控制系统100包括被配置成向控制器110提供输入的多个额外传感器。在一个实施方案中，第一传感器130为压力换能器，其被配置成向控制器110提供指示冷却器20中的绝对压力的输入信号P1。第二传感器135可以是压力换能器，其被配置成向控制器110提供指示冷凝器12中的绝对压力的输入信号P2。压力换能器130、135可以分别位于在冷却器20和压缩机入口32之间延伸的导管11中，以及在压缩机出口34和冷凝器入口14之间延伸的导管13中。压力换能器130、135将感应表示压缩机44的排放和抽吸压力的压力。在另一实施方案中，第一传感器130和第二传感器135为温度热敏电阻器。第一热敏电阻器130将感应冷却器20的出口22附近的制冷剂温度，并且第二热敏电阻器135将感应冷凝器12的入口14附近的制冷剂温度。或者，第一传感器130和第二传感器135中的一者可以是压力传感器，并且第一传感器130和第二传感器135中的另一者可以是温度传感器。控制系统100的微控制器110也被配置成与马达40的驱动器90进行通信。驱动器90控制马达40所汲取的电流，并且因此调整压缩机44的速度。在一个实施方案中，驱动器为变速驱动器。
在图6中提供一种方法200，其用以通过在向压缩机44施加电力之前将入口导向叶片子组件70的位置调节至部分开启位置，而减少启动时最大化冷却机系统10的能力所需的时间。如方框202中所示，当马达处于怠速、不旋转状态时，控制器从第一传感器130接收指示冷却器20中的压力的输入S1，并且从第二传感器135接收指示冷凝器12中的压力的输入S2。然后，如方框204中所示，控制器110使用这些收集的压力值，以便使用控制器110中存储的算法来计算冷却器20和冷凝器12两者中的饱和温度。因为冷却机制冷系统10没有运行，所以冷却器压力和冷凝器压力应大约相同，因此所得出的饱和温度应大体上等同。然而，在饱和温度不同的情况下，如下文更详细描述的，将使用更高、更保守的温度来确定入口导向叶片组件60的容许位置。在传感器130、135为热敏电阻器的实施方案中，控制器110会首先将来自热敏电阻器的输入S1、S2转换为压力，然后将根据此压力来计算对应的饱和温度。
在方框206中，控制器110从驱动器90接收指示马达40在启动期间的选定运行速度的输入D1。在具有非变频驱动器的系统中，启动期间的选定运行速度可以等于马达40的全速。在具有变频驱动器的系统10中，启动期间的选定运行速度可以取决于冷却机制冷系统10的设置，而处于全转速的约65％至100％的范围中。
如方框208中所示，用以确定入口导向叶片组件的容许位置的算法可以存储在控制系统100的控制器110内。选定运行速度D1和最大计算饱和温度被输入至算法中，以便为系统计算入口导向叶片的容许位置。或者，识别一系列饱和温度以及与每个饱和温度相关联的入口导向叶片的定位表，可以存储在控制器110内。基于启动期间压缩机44的假设选定运行转速而产生所述表。针对一系列最小速度的多个叶片定位表可以存储在控制器110内。在一个实施方案中，控制器110包括针对约65％的选定运行转速的叶片定位表，并且包括以相应间隔(例如像每7％)直至达到全速所选取的额外表。基于从驱动器90输入至控制器110的选定运行转速D1，控制器110将选择对应的叶片定位表。在选择基于来自冷凝器12和冷却器20的输入S1、S2所计算的最大饱和温度之后，控制器110可以识别入口导向叶片子组件70的容许位置。然后，在方框210中，控制器110向致动系统80发送信号，以便将入口导向叶片子组件70移动至所确定的容许位置。
在冷却机制冷系统100的传统启动期间，入口导向叶片子组件70处于闭合位置，从而使得只有最小流量进入压缩机30的入口32。然而，因为冷却器20和冷凝器12中的感应压力或温度S1、S2低于压缩机44设计期间假定的最差情形，所以入口导向叶片子组件70可以在启动之前部分开启，进而允许更大的初始体积流量。通过部分开启导向叶片70，一旦压缩机44运行后将入口导向叶片70移动至完全开启位置所需的时间会减少。另外，因为入口导向叶片70进行移动而达到完全开启位置的距离会更短，所以压缩机44可以更高效地达到最大冷却能力。
虽然仅仅结合有限数目的实施方案详细地描述了本发明，但是应易于理解，本发明不限于这些公开的实施方案。相反，本发明可以进行修改，以便包括上文未描述的、但是与本发明精神和范围相符的任何数目的变型、改变、替换或等效布置。另外，虽然已经描述了本发明的各种实施方案，但是应理解，本发明的方面可以仅仅包括所述实施方案中的一些实施方案。因而，本发明不应视为受上述说明限制，而是仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (17)

1.一种在包括压缩机、冷凝器和冷却器的冷却机系统启动之前定位压缩机入口导向叶片组件的方法，所述方法包括：
从位于所述冷却器和所述冷凝器中的传感器接收第一输入；
基于来自所述传感器的所述输入来计算饱和温度；
接收指示耦接至所述压缩机的马达在启动时的最小速度的第二输入；
基于计算出的饱和温度中的最大饱和温度和所述第二输入来确定所述入口导向叶片组件的容许位置；和
将所述入口导向叶片组件移动至所述确定的容许位置。
2.根据权利要求 1 所述的方法，其中所述冷却机系统包括具有控制器的控制系统。
3.根据权利要求 1 所述的方法，其中将来自所述传感器的所述第一输入提供至控制器。
4.根据权利要求 1 所述的方法，其中位于所述冷却器和所述冷凝器中的所述传感器为压力传感器。
5.根据权利要求 1 所述的方法，其中位于所述冷却器和所述冷凝器中的所述传感器为温度传感器。
6.根据权利要求 5 所述的方法，其还包括将来自所述温度传感器的所述第一输入转换为压力以计算所述饱和温度。
7.根据权利要求 2 所述的方法，其中在所述控制器内存储用以将压力转换为饱和温度的算法。
8.根据权利要求 1 所述的方法，其中基于所述第一输入来为所述冷却器和所述冷凝器两者确定饱和温度。
9.根据权利要求 8 所述的方法，其中将所述冷却器的所述饱和温度与所述冷凝器的所述饱和温度进行比较，并且使用其中较大的一个饱和温度来确定所述入口导向叶片组件的容许位置。
10.根据权利要求 2 所述的方法，其中耦接至所述马达的驱动器向所述控制器提供所述第二输入。
11.根据权利要求 10 所述的方法，其中如果所述驱动器为非变频驱动器，那么所述马达在启动时的最小速度为全速。
12.根据权利要求 10 所述的方法，其中如果所述驱动器为变频驱动器，那么所述马达的所述最小速度可以处于所述马达的全速的约 65% 至 100% 范围内。
13.根据权利要求2所述的方法，其中在所述控制器中存储至少一个叶片定位表，所述叶片定位表具有一系列饱和温度，以及针对每个饱和温度的、所述入口导向叶片组件的对应容许位置。
14.根据权利要求 13 所述的方法，其中基于所述马达的假定最小速度来建立所述叶片定位表。
15.根据权利要求 14 所述的方法，其中控制器存储有多个叶片定位表，所述多个表被配置用于所述马达在启动时的一系列最小速度。
16.根据权利要求 2 所述的方法，其中所述控制器向耦接至所述入口导向叶片组件的致动系统提供信号。
17.根据权利要求 2 所述的方法，其中在所述控制器中存储用以基于 所述最大饱和温度 和所述第二输入来确定所述入口导向叶片组件的容许位置的算法。
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