CN106461284B - 用于控制跨临界制冷系统的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于CO2制冷系统的系统和方法包括压缩机、热交换器、贮液器、第一阀以及阀控制器。在CO2制冷系统处于跨临界模式时热交换器操作为气体冷却器，而在CO2制冷系统处于亚临界模式时热交换器操作为冷凝器。第一阀控制制冷剂从热交换器到贮液器的流动。阀控制器监测室外环境温度和离开热交换器的制冷剂的压力；确定CO2制冷系统是处于亚临界模式还是处于跨临界模式；基于所监测的室外环境温度来确定压力设定值；以及当CO2制冷系统处于跨临界模式时，基于所确定的压力设定值与所监测的压力的比较来控制第一阀。

Description

用于控制跨临界制冷系统的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年1月24日提交的美国发明申请第14/162,792号的优先权以及要求于2013年1月25日提交的美国临时申请第61/756,852号的权益。上述申请的全部公开通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于控制跨临界制冷系统的系统和方法，并且更具体地涉及一种用于控制如下跨临界制冷系统的部件的系统和方法，该跨临界制冷系统利用CO2制冷剂并且包括高压阀、旁通气体阀和贮液器。
背景技术
本部分提供与本公开相关但不一定是现有技术的背景信息。
利用二氧化碳(CO2)作为制冷剂的制冷系统可以具有优于利用非CO2制冷剂的制冷系统的许多优点。利用CO2制冷剂的制冷系统可以包括例如一个或更多个压缩机、气体冷却器、贮液器、以及一个或更多个蒸发器。贮液器可以包括旁通线路，用以将来自贮液器的制冷剂排出返回到压缩机，从而绕过蒸发器。
在利用非CO2制冷剂的制冷系统中，压缩机向冷凝器排出高压气态制冷剂，该冷凝器将制冷剂冷却为低于其临界点，从而引起制冷剂的状态从气态改变成液态。
另一方面，在操作于跨临界模式的CO2制冷系统中，气态制冷剂在气体冷却器中被冷却至仍高于制冷剂的临界点的温度，从而得到较低温度的气态制冷剂但不会引起到液态的状态改变。然后，CO2制冷剂从气体冷却器排出到贮液器，该贮液器连接至蒸发器并且还连接至旁通线路。可以将贮液器的压力保持为使得能够在贮液器中形成液态制冷剂。然后，可以将液态制冷剂从贮液器供给到蒸发器。然后，在贮液器中的气态制冷剂可以被路由回到压缩机。
由于与CO2制冷系统相关联的工作温度和压力较高，所以可能难以保持制冷系统的正确并且有效的操作。
发明内容
本部分提供本公开的总体概述，并且本部分不是其全部范围或其所有特征的全面公开。
在本公开的各种实施例中，提供了如下CO2制冷系统，该CO2制冷系统能够操作于亚临界(subcritical)模式和跨临界(transcritical)模式。CO2制冷系统包括：至少一个压缩机；以及热交换器，其用于接收从至少一个压缩机排出的制冷剂。在CO2制冷系统操作于跨临界模式时，热交换器能够操作为气体冷却器；而在CO2制冷系统操作于亚临界模式时，热交换器能够操作为冷凝器。CO2制冷系统还包括贮液器，该贮液器接收从热交换器排出的制冷剂。CO2制冷系统还包括连接在热交换器与贮液器之间的第一阀。第一阀控制制冷剂从热交换器到贮液器的流动。CO2制冷系统还包括阀控制器，该阀控制器监测室外环境温度和离开热交换器的制冷剂的压力。阀控制器确定CO2制冷系统是操作于亚临界模式还是操作于跨临界模式，以及基于所监测的室外环境温度来确定压力设定值(setpoint)。当确定CO2制冷系统操作于跨临界模式时，阀控制器基于所确定的压力设定值与所监测的离开热交换器的制冷剂的压力的比较来控制第一阀。
在本公开的各种实施例中，提供了一种用于能够操作于亚临界模式和跨临界模式的CO2制冷系统的方法。该方法包括利用阀控制器来监测室外环境温度。该方法还包括利用阀控制器来监测离开CO2制冷系统的热交换器的制冷剂的压力。热交换器接收从至少一个压缩机排出的冷却剂，以及在CO2制冷系统操作于跨临界模式时，热交换器能够操作为气体冷却器而在CO2制冷系统操作于亚临界模式时，热交换器能够操作为冷凝器。该方法还包括利用阀控制器来确定CO2制冷系统是操作于亚临界模式还是操作于跨临界模式。该方法还包括利用阀控制器基于所监测的室外环境温度来确定压力设定值。该方法还包括当确定CO2制冷系统操作于跨临界模式时，利用阀控制器基于所确定的压力设定值与所监测的离开热交换器的制冷剂的压力的比较来控制第一阀。第一阀连接在热交换器与贮液器之间，并且控制制冷剂从热交换器到贮液器的流动。
在本公开的各种实施例中，提供了另一种能够操作于亚临界模式和跨临界模式的CO2制冷系统。CO2制冷系统包括第一压缩机机架和第二压缩机机架，二者各自具有至少一个压缩机。第一压缩机机架和第二压缩机机架相连接，使得第二压缩机机架的吸入侧接收来自第一压缩机机架的排出侧的制冷剂。CO2制冷系统包括热交换器，在CO2制冷系统操作于跨临界模式时该热交换器能够操作为气体冷却器，而在CO2制冷系统操作于亚临界模式时该热交换器能够操作为冷凝器。热交换器接收来自第二压缩机机架的排出侧的制冷剂。CO2制冷系统包括贮液器，该贮液器接收从热交换器排出的制冷剂。CO2制冷系统包括至少一个蒸发器，该至少一个蒸发器接收从贮液器排出的制冷剂。CO2制冷系统包括连接在热交换器与贮液器之间的第一阀。第一阀控制制冷剂从热交换器到贮液器的流动。CO2制冷系统包括位于如下旁通线路中的第二阀，该旁通线路将制冷剂从贮液器路由到第二压缩机机架的吸入侧。第二阀控制制冷剂从贮液器到第二压缩机机架的吸入侧的流动。CO2制冷系统包括阀控制器，该阀控制器监测离开热交换器的制冷剂的压力、离开热交换器的制冷剂的温度、以及贮液器内的压力。阀控制器基于所监测的离开热交换器的制冷剂的压力、所监测的离开热交换器的制冷剂的温度、以及贮液器内的压力中至少之一来控制第一阀和第二阀。
根据本文提供的描述，适用性的另外的领域将变得明显。发明内容中的描述和具体示例意在出于仅说明的目的，而非意在限制本公开的范围。
附图说明
本文所描述的附图出于仅说明所选择的实施例而不是所有可能的实现方式的目的，并且非意在限制本公开的范围。
图1是CO2制冷系统的示意图。
图2是用于CO2制冷系统的控制算法的流程图。
图3是用于CO2制冷系统的控制算法的流程图。
图4是用于CO2制冷系统的控制算法的流程图。
图5是用于CO2制冷系统的控制算法的流程图。
图6是用于CO2制冷系统的控制算法的流程图。
相应的附图标记指示贯穿附图的若干视图中相应的部件。
具体实施方式
现在将参照附图更加充分地描述示例性实施例。
参照图1，调压型(booster)跨临界CO2制冷系统10包括具有压缩机13、14的低温压缩机机架12以及具有压缩机17、18、19的中温压缩机机架16。压缩机13、14、17、18、19可以是固定容量压缩机或可变容量压缩机。例如，每个压缩机机架12、16可以包括至少一个可变容量压缩机和至少一个固定容量压缩机。每个机架中的压缩机可以经由适当的吸入头和排出头进行连接。低温压缩机机架12可以与中温压缩机机架16串联地连接，使得从低温压缩机机架12排出的制冷剂在中温压缩机机架16的吸入侧被接收。
从中温压缩机机架16排出的制冷剂被气体冷却器/冷凝器20接收。如在下面进一步详细描述地，制冷系统10可以操作于亚临界模式或者操作于跨临界模式。在跨临界模式下，气体冷却器/冷凝器20用作气体冷却器。在亚临界模式下，气体冷却器/冷凝器20用作冷凝器。
从气体冷却器/冷凝器20排出的制冷剂被贮液器21接收。贮液器21连接至第一排出线路22，该第一排出线路22将来自贮液器21的气态制冷剂路由返回到中温压缩机机架16的吸入侧。贮液器21还连接至第二排出线路23，该第二排出线路23将来自贮液器21的液态制冷剂路由到蒸发器24、26。
从贮液器21经由第二排出线路23所路由的制冷剂被低温蒸发器24和中温蒸发器26接收。低温蒸发器24可以包括例如杂货店冰柜或冷冻食品陈列柜。中温蒸发器26可以包括例如奶制品或肉类陈列柜。
来自低温蒸发器24的制冷剂然后被排出到低温压缩机机架12的吸入侧。来自中温蒸发器26的制冷剂然后被排出到中温压缩机机架16的吸入侧。然后，制冷循环重新启动。
制冷系统10可以包括由各种相关联的控制器控制的各种阀，用以监测并且调节制冷系统10内的各种温度和压力，以保持有效的和期望的操作。
具体地，制冷系统10包括高压阀(HPV)30和旁通气体阀(BGV)40。如图1所示，HPV30位于气体冷却器/冷凝器20与贮液器21之间。BGV 40位于贮液器21与中温压缩机机架16的吸入侧之间的第一排出线路22上。如下面进一步详细描述地，对HPV 30和BGV40进行调节和控制以保持特定的系统操作条件，以用于有效的和期望的操作。例如，HPV 30控制制冷剂从气体冷却器/冷凝器20到贮液器21的流动。BGV 40控制制冷剂从贮液器21到中温压缩机机架16的吸入侧的流动。HPV 30和BGV 40可以包括例如相关联的步进电机，以用于阀开度的可变调节。
低温蒸发器24和中温蒸发器26各自包括相关联的膨胀阀(EV)42、44。
制冷系统10包括各种控制器，该各种控制器监测操作条件和环境条件(包括温度和压力)并且根据编程的控制策略来控制各种系统部件。具体地，系统控制器50通过启用、停用以及调节压缩机机架12、16的压缩机13、14、17、18、19来控制压缩机机架12、16。系统控制器50还通过启用、停用以及调节气体冷却器/冷凝器20的风扇来控制气体冷却器/冷凝器20。系统控制器50可以是例如，具有根据本公开适当编程的，可从乔治亚州肯尼索的爱默生气候技术零售解决方案公司得到的爱因斯坦(Einstein)RX制冷控制器、爱因斯坦BX建筑物/HVAC控制器、E2 RX制冷控制器、E2 BX HVAC控制器或E2 CX便利商店控制器；或者可从意大利的皮耶韦达尔帕戈(柏卢诺)的Dixell股份有限公司得到的压缩机机架控制器，诸如XC系列控制器。系统控制器50可以包括诸如触摸屏或显示屏的用户接口以及诸如键盘的用户输入装置，以与用户进行通信。例如，系统控制器50可以向用户输出诸如系统操作温度或压力的系统参数和/或系统设定值。此外，系统控制器50可以接收用户输入从而修改系统设定值或控制算法。
制冷系统10包括经编程的用以控制HPV 30和BGV 40的阀控制器60。阀控制器60连接至用以监测系统条件和环境条件的各种温度传感器和压力传感器。具体地，阀控制器60连接至制冷剂温度传感器62，该制冷剂温度传感器62感测离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的温度。阀控制器60还连接至制冷剂压力传感器64，该制冷剂压力传感器64感测离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的压力。虽然在图1中示出了独立的压力传感器和温度传感器，但是可替选地，可以使用单个的合成制冷剂压力和温度传感器来感测离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的压力和温度二者。阀控制器60还连接至室外环境温度(OAT)传感器66，该OAT传感器66感测室外环境温度。可替选地，传感器66可以感测其他系统条件或操作条件诸如其他系统操作温度或压力，包括在制冷循环中的指定位置处制冷剂的温度或压力。阀控制器60还连接至贮液器压力传感器68，该贮液器压力传感器68感测在贮液器21内的制冷剂的压力。如下面进一步详细讨论地，阀控制器60控制HPV 30和BGV 40的开度以保持制冷系统10在亚临界模式和跨临界模式这两种模式下有效的和期望的操作。
阀控制器60可以是，具有根据本公开适当编程的，可从乔治亚肯尼索的爱默生气候技术零售解决方案公司得到的用以控制HPV 30和BGV 40的iPro控制器。此外，阀控制器60可以包括诸如触摸屏或显示屏的用户接口以及诸如键盘的用户输入装置，以与用户进行通信。例如，阀控制器60可以向用户输出诸如系统操作温度或压力的系统参数和/或系统设定值。此外，阀控制器60可以接收用户输入从而修改系统设定值或控制算法。
制冷系统10还包括柜控制器70、80，该柜控制器70、80用于控制低温蒸发器24和中温蒸发器26以及相关联的膨胀阀42、44。例如，柜控制器70、80可以启用、停用以及调节蒸发器24、26的蒸发器风扇。柜控制器还可以调节膨胀阀42、44。柜控制器70、80可以是，具有根据本公开适当编程的，可从意大利的皮耶韦达尔帕戈(柏卢诺)的Dixell股份有限公司得到的XM678柜控制器。此外，柜控制器70、80可以包括诸如触摸屏或显示屏的用户接口以及诸如键盘的用户输入装置，以与用户进行通信。例如，柜控制器70、80可以向用户输出诸如系统操作温度或压力的系统参数和/或系统设定值。此外，柜控制器70、80可以接收用户输入从而修改系统设定值或控制算法。
图1中所示的控制器中的每个控制器能够操作成彼此进行通信。例如，系统控制器50可以调节阀控制器60和柜控制器70、80的操作或设定值。此外，如果阀控制器60的本地传感器发生故障，则阀控制器60可以与系统控制器50或柜控制器70、80进行通信，以相应地调节操作。例如，如果阀控制器60本地OAT传感器66发生故障时，则阀控制器60可以与系统控制器50或柜控制器70、80进行通信，以接收来自如下OAT传感器的OAT数据，该OAT传感器连接至系统控制器50或柜控制器70、80或者该OAT传感器可由系统控制器50或柜控制器70、80访问。
此外，远程计算机90可以连接至系统控制器50使得远程用户可以登录到系统控制器50中，并且远程计算机90可以监测、控制或调节下述控制器中的任何一种控制器的操作，控制器包括系统控制器50、阀控制器60以及柜控制器70、80。
此外，系统控制器50可以与建筑物自动化系统(BAS)95进行通信。BAS 95可以连接至另外的温度传感器和压力传感器，以及可以监测并且存储另外的温度数据和压力数据，其中在传感器发生故障的情况下该另外的温度数据和压力数据可以由系统控制器50和/或阀控制器60访问。远程计算机90也可以连接至BAS 95使得远程用户可以登录到BAS 95中，以及远程计算机90可以监测、控制或调节下述控制器中的任何一种控制器的操作，该控制器包括系统控制器50、阀控制器60以及控制器柜70、80。
参照图2，示出了用于调节HPV 30的控制算法200。控制算法200可以由阀控制器60执行。可替选地，控制算法200可以由系统控制器50执行，该系统控制器50可以向阀控制器60输出适当的控制信号或者直接向HPV 30输出适当的控制信号。在202处控制算法200开始。在204处，阀控制器60接收来自所连接的压力传感器和温度传感器62、64、66、68的压力值和温度值。具体地，阀控制器60接收如下数据，该数据指示离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的压力和温度、OAT以及贮液器21内的压力。
在206处，阀控制器60确定制冷系统10是操作于亚临界模式还是操作于跨临界模式。例如，阀控制器60可以将当前系统或操作条件与特定系统或操作条件设定值进行比较。作为示例，阀控制器60可以将当前OAT与OAT设定值进行比较，以确定制冷系统10是处于亚临界模式还是处于跨临界模式。当OAT高于OAT设定值时，阀控制器60可以确定制冷系统10处于跨临界模式。当OAT低于OAT设定值时，阀控制器60可以确定制冷系统10处于亚临界模式。例如，OAT设定值可以为14摄氏度。作为另一示例，阀控制器60可以将当前OAT与OAT设定值减去预定的OAT滞后值进行比较。在这样的情况下，例如，OAT设定值可以为21摄氏度并且OAT滞后值可以为7摄氏度。OAT设定值和OAT滞后值二者均可以由用户进行配置。可替选地，阀控制器60可以通过将离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的当前温度和/或压力与温度或压力设定值进行比较来进行确定。可替选地，阀控制器60可以结合离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的压力和/或温度来评估OAT，以关于制冷系统10是操作于亚临界模式还是操作于跨临界模式进行确定。
在208处，当制冷系统10处于亚临界模式时，阀控制器60前进到210。在210处，阀控制器60基于离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的温度和压力来计算当前过冷却温度。具体地，基于离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的温度和压力，阀控制器60可以确定制冷剂的临界点。阀控制器60然后可以将制冷剂的临界点与离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的当前温度进行比较。阀控制器60可以将过冷却温度值确定为制冷剂的临界点与离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的当前温度之间的差异。
在212处，阀控制器60将过冷却温度与过冷却温度设定值进行比较，并且确定这两个值之间的差异。例如，过冷却温度设定值可以为10摄氏度。
在214处，阀控制器60基于比较来调节HPV 30。具体地，阀控制器60调节HPV 30以驱使当前过冷却温度值趋向于过冷却温度设定值。阀控制器60可以使用PID控制算法、PI控制算法、模糊逻辑或神经网络类型控制系统/算法来对HPV 30进行适当的调节。在调节HPV30之后，阀控制器循环返回(loop back)到204。
在208处，当制冷系统10处于跨临界模式时，阀控制器60前进到216。在216处，阀控制器60确定压力设定值。例如，阀控制器60可以参照查找表，该查找表包括基于系统或环境操作条件索引的压力设定值。例如，查找表可以包括基于OAT索引的压力设定值。这样，阀控制器60可以确定当前的OAT，并且可以访问查找表来确定相应的压力设定值。如果当前的OAT处于表条目之间，则阀控制器60可以基于最接近的表条目来插入压力设定值。查找表可以被存储在如下存储器中，该存储器被包括在阀控制器60中或者可由阀控制器60访问。例如，查找表可以被存储在系统控制器50中，并且阀控制器60可以查询系统控制器50以获得压力设定值。可替选地，查找表可以包括基于离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂温度或压力或者另一系统或环境操作温度或压力而索引的压力设定值。
在下面的表1中示出了示例性的查找表，该查找表示出了环境温度和相应的压力设定值。
查找表可以特定于一个或更多个压缩机或一个或更多个其他系统部件的具体型号、尺寸或类型，并且查找表可以针对一个或更多个压缩机或一个或更多个其他系统部件的具体型号、尺寸或类型被最优化。例如，系统控制器50可以查询压缩机机架12、16中的各个压缩机13、14、17、18、19或系统控制器50，以识别存在于制冷系统10中的压缩机，并且可以基于所识别的制冷系统10中所包括的压缩机来确定最合适的查找表或者可以生成安装特定查找表。例如，各个压缩机13、14、17、18、19可以包括单独的压缩机控制器和/或非易失性存储器，其具有识别压缩机的型号、尺寸或类型的充分识别信息。识别信息可以用于确定最合适的查找表。可以基于现场数据或实验数据和/或基于与各个压缩机型号、尺寸、类型等的操作相对应的建模数据来预先生成特定的查找表。此外，可以基于现场数据和/或实验数据生成用于特定压缩机的模型，并且然后将其插入到其他类似的压缩机中。
可替选地，阀控制器60可以根据OAT来计算压力设定值。可替选地，阀控制装置60可以基于其他系统或环境数据诸如离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的温度或压力来确定压力设定值。
在218处，阀控制器60将离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的压力与所确定的压力设定值进行比较。在220处，阀控制器60然后基于比较来控制HPV 30。具体地，阀控制器60调节HPV 30以驱使当前的压力值趋向于所确定的压力设定值。阀控制器60可以使用PID控制算法、PI控制算法、模糊逻辑或神经网络类型的控制系统/算法来对HPV 30进行适当的调节。在调节HPV 30之后，阀控制器循环返回到204。
参照图3，示出了用于调节BGV 40的控制算法300。控制算法300可以由阀控制器60执行，可替选地，控制算法300可以由系统控制器50执行，该系统控制器50可以向阀控制器60输出适当的控制信号或者直接向BGV 40输出适当的控制信号。在302处控制算法300开始。在304处，阀控制器60接收来自贮液器压力传感器68的贮液器压力值。
在306处，阀控制器将贮液器压力与预定的贮液器压力设定值进行比较。例如，预定的贮液器压力设定值可以为15巴。贮液器压力设定值可以由用户进行配置。在308处，阀控制器基于比较调节BGV 40。具体地，阀控制器60调节BGV 40以驱使当前的贮液器压力值趋向于预定的贮液器压力设定值。阀控制器60可以使用PID控制算法、PI控制算法、模糊逻辑或神经网络类型的控制系统/算法来对BGV 40进行适当的调节。在调节BGV 40之后，阀控制器循环返回到304。
如上所述的预定设定值以及此处引用的所有设定值可以被存储在如下计算机可读介质或存储器中，该计算机可读介质或存储器被包括在阀控制器60中或者可由阀控制器60访问。设定值可以本地地存储在阀控制器60中。可替选地，设定值可以被存储在系统控制器50处并且被传送至阀控制器60。设定值可以在阀控制器60处、在系统控制器50处经由直接从用户接收到的输入由用户进行配置，或者设定值可以通过远程计算机90和/或BAS 95由用户进行配置。
参照图4，示出了用于调节HPV 30和BGV 40的安全控制算法400。安全控制算法400可以由阀控制器60执行。可替选地，控制算法400可以由系统控制器50执行，该系统控制器50可以向阀控制器60输出合适的控制信号或者直接向HPV 30和BGV 40输出合适的控制信号。在402处控制算法400开始。在404处，阀控制器60从贮液器压力传感器68接收指示贮液器压力的数据。
在406处，阀控制器60确定贮液器压力是否小于低压力设定值。例如，低压力设定值可以为1巴。当贮液器压力低于低压力设定值时，阀控制器60前进到408。在408处，阀控制器60开启HPV 30并且关闭BGV 40。以此方式，贮液器中的压力将会增大。阀控制器60然后循环返回到404。可替选地，阀控制器60可以监测贮液器的压力，直到贮液器的压力上升到高于低压力设定值加上预定的低压力滞后值为止。例如，如果低压力设定值为1巴，则低压力滞后值可以为1巴。低压力设定值和低压力滞后值二者可以由用户进行配置。
在406处，当贮液器压力不小于低压力设定值时，阀控制器60前进到410。在410处，阀控制器60将贮液器压力与高压力设定值进行比较。例如，高压力设定值可以为50巴。当贮液器压力大于高压力设定值时，阀控制器60关闭HPV 30并且将BGV 40开启为预定的百分比开度。例如，预定的百分比开度可以为百分之八十、百分之九十或百分之百。阀控制器60然后循环返回到404。可替选地，阀控制器60可以监测贮液器压力，直到贮液器压力低于高压力设定值减去预定的高压力滞后值为止。例如，如果高压力设定值为50巴，则高压力滞后值可以为5巴。高压力设定值和高压力滞后值二者可以由用户进行配置。
在410处，当贮液器压力不大于高压力设定值时，阀控制器60以在414处的正常操作进行并且循环返回到404。制冷系统10的正常操作可以包括例如根据以上参照图2和图3所描述的控制算法来控制HPV 30和BGV 40。
参照图5，示出了用于对中温压缩机机架16和低温压缩机机架12中的压缩机的启用进行协调的控制算法500。具体地，因为在低温压缩机机架12与中温压缩机机架16之间的呈串联方式的连接，所以除非中温压缩机机架16中的压缩机17、18、19已经被启用，否则低温压缩机机架12中的压缩机13、14不能被启用。控制算法500由系统控制器50执行。在502处控制算法500开始。
在504处，系统控制器50接收或生成对启用低温压缩机机架12中的压缩机的命令。例如，当对于低温蒸发器24而言需要另外的冷却能力时，可以接收或生成对启用低温压缩机机架12中的压缩机的命令。例如，用于低温蒸发器24的柜控制器70可以监测冷冻空间诸如冷冻食品柜的内部的温度，并且确定当温度上升到高于预定的设定值时需要的另外的冷却能力。在506处，系统控制器50确定是否中温压缩机机架16中的所有压缩机17、18、19被停用。在506处，当在中温压缩机机架16中的所有压缩机17、18、19被停用时，系统控制器50前进到508，并且启用中温压缩机机架16中的至少一个压缩机。例如，系统控制器50可以启用中温压缩机机架16中的固定容量压缩机。可替选地，系统控制器50可以启用中温压缩机机架16中的可变容量压缩机使之处于低容量状态。系统控制器50然后前进到510。在506处，当中温压缩机机架16中的至少一个压缩机17、18、19已经被启用时，系统控制器50前进至510。
在510处，系统控制器50启用低温压缩机机架12中的压缩机13、14。在512处控制算法500结束。
参照图6，示出了用于对低温压缩机机架12和中温压缩机机架16中的压缩机的停用进行协调的控制算法600。因为在低温压缩机机架12与中温压缩机机架16之间的呈串联方式的连接，所以如果低温压缩机机架12中的压缩机13、14保持启用，则中温压缩机机架16中的所有压缩机17、18、19不能被停用。控制算法600由系统控制器50执行。在602处控制算法600开始。
在604处，系统控制器50接收或生成对停用中温压缩机机架16中的压缩机的命令。例如，当对于中温蒸发器26而言需要降低的冷却能力时，可以接收或生成对停用中温压缩机架16中的压缩机的命令。例如，用于中温蒸发器26的柜控制器80可以监测冷冻空间诸如冷冻食品柜的内部的温度，并且确定当温度低于预定的设定值时需要较低的冷却能力。在606处，系统控制器50确定是否低温压缩机机架12中的所有压缩机13、14被停用。在606处，当低温压缩机机架12中的所有压缩机13、14都被停用时，系统控制器进行到608，并且停用中温压缩机机架16中的压缩机17、18、19。在606处，当并不是低温压缩机机架12中的所有压缩机13、14都被停用——换句话说，低温压缩机机架12中的至少一个压缩机13、14被启用——时，系统控制器50前进到610，并且确定在中温压缩机机架16中当前是否多于一个压缩机17、18、19被启用。在610处，当在中温压缩机机架16中多于一个压缩机17、18、19被启用时，系统控制器50前进到608，并且停用中温压缩机机架16中的压缩机17、18、19。在610处，当在中温压缩机机架16中并不是多于一个压缩机17、18、19被启用时，系统控制器50前进到612。在612处，控制算法600结束。以此方式，当在低温压缩机机架12中启用的压缩机13、14进行操作时，系统控制器50将不会停用中温压缩机机架16中的上一个启用的压缩机17、18、19。因此，系统控制器50防止其中低温压缩机机架12中的压缩机13、14被启用同时中温压缩机机架16中的压缩机17、18、19都没有被启用的情况。
同样地，针对系统安全功能诸如发起压缩机机架关闭顺序，可以使用压缩机诊断信息。例如，系统控制器50可以在停用中温压缩机机架16中的上一个压缩机17、18、19之前停用低温压缩机机架12中的压缩机13、14。以此方式，系统控制器50可以保证按顺序关闭系统，而不会使系统经历不期望的系统状况，诸如过量的系统压力或温度。
在温度传感器或压力传感器62、64、66、68中之一发生故障的情况下，可以利用适当的备份控制算法对阀控制器60和/或系统控制器50进行编程以操作制冷系统10，直到发生故障的传感器可以被修复为止。
具体地，在温度传感器62或压力传感器64发生故障的情况下，阀控制器60可以查询系统控制器50和/或BAS 95以确定温度传感器62或压力传感器64是否可以提供备份的温度数据或压力数据以供阀控制器60使用，其中所述温度传感器62或压力传感器64分别感测离开气体冷却器/冷凝器20的制冷剂的温度和压力。如果没有其他备份的温度数据或压力数据可用，则阀控制器60还可以基于制冷系统10是处于亚临界操作模式还是处于跨临界操作模式来将HPV设定为预定的固定开度。例如，在传感器发生故障的情况下，阀控制装置60可以将HPV 30设定为以50％开度进行操作和/或将BGV 40设定为以100％开度进行操作。针对HPV 30和BGV 40的故障模式设定可以由用户进行配置。此外，针对在亚临界操作模式或跨临界操作模式下的操作，HPV 30和BGV 40可以具有不同的故障模式设定。
如以上所讨论的，系统控制器50与阀控制器60和柜控制器70、80进行通信。系统控制器50、远程计算机90和/或BAS 95可以向各种系统控制器——包括阀控制器60——提供远程设定值调节以及咨询和监督功能。例如，系统控制器50可以监测制冷系统10和阀控制器60的操作，并且可以在工作时(on the fly)进行设定值调节或其他控制策略调节。此外，远程用户可以登录到远程计算机90或BAS 95，并且对系统控制器50和/或阀控制器60进行设定值调节或其他控制策略调节。
此外，系统控制器50可以从附接至压缩机13、14、17、18、19中的一个或更多个压缩机的本地压缩机控制器接收压缩机特定诊断数据，并且可以利用该诊断数据来修改或调节系统设定值或控制策略，包括阀控制器60采用的特定设定值。例如，如果特定压缩机发生故障、过热、或者以其他方式经历操作上的困难，则系统控制器50可以修改制冷系统10(包括阀控制器60)的设定值或控制策略以调节和解决发生故障的压缩机，直到可以采取补救措施为止。
此外，压缩机诊断信息还可以用于优化系统控制算法。例如，系统控制器50可以监测压缩机13、14、17、18、19的操作性能和压缩机诊断信息。基于所监测的性能数据和/或压缩机诊断信息，系统控制器50可以适当地选择如下压缩机，该压缩机将在给定的一组操作条件下最有效地操作。
此外，在远程计算机90处的远程用户可以在设置或修理制冷系统10时协助本地技术人员、修理工或安装人员。特别地，由于系统的如上所述的独特操作方面，所以CO2制冷系统可能难以安装、设置或修理。可能不具有在安装、维护或修理CO2制冷系统方面的特别的专业知识的本地安装人员可以通过位于相距较远的远程计算机90处的专家来协助。远程专家则可以监测并且审查系统参数和数据，以及在执行任何安装、维护或修理任务时协助和指导本地方的安装人员或技术人员。
此外，柜控制器70、80可以基于监测的相关联的低温蒸发器24和中温蒸发器26过热来控制膨胀阀42、44。可以利用自动自适应(auto-adaptive)学习算法对柜控制器70、80进行配置以优化相关联的膨胀阀42、44的控制的操作。例如，正常的PI或PID控制包括如下一些增益常数，该一些增益常数必须适当地进行调节以达到最可取的控制行为。利用自动自适应学习算法，柜控制器可以递增地修改相关联的增益常数并且监测这样的修改的产生效果。以此方式，自动自适应算法可以通过监测这些因果关系对常量进行调整，而无需外部的技术人员来调整这些增益常数。
此外，系统控制器50可以在系统部件上协调制冷系统操作，诸如除霜。换句话说，在CO2制冷系统10中的低温压缩机机架12和中温机架的操作下，系统控制器50可以与柜控制器70、80相协调，以协调这些除霜操作阶段和正常操作阶段。
此外，制冷系统10可以包括在图1中示出的各个不同的分支或压力区中的另外的温度传感器和压力传感器。系统控制器50可以接收所有这样的温度数据和压力数据，并且然后通过开启或关闭各种阀(包括HPV 30和BGV 40、以及膨胀阀42、44和任何其他系统阀)来采取适当的补救措施，以保证各种系统部件不会受到任何极端的、危险的或不安全的温度或压力。
为了说明和描述的目的提供了对实施例的前述描述。但其并非意在穷举或限制本公开。即使未具体示出或描述，但具体实施例的各个要素或特征通常不限于该具体实施例，而是在适用时可进行互换并且可以被用于所选择的实施例中。上述情况还可以以许多方式进行变化。这样的变化不应被视为背离本公开内容，并且所有这样的修改意在被包括在本公开的范围内。
为了清楚起见，在附图使用相同的附图标记来标识相似的要素。如本文所使用地，措辞A、B和C中至少之一应当被理解为是指使用非排他性逻辑OR的逻辑(A或B或C)。应当理解的是，方法中的一个或更多个步骤可以在不更改本公开的原理的情况下根据情况以不同的顺序被执行(或者同时被执行)。
如本文所使用地，术语“模块”可以指代下述各项中的一部分或者包括下述各项：专用集成电路(ASIC)；电子电路；组合逻辑电路；现场可编程门阵列(FPGA)；用以执行代码的(共享的、专用的或分组的)处理器；提供所描述的功能的其他合适的硬件部件；或者诸如在片上系统中的上述中的部分或全部的组合。术语“模块”可以包括(共享的、专用的或分组的)存储器，该存储器存储由处理器执行的代码。
如以上使用的术语“代码”可以包括软件、固件和/或微代码，并且可以指代程序、例程、函数、类和/或对象。如以上使用的术语“共享”是指：来自多个模块的一些代码或全部代码可以使用单个(共享的)处理器来执行。此外，来自多个模块的一些代码或全部代码可以由单个(共享的)存储器来存储。如以上使用的术语“组”是指来自单个模块的一些代码或全部代码可以使用一组处理器来执行。此外，来自单个模块的一些代码或全部代码可以使用一组存储器来存储。
本文中所描述的设备和方法可以通过由一个或更多个处理器执行的一个或更多个计算机程序来实现。计算机程序包括存储在非暂态有形计算机可读介质上的处理器可执行指令。计算机程序还可以包括存储的数据。非暂态有形计算机可读介质的非限制性示例为非易失性存储器、磁存储器以及光存储器。
提供了示例性实施例，使得本公开更详尽并且向本领域的技术人员充分地表达本公开的范围。阐述了许多具体细节，诸如具体部件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施例的全面理解。对本领域的技术人员来说显然的是，不必采用这些具体细节，以及可以以许多不同的形式实施示例性实施例，并且这些都不应解释为对本公开的范围的限制。在一些示例性实施例中，没有详细描述公知的方法、公知的装置结构以及公知的技术。
本文中所使用的术语仅出于描述具体的示例性实施例的目的，而并不意在限制。除非上下文另外明确地指出，否则如本文中所使用的单数形式“一个”、“一种”和“该”可以意指也包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是包括性的，并且因此表明存在所提及的特征、整体、步骤、操作、要素和/或部件，但不排除存在有或附加有一个或更多其他特征、整体、步骤、操作、要素、部件和/或其组合。除非明确地被确定为执行的顺序，否则本文中所描述的方法步骤、过程和操作不被解释为必需要求其以所讨论的或所示出的具体顺序执行。还应当理解的是，可以采用附加的或可替选的步骤。
当元件或层被称为在另外的元件或层“之上”以及“接合至”、“连接至”、“耦接至”另外的要素或层时，该元件或层可以是直接在另外的元件或层之上以及接合至、连接至、耦接至另外的元件或层，也可能是存在中间要素或中间层。相比之下，当元件被称为“直接在另外的元件或层之上”以及“直接接合至”、“直接连接至”、“直接耦接至”另外的要素或层时，不存在中间要素或中间层。用于表述要素之间的关系的其他词语应当以类似的方式进行解释(例如，“位于…之间”相对于“直接位于…之间”，“相邻”相对于“直接相邻”等)。如本文中所使用地，术语“和/或”包括相关联列举项中的一个或更多个中的任一个和所有组合。
尽管在本文中使用术语第一、第二、第三等来描述各种要素、部件、区域、层和/或部分，但这些要素、部件、区域、层和/或部分不应当受这些术语限制。这些术语可以仅用于将一个要素、部件、区域、层或部分区别于另外的区域、层或部分。除非在上下文中明确地指出，否则在本文中使用时，诸如“第一”、“第二”以及其他数字性的术语不暗示次序或顺序。因此，在不背离示例性实施例的教示的情况下，下文中讨论的第一级、第一要素、第一部件、第一区域、第一层或第一部分可以称为第二级、第二要素、第二部件、第二区域、第二层或第二部分。

Claims (18)

1.一种能够操作于亚临界模式和跨临界模式的CO2制冷系统，包括：
至少一个压缩机；
热交换器，所述热交换器接收从所述至少一个压缩机排出的制冷剂，以及在所述CO2制冷系统操作于所述跨临界模式时所述热交换器能够操作为气体冷却器，而在所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式时所述热交换器能够操作为冷凝器；
贮液器，所述贮液器接收从所述热交换器排出的制冷剂；
连接在所述热交换器与所述贮液器之间的第一阀，所述第一阀控制所述制冷剂从所述热交换器到所述贮液器的流动；
阀控制器，所述阀控制器监测室外环境温度、离开所述热交换器的制冷剂的温度以及离开所述热交换器的制冷剂的压力，以及确定所述CO2制冷系统是操作于所述亚临界模式还是操作于所述跨临界模式；
其中，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述跨临界模式时，所述阀控制器基于所监测的室外环境温度来确定压力设定值，并且基于所确定的压力设定值与所监测的离开所述热交换器的制冷剂的压力的比较来控制所述第一阀；以及
其中，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式时，所述阀控制器基于所监测的离开所述热交换器的制冷剂的温度和所监测的离开所述热交换器的制冷剂的压力，来确定所述制冷剂的过冷却温度，并且基于所计算出的过冷却温度与预定的过冷却设定值的比较来控制所述第一阀。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀控制器基于所监测的室外环境温度来确定所述CO2制冷系统是操作于所述亚临界模式还是操作于所述跨临界模式。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括：位于旁通线路中的第二阀，所述旁通线路将制冷剂从所述贮液器路由到所述至少一个压缩机的吸入侧，所述第二阀控制所述制冷剂从所述贮液器到所述至少一个压缩机的吸入侧的流动，其中，所述阀控制器基于所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力与预定的压力设定值的比较来控制所述第二阀。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：位于旁通线路中的第二阀，所述旁通线路将制冷剂从所述贮液器路由到所述至少一个压缩机的吸入侧，所述第二阀控制所述制冷剂从所述贮液器到所述至少一个压缩机的吸入侧的流动，其中，所述阀控制器将所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力与低压力设定值和高压力设定值进行比较，以及当所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力高于所述高压力设定值或者低于所述低压力设定值时，所述阀控制器以安全模式控制所述第一阀和所述第二阀。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，当在所述贮液器内的制冷剂的压力低于所述低压力设定值时，所述阀控制器增大所述第一阀的开度并且减小所述第二阀的开度，以及当所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力高于所述高压力设定值时，所述阀控制器减小所述第一阀的开度并且增大所述第二阀的开度。
6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述阀控制器基于查找表来确定所述压力设定值，所述查找表包括多个环境温度值和相应的压力设定值。
7.根据权利要求6所述的系统，还包括：与所述至少一个压缩机中的每个压缩机相关联的压缩机控制器，所述压缩机控制器存储压缩机识别信息，所述压缩机识别信息包括用于所述至少一个压缩机中的每个压缩机的压缩机型号、类型、尺寸和容量中至少之一，其中所述阀控制器存储基于所述压缩机识别信息而从多个查找表中选择的查找表。
8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述阀控制器基于所述压缩机识别信息来从所述多个查找表中选择所述查找表。
9.根据权利要求7所述的系统，其中，单独的控制器基于所述压缩机识别信息来从所述多个查找表中选择所述查找表，以及将所选择的查找表传达至所述阀控制器。
10.一种用于能够操作于亚临界模式和跨临界模式的CO2制冷系统的方法，所述方法包括：
利用阀控制器来监测室外环境温度；
利用所述阀控制器来监测离开所述CO2制冷系统的热交换器的制冷剂的压力和温度，所述热交换器接收从至少一个压缩机排出的制冷剂，以及在所述CO2制冷系统操作于所述跨临界模式时，所述热交换器能够操作为气体冷却器，而在所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式时，所述热交换器能够操作为冷凝器，第一阀连接在所述热交换器与贮液器之间，并且控制所述制冷剂从所述热交换器到所述贮液器的流动；
利用所述阀控制器来确定所述CO2制冷系统是操作于所述亚临界模式还是操作于所述跨临界模式；
利用所述阀控制器，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述跨临界模式时，基于所监测的室外环境温度来确定压力设定值；
利用所述阀控制器，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述跨临界模式时，基于所确定的压力设定值与所监测的离开所述热交换器的制冷剂的压力的比较来控制所述第一阀；
利用所述阀控制器，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式时，基于所监测的离开所述热交换器的制冷剂的压力和温度来确定所述制冷剂的过冷却温度；以及
利用所述阀控制器，当所述阀控制器确定所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式时，基于所计算出的过冷却温度与预定的过冷却设定值的比较来控制所述第一阀。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述确定所述CO2制冷系统操作于所述亚临界模式还是操作于所述跨临界模式是基于所监测的室外环境温度进行的。
12.根据权利要求10所述的方法，所述CO2制冷系统包括第二阀，所述第二阀控制制冷剂在旁通线路中的流动，所述旁通线路将制冷剂从所述贮液器路由到所述至少一个压缩机的吸入侧，所述方法还包括：
利用所述阀控制器，基于所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力与预定的压力设定值的比较来控制所述第二阀。
13.根据权利要求10所述的方法，所述CO2制冷系统包括第二阀，所述第二阀控制制冷剂在旁通线路中的流动，所述旁通线路将制冷剂从所述贮液器路由到所述至少一个压缩机的吸入侧，所述方法还包括：
利用所述阀控制器来将所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力与低压力设定值和高压力设定值进行比较；以及
利用所述阀控制器，当所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力高于所述高压力设定值或者低于所述低压力设定值时，以安全模式控制所述第一阀和所述第二阀。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述以所述安全模式控制所述第一阀和所述第二阀包括：
在所述贮液器内的制冷剂的压力低于所述低压力设定值时，增大所述第一阀的开度并且减小所述第二阀的开度；以及
在所监测的在所述贮液器内的制冷剂的压力高于所述高压力设定值时，减小所述第一阀的开度并且增大所述第二阀的开度。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，通过所述阀控制器，基于查找表来确定所述压力设定值，所述查找表包括多个环境温度值和相应的压力设定值。
16.根据权利要求15所述的方法，所述CO2制冷系统包括与所述至少一个压缩机中的每个压缩机相关联的压缩机控制器，所述压缩机控制器存储压缩机识别信息，所述压缩机识别信息包括用于所述至少一个压缩机中的每个压缩机的压缩机型号、类型、尺寸和容量中至少之一，所述方法还包括：
利用所述阀控制器来存储基于所述压缩机识别信息而从多个查找表中选择的查找表。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用所述阀控制器，基于所述压缩机识别信息来从所述多个查找表中选择所述查找表。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括：
利用单独的控制器，基于所述压缩机识别信息来从所述多个查找表中选择所述查找表；以及
利用所述单独的控制器将所选择的查找表传达至所述阀控制器。
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