JP2019510187A - 冷房システムを制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

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Abstract

冷房システム（１２）は、空冷式熱交換器（５６）を有する自由冷却システム（５２）を含み、空冷式熱交換器は、空冷式熱交換器を流れる冷却剤（５８）から熱を取り出すために、空気（５９）を空冷式熱交換器のコイルを越えて移動させるように構成されたファン（６０）を含み、冷房システム（１２）は、冷媒ループを有する機械冷却システム（６８）をさらに含み、冷媒ループは、冷媒ループに沿って配置された蒸発器（６６）、コンプレッサ（７０）、および凝縮器（７２）を含み、コンプレッサは、冷媒に冷媒ループの中を循環させるように構成され、蒸発器（６６）は、冷却剤を受け入れ、冷却剤から冷媒に熱を伝達するように構成される。冷房システム（１２）はまた、ファン（６０）のファン速度を最大で閾値ファン速度まで調整し、ファン速度が閾値ファン速度に達したときに、コンプレッサ（７０）の動作を開始させるように構成されたコントローラ（７８）を含み、ファン速度およびコンプレッサのコンプレッサ速度は、少なくとも外気温度（８９）および冷却負荷要求に基づく。

Description

関連出願の相互参照
本願は、「冷房システムを制御するためのシステムおよび方法（ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＣＯＮＴＲＯＬＬＩＮＧ Ａ ＲＥＦＲＩＧＥＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ）」と題して２０１６年２月１０日に出願された米国仮特許出願第６２／２９３，６７６号の優先権および利益を主張するものであり、この特許の開示は、あらゆる目的のために、参照によりその全体を本明細書に援用される。
本開示は、概略的には冷房システムに関する。具体的には、本開示は、自由冷却システムおよび機械冷却システムを含む冷房システムに関する。
冷房システムは、様々な環境で様々な用途に使用される。例えば、冷房システムは、自由冷却システムおよび機械冷却システムを含むことができる。場合によっては、自由冷却システムは、液体−空気熱交換器を含むことができ、この熱交換器は、工業全般にわたって、多くの暖房、換気、および空調用途で使用される。後者の用途には、住居用、商業用、および工業用空調システムがある。さらに、機械冷却システムは、凝縮器、蒸発器、コンプレッサ、および／または膨張装置を含むことができる蒸気圧縮冷凍サイクルとすることができる。蒸発器では、液体または主液体冷媒が、熱エネルギを通気流および／または冷却流体（例えば、水）から引き出すことで蒸発し、冷却流体は、自由冷却システムの液体−空気熱交換器を流れることもできる。凝縮器では、冷媒は、脱過熱状態とされ（ｄｅ−ｓｕｐｅｒｈｅａｔｅｄ）、凝縮され、過冷される。場合によっては、冷房システムは、所望される冷却要求を満たすために、液体−空気熱交換器のファンの速度、および／または機械冷却システムのコンプレッサの速度を調整することができる。
本開示の態様による冷房システムを使用する例示的な商業または工業環境の斜視図である。 冷房システムの効率を高めるために、自由冷却システムおよび機械冷却システムの両方を含むことができる、本開示の態様による図１の冷房システムの斜視図である。 本開示の態様による冷房システムの実施形態のブロック図である。 本開示の態様による、増設した機械冷却システムを含む冷房システムの実施形態のブロック図である。 本開示の態様による、節約装置、フィルタ、および増設した弁を含む冷房システムのブロック図である。 本開示の態様による、冷房システムの効率を高めるために使用できるプロセスのブロック図である。 本開示の態様による冷房システムの様々な動作モードに対する、冷却負荷要求に応じた外気温度のグラフ図である。
本開示は、負荷を冷却するための自由冷却システムおよび機械冷却システムを含む冷房システム用の拡張制御システムに関する。本明細書において、自由冷却システムは、流体を外気と熱交換の関係に置くシステムを含むことができる。相応して、自由冷却システムは、周囲環境の外気を冷却および／または加熱流体として使用することができる。冷房システムは、自由冷却システムを単独で使用するか（例えば、自由冷却モード）、機械冷却システムを単独で使用するか（例えば、機械冷却モード）、または自由冷却システムおよび機械冷却システムを同時に使用する（例えば、混成冷却モード）ことができる。どのシステムを動作させるかを特定するために、冷房システムは、冷房システムの動作状態（例えば、ファンの速度、コンプレッサの速度、外気温度、冷却流体温度）を測定する様々なセンサおよび／または他の観測装置を含むことができる。例えば、本開示の実施形態によれば、どのシステムを動作させるかを特定することについては、少なくとも、望ましい冷却負荷要求（例えば、負荷の望ましい温度）および／または外気温度（例えば、冷房システムの周囲環境の温度）に依存し得る。
一般的に、自由冷却システムは、機械冷却システム（例えば、蒸気圧縮冷凍サイクルのコンプレッサ）よりも電力消費が少ないと考えられるので、通常、冷房システムは、機械冷却システムを動作させる前に、自由冷却システムの空気流を最大空気流まで増大させる。例えば、自由冷却システムは、熱交換器のコイルを流れる冷却流体を冷却するために、空気をコイルに向かって誘導する１つまたは複数のファンを含むことができる。ファンが動作するために、電力が１つまたは複数のファンに供給され、それにより、空気がコイルを越えて流れて、冷却流体から熱を吸収することができる。自由冷却システムによって行われる自由冷却の量は、複数の定速ファンを回転させながら、コイルバイパス弁を制御することで調整することができる。
機械冷却システムは、１つまたは複数の蒸気圧縮冷凍サイクルを含むことができ、各蒸気圧縮冷凍サイクルは、蒸発器、コンプレッサ、凝縮器、および／または膨張装置を含む。冷媒は、可変速駆動体によって駆動することもできるコンプレッサによって送出されて、機械冷却システム（例えば、冷媒ループ）内を通ることができる。コンプレッサに連結された可変速駆動体は、コンプレッサの速度の制御、ひいては、蒸気圧縮冷凍サイクルによって行われる冷却の量の制御を可能にする。
自由冷却システムのファンは、機械冷却システムのコンプレッサよりも電力消費が少ないと考えられるので、通常、冷房システムは、機械冷却システムのコンプレッサに動力を供給する前に、自由冷却システムを最大能力（例えば、最大ファン速度）で動作させる。さらに、従来の冷房システムは、電力が機械冷却システムの１つまたは複数のコンプレッサに供給されたときに、自由冷却システムを最大能力（例えば、最大ファン速度）で動作させ続けることがある。本実施形態は、自由冷却システムのファン（例えば、可変速ファン）の速度を最大で閾値速度まで上げることで、冷房システム全体（例えば、自由冷却システムおよび機械冷却システム）に入力される電力量を最小限にしようとするものであり、この場合に、閾値速度は、ファンの最大速度（例えば、ファンが物理的に超えることができない速度）未満である。場合によっては、ファンが閾値速度に達したときに（またはファンが閾値速度に達する前に）、機械冷却システムのコンプレッサに電力を供給することができる。冷媒システムをそのような形で動作させることで、システムに供給される電力量を最小限にすることができ、それにより、冷房システムの効率が高くなる。
ここで図を参照すると、図１は、冷房システムの例示的な用途を示している。そのようなシステムは通常、暖房、換気、空調、および冷房（ＨＶＡＣ＆Ｒ）分野内およびこの分野外の両方で、様々な環境に適用することができる。冷房システムは、データセンタ、電気装置、フリーザ、クーラ、または他の環境に蒸気圧縮冷凍、吸収冷凍、および／または熱電冷却を通じて冷気を供給することができる。しかし、現在検討されている用途として、冷房システムは、住居、ビルディング、構造物などの空間または包囲体を暖める、または冷却するために、住居用途、商業用途、軽工業用途、工業用途、および他の任意の用途で使用することもできる。さらに、冷房システムは、適切な場合に、様々な分野の基本冷房および暖房を行うために、工業用途で使用することができる。
図１は、この場合に１つまたは複数の熱交換器を使用できるビルディング環境管理用の暖房、換気、空調、および冷房システム（ＨＶＡＣ＆Ｒ）である例示的な用途を示している。例えば、ビルディング１０は、冷房システム１２およびボイラー１４を含むシステムによって冷房される。示すように、冷房システム１２は、ビルディング１０の屋上に配置され、ボイラー１４は地下に配置されているが、冷房システム１２およびボイラー１４は、他の機器室またはビルディング１０の隣の区域に配置することができる。冷房システム１２は、空冷装置および／または水（または、グリコールなどの他の冷却流体）を冷却する冷凍サイクルを実装した機械冷却システムである。冷房システム１２は、機械冷却回路、自由冷却システム、コントローラ、ならびにポンプ、弁、および配管などの関連する機材を含むことができる単一構造物内に収容されている。例えば、冷房システム１２は、自由冷却システム、機械冷却システム、およびコントローラを内蔵した単一収容庫の屋根ユニットとすることができる。一部の実施形態では、冷房システム１２は、外部コントローラ（例えば、ビルディング１０の他の構成要素を制御する外部コントローラ用の接続ポート）を含むことができない。言い換えると、冷房システム１２は、別の構成要素またはコントローラなしに、暖房および／または冷房を行うのに使用できる自律ユニット（例えば、一括ユニット）である。ボイラー１４は、水を加熱するための炉を含む閉鎖容器である。冷房システム１２およびボイラー１４からの水（または他の冷却流体）は、水管１６によってビルディング１０中を循環する。水管１６は、個々の階でビルディング１０の仕切られた置き場内に配置されたエアハンドラ１８に通される。
エアハンドラ１８は、エアハンドラ１８間で空気を配送するように構成された配管２０に接続され、外部取込み口（図示せず）からの空気を受け入れることができる。エアハンドラ１８は、加熱または冷却された空気を供給するために、冷房システム１２からの冷水と、ボイラー１４からの温水とを循環させる熱交換器を含む。エアハンドラ１８内のファンは、熱交換器のコイルを横断した空気を吸い込み、調整された空気をルーム、アパートメント、またはオフィスなどのビルディング１０内の環境に送って、環境を、指定された温度に維持する。ここではサーモスタット２２を含むとして示す制御装置は、調整された空気の温度を示すために使用することができる。制御装置２２を使用して、エアハンドラ１８を通り抜けたエアハンドラ１８からの空気の流れを制御することもできる。当然ながら、水の流れおよび圧力を調整する制御弁、ならびに／または水、空気などの温度および圧力を検出する温度トランスデューサもしくはスイッチなどの他の装置もシステム内に含むことができる。さらに、制御装置は、ビルディング１０から遠く離れたシステムを含む他のビルディング制御または観測システムと一体化された、および／またはそれらのシステムから独立したコンピュータシステムを含むことができる。なお、水が冷却流体として説明されたが、冷房システム１２において、任意の適切な冷却流体を使用することができることに留意されたい。
本開示の実施形態によれば、冷房システム１２は、自由冷却システムを含むように改良および／または拡張できる機械冷却システムを含むことができる。例えば、図２は、冷房システム１２全体の効率を高めるために、機械冷却システム（例えば、蒸気圧縮冷凍サイクル）および自由冷却システムの両方を含むことができる冷房システム１２の斜視図である。特定の実施形態では、冷房システム１２の機械冷却システムは、Ｊｏｈｎｓｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＹＶＡＡ冷却機と同様な空冷式可変速ねじ冷却機とすることができる。例えば、機械冷却システムは、可変速凝縮器ファン（例えば、１つまたは複数の空冷式熱交換器と共に使用することができるファン）を含む２回路の可変速ねじ冷却機とすることができる。さらに、冷房システム１２は、単独で、または機械冷却システム（例えば、蒸気圧縮冷凍サイクル）と組み合わせて使用できる自由冷却システムを含むことができる。
特定の実施形態では、冷房システム１２は、外気（例えば、冷房システムの周囲環境の空気）の温度および／または冷却負荷要求（例えば、負荷が要求する冷却量）に基づいて、機械冷却システムおよび／または自由冷却システムを動作させるかどうか（および、どのように動作させるか）を判断するように構成された制御システムを含むことができる。相応して、冷房システム１２は、冷却負荷要求を満たすために、機械冷却システムを単独にて（例えば、機械冷却モード）、自由冷却システムを単独にて（例えば、自由冷却モード）、または機械冷却システムおよび自由冷却システムを同時に（例えば、混成冷却モード）動作させることができる。
上記のように、冷房システム１２に入力されるエネルギ量を最小限にして、負荷に対する望ましい冷却能力を達成しながら、冷房システム１２の効率を最大限にすることが望ましい。典型的な冷房システムでは、自由冷却システムのファンの速度は、望ましい冷却負荷を達成するために、機械冷却システムのコンプレッサ（例えば、可変速コンプレッサ）が作動する前に最大にすることができる。しかし、ファンの最大速度に達する前に機械冷却システムのコンプレッサを作動させる方が、機械冷却システムのコンプレッサを作動させる前にファンを最大速度で動作させるよりもエネルギの消費が少ないことがあると現時点で分かっている。
例えば、図３は、本開示の実施形態に従って使用できる冷房システム１２のブロック図である。例示した実施形態に示すように、冷房システム１２は、自由冷却システム５２および機械冷却システム５４（例えば、１つまたは複数の蒸気圧縮冷凍サイクル）を含む。自由冷却システム５２は、冷却流体５８（例えば、水および／またはグリコール）を受け入れて、冷却することができる空冷式熱交換器５６を含むことができる。例えば、空冷式熱交換器５６は、１つまたは複数のファン６０（例えば、可変速ファン）によって形成される流路５９に沿って配置することができ、これらのファン６０は、空冷式熱交換器５６のコイルを越えるよう空気を誘導する。外気が比較的低い温度の場合、コイルを越えるように誘導された空気は、冷却流体５８から熱を吸収し、それにより、冷却流体５８の温度を下げ、空冷式熱交換器５６のコイルを越えて流れる外気の温度が上がる。特定の実施形態では、冷却流体５８については、空冷式熱交換器５６が負荷６２から受け取ることができる。したがって、冷却流体５８は、最終的に負荷６２に向かって再度送られて、負荷６２（例えば、誘導されてビルディングまたは機械の中を通ることができる空気または流体）の温度を下げることができる。
しかし、自由冷却システム５２は、外気温度が比較的高い場合に効果的でないことがある。例えば、空冷式熱交換器５６において、冷却流体５８と外気との間で起こる熱伝達の量は、外気温度が高くなるにつれて少なくなり得る（例えば、外気が比較的温かい場合に、外気は、冷却流体５８から同じだけ熱を吸収することができない）。したがって、冷房システム１２は、自由冷却システム５２に向かって流れることができる冷却流体５８の量を制御する三方弁６４を含むことができる。例えば、三方弁６４は、冷却流体５８が機械冷却システム５４の蒸発器６６に向かって直接流れるのを阻止することができ、同時に、外気温度が負荷６２から戻った冷却流体５８の温度よりも十分に低い場合に、自由冷却が冷却負荷要求の少なくとも一部を担うように、流れが空冷式熱交換器５６を通るのを可能にする。この場合に、冷却流体５８は、冷却流体５８をさらに冷却することができる蒸発器６６を流れることができる。
図３の例示した実施形態に示すように、三方弁６４は、ポンプ６５から冷却流体５８を受け取り、冷却流体５８の流れを負荷６２から直接的に蒸発器６６に向かって送るか、または空冷式熱交換器５６から蒸発器６６に向かって送るかの間で選択することができる。特定の実施形態では、三方弁６４は、Ｔ字管と、弁の位置を調整できる、アクチュエータに機械連結された２つの二方蝶形弁（例えば、他方の蝶形弁が閉じたときに、一方の蝶形弁が開く）を含むことができる。なお、図３の実施形態では、三方弁６４は、空冷式熱交換器５６の上流に配置されているが、別の実施形態では、三方弁６４は、空冷式熱交換器５６の下流に配置することができる。さらに別の実施形態では、三方弁６４は、空冷式熱交換器５６に向かう冷却流体５８の流れと、負荷６２から直接的に蒸発器６６に向かう冷却流体５８の流れとを同時に供給および制御するように構成することができる。
自由冷却が、実質的にすべての冷却負荷要求を果たすことができる場合に（例えば、外気温度が閾値温度未満の場合に）、機械冷却システム５４は動作しない。したがって、冷却流体５８は、実質的な温度変化を受けることなく蒸発器６６を流れる（例えば、熱は、実質上、蒸発器６６内で冷却流体５８からの移動ではない）。一部の実施形態では、冷房システム１２は、冷却流体５８（または冷却流体５８の一部分）が蒸発器６６を迂回するのを可能にするバイパス弁６７を含むことができる。特定の実施形態では、蒸発器６６を迂回することで、蒸発器６６を流れるときに冷却流体５８が受ける圧力降下を実質的に回避することができる。
自由冷却が、実質的にすべての冷却負荷要求を果たすことができない場合に、機械冷却システム５４が始動することができる（例えば、単独か、または自由冷却システム５２と同時に動作する）。特定の実施形態では、機械冷却システム５４は、いくつかある構成要素の中で特に、蒸発器６６、コンプレッサ７０（例えば、可変速コンプレッサ）、凝縮器７２、および／または膨張装置７４を含む蒸気圧縮冷凍サイクル６８とすることができる。例えば、機械冷却システム５４は、冷媒７６を循環させるように構成することができ、冷媒７６は、冷却流体５８との熱伝達によって蒸発器６６内で蒸発する（例えば、気化する）ことができる（例えば、冷却流体５８は、蒸発器６６内で熱エネルギを冷媒７６に伝達する）。したがって、蒸発器６６内で、冷却流体５８から冷媒７６に熱を伝達することができ、それにより、（例えば、自由冷却システム５２の代わりにか、または自由冷却システム５２に加えて）冷却流体５８の温度を下げることができる。特定の実施形態では、冷却流体５８および／または冷媒７６は、グリコール（または、グリコールおよび水の混合物）を含むことができる。一部の実施形態では、凝縮器７２の１つまたは複数のコイルセットは、微小チャネルコイルを含むことができる。
空冷式熱交換器５６は、熱伝達を改善するための内部拡張管とルーバ付きフィンとを有する円管のプレートフィンコイルを含むことができる。蒸発器６６は、ろう付けプレートの直膨式（ＤＸ）シェルアンドチューブ型熱交換器、満液式シェルアンドチューブ型熱交換器、流下液膜式シェルアンドチューブ型熱交換器、複合流下液膜および満液式熱交換器、またはそれらの任意の組み合わせとすることができる。ＤＸ蒸発器を使用する実施形態の場合、冷媒はチューブ側にあり、冷媒は、蒸発器を貫通する複数の流路（例えば、２つ、３つ、４つ以上）を進むことができる。冷媒がシェル側にある蒸発器を使用する実施形態の場合、水またはグリコールは、１つ、２つ、３つ、またはそれを超える流路で、チューブ内を流れることができる。
蒸発器６６を出た冷媒７６は、コンプレッサ７０に向かって流れることができ、コンプレッサ７０は、冷媒に蒸気圧縮冷凍サイクル６８の中を循環させるように構成されている。さらに、コンプレッサ７０は、冷媒７６が、蒸気圧縮冷凍サイクル６８の中を流れるときに（例えば、循環するときに）、冷媒７６の圧力を高めることができる。冷媒７６の圧力を高めることで、冷媒７６の温度を上げることもできるので、コンプレッサ７０を出た冷媒７６の温度は、コンプレッサ７０に入る冷媒７６の温度よりも高い。これを受けて、冷媒７６が、最終的に蒸発器６６内の冷却流体５８から熱を吸収できるように、冷媒７６の温度を下げることが望ましい。
したがって、コンプレッサ７０を出た冷媒７６は、凝縮器７２に向かって流れることができる。特定の実施形態では、機械冷却システム５４の凝縮器７２は、自由冷却システム５２の空冷式熱交換器５６と同様の空冷式熱交換器とすることができる。凝縮器７２が空冷式熱交換器である実施形態では、凝縮器７２は、空冷式熱交換器５６とファン６０を共有することができる。図３の例示的な実施形態に示すように、凝縮器７２は、自由冷却時に冷却流体５８が外気温度に近づくことができるように、空気流路５９において、空冷式熱交換器５６の下流に配置することができる。別の実施形態では、凝縮器７２は、ファン６０とは別個のファン７７（例えば、可変速ファン）を含むことができる（例えば、図４および図５）。さらに別の実施形態では、機械冷却システム５４の凝縮器７２は、冷媒７６から別の媒体（例えば、水、空気）に熱を伝達するように構成された任意の適切な熱交換器とすることができる。いずれにせよ、凝縮器７２は、冷媒７６の温度を下げ、通常、冷媒７６を液化する（例えば、凝縮させる）ように構成されている。
特定の実施形態では、機械冷却システム５４は、冷媒７６の圧力を下げるだけでなく、冷媒７６の温度をさらに下げることができる膨張装置７４を含むこともできる。膨張装置７４は、膨張弁、フラッシュタンク、膨張コイル、または冷媒７６の圧力を下げる（かつ、冷媒７６の温度を下げる）ように構成された他の任意の装置を含むことができる。他の実施形態では、機械冷却システム５４は、膨張装置７４を使用することができない。
上記のように、冷却流体５８は、自由冷却システム５２および／または機械冷却システム５４の蒸発器６６を流れることで温度を下げることができる。しかし、冷却負荷要求（例えば、負荷６２の所定の、および／または望ましい温度、ならびに／あるいは蒸発器６６を出た冷却流体５８の所定の温度）が、自由冷却システム５２が単独で実現できる量を上回る場合、自由冷却システム５２および機械冷却システム５４は、同時に動作することができる（例えば、混成冷却モード）。相応して、冷却流体５８は、自由冷却システム５２の空冷式熱交換器５６に向かって送ることができ、空冷式熱交換器５６において、冷却流体５８は、第１の温度から第２の温度に温度を下げることができる（例えば、第２の温度は第１の温度よりも低い）。さらに、冷却流体５８は、空冷式熱交換器５６を出ると機械冷却システム５４の蒸発器６６に向かって送ることができる。冷却流体５８は、混成冷却モード時に、第２の温度から第３の温度に温度をさらに下げることができる（例えば、第３の温度は、第２の温度よりも低く、したがって、第１の温度よりも低い）。蒸発器６６を出ると、冷却流体５８は、負荷６２に向かって送ることができ、負荷６２において、冷却流体５８を使用して、負荷６２を冷却することができる。
特定の実施形態では、冷却流体５８の第１の部分は、自由冷却システムの空冷式熱交換器５６に向かって送ることができ、一方、冷却流体５８の第２の部分は、（例えば、三方弁６４を介して）機械冷却システム５４の蒸発器６６に向かって送ることができる。他の実施形態では、概ねすべての冷却流体５８が、蒸発器６６に入る前に空冷式熱交換器５６を流れるか、または蒸発器６６を直接流れることができる。
冷房システム１２は、三方弁６４の位置、バイパス弁６７の位置、１つまたは複数のファン６０の速度、１つまたは複数のファン７７の速度（例えば、図５）、コンプレッサ７０の速度、および／または負荷６２に供給される冷却流体５８の温度に影響を及ぼし得る他の任意の動作状態を調整できるコントローラ７８を含むことができる。相応して、冷房システム１２は、冷房システム１２の動作状態を観測できる１つまたは複数のセンサを含むことができる。例えば、冷房システム１２は、戻り冷却流体温度センサ８１、供給冷却流体温度センサ８３、吸い込み圧力センサ８５、吐出圧力センサ８７、および／または外気温度センサ８９を含むことができる。温度および／または圧力センサは、コントローラ７８にフィードバックを供給することができ、次いで、コントローラ７８は、１つまたは複数のセンサから受け取ったフィードバックに基づいて、三方弁６４の位置、弁６７の位置、１つまたは複数のファン６０の速度、１つまたは複数のファン７７（図５）の速度、および／またはコンプレッサ７０の速度を調整することができる。
特定の実施形態では、コントローラ７８は、プロセッサ８０およびメモリ８２を含むことができる。例えば、コントローラ７８は、本明細書に開示された技術を実施するために、プロセッサ（例えば、プロセッサ８０）によって使用される非一時的コードまたはマシン可読媒体（例えば、メモリ８２）に格納された命令を含むことができる。メモリ８２は、プロセッサ８０が実行できるコンピュータ命令を格納することができる。さらに、メモリ８２は、実験データおよび／または冷房システム１２の所定の動作状態に関する他の値を格納することができる。コントローラ７８は、例えば、１つまたは複数のセンサから受け取ったフィードバックに基づいて、三方弁６４の位置、弁６７の位置、１つまたは複数のファン６０の速度、１つまたは複数のファン７７の速度、および／またはコンプレッサ７０の速度を調整することで、冷房システム１２の動作を観測および制御することができる。冷房システム１２のコントローラ７８は、冷房システム１２の効率を高めることができる命令を実行するように構成することができる。そのような命令は、図６を参照して本明細書でさらに詳細に説明される。
図４は、機械冷却システム５４が、第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０を含む冷房システム１２のブロック図である。第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０は、第２のコンプレッサ９１（例えば、可変速コンプレッサまたは定速コンプレッサ）、第２の凝縮器９２、および第２の膨張装置９３を含むことができる。一部の実施形態では、コンプレッサ７０は、可変速コンプレッサとすることができ、第２のコンプレッサ９１は、定速コンプレッサとすることができる。しかし、他の実施形態では、コンプレッサ７０および第２のコンプレッサ９１は、冷房システム１２が最小限のエネルギ入力で動作するのを可能にする可変速コンプレッサおよび定速コンプレッサの任意の適切な組み合わせとすることができる。さらに、第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０は、冷却負荷要求が比較的高い場合にさらに冷却するために、冷媒９４を誘導して蒸発器６６に通すように構成することができる。第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０は、冷却された冷媒９４を蒸発器６６に供給するために、蒸気圧縮冷凍サイクル６８と実質的に同じ態様で動作するように構成することができ、冷却された冷媒９４は、蒸発器６６において、冷却流体５８から熱を吸収することができる。一部の実施形態では、冷媒９４は、冷媒７６と同じ流体（例えば、水、グリコール、および／または水とグリコールとの混合物）とすることができる。他の実施形態では、冷媒９４は、冷媒７６と異なってよい。
図４に示すように、２つの冷凍回路６８、９０は、単一の蒸発器６６を共有している。この実施形態では、蒸発器６６は、冷媒がシェル側で、水またはグリコールがチューブ側のシェルアンドチューブ型熱交換器を含む。仕切り９５は、２つの冷凍回路６８、９０を分離し、２つの回路６８、９０間の管板として機能する。他の実施形態では、複数の冷凍回路６８、９０が冷房システム１２に含まれる場合に、ＤＸ蒸発器またはろう付けプレート蒸発器を使用することができる。
図４の例示的な実施形態に示すように、第２の凝縮器９２は、凝縮器７２とは別の空気流路９６に配置することができる。第２の空冷式熱交換器９７は、空気流路９６に沿って配置することができ、第２の凝縮器９２とファン９８（例えば、可変速ファン）を共有することができる。この実施形態では、空気流５９は、周囲環境から吸い込まれて、空冷式熱交換器５９、凝縮器７２、およびファン６０を通り、次いで、上方に（例えば、冷房システム１２の外に）放出されている。同様に、空気流路９６は、周囲環境から吸い込まれて、第２の空冷式熱交換器９７、第２の凝縮器９２、およびファン９８を通り、次いで、上方に（例えば、冷房システム１２の外に）放出されている。他の実施形態では、凝縮器７２、第２の凝縮器９２、および空冷式熱交換器５６は、冷却負荷要求を満たすために、任意の適切な配列で配置することができる。さらに別の実施形態では、凝縮器７２、第２の凝縮器９２、および空冷式熱交換器５６の１つまたは複数は、ファンを共有することができて（例えば、凝縮器７２、第２の凝縮器９２、および／または空冷式熱交換器５６は、同じ空気流路に配置される）、外気は、直列の流れ構成の空冷式熱交換器５６、凝縮器７２、第２の凝縮器９２、およびファン６０を貫流する。
さらに、コントローラ７８は、第２のコンプレッサ９１に出入りする冷媒９４の圧力を観測するために、（例えば、コンプレッサ７０用の吸い込み圧力センサ８５および吐出圧力センサ８７と同様の）第２の吸い込み圧力センサ９９および第２の吐出圧力センサ１００に通信可能に接続することができる。一部の実施形態では、第２のコンプレッサ９１に出入りする冷媒９４の圧力により、コントローラ７８は、第２のコンプレッサ９１の速度を上げるか、および／または下げるかを判断することができる。
冷房システム１２は、節約装置１０１、フィルタ１０２、オイルセパレータ１０４、および／またはさらなる弁をさらに含むことができ、これらは、負荷６２を冷却する制御および能力を向上させ、それにより、冷房システム１２の効率を高めることができる。例えば、図５は、そのような増設した装置を含む冷房システム１２のブロック図である。図５の例示的な実施形態に示すように、蒸気圧縮冷凍サイクル６８は、節約装置１０１を含む。節約装置１０１は、膨張装置７４およびフラッシュタンク１０６を含むことができる。特定の実施形態では、フラッシュタンク１０６は、冷媒７６を膨張装置７４から比較的低い圧力および低い温度で受け取ることができる。フラッシュタンク１０６は、凝縮した冷媒から任意の蒸気状の冷媒を分離するために、冷媒７６の圧力をさらにいっそう急速に下げるように構成された容器とすることができる。相応して、冷媒７６の第１の部分は、フラッシュタンク１０６内での急速な膨張により気化する（例えば、液体から蒸気に変わる）ことができる。一部の実施形態では、気化した冷媒７６の第１の部分は、バイパス回路１０７を経由して蒸発器６６を迂回し、コンプレッサ７０に向かって送られることが可能である。さらに、冷媒７６の第２の部分は液体の形態を保つことができ、フラッシュタンク１０６の底部１０８に集まることができる。一部の実施形態では、弁１１０は、フラッシュタンク１０６の下流で、蒸発器６６の上流に設けることができ、それにより、冷媒７６の第２の部分の流れは、冷房システム１２の他の動作状態に基づいて調整することができる。例えば、凝縮器７２が、フラッシュタンク１０６を出た第１の部分が第２の部分よりも大幅に少なくなるようなレベルに冷媒７６の温度を下げた場合に、弁１１０は、より多くの冷媒７６が蒸発器６６で蒸発し、コンプレッサ７０に向かって送られるように、蒸発器６６に向かって送られる冷媒７６の第２の部分の流れを増やすように調整することができる。
さらに、フラッシュタンク１０６は、フラッシュタンク１０６の底部１０８に集められた冷媒７６の第２の部分（例えば、液体部分）の量を観測できる液位センサ１１１を含むことができる。液位センサ１１１は、フラッシュタンク１０６に集められた液体の量に関して、コントローラ７８にフィードバックを供給するために、コントローラ７８に通信可能に接続することができる。特定の実施形態では、コントローラ７８は、液位センサ１１１から受け取ったフィードバックに基づいて、出力、機能、またはコマンドを実行するように構成することができる。例えば、特定の実施形態では、三方弁１１２は、凝縮器７２と節約装置１０１との間に配置することができる。したがって、フラッシュタンク１０６内の液位が、閾値レベルを超えた場合に、三方弁１１２は、冷媒７６をバイパス回路１１３に沿って蒸発器６６の方に送り、それにより、節約装置１０１を迂回するように調整することができる（例えば、冷媒の温度が低すぎ、したがって、節約装置１０１がさらに冷却を進めることが望ましくないことがある）。さらに、フラッシュタンク１０６内の液位が所定のレベルよりも低い場合、三方弁１１２は、バイパス回路１１３を閉鎖することで、冷媒７６のすべて、または大部分が節約装置１０１内でさらに冷却されるのを可能にし得る。
図５の例示的な実施形態に示すように、蒸気圧縮冷凍サイクル６８はまた、バイパス回路１０７に沿って配置された逆止弁１１５を含み、逆止弁１１５は、冷媒７６の第１の部分が、コンプレッサ７０からフラッシュタンク１０６に向かって流れるのを阻止することができる。相応して、冷媒７６の第１の部分（例えば、蒸気状の冷媒）は、フラッシュタンク１０６から、冷媒７６の第１の部分の圧力を高くすることができるコンプレッサ７０に向かって送ることができる。さらに、逆止弁１１５により、冷媒７６の第１の部分が、コンプレッサ７０からフラッシュタンク１０６に向かって逆流するのを阻止することができる。それに加えて、またはそれに代えて、冷媒７６の第１の部分の流れをコントローラ７８が（例えば、弁１１６の位置を調整するように構成されたアクチュエータによって）調整できるように、弁１１６をフラッシュタンク１０６とコンプレッサ７０との間に設けることができる。コンプレッサ７０は、圧縮され得る冷媒７６の速度を調整する（例えば、コンプレッサ速度に基づく）所定の能力を含むことができるので、フラッシュタンク１０６からコンプレッサ７０に向かう冷媒７６の第１の部分の流れを制御することが望ましい。相応して、コンプレッサ７０が所定の能力に近い状態にある場合に、コントローラ７８は、コンプレッサ７０に向かって流れる冷媒７６の第１の部分の流量を減らすように、弁１１６を調整することができる。同様に、コンプレッサが概ね能力未満で動作している場合に、コントローラ７８は、コンプレッサ７０に向かって流れる冷媒７６の第１の部分の流れを増やすように、弁１１６を調整することができる。
さらに、蒸気圧縮冷凍サイクル６８は、冷媒７６から汚染物を取り除くために使用することができるフィルタ１０２を含むことができる。特定の実施形態では、酸性物質および／またはオイルが、蒸気圧縮冷凍サイクル６８の中を循環する冷媒７６と混合されることがある。相応して、フィルタ１０２は、膨張装置７４、フラッシュタンク１０６、コンプレッサ７０、および／または蒸発器６６に流入する冷媒７６が、最小限の汚染物しか含まないように、そのような汚染物を冷媒７６から取り除くように構成することができる。
蒸気圧縮冷凍サイクル６８はまた、例えば、コンプレッサ７０の下流で、凝縮器７２の上流に配置することができるオイルセパレータ１０４を含むことができる。オイルセパレータ１０４は、コンプレッサ７０を流れるときに、冷媒７６の中に集まることがあるオイルを除去するために使用することができる。相応して、オイルセパレータ１０４内の除去された任意のオイルは、オイルセパレータ１０４から再循環回路１１７を通ってコンプレッサ７０に戻ることができる。さらに、冷媒７６から除去されたオイルは、オイルセパレータ１０４内に集めることができる。したがって、コンプレッサ７０に向かって流れるオイルの流れおよび／または圧力を制御するために、弁１１８を再循環回路１１７に沿って配置することができる。それにより、コンプレッサ７０に戻されるオイルの量は、（例えば、弁１１８の位置を調整するように構成されたアクチュエータを媒介として）コントローラ７８によって調整することができる。特定の実施形態では、オイルセパレータ１０４は、フラッシュベッセル、薄膜セパレータ、または冷媒７６（例えば、水および／またはグリコール）からオイルを分離するように構成された他の任意の装置とすることができる。
さらに、オイルセパレータ１０４に向かって流れる冷媒７６の量を制御するために、弁１１９をコンプレッサ７０とオイルセパレータ１０４との間に配置することができる。場合によっては、オイルセパレータ１０４は、コントローラ７８および／またはオペレータが、オイルセパレータ１０４にどのくらいのオイルが集まったかを特定するのを可能にし得るオイル高さ観測装置（例えば、オイル高さセンサ１２０）を含むことができる。オイルセパレータ１０４中のオイルの量が所定の閾値レベルを超えた場合、コントローラ７８は、オイルセパレータ１０４に向かう冷媒７６の流れを減らすように弁１１９の位置を調整することができる。一部の実施形態では、コントローラ７８はまた、オイルセパレータ１０４からコンプレッサ７０に戻されるオイルの量を増やすために、弁１１８の位置を調整することができる。相応して、オイルセパレータ１０４中のオイルの高さを低くすることができ、それにより、より多くの冷媒７６が、オイルセパレータ１０４に向かって、ひいては凝縮器７２に向かって流れることが可能になる。本開示は、蒸気圧縮冷凍サイクル６８に焦点を当てているが、第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０も、節約装置、フィルタ、オイルセパレータ、ならびに／または図５を参照して説明したさらなる弁および構成要素を含むことができることに留意されたい。
冷房システム１２の効率を高めるために、１つまたは複数のファン６０が最大速度（例えば、１つまたは複数のファン６０がそれより速く回転できない速度、および／またはメーカが定めた所定の最大速度）に達する前に、コンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）を動作させるのが望ましい。場合によっては、１つまたは複数のファン６０が最大速度に達する前に、コンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）を作動させることで、冷房システム１２の効率を高めることができる。例えば、図６は、冷房システム１２の効率を高めるために使用できるプロセス１３０のブロック図である。
ブロック１３２で、コントローラ７８は、外気（例えば、冷房システム１２の周囲環境の空気）の温度および／または冷却負荷（例えば、負荷６２）要求を求めることができる。例えば、コントローラ７８は、外気温度を観測する外気温度センサ８９に通信可能に接続することができる。さらに、コントローラ７８は、冷却負荷要求を求めるために、戻り冷却流体温度センサ８１および／または供給冷却流体温度センサ８３に通信可能に接続することができる。本明細書において、外気温度は、冷房システム１２を囲む環境の空気の温度とすることができる。さらに、冷却負荷要求は、所定の、または望ましい負荷６２の温度（例えば、ユーザインターフェイスから受け取った温度）と負荷６２の実際の温度（例えば、負荷６２を観測するセンサから受け取った温度）との差、および／あるいは負荷６２に供給される、または負荷６２から戻される（例えば、ユーザインターフェイスから受け取った）冷却流体５８の望ましい温度と、負荷６２に供給される、または負荷６２から戻される冷却流体５８の実際の温度（例えば、戻り冷却流体温度センサ８２または供給冷却流体温度センサ８３から受け取った温度）との温度差に基づくことができる。
ブロック１３４で、コントローラ７８は、空冷式熱交換器５６の１つまたは複数のファン６０を少なくとも外気の温度および／または冷却負荷要求に基づいて、第１の速度で動作させるように構成することができる。相応して、コントローラ７８は、１つまたは複数のセンサから受け取ったフィードバックに基づいて、ファンの第１の速度を（例えば、プロセッサ８０により）計算するように構成することができる。１つまたは複数のファン６０の第１の速度は、冷却負荷要求が高くなるにつれて、および／または外気温度が高くなるにつれて速くすることができる。反対に、第１の速度は、冷却負荷要求が低くなるにつれて（例えば、冷房しているときに、負荷の実際の温度が、負荷の所定の温度よりも低い場合に）、および／または外気温度が低下した場合に遅くすることができる。
特定の実施形態では、１つまたは複数のファン６０は、最大速度（例えば、１つまたは複数のファン６０が物理的に超えることのできない速度）を含むことができる。しかし、今や、１つまたは複数のファン６０の速度を最大速度まで上げることは望ましくないことがあると分かっている。むしろ、外気温度が高くなった場合、および／または冷却負荷要求が高くなった場合に、コンプレッサ７０を動作させる、かつ／またはコンプレッサ７０の圧力を高くすることで、冷房システム１２に入力される電力を削減することができる。したがって、コントローラ７８のメモリ８２は、１つまたは複数のファン６０の閾値速度を（例えば、アルゴリズムを使用して）計算するように構成することができ、この閾値速度は、１つまたは複数のファン６０の最大速度未満とすることができる。例えば、１つまたは複数のファン６０の閾値速度は、最大速度の５０％〜９９％、最大速度の７０％〜９５％、または最大速度の８０％〜９０％とすることができる。一部の実施形態では、コントローラ７８は、自由冷却のみのモード時の閾値ファン速度を軽算すために、下記の式１を使用することができる。
閾値速度＝｛［ｄｌ×（ＥＣＨＬＴ−Ｔａｍｂ）２］＋ｄ０｝×ＦａｎＦａｃｔｏｒｌ （１）
式１で、ｄ１およびｄ０は、空冷式熱交換器５６に特有の所定の要素を表すことができる。さらに、ＥＣＨＬＴは、流入冷液温度（ＥＣＨＬＴ）、すなわち、蒸発器６６から負荷６２に向かって送られる冷却流体５８の温度（例えば、供給冷却流体温度センサ８３から受け取った温度）を表す。Ｔａｍｂは外気温度であり、ＦａｎＦａｃｔｏｒ１は、空冷式熱交換器５６に特有であり得るプログラム可能な要素である。
自由冷却のみのモードで動作する場合、コントローラは、流出冷液温度を所定の設定値の近くに維持するために、ファン速度を調整する。負荷および／または外気温度が高くなると、コントローラは、ファン６０の速度が閾値速度に達するまで、ファン６０の速度を上げる。閾値速度で、コントローラ７８は、閾値速度を超える１つまたは複数のファン６０の速度の上昇を阻止することができる。負荷または外気温度の任意のさらなる上昇、または、設定値を超える、流出冷水温度の対応する上昇をもたらす他の動作状態により、コントローラは、１つまたは複数のコンプレッサ（例えば、可変速コンプレッサ）を始動させる。式１で示すように、閾値速度は、様々な動作状態に対して異なることがある（例えば、外気温度および／または冷却負荷の様々な組み合わせに対して閾値速度は異なる）。コンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）の速度は、当技術分野で公知のアルゴリズムを使用して、コントローラ７８によって求めることができるので、冷却負荷要求は、冷房システム１２によって達成することができる。
１つまたは複数のファン６０が閾値速度に達したときに、コントローラ７８はまた、ブロック１３６に示すように、機械冷却システム５４のコンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）を第１のコンプレッサ速度で動作させるように構成することができる。特定の実施形態では、コンプレッサ７０の第１のコンプレッサ速度は、冷却負荷要求を達成し、さらに、冷房システム１２に入力されるエネルギ量を削減する（例えば、最小エネルギ量が入力される）速度とすることができる。さらに、コントローラ７８は、コンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）が動作しているときに、１つまたは複数のファン６０の第２の速度を求めるように構成することができる。言い換えると、コンプレッサ７０が動作するときに、１つまたは複数のファンを閾値速度で動作させ続けるのは望ましくないことがある。例えば、コントローラ７８は、式２に基づいて、第２の速度を求めるように構成することができる。
第２の速度＝ｂ１×ファン当たりの単位全負荷＋ｂ２×ＦａｎＦａｃｔｏｒ２ （２）
したがって、第２の速度（例えば、混成動作モード中の１つまたは複数のファン６０の速度）は、ファン当たりの単位全負荷（例えば、１つまたは複数のファン６０の１つのファンによって行われる自由冷却および機械冷却の量）に基づくことができる。相応して、コントローラ７８は、ファン当たりの単位全負荷を求めるように構成することができ、ファン当たりの単位全負荷は、特に、流入冷液温度（ＥＣＨＬＴ）、外気温度（Ｔａｍｂ）、各ファンの自由冷却能力、各ファンの機械冷却能力、および冷房システム１２に含まれるファンの数量に基づくことができる。要素ｂ１、ｂ２、ＦａｎＦａｃｔｏｒ２は、実験データおよび／または冷房システム１２に特有の（例えば、メーカから提供された）情報に基づいて、コンプレッサ７０および／またはコンプレッサ９１とファン６０との全エネルギ使用量を最小限にするように前もって定めることができる。ファン当たりの単位全負荷は、コンプレッサ７０および／またはコンプレッサ９１によって付与される機械冷却能力に空冷式熱交換器５６から付与される自由冷却能力を加えたものから推定することができる。
第２の速度は、コンプレッサ７０および／またはコンプレッサ９１とファン６０との全エネルギ使用量を最小限にすることができる推定ファン速度を表している。場合によっては、コンプレッサオイルの圧力、コンプレッサ吸い込み圧力、コンプレッサ吐出圧力、および／または許容できる制御限界内の他の動作状態を維持するために、第２の速度に基づき、特定の冷媒回路６８および／または冷媒回路９０に対してファン速度を調整することが望ましい。
特定の実施形態では、コンプレッサ７０は、１つまたは複数のファン６０が閾値速度に達したとき、外気温度が所定の値に達したとき、および／または冷却負荷要求が所定の値に達したときに動作することができる。相応して、コントローラ７８は、流出冷液温度、１つまたは複数のファン６０の第２の速度、外気温度、および／または冷却負荷要求に基づいて、コンプレッサ７０の第１のコンプレッサ速度（および／または第２のコンプレッサ９１の速度）を求めることができる。他の実施形態では、コンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）は、１つまたは複数のファン６０が閾値速度に達するまで動作することができない。いずれにせよ、最大速度未満の１つまたは複数のファン６０とコンプレッサ７０とを同時に動作させることで、冷房システム１２によって消費される電力量を削減することができ、これは、冷房システムの効率を高めることができる。
場合によっては、動作状態（例えば、外気温度および／または冷却負荷要求）は、冷房システムの動作中に変わることがある。相応して、ブロック１３８で、コントローラ７８は、動作状態の変化に合わせて、１つまたは複数のファン６０の速度、コンプレッサ７０のコンプレッサ速度、および／または第２のコンプレッサ９１のコンプレッサ速度を調整するように構成することができる。さらに、コントローラ７８は、冷房システム１２の様々な動作モード間で切り換えるように構成することができる（例えば、図７を参照のこと）。非限定的な例として、冷房システム１２が屋外環境に配置された場合に、（例えば、日照または日照不足により）外気温度は夜間に下がり、日中に上がり得る。したがって、空冷式熱交換器５６の１つまたは複数のファン６０とコンプレッサ７０とを使用する混成冷却動作モード中に、コントローラ７８は、夜間において、１つまたは複数のファン６０の速度を第１の速度から第２の速度に下げ（例えば、第２の速度は第１の速度よりも遅い）、かつ／またはコンプレッサ７０のコンプレッサ速度を第１のコンプレッサ速度から第２のコンプレッサ速度に下げる（例えば、第２のコンプレッサ速度は、第１のコンプレッサ速度よりも遅い）ように構成することができる。同様に、日中に外気温度が上昇したときに、コンプレッサ７８は、１つまたは複数のファン６０の速度を第１の速度および／または第２の速度から第３の速度に上げ（例えば、第３の速度は第１の速度および／または第２の速度よりも速い）、かつ／あるいはコンプレッサ７０のコンプレッサ速度を第１のコンプレッサ速度および／または第２のコンプレッサ速度から第３のコンプレッサ速度に上げる（例えば、第３のコンプレッサ速度は、第１のコンプレッサ速度および／または第２のコンプレッサ速度よりも速い）ように構成することができる。
さらに、コントローラ７８は、冷却負荷要求が高くなった、および／または低くなった場合に、１つまたは複数のファン６０の速度および／またはコンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）の速度を調整するように構成することができる。いずれにせよ、コントローラ７８は、冷房システム１２に入力される電力量を実質的に、または概ね最小限にする、１つまたは複数のファン６０の速度とコンプレッサ７０のコンプレッサ速度（および／または第２のコンプレッサ９１の速度）との組み合わせを計算する（例えば、式２を参照のこと）ことで、１つまたは複数のファン６０の速度とコンプレッサ７０（および／または第２のコンプレッサ９１）のコンプレッサ速度とを求めるように構成することができる。相応して、冷房システム１２の効率を高めることができる。
図７は、冷房システム１２の様々な動作モードにおける冷却負荷要求に応じた外気温度のグラフ図１５０である。グラフ図は、一定の流出冷液温度（ＬＣＨＬＴ）（例えば、戻り冷却流体温度センサ８１から受け取った温度）および流量を想定している。相応して、グラフ図１５０は、冷房システム１２が、少なくとも外気温度および冷却負荷要求に基づいて、所与のモードで動作できる場合を示している。図７の例示的な実施形態に示すように、外気温度が閾値温度線１５２より低い場合に、自由冷却システム５２は動作することができる。特定の実施形態では、閾値温度線１５２は、測定した戻り冷液温度、測定した外気温度、および／または他の動作パラメータに基づいて、自由冷却が、冷却流体５８から熱を吸収するのにまだ有効であり得る外気温度を表すことができる。さらに、外気温度が第２の閾値温度線１５４より低い場合に、冷房システム１２は、自由冷却のみのモード１５６で動作することができる。第２の閾値温度線１５４は、機械冷却システム５４を使用することなく、かつ／または１つまたは複数のファン６０を閾値速度を超えて動作させることなく、冷却負荷要求を達成できる外気温度を表すことができる。
外気温度が第２の閾値温度線１５４を超えるが、閾値温度線１５２よりも低い場合に、コントローラ７８は、蒸気圧縮冷凍サイクル６８のコンプレッサ７０を第１の混成冷却モード１５８で動作させるように構成することができる。第１の混成冷却モード１５８では、自由冷却システム５２および蒸気圧縮冷凍サイクル６８が行う冷却の量により、冷却負荷要求が達成される。しかし、場合によっては、外気温度は、閾値温度線１５２より低いが、自由冷却システム５２および蒸気圧縮冷凍サイクル６８は、冷却負荷要求を達成することができないことがある（例えば、冷却負荷要求が冷却負荷要求閾値線１５９を超える場合）。したがって、所望のレベルの冷却を達成するために、空冷式熱交換器５６および蒸気圧縮冷凍サイクル６８のコンプレッサ７０に加えて、第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０の第２のコンプレッサ９１が動作することができる。そのような場合に、冷房システム１２は、第２の混成冷却モード１６０で動作することができる。
外気温度が、閾値温度線１５２を超えて高くなると、自由冷却システム５２は、十分な冷却量を全く供給することなく、エネルギを消費し得る。したがって、１つまたは複数のファン６０に供給される電力を止めて、第１の機械冷却のみのモード１６２を実施することができる。第１の機械冷却のみのモード１６２は、蒸発器６６を流れる冷却流体５８を冷却するために、蒸気圧縮冷凍サイクル６８のコンプレッサ７０を動作させることができる。第１の機械冷却のみのモード１６２は、第２の冷却負荷要求閾値線１６４より下の所望のレベルの冷却を達成することができる。このため、冷却負荷要求が第２の冷却負荷要求閾値線１６４を超えた（かつ、外気温度が温度閾値線１５２を超えた）場合に、コントローラ７８により、第２の機械冷却のみのモード１６６を開始することができる。第２の機械冷却のみのモード１６６は、冷却負荷要求を達成するために、蒸気圧縮冷凍サイクル６８のコンプレッサ７０および第２の蒸気圧縮冷凍サイクル９０の第２のコンプレッサ９１の両方を動作させることができる。
特定の実施形態では、温度閾値線１５２および第２の温度閾値線１５４は、外気温度を表す軸１７０に沿った点１６８で交差することができる。点１６８は、ＬＣＨＬＴを表す点１７２よりも低くすることができ、そのため、冷却流体５８から外気に熱を伝達することができる。
開示した実施形態の１つまたは複数は、単独で、または組み合わせて、自由冷却システムおよび機械冷却システムを含む冷房システムの効率を高めるのに有用な１つまたは複数の技術的効果をもたらすことができる。通常、本開示の実施形態は、自由冷却システムの１つまたは複数のファンが最大速度未満で動作している場合に、機械冷却システムのコンプレッサを動作させることを含む。場合によっては、コンプレッサと自由冷却システムのファンとを最大速度未満の速度で動作させるのは、コンプレッサおよび／またはファンを最大速度で動作させるよりも電力の消費を少なくすることができる。相応して、冷房システムに入力される電力を削減することができ、冷房システムの効率を高めることができる。本明細書における技術的効果および技術的問題は例示であり、限定するものではない。なお、本明細書で説明した実施形態は、他の技術的効果を有することができ、他の技術的問題を解決することができる。
本開示の特定の特徴および実施形態だけが図示および説明されたが、当業者は、特許請求の範囲に記載した対象の新たな教示および利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正および変更（例えば、様々な要素の大きさ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータ（例えば、温度、圧力など）の値、取り付け構成、使用する材料、色、向きなどの変形型）を思いつくことができる。任意のプロセスまたは方法ステップの順序またはシーケンスは、代替の実施形態に応じて変える、または再度順序付けることができる。したがって、当然のことながら、添付の特許請求の範囲は、本開示の真の趣旨の範囲に入るそのようなすべての修正および変更を包含することを意図されている。さらに、例示的な実施形態についての説明を簡潔にするために、実装のすべての特徴について説明してはいない（すなわち、現在考えられる、実施形態を実施する最良の方式に無関係な特徴、または主張した実施形態を可能にするのに無関係な特徴）。当然のことながら、任意のそのような実装の開発に当たって、任意の技術または設計プロジェクトと同様に、実施に特有の様々な決断が行われ得る。そのような開発作業は手間がかかり、時間がかかるが、それでも、当業者が過度の実験を行うことなく本開示の恩恵を受けるための、設計、組み立て、および製造に関する日常業務である。

Claims (25)

  1. 空冷式熱交換器を含む自由冷却システムであって、前記空冷式熱交換器は、前記空冷式熱交換器を流れる冷却剤から熱を取り出すために、空気を前記空冷式熱交換器のコイルを超えて移動させるように構成されたファンを含む自由冷却システムと、
    冷媒ループを含み、前記冷媒ループに沿って、蒸発器、可変速コンプレッサ、および凝縮器が配置された機械冷却システムであって、前記可変速コンプレッサは、冷媒に前記冷媒ループの中を循環させるように構成され、前記蒸発器は、前記冷却剤を受け入れ、前記冷却剤から前記冷媒に熱を伝達するように構成された、機械冷却システムと、
    前記ファンのファン速度を最大で閾値ファン速度まで調整して、前記ファン速度が前記閾値ファン速度に達したときに、前記可変速コンプレッサの動作を開始させるように構成されたコントローラと、
    を含む冷房システムであって、前記ファン速度および前記可変速コンプレッサのコンプレッサ速度は、少なくとも外気温度および冷却負荷要求に基づき、前記閾値ファン速度は、前記ファンの最大速度よりも遅い、冷房システム。
  2. 前記コントローラは、最小エネルギ入力で望ましい冷却負荷要求を達成するために、前記ファン速度および前記コンプレッサ速度を調整するように構成される、請求項１に記載の冷房システム。
  3. 前記自由冷却システム、前記機械冷却システム、および前記コントローラは、単一ユニットとして一括され、そのため、前記冷房システムは自律ユニットである、請求項１に記載の冷房システム。
  4. 前記コントローラは、前記ファン速度が前記閾値ファン速度に達したときに、前記コンプレッサ速度を調整し、前記ファン速度を前記閾値ファン速度に維持するように構成される、請求項１に記載の冷房システム。
  5. 前記閾値ファン速度は、少なくとも前記外気温度および前記蒸発器を出た前記冷却剤の温度の一方または両方に基づいて、前記コントローラによって求められる、請求項１に記載の冷房システム。
  6. 前記コントローラは、前記外気温度が閾値温度に達したときに、前記ファン速度を実質的にゼロに調整するように構成される、請求項１に記載の冷房システム。
  7. 前記冷却剤はグリコールを含む、請求項１に記載の冷房システム。
  8. 前記冷媒ループの前記凝縮器は、空冷式凝縮器を含む、請求項１に記載の冷房システム。
  9. 前記空冷式凝縮器は、前記空気の流れに対して、前記空冷式熱交換器の下流にある、請求項８に記載の冷房システム。
  10. 前記外気温度を観測し、前記外気温度をフィードバックとして前記コントローラに供給するように構成された温度センサを含む、請求項１に記載の冷房システム。
  11. 前記機械冷却システムは、さらなる冷媒ループを含み、さらなる可変速コンプレッサおよびさらなる凝縮器が前記さらなる冷媒ループに沿って配置され、前記さらなる可変速コンプレッサは、さらなる冷媒に前記さらなる冷媒ループの中を循環させるように構成され、前記さらなる冷媒は、前記蒸発器に流入し、前記冷却剤から熱を吸収するように構成される、請求項１に記載の冷房システム。
  12. 前記ファンは可変速ファンである、請求項１に記載の冷房システム。
  13. 自由冷却システムおよび機械冷却システムを動作させる命令を格納するように構成されたメモリと、
    前記命令を実行するように構成されたプロセッサと、
    を含む冷房システムのコントローラであって、前記命令は、
    外気の温度および冷却負荷要求の一方または両方を求めることと、
    少なくとも前記外気の温度および前記冷却負荷要求の一方または両方に基づいて、空冷式熱交換器のファンを第１の速度で動作させることと、
    少なくとも前記外気の温度および前記冷却負荷要求の一方または両方の変化に基づいて、前記ファンの前記第１の速度を調整することと、
    前記第１の速度が閾値速度に達したときに、前記機械冷却システムの可変速コンプレッサの動作を開始させることと、
    を含み、前記可変速コンプレッサは、前記ファンを最大速度で動作させる前に、前記外気の温度、前記冷却負荷要求、および前記ファンの前記第１の速度の１つまたは複数に基づいたコンプレッサ速度で動作するように構成される、冷房システムのコントローラ。
  14. 前記命令は、前記外気の温度が閾値温度に達したときに、前記ファンの前記第１の速度を実質的にゼロに調整することを含む、請求項１３に記載の冷房システム。
  15. 前記命令は、前記外気の温度が前記閾値温度を超えたときに、前記空冷式熱交換器を迂回することを含む、請求項１４に記載の冷房システム。
  16. 前記閾値温度は、負荷から戻った冷却流体の温度よりも低い、請求項１４に記載の冷房システム。
  17. 前記閾値速度は、前記最大速度よりも遅い所定の閾値速度である、請求項１３に記載の冷房システム。
  18. 前記外気温度を観測し、前記外気温度をフィードバックとして前記冷房システムのコントローラに供給するように構成された温度センサを含む、請求項１３に記載の冷房システム。
  19. 前記命令は、前記冷却負荷要求を達成するために、前記ファンの前記第１の速度および前記コンプレッサ速度の一方または両方を調整することを含む、請求項１３に記載の冷媒システム。
  20. 前記命令は、前記望ましい冷却負荷要求を達成するために、前記ファンを前記閾値速度に維持し、前記コンプレッサ速度を調整することを含む、請求項１３に記載の冷媒システム。
  21. 外気の温度および冷却負荷要求の一方または両方を求めることと、
    少なくとも前記外気の温度および前記冷却負荷要求の一方または両方に基づいて、空冷式熱交換器のファンを第１の速度で動作させることと、
    少なくとも前記外気の温度および前記冷却負荷要求の一方または両方の変化に基づいて、前記ファンの前記第１の速度を調整することと、
    前記第１の速度が閾値速度に達したときに、前記機械冷却システムの可変速コンプレッサの動作を開始させることと、
    を含む方法であって、前記可変速コンプレッサは、前記ファンを最大速度で動作させる前に、前記外気の温度、前記冷却負荷要求、および前記ファンの前記第１の速度の１つまたは複数に基づいたコンプレッサ速度で動作するように構成される、方法。
  22. 前記外気の温度が閾値温度に達したときに、前記ファンの前記第１の速度を実質的にゼロに調整することを含む、請求項２１に記載の方法。
  23. 前記外気の温度が前記閾値温度を超えたときに、前記空冷式熱交換器を迂回することを含む、請求項２２に記載の方法。
  24. 前記冷却負荷要求が、閾値冷却負荷要求に達したときに、さらなる可変速コンプレッサのさらなるコンプレッサ速度を調整することを含む、請求項２１に記載の方法。
  25. 前記冷却負荷要求を達成するために、前記コンプレッサ速度を調整しながら、前記ファンの前記第１の速度を調整することを含む、請求項２１に記載の方法。
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