CN110325804B - 用于控制制冷***的***和方法 - Google Patents

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Abstract

披露了一种制冷***，所述制冷***包括：热交换器(204)，其被配置成使冷却流体与工作流体呈热交换关系；自由冷却回路，其具有泵(216)，所述泵被配置成使所述工作流体循环通过所述热交换器和冷凝器(206)；流量控制阀(210)，其被配置成控制所述工作流体到所述冷凝器的流速；冷凝器旁通阀(212)，所述冷凝器旁通阀被配置成控制绕过所述冷凝器的所述工作流体的流速；以及控制器(78)，其被配置成基于环境温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的温度、所述流量控制阀的位置、所述冷凝器旁通阀的位置或其组合来调整所述流量控制阀的所述位置、所述冷凝器旁通阀的所述位置、所述冷凝器的风扇(208)的速度、所述泵的速度以及加热器(218)的温度。

Description

用于控制制冷***的***和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年8月22日提交的标题为“用于控制制冷***的***和方法(Systems and Methods for Controlling a Refrigeration System)”的美国临时专利申请序列号62/378,148的权益和优先权，所述临时专利申请的全部内容通过引用结合在此。
技术领域
本披露内容总体上涉及一种制冷***。具体地，本披露内容涉及一种包括自由冷却***和机械冷却***的制冷***。
背景技术
制冷***用于各种环境并且用于许多目的。例如，制冷***可以包括自由冷却***和机械冷却***。在一些情况下，自由冷却***可以包括液体-空气热交换器，所述热交换器遍及行业使用并且用于许多加热、通风和空调应用中。后面的这些应用包括住宅、商业和工业空调***。另外，机械冷却***可以是蒸气压缩制冷循环，其可以包括冷凝器、蒸发器、压缩机和/或膨胀装置。在蒸发器中，通过从空气流和/或冷却流体(例如，水)中吸取热能来蒸发液体或主要为液体的制冷剂，所述空气流和/或冷却流体还可以流过自由冷却***的液体-空气热交换器。在冷凝器中，制冷剂经历过热减温、冷凝和低温冷却。在一些情况下，制冷***可以调整液体-空气热交换器的风扇的速度和/或机械冷却***中的压缩机的速度，以满足期望的冷却需求。
发明内容
在一个实施例中，一种制冷***包括：热交换器，其被配置成使冷却流体与工作流体呈热交换关系；自由冷却回路，其具有泵，其中所述泵被配置成使所述工作流体循环通过所述自由冷却回路的所述热交换器和冷凝器；所述自由冷却回路的流量控制阀，其被配置成控制引导至所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述工作流体的流速；所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，其被配置成控制绕过所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述工作流体的流速；以及控制器，其被配置成基于环境温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的温度、所述流量控制阀的第一位置、所述冷凝器旁通阀的第二位置或其组合来调整所述流量控制阀的所述第一位置、所述冷凝器旁通阀的所述第二位置、所述冷凝器的风扇的速度、所述泵的速度以及所述自由冷却回路的加热器的温度。
在另一个实施例中，一种或多种有形的非暂态机器可读介质具有处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用于：接收指示环境温度的反馈；将所述环境温度与目标温度进行比较；当所述环境温度小于或等于所述目标温度时，关闭自由冷却回路的流量控制阀并且打开所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，其中所述自由冷却回路被配置成使工作流体循环通过热交换器，所述热交换器使所述工作流体与冷却流体呈热交换关系；在所述流量控制阀已关闭预定量的时间之后，将所述自由冷却回路的所述流量控制阀朝向打开位置调节以将工作流体引导至所述冷凝器；当所述自由冷却回路的所述流量控制阀到达完全打开位置时，将所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀朝向关闭位置调节；以及当所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀到达完全关闭位置时，基于离开所述热交换器的所述冷却流体的第一温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的第二温度或其组合来调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的至少一个风扇的第一速度以及所述自由冷却回路的泵的第二速度。
在另一个实施例中，一种方法包括：接收指示环境温度的反馈；将所述环境温度与目标温度进行比较；当所述环境温度小于或等于所述目标温度时，关闭自由冷却回路的流量控制阀并且打开所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，其中所述自由冷却回路被配置成使工作流体循环通过热交换器，所述热交换器使所述工作流体与冷却流体呈热交换关系；在所述流量控制阀已关闭预定量的时间之后，将所述自由冷却回路的所述流量控制阀朝向打开位置调节以将工作流体引导至所述冷凝器；当所述自由冷却回路的所述流量控制阀到达完全打开位置时，将所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀朝向关闭位置调节；以及当所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀到达完全关闭位置时，基于离开所述热交换器的所述冷却流体的第一温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的第二温度或其组合来调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的至少一个风扇的第一速度以及所述自由冷却回路的泵的第二速度。
附图说明
图1是根据本披露内容的一方面的采用制冷***的商业或工业环境的透视图；
图2是根据本披露内容的一方面的图1的制冷***的透视图，所述制冷***可以包括自由冷却***和机械冷却***两者以提高制冷***的效率；
图3是根据本披露内容的一方面的制冷***的实施例的框图；
图4是根据本披露内容的一方面的包括附加机械冷却***的制冷***的实施例的框图；
图5是根据本披露内容的一方面的包括节能装置、过滤器以及附加阀的制冷***的框图；
图6是根据本披露内容的一方面的可以被利用来提高制冷***的效率的过程的框图；
图7是根据本披露内容的一方面的在制冷***的各种操作模式下环境温度随冷却负载需求变化的图形表示；
图8是根据本披露内容的一方面的可以与制冷***一起被利用的自由冷却***的示意图；
图9是根据本披露内容的一方面的图8的自由冷却***的实施例的透视图；以及
图10是根据本披露内容的一方面的图8的自由冷却***的实施例的透视图。
具体实施方式
本披露内容涉及用于制冷***的增强控制***，所述制冷***包括用于冷却负载的自由冷却***和机械冷却***。如本文中所使用，自由冷却***可以包括使流体与环境空气处于热交换关系的***。因此，自由冷却***可以利用周围环境中的环境空气作为冷却和/或加热流体。制冷***可以单独利用自由冷却***(例如，自由冷却模式)、单独利用机械冷却***(例如，机械冷却模式)、或者同时利用自由冷却***和机械冷却***(例如，混合冷却模式)。为了确定要操作哪个(哪些)***，制冷剂***可以包括测量制冷***的操作条件(例如，风扇速度、压缩机速度、环境空气温度、冷却流体温度)的各种传感器和/或其他监测装置。例如，根据本披露内容的实施例，要操作哪个(哪些)***的确定可以至少取决于期望的冷却负载需求(例如，负载的期望温度)和/或环境空气温度(例如，制冷***的周围环境的温度)。
通常，制冷***在操作机械冷却***之前将自由冷却***的空气流量增加到最大空气流量，因为通常认为自由冷却***比机械冷却***(例如，蒸气压缩制冷循环的压缩机)消耗更少的功率。例如，自由冷却***可以包括将空气朝向热交换器的盘管引导以冷却流过盘管的冷却流体的一个或多个风扇。为了使风扇操作，向一个或多个风扇供应功率，使得空气可以流过盘管并且从冷却流体中吸收热量。可以通过控制盘管旁通阀与运行一些定速风扇来调整由自由冷却***执行的自由冷却的量。
机械冷却***可以包括一个或多个蒸气压缩制冷循环，其中每个蒸气压缩制冷循环包括蒸发器、压缩机、冷凝器和/或膨胀装置。制冷剂可以经由压缩机被引导通过机械冷却***(例如，制冷剂回路)，所述压缩机也可以由变速驱动装置供电。联接到压缩机的变速驱动装置可以实现控制压缩机的速度，并因此控制由蒸气压缩制冷循环执行的冷却量。
通常，制冷***在向机械冷却***的压缩机供应功率之前以最大能力(例如，最大风扇速度)操作自由冷却***，因为认为自由冷却***的风扇比机械冷却***的压缩机消耗更少的功率。另外，当向机械冷却***的一个或多个压缩机供应功率时，传统制冷***可以继续以最大能力(例如，以最大风扇速度)操作自由冷却***。当前实施例试图通过增加自由冷却***的风扇的速度最高达阈值速度来使输入到整个制冷***(例如，自由冷却***和机械冷却***)的功率量最小化，其中阈值速度低于风扇的最大速度(例如，风扇在物理上无法超过的速度)。在一些情况下，当风扇达到阈值速度时(或者在风扇达到阈值速度之前)，可以向机械冷却***的压缩机供应功率。以这种方式操作制冷***可以使供应到***的功率量最小化，从而提高制冷***的效率。
现在转到附图，图1描绘了制冷***的示例性应用。通常，此类***可以应用于加热、通风、空调和制冷(HVAC&R)领域内以及所述领域之外的一系列环境。制冷***可以通过蒸气压缩制冷、吸收制冷和/或热电冷却来为数据中心、电气装置、冷冻器、冷却器或其他环境提供冷却。然而，在目前预期的应用中，制冷***还可以用于住宅、商业、轻工业、工业、以及任何其他用于加热或冷却诸如住宅、建筑物、结构等空间或场地的应用。此外，制冷***可以用于工业应用，在适当情况下用于各种流体的基本制冷和加热。
图1展示了示例性应用，在这种情况下是用于建筑物环境管理的可以采用一个或多个热交换器的加热、通风、空调和制冷***(HVAC&R)。例如，建筑物10由包括制冷***12和锅炉14的***来冷却。如图所示，制冷***12布置在建筑物10的屋顶上并且锅炉14位于地下室中；然而，制冷***12和锅炉14可以位于建筑物10旁边的其他设备房间或区域中。制冷***12是实施制冷循环来冷却水(或另一冷却流体，诸如乙二醇)的空气冷却装置和/或机械冷却***。制冷***12容纳在单个结构内，所述单个结构可以包括机械冷却回路、自由冷却***、以及相关联的设备、诸如泵、阀和管路。例如，制冷***12可以是并入了自由冷却***和机械冷却***的单个封装式屋顶单元。锅炉14是包括用于加热水的炉子的密闭容器。来自制冷***12和锅炉14的水(或另一冷却流体)通过水管16在建筑物10中循环。水管16被引导到位于各个楼层上和建筑物10的部分内的空气处理机18。
空气处理机18联接到管道***20，所述管道***被适配用于在空气处理机18之间分配空气并且可以从外部进气口(未示出)接收空气。空气处理机18包括热交换器，所述热交换器使来自制冷***12的冷水和来自锅炉14的热水循环以提供加热或冷却的空气。空气处理机18内的风扇吸引空气穿过热交换器的盘管，并且将经调节的空气引导至建筑物10内的环境，诸如房间、公寓或办公室，以将环境维持在指定温度。这里示出为包括恒温器22的控制装置可以用于指定经调节的空气的温度。控制装置22还可以用于控制穿过和来自空气处理机18的空气流量。当然，***中可以包括其他装置，诸如调节水流量和压力的控制阀和/或感测水、空气等的温度和压力的温度传感器或开关。此外，控制装置可以包括与其他建筑物控制或监测***(包括远离建筑物10的***)集成和/或分离的计算机***。应当注意，虽然水被讨论为冷却流体，但在制冷***12中可以利用任何合适的冷却流体。
根据本披露内容的实施例，制冷***12可以包括可以被修改和/或增强来包括自由冷却***的机械冷却***。例如，图2是制冷***12的透视图，所述制冷***可以包括机械冷却***(例如，蒸气压缩制冷循环)和自由冷却***两者以提高整个制冷***12的效率。在某些实施例中，制冷***12的机械冷却***可以是由江森自控公司(JohnsonControls Incorporated)提供的类似于YVAA冷冻机的空冷式变速螺杆式冷冻机。例如，机械冷却***可以是具有变速冷凝器风扇(例如，可以与一个或多个空冷式热交换器一起使用的风扇)的双回路变速螺杆式冷冻机。另外，制冷***12可以包括自由冷却***，可以单独利用所述自由冷却***或者与机械冷却***(例如，蒸气压缩制冷循环)相组合地利用。
在某些实施例中，制冷***12可以包括控制***，所述控制***被配置成基于环境空气(例如，制冷***的周围环境中的空气)的温度和/或冷却负载需求(例如，负载所需的冷却量)来确定是否(以及如何)操作机械冷却***和/或自由冷却***。因此，制冷***12可以仅操作机械冷却***(例如，机械冷却模式)、仅操作自由冷却***(例如，自由冷却模式)、或者同时操作机械冷却***和自由冷却***(例如，混合冷却模式)以满足冷却负载需求。
如以上讨论，可能期望最小化输入到制冷***12的能量的量，以便最大化制冷***12的效率。在典型的制冷***中，自由冷却***的风扇速度可以在机械冷却***的压缩机启动之前被最大化，以便实现期望的冷却负载。然而，现在认识到，在达到风扇的最大速度之前启动机械冷却***压缩机可以比在启动机械冷却***压缩机之前以最大速度操作风扇消耗更少的能量。
例如，图3是可以根据本披露内容的实施例利用的制冷***12的框图。如所展示的实施例所示，制冷***12包括自由冷却***52和机械冷却***54(例如，一个或多个蒸气压缩制冷循环)。自由冷却***52可以包括空冷式热交换器56，所述空冷式热交换器可以接收并冷却冷却流体58(例如，水和/或乙二醇)。例如，空冷式热交换器56可以沿着由一个或多个风扇60产生的空气流动路径59定位，所述一个或多个风扇引导空气通过空冷式热交换器56的盘管。当环境空气处于相对较低的温度时，被引导过盘管的空气可以从冷却流体58中吸收热量，由此降低冷却流体58的温度并且增加流过空冷式热交换器56的盘管的环境空气的温度。在某些实施例中，冷却流体58可以由空冷式热交换器56从负载62接收。因此，冷却流体58可以最终被朝向负载62重新引导以降低负载62的温度(例如，可以被引导穿过建筑物或机器的空气或流体)。
然而，当环境空气的温度相对较高时，自由冷却***52可能不会同样有效。例如，冷却流体58与空冷式热交换器56中的环境空气之间发生的热传递的量可以随着环境空气的温度升高而降低(例如，当环境空气相对温热时，环境空气可能不会从冷却流体58中吸收同样多的热量)。因此，制冷***12可以包括三通阀64，所述三通阀控制可以流向自由冷却***52的冷却流体58的量。例如，当环境空气温度充分低于从负载62回流的冷却流体58的温度时，三通阀64可以阻止冷却流体58直接流向机械冷却***54的蒸发器66并且同时使其能够流过空冷式热交换器56，使得自由冷却供应冷却负载需求的至少一部分。冷却流体58随后可以流过蒸发器66，所述蒸发器可以进一步对冷却流体58进行冷却。
如图3所展示的实施例所示，三通阀64可以接收来自泵65的冷却流体58，并且在将冷却流体58的流动直接从负载62朝向蒸发器66引导或从空冷式热交换器56朝向蒸发器66引导之间做出选择。在某些实施例中，三通阀64可以包括一个三通和两个双通蝶阀，所述蝶阀机械地联接到可以调整阀的位置的致动器(例如，在一个蝶阀关闭时另一个蝶阀打开)。应当注意，尽管在图3的实施例中，三通阀64位于空冷式热交换器56的上游，但在其他实施例中，三通阀64可以位于空冷式热交换器56的下游。在其他实施例中，三通阀64可以被配置成同时供应并控制冷却流体58直接从负载62流到空冷式热交换器56并流到蒸发器66。
当自由冷却能够提供基本上全部的冷却负载需求时(例如，当环境空气温度低于阈值温度时)，机械冷却***54不操作。这样，冷却流体58流过蒸发器66而不经历显著的温度变化(例如，基本上没有热量从蒸发器66中的冷却流体58传递)。在一些实施例中，制冷***12可以包括旁通阀67，所述旁通阀用于使冷却流体58(或冷却流体58的一部分)能够绕过蒸发器66。在某些实施例中，绕过蒸发器66可以基本上避免冷却流体58在流过蒸发器66时经历的压降。
当自由冷却不能提供基本上所有的冷却负载需求时，可以启动机械冷却***54(例如，单独操作或与自由冷却***52同时操作)。在某些实施例中，机械冷却***54可以是蒸气压缩制冷循环68，其包括蒸发器66、压缩机70、冷凝器72和/或膨胀装置74以及其他部件。例如，机械冷却***54可以被配置成使制冷剂76循环，所述制冷剂可以经由与冷却流体58的热传递(例如，冷却流体58将热能传递到蒸发器66中的制冷剂76)而在蒸发器66中蒸发(例如，汽化)。因此，热量可以从冷却流体58传递到蒸发器66内的制冷剂76，由此降低冷却流体58的温度(例如，代替或补充自由冷却***52)。在某些实施例中，冷却流体58和/或制冷剂76可以包括乙二醇(或乙二醇和水的混合物)。在一些实施例中，冷凝器72的一组或多组盘管可以包括微通道盘管。
空冷式热交换器56可以包括圆管板翅式盘管，其具有内部增强管和百叶窗翅片以改善热传递。蒸发器66可以是铜焊板式直接膨胀(DX)壳管式热交换器、满溢式管壳式热交换器、降膜壳管式热交换器、混合降膜和满溢式热交换器、或它们的任何组合。对于利用DX蒸发器的实施例，制冷剂在管侧上，并且制冷剂可以多次通过蒸发器(例如，两次、三次、四次或更多次)。对于利用制冷剂在壳侧上的蒸发器的实施例，水或乙二醇可以流过管道一次、两次、三次或更多次。
离开蒸发器66的制冷剂76可以流向压缩机70，所述压缩机被配置成使制冷剂循环通过蒸气压缩制冷循环68。另外，随着制冷剂76循环(例如，轮回)通过蒸气压缩制冷循环68，压缩机70可以增加制冷剂76的压力。增加制冷剂76的压力还可以增加制冷剂76的温度，使得离开压缩机70的制冷剂76的温度高于进入压缩机70的制冷剂76的温度。因此，可能期望降低制冷剂76的温度，使得它最终可以从蒸发器66中的冷却流体58吸收热量。
因此，离开压缩机70的制冷剂76可以流向冷凝器72。在某些实施例中，机械冷却***54的冷凝器72可以是空冷式热交换器，类似于自由冷却***52的空冷式热交换器56。在冷凝器72是空冷式热交换器的实施例中，冷凝器72可以与空冷式热交换器56共用风扇60。如图3所展示的实施例所示，冷凝器72可以相对于空气流动路径59位于空冷式热交换器56的下游，使得冷却流体58可以在自由冷却期间接近环境温度。在其他实施例中，冷凝器72可以包括与风扇60分开的风扇77(例如，图4和图5)。在其他实施例中，机械冷却***54的冷凝器72可以是被配置成将热量从制冷剂76传递到另一介质(例如，水、空气)的任何合适的热交换器。在任何情况下，冷凝器72被配置成降低制冷剂76的温度并且总体将制冷剂76液化(例如，冷凝)。
在某些实施例中，机械冷却***54还可以包括膨胀装置74，所述膨胀装置可以进一步降低制冷剂76的温度，并且降低制冷剂76的压力。膨胀装置74可以包括膨胀阀、闪蒸罐、膨胀盘管、或任何其他被配置成降低制冷剂76的压力(并且降低制冷剂76的温度)的装置。在其他实施例中，机械冷却***54可以不利用膨胀装置74。
如上所讨论，冷却流体58可以通过流过自由冷却***52和/或机械冷却***54的蒸发器66来降低温度。然而，当冷却负载需求(例如，负载62的预定和/或期望温度和/或离开蒸发器66的冷却流体58的预定温度)超过自由冷却***52独自可以提供的量时，自由冷却***52和机械冷却***54可以同时操作(例如，混合冷却模式)。因此，冷却流体58可以被引向自由冷却***52的空冷式热交换器56，其中冷却流体58的温度可以从第一温度降低到第二温度(例如，第二温度低于第一温度)。另外，冷却流体58可以在离开空冷式热交换器56后被引向机械冷却***54的蒸发器66。在混合冷却模式期间，冷却流体58的温度可以进一步从第二温度降低到第三温度(例如，第三温度低于第二温度，并因此低于第一温度)。在离开蒸发器66后，冷却流体58可以被引向负载62，其中可以利用冷却流体58来冷却负载62。
在某些实施例中，冷却流体58的第一部分可以被引向自由冷却***的空冷式热交换器56，而冷却流体58的第二部分可以被引向机械冷却***54的蒸发器66(例如，经由三通阀64)。在其他实施例中，通常所有的冷却流体58可以在进入蒸发器66之前流过空冷式热交换器56或者直接流过蒸发器66。
制冷***12可以包括控制器78，所述控制器可以调整三通阀64的位置、旁通阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77(例如，图5)的速度、压缩机70的速度、和/或任何其他可能会影响供应给负载62的冷却流体58的温度的操作条件。因此，制冷***12可以包括一个或多个传感器，所述一个或多个传感器可以监测制冷***12的操作条件。例如，制冷***12可以包括回流冷却流体温度传感器81、供应冷却流体温度传感器83、抽吸压力传感器85、排放压力传感器87、和/或环境温度传感器89。温度和/或压力传感器可以向控制器78提供反馈，所述控制器随后可以基于从一个或多个传感器接收的反馈来调整三通阀64的位置、阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77(图5)的速度、和/或压缩机70的速度。
在某些实施例中，控制器78可以包括处理器80和存储器82。例如，控制器78可以包括存储在机器可读介质(例如，存储器82)中的非暂态代码或指令，所述非暂态代码或指令由处理器(例如，处理器80)使用来实施本文中披露的技术。存储器82可以存储可以由处理器80执行的计算机指令。另外，存储器82可以存储与制冷***12的预定操作条件有关的实验数据和/或其他值。控制器78可以监测并控制制冷***12的操作，例如通过基于从一个或多个传感器接收的反馈来调整三通阀64的位置、阀67的位置、一个或多个风扇60的速度、一个或多个风扇77的速度、和/或压缩机70的速度。制冷***12的控制器78可以被配置成执行可以提高制冷***12的效率的指令。本文中参考图6更详细地讨论此类指令。
图4是制冷***12的框图，其中机械冷却***54包括第二蒸气压缩制冷循环90。第二蒸气压缩制冷循环90可以包括第二压缩机91、第二冷凝器92、以及第二膨胀装置93。另外，第二蒸气压缩制冷循环90可以被配置成在冷却负载需求相对较高时将制冷剂94引导通过蒸发器66以提供附加的冷却。第二蒸气压缩制冷循环90可以被配置成以与蒸气压缩制冷循环68基本相同的方式操作，以向蒸发器66提供冷却的制冷剂94，其中冷却的制冷剂94可以从冷却流体58吸收热量。在一些实施例中，制冷剂94可以是与制冷剂76相同的流体(例如，水、乙二醇，和/或水和乙二醇的混合物)。在其他实施例中，制冷剂94可以与制冷剂76不同。
如图4所示，两个制冷剂回路68和90共用单个蒸发器66。在这个实施例中，蒸发器66包括制冷剂在壳侧上并且水或乙二醇在管侧上的壳管式热交换器。分隔件95将两个制冷剂回路68和90分开并且充当两个回路68和90之间的管板。在其他实施例中，当制冷***12中包括多个制冷剂回路68和90时，可以利用DX蒸发器或铜焊板式蒸发器。
如图4所展示的实施例所示，第二冷凝器92可以定位在与冷凝器72分开的空气流动路径96中。第二空冷式热交换器97可以沿空气流动路径96定位并且与第二冷凝器92共用风扇98。在这个实施例中，空气流59从周围环境中被抽出、通过空冷式热交换器59、冷凝器72和风扇60，并且随后向上排放(例如，离开制冷***12)。同样，空气流动路径96从周围环境中被抽出、通过第二空冷式热交换器97、第二冷凝器92和风扇98，并且随后向上排放(例如，离开制冷***12)。在其他实施例中，冷凝器72、第二冷凝器92和空冷式热交换器56可以以任何合适的布置来定位，以满足冷却负载需求。在其他实施例中，冷凝器72、第二冷凝器92和空冷式热交换器56中的一个或多个可以共用风扇(例如，冷凝器72、第二冷凝器92和/或空冷式热交换器56位于相同的空气流动路径中)，使得环境空气流过处于串流配置的空冷式热交换器56、冷凝器72、第二冷凝器92以及风扇60。
另外，控制器78可以通信地耦合到第二抽吸压力传感器99和第二排放压力传感器100，以监测进入和离开第二压缩机91的制冷剂94的压力。在一些实施例中，进入和离开第二压缩机91的制冷剂94的压力可以使控制器78能够确定是否提高和/或降低第二压缩机91的速度。
制冷***12可以另外包括节能装置101、过滤器102、油分离器104和/或附加阀，所述附加阀可以提供增强的控制和冷却负载62的能力，并且从而提高制冷***12的效率。例如，图5是包括此类附加装置的制冷***12的框图。如图5所展示的实施例所示，蒸气压缩制冷循环68包括节能装置101。节能装置101可以包括膨胀装置74以及闪蒸罐106。在某些实施例中，闪蒸罐106可以在相对低的压力和低温下从膨胀装置74接收制冷剂76。闪蒸罐106可以是被配置成甚至进一步快速地降低制冷剂76的压力来将任何蒸气制冷剂与冷凝制冷剂分开的容器。因此，由于闪蒸罐106内的快速膨胀，制冷剂76的第一部分可以蒸发(例如，从液体变成蒸气)。在一些实施例中，蒸发的制冷剂76的第一部分可以绕过蒸发器66并且经由旁通回路107被引向压缩机70。另外，制冷剂76的第二部分可以保持液体形式并收集在闪蒸罐106的底部108处。在一些实施例中，阀110可以被包括在闪蒸罐106的下游且在蒸发器66的上游，使得可以基于制冷***12的其他操作条件来调整制冷剂76的第二部分的流量。例如，当冷凝器72将制冷剂76的温度降低至一定水平，使得离开闪蒸罐106的第一部分显著小于第二部分时，可以调整阀110来增加被引向蒸发器66的制冷剂76的第二部分的流量，使得更多的致冷剂76在蒸发器66中蒸发并被引向压缩机70。
另外，闪蒸罐106可以包括液位传感器111，所述液位传感器可以监测在闪蒸罐106的底部108中收集到的制冷剂76的第二部分(例如，液体部分)的量。液位传感器111可以通信地耦合到控制器78，以向控制器78提供关于闪蒸罐106中收集到的液体的量的反馈。在某些实施例中，控制器78可以被配置成基于从液位传感器111接收的反馈来执行输出、功能或命令。例如，在某些实施例中，三通阀112可以位于冷凝器72与节能装置101之间。因此，当闪蒸罐106中的液位高于阈值水平时，可以调整三通阀112来沿着旁通回路113将制冷剂76引向蒸发器66，由此绕过节能装置101(例如，制冷剂的温度太低，并且因此由节能装置101提供的附加冷却可能是不期望的)。另外，当闪蒸罐106中的液位低于预定水平时，三通阀112可以通过关闭旁通回路113来使全部或大部分制冷剂76在节能装置101中引起附加冷却。
如图5所展示的实施例所示，蒸气压缩制冷循环68还可以包括沿旁通回路107布置的止回阀115，所述止回阀可以阻止制冷剂76的第一部分从压缩机70流向闪蒸罐106。因此，制冷剂76的第一部分(例如，蒸气制冷剂)可以从闪蒸罐106被引向压缩机70，其中制冷剂76的第一部分的压力可以增加。另外，由于止回阀115，制冷剂76的第一部分可以被阻止从压缩机70往回流向闪蒸罐106。另外地或替代地，阀116可以被包括在闪蒸罐106与压缩机70之间，使得制冷剂76的第一部分的流量可以由控制器78调整(例如，经由被配置成调整阀116的位置的致动器)。可能期望控制制冷剂76的第一部分从闪蒸罐106流向压缩机70的流量，因为压缩机70可以包括管理可以被压缩的制冷剂76的速率的预定能力(例如，基于压缩机速度)。因此，当压缩机70接近预定能力时，控制器78可以调整阀116来减小制冷剂76的第一部分流向压缩机70的流速。类似地，当压缩机通常以低能力操作时，控制器78可以调整阀116来增加制冷剂76的第一部分流向压缩机70的流量。
另外，蒸气压缩制冷循环68可以包括过滤器102，所述过滤器可以被利用来从制冷剂76中去除污染物。在某些实施例中，酸和/或油可以与循环通过蒸气压缩制冷循环68的制冷剂76混合。因此，过滤器102可以被配置成从制冷剂76中去除此类污染物，使得进入膨胀装置74、闪蒸罐106、压缩机70和/或蒸发器66的制冷剂76包括最少的污染物。
蒸气压缩制冷循环68还可以包括油分离器104，例如，所述油分离器可以位于压缩机70的下游且在冷凝器72的上游。油分离器104可以被利用来去除在制冷剂76流过压缩机70时可能收集在所述制冷剂中的油。因此，在油分离器104内去除的任何油可以经由再循环回路117从油分离器104回流到压缩机70。另外，从制冷剂76中去除的油可以收集在油分离器104内。这样，阀118可以沿着再循环回路117定位以控制流向压缩机70的油的流量和/或压力。因此，回流到压缩机70的油的量可以由控制器78调整(例如，经由被配置成调整阀118的位置的致动器)。在某些实施例中，油分离器104可以是闪蒸器、膜分离器、或任何其他被配置成将油与制冷剂76(例如，水和/或乙二醇)分离的装置。
另外，阀119可以定位在压缩机70与油分离器104之间，以控制流向油分离器104的制冷剂76的量。在一些情况下，油分离器104可以包括油位监测装置(例如，油位传感器120)，所述油位监测装置可以使控制器78和/或操作员能够确定在油分离器104中收集了多少油。当油分离器104中的油量超过预定阈值水平时，控制器78可以调整阀119的位置来减少制冷剂76流向油分离器104的流量。在一些实施例中，控制器78还可以调整阀118的位置来增加从油分离器104回流到压缩机70的油的量。因此，油分离器104中的油位可以降低，从而使得更多的制冷剂76能够流向油分离器104并因此流向冷凝器72。尽管本讨论集中于蒸气压缩制冷循环68，但应注意，第二蒸气压缩制冷循环90还可以包括节能装置、过滤器、油分离器、和/或参考图5讨论的附加阀和部件。
为了提高制冷***12的效率，可能期望在一个或多个风扇60达到最大速度(例如，一个或多个风扇60无法再更快地旋转所处的速度和/或由制造商指定的预定最大速度)之前操作压缩机70(和/或第二压缩机91)。在一些情况下，在一个或多个风扇60达到最大速度之前操作压缩机70(和/或第二压缩机91)可以提高制冷***12的效率。例如，图6是可以被利用来提高制冷***12的效率的过程130的框图。
在框132处，控制器78可以确定环境空气(例如，制冷***12的周围环境中的空气)的温度和/或冷却负载(例如，负载62)需求。例如，控制器78可以通信地耦合到监测环境空气温度的环境空气温度传感器89。另外，控制器78可以通信地耦合到回流冷却流体温度传感器81和/或供应冷却流体温度传感器83以确定冷却负载需求。如本文中所使用，环境空气温度可以是制冷***12周围的环境中的空气的温度。另外，冷却负载需求可以基于负载62的预定或期望温度(例如，从用户界面接收的温度)与负载62的实际温度(例如，从监测负载62的传感器接收的温度)之间的差异，和/或供应到负载62或从所述负载回流的冷却流体58的期望温度(例如，从用户界面接收)与供应到负载62或从所述负载回流的冷却流体58的实际温度(例如，从回流冷却流体温度传感器82或供应冷却流体温度传感器83接收的温度)之间的温差。
在框134处，控制器78可以被配置成以至少基于环境空气的温度和/或冷却负载需求的第一速度来操作空冷式热交换器56的一个或多个风扇60。因此，控制器78可以被配置成基于从一个或多个传感器接收的反馈来(例如，经由处理器80)计算风扇的第一速度。一个或多个风扇60的第一速度可以随着冷却负载需求增加和/或环境空气温度升高而增加。相反，第一速度可以随着冷却负载需求降低(例如，当冷却时，在负载的实际温度小于负载的预定温度的情况下)和/或当环境空气温度降低时降低。
在某些实施例中，一个或多个风扇60可以包括最大速度(例如，一个或多个风扇60在物理上无法超过的速度)。然而，现在认识到，可能不期望将一个或多个风扇60的速度提高到最大速度。而是，当环境空气温度升高时和/或当冷却负载需求增加时，操作和/或增加压缩机70的压力可以减少输入到制冷***12的功率。因此，控制器78的存储器82可以被配置成计算(例如，使用算法)一个或多个风扇60的阈值速度，所述阈值速度可以低于一个或多个风扇60的最大速度。例如，一个或多个风扇60的阈值速度可以在最大速度的50％与99％之间、在最大速度的70％与95％之间、或者在最大速度的80％与90％之间。在一些实施例中，控制器78可以利用下面的方程式1来计算单自由冷却模式期间的阈值风扇速度。
阈值速度＝{[d1×(ECHLT-T环境)2]+d0}×风扇因子1 (1)
在方程式1中，d1和d0可以表示特定于空冷式热交换器56的预定因子。另外，ECHLT表示进入的冷冻液体温度(ECHLT)或从蒸发器66引向负载62的冷却流体58的温度(例如，从供应冷却流体温度传感器83接收的温度)。T环境是环境空气温度，并且风扇因子1是可以特定于空冷式热交换器56的可编程因子。
对于单自由冷却模式下的操作，控制器调节风扇速度以将离开的冷冻液体温度维持在预定的设定值附近。随着负载和/或环境温度升高，控制器提高风扇60的速度直到它们达到阈值速度。在阈值速度下，控制器78可以阻止一个或多个风扇60的速度增加超过阈值速度。导致离开的冷冻水温度相应地增加到设定值以上的负载或环境温度的任何进一步升高或者其他操作条件会导致控制器启动一个或多个压缩机的操作。如方程式1所示，对于各种操作条件，阈值速度可以不同(例如，对于环境空气温度和/或冷却负载的各种组合有不同的阈值速度)。压缩机70(和/或第二压缩机91)的速度可以由控制器78使用本领域已知的算法来确定，使得冷却负载需求可以由制冷***12实现。
当一个或多个风扇60达到阈值速度时，控制器78也可以被配置成以第一压缩机速度来操作机械冷却***54的压缩机70(和/或第二压缩机91)，如框136所示。在某些实施例中，压缩机70的第一压缩机速度可以是实现冷却负载需求并且也减少输入到制冷***12的能量的量(例如，输入最小量的能量)的速度。另外，控制器78可以被配置成当压缩机70(和/或第二压缩机91)正在操作时确定一个或多个风扇60的第二速度。换句话说，当压缩机70操作时，可能不期望继续以阈值速度操作一个或多个风扇。例如，控制器78可以被配置成基于方程式2来确定第二速度。
第二速度＝b1×每个风扇的单位总负载+b2×风扇因子2 (2)
因此，第二速度(例如，在混合操作模式期间一个或多个风扇60的速度)可以基于每个风扇的单位总负载(例如，由一个或多个风扇60中的风扇执行的自由冷却和机械冷却的量)。因此，控制器78可以被配置成确定每个风扇的单位总负载，所述单位总负载可以基于进入的冷冻液体温度(ECHLT)、环境温度(T环境)、每个风扇的自由冷却能力、每个风扇的机械冷却能力、以及制冷***12中包括的风扇的数量等等。可以预先确定因子b1、b2和风扇因子2，以便基于实验数据和/或基于制冷***12特有的信息(例如，由制造商提供)来使(多个)压缩机70和/或91以及风扇60的总能量使用最小化。可以根据由压缩机70和/或91提供的机械冷却能力加上从空冷式热交换器56提供的自由冷却能力来估计每个风扇的单位总负载。
第二速度表示可以使压缩机70和/或91以及风扇60的总能量使用最小化的估计的风扇速度。在一些情况下，可能期望基于第二速度来调整特定制冷剂回路68和/或90的风扇速度，以将压缩机油压、压缩机抽吸压力、压缩机排放压力和/或其他操作条件维持在可接受的控制范围内。
在某些实施例中，当一个或多个风扇60达到阈值速度时，当环境空气温度达到预定值时，和/或当冷却负载需求达到预定值时，压缩机70可以进行操作。因此，控制器78可以基于离开的冷冻液体温度、一个或多个风扇60的第二速度、环境空气温度和/或冷却负载需求来确定压缩机70的第一压缩机速度(和/或第二压缩机91的速度)。在其他实施例中，压缩机70(和/或第二压缩机91)可以不进行操作，直到一个或多个风扇60达到阈值速度。在任何情况下，同时以低于最大速度操作一个或多个风扇60和压缩机70可以减少制冷***12消耗的功率量，这可以提高制冷***的效率。
在一些情况下，操作条件(例如，环境空气温度和/或冷却负载需求)可以在制冷***的操作期间改变。因此，在框138处，控制器78可以被配置成调整一个或多个风扇60的速度、压缩机70的压缩机速度和/或第二压缩机91的压缩机速度以便应对操作条件的变化。另外，控制器78可以被配置成在制冷***12的不同操作模式之间切换(例如，参见图7)。作为非限制性示例，当制冷***12位于室外环境中时，环境空气温度可能在夜间降低并且在白天升高(例如，由于有阳光或缺少阳光)。因此，在利用空冷式热交换器56的一个或多个风扇60和压缩机70的混合冷却操作模式期间，控制器78可以被配置成在晚上将一个或多个风扇60的速度从第一速度降低至第二速度(例如，第二速度小于第一速度)和/或将压缩机70的压缩机速度从第一压缩机速度降低至第二压缩机速度(例如，第二压缩机速度小于第一压缩机速度)。类似地，由于环境空气温度在白天增加，因此控制器78可以被配置成将一个或多个风扇60的速度从第一速度和/或第二速度增加至第三速度(例如，第三速度大于第一速度和/或第二速度)和/或将压缩机70的压缩机速度从第一压缩机速度和/或第二压缩机速度增加至第三压缩机速度(例如，第三压缩机速度大于第一压缩机速度和/或第二压缩机速度)。
另外，控制器78可以被配置成在冷却负载需求增加和/或减少时调整一个或多个风扇60的速度和/或压缩机70(和/或第二压缩机91)的速度。在任何情况下，控制器78可以被配置成通过计算基本上或总体上使输入到制冷***12的功率量最小化(例如，参见方程式2)的一个或多个风扇60的速度和压缩机70的压缩机速度(和/或第二压缩机91的速度)的组合来确定一个或多个风扇60的速度和压缩机70(和/或第二压缩机91)的压缩机速度。因此，制冷***12的效率可以提高。
图7是在制冷***12的各种操作模式下环境空气温度随冷却负载需求变化的图形表示150。图形表示假设恒定的离开冷冻液体温度(LCHLT)(例如，从回流冷却液体温度传感器81接收的温度)和流速。因此，图形图示150示出了至少基于环境空气温度和冷却负载需求，制冷***12何时可以在给定的模式下操作。如图7所展示的实施例所示，当环境空气温度低于阈值温度线152时，可以操作自由冷却***52。在某些实施例中，基于测量的回流冷冻液体温度、测量的环境空气温度和/或其他操作参数，阈值温度线152可以表示自由冷却可以仍然有效地从冷却流体58吸收热量的环境空气温度。此外，当环境空气温度低于第二阈值温度线154时，制冷***12可以在单自由冷却模式156下操作。第二阈值温度线154可以表示可以在不利用机械冷却***54的情况下和/或在不以超出阈值速度操作一个或多个风扇60的情况下实现冷却负载需求所处的环境空气温度。
当环境空气温度超过第二阈值温度线154但低于阈值温度线152时，控制器78可以被配置成以第一混合冷却模式158操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70。在第一混合冷却模式158下，由自由冷却***52和蒸气压缩制冷循环68执行的冷却量实现了冷却负载需求。然而，在一些情况下，环境空气温度可能低于阈值温度线152，而自由冷却***52和蒸气压缩制冷循环68也许不能实现冷却负载需求(例如，当冷却负载需求超过冷却负载需求阈值线159时)。因此，除了蒸气压缩制冷循环68的空冷式热交换器56和压缩机70之外，第二蒸气压缩制冷循环90的第二压缩机91也可以进行操作以实现期望的冷却水平。在此类情况下，制冷***12可以在第二混合冷却模式160下操作。
当环境空气温度升高到阈值温度线152以上时，自由冷却***52可以消耗能量但不提供任何大量的冷却。因此，可以阻止供应到一个或多个风扇60的功率，并且可以执行第一单机械冷却模式162。第一单机械冷却模式162可以操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70来冷却流过蒸发器66的冷却流体58。第一单机械冷却模式162可以实现低于第二冷却负载需求阈值线164的期望冷却水平。因此，当冷却负载需求超过第二冷却负载需求阈值线164(并且环境空气温度超过温度阈值线152)时，可以由控制器78启动第二单机械冷却模式166。第二单机械冷却模式166可以操作蒸气压缩制冷循环68的压缩机70和第二蒸气压缩制冷循环90的第二压缩机91两者，以便实现冷却负载需求。
在某些实施例中，温度阈值线152和第二温度阈值线154可以沿着代表环境空气温度的轴线170在点168处相交。点168可以小于代表LCHLT的点172，使得热量可以从冷却流体58传递到环境空气。
图8是可以被利用来补充或代替空冷式热交换器56的自由冷却回路200的实施例的示意图。自由冷却回路200使冷却流体58与自由冷却回路200的工作流体202呈热交换关系。例如，制冷***12可以包括热交换器204，所述热交换器可以使得能够在冷却流体58与自由冷却回路200的工作流体202之间传递热能。在一些实施例中，冷却流体58可以连续地流过热交换器204(例如，当热交换器204代替三通阀64或者被定位在三通阀64的上游或下游时)。在其他实施例中，可以使用三通阀64选择性地将冷却流体58引导至热交换器204(例如，热交换器204代替空冷式热交换器56或者被定位在空冷式热交换器56的上游或下游)。在一些实施例中，工作流体202是乙二醇、水和乙二醇的混合物和/或另一种合适的流体。自由冷却回路200可以引导工作流体202通过冷凝器206，所述冷凝器使工作流体202与空气流208呈热交换关系。因此，冷却流体58可以通过自由冷却回路200间接地将热能传递到空气流208。
在一些实施例中，自由冷却回路200包括流量控制阀210(例如，蝶阀或者被配置成控制流体的流速的另一阀)、冷凝器旁通阀212(例如，蝶阀或者被配成控制流体的流速的另一阀)、止回阀214、泵216和/或一个或多个加热器218。加热器218被配置成在由泵216、冷凝器旁通阀212、热交换器204和连接管路形成的环路中将工作流体202的温度维持在目标温度。因此，即使当环境温度低于冰点时，环路中的工作流体202的温度也高于冰点。这样，当泵启动时，热交换器将不会经受低于冰点的温度。在一些实施例中，可以在环路的部件周围进行隔热，以最小化加热器218的大小并且在环路内提供均匀温度。工作流体可以从热交换器204流到第一三通接头220。流量控制阀210和/或冷凝器旁通阀212可以进行调整以将工作流体202从三通接头220引导至冷凝器206、返回至热交换器204、或者引导至冷凝器206和热交换器204两者。例如，当流量控制阀210打开并且冷凝器旁通阀212关闭时，工作流体202可以流到冷凝器206。类似地，当流量控制阀210关闭并且冷凝器旁通阀212打开时，工作流体202可以朝向热交换器204流回，从而绕过冷凝器206。当流量控制阀210和冷凝器旁通阀212两者都打开(或者部分地打开)时，工作流体202可以被引向冷凝器206并且朝向热交换器204返回，使得来自冷凝器206的工作流体202和来自冷凝器旁通阀212的工作流体202在第二三通接头221处混合。
止回阀214阻止工作流体202从冷凝器旁通阀212流向冷凝器206的流动，但使得工作流体202能够从冷凝器206(以及因此流量控制阀210)流到热交换器204。换句话说，止回阀214使得工作流体202能够沿单一方向流过冷凝器206。自由冷却回路200的泵216可以控制工作流体202通过自由冷却回路200的流速，并且因此调整在工作流体202与冷却流体58之间传递的热量的量。例如，当环境温度相对较高时，泵216可以关闭(例如，关掉)，因为没有显著量的热量可以从冷却流体58传递到工作流体202。相反，当环境温度相对较低时，一个或多个加热器218可以将热量传递给工作流体202，使得工作流体202的温度维持高于阈值(例如，将导致冷却流体58冻结的温度)。
制冷***12的控制器78可以耦合到一个或多个温度传感器222，所述一个或多个温度传感器沿着自由冷却回路200布置并且被配置成监测工作流体202的温度。例如，自由冷却回路200可以包括第一温度传感器224，所述第一温度传感器被配置成监测离开热交换器204的工作流体202(例如，温热的第二冷却流体)的温度。自由冷却回路200还可以包括第二温度传感器226，所述第二温度传感器被配置成监测离开冷凝器206的工作流体202(例如，冷却的第二冷却流体)的温度。进一步，自由冷却回路202可以包括第三温度传感器228，所述第三温度传感器被配置成监测进入热交换器204的工作流体202(例如，温热的第二冷却流体、冷却的第二冷却流体、或者温热的第二冷却流体和冷却的第二冷却流体的混合物)的温度。在一些实施例中，控制器78还可以耦合到温度传感器230，所述温度传感器被配置成监测环境温度。
控制器78可以被配置成基于从温度传感器222中的一者或多者接收的反馈来调整流量控制阀210的位置、盘管旁通阀212的位置、冷凝器风扇231的速度和/或泵216的速度。例如，控制器78可以调整流量控制阀210的位置、盘管旁通阀212的位置、冷凝器风扇231的速度和/或泵216的速度，使得进入热交换器204的工作流体202达到设定值(例如，目标温度)。设定值可以基于工作流体202与冷却流体58之间的期望的热传递量和/或冷却流体58的温度(例如，目标温度)。
在一些实施例中，工作流体202可以包括低于冷却流体58的冰点(例如，当冷却流体是水并且工作流体是乙二醇时)。因此，为了阻止冷却流体58的冻结，制冷***12的控制器78可以包括防冻***232。防冻***232可以被配置成调整流量控制阀210的位置、冷凝器旁通阀212的位置、冷凝器风扇231的速度和/或泵216的速度，以阻止或减少冷冻制冷***12的导管(例如，热交换器204内的管)中的冻结。控制器78可以被配置成基于离开冷凝器206的工作流体202的出口温度(例如，从第二温度传感器226接收的)、环境温度(例如，从温度传感器230接收)和/或冷凝器旁通阀212和流量控制阀210中的一者或两者的位置来将信号发送到流量控制阀210、冷凝器旁通阀212、冷凝器风扇231和/或泵216。
防冻***232可以基于指示自由冷却回路200的操作条件的反馈来执行具体动作。如以下表1所示，当环境空气温度高于第一目标温度(例如，40°F)时，防冻***232可以在第一操作模式下操作。当在第一操作模式下操作时，控制器78被配置成发送一个或多个信号以在环境温度大于第一目标温度(例如，第一阈值温度)时，关闭冷凝器风扇231(如果冷凝器风扇231尚未关闭)、关闭泵216(如果泵216尚未关闭)、关闭加热器218(如果加热器218尚未关闭)、关闭冷凝器旁通阀212和/或打开流量控制阀210。当在第一操作模式下操作时，防冻***232使得工作流体202能够在被引导至热交换器204中之前流到冷凝器206。这样，当环境温度高于第一目标温度时，防冻***232在第一模式下操作，使得工作流体202不会降低至低于可能会导致冷却流体58在热交换器204中冻结的温度。
当环境温度达到或降低至低于第一目标温度时，防冻***232在第二模式下操作，如以下表1所示。在第二模式下，防冻***232发送一个或多个信号以在环境温度小于或等于第一目标温度时，关闭冷凝器风扇231(如果冷凝器风扇231尚未关闭)、关闭泵216(如果泵216尚未关闭)、打开加热器218、打开冷凝器旁通阀212和/或关闭流量控制阀210。当在第二模式下操作时，工作流体202绕过冷凝器206并且通过旁通阀212被引导回热交换器204。这样，工作流体202循环回到热交换器204而未在冷凝器206中将热能传递到环境空气。然而，由于工作流体202的温度可以相对较低，因此可以启动加热器218，使得热交换器204中的冷却流体58不会冻结。例如，由于环境空气温度低于第一目标温度，因此流过冷凝器206的工作流体202的温度可能下降至低于可能会导致冷却流体58在热交换器204中冻结的水平(例如，经由与工作流体202的热能传递)。因此，加热器218被启动以将工作流体202的温度增加至高于冷却流体58的冰点。
如以下表1中进一步所示，防冻***232可以基于离开冷凝器206的工作流体202的温度在第三模式下操作。在一些实施例中，在以第二操作模式操作预定时间量之后启动防冻***232的第三模式。例如，当在第三模式下操作时，控制器78发送一个或多个信号以关闭冷凝器风扇231(如果冷凝器风扇231尚未关闭)、以固定速度操作泵216、关闭加热器218(如果加热器尚未关闭)、打开冷凝器旁通阀212和/或打开流量控制阀210。因此，打开流量控制阀210以开始使工作流体202循环通过冷凝器206。在一些实施例中，逐渐地打开流量控制阀210以维持进入热交换器204的工作流体202的温度高于冷却流体58的冰点(例如，将吸收来自冷却流体58的一定量的热能以将冷却流体58的温度降低到其冰点以下的工作流体202的温度)。这样，在工作流体202进入热交换器204之前，流过冷凝器旁通阀212的工作流体202与离开冷凝器206的工作流体202混合(例如，在第二三通接头221处)。因此，进入热交换器204的工作流体202的温度被调整为保持高于冷却流体58的冰点，同时使得工作流体202能够开始流过冷凝器206。
随着离开热交换器204的工作流体202的温度增加，防冻***232可以切换到第四操作模式。在第四操作模式下，控制器78可以发送一个或多个信号以关闭冷凝器风扇231(如果冷凝器风扇231尚未关闭)、以固定速度操作泵216、关闭加热器218(如果加热器218尚未关闭)、关闭冷凝器旁通阀212和/或完全打开流量控制阀210。在一些实施例中，当在第四操作模式下操作时，逐渐地关闭冷凝器旁通阀212，以维持进入热交换器204的工作流体202的温度高于冷却流体58的冰点。换句话说，一旦流量控制阀210到达完全打开位置(例如，100％打开或者完全打开)，控制器78就开始关闭冷凝器旁通阀212以增加引导至冷凝器206的工作流体202的流量并且减少被引导通过冷凝器旁通阀212并引向热交换器204的工作流体202的流量。这样，控制器78调整进入热交换器204的工作流体202的温度以保持高于冷却流体58的冰点。在一些实施例中，由于冷凝器风扇231被关闭，工作流体202的温度保持高于冷却流体58的冰点。
当冷凝器旁通阀212完全关闭时，防冻***232可以开始在第五操作模式下操作。在第五操作模式期间，控制器78发送一个或多个信号以至少基于冷却需求和/或压缩机需求来调整冷凝器风扇231的速度、至少基于进入冷凝器206的工作流体202的入口温度和/或冷凝器风扇231中的一者(例如，当冷凝器206具有多个风扇231时)的最高速度来调整泵216的速度、关闭加热器218(如果加热器尚未关闭)、完全关闭冷凝器旁通阀212和/或完全打开流量控制阀210(如果流量控制阀210尚未处于完全打开位置)。因此，一旦盘管旁通阀212完全关闭并且流量控制阀210完全打开，控制器78就可以调节冷凝器风扇231的速度和/或调节泵216的速度，以便将进入热交换器204的工作流体202的温度维持在预定温度(例如，目标温度)。进入热交换器204的工作流体202的预定温度可以基于冷却流体58的冷却需求(例如，至少由离开热交换器204的冷却流体58的温度确定)。这样，控制器78接收反馈并且调整冷凝器风扇206的速度和/或泵216的速度，以将工作流体202的温度维持在预定温度。
当环境空气温度增加到高于第二目标温度(例如，34°F)时和/或当工作流体202的温度增加到高于第三目标温度(例如，34°F)时，防冻***232可以启动第六操作模式。例如，当在第六操作模式下操作时，控制器78发送一个或多个信号以至少基于冷却需求和/或压缩机需求来调整冷凝器206风扇的速度、至少基于冷凝器风扇231中的一者的最高速度来调整泵216的速度、关闭加热器218(如果加热器218尚未关闭)、完全关闭冷凝器旁通阀212(如果冷凝器旁通阀212尚未处于完全关闭位置)和/或完全打开流量控制阀210(如果流量控制阀210尚未处于完全打开位置)。因此，控制器78调节冷凝器风扇231的速度和/或泵216的速度，以调整进入热交换器204的工作流体202的温度。
虽然表1的第一目标温度和第二目标温度的值分别示出为40°F和34°F，但是第一目标温度和第二目标温度的值可以是高于循环通过热交换器204的液体的冰点的任何合适的温度，以避免热交换器204中的局部冻结。在一些实施例中，第一目标温度的值大于第二目标温度的值，使得流量控制阀210和冷凝器旁通阀212在泵216被启动(例如，打开)之前阻止工作流体202循环通过冷凝器206。另外或替代地，第二目标温度的值高于冷却流体58的冻结温度以增加自由冷却的量，同时提供足够的控制余量以避免热交换器204中的冻结。
在一些实施例中，如果工作流体202的温度降低至低于冰点(例如，大约30°F)，则还可以使用低温极限来阻止泵216的操作。在一些情况下，由于部件操作不足、对部件的功率供应减少、环境天气条件或者其他操作缺陷，工作流体202可能达到低温极限。低温极限可以低于第二目标温度以避免与微小温度波动相关联的跳闸，但是足够高以避免冷却流体58在热交换器204中冻结。因此，低温极限提供了避免热交换器204中的冻结的故障保护。另外，泵216可以被配置成在工作流体202的温度上升到预定温度(诸如第二目标温度)时启动(例如，起动或打开)。在一些实施例中，可以启动警告消息或警报以向建筑物自动化控制装置、设备操作员和/或服务人员通知自由冷却回路200的潜在问题。
表1：防冻***模式
Figure GDA0002981935070000261
总之，防冻***232调整来自热交换器204的温热工作流体202与来自冷凝器206的冷却工作流体202混合的量，以阻止工作流体202将热交换器204中的冷却流体58冷却至低于其冰点。因此，防冻***232基于环境温度阈值、离开冷凝器206的工作流体202的阈值出口温度和/或阀210和212的位置来调整冷凝器旁通阀212的位置、流量控制阀210的位置、冷凝器风扇231的速度和/或泵216的速度，以控制流过冷凝器206的工作流体202的量，并且维持工作流体202的温度高于热交换器204中的冷却流体58的冰点。这样，减少和/或消除了热交换器204中的冷却流体58的冻结，使得冷却流体58通过热交换器204的流动不被阻断。另外，防冻***232可以基于环境温度阈值、离开冷凝器206的工作流体202的阈值出口温度和/或阀210和212的位置来调整冷凝器风扇231的速度和/或供应到沿着自由冷却回路200布置的一个或多个加热器218的功率，以控制从冷凝器206中的工作流体202传递的热量的量，并且因此维持热交换器204中的工作流体202的温度高于冷却流体58的冰点。
图9和图10是可以被利用来补充或代替空冷式热交换器56的自由冷却回路200的实施例的透视图。如图9所展示的实施例所示，工作流体202可以被引导通过冷凝器206的多个导管250。多个导管250中的一个或多个导管可以对应于冷凝器206的相应风扇231。在其他实施例中，冷凝器206包括单个导管，所述单个导管将工作流体202引导至冷凝器206的单个风扇231。在任何情况下，控制器78耦合到冷凝器206的风扇231，使得控制器78可以调整风扇231的速度以控制离开冷凝器206的工作流体202的温度。另外，如上所述，控制器78耦合到泵216并且被配置成调整泵216的速度以控制循环通过自由冷却回路200(例如，从热交换器204、通过冷凝器206、和/或通过冷凝器旁通阀212)的工作流体202的量。
所披露的实施例中的一个或多个实施例单独或组合地可以提供可用于提高包括自由冷却***和机械冷却***的制冷***的效率的一个或多个技术效果。通常，本披露内容的实施例包括当自由冷却***的一个或多个风扇以低于最大速度操作时操作机械冷却***的压缩机。在一些情况下，以低于最大速度的速度操作压缩机和自由冷却***的风扇可能比以最大速度操作压缩机和/或风扇消耗更少的功率。因此，输入到制冷***的功率可以减少，并且制冷***的效率可以提高。本说明书中的技术效果和技术问题是示例性而非限制性的。应当注意的是，在本说明书中描述的实施例可以具有其他技术效果并且可以解决其他技术问题。
尽管仅展示和描述了本披露内容的某些特征和实施例，但本领域的技术人员可以想到许多修改和变化(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数的值(例如，温度、压力等)、安装布置、材料的使用、颜色、取向等的变化)而实质上无需脱离权利要求中所述的主题的新颖性教示和优点。可以根据替代性实施例对任何过程或方法步骤的顺序或序列进行改变或重新排序。因此，应该理解的是，所附权利要求旨在将所有这种修改和变化涵盖为落入本披露内容的真正精神内。此外，为了提供对示例性实施例的简要描述，可能尚未描述实际实施方式的所有特征(即，与当前预期的执行实施例的最佳模式无关的那些特征，或者与实现所要求保护的实施例无关的那些特征)。应该理解的是，在任何这种实际实施方式的开发中(如在任何工程或设计方案中)，必须作出大量实施方式特定的决定。这种开发工作可能是复杂且耗时的，但是对于从本披露内容中受益的普通技术人员来说，这仍是常规的设计、生产和制造工作，而无需过多实验。

Claims (20)

1.一种制冷***，包括：
热交换器，所述热交换器被配置成使冷却流体与工作流体呈热交换关系；
自由冷却回路，所述自由冷却回路包括泵，其中所述泵被配置成使所述工作流体循环通过所述自由冷却回路的所述热交换器和冷凝器；
所述自由冷却回路的流量控制阀，所述流量控制阀被配置成控制引导至所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述工作流体的流速；
所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，所述冷凝器旁通阀被配置成控制绕过所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述工作流体的流速；以及
控制器，所述控制器被配置成基于环境温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的温度、所述流量控制阀的第一位置、所述冷凝器旁通阀的第二位置或其组合来调整所述流量控制阀的所述第一位置、所述冷凝器旁通阀的所述第二位置、所述冷凝器的风扇的速度、所述泵的速度以及所述自由冷却回路的加热器的温度。
2.如权利要求1所述的制冷***，包括通信地耦合到所述控制器的第一温度传感器和第二温度传感器，其中，所述第一温度传感器被配置成向所述控制器提供指示所述环境温度的反馈，并且其中，所述第二温度传感器被配置成向所述控制器提供指示离开所述冷凝器的所述工作流体的所述温度的反馈。
3.如权利要求1所述的制冷***，其中，所述流量控制阀、所述冷凝器旁通阀或两者包括蝶阀。
4.如权利要求1所述的制冷***，其中，所述控制器被配置成在所述环境温度小于或等于目标温度时关闭所述自由冷却回路的所述流量控制阀并且打开所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀。
5.如权利要求4所述的制冷***，其中，所述目标温度为约40华氏度（°F）。
6.如权利要求4所述的制冷***，包括所述自由冷却回路的所述加热器，其中，所述控制器被配置成当所述环境温度下降到低于所述目标温度时打开所述加热器。
7.如权利要求6所述的制冷***，其中，所述自由冷却回路的所述加热器被定位成使流过包括所述热交换器、所述泵和所述冷凝器旁通阀的环路的所述工作流体温热。
8.如权利要求4所述的制冷***，其中，所述控制器被配置成在所述流量控制阀已关闭预定量的时间之后，将所述自由冷却回路的所述流量控制阀朝向打开位置调节以将工作流体引导至所述冷凝器，并且其中，所述控制器被配置成当所述自由冷却回路的所述流量控制阀到达完全打开位置时，将所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀朝向关闭位置调节。
9.如权利要求1所述的制冷***，其中，所述控制器被配置成当所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀到达完全关闭位置时，基于离开所述热交换器的所述冷却流体的附加温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的所述温度或其组合来调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述风扇的所述速度以及所述自由冷却回路的所述泵的所述速度。
10.一种有形的非暂态机器可读介质，包括处理器可执行指令，所述处理器可执行指令用于：
接收指示环境温度的反馈；
将所述环境温度与目标温度进行比较；
当所述环境温度小于或等于所述目标温度时，关闭自由冷却回路的流量控制阀并且打开所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，其中，所述自由冷却回路被配置成使工作流体循环通过热交换器，所述热交换器使所述工作流体与冷却流体呈热交换关系；
在所述流量控制阀已关闭预定量的时间之后，将所述自由冷却回路的所述流量控制阀朝向打开位置调节以将工作流体引导至所述冷凝器；
当所述自由冷却回路的所述流量控制阀到达完全打开位置时，将所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀朝向关闭位置调节；以及
当所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀到达完全关闭位置时，基于离开所述热交换器的所述冷却流体的第一温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的第二温度或其组合来调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的至少一个风扇的第一速度以及所述自由冷却回路的泵的第二速度。
11.如权利要求10所述的有形的非暂态机器可读介质，其中，所述处理器可执行指令被配置成当所述环境温度小于或等于所述目标温度时启动所述自由冷却回路的加热器。
12.如权利要求10所述的有形的非暂态机器可读介质，其中，所述处理器可执行指令被配置成基于离开所述热交换器的所述冷却流体的所述第一温度来调节所述冷凝器的所述至少一个风扇的所述第一速度。
13.如权利要求10所述的有形的非暂态机器可读介质，其中，所述处理器可执行指令被配置成基于离开所述冷凝器的所述工作流体的所述第二温度或者所述冷凝器的所述至少一个风扇中的第一风扇的所述第一速度或两者来调节所述泵的所述第二速度。
14.如权利要求13所述的有形的非暂态机器可读介质，其中，所述冷凝器包括所述至少一个风扇中的所述第一风扇和第二风扇，并且其中，所述第一风扇的所述第一速度大于所述第二风扇的第二速度。
15.如权利要求13所述的有形的非暂态机器可读介质，其中，所述第一速度大于所述冷凝器的所述至少一个风扇中的任何剩余风扇的相应第三速度。
16.一种用于控制制冷***的方法，包括：
接收指示环境温度的反馈；
将所述环境温度与目标温度进行比较；
当所述环境温度小于或等于所述目标温度时，关闭自由冷却回路的流量控制阀并且打开所述自由冷却回路的冷凝器旁通阀，其中，所述自由冷却回路被配置成使工作流体循环通过热交换器，所述热交换器使所述工作流体与冷却流体呈热交换关系；
在所述流量控制阀已关闭预定量的时间之后，将所述自由冷却回路的所述流量控制阀朝向打开位置调节以将工作流体引导至所述冷凝器；
当所述自由冷却回路的所述流量控制阀到达完全打开位置时，将所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀朝向关闭位置调节；以及
当所述自由冷却回路的所述冷凝器旁通阀到达完全关闭位置时，基于离开所述热交换器的所述冷却流体的第一温度、离开所述冷凝器的所述工作流体的第二温度或其组合来调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的至少一个风扇的第一速度以及所述自由冷却回路的泵的第二速度。
17.如权利要求16所述的方法，包括当所述环境温度小于或等于所述目标温度时，启动所述自由冷却回路的加热器。
18.如权利要求16所述的方法，其中，调节所述自由冷却回路的所述冷凝器的所述至少一个风扇的所述第一速度包括基于离开所述热交换器的所述冷却流体的所述第一温度来调节所述冷凝器的所述至少一个风扇的所述第一速度。
19.如权利要求16所述的方法，其中，调节所述自由冷却回路的所述泵的所述第二速度包括基于离开所述冷凝器的所述工作流体的所述第二温度或者所述冷凝器的所述至少一个风扇中的第一风扇的所述第一速度或两者来调节所述泵的所述第二速度。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述冷凝器包括所述至少一个风扇中的所述第一风扇和第二风扇，并且其中，所述第一风扇的所述第一速度大于所述第二风扇的第二速度。
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