用于控制具有泵送制冷劑節(jié)能的蒸氣壓縮冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷估算器的制造方法
【專利說明】用于控制具有泵送制冷劑節(jié)能的蒸氣壓縮冷卻系統(tǒng)的負(fù)荷 估算器
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請是2012年10月5日提交的61/710, 138的正式申請案，并且是2012年 4月13日提交的美國專利申請第13/446, 374號的部分繼續(xù)申請案。美國專利申請第 13/446,374號要求2011年4月19日提交的美國臨時申請第61/476783號以及2011年8 月26日提交的61/527, 695的權(quán)益。上述申請中的每個申請的全部內(nèi)容通過引用合并到本 文中。
[0003] 本公開內(nèi)容涉及冷卻系統(tǒng)，更具體地，涉及高效冷卻系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 這部分提供不一定是現(xiàn)有技術(shù)的與本公開內(nèi)容相關(guān)的背景信息。
[0005] 冷卻系統(tǒng)在要將流體冷卻的大量不同的應(yīng)用中具有適用性。這些冷卻系統(tǒng)用在冷 卻諸如空氣的氣體以及諸如水的液體中。兩個通用的示例是構(gòu)建用于"舒適冷卻"（即，冷 卻人們所在的空間，諸如辦公室）的HVAC(采暖、通風(fēng)、空調(diào)）系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)中心環(huán)境優(yōu)化 控制系統(tǒng)。
[0006] 數(shù)據(jù)中心是容納諸如計算機服務(wù)器的一批電子設(shè)備的房間。數(shù)據(jù)中心和其中容納 的設(shè)備通常具有最佳環(huán)境工作條件，尤其是溫度和濕度。用于數(shù)據(jù)中心的冷卻系統(tǒng)通常包 括環(huán)境優(yōu)化控制系統(tǒng)，其通常被實現(xiàn)為用于冷卻系統(tǒng)的控制的一部分，以保持?jǐn)?shù)據(jù)中心中 的適當(dāng)溫度和濕度。
[0007] 圖1示出了具有環(huán)境優(yōu)化控制系統(tǒng)102 (也稱為冷卻系統(tǒng)）的典型數(shù)據(jù)中心100 的示例。數(shù)據(jù)中心100說明性地使用"熱"通道和"冷"通道方法，其中設(shè)備架104被布置 為建立熱通道106和冷通道108。數(shù)據(jù)中心100還說明性地為活動地板數(shù)據(jù)中心，其具有 在底層地板112之上的活動地板110?；顒拥匕?10與底層地板112之間的空間設(shè)置有供 氣穩(wěn)壓室（supply air plenum) 114,該供氣穩(wěn)壓室114用于使經(jīng)調(diào)節(jié)的供給空氣（有時稱 為"冷"氣）從環(huán)境優(yōu)化控制系統(tǒng)102的計算機房空氣調(diào)節(jié)器（"CRAC"）116通過活動地板 110流入數(shù)據(jù)中心100。然后，經(jīng)調(diào)節(jié)的供給空氣流入設(shè)備架104的正面，通過設(shè)備架中安 裝的設(shè)備（未示出），經(jīng)調(diào)節(jié)的供給空氣在設(shè)備架中使設(shè)備冷卻，然后，熱氣通過設(shè)備架104 的背面或架104的頂部排出。在變型中，經(jīng)調(diào)節(jié)的供給空氣流入架的底部，并且從架104的 背面或架104的頂部排出。
[0008] 應(yīng)該理解的是，數(shù)據(jù)中心100可以不具有活動地板110,也可以不具有穩(wěn)壓室114。 在這種情況下，CRAC的116通過進氣口（未示出）從數(shù)據(jù)中心吸入經(jīng)加熱的空氣，將該空 氣冷卻，并且將該空氣從圖1中以虛線示出的出氣口 117排出、返回數(shù)據(jù)中心。例如，CRAC 116可以被布置在電子設(shè)備的各行中，可以被設(shè)置成使其冷氣供給面向相應(yīng)的冷通道，或者 被設(shè)置成沿著數(shù)據(jù)中心的墻壁。
[0009] 在圖1所示的示例數(shù)據(jù)中心100中，數(shù)據(jù)中心100具有吊頂118,其中，在吊頂118 與天花板120之間的空間設(shè)置有熱氣穩(wěn)壓室（hot air plenum) 122,從設(shè)備架104排出的熱 空氣被吸入熱氣穩(wěn)壓室122,并且熱氣通過熱氣穩(wěn)壓室122流回CRAC 116。用于每個CRAC 116的回氣穩(wěn)壓室（未示出）將該CRAC 116聯(lián)接到穩(wěn)壓室122。
[0010] CRAC 116可以是冷凍水CRAC或直接膨脹（DX) CRAC。CRAC 116聯(lián)接到向CRAC 116 提供經(jīng)冷卻的液體的排熱裝置124。排熱裝置124是將熱從來自CRAC 116的返回流體傳 送到冷卻介質(zhì)（諸如，外部環(huán)境空氣）的裝置。排熱裝置124可以包括氣冷式或液冷式熱 交換器。排熱裝置124還可以是制冷冷凝器系統(tǒng)，在這種情況下，向CRAC 116提供制冷劑， 以及CRAC 116可以是具有制冷劑壓縮機的相變制冷劑空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)，諸如DX系統(tǒng)。每個 CRAC 116可以包括控制CRAC 116的控制模塊125。
[0011] 在一個方面，CRAC 116包括變?nèi)萘繅嚎s機，并且可以例如包括用于CRAC 116的每 個DX冷卻電路的變?nèi)萘繅嚎s機。應(yīng)該理解的是，通常的情況是，CRAC 116可以具有多個DX 冷卻電路。在一個方面，CRAC 116包括容量調(diào)節(jié)型壓縮機或4級半封閉式壓縮機，諸如可 從艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（Emerson Climate Technologies)、力博特（Liebert)公司或聯(lián)合 技術(shù)的卡萊爾分部（Carlyle division)購得的壓縮機。CRAC 116還可以包括一個或多個 空氣移動單元119,諸如風(fēng)扇或風(fēng)機?？諝庖苿訂卧?19可以設(shè)置在CRAC 116中，或者可以 附加地或可替代地設(shè)置在供氣穩(wěn)壓室114中，如在121處以虛線所示的那樣?？諝庖苿訂?元119、121可以說明性地具有變速驅(qū)動器。
[0012] 圖2中示出了具有典型DX冷卻電路的典型CRAC 200。CRAC 200具有機柜202,在 機柜202中設(shè)置有蒸發(fā)器204。蒸發(fā)器204可以是V形盤管組件。諸如風(fēng)扇或鼠籠式風(fēng)機 的空氣移動單元206也設(shè)置在機柜202中，并且被定位成從機柜202的入口（未示出）通 過蒸發(fā)器204吸入空氣，在機柜202中，空氣被蒸發(fā)器204冷卻，并且將經(jīng)冷卻的空氣導(dǎo)出 穩(wěn)壓室208。蒸發(fā)器204、壓縮機210、冷凝器212和膨脹閥214以已知的方式在DX制冷電 路中聯(lián)接在一起。壓縮機210使相變制冷劑循環(huán)通過冷凝器212、膨脹閥214、蒸發(fā)器204 并返回到壓縮機210。冷凝器212可以是冷卻系統(tǒng)中傳統(tǒng)地使用的各種類型的冷凝器中的 任一種，諸如氣冷式冷凝器、水冷式冷凝器或乙二醇冷卻式冷凝器。應(yīng)該理解的是，冷凝器 210通常不是CRAC的一部分，而是位于其他地方，諸如CRAC所位于的建筑物外部。壓縮機 210可以是DX制冷系統(tǒng)中傳統(tǒng)地使用的各種類型的壓縮機中的任一種，諸如渦旋式壓縮機 (scroll compressor)。當(dāng)蒸發(fā)器204是V形盤管組件或A形盤管組件時，其通常具有在V 形或A形的每條腿部上的（一個或多個）冷卻板還（cooling slab)，如果適用的話。例如， 每個冷卻板坯可以在單獨的冷卻電路中，其中每個冷卻電路具有單獨的壓縮機。替選地，每 個板坯中的流體電路，諸如有兩個板坯和兩個壓縮機電路的流體電路，可以混合在兩個壓 縮機電路之中。
[0013] 蒸發(fā)器204通常是翅片管式（fin-and-tube)組件，并且用于將通過其的空氣冷卻 并除濕。通常，諸如CRAC 200的CRAC被設(shè)計成使得顯熱比（"SHR"）通常在.85與.95之 間。
[0014] 被稱為GLYC00L自由冷卻系統(tǒng)的系統(tǒng)可從俄亥俄州哥倫布市的力博特公司購得。 在該系統(tǒng)中，被稱為"自由冷卻盤管"的第二冷卻盤管組件被添加到具有普通乙二醇系統(tǒng)的 CRAC中。在第一冷卻盤管組件前面的氣流中該添加第二盤管組件。在寒冷的月份期間，從 室外干式冷卻器返回的乙二醇溶液被送往第二冷卻盤管組件，并且變成數(shù)據(jù)中心的主要冷 卻源。在低于35華氏度的環(huán)境溫度下，第二冷卻盤管組件的冷卻容量足以應(yīng)對數(shù)據(jù)中心的 總體冷卻需求，并且基本上減少了能量成本，因為不需要運行CRAC的壓縮機。第二冷卻盤 管組件或自由冷卻盤管組件沒有提供100%顯冷（sensiblecooling)，并且具有與蒸發(fā)器 (其是第一冷卻盤管組件）類似的空氣側(cè)壓降。
[0015] 冷卻系統(tǒng)的效率的重要性在增加。根據(jù)美國能源部，用于數(shù)據(jù)中心的冷卻和電力 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)消耗典型數(shù)據(jù)中心中使用的電力的至少一半。換言之，數(shù)據(jù)中心中的服務(wù)器消耗 不到一半的電力。這導(dǎo)致對數(shù)據(jù)中心冷卻系統(tǒng)的能量效率的關(guān)注增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016] 根據(jù)本公開內(nèi)容的一個方面，一種冷卻系統(tǒng)包括：機柜，具有進氣口和出氣口；以 及冷卻電路，包括冷凝器、壓縮機、膨脹裝置、液泵以及設(shè)置在機柜中的蒸發(fā)器。該冷卻系統(tǒng) 具有直接膨脹模式，在直接膨脹模式下，壓縮機開啟并且壓縮處于氣相的制冷劑以升高制 冷劑的壓力并由此升高制冷劑的冷凝溫度，并且壓縮機使制冷劑圍繞冷卻電路循環(huán)。冷卻 系統(tǒng)還具有泵送制冷劑節(jié)能器模式，在泵送制冷劑節(jié)能器模式下，壓縮機關(guān)斷，并且液泵開 啟并泵送處于液相的制冷劑，并且液泵使制冷劑圍繞冷卻電路循環(huán)而無需壓縮處于氣相的 制冷劑。在一個方面，冷卻系統(tǒng)具有聯(lián)接到液泵和壓縮機的控制器，該控制器關(guān)斷壓縮機并 開啟液泵以使冷卻電路在節(jié)能器模式下工作，以及開啟壓縮機以使冷卻電路在直接膨脹模 式下工作。在一個方面，控制器包括負(fù)荷估算器，該負(fù)荷估算器估算冷卻系統(tǒng)上的實時室內(nèi) 負(fù)荷并且使用所估算的實時室內(nèi)負(fù)荷來確定是使冷卻系統(tǒng)在泵送制冷劑節(jié)能器模式下工 作還是在直接膨脹模式下工作。
[0017] 在一個方面，負(fù)荷估算器基于室內(nèi)返回空氣溫度、供給空氣溫度以及流經(jīng)蒸發(fā)器 的空氣的體積來計算實時室內(nèi)負(fù)荷。在一個方面，如果無法得到供給空氣溫度，則負(fù)荷估算 器替代地使用壓縮機負(fù)荷信息。
[0018] 在一個方面，冷卻電路包括聯(lián)接在冷凝器與液泵之間的接收器/緩沖罐 (receiver/surgetank)。
[0019] 在一個方面，冷卻系統(tǒng)包括多個冷卻電路，其中每個冷卻電路包括在包括上游冷 卻級和下游冷卻級的多個冷卻級中的一個冷卻級中，其中，上游冷卻級的冷卻電路的蒸發(fā) 器（上游蒸發(fā)器）和下游冷卻級的冷卻電路的蒸發(fā)器（下游蒸發(fā)器）布置在機柜中，使得要 冷卻的空氣以連續(xù)的方式經(jīng)過上游蒸發(fā)器和下游蒸發(fā)器，首先經(jīng)過上游蒸發(fā)器、然后經(jīng)過 下游蒸發(fā)器。每個冷卻級的冷卻電路具有直接膨脹模式和泵送制冷劑節(jié)能器模式，在直接 膨脹模式下，該冷卻電路的壓縮機開啟，并且該冷卻電路的壓縮機使制冷劑圍繞該冷卻電 路循環(huán)，在泵送制冷劑節(jié)能器模式下，該冷卻電路的壓縮機關(guān)斷且該冷卻電路的液泵開啟， 并且該冷卻電路的液泵使制冷劑圍繞該冷卻電路循環(huán)。在一個方面，當(dāng)上游冷卻級和下游 冷卻級中的一個能夠處于節(jié)能器模式而另一個必須處于直接膨脹模式時，該控制器開啟上 游冷卻級的冷卻電路的液泵并關(guān)斷該冷卻電路的壓縮機而使該冷卻電路在節(jié)能器模式下 工作，并且開啟下游冷卻電路的壓縮機而使下游冷卻級在直接膨脹模式下工作。
【附圖說明】
[0020] 本文中描述的附圖僅用于所