[0002] 本公开涉及制冷系统，且尤其涉及利用二氧化碳(以下称为“CO2”)作为制冷剂的制冷系统。

[0003] 蒸气压缩循环已在制冷工业中广泛使用了很多年。该循环通常采用制冷剂在四个主要组件之间的连续流动：计量装置，蒸发器，压缩机和冷凝器。

[0004] 在该循环中使用的制冷剂类型取决于所需的制冷温度和应用而有所不同。通常使用合成制冷剂，例如CFC's，HCFC's和HFC's。由于CFC's和HCFC's的臭氧消耗潜势(ODP)，按照《蒙特利尔议定书》，在许多国家这些制冷剂正处于被禁止的过程中。类似地，由于HFC's具有很高的全球增温潜势(GWP)，按照《蒙特利尔议定书》的《基加利修正案》，在那些相同国家中HFC's正逐步被淘汰。由于合成制冷剂对环境的影响，其使用的逐步淘汰已引起对使用诸如二氧化碳(CO2)，氨和碳氢化合物之类的天然制冷剂的更大兴趣。

[0005] 在低环境温度的环境中，CO2制冷系统可能比合成制冷剂系统更有效率，且因此，这样的系统主要用于较凉的气候。但是，在较高的环境温度下，CO2系统的效率可能会大大下降。当与其它制冷剂相比时，在较高环境温度下该效率下降是由于CO2的低临界温度(约31℃)。制冷剂的临界温度是该制冷剂在高于其时以超临界状态存在的温度。当制冷剂处于这种状态时，制冷剂将无法在冷凝器中被冷凝，并且系统效率会大大下降。

[0006] 在制冷系统中，冷凝器通过将热量从制冷剂传递到冷却介质(例如空气或水)来冷凝制冷剂。这种热交换是由冷却介质和制冷剂之间的温差引起的。因为冷却介质的温度通常取决于当时环境的环境温度，所以当环境温度较高时(例如在较热的气候中)，将CO2制冷剂保持在亚临界状态变得越来越困难。例如，高于25℃的环境温度可能导致难以将CO2制冷剂保持在其临界温度以下。

[0007] 将理解的是，如果在本文中引用了任何现有技术，则这种引用并不等同于承认现有技术在澳大利亚或任何其它国家形成了本领域公知常识的一部分。

[0049] 在下面的详细说明中，参照了形成详细说明的一部分的附图。在详细说明中描述的、在附图中描绘的以及在权利要求中所限定的说明性实施例并非旨在进行限制。在不脱离所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例并且可以进行其它改变。将容易理解的是，可以以各种各样不同的配置来布置，替换，组合，分离和设计如本文中总体上描述的以及在附图中示出的本公开的各方面，所有这些都在本公开中考虑到。

[0050] 图1示出了基于CO2的制冷系统(即，使用CO2作为制冷剂或工作流体)，除其它组件外，其包括压缩机102，冷凝器104，膨胀阀106和蒸发器108。通常，这些组件以与已知制冷系统相同的方式操作。

[0051] 在操作中，CO2制冷剂在压缩机102中被压缩，这增大了制冷剂的压力和温度。随后，制冷剂从压缩机的排放侧经由排放管线110流到冷凝器104以进行冷凝。在当前描述的实施例中，冷凝器104是风冷式冷凝器(例如，包括盘管组和风扇112，风扇112通过盘管组吸入空气以从盘管组传递热量)。

[0052] 冷凝器通常通过冷却介质和制冷剂(在这种情况下为CO2)之间的热传递来运行。在风冷式冷凝器中，例如在图1所示的冷凝器104中，冷却介质是流过包含流动制冷剂的导管(例如管道或盘管)的空气流(或多个空气流)。热交换是由冷却介质(在这种情况下为空气)与制冷剂之间的温差驱动的。结果，在操作期间，冷凝器104中的制冷剂的温度比空气流的温度高(例如高3‑8K)。因此，即使当环境温度低于CO2的临界温度时，制冷剂温度也可以高于临界温度(对于CO2为31℃)，使得制冷剂以超临界状态存在。如上所述，如果制冷剂不能从超临界状态冷凝到亚临界状态，则可能不利于制冷循环的操作和效率。

[0053] 为了避免这种情况，或至少减少这种情况发生的可能性，当前描述的实施例还包括间接蒸发冷却器114，其将空气流(或多个空气流)供应给冷凝器104，以用于从制冷剂传递热量的目的。如将在下面进一步详细描述的，在将冷却空气供应到冷凝器104之前，间接蒸发冷却器114能够接收空气源(即环境空气或外部空气)并降低空气的温度。这样，系统100不再依赖于保持在特定温度以下的环境温度，并且结果是，即使在高环境温度(例如高达40℃)下，制冷剂也能够保持在亚临界状态。因此，本系统100可以在原本将不适用于基于CO2的制冷系统的位置中操作。

[0054] 间接蒸发冷却器114可以采取各种形式，但是通常它通过在至少一个通过蒸发过程冷却的第一空气流与至少一个单独的第二空气流之间传递热量来进行操作。

[0055] 通过参照图2对间接蒸发冷却器114的操作进行最佳描述。本实施例的间接蒸发冷却器114包括第一组和第二组通道，该第一组和第二组通道形成在垫板中，通过垫板吸入空气。为了说明的目的，在图2中仅示出了一个第一通道216和一个第二通道218，并且在下面进行了描述，但是应该意识到，实际上可以存在多个第一通道和多个第二通道。第一通道216(或“干”通道)通过不透水但允许第一通道216和第二通道218之间的热传递的壁226与第二通道218(或“湿”通道)隔开。

[0056] 在操作中，第一通道216从环境空气源(即，处于环境温度)接收第一空气流220。第二通道包括润湿表面222并且接收第二空气流224，该第二空气流224使润湿表面222上的水蒸发。蒸发过程导致空气中的显热和水变成蒸气中的潜热，这导致空气的温度和润湿表面222上水的温度降低。第一通道216和第二通道218之间的温差经由通道壁226形式的热交换器(其将第一通道216和第二通道218隔开)来驱动从第一通道216到关联的第二通道218的热交换。以这种方式，第一通道216中的第一空气流220当其沿着第一通道216流动时被冷却。然后，该冷却的空气流228被供应至冷凝器(例如，图1中示出的并且如上所述的冷凝器
104)，以便在冷凝器的盘管、管道、导管等中将热量从制冷剂中传递出去。

[0057] 该间接蒸发冷却器还包括转向器(未示出)，该转向器将每个第一通道216中的第一空气流220的一部分230转向到第二通道218中。在这方面，第一空气流220的被转向部分230变为第二空气流224，其流过第二通道218中的润湿表面222上方(并经由通过通道壁226上的热交换冷却第一空气流220)。冷却的空气流228(即，其未被转向)被供应到冷凝器，并且剩余的被转向的部分(第二空气流224)在其流过润湿表面222之后被排放到大气中。

[0058] 这种布置意味着，实际上，从蒸发冷却器114供应(例如到冷凝器)的冷却空气流228可以处于低于蒸发冷却器114接收的环境空气的湿球温度的温度(对于直接蒸发冷却，情况并非如此)。这是因为，随着第一空气流220被冷却，第一空气流220的干球温度和湿球温度两者均降低。因此，第二空气流224(其为第一空气流220的改向部分)的湿球温度低于环境湿球温度。

[0059] 虽然未示出，但是间接蒸发冷却器114还包括供水系统，该供水系统将水(例如，经由泵和喷嘴)供应到第二通道218(或第二组通道)。在一些情况下，间接蒸发冷却器114的第二通道可被定向为促进润湿表面222的润湿。

[0060] 返回到图1，间接蒸发冷凝器114包括风扇132，风扇132使空气移动通过通道(216、218)，排出湿空气(224)并将冷却空气(228)供应到冷凝器104。冷凝器104还包括离心风扇
112，其使供应的空气移动经过盘管，以将热量从盘管传递到空气。蒸发冷却器风扇132和冷凝器风扇112中的每一个都可以(例如通过PLC)被控制以将冷凝器压力维持在期望水平。

[0061] 如上所述，因为间接蒸发冷却器114能够将低于空气的湿球温度的温度下的空气供应到冷凝器104，所以(即在由于环境空气温度原本不可能的环境中)将CO2制冷剂保持在亚临界状态是可能的。以此方式，可以避免与超临界CO2制冷剂相关联的低效率。

[0062] 在正常操作下，亚临界CO2在冷凝器104中被冷凝为液体，并经由多个组件(在下面进一步讨论)经由接收器容器134流入膨胀阀106。在膨胀阀106处，CO2制冷剂经历压降并降低温度。制冷剂随后通过蒸发器108，并且热量从周围空气或过程流体传递到制冷剂(即，以便冷却周围的空气或诸如牛奶、酒、水之类的过程流体)。最终，制冷剂经由吸入管线136返回到压缩机102，并且重复该循环。

[0063] 本系统100还提供用于处理处于超临界状态时(即，在非正常操作下)的CO2的装置。为此目的，系统100还包括连接在冷凝器104和接收器容器134之间的高压膨胀阀138。如上所述，当CO2处于超临界时，其不会在冷凝器104中冷凝成液体。高压膨胀阀138被配置成产生使制冷剂液化的压降，其然后流到接收器容器134(且然后流到膨胀阀106和蒸发器108)。

[0064] 高压膨胀阀138中的节流的一个结果是，它形成了闪蒸气体成分，该闪蒸气体成分也流到接收器容器134(在此处它与液体成分分离)。为了容纳闪蒸气体，本系统还包括将接收器容器134(在此处闪蒸气体与液体制冷剂分离)连接到压缩机102的旁路管线140。应当显而易见的是，闪蒸气体是制冷剂的一部分，其对制冷系统100的冷却功能无用，且因此代表效率损失。效率上的这种损失意味着当CO2维持在亚临界状态时系统102更高效。

[0065] 然而，即使当处于亚临界状态时，高压膨胀阀138的节流作用也会导致系统100的效率降低。为避免这种情况，本系统100还包括第一旁路阀142，其允许制冷剂绕过高压膨胀阀138。第一旁路阀142可以避免(不必要的)效率损失，否则该效率损失将由于CO2制冷剂通过高压膨胀阀138而存在。制冷系统100可包括能够承受绕过高压膨胀阀138的CO2的高压的配件和组件(例如，该配件和组件可包括铜或钢合金)。

[0066] 系统100还包括第二旁路阀144，其位于旁路管线140上(在接收器容器134和压缩机102之间)，其提供对旁路管线140上的制冷剂流的控制。

[0067] 以此方式，当制冷剂处于亚临界时(例如，因为间接蒸发冷却器114正在运行以将其维持在该状态)，第一旁路阀142可以被打开，并且第二旁路阀144可以被关闭。这避免了由于在高压膨胀阀138中的节流而导致的效率损失，并且关闭了旁路管线140(其由于闪蒸气体没有产生而不被需要)。相反，当制冷剂处于超临界时，第一旁路阀142可以被关闭，并且第二旁路阀144可以被打开，使得超临界制冷剂流过高压膨胀阀138，并且(由节流作用产生的)闪蒸气体能够经由旁路管线140从接收器134流到压缩机102。

[0068] 在图3中描绘了阀的该操作，该图是示出制冷系统100的示例性操作的示意图。控制方法346包括检测环境空气条件348(即，由间接蒸发冷却器114接收的用于冷却的空气的条件)。这些条件可以是例如环境空气的湿度和温度，并且可以由适当的传感器检测(这些传感器参考图4A、4B和4C进行更详细的讨论)。

[0069] 然后可以将检测到的条件用于确定冷凝器入口处的条件350，而冷凝器入口继而可以用于确定CO2制冷剂是否处于超临界状态352。

[0070] 如果CO2制冷剂处于超临界，则高压膨胀阀旁路(通常被配置为打开位置)上的第一旁路阀142被关闭354，这会导致制冷剂流过高压膨胀阀138。这允许超临界CO2制冷剂由高压膨胀阀138液化。同时，旁路管线140上的第二旁路阀144被打开356，这允许(在高压膨胀阀138处形成的)闪蒸气体成分绕过膨胀阀106和蒸发器108。也就是说，闪蒸气体经由旁路管线140直接流到压缩机102。

[0071] 还可以发出警报358以通知操作员该系统100正在超临界状态下操作。然后，操作员可以纠正可能导致系统100在该状态下(即，除了极端气候条件之外)运行的任何问题。

[0072] 另一方面，如果确定CO2制冷剂处于亚临界状态，则可以控制间接蒸发冷却器风扇132和冷凝器风扇112(取决于检测到的环境空气条件)360、362，以实现期望的冷凝器压力以最大化系统100的效率。

[0073] 图4描绘了可以在诸如上述的制冷系统100的制冷系统中使用的示例性间接蒸发冷却器414和冷凝器404组装件464。组装件464包括可以将数据传送到控制器(未示出)的多个传感器，使得冷凝器404和间接蒸发冷却器414可以以例如使系统效率最大化的方式被控制。

[0074] 组装件464包括设置在间接蒸发冷却器414的入口处的湿度和温度传感器466。该传感器466测量被供应到间接蒸发冷却器414的环境空气的湿度和温度。组装件464还包括冷凝器出口468和冷凝器入口470温度传感器，其检测进入和离开冷凝器404的空气温度。还提供了间接蒸发冷却器入口压力传感器472，间接蒸发冷却器排气压力传感器474，冷凝器压力传感器476和冷凝器风扇压力传感器478。

[0075] 来自这些传感器的数据(例如，无线地或经由有线连接)被传送到控制器。控制器利用该数据来控制组装件的各个方面，例如冷凝器风扇412和/或间接蒸发冷却器风扇432，以使效率最大化。

[0076] 在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可以对先前描述的部分进行变化和修改。

[0077] 例如，该系统可以包括上面未讨论的附加组件，或者可以以替代的方式配置。

[0078] 间接蒸发冷却器可以替代上述来布置。为了说明的目的，图2示出了单个干(第一)通道和单个湿(第二)通道，但是应当理解，间接蒸发冷却器可以包括多个干通道和多个湿通道。例如，每个干通道可以与多个湿通道相邻(且反之亦然)。

[0079] 类似地，使第一空气流的一部分被转向以形成第二空气流可能是不必要的。相反，第一(干)空气流和第二(湿)空气流可以保持分开，从而处于错流布置。第一空气流和第二空气流可以不彼此平行，并且可以相反例如彼此垂直。

[0080] 此外，并且如本领域技术人员将理解的那样，用于向通道提供水的部件可以不是经由喷嘴。

[0081] 在所附权利要求和先前描述中，除非上下文由于表达语言或必要暗示而另有要求，否则词语“包括”或诸如“包括有”或“包含”的变体以包括性含义使用，即，在基于CO2的制冷系统的各种实施例中，指定所述特征的存在，但不排除其它特征的存在或增加。