CN101012833A - 旋转压缩机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种旋转压缩机的控制方法，压缩机内设置有两个及以上不同容积的汽缸，每个汽缸内分别设置有活塞、驱动活塞运转的偏心曲轴及支撑偏心曲轴的轴承，至少有一个汽缸的滑片槽内设置有滑片弹簧，汽缸以压缩和非压缩方式进行容量切换，将汽缸压缩运行记为模式一，汽缸非压缩运行记为模式二，压缩机外设置有阀装置，阀装置利用压缩机开始运行时产生的高压和低压使汽缸的滑片室压力在低压和高压之间进行切换，压缩机在整个运行时间内采用七种运行方法中的一种及以上的方法单独或组合运行。本发明提供的控制方法可以固定在电机效率为最大转速的状态下控制压缩机冷冻能力，以更进一步地改善压缩机效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种旋转压缩机的控制方法，特别是一种二汽缸旋转压缩机冷冻能力的控制方法。
背景技术
现在，利用变频技术控制带变频功能的旋转式压缩机以控制其冷冻能力变化的手段已非常成熟，且已实现商品化，其主要是通过控制旋转式压缩机的转速在约15Hz(相当于排量的25％)到约120Hz(相当于排量的200％)之间连续变化来实现。(注：相当于排量的25％或者200％，即可认为变频技术在压缩机排量25％到200％之间的范围内是连续可变的。)但是，最近从提高舒适度和节能的观点来看，进一步降低转速和减少最小能力的需求逐渐增加，由于润滑泵体的性能低下和润滑油膜的形成不充分会造成可靠性和振动大幅增加的问题，所以进一步降低转速是一个大的课题。
针对这一点，当压缩机转速一定，及定速二汽缸旋转式压缩机在改变冷冻能力的容量控制研究方面较有进展，并即将实现商品化。这种容量控制就是使滑片在汽缸滑片槽内固定或解除固定，来改变汽缸排量的总量从而控制冷冻能力的容量控制技术。变频技术是通过改变压缩机的转速来控制冷冻能力，故其控制方法比较单纯。与其相比较，容量控制技术可以在一个或二个汽缸中通过压缩和非压缩作用的组合来改变冷冻能力，其控制技术和计算方式是非常重要的。在这里提供的技术是容量控制式二汽缸旋转式压缩机，不光与冷冻能力控制方法相关，与作为课题的最小冷冻能力无限减小控制技术也有关。因此，需要二个汽缸进行独立压缩和非压缩的容量控制。由于这样的容量控制旋转式压缩机的转速是一定的，因此不需要担心最小冷冻能力时的润滑问题和振动问题。对于最小的制冷能力而言，上述变频技术的例子中，压缩机排量小于25％以下是不能进行冷冻能力控制，比如系统侧的要求：当冷冻能力为20％时需要压缩机停机。
另一方面，由于目前的容量控制技术不能象变频技术那样改变电机输出功率，所以二个汽缸中有一个汽缸的排量要减小，而另一个汽缸的排量增大，也就是说二个汽缸的容积比率增加，此时就存在电机效率和压缩机效率降低的课题。例如，当二汽缸旋转式压缩机中小的一方的汽缸排量为35％，当排量为35％的汽缸单独运行时，可能要求冷冻能力只有25％时，故也需要停机，也就是说和变频技术存在同样的课题。
上述二种冷冻能力控制技术中，压缩机一旦停机，由于压缩机电机启动力矩的需要，直到系统压力平衡后才可以再启动，而通常情况下再启动需要等待3分钟以上。因此，按系统要求的冷冻能力控制压缩机对外输出的冷冻能力时，需要反复停机和进行压缩机最小能力运行。但是，如果压缩机等待再启动的时间过长，而且失去高低压力差的系统要上升到所需压力、恢复原有功能，则要浪费大量的时间和能源。即是说，用停机来控制冷冻能力的控制方法从理论上来讲是很难顺利进行的，即便是能进行，其效率也存在极大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种在容量控制旋转式压缩机的基础上，进一步减小最小冷冻能力的低能力旋转压缩机的控制方法，使压缩机内的两个及以上的汽缸压缩独立压缩或不压缩，以克服现有技术中的不足之处。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种旋转压缩机的控制方法，压缩机内设置有两个及以上不同容积的汽缸，每个汽缸内分别设置有活塞、驱动活塞运转的偏心曲轴及支撑偏心曲轴的轴承，至少有一个汽缸的滑片槽内设置有滑片弹簧，汽缸以压缩和非压缩方式进行容量切换，将汽缸压缩运行记为模式一，汽缸非压缩运行记为模式二，压缩机外设置有阀装置，阀装置利用压缩机开始运行时产生的高压和低压使汽缸的滑片室压力在低压和高压之间进行切换，压缩机在整个运行时间内采用下列七种运行方法中的一种及以上的方法单独或组合运行，其中，以高容积汽缸为第一汽缸，以低容积汽缸为第二汽缸，则有：
a)第一汽缸固定为模式一，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换；
b)第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，第二汽缸固定为模式一；
c)第一汽缸和第二汽缸分别在模式一和模式二之间相互切换；
d)第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，第二汽缸固定为模式二；
e)第一汽缸固定为模式二，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换；
f)第一汽缸以模式一运行和模式三的切换，第二汽缸固定为模式二；
g)第一汽缸固定为模式二，第二汽缸以模式一运行和模式三的切换；
其中，压缩机停机，采用模式一将运行中的汽缸切换到模式二后停机，此时电源关闭，接着压缩机启动，将汽缸保持在模式二的状态启动，此时电源打开，然后压缩机运行加速稳定后，再切换到模式一运行的过程为模式三。
本发明提供的控制方法可以固定在电机效率为最大转速的状态下控制压缩机冷冻能力，以更进一步地改善压缩机效率，且在控制过程中压缩机本身不停机，既不消耗压缩机启动和启动后所需的多余电力，又可防止效率低下，并可预防启动或停止时产生的振动，还可防止启动时产生的负荷，如液态冷媒吸入或油面低下等，且不影响压缩机的可靠性。
采用本控制方法的压缩机在一定的时间Tc中，如果适当延长模式二的总运行时间，压缩机对外提供的冷冻能力可以接近0％，而这些优点是以前的变频压缩机和以前的二汽缸式容量控制方法中所不具有的。
附图说明
图1为本发明一实施例结构示意图。
图2为二汽缸的旋转压缩机剖视结构示意图。
图3为二汽缸的冷冻能力计算表。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
图中，1为压缩机，2为储液器，3为排气管，4为冷凝器，5为自动膨胀阀，6为蒸发器，7为单向阀，8为阀装置，10为压缩组件，11为电机组件，12为第一汽缸，13为第二汽缸，14.1为第一活塞，14.2为第二活塞，15.1为第一滑片槽，15.2为第二滑片槽，16.1为第一滑片，16.2为第二滑片，17为偏心曲轴主轴，18.1为上轴承，18.2为下轴承，19为偏心曲轴副轴，20.1为第一滑片室，20.2为第二滑片室，21为第一压力切换管，22为第二压力切换管，23为低压管，24为高压管，33为中间隔板。
参见图1，为使用了本控制方法的旋转式压缩机冷冻循环结构示意图，旋转式压缩机1压缩从储液器2吸入的低压气体，压缩后通过排气管3排出高压气体。之后，在冷凝器4冷凝的液体冷媒通过自动膨胀阀5减压，在蒸发器6蒸发，低压冷媒回到储液器2中，再次被吸入压缩机1中压缩。蒸发器6和储液器2之间安装的单向阀7将作为后述高低差压维持装置使用。
阀装置8设置在压缩机1的外部，阀装置可于压缩机的运行中控制二气缸独立进行汽缸压缩或者停止，以实现压缩机冷冻能力分阶段切换，故此二个汽缸排量的设计有所不同。
以空调的制冷运行为例说明：在盛夏酷暑，当刚开始进行制冷时，因其迅速，故需要压缩机提供最高的制冷能力，当室温降至目标温度附近时，压缩机运行切换到中间能力以减少制冷能力，当室温进一步接近目标温度时，压缩机再次切换到低的制冷能力。因此，根据需要制冷的房间热负荷及时切换制冷能力，可在营造舒适空气调节的同时，防止能量浪费，以提高空调效率。带容量控制旋转式压缩机与变频式的旋转式压缩机能力控制作用相同，或者是更进一步的能力控制。
参见图2，为二汽缸的旋转式压缩机内部构造结构示意图。旋转式压缩机1的密封壳体内部安装了压缩组件10和电机组件11。压缩组件10包括第一汽缸12和第二汽缸13；第一汽缸12内设置有第一活塞14.1，第一汽缸12的第一滑片槽15.1中安装有第一滑片16.1，第二汽缸13内设置有第二活塞14.2，第二汽缸13的第二滑片槽15.2中安装有第二滑片16.2；同时驱动第一活塞14.1和第二活塞14.2的偏心曲轴17，支撑偏心曲轴17的上轴承18.1和下轴承18.2。其中，偏心曲轴17通过电机组件11驱动，以一定速度(60或50Hz)运行，并将力矩传递给活塞。第一汽缸12的第一滑片室20.1与第一压力切换管21相接，第二汽缸13的第二滑片室20.2与第二压力切换管22相接，各切换管的一端均与阀装置8相接。连接阀装置8的低压管23的一端与压缩机1的吸入管等低压部分相接，连接阀装置8壳体内部的高压管24与压缩机1的壳体内部相接。阀装置8利用压缩机开始运行时产生的高压和低压，使第一汽缸12和第二汽缸13的滑片室压力在低压和高压之间进行切换。因此，二个汽缸都可以收纳固定滑片以停止压缩，即模式二，以及解除滑片固定以开始压缩，即模式一。并且，阀装置8具有使每个汽缸模式独立并相互切换的功能。
参见图3，图中按压缩机的冷冻能力分为三个范围，分别为100～65％的高域范围、65～35％的中域范围和35～0％的低域范围。以二汽缸的旋转式压缩机的排量总量为100％(比如40cc)，各自的排量分别为：第一汽缸占65％(即26cc)和第二汽缸占35％(即14cc)，对压缩机冷冻能力的控制计算方法进行具体说明。其中，一定时间范围内，压缩机对外提供的冷冻能力为二个汽缸分别提供的冷冻能力的总和。
首先是控制方法a，在一定时间TC内，第一汽缸固定为模式一运行，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换。将第一汽缸或者第二汽缸中模式一的总运行时间分别记为TA1(有TA1＝TC)和TB1，TA1/TC或者TB1/TC即为各自的运行时间比率。比如，10分钟内，即TC＝10，第二气缸在模式一运行进行3次，其总时间为6分钟，则有TB1/TC为6/10＝0.6。则有总的冷冻能力为65+35xTB1/TC＝65+35×0.6＝86。因此，10分钟内，即TC＝10时，压缩机对外提供的冷冻能力为其总冷冻冷力的86％。
另一方面，如果在TC时间内，第一汽缸或第二汽缸的模式二的总运行时间分别为TA0或者TB0，则TA0/TC或者TB0/TC就是在每个汽缸以模式二的运行时间比率。由于TA1+TA0＝TC，或者TB1+TB0＝TC，所以假如在不知道TA1和TB1情况下，如果知道TA0或者TB0，那么也可以求到冷冻能力。
控制方法b与控制方法a基本相同，其区别仅仅在于第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，而第二汽缸固定为模式一运行，故其计算过程同控制方法a，不再重复。压缩机对外提供的冷冻能力为35+65×TA1/TC。
控制方法c为将第一汽缸和第二汽缸的运行模式在模式一和模式二之间相互切换进行能力控制，也就是说，在同一时间内，第一气缸和第二气缸中仅有一个汽缸进行压缩，处于模式一，而另一个则非压缩，处于模式二，并有TA1+TB1＝TC。压缩机对外提供的冷冻能力为65xTA1/TC+35xTB1/TC。
接下来是控制方法d，第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，第二汽缸固定为模式二，则有第二汽缸的冷冻能力为0，因此，压缩机对外提供的冷冻能力为65xTA1/TC。在这种控制方法d中，第一汽缸间断地重复压缩和非压缩运行。
在这里值得注意的是，由于第一汽缸是采用模式一和模式二切换，如果减小65xTA1/TC到一定程度，那么压缩机对外提供的冷冻能力完全可以控制到35％以下。
控制方法e与控制方法d则相反，控制方法e以第一汽缸固定为模式二，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换，则有第一汽缸的冷冻能力为0，因此，压缩机对外提供的冷冻能力为35xTB1/TC。在这种控制方法e中，第二汽缸间断地重复压缩和非压缩运行。
下面将具体介绍控制方法d和控制方法e的优点。
1)压缩机对外提供的冷冻能力可降低为35％以下，
特别是在一定的时间TC中，适当延长模式二的总运行时间，从理论上来说，压缩机对外提供的冷冻能力可以接近0％，而这些优点是以前的变频压缩机和以前的二汽缸式容量控制方法中所不具有的。
2)压缩机不停机，
因此，汽缸的模式切换就显得相当容易，也不消耗压缩机启动和启动后所需的多余电力、又可防止效率低下，并可预防启动或停止时产生的振动，还可防止启动时产生的负荷(如液态冷媒吸入或油面低下等)，且不影响压缩机的可靠性。
最后是控制方法f和控制方法g，这2种方法中的第一汽缸(65％)或者第二汽缸(35％)中的任何一方固定为模式二，即非压缩运行，另一方以模式一运行和模式三切换。其中，压缩机停机，采用模式一将运行中的汽缸切换到模式二后停机，此时电源关闭，接着压缩机启动，将汽缸保持在模式二的状态启动，此时电源打开，然后，压缩机运行加速稳定后(通常1秒左右)，再切换到模式一运行的过程为模式三。
采用模式三停止和启动具有如下优点：
1)停机前压缩机处于压缩停止的无负荷状态；
2)启动后也是无负荷状态，此时处于模式二，故不产生压缩力矩。
3)启动和停机时无震动，启动容易，启动力矩可减小；
4)防止启动时浪费多余电力。
将控制方法f和g进行比较，控制方法g可以使用较小排量的第二汽缸(35％)，所以和控制方法f相比可以较精确和容易地控制压缩机对外提供的冷冻能力。也就是说35％以下的能力控制中使用排量比较小的第二汽缸，在冷冻能力控制的微调和压缩机启动方面比较有优势。
因此，第二汽缸排量35％以下的低域进行能力控制时，推荐将排量大的一方的第一汽缸作为模式二，小的第二汽缸作为模式一和模式二或者模式三进行能力控制。
如果采用控制方法f和g对压缩机停机和启动来控制能力时，排量小的第二汽缸要事先切换为模式二。第二汽缸的控制过程是模式一模式二模式三模式二启动模式一。
至于2个汽缸内至少有1个汽缸需要装滑片弹簧，最好在排量小的第二汽缸中装设，其原因在于如果压缩机停机时间过长，系统内的高低压会趋于平衡，而压缩机压缩运行时，即模式一运行，需要滑片弹簧。
对于时间TC的设定，及模式一运行和模式二运行时间的设定，切换的次数和压缩机冷冻能力的变动幅度有关，都需要通过具体系统进行优化。
本发明还可以在一定的时间范围内通过将不同的控制方法组合起来使用，可取得不同的压缩机冷冻能力，至于具体的模式一和模式二的运行时间设定同样需要根据具体系统予以设计。
特别值得注意的是采用控制方法d、e、f和g时，如果模式二运行或者压缩机停止时间长，系统或者压缩机的高低压力差将减小，致使不能进行模式切换或模式保持。但是，对于这个课题如果使用如图1那样的高低压力差维持装置就可以得到大幅度改善，见图1，于冷凝器4和蒸发器6之间设置自动膨胀阀5；另外，压缩机吸入回路和蒸发器6之间设置单向阀7。那么，在控制方法e或者g中，第二汽缸在模式二运行中或者是在压缩机停机时，自动膨胀阀5全闭，可以有效防止从冷凝器(高压侧)到蒸发器(低压侧)的气体流失。而且，从压缩机壳体(高压侧)到蒸发器(低压侧)泄漏的气体也可以通过单向阀7予以阻止。即，模式二的运行时间或压缩机停止时间得到可以延长，控制也相对容易。
如上所述，通过使用压力差维持装置，模式切换就变得很容易，可以解决上述课题。并且，压力差维持装置可以缩短压缩机开始压缩后系统到达设定条件所需的过渡时间，所以可以缩短空调系统过渡的时间以及改善效率。而且，单向阀可以阻止压缩机压缩作用停止后，产生的从压缩机壳体到蒸发器的高压气体的逆流。为了实现压力差维持而采用的压力差维持装置应该有许多不同的方法和不同的结构，这里仅仅以自动膨胀阀和单向阀为代表进行说明，比如简单的应用单向阀的动作使冷凝器和蒸发器之间的回路自动关闭。在使用变频技术改变压缩机回转速度的旋转式压缩机中采用本发明中的控制方法，可极大的改善压缩机工作效率和扩大压缩机的冷冻能力控制范围。例如，压缩机转速固定为15Hz时，如果采用控制方法d或者e，压缩机的对外提供的冷冻能力就可以更小，并可以改善压缩机效率和提高空调精度。
变频技术的课题是压缩机噪音和可靠性，所以在120Hz以上的运行比较困难。但是，如果事先将压缩机排量设计得比较大，追加本发明的控制方法，在转速固定为120Hz时可以增加冷冻能力，以大幅度扩大冷冻能力的控制范围。当使用控制方法a、b和c时，可以固定在电机效率为最大转速的状态下控制压缩机冷冻能力，以更进一步地改善压缩机效率。针对压缩机中突然出现回液现象等大负荷变动，迅速切换为模式二可防止对压缩机的伤害。即，对可靠性是有利的。但是，单纯的变频技术是不能够迅速降低冷冻能力，也不能回避突然变化的负荷。
综上所述，本发明提供的控制方法是应用于带容量控制功能的2汽缸旋转式压缩机等产品中的新能力控制手段，可提供7种不同控制方法。特别是为进行低能力控制时，可使其中一方的汽缸固定为模式二，另一个汽缸在模式一和模式二之间独立进行模式切换。本发明提出的压缩机的停止和启动的控制方法不光是可以控制振动和噪声，从节能和可靠性的观点来看也是优越的。并且，通过追加高低压力差维持装置的功能，将使本发明的压缩机冷冻能力控制方法更为容易应用。
本发明是以二汽缸旋转式压缩机，汽缸排量分别为65％和35％为例作出说明的，但是，本发明提出的控制方法完全可以用在二汽缸以上的多气筒式旋转式压缩机中，如3汽缸、4汽缸或5汽缸等等，而且，汽缸排量也可做变化，如80％和20％、70％和30％或60％和40％等等，可根据具体需要选择合适的汽缸数目和汽缸排量。
在使用变频技术的旋转式压缩机中采用本发明的容量控制方法，可将本控制技术和变频技术结合起来发挥出相得益彰的效果。
Claims (3)
1.一种旋转压缩机的控制方法，压缩机内设置有两个及以上不同容积的汽缸，每个汽缸内分别设置有活塞、驱动活塞运转的偏心曲轴及支撑偏心曲轴的轴承，至少有一个汽缸的滑片槽内设置有滑片弹簧，汽缸以压缩和非压缩方式进行容量切换，将汽缸压缩运行记为模式一，汽缸非压缩运行记为模式二，压缩机外设置有阀装置(8)，阀装置利用压缩机开始运行时产生的高压和低压使汽缸的滑片室压力在低压和高压之间进行切换，其特征是所述的压缩机在整个运行时间内采用下列七种运行方法中的一种及以上的方法单独或组合运行，其中，以高容积汽缸为第一汽缸，以低容积汽缸为第二汽缸，则有：
a)第一汽缸固定为模式一，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换；
b)第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，第二汽缸固定为模式一；
c)第一汽缸和第二汽缸分别在模式一和模式二之间相互切换；
d)第一汽缸在模式一和模式二之间来回切换，第二汽缸固定为模式二；
e)第一汽缸固定为模式二，第二汽缸在模式一和模式二之间来回切换；
f)第一汽缸以模式一运行和模式三的切换，第二汽缸固定为模式二；
g)第一汽缸固定为模式二，第二汽缸以模式一运行和模式三的切换；
其中，压缩机停机，采用模式一将运行中的汽缸切换到模式二后停机，此时电源关闭，接着压缩机启动，将汽缸保持在模式二的状态启动，此时电源打开，然后压缩机运行加速稳定后，再切换到模式一运行的过程为模式三。
2.根据权利要求1所述的旋转压缩机的控制方法，其特征是所述的旋转压缩机的外循环管路上设置有高低压力差维持装置，该维持装置设置在空调、冷冻机或热水器系统中。
3.根据权利要求1所述的旋转压缩机的控制方法，其特征是所述的控制方法适用于变频压缩机。
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