CN101307962A - 具有多速涡旋压缩机和经济器回路的制冷剂系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋压缩机，所述涡旋压缩机设置有多速马达。控制器选择用于操作所述马达的速度，并同时选择用于系统容量调节的几个可以实现的可选方案，以最有效及最可靠的方式满足外部负荷的需要量。所描述的实施例包括经济器回路、卸载器功能，以及可选的吸入调节阀。通过使用结合用于所述压缩机的多速马达的每个所述部件，本发明使所提供的容量更适于需要的容量。

Description

具有多速涡旋压缩机和经济器回路的制冷剂系统

技术领域

本发明涉及一种在制冷剂系统中进行操作的双速涡旋压缩机，所述涡旋压缩机具有经济器功能和其它容量调节装置。

背景技术

制冷剂系统在多种用途中使用以对环境进行调节。尤其是，采用空气调节器和热泵以冷却和/或加热诸如进入环境的空气之类的二次流体。所述环境的冷却或加热负荷可以根据周围环境的条件、被占用的水平、其它显热和潜热负荷需求的改变、以及温度和/或湿度的设定值由建筑物居住者进行调节来变化。

因此，制冷剂系统可以设置有复杂的控制器、以及多个可选择的构件和部件以调节冷却和/或加热能力。已知的选择包括使至少部分通过压缩机压缩的制冷剂旁通回到吸入管线的能力。这种功能还被称为卸载器旁通功能。在操作中进行所述额外步骤以减小系统的容量。

另一种选择包括所谓的经济器循环。在经济器循环中，使流向蒸发器的主制冷剂流在经济器热交换器中进行过冷。所述主制冷剂流由膨胀至一定中间压力及温度水平并随后经过经济器热交换器的分流(tapped)制冷剂进行过冷。接下来，所述分流制冷剂在压缩循环的中间位置返回压缩机。因此，所述经济器循环设置有额外的操作步骤以通过在操作的经济和其它模式(步骤)之间切换来改变系统的容量。

在现有技术中，可以对控制器设定程序以可选地启动这些不同的控制功能中任意一种。然而，在相对较大的不连续的步骤中由所述功能提供的容量会增大或减小。因此当系统在任何上述的操作模式下运行时，需要提供可以改变容量的能力，以更接近地匹配外部负荷的需要量。

马达驱动器已知用于在制冷剂系统中以两个速度驱动压缩机。通过以高速或低速驱动压缩机，可以改变被压缩的及在整个系统中进行循环的制冷剂的量，并因此可以改变系统的容量。

压缩机的一种不断普及的类型是涡旋压缩机。在涡旋压缩机中，一对涡旋构件相对彼此绕转以压缩卷入的制冷剂。涡旋压缩机的一种设计构造既使用经济器又使用多种卸载器功能。进一步，所述涡旋压缩机可以采用单一的中间口(port)以择一地或同时提供所述两种功能。所述涡旋压缩机在美国专利申请5,996,364中进行了描述。

然而，还没有结合用于马达的双速驱动器和经济器循环来使用涡旋压缩机以在系统操作及控制中获得额外的灵活性。

发明内容

在本发明所描述的实施例中，涡旋压缩机设置在具有经济器回路的制冷剂系统中。所述涡旋压缩机具有马达，所述马达可以以多个不同的速度驱动。为了示例性的目的，以下的描述讨论双速马达。然而，所述涡旋压缩机可以以两个以上的不同速度运行。通过选择性地使用经济器回路，和/或可选择的卸载器功能，控制器可以增大或减小所述制冷剂系统的容量。进一步，通过改变所述马达的速度，可以调节在各种操作模式中的系统容量以提供额外的控制灵活性。

控制器确定需要的容量水平，然后如果需要增大容量，则通过启动经济器回路获得所述需要的容量水平，如果不需要额外的容量，则不启动所述经济器循环，或者设置额外的卸载装置以更进一步降低容量，并且确定用于获得精确的容量水平所需要的马达的速度。由于制冷剂压缩机只在一定速度范围内提供有效及可靠的操作，可能需要结合或未结合经济器回路的容量校正的额外步骤(如，卸载器功能)，并类似地与相应的压缩机马达速度调节一起使用，以精密地控制容量水平或获得更有效的单元操作。而且，所述控制器还可以监控所述系统的效率水平并选择最优选的操作模式和马达速度。在这种情况时，考虑了容量和效率以建立最优的单元操作。

通过设置结合上述的容量调节选择的所述双速驱动器，本发明使最终用户可以精密地调整系统容量和/或效率，或所述两种参数的结合至需要的水平。如已知的，可以设置额外的节流设备(通常称为吸入调节阀(SMV))以进一步降低所述容量至低于通过卸载机构和降低马达速度所通常获得的水平。

本发明的这些和其它特征通过以下的文字说明和附图可以更好地理解，其中附图之后是简短的说明。

附图说明

图1A示出了制冷剂循环的第一实施例。

图1B是另一实施例。

图2A示出了由现有技术提供的容量的图表。

图2B示出了由本发明提供的容量的图表。

图3是流程图。

具体实施方式

制冷剂系统20如图1A所示出，所述制冷剂系统20具有压缩机22和控制器44。如已知的，用于压缩机22的马达24可以以两个速度驱动，从而可以改变由压缩机22压缩及在整个系统中循环的制冷剂的量。即，所述压缩机在稳态操作时以两个非零的速度中一个速度被驱动。所述压缩机22是具有绕转涡旋构件26和非绕转涡旋构件28的涡旋压缩机。如已知的，多个压缩腔限定在两个涡旋构件之间，当绕转涡旋构件26由马达24驱动以绕转时，所述压缩腔可以压缩卷入的制冷剂。可以看出，吸入管30引导制冷剂进入包围所述马达及通入所述压缩腔中的吸入腔31。当制冷剂被压缩时，所述制冷剂被驱动至与排出口32相通的排出腔33中。涡旋压缩机的一般结构是已知的。如已知的，注入管线34(在下文中进行描述)与设置在中间压缩位置的口(或多个口)51相通。

由压缩机22压缩的制冷剂从排出口32排出，随后到达室外热交换器46，所述室外热交换器46在制冷模式时是冷凝器。风扇47吹送空气经过所述热交换器46。冷凝器46的下游是经济器热交换器48。所述经济器热交换器48可以是传统的热交换器或闪蒸槽类型的热交换器。如已知的，所述经济器热交换器从经过经济器膨胀设备49的分接管线45接收分流的制冷剂，并从液体管线41接收主制冷剂。尽管两个制冷剂流在图1中示出沿相同的方向流动，但这只是为了简化附图。实践中，一般优选具有以逆流方式流动的两个制冷剂流。

在分接管线45中分流的制冷剂使液体管线41中的制冷剂过冷，从而制冷剂经过主膨胀设备52之后，在进入蒸发器54之前将具有更高的冷却潜能。风扇55吹送空气经过所述所述蒸发器54。所述制冷剂从蒸发器54返回引导回压缩机22的吸入管30。可选择的吸入调节阀61可以设置在压缩机22和蒸发器54之间的吸入管30中。来自分接管线45的分流的制冷剂经过返回的注入管线34以进入压缩机22中的中间压缩位置或注入口(或多个口)51。当旁通阀40打开时，旁通管线19可以选择性地旁通来自压缩机22的制冷剂回到吸入管线30。应当理解的是经济器膨胀设备49还优选地组合有截止部件，或设置分离的截止设备36。当所述旁通阀40打开时，优选地关闭所述截止设备36，而当所述截止设备36打开时，通常闭合所述旁通阀40；然而，还可以在截止阀36和旁通阀40都是打开的情况下进行操作。如图所示，注入管线34的同一个口可以用于传送来自经济器热交换器的制冷剂，以及用于旁通制冷剂回到吸入管线。当然如果需要时，旁通和制冷剂注入的功能可以使用不同的口，而不使用共用口51。

如已知的，当需要压缩机22的部分负荷容量时，所述旁通阀40打开。因此，部分压缩的制冷剂返回吸入管线30，从而制冷剂系统的冷却能力降低。如果需要增加容量时，则闭合所述旁通阀40。如果还需要进一步增加容量时，则闭合所述旁通阀40并打开所述经济器膨胀设备49(或截止设备36)以提供经济器的功能。因此，可以获得提高的容量。

用于制冷剂循环20的控制器44可以确定需要的冷却能力，并且必要时操作旁通功能和/或经济器的功能。因此，如图2A所示，现有技术的系统提供有变动的容量阶段。一个阶段对应于在经济模式时的操作；另一个阶段对应于在同时结合有经济及旁通模式时的操作；又一个阶段对应于非经济模式；以及再一个阶段对应于旁通模式时的操作。如果有额外的SMV存在，如图所示，通过在上述的操作模式中对SMV节流，可以在所述模式之间调节容量。然而，SMV操作是低效率的，因此一般而言应当尽可能地避免SMV操作。

当图1A的系统包括双速压缩机马达时，则在使用或不使用SMV时，在基准数值之间可以存在额外的容量控制。因此，如图2B所示，如果系统以最大容量在点E1(所述点E1通常对应于结合的经济回路以及以最大速度运行的压缩机)进行操作时，通过减小压缩机的速度，容量可以降低至点E2位置。如果需要进一步降低容量，调节压缩机的速度并且通过结合的可用的卸载器的可选方式(如，旁通)中的一种切换至经济模式。

控制器44控制每个所述可选方式并且以两个可实现的速度改变压缩机马达的速度(图3)以获得精确地匹配所需要容量的容量。尽管所述控制器可以根据任何能够确定最优选操作的算法来改变模式或速度，但是大部分优选的控制逻辑是基于效率和可靠性的考虑。因此，本发明能够通过利用每个所述的几个可选方式使提供的容量更适合需要的容量以满足外部负荷的需要。

图1B示出了另一种实施例，其中示意性地示出了压缩机122，而其中经济器注入管线134和卸载器管线136与在压缩机122中不同的口相通。所述附图略带示意性地示出了所述部件(注意，压缩机122的吸入口和排出口并未显示)，但是本领域的普通技术人员应当理解如何获得所述结构。

另一方面，已知可以连续地调节经济器和卸载器的功能。而且，设置双速压缩机将使所获得的操作更灵活、更可靠、并且更有效。同样，如上所述，多速马达(替代双速马达)可以组合在压缩机的设计中以提供额外的灵活度。

尽管对本发明的优选实施例进行了描述，但是本领域的普通技术人员应当认识到某些修改落入本发明的范围。为此，以下的权利要求书将用于确定本发明的实际范围和要点。

Claims (24)

1.一种制冷剂系统，所述制冷剂系统包括：

至少一个压缩机，所述压缩机具有给所述压缩机提供多个速度的多速驱动器，并且所述压缩机设置有吸入口、中间压力口和排出口；

冷凝器，所述冷凝器在所述压缩机的下游；主膨胀设备，所述主膨胀设备在所述冷凝器的下游；蒸发器，所述蒸发器在所述主膨胀设备的下游；和经济器回路，所述经济器回路包括经济器膨胀设备和经济器热交换器，并且所述经济器回路设置在所述冷凝器和所述蒸发器之间，所述经济器回路使分流的制冷剂选择性地返回所述压缩机；以及

控制器，所述控制器用于选择性地操作所述经济器回路，以传送分流的制冷剂通过所述经济器热交换器，并使所述分流的制冷剂返回到所述压缩机中，并且所述控制器还可操作用于选择所述压缩机的速度以获得不同的容量水平。

2.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中多速驱动器是双速驱动器。

3.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中旁通口还设置用于所述压缩机，以选择性地旁通至少一部分的来自所述压缩机的部分压缩的制冷剂回到用于所述压缩机的吸入管线。

4.如权利要求3所述的制冷剂系统，其中所述旁通口和所述中间压力口设置为同一个口。

5.如权利要求4所述的制冷剂系统，其中所述旁通口选择性地与中间压力管线相通，所述中间压力管线接收回到通向所述压缩机的吸入管线的所述分流的制冷剂。

6.如权利要求3所述的制冷剂系统，其中所述旁通的制冷剂的传送通过流量控制设备来控制。

7.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中所述压缩机是涡旋压缩机。

8.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中所述分流的制冷剂返回至所述中间压力口。

9.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中所述分流的制冷剂的传送通过流量控制设备来控制。

10.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中吸入调节阀位于所述蒸发器的下游。

11.如权利要求1所述的制冷剂系统，其中基于效率和可靠性的考虑，所述控制器在操作模式顺序下进行操作，以使用所述多速驱动器和所述经济器回路。

12.一种操作制冷剂系统的方法，其中所述制冷剂系统具有至少一个多速压缩机和至少一个经济器回路；

确定所述制冷剂系统需要的负荷，并且确定是否应当结合所述经济器回路以满足所述需要的负荷量；以及

改变所述压缩机的速度以满足所述需要的负荷量。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述多速压缩机是双速压缩机。

14.如权利要求12所述的方法，其中所述压缩机进一步设置有卸载器功能，并且所述卸载器功能和所述经济器回路都提供满足所述需要的负荷量的模式。

15.如权利要求12所述的方法，其中还设置有吸入调节阀，并且所述吸入调节阀启动以改变所述制冷剂系统的操作性能以满足所述需要的负荷量。

16.如权利要求12所述的方法，其中基于效率和可靠性的考虑，控制器使用操作模式顺序来操作所述经济器回路和所述多速压缩机。

17.一种涡旋压缩机，所述涡旋压缩机包括：

涡旋压缩机壳体；

压缩机泵单元，所述压缩机泵单元安装在所述壳体内，所述压缩机泵单元包括绕转涡旋体和非绕转涡旋体，所述绕转涡旋体和非绕转涡旋体各具有基座和从所述基座延伸出的一般为螺旋型的涡旋齿，所述涡旋齿互插装配以限定压缩腔；

马达，所述马达用于驱动所述压缩机，所述马达可以以多个不同的速度进行操作；

经济器注入口，所述经济器注入口用于将来自经济器回路的制冷剂回注到所述压缩腔中，所述经济器注入口延伸至所述壳体中，并通过所述绕转涡旋体和非绕转涡旋体中的至少一个进入到其中一个所述压缩腔中；以及

控制器，所述控制器用于结合与所述涡旋压缩机相关的经济器回路的可选操作，以所述两个速度中的每一个速度选择性地操作所述压缩机。

18.如权利要求17所述的涡旋压缩机，其中还设置有旁通口，以选择性地旁通来自所述压缩机的制冷剂回到所述压缩机的吸入管线，并且所述控制器可操作用于选择所述压缩机的速度以提供不同的容量水平。

19.如权利要求18所述的涡旋压缩机，其中所述旁通口和所述中间压力口设置为同一个口。

20.如权利要求19所述的涡旋压缩机，其中所述旁通口选择性地与中间压力管线相通，所述中间压力管线接收回到通向所述压缩机的吸入管线的所述分流的制冷剂。

21.如权利要求18所述的涡旋压缩机，其中所述旁通的制冷剂的传送通过流量控制设备来控制。

22.如权利要求17所述的涡旋压缩机，其中所述旁通口和所述中间压力口设置为两个不同的口。

23.如权利要求17所述的涡旋压缩机，其中所述马达仅设置有两个速度。

24.如权利要求17所述的涡旋压缩机，其中基于效率和可靠性的考虑，所述控制器在操作模式顺序下进行操作，以使用所述多速驱动器和所述经济器回路。

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