CN101321956B - 带有空气静力学轴承的流体压缩机及其控制系统和控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及具有空气静力学轴承的流体压缩机,涉及具有空气静力学轴承的流体压缩机的控制系统,以及涉及用于控制压缩机的方法,其中空气静力学轴承由压缩流体蓄积器(5)供给,在压缩机(100)运行期间压缩流体蓄积器(5)充填且在各起动时压缩流体蓄积器(5)排出以防止轴承的损坏。这些目的通过包括加压室(C)和至少一个流体加压设备(1、2、18)的流体压缩机(100)实现,加压室(C)和加压设备(1、2、18)位于壳体(4)内,加压室(C)具有非加压入口(10)和加压出口(20),加压设备(1、2、18)将由非加压入口(10)收集的流体压缩且将其通过加压出口(20)排出,加压设备(1、2、18)具有至少一个空气静力学轴承(3),空气静力学轴承(3)包括浮置加压区域(33),压缩机包括流体地可连接到加压出口(20)且连接到浮置加压区域(33)的压缩流体蓄积器(5),压缩流体蓄积器(5)位于压缩机(100)的壳体(4)内。进一步描述了用于控制压缩机(100)的系统和各控制方法。
Description
技术领域
本发明涉及具有空气静力学轴承的流体压缩机,具有空气静力学轴承的流体压缩机的控制系统以及压缩机的控制方法,此流体压缩机例如可以包括可应用于冷却系统的离心压缩机或线性压缩机和所述的设备的轴承内的加压的结构和各控制系统。
背景技术
离心压缩机长期以来已在工业中使用,例如在汽车工业中使用。与例如往复压缩机、旋转压缩机等的其他压缩机相比,其构思相当简单。然而,由于在正常功能模式期间的高速运行,离心压缩机的轴承系统非常复杂,该高速运行估计在大约30000至200000rpm的旋转。明显地,由于轴承系统的技术困难,离心压缩机在冷却循环中的使用已很稀少。
还关于离心压缩机,它们正常地具有单级或双级构造,但它们可以根据设备的使用而包括多个级,级的量通过安装在由电动马达促动的轴上的转子的个数限定。
根据现有技术,解决用于轴浮置的轴承系统问题的方式之一是使用电磁轴承,该电磁轴承由于获得了在轴承内不具有摩擦的构造而保持轴的浮置。这解决了摩擦问题,但要求专用的电路,且轴承需要提供有加电的线圈以形成电磁场。
其他的解决方法描述了空气静力学轴承的使用,在压缩机运行期间空气静力学轴承被加压以浮置,且因此降低了摩擦且延长设备的使用寿命。在这些解决方法中,例如必需使用泵,使得轴承在其中压缩机开启的时刻(或处于起动模式时)被加压,以避免设备的过早磨损。
在试图解决这些问题的领域中的解决方法之一在文献EP 0 212091中描述,其称为加压轴承,它使用在内燃机的涡轮增压器内。根据此文献的教示,提供了连接在涡轮增压器的热部分和冷部分之间的保存存储器,且此存储器保存了由涡轮增压器加压的空气,以将轴承加压且因此避免轴承在发动机起动和运行期间的磨损。
此解决方法的缺点之一是它要求存储器和管路的组件,这产生了制造和维护的费用。
发明内容
为克服现有技术的问题,本发明的目的是压缩机、系统和各控制方法,其中轴承系统通过事先加压的存储器可通过一对控制阀控制,其目的为:
-实现简化的轴承系统;
-消除当前模型的电磁轴承的整个电力电子控制系统;
-降低产品成本;
-使得其为更具有竞争力的产品;
-使得其为用于大规模制造的更简单的产品;和
-降低压缩机体积。
这些目的通过包括加压室和至少一个流体加压设备的流体压缩机实现,加压室和加压设备在壳体内侧,加压室具有非加压入口和加压出口,加压设备将由非加压入口收集的流体压缩且将其通过加压出口排出,加压设备具有至少一个空气静力学轴承,该空气静力学轴承包括浮置加压区域,压缩机包括流体地可连接到加压出口且连接到浮置加压区域的压缩流体蓄积器,压缩流体蓄积器位于压缩机壳体内侧。
本发明的目的进一步通过压缩机控制系统实现,该控制系统包括控制电路以控制流体压缩机,压缩机包括加压室和至少一个流体加压设备,加压室和加压设备位于壳体内,加压室具有非加压入口和加压出口,加压设备将由非加压入口收集的流体压缩且将其通过加压出口排出,加压设备具有至少一个空气静力学轴承,该空气静力学轴承包括浮置加压区域,系统进一步包括第一控制阀和第二控制阀,它们选择地将整合到壳体内的压缩流体蓄积器与加压出口连接,或将压缩流体蓄积器连接到空气静力学轴承的浮置区域,系统构造为在压缩机运行时将压缩流体蓄积器连接到加压出口和空气静力学轴承的浮置区域,或在压缩机起动前仅连接压缩流体蓄积器和空气静力学轴承的浮置区域。
再根据本发明的教示,目的进一步通过起动压缩机的方法实现,方法包括如下步骤:在起动模式中,在使压缩机的空气静力学轴承浮置所需的时间期间打开来自压缩流体蓄积器的通道;保持第二控制阀关闭直至加压出口的压力高于从压缩流体蓄积器排出的流体的压力;从加压出口处的流体为压缩流体蓄积器再充填。
附图说明
本发明将基于在附图中表示的实施例更详细地描述。附图为:
图1为多级离心压缩机的示意性剖视图,图示了本发明的实施例的一个;
图2为多级离心压缩机的示意性剖视图,图示了本发明的实施例的一个;
图3为根据本发明的另一个实施例的线性压缩机的剖视图。
具体实施方式
如从图1和图2中可见,本发明的教示的可能的实施例的一个是将它们应用于离心压缩机,例如双级型离心压缩机。此类型的压缩机具有两个级,压缩机的第一级的压缩转子1具有将流体(气体)抽过非加压入口10的功能;以便然后通过第二级压缩转子2加压,从加压出口20用于冷却回路(未示出)。两个压缩转子1、2相联合,换言之它们机械地固定在相同的轴6的端部处,轴6又通过电动马达7激活。轴6也具有一对在浮置加压区域33内的空气静力学轴承3,空气静力学轴承3当受到正压力时开始浮置。
另外,压缩机100进一步包括壳体4,壳体4包括密闭地封闭了压缩机100的外壁或封闭壁44。
本发明的另一个实施例可应用于线性压缩机,且在此情况中差异与活塞18自身的轴承系统相关,而非存在于离心压缩机内的轴6。如在图3中可更详细地可见,在线性压缩机中,加压设备是定位在缸19内的活塞18,活塞18在缸19内通过线性型电动马达可位移,活塞18进一步安放在一对空气静力学轴承3上。
一般地,相同的构造构思可以应用于离心压缩机和线性压缩机,因为两种压缩机都具有构思上相同的运行方式。在两个情况中预见了至少一个加压室C,其中流体将由至少一个流体加压设备1、2、18压缩,换言之,通过一个或多个转子1、2或活塞18加压,其与解决方法无关地位于壳体4内,加压室C具有非加压入口10和加压出口20,流体(气体)由非加压入口10收集,在加压室C内压缩且通过加压出口20排出。
为使离心压缩机内和线性压缩机内的轴承浮置,提供了至少一个空气静力学轴承3,此空气静力学轴承3包括浮置加压区域33,流体必须泵送到浮置加压区域33以使轴承在压缩机100的运行期间浮置。
根据本发明的教示,为克服本领域中的构造和运行问题,必须提供可以流体地连接到加压出口20且连接到浮置加压区域33的存储器(或压缩流体蓄积器5),以实现:(i)使空气静力学轴承3在压缩机100的运行期间浮置,和同时(ii)以在加压出口20处可获得的压力供给压缩流体蓄积器5。
另外,为克服现有技术的空间、构造、维护和制造问题,加压流体蓄积器5必须位于壳体4内侧在各封闭壁44内,使得它形成为壳体4的整体部分,这不仅赋予了更小的充填损失,而且赋予了在压缩流体蓄积器5的再充填中的更直接的响应,且因此在轴承3的加压中更有效。
关于在压缩流体蓄积器5、加压出口20和空气静力学轴承3的浮置加压区域33之间的流体连接,从图1和图2中可见压缩流体蓄积器5选择地可连接到加压出口20或空气静力学轴承3的浮置区域33。在此意义上,可以观察到压缩流体蓄积器5可通过蓄积器管32和轴承管31连接到空气静力学轴承3的浮置区域33,蓄积器管32通过第一控制阀8连接到轴承管31,第一控制阀8位于蓄积器管32内。压缩流体蓄积器5与加压出口20的连接通过蓄积器管32和收集管30实现,蓄积器管32通过第一控制阀8和第二控制阀9连接到收集管30,此第二控制阀9位于收集管30内。
操作上,第一控制阀8实现了当压缩机100运行时压缩流体蓄积器到加压出口20的连接,且在压缩机100运行时空气静力学轴承3的浮置加压区域33也连接到加压出口,使压缩流体蓄积器5具有与加压出口20的压力相同的压力,且因此保持充填。
以此结构,在压缩机100起动前,压缩流体蓄积器5连接到空气静力学轴承3的浮置加压区域33,第二控制阀9保持通向加压出口20的流体通道关闭,压缩机100仅在使空气静力学轴承3浮置所需的时间之后才起动,这通常大致需要一秒。
关于阀的类型,根据本发明的教示,优选地使用可由外部系统控制的电动阀(或电磁阀)作为第一控制阀8,以在压缩机100起动时释放存储在压缩流体蓄积器5内的流体,以及在压缩机100的运行阶段期间控制各再充填。
关于第二控制阀9,第二控制阀9优选地是单向机械阀,它使得加压出口20的流体能通到压缩流体蓄积器5。此单向阀的目的是防止在压缩机100处于起动阶段时存储在压缩流体蓄积器5内的流体通过加压出口20离开,且同时此单向阀必须构造为当压缩机100运行时在加压出口20处打开到加压流体的通道以对压缩机100再充填。第二控制阀9也可以由电动阀(或电磁阀)替代,其必须在合适的时刻打开以实现本发明的目的。
为控制本发明的压缩机100,提供了相联合的系统。系统必须包括电子控制电路88以控制压缩机100的起动阶段,以及控制压缩流体蓄积器5的充填阶段。因此,如已提及,本发明的系统的控制电路88必须通过第一控制阀8和第二控制阀9选择地将压缩流体蓄积器5连接到加压出口20或将压缩流体蓄积器5连接到空气静力学轴承3的浮置区域33,且特别地,其必须构造为在压缩机100运行时将压缩流体蓄积器5连接到加压出口20和空气静力学轴承3的浮置区域33,或在压缩机100起动前仅连接压缩流体蓄积器5和空气静力学轴承3的浮置区域33。
系统必须进一步提供,在压缩机100起动时,控制电路88将电动阀打开,使得存储在压缩流体蓄积器5内侧的压缩流体至少部分地传递到空气静力学轴承3的浮置加压区域33,且压缩机100仅在使空气静力学轴承3浮置所需的时间后才起动,即典型地大致上在压缩流体蓄积器5打开后的一秒内起动。在此时刻,第二控制阀9对于到加压出口20的流体通道保持关闭,直至加压出口20的流体压力高于从压缩流体蓄积器5排出的流体的压力。
通过将系统的运行应用于压缩机100,对于压缩机的起动可以预见到如下的步骤:
-在起动模式中,在使压缩机100的空气静力学轴承3浮置所需的时间期间打开来自压缩流体蓄积器5的通道;和
-保持第二控制阀9关闭直至加压出口20的压力高于从压缩流体蓄积器5排出的流体的压力;和
-从加压出口20处的流体为压缩流体蓄积器5再充填。
优选地,压缩流体蓄积器的体积构造为具有在冷却回路内侧循环的制冷剂流体的总体积的大约10%,其他体积百分比也是可以的,这取决于压缩机100的条件和特征。与根据现有技术的系统相比,优点是显著的,因为不仅实现了降低的尺寸以用于安装冷却系统的压缩机100,而且例如实现了压缩机100在制冷器柜处的减小的安装时间,因为压缩流体蓄积器5已整合在壳体4内,且另外实现了成本节约,因为与带有从壳体4分开的存储器的系统相比,冷却流体的体积更小,这导致了压缩机100的较低的制造和维护成本。
在描述了优选实施例的例子后,必须理解的是本发明的范围包含其他可能的变化,而仅由附带的权利要求书的内容限定,在此包括可能的等价物。
Claims (16)
1.一种流体压缩机(100),包括加压室(C)和至少一个流体加压设备(1、2、18),
加压室(C)和加压设备(1、2、18)位于壳体(4)内,加压室(C)具有非加压入口(10)和加压出口(20),加压设备(1、2、18)将由非加压入口(10)收集的流体压缩且将其通过加压出口(20)排出,
加压设备(1、2、18)具有至少一个空气静力学轴承(3),所述的空气静力学轴承(3)包括浮置加压区域(33),
该压缩机的特征在于,
包括流体地可连接到加压出口(20)且可连接到浮置加压区域(33)的压缩流体蓄积器(5),所述的压缩流体蓄积器(5)位于压缩机(100)的壳体(4)内侧且以加压出口(20)流体供给。
2.根据权利要求1所述的压缩机,其特征在于,壳体(4)由封闭壁(44)形成,且压缩流体蓄积器(5)形成为壳体(4)的整体部分且位于封闭壁(44)内部。
3.根据权利要求1或2所述的压缩机,其特征在于,压缩流体蓄积器(5)构造为选择地可连接到加压出口(20)或空气静力学轴承(3)的浮置区域(33)。
4.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,压缩流体蓄积器(5)可通过蓄积器管(32)和轴承管(31)连接到空气静力学轴承(3)的浮置区域(33),蓄积器管(32)通过第一控制阀(8)连接到轴承管(31),第一控制阀(8)位于蓄积器管(32)内。
5.根据权利要求3所述的压缩机,其特征在于,压缩流体蓄积器(5)可通过蓄积器管(32)和收集管(30)连接到加压出口(20),蓄积器管(32)通过第一控制阀(8)和第二控制阀(9)连接到收集管(30),第二控制阀(9)位于收集管(30)内。
6.根据权利要求4或5所述的压缩机,其特征在于,在压缩机(100)运行时,第一控制阀(8)使得压缩流体蓄积器(5)能连接到加压出口(20)。
7.根据权利要求4或5所述的压缩机,其特征在于,在压缩机运行时,空气静力学轴承(3)的浮置加压区域(33)连接到加压出口(20)。
8.根据权利要求5所述的压缩机,其特征在于,在压缩机(100)起动前,压缩流体蓄积器(5)连接到空气静力学轴承(3)的浮置加压区域(33),第二控制阀(9)保持到加压出口(20)的流体通道关闭,在空气静力学轴承(3)浮置所需的时间后压缩机(100)起动。
9.根据权利要求6所述的压缩机,其特征在于,第一控制阀(8)是可通过远程系统控制的电动阀。
10.根据权利要求8所述的压缩机,其特征在于,第二控制阀(9)是单向阀,第二控制阀(9)使得加压出口(20)的流体能通到压缩流体蓄积器(5)。
11.根据权利要求10所述的压缩机,其特征在于,压缩机是离心压缩机,其中加压设备是转子(1、2),转子(1、2)与轴(6)相联合,轴(6)具有一对在浮置加压区域(33)内的空气静力学轴承(3)。
12.根据权利要求10所述的压缩机,其特征在于,压缩机是线性压缩机,其中加压设备是定位在缸(19)内的活塞(18),活塞(18)在缸(19)内位移且具有一对空气静力学轴承(3)。
13.一种压缩机控制系统,包括控制电路(88)以控制流体压缩机(100),压缩机包括加压室(C)和至少一个流体加压设备(1、2、18),
加压室(C)和加压设备(1、2、18)位于壳体(4)内,加压室(C)具有非加压入口(10)和加压出口(20),加压设备(1、2、18)将由非加压入口(10)收集的流体压缩且将其通过加压出口(20)排出,
加压设备(1、2、18)具有至少一个空气静力学轴承(3),空气静力学轴承(3)包括浮置加压区域(33),
该系统的特征在于,
系统进一步包括第一控制阀(8)和第二控制阀(9),它们选择地将整合到壳体(4)内的压缩流体蓄积器(5)连接到加压出口(20),或将压缩流体蓄积器(5)连接到空气静力学轴承(3)的浮置区域(33),
系统构造为在压缩机(100)运行时将压缩流体蓄积器(5)连接到加压出口(20)和空气静力学轴承(3)的浮置区域(33),或
在压缩机(100)起动前仅连接压缩流体蓄积器(5)和空气静力学轴承(3)的浮置区域(33)。
14.根据权利要求13所述的系统,其特征在于,第一控制阀(8)是与控制电路(88)相联合的电动阀,系统以这样的方式构造,使得压缩机(100)的起动期间,控制电路(88)打开电动阀以将存储在压缩流体蓄积器(5)内的压缩流体传递到空气静力学轴承(3)的浮置加压区域(33),在使空气静力学轴承(3)浮置所需的时间后,压缩机(100)起动。
15.根据权利要求14所述的系统,其特征在于,在压缩机起动期间,第二控制阀(9)对于到加压出口(20)的流体通道保持关闭,直至加压出口(20)的流体压力高于从压缩流体蓄积器(5)排出的流体的压力。
16.一种用于起动如权利要求8,10,11,12中任一项所述的压缩机的方法,其特征在于包括如下步骤:
在起动模式中,在使压缩机的空气静力学轴承(3)浮置所需的时间期间打开来自压缩流体蓄积器(5)的通道;
保持第二控制阀(9)关闭直至加压出口(20)的压力高于从压缩流体蓄积器(5)排出的流体的压力;
从加压出口(20)处的流体为压缩流体蓄积器(5)再充填。
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