CN101473174A - 用于减少压缩机马达中的风阻损失的系统和方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于减少压缩机马达中的风阻损失的方法和系统。压缩机马达(106)通过循环来自包含压缩机(302)的闭合的制冷剂回路的制冷剂而得到冷却。耦合到闭合的制冷剂回路中的流体膨胀器(128)的泵装置(130)，将制冷剂循环穿过马达腔室并且产生小于蒸发压力的马达腔室压力。马达腔室内的降低的压力减少了该马达腔室内的气体密度，从而减少了马达(106)的风阻损失。此外，泵装置(130)由在冷凝器(112)和蒸发器(114)之间所回收的流体膨胀能量来提供动力。

Description

用于减少压缩机马达中的风阻损失的系统和方法

背景技术

本发明涉及一种通过在马达部件上循环制冷剂气体来冷却压缩机马达的系统和方法。更具体地，本发明是针对通过降低马达腔室内的制冷剂气体的压力和密度来减少压缩机马达中的风阻损失。

部分地因为大量的在高速转子旋转过程中引起的冷却气体诱导风阻摩擦，高速马达通常具有大的风阻损失，而这影响了马达的性能和效率。为了减少风阻损失，操作和控制与马达直接相关的各种因素，例如转子的圆周速度、马达周围的马达冷却气体的流量、转子表面积和转子表面粗糙度等，以优化马达的性能。

一种在冷却马达的同时减少马达中的能量损失的方法是朝向马达绕组吸入制冷剂。马达绕组的温度降低防止马达部件过热并且产生了更好的工作效率。另一种减少马达中的能量损失的方法是在整个马达腔室内保持固定压力。可以在马达腔室内放置压力阀，以释放在运行时出现的聚集的较高压力的气体。当腔室内的压力增大时，阀门打开，从而释放高压气体。在腔室内保持固定压力增加了马达效率。但是，此种方法使用了机械装备，并且不能理想地在马达腔室内保持完全固定的压力。此外，此种方法并没有解决马达腔室温度的问题。

另外一种方法通过保持马达腔室内的固定压力来控制马达中的能量损失，同时也防止马达部件之间的油损失。在马达轴承部件内保存油，使得部件运动得到更好润滑，从而在不允许油逸入马达冷却腔室的同时减少摩擦，防止过度的油搅动并且减少能量损失。包含制冷压缩机传动装置和储油器的全密封壳体连接到压缩机的吸入侧，以使得壳体内的压力相等。该方法的焦点在于避免了来自油储备的制冷剂沸腾。但是，该系统仅将马达腔室内的压力保持在固定水平，并且仅辅助减少能量损失，而不是优化马达效率。

但是，对于非常高速的马达，即使在优化了诸如转子的圆周速度、马达周围的马达冷却气体的密度和流量、转子表面面积和/或转子表面粗糙度等因素之后，风阻损失仍然是非常大的。可以操纵来减少风阻损失的唯一剩余的因素是马达腔室内的气体密度。风阻损失随着马达腔室内的气体密度的降低而降低，结果产生更好的马达效率。

为了减小在这些更高速度马达的腔室内的气体密度，使用真空泵来降低围绕马达的压力，以尽可能地减少风阻损失。但是，这些系统缺少既能够充分地冷却马达，同时又提供围绕马达腔室的真空的能力。降低马达腔室内的气体密度，同时又同步地冷却马达的一个尝试，包括使用由独立电源供电的辅助正排量气体压缩机来“抽空”马达腔室，同时一个完整的冷冻器系统在运行。但是在这些系统中，辅助压缩机消耗的能量多于它们在马达风阻损失中所节省的能量，因此，这些系统并不是增加马达效率的好方案。

因此，需要一种能够减少压缩机马达中的风阻损失和其它能量损失，同时消耗的能量不多于所节约的能量的系统。

发明内容

本发明的一个实施方案是针对一种制冷系统，该制冷系统包括在闭合的制冷剂回路中连接的压缩机、蒸发器和冷凝器。马达连接到压缩机以便于为该压缩机提供动力。流体膨胀器在冷凝器和蒸发器之间连接在制冷剂回路中。连同该制冷系统，使用一个马达冷却系统来冷却压缩机马达。马达冷却系统具有与制冷剂回路的第一连接，以将制冷剂从蒸发器接收到马达腔室以供冷却，以及具有与制冷剂回路的第二连接，以将制冷剂从马达腔室返回到蒸发器。马达冷却系统还具有一个泵装置，以将制冷剂从第一连接穿过马达腔室循环到第二连接。泵装置由流体膨胀器的运行来提供动力，并且泵装置降低马达腔室内的气态制冷剂的压力和密度，以减少马达中的风阻损失。

本发明的第二实施方案是针对一种用于冷冻器系统的马达冷却系统，该冷冻系统包括在闭合的制冷剂回路中连接的压缩机、蒸发器和冷凝器。所述马达冷却系统包括用于马达的马达壳体，该马达为冷冻器系统的压缩机提供动力。马达冷却系统还包括流体膨胀器，该流体膨胀器在冷冻器系统的冷凝器和蒸发器之间可连接到闭合的制冷剂回路中。另外，马达冷却系统具有第一连接和第二连接，该第一连接可连接到闭合的制冷剂回路以从蒸发器接收制冷剂并且将制冷剂提供到马达壳体，该第二连接可连接到闭合的制冷剂回路以将制冷剂返回到蒸发器。泵装置，布置在第二连接内并且用于将制冷剂从第一连接穿过马达壳体循环到第二连接，以冷却马达并且在马达腔室内保持预定压力。泵装置耦合到流体膨胀器并且由流体膨胀器的运行来提供动力。此外，在马达冷却系统的整个运行中，将马达腔室内的预定压力保持在固定水平。

本发明的另一实施方案是一种用于冷却冷冻器系统的马达的方法，包括为制冷剂回路提供第一连接的步骤，其中该第一连接被构造为从蒸发器接收制冷剂。下一步骤包括：为制冷剂回路提供第二连接，其中该第二连接被构造为将制冷剂返回到蒸发器；然后在马达腔室内提供马达，其中所述马达腔室连接到所述第一连接和所述第二连接。下一步骤包括利用泵装置将制冷剂从所述第一连接穿过马达腔室循环到所述第二连接，以及然后利用来自流体膨胀器的膨胀能量来为所述泵装置提供动力，其中所述流体膨胀器被构造为在冷凝器和蒸发器之间、在制冷剂回路内膨胀制冷剂，其中制冷剂通过泵装置在马达腔室内的循环将马达冷却并且降低了所述马达腔室内的制冷剂的压力和气体密度，从而减少了马达的风阻损失。

本发明的一个优点在于减少了马达中的风阻和能量损失。

本发明的另一优点在于反复利用由流体膨胀器排出的能量。

本发明的又一优点在于所述系统有效地降低了马达腔室内的制冷剂气体的压力，冷却了马达并且保持能量消耗最小。所有这些优化了风阻损失的减少并且提高了马达效率。

另外，本发明的另一优点在于用于马达冷却回路中的压缩机是负载依存性的。因此，所述系统仅在系统的当前负载所需水平运行并且不消耗不必要的能量。

从以下所给出的结合附图的优选实施方案的更为详细的描述中，本发明的其它优点和特征将变得明显，下文通过举例的方式示出了本发明的原理。

附图说明

图1是本发明的实施方案的框图。

图2是本发明的另一实施方案的框图。

图3示出了马达和压缩机壳体的横截面。

图4示出了泵装置和膨胀器之间的连接的详细视图。

具体实施方式

在标记数字存在的任何地方，所有附图中所使用的相同的标记数字用来指示相同或类似的部件。参照图1，该HVAC、制冷或液体冷冻器系统包括在制冷剂回路中连接的压缩机302、冷凝器装置112和流体冷冻蒸发器装置114。在一个优选实施方案中，冷冻器系统具有250吨或者更大的容量，以及更优选地具有1000吨或者更加大的容量。马达106连接到压缩机302以便于为压缩机302提供动力。马达106和压缩机302优选地被罩在一个共同的密封机壳内，但是也可以罩在单独的密封机壳内。压缩机302压缩制冷剂蒸气并且通过排出管路将高压蒸气输送到冷凝器112。压缩机302优选地是离心式压缩机；但是，压缩机302可以是任意适宜类型的压缩机，包括：螺杆式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机、旋转式压缩机或任意其它类型的压缩机。

由压缩机302输送到冷凝器112的高压制冷剂蒸气形成与诸如空气或水之类的流体的热交换关系，并且由于与所述流体的热交换关系而经历到高压制冷剂液体的相变。来自冷凝器112的高压液态制冷剂流过膨胀器128，以便以低压进入蒸发器114。被输送到蒸发器114的液态制冷剂形成与诸如空气或水之类的流体的热交换关系，并且由于与所述流体的热交换关系而经历到制冷剂蒸气的相变。蒸发器114中的蒸气制冷剂排出蒸发器114并且通过吸入管路返回到压缩机302，以完成循环。可以理解，在所述系统中可以使用任意适合的构造的冷凝器112和蒸发器114，只要在冷凝器112和蒸发器114内实现制冷剂的适当相变。

马达冷却回路连接到如上所述的制冷剂回路，以提供对马达106的冷却。马达冷却回路具有靠近压缩机302的吸入口的连接，该连接通向马达106的马达腔室。循环的用于冷却马达106的制冷剂气体排出马达腔室并且被送到蒸发器114。如参照图3和4所详细讨论的，泵装置130用来从靠近压缩机302的吸入口从制冷剂回路穿过马达腔室来循环制冷剂，并且将制冷剂返回到靠近蒸发器114的制冷剂回路。制冷剂从制冷剂回路循环进入马达腔室以及通过泵装置130从马达腔室内去除受热的制冷剂气体，有助于冷却马达106和降低马达中的风阻损失，并提高马达的整体效率。特别地，泵装置130的运行用来将马达腔室内的制冷剂气体保持基本不变的预定压力和密度，以降低风阻损失。马达腔室内的制冷剂气体的预定压力和密度小于压缩机的吸入压力并且能够达到真空型的状态。HVAC或制冷系统可以包括在图1中没有示出的许多其它特征。为了便于说明，这些特征已经被故意省略以简化附图。

类似于图1，图2也具有在闭合的制冷剂回路中连接的压缩机302、冷凝器112以及蒸发器114。压缩机302压缩制冷剂蒸气并且通过排出管路将高压蒸气输送到冷凝器112。被输送到冷凝器112的高压制冷剂蒸气形成与诸如水之类的来自冷却塔的流体的热交换关系，并且由于与所述流体的热交换关系经历到高压制冷剂液体的相变。来自冷凝器112的高压液态制冷剂流过膨胀器128并且以低压进入蒸发器114。蒸发器114包括用于冷却负载的供应管路以及回流管路的连接。例如水、乙二醇、氯化钙盐水或氯化钠盐水等的第二流体经由回流管路移动到蒸发器114中，并且经由用于冷却负载的供应管路排出蒸发器114。蒸发器114中的液态制冷剂形成与第二流体的热交换关系，以降低第二流体的温度。由于与第二流体的热交换关系，蒸发器114中的制冷剂液体经历到制冷剂蒸气的相变。蒸发器114中的气态制冷剂排出蒸发器114并且通过吸入管路返回到压缩机302，以完成循环。

如图1中一样，马达冷却回路连接到制冷剂回路，以提供对于马达106的冷却。马达冷却回路具有靠近压缩机302的吸入口的连接，该连接通向马达106的马达腔室。但是，与图1中的实施方案不同，在冷却马达106和穿过泵装置130之后，循环的马达冷却制冷剂气体在被送到蒸发器114之前，穿过一个热交换器134来降低过热的制冷剂气体温度。热交换器134与在冷却塔132和冷凝器112之间的供应管路有连接，以从冷却塔132接收冷却水。通过在制冷剂流过热交换器134时对该制冷剂进行过热降温，来自冷却塔132的水用来冷却排出泵装置130的制冷剂气体。在冷却水与制冷剂交换热之后，冷却水利用到冷凝器112和冷却塔132之间的回流管路的连接而返回到冷却塔132。HVAC或制冷系统可以包括在图2中没有示出的许多其它特征。为了便于说明，这些特征已经被故意省略以简化附图。

如图1和2所示，泵装置130耦合到来自制冷剂回路的膨胀器128。泵装置优选地是压缩机，并且可以是螺杆式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机、叶片式压缩机或其它适宜的压缩机中的任意一种。例如，在1000吨容量的冷冻器系统中，泵装置或压缩机130优选地具有至少大约310CFM的扫气容积和至少大约3.3容积比，以输送所需的压力。泵装置130和膨胀器128可以通过共同转轴机械地耦合，或者可以通过具有电气结合到一起的两个单独的机械部件机械地耦合，其中膨胀器128耦合到一种发电机并且泵装置130由一个利用所发出电中的所需部分的电动马达来驱动。泵装置130和膨胀器128也可以集成到一个具有与共同转轴的机械或者电气连接的单一系统单元中。单一系统单元利用控制阀来控制或限制膨胀器功率提取量，以便可以控制马达腔室内下降的压力。当利用控制阀时，过量的膨胀制冷剂实质上穿过滑动控制孔的一部分来膨胀，以满足冷却负载液态制冷剂流进蒸发器的要求。由于单一系统单元具有泵装置130和膨胀器128并利用控制阀来调节马达腔室压力和控制液态制冷剂膨胀，所以在高效的冷冻器部件上只需要四个制冷剂连接而没有转轴密封件。当对泵装置130和膨胀器128应用正排量压缩技术时，可以达到所需的压缩比和容积比。如果利用气动压缩技术，所需的压缩比和容积比通过在泵装置130和/或膨胀器128上引入附加的气动级来获得，以获得适当运行所需的压缩比和容积比。优选地，膨胀器128是喷射器、正排量膨胀器或涡轮式离心膨胀器中的一种。例如，在一个1000吨容量的冷冻器系统中，膨胀器128优选地尺寸被加工为具有至少大约13.8的容积比的至少300GPM的液态制冷剂入口流量，以根据系统的需要将流体完全膨胀。可以理解的是，膨胀器128和泵装置130的具体扫气容积和容积比最小值取决于诸如所使用的冷却剂的类型和制冷系统的容量等的各种因素。膨胀器128通过回收从液态制冷剂膨胀排出的能量来为泵装置130提供动力。使用回收的能量来驱动泵装置130减少了马达冷却系统的能量损失，并且也减少了运行马达冷却系统所需的总动力量。

此外，泵装置130到膨胀器128的连接，允许马达冷却系统的运行是负载依存式的。当马达上的负载减少时，马达以低速运行并且可以具有相应的降低的冷却需求。另外，在低负载容量，耦合的泵装置130因穿过主制冷剂回路的制冷剂流量的减少而从膨胀器128收到更少的动力，以及泵装置相应地在马达腔室上提供较低的吸入量以虹吸冷却马达106的制冷剂气体。由于系统是负载依存式的，所以它绝不减少马达腔室内的制冷剂密度而使其比所需要的小，或者从不消耗比所需要的更多的能量。

如图3所示，气动压缩机302由密封马达106提供动力。压缩机302可以是被构造在和马达106或者和布置在多个级之间的马达106具有共同转轴上的单级压缩机或者多级压缩机中的任一个。马达106包括具有多个显磁极(即马达绕组)的定子502，以及也具有多个磁极的转子504。在图3中的横截面图中，对于定子502和转子504中的每一个只示出了一对磁极，虽然马达106通常在定子502和转子504中的每一个上具有多个磁极对。定子502典型地比转子504具有更多数量的磁极。转子504附接到转轴508，该转轴508连接到并且驱动压缩机302的叶轮510。多个电连接器518连接定子502的磁极，以将转动传给转子504和叶轮510。马达106被显示为处在将压缩机302及其相关部件封闭的密封机壳516内。

马达106和马达腔室被保持在比在吸入管路524处的压缩机302的吸入压力小得多的压力，以减少风阻损失。马达106和马达腔室经由管道526(在图3中示意性示出)与吸入管路524和压缩机腔室528流体连通。管道526与在转子504和定子502之间存在的马达通道530流体连通。将马达106内的制冷剂气体从压缩机腔室528抽入马达通道530，从而循环马达106和马达腔室内的制冷剂蒸气以冷却马达106。此刻加热的制冷剂气体通过泵装置130从马达腔室内抽出并且然后通过泵装置130送到热交换器134和/或蒸发器114。

参照图4，示出了膨胀器128和泵装置130之间的一个连接的横截面视图。膨胀器128和泵装置130被显示为通过机械连接来连接。膨胀器128和泵装置130运行在共同转轴上，其中膨胀器128基于从冷凝器112流过该膨胀器128的制冷剂的量来驱动压缩机130。泵装置130直接从马达腔室接收气体，并且膨胀器128从冷凝器112接收液态制冷剂。泵装置130将排出的马达气体传递到热交换器134和/或蒸发器114。膨胀器128利用来自制冷剂膨胀的多余能量来为泵装置130提供动力。随着膨胀器128处理多余能量，能量被传递到所连接的泵装置130，从而将动力供应到泵装置130。在返回到压缩机302之前，制冷剂然后从膨胀器128排到蒸发器114。

虽然已参照优选实施方案描述了本发明，但本领域普通技术人员应理解，可以进行各种改变以及可以用等同物替换本发明的构件，而不脱离本发明的范围。此外，可以对本发明的教导进行各种改型来适应具体的情形或者材料，而不脱离本发明的基本范围。因此，意图是，本发明并不限于如为实施本发明而设计的最佳实施方式所公开的具体实施方案，而本发明将包括落入所附的权利要求书的范围内的所有实施方案。

Claims (26)

1.一种制冷系统，包括：

在制冷剂回路中连接的压缩机、蒸发器和冷凝器；

连接到所述压缩机以便于为该压缩机提供动力的马达，所述马达布置在马达腔室内；

流体膨胀器，其在所述冷凝器和所述蒸发器之间连接在所述制冷剂回路中；以及

马达冷却系统，所述马达冷却系统包括：

与所述制冷剂回路的第一连接，以从所述蒸发器接收制冷剂；

与所述制冷剂回路的第二连接，以将制冷剂返回到所述蒸发器；

泵装置，以将制冷剂从所述第一连接穿过所述马达腔室循环到所述第二连接，所述泵装置由所述流体膨胀器的运行来提供动力；以及

其中所述泵装置降低所述马达腔室内的制冷剂的压力和气体密度，以减少所述马达的风阻损失。

2.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述流体膨胀器被构造为将来自所述冷凝器的高压制冷剂流体膨胀为用于所述蒸发器的低压制冷剂流体。

3.如权利要求2所述的制冷系统，其中所述流体膨胀器通过从该流体膨胀器内的制冷剂的膨胀而回收能量来为所述泵装置提供动力。

4.如权利要求3所述的制冷系统，其中所述流体膨胀器包括喷射器、正排量膨胀器或涡轮式离心膨胀器中的一种。

5.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述泵装置是气体压缩机。

6.如权利要求5所述的制冷系统，其中所述气体压缩机包括气动压缩机或正排量压缩机中的一种。

7.如权利要求6所述的制冷系统，其中所述气体压缩机包括螺杆式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机或叶片式压缩机中的一种。

8.如权利要求7所述的制冷系统，其中所述制冷系统具有1000吨的容量，所述气体压缩机具有大约310CFM的扫气容积和大约3.3的容积比，并且所述流体膨胀器被构造为用于至少300GPM的流量以及具有大约13.8的容积比。

9.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述流体膨胀器通过机械连接或电气连接中的一种来耦合到所述泵装置。

10.如权利要求1所述的制冷系统，其中所述流体膨胀器和所述泵装置被组合为单一单元。

11.如权利要求1所述的制冷系统，进一步包括在所述泵装置和所述蒸发器之间连接的热交换器，所述热交换器被构造为将自所述泵装置排出的制冷剂降低过热。

12.如权利要求11所述的制冷系统，其中所述热交换器被构造为利用冷凝器冷却塔的水将来自所述泵装置的制冷剂降低过热。

13.一种用于冷冻器系统的马达冷却系统，所述冷冻器系统具有在闭合的制冷剂回路中连接的压缩机、蒸发器和冷凝器，所述马达冷却系统包括：

用于所述马达的马达壳体；

流体膨胀器，其在所述冷冻器系统的冷凝器和蒸发器之间可连接到闭合的制冷剂回路；

第一制冷剂连接，其可连接到所述闭合的制冷剂回路以从所述蒸发器接收制冷剂并且将制冷剂提供到所述马达壳体；

第二制冷剂连接，其可连接到所述闭合的制冷剂回路以将制冷剂返回到所述蒸发器；

泵装置，其布置在所述第二制冷剂连接内以将制冷剂从所述第一制冷剂连接穿过所述马达壳体循环到所述第二制冷剂连接，以冷却所述马达并且在所述马达壳体内保持预定压力，所述泵装置耦合到所述流体膨胀器并且由所述流体膨胀器的运行来提供动力。

14.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中在所述马达冷却系统的整个运行中，所述马达壳体内的所述预定压力被保持在预定水平。

15.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中耦合的泵装置和流体膨胀器是通过机械连接或电气连接中的一种连接来连接的。

16.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中耦合的泵装置和流体膨胀器被连接为一个单元。

17.如权利要求13所述的马达冷却系统，包括布置在所述泵装置和所述蒸发器之间、在所述第二制冷剂连接内的热交换器，所述热交换器在所述第二制冷剂连接内降低制冷剂的温度。

18.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中所述泵装置降低所述马达壳体内的制冷剂的密度，以减少所述马达的风阻损失。

19.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中所述泵装置包括气动压缩机或正排量压缩机中的一种。

20.如权利要求19所述的马达冷却系统，其中所述泵装置包括螺杆式压缩机、往复式压缩机、涡旋式压缩机或叶片式压缩机中的一种。

21.如权利要求13所述的马达冷却系统，其中所述流体膨胀器包括喷射器、正排量膨胀器或涡轮式离心膨胀器中的一种。

22.一种用于冷却冷冻器系统的马达的方法，包括步骤：

为制冷剂回路提供第一连接，所述第一连接被构造为从蒸发器接收制冷剂；

为所述制冷剂回路提供第二连接，所述第二连接被构造为将制冷剂返回到所述蒸发器；

在马达腔室内提供马达，所述马达腔室连接到所述第一连接和所述第二连接；

利用泵装置将制冷剂从所述第一连接穿过所述马达腔室循环到所述第二连接；

利用来自流体膨胀器的膨胀能量来为所述泵装置提供动力，所述流体膨胀器被构造为在冷凝器和所述蒸发器之间、在制冷剂回路内膨胀制冷剂；以及

其中制冷剂通过所述泵装置在所述马达腔室内的循环将所述马达冷却并且降低了所述马达腔室内的制冷剂的压力和气体密度，从而减少了所述马达的风阻损失。

23.如权利要求23所述的方法，还包括通过电气连接或机械连接中的一种将所述泵装置和所述流体膨胀器连接的步骤。

24.如权利要求24所述的方法，其中所述泵装置和所述流体膨胀器被组合为单一单元。

25.如权利要求23所述的方法，还包括利用热交换器冷却所述第二连接中的冷却剂的步骤。

26.如权利要求26所述的方法，其中所述热交换器利用用于所述冷凝器的冷却流体来冷却所述第二连接中的制冷剂。

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