CN101600884A

CN101600884A - 螺旋式压缩机容量控制

Info

Publication number: CN101600884A
Application number: CN200780028648.8A
Authority: CN
Inventors: A·利夫森; S·J·霍尔登; B·A·弗拉泽
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2006-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2027-07-27
Also published as: EP2047103A4; WO2008014433A1; AU2007279212A1; US20090311119A1; CN101600884B; AU2007279212B2; BRPI0715186A2; EP2047103A1

Abstract

一种螺旋式压缩机具有壳体(22；302)，所述壳体(22；302)沿着流动路径具有第一孔口(53；330)和第二孔口(58；340)。第一转子(26；306)具有叶状主体。第二转子(28；308，310)具有与第一转子主体相啮合的叶状主体。所述转子和壳体协作以沿着流动路径在吸入部位(60；332)与排放部位(62；342)之间限定压缩路径。器件(100，110，120；200，210，220；370，380，390)在第一状态与第二状态之间提供所述壳体的阻挡部分(57；352)与第一转子和第二转子中的至少一个转子之间的相对纵向运动：在第一状态下，第一转子和第二转子的囊室由阻挡部分封闭；且在第二状态下，阻挡部分并不封闭该囊室。为了提供容量控制，控制系统(110；390)被配置成以便提供对该运动的工作循环控制。

Description

螺旋式压缩机容量控制

相关申请的交叉引用

本发明要求享有在2006年7月27日提交的美国专利申请60/820511的优先权。

技术领域

本公开内容涉及压缩机。更具体而言，本公开内容涉及螺旋式制冷剂压缩机。

背景技术

螺旋式压缩机常用于空调和制冷应用。在这种压缩机中，互相啮合的凸形叶状转子和凹形叶状转子或螺杆绕其轴线旋转以将工作流体(制冷剂)从低压入口端泵送至高压出口端。在旋转过程中，凸形转子的连续叶片用作活塞，其驱动下游制冷剂并在相邻的凹形转子叶片对与壳体之间的空间内压缩该制冷剂。同样，凹形转子的连续叶片在相邻的凸形转子叶片对与壳体之间的空间内产生对制冷剂的压缩。其中发生压缩的凸形转子与凹形转子之间的叶间空间形成压缩囊室(或者被描述为在啮合区接合的共同压缩囊室的凸形部分和凹形部分)。在一个实施例中，凸形转子与电驱动马达同轴且由其叶状工作部分的入口侧和出口侧上的轴承支承。可存在接合到给定凸形转子的多个凹形转子，或者可存在接合到给定凹形转子的多个凸形转子。

当叶间空间中的一个向入口孔口暴露时，制冷剂大体在吸入压力下进入到该空间。随着转子继续旋转，在旋转期间的某点，该空间不再与入口孔口连通且切断制冷剂到该空间的流动。在入口孔口被封闭之后，随着转子继续旋转，制冷剂被压缩。在旋转期间的某点，各个空间与相关的出口孔口相交且封闭压缩过程结束。入口孔口和出口孔口可各自为径向孔口、轴向孔口或径向孔口与轴向孔口的混合组合。

在不需要全容量操作时，常常希望通过延迟关闭入口孔口(在减小或者不减小压缩机容积指数的情况下)来暂时地减少通过压缩机的制冷剂质量流量。通常由具有阀元件的滑阀提供这种卸载，阀元件具有一个或多个部分，这些部分(随着阀平移)的位置分别控制压缩囊室的吸入侧封闭和排放侧开放。滑阀的卸载移动的主要作用在于减小初始截留吸入体积(且因此减少压缩机容量)；容积指数的减小是一种典型的副作用。示范性滑阀公开于美国专利申请公布No.20040109782A1和美国专利No.4,249,866与No.6,302,668中。

发明内容

本公开内容的一方面涉及螺旋式压缩机，该螺旋式压缩机具有壳体，该壳体沿着流动路径具有第一孔口和第二孔口。第一转子具有叶状主体和轴线，且安装到壳体上以绕该轴线旋转。第二转子具有与该第一转子主体啮合的叶状主体。第二转子具有轴线且安装到壳体上，以用于绕该轴线旋转。该转子和壳体协作，以沿着流动路径在吸入部位与排放部位之间限定压缩路径。器件在第一状态与第二状态之间提供壳体的阻挡部分与第一转子和第二转子中至少一个转子之间的相对纵向运动。在第一状态下，第一转子和第二转子的囊室由该阻挡部分封闭。在第二状态下，该阻挡部分并不封闭囊室。为了提供容量控制(以实现所希望的装载状态)，控制系统被构造成用以对该运动提供工作循环控制。

在各种实施例中，第一转子和第二转子中的至少一个可动的转子可安装成以便沿着其轴线在第一位置与第二位置之间平移。促动器可联接到至少该可动的转子，以移动该可动的转子。或者，该器件可提供阻挡部分相对于壳体的其余部分在与第一状态相关的第一位置和与第二状态相关的第二位置之间的纵向运动。

在附图和下文的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。通过说明书、附图以及权利要求书，本发明的其它特点、目的和优点将显而易见。

附图说明

图1是原始压缩机(baseline compressor)的纵截面图。

图2是处在负载状态下的再造压缩机的、部分地示意的局部视图。

图3是图2的压缩机在未负载状态下的视图。

图4是处在负载状态下的、第二再造压缩机的部分地示意的局部视图。

图5是图4的压缩机在未负载状态下的视图。

图6是第二再造压缩机在负载状态下的纵截面图。

图7是沿着线7-7所获得的、图6的压缩机的横截面图。

图8是沿着线8-8所获得的、图6的压缩机的纵截面图。

图9是图6的压缩机在未负载状态下的纵截面图。

在各个附图中，相似的附图标记表示相似的元件。

具体实施方式

图1示出原始压缩机20，其具有壳体组件22，该壳体组件22包含对转子26和28进行驱动的马达24，转子26和28分别具有纵向轴线500和502。出于说明目的，该压缩机的基本结构取自一种现有压缩机。但是，其它现有的或尚在开发的压缩器件造也是可行的。

在该示范性实施例中，转子26具有在第一端31与第二端32之间延伸的凸形叶状主体或工作部分30。该工作部分30与凹形转子28的凹形叶状主体或工作部分34啮合。工作部分34具有第一端35和第二端36。各个转子包括自相关的工作部分的第一端和第二端延伸的轴杆部分(例如，与相关的工作部分一体地形成的轴端39、40、41和42)。这些轴端中的各个轴端通过一个或多个轴承组件44安装到壳体上，以便绕相关的转子轴线旋转。

在该示范性实施例中，该马达是电动马达，其具有转子45和定子46。转子26和28中一个转子的轴端中的一个轴端可联接到马达的转子，以便允许该马达绕该转子的轴线来驱动它。当绕该轴线在工作第一方向上被如此驱动时，该转子沿相反的第二方向驱动另一转子。示范性壳体组件22包括转子壳体48，其沿着马达长度大约在中途具有上游/入口端面49和基本上与转子主体端部32和36共面的下游/排放端面50。许多其它构造也是可行的。

示范性壳体组件22还包括马达/入口壳体52，该马达/入口壳体52在上游端处具有压缩机入口/吸入孔口53，且具有安装(例如，通过穿过两个壳体件的螺栓)到转子壳体下游面的下游面54。组件22还包括出口/排放壳体56，该出口/排放壳体56具有安装到转子壳体下游面的上游面57且具有出口/排放孔口58。示范性转子壳体、马达/入口壳体和出口壳体56可各形成为经进一步精加工的铸件。

壳体组件22的表面与相啮合的转子主体30和34组合，以限定压缩囊室的入口孔口和出口孔口，压缩囊室压缩并驱动制冷剂流504从吸入(入口)压力室60流向排放(出口)压力室62。一系列成对的凸形压缩囊室66和凹形压缩囊室68由壳体组件22、凸形转子主体30和凹形转子主体34形成。各个压缩囊室由相啮合的转子的外表面、在转子外壳中的凸形转子内膛壁(bore surface)和凹形转子内膛壁的圆柱形表面的部分以及面57的部分来界定。囊室沿着相关的转子对的啮合依序形成、封闭、压缩、且然后向面57中的排放孔口开放。

在现有技术中，各种机构用于螺旋式压缩机卸载。提升阀和滑阀用于机械卸载，而可变速度驱动器用于经由对轴杆速度的调节来卸载。滑阀通过提供连续调节(与容量的阶梯式变化相对比)得到优于提升阀的改进的部分负载效率。可变速度驱动器通过扩大连续调节的范围而提供了优于滑阀的进一步改进。这些卸载系统的成本随着改进的性能而增加(提升阀成本最低，然后是滑阀，然后是可变速度驱动器成本最高)。示范性原始压缩机具有滑阀系统70，滑阀系统70具有由流体(例如，制冷剂)促动器74驱动的滑阀元件72。

图2和图3示出促动器100，其联接到第二转子28上，以提供第二转子与壳体的阻挡部分(例如，上游面57)之间的相对纵向运动。示范性相对运动包括使第二转子在第一位置与第二位置之间移动。在第一位置/状态(图2)中，在主体端部/面36与排放壳体上游面57之间提供正常的密封间隙，使得该面阻挡/封闭压缩囊室。在第二位置/状态(图3)中，第二转子28相对地远离排放壳体而移动，以在主体端部/面36与排放壳体上游面57之间打开厚度为T的非密封间隙空隙。这种卸载打开了压缩囊室，使得压缩机卸载(例如，完全卸载)。

通过在两个位置之间进行双静态(bistatic)调节(例如，在脉冲宽度调节型控制下改变工作循环)来实现中间容量。示范性控制器110是由硬件和软件的其中一者或二者配置的微控制器或计算机，以提供工作循环控制从而实现目标容量。控制器可以是压缩机专用的或具有更宽泛的系统。控制器可响应于所感测的参数(例如，在制冷/冷却系统中各个部位处的温度)和/或编程的或使用者输入的参数(例如，恒温器设置)来确定目标/所希望的容量(例如，作为满容量的一部分)。

一个基本实例是其中工作循环受到控制的固定频率系统。在0.05Hz的示范性频率下，循环周期/(时间)是二十秒。工作循环可被确定为转子主体端部处于接合的第二位置(或备选地为脱离的第一位置)的循环周期的分数。

也可提供更复杂的调节。举例而言，可动态地(“漂动地(on the fly)”)控制调节频率，以便有各种性能的结果。举例而言，低频率可有利地减小促动器100的磨损和能量消耗。然而，较高的频率可提供更平滑的总体制冷剂流动且可减小马达负载的变化和相关的马达磨损。为了控制马达磨损，可直接测量或经由排放温度来间接地测量马达温度。在这种情况下，控制系统可被配置成以便在初始频率操作，并且，之后，如果马达温度或其它马达负载指示超过了所希望的值，则将增加频率。举例而言，频率可以递增的方式增加到最大值。举例而言，始于初始值0.05Hz，该频率可以递增的方式增加到上限(例如，0.4Hz的值)。反馈控制可朝向初始的低频率值来降回频率或将其一直降低到到初始的低频率值。

而且，如果所感测的温度变化(例如，在受调环境下，诸如冷冻室或气候控制的房间)超过所希望的阈值(ΔT)，可类似地增加频率。关于马达负载，反馈可响应于随后温度波动的减少而降低频率。

因此，控制器可被配置成以便调节转子位置，以提供目标容量(承受可接受的偏差)，同时平衡低调节频率的特征(例如，促动器磨损和能量消耗)与较高频率的特征(例如，马达磨损和能量消耗和波动容限)。

在各种实施例中，弹簧120可将第二转子28从未负载状态偏置到负载状态。或者，偏置(和相关的正常/默认位置)可以是相反的。示范性弹簧120是位于排放端/侧的金属拉伸螺旋弹簧。

类似地，图4和图5示出压缩机的第一和第二位置/状态，其中，促动器200和金属压缩螺旋弹簧220位于吸入端/侧。示范性弹簧220使转子28从未负载第二位置(图5)向负载的第一位置(图4)偏置。促动器200可克服弹簧偏置来拉动，以便从第一位置/状态移动到第二位置/状态。调节操作可类似于上文所讨论的促动器100的操作。另一备选推拉促动器可消除弹簧偏置或沿相应方向来补充弹簧偏置力。

在各种实施例中，促动器可为流体操作的(例如，使用流体压力操作，诸如来自压缩机润滑油回收系统的流体或来自制冷系统的低压与高压(吸入和排放)侧来源的制冷剂气体)。备选促动器可为机电的或电磁的。促动器和弹簧可经由支承转子的轴承系统中的一个或多个轴承系统与转子协作。

在备选实施例中，促动器可定位成以便移动两个转子(例如，双转子压缩机的两个转子)。在三转子压缩机中，促动器可被定位成以便移动中央转子、另外两个转子或所有三个转子。取决于实施方式，促动器可定位于相关的转子的任一端处。

图6至图9示出备选的再造压缩机300。压缩机300由略微不同于图1的压缩机的原始压缩机来再造。不是在壳体保持固定时移动转子，而是示范性压缩机300在转子的轴向/纵向位置保持不变的同时来移动壳体的阻挡部分。

压缩机300具有壳体组件302，壳体组件302包括驱动凸形叶状转子306和凹形叶状转子308和310(图8)的马达304，凸形叶状转子306和凹形叶状转子308和309分别具有中心纵向轴线510、512和514。凸形转子工作部分具有第一(上游/吸入)端320和第二(下游/排放)端322。凹形转子工作部分中的各个工作部分具有第一端324和第二端326。其它细节可类似于压缩机20的细节。示范性壳体组件302具有到吸入压力室332的入口孔口330。壳体组件包括自排放压力室342的出口孔口340。止回阀344可靠近该出口孔口。

在示范性压缩机300中，来自原始状态的修改不同于压缩机20的图2至图5的修改。压缩机20的图2至图5的修改增加了用于沿纵向移动一个或多个转子的器件，而压缩机300反映了其中排放壳体被修改成包括可动板350的再造。板350正常情况下被转子工作部分的下游端密封，以限定相关的压缩囊室。板350具有上游面352和下游面354。外围356连接上游面352和下游面354。板350和其上游面352用作在正常情况下阻挡/封闭压缩囊室的壳体阻挡部分。该板具有多个通孔。图7示出板350具有容纳转子的下游排放端轴端的通孔358、359和360。图7还将该板显示为具有限定第一排放孔口362和第二排放孔口364的孔。第一排放孔口被定位成以便从凸形转子306与第一凹形转子308之间的压缩囊室排放。排放孔口364被定位成以便从凸形转子306和第二凹形转子310的压缩囊室排放制冷剂。

板350可通过远离转子的纵向平移(例如，朝向图9的第二(未负载)状态)来脱离对压缩囊室的密封。排放壳体内的弹簧370可使板350从第二/未密封/未负载状态向第一/密封/负载状态偏置。可诸如利用壳体的肩部372来限制超越第二状态的运动。在对压缩机300构造的再造中，排放壳体可随着排放端轴端而延伸。

可通过板350的经调节的移动(例如，在第一状态(位置)(图6)与第二状态(位置)(图9)之间)来控制容量。示范性调节是由流体控制的。图6示出用于移动阀的流体促动的移动机构380。该机构可由控制器390驱动(例如，类似于控制器110)。图6还示出马达温度传感器392和排放温度传感器394，其可由控制器390利用，以提供对上文所述的调节频率的反馈控制。移动机构380包括三通阀382。该三通阀由第一线路(管道)384联接到吸入状态/部位(例如，联接到吸入压力室332的孔口385)。第二线路386连接到高压部位(例如，联接到孔口387)，其定位成在压缩囊室在正常情况下对排放压力室342打开之前与压缩囊室相交。第三线路388与排放压力室342相通(例如，经由在板下游面354的下游的孔口389)。

为了卸载压缩机，阀382被促动以将线路384和388置于彼此连通。这种连通沿着下游面354使压力朝向吸入压力降低。同时，上游面352仍暴露在压缩囊室中较高压力的压缩制冷剂下。板350上的压差将使板350从第一状态(图6)朝向第二状态(图9)运动(例如，并压缩弹簧370)。

为了重新负载压缩机，阀382被促动以在线路386与388之间建立连通。这更密切地平衡了板350上的压力。这种力平衡与弹簧370的偏置力相结合，将使板50运动返回到第一状态，从而保持板350对转子的密封并保持压缩囊室完整性。弹簧370也可对板350预负载，且在需要完全负载状态时防止板350的波动部分地卸载压缩机。而且，可设有额外的阻尼装置(例如，粘性或液压阻尼器(未示出))。

各种实施例可具有若干优点中的一个或多个优点。举例而言，存在成本与性能的有利的平衡。类似于较昂贵的系统(例如，滑阀或可变速度系统)的连续控制能够以类似于较廉价的系统(例如，提升阀系统)的成本来提供。举例而言，在再造的情形下，再造的压缩器件造的制造成本可低于原始压缩机。这种再造可涉及去除卸载阀(例如，滑阀)和其相关的促动硬件。这种再造可去除可变速度马达控制装置(例如，通过排除也被称作可变速度驱动器(VSD)的可变频率驱动器(VFD))。但是，尽管某些系统可因而不具有卸载阀和/或不具有可变速度马达控制装置，但是本发明的特点也可实施于具有卸载阀和可变速度马达控制装置的其中一种或两种装置的压缩机中。

已经描述了一个或多个实施例。然而，应了解的是，可做出各种修改。举例而言，在再造或再造的情形下，现有压缩器件造的细节可特别地影响或决定实施方式的细节。因此，其它实施例也处在所附的权利要求书的范畴内。

Claims

1.一种螺旋式压缩机，包括：

壳体(22；302)，其沿着流动路径具有第一孔口(53；330)和第二孔口(58；340)；

第一转子(26；306)，其具有叶状主体(30)和轴线(500)，且安装到所述壳体上，以绕所述第一转子轴线进行旋转；以及

第二转子(28；308，310)，其具有：

叶状主体(34)，其与所述第一转子主体(30)相啮合；以及

轴线(502)，所述第二转子安装到所述壳体上，以绕所述第二转子轴线旋转，并且与所述第一转子(26；306)和所述壳体(22；302)协作，以沿着所述流动路径在吸入部位(60；332)与排放部位(62；342)之间限定压缩路径，

其特征在于：

器件(100，110，120；200，210，220；370，380，390)，其用于在第一状态与第二状态之间提供在所述壳体的阻挡部分(57；352)与所述第一转子和所述第二转子中至少一个转子之间的相对纵向运动：

在所述第一状态下，所述第一转子和所述第二转子的囊室由所述阻挡部分封闭；以及

在所述第二状态下，所述阻挡部分并不封闭所述囊室；且控制系统(110；390)由软件和硬件的其中之一或两者来配置，以提供对所述运动的工作循环控制。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于：

所述器件(380，390)提供所述阻挡部分(532)相对于所述壳体的其余部分、在与所述第一状态相关的第一位置和与所述第二状态相关的第二位置之间的纵向运动。

3.根据权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述器件包括：

弹簧(370)，其使所述阻挡部分从所述第二位置朝向所述第一位置偏置。

4.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述器件(100，110，120；200，210，220)提供所述第一转子和所述第二转子中的单个转子相对于所述阻挡部分(57)的纵向运动。

5.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述器件提供所述第一转子和所述第二转子中至少可动的转子(28)在所述第一位置与所述第二位置之间的纵向运动；以及

所述器件包括促动器(100；200)，所述促动器(100；200)联接到所述第一转子和所述第二转子中至少所述可动的转子，以移动所述可动的转子。

6.根据权利要求5所述的压缩机，其特征在于，

弹簧(120；220)使所述可动的转子从所述第二位置朝向所述第一位置偏置。

7.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机不具有卸载阀。

8.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机不具有可变速度马达控制装置。

9.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述控制系统被配置成以便响应于所述压缩机的马达状态来改变所述工作循环控制的频率。

10.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述控制系统被配置成以便响应所述压缩机的马达状态和在受调环境下所感测到的温度的波动来改变所述工作循环控制的频率。

11.一种操作根据权利要求1所述的压缩机的方法，所述方法包括：

确定所希望的负载状态；以及

所述器件的工作循环调节，以提供所述所希望的负载状态。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于所述压缩机的马达的负载状态来更改所述工作循环调节的频率。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法其还包括：

响应于受调环境的所感测到的温度波动来更改所述工作循环调节的频率。

14.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

响应于所述压缩机的马达的、所感测到的温度来改变所述工作循环调节的频率。

15.一种螺旋式压缩机，包括：

壳体(302)，其沿着流动路径具有第一孔口(330)和第二孔口(340)；

第一转子(306)，其具有叶状主体和轴线(510)，且被安装到所述壳体上，以绕所述第一转子轴线旋转；以及

第二转子(308；310)，其具有：

叶状主体，所述叶状主体与所述第一转子主体啮合；以及

轴线(512；514)，所述第二转子安装到所述壳体上，以绕所述第二转子轴线旋转，并与所述第一转子(306)及所述壳体(302)协作，以沿着所述流动路径在吸入部位(332)与排放部位(342)之间限定压缩路径，

其中：

所述壳体的阻挡部分(352)安装成以便于所述阻挡部分(352)相对于所述壳体的其余部分在第一位置与第二位置之间进行纵向运动，在所述第一位置，接合所述叶状主体以限定至少一个压缩囊室，所述第二位置从所述第一位置缩回。

16.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括：

促动器(380)，其联接到阻挡部分，以在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述阻挡部分。

17.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括：

用于在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述阻挡部分的器件(380，390)。

18.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，

弹簧(370)使所述阻挡部分从所述第二位置朝向所述第一位置偏置。

19.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，

所述第一位置相对地朝向所述壳体的节尾；以及

弹簧(370)使所述可动的转子从所述第二位置朝向所述第一位置偏置。

20.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，

所述促动器是流体操作的。

21.根据权利要求20所述的压缩机，其特征在于，

所述流体是制冷剂。

22.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括：

控制器(390)，其联接到所述促动器上，并被配置成用以通过在所述第一位置与所述第二位置之间调节所述阻挡部分来提供对所述压缩机的容量控制。

23.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机不具有卸载阀。

24.根据权利要求15所述的压缩机，其特征在于，

所述压缩机不具有可变速度的控制装置。

25.一种用于操作根据权利要求15所述的压缩机的方法，其包括：

确定所希望的负载状态；以及

对所述第一位置与所述第二位置之间的运动的促动器(380)进行工作循环调节，以提供所述所希望的负载状态。

26.根据权利要求25所述的方法，其特征在于，

在以基本固定的速度操作所述压缩机马达的同时来执行所述工作循环调节。

27.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：

经由控制器来执行所述工作循环调节，且所述促动器以流体操作的方式进行操作，以提供所述所希望的负载状态。

28.根据权利要求25所述的方法，其特征在于：

所述促动器(380)的调节克服偏置弹簧(370)来操作。