CN101932833B - 集成压缩机马达和制冷剂/油加热器的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种压缩机装置，包括电源(26)，壳(12；42)，具有马达绕组的电动马达(28；52；100；200)，和控制组件(106；206)。电动马达(28；52；100；200)位于所述壳(12；42)内。控制组件(106；206)在两种模式中从所述电源(26)向所述马达绕组提供电力。第一模式向所述马达绕组提供电力，以便利用所述马达(28；52；100；200)产生热而不产生力输出。第二模式向所述马达绕组提供电力，以便利用所述马达(28；52；100；200)产生力输出。控制组件(106；206)启动第一模式并持续选定时间段而后再启动第二模式，以便驱除出流体(36)从而降低带液压缩机起动的风险。

Description

集成压缩机马达和制冷剂/油加热器的装置和方法

背景技术

本发明涉及用于加热电动马达和邻近流体的方法和装置。

诸如用于制冷单元的电动压缩机马达之类的电动马达经常在一定范围的环境温度条件中运行。当运行在相对低的环境温度期间，由于有限的负载需求，所以压缩机经常循环打开和关闭。在压缩机关闭期间，与制冷单元和压缩机相关的流体(例如，油和制冷剂)的温度可能非常低。如此低的流体温度例如可能会在压缩机起动时影响油的输送，从而降低了压缩机的可靠性。另外，如果制冷单元关闭很长的一段时间(通常长于大约6小时)，则液体制冷剂开始向压缩机移动，压缩机通常是系统中最大的部件。压缩机内存在的制冷剂在起动时会产生所谓的“带液起动”。当压缩机在带液条件下起动时，存在于压缩机内的液体制冷剂导致了对压缩机和系统内其它部件的高应力并因此降低了可靠性。

因此，期望在低环境温度条件下加热制冷剂和油，以利于压缩机的可靠运行。已有的一个解决方案是利用外部的曲轴箱电加热器通过经由压缩机底座和壳的热传递来加热制冷剂和油(例如，参见美国专利3133429、4066869、4755657和5062277)。不过，这个已知的解决方案存在一些问题。外部的元件增加了制冷单元中的部件数量。而且，这些外部加热器还需要使用了散热复合物(heat sinking compound)的正确安装。在使用过程中，外部加热器在热循环期间必须防潮和防腐蚀，这可能会使得在结构和维修方面都存在问题。而且，这些外部加热器可能导致到压缩机内的制冷剂和油的热传递效率不高。

发明内容

本发明的示例性实施例包括压缩机装置，其包括电源、壳、具有马达绕组的电动马达和控制组件。所述电动马达位于所述壳内。控制组件以两种模式从所述电源向所述马达绕组提供电力。第一模式向所述马达绕组提供电力，以便利用所述马达生成热而不产生力输出。第二模式向所述马达绕组提供电力，以便利用所述马达产生力输出。所述控制组件启动所述第一模式并持续选定时间段，而后再启动所述第二模式，以便驱除出流体从而降低带液压缩机起动的风险。

一种操作具有马达绕组的电动马达的方法，包括从电源获得电力，向所述马达绕组提供电力并持续选定的时间段以生成热而不产生力输出，接着向所述马达绕组提供AC电力以产生力输出。

附图说明

图1是涡旋式压缩机的截面视图；

图2是往复式压缩机的截面视图；

图3是用于三相感应马达的马达控制电路的一部分的示意图；

图4是用于单相感应马达的马达控制电路的一部分的示意图。

具体实施方式

总体上，本发明的示例性实施例包括将诸如电动马达之类的马达(例如，压缩机马达)连接到恒流电源(DC或AC)，其可以在不产生力输出的情况下加热马达的绕组。这使得马达能够在马达停机期间，也就是当马达不提供力输出(即，执行机械做功)的时候，提供加热器的功能。例如，由马达产生的热可被用于增加润滑剂粘度。而且，通过在起动马达以产生力输出之前利用马达产生热并持续选定的时间段，能够控制马达从而减少带液起动，否则带液起动对于带有能够移动到压缩机的流体的压缩机马达可能会产生可靠性问题。虽然本发明在应用于压缩机马达时提供了许多有用的益处，但本发明对带有马达的其它类型系统来说也是有用的。

图1和图2示出了适合于与制冷系统一起使用的两种类型的压缩机，这些压缩机还适合其它应用。图1是示例性涡旋式压缩机的截面图，而图2是示例性往复式压缩机的截面图。仅以举例的方式而非限制的方式来描述这些压缩机，并且应当意识到，本发明适用于任何的密封型和半密封型的压缩机。

首先参照图1，所示涡旋式压缩机10包括：带有连接底座14的壳12，抽吸端口16，排出端口18，带有封闭的馈通件(feedthrough)22(例如，注册商标为

的玻璃-金属密封式封闭的馈通件，可从美国俄亥俄州辛辛那提市的Fusite USA获得)的电力布线接线盒壳体20，连接到电源26的电力输入缆线24，和电动马达组件28。电动马达组件28包括驱动轴30、定子32和转子34。还在图1中示出了，位于压缩机10的壳12内部的是制冷剂流体36和油38。压缩机10可包括并未具体描述的其他部件，例如端口16和18被连接到作为制冷剂系统(未示出)一部分的适合管道。而且，压缩机10的具体构造可根据具体应用的需要而变化。

在运行中，电动马达组件28可被供电以提供力输出，该力输出能够通过抽吸端口16将制冷剂流体36吸入并通过排出端口18将制冷剂流体36推出同时增加流体压力。当压缩机10“关闭”时，也就是，当电动马达组件28不提供力输出以使制冷剂流体36运动时，液体形式的制冷剂流体36可移动到压缩机10的壳12中并在其中积聚，如图1所示。而且，油38用于润滑压缩机10的各部件，并且当电动马达组件28“关闭”时(即，不提供力输出以使制冷剂流体36运动时)，油38例如通过重力的影响可在某一位置中聚集。油38和制冷剂流体26通常不会混合，油38更重并沉到液体形式的制冷剂流体36下面。旋转压缩机的一般运行是本领域众所周知的，因此在此无需具体讨论。

参照图2，所示往复式压缩机40包括：限定油池44的壳42，抽吸端口46，排出端口48，活塞50，和电动马达组件52。电动马达组件52包括定子54、转子56和曲轴58。如图2所示，液体形式的制冷剂流体36和油38都存在于壳42中，油38聚集在油池44中。电动马达组件52可按照常规方式运行，电动马达组件52能够转动曲轴58从而使活塞50运动，以便通过抽吸端口46将制冷剂流体36吸入并通过排出端口48将制冷剂流体38推出同时增加流体压力。往复式压缩机的一般运行是本领域众所周知的，因此在此无需具体讨论。

诸如那些用于压缩机10和40的电动马达之类的电动马达，通常在一定范围的环境温度条件中运行。在相对低的环境温度条件下可能发生的一个问题是润滑剂粘度增加，这减小了油38的输送和效果，从而导致可靠性问题。在相对低的环境温度条件下的另一个问题是所谓的“带液起动”。以具有如压缩机10或40那样的压缩机的制冷单元为例。如果制冷单元关闭了很长的时间段(通常长于大约6小时)，则制冷剂流体36(液体形式)开始向压缩机10或40移动，压缩机10或40通常是系统中最大的部件。当压缩机10或40的电动马达起动时，存在于压缩机10或40中的液态制冷剂流体36可能导致对系统部件的高应力，从而不期望地降低了可靠性。为了缓解与相对低的环境温度下的运行有关的问题，期望提供用于为压缩机10或40生成热的装置。

图3是用于三相(3Φ)感应电动马达100的马达控制电路的一部分的示意图，该电动马达100可与诸如上述的压缩机10和40之类的压缩机一起使用。该电路包括：接触器102，接触器互锁104，和带有电流源108和电流感测部件110的AC/DC电流控制电路106。

电路构造成使得通过接触器104和接触器互锁104的调节，马达100能以互斥方式提供加热器操作或提供力输出。当马达100“打开”(即，产生力输出)时，加热器功能因互锁104的致动而关闭。当马达100“关闭”(即，不产生力输出)时，通过电流源108控制加热器功能，电流源108能够打开、关闭、以及改变经过马达100的马达绕组的电流电平。如图3中所示，接触器互锁104被致动以提供加热器功能。供给到马达100的马达绕组的电流由恒流源108控制，恒流源108提供选定电流量以实现这两个功能。图3中的电路可使用单个电源(例如，来自电网的AC电力)来为马达100的加热器操作和力输出操作两者供能。

为了将马达100的马达绕组用于加热器操作而非产生力输出，利用DC电力或显著减小的AC电力。对于使用DC电力来供给到马达100的马达绕组的实施例，电流源108作为能够产生DC电流的AD/DC转换器。控制输入信号被提供给电流源108，其允许电流电平在压缩机“关闭”期间的变化。以这种方式，利用电流源108通过来自电源电压的脉宽调制(PWM)可生成期望的DC电流。PWM控制逻辑也可用于改变电流电平，并因此按照期望，根据作为环境温度和其它系统条件的函数的控制输入信号来可控地改变由马达100的马达绕组生成的热量，以便优化诸如电力使用和热输出之类的因素。此外，电流感测部件110可用于感测电流，使得电压可被控制并且PWM控制能为马达100的加热器操作提供反馈回路。对于利用显著减小的AC电力供给到马达100的马达绕组的实施例来说，电流源108以低得不能旋转马达100的转子或以其它方式产生力输出的电平来提供到马达100的AC电力。可以改变AC电力的电平，以便控制由马达100生成的热量。

马达100的马达绕组具有电阻，从而在电流流过绕组时产生用于加热器操作的热。所产生的热量与电流的平方以及电阻成比例。根据本发明，为提供加热器操作而被供给到马达100的马达绕组的电流可被控制，以便(a)提供正确的热量从而将油和制冷剂的温度升高到合适水平以确保期望的压缩机可靠性，和(b)不超出马达绕组(磁导线)的温度绝缘额定值。

在马达100用作压缩机的情况下，马达100的马达绕组与压缩机集成在一起并被包含在压缩机壳内，在该压缩机壳内绕组可与系统的制冷剂和/或润滑剂接触，如图1和图2中所示。如果制冷剂和/或油的水平低于绕组，则热可通过压缩机壳、驱动轴/曲轴、以及其它部件从绕组传递至该制冷剂和/或润滑剂。

当电流流过马达绕组时，产生热以升高压缩机的内部温度。在加热器操作过程中供给到马达100的马达绕组的电流量是作为马达绕组的电阻、所需要的热量、以及马达绕组磁导线的最大温度额定值的函数来确定。马达绕组电阻和马达绕组磁导线的温度额定值是由用于具体应用中的马达100的设计规格来加以确定的因素。应当注意到的是，常规的电动马达通常包括内部保护器(未示出)，使得如果马达绕组变得太热，则电路就被断开以避免对绕组的损坏。例如，在一个实施例中，马达绕组可具有大约1.6欧姆的总的组合电阻。如果PWM用于产生流过马达绕组的10安培的恒定DC电流，那么该示例性实施例将提供160瓦的热，这通常将提供远低于该绕组最大绝缘温度额定值的最大温升。

作为期望的加热目标和系统规格的函数来选择在马达100的加热器操作过程中所产生的热量。例如，可以通过确定使油或其它润滑剂达到合适的粘度以允许其容易流动所需要的热量来部分地选择所产生的热量。该所需要的热量可通过感测环境温度并考虑油或其它润滑剂的具体热容量以常规方式得到。

而且，可以通过确定为从压缩机中消除(例如蒸发)液体制冷剂从而防止带液起动所需要的热量来部分地选择所产生的热量。为了减少电动压缩机马达的带液起动，可实施控制逻辑来使电动马达作为加热器(不产生力输出)工作并持续选定的时间段，例如约10～30分钟，以便在起动压缩机之前加热液体制冷剂并且例如通过蒸发压缩机壳内存在的所有液体制冷剂而将其从压缩机中驱除出来。

应当意识到的是，本发明对各种类型的电动马达均适用。图4是用于单相(1Φ)感应马达200的马达控制电路的一部分的示意图。该电路包括接触器202，接触器互锁204，带有电流源208和电流感测电路210的AC/DC电流控制电路206，以及单相(1Φ)交流电压源212。如图4中所示，致动接触器互锁204以提供加热器功能。马达200的操作类似于上面关于马达100所描述的那样，即该马达可在力输出操作和加热器操作之间切换。可按照与上面关于马达100所描述的那些方式相类似的多个方式来控制加热器操作，以便在适当的限制下生成期望的热量。

应当认识到，本发明提供了多个优点和益处。将本发明的装置与传统使用的曲轴箱加热器(其经常位于压缩机的外部)相比，本发明的装置能提供直接的热源从而高效地加热制冷剂和油。在示例性的实施例中，例如用于集装箱制冷单元中的压缩机(其中可能存在腐蚀和潮湿)，将压缩机马达用作根据本发明的集成加热器，从而减少或消除了通常与分离的、外部曲轴箱加热器相关联的有关潮湿和腐蚀的问题。另外，使用位于压缩机壳内部的马达能够比外部加热器向流体更直接且更高效地提供热。而且，使用控制逻辑以在压缩机起动之前就提供热，能够降低带液起动的风险，从而增加了可靠性。

虽然本发明已经参照(一个或多个)示例性实施例来描述，但本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行多种改变并且可以用等同物来替换本发明的元件。而且，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以进行许多变型以使特定的情形或材料适合于本发明的教导。因此，本意是本发明并不限于所公开的(一个或多个)特定实施例，而是本发明将包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。例如，本发明可以应用于几乎所有的密封型或半密封型容积式压缩机，例如涡旋式、螺杆式、叶片式、往复式压缩机(例如，单动式的、双动式的、以及其它类型)等。而且，本发明可利用各种应用中所用的电动马达来生成热，例如，生成热以便加热电扇的轴承润滑剂。

Claims (14)

1.一种压缩机装置，包括：

电源；

壳；

具有马达绕组的电动马达，其中所述电动马达位于所述壳内；和

控制组件，其用于以两种模式从所述电源向所述马达绕组提供电力，其中第一模式向所述马达绕组提供电力以利用所述马达生成热而不产生力输出，其中第二模式向所述马达绕组提供电力以利用所述马达产生力输出，并且其中所述控制组件启动所述第一模式并持续选定的时间段，而后再启动所述第二模式，以便驱除出流体，从而降低带液压缩机起动的风险。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制组件包括电流感测电路，其中在所述第一模式中，作为来自所述电流感测电路的反馈的函数，所述控制组件向所述马达绕组提供电力以生成热并持续选定的时间段。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制组件在所述第二模式中从所述电源向所述马达绕组提供AC电力，并且其中所述控制组件在所述第一模式中从所述电源向所述马达绕组提供脉宽调制后的DC电力。

4.如权利要求1所述的装置，其中，所述控制组件在所述第二模式中从所述电源向所述马达绕组提供AC电力，其中所述控制组件在所述第一模式中以比在所述第二模式中更低的电压从所述电源向所述马达绕组提供AC电力。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述电动马达包括三相感应马达。

6.如权利要求1所述的装置，共中，所述电动马达包括单相感应马达。 

7.如权利要求1所述的装置，进一步包括：

接触器互锁，其用于在所述第二模式和所述第一模式之间切换，所述第二模式向所述马达绕组提供电力以利用所述马达产生力输出，而所述第一模式向所述马达绕组提供电力以利用所述马达生成热而不产生力输出。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述压缩机装置的类型选自由密封型压缩机和半密封型压缩机组成的组。

9.一种操作具有马达绕组的电动马达的方法，所述方法包括：

从电源获得电力；

向所述马达绕组提供电力并持续选定的时间段以生成热而不产生力输出；和

在向所述马达绕组提供电力并持续所述选定的时间段以生成热而不产生力输出之后，向所述马达绕组提供AC电力以产生力输出。

10.如权利要求9所述的方法，进一步包括：致动接触器互锁，以便在利用所述马达绕组生成热和产生力输出之间进行切换。

11.如权利要求9所述的方法，进一步包括：生成控制输入信号，其中通过作为环境温度的函数的所述控制输入信号来控制通过向所述马达绕组提供电力从而在不产生力输出的情况下所产生的热。

12.如权利要求9所述的方法，进一步包括：

将来自所述电源的AC电力转换为DC电力，其中DC电力用于向所述马达绕组提供电力并持续所述选定的时间段，以便生成热而不产生力输出。

13.如权利要求9所述的方法，其中，所述电动马达与压缩机一起使用，并且其中在向所述马达绕组提供AC电力以产生力输出的步骤之前，向所述马达绕组提供电力以生成热并持续所述选定的时间 段，以便驱除出流体，从而降低带液压缩机起动的风险。

14.如权利要求9所述的方法，其中，所述电动马达是压缩机的一部分，并且其中向所述马达绕组提供电力以生成热而不产生力输出的所述选定的时间段被加以选择，以从所述压缩机蒸发制冷剂。 

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