CN102428328B

CN102428328B - 可变速压缩机

Info

Publication number: CN102428328B
Application number: CN201080021897.6A
Authority: CN
Inventors: V.M.西什特拉
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2010-05-19
Publication date: 2015-11-25
Anticipated expiration: 2030-05-19
Also published as: CN102428328A; US9080797B2; HK1169852A1; US20120201698A1; WO2010135407A2; WO2010135407A3

Abstract

公开了一种大吨位水制冷机（60），其包括驱动马达（11a），所述驱动马达（11a）连接到近侧驱动轴（18、18a、18b）。所述近侧驱动轴（18）连接到连续可变变速器（CVT）（15、15a、15b）。所述CVT（15、15a、15b）连接到输出驱动轴（19、19a、19b）。所述输出驱动轴（19、19a、19b）连接到布置在压缩机（10a）中的叶轮（33），所述压缩机（10a）与蒸发器（53）和冷凝器（52）一起形成蒸发性制冷剂循环。控制器（50）基于所述蒸发器（52）中的离开冷却水温度（54）来控制所述CVT（15、15a、15b）的操作，而同时保持所述驱动马达（11a）以恒定速度操作。

Description

可变速压缩机

相关申请的交叉引用

这是根据专利合作条约提交的国际专利申请，要求2010年5月19日提交的美国临时专利申请序列号61/179,514在35USC§119(e)下的优先权。

技术领域

本公开涉及空调和制冷压缩机控制，并且更具体地涉及包括连续可变变速器（CVT）的可变速压缩机。

背景技术

制冷系统被用在许多空调和热泵应用中，用于冷却和/或加入进入环境的空气。环境上的冷却或加热负载可随外界条件而变化，并且在环境占用者所要求的温度和/或湿度水平变化时变化。压缩机被用于将工作流体（即制冷剂）从初始（抽吸）条件压缩到压缩（排放）条件。

在一些制冷剂系统中，单个压缩机被用于压缩制冷剂并且使制冷剂在闭合环路中运动通过连接室内和室外换热器的循环。然而，在许多情况下，希望能够改变制冷剂系统所提供的容量或者冷却或制冷量。

为了改变压缩机的容量，可变速驱动装置（VSD）是已知的，用于在制冷剂系统中以可变速度驱动压缩机。通过以较高或较低速度驱动压缩机，每单位时间被压缩的制冷剂量发生变化，从而可调节系统容量。VSD还允许从压缩机系统去除所有卸载硬件。在涉及多于一个压缩机的典型应用（例如多回路制冷机、多路压缩机制冷机、制冷和压缩机架）中，VSD可与每个压缩机一起使用以在必要时基于系统需求选择性地卸载压缩机。一般而言，早期的VSD设计需要恒定的电压频率比。另一方面，VSD中的现代逆变器能够相互独立地调节频率和电压，但是对于给定应用，当VSD被与马达匹配时，电压频率比被预设。

VSD是昂贵的，从而需要多个可变速驱动装置的多压缩机系统也是昂贵的。另外，对于多VSD的需要使得空调或制冷系统的复杂度和尺寸增加。

如图1所示，一个示例性的压缩机10由气密马达11驱动，该气密马达11进而由可变速驱动装置VSD12驱动。VSD12供应经调制的交流电流输出，经调制的交流电流输出具有特有的输出电压和输出频率。VSD12从电源（例如，460VAC，60Hz）接收电力。齿轮箱或者可变比变速器13使得马达11速度与压缩机10速度的比能够变化。经气密密封的外壳在附图标记14处示意性示出。

压缩机10所需要的（以及从而由马达11提供的）扭矩将基本上是负载（例如空调负载）、饱和抽吸温度（SST）和饱和排放温度（SDT）的函数。给定马达速度与VSD的固定电压/频率曲线上的比例的频率位置相关联。然而，在电压/频率曲线上的给定点处，驱动装置的电流消耗（currentdraw）将相应地由SST和SDT值来确定。例如，在给定电压和频率处，如果SDT突然增大，则扭矩会以给定速度增大，从而迫使来自VSD的功率增大，并且相应地使得电流增大。结果，配备有当前可用VSD的可变速压缩机的操作效率仍然是个问题。

水冷却的制冷机是这样的机器，其经由蒸气－压缩或吸收制冷剂循环来从水中去除热量。蒸气－压缩水制冷机包括四个蒸气－压缩制冷剂循环的主要部件：压缩机、蒸发器、冷凝器和某种形式的计量装置。水冷却的制冷机可采用多种制冷剂。冷却水通常在中型至大型商业、工业和公共场所中被用于对空气进行冷却和除湿。制冷机可以是水冷却的、空气冷却的或者蒸发性冷却的。水冷却制冷机可包括使用冷却塔，与空气冷却的制冷机相比，冷却塔改善了制冷机的热力学有效性。

大吨位水冷却制冷机（高于2000吨）通常使用由电马达提供动力的开放驱动离心压缩机。这是因为无法提供如图1中附图标记11处所示气密马达那样的能输送高于2000马力（～1500kW）功率水平的气密马达。而且，这些应用的输入功率趋向于在4.16kV至11kV之间。用于中电压（4.16kV）和高电压（6.9kV）压缩机的VSD非常昂贵并且耗费大量空间，由此带来了安装问题。另外，在中东地区，大吨位水冷却制冷机的输入功率是11kV。该电压的VSD尚未商品化，而是必须定制。

因此，需要一种改进的、不依赖于可变速驱动装置或VSD的可变速压缩机设计。

发明内容

在满足上述需求时，公开了一种冷却系统，其包括驱动马达，所述驱动马达连接到近侧驱动轴。所述近侧驱动轴连接到连续可变变速器（CVT）。所述CVT连接到输出驱动轴，所述输出驱动轴连接到布置在压缩机中的转子。所述压缩机连接到蒸发器，所述蒸发器连接到冷凝器，所述冷凝器连接到所述压缩机，由此形成蒸气－压缩制冷剂循环。控制器被连系到所述CVT和传感器，所述传感器用于探测所述蒸发器中的离开冷却水温度。所述控制器在所述离开冷却水温度高于设定点时增大所述CVT至所述输出驱动轴的输出。相反，所述控制器在所述离开冷却水温度低于所述设定点时减小所述CVT至所述输出驱动轴的输出。所述CVT可以是流体静力或液压的、液压机械的或机械的（例如，可调节带轮）类型的CVT。

公开了一种冷却空气的方法，其包括提供冷却系统，所述冷却系统包括驱动马达，所述驱动马达连接到近侧驱动轴。所述近侧驱动轴连接到连续可变变速器（CVT）。所述CVT连接到输出驱动轴，所述输出驱动轴连接到布置在压缩机中的转子。所述压缩机连接到蒸发器，所述蒸发器连接到冷凝器，所述冷凝器连接到所述压缩机，由此形成蒸气－压缩制冷剂循环。所述方法包括测量所述蒸发器中的离开冷却水温度，比较所测量的离开冷却水温度和预定设定点，在所述离开冷却水温度高于所述设定点时增大所述输出驱动轴的输出，以及在所述离开水温度低于所述设定点时减小所述CVT至所述输出驱动轴的输出。

当结合附图进行阅读时，其他优点和特征将从以下详细描述变得明显。

附图说明

为了更完整地理解所公开的方法和设备，应当参照在附图中更详细示出的实施例，附图中：

图1示意性地示出了可变速压缩机，其具有可变频驱动装置或可变速驱动装置（VSD）；

图2示出了所公开的可变速压缩机，其配备有连续可变变速器（CVT）；并且

图3示意性地示出了所公开的流体静力的或液压的CVT，其用于与所公开的可变速压缩机一起使用；

图4示意性地示出了所公开的液压机械CVT，其用于与所公开的可变速压缩机一起使用；并且

图5示意性地示出了所公开的基于带轮的CVT，其用于与所公开的可变速压缩机一起使用。

应当理解，附图不必是按比例的并且所公开的实施例有时被概略地且以局部视图示出。在某些情况下，可能已经省略了对于理解所公开的方法和设备不是必需的细节，或者使得其他细节难以理解的细节。当然，应当理解的是本公开不限于本文所示的具体实施例。

具体实施方式

转到图2，压缩机10a和马达11a被联接到连续可变变速器（CVT）15。马达11a可以被或者可以不被气密地密封在外壳14a中。因此，图2的设计可适用于气密的以及开放的系统二者。CVT15不需要图1所示现有技术系统的昂贵的齿轮箱13和VSD12的组合。此外，图1所示现有技术系统仅可被经济地构造为具有气密外壳14和较低容量马达11的气密系统，因为尚无法容易地获得用于较大马达11a（其可提供超过2000马力或1500kW的功率）的VSD12。要求较高容量的系统需要多个压缩机10、齿轮箱13、马达11、VSD12及其相关的成本。当然，除了适合于较高容量之外，图2所示的系统也可适用于较低容量系统。

用于CVT15、15a、15b的合适设计在图3-5中示出并且包括液压或流体静力的、液压机械的以及纯机械的CVT。首先参见图3，示出了流体静力或液压的CVT15，由此，来自马达11a的输入功率通过输入轴18被输送到液压泵21。马达11a可以以恒定速度操作。连续环路45将液压泵21连接到液压马达22。可变排量液压泵21被用于改变进入液压马达22的流体流量。马达11a的旋转运动操作流体静力泵21，并且泵21将旋转运动转换成通过环路45的流体流量。然后，在流体静力马达22位于环路45的从动侧的情况下，流体流量被转换回输出轴19的旋转运动。

输出轴19连接到压缩机10a的叶轮33。压缩机10a是制冷剂循环60的一部分，制冷剂循环60包括冷凝器52，冷凝器52从压缩机10a接收流体并且将已蒸发的流体通过限制孔口55输送到蒸发器53并回到压缩机10a中。

控制器50被用于基于图3中附图标记54处指示的蒸发器53处的“离开冷却水温度”来控制液压泵21和液压马达22的速度。虽然所公开的系统15、15a、15b、60能特别地适于大型水制冷机，但其他应用对于本领域技术人员而言也是明显的，控制器50将响应于制冷剂循环60的负载变化（通过附图标记54处的离开冷却水温度来测量）来控制液压泵21和液压马达22的速度。因此，在图3-5中，附图标记54处的离开冷却水温度被示作为控制器50的输入信号，并且在图3-5中，控制器50与液压泵21、21a、液压马达22、22a以及带轮41之间的连系被示作为输出信号。

在图4中，类似于图3中附图标记15处所示的流体静力CVT与行星齿轮组17和适当离合器（未示出）组合，以产生称为液压机械CVT15a的混合系统。液压机械CVT15a将来自驱动马达11a的功率以三种不同的模式传递到压缩机10a。在低速时，使用液压泵21a和液压马达22a以液压方式传递功率；在高速时，驱动马达11a通过齿轮组17以机械方式传递功率；在这些极端情况之间，CVT15a使用液压和机械方式二者将功率传递到输出轴19a。

驱动马达11a通过近侧驱动轴18a连接到行星齿轮组17。行星齿轮组17将近侧驱动轴18a从马达11a输送的功率分成两个输出功率路径，即一个输出功率路径和第二输出功率路径，该一个输出功率路径通过环齿轮23、行星齿轮30、载架26和恒星齿轮24通向远侧输出轴19a；该第二输出功率路径通过正齿轮27和输入泵齿轮32的作用驱动液压泵21a。泵21a进而经由环路45a驱动流体静力或液压马达22a。液压马达22a经由附图标记31、28处所示的齿轮被连系或联接到输出轴19a。

关于从马达11a至输出轴19的功率路径，近侧驱动轴18连接到行星齿轮组17的环齿轮23。环齿轮23通过行星齿轮30和载架26联接到恒星齿轮24。恒星齿轮24联接或连接到输出驱动轴19a。

关于至泵21a的第二机械功率路径，旋转功率被从马达11a经由齿轮27、32输送到泵21a。液压泵21a驱动液压马达22a，液压马达22a可通过液压马达输出轴29、输出齿轮31和轴齿轮28被齿轮连接到输出轴19a，轴齿轮28被连接到输出轴19a。

因此，输送到行星齿轮组17的功率被分开以驱动液压泵21a以及直接驱动输出轴19a。如果液压泵21a处于零排量或其最小排量并且液压马达22a处于其最大排量，则液压泵21a将会“惯性运动”和旋转，而不向液压马达22a产生任何流量或压力。由于当液压泵21a处于零排量或其最小排量时液压泵21a不能在行星齿轮组17上施加任何反作用扭矩，所以没有扭矩（从而没有功率）从液压马达22a去往输出轴19a。至输出轴19a的所有功率均由驱动马达11a通过载架26和恒星齿轮24来提供。在这种情况中，液压泵21a被设置在其最小排量中液压马达22a处于其最大排量。齿轮31以高旋转速度旋转，但是输出轴19a和压缩机10a的旋转速度由驱动马达11a决定。

另一方面，如果液压泵21a被给予了少量排量，则齿轮27将接合齿轮32，导致泵21a产生至液压马达22a的高压力和小流率。该高压力和小流率作用在液压马达22a上以产生高扭矩和低速度，其经由齿轮31、28被传递到输出驱动轴19a。处于这些条件下的液压泵21a也在行星齿轮组17上产生反作用扭矩，其导致通过环齿轮23、载架26和恒星齿轮24直接去往输出轴19a的机械扭矩（从而功率），其与经由齿轮31、28从液压马达22a输送的功率组合起来。

当液压泵21a处于其最大排量并且液压马达22a处于其最小排量时，液压马达22a不能接受来自液压泵21a的流率。这种情况的效果是将环齿轮23锁定到行星齿轮30、载架26和恒星齿轮24，使得恒星齿轮24（从而输出轴19a）以其最高旋转速度旋转，并且液压泵21a的约100％的功率被机械地转移到输出轴19a。液压马达22a现在惯性运动，处于零排量或者给输出轴19a零扭矩。由于当液压泵21a以其最大排量操作时，来自液压泵21a的所有功率现在均机械地经由齿轮23、30、26、24去往输出轴19a，所以CVT15a的效率非常高。

图4所示的CVT15a对于大型离心压缩机10a而言是理想的，因为功率需求随着叶轮33速度的立方增长，而不是线性地增长。随着CVT15a增大了压缩机10a中的叶轮33的速度，额外的功率被机械地供给到输出轴19a，而不是通过CVT15a的液压马达22a以液压方式供给。从液压泵21a通过齿轮32、27、23、30、26、24到输出轴19a的机械功率的补充使用降低了CVT15a未以其最快输出速度操作时的功率损失，但是使用补充机械功率也显著地降低了液压回路21a、22a、45a的尺寸和功率容量要求。对于2000马力（～1500kW）压缩机10a而言，CVT15a仅仅需要通过液压回路21a、22a、45a传递约200马力（～150kW）的最大功率。

CVT15a不需要改变驱动马达11a的速度或采用控制器50来控制驱动马达11a的速度。控制器50可被用于响应于在蒸发器53的离开冷却水侧上的附图标记54处测量的离开冷却水温度来调节液压泵21a和液压马达22a的排量。替代地，驱动马达11a可以以恒定速度操作。

转到图5，驱动马达11a通过驱动轴18b连接到基于带轮的CVT15b，驱动轴18b连接到可变直径的带轮41。带轮41包括一对相对的锥体44、45。带43搭载在两个锥体44、45之间的沟槽中。尽管钢带正变得平常，但如果带由橡胶制成，则V形带是优选的。

当带轮的两个锥体44、45被散开时，有效带轮直径增大，带43在沟槽中搭载得更低，并且围绕带轮的带环的半径变得更小。当锥体44、45被拉到一起更加接近时，有效带轮直径减小，带42在沟槽中搭载得更高，并且围绕带轮的带环的半径变得更大。图5的CVT15b可使用液压压力，离心力或弹簧张力来产生调节带轮半体44、45所需的力。控制器50可用于控制将半体44、45拉开以及使半体44、45移动到一起更加接近的机构。至控制器50的输入将再次包括附图标记54处的离开冷却水温度。

工业适用性

在满足上述需求时，公开了一种大吨位水制冷机60，其包括连接到轴18的驱动马达11a。驱动轴18连接到连续可变变速器（CVT）15、15a、15b。CVT15、15a、15b其连系到控制器50。控制器50可基于附图标记54处的离开冷却水温度来控制CVT15、15a、15b的操作。CVT15、15a、15b的输出轴19、19a、19b连系到制冷剂循环60。

制冷剂循环60包括压缩机10a、蒸发器53、冷凝器52和计量孔口55。控制器50可通过控制液压泵21、21a、液压马达22、22a的速度或者带轮半体44、45的间距来控制流过制冷剂循环60的流体流量。在操作中，控制器50可从附图标记54处的离开冷却水温度获取输入信号（即，并与设定点比较）。如果离开制冷机蒸发器53的冷却水温度低于设定点，则通过增大液压马达22、22a的排量并减小液压泵21、21a的排量来降低液压泵21、21a的输出速度。替代性地，降低可变直径带轮41的输出。如果附图标记54处的离开冷却水温度高于设定点，则通过增大泵21、21a的排量并减小液压马达22、22a的排量来提高液压泵21、21a的输出速度。替代性地，提高可变直径带轮41的输出。

尽管已经阐述了一些实施例，但本领域技术人员将会从以上描述明白替代形式和修改。这些和其他替代形式被认为是等同物并且在本公开和所附权利要求的精神和范围内。

Claims

1.一种冷却系统（60），包括：

驱动马达（11a），所述驱动马达（11a）连接到近侧驱动轴（18、18a、18b），所述近侧驱动轴（18、18a、18b）连接到连续可变变速器（CVT）（15、15a、15b），

所述CVT（15、15a、15b）连接到输出驱动轴（19、19a、19b），所述输出驱动轴（19、19a、19b）连接到布置在压缩机（10a）中的转子（33），

所述压缩机（10a）连接到蒸发器（53），所述蒸发器（53）连接到冷凝器（52），所述冷凝器（52）连接到所述压缩机（10a），由此形成蒸气－压缩制冷剂循环，

控制器（50）被连系到所述CVT（15、15a、15b）和传感器（54），所述传感器（54）用于探测所述蒸发器（53）中的离开冷却水温度（54），所述控制器（50）在所述离开冷却水温度（54）高于设定点时增大所述CVT（15、15a、15b）至所述输出驱动轴（19、19a、19b）的输出，所述控制器（50）在所述离开冷却水温度低于所述设定点时减小所述CVT（15、15a、15b）至所述输出驱动轴（19、19a、19b）的输出。

2.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，所述CVT（15）包括液压泵（21），所述液压泵（21）连接到所述近侧驱动轴（18），所述液压泵（21）与液压马达（22）流体连通，所述液压马达（22）连系到所述输出驱动轴（19），所述控制器连系到所述液压泵（21）和所述液压马达（22）二者，

所述控制器（50）在所述离开冷却水温度（54）高于所述设定点时增大所述液压马达（22）至所述输出驱动轴（19）的输出，所述控制器（50）在所述离开冷却水温度（54）低于所述设定点时减小所述液压马达（22）至所述输出驱动轴（19）的输出。

3.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，所述CVT（15）包括液压泵（21a），所述液压泵（21a）连接到所述近侧驱动轴（18a）和行星齿轮组（17），所述行星齿轮组连系到所述输出驱动轴（19a），所述液压泵（21a）与液压马达（22a）流体连通，所述液压马达（22a）连系到所述输出驱动轴（19a），所述控制器连系到所述液压泵（21a）和所述液压马达（22a）二者，

所述控制器（50）在所述离开制冷剂温度高于设定点时减小所述液压马达（22a）至所述输出驱动轴（19a）的输出并增大所述驱动马达（11a）至所述输出轴（19a）的输出，所述控制器（50）在所述离开冷却水温度（54）低于所述设定点时增大所述液压马达（22a）至所述输出驱动轴（19a）的输出并减小所述驱动马达（11a）至所述输出驱动轴（19a）的输出。

4.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，所述驱动马达（11a）、CVT（15、15a、15b）和压缩机（10a）被封装在气密密封的外壳（14）中。

5.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，所述驱动马达（11a）和CVT（15、15a、15b）被封装在开放的外壳（14a）中。

6.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，至所述驱动马达（11a）的输入电压至少为4.16kV。

7.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，至所述驱动马达（11a）的输入电压至少为6.9kV。

8.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，至所述驱动马达（11a）的输入电压至少为11kV。

9.如权利要求1所述的冷却系统（60），其中，所述冷却系统（60）是水冷却的制冷机，其具有至少2000吨的容量。

10.一种冷却空气的方法，包括：

提供冷却系统（60），所述冷却系统（60）包括驱动马达（11a），所述驱动马达（11a）连接到近侧驱动轴（18、18a、18b），所述近侧驱动轴（18、18a、18b）连接到连续可变变速器（CVT）（15、15a、15b），所述CVT（15、15a、15b）连接到输出驱动轴（19、19a、19b），所述输出驱动轴（19、19a、19b）连接到布置在压缩机（10a）中的转子（33），所述压缩机（10a）连接到蒸发器（53），所述蒸发器（53）连接到冷凝器（52），所述冷凝器（52）连接到所述压缩机（10a），由此形成蒸气－压缩制冷剂循环，

测量所述蒸发器（53）中的离开冷却水温度（54），

比较所测量的离开冷却水温度（54）和预定设定点，

在所述离开冷却水温度（54）高于所述设定点时增大所述CVT（15、15a、15b）至所述输出驱动轴（19、19a、19b）的输出，以及

在所述离开冷却水温度（54）低于所述设定点时减小所述CVT（15、15a、15b）至所述输出驱动轴（19、19a、19b）的输出。

11.如权利要求10所述的方法，其中，所述CVT（15）还包括液压泵（21），所述液压泵（21）连系到所述近侧驱动轴（18），所述液压泵（21）与液压马达（22）流体连通，所述液压马达（22）连系到所述输出驱动轴（19），

所述方法还包括在所述离开冷却水温度（54）高于所述设定点时增大所述液压马达（22）至所述输出驱动轴（19）的输出，

在所述离开冷却水温度（54）低于所述设定点时减小所述液压马达（22）至所述输出驱动轴（19）的输出。

12.如权利要求10所述的方法，其中，所述CVT（15）包括液压泵（21a），所述液压泵（21a）连系连接到所述近侧驱动轴（18a）和行星齿轮组（17），所述行星齿轮组连系到所述输出驱动轴（19a），所述液压泵（21a）与液压马达（22a）流体连通，所述液压马达（22a）连系到所述输出驱动轴（19a），

在所述离开冷却水温度（54）高于所述设定点时减小所述液压马达（22a）至所述输出驱动轴（19a）的输出并增大所述驱动马达（11a）至所述输出轴（19a）的输出，

在所述离开冷却水温度（54）低于所述设定点时增大所述液压马达（22a）至所述输出驱动轴（19a）的输出并减小所述驱动马达（11a）至所述输出驱动轴（19a）的输出。

13.如权利要求10所述的方法，其中，所述转子（33）是叶轮（33）。

14.如权利要求10所述的方法，其中，所述驱动马达（11a）、CVT（15、15a、15b）和压缩机（10a）被封装在气密密封的外壳（14）中。

15.如权利要求10所述的方法，其中，所述驱动马达（11a）和CVT（15、15a、15b）被封装在开放的外壳（14a）中。

16.如权利要求10所述的方法，还包括将至少为4.16kV的输入电压输入到所述驱动马达（11a）。

17.如权利要求10所述的方法，还包括将至少为6.9kV的输入电压输入到所述驱动马达（11a）。

18.如权利要求10所述的方法，还包括将至少为11kV的输入电压输入到所述驱动马达（11a）。

19.如权利要求10所述的方法，还包括：

在所述压缩机（10a）中压缩流体；

将被压缩的流体输送到冷凝器（52）；

在所述冷凝器（52）中冷凝流体；

将被冷凝的流体输送到蒸发器（53）；

在所述蒸发器（53）中蒸发流体；以及

将被蒸发的流体输送到所述压缩机（10a）。

20.如权利要求10所述的方法，其中，所述冷却系统（60）具有至少2000吨的容量。