CN102777383B

CN102777383B - 压缩机

Info

Publication number: CN102777383B
Application number: CN201210138083.1A
Authority: CN
Inventors: 小P·奈米特
Original assignee: Johnson Controls Technology Co
Current assignee: Johnson Controls Tyco IP Holdings LLP
Priority date: 2011-05-05
Filing date: 2012-05-04
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: CN102777383A; US20120282129A1; US8888466B2

Abstract

一种压缩机，包括一个压缩机构，所述压缩机构被配置和定位为接收来自入口通道的蒸气，并且将已压缩的蒸气提供至排出通道。一个开口被定位在压缩机构中，与所述排出通道流体连通。一个阀具有形成于其中的孔，所述孔被配置和定位为与一个通路流体连通，从而为加压蒸气提供流动至第一腔室和第一活塞的路径，而没有使所述加压蒸气与所述排出通道中的蒸气混合。第二腔室与第二活塞和所述排出通道流体连通，所述阀的所述第一活塞和所述第二活塞被配置为一起移动。所述第一活塞和所述第二活塞的移动是响应于预定条件可控制的，从而将紧邻所述开口的上游的所述压缩机构的压力大小保持为与所述排出通道处的压力大小大体相同。

Description

压缩机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2011年5月5日提交的、标题为“COMPRESSOR”的美国临时申请No.61/482,885的优先权和利益，所述美国临时申请在此以引用的方式纳入。

技术领域

本申请总体涉及容积式压缩机。更具体地，本申请涉及控制螺杆压缩机的容积比。

背景技术

在回转式螺杆压缩机中，可通过两个紧密啮合的、旋转的、螺旋叶形（lobed）转子来实现吸入和压缩，所述转子交替地将气体抽入螺纹中，并且将所述气体压缩至较高的压力。螺杆压缩机是容积式设备，具有的吸入和压缩循环类似于活塞/往复式压缩机。螺杆压缩机的转子可被装在紧密适配的膛（bore）内，所述膛具有限定所述压缩机的进气容积和排出容积的固有（built in）几何特征，以提供所述压缩机的固有的容积比。压缩机的容积比应当匹配其中包括了所述压缩机的系统的容积比，从而避免过压缩或者压缩不足，以及避免产生无效功。在闭环制冷系统中，所述系统的容积比在热侧和冷侧热交换机中被确定。

固定容积比的压缩机可用于避免可变容积比的机器的成本和复杂性。具有内置到壳体中的固定入口和排出开口或端口的螺杆压缩机可被优化以适用于一组具体的抽吸和排出条件/压力。然而，连接有压缩机的系统很少时刻运行在完全相同的条件下，尤其是在空气调节应用中。夜间温度、日间温度和季节温度都可影响该系统的容积比以及压缩机运行的效率。在负载改变的系统中，冷凝器中被除去的热量波动，使得高侧压力上升或下降，造成压缩机的容积比偏离所述压缩机的最优容积比。

例如，制冷系统可包括压缩机、冷凝器、膨胀设备和蒸发器。压缩机的效率与蒸发器和冷凝器内的饱和状态相关。冷凝器和蒸发器中的压力可用于建立压缩机外部的系统的压力比。在当前示例中，压力比/压缩比可以为4。容积比或Vi通过压缩机比Cr的1/k次幂的关系与压缩比关联；k是被压缩的气体或制冷剂的比热容比。使用前述的关系，构造到对于当前示例的压缩机几何结构中的容积比是3.23，以获得在全负载条件下的最佳性能。然而，在部分负载、低周围条件、或夜间期间，制冷系统中的冷凝器的饱和条件减小，而蒸发器条件保持相对恒定。为了保持压缩机在部分负载或者低周围条件处的最佳性能，对于压缩机的Vi应当被降低至2.5。

因而，所需要的是一种用于在部分负载或低周围条件下自动地改变压缩机的容积比的系统，而不使用昂贵且复杂的控制系统。

发明内容

本申请的一个实施方案是一种压缩机，该压缩机包括一个压缩机构，所述压缩机构被配置和定位为接收来自入口通道的蒸气，并且将已压缩的蒸气提供至排出通道。一个开口被定位在压缩机构中，与所述排出通道流体连通。一个阀具有形成于其中的孔，所述孔被配置和定位为与一个通路流体连通，从而为加压蒸气提供流动至第一腔室和第一活塞的路径，而没有使所述加压蒸气与所述排出通道中的蒸气混合。第二腔室与第二活塞和所述排出通道流体连通，所述阀的所述第一活塞和所述第二活塞被配置为一起移动。所述第一活塞和所述第二活塞的移动是响应于预定条件可控制的，从而将紧邻所述开口的上游的所述压缩机构的压力大小保持为与所述排出通道处的压力大小大体相同。

在一优选实施方案中，所述压缩机构包括相互接合的转子。

在一优选实施方案中，所述阀包括在一个膛中可滑动地移动的阀主体。

在一优选实施方案中，响应于施加至所述阀主体的所述第一活塞和所述第二活塞的力的差，所述阀主体在所述膛中是可移动的。

在一优选实施方案中，所述膛被定位在所述压缩机构中，且大体平行于所述压缩机构中的蒸气流。

在一优选实施方案中，所述第一活塞具有第一表面面积和相对的第二表面面积，以及所述第二活塞具有一个面向所述第二腔室的表面面积。

在一优选实施方案中，提供一个参考压力穿过在所述阀主体中形成的、与面向所述第一活塞的第一表面面积的所述第一腔室流体连通的所述孔和所述通路，从而生成将所述第一活塞推进朝向所述压缩机构中的所述开口的力；一个排出压力面向所述第一活塞的所述第二表面面积，从而生成推动所述第一活塞远离所述压缩机构中的开口的力；以及所述第二腔室中的所述排出压力与所述第二活塞的所述表面面积流体连通，从而生成推动所述第二活塞朝向所述压缩机构中的所述开口的力。

在一优选实施方案中，所述压缩机包括均衡管线，所述均衡管线在所述排出通道和所述第二腔室之间流体连通。

在一优选实施方案中，均衡管线形成在所述阀主体中。

在一优选实施方案中，所述参考压力小于所述排出压力。

在一优选实施方案中，所述参考压力对应于在所述阀主体中形成的所述孔和所述通路，在所述孔和形成于所述阀主体中的一个排出开口部分之间存在一个间隔。

在一优选实施方案中，所述排出开口部分限定形成于所述阀主体中的凹口。

在一优选实施方案中，所述预定条件对应于所述压缩机的运行参数。

在一优选实施方案中，所述压缩机的所述运行参数包括所述压缩机运行的一天中的时间、环绕所述压缩机的周围条件、和负载。

本申请的另一实施方案是一种螺杆压缩机，所述螺杆压缩机包括一个用于接收蒸气的入口通道和一个供应蒸气的排出通道。一对相互啮合的转子，该对相互啮合的转子中的每一个转子都被定位在对应的气缸中。该对相互啮合的转子被配置为接收来自所述入口通道的蒸气，并且将已压缩的蒸气提供至所述排出通道。一个开口被定位在至少一个转子气缸中，与所述排出通道流体连通。一个阀具有形成于其中的孔。所述孔被配置和定位为与一个通路流体连通，从而为加压蒸气提供流动至第一腔室和第一活塞的路径，而没有使所述加压蒸气与所述排出通道中的蒸气混合。第二腔室与第二活塞和所述排出通道流体连通，所述阀的所述第一活塞和所述第二活塞被配置为一起移动。所述第一活塞和所述第二活塞的移动是响应于预定条件可控制的，从而将紧邻所述开口的上游的该对相互啮合的转子的压力大小保持为与所述排出通道处的压力大小大体相同。

在一优选实施方案中，所述第一活塞具有第一表面面积和相对的第二表面面积，并且所述第二活塞具有面向所述第二腔室的表面面积；提供一个参考压力穿过在所述阀主体中形成的、与面向所述第一活塞的第一表面面积的所述第一腔室流体连通的所述孔和通路，从而生成推动所述第一活塞朝向所述至少一个转子气缸中的所述开口的力；一个排出压力面向所述第一活塞的所述第二表面面积，从而生成推动所述第一活塞远离所述至少一个转子气缸中的所述开口的力；以及所述第二腔室中的所述排出压力与所述第二活塞的表面面积流体连通，从而生成推动所述第二活塞朝向所述至少一个转子气缸的所述开口的力。

在一优选实施方案中，所述螺杆压缩机包括一个均衡管线，所述均衡管线在所述排出通道和所述第二腔室之间流体连通。

在一优选实施方案中，所述参考压力小于所述排出压力，所述参考压力对应于在所述阀主体中形成的所述孔和所述通路，在所述孔和形成于所述阀主体中的排出开口部分之间存在一个间隔。

本发明的一个优势是一种具有自动可调节的滑阀的系统，以相比固定容积比的压缩机提供改进的能量效率比（EER）。

附图说明

图1示出了用于暖通空调系统的一个示例实施方案。

图2示出了一种示例蒸气压缩系统的正等轴测图。

图3和图4示意性示出了蒸气压缩系统的示例实施方案。

图5示出了一个压缩机的局剖视图，所述压缩机具有容积比控制系统的一个示例实施方案。

图6示出了沿着图5的线6-6所取的截面。

图7示出了该系统的一个替代实施方案的沿着图5的线6-6所取的截面。

具体实施方式

图1示出了用在典型商业环境的建筑物12中的暖通空调（HVAC）系统10的一个示例性环境。系统10可包括蒸气压缩系统14，所述蒸气压缩系统14可以供应可用于冷却建筑物12的冷却液体。系统10可包括：一个锅炉16，以供应可用于给建筑物12供暖的加热液体；以及，一个空气分配系统，其使得空气在建筑物12中循环。空气分配系统还可包括一个空气返回管道18、一个空气供应管道20和一个空气处理器22。空气处理器22可包括一个通过导管24连接至锅炉16和蒸气压缩系统14的热交换机。根据系统10的运行模式，空气处理器22中的热交换机可接收来自锅炉16的加热液体或者来自蒸气压缩系统14的冷却液体。系统10被示为在建筑物12的每一楼层上都带有一个单独的空气处理器，但是应理解，这些部件可在两个或更多个楼层之间共享。

图2和图3示出了可用在HVAC系统10中的一个示例性蒸气压缩系统14。蒸气压缩系统14可以使制冷剂循环穿过一个回路，所述回路开始于压缩机32，并且包括冷凝器34、膨胀阀或设备36、和蒸发器或液体冷却器（chiller）38。蒸气压缩系统14还可包括一个控制面板40，所述控制面板40可包括模数（A/D）转换器42、微处理器44、非易失性存储器46和接口板48。可用作蒸气压缩系统14中的制冷剂的流体的一些实施例为：氢氟烃（HFC）基制冷剂，例如R-410A、R-407、R-134a；氢氟烯烃（hydrofluoro olefin，HFO）；“天然”制冷剂，例如氨（NH₃）、R-717、二氧化碳（CO₂）、R-744、或碳氢基制冷剂、水蒸气；或任何其他合适类型的制冷剂。在一个示例实施方案中，蒸气压缩系统14可使用变速驱动器（VSD）52、电机50、压缩机32、冷凝器34、膨胀阀36和/或蒸发器38中的一个或多个。

与压缩机32一起使用的电机50可由变速驱动器（VSD）52供电，或者可直接从交流（AC）电源或直流（DC）电源供电。如果使用VSD 52，则VSD 52接收来自所述AC电源的具有某一固定线电压和固定线频率的交流电，并且向电机50提供具有可变电压和频率的功率。电机50可包括任何类型的可由VSD供电或者直接从AC或DC电源供电的电动机。电机50可以是任何其他合适的电机类型，例如开关磁阻电机、感应电机或电子整流永磁电机。在一个替代的示例实施方案中，其他驱动机构例如蒸汽或燃气轮机或引擎及其相关联的部件可用于驱动压缩机32。

压缩机32压缩制冷剂蒸气，并且通过排出管道将所述蒸气传递至冷凝器34。在一个示例实施方案中，压缩机32可以是螺杆压缩机。由压缩机32传送至冷凝器34的制冷剂蒸气将热传递至流体，例如水或空气。作为与流体的热传递的结果，在冷凝器34中制冷剂蒸气冷凝为制冷剂液体。来自冷凝器34的液体制冷剂流动通过膨胀设备36至蒸发器38。在图3中示出的示例实施方案中，冷凝器34是水冷式的，并且包括连接至冷却塔56的管束54。

传送至蒸发器38的液体制冷剂吸收来自另一流体的热，并且相变为制冷剂蒸气，所述另一流体可与用于冷凝器34的流体类型相同或者不同。在图3示出的示例实施方案中，蒸发器38包括具有供应管线60S和返回管线60R的管束，所述供应管线60S和返回管线60R连接至冷却负载62。过程流体（例如，水、乙二醇、氯化钙盐水、氯化钠盐水或任何其他合适的液体）经由返回管线60R进入蒸发器38，并且经由供应管线60S离开蒸发器38。蒸发器38冷却所述管中的过程流体的温度。蒸发器38中的管束可包括多个管和多个管束。蒸气制冷剂通过抽吸管线离开蒸发器38以及返回至压缩机32，从而完成循环。

与图3类似的图4示出了蒸气压缩系统14，所述蒸气压缩系统14具有包括在冷凝器34和膨胀设备36之间的中间回路64。中间回路64具有入口管线68，所述入口管线68可直接连接至冷凝器34，或者可与冷凝器34流体连通。如所示出的，入口管线68包括一个位于中间容器70的上游的膨胀设备66。在一个示例实施方案中，中间容器70可以是闪蒸罐，还称为闪发式中间冷却器。在一个替代的示例实施方案中，中间容器70可被配置为热交换机或“表面节约装置”。在图4所示的配置中，即中间容器70用作闪蒸罐，第一膨胀设备66运行以降低接收自冷凝器34的液体的压力。在膨胀过程中，所述液体的一部分蒸发。中间容器70可用于将蒸气与接收自第一膨胀设备66的液体分离开，并且还可允许所述液体的进一步膨胀。所述蒸气可以由压缩机32以处于抽吸和排出之间的中间压力或压缩的中间级从中间容器70穿过管线74抽吸至抽吸入口、端口或开口。收集在中间容器70中的液体因膨胀过程处于较低的焓。来自中间容器70的液体在管线72中流动通过第二膨胀设备36至蒸发器38。

在一个示例实施方案中，压缩机32可包括压缩机壳体，所述压缩机壳体包含压缩机32的工作部件。来自蒸发器38的蒸气可被引导至压缩机32的入口通道。压缩机32通过压缩机构压缩蒸气，并且通过排出通道将已压缩的蒸气传送至冷凝器34。电机50可通过驱动轴连接至压缩机32的压缩机构。

蒸气从压缩机32的入口通道流动，并且进入压缩机构的压缩槽（pocket）。通过所述压缩机构的运行，所述压缩槽的尺寸被减小，从而压缩蒸气。已压缩的蒸气可被排出到所述排出通道中。例如，对于螺杆压缩机，所述压缩槽被限定在所述压缩机的转子的表面之间。随着所述压缩机的转子彼此接合，所述压缩机的转子（还称为凸齿）之间的压缩槽的尺寸被减小，并且被轴向移位至所述压缩机的排出侧。

随着蒸气行进到压缩槽中，阀或阀主体（例如，滑阀）可被定位在形成于压缩机构中的一个膛（例如保护螺杆压缩机的相互啮合的转子的气缸）中，所述膛邻近于排出端部或者在排出端部前面。孔形成在所述滑阀中，并且定位在与排出通道相关的压缩机构的中间点处。即，形成于滑阀中的孔与排出端部间隔开，并且可用于向如下一个腔室提供具有参考流动路径的通路以及提供减小的压力，所述腔室紧邻保持在压缩机的系统排出压力处的排出端部但是与所述排出端部隔离。在一个示例实施方案中，可通过使用参考流动路径自动平衡施加至滑阀的力来控制滑阀的位置，使得与所述转子壳体的排出端部相关联的压力大体上与给定时刻所要求的系统压力相同，从而提供该系统所需要的加热或者冷却的量，结果是优化了压缩机32的运行效率。即，借助于参考流动路径，所述滑阀将被定位，使得来自所述转子的排出压力将被保持在与该系统的排出压力大体相同的大小。

如图5-图6所示，蒸气压缩系统14的压缩机32包括一个转子壳体或壳体80，所述转子壳体或壳体80包括具有开口94的排出壳体88，在所述开口的每一个中，已啮合的转子凸齿（未示出）的一个端部旋转。转子壳体或壳体80的表面96和滑阀82的表面98对应于与一个转子相关联的表面的下部部分，而转子壳体或壳体80的表面102和滑阀82的表面100对应于与另一转子相关联的表面的下部部分。在申请人的标题为“Compressor”的未决申请No.PCT/US2010/028966中公开了示例螺杆压缩机及其相关联部件的运行，所述未决申请以引用的方式被整体纳入。转子壳体或壳体80在排出端部86处邻近排出壳体88。转子壳体或壳体80还包括用于接收滑阀82的膛76，所述滑阀82被大体定位和配置为在转子壳体或壳体80的入口端部84和排出壳体88的排出端部86之间可滑动地移动。在一个实施方案中，膛76被定位在压缩机壳体80中，大体平行于压缩机壳体80中的蒸气流。换句话说，膛76被定位在压缩机构中，大体平行于压缩机构中的蒸气流。开口90沿着转子壳体80和排出壳体88的接合处形成，开口90包括排出开口部分92和排出开口部分104，所述排出开口部分92在排出壳体88中形成并且与排出壳体88相关联，所述排出开口部分104在滑阀82中形成并且与滑阀82相关联。排出开口90允许滑阀82的一部分延伸穿过压缩机的排出端部86。形成于滑阀82中的排出开口部分104限定一个凹口，允许在通向冷凝机的排出开口部分92和转子排气压力之间的增强的流体连通。由于相比于转子排出压力，该系统（冷凝器）压力是显著的压力，一旦转子排气到达开口90，压力水平就均衡并且被称为排出压力或PD。

如图6中进一步示出的，滑阀82经由延伸部108从排出端部86延伸至第一活塞110，所述第一活塞110具有面向第一腔室116的第一表面面积或第一面积112。第一活塞110具有面向压缩机构中的开口90的相对的第二表面面积或第二面积114。第一腔室116被保持处于指示为参考压力或PREF的压力处。参考压力PREF对应于小于排出压力PD的压力水平，这是由于排出开口部分92和形成在邻近于压缩机构或转子106（以假想线（phantom line）示出）的滑阀82中的孔126之间的间隔。间隔128的大小依赖于其他关系，所述其他关系导致用于确定滑阀82的位置的偏置力。也就是说，与孔126流体连通的参考压力PREF，所述孔保持与通路130流体连通，延伸通过延伸部108，并且与滑阀82的主体和第一活塞110互联，从而提供了用于加压蒸气流动至第一腔室116和第一活塞110的路径。在面向第一活塞110的第一面积112的第一腔室116中保持参考压力PREF。结果，参考压力PREF乘以第一活塞110的第一面积112生成了一个力F1，所述力F1推进第一活塞110（从而滑阀82）朝向开口90。沿着第一活塞的第二面积114（等于从第一面积112减去延伸部108的接触第二面积114的横截面积）乘以排出压力PD生成了一个对置力F2。由于均衡管线122，第二腔室118与保持在排出压力PD处的排出区域或排出通路流体连通，所述第二腔室包括第二活塞120。作为第二活塞120的表面面积乘以排出压力PD的结果，生成了力F3，其将第二活塞120推进朝向开口90。在一个替代实施方案中，如图7中所示，均衡管线222可形成在滑阀的主体中，代替均衡管线122。在另一实施方案中，可使用两个均衡管线122、222。

当被适当配置时，转子排出压力（刚要到达开口104处的转子壳体中的转子压力的大小）大体等于系统排出压力PD（定位为与开口90流体连通）。转子排出压力和系统排出压力PD之间的均衡经由力F1、F2和F3的平衡来实现。换句话说，间隔128的大小（其设置参考压力PREF），结合第一活塞和第二活塞的表面面积的相对尺寸，被调整以实现滑阀沿着行进方向124的移动，从而保持转子排出压力和系统排出压力之间的大体均衡。借助于所述均衡，压缩机效率被最大化。

应理解，第一活塞110和第二活塞120的移动是响应于对应于本公开内容的压缩机经历的运行条件或参数的预定条件可控制的。压缩机的运行参数包括但是不限于，压缩机运行的一天中的时间、环绕压缩机的周围条件、压缩机的运行负载和其他条件/参数。

尽管仅示出和描述了本发明的一些特征和实施方案，但是本领域的技术人员可想到许多修改和变化(例如，改变各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例；改变参数值(例如温度、压力等)；改变安装布置；改变使用的材料；颜色；定向等)，而在本质上不偏离权利要求所述的主题的新颖性教导和优点。任何过程或方法步骤的次序或顺序可根据替代实施方案而改变或重新排序。因此，应理解的是，所附的权利要求书旨在覆盖所有这种落在本发明真实精神内的修改和改变。此外，为了提供示例实施方案的简要说明，也许没有描述实际实施方案的所有特征(例如，那些与实施本发明的目前所预期的最佳模式无关的特征，或那些与使能实现所要求保护的本发明无关的特征)。应理解的是，在任何该种实际实施方案的开发过程中，如在任何工程或设计项目中，可做出大量的具体实施决策。如此的开发工作可能是复杂和费时的，但对于受益于本公开内容的普通技术人员，仍然是设计、加工和生产的常规任务，而无需过度的实验。

Claims

1.一种压缩机，包括：

一个压缩机构，所述压缩机构被配置和定位为接收来自入口通道的蒸气，并且将已压缩的蒸气提供至排出通道；

一个开口，被定位在所述压缩机构中，与所述排出通道流体连通；

一个阀，具有形成在所述阀中的一个孔，所述阀包括阀主体，响应于施加至所述阀主体的第一活塞和第二活塞的力的差，所述阀主体在一个膛中可滑动地移动，所述孔被配置和定位为与一个通路流体连通，从而为加压蒸气提供流动至第一腔室和所述第一活塞的路径，而不使所述加压蒸气与所述排出通道中的蒸气混合；

第二腔室，与所述第二活塞和所述排出通道流体连通，所述阀的所述第一活塞和所述第二活塞被配置为一起移动；以及

所述第一活塞和第二活塞的移动是响应于预定条件可控制的，从而将紧邻所述开口的上游的所述压缩机构的压力大小保持为与所述排出通道处的压力大小大体相同。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述压缩机构包括相互接合的转子。

3.一种螺杆压缩机，包括：

一个入口通道，用于接收蒸气；以及，排出通道，用于供应蒸气；

一对相互啮合的转子，该对相互啮合的转子中的每一个转子被定位在对应的气缸中，该对相互啮合的转子被配置用于接收来自所述入口通道的蒸气，并且将已压缩的蒸气提供至所述排出通道；

一个开口，被定位在至少一个转子气缸中，与所述排出通道流体连通；

一个阀，具有在所述阀中形成的一个孔，所述阀包括阀主体，响应于施加至所述阀主体的第一活塞和第二活塞的力的差，所述阀主体在一个膛中可滑动地移动，所述孔被配置和定位为与一个通路流体连通，从而为加压蒸气提供流动至第一腔室和所述第一活塞的路径，而不使所述加压蒸气与所述排出通道中的蒸气混合；

所述第一活塞和第二活塞的移动是响应于预定条件可控制的，从而将紧邻所述开口的上游的该对相互啮合的转子的压力大小保持为与所述排出通道处的压力大小大体相同。

4.根据权利要求3所述的螺杆压缩机，其中：

所述第一活塞具有第一表面面积和相对的第二表面面积，并且所述第二活塞具有面向所述第二腔室的表面面积；

提供一个参考压力穿过在所述阀主体中形成的、与面向所述第一活塞的第一表面面积的所述第一腔室流体连通的所述孔和通路，从而生成推动所述第一活塞朝向所述至少一个转子气缸中的所述开口的力；

一个排出压力面向所述第一活塞的所述第二表面面积，从而生成推动所述第一活塞远离所述至少一个转子气缸中的所述开口的力；以及

所述第二腔室中的所述排出压力与所述第二活塞的表面面积流体连通，从而生成推动所述第二活塞朝向所述至少一个转子气缸中的所述开口的力。

5.根据权利要求4所述的螺杆压缩机，包括一个均衡管线，所述均衡管线在所述排出通道和所述第二腔室之间流体连通。

6.根据权利要求4所述的螺杆压缩机，其中所述参考压力小于所述排出压力，所述参考压力对应于在所述阀主体中形成的所述通路和所述孔，在所述孔和形成于所述阀主体中的排出开口部分之间存在一个间隔。