CN103270306A - 可变容量的螺杆式压缩机及其方法 - Google Patents

Abstract

可变容量的螺杆式压缩机包括抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口，它们构造成与以最佳圆周速度运行至少一个螺杆转子的选定转速有关，该最佳圆周速度独立于在对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机转速下的至少一个螺杆转子的圆周速度。电动机构造成以满负荷容量下的转速驱动至少一个螺杆转子，该转速基本上大于同步电动机在额定螺杆式压缩机容量下的转速。变速驱动器从控制器中接收指令信号，并产生以选定转速驱动电动机的控制信号。分别给出了一种为至少两个可变容量的螺杆式压缩机定尺寸的方法，以及纳入可变容量的螺杆式压缩机的制冷冷却装置。

Description

可变容量的螺杆式压缩机及其方法

技术领域

本发明总的涉及用于制冷系统的螺杆式压缩机。特别地，本发明涉及用于如下所述制冷系统的螺杆式压缩机，该制冷系统对于额定容量能够以基本上高于同步电动机转速的转速运行，且该制冷系统具有入口端口、排出端口、螺杆转子和选定的转速，构造为使得该选定转速以独立于螺杆式压缩机额定容量的最佳圆周速度驱动至少一个螺杆转子。配置入口端口、排出端口和连同选定转速的螺杆转子，允许多个螺杆式压缩机形成有不同的额定容量，使得每个螺杆式压缩机由至少一个螺杆转子以相同的最佳圆周速度的运行而提供大致相同的高效率。

背景技术

制冷系统内的压缩机将制冷剂的压力从蒸发器压力提升到冷凝器压力。蒸发器压力有时称作为抽吸压力。冷凝器压力有时称作为排出压力。在抽吸压力处，制冷剂能够冷却期望的介质。

包括旋转螺杆式压缩机在内的许多压缩机类型被用于如此的制冷系统中。旋转螺杆式压缩机或螺杆式压缩机是正向位移、体积减小的装置。

螺杆式压缩机一般地采用阳型螺杆转子和阴型螺杆转子，有时呈螺旋的互啮合转子的形式。具有互啮合阳型螺杆转子和阴型螺杆转子的螺杆式压缩机结构有时也被称作双螺杆式压缩机。螺旋的互啮合转子具有确定的几何形或外形，该几何形或外形例如部分地是由转子凸角数量、包角、转子长度和转子直径所确定。转子的一种外形对于所有的螺杆式压缩机来说是不通用的。

互啮合的螺杆转子安装成在由压缩机或转子外壳限定的工作腔室内转动。工作腔室由成形为一对平行的互交平端圆柱的体积所组成，且与互啮合的螺杆转子的外部尺寸和形状紧密公差配合。工作腔室表面和互啮合螺杆转子外部之间的间隙公差可小至几微米。

螺杆式压缩机具有低压端和高压端。低压端包含抽吸端口。高压端包含排出端口。低压端和高压端各自通入工作腔室内。

在以制冷为基础的系统的传统运行中，互啮合的螺杆转子的相对转动将处于抽吸压力的一定质量制冷剂气体从压缩机低压端处的抽气区域抽吸到抽吸端口内。将制冷剂通过抽吸端口递送到呈v形臂章形状的压缩囊中，该v形臂章形状有时被称作笛形空间。该压缩囊由互啮合的转子和工作腔室的内壁限定。

当互啮合的螺杆转子转动时，该压缩囊闭合而与抽吸端口隔绝。随着互啮合螺杆转子转动，压缩囊的体积减小，此时发生气体压缩。通过互啮合的螺杆转子转动，压缩囊圆周地和轴向地位移到压缩机的高压端，并变得与排出端口连通。受压缩的制冷剂气体通过排出端口从工作腔室排出。

通常要求如此的螺杆式压缩机在部分负荷工况下（即，在不要求满容量运行时）运行。为了提高部分负荷工况下的性能，有好几种方法已经被采用。

一种已被采用的方法是使用滑阀结构。这些滑阀结构可采取滑阀组件的形式。滑阀组件的阀部分通常设置在工作腔室内。滑阀打开（或关闭）到可变的程度以将容量从满负荷改变到部分负荷。当滑阀打开（或关闭）以改变容量时，工作腔室和螺杆转子较大（或较小）程度地暴露于抽吸压力。一般地说，滑阀组件适应于部分负荷的特性，因为暴露于抽吸压力的工作腔室和螺杆转子不能参与压缩过程，由此，螺杆式压缩机的容量成比例地减小。利用这些滑阀结构，通过控制排出端口就可实现改进的部分载荷特性。

引入如此的滑阀结构增加了螺杆式压缩机的机械复杂性，这是因为实体部分体积量增大、密封所需的加工精度提高，以及由于诸如沿着滑阀与转子的交界面的泄漏面积进一步增大而使部分负荷下的效率降低。还可能因包含滑阀而导致效率的降低，这通常是因为转子需要附加的间隙。部分地由于采用滑阀结构引起机械复杂性的增加，于是滑阀还可造成加工困难，并在日复一日的运行中有可能降低可靠性。

另一方法是采用提升阀。提升阀也可用作为机械卸载器。螺杆式压缩机中使用提升阀会遇到与滑阀相类似的缺点。例如，由于增加了实体部分体积量和加工难度，提升阀要求有附加的制造复杂度。

还有另一种用来提高部分负荷特性的方法是使用变速驱动器（VSD）。变速驱动器通过改变电动机驱动互啮合的螺杆转子的速度来控制电动机的加载。VSD通常改变提供给电动机的频率和/或电压。该频率或电压的改变可让电动机响应于电动机上的载荷而提供可变的输出速度和功率。

传统螺杆式压缩机内采用VSD可在满负荷容量下造成3%至6%或以上的效率损失。同时，VSD具有如螺杆式压缩机那样的成本问题。采用VSD来运行传统电动机的另一挑战是，电动机在其额定速度下达到其峰值效率。其结果，电动机效率在低速下下降。这样的理论上降低的特性危害到部分负荷工况下的节能水平。在努力使VSD特性损害降到最小的尝试之中，已有人采用了齿轮系的结构来优化输入到螺杆式压缩机的齿顶速度和转速。齿轮系的使用本身提出了各种挑战，包括与齿轮系相关的寄生损失、增加润滑、增加维护、更多噪音以及较大的空间要求。

不管采用何种方法来达到部分负荷特性，传统螺杆式压缩机中所用的滑阀结构或速度可变驱动器都不能实现紧凑、容量可变的螺杆式压缩机，该螺杆式压缩机对于螺杆式压缩机的额定容量能够以基本上高于同步电动机转速的转速运行，其中，入口端口、排出端口、螺杆转子和选定的转速被配置成使得该选定转速以独立于螺杆式压缩机额定容量的最佳圆周速度驱动至少一个螺杆转子。传统螺杆式压缩机也没有提供容量可变的螺杆式压缩机构造，其中，连同选定的转速一起将入口端口、排出端口和螺杆转子定尺寸为使得多个螺杆式压缩机可形成有不同的额定容量，其中每个螺杆式压缩机由至少一个螺杆转子以相同的最佳圆周速度的运行而大致输送相同的高效率。

发明内容

根据本发明的一个实施例，可变容量的螺杆式压缩机包括转子外壳、电动机和变速驱动器。转子外壳包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子包括阳型螺杆转子和阴型螺杆转子，它们定位在工作腔室内以便协作地压缩流体。抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与选定的转速有关。该选定的转速以最佳圆周速度运行至少一个螺杆转子，该最佳圆周速度独立于在对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机转速下的至少一个螺杆转子的圆周速度。电动机能运行以满负荷容量下的转速驱动至少一个螺杆转子，该转速基本上大于额定螺杆式压缩机容量下的同步电动机转速。变速驱动器从控制器中接收指令信号，并产生以转速驱动电动机的控制信号。

在另一实施例中，提供了用于对至少两个螺杆式压缩机定尺寸的方法。对每个螺杆式压缩机选定目标容量。每个螺杆式压缩机具有不同的额定容量，并还包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子定位在工作腔室内以便协作地压缩流体。转速被选定为以大致恒定的最佳圆周速度运行每个螺杆式压缩机内的至少一个螺杆转子，该圆周速度独立于每个螺杆式压缩机的额定容量。对于每个螺杆式压缩机，连同转速一起配置抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口。

在另一实施例中，具有至少一个制冷回路的制冷冷却装置包括可变容量的螺杆式压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器。该可变容量的螺杆式压缩机包括转子外壳、电动机外壳和变速驱动器。转子外壳还包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子包括阴型螺杆转子和阳型螺杆转子，它们定位在工作腔室内以便协作地压缩流体。抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与选定的转速有关。该选定的转速提供给至少一个螺杆转子，以最佳圆周速度运行至少一个螺杆转子，该最佳圆周速度独立于在对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机转速下的至少一个螺杆转子的圆周速度。电动机外壳还包括电动机，电动机能运行以满负荷容量下的转速驱动至少一个螺杆转子，该转速基本上大于额定螺杆式压缩机容量下的同步电动机转速。变速驱动器构造成从控制器中接收指令信号，并产生以转速驱动电动机的控制信号。冷凝器联接到容量可变的螺杆式压缩机的排出端口。该冷凝器构造成冷却和冷凝从排出端口接受到的流体。膨胀阀联接到冷凝器。该膨胀阀构造成：通过降低从冷凝器中接受到的流体压力来蒸发从冷凝器中接受到的至少一部分流体。蒸发器联接到膨胀阀。蒸发器构造成蒸发从膨胀阀中接受到的流体，并将流体提供给容量可变的螺杆式压缩机的抽吸端口。

本技术领域内的技术人员结合附图阅读以下的详细描述之后，将会认识到以上实施例的优点和极佳的特征以及本发明的其它重要方面。从对本发明实施例的描述和附后的权利要求书中，本发明另外的优点和特征将会变得更加明白。

附图说明

以下附图包括表示相同特征的相同附图标记，其中：

图1示出本发明的一个包括螺杆式压缩机的实施例，该螺杆式压缩机布置成为制冷冷却装置系统的一部分。

图2示出根据本发明一个实施例的螺杆式压缩机的剖视图。

图3示出根据本发明一个实施例的螺杆式压缩机的另一剖视图。

图4示出根据本发明一个实施例的制冷冷却装置和控制器系统的实施例。

具体实施方式

作为详细描述的前言，就如本说明书和附后权利要求书中所采用的，单数形式的冠词“a”、“an”和“the”也包括复数形式，除非文中另有明确指示。本说明书中涉及的“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等表示所描述的实施例可包括特殊的特征、结构或特性；然而，每个实施例可以不一定包括该特殊的特征、结构或特性。当结合一实施例来描述特殊的特征、结构或特性时，其它的实施例可包括或以其他方式实施如此的特征、结构或特性，不管它们是否被明确描述。

现参照图1-4，图中示出冷却装置或冷却装置系统10的各部件。为简化附图起见，冷却装置10包括许多未示出的其它传统的特征。

冷却器系统10涉及制冷系统。冷却器10的重量范围约在20至500吨左右或更重，特别是在制冷系统包括多级压缩机布置的情况下。本技术领域内的技术人员将会容易地理解到，本发明的实施例和特征考虑到不仅包括和适用于单级压缩机/冷却装置，而且包括和适用于：（i）多级压缩机/冷却装置，以及（ii）并联运行的单级和/或多级压缩机/冷却装置。

如图所示，冷却装置10包括螺杆式压缩机系统12（有时也称作螺杆式压缩机12）、冷凝器14和蒸发器20，所有这些设备被串联地连接以形成半密封或全密封的闭环制冷系统。冷却装置10可循环流体80（例如，制冷剂）来控制诸如房间、住宅或建筑物的空间内的温度。可循环流体80以从空间内吸收和移走热量，并可随后在任何地方排出热量。

流体80可以是制冷剂。制冷剂可选自公沸混合物、非共沸混合物或它们以气相、液相或多相的混合或掺合。例如，如此的制冷剂可选自：R-123、R-134a、R-1234yf、R-410A、R-22或R-32。因为本发明实施例不局限于所选的制冷剂，所以本发明实施例也适用于广泛出现的制冷剂，诸如全球低暖化潜能（low-GWP）的制冷剂。

图1示出冷凝器14。冷凝器14显示为壳和管淹没的型式。冷凝器4可布置成单一蒸发器或串联或并联的多个蒸发器，例如，将单独的或多个蒸发器连接到各压缩机。冷凝器14可包括冷凝器管系16。流体80可穿过冷空气或冷液体所流经的冷凝器管系16。

冷凝器14可用碳钢和/或其它合适材料制造，包括铜合金的传热管系。冷凝器管系16可具有各种直径和厚度，并通常地由铜合金组成。此外，冷凝器管系16可以是可更换的、以机械方法膨胀成管板且外部带有翅片的无缝管系。考虑了其它已知类型的冷凝器14。

冷凝器14可构造成连通来自排出通道36的流体80。排出通道36可构造成接收流体80，或可通过油分离器24联接到冷凝器14，如图1所示。考虑了其它构造。油分离器24（在采用时）使油与流体80分离，并通过油供应通道26将油返回到螺杆式压缩机12以便再用。油可被再次使用，例如用来冷却流体80、冷却螺杆转子42、密封螺杆转子42自身之间的交界面、密封螺杆转子42和工作腔室44的壁之间的交界面，和/或润滑轴承46、48。

冷凝器14可将流体80从过热蒸汽转换为饱和液体。由于冷空气或冷液体穿过冷凝器管系16，所以流体80可排出或以其它方式将来自冷却装置10的热量以传热的关系输送到另一流体，比如空气或液体，，该另一流体又将热量带出系统之外。

如图1所示，可采用膨胀阀18。膨胀阀18可构造成从冷凝器14中接收流体80。从冷凝器14接收到的流体80通常处于被称之为饱和液体的热力学状态中。膨胀阀18可突然地降低流体80的压力。这种突然的压力下降可导致至少一部分流体80绝热的闪蒸。尤其是，绝热的闪蒸可导致流体80的液气混合物，该混合物的温度低于所要冷却的空间温度。

蒸发器20在图1中显示为壳和管淹没型。蒸发器20可布置成单一蒸发器或串联或并联的多个蒸发器，例如，将单独的或多个蒸发器连接到各压缩机。蒸发器20可包括蒸发器管系22。流体80可穿过冷空气或冷液体所流经的蒸发器管22系。

蒸发器20可用碳钢和/或其它合适材料制造，包括铜合金的传热管系。蒸发器管系22可具有各种直径和厚度，并通常地由铜合金组成。此外，蒸发器管系22可以是可更换的、以机械方法膨胀成管板且外部带有翅片的无缝管系。考虑了其它已知类型的蒸发器20。

如图1所示，蒸发器20构造成接收与膨胀阀18连通的流体80。在制冷环路内被蒸发器20接收的流体80可比其从螺杆式压缩机12中排出时更冷。油回收装置28（在采用时）使油与流体80分离，并通过油返回通道30将油返回到螺杆式压缩机12以便再用。油可被再次使用，例如用来冷却流体80、冷却螺杆转子42、密封螺杆转子42自身之间的交界面、密封螺杆转子42和工作腔室44的壁之间的交界面，和/或润滑轴承46、48。

蒸发器20可以从所要冷却的空间内吸收和移走热量，并且冷凝器14可随后将所吸收的热量排放到空气或液体，空气或液体从所要冷却的空间中带走热量。在运行中，暖空气或液体可从所要冷却的空间循环通过蒸发器管系22。通过蒸发器管系22的暖空气或液体可使冷流体80的液体部分蒸发。同时，通过蒸发器管系22的暖空气或液体可被流体80冷却。应该理解到，可采用任何构造的冷凝器14和/或蒸发器20，只要其可完成流体80的必要相变。

将冷却的或加热的水从蒸发器20泵送到空气处理单元（未示出）。来自正在进行温度调节的空间内的空气被抽吸通过空气处理单元内的盘管，在空气调节的情况中，空气处理单元包含冷却过的水。该抽入的空气被冷却。然后强制冷空气通过被空气调节的空间，这就冷却了该空间。

此外，尽管未示出，但可纳入节能器32以包括节能器循环。可在制冷循环中使用节能器32或次冷却循环（未示出），或两者都使用，并根据应用工况所需的构造通过抽吸通道34或其它通道（未示出）将流体80返回到螺杆式压缩机12。

参照图2和3，螺杆式压缩机12通常包括转子外壳40和电动机外壳50。螺杆式压缩机12全部地或部分地由诸如灰铸铁制成。其它材料也可用来形成螺杆式压缩机12。根据本发明的实施例，螺杆式压缩机12便于在预选的螺杆容量范围上高效地运行在满负荷和部分负荷的工况下。

在本发明的实施例中，电动机外壳50容纳电动机52。电动机52可联接到变频驱动器38。电动机52驱动相啮合的螺杆转子42。电动机外壳50可与转子外壳40是一体的。

转子外壳40可具有低压端和高压端，该两端分别包含抽吸端口76和排出端口78。抽吸端口76和排出端口78与工作腔室44畅流连通。抽吸端口76和排出端口78可以各为轴向的、径向的或混合的（径向和轴向的组合）端口。

抽吸端口76可接收处于抽吸压力和抽吸温度的流体80。抽吸端口76可从处于被称之为饱和蒸汽或过热蒸汽的热力学状态中的抽吸通道34接收流体80。随着螺杆式压缩机12将流体80从抽吸端口76连通到排出端口78，螺杆式压缩机12可压缩流体80。通过排出端口78的流体80排入到排出通道36内。

压缩流体80还可导致流体80在高于抽吸温度的排出温度下进行排放。从排出端口78排出放的流体80可以处于被称之为过热蒸汽的热力学状态中。因此，从螺杆式压缩机12中排出的流体80能够处在用冷却空气或冷却液体容易地冷凝流体80的温度和压力下。

抽吸端口76和排出端口78构造成：当至少一个转子42以大致恒定的圆周速度运行时，使流动损失减到最小。抽吸端口76可位于流体80流出螺杆式压缩机12的抽吸区域且流体被抽吸到工作腔室44内的位置。抽吸端口76的尺寸可以尽可能地大，至少使流体80的接近速度为最小。也可配置抽吸端口76在转子外壳40内的位置，使得流体80进入转子42之前的湍流减到最小。

排出端口78的尺寸可做得大于为提供热力学最佳尺寸所必需的理论尺寸，由此，减小流体80流出工作腔室44时的速度。排出端口78可大致位于流体80流出螺杆式压缩机12的工作腔室44的位置。排出端口78在转子外壳40内的位置可配置成：在将排出压力传送到排出通道36内之前，在转子42内可获得最大排出压力。此外，螺杆式压缩机12可包括消音器58或适于降噪的其它装置。

再次参照图3，安装转子42使其在工作腔室44内转动。工作腔室44包括一体积，该体积成形为一对平行相交的平端圆柱，且与互啮合的螺杆式压缩机12的外部尺寸和几何形紧密公差配合。多个啮合的螺杆转子42a、42b可在螺杆转子42a、42b和转子外壳40的内腔壁之间形成一个或多个压缩囊。转子外壳40几乎不与转子42分离。可采用铣削、机器磨削或模制等方法来达到高精度，以及转子42的槽及凸角与转子外壳40之间的紧公差。

第一螺杆转子42a和第二螺杆转子42b设置成反向转动、互相啮合的关系，并协作来压缩流体。至少一个转子42与电动机52协作地配置成在预选的螺杆式压缩机容量范围之内以对于螺杆式压缩机容量的转速能运行。满负荷容量下选定的转速基本上大于对于螺杆式压缩机12的额定容量（这里也称作额定螺杆式压缩机容量）的同步电动机的转速。

在所示实施例中，转子42a可被称作阴型螺杆转子并包括阴的凸角/槽体或工作部分（通常为螺旋形或盘旋形延伸的突起和凹槽）。转子42b可被称作阳型螺杆转子并包括阳的凸角/槽体或工作部分（通常为螺旋形或盘旋形延伸的突起和凹槽）。

转子42包括轴部，这些轴部例如通过一个或多个轴承46、48依次安装到螺杆式压缩机12的外壳。示范性的轴承46、48也将构造成相对于至少转子42和转子外壳40有紧公差。

流体80在螺杆式压缩机12内的压缩产生了轴向和径向力。本发明实施例的构造还可缓和时间的变动和转子的非均匀移动，以及由螺杆转子42a、42b的相互作用造成的作用在螺杆式压缩机12的腔室壁、轴承和端部表面上的力：轴向力和径向力。

如上所述，润滑流体通常是油，润滑流体可从供油通道26或油返回通道30递送到螺杆式压缩机12。润滑流体为螺杆式压缩机12的工作腔室44的壁、转子42a、42b以及轴承46、48提供衬垫膜，但确实难以防止时间的变动和非均匀的轴向力及径向力的传播。螺杆式压缩机12还可利用膨胀器（未示出），该膨胀器也可与螺杆式压缩机12形成一体，以在高压液体通过膨胀器膨胀到低压时回收制冷循环所提供的能量。

一个示范性实施例中的电动机52可响应于从控制器60中接收到的指令信号62来驱动至少一个转子42。优选电动机52的马力可在约125马力至约2500马力的范围内变化。电动机52提供的转矩可直接转动至少一个螺杆转子42。使用电动机52和变速驱动器38，本发明实施例的螺杆式压缩机12在流体是R-134a制冷剂时可具有在约35吨至约150吨或以上的范围内的额定螺杆式压缩机容量，并具有在约每分钟4000转至约每分钟15000转的范围内的满负荷速度。

尽管可采用像感应电动机那样的传统类型的电动机，并在应用于本发明实施例时将会提供益处，但较佳的电动机52包括直接驱动、变速、密封、永磁电动机。永磁电动机52可比其它电动机类型提高系统效率。电动机52的选择可受成本和性能诸方面考虑的影响。

参照图2和3，永磁电动机52包括电动机定子54和电动机转子56。定子54由围绕层叠的钢制电极形成的线圈组成，线圈将变速驱动器38施加的电流转变为旋转磁场。定子54安装在螺杆式压缩机12中的固定位置上，并包围电动机转子56，用旋转磁场包裹住转子56。电动机转子56是电动机52的转动部件，并可由带永久磁铁的钢结构组成，该钢结构提供与旋转定子磁场互相作用的磁场以产生转子转矩。此外，永磁电动机52可构造成接收变频控制信号，并借助于所接收到变频控制信号驱动至少两个螺杆转子。

电动机转子56可具有多个磁铁，并可包括埋入在转子钢结构内或安装于转子钢结构表面的磁铁。电动机转子56表面安装的磁铁用低损失的细丝、金属固定套筒或用其它的装置固定到转子的钢支承。根据电动机转子56内永久磁铁的数量和放置，可以实现进一步的制造、特性以及运行优点和缺点。例如，由于在介入材料中没有磁损失、在形成精确磁场中制造的方便性以及有效地使用转子磁场来产生响应的转子转矩，所以表面安装的磁铁可用来实现电动机更高的效率。同样地，埋入的磁铁可被用来实现制造更为简单的组件，并用来将启动和运行转子转矩反应控制到负荷的变化。

永磁电动机52的特性和尺寸部分地归因于高能量密度的永久磁铁的使用。使用高能量密度的磁性材料制成的永久磁铁产生强的、比传统材料更强烈的磁场，该高能密度磁性材料通常至少为20MGOe（兆高斯奥斯特）。由于电动机转子56具有较强的磁场，所以可产生较大的转矩，制成的电动机52可产生比包括感应电动机的传统电动机大的单位体积的马力输出。相比较而言，永磁电动机52的单位体积的转矩与可比较的制冷容量的制冷冷却装置中所用感应电动机的单位体积的转矩相比，可以至少高约75%。该结果是，对于特殊的压缩机组件来说，较小尺寸的电动机就满足所要求的马力。

本发明实施例的永磁电动机52比传统电动机更为紧凑、有效、可靠和相对静音。由于螺杆式压缩机12的实体尺寸减小，所用的电动机52在尺寸上可比例缩放，以完全实现改进的流体流动路径和压缩机元件形状和尺寸方面的益处。如果与使用感应电动机并具有超过35吨制冷容量的压缩机组件的传统现有设计相比，电动机52的体积减小约30%或以上。通过利用较少的材料和比通过更为传统实践达到的较小的尺寸，本发明实施例达到的尺寸减小为效率、可靠性和静音运行提供了更大的机会。

任何用于电动机52的轴承可以是滚动元件轴承（REB）或流体动力学的轴颈轴承。如此的轴承可用油来润滑。可使用无油的轴承系统。用制冷剂进行冷却的特殊级的轴承是箔轴承，另一种轴承类型使用带陶瓷球珠的REB。每个轴承类型都具有为本技术领域内技术人员所明白的优点和缺点。轴承应选择为便于螺杆式压缩机12以容量调制用的减速进行高效的运行，并使与减速相关的转子动力学特性和振动减到最小。可采用任何轴承类型，其适于在约2000RPM至约20000RPM的范围内维持转速。

与包括感应电动机在内的某些传统电动机相比，电动机转子56和电动机定子54对于永磁电动机52而言的端匝损失非常低。因此，电动机52可用流体80（通常地为制冷剂）进行冷却。当用流体80来冷却电动机52时，流体80可只需接触定子54的外直径。以此方式冷却电动机52允许消除通常在感应电动机定子中使用的电动机冷却馈送环。替代地，制冷剂可被计量分配到定子54的外表面以及定子54的端匝以冷却电动机52。

此外，电动机52所需的转矩主要来自于转子42内的内压力分布，它是转子42的几何形和运行工况的函数。转子42内的内压分布提供了载荷，电动机52必须抵抗该载荷而工作。使用本发明实施例而不使用机械卸载器导致得到理论转矩，该理论转矩在运行工况的全部范围上可以基本上为恒定的，尽管在运行过程中例如由于损失和泄漏在变化而使实际转矩减小，但对于给定的运行工况，作用在电动机52上的理论转矩对实际转矩之比可近似为恒定不变。相比之下，对于给定的运行工况，调用机械卸载器的传统螺杆式压缩机将会随时间过去而有很显著的转矩波动或变化。

如图4所示，变速驱动器38可驱动电动机52并依此驱动螺杆式压缩机12。例如通过改变供应到电动机52的电力频率，就可控制电动机52的速度。使用永磁电动机52和变速驱动器38将某些传统电动机损失移到制冷剂环路之外。变速驱动器38的效率、线路输入到电动机轴输出，较佳地可在系统运行范围上达到约95%的最小值。

对于给定额定容量的螺杆式压缩机12，变速驱动器38以在预选的螺杆式压缩机容量范围上的每个容量处的最佳或接近最佳的转速驱动螺杆式压缩机12。变速驱动器38可以是制冷剂冷却、水冷却或空气冷却。如上所述，类似于电动机52的冷却，变速驱动器38或其若干部分可使用在冷却装置系统10内循环的制冷剂或其它传统的冷却装置进行冷却。电动机52和/或变速驱动器38如何被冷却，应该理解为其依赖于运行条件和电动机52和/或变速驱动器38在其中运行的环境条件。

变速驱动器38通常包括电源转换器，该电源转换器包括线性整流器和线性电流谐波减速器、电源电路和控制电路（如此的电路还包括所有通讯和控制逻辑，其包括电子电源开关电路）。螺杆式压缩机12所使用的工况可以判定冷却装置10是否采用多于一个的变速驱动器38。

变速驱动器38可构造成从控制器60中接收指令信号62并产生控制信号64。变速驱动器38例如会响应于从微处理器（也未示出）中接收到的信号62，该微处理器与控制器系统60相关联，通过改变供应到电动机52的电流频率来增加或减小电动机52的速度。控制器60可构造成接收表明螺杆式压缩机运行点的状态信号82，并产生要求电动机系统按照预选的运行参数来驱动螺杆式压缩机的指令信号。状态信号82可例如依据所选传感器的用途传送类似的或不同的状态信息。控制器60可产生根据预选的运行参数的指令信号62，就像用于螺杆式压缩机12的转矩曲线那样。控制信号64可以某一转速驱动高能密度电动机52，该转速基本上大于对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机的转速，并且又以独立于额定螺杆式压缩机容量的最佳圆周速度驱动至少一个螺杆转子42。

电动机52和变速驱动器38具有低压（低于约600伏）、50Hz和60Hz应用的电源电子器件。通常，AC电源（未示出）将对变速驱动器38供应多相电压和频率。输送给变速驱动器38的AC电压或线电压通常根据AC电源在50Hz或60Hz的线路频率下具有200V、230V、380V、415V、480V或600V的名义值。

通过使用电动机52和变速驱动器38，电动机52的速度可变化以匹配于变化的系统要求。与没有变速驱动器38的压缩机相比，速度匹配导致约30%更有效的系统运行。当冷却装置上的载荷不高或不是其最大值时，通过低速运行压缩机12，就可提供足够的制冷效果，以节能方式来冷却降低的热载荷，与不能通过本发明实施例在转速下达到如此载荷匹配的冷却装置相比，从成本-运行的观点来看，使得冷却装置10更加经济，并促进冷却装置10高效地运行。例如，根据本发明实施例构造的约100吨的额定螺杆式压缩机容量，可以有效地在约75吨至约125吨的预选螺杆容量范围上运行。

螺杆式压缩机12可以某些转速运行，该转速基本上高于对于螺杆式压缩机12的给定额定容量的同步电动机的转速。对于额定螺杆式压缩机容量范围的特定最佳速度是螺杆式压缩机容量和压头的函数。本发明实施例显著地提高流体80的排出，并又使螺杆式压缩机12在比给予传统尺寸的转子和端口以最佳特性的转速大大提高的转速下运行。例如，当流体是R-134a制冷剂时，根据本发明的实施例，对于约为100吨的额定螺杆式压缩机容量的选定转速约为每分钟5800转。相比之下，当流体是R-134a制冷剂时，则额定容量为约100吨的传统螺杆式压缩机具有每分钟约3400转的同步电动机转速。

对于螺杆式压缩机12的特定额定容量选择转速的许容范围，以达到独立于螺杆式压缩机12的额定容量的至少一个螺杆转子的最佳圆周速度，这在螺杆式压缩机产品系列（例如，60吨、80吨、100吨和150吨）中导致相对均匀的高效率。最佳圆周速度是转速和至少一个转子42的（通常为阳型转子42b）半径的恒定乘积。近似恒定的最佳圆周速度例如在每秒约131英尺（每秒约40米）至每秒约164英尺（每秒约50米）之间的范围内。在一个实施例中，当R-134a制冷剂是流体80时，则在高压应用中，近似恒定的最佳圆周速度在每秒约42米（每秒约137英尺）至每秒约45米（每秒约147英尺）之间。本技术领域内的技术人员会理解到，对于低压应用或不同的一次流体80，或对于两者兼而有之的情况，最佳圆周速度可以不相同。

不管螺杆式压缩机12的额定容量如何，对于每个目标容量结合对转子42、抽吸端口76和排出端口78的配置，来选择电动机52的转速，以使至少一个螺杆转子42达到近似恒定的最佳圆周速度。这就是说，对螺杆转子42、入口端口76、排出端口78和运行转速选择特定的组合，使得每个特定组合能够让每个螺杆式压缩机12对于每个不同额定容量以近似相同的最佳圆周速度运行，并又在螺杆式压缩机12的每个不同额定容量之间或之中产生相对相同的高效率。

本发明实施例包括为具有不同额定容量的至少两个螺杆式压缩机12定尺寸的方法，它们在螺杆式压缩机产品系列（例如，60吨、80吨、100吨和150吨）中达到大致恒定的效率。通过使用本发明的实施例，螺杆式压缩机12的等熵效率对容量（单位为吨）之比与传统的螺杆式压缩机相比得到显著提高，量级为15%。此外，因为螺杆式压缩机12在相对较高的速度下运行，螺杆式压缩机12对于运行容量可减慢到速度的20-30%的量级，并与额定螺杆式压缩机容量的效率相比，仍具有近似恒定的峰值效率或效率平台。

为每个螺杆式压缩机12选择目标容量，每个目标容量具有不同的额定容量。还根据每个螺杆式压缩机12的目标容量来选择转速，以独立于每个螺杆式压缩机12的额定容量的近似恒定的最佳圆周速度，运行每个螺杆式压缩机12中的至少一个螺杆转子42。抽吸端口76、至少两个螺杆转子42以及排出端口78随同对于每个螺杆式压缩机12选定的转速一起进行配置。

具体来说，以最佳圆周速度驱动螺杆式压缩机12能使每个转子42具有这样的几何形和外形，对于额定螺杆式压缩机容量的预选螺杆式压缩机容量的广泛范围，该几何形和外形仍可保持相同。每个转子42虽然对的每个不同的额定螺杆式压缩机容量可具有不同的几何形和外形，但这能使至少一个螺杆转子在选定的转速下运行，该选定的转速在每个螺杆式压缩机12的每个额定容量之间或之中产生近似恒定的最佳圆周速度。螺杆式压缩机12的体积比选定为其中使用螺杆式压缩机12的加载工况的函数。举例来说，在本发明的实施例中，在额定螺杆式压缩机容量范围上，考虑两个以上的体积比（可能是四个、五个或更多个体积比）。体积比也可以是这样：系统压缩比和内部压缩比紧密地匹配。转子42外形可以在密封管线的长度、流动横截面面积和吹孔面积尺寸之间达到平衡。

通常，几何形和外形部分地由以下因素定义：例如，每个转子中的凸角数量、包角、转子长度和转子直径。螺杆转子42具有沿横向于阳型转子42b和阴型转子42a的平行轴线的平面截取的外形。例如，转子42的外形可以是对称的或非对称的，以及圆形的、椭圆形的、抛物线形的、双曲线形的。转子42可采用生成齿条的外形。转子42外形的选择是在螺杆式压缩机12运行期间流体80的内部泄露通道和抽吸端口76及排出端口78的端口结构之间达到平衡，使得螺杆式压缩机12具有大致恒定的最佳圆周速度。

具体来说，例如，对于100吨的螺杆式压缩机的至少一个转子来说，在最佳圆周速度约为44m/s时，所生成的阳型转子42b具有约347度的包角，而阴型转子42a具有的包角是阳型转子42b的七分之六。阴型转子42a的包角随凸角数量之比而变化。阴型转子42a具有约2.5英寸（6.35厘米）的半径和7个凸角，而阳型转子42b具有约3英寸（7.62厘米）的半径和6个凸角。转子42的长度显著小于额定螺杆式压缩机容量下传统尺寸的螺杆式压缩机，小约20-30%的量级。本技术领域内的技术人员将会认识到，在本发明的范围之内，对于给定的额定螺杆式压缩机容量，可对转子42的其它组合采取分析技术。

对于具有预选的螺杆式压缩机范围并在大致恒定的最佳圆周速度下运行的螺杆式压缩机12，使用转子42的几何形/外形，这能使螺杆式压缩机12在比转子无显著不利动态效应的额定螺杆式压缩机容量小25%或以上的情况下运行。螺杆式压缩机12具有改进的转子外形，其使内部流动面积最大化、由于转子42表面的相对运动而产生的内部摩擦最小化，并减小泄漏通道。该减小的泄漏和较高的流动趋于提高螺杆式压缩机12的效率，并减少浪费的功率，这就提高了整体效率。

现参照图4，其给出有关冷却装置10实施例的进一步细节。具体来说，冷却装置10可包括控制器或控制器系统60。控制器60可布置成与变速驱动器38、螺杆式压缩机12、冷凝器14和蒸发器20相通讯。冷却装置10还可包括一个或多个传感器。例如，传感器66、68、70、72和74可用来探测和/或通讯转矩、抽吸压力和/或温度、排出压力和/或温度，和/或其它测量参数。可根据所用的螺杆式压缩机12的应用采用其它的传感器。信号82可通过有线、光纤、无线和/或有线、光纤和无线的组合进行通讯。传感器66、68、70、72和74将状态信号82通讯到控制器60，带有的数据指示出冷却装置10各种部件的运行状态。

控制器60可包括处理器、微控制器、模拟电路、数字电路、固件和/或软件（未示出），它们协作以最终控制螺杆式压缩机12的运行。存储器可包括非易失存储器装置，例如，闪存存储器装置、只读存储器（ROM）装置、电擦抹/可编程的ROM装置，和/或电池支持的随机读取存储器（RAM）装置，以储存对于螺杆式压缩机12的一系列有关性能的特征。存储器还可包括控制器60可执行的指令，以便控制螺杆式压缩机12的运行。

控制器60可从一个或多个传感器66、68、70、72和74中接收状态信号，这些传感器66、68、70、72和74提供有关螺杆式压缩机12运行的信息。根据状态信号，控制器60可确定螺杆式压缩机12的运行模式和/或运行点，并可根据所确定的运行模式和/或运行点产生一个或多个指令信号62，以调整螺杆式压缩机12的运行。控制器60然后可产生指令信号62，指令信号要求电动机52根据预选的运行参数（例如，转矩曲线）运行。例如，控制器60能使螺杆式压缩机12在最佳转矩和速度下运行，以使损失、机械磨损和损失减到最小。对适用于本发明实施例的控制器系统60的进一步披露，可见共同待批的美国专利申请系列No.12/544,582，该专利受让于本申请的受让人，本文以参见方式引入该专利申请。

应该认识到，本技术领域内技术人员将会明白上述控制系统60的变型。控制系统60可实施为电子数字式控制元件、模拟式控制元件，或数字/模拟控制元件的组合以及低压连线。还可设想其它传统的气动管系、发射器、控制器和中继器。

此外，本技术领域内的技术人员还会容易地认识到，所披露的压缩机系统在其它的情形中可容易地实施为变化的比例。各种电动机类型、驱动机构以及本发明实施例的结构的使用，将容易地为本技术领域内的技术人员明白。

与传统方法相比，使用本发明的实施例提高了满负荷的效率，得到了较高的部分负荷效率，并在给定容量范围上具有实际上恒定的效率，并独立于电源频率或电压变化受控。还有，本发明实施例的优点在于，不同额定容量的螺杆式压缩机12可各自具有可变的容量，并还仍具有大致相同水平的效率而无机械卸载。

另外的优点包括螺杆式压缩机和冷却装置系统布置的实体尺寸的减小，螺杆式压缩机在全部运行范围上具有改进的可缩放性，以及全部噪音水平的降低。使用螺杆式压缩机12的实施例还可有效地降低制造商的成本，这是因为它让额定螺杆式压缩机容量（例如，100吨）下的一个螺杆式压缩机，用作在预选的螺杆式压缩机额定容量（例如，80吨和125吨）的范围下的一个有效螺杆式压缩机，而无需制造多个其它螺杆式压缩机，它们在预选的螺杆式压缩机额定容量范围之内具有每个附加的目标容量。在实际中，本发明的实施例还允许产品系列有更小的实体部分体积量和库存，并由于电源的缘故没有损失容量或性能，这是因为对于螺杆式压缩机的给定额定容量（例如，100吨），螺杆式压缩机12在50Hz和60Hz时几乎是相同的。

本发明的专利性保护范围由如以上描述所阐述的权利要求书予以限定。尽管已经图示和描述了本发明各种特定特征、实施例和应用，并包括了最佳的实施模式，但其它特征、实施例或应用可被本技术领域内的技术人员理解，它们也被纳入在本发明范围之内。因此，可以设想到，权利要求书将会涵盖这样的其它特征、实施例或应用，并包括落入本发明精神和范围之内的那些特征。

Claims (29)

1.一种可变容量的螺杆式压缩机，包括：

转子外壳，转子外壳包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子包括阳型螺杆转子和阴型螺杆转子，它们定位在工作腔室内以便协作地压缩流体；抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与选定的转速有关；该选定的转速以最佳圆周速度运行至少一个螺杆转子，该最佳圆周速度独立于在对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机转速下的至少一个螺杆转子的圆周速度；

电动机，电动机能运行以满负荷容量下的转速驱动至少一个螺杆转子，该转速基本上大于额定螺杆式压缩机容量下的同步电动机转速；以及

变速驱动器，变速驱动器从控制器中接收指令信号，并产生以转速驱动电动机的控制信号。

2.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，最佳圆周速度在每秒约141英尺（每秒约40米）至每秒约164英尺（每秒约50米）之间，其中流体是R-134A。

3.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，额定螺杆式压缩机容量是100吨，流体是R-134a制冷剂，选定的转速是每分钟约5800转。

4.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，阳型转子具有约347度的包角，阴型转子具有约2.5英寸（63.5mm）的半径和7个凸角，而阳型螺杆转子具有约3英寸（76.2mm）的半径和6个凸角。

5.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，电动机包括永磁电动机。

6.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，电动机包括高能密度磁性材料的永磁电动机，该高能密度磁性材料为至少20兆高斯奥斯特。

7.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，电动机在排出端口处对近似恒定压力提供近似恒定的理论转矩对实际转矩的比值。

8.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与转速相关，以在预选的螺杆式压缩机额定容量范围上提供大致恒定的绝热效率。

9.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，流体是慢全球变暖（GWP）制冷剂。

10.如权利要求1所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，流体是从以下选出的制冷剂：R-123、R-134a、R-1234yf、R-410A、R-22或R-32，它们为气相或多相。

11.一种用于对至少两个螺杆式压缩机定尺寸的方法，包括：

对每个螺杆式压缩机选定目标容量，每个螺杆式压缩机具有不同的额定容量，并还包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子定位在工作腔室内以便协作地压缩流体；

选定转速，该转速被选定为以大致恒定的最佳圆周速度运行每个螺杆式压缩机内的至少一个螺杆转子，该圆周速度独立于每个螺杆式压缩机的额定容量；以及

对于每个螺杆式压缩机，连同转速一起配置抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，大致恒定的最佳圆周速度在每秒约141英尺（每秒约40米）至每秒约164英尺（每秒约50米）之间，其中流体是R-134A。

13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，选定的转速是每分钟约5800转，对于至少一个螺杆式压缩机的额定容量是100吨，且流体是R-134a制冷剂。

14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，每个螺杆式压缩机是可变容量的螺杆式压缩机。

15.如权利要求11所述的方法，其特征在于，每个螺杆式压缩机的抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与转速相关，以为每个螺杆式压缩机的每个额定容量提供大致恒定的绝热效率。

16.如权利要求11所述的方法，其特征在于，每个螺杆式压缩机还包括电动机，电动机以一定的转速驱动至少一个螺杆转子，使得在满负荷容量下，该转速基本上大于额定螺杆式压缩机容量下同步电动机的转速。

17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，电动机包括永磁电动机。

18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，每个螺杆式压缩机还包括变速驱动器，其从控制器中接收指令信号并产生控制信号，该控制信号以对于部分负荷或满负荷的螺杆式压缩机容量的转速驱动电动机。

19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括配置电动机的步骤，对排出端口处的大致恒定的压力提供大致恒定的理论转矩对实际转矩的比值。

20.一种具有至少一个制冷回路的制冷冷却装置，包括：

可变容量的螺杆式压缩机，该可变容量的压缩机包括转子外壳、电动机外壳和变速驱动器；转子外壳还包括抽吸端口、工作腔室、排出端口和至少两个螺杆转子，至少两个螺杆转子包括阴型螺杆转子和阳型螺杆转子，它们定位在工作腔室内以便协作地压缩流体；抽吸端口、至少两个螺杆转子和排出端口构造成与选定的转速有关，该选定的转速提供给至少一个螺杆转子，以最佳圆周速度运行至少一个螺杆转子，该最佳圆周速度独立于在对于额定螺杆式压缩机容量的同步电动机转速下的至少一个螺杆转子的圆周速度；

电动机外壳还包括电动机，电动机能运行以满负荷容量下的转速驱动至少一个螺杆转子，该转速基本上大于额定螺杆式压缩机容量下的同步电动机转速；

变速驱动器，变速驱动器从控制器中接收指令信号，并产生以转速驱动电动机的控制信号，使得至少一个螺杆转子以最佳圆周速度运行；

冷凝器，冷凝器联接到容量可变的螺杆式压缩机的排出端口，该冷凝器构造成冷却和冷凝从排出端口接受到的流体；

膨胀阀，膨胀阀联接到冷凝器，该膨胀阀构造成：通过降低从冷凝器中接受到的流体压力来蒸发从冷凝器中接受到的至少一部分流体；以及

蒸发器，蒸发器联接到膨胀阀，蒸发器构造成蒸发从膨胀阀中接受到的流体，并将流体提供给容量可变的螺杆式压缩机的抽吸端口。

21.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，大致恒定的最佳圆周速度在每秒约141英尺（每秒约40米）至每秒约164英尺（每秒约50米）之间，其中流体是R-134A。

22.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，额定螺杆式压缩机容量是100吨，流体是R-134a制冷剂，对于额定螺杆式压缩机容量的转速是每分钟约5800转。

23.如权利要求22所述的制冷冷却装置，其特征在于，阳型转子具有约347度的包角，阴型转子具有约2.5英寸（63.5mm）的半径和7个凸角，而阳型螺杆转子具有约3英寸（76.2mm）的半径和6个凸角。

24.如权利要求20所述的可变容量的螺杆式压缩机，其特征在于，流体是慢全球变暖（GWP）制冷剂。

25.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，流体是从以下选出的制冷剂：R-123、R-134a、R-1234yf、R-410A、R-22或R-32，它们为气相或多相。

26.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，还包括至少一个节能器，其与一个或多个可变容量的螺杆式压缩机、冷凝器或蒸发器协作地布置。

27.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，电动机包括永磁电动机。

28.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，控制器还构造成接收指示可变容量螺杆式压缩机的运行点的状态信号，并产生要求电动机按照预选的运行参数来驱动可变容量的螺杆式压缩机的指令信号。

29.如权利要求20所述的制冷冷却装置，其特征在于，电动机是永磁电动机，其构造成接收变频控制信号，并根据接收到的变频控制信号来驱动至少两个螺杆转子；变频驱动器还构造成接收指令信号并产生变频控制信号，以按照预选的运行参数来驱动永磁电动机。

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