CN104081059A - 密封电动机的冷却和控制 - Google Patents

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Abstract

用于冷却在制冷系统(100)中的压缩机电动机(152)的装置和方法，该压缩机电动机(152)具有电动机定子(162)和转子(166)。该方法通过向定子内部通路提供制冷剂液体，来冷却位于压缩机外壳内的转子和定子、电磁轴承(160)，该通路流体连通转子通道(172)，且流量控制装置(168)控制进入定子的制冷剂流量。与控制器(140)连通的温度监测装置(176)监测电动机温度。该控制器(140)评估该电动机温度并通过该流量控制装置(168)调整制冷剂流量，将该电动机(152)保持在预定温度范围内。

Description

密封电动机的冷却和控制
技术领域
本发明涉及对用于驱动压缩机(例如空气压缩机和在制冷系统中使用的压缩机)的电动机的改善冷却的系统及方法。本申请尤其涉及使用制冷剂液体对压缩机电动机定子的冷却，以及在制冷剂液体已经流过定子之后通过使用相同的制冷剂对压缩机转子的冷却。
背景技术
在压缩机的制冷循环运行期间，压缩机被一个通过电动马达得以转动的轴驱动。简单地说，当电流通过形成定子的一连串绕组时，该电动机产生热，于是引起转子转动。该转子和定子被置于电动机外壳内。该转子包括可连接至其它设备的轴，该其它设备在此处为压缩机。在先进的压缩机中，转子可由电磁轴承支撑。这些轴承也会产生热，且该轴承可被认为是电动机的一部分。为除热以及防止电动机过热，必须提供冷却，因为电动机通常设置有当该电动机的温度超过预定限制即自动关闭的特征，以防止损害电动机。
已经使用了多种方案来从制冷应用中的压缩机电动机除热。2011年9月20日授权给De Larminat并转让给本发明的受让人的第8,021,127号美国专利(“该’127专利”)描述了一种这样的技术。该’127专利将制冷剂气体从蒸发器中抽出，并使该气体穿过电动机，该气体通过转子和定子之间的间隙。来自该蒸发器的该制冷剂气体的温度远低于该电动机的温度，因此当该制冷剂气体流过转子时将该区域冷却。在该制冷剂通过该转子后，其被循环回到压缩机入口或吸入口。其它技术也使制冷剂流体流过定子内的通道。这些设置的问题之一是，尽管制冷剂在冷却电动机时很有效，但该电动机可能会变得太冷以致在电动机外壳上形成冷凝，不合意地导致冷凝形成的水从该外壳滴落到地板上。
需要这样一种设计，其向电动机提供冷却，但可调节该电动机的温度，以便该温度在压缩机电动机所在的位置不低于空气的露点，从而防止在电动机外壳上形成冷凝，且消除了在该压缩机电动机下方的地面上形成积水的问题。
发明内容
本发明包含对在使用压缩机的系统(例如制冷系统)中的电动机的定子和转子进行冷却的装置和方法。该装置包括：具有内部通路的定子；位于该定子内的转子，该转子具有在该转子和该定子之间的通道；密封地封住该转子和该定子的外壳；位于该外壳内并定位在该转子的一端的电磁轴承；向该定子内部通路提供制冷剂液体的制冷剂管线，该定子的内部通路与转子通道流体连通；以及流量控制装置，被定位以控制通过该定子的内部通路的制冷剂流量。该电动机包括第一管线，以使所有液体制冷剂循环到蒸发器；以及第二管线，以使制冷剂气体循环到制冷系统的低压侧。该电动机内包括至少一个温度监测装置。该温度监测装置与控制器连通。该温度监测装置确定该电动机的温度并向该控制器提供表明该电动机温度的信号。该控制器评估电动机温度并通过流量控制装置调整制冷剂的流量，以将该电动机保持在足够高以防止在电动机外壳的外部形成冷凝的一个温度范围内。当然，该控制器也可通过该流量控制装置保持制冷剂的流量，以将该电动机的温度保持在为防止过热而停止电动机运行的一个自动温度切断装置的设定点以下。
该制冷系统包括：制冷剂，其在该系统中可为气体或液体；将制冷剂气体压缩至高压的压缩机；与该压缩机流体连通、使高压制冷剂气体凝结为高压液体的冷凝器；冷却及控制冷凝温度的冷却塔；与该冷凝器流体连通以进一步冷却来自该冷凝器的制冷剂的过冷器；从该过冷器至该蒸发器的管线，以提供在该过冷器和该蒸发器之间的流体连通，其中液体制冷剂在该蒸发器中经历相变，且其中该蒸发器与该压缩机流体连通。在该系统中的该过冷器和该蒸发器间的管线中也包括可变节流孔阀，以降低从该过冷器流向该蒸发器的制冷剂的压力。来自该过冷器和该可变节流孔阀之间的导管的液体管线向压缩机电动机提供过冷的制冷剂。来自与该电动机关联的排液口的液体管线将冷凝制冷剂从该电动机返回到该蒸发器。来自该电动机的流体管线将气态的制冷剂返回到该蒸发器。控制器控制该制冷系统的运行。
从下文结合附图对优选的实施方案的更详细的描述中将明了本发明其它的特征和优势，这些附图以实施例的方式例示了本发明的原理。
附图说明
图1为包括可变节流孔阀及位于该冷凝器和该可变节流孔阀之间的过冷器的制冷系统的示意图。
图2为本发明的用于压缩机的电动机冷却回路的示意图，该电动机冷却回路具有电磁轴承并且将输入液体制冷剂作为冷媒。
图3为现有技术的用于压缩机的电动机冷却回路的示意图，该电动机冷却回路具有电磁轴承并且使用液体制冷剂及气体制冷剂作为冷媒。
图4为表示图2及图3中表示的冷却方案中的气压(纵轴)相对于热含量(横轴)的图表，其中图4A的图表表示图3中示出的冷却方案，而图4B的图表表示图2示出的冷却方案。
具体说明
参考图1，该图是制冷系统100的示意图，该制冷系统包括可变节流孔阀126、和位于冷凝器116和过冷器124之间的过冷器124，压缩机119与冷凝器116流体连通，该冷凝器从压缩机119接收高压制冷剂气体。冷凝器116是将高压气体凝结成高压液体的热交换器。冷凝器116与另一媒介热交换连通。该热交换媒介可为空气。对于需要更高性能的系统，该热交换媒介通常为液体，例如水，其被循环穿过冷却塔122。冷凝器116与蒸发器128流体连通，在此处该制冷剂经历从液体到气体的状态改变。在冷凝器116和蒸发器128之间，通常有膨胀装置将高压液体膨胀为具有低压的液体或液体气体混合物。在图1中，该膨胀装置为可变节流孔阀(VOV)126。在图1示出的该系统中，过冷器124位于冷凝器116和VOV 126之间，以进一步冷却来自该冷凝器的该高压液体。蒸发器128为热交换器，且与蒸发器绕组处于热交换关系的空气或水在液体经历状态改变时变冷。当水通过冷却该水的蒸发器盘管时，与该蒸发器处于热交换关系的装置被称为冷冻器130，其储存冷冻水并将其循环至建筑物或其他设备以用于冷却目的。来自蒸发器128的低压制冷剂气体之后循环回到压缩机119，且重复该循环。
系统100也包括控制面板140，其包括控制器以监测系统内及建筑物内或待被冷却的设备内的情况，并调节系统100的运行以将该建筑物内或该设备内的温度维持在预选定的水平，同时使系统100尽可能平稳而有效地运行。图1也示出了驱动压缩机108的电动机152，电动机152被控制器控制，控制器方便地位于控制面板140中，但也可位于任意其它位置。既然明了该控制器可位于任意位置，但是被示为控制面板的一部分，则控制器140和控制面板140在本文中将被可替换地使用。电动机152与控制器140的连通可为电气连通、电子连通或无线连通中的任一种。
图2为附接有电动机152的压缩机119的剖面图，描绘了本发明的冷却方案。为了对比，图3显示了与本发明不同的一个冷却方案，其也示出了除了冷却方案以外其他方面大体相同的压缩机和电动机的剖面图。
在图3中，展示了在其他方面相同的压缩机及其电动机的现有技术冷却方案。该电动机包括连接至电源的定子，和位于该定子内的转子。该电动机利用电磁轴承在该系统运行期间支撑并使该转子在轴向和径向上皆居中。万一发生电力故障，该系统使用备用机械轴承。向该定子施加电力使该转子转动，但也造成该定子和该转子产生大量热。该电磁轴承同样产生额外的热。连接至叶轮的该转子则使该叶轮转动并且压缩制冷剂。
液体制冷剂被提供用于冷却该定子，该液体制冷剂在膨胀装置或VOV(即系统的高压侧)之前的导管中被抽出。提供了一个分立源的冷却液体以冷却该转子。该分立源的冷却液体为从蒸发器抽出的气体，被发送通过该转子和该定子间的通道，并进入压缩机的吸入端。用于冷却该定子的液体被循环穿过该定子内设置的冷却通路以冷却该定子，该液体中的一部分形成气体。混合的气体和液体接着被返回到该VOV的低压侧(蒸发器侧)——在VOV和蒸发器之间——的制冷剂管线中。
用于冷却该转子的制冷剂气体越过、绕过和/或穿过位于该转子任一端的电磁轴承，冷却该电磁轴承，并穿过该定子和该转子之间的间隙。因为该系统使用了电磁轴承，无需向该电动机提供润滑，并且无需在该系统中包括将润滑剂与制冷剂分离的工具。该制冷剂气体在给转子区域和该电磁轴承除热后，被返回到该系统的通向该压缩机的入口处，在压缩机叶轮的低压侧。
该系统在冷却电动机方面相当有效。该系统如此有效以致于电动机外壳会被冷却到在该压缩机所在的设备室或设备舱内的空气的露点以下。当此种情况发生时，冷凝不合意地形成在该电动机外壳上且滴落到该设备室或设备舱的地面上。这不仅给在此区域内工作带来困难，也成为对经常出入该区域的人员的健康危害，潮湿的区域成了细菌和霉菌滋生的源头。另外，电子部件(如传感器)可能被积聚在插头线端内的水损坏，且存在高压时，水可能导致电击危险。
在图1和图2中描绘的本发明克服了过冷和形成冷凝的问题。尽管当前系统100也使用VOV 126作为膨胀装置，但其也包括过冷器124以进一步冷却制冷剂到该冷凝器内的制冷剂温度以下。电动机152被连接至叶轮102。当定子162从电源(未示出)充电，转子166被连接至叶轮102，给予叶轮102转动动作。但是，当定子162被充电，电动机152内产生大量热。
冷却该电动机的液体制冷剂从过冷器124或从系统100内的过冷器124和VOV 126之间的任何其它位置，被提供给该电动机。该液体制冷剂被提供给定子162以进行冷却，穿过定子162内或邻近定子162的冷却通路164。该液体制冷剂的一部分可被转化为气体。离开定子162的液/气混合物接着被导入转子166。膨胀阀168位于该制冷剂管线中的在过冷器124和制冷剂进入转子166的进口前之间的某个点。优选的，该膨胀阀为电子膨胀阀(EEV)168，被设置于定子冷却通路164出口和进入转子的进口之间，如图2所示。EEV 168也和控制器140连通。EEV 168调节通过冷却通路164进入转子166的制冷剂的流量。
液体和雾的一部分(其可进一步凝结为液滴)由重力驱使流向与蒸发器128流体连通的液体排出口170，液体从排出口170流向蒸发器128。此处使用的制冷剂雾是制冷剂气体和制冷剂液滴的混合物，被循环经过电磁轴承160并进入转子166，沿着转子间隙172行进。当该制冷剂雾从电磁轴承152上流过并沿着转子间隙172流动时，该雾将轴承152以及转子166和定子162中的热除去。当该制冷剂液滴前进通过转子166时，其在吸收热的同时经历从液体到气体的状态改变。因为该系统中使用了电磁轴承160，无需向电动机152提供润滑剂，并且无需在该系统中包括将润滑剂与该制冷剂分离的工具。当经过转子166时，制冷剂气体通过和蒸发器128流体连通的排气管174，该气体被传送至蒸发器128。
仍然参考图2，系统100进一步包括温度监测装置，以通过调节经过该电动机的制冷剂的流量来控制该电动机的温度。尽管可以使用任何温度监测装置，优选的温度监测装置是电热调节器。定子电热调节器176被设置在该定子内的一个位置，以监测该定子的温度。可以在定子162内的不同位置设置多于一个的定子电热调节器176，以监测定子162内部不同位置的温度。转子电热调节器178被设置在沿着转子166或邻近转子间隙172的一个位置，以监测转子166的温度。可以在沿转子166或转子间隙172的不同位置设置多于一个的转子电热调节器178，以在不同位置监测转子166的温度。可在该电动机外壳上设置可选的电动机外壳电热调节器182。电动机外壳电热调节器182是可选的，因为来自定子电热调节器176和转子电热调节器178的温度测量可使该系统对于状态变化做出迅速的反应，如将被说明的。所有电热调节器176、178和182都与控制器140连通，持续地将感测出的温度报告给该控制器做评估。进入的冷凝冷却水的温度，及从冷却塔返回的冷却水的温度，也被一个温度监测装置监测，该温度监测装置也和控制器140连通。
运行时，流动通过定子冷却通路164和转子间隙172的制冷剂，将定子162、转子166和电磁轴承160的热除去。定子162和转子166内部的温度被监测。只要监测的温度被保持在预定最小值和预定最大值之间，制冷剂的流率可以维持不变。该预定最小值为该电动机外壳不会低于电动机152周围空气露点的温度。该预定最大值为该电动机外壳不会升到该压缩机会过热的温度以上的一个温度，包括一个额外的余量(margin)。压缩机通常包括安全装置，例如断路器或其他电流切断开关，当达到或超过监测温度时该安全装置使设备关停。该额外的余量可以是一个预定值，例如华氏5度或华氏10度，该余量由压缩机的大小、应用、环境及其他因素决定。
当达到一个或多个电热调节器176、178的预定最小温度时，所监测的温度被报告给控制器140，该电动机正被提供过多制冷剂，该电动机冷却的速度会造成在该电动机外壳上形成冷凝。响应于此被感测的状况，控制器140向优选的EEV 168提供信号以将通过电动机152的制冷剂节流返回，直到该温度开始上升至该预定最小值以上。应注意，该预定最小值可被设为进入的冷凝冷却水的温度加上一个余量。可选择该进入的冷凝冷却水的温度，因为环境空气的露点不能高于该进入的冷凝冷却水的温度。此外，该进入的冷凝冷却水的温度也被监测以及传达至控制器140。
当达到一个或多个电热调节器176、178的预定最大值温度时，该被监测的温度被报告给控制器140，电动机152正被提供过少制冷剂，其表示电动机152加热的速度可以使该压缩机关闭。响应于此被感测出的状况，控制器140向EEV提供信号以增加通过电动机152的制冷剂流，直到该被监测的温度开始下降至该预定最大值以下。
图2也描绘了辅助阀184。尽管辅助阀184是有益的，其对本发明的保护方案没有影响。辅助阀184与冷却制冷剂入口186的上流侧上的第二辅助阀(未示出)结合使用。这些辅助阀可以被用于隔离EEV168以检修、维护或更换。
图4是图2中描绘的本发明的冷却方案与图3中描绘的现有技术的冷却方案在冷却上的区别的图形示图。在图4中，图表表示对于相应的冷却方案而言的制冷剂压力(纵坐标)相对于热含量(横坐标)的关系。在两张图表中，曲线左边的垂直线表示液体制冷剂。曲线下方的区域表示气体和液体制冷剂混合物。每条曲线右边的大体垂直的线表示制冷剂气体。
参考图4A，其表示了现有技术冷却方案，液体制冷剂在定子入口A(节流孔)进入该压缩机时经历大的压力下降并冷却该定子，之后在定子出口B处离开该定子。此大的压力下降使该液体制冷剂中的一些闪蒸为气体，且作为该状态改变的结果而从定子吸热。在循环通过该定子后，制冷剂以液体/气体(雾)混合物的形式在定子出口B处离开该定子。在转子入口C处提供气体，该气体经过转子在压缩机入口D处从该电动机离开。当然，其作为气体在该曲线外被表示为线C-D。因为当液体制冷剂闪蒸为制冷剂气体时的压力下降提供的强大冷却能力，平均外壳温度可下降至露点以下，造成冷凝。
参考图4B，其表示了本发明的冷却方案，液体制冷剂在冷却制冷剂入口(节流孔)186(A1)处进入定子162，并经过定子冷却通路164。由该图表可以看出，正在进入的液体制冷剂仅经历一个小的压力下降，使得由于该压力下降而造成的液体闪蒸为气体的量被最小化，尽管当制冷剂从定子162吸热时会发生一些额外的液体向气体的转化。这种热转移由该图表中的线A1-B1表示。B1表示图2中的电子膨胀阀168的位置，其也紧邻来自定子冷却通路164的制冷剂的定子出口190。响应来自定子电热调节器176和转子电热调节器178的温度，EEV 168被控制器140控制，这样可以控制流动通过定子冷却通路164及进入转子166的制冷剂的量。在制冷剂经过EEV 168(邻近定子出口190)时，其经历额外的压力下降且该液体移动至转子入口192，制冷剂通过EEV 168至转子入口192的移动被表示为图4B中的B1-C1线。注意，在EEV 168(紧邻定子出口190)处的压力下降足够将部分液体转化为气体，但B1-C1线保持在该曲线之下。在转子入口192处，过量的液体制冷剂中的一些在转子液体排出口170处离开该电动机，该转子液体排出口170与蒸发器128流体连通。剩余的制冷剂进入该电动机，经过定子162和转子166之间的间隙172，冷却该转子。当制冷剂穿过间隙172且在图4B中的电动机排气管174、196处离开该电动机时，热被吸收，该电动机排气管也和蒸发器128流体连通。上述吸收热的过程被表示为图4B中的C1-D1线。由图4B可以看出，由于当雾中的液滴在其到达电动机排气口174之前经过转子间隙172和电磁轴承时被转化为气体，C1-D1线从热含量曲线以下移动至该曲线右侧的垂直气体线区域。可以看出，经过EEV 168的制冷剂经历压力下降，且流经电动机152的制冷剂的量可通过控制经过EEV 168的流而被控制，以便平均外壳温度可被控制在露点以上。
本发明提供了一种电动机冷却系统，其可监测电动机152的温度并将电动机152保持在预定的温度限制内，在该限制的下端处，防止在该电动机外壳盖上形成冷凝，且在该限制的上端处，防止电动机152过热。该系统使用控制器140，其监测报告该电动机内的温度的传感器140。当所感测到的温度落在预定温度限制以外时，控制器140接着发送信号至EEV 168以增加或减少流向该系统的制冷剂。
虽然已经参照优选的实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以进行各种变化且等同物可以替代其元件。此外，在不偏离本发明的基本范围的前提下，可以根据本发明的教导进行许多改型以适应特定情况或材料。因此，本发明并不受限制于作为实施本发明的最优方式所公开的具体实施方案，而是本发明将包含落入所附权利要求的范围内的所有实施方案。

Claims (15)

1.压缩机组件，包括：
压缩机外壳；
压缩机(100)，定位在所述外壳内；
压缩机入口，以将制冷剂气体输入到所述压缩机(100)；
电动机(152)，所述电动机包括：
电动机外壳，
定子(162)，定位在所述电动机外壳内，所述定子具有绕组及冷却通路(164)，
转子(166)，定位在所述定子(162)内，所述转子具有轴，该轴具有一个连接至压缩机叶轮(102)的第一端以及一个第二端，
其中当施加电流到定子绕组时，所述转子(166)转动，使所述压缩机(100)运行；
电磁轴承(160)，定位在所述转子(166)的两端，以在电流被施加到所述定子绕组时支撑所述转子；
所述电动机(152)进一步包括：
温度监测装置(176)，定位在所述定子内；
定子入口(186)及定子出口(190)，所述定子入口接收用于冷却所述定子(162)的液体制冷剂，
转子入口(192)、转子液体(170)排出口及转子排气口(174)，所述转子入口从所述定子出口(190)接收制冷剂；
流量控制装置(168)，被定位以响应于所述温度监测装置(176)提供的所述定子(162)和所述转子(166)的温度，控制所述定子(162)内的制冷剂的流量。
2.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中所述压缩机(100)为离心式压缩机，其具有连接至转子轴并定位于所述压缩机外壳内的叶轮(102)。
3.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中所述定子温度监测装置(176)为电热调节器。
4.根据权利要求2所述的压缩机组件，其中电磁轴承(160)被定位在所述转子(166)的两端以支撑所述转子。
5.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中冷却所述电动机(152)的所述液体制冷剂由过冷器(124)提供。
6.根据权利要求1所述的压缩机组件，进一步包括控制器(140)，其响应于所述温度监测装置(176)提供的所述定子(162)的温度，通过所述流量控制装置(168)调节液体制冷剂的流量。
7.根据权利要求6所述的压缩机组件，进一步包括定位在所述转子(166)内的转子温度监测装置(178)，以向所述控制器提供转子温度，从而响应于所述定子(162)和所述转子(166)的温度，通过所述流量控制装置(168)调节液体制冷剂的流量。
8.根据权利要求7所述的压缩机组件，其中所述转子温度监测装置(178)被定位为邻近于转子间隙(172)。
9.根据权利要求7所述的压缩机组件，其中所述转子温度监测装置(178)为电热调节器。
10.根据权利要求1所述的压缩机组件，其中所述流量控制装置(168)为膨胀阀。
11.用于冷却在制冷系统中的压缩机电动机(152)的方法，包括以下步骤：
提供具有定子(162)和转子(166)的压缩机电动机(152)，所述转子具有轴，且所述压缩机电动机流体连通至高压过冷的制冷剂液体的源；
向所述定子提供高压制冷剂液体流；
监测所述定子的温度；
使所述制冷剂液体循环通过所述定子，以从所述定子中除热，以将所述定子的温度保持在预定范围内；
在将制冷剂提供至所述转子之前，将高压制冷剂的压力降低；
提供所述制冷剂至所述转子；
使所述制冷剂循环通过所述转子，以从所述转子中除热；
调节到所述定子的制冷剂流，以将所述定子的温度保持在所述预定范围内；
使离开所述定子并且未进入所述转子的液体制冷剂返回到蒸发器；以及
使离开所述转子的制冷剂返回到所述蒸发器。
12.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：
监测所述转子的温度；以及
使所述制冷剂循环通过所述转子，以从所述转子中除热，从而将所述转子的温度保持在预定范围内。
13.根据权利要求11所述的方法，其中将所述定子的温度保持在预定范围内的步骤包括：将所述定子的温度保持在环境大气的露点以上并且在安全装置激活温度以下。
14.根据权利要求13所述的方法，进一步包括以下步骤：
提供控制器(140)；
提供与所述控制器连通的流量控制装置(168)；
提供与所述控制器(140)连通的定子温度监测装置(176)；
提供与所述控制器(140)连通的转子温度监测装置(178)；以及
其中调整制冷剂的流量的所述步骤进一步包括向所述控制器(140)提供来自所述定子温度监测装置(176)的表明定子温度的信号，向所述控制器(140)提供来自所述转子温度监测装置(178)的表明转子温度的信号，所述控制器确定所述定子温度是否在预定温度范围内及所述转子温度是否在预定温度范围内，所述控制器向所述流量控制装置(168)发送信号，以在所述定子温度或所述转子温度不在所述预定温度范围内时调节制冷剂的流量。
15.根据权利要求11所述的方法，进一步包括以下步骤：提供与冷凝器(116)和所述定子(162)流体连通的过冷器(124)，所述过冷器向所述定子提供高压过冷的制冷剂液体。
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