CN104254744B

CN104254744B - 离心式制冷剂蒸气压缩机

Info

Publication number: CN104254744B
Application number: CN201280070012.0A
Authority: CN
Inventors: 迈克尔·克里莫
Original assignee: VENUS SYSTEMS Ltd
Current assignee: VENUS SYSTEMS Ltd
Priority date: 2011-12-21
Filing date: 2012-12-20
Publication date: 2018-09-18
Anticipated expiration: 2032-12-20
Also published as: EP2795203A2; WO2013093480A3; US20140371919A1; EP2795202B1; WO2013093480A2; CA2896636C; CN104145167A; CN104254744A; US20140341710A1; US10047976B2; EP2795202A2; CN109114013A; WO2013093479A2; ES2646516T3; CA2895966A1; CN109114013B; US9671139B2; GB201122142D0; WO2013093479A3; HK1203600A1

Abstract

用于能够在不需要额外热输入的情况下提供低于10℃的冷冻水和高于80℃的热水的冷却‑加热系统中的制冷剂压缩机(10)，该压缩机(10)被配置成提供至少18:1的压缩比和跨越压缩机的至少80K的温度提升，并且制冷剂流体被选择成在压缩机出口处的压力不超过25bar的情况下给出期望的温度提升。

Description

离心式制冷剂蒸气压缩机

技术领域

本发明涉及离心式蒸气压缩机，尤其涉及电驱动(例如，电机驱动)的离心式蒸气压缩机，但不排除其他离心式蒸气压缩机。根据本发明的实施方式的压缩机特别适合用于制冷电路和系统(诸如空气调节、直接膨胀(DX)冷冻水和其他冷却系统中的制冷电路和系统)中，并且适合用于冷柜(例如，商用冷柜)和工业处理冷却中。

背景技术

冷冻水和DX系统通常用于商业建筑中的空气调节。它们还用于工艺冷却和其他若干应用。它们通常包括使用于提供冷冻水或空气的至少一个制冷电路，冷冻水或空气随后在交换器中被用于终端单元内的冷空气再循环或建筑内的空气调节管道作业。

用于这种应用的典型的制冷电路使用循环制冷流体并且运行在蒸气-压缩式制冷循环上。制冷剂以过热蒸气状态进入压缩机并且被压缩成较高压力，同时提升制冷剂蒸气的饱和温度。来自第二级压缩机排放口的过热蒸气经过供其被冷却、去过热的冷凝器，然后蒸汽冷凝至饱和液体、然后至过冷液体。在建筑中的空气调节系统中，随着制冷剂被冷凝至液态而从制冷剂排出的热量通常被环境空气带走。从冷凝器输出的过冷液体制冷剂随后经过供其经受压力的突然减小的膨胀装置，从而产生了一定比例的液体制冷剂的绝热闪蒸。这显著降低了剩余液体制冷剂的饱和温度，而剩余液体制冷剂现在变成了液体和蒸汽的混合物。制冷剂混合物随后经过供待被冷冻二次流体流过的蒸发器。冷却液体/蒸汽制冷剂混合物的液体部分蒸发并且在这个过程中从循环水或空气移除热以使其冷冻。来自蒸发器出口的过热制冷剂蒸气随后返回至压缩机入口并且再次开始循环。

多种类型的压缩机已被用于制冷电路，包括旋转式、螺旋式、涡旋式、往复式和离心式压缩机。

在可用的压缩机类型中，离心式压缩机因其操作简单、连续的旋转运动、具有相对少量的活动部件而被证明是可靠且几乎不需要维护的。虽然在已知的离心式压缩机中实现的压缩比(典型地约3:1至4:1)并不与通过其它类型的压缩机实现的压缩比一样高，但所实现的压力升高和后续温度升高足够用于它们被使用的传统应用。

在最知名的离心式压缩机以及其他压缩机类型中，油被添加至再循环的制冷剂以润滑压缩机支承件(或其他移动部分)。油必需被小心地选择以不与制冷剂不利地反应并且必需通过制冷剂自由地循环；制冷剂类型的变化通常要求油的变化。

制冷系统还必需小心地设计成确保通过制冷剂循环的油返回至压缩机，通过在完整系统周围的流动和通过管道件的速度卷吸、重力和/或适当的路由/尺寸化返回，或者油分离器可以被定位在压缩机的出口处并且为油提供单独的返回路径以使油从油分离器返回至压缩机。

最近以来，为了避免与油润滑相关的复杂性，已经建议了不含油的离心式压缩机。

无油压缩机的一个例子是Danfoss Turbocor^TM压缩机，这是使用磁性支承件的两级离心式压缩机。这些磁性支承件要求综合控制系统以确保它们正确地操作和在有供电中断的情况下的故障保护。

US2004179947描述了无油离心式压缩机的另一个例子，在这种情况下使用油蒸气轴颈支承件(有时被称为“动力”或“流体动力”气体支承件)以支承压缩机的回转轴，此处轴在支承件自身内的回转运动在蒸气中产生支承轴所需的压力。WO 00/55506和WO 94/295597进一步描述了使用径向动力气体支承件的离心式制冷压缩机的例子，其中制冷剂自身用作支承件流体。

JP2004044954描述了单级制冷压缩机采用流体动力径向支承件，即外部加压的支承件，其中支承件流体是制冷剂自身。在正常运转速度下，来自压缩机蒸气出口的制冷剂蒸气的一部分被供给至支承件以提供必要的加压流以浮动支承件。在低压缩机速度下，支承件被加压而不是用来自收集器的制冷剂蒸气的供给。US 2009/311089描述了包括流体动力径向支承件的压缩机的另一个例子。

最近，出现了越来越多的对于使用从冷冻水的制冷循环排出的热量和DX系统以进行一些有用工作(例如提供热水)的期望。来自商业/工业锅炉的典型的热水温度是82℃。传统的制冷系统，另一方面包括使用参考上面的无油离心式压缩机的类型的那些制冷系统，能够通过排出的热能生成通常不超过约50-55℃的热水。这是因为它们不能够产生出显著高的压缩比例所致。因此应必需使用辅助热能源(燃油或燃气锅炉)以将水温提高至期望的82℃。

发明内容

发明内容本发明通常涉及提供可改善与已知的压缩机相关联的问题中的一个或多个的改善后的离心式制冷剂压缩机。

本发明的一些实施方式一般旨在提供离心式压缩机，其能够用于冷冻水系统中以在没有辅助热能供给的情况下提供5℃或更低的冷冻水和高达82℃或更高的热水。

在第一方面中，本发明提供用于在制冷循环中压缩制冷剂蒸气的离心式压缩机，该压缩机包括：

叶轮驱动轴，由第一径向支承件和第二径向支承件支承以在压缩机壳体内旋转；和

叶轮组件，包括安装在叶轮驱动轴上以与叶轮驱动轴一同旋转的至少一个离心式叶轮；

其中，第一径向支承件和第二径向支承件是流体动力流体支承件(hydrodynamicfluid bearing)，在流体动力流体支承件中，支承流体为制冷剂蒸气，该压缩机还包括用于将制冷剂蒸气的一部分从叶轮组件供给至第一径向支承件和第二径向支承件的导管。

流体支承件是支承负载的支承件，它们被单独地承载在内支承件部分与外支承件部分的相对的支承表面之间的支承件间隙中的流体(即，液体或蒸气/气体)的薄层上，其中，内支承件部分固定至叶轮驱动轴，外支承件部分固定至与轴相隔开并且围绕该轴的支撑结构，例如，压缩机壳体。在本情况下，流体是蒸气，即，制冷剂蒸气其本身。

本发明的这种方面的流体动力支承件是自支撑的，并且不要求任何外部加压以正常操作速度下使支承件浮动。然而，用于将蒸气的一部分从叶轮组件供给至支承件的导管的提供甚至是在供支承件自支撑的正常操作速度下也可用于维持蒸气经由支承件的流动。这是有利的，因为其可有助于防止污垢的进入并且在可能必要或期望的情况下还可以帮助支承件的冷却。具有蒸气的一部分从叶轮组件的供给(或外部源)的这种类型的流体动力支承件有时在以下描述中被称为“混合(hybrid)”支承件。

压缩机还将典型地包括围绕驱动轴的壳体。压缩机还可以包括用于驱动叶轮驱动轴的旋转的电机。电机可以被安装在压缩机壳体内。

在一些实施方式中，供蒸气的一部分穿过以从叶轮组件供给至支承件的导管将是形成在压缩机壳体中的通道。通道可以终止在与支承件的外部相邻的每个支承件处，蒸气经由通过支承件的外部延伸的一个或多个孔馈送至两个支承件表面之间的间隙中。通道可以例如终止在围绕外支承件部分的外围的环形通道中，在优选地存在有在通道的周围相隔开的多孔的情况下，每个孔从该通道经由外支承件部分延伸至支承件间隙。孔优选地以等距相隔开。优选地存在有四个或更多孔。

可选地或附加地，蒸气从叶轮组件至支承件中的一个或多个的部分馈送可以通过叶轮驱动轴中的导管供给并且通过内支承件部分中的孔注入到支承件间隙中。

通过使用根据本发明的实施方式的流体混合支承件，不需要润滑油并且避免了油与制冷剂之间的兼容性问题。这潜在地打开了以往典型地无法使用的使用制冷剂的机会。用于使支承件浮动的制冷剂其自身(蒸气或液体)的使用简化了设计并且避免了支承件流体的单独供给的需要。

此外，诸如油泵、油分离器、油过滤器、油位控制、压缩机曲柄轴箱加热器和油分离器加热器的复杂且昂贵的部件全部被消除，并一同消除了在油系统故障的事件中故障或系统停止的风险。湿气(水蒸气)在与制冷剂结合的现代、高吸湿性油中的存在可能导致酸的形成，这然后向驱动电机吹风并且导致了高温部分上的镀铜。由此，油在制冷系统内的完全消除除去了作为压缩机/系统故障常见原因的这些问题。因为不需要考虑油与新的制冷剂之间的兼容性，所以油的不存在还使得改进新的制冷剂变得更加容易。

如在上面已记载，本发明的实施方式中径向支承件是流体动力支承件，当在正常操作速度下轴在支承件自身内的回转运动在蒸气中产生了支承轴所需的压力。面对回转轴的支承件表面典型地凹陷(并且通常在支承件流体为蒸气的情况下(如在本情况中)必需是这样)以在高速下改善支承件的稳定性和可靠性并且以确保足够的负载能力和刚度。凹槽相对于旋转方向成角度并且典型地为螺旋凹槽。

根据本发明的这种方面，相比于参照上面的现有技术，本发明的实施方式的流体动力(即，自支撑(self-supporting))流体支承件被供给有来自至少一个离心式叶轮(虽然本发明的其他方面的一些实施方式可能不具有蒸气从叶轮的供给)加压制冷剂蒸气。

通过提供加压蒸气从叶轮至支承件的供给，可以最小化压缩机的启动时间(该时间期间支承件不浮动)，因为它们还未达到通过它们的旋转所生成的压力足以支承轴的重力负载的速度。尤其是，如果蒸气供给来自叶轮的高压区域，则一旦叶轮开始旋转，其可以提供制冷剂蒸气至支承件的加压供给以增大由流体动力支承件自身的旋转所生成的压力。

叶轮组件的至少一个叶轮通常将具有多个叶片、和位于叶轮周围的叶轮壳体，叶轮叶片和叶轮壳体定义供制冷剂蒸气通过叶轮组件的流道。

根据本发明的另一方面，提供了接通和旋转压缩机的轴的方法，该方法包括以下步骤：通过引导一定量蒸气穿过流体动力支承件以生成提升力来使用流体动力支承件将压缩机轴从静止(停止)位置移位至升起(活动)位置。

蒸气可以在高压下处于过热蒸气状态，布置成沸腾为迅速膨胀的饱和蒸气或过热蒸气状态的饱和液体与流体动力支承件和/或轴的部件接触以生成足够的力以将轴从离心式压缩机支承表面的内表面抬离。

一旦轴达到操作速度，则自支撑动力平衡被建立，正如下面所描述。

应理解，本发明还提供关断压缩机的方法，该方法包括以下步骤：通过控制气体流经由出口以使压缩机轴降下以去除由气体带来的任何提升效果，从而使轴与支承件的表面接触。

一旦压缩机的旋转速度足以使流体动力支承件自支撑，则制冷剂蒸气从叶轮的供给不再被需要并且其可以被关断(并且在一些实施方式中被关断)。然而，在本发明的优选实施方式中，制冷剂蒸气从叶轮的供给被维持。这具有维持制冷剂蒸气通过支承件的流动的优点，这可以用于抑制污垢的进入(或用于从支承件冲洗污垢)并且还可以用于冷却支承件，如果需要。在压缩机的整个操作中该蒸气流可以继续。可选地，其可以被间歇地接通和关断(例如，通过阀的操作)，例如只在检测出支承件温度的增加超过预定阈值时才提供蒸气流以冷却支承件。

压缩机一旦开始加速则需要维持蒸气经由支承件的稳定流的、来自叶轮的供给压力并不高达有助于使支承件在启动和低速下浮动所需的(或至少期望的)压力。因此，在一些实施方式中，制冷剂蒸气馈送(feed)取自叶轮组件的一个或多个轮的两个(或更多)不同的区域，包括相对低压区域和相对高压区域，并且压缩机还包括用于选择性地将叶轮的较高压力区域或较低压力区域连接至将制冷剂蒸气供给至径向支承件(并且在一些实施方式中还供给至推力支承件)的导管的阀布置。通过这种方式，在低速运转期间，例如启动和停止时，制冷剂蒸气可以从叶轮组件的较高压力区域供给，并且一旦压缩机开始加速和流体动力支承件进行自支撑，供给可以被接通以将制冷剂蒸气从叶轮的较低压区域供给以维持蒸气通过支承件以用于冷却和抑制污垢进入。

通过在叶轮的不同的压力区域处使用多个蒸气分接头(例如三个或四个或更多)以及适当的阀布置来选择性地从分接头供给蒸气，对径向支承件每次使用一个分接头，可以基于轴的转速选择制冷剂蒸气的供给的压力(用于较低速的较高压力和用于较高速的较低压力)。通过这种布置的适当控制，支承件自身的阻力可以足以管理制冷剂蒸气流，从而避免了对于单独的流动管理口的任何需要。

在支承件的加压是使用来自叶轮布置或在流体动力支承件中支承件自身内的制冷剂蒸气、或者两者的组合来实现的情况下，当轴与面对该轴的支承表面之间接触时难免会存在压缩机从零速开始时的启动周期，以及压缩机减速至停止时停止周期。虽然因这些接触所引起的磨损很可能是最小的，但是在一些情况下可能会期望避免甚至是这些短的接触周期。因此，在一些实施方式中，加压制冷剂蒸气的外部供给被提供成独立于压缩机的操作，并且可以连接至支承件以将加压制冷剂蒸气以低速供给至支承件以在轴的旋转速度足以在支承件内生成足够的压力以用于它们的自支撑前使支承件浮动和/或压缩机的叶轮布置能够在足够的压力下提供制冷剂蒸气的供给以在支承件中支承轴。根据本发明的一些方面的压缩机的支承件可以具有来自外部的蒸气馈送以替代上面讨论的来自叶轮的蒸气供给。在一些实施方式中，在压缩机的正常操作期间(即，启动和停止周期之间)可以继续外部供给，例如以提供蒸气以有助于防止污垢进入支承件和/或以冷却支承件，如果需要。该流可以是间歇性的，例如只在检测出支承件温度中的增加超过预定阈值时接通(例如，通过适当的阀的操作)才提供蒸气流以冷却支承件。

加压蒸气的外部供给可以包括可在压缩机以正常的操作速度运行时捕获并存储来自压缩机/制冷系统的加压制冷剂蒸气的制冷剂加压容器。在压缩机停止和启动时的低速操作期间然后可以利用存储在容器中的加压制冷剂蒸气以对支承件加压。

可选地或附加地，当需要时(例如，启动和/或停止时)加压蒸气的外部供给可以使用蒸发器提供。优选地，蒸发器加热液体制冷剂以仅在需要时生成饱的制冷剂蒸气、或更加优选地生成能够被供给至支承件的过热的制冷剂蒸气。液体制冷剂可以取自将压缩机作为一部分的制冷电路、或者可以来自单独的供给。可以存在有单独的蒸发器容器以用于启动和停止操作、或者同一个容器可用于两种操作。

在一些情况下，无论使用加压制冷剂蒸气的外部供给与否，‘空转(dry running)’的周期(即，存在有轴与支承表面之间的接触的旋转)在启动时可能是期望的，以便在制冷剂蒸气被注入前在支承件中生成一些热量。这是因为在压缩机停止的周期期间可能的是制冷剂蒸气的构成将发生在支承件中。当液体制冷剂存在时可能不期望压缩机驱动轴与这种类型的支承件一同运行。通过对于初始周期的空转，所生成的摩擦热将导致支承件中的任何液体蒸发，在这之后纯净的制冷剂蒸气可以被引入。

随着可选的或额外的空转，支承件中的一个或多个可以具有相关联的加热器元件。加热器元件可用于在制冷剂蒸气的注入前提高支承件部件在启动时的温度或者以在停止时在蒸气注入期间维持支承件温度。通过将支承件的温度提高或维持在制冷剂的饱和温度以上，可以防止冷凝液。

无论是发热元件或是空转周期被用于提高支承件在启动或停止时的温度，优选地都提供一个或多个温度传感器以感测支承件的温度。控制系统可以利用来自温度传感器的输出以确定支承件温度何时处于制冷剂的饱和温度下或以上，并且以随后启动制冷剂蒸气从蒸发器或加压容器的供给。相似地，在停止时，如果需要将支承件温度维持成足够高以避免冷凝液和液体形成，则来自温度传感器的输出可用于加热元件的控制操作。

在一些实施方式中，将期望确保流体动力流体支承件在叶轮驱动轴被驱动以旋转之前就已浮动(即，蒸气膜已形成在对置的支承表面之间)。特别是在流体动力支承件在支承件表面中的一个或两个表面上包括凹槽的情况下，已经发现加压蒸气从外部源的供给可以作用在固定支承件上以相对于外支承件部分向内支承件部分施加旋转力，从而驱使叶轮驱动轴的旋转。该旋转处于相比于压缩机的正常操作的反向方向上。旋转将只在支承件已浮动后发生。由此，通过使用传感器检测轴的该反转，基于该旋转的存在控制系统可以确定支承件已浮动并且信号可被发送以开始用于叶轮驱动轴的驱动(例如，电机)。去往支承件的加压蒸气流然后可以被终止或减小。

在其他实施方式中，可以使用用于检测支承件何时已浮动的可选的装置，例如，接近传感器以感测内支承件部分与外支承件部分之间的相隔。

通常，将重要的是在压缩机的整个操作中确保维持轴与径向支承件之间的轴向校准，从而允许使用热膨胀。为了帮助实现支承件的校准，支承件可以通过弹性支撑件被安装至压缩机壳体。适当的弹性支撑件包括弹性隔膜和‘O’形环。特别是，在使用‘O’形环的情况下，弹性支撑件还可以有用地将附加振动阻尼提供至转子。

用于流体动力支承件的弹性支撑件在制冷剂压缩机中的使用被认为是独一无二的，并且甚至是在支承件流体并不是制冷剂蒸气本身的情况下被视作有益的。

因此，在另一个方面中，本发明提供用于在制冷循环中压缩制冷剂蒸气的离心式压缩机，该压缩机包括：

叶轮驱动轴，由第一径向支承件和第二径向支承件支承以在压缩机壳体内旋转的；和

其中第一径向支承件和第二径向支承件是流体动力支承件，并且通过弹性支撑件被安装在压缩机壳体上。

根据上面的第一方面，支承件流体可以是制冷剂蒸气本身，但也不是必须是。如上述记载，弹性支撑件可以是弹性隔膜或‘O’形环。

在本发明所涉及的类型的离心式压缩机中，除了径向支承件外，通常还使用推力支承件，以抑制因一个或多个叶轮随着它们在叶轮的入口孔处生成负压的电抗作用所导致的、叶轮驱动轴在轴向方向上的侧向运动。

在本发明的第一和第二方面中的任一个中，压缩机还可以包括推力支承件。推力支承件还可以是流体支承件，并且在优选的实施方式中，如在径向支承件中，流体是制冷剂蒸气本身。并且在优选的实施方式中，与径向支承件相似，推力支承件可以是从压缩机的叶轮组件取得加热的制冷剂蒸气的供给的流体静力、流体动力、或这两个的混合组合。根据支承件在任何给定设备中的具体供给压力要求，加压制冷剂的供给可以取自叶轮的与用于径向支承件的区域相同的区域、或不同的区域。

在根据本发明的多个方面的一些实施方式中，压缩机是多级压缩机，包括供制冷剂蒸气连续流经的多个叶轮。第一级将蒸气压力提高至中间压力并且第二级然后获取中间压力处的蒸气并且将压力提升至更高。通过这种方式，在不超出叶轮出口处的可接受蒸气速度或者招致减小的操作效率的情况下，能够在单个压缩机内实现较大的总压力增加。通常，两级压缩机将适用于大多数应用，但是根据所打算的应用需求，本发明的实施方式可以具有三个或四个或更多级。

在使用两个或更多叶轮的情况下，叶轮中的至少两个优选地在轴向方向上彼此相对地定向，或者至少两个叶轮的叶片侧彼此面对，或者至少两个叶轮的后侧彼此面对。因为叶轮入口处于它们的叶片侧的中心，故背靠背布置受到偏爱(即，后侧彼此面对)，以不妨碍蒸气入口对于入口的接近。通过以这种方式布置叶轮，由一个叶轮产生的侧向推力抵消另一个叶轮所产生的推力，从而减小了在推力支承件上的总的侧向力。然而，这可能使整体有些不平衡，因为由第二级(较高压力)叶轮产生的推力将典型地比通过第一级叶轮产生的推力大。

一般地说，优选地是将叶轮布置成使它们的反作用力完全自抵消、或者部分抵消(如果可能的话)。在涉及部分推力抵消的情况下，推力支承件可被设计成支撑剩余的轴向推力。通过这种方法，与将会是具有布置在均定向在同一方向上连续蒸气流中的两个(或更多)叶轮的情况相比，推力支承件负载更低。例如，在三级(即，三个叶轮)布置中，可以通过将最高压力叶轮级定向在一个方向上而将其他两个较低压力级定向在相反的定向上来实现平衡轴向力。

虽然多级压缩机中的叶轮可以全部被布置在叶轮驱动轴的一个端部处，但优选的是将它们布置在两个端部处。由此，在两级压缩机中优选地在轴的两部处各具有一个叶轮。在四级压缩机中，将可能优选地在轴的一个端部处具有两个叶轮和在另一端部处具有两个叶轮。这提供了更加平衡的布置。通过将两个(或更多)级相隔开，一个级与下一个级之间的管道件连接还提供附加制冷剂蒸气从节能电路向便利地点(如果存在)的引入。这种管道件连接还可能用于将中间冷却器定位在两级之间。中间冷却器可以完成叶轮级之间的自然热排出或液体制冷剂注入。这种管道件还可以调节扩散器布置以提高整体压缩机效率，正如本发明中的情况那样。

本发明的压缩机的一些实施方式可被配置成使用基本水平定向的叶轮驱动轴，而其他压缩机可被配置成使用基本竖直定向的叶轮驱动轴。竖直定向的优点在于径向支承件承载较小的轴向负载并且推力支承件的较大表面积产生减小的应力。

优选地，压缩机壳体被设计成防止液体制冷剂进入压缩机而与其定向无关。支承件配置还可以被选择成提供可根据具体安装需求在竖直定向或水平定向上运行的通用设计。

在竖直定向的配置中，叶轮优选地被布置在轴上以使得由跨越叶轮的压差所产生的净力被用作使叶轮组件向上升起，从而减轻(即，部分或全部抵消)用于轴的推力支承件(或多个推力支承件)上的重力质量和推力支承件上将以其他方式支承轴、电机和叶轮组件的整体重量的随之而来的负载。

在第三方面，本发明提供用于能够在不需要额外热输入的情况下提供低于10℃的冷冻水和高于80℃的热水的冷却-加热系统中的制冷压缩机，该压缩机被配置成提供至少18:1的压缩比(更优选为至少19:1或至少20:1)以及跨越压缩机的至少80K(更优选为至少90K)的温度提升，并且制冷剂具体被选择成在压缩机出口处的压力不超过25bar(更优选地不超过15bar)的情况下给出期望的温度提升。

压缩机可以是螺杆式压缩机或涡旋式压缩机。然而，更多优选地，其为离心式压缩机并且在特别优选的实施方式中为两级离心式压缩机，最优选地具有无油设计。

压缩机可以是根据上述第一方面和第二方面中的一个或其两者的、具有无油设计的离心式压缩机。

在上述本发明的多种方面中，电机可以是永磁电机。其可以是稀土永磁电机。根据所需操作参数，电机可以具有两极或四极设计。可选地，电机可以是感应电机，例如，两极或四极设计的感应电机。

优选地，电机能够将压缩机叶轮驱动至至少10,000rpm，更优选为20,000rpm(而在一些实施方式中则更快，例如，200,000rpm或400,000rpm或更快)。电力通过用于控制电机速度和功率的变换器供给至电机。在一些实施方式中电机速度中的变化提供了至关重要的功能，改变了通过压缩机的制冷剂质量流率，从而改变了冷却能力(kW)、加热能力(kW)和压缩比以特别适合其所服务的制冷系统的热量需求。

电机优选地被安装在压缩机壳体内。电机定子可以被安装在压缩机壳体中，并且电机的转子安装在叶轮驱动轴的周围。在叶轮驱动轴的任一端部处具有叶轮的两级压缩机中，电机优选地被定位在位于两个叶轮之间的压缩机壳体内。

变换器可以被安装在压缩机壳体上或压缩机壳体内。可选地，其可以在物理上与压缩机组件分离开。虽然将变换器安装在压缩机壳体上或压缩机壳体内在提供综合布置方面具有优点，而其缺点在于其变得本质上更加难以冷却变换器。通过与在物理上与压缩机分离开地安装变换器，不存在防止变换器过热所需的冷却负载，这代替了自然发生的环境空气冷却。

合宜地，电机(如果变换器被安装在压缩机壳体内，则和/或变换器)可以通过被压缩机作用的制冷剂冷却。例如，电机可以通过取自叶轮组件的制冷剂气体或蒸气流来进行冷却。在这种情况下，优选地，电机通过取自叶轮组件的制冷剂液体或蒸气的仅一部分(即，不是压缩机前的全容量/质量流，正如现有技术中的那样)来进行冷却。合宜地，电机可以通过还被供给至支承件的制冷剂蒸气流冷却。如果可行，变换器也可以以相似的方式通过液体或蒸气制冷剂的一部分冷却。

可选地，电机冷却可以包括定子的外表面的‘瞬间冷却’，例如，通过使液体制冷剂穿过定子周围的通道(例如，螺旋状通道)。通道中的液体制冷剂瞬间冷却成蒸气，由此在从定子组件移除可感热能的同时提供潜冷。用于冷却电机的这种方法具有独特优点，尤其是当与例如利用水的流体冷却比较时，该优点在于，通过这种方法根据需要(在发生最大冷却需要的情况下液体制冷剂瞬间冷却成蒸气)以可变速率冷却来自定子外表面上的不均匀地分布且具有不同温度、定子的废热能。其还能够控制对于定子的制冷剂液体流率以使作为通过定子变化排出的热能的总量的定子冷却需求与压缩机操作参数和电力输入相匹配。

用于电机的冷却液体可以通过液体馈送分接头从制冷系统冷凝器出口提供。馈送可以例如，根据离开定子冷却夹套的蒸气的预设制冷剂过热值通过膨胀装置提供以管理液体流。液体进入根据在定子表面上的不同点处的热发射变化分布的电机定子冷却夹套，从而提供瞬间冷却。在一些实施方式中，所产生的过热蒸气然后可以通过转子/定子环以冷却该转子/定子间隙，该蒸气流然后被连续地卷入压缩机中诸如第一叶轮入口(最低压力)级的低压点中。

一定程度的制冷系统容量控制可以通过控制电机和叶轮速度提供在本发明的多种方面的实施方式中。然后，这种方法是有限制的。因此，对于压缩机需要较大容量控制的本发明的实施方式而言，还可以在入口处对叶轮采用可变入口导向叶片。对于本发明的多级压缩机实施方式而言，可变入口导向叶片可以用于叶轮压缩级的一个或多个。例如，在两级压缩机中，一些实施方式可以仅在第一级上使用可变入口导向叶片，并且其他实施方式可以使用用于两级的可变入口导向叶片。合宜地，在两级的叶轮被布置在叶轮驱动轴的两端处的实施方式中，存在有对于两个叶轮的入口侧的进入口以有助于可调入口导向叶片模块的安装和维修。

根据上述方面的一个或多个的压缩机优选地以与控制系统结合的方式使用。控制系统可以被实施成硬件或软件或这两者的组合。其例如可以被实施成可编程逻辑控制器(PLC)或微型PC。优选地，控制器操作成基于制冷电路和/或水冷却器或者作为其一部分的DX系统的热需求控制压缩机。控制系统还优选地作用成保护压缩机避免脱离规范操作，以防止破坏压缩机，例如在系统中的其他地方存在向压缩机强加潜在地破坏需求的故障的情况下。

为了协助故障检测、诊断和一般性能监测，控制系统可以维持事件历史记录，即，可在日后或者实时查询的系统性能参数和操作状态的周期性记录。在一些实施方式中，远程监测可以通过例如将建筑管理系统集成至综合压缩机控制系统来获得提升。远程监测还可以通过将性能数据例如无线地传送至远程监测装置来提供。优选地，控制系统还能够监测压缩机中的传感器的状态和条件，并且选择性地监测将其作为一部分的制冷系统的制冷电路。控制电路还优选地监测其自身健康状态并且进行相应报告。

还优选地监测压缩机支承件的健康。可选地，控制系统可以如此做。支承件的健康可以例如通过在变换器处测量吸收的功率读数来监测。功率读数相对于在具体轴速处的给定操作条件所预期的功率读数的增加例如指出可能的支承件磨损或问题。附加地或可选地，支承件条件可以通过测量支承件温度和/或振动来监测。

根据本发明的另一方面，提供了用于采暖通风与空气调节(HVAC)系统的监测与控制系统，包括：用于感测系统变量的装置、用于确定如离心式压缩机的压缩机转子速度的装置、用于驱动压缩机的电机、用于测量冷却剂通过压缩机的质量流的装置、在布置为修改与所述压缩机相关联的一个或多个参数的软件的控制下操作以优化效率的微处理器。

系统变量包括但不限于：环境温度、局部温度、冷却剂性质、期望(目标)温度、实际或期望(目标)水温、天气条件和建筑的热性质。

与压缩机相关联的参数包括但不限于：转子速度(环空流速)、制冷剂质量流、入口导向叶片角度、压缩比、电力消耗和压缩机对于横向转动的轴线的倾角。

另外，传感器输入可以通过多总线数据输入/输出系统的方式提供和监测。

理想地，收发机适于将信号从与微处理器通信的监测与控制系统和/或用于感测系统变量的装置中继至远程位置。

收发机优选地包括诸如专用网络或互联网的硬线连接和/或例如无线局域网(LAN)、Wi-Fi或蓝牙(商标)连接的无线通信链路。

监测与控制系统的优点在于其能够使现场工程师、系统管理员或建筑管理员(看守人)检测与控制系统的性能/输出。监测与控制系统还提供一个或多个系统变量和/或压缩机参数的实时分析。

当在适当的软件的控制下操作时，系统理想地配置成引发警报、警铃和维护信息至一个或多个接收器的传送。

警报、警铃和维护信号可以通过监测与控制系统以传送至专用服务器和/或接收装置和/或寻呼机的格式提供。

优选地，监测与控制系统适于将短消息服务(SMS)或具有警报和/或警铃和/或维护信息的文本传送至一个或多个授权用户，以使得例如用户配置的移动通信装置(移动电话)可以被修改成接收上述警报和/或警铃和/或维护信息。

适当的应用专用软件能够在诸如笔记本电脑、掌上电脑、移动通信装置或专用通信装置的便携式电子器件上提供显示器。显示器理想地是交互的，例如其理想地是触摸敏感的，并且向用户提供与系统主人或其他用户的简单明了及直接的通信机会。

理想地，监测与控制系统适于与离心式压缩机一同使用并且配置成监测压缩机的具体变量，诸如：角速度、质量流率、叶轮角、压缩比和瞬时能量消耗。

应明确，一个或多个合适的授权用户还可以进行远程检查和系统的检验并且执行常规诊断检查和获得其他有用的系统参数的数据指示。

用于可选地能够通过适当的口令/授权码的方式访问主机或系统微处理器以改变或检测本地条件。例如，远程用户使用远程监测器和控制系统能够修改(增加或减小)诸如特定房间或建筑中的温度的本地条件和/或控制或隔离房间或建筑内的子系统和/或接通或断开特定冷却器、加热器和空气调节器。

理想地，授权用户与在适当的专用软件的控制下操作的管理电脑/微处理器之间的通信使用加密技术执行以确保安全通信。

附图说明

现在参照附图、通过举例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中：

图1示出对于具有两级压缩机和节能电路的蒸气-压缩式制冷循环的压焓图；

图2示意性地示出根据本发明的第一方面的用于将加压制冷剂蒸气供给供给至径向支承件和推力支承件的离心式叶轮布置中的压力分接头；

图3是根据本发明的实施方式的制冷电路的系统示意图；

图4至图7示出可被采用在本发明的实施方式中的可选的压缩机配置；

图8是通过图3的系统的压缩机的示意性剖视图；

图9是图8的压缩机的剖视图，示出了对于侧向的制冷剂蒸气供给分接头和推力支承件的更多细节；

图10是图3的系统的示意性框图，包括控制与保护系统以及电机速度控制器(功率变换器)；

图11是可在本发明的一些实施方式的压缩机的入口处使用的分离容器的示意性剖视图；

图12是与压缩机的一个实施方式一同使用的控制与监测系统的示例的全景图；

图13是与图12中的系统一同使用的流程图的示例；

图14示出用于根据本发明的实施方式的压缩机的示例性操作循环；

图15至图17示意性地示出可用于将制冷剂蒸气供给至本发明的实施方式的支承件流体的蒸发器布置的三种可能的配置，例如，启动和/或停止；以及

图18a、图18b和图18c示出根据本发明的实施方式的用于从叶轮至支承件或压缩机的制冷剂蒸气的供给的导管的布置。

具体实施方式

图3示出了根据本发明的实施方式的制冷电路，该制冷电路可用于例如产生用于建筑空气调节系统的冷冻水。在优选的形式中，除了用于空气调节系统的冷冻水以外，系统的操作参数可以被设计成提供充分的热输出以加热用于建筑的低压热水供给。

制冷流体循环在制冷系统周围，其在蒸气-压缩式制冷循环上操作(见图1)。制冷剂以过热蒸气状态进入两级离心式压缩机10并且以两个步骤(较低压级1和较高压级2)压缩至较高的压力和温度。来自第二级压缩机排放口的过热制冷剂蒸气传送至冷凝器12，在冷凝器12处，过热制冷剂蒸气被冷却，冷凝的过热和潜热被移除并且蒸气冷凝成液体，随后进一步冷却至过冷液态。从冷凝器输出的过冷液体制冷剂随后穿过膨胀装置(例如，膨胀阀14)，在膨胀装置出，过冷液体制冷剂经历压力的突然减小，从而产生了液体制冷剂的一定比例的绝热闪蒸。剩余液体制冷剂的饱和温度显著下降，产生了液体和蒸气的混合物。制冷剂然后传送至蒸发器16，待被冷却的二次流体(典型地，水或空气)流经蒸发器16。冷液体/蒸气制冷剂混合物的液体部分蒸发并且在这一过程中从循环的二次流体移除热能以使其冷却。饱和的制冷剂蒸气进一步吸收热能以变成过热制冷剂蒸气。随后过热制冷剂蒸气从蒸发器出口返回至压缩机入口并且再次开始循环。

在本示例中，节能器被用于改善压缩机和压缩机所服务的制冷系统的效率。离开冷凝器12的总液体制冷剂质量流的很大一部分在主要膨胀装置前进入节能器换热器18的初级电路。剩余的制冷剂液体进入第二膨胀装置(例如，膨胀阀20)并且流经相同节能器换热器18的次级电路，在该次级电路处，剩余的制冷剂液体在比原液体制冷剂流的温度低的饱和温度下蒸发，由此在其进入主要膨胀装置14之前使制冷剂液体的主要部分过冷(sub-cool)。

节能器次级出口过热蒸气流再被导入压缩机10的两个叶轮压缩级之间的主要制冷剂蒸气流。节能器内的蒸发压力和温度坐落于第一级叶轮22的入口级处的蒸发压力与第二级叶轮24的出口处的排出压力之间的中间点处。合宜地，将第一级22的出口连接至第二级24的入口的管道件26提供易于通过的位置以引导该节能器制冷剂蒸气流。返回至压缩机中间级的节能器流执行制冷剂的主流的显著去过热，从而改善了加热/冷却循环的总效率。

根据本发明，如图2所示，并且如下面进一步讨论，支承和抑制压缩机轴28的径向支承件32和推力支承件34是流体动力蒸气支承件，在流体动力蒸气支承件中支承件流体是循环制冷剂蒸气其本身。在此处示出的例子中，制冷剂蒸气取自2级叶轮壳体中的分接头34、36并且通过加工在压缩机气缸中的导管(示意性地在图2中用虚线示出)传送至支承件32、34，以在一定压力下将蒸气供给至支承件。支承件32、34因此是流体静力和流体动力支承件类型之间的混合，并且可以合宜地被称为“混合支承件”。在其他实施方式中，用于支承件的蒸气供给可以取自1级叶轮壳体，1级和2级叶轮壳体中的分接头的组合、或者取自外部蒸气源。在图2所示的例子中，单独的压力分接头34、36用于径向支承件32和推力支承件34，以便推力支承件34可以在较高的压力下供给有制冷剂蒸气。

图3的示例性系统中所示并在下面更加详细地讨论的压缩机是两级压缩机，具有安装在传动轴28的两端部处的用于两级的叶轮22、24，两个叶轮22、24相对地定向在轴向方向(背对背)上以通过自消除来帮助最小化轴向推力。然而，本发明的概念还可以应用到其他压缩机配置，在图4至图7中示出了其实施例。

图4示出了单级配置。图5示出了具有安装在压缩机轴的相同端部处并且在相同方向上轴向定向的两个叶轮51、52的两级配置。图6示出了三级配置，该三级配置具有位于压缩机轴的一个端部处并且面朝相同轴向方向上的1级和2级叶轮61、62、以及位于轴的另一个端部处且面朝相反方向的3级叶轮63，因此该叶轮与2级叶轮背对背。图7示出了四级配置，该四级配置具有位于压缩机轴的一个端部处的1级和2级叶轮71、72、以及位于另一端部处的3级和4级叶轮73、74。1级和2级叶轮71、72与3级和4级叶轮73、74面朝相反的方向。本领域的技术人员应明确，数个其他压缩机配置也能够落于本发明的范围内。

再次参照图3的系统、以及图8中所示的该系统的压缩机的放大图，现在将对系统的部件和系统的一些可能的变体进行更加详细的描述。

压缩机

压缩机是在本示例中具有约19:1的总压缩比的两级离心式设计。本设计指出转速被选在21000rpm处以给出保持1级入口尖端相关的马赫数至可管理水平(1.3)之间的最佳折衷并最小化叶轮直径。压缩机通过节能电路的并入被尺寸化成实现400kW的制冷。结果，第二级压缩机被设计成其制冷剂质量流比第一级压缩机的制冷剂质量流高约50％。压缩机的总轴功率消耗在最大流动条件处为224kW。在本实例中624kW的排出所产生的加热可以被排出至大气，所以被有用地采用以加热二级流体(水或空气)。压缩机的其他变体，也如单级或多级离心式设计将在比19:1低的压缩比下工作。这些压缩比将在一些实施方式中处于3:1至5:1的量级并且将被应用到多种制冷剂以提供最高的操作效率。转而定义这些压缩比的蒸发饱和温度和冷凝饱和温度的范围可以例如为：

蒸发饱和温度：-5℃、或更低

冷凝饱和温度：60℃、或更高

因此，操作性饱和温度将呈现适用于服务绝对零度制冷应用、过程冷却、以及数据中心冷却，适应并处理空气调节和数个其他应用的压缩机的系统中的压缩机。

此外，所建议的冷凝饱和温度的范围将允许具有其伴随的专门且有效的特征的这种压缩机设计，该伴随的专门且有效的特征不仅将被应用在北欧、而且还将被应用在较高温度区域(诸如美国、日本、中东、远东和澳大利亚的一部分区域)中，在这些温度区域中将所需蒸发饱和温度维持在充分低的水平时，除非压缩机能够产生出充分高的冷凝饱和温度，否则某些制冷和空气调节系统不能够运转。

压缩机包括以下特征：

a)连续地操作的成对离心式压缩机叶轮22、24(有时被称为“轮”)。对于一些应用而言单叶轮可以是足够的。

b)允许承载离心式压缩机轮22、24的轴28在不需要润滑油的情况下以超高速(大约60,000rpm、或大致100,000rpm、乃至200,000rpm或者更快)旋转的“混合”支承件32、34(径向和推力)。世界上99％的空气调节&制冷系统均利用油来润滑压缩机，并且该油在连续的基础上不注意地和不必要地被传送在制冷系统的周围。这是因为所有压缩机连续地随着再循环系统制冷剂泵出它们的一定比例的润滑油的事实所致的。该油妨碍了换热器的传热效率，消耗一定比例的压缩机的电输入能量，由此减少了整个系统的效率，要求小心地确定制冷管道件的尺寸以确保用于返回至压缩机的油的足够的速度并且经常要求油冷却、油分离器、油泵、油加热器、油位控制和其他部件以确保令人满意的操作。本发明的压缩机的无油设计由此在这种系统的效率、最初成本和日常维护上具有重大影响。

混合支承件较之可选的低摩擦支承件(磁性支承件)的关键优势在于在电力故障的情况下可以简单地允许轴在不需要提供辅助和临时电源的情况下停止移动，正如具有磁性支承件的情况那样。更重要地，混合型支承件不需要电能，并因此该压缩机类型在该特别的方面将是更加有效的。

c)流体静力支承件蒸气注入-为了减少磨损并且为了延长流体静力支承件的使用寿命，必需解决当开始和停止轴旋转时发生的磨损。因此，示例性系统可以采用制冷剂蒸气注入系统以将蒸气传送到支承件中以在启动前使轴“浮动”，并且这还将应用到推力流体静力支承件。制冷剂将在进入支承件前优选地被细致地过滤以保护它们免受系统离子/污染物的影响。还可能采用蒸气注入系统以将支承件温度维持在合理的极限内，所产生的最小摩擦将引起不期望的温度上升。

d)高效电机设计-在世界各地大多数压缩机驱动电机在约80％至90％的效率处操作，并且废热能被通过电机绕组上方然后通过大多数AC&R系统压缩机中的压缩机机构的制冷剂蒸气吸收。本发明的实施方式所设想的电机效率将优选地为高达98.5％的量级，并因此只有1.5％热排出将传送至在电机上方传送的制冷剂蒸气。这导致了较小的冷凝器，较低的冷凝器二级流体流(典型地为空气或水)、在较低电功率输入中运行的较小的风扇电机和水泵、以及较高的整个系统效率，也被叫做性能系数(COP)。

f)变换器控制-定制电变换器被设想为以所需速度驱动压缩机电机并且用于改变电机速度以管理通过蒸发器和制冷系统的制冷剂质量流，以使冷却能力或加热能力匹配至瞬间冷却或加热负载。这导致了精确温度(或蒸发压力)控制和最小化能量消耗。此外，当系统在小于最高速度/质量流/冷却-加热能力时，蒸发器和冷凝器变得“过大”。作为较低的压缩比需求的结果，这在显著改善压缩机效率和系统COP时增加了它们的热交换能力。因此，系统效率的增加在减小能力水平上是指数性的。通过膨胀装置的压降还在这些条件下减小，由此进一步改善了压缩机效率和系统COP。

变换器还将优选地向压缩机电机给予保护以抵御如下：

·过电压

·欠电压

·过电流

·欠电流

·相角

·断相

·接地故障

g)典型的压缩比-在传统的制冷和空气调节系统中的典型的压缩比为3:1至5:1的量级并且制冷剂的宽族群被用于(与适当的矿物或合成润滑油结合)满足在用于冷却/制冷的蒸发器处和冷凝器处所需的操作饱和温度，以将二级流体温度(例如，环境空气或水)适用成必需被排出的制冷系统热量。现在可用的制冷剂的范围是十分宽的，并且包括HFC’s、HFO’s、CO2、空气、碳氢化合物、氨等。此处所描述的示例性压缩机的主要应用针对20.1:1的压缩比，这实质上比任何现有技术的离心式压缩机都要高。

h)在背靠背布置中叶轮22、24被安装在轴28的任一端部上。这具有三个主要优势：

·轴向推力负荷被部分平衡，如来自第一级叶轮22的推力作用在与第二级叶轮24相反的方向上。这使推力支承件34上的覆盖最小化；

·可变入口导向叶片(“VIGV”)可以容易地被结合至两个级中，而如果轮被安装在轴的同一端上，则实际上不可能发现用于第二级的VIGV的空间；以及

·可以容易地实现来自节能器的蒸气的混合-将不需要复杂的端口布置。

应用温度范围

图3的系统最初被设计成操控所设想的最艰巨的温度范围，其用于：

a)将二次介质诸如空气或水(或另一种液体)冷却至约5℃的温度，这要求约0℃的制冷剂蒸发温度和相等的饱和压力。

b)将介质诸如空气或水(或另一种液体)加热至约80℃的温度，这要求约90℃的冷凝温度和相等的饱和压力。

许多其他应用由此可通过系统的变型来服务，这些变型典型地操作在-5℃(或更低)与60℃(或更高)的蒸发/冷凝温度之间。此外，这种压缩机还可以被应用为单个压缩机布置或者应用为多个压缩机布置以使得一个或多个压缩机服务相同的制冷系统/电路的要求，从而提供了一定程度的储备能力、待机能力和/或可变能力控制中更大的灵活性以匹配热负载要求。这种压缩机可以单独地或相互地运行，优选地通过合适的操作速度和入口导向叶片角度调节以确保两个压缩机产生相同的压缩比以维持制冷系统的稳定性。控制与保护系统已被设计成适合单个和多个压缩机应用两者。

操作流体

空气调节和制冷系统行业通过已知为制冷剂的各种不同流体的服务。这些被具体地选择成适合应用要求并且设备随后被设计成通过所选流体在所需操作参数下提供最佳性能。本发明的实施方式可以适于适合各种不同应用操作参数和各种不同操作流体。这些流体/制冷剂包括单个流体(共沸混合物)或2至3个流体的混合物(非共沸混合物)，并且下面列出本发明的实施方式可以适于使用其工作的流体中的一些、而不是所有：

第三代发泡剂以氢氟烃(HFC)(及其任何共混物)

HFC是包含主要用作制冷剂和气溶胶喷射剂的元素氟的人工化学制品。它们是无色、无味和在化学上非电抗性气体。它们主要被用作对于破坏臭氧的CFC和HCFC的置换物。

这些包括，例如，而不是排除地：

·R134a

·R23

·R32

·R43

·R125

·R143a

·R152a

·R227ea

·R236fa

·R245fa

·R365mfc

·R407A

·R407C

·R410A

·R507

·R508B

·R437A

·R422D

碳氢化合物(HC)(及其任何共混物)

HC是用于主要用作制冷剂或气溶胶喷射剂的完全由氢和碳构成的有机化合物。在一些情况下，它们容易地被吸收到润滑油中，从而减小了其润滑性能，潜在地导致了压缩机故障。根据本发明的实施方式的压缩机将通过避免润滑油的使用而克服这种问题。

这些包括，例如，而不是排除地：

·乙烷

·丙烷

·丙烯

·丁烷

·丁烯

·异丁烷

·戊烷

·戊烯

·上述中任何两个或更多的共混物

氢氟烯烃(HFO)

制冷剂的新的族群目前正在被引入到本行业。(截至2012/2013)

其他非合成制冷剂(及其任何共混物)

这些包括，例如，而不是排除地：

·R744(CO2)

·R718(水)

·R728(氮)

·R729(空气)

·R740(氩)

应用

本申请的实施方式适于包括制冷、空气调节与热泵系统的多种不同的应用。

示例性应用包括，例如，而不是排除地：

·水冷却器

·直接膨胀式系统(DX)

·舒适冷却

·工艺冷却(高温和中温)

·计算机数据室和数据中心

·低温制冷

·超低温制冷

·中温制冷

·超市制冷

·冷库

·显示器壳体

·工业自动化

·乳品制冷

·关闭控制空气调节

·制药

本发明部件概念可以合适于通过简单地改变以下部件的物理尺寸/形状/性质而使用可选流体进行操作：

·离心式压缩机轮

·入口导向叶片

·侧向/轴颈流体静力/混合支承件

·推力流体静力/混合支承件

·电机额定值(kW)和速度(rpm)

·轮壳体和入口导向叶片壳体

·变换器功率(kW)和速度/频率(Hz)

·控制与保护系统

系统控制

如图10所示，电子变换器1010被用于速度控制和保护电机82(图8)。然而，此外，为压缩机10设置了控制与保护系统1020。这还可以总体上控制和保护制冷系统1030。

控制系统将典型地具有系统压力的输入、温度和功率输入。例如，其可以控制以下中的一个或任何两个或更多：电机速度、入口导向叶片角度、恒温膨胀阀(允许制冷剂进入制冷电路的蒸发器和节能器)、和冷凝器风扇速度(冷凝器将热排出至大气并且风扇被用于辅助)以将压缩机维持在所期望的操作参数范围内并且优选地还最大化系统效率和热性能。膨胀阀还可以被控制以帮助保护压缩机不受液体制冷剂进入的影响。

用于增强控制和保护的一种可能的方法是使用市售的ClimaCheck^TM系统的变型。ClimaCheck^TM系统通常用于使用现有系统压力、温度和功率输入传感器来分析系统性能(并且无论其是否用作系统控制的一部分都可以以这种方式用于本发明的实施方式中)。ClimaCheck^TM技术使空气调节或制冷系统能够被分析到真实情况的5％至7％的精度内。以下参数可以以1s、2s、5s、10s、30s、60s和5分钟间隔在动态基础上被确定，并且可以制造成使操作者即时可用或被记录以用于未来询问：

·冷却能力(kW)

·加热能力(kW)

·功率输入(kW)

·排出的热量(kW)

·蒸发温度

·冷凝温度

·过冷

·过热

·性能系数(冷却和加热模式的系统COP)

·压缩机的等熵效率

·运行费用

·CO2排放和间接全球变暖潜力

·二级流在蒸发器处的质量流率

·二级流在冷凝器处的质量流率

ClimaCheck^TM还给出制冷剂损失、不稳定系统操作、和超出安全系统限制的操作的事先警告。邮件/文本消息可以在这种情况下自动发送给各种接受者。有限的商业优势是ClimaCheck^TM遍及整个英国的分配器。属于ClimaCheck^TM内的核心可编程序逻辑控制器(PLC)还可以被编程成控制和保护装置，并且还可以储备在与ClimaCheck^TM相同的网络上。因此，源自温度和压力传感器、电流互感器等等的读数均可以被利用于ClimaCheck^TM性能分析和利用于压缩机和制冷系统的“控制和保护”。

分离容器

在一些实施方式中，可能期望在压缩机入口前将分离容器使用在系统中。在图11中示出了可被称为“气液分离器/过滤容器”的这种容器的例子。

该容器1110的主要目的在于充当压缩机10上游的应急储水库以困住在通向压缩机10的吸入管路中可能出现的任何液“塞”。例如，这可能在控制液体制冷剂流至蒸发器16中的膨胀阀14的情况下或者在这种阀14不正确地设置有过低的过热值的情况下产生故障。

这种容器1110的另一种应用是压缩机可用于热泵系统内的压缩机-当这种系统逆循环时，多余的液体通常可以朝着压缩机10被引导。此处，结合的气液分离器/过滤器1110将提供充分的容量以接收这种液塞。当这种情况发生时，压缩机10继续运行以只从压缩机1110获取蒸气以保护压缩机的离心轮22、24，同时在压缩工艺之前将液体逐渐蒸发成蒸气形式。

在这种布置中，压缩机和包含压缩机的系统可以在气液分离器的底座处采用底部连接1120以允许任意流体积累被引导至其他地方，以在系统内重复使用或直接用于与压缩机的功能相关的其他目的。

气液分离器/过滤容器1110的次级功能是在压缩机的进口处提供高度的过滤。在制冷系统内的任意颗粒物质可能存在或者可能发展成部件故障的结果或者发展成不利的系统维护或安装结果的情况下，高级过滤器将确保只有纯净的蒸气被传送至压缩机的第一级离心轮22的入口以保护轮22、24和轴颈/推力板组件32、34。

在气液分离器/过滤容器的进一步应用中，来自压缩机混合支承件的蒸气流和/或来自制冷系统的其他部分的蒸气可以被连接至该压缩机以充当“蒸气收集点”以保护第一级叶轮免受存在于这些蒸气管线中的任意液体的影响并且以遏制将以其他方式进入压缩机的任意颗粒物质，从而避免了叶轮和支承件受损。

磁性气液分离器

在包含铁的任何颗粒物质受关注的情况下，磁性捕获装置可以被包括本发明的压缩机或者甚至是任何种类的压缩机的上游的管道件内或气液分离器/过滤容器内。这种含铁颗粒物质的影响范围可能在制冷电路中非常低；然而，可以在系统其自身构建开始时包含在系统内的任何亚铁材料可以通过这种方式被捕获。

远距监测&控制系统

简要地参照图12和图13，其中示出了用于监督如上所述包括压缩机的远距监测与控制系统的图解概览。传感器1110至1118典型地位于建筑1150附近并且可以测量局部室温或外部(环境)温度。每个传感器1110至1118提供对于控制系统1160(如ClimaCheck^TM牌在售的控制系统)的输入，并且其包括在专用软件(由用户可选地修改)和定制算法的控制下操作的微处理器1160。

收发机1170连接至微处理器1160，并且适于经由“GPS”系统与移动通信装置1180通信、以及适于例如经由互联网(云)或传统的电信网络与传统的固定计算机终端1190通信。

简要地参照图13，其中示出了提供给维修工程师的典型的菜单的流程图以检验状态或者更新空气调节单元或热水器/冷却器(未示出)情况，温度信号从传感器1110至1118自动地提供至空气调节单元或热水器/冷却器(未示出)中。响应于请求或者为了执行检查，用户需要输入某些位置具体数据、口令和验证数据(如用户ID码)以能够获得经由数据链路对于个别可控系统的访问。这些系统处于如建筑1150的室或地板的温度的局部尺度至如用于整个建筑或复杂的建筑(例如，购物中心或办公大楼)的整个水处理厂或HVAC系统启动的较大尺度的范围。

一旦获得了对于系统控制器的访问，并且服从安全覆盖和其他故障安全系统，用户输入期望的更新或新的温度条件，并且这些被转换成用于局部值或用于压缩机的命令。命令的确认或新的设定从控制系统处的收发机1170传送过来，并且确认指令的接收和特定条件/参数的更新。

压缩机操作循环

图14示出用于根据本发明的实施方式的压缩机系统的示例性操作循环。在本示例中，系统包括用于在启动和停止时向压缩机的混合支承件供给制冷剂蒸气的蒸发器布置以在叶轮驱动轴的转速不是快到足以使流体动力支承件自支撑时使支承件浮动。如下面更加详细地讨论，在本示例中蒸发器布置具有用于产生饱和蒸气的蒸发器腔室和用于在饱和蒸气被供给至支承件前对饱和蒸气进行过加热的过热腔室。

循环将参照附图中的循环中标记有数字的操作点进行描述：

1.“开始”命令响应于控制系统指令“蒸发器通电”。在该点处蒸发器腔室正在产生饱和蒸气。

2.过热器通电-来自蒸发器腔室的饱和蒸气在过热腔室中被过加热。

3.过热蒸气注入到轴颈/推力支承件以使这些支承件浮动。

4.一旦支承件被浮动，驱动电机开始并将离心式蒸气压缩机轮加速成“预设速度”，在该预设速度处支承件自我保持(用于混合支承件的自动阀芯)。来自一个或多个叶轮上的一个或多个分接点的压力还在该操作点处可用来向轴颈/推力支承件提供附加支承。

5.蒸发器/过热蒸气供给停止。

5-8通过液体制冷剂再填充蒸发器以准备下一次操作。

6.驱动电机加速成“操作速度窗”。

7-8在该范围内调节速度以控制通过压缩机的叶轮发展的制冷剂质量流以通过将制冷能力匹配至瞬热负荷而获得制冷系统的设定点目标。VIGV角度还在一个或多个离心轮入口处与叶轮速度关联地被调节，以获得精细制冷剂质量流控制但处于峰值操作效率处，而避免了“浪涌”或“扼流圈”情况。

8.“停止命令”响应于控制系统指令。

9.蒸发器通电

10.过热器通电

11.过热蒸气注入至轴颈/推力支承件以随着叶轮速度降低至支承件自我保持的速度以下时支承支承件。

12.驱动电机减速至“预设速度”(自支撑)(来自叶轮的压力不再能够供给支承件)

13.驱动电机被停止。

14.对于轴颈/推力支承件的过热蒸气供给被停止。

蒸发器配置

图15至图17示出了用于蒸发器布置的示例性的可能配置，该蒸发器布置如上面所讨论的示例性操作循环中那样可以用于提供制冷剂蒸气的供给以使径向和/或推力支承件例如在启动和停止期间、尤其是在叶轮驱动轴的转速不足以使支承件被自支撑时以低速浮动。

在图15所示的布置中，气化腔室(“容器‘A’”)中的液体制冷剂可以在腔室中通过加热器(‘HTR’)迅速加热以产生处于提高的压力下的饱和蒸气(‘SV’)。该蒸气然后在自身压力下通过蒸气供给通道(“SAT-VS/SHT-VS”)被供给到压缩机的径向和推力支承件。

气化腔室内的蒸气出口的开口被提升到腔室的底座上面以确保没有液体制冷剂可以流入到蒸气供给通道中。腔室中的液体制冷剂的液位使用液位传感器(‘LLS’)监测，响应于液位传感器输出，使用电动阀(‘EOV’)来控制液体制冷剂至腔室的供给。

另一电动阀(‘EOV’)被用于打开和关闭从腔室至支承件的蒸气流，并且还被用于打开和关闭从压缩机的一个或多个叶轮至支承件的蒸气流。

在本示例中，加热器(‘HTR’)与每个支承件相关联以将支承件的温度提升到制冷剂的饱和温度以上以防止在支承件中形成潜在的破坏性冷凝液。加热器以这种方式通过晶闸管控制驱动。温度传感器(‘TS’)被用于感测支承件温度，来自这些传感器的信号由主控制系统使用以控制支承件加热器并且以在启动时控制来自蒸发器的蒸气供给的接通。

在图15所示的蒸发器布置中，在启动和停止期间，支承件被提供有来自蒸发器腔室的饱和蒸气的供给。然而，随着这进一步减小支承件中蒸气冷凝的可能性，可以更加优选地将过热的蒸气供给至支承件。图16示出了用于实现这一目的的蒸发器布置，其中来自气化腔室(“容器‘A’”)的饱和蒸气被供给至过热腔室(“容器‘B’”)，其中其在该第二容器中通过另一加热器(‘HTR’)过加热。过热腔室中的温度传感器(‘ts’)被用于控制加热器以确保蒸气以过热状态向前通过支承件。

图17示出了用于向支承件提供蒸气的供给的可能的布置的另一例子。在本示例中，不同于具有液体制冷剂供给的蒸发器腔室，而是替代为其在压缩机的操作期间供给有来自制冷剂电路(例如，压缩机出口)的高压区域的制冷剂蒸气。蒸气然后被存储在腔室中，直至需要使支承件浮动，例如在停止时，此时蒸气被进一步过加热并且通过腔室中的加热器(‘HTR’)提升压力。

支承件蒸气馈送

图18a、图18b和图18c示出了用于根据本发明的实施方式的压缩机，一个例子为形成在供制冷剂蒸气可以从压缩机的一个或多个叶轮、或者从蒸发器布置供给至压缩机的径向和推力支承件的压缩机壳体中的通道的配置。图18a是通过压缩机的一个端部的纵向截面。图18b是沿着图18a中的线A-A的剖视图，并且图18c是沿着图18a中的线B-B的剖视图。

首先查看馈送至径向支承件时，蒸气从供给装置(即，叶轮或蒸发器)通过压缩机壳体中的径向孔传送至围绕径向支承件的外支承件壳的环形通道。一系列径向钻孔延伸穿过外支承件壳以从该环形流道延伸至外支承件壳的内支承件表面，以使得蒸气流在压力下从环形通道通过这些钻孔而到达内支承件壳与外支承件壳的表面之间的间隙中。蒸气随后被排放至支承件间隙的任一端部。图18a和图18c中的箭头指出了通过支承件的蒸气流。

相同的径向供给孔将制冷剂蒸气经由使径向孔分叉的通道供给至推力支承件的两侧。更具体地，这些通道将蒸气供给至钻孔，钻孔在叶轮驱动轴的端部处的推力支承件的任一侧上的推力板周围以一定间隔圆周地隔开。图18a和图18b中的箭头指出通过支承件的蒸气流。

虽然结合上面所描述的示例性实施方式描述了本发明，当给出本公开时对于本领域的技术人员而言许多等同的修改和变化将是显而易见的。因此，上面阐明的本发明的示例性实施方式被认为是说明性的，而非限制性的。对于所描述的实施方式的多种变化可在不背离本发明的精神和范围的情况下进行。

Claims

1.一种在能够在不需要额外热输入的情况下提供低于10℃的冷冻水和高于80℃的热水的冷却-加热系统中使用的制冷剂压缩机，

其中，所述制冷剂压缩机是离心式压缩机，其包括：

叶轮驱动轴，由第一径向支承件和第二径向支承件支承，以在压缩机壳体内旋转；以及

叶轮组件，包括安装在所述叶轮驱动轴上以与所述叶轮驱动轴一同旋转的至少一个离心式叶轮；

其特征在于，所述第一径向支承件和所述第二径向支承件是流体动力流体支承件，在所述流体动力流体支承件中，支承流体为制冷剂蒸气，以及所述压缩机包括用于将所述制冷剂蒸气的一部分从所述叶轮组件供给至所述第一径向支承件和所述第二径向支承件的管道；

所述制冷剂压缩机被配置成提供至少18:1的压缩比和跨越所述制冷剂压缩机的至少80K的温度提升，并且制冷剂流体被选择成在所述压缩机出口处的压力不超过25bar的情况下给出期望的温度提升。

2.根据权利要求1所述的制冷剂压缩机，其中，所述压缩机是多级离心式压缩机。

3.根据权利要求1或2所述的制冷剂压缩机，还包括：

加压制冷剂蒸气的外部供给装置，独立于所述压缩机的操作并且适于连接至所述支承件以将所述加压制冷剂蒸气以低速或者在静止时供给至所述支承件以使所述支承件浮动。

4.根据权利要求3所述的制冷剂压缩机，其中，所述加压制冷剂蒸气的外部供给装置包括制冷剂加压容器，所述制冷剂加压容器适于当所述压缩机以正常操作速度运行时捕获并存储来自所述压缩机或者来自将所述压缩机作为一部分的制冷系统的加压制冷剂蒸气。

5.如权利要求1或2所述的制冷剂压缩机，包括：可变入口导向叶片，位于所述离心式叶轮的入口处或者位于多级压缩机中的叶轮压缩级中的一个或多个的入口处。

6.根据权利要求1或2所述的制冷剂压缩机，

与所述支承件中的一个或多个相关联的一个或多个加热器元件，所述一个或多个加热器元件可操作成提高与其相关联的支承件的温度。

7.一种压缩机系统，包括：根据权利要求1至6中的任一项所述的压缩机、以及用于监测、控制和保护所述压缩机的控制系统。

8.一种压缩机系统，包括：服务单个制冷电路的、多个根据权利要求1至6中的任一项所述的制冷剂压缩机、以及用于监测、控制和保护所述多个制冷剂压缩机的控制系统。

9.一种能够在不需要额外热输入的情况下提供低于10℃的冷冻水和高于80℃的热水的冷却-加热系统，包括一个或多个根据权利要求1至6中的任一项所述的制冷剂压缩机和/或根据权利要求7或8所述的压缩机系统。