CN105579709A - 具有可变速度和容积控制的旋转压缩机 - Google Patents

Abstract

系统和方法被用于控制制冷系统的旋转压缩机的运行，以通过响应于当前运行条件和负荷条件改变所述压缩机的容积比和速度来改进效率。能够改变所述压缩机的轴向排气口和/或径向排气口的容积，以提供对应于运行条件的容积比。此外，能够采用永磁马达和/或转子尖端速度控制以便进一步的效率增加。

Description

具有可变速度和容积控制的旋转压缩机

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年10月1日提交的美国临时申请No.61/885,174的权益，该申请的全部内容通过援引并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及旋转压缩机，并且更具体地，但非排他性地涉及具有变速控制和可变容积比的旋转压缩机。

背景技术

制冷系统中的压缩机将制冷剂的压力从蒸发器压力提高到冷凝器压力。蒸发器压力有时被称为吸气压力，并且冷凝器压力有时被称为排气压力。包括旋转螺杆型压缩机的许多类型的压缩机被用于这样的制冷系统中。旋转螺杆压缩机是容积式（positivedisplacement）、容积减小装置。

旋转螺杆型压缩机包括通向压缩机的工作室的吸气口和排气口。工作室包括在压缩机外壳中的一对配合的凸形螺杆转子和凹形螺杆转子，其在螺杆转子与压缩机外壳的工作室的内壁之间限定压缩袋。压缩机外壳的工作室限定成形为一对平行的交叉的平端圆筒的容积，并且每个转子首先封装在圆筒形容积中的一个中。

在基于制冷的系统的常规运行中，相互配合的螺杆转子的反向旋转将在吸气压力下的大量制冷剂气体从压缩机的低压端处的吸气区域吸入吸气口。通过吸气口将制冷剂传送至压缩袋，该压缩袋具有人字形形状（chevronshape），有时称为凹槽空间。压缩袋由相互配合的转子和工作室的内壁限定。随着相互配合的螺杆转子的旋转，从吸气口闭合压缩袋。当压缩袋容积随着相互配合的螺杆转子的旋转而减小时，发生气体压缩。压缩袋通过相互配合的螺杆转子的旋转周向地和轴向地位移至压缩机的高压排气端，并且形成与排气口的连通。通过排气口，从工作室径向地和轴向地排放压缩后的制冷剂气体。

通常期望在部分负荷的条件下（诸如当不需要满容量（fullcapacity）运行时）运行这种螺杆压缩机。为了提高在部分负荷的条件下的性能，已经采用了多种途径。已经采用的一种途径是使用控制气体释放至排气口中之前被压缩的时间量的滑阀布置。通常，气体在转子的压缩袋中保留的时间越长，入口与出口的容积比就越高。滑阀允许基于系统的条件而改变容积比，从而提高效率。然而，期望避免带有转子的滑阀的干扰。因此，已经开发出复杂的布置来避免这种干扰，其增加了压缩机的成本和维护，并且限制了控制压缩比的能力。此外，当系统的能力变化时，容积比的变化能够导致气体转向返回压缩机的吸气口，引起吸入气体加热并且需要重新压缩转向的气体，从而降低效率。

已经采用以便改进部分负荷性能的另一途径是使用变速驱动器（VSD）。VSD通过改变马达驱动相互配合的螺杆转子的速度来控制马达负荷。VSD通常改变向马达提供的频率和/或电压。这种频率或者电压变化能够允许马达响应于马达上的负荷来提供可变的输出速度和功率。

在常规螺杆压缩机中采用VSD能够引起在满负荷容量下的效率降低。采用VSD所面临的另一挑战是常规马达在其额定速度下到达其峰值效率。因此，马达效率在较低速度下下降。这种降低的理论性能在部分负荷条件下危及节能水平。

不论采用哪一种途径来实现部分负荷性能，在常规螺杆压缩机中独立地使用的滑阀布置和变速驱动器两者都不会产生实现期望效率和运行控制的可变容量的螺杆压缩机。因此，期望的是用于旋转压缩机的运行的方法和系统的进一步改善。

发明内容

公开了制冷系统、压缩机系统和控制这种系统的旋转螺杆压缩机以在变化的负荷和运行条件下有效地运行的方法的实施例。方法和系统的实施例包括制冷系统的旋转螺杆压缩机，其能够运行为通过响应于系统的运行条件控制排气口的径向容积比和轴向容积比中的至少一个，结合响应于负荷条件对驱动压缩机转子的马达的变速控制来改变压缩机的容积比。在一个改进中，压缩机转子速度由连接至变速驱动器的永磁马达控制。在进一步的改进中，为了达到最佳效率控制转子的尖端速度。在又一改进中，基于运行条件改变排气口的径向容积和轴向容积以控制压缩机的容积比。进一步的实施例、形式、对象、特征、优势、方面和益处将从以下描述和附图中变得显而易见。

附图说明

图1示出了包括压缩机系统的制冷系统的实施例。

图2示出了带有控制系统的图1的制冷系统。

图3是图1的压缩机系统的压缩机和马达的一个实施例的沿驱动转子的旋转轴线的剖视图。

图4A和图4B是压缩机的一部分的剖视图和处于第一位置的径向排气口容积控制组件的另一实施例的剖视图。

图5A和图5B分别对应于图4A和图4B，并且示出了处于第二位置的径向排气口容积控制组件。

图6是朝与图3的剖视图正交的方向看去的图1的压缩机和马达的沿驱动转子的旋转轴线的纵向剖视图。

图7是压缩机和转子的局部截面的纵向视图，其示出了带有处于第一位置的滑阀的径向排气口容积控制组件。

图8是压缩机和转子的局部截面的纵向视图，其示出了带有处于第二位置的滑阀的图7的径向排气口容积控制组件。

图9是从马达外壳朝向压缩机外壳的排气端看去的压缩机外壳的一部分的透视图，其示出了处于第一位置的轴向容积排气口控制组件。

图10是图9的视图，其示出了处于第二位置的轴向容积排气口控制组件。

图11是图9和图10的排气口控制组件的端板的透视图。

图12是朝向马达外壳看去的压缩机外壳的排气端的正视图。

图13是从马达外壳朝向压缩机外壳的排气端看去的压缩机外壳的一部分的透视图，并且去除了轴向排气口容积控制组件的控制构件。

具体实施方式

出于清楚地、简要地并且准确地描述本发明的示例性实施例、制造和使用本发明的示例性实施例的方式和过程的目的，并且为了使得能够实践、制造和使用本发明的示例性实施例，现在将参照某些示例性实施例（包括附图中所示的那些示例性实施例），并且将使用具体的语言来描述本发明的示例性实施例。然而，应当理解的是不会由此形成对本发明的范围的限制，并且本发明包括并且保护如与本发明相关的领域中的技术人员将想到的那样的示例性实施例的变型、改型以及进一步的应用。

图1描绘了制冷系统10的一个实施例。制冷系统10可以使流体（诸如，例如，制冷剂）如沿管道连接件92、94、96的箭头所指示的那样循环，以便接收冷却负荷并且将热从负荷中去除以便在其它位置散热。如图所示，制冷系统10包括螺杆压缩机系统12、联接至压缩机系统12的冷凝器系统18、以及联接在压缩机系统12和冷凝器系统18之间的蒸发器系统20。螺杆压缩机12、冷凝器系统18和蒸发器系统20串联连接以形成闭环制冷系统10。也可以向系统10提供其它部件和系统，如本领域普通技术人员将理解的那样，诸如膨胀阀、节能器（economizer）、泵等。

制冷系统10涉及，例如，在约20吨至500吨或者更大的范围内的冷水机组系统。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明的实施例和特征被考虑为不仅包括并且应用于单级压缩机/冷水机组，还包括并且应用于多级压缩机/冷水机组以及并行运行的单级压缩机/冷水机组和/或多级压缩机/冷水机组。

制冷系统10可以使流体循环以控制空间（诸如，房间、家庭或者建筑）中的温度，或者用于冷却制造过程或者其它适合的用途。流体可以是选自气体、液体或者多相形式的共沸混合物、非共沸混合物或者其混合物或者调和物的制冷剂。例如，这种制冷剂可以选自以下项：R-123、R-134a、R-1234yf、R-1234ze、R-410A、R-22或者R-32。因为本发明的实施例并不限于任何特定的制冷剂，所以本发明也可适应于正在兴起的诸如低全球变暖潜能值（低GWP）制冷剂的多种多样的制冷剂。

压缩机系统12可以包括吸气口14和排气口16。如本领域技术人员已知的，压缩机系统12的吸气口14接收处于第一热力学状态的流体，并且压缩机系统12压缩流体并且将流体从吸气口14输送到在更高排气压力和更高排气温度下的排气口16。从排气口16排出的流体可以处于第二热力学状态，具有这样的温度和压力：在该温度和压力下，可以利用冷凝器系统18中的冷却空气或者冷却液体容易地使流体冷凝。

冷凝器系统18从压缩机系统12的排气口16接收压缩的流体，并且在其通过冷凝器系统18时使压缩的流体冷却。冷凝器系统18可以包括线圈或者导管，压缩的流体经过该线圈或者该导管并且冷空气或者冷流体通过该线圈或者该导管以将热排放到空气或者其它介质。在一个实施例中，尽管考虑了其它类型的冷凝器，但是冷凝器系统18是壳管满液式冷凝器。能够将冷凝器系统设置为单个冷凝器或者串联的或者并联的多个冷凝器，例如，将单独的冷凝器或者多个冷凝器连接至每个压缩机。

冷凝器系统18可以配置为通过管道92从排气口16接收流体。能够在压缩机系统12与冷凝器系统18之间提供油分离器（未示出）。冷凝器系统18可以将流体从过热蒸汽转变为饱和液体。由于冷空气或者冷液体流过冷凝器管路，制冷剂流体可以将热从制冷剂流体排出或者另外地传送到比如空气或者液体的在传热关系中的另一流体，其相应地将热带出系统10。

蒸发器系统20在经过任何介于中间的膨胀阀和/或节能器之后，通过管道94从冷凝器系统18接收冷却的流体，并且引导冷流体流过蒸发器系统20的线圈或者导管。使提供负荷的暖空气或者液体从待冷却空间穿过蒸发器系统20的线圈或导管循环。穿过蒸发器系统20的线圈或者导管的暖空气或者液体导致冷流体的液体部分蒸发。同时，可以由流体使已穿过线圈或者导管的暖空气或者液体冷却，从而降低待冷却空间的温度。压缩机系统12作为蒸发器系统20的机械的、吸气型卸荷器（unloader）运行。蒸发器系统20然后将蒸发的流体作为饱和蒸汽传送至压缩机系统12的吸气口14。蒸发器系统20完成制冷循环并且将流体返回至压缩机系统12以通过压缩机系统12、冷凝器系统18和蒸发器系统20使其再次重新循环。

蒸发器系统20能够是，例如，壳管满液式的，但是并不限于此。诸如通过将单独的蒸发器或者多个蒸发器连接至每个压缩机，蒸发器系统20能够被设置为单个蒸发器或者串联的或者并联的多个蒸发器。应当理解的是，可以采用实现通过制冷系统10循环的流体的必要相变的冷凝器系统18和/或蒸发器系统的任何构造。

参考图2，示出了制冷系统10的一个实施例的进一步的细节。制冷系统10可以包括控制器50和作为控制器50的一部分或者连接至控制器50的存储器51。压缩机系统12包括连接至旋转压缩机22和连接至变频驱动器54的电动马达系统30。如图3和图6中所示，电动马达系统30包括轴32，该轴32连接至旋转压缩机22以响应于马达系统30的运行来驱动转子24、26。返回参考图2，旋转压缩机22的排气口16包括容积控制组件，诸如容积控制组件17或者本文所讨论的其它容积控制组件，如下文进一步所讨论的，其可运行为机械地延迟制冷剂从蒸发器系统20吸气卸荷并且改变压缩机22的容量。容积控制组件控制排气口16的容积，并且因此通过改变由转子24、26在进气口14处收集的制冷剂气体的容积与由转子24、26在排气口16处收集的制冷剂气体的容积的比来控制旋转压缩机22的容积比。

压缩机系统12可以进一步包括与马达系统30相关联的一个或者多个传感器31，其经由通信链路34将信号传输至控制器50。压缩机系统12也可以包括与压缩机22相关联的一个或者多个传感器33，其经由通信链路35将信号传输至控制器50。压缩机系统12也可以包括与压缩机22相关联的吸气压力和/或温度传感器25，和排气压力和/或温度传感器27，其分别经由通信链路28和29将信号传输至控制器50。冷凝器系统18也可以包括经由通信链路37将信号传输至控制器50的一个或者多个传感器36，并且蒸发器系统20也可以包括经由通信链路39将信号传输至控制器50的一个或者多个传感器38。可以采用例如传感器25、27、31、33、36、38来感测和/或交流扭矩、速度、吸气压力和/或温度、排气压力和/或温度、和/或其它可测量参数。根据在其中使用压缩机系统12的应用可以采用其它传感器。此外，传感器25、27、31、33、36、38能够经由有线连接、无线连接和其组合来连接至控制器50。另外，传感器25、27、31、33、36、38中的任何一个或者全部可以是虚拟传感器。

如图所示，马达传感器31可以定位为接近电动马达系统30，以感测由电动马达系统30施加至旋转压缩机22的扭矩。马达传感器31可以感测马达系统30的电气运行特性。在一个实施例中，马达传感器31包括一个或者多个电流传感器。可以定位电流传感器以感测提供给马达系统30的电流并且可以生成表示感测到的电流的运行信号。在一个实施例中，马达系统30产生的扭矩取决于提供给马达系统30的电动马达64（图3和图6）的电流。虽然一个实施例中的马达传感器31包括感测提供给电动马达64的电流的电流传感器，但是马达传感器31可以在电动马达的输入和/或其它部分处感测电动马达的其它电气运行特性（诸如电压、电流、相位角、频率、有效阻抗），并且提供表示感测到的电气运行特性的运行信号。

压缩机传感器33可以进一步提供带有表示感测到的旋转压缩机22的运行参数（诸如转子24、26中的一者或者两者的尖端速度）的测量结果的运行信号。另外，将吸气压力和/或温度传感器25定位成接近旋转压缩机22的吸气口14，以感测进入吸气口14的流体的压力和/或温度。同样地，可以将排气压力和/或温度传感器27定位为接近旋转压缩机22的排气口16，以感测从排气口16排出的流体的压力和/或温度。吸气压力和/或温度传感器25、27分别提供带有表示感测到的进入吸气口14和排气口16的流体的压力和/或温度的测量结果的运行信号。如下文进一步所讨论的，能够响应于来自传感器25、27的一个或者多个压力和温度读数来控制旋转压缩机22的容积比。

控制器50可以从一个或者多个传感器25、27、31、33、36、38接收状态信号，其提供有关制冷系统10和/或压缩机系统12的运行的信息。基于状态信号，控制器50可以确定压缩机系统12的运行模式和/或运行点，并且可以基于所确定的运行模式和/或运行点来生成一个或者多个命令信号52、58以调整压缩机系统12的运行。例如，控制器50可以生成请求马达系统30根据预选的运行参数（或多个运行参数）（例如，扭矩属性（torqueprofile））运行的命令信号52。命令信号52可以使得能够在压缩机系统12的最佳扭矩和速度下运行，以使损耗和机械磨损最小化。而且，命令信号52可以使得马达64能够在与制冷系统10上的负荷对应的压缩机系统12的可变扭矩和速度下运行。此外，控制器50可以生成命令信号58，该命令信号58使得旋转压缩器22能够以压缩机系统12的最佳容积比运行以使损耗最小化并且提高效率。

控制器50可以包括处理器、微控制器、模拟电路系统、数字电路系统、固件和/或软件，它们协作以控制马达系统30和旋转压缩机22的运行。存储器51可以是控制器50的一部分或者是单独的装置，并且包括非易失性存储器装置（诸如闪存装置）、只读存储器（ROM）装置、电可擦除/可编程ROM装置、和/或电池供电（batterybacked）的随机存取存储器（RAM）装置）以存储用于马达系统30和旋转压缩机22的运行的算法、运行限制、以及其它编程和数据。存储器51可以进一步包括指令，控制器50可以执行该指令以便控制马达系统30和旋转压缩机22的容积控制组件17的运行。

可以在硬件、固件、软件或者其任何组合中实施所描述的系统和技术的一些方面。所公开的系统的一些方面也可以实施为储存在机器可读介质上的指令，其可以由一个或者多个处理器读取和执行。机器可读介质可以包括任何储存装置，信息可以以能够由机器（例如，计算装置）读取的形式储存至该储存装置。例如，机器可读介质可以包括只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）、磁盘储存介质、光储存介质、闪存装置等。

控制器50可以被设置为与变频驱动器54、压缩机系统12、冷凝器系统18，和/或蒸发器系统20通信。变速驱动器54可以驱动马达系统30的电动马达64，并且相应地驱动旋转压缩机22。能够通过改变例如，向电动马达64供给的电功率的频率来控制电动马达64的速度。结合变速驱动器54使用带有永磁类型的电动马达64的马达系统30将一些常规的马达损耗移出制冷剂回路。变速驱动器54在针对给定额定容量的压缩机系统12的预选的螺杆压缩机容量范围内的每个容量下，以最佳的或者接近最佳的旋转速度驱动压缩机系统12。变速驱动器54通常将包括：包括线性整流器和线性电流谐波减速器的电功率变换器、电源电路以及控制电路（这种电路进一步包括全部通信和控制逻辑，包含电子功率开关电路）。采用压缩机系统12的条件可以证明采用了多于一个变速驱动器54。

变速驱动器54能够配置为接收来自控制器50的命令信号52并且生成控制信号56。例如，变速驱动器54将响应从与控制器50相关联的微处理器（也未示出）所接收的命令信号52，以通过改变向电动马达64提供的电流的频率来增加或者减小马达系统30的电动马达64的速度。控制器50可以配置为接收表明压缩机系统12的运行点的状态信号和生成请求马达30每预选运行参数驱动旋转压缩机22的命令信号52。控制器50可以每预选运行参数（如同压缩机系统12的扭矩属性）生成命令信号52。控制信号56能够以实质上大于针对额定螺杆压缩机容量的同步马达旋转速度的旋转速度驱动电动马达64，并且以独立于额定螺杆压缩机容量的最佳圆周速度相应地驱动至少一个螺杆转子24。

通过使用马达64和变速驱动器54，能够改变电动马达64的速度以与变化的系统需求匹配。速度匹配产生与不具有变速驱动器54的压缩机系统相比显著地更有效的系统运行。通过当负荷不高或者达到其最大值时以较低速度运转压缩机系统12，能够提供充分的制冷效果以便以节约能源的方式来冷却减小的热负荷，从而使制冷系统10从运转成本的观点来看是更加经济的，并且促进高度有效的制冷系统10的运行，如与不能够在可能的旋转速度下进行这种负荷匹配的系统相比较的那样。此外，如下文所讨论的，响应于通过改变旋转压缩机22的容积比而形成的负荷条件来匹配马达64的速度的能力进一步提高了效率。

马达系统30和变速驱动器54具有用于低压（小于约600伏）、50Hz和60Hz的应用的电力电子器件。通常，AC电源（未示出）将向变速驱动器54供给多相电压和频率。传送至变速驱动器38的AC电压或者线电压取决于AC电源在50Hz至60Hz的线频率下通常将具有200V、230V、380V、415V、480V或者600V的标称值。

现在参考图3和图6，旋转压缩机22被示出为包括多个配合的螺杆型转子24、26的螺杆压缩机。配合的螺杆转子24、26在转子24、26与限定旋转压缩机22的外壳60的工作室66的内室壁之间限定一个或者多个压缩袋。由马达系统30供给的扭矩使螺杆转子24、26旋转，从而从吸气口14闭合压缩袋。随着转子24、26使流体朝排气口16运动，转子24、26的旋转进一步减小压缩袋的容积。由于减小压缩袋的容积，转子24、26将流体传送至在大于吸气压力的排气压力下并且在高于吸气温度的排气温度下的排气口16。

压缩机系统12进一步包括安装于邻近进气口14的压缩机外壳60的电动马达外壳62。马达外壳62封装联接至变频驱动器54的电动马达64。电动马达64可运行为驱动配合的螺杆转子24、26。在另一实施例中，马达外壳62对于压缩机外壳60而言是必需的。压缩机外壳60可以具有带有吸气口14的低压端和带有排气口16的高压端。吸气口14和排气口16与由压缩机外壳60限定的工作室66形成畅流连通（open-flowcommunication）。吸气口14和排气口16可以分别是轴向口、径向口或者轴向口和径向口的混合组合，以接收和排出制冷剂流体。

吸气口14和排气口16被配置为当转子24、26中的至少一个在近似恒定的圆周速度下运行时使流动损失最小化。吸气口14可以定位在制冷剂被抽吸入工作室66的位置。可以将吸气口14的尺寸定为尽可能的大，以使至少制冷剂的行近速度最小化，并且吸气口14的位置也可以被配置为在进入转子24、26之前使制冷剂的湍流最小化。可以将排气口16的尺寸定为大于理论上必要的尺寸，以提供热力学的最佳尺寸，并且由此降低制冷剂离开工作室66的速度。排气口16可以总体上位于制冷剂离开旋转压缩机22的工作室66的位置。可以标称地配置压缩机外壳60中的排气口16的位置，使得在传送入排气口16内之前，能够在转子24、26中获得最大排气压力。另外，旋转压缩机22可以结合消声器68或者适合于降噪的其它设备。消声器68安装至轴承外壳90，该轴承外壳90封装旋转地安装至相应的转子24、26的轴的轴承组件70、71。

安装转子24、26以便在工作室66中旋转。工作室66限定成形为一对带有平端的平行的、纵向相交的圆筒，并且紧密地容限相互配合的螺杆转子24、26的外部大小和几何结构，以在螺杆转子24、26与压缩机外壳60的内室壁之间限定一个或者多个压缩袋。第一转子24和第二转子26布置在反向旋转、相互配合的关系中并且协作以压缩流体。第一转子24可操作地联接至将以针对预选的螺杆压缩机容量范围内的螺杆压缩机容量的旋转速度旋转的马达64。在一个实施例中，在满负荷容量下所选的旋转速度实质上大于在压缩机系统12的额定容量（本文中也称为额定螺杆压缩机容量）下的同步马达旋转速度。

在所示的实施例中，第一转子24可以被称为凸形螺杆转子并且包括凸形有凸出部分的/有凹槽的主体或者工作部分，通常是螺旋地或者盘旋地延伸的平台和沟槽。第二转子26可以被称为凹形螺杆转子并且包括凹形有凸出部分的/有凹槽的主体或者工作部分，通常是螺旋地或者盘旋地延伸的平台和沟槽。在其它实施例中，第一转子24是凹形转子，并且第二转子26是凸形转子。转子24、26各自包括轴部分，其相应地安装至压缩机外壳60。例如，一个或者多个轴承组件70、72使转子24的端部分别安装于轴承外壳90和压缩机外壳60。轴承组件71、73使转子26的端部分别安装于轴承外壳90和压缩机外壳60。

一个示例性实施例中的电动马达64可以响应于从控制器50接收到的命令信号52来驱动转子24、26中的至少一个。马达64的马力能够在例如约125马力至约2500马力的范围中变化。由电动马达64供给的扭矩可以直接使螺杆转子24、26中的至少一个（诸如，在所示实施例中的第一转子24）旋转。通过采用马达64和变速驱动器54，本发明的实施例的压缩机系统12可以具有在约35吨至约500吨或者更大的范围内的额定螺杆压缩机容量。

当采用本文所公开的实施例时，虽然能够使用常规类型的马达（比如感应马达）并且其将提供益处，但是在具体的实施例中，电动马达64包括直接驱动的、变速的、密封的、永磁马达。永磁类型的马达64能够超过其它马达类型提高系统效率。马达64的永磁实施例包括马达定子74和马达转子76。定子74包括在叠片钢极周围形成的绕线线圈，其将变速驱动器54施加的电流转换为旋转磁场。定子74在压缩机系统12中安装于固定位置，并且围绕马达转子76，从而利用旋转磁场包封转子76。马达转子76是马达64的旋转部件，并且可以包括带有永磁体的钢结构，其提供与旋转的定子磁场相互作用的磁场以产生转子扭矩。另外，马达64可以被配置为接收变频控制信号并且每接收到变频控制信号则驱动至少两个螺杆转子。能够从通过制冷系统10循环的流体提供马达64的冷却。

除了通过将电动马达64与变速驱动器54连接来提供压缩机系统12的容量控制之外，压缩机系统12还包括容积控制组件17、170。当马达64经由对应于制冷系统10上的负荷的变频驱动器54，以压缩机速度运行压缩机22时，容积控制组件17、170基于制冷系统10的运行条件来调节压缩机22的容积比（Vi）。在一个实施例中，可变的容积控制组件17、170可运行为基于饱和的吸气温度和饱和的排气温度来控制压缩机22的容积比，以当根据制冷系统10上的负荷控制压缩机22的速度时提供最大效率。改变容积比以匹配运行条件（诸如，冷凝器系统18的饱和压力）能够避免压缩后的制冷剂气体压缩不足或者过度压缩中的任一者，这两种情况都会导致不必要的额外工作。变频驱动器54响应于控制器50来控制马达64以将压缩机22的容量与负荷匹配并且优化效率。

旋转压缩机22的容积比由在吸气口14处收集的制冷剂气体的容积与在释放至排气口16之前收集的制冷剂气体的容积之比确定。因此，在释放之前调整在排气口16处储存制冷剂的转子24、26的压缩袋的开启的定时导致旋转压缩机22的容积比变化。在运行中，蒸发器系统20的出口压力确定吸气口14处的制冷剂的压力，并且假设压缩机容积恒定，转子24、26的设计以及工作室66的几何结构将排气口16处的制冷剂的压力确定为随着吸气压力而变化。如果冷凝器系统18的运行压力低于排气口16处的排气压力，那么制冷剂被过度压缩并且压缩机系统12已经在不必要地过多工作。如果冷凝系统18的运行压力高于压缩机22在排气口16处的排气压力，那么制冷剂从排气口16回流至转子24、26的最后一个压缩袋内，从而因为已压缩的制冷剂的再次压缩和位移以及压缩机22中的制冷剂的加热而为压缩机系统12产生附加工作。容积控制组件17、170可运行为在排气口16处调整压缩后的制冷剂的容积，并且因此调整压缩机22的容积比以匹配冷凝器系统18的运行条件，并且通过压缩机系统12来避免不必要的工作，从而提高系统效率。

现在参考图4A-5B，示出了容积控制组件的一个实施例，并且将其标记为容积控制组件170。容积控制组件170包括容积控制构件，其能够横向运动至转子24、26的旋转轴线以调整径向排气口容积。在所示实施例中，容积控制构件包括排气口16处的能够径向运动的阀构件172，其利用致动机构径向地运动，即，横向地运动至转子24、26的旋转轴线、在图4A-4B中所示的第一位置与图5A-5B中所示的第二位置之间向内地和向外地运动。在所示实施例中，致动机构包括封装在压缩机外壳60的腔室176中的活塞174和偏压构件178，该压缩机外壳60的腔室176与压缩机外壳60的工作室66形成流体连通。

容积控制组件170包括连接至活塞174的阀172，活塞174能够运动地封装在邻近排气口16的压缩机外壳160的腔室176中。在图4A-4B的第一位置中，阀172位于转子24、26之间的工作室66中并且紧密靠近转子24、26的排气端，以沿转子24、26闭合排气口16的径向部分。第一位置为压缩机22提供增加的容积比。在图5A-5B的第二位置中，阀172朝向外壳60退回以沿转子24、26的排气端提供附加径向容积，从而增加排气口容积并且降低压缩机22的容积比。阀172能够是开启的、闭合的、或者脉动的中的任一者以影响开启位置与闭合位置之间的容积比。

阀172能够由螺纹连接、摩擦配合、焊接连接或者其它合适的连接连接至活塞174。能够将偏压构件178（诸如所示实施例中的螺旋弹簧）定位在闭合腔室176的端盖180与活塞174之间，以辅助使阀172在第一位置与第二位置之间运动。由来自偏压构件178和通过端口182进入腔室176的在排气压力下的制冷剂气体的力的组合将阀172保持在第一位置。端口182连接至电磁阀184，其选择性地隔离和打开端口182的第一通道和第二通道，该第一通道和该第二通道在排气口16和吸气口14中的相应的一个处连接至工作室66。

当制冷系统10的运行条件改变使得产生对应于更低的冷凝器系统压力的更低的饱和排气温度时，能够通过使阀172从第一位置运动到第二位置（这降低了压缩机22的容积比）来改进压缩机系统12的效率。在一个实施例中，控制器50接收来自传感器27的排气压力的输入和/或接收来自传感器36的对应于冷凝器运行压力的冷凝器系统18的饱和排气温度的输入。当饱和排气温度下降至预定阀值以下时，送至电磁阀184的命令信号或者启用或者停用电磁阀以将端口182与排气压力隔离，并且允许端口182接收吸气压力下的制冷剂气体。作用于活塞174上的更低的吸气压力允许作用于阀172上的更高的排气压力对抗偏压构件178使阀172位移至图5A-5B的第二位置。在一个实施例中，预定阀值饱和排气温度在R134a制冷剂的情况下在90华氏度（degreeF）和120华氏度之间。在一个具体实施例中，温度是约110华氏度。其它实施例取决于系统设计和运行参数考虑其它阈值温度和温度范围。

当饱和的排气温度超过预定阀值温度时，于是电磁阀184反向运行以将来自工作室66的吸气端的制冷剂气体与端口182隔离，并且准许来自工作室66的排气口16的气体进入。更高压力的气体与偏压构件178一起工作以使阀172从第二位置运动到图4A-4B的第一位置。

图7和图8示出了标注为容积控制组件17的容积控制组件的另一实施例。容积控制组件17包括诸如滑阀80的容积控制构件，其能够在图7所示的第一位置与图8所示的第二位置之间，沿转子24、26的外部周边，沿与转子24、26的旋转轴线平行的方向轴向地运动。滑阀80能够定位为在排气口16处控制转子24、26的径向排气容积。在图7中，滑阀80定位为提供沿转子24、26的一个或者多个凹槽延伸的径向排气口容积，从而产生低容积比。为了减小径向排气口容积并且因此增加容积比，可以使滑阀80运动至图8的位置。增加压缩机12的容积比增加了由转子24、26压缩制冷剂的时间和距离的长度，并且在释放至排气口16内之前减少闭合的压缩袋的容积，从而增加排气口16处的排气压力。考虑的是，滑阀80能够在图7和图8的位置之间连续地可变地位移，以响应于冷凝器系统运行压力来改变排气口16处的袋容积。在一个实施例中，滑阀80连接至轴82，其轴向地延伸至活塞外壳88中的活塞84。能够将制冷剂气体压力以受控的方式传送至活塞外壳88，以选择性地使滑阀80运动到期望位置。

现在参考图9-13，提供了容积控制组件的实施例，并且将其标注为容积控制组件270。容积控制组件270包括能够围绕平行于转子24、26的旋转轴线的轴线旋转的一对容积控制构件，其可运行为控制转子24、26的轴向排气口容积以选择性地调整转子24、26的排气端上的各种压缩袋开启和闭合的定时，并且控制排出制冷剂的定时，从而改变压缩机22的容积比。容积控制组件270能够用作唯一的容积控制组件，或者与本文所讨论的径向容积控制组件17、170中的一者组合。

在所示的实施例中，容积控制组件270包括呈第一可旋转调整的排气端板272和第二可旋转调整的排气端板274的形式的容积控制构件，上述第一可旋转调整的排气端板和第二可旋转调整的排气端板272、274安置在由轴承外壳90限定的袋276、278中的相应的一者中。端板272、274可利用致动机构围绕相应的转子24、26的轴线从图9所示的第一位置旋转到图10所示的第二位置。在所示实施例中，致动机构包括联接至端板272、274的轴280，使得轴280的旋转使端板272、274旋转。在图9的第一位置中，端板272、274定位为通过增加制冷剂从转子24、26排出之前的时间来使容积比最大化，从而减小排气口16的轴向排气口容积。在图10的第二位置中，端板272、274定位为通过减少由转子24、26压缩制冷剂的时间来使容积比最小化，从而增加排气口16的轴向排气口容积。

图11示出了端板274的示例，应当理解的是，也相似地配置端板272，但是将其尺寸设计为与转子24协作。端板274包括板状主体282，该板状主体282具有延伸至凹口区域286的半圆形部分284。主体282也限定通孔288以通过该通孔288接收转子26的轴。凹口区域286由底切部限定，其从半圆形部分284的外部周边径向地和周向向内地延伸。端板272的凹口区域285和端板274的相似的凹口区域286成形为匹配相应的转子24、26的螺杆凸出部的端部轮廓。凹口区域285、286相对于相应的转子24、26的旋转位置确定所收集的制冷剂压缩袋开始通过排气口16排气的点。

端板272、274也各自包括与轴280的接合构件294、296中的相应的一者接合的附接构件290、292。如图12所示，轴280包括延伸通过轴承外壳90中的通路298的细长主体300。利用允许轴280围绕其纵轴线旋转的细长主体300的相对端处的轴承组件302、304可旋转地支撑轴280。能够提供压力致动的密封件306以利用轴承外壳90密封轴承组件304。附接构件290、292由轴280的相应接合构件294、296接合，使得轴280的旋转使端板272、274在图9和图10的第一位置和第二位置之间旋转。在一个实施例中，轴280是接合齿轮状附接构件290、292以使端板272、274旋转的蜗轮。在进一步的实施例中，轴280由连接至控制器50的步进马达和向控制器50提供端板272、274的位置的指示的编码器驱动。

如图13所示，袋276、278能够各自包括定位在轴承外壳90中形成的沟槽中的浮动面密封件308、310，以使端板272、274周围的制冷剂的泄漏最小化。密封件308、310允许端板272、274在端板272、274后方形成朝向压缩机外壳60偏压端板272、274的高压区域时旋转，从而促进由相应的端板272、274密封转子24、26的轴向排气口。为了避免端板272、274接触转子24、26的端部，由端板272、274的半圆形部分限定的周边大小大于外壳60为相应的转子24、26限定的孔，使得端板272、274紧靠压缩机外壳60。

利用容积控制组件270控制轴向排气容积能够由反馈控制或者前馈控制实现。例如，控制器50能够监测系统吸气和排气温度和/或压力并且定位端板272、274以基于运行条件来提供最佳的容积比。例如，端板272、274的位置能够由在控制器50中编制的查询表确定。在另一实施例中，控制器50监测马达64的安培数并且调整端板272、274以调谐容积比直至观察到最小功率。

除了提供马达64的变速运行和排气口16的可调整容积控制以提高效率之外，能够以实质上高于针对压缩机22的给定额定容量的同步马达旋转速度的旋转速度运行压缩机系统12。针对额定螺杆压缩机容量范围的具体最佳速度随螺杆压缩机容量和头部压力（headpressure）而改变。选择针对压缩机22的特定额定容量的旋转速度的可允许范围以实现独立于螺杆压缩机12的额定容量的螺杆转子中的至少一个的最佳圆周速度。最佳圆周速度是转子24、26中的至少一个（通常是凸形转子24）的旋转速度和半径的恒定积（constantproduct）。

可以为每个目标容量结合配置转子24、26，吸气口14和排气口16来选择马达64的旋转速度，以实现螺杆转子24、26中的至少一者的近似恒定最佳圆周速度，而与螺杆压缩机12的额定容量无关。选择螺杆转子24、26，吸气口14，排气口16和运行旋转速度的具体组合，使得每个具体组合使压缩机22能够以针对额定容量的最佳圆周速度运转。于2012年1月26日公开的美国专利申请公开第2012/0017634号公开了最佳圆周速度控制的进一步的细节，出于所有目的，该申请的全部以引用的方式并入本文。

在一个实施例中，用于运行制冷系统的方法包括：接收有关制冷系统的运行压力和制冷系统上的负荷的运行信号；响应于制冷系统上的负荷运行机械延迟的吸气型压缩机卸荷器；并且响应于制冷系统的运行压力和压缩机卸荷器的容量来调整压缩机卸荷器的容积比。

应当理解的是，上文总结和详细描述的并且在附图中示出的示例性实施例是说明性的，并且不是限制性的或者约束性的。仅仅已经示出并且描述了当前优选的实施例，并且进入本发明的范围内的所有改变和修改将受到保护。应当认识到的是，下文描述的实施例和形式在某些情形中可以组合，并且在其它情形中可以互相排斥。同样地，应当认识到的是，下文描述的实施例和形式可以或者可以不与本文其它地方公开的其它方面和特征组合。应当理解的是，上文描述的实施例的各种特征和方面可以不是必要的，并且缺乏相同特征和方面的实施例也受到保护。在阅读权利要求书时，预期的是当使用了诸如，“一”、“一个”、“至少一个”或者“至少一部分”的词时，不旨在将权利要求限制为仅有一项，除非在权利要求中有。当使用了语言“至少一部分”和/或“一部分”时，该项能够包括一部分和/或者整个项，除非有不同的具体陈述。

Claims (33)

1.一种制冷系统，包括：

压缩机，所述压缩机包括限定吸气口、工作室和排气口的压缩机外壳，所述压缩机进一步包括在所述工作室中的至少两个转子，所述至少两个转子相对于彼此协作地设置以当所述至少两个转子相对于彼此旋转时压缩流体，所述流体通过所述吸气口接收在所述工作室内并且通过所述排气口从所述转子的排气端排出；

马达组件，所述马达组件包括可运行为在旋转速度下驱动所述至少两个转子中的至少一个的马达；

配置为接收所述制冷系统的运行参数的控制器；以及

所述压缩机的所述排气口处的容积控制组件，所述容积控制组件配置为接收来自所述控制器的命令信号并且使至少一个容积控制构件相对于所述至少两个转子的所述排气端位移，以响应于所述制冷系统的运行参数使所述压缩机的容积比从第一状态变化至第二状态。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述旋转速度使所述至少一个转子以最佳圆周速度运行，所述最佳圆周速度独立于在针对所述压缩机的额定容量的同步马达旋转速度下的所述至少一个转子的圆周速度。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述流体是制冷剂。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述马达包括永磁马达。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述容积控制组件包括径向排气口容积控制组件。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括滑阀，所述滑阀能够沿邻近所述排气口的第一转子和第二转子的周边轴向地运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括阀，所述阀能够朝向和远离邻近所述排气口的第一转子和第二转子运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述阀连接至致动器组件，所述致动器组件包括可运动地定位在由所述压缩机外壳限定的腔室中的活塞，其中，所述腔室与所述排气口和所述吸气口选择性地形成流体连通以改变所述活塞上的压力，从而调整所述阀相对于所述转子的径向位置。

9.根据权利要求8所述的系统，还包括在所述腔室中的偏压构件，所述偏压构件接合至所述活塞以将所述阀朝向所述工作室偏压。

10.根据权利要求5所述的系统，其中，所述容积控制组件还包括轴向排气口容积控制组件。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述容积控制组件还包括轴向排气口容积控制组件。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述轴向排气口容积控制组件包括：可旋转地安装在所述第一转子的排气端处的第一端板，以及可旋转地安装在所述第二转子的排气端处的第二端板，所述第一端板和所述第二端板中的每一个限定对应于所述第一转子和所述第二转子中相应的一者的轴向端出口的凹口区域。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一转子包括延伸通过所述第一端板的轴，并且所述第二转子包括延伸通过所述第二端板的轴。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一端板和所述第二端板各自包括附接构件，并且所述轴向口容积控制组件包括细长轴，所述细长轴带有接合至所述附接构件中相应的一者的第一接合构件和第二接合构件，其中，所述细长轴的旋转使所述第一端板和所述第二端板在第一位置与第二位置之间旋转。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括连接至所述马达的变速驱动器，所述变速驱动器配置为接收来自所述控制器的命令信号和生成以所述旋转速度驱动所述马达的控制信号，其中，所述变速驱动器配置为响应于所述命令信号来改变所述马达的所述旋转速度。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述容积控制构件横向地位移至所述至少两个转子中的至少一个的旋转轴线。

17.一种制冷系统，包括：

压缩机，所述压缩机包括限定吸气口、工作室和排气口的压缩机外壳，所述压缩机还包括在所述工作室中的至少两个转子，所述至少两个转子相对于彼此协作地设置以当所述至少两个转子相对于彼此旋转时压缩流体，所述流体通过所述吸气口接收在所述工作室内并且通过所述排气口从所述转子的排气端排出；

马达组件，所述马达组件包括可运行为在旋转速度下驱动所述至少两个转子中的至少一个的马达；

配置为接收所述制冷系统的运行参数的控制器；以及

在所述压缩机的所述排气口处的径向排气口容积控制组件，所述径向排气口容积控制组件配置为接收来自所述控制器的命令信号并且使至少一个容积控制构件相对于所述至少两个转子的所述排气端位移，以响应于所述制冷系统的运行参数使所述压缩机的容积比从第一状态变化至第二状态。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括连接至所述马达的变速驱动器，所述变速驱动器配置为接收来自所述控制器的命令信号和生成以所述旋转速度驱动所述马达的控制信号，其中，所述变速驱动器配置为响应于所述命令信号来改变所述马达的所述旋转速度。

19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括滑阀，所述滑阀能够沿邻近所述排气口的第一转子和第二转子的周边轴向地运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括阀，所述阀能够朝向和远离邻近所述排气口的第一转子和第二转子运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

21.根据权利要求20所述的系统，其中，所述阀连接至致动器组件，所述致动器组件包括可运动地定位在由所述压缩机外壳限定的腔室中的活塞，其中，所述腔室与所述排气口和所述吸气口选择性地形成流体连通以改变所述活塞上的压力，从而调整所述阀相对于所述转子的径向位置。

22.根据权利要求21所述的系统，还包括在所述腔室中的偏压构件，所述偏压构件接合至所述活塞以将所述阀朝向所述工作室偏压。

23.一种制冷系统，包括：

压缩机，所述压缩机包括限定吸气口、工作室和排气口的压缩机外壳，所述压缩机还包括在所述工作室中的至少两个转子，所述至少两个转子相对于彼此协作地设置以当所述至少两个转子相对于彼此旋转时压缩流体，所述流体通过所述吸气口接收在所述工作室内并且通过所述排气口从所述转子的排气端排出；

马达组件，所述马达组件包括可运行为在旋转速度下驱动所述至少两个转子中的至少一个的马达；

配置为接收所述制冷系统的运行参数的控制器；以及

在所述压缩机的所述排气口处的轴向排气口容积控制组件，所述轴向排气口容积控制组件配置为接收来自所述控制器的命令信号并且使至少一个容积控制构件相对于所述至少两个转子的所述排气端位移，以响应于所述制冷系统的运行参数使所述压缩机的容积比从第一状态变化至第二状态。

24.根据权利要求23所述的系统，还包括连接至所述马达的变速驱动器，所述变速驱动器配置为接收来自所述控制器的命令信号和生成以所述旋转速度驱动所述马达的控制信号，其中，所述变速驱动器配置为响应于所述命令信号来改变所述马达的所述旋转速度。

25.根据权利要求23所述的系统，还包括所述压缩机的所述排气口处的径向排气口容积控制组件，所述径向排气口容积控制组件配置为接收来自所述控制器的命令信号并且使至少一个容积控制构件相对于所述至少两个转子的所述排气端位移，以响应于所述制冷系统的运行参数来使所述压缩机的容积比从第一状态变化至第二状态。

26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括滑阀，所述滑阀能够沿邻近所述排气口的第一转子和第二转子的周边轴向地运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述径向排气口容积控制组件包括阀，所述阀能够朝向和远离邻近所述排气口的第一转子和第二转子运动以改变所述排气口处所述转子的径向排气容积。

28.一种用于运行制冷系统的方法，包括：

接收有关所述制冷系统的运行压力和所述制冷系统的旋转压缩机上的负荷的运行信号；

通过控制所述旋转压缩机的至少轴向排气口的容积，响应于所述运行压力来调整所述旋转压缩机的容积比；以及

响应于所述容积比和所述旋转压缩机上的负荷改变所述旋转压缩机的马达驱动的速度。

29.根据权利要求28所述的方法，其中，所述马达是永磁马达。

30.根据权利要求28所述的方法，其中，改变所述速度包括利用来自变频驱动器的控制信号来控制所述马达的所述速度。

31.根据权利要求28所述的方法，其中，调整所述旋转压缩机的容积比还包括控制所述旋转压缩机的径向排气口的容积。

32.根据权利要求28所述的方法，其中，调整所述旋转压缩机的容积比还包括控制所述旋转压缩机的轴向排气口的容积。

33.根据权利要求28所述的方法，其中，所述马达的所述速度使所述旋转压缩机的至少一个螺杆转子以最佳圆周速度运行，所述最佳圆周速度独立于在针对所述旋转压缩机的额定容量的同步马达旋转速度下的所述至少一个螺杆转子的圆周速度。