CN105909495A - 压缩机气缸的专用脉冲阀 - Google Patents

Abstract

一种在制冷剂压缩回路中使用的往复活塞式压缩机，包括第一和第二吸入歧管、第一和第二往复活塞压缩单元、排出歧管和第一脉冲阀。该吸入歧管分离进入该压缩机的吸入流。该第一和第二往复活塞压缩单元分别接收来自该第一和第二吸入歧管的流。该排出歧管收集和分配来自该第一和第二压缩单元的被压缩制冷剂。该第一脉冲阀被安装于该第一吸入歧管外部以调节流入该第一吸入歧管的制冷剂流。在另一个实施例中，第二阀被安装于该第二吸入歧管外部，以调节流入该第二吸入歧管的流，并且该第一和第二阀通过控制器操作。该控制器以具有小于该制冷剂压缩循环的运转惯量的间隔的可变宽度脉冲致动该第一阀。

Description

压缩机气缸的专用脉冲阀

本申请是于2009年8月11日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200980131426.8，国际申请号为PCT/US2009/053417，发明名称“压缩机气缸的专用脉冲阀”)的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于制冷系统的压缩机，如空调和制冷系统。更特别地，本发明涉及一种往复活塞式压缩机的流动控制系统。

背景技术

制冷系统通常包括蒸气压缩回路，其中压缩机通过蒸发器、膨胀装置和冷凝器循环制冷剂。通常，在冷却系统中，蒸发器换热器位于冷却空间中，冷凝器换热器位于该空间外。该蒸发器从该空间吸热，借此制冷剂将热量带到冷凝器以排放到环境中。在一些系统中，空间里的温度需要维持在窄的温度范围内。例如，在储存食品的冷藏单元里需要维持几乎恒定的温度。

通常由控制器监控制冷系统和压缩机的操作，该控制器对该冷却空间里所感测的温度做出反应。通常，该空间里的温度通过控制该蒸气压缩回路中的制冷剂流率（flowrate）来调节，通常通过控制该压缩机的操作。然而，改变制冷剂流率，就会改变该蒸气压缩回路的能力，这阻碍了温度的精确控制。例如，如果该控制器感测到该空间处于合适的温度，则该控制器可以中断该压缩机的操作。一旦该空间里的温度升至设定温度极限值以上，该压缩机就必须重新启动。制冷系统中的如此中断不仅产生压缩机对该空间内的冷却需求的响应能力的滞后，还产生该蒸气压缩回路中冷凝器和蒸发器的换热能力的不希望的中断。

流过该蒸气压缩回路的制冷剂流也可以通过在该蒸气压缩回路的压缩机和蒸发器之间安装的主动控制阀来控制。该控制器向该阀发出脉冲控制信号以允许制冷剂间歇迸发进入到压缩机中以改变该压缩机的能力。因此，不需要关停该压缩机并且可以避免该蒸气压缩回路的时间滞后和低效率。在Lifson的美国专利6047556中参照往复活塞式压缩机描述了一种这样的脉冲宽度调制系统，该专利的受让人为纽约Syracuse的开利公司（Carrier Corporation）。然而，此阀位于吸入歧管之前，这样整个压缩机的能力通过该阀调节。在Sandkoetter的美国专利申请2006/0218959中描述了另外一种系统，其直接将脉冲宽度调制阀整合在压缩机的气缸盖中，该专利申请受让人为德国Sindelfingen 的BitzerKuehlmaschinenbau。然而，此压缩机需要定做部件并且给压缩机添加了不希望的复杂性。

发明内容

本发明的示例性实施例包括在蒸气压缩回路中使用的往复活塞式压缩机。在一个实施例中，该压缩机包括第一和第二吸入歧管、第一和第二往复活塞压缩单元、出口歧管和第一脉冲阀。该第一和第二吸入歧管配置成分开进入该压缩机的吸入流。该第一和第二往复活塞压缩单元配置成分别接收来自该第一和第二吸入歧管的流。该出口歧管配置成收集和分配来自该第一和第二压缩单元的被压缩制冷剂。该第一脉冲阀被安装于该第一吸入歧管外部，并且配置成调节流入该第一吸入歧管的制冷剂流。

附图说明

图1示出了本发明的具有压缩机的蒸气压缩回路的示意图，所述压缩机包括带有主动控制阀的分流吸入管线。

图2示出了图1的往复活塞式压缩机的示意剖面图，该压缩机具有带有专用入口阀的压缩气缸。

具体实施方式

图1示出了本发明的包括压缩机12和入口阀14A、14B的制冷系统10的示意图。制冷系统10还包括冷凝器换热器16、膨胀装置18和蒸发器换热器20，这些部件串联连接形成为空间22提供冷却空气的蒸气压缩回路。制冷系统10配置成分流系统，其中蒸发器20位于空间22里面，并且压缩机12、冷凝器16和膨胀装置18位于空间22的外部。制冷系统10和控制系统连接，该控制系统包括控制器24、外部风扇26、内部风扇28、外部传感器30和内部传感器32。基于如通过传感器30和32感测的温度和湿度的因素，控制器24操作风扇26和28、压缩机12和阀14A、14B以为空间22提供冷却的调节后的空气。空间22包括如在冰箱或运输集装箱中的气候控制空间，在该空间中在窄范围内调节温度。入口阀14A和14B调节流过该蒸气压缩回路的制冷剂流以控制产生在空间22里的冷却量。具体来说，阀14A和14B限制进入压缩机12的制冷剂量以减少流向冷凝器16的制冷剂流。

在所示的实施例中，压缩机12与蒸气压缩回路联合使用以压缩制冷剂。可以使用工业中已知的任何合适的制冷剂，例如R-22、R404a、R-134a、或CO₂制冷剂。压缩机12还可以使用于其他应用，以压缩其他流体或物质。当为空间22提供冷却空气时，压缩机12压缩制冷剂到高温和高压，使得制冷剂基本由过热蒸气构成。该制冷剂从压缩机12在排出管线34A排出到空间22外部的冷凝器16，这时控制器24启动风扇26以传送相对来说更冷的户外空气A_O穿过冷凝器16。冷凝器16提供多个内部流动回路中的制冷剂的表面区域，这样户外空气A_O和制冷剂能更好换热。制冷剂冷却和凝结成高压的饱和液体，并排出热量到空间22外部。随着户外空气A_O通过风扇26吹过冷凝器16，户外空气A_O从冷凝器16里的制冷剂吸收热量。接着，制冷剂从冷凝器16流过管线34B行进，然后流过膨胀装置18，该膨胀装置18降低该制冷剂的压力和温度，这样该制冷剂在膨胀过程中转化成液体和蒸气的两相状态。该冷的制冷剂穿过管线34C继续流到蒸发器20中，在这里，控制器24启动风扇28以传送相对来说较热的户内空气A_I穿过蒸发器20。随着户内空气A_I穿过蒸发器20的换热回路，户内空气A_I将热量转到蒸发器20里的制冷剂。该制冷剂蒸发和从相对来说较热的户内空气A_I中吸收热量，使得该制冷剂汽化。随后该热蒸气穿过吸入管线34D和分流管线36被吸入到压缩机12中，在这里被压缩和加热到高温、高压蒸汽，这样能够重复该循环。

制冷系统10利用由压缩机12和膨胀装置18产生的压差以及冷凝器16和蒸发器20的热量传递能力从空间22中移出热量。因此，该系统10从空间22中移出热量的能力取决于穿过管线34A-34D循环的制冷剂质量流率。本发明利用阀14A和14B控制穿过压缩机12的制冷剂流率。具体来说，阀14A和14B为了方便接触而设置在压缩机12外部，其调节压缩机12内个别压缩气缸的能力。在本发明不同的实施例中，阀14A和14B包括由控制器24在小于该蒸气压缩回路系统10的热惯量的时间尺度上启动的脉冲阀。

系统10的热惯量和在通过系统10的制冷剂循环停止后的蒸发器20里的制冷剂温度变化相关。在被调节空间足够冷却后，在传统压缩机驱动的制冷系统中，压缩机阀关闭以在一段时间内停止流体通过该蒸发器，这通常导致系统的热惯量，从而在制冷剂流再恢复时降低系统性能。在本发明中，阀14A和14B由控制器24操作以避免热惯量影响系统10的性能。具体来说，控制器24通常以小于系统热惯量的短脉冲关闭入口阀14A和14B中的至少一个，由此不会明显影响被调节环境中的温度。在一个实施例中，阀14A和14B的一个保持关闭，同时另一个被脉冲，这样使得压缩机12的能力减少，制冷剂流仅短暂地在不影响系统性能的时间段停止。在另一个实施例中，阀14A和14B的一个被脉冲，同时另一个保持打开，以减少压缩机12的能力。

图2示出了图1的往复活塞式压缩机示意剖面图，其包括分别具有专用入口阀14A和14B的压缩气缸38A和38B。压缩机12还包括壳体40、第一吸入歧管42A、第二吸入歧管42B、排出歧管44、曲轴46、第一连杆48A、第二连杆48B、第一活塞头50A和第二活塞头50B。提供高压缩比的往复活塞式压缩机特别适合以CO₂制冷剂运行的制冷系统，CO₂制冷剂通常以接近其他制冷剂如R134A或R22的五倍的高压力运行。

图2示出了压缩机12配置成具有两个往复活塞压缩单元的V-块型压缩机，每个压缩单元通过分流吸入管线36A和36B之一供给。在其他实施例中，压缩机12可以具有额外的类似于图2所示的往复活塞压缩单元，每一个具有单独的从吸入管线34D延伸的分流管线。例如，压缩机12可以具有三个压缩气缸，每一个都具有吸入歧管、分流吸入管线和专用入口阀。在另一个实施例中，第三压缩气缸通过从吸入管线36A或36B分流的吸入管线供给。在任何实施例中，压缩机12都设置有至少一个允许一个压缩气缸从全能力到零能力调节的脉冲宽度调制阀。而其他压缩气缸可以通过例如开/关阀或脉冲宽度调制阀控制，或者可以没有阀。该入口阀一齐被操作以控制压缩机12的能力可从接近零到百分之百。图2描述了两个阀14A和14B，其都包括脉冲宽度调制阀，其中之一可以在其他实施例中用开/关阀替代。

在压缩机12中，活塞头50A和50B分别被置于活塞缸38A和38B中。活塞头50A和50B分别通过连杆48A和48B与曲轴46连接。连杆48A和48B分别在曲柄销54A和54B上与曲轴46夹紧连接，曲柄销54A和54B具有和曲轴46中心错开的中心。连杆48A和48B分别在销连接56A和56B处连接活塞头50A和50B。曲轴46连接原动机，如电动机或引擎，以使曲轴46绕其中心轴线转动。曲柄销54A和54B错开，这样曲轴46的旋转使曲柄销54A和54B产生绕曲轴46中心轴线的作圆周轨道运动。连杆48A和48B可旋转地连接曲柄销54A和54B，并且可枢转地连接活塞头50A和50B，这样曲柄销54A和54B的轨道运动产生活塞头50A和50B在活塞缸38A和38B中的往复运动。平衡块58补偿连接于曲轴46的非平衡部件的重量，如杆48A和48B。因此，头50A和50B在气缸38A和38B内提供了制冷系统10的蒸气压缩回路的制冷剂的压缩。

压缩机12在吸入管线34D和排出管线34A之间产生压差，使得来自蒸发器20（图1）的热蒸气制冷剂通过分流管线36被推向吸入歧管42A和42B。从吸入管线34D流出的制冷剂在管线34D与分流管线36的接合点分成两股流。第一股制冷剂流导入第一分流管线36A，在这里流过第一吸入阀14A并流入第一吸入歧管42A。第二股制冷剂流导入第二分流管线36B，在这里流过第二吸入阀14B并流入第二吸入歧管42B。第一吸入歧管42A和第二吸入歧管42B相互分离，这样一旦该第一股和第二股制冷剂流在分流管线36分开，它们不会重新结合，直到气缸38A和38B中的压缩过程完成。控制器24提供脉冲宽度调制阀控制信号PWM_A和PWM_B以分别调节入口阀14A和14B的位置。通过分流管线36A和36B的制冷剂流由入口阀基于PWM_A和PWM_B信号的脉冲宽度控制。

低压制冷剂R_LP从分流管线36A和36B穿过阀14A和14B流到吸入歧管42A和42B。从第一和第二吸入歧管42A和42B中，低压制冷剂R_LP通过压缩机12的作用被推入到气缸38A和38B中。气缸38A和38B分别包括抽吸阀52A和52B，和调节通过压缩机12的流的排出阀（未示出）。该排出阀位于未在图2的剖面图中示出的排出歧管中，这是本领域公知的。抽吸阀52A、52B和排出阀包括任何适合于在往复活塞式压缩机中使用的本领域公知的阀，如电磁阀。在吸入冲程期间，随着曲柄销54A远离气缸38A转动，杆48A推动活塞头56A远离吸入歧管42A。气缸38A被密封，这样在气缸38A里产生使得抽吸阀52A打开并且气缸38A里的排出阀关闭的低压。因此，低压制冷剂R_LP从吸入歧管42A流向压缩气缸38A。在压缩冲程期间，随着曲柄销54A朝向气缸38A转动，杆48A朝向吸入歧管42A推动活塞头56A。气缸38A被密封，这样在气缸38A里建立使得抽吸阀52A关闭并且气缸38A里的排出阀在阈值压力下打开的压力。因此，高压制冷剂R_HP从气缸38A被推入排出歧管44中。同时，当活塞头50A经历交替的抽吸和压缩冲程时，活塞头50B经历交替压缩和抽吸冲程。因此，低压制冷剂R_LP也从吸入歧管42B流入气缸38B，在这里其被压缩并以高压制冷剂R_HP排出到排出歧管44中。来自排出歧管44的高压制冷剂R_HP继续流向排出管线34A，在这里其返回蒸气压缩回路和冷凝器16（图1）。

从分流管线36流到吸入歧管42A和42B的低压制冷剂流R_LP通过由控制器24控制的阀14A和14B调节。控制器24包括基于从制冷系统10感测的数据、如空间22的温度，协调阀14A和14B的操作的微处理器，，以依据冷却需求改变压缩机12的能力。在本发明的一个实施例中，第一入口阀14A和第二入口阀14B包括脉冲宽度调制阀。任何快速响应输入信号的脉冲宽度调制阀都可以在本发明中使用，如电磁阀或直接致动阀。控制器24通过向阀14A和14B发布脉冲控制信号，计量流到吸入歧管42A和42B中的低压制冷剂流R_LP，以将空间22的温度维持在窄范围里。控制器24通过控制入口阀14A打开的时间百分数，主动调节第一气缸38A的能力。相似地，控制器24通过控制入口阀14B打开的时间百分比，主动调节第二气缸38B的能力。具体来说，控制器24在小于蒸发器20的热惯量升高到系统性能开始降低的温度以上所花时间的时间间隔内操作阀14A和14B。例如，在一个实施例中，阀14A和14B具有大约0.5工作周期，其中阀14A和14B在十秒的开/关时间间隔内被操作。然而，该控制器24的微处理器能够编程以在任何时间间隔内操作阀14A和14B，从而避免蒸发器20热惯量问题。

控制器24以及阀14A和14B允许独立地调节个别往复活塞压缩气缸38A和38B的能力，使得压缩机12的整个运转能力能够在零和百分之百之间调节。例如，阀14A和14B的单独脉冲宽度调制允许气缸38A和38B中的每一个在零和满能力之间的任何地方运转，每个代表压缩机12的百分之五十能力。因此，压缩机12的能力能够精确地控制在零和百分之百之间的任何地方。

在本发明的其他实施例中，阀14A和14B的一个可以包括传统的开/关阀，其可主动或手动操作，另一个可以包括脉冲宽度调制阀。如此，压缩机12的能力可以被开/关阀粗放地控制，并且被脉冲宽度调制阀精细地调节。例如，该开/关阀打开时，一个气缸提供给压缩机12百分之五十能力，同时该脉冲宽度调制阀被调制以调节另外百分之五十能力。相似地，一个气缸可以保持打开，或未设置阀，这样该气缸始终给压缩机12提供百分之五十能力。如此，压缩机12的能力可以设置在百分之五十和百分之百之间的任何地方。该开/关阀关闭时，一个气缸防止压缩机12接收百分之五十能力，同时该脉冲宽度调制阀调制以调节另外百分之五十的能力。如此，压缩机12的能力可以设置在百分之零和百分之五十之间的任何地方。

用单个脉冲宽度调制阀的从零到百分之百的能力调节可以延伸到具有任何数量的压缩气缸的压缩机中。一个气缸容纳该脉冲宽度调制阀，同时剩下的气缸要么不提供阀要么提供非调制阀。例如，三缸压缩机可以提供一个脉冲宽度调制阀和以下项中的一个：（1）两个开/关阀、（2）两个开放气缸、或（3）一个开/关阀和一个无阀或开放气缸。因此，本发明通过在压缩单元上设置脉冲宽度调制阀从而允许快速、小尺度地调节压缩机的能力，从而能够实现温度敏感空间，如冰箱的精确气候控制。

脉冲宽度调制阀14A和14B也允许在制冷系统10运转期间压缩机12不中断地运转。压缩机12连续运转以循环制冷剂流过系统10，而阀14A和14B连续运转以调节压缩机12的能力和通过系统10循环的制冷剂量。因此，不需要关闭压缩机12的运转来调节压缩机12的能力。压缩机12的连续运转允许对被调节空间的严格温度控制。通过消除压缩机12在激活时开始压缩制冷剂所需的时间，压缩机12的连续运转也消除了制冷剂通过系统10循环时的延迟。

压缩机12以及阀14A和14B也给制冷系统10提供了低成本、易装配和维修的能力调节压缩机系统。例如，阀14A和14B连接到压缩机12外部，而不是整合到复杂和精巧的集管系统（header system）中。如此，阀14A和14B可以使用“现成的”阀或传统阀，因此经济有效。众所周知此阀具有超过几百万次循环的生命周期，因此不用频繁更换。在更换或维修中，阀14A和14B不需要从壳体40上拆除吸入歧管42A或42B或拆卸压缩机12就可以接触。进一步，分流管线36A和36B采用标准管或导管制造，如管线34A-34D所使用的，从而进一步减少了制造时间和构造、维修制冷系统10的花费。因此，本发明消除了定做阀、集管（header）和管道的需要。

尽管本发明参考优选实施例被描述，但是在不偏离本发明精神和范围的情况下，形式和细节上的变化是本领域技术人员可以认可的。

Claims (14)

1.一种往复活塞式压缩机，所述压缩机包括：

用于分离进入所述压缩机的入口流的第一吸入歧管和第二吸入歧管；

分别配置成接收来自所述第一吸入歧管和所述第二吸入歧管的流的第一往复活塞压缩单元和第二往复活塞压缩单元；

共同供给管线，所述共同供给管线包括延伸到所述第一往复活塞压缩单元的第一分流部分；和延伸到所述第二往复活塞压缩单元的第二分流部分；

第一脉冲阀，所述第一脉冲阀定位于所述第一分流部分中；

第二脉冲阀，所述第二脉冲阀定位于所述第二分流部分中；以及

用于收集和分配来自所述第一压缩单元和所述第二压缩单元的被压缩制冷剂的出口歧管；

其中，所述共同供给管线、所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀设置在所述压缩机的外壳外部；

所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀可以在不拆除所述压缩机的所述第一吸入歧管和所述第二吸入歧管的情况下就能从所述第一分流部分和所述第二分流部分上移除。

2.如权利要求1所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述共同供给管线与换热器排出口相连。

3.如权利要求2所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述第一脉冲阀定位于所述共同供给管线和所述第一吸入歧管之间位于所述第一吸入歧管外部，且配置成调节流入所述第一吸入歧管的制冷剂流。

4.如权利要求2或3所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述第二脉冲阀定位于所述共同供给管线和所述第二吸入歧管之间位于所述第二吸入歧管外部，且配置成调节流入所述第二吸入歧管的制冷剂流。

5.如权利要求4所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述第二脉冲阀包括配置成停止或开始流向所述第二吸入歧管的制冷剂流的开关阀。

6.如权利要求4所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，其还包括致动所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀的控制器，其中所述控制器具有从零到百分之百地调节所述压缩机的能力，而不影响所述第一往复活塞压缩单元和所述第二往复活塞压缩单元的运转。

7.如权利要求6所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述控制器具有单独地调节所述第一往复活塞压缩单元和所述第二往复活塞压缩单元的能力。

8.如权利要求6所述的往复活塞式压缩机，其特征在于，所述控制器在大约0.5开/关工作周期里在小于大约10秒的时间间隔内操作所述第一脉冲阀。

9.一种制冷剂的蒸气压缩回路，所述蒸汽压缩回路包括：

冷凝器；

配置成从所述冷凝器接收制冷剂的膨胀装置；

配置成从所述膨胀装置接收制冷剂的蒸发器；

配置成从所述蒸发器接收制冷剂并提供给压缩机的共同供给管线，所述共同供给管线具有第一分流部分和第二分流部分；

其中，所述压缩机包括：

连接到所述第一分流部分的第一往复活塞压缩腔；

连接到所述第二分流部分的第二往复活塞压缩腔；

第一脉冲阀，所述第一脉冲阀定位于所述第一分流部分中；

第二脉冲阀，所述第二脉冲阀定位于所述第二分流部分中；和

配置成从所述第一往复活塞压缩腔和所述第二往复活塞压缩腔接收经压缩的制冷剂并且经所述压缩机的出口歧管将所述经压缩的制冷剂导入所述冷凝器的排出管线；

其中，所述共同供给管线、所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀设置在所述压缩机的外壳外部；

所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀可以在不拆除所述压缩机的第一吸入歧管和第二吸入歧管的情况下就能从所述第一分流部分和所述第二分流部分上移除。

10.如权利要求9所述的蒸气压缩回路，其特征在于，第一吸入歧管和第二吸入歧管用于独立地经所述第一分流部分和所述第二分流部分将制冷剂导入所述第一往复活塞压缩腔和所述第二往复活塞压缩腔。

11.如权利要求10所述的蒸气压缩回路，其特征在于，其还包括操作所述第一脉冲阀和所述第二脉冲阀的控制器，这样所述压缩机的输出能够在不用减少所述往复活塞压缩腔的运转速度的情况下在零到满能力之间调节。

12.如权利要求9所述的蒸气压缩回路，其特征在于，所述制冷剂包括二氧化碳制冷剂。

13.如权利要求9所述的蒸气压缩回路，其特征在于，所述第一脉冲阀定位于所述第一吸入歧管外部，且配置成调节流入所述第一吸入歧管的制冷剂流，而所述第二脉冲阀定位于所述第二吸入歧管外部，且配置成调节流入所述第二吸入歧管的制冷剂流。

14.如权利要求9所述的蒸气压缩回路，其特征在于，其还包括连接到所述第一分流部分的第三往复活塞压缩腔，和连接到所述第二分流部分的第四往复活塞压缩腔，其中所述第一脉冲阀调节流入所述第一压缩腔和所述第三压缩腔的流。