CN108138775A - 螺杆压缩机谐振器阵列 - Google Patents

Abstract

一种压缩机(20；600)，其包括：具有多个端口的外壳组件(22)，所述多个端口包括抽吸端口(24)和排放端口(26)；阳转子(30)，其被安装成绕轴线(500)旋转；阴转子(32)，其与所述阳转子啮合并且安装在所述外壳中，以用于绕轴线(502)旋转，从而用于从所述抽吸端口抽取流、压缩所述流并通过所述排放端口排放经压缩的流；在所述排放端口与所述阳转子和阴转子之间的腔(120、122；620、622、624、626)组(116、118；612、614、616、618)，所述腔组包括：隔开多个室的第一构件(124、80；682、680、630、632)；在所述第一构件顶上的多孔盖子(130、132；640、642、644、646)。

Description

螺杆压缩机谐振器阵列

相关申请的交叉引用

本公开要求于2015年10月2日提交且名称为“Screw Compressor ResonatorArrays(螺杆压缩机谐振器阵列)”的美国专利申请序列号62/236,206的权益，所述美国专利申请的公开内容通过引用的方式整体并入本文，如同详细阐述一样。

背景技术

本公开涉及压缩机。更具体地，本公开涉及螺杆压缩机中的脉动控制。

螺杆压缩机中所产生的气体脉动是当前的以及将来的诸如冷冻机(例如，空气冷却的和水冷却的二者)的蒸气压缩系统的噪音的占主导地位的因素。在螺杆转子的排放处所产生的脉动随着经制冷剂传播的波通过压缩机排放管线传导到下游冷冻机部件，从而激起导致经空气传播的声音/噪音的结构振动。类似地，压缩机增压室内的经制冷剂传播的脉动导致压缩机外壳振动并散发声音。

用于控制螺杆压缩机中的气体脉动的现有技术包括安装在压缩机排放管线中的外部消声器以及与压缩机集成的消声器。在2011年9月13日的美国专利号8,016,071及2001年9月13的国际公布号WO/2001/066946(申请号PCT/EP2001/002578)中描述了与压缩机集成的消声器的示例。

发明内容

本公开的一个方面涉及压缩机，该压缩机包括具有多个端口的外壳组件，所述多个端口包括抽吸端口和排放端口。阳转子被安装成绕轴线旋转。阴转子与阳转子啮合且安装在外壳中以用于绕轴线旋转来从抽吸端口抽取流、压缩所述流且将经压缩的流通过排放端口排放。腔组在排放端口与阳转子和阴转子之间。腔组包括分割多个室的第一构件和在第一构件顶上的多孔盖子构件。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，腔组是谐振器组。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，第一构件是整体的单件式第一构件。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，多孔盖子是平板。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，多孔盖子具有特征厚度和特征直径在所述特征厚度的1.0倍和2.0倍之间的孔。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，多个腔中的每个腔有至少10个孔。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，特征厚度为1.5mm至3.0mm。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，排放端口从排放阀座开口横向地偏移，以便在轴向投影上非重叠。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，腔组在轴承壳体的排放端处。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，第一构件被安装到轴承壳体的排放端。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，马达由外壳容纳。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，室是未填充的。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，室具有10mm至50mm的水力直径。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，腔组是第一腔组且压缩机还包括在排放端口与阳转子和阴转子之间的第二腔组。第二腔组定位成与第一腔组关于通过压缩机的流动路径相对，并且包括：整体的单件式第一构件，其分隔多个室；以及在第一构件顶上的多孔盖子构件。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，第一腔组和第二腔组之间的间隔为20mm至60mm。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，第一腔组和第二腔组的相应的盖子构件是平行的。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，第一腔组和第二腔组的相应的盖子构件正交于阳转子和阴转子的旋转轴线。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，中央屏障沿腔组分割流动路径。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，中央屏障从排放盖子朝向腔组突出。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，腔组沿轴承壳体中的排放室和排放端口之间的流动路径，并且排放端口从排放室的下游端向一个或多个工作元件的旋转轴线横向地偏移。

本公开的另一个方面涉及蒸气压缩系统，其包括所述压缩机，并且还包括：排热热交换器；吸热热交换器；以及流动路径，其从排放端口按顺序通过排热热交换器和吸热热交换器且返回到抽吸端口。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，蒸气压缩系统是冷冻机。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，用于操作压缩机或蒸气压缩系统的方法包括：驱动阳转子和阴转子的旋转以从抽吸端口抽取流、压缩流且通过排放端口排放所述经压缩的流；以及经压缩的流沿腔组经过。

在任意前述实施方案中的一个或多个实施方案中，腔组充当谐振器阵列来部分地消除脉动。

在以下的附图和说明书中阐述了一个或多个实施方案的细节。根据说明书、附图并根据权利要求，其他特征、目标和优势将是显而易见的。

附图说明

图1是螺杆压缩机的侧视图。

图2是沿图1的线2-2截取的压缩机的中央水平剖面图。

图3是沿图2的线3-3截取的压缩机的纵向垂直剖面图。

图3A是图3的压缩机的排放端的放大视图。

图4是在图2的线3-3处剖面的压缩机的视图。

图5是压缩机的上游视图，其中，移除了排放盖子组件。

图6是排放盖子组件的下游视图。

图7是包括压缩机的蒸气压缩系统的示意图。

图8是基线压缩机的纵向垂直剖面图。

图9是第二压缩机的排放端的放大视图。

各个附图中的相似的参考数字和标号指示相似的元件。

具体实施方式

图1示出螺杆压缩机20，其具有包括入口或抽吸端口24和出口或排放端口26的外壳或壳体(壳体组件)22。示例性抽吸端口24和排放端口26是轴向端口(平行于转子轴线朝向相反的方向)。壳体组件包括可由铸造或机加工合金形成的若干主要的件。

图2示出示例性压缩机为螺杆压缩机，更具体地，为双转子直接驱动的半封闭式螺杆压缩机。示例性螺杆为相应的阳转子30和阴转子32。阳转子具有带凸角的工作部分34。阴转子具有与阳转子工作部分34啮合的带凸角的工作部分36。在示例性实施方案中，阳转子由马达40驱动以绕轴线500旋转，马达40具有定子42和转子44。示例性驱动为利用安装在转子44中的阳转子的上游轴46的直接驱动。阳转子的驱动引起凸角之间的协作，进而驱动阴转子绕其轴线502的旋转。

示例性转子由沿从每个上述的转子工作部分的相对端突出的轴部分的一个或多个轴承(例如滚动元件轴承)来支撑以用于绕它们的相应轴线旋转。在示例性实施方案中，上游端轴承50和52分别安装在壳体组件的主铸件(主壳体构件)54中的相关隔室中，壳体组件的主铸件(主壳体构件)54形成转子壳体和马达壳体的本体。转子壳体部分限定容纳带凸角的工作部分的相应的孔腔56和58。在马达壳体部分的上游端处，马达壳体盖子或端板60包围马达壳体且诸如经由一体的配件62提供入口端口。示例性盖子60经由延伸通过盖子和主壳体构件的螺栓法兰环的螺栓分布圆而被固定到主壳体构件54的上游端。

在主壳体构件54的下游端处，壳体组件包括具有轴承隔室的单独的轴承壳体构件(排放端轴承壳体)70，阳转子的相应排放端轴承72和阴转子的相应排放端轴承74安装在所述轴承隔室中。排放壳体(盖子或端板)80可以覆盖轴承壳体70且可以诸如经由配件82(图3)提供排放端口。排放盖子80可以诸如经由螺栓分布圆来固定。在一个示例性实施方式中，螺栓延伸通过轴承壳体到达主壳体构件54下游端。

在操作中，通过压缩机的示例性流动路径510从抽吸端口24通过马达壳体(围绕和/或通过马达)进入到转子壳体的抽吸室100(图3)，且然后通过啮合的转子，其中流被压缩。流动路径进入转子壳体的排放室102部分中且然后通过轴承壳体的排放通路104，排放通路104形成排放室的延伸部。排放阀106(例如，弹簧加载的挡板阀)可以控制流通过排放室来防止回流。在示例性实施方案中，通路104从入口端108径向地偏离到出口端110，使得出口端在轴承壳体70中的相对外部的位置处。这个位置从排放端口26大幅度偏移(例如，关于轴承壳体和排放盖的示例性标称圆形平面近似直径地偏移)。在示例性实施方案中，端部110从上游看时在12点钟位置处，而排放端口26在6点钟位置处。这种偏移使得流动路径需要从端部110和阀106横向地向下行进以到达排放端口。这种偏移打破了排放室和排放端口之间的可视通路，从而有助于消散由压缩腔向排放室打开所产生的脉动。

为了进一步引导流，阀106的挡板105可以具有不同寻常的受限的运动范围。图3A具有虚线，其示出挡板处于停止的打开状态。枢轴(例如，轴杆)107安装挡板以用于绕轴线508(例如，水平横向轴线)相对于阀的基部109旋转。示例性停止状态涉及从闭合状态绕轴线小于90°(例如，55°到90°或55°到80°或60°到75°)的旋转。停止状态通过挡板105的背面上的停止特征部(例如，凸出部112)与(例如，经由螺钉)被安装到排放外壳的缓冲器114(例如，橡胶或合成弹性体)的接触来确定。有限的范围允许挡板下侧使流沿流动路径510向下朝着排放端口偏转。

若干另外的特征有助于减轻初始脉动的效应。一个此类的另外的特征是谐振器116和118(图3A)沿轴承壳体中的排放室/通路104与排放端口26之间的流动路径的定位。谐振器116和118各自分别形成为独立的谐振器120和122的谐振器组或阵列116和118。在示例性实施方案中，相应阵列的谐振器在流动路径的相对纵向侧上，其中，谐振器120相对地朝向压缩机的抽吸端且谐振器122相对地朝向压缩机的排放端。因此，谐振器120可以形成在轴承壳体70中或者在示例性实施方案中形成在被安装至轴承壳体(至轴承壳体的排放端面)的构件124中。然而，示例性谐振器122形成在排放盖子80的入口端表面中。如以下所进一步讨论的，谐振器120和122中的每一个通过相关联的构件中的凹口或室126、128和多孔的或带孔口的盖子130、132(例如，诸如钢的合金板)的组合来形成，盖子130、132的孔134(例如，冲压的或钻出的圆形孔(图5和图6))形成至由凹口所形成的隔室的开口。

图5和图6示出了由相应的分割壁140和142隔开的独立的凹口的布局。

用于限制脉动的效应的第三特征是在排放盖子的入口端面中屏障160(图4)的增加，以用于在流碰到排放端口之前使朝下的流侧向地转向。图6示出这个屏障，其被定位成使制冷剂流侧向地转向且因此临时地使流动路径510至少部分地分叉到相应的侧面分支中。除了中断可视通路以外，这还延伸了总体流动路径长度以及暴露于谐振器的长度。

谐振器凹口尺寸和形状(侧向尺寸、深度等)以及孔口尺寸(横向尺寸和潜在的板厚度)和分布的特定参数可以通过实验方法或通过计算机仿真来适调。腔尺寸可以基于所要寻求抵制的声音频率(或波长λ)来选择。示例性水力直径为λ的0.25倍至0.50倍。水力直径的此类选择可以由设计者直接完成或者可以编程到计算机辅助工程程序或者可以从计算机辅助工程程序得到。示例性λ基于频率。示例性频率为在压缩机的操作速度下每单位时间的压缩腔打开来排放的数目。额外的相关频率是这些频率的谐波。λ为声速除以频率。至少一个腔的水力直径可以针对压缩机的目标操作范围中的多个相应的λ中的每一个来选择。示例性声速将取决于特定的制冷剂和排放压力。示例性制冷剂包括R134a和R1234ze。压缩腔每秒打开的示例性数目为140Hz到700Hz，其中谐波则将频率的上限延伸到约5kHz(例如，七倍于示例性700Hz)。

板130和132的示例性厚度为1.0mm至5mm，更具体地，1.5mm至3.0mm。总体上，较低的值是更为理想的，但是会受制于鲁棒性的阈值以及它们自身缺少振动。示例性孔直径(或者如果使用非圆形的孔时的其他特征横向尺寸)在板厚度的0.5倍和4.0倍之间，更具体地，在1.0倍和2.0倍之间。因此，对于给定的以上示例或者1.5mm至3.0mm，示例性直径将为1.5mm至6.0mm。每个室可以存在多个孔/孔口(例如，每个室至少10个或20个)。示例性孔口板具有跨越所有相关室的连续的孔阵列。其他配置可以以特定的室对孔口进行分组。示例性阵列是规则阵列，诸如，正方形的、长斜方形的或六角形的。

示例性腔起到多模态非线性谐振器的作用。与亥姆霍兹谐振器相比，腔尺寸被设计成在相关频率的范围(例如，针对消散的操作范围的一部分)上是听觉上非紧凑的。这允许横向(侧到侧)和纵向(前到后)模式二者。这是与其中听觉上紧凑的亥姆霍兹谐振器相比，并且是与其中纵向模式驱动谐振的常规的四分之一波长谐振器相比。由此，可以获得更宽的衰减带宽。

然而，在较低速度下，示例性谐振器可以开始充当亥姆霍兹谐振器。

此外，示例性谐振器使用非线性频率耦合。这通过对用以实现非线性流态中的高速喷射的小孔尺寸和分布/密度(开口面积比)的选择来实现。结果，经由在谐振和非谐振频率二者下的紊流混合实现显著的能量消散，从而进一步增加了衰减带宽。

为了最大化制冷剂流对于谐振器的暴露，板130和132之间(沿流动路径在它们相应的相邻面之间)的间距可以优选地较小，但是不小到或不适当地限制流体流动且从而牺牲效率的点。因此，示例性间隔为10mm至100mm或20mm至60mm。

示例性凹口深度为2mm至50mm或者3mm至35mm或者5mm至25mm。这可以被测量为平均值(例如，平均数或中值、数值)或在单个位置处来测量。示例性横向凹口尺寸通过腔水力直径来表征，其中，示例性实施方案具有5mm至60mm或者10mm至50mm或者18mm至42mm的范围的水力直径。

凹口平面与孔口尺寸和分布的组合可以使得孔口覆盖凹口的平面的示例性5％至30％或6％至20％(开口区域百分比)。如以下所讨论的，这个开口区域百分比或比率可以是对于给出的目标操作条件范围针对性能所优化的参数。

图7示出包括压缩机20的蒸气压缩系统300。示例性蒸气压缩系统300是基本的冷冻机，其中制冷剂流动路径510在返回到压缩机之前从压缩机按顺序通过冷凝器302和冷却器304。示例性冷却器可以用作蒸发器以从水或其他热传递液体的流322吸收热以及冷却水或其他热传递液体的流322，以用于各种供暖通风和空气调节(HVAC)目的。类似地，冷凝器将热排出到空气或水的流320。图7也示出了膨胀设备306，诸如电子膨胀阀。可以实施更复杂的蒸气压缩系统。另外地，可以使用各种不同的压缩机配置，包括具有节约装置端口的压缩机、三转子压缩机等。虽然示例性压缩机被示出为具有卸荷活塞190(图3)，但是可以存在其他卸荷设备或根本没有卸荷设备。

图8示出基准压缩机400仅作为没有谐振器的压缩机的说明性配置，谐振器可以适用于产生上述示例性配置。在这种情况下，在排放端口和轴承壳体中的排放室的下游端之间基本上无偏移。因此，排放端口从排放阀座开口横向地偏移，以便在轴向投影上非重叠。此外，在排放端口和转子之间存在可视通路。在其他配置中，即使在排放端口和转子之间没有可视通路，流动路径也可以仅做得稍微线性偏离，因此允许脉动容易传播。包括图8的压缩机的示例性基准系统因此将包括在相关联的冷凝器之前介于中间的外部消声器组件。

此外，虽然示出了未填充的谐振器室，但是存在利用多孔介质填充的可能性，所述多孔介质诸如玻璃或聚合物纤维、聚合物泡沫、发泡粒状材料(例如，发泡聚丙烯)等。所述填充可能有损纯谐振器功能，但是可以通过阻尼或其他衰减来对其进行弥补。因此，谐振器可以更宽泛地表征为腔，因为它们可以具有非谐振器功能。

又另一振动涉及多层谐振器。压缩机600(图9)的一个示例将在谐振器620、622(诸如上面的120和122)的层/阵列/组616、618的顶上放置另外的谐振器624、626的层/阵列/组612、614。该增加可以包括具有大的通孔634、636的厚板630、632以形成被放置在多孔的或带孔口的盖子640、642(类似于130、132)顶上的第二谐振器层的室且然后形成在板的顶上的另一多孔的或带孔口的盖子644、646。

因此，板630和632的完整部分的平面可以对应对谐振器620、622中的室进行分隔的在下面的壁的平面布局。对于厚板630和632中的每一个，单组的紧固件(例如，螺钉)可以沿着所述板和相关联的多孔的板的相应的面的二者送入通过所述板和相关联的多孔板并且进入到相邻的壳体部件682和680中。因此，可以看到的是，示例性压缩机600具有稍微不同的主壳体部件的布置，从而反映出稍微不同的基准压缩机。因此，排放阀不安装到轴承壳体670中，而是安装到另外的壳体构件682中，壳体构件682介于轴承壳体670和排放壳体680之间且分割谐振器620的室。

在从没有此类谐振器的基准压缩机的示例性再造工程中，压缩机600可能需要排放壳体680的加长以适应由另外的谐振器层所占据的纵向空间。在其他方面，构造细节和技术可以类似于针对第一压缩机上述的那些以及类似于任何基准压缩机。

可使用其他常规的或尚在开发的材料和技术来制造压缩机和冷冻机系统。

说明书中和所附权利要求书中的“第一”、“第二”以及类似词语的使用仅仅是为了在权利要求内进行区别，而不一定指示相对或绝对的重要性或时间顺序。类似地，权利要求中将一个元件标识为“第一”(或类似表述)不排除此类“第一”元件标识在另一权利要求或说明书中被称为“第二”(或类似表述)的元件。

已描述了一个或多个实施方案。然而，应理解，可做出各种修改。例如，当应用于现有的基本系统时，此类配置或其相关联使用的细节可能影响特定实施方式的细节。因此，其他实施方案均处于所附权利要求书的范围内。

Claims (24)

1.一种压缩机(20；600)，其包括：

具有多个端口的外壳组件(22)，所述多个端口包括抽吸端口(24)和排放端口(26)；

阳转子(30)，其被安装成绕轴线(500)旋转；

阴转子(32)，其与所述阳转子啮合并且安装在所述外壳中，以用于绕轴线(502)旋转，从而用于从所述抽吸端口抽取流、压缩所述流并通过所述排放端口排放所述经压缩的流；

在所述排放端口和所述阳转子与阴转子之间的腔(120、122；620、622、624、626)组(116、118；612、614、616、618)，所述腔组包括：

隔开多个室的第一构件(124、80；682、680、630、632)；以及

在所述第一构件顶上的多孔盖子(130、132；640、642、644、646)。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述腔组是谐振器组。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的压缩机，其中：

所述第一构件是整体的单件式第一构件。

4.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述多孔盖子是平板。

5.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述多孔盖子具有特征厚度以及特征直径在所述特征厚度的1.0倍和2.0倍之间的孔。

6.根据权利要求5所述的压缩机，其中：

多个所述腔中的每个腔存在至少10个孔。

7.根据权利要求5或权利要求6所述的压缩机，其中：

所述特征厚度为1.5mm至3.0mm。

8.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述排放端口从排放阀座开口横向地偏移，以便在轴向投影上非重叠。

9.根据权利要求8所述的压缩机，其中：

所述腔组(116；616、612)在轴承壳体(70；670)的排放端处。

10.根据权利要求9所述的压缩机，其中：

所述第一构件(124；682)被安装到所述轴承壳体(70)的所述排放端。

11.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其还包括：

由所述外壳容纳的马达(40)。

12.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述室是未填充的。

13.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述室具有10mm至50mm的水力直径。

14.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中，所述腔组是第一腔组且所述压缩机还包括：

在所述排放端口与所述阳转子和阴转子之间的第二腔组，所述第二腔组定位成与所述第一腔组关于通过所述压缩机的流动路径(510)相对，并且包括：

分隔多个室的整体的单件式第一构件；以及

在所述第一构件顶上的多孔盖子构件。

15.根据权利要求14所述的压缩机，其中：

所述第一腔组和所述第二腔组之间的间隔为20mm至60mm。

16.根据权利要求14所述的压缩机，其中：

所述第一腔组和所述第二腔组的相应的盖子构件是平行的。

17.根据权利要求14所述的压缩机，其中：

所述第一腔组和所述第二腔组的相应的盖子构件正交于所述阳转子和阴转子的旋转轴线(500、502)。

18.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

中央屏障(160)沿所述腔组分割流动路径(510)。

19.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述中央屏障(160)从排放盖子(80)朝向所述腔组(116)突出。

20.根据任一前述权利要求所述的压缩机，其中：

所述腔组沿着轴承壳体中的排放室和所述排放端口之间的流动路径；且

所述排放端口从所述排放室的下游端(110)横向于一个或多个工作元件的旋转轴线偏移。

21.一种蒸气压缩系统(300)，其包括任一前述权利要求所述的压缩机并且还包括：

排热热交换器(302)；

吸热热交换器(304)；以及

流动路径，其从所述排放端口按顺序通过所述排热热交换器和吸热热交换器且返回到所述抽吸端口。

22.根据权利要求21所述的蒸气压缩系统是冷冻机。

23.用于操作任一前述权利要求所述的压缩机或蒸气压缩系统的方法，所述方法包括：

驱动所述阳转子和所述阴转子的旋转以从所述抽吸端口抽取流、压缩所述流且通过所述排放端口排放所述经压缩的流；以及

所述经压缩的流沿所述腔组经过。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述腔组充当谐振器阵列以部分地消除脉动。