CN1087404C - 压缩机 - Google Patents

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Abstract

离心式制冷压缩机包括至少一个叶轮(17、18)、一台电机(27)和装在非润滑式径向轴承中的驱动轴(22)，这种轴承例如为磁性或箔片气体轴承(23、24)，通过轴(22)的轴向定位装置(26)限制轴(22)相对于压缩机壳体(12)的轴向运动。壳体(12)包围着电机(27)和压缩机，并构成了气体进口(31)和气体出口(16)通道。在进口(31)中设有气体节流装置(34)。控制装置(30)根据制冷的荷载改变电机(27)的速度和节流装置(34)，以控制压缩比和流经压缩机的质量流量。

Description

压缩机
                 发明领域
本发明涉及一种压缩机，特别是用于制冷系统、环境控制系统、空气调节系统等的压缩机。为了方便起见，将具体针对空调系统来说明本发明。
空调系统采用各种规格的压缩机，其范围从用于汽车和民用住宅的很小型的压缩机，到制冷量高达数百吨用于工业空调设备中的压缩机。
                   发明背景
这些用于空调等系统中的气体压缩机，采用润滑油或其它可能的代用品作为压缩机轴承的润滑剂。因为润滑油和它们在其中工作的制冷剂有亲合力并吸收这些制冷剂，因此理想的做法是，即使压缩机没有工作，但为了避免制冷剂凝结在油中，亦应使润滑油保持高温。在压缩机开始起动时，这种凝结的制冷剂使润滑油起泡沫，并最终导致压缩机损坏。
此外，直到现在所设计的空调系统制冷循环必须保证，流过系统的所有润滑油能回到压缩机。因为难于限制或避免润滑油通过整个制冷系统，所以在设计系统时需要设置集油槽和应考虑使油返回。其结果是引起一些限制，诸如需要限定设备的位置，管道延伸的长度，制冷剂导管系统的尺寸以及用于系统中的设备特性。由于必须考虑到这些因素，所以系统的效率和系统的工作性能，例如低于满载运行的性能会受到损害。
大多数制冷和空调系统目前采用一种制冷剂R12和类似的制冷剂，这是一种CFC或HCFC制冷剂并可能破坏环境。其他的一些在使用着的制冷剂包括R22，这是目前有关臭氧层的蒙特利尔议定书批准直至公元2030年允许使用的。然而，使用这种制冷剂必须逐渐减小其用量，只有称为R134A的无CFC工业制冷剂才是蒙特利尔议定书和国际采暖、通风、空调工业(HVAC)目前无条件地完全认可的。但由于R134A的化学结构导致其性能下降多达约30％，所以这种制冷剂在工业中不适合直接替代现有的密闭或半密封式机器中的CFC制冷剂。此外，制冷剂R134A基本上不适用于现有的压缩机，因为这种制冷剂在化学上与现有用于压缩机机械轴承和其他旋转或往复运动零件中的润滑油是不相容的。
现有空调系统的另一个缺点是，通常制冷量在1至150千瓦之间的小型至中型制冷系统采用的往复式、旋转式或涡旋式压缩机，虽然可以比较经济地制造，但是效率较低。规格在150于1000千瓦之间的螺旋压缩机虽然有更高的效率，但大多数500千瓦以上的系统采用离心式压缩机。它们的效率高于螺旋压缩机，但通常其生产和维护的费用却高得多。
180千瓦以下小型设备的效率，受现有的有关往复式、旋转式、涡旋式和螺旋式压缩机技术的限制。而离心式机械在小功率范围并限制高转速地驱动可以提供较高的效率，但其成本高，因而影响它的使用。
                 背景技术
WO91/17361号WIPO出版物公开了一种用于药品、食物等工业中的无油离心式压缩机，它的特点在于借助于一种磁性的轴承组件起轴向止推轴颈的作用，而此轴承组件由一个测量旋转部件轴向位置的元件来控制。然而，在此说明书中所公开的内容，没有涉及与空调系统中的制冷压缩机有关的特殊困难问题，在那里当荷载变化和诸如制冷剂温度与压力变化时，要求在不牺牲效率的情况下改变压缩机工作参数。
因此，需要提供一种结构改进了的压缩机，它能采用先进的制冷剂包括R134A，并能避免现有使用润滑油或类似润滑剂的压缩机的缺点。
还要求提供一种能在很高的效率和大的荷载范围工作的压缩机。
还要求提供一种用于高速压缩机的控制系统，它能使压缩机与所需要的荷载匹配工作。
还要求提供一种用于空调或制冷系统的压缩机，它对于各种功率均能易于加工和能经济地制造。
按照本发明的一个方面提供了一种制冷压缩机，它包括：一种制冷压缩机，它包括：一个第一离心式压缩机级，它有一个装在轴上的叶轮；接收来自第一级的气体的第二离心式压缩机级，它包括有装在轴上的第二个叶轮；一台电动机驱动此轴，电动机包括一个与轴连接的转子，轴由无油式径向轴承支承；轴的轴向定位装置限制轴沿轴向的运动；一个壳体围绕着电机和叶轮，此壳体与一个沿轴向延伸的气体进口和气体出口通道合为一体；在进口中的气体节流装置，它控制气体向叶轮的供应量；壳体中的通道，它输送冷却电机的制冷剂，并将制冷气体从电机输送至气体进口；一个气体孔，它将制冷气体从制冷剂膨胀腔输送到第二级压缩机，所述膨胀腔与壳体制成一体，并包括一个液态制冷剂的液面传感器和阀，以便根据荷载调节流入膨胀腔的制冷剂流量；以及，控制装置根据荷载控制气体节流装置。
支承着轴和转子与叶轮的无油轴承可由磁性的径向轴承组成，并最好至少包括一个止推轴承或推力轴承，以承受两个压缩机级没有平衡掉的轴向荷载。
磁性轴承或可以是主动式径向和止推轴承、被动式径向和止推轴承、或是主动和被动轴承的组合。在采用主动式轴承的地方要设有陶瓷或其他材料的备用轴承，以便在静止和停电时支承轴。
按照另一种形式，无油轴承可由箔片气体轴承所组成，它利用气体楔(在目前的情况下为制冷气体)，将轴的表面与在壳体内作为运动支承的薄的轴承片分开。箔片气体轴承可由铬镍铁合金、铜铍合金或各种钢制成。轴承利用柔性的箔片表面在旋转轴和固定的轴承零件之间保持一层气体膜。这种轴承的承载能力随速度增大而增加，这种轴承理想地适用于高速电机。由于本发明的压缩机基本上是密封式的，在压缩机壳体内的内部环境是制冷气体，它可提供轴承所需要的气体。
电机最好是无电刷直流电动机，它有一个稀土金属转子，能产生很高的电机效率，以及，此转子可以极高的速度旋转，亦即在30000至80000转/分之间，甚至更高。可用于本发明的另一些类型的电机包括一种短路电机或永磁式同步电机。这些电机是已知的，故不作非常详细的叙述，它们未曾用于驱动按本发明所建议形式的制冷压缩机。
在本发明的最佳形式中，外壳是用铝合金或其他适用的金属或合成塑料制成的压铸壳体。此壳体可由两个或多个部分组成，它们可以彼此固定或锁定在一起，无需传统的紧固件，诸如螺钉等。这种外壳的结构可快速和易于组装，同时还是一种可靠和刚性的壳体结构。
内壳体、导流叶片组件、迷宫式密封和电动机与压缩机的其他内部零件，最好可用合成塑料制成，例如现有的由通用电气公司生产的商标为“ULTEMP”的材料。这种塑料是一种稳定的高温塑料，它能耐温至450℃，并基本上不受制冷剂的影响。由于塑料是非磁性的，所以它适合于靠近采用磁性轴承的压缩机。
可以预计，按本发明制成的压缩机制冷量将高达350千瓦，以及，当小制冷量型例如减小到10千瓦时，可以利用制冷量压缩机的大部分零件，包括内部和外部壳体、导流叶片壳体、分气管等。小功率压缩机可通过降低电机功率、减少叠层片、改变使用的叶轮和改变去往两个压缩机级的气体进口来实现。
为了能更容易地理解本发明，下面借助于附图来说明本发明的实施例，其中：
图1按本发明一种实施例的压缩机横截面图；
图2沿图1中A-A线的横截面图；
图3用于按本发明的压缩机的制冷循环示意图；
图4按本发明第二种实施例的压缩机修改形式的横截面图；
图5本发明压缩机中所采用的箔片气体轴承的横截面图；
图6a、6b和6c共同组成操纵本发明压缩机的控制逻辑图。
参见附图，按照本发明的制冷压缩机包括一个内壳体12，它由注塑成型的合成塑料制成，这是一种稳定的和耐高温材料。这种材料可填充玻璃纤维增强。外壳13由两个铝合金或其他刚性材料的压铸壳体组成，它们固定在一起构成外壳和与之成一体的气体通道14和16。在此实施例中，气体通道14从在压缩机一端的第一级压缩机17起，延伸到在压缩机另一端的第二级压缩机18。通道16由从第二级起的出口所组成。
第一级和第二级叶轮装在驱动轴22的相对端上，轴22可旋转地装在一对磁性径向轴承23和24中。轴由无电刷直流永磁电动机驱动，一个止推电磁轴承26用来承受作用在轴22上的轴向力。
电机27有装在内壳体12中的定子28，转子29则装在轴22上。转子29由先有技术中已知的稀土材料薄片层叠而成，例如硼化钕铁(neodymium iron boride)，它具有极高的电效率，并允许电机设计为有非常高的转速。这种类型的电机转速可高达80000转/分，甚至更高，并由于其转速高，所以在压缩机整个荷载范围内，压缩机的效率也高。
径向磁性轴承23和24可以是利用永磁技术的被动型。另一种可选方案是，径向轴承23和24也可以是主动型磁性轴承，此时，其控制线路与压缩机的合为一体。这种先有技术中已知故不拟详述的控制线路，可采用三维印刷电路板的形式，它与壳体12和与装在轴承的固定部分和旋转部分上的传感器制成一体，以便能对轴承进行主动控制。这种控制线路在给定时刻下确定轴承旋转部分相对于固定部分的位置，并发出错误信号，用来按需要进行磁性调整以修正在任何给定的角向位置上的任何偏差。类似地，主动式磁性止推轴承26也设有控制线路，以保持沿轴向彼此隔开的相邻轴承表面之间预先规定的间隙。压缩机控制系统30与电源装置合为一体，以便在压缩机工作期间万一发生系统电源中断，仍能向主动式磁性轴承供电。这种电源装置可包括若电机供电被切断时将电动机用作为发电机，或利用轴承本身形成一种自给式电源。当电机和磁性轴承由于失去电源而使轴22固定不动时，可设置陶瓷备用轴承来承受轴承的荷载。
应能理解，两级压缩机能基本上平衡作用在电机轴上的轴向力，因此允许采用最小尺寸和最小功率的止推磁性轴承。
内壳体12还构成了气体进口腔31，腔内装有可调导流叶片34，用来调节去第一级叶轮19的气流。在低荷载情况下，移动导流叶片34以减小气流量，反之，在高荷载状态，打开导流叶片34，以允许增加流入第一级压缩机17的气流量。在附图所表示的实施例中，有若干个导流叶片34在壳体12进口端沿径向向内延伸，每个叶片可绕一条径向延伸的轴线转动。每个叶片有一个偏心轮37和一个从偏心轮37伸出的销子36，销子36插入控制环38中的一个相应槽内，控制环38装在壳体12上。通过这种结构，当控制环38旋转时，使偏心轮37绕它们各自的轴线运动，从而使导流叶片34转动。控制环38可由一台线性电机或类似物驱动旋转(图中未表示)。
流过第一级叶轮19后的制冷气体，经过气体通道14流往第二级压缩机18的进口。第二个气体进口可设或可不设导流叶片，这取决于压缩机的尺寸和所要求控制的程度。压缩机制冷气体经过第二级压缩机18后，经出口通道16流过一个止回阀32排出。
电动机37的定子28与壳体12形成了一个电机冷却导管39。此导管39可流过来自制冷剂循环的液态制冷剂排放液，或从第二级或从两级压缩机旁路引出的气态制冷剂。通过利用制冷剂作冷却介质，可将电机的热量耗散在制冷循环的冷凝器内，因而形成了一种高效率的热传导系统。
参见图2和3，本发明的压缩机最好设有一个膨胀腔33，它可方便地与外壳13制成一体。膨胀腔33内设有流量控制阀41，用来调节进入腔33的液态制冷剂42的量。来自制冷循环冷凝器43的大部分制冷剂是液态的。不过当制冷剂通过阀41进入膨胀腔33时，冷却成剩余部分液体的小量气体可以闪蒸出。
在膨胀腔33内的制冷剂气体经过孔44进入第一和第二级压缩机17和18之间的通道14。可以理解，在制冷循环中，在循环的冷凝器部分中的气体处于较高的压力之下，在膨胀腔33和通道14中的气体处于中等压力下，而从膨胀阀46起的下游蒸发器47中的气体和液体处于较低的压力之下。
流量控制阀41根据所需要的制冷系统负荷来工作。当负荷增加和有更多的制冷剂流过蒸发器时，流量控制阀打开，以便容许更大量的液体进入膨胀腔33。当负荷降低时，流量控制阀进行工作以限制流入膨胀腔33中的液态制冷剂42的量。所有进入并闪蒸出的制冷剂直接流向通道14。
本发明的压缩机在出口通道16和气体进口腔31中设有压力传感器。在出口通道16中的压力传感器20和在进口腔31中的压力传感器25，用来通过控制线路30调整电机27的转速，控制线路30采用后面还要加以说明的控制逻辑，所以第二级叶轮21的顶端速度压力只是略高于在系统冷凝器中的凝结压力，以及，压气机的工作点保持在喘振点之上。
进口腔31中的压力传感器25用来提供一种控制导流叶片34的方式，以便根据荷载控制流过压缩机的气体量，并产生一个定常的抽吸压力。如上面曾指出的，当荷载减小时，通过叶片的位置或速度的降低，减少流入第一级17中的气流量。
图4表示本发明的第二种实施例，其中两个压气机级背对背，第一级叶轮19和第二级叶轮21都装在电机轴22的一端。
在此实施例中，电动机27被安装成在一对箔片气体轴承51和52中旋转。先有技术中已知的箔片轴承51和52可设计成各种不同的形式。图5表示了其中一个形式，轴承由一个外套54、其一端57固定在圆柱形外套54内的光滑的内层主金属薄片56和一系列在主金属薄片56与外套54之间的可变形金属簿片58组成。在工作中，轴22的旋转将气体吸入轴22和主金属簿片56之间。气体形成楔形，从而将轴22支承在金属簿片56上。
在本发明中，气体是制冷气体，如下文所述这种气体包围着电机。
轴22相对于外壳13的轴向移动受一对磁性止推轴承61和62的控制，这一对轴承在轴22的相对端。每一个止推轴承61、62分别包括一对钮扣状磁铁61a、61b、62a和62b，并装在轴的两端和支承座内。相关的钮扣状磁铁如相邻磁极那样彼此相隔一个预先规定的距离，因此推斥力保持轴基本上同心地定位。采用当今的磁性技术。每平方英寸大约高达60磅的推斥力，可在穿越千分之10英寸的间距下获得。
另一种可供选择的方案是，可以用一种主动式磁性止推轴承来替代永磁式止推轴承，此主动式磁性止推轴承采用如上文针对第一种实施例所阐明的适当的控制线路，或采用类似于前面所介绍的径向金属簿片轴承51和52那样的箔片气体止推轴承。
本实施例的电动机27用通过进口管64进入外壳13中的液态制冷剂来冷却。液态制冷剂最好从膨胀腔33抽入，或从制冷循环的高压端抽入，并在必要时流过一个节流装置，例如是一个阀、节流孔或毛细管。
液态制冷剂流过电机定子28上环绕着的螺旋槽66，并流经转子中的通道(图中未表示)流入转子的端部。被加热并气化的制冷剂最终从电机壳体经孔67和68以及通道69，流入在导流叶片34下游端的吸气口31中。
在本发明的此实施例中，制冷气体从膨胀腔33经进口管71引入两个压缩级之间。
本发明压缩机的主要优点是，有能力设计出各种不同制冷量的压缩机，其制冷量范围从例如10千瓦至100千瓦，而所采用的主要零部件对所有的压缩机是共同的。因此，壳体和轴承等可以为所有压缩机所通用，只需要更换那些需要改变制冷量的部分，即电机尺寸和制冷量以及叶轮、导流叶片等的设计。
本发明另一个特点在于控制压缩机工作的控制系统和控制逻辑。参见图6，图中表示了一个设计用于控制本发明的一台压缩机和涉及的多台压缩机的控制逻辑举例。表1列出了用于举例的逻辑图中的缩略符号，并列出了那些压缩机工作参数，它们或存入计算机存储器中，或从设在压缩机和制冷循环上的各种传感器输入。计算机存储器是控制系统30(见图1)的一部分。这些传感器将信号输给控制系统30，其中包括已冷却的水的进口温度，亦即进入空调系统蒸发器的水温、电机转速、进气压力(由压力传感器25测得)、叶轮的叶尖温度、由压力传感器20测得的排气压力、蒸发器的冷却水出口温度、电机电流以及进口导流叶片位置。
                        表1
Figure C9419295500161
当输入信号被输入逻辑框103接收后，控制逻辑如已说明的那样检验这些变量，并将这些变量置于预定的范围内，电机转速增加时使压缩比(由排气压力和进气压力算出)和/或质量流量增加。
系统的荷载由冷却水进口和出口温度来表示。控制系统不断监测这些温度并改变进口导流叶片的位置和电机速度，以保持这些温度在预定范围内。在一种实例中，所要求的冷却水出口温度可定为7℃，可以将它重调至一个较高的温度(此例中为9℃)以便节省能量，如果重调冷却水出口温度的方案选定后，此时只要将冷却水进口温度减小到一个预定值(此例中为9℃)。
当系统荷载改变时，在输入103中检测这些变量，以及，控制逻辑调整进口导流叶片位置和电机速度，以保持这些预定的参数。某些参数诸如叶轮顶端温度和电机电流可发出故障指示，所以此系统可以在显露会发生故障的情况下停止工作。
本发明的压缩机特别适合于用在组合式制冷系统中，在那里，多个基本一致并按标准型式设计的制冷部件组装在一起，以构成空调系统。本发明的控制逻辑可以根据检测到的荷载情况，起动或停止在这种组合式系统中的附加压缩机。
本发明的压缩机通过采用无油轴承技术，例如磁性或箔片轴承，可以采用先进的制冷剂，例如R134A制冷剂。这种轴承技术还允许有很高的转速，因此，与一般的离心压缩机相比，它显著提高了压缩机的工作效率。
内壳体12、电机冷却管道、迷宫密封装置和其他内部构件可采用通用电气公司的“ULTEMP”塑料注塑成型或其他玻璃纤维增强的复合材料，这些材料有极好的刚性、抗化学腐蚀、不导电和耐高温。这种结构有必要的持久强度，而且所制成的压缩机尺寸可远小于功率相等的一般压缩机。因此，按本发明的压缩机总起来说尺寸小于等效的已知压缩机的一半，重量为其三分之一。外壳13最好是铸铝合金。

Claims (11)

1.一种制冷压缩机，它包括：一个第一离心式压缩机级，它有一个装在轴上的叶轮；接收来自第一级的气体的第二离心式压缩机级，它包括有装在轴上的第二个叶轮；一台电动机驱动此轴，电动机包括一个与轴连接的转子，轴由无油式径向轴承支承；轴的轴向定位装置限制轴沿轴向的运动；一个壳体围绕着电机和叶轮，此壳体与一个沿轴向延伸的气体进口和气体出口通道合为一体；在进口中的气体节流装置，它控制气体向叶轮的供应量；壳体中的通道，它输送冷却电机的制冷剂，并将制冷气体从电机输送至气体进口；一个气体孔，它将制冷气体从制冷剂膨胀腔输送到第二级压缩机，所述膨胀腔与壳体制成一体，并包括一个液态制冷剂的液面传感器和阀，以便根据荷载调节流入膨胀腔的制冷剂流量；以及，控制装置根据荷载控制气体节流装置。
2.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述电机位于第一和第二压缩机级之间，与壳体制成一体的一根导管将气体从第一级出口输往第二级的一个沿轴向设置的进口。
3.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述无油径向轴承包括具有控制线路的主动式磁性轴承，控制线路用以保持旋转与固定的轴承面之间的预先规定的间距。
4.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述轴向定位装置包括一个主动式轴向的磁性止推轴承。
5.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述轴向定位装置包括一对被动式磁性止推轴承，每一个止推轴承有一个固定在轴的相应端的第一永磁铁，以及有一个第二永磁铁，它们固定在壳体上与各自的第一磁铁相邻处，每对磁铁类似于相邻的磁极彼此推斥，因此使轴定心在第二磁铁之间。
6.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述轴向定位装置包括箔片气体止推轴承。
7.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述无油径向轴承包括箔片气体轴承。
8.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述气体节流装置包括多个在气体进口中沿径向延伸的叶片，根据来自控制装置的控制信号，通过一个在壳体内的控制环，可使每个叶片绕一条径向轴线在打开和关闭位置之间转动。
9.按照权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述壳体包括一个由合成塑料注塑成型的内壳体，此内壳体构成轴承支座、制冷剂通道、电机定子的支座和气体迷宫密封装置。
10.按照权利要求9所述的压缩机，其特征在于，所述壳体包括一个模铸的铝合金外壳。
11.一种制冷系统，它包括有一台如权利要求1所述的压缩机、一个制冷剂冷凝器，以冷凝从气体出口通道流出的制冷气体、一个膨胀装置和一个蒸发器，所述控制装置接收来自蒸发器、气体进口和气体出口通道中的压力传感器、气体节流装置、电机电源装置和电机速度传感器的输入信号，并根据系统荷载和逻辑控制参数，调整电机速度和气体节流装置，以保持流过压缩机的是按预先规定的制冷剂流量。
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