CN111425396B - 螺杆压缩机及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种螺杆压缩机，包括螺杆转子和滑阀，其中，螺杆转子包括吸气头端和排气尾端，从吸气头端吸入气体并从排气尾端排出压缩后的气体；滑阀包括用于封闭螺杆转子的压缩容腔的工作侧，工作侧包括滑阀头端和滑阀尾端，并能够沿螺杆转子的轴线方向往复移动；当滑阀移动到一个吸气容量调节位置时，滑阀头端位于螺杆转子的吸气头端的内侧，并在滑阀头端与吸气头端之间形成一段吸气容量调节距离，从而调节螺杆压缩机的吸气容量。本申请的螺杆压缩机，可以通过滑阀来调节吸气容量，从而能够有效解决常规变频螺杆机组的电机温度和排气温度限制问题，扩展了螺杆压缩机的运行范围和负载调节能力。

Description

螺杆压缩机及其控制方法
技术领域
本申请涉及螺杆压缩机，尤其涉及使用滑阀对螺杆压缩机进行调节或控制的装置和方法。
背景技术
螺杆压缩机是制冷机组中的常用部件。螺杆压缩机是利用一对螺杆转子的齿槽容积相互啮合，造成由齿形空间组成的基元容积的变化来完成气体的吸入、压缩和排出过程。在螺杆压缩机的机体中平行地配置有一对相互啮合的螺杆转子，螺杆转子的一端为吸气端，与机体的吸气口连通；另一端为排气端，与机体的排气口连通。随着螺杆转子的旋转，气体从吸气端被吸入，并经过压缩后从排气端被排出。
工作频率F和内容积比Vi是螺杆压缩机的两个重要的工作参数。改变螺杆压缩机的工作频率F可以调节吸气容量，工作频率F越高，螺杆转子的转速越快，吸气容量就越大。合理地设置吸气端和排气端的有效腔体容积，可以调节螺杆压缩机的内容积比Vi(Vi＝Vs/Vd)，其中，Vs为吸气腔容积，Vd为排气腔容积。
通过调节滑阀可以调节螺杆压缩机的内容积比Vi。具体而言，滑阀沿螺杆转子的轴线方向设置，能够包裹或遮挡螺杆转子沿轴线方向的一部分。通过滑阀沿轴线方向的移动，能够改变吸气腔容积和/或排气腔容积的大小，从而调节内容积比Vi。
综合部分负荷效率(IPLV)是用于评价机组实时运行效率高低的指标。对应不同的负载，相应地调整工作频率F和内容积比Vi的参数值，可以使螺杆压缩机工作在最佳效率点，从而提高整个机组的运行性能。例如，对于用于楼宇制冷系统的机组，由于季节的变化导致的室内外温差的变化，或者对应不同楼层的不同的制冷需求，使得负载的变化范围较大，就需要螺杆压缩机能够在较大的范围内进行相应的调节。
发明内容
本发明的目的是通过对螺杆压缩机的滑阀进行调节来提高螺杆压缩机在不同负载下的综合部分负荷效率。
为此，本申请提供一种螺杆压缩机，将变频调节吸气容量与滑阀调节吸气容量相结合，使得当受到螺杆压缩机运行范围限制，无法继续通过降频实现吸气容量调节时，可以通过滑阀来调节吸气容量，从而能够有效解决常规变频螺杆机组的电机温度和排气温度限制问题，扩展了螺杆压缩机的运行范围和负载调节能力。
本申请提供一种螺杆压缩机，包括：螺杆转子，螺杆转子上设有齿，螺杆转子包括吸气头端和排气尾端，其中，螺杆转子被配置为能够从吸气头端吸入气体，并从排气尾端排出压缩后的气体；以及滑阀，滑阀包括用于封闭螺杆转子的压缩容腔的工作侧，工作侧包括滑阀头端和滑阀尾端，其中，在螺杆转子的轴线方向上，滑阀头端和滑阀尾端与螺杆转子的吸气头端和排气尾端设置方向一致，以及滑阀被配置为能够沿螺杆转子的轴线方向往复移动；其中，滑阀被配置为能够移动到一个吸气容量调节位置，在吸气容量调节位置时，滑阀头端位于螺杆转子的吸气头端的内侧，并在滑阀头端与吸气头端之间形成一段吸气容量调节距离，吸气容量调节距离使得滑阀能够在不改变螺杆转子的转速时调节螺杆压缩机的吸气容量。
根据上述的螺杆压缩机，滑阀被配置为能够移动到一个内容积比调节位置，在内容积比调节位置时，滑阀头端位于螺杆转子的吸气头端的外侧或与吸气头端对齐，使得滑阀能够调节螺杆压缩机的内容积比。
根据上述的螺杆压缩机，还包括：位置传感器，位置传感器在轴线方向上位于螺杆转子的吸气头端和排气尾端之间，并与滑阀接触，位置传感器被配置为能够指示滑阀的位置。
根据上述的螺杆压缩机，滑阀的非工作侧具有相对于螺杆转子沿轴线方向倾斜的斜面；以及位置传感器包括探针，探针在轴线方向上的位置固定，其中，探针的一端与斜面接触，并能够随着滑阀的移动而相对于斜面滑动，从而使得探针能够随着滑阀的移动沿垂直于轴线的方向移动；其中，位置传感器能够根据探针在垂直于轴线的方向上的移动距离来确定滑阀的位置。
根据上述的螺杆压缩机，滑阀的非工作侧具有沿轴线方向延伸的凹槽，凹槽的底面为相对于螺杆转子在轴线方向上倾斜的斜面；以及探针具有接触端和测量端，接触端伸入凹槽并与凹槽的底面接触，并能够随着滑阀的移动而相对于底面滑动，以及测量端从凹槽伸出；其中，位置传感器能够根据探针伸出凹槽部分的长度来确定滑阀的位置。
根据上述的螺杆压缩机，当滑阀位于第一位置时，滑阀头端位于螺杆转子的吸气头端的外侧，滑阀的一部分用于遮挡螺杆转子的从吸气头端开始的向排气尾端延伸的一段，螺杆压缩机具有实际最小内容积比Vimin，其中，第一位置为滑阀朝向吸气头端移动的最大行程的位置；当滑阀位于第二位置时，滑阀头端与螺杆压缩机的吸气头端对齐，滑阀的全部用于遮挡螺杆转子的从吸气头端开始的向排气尾端延伸的一段，螺杆压缩机具有实际最大内容积比Vimax1；以及当滑阀位于第三位置时，滑阀头端位于螺杆压缩机的吸气头端的内侧，滑阀的全部用于遮挡螺杆转子的吸气头端和排气尾端之间的一段，螺杆压缩机具有虚拟最大内容积比Vimax2，其中，第三位置为滑阀朝向排气尾端移动的最大行程的位置。
根据上述的螺杆压缩机，螺杆压缩机被配置为能够通过在第一位置和第二位置之间的区域调节滑阀的位置，来调节螺杆压缩机的内容积比Vi；以及，螺杆压缩机被配置为能够通过在第二位置和第三位置之间的区域调节滑阀的位置，来调节螺杆压缩机的吸气腔容积，从而调节螺杆压缩机的吸气容量。
根据上述的螺杆压缩机，还包括：活塞杆，活塞杆与滑阀尾端连接，活塞杆被配置为能够被液压驱动从而带动滑阀沿轴线方向往复移动。
根据上述的螺杆压缩机，还包括：控制器，控制器被配置为能够调节螺杆转子的转速，并能够通过活塞杆致动器驱动活塞杆调节滑阀的位置。
另一方面，本申请还提供一种螺杆压缩机的控制方法，包括：a.根据目标负载设定螺杆压缩机的工作频率参数F和工作内容积比参数Vi，工作频率参数F对应一预定的工作吸气容量R；以及b.判断工作频率参数F是否低于工作频率阈值Ft，工作频率阈值Ft对应阈值吸气容量Rt；以及c.根据设定的工作频率参数F和工作内容积比参数Vi来调节滑阀的位置，其中：c1.当工作频率参数F不低于工作频率阈值Ft时，将螺杆压缩机的工作频率确定为工作频率参数F，以调节螺杆压缩机的螺杆转子的转速，从而将螺杆压缩机的吸气容量调节至预定的工作吸气容量R，并且按照设定的工作内容积比参数Vi来确定滑阀移动到与工作内容积比参数Vi相对应的内容积比调节位置的位移量L1，以及根据位移量L1将滑阀移动到内容积比调节位置，在内容积比调节位置时，滑阀的滑阀头端位于螺杆压缩机的螺杆转子的吸气头端的外侧或与吸气头端对齐，从而使得滑阀能够遮挡螺杆转子的从吸气头端开始并向排气尾端延伸的一段；以及c2.当工作频率参数F低于工作频率阈值Ft时，将螺杆压缩机的工作频率确定为工作频率阈值Ft，以调节螺杆转子的转速，并且按照设定的工作内容积比参数Vi(虚拟Vi区域)来确定滑阀移动到与预定的工作吸气容量R相对应的吸气容量调节位置的位移量L2，以及根据位移量L2将滑阀移动到吸气容量调节位置，在吸气容量调节位置时，滑阀头端位于螺杆转子的吸气头端的内侧，并在滑阀头端与吸气头端之间形成一段吸气容量调节距离，从而能够将与工作频率阈值Ft对应的阈值吸气容量Rt调节至预定的工作吸气容量R。
根据上述螺杆压缩机的控制方法，在步骤c1中达到的实际内容积比等于所述设定的工作内容积比参数Vi，压缩机的工作内容积比参数Vi介于实际最小内容积比Vimin和实际最大内容积比Vimax1之间；以及在步骤c2中达到的实际内容积比由所述预定的工作吸气容量R确定，压缩机的工作内容积比参数Vi介于实际最大内容积比Vimax1和虚拟最大内容积比Vimax2之间。
根据上述螺杆压缩机的控制方法，工作频率阈值Ft对应螺杆压缩机能够正常工作的最小转速。
以下将结合附图对本申请的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本申请的目的、特征和效果。
附图说明
当结合附图阅读以下详细说明时，本申请将变得更易于理解，在整个附图中，相同的附图标记代表相同的零件，其中：
图1A为根据本申请的一个实施例的螺杆压缩机沿螺杆转子的轴线方向的剖面图；
图1B为图1A所示的螺杆压缩机沿螺杆转子的径向方向的剖面图；
图2A-2E为图1A所示的螺杆压缩机的滑阀与螺杆转子的相对位置关系一些列简化示意图；
图3为图1B所示的滑阀及探针的简化示意图；
图4为本申请的螺杆压缩机的控制方法的一个实施例的流程图；
图5A为本申请的螺杆压缩机的控制系统的一个实施例框图；
图5B为图5A中的控制器的框图。
具体实施方式
本申请涉及于2014年9月23日提交的申请号为201420548889.2、名称为“可调内容积比的螺杆压缩机”的中国专利申请，以及涉及于2017年8月1日提交的申请号为PCT/CN2017/095491、名称为“A Screw Compressor with Male and Female Rotors”的PCT专利申请，并将上述专利申请的全文以引用方式并入本申请。
下面将参考构成本说明书一部分的附图对本申请的各种具体实施方式进行描述。应该理解的是，虽然在本申请中使用表示方向的术语，诸如“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“顶”、“底”、“正”、“反”、“近端”、“远端”、“横向”、“纵向”等描述本申请的各种示例结构部分和元件，但是在此使用这些术语只是为了方便说明的目的，这些术语是基于附图中显示的示例性方位而确定的。由于本申请所公开的实施例可以按照不同的方向设置，所以这些表示方向的术语只是作为说明而不应视作为限制。
本申请中所使用的诸如“第一”和“第二”等序数词仅仅用于区分和标识，而不具有任何其他含义，如未特别指明则不表示特定的顺序，也不具有特定的关联性。例如，术语“第一部件”本身并不暗示“第二部件”的存在，术语“第二部件”本身也不暗示“第一部件”的存在。
图1A为根据本申请的一个实施例的螺杆压缩机100沿螺杆转子110的轴线方向的剖面图，图1B为图1A所示的螺杆压缩机100沿螺杆转子110的径向方向的剖面图。如图1A-1B所示，螺杆压缩机100包括转子壳体150和设置在转子壳体150中的螺杆转子110和滑阀120。螺杆转子110包括一对相互啮合的阳转子101和阴转子102，阳转子101和阴转子102在转子致动器(未示出)的驱动下转动。阳转子101具有五个螺旋状的凸齿，阴转子102具有六个螺旋状的凹槽。阳转子101和阴转子102的通过凸齿和凹槽组成相互啮合结构，并与转子壳体150以及滑阀120的共同组成一压缩容腔103。
沿螺杆转子110的轴线方向，螺杆转子110具有吸气头端111和排气尾端112。气体在吸气头端111处被吸入压缩容腔103，并随着螺杆转子110的旋转逐渐朝向排气尾端112移动。同时，压缩容腔103的体积也随着螺杆转子110的旋转逐渐变小，压缩容腔103中的气体也就被逐渐压缩。压缩后的气体从排气尾端112排出。
滑阀120位于螺杆转子110的下方，并能够沿螺杆转子110的轴线方向往复移动。在滑阀120的沿螺杆转子110的轴线方向的长度方向上，滑阀120包括用于与转子壳体150一起封闭压缩容腔103的工作侧125，以及不用于封闭压缩容腔103的非工作侧。滑阀120的工作侧125具有滑阀头端121和滑阀尾端122。在螺杆转子110的轴线方向上，滑阀头端121和滑阀尾端122与螺杆转子110的吸气头端111和排气尾端112的设置方向一致，即滑阀头端121位于靠近吸气头端111的一侧，滑阀尾端122位于靠近排气尾端112的一侧。滑阀120在滑阀尾端122的一侧还向外延伸出连接端123。
通过工作侧125，滑阀120能够封闭或包裹螺杆转子110所形成的压缩容腔103的一部分。通过将滑阀120沿螺杆转子110的轴线方向移动至不同的位置(参见图2A-2E)，能够使得工作侧125遮挡或封闭住螺杆转子110不同的部分，从而相应地改变吸气腔容积Vs和/或排气腔容积Vd，以调节螺杆压缩机100的内容积比Vi。
螺杆压缩机100还包括用于驱动滑阀120移动的驱动装置。根据本申请的一个实施例，驱动装置可以是液压驱动装置，其包括活塞杆140和液压腔141。活塞杆140的一端设置在液压腔141中，能够根据液压腔141中的液体压力的变化而沿轴线方向往复移动。活塞杆140的另一端与滑阀120的连接端123连接，从而能够带动滑阀120往复移动。
螺杆压缩机100还包括限位结构，用于限制滑阀120沿轴向方向移动的最大行程。如图1A所示，在螺杆转子110的吸气头端111一侧设有限位块142，用于限制滑阀头端121向左移动的最大行程。液压腔141的侧壁143，能够限制活塞杆140向右移动的最大行程，从而限制滑阀120向右移动的最大行程。滑阀120在活塞杆140的带动下，能够在向左和向右的最大行程位置之间往复移动。
如图1A-1B所示，螺杆压缩机100还包括位置传感器130，用于指示滑阀120的位置。在螺杆转子110的轴线方向上，位置传感器130位于螺杆转子110的吸气头端111和排气尾端112之间。位置传感器130与滑阀120接触，能够随着滑阀120移动至不同的位置而产生相应的变化，从而指示滑阀120的位置。
在图1A-1B的实施例中，滑阀120在非工作侧具有沿轴线方向延伸的凹槽126，凹槽126的底面301为相对于螺杆转子110沿轴线方向倾斜的斜面(参见图3)。位置传感器130包括探针131，探针131在轴线方向上的位置固定，例如固定在转子壳体150上，并能够沿垂直于轴线方向的方向(例如径向方向)往复移动。探针131具有接触端132和测量端133，接触端132伸入凹槽126并与凹槽126的底面301接触，测量端133从凹槽126伸出。当滑阀120沿轴线方向移动时，探针131的接触端132能够随着滑阀120的移动而相对于凹槽126的底面301滑动，从而使得探针131沿径向方向移动。这样就能够根据探针131伸出凹槽126的部分的长度的变化来确定滑阀120的位置。
在一些实施例中，在探针131的测量端133上设有磁芯，围绕磁芯设有与电路连接的线圈。探针131的移动使得磁芯伸入线圈的长度或位置发生变化，以使得线圈的电感发生相应的变化，并在电路中产生相应的电压或电流信号，从而能够通过这些电信号来指示或确定滑阀120的位置。
图2A-2E为图1A所示的螺杆压缩机100的滑阀120与螺杆转子110的相对位置关系的一系列简化示意图，用于示出滑阀120在移动过程中与螺杆转子110的相对位置的变化。
如图2A所示，滑阀120位于朝向吸气头端111(向左)移动的最大行程的位置，此位置为滑阀120的第一位置210。在第一位置210处，滑阀头端121位于螺杆转子110的吸气头端111的外侧。滑阀120的工作侧125的一部分位于螺杆转子110的下方，从而能够遮挡或封闭螺杆转子110的从吸气头端111开始的向排气尾端112延伸的一段，滑阀120的工作侧125的另一部分位于螺杆转子110的吸气头端111的外侧。当滑阀120在其移动行程中移动时，滑阀尾端122始终位于螺杆转子110的吸气头端111和排气尾端112之间，滑阀尾端122与排气尾端112之间形成一段排气容量调节距离D1。而当滑阀120处于图2A所示的第一位置210时，排气容量调节距离D1最大，从而螺杆压缩机100具有最大的排气腔容积Vd，并从而产生实际最小内容积比Vimin。
如图2C所示，滑阀头端121与螺杆压缩机100的吸气头端111对齐，此位置为滑阀120的第二位置230。在第二位置230处，滑阀120的工作侧125的全部位于螺杆转子110的下方，从而工作侧125的全部能够遮挡螺杆转子110的从吸气头端111开始的向排气尾端112延伸的一段。在滑阀120位于图2B所示的第二位置230时，在不改变吸气腔容积Vs的情况下，排气容量调节距离D1达到最小值，从而产生实际最大内容积比Vimax1。
如图2B所示，滑阀120移动至位于第一位置210和第二位置230之间，此位置为滑阀120的内容积比调节位置220。在内容积比调节位置220处，滑阀头端121位于螺杆转子110的吸气头端111的外侧，滑阀120的工作侧125的一部分位于螺杆转子110的下方，从而能够遮挡螺杆转子110的从吸气头端111开始的向排气尾端112延伸的一段，滑阀120的工作侧125的另一部分位于螺杆转子110的吸气头端111的外侧。与在图2A所示的第一位置210处相比，在图2C所示的内容积比调节位置220处，滑阀尾端122与排气尾端112之间形成的段排气容量调节距离D1变小，从而排气腔容积Vd变小，但由于吸气腔容积Vs保持不变，内容积比Vi反而增大。
如图2E所示，滑阀120位于朝向排气尾端112(向右)移动的最大行程的位置，此位置为滑阀120的第三位置250。在第三位置250处，滑阀头端121位于螺杆压缩机100的吸气头端111的内侧，滑阀120的工作侧125的全部位于螺杆转子110的下方，从而滑阀120的工作侧125的全部能够遮挡螺杆转子110的吸气头端111和排气尾端112之间的一段。此时，除了在滑阀尾端122与排气尾端112之间所形成的排气容量调节距离D1以外，在滑阀头端121与吸气头端111之间还形成一段吸气容量调节距离D2。此时，吸气容量调节距离D2最大，螺杆压缩机100具有最小的吸气腔容积Vs。
如图2D所示，滑阀120位于第二位置230和第三位置250之间的一中间位置，此位置为滑阀120的吸气容量调节位置240。在吸气容量调节位置240处，滑阀头端121位于螺杆压缩机100的吸气头端111的内侧，滑阀120的工作侧125的全部位于螺杆转子110下方，从而滑阀120的工作侧125的全部能够遮挡螺杆转子110的吸气头端111和排气尾端112之间的一段。此时，除了在滑阀尾端122与排气尾端112之间所形成的排气容量调节距离D1以外，在滑阀头端121与吸气头端111之间也形成一段吸气容量调节距离D2。与位于图2B所示的第二位置230相比，当滑阀120位于图2E所示的吸气容量调节位置240时，由于吸气容量调节距离D2的存在，吸气腔容积Vs变小，从而减小了螺杆压缩机100的吸气容量。此外，虽然吸气腔容积Vs变小了，但由于排气容量调节距离D1变小，排气腔容积也Vd变小，因此实际内容积比Vi仅会略有下降，可近似地认为实际内容积比Vi保持不变。与位于图2B所示的第二位置230相比，当滑阀120位于图2E所示的吸气容量调节位置240时，吸气容量调节距离D2减小。
通过在第一位置210和第二位置230之间的区域(即内容积比调节位置220)调节滑阀120的位置，可以调节螺杆压缩机100的实际内容积比Vi。实际内容积比Vi的调节范围是大于等于Vimin(第一位置210处)且小于等于Vimax1(第二位置230处)。由于当滑阀120在第一位置210和第二位置230之间的区域移动时，吸气腔容积Vs保持不变，因此实际内容积比Vi与滑阀120的位置为一一对应的线性关系。
通过在第二位置230和第三位置250之间的区域(即吸气容量调节位置240)调节滑阀120的位置，可以调节螺杆压缩机100的吸气腔容积Vs，从而调节螺杆压缩机100的吸气容量。如前所述，当滑阀120在第二位置230和第三位置250之间的区域移动时，可近似地认为实际内容积比Vi保持不变。
对应于不同的负载，螺杆压缩机100运行在不同的工作频率和内容积比Vi的工况下，会具有不同的综合部分负荷效率。为了提高性能和效率，需要根据不同的负载情况调节螺杆压缩机100的工作频率和内容积比Vi，以使其尽可能地运行在最佳效率点。通常来说，负载越小，所需要的吸气容量就越小，相对应所需的工作频率也就越低。例如，在以下不同的负载时，对应不同的内容积比Vi和工作频率F，螺杆压缩机100的综合部分负荷效率值可达到最大值：在100％负载时，Vi＝2.3，F＝50Hz；在75％负载时，Vi＝1.8，F＝35Hz；在50％负载时，Vi＝1.65，F＝22.5Hz；在25％负载时，Vi＝1.65，F＝12.5Hz。
由于随着工作频率的下降和吸气容量的减少，螺杆压缩机100的冷却效率会下降，从而导致排气温度和机组温度上升，因此，虽然可以通过调节工作频率来调节吸气容量，但可调节的范围会受到温度过高的限制，当工作频率降低到一定程度时，考虑到工作频率降低对机组温度的影响，就不适宜再通过降低工作频率来减少吸气容量以满足负载减小的要求。
在本申请中，当螺杆压缩机100运行在最小工作频率(即工作频率阈值Ft)时，如果负载继续减小，则不再降低工作频率，而是将工作频率保持在工作频率阈值Ft，以及将滑阀120移动至一合适的吸气容量调节位置240。由此，能够在不降低工作频率的情况下继续减少吸气容量，以适应负载的变化，从而突破了工作频率调节的限制，拓宽了螺杆压缩机100的应用范围。
图3为图1B中所示的滑阀120及探针131的简化示意图，用于示出滑阀120上用于容纳探针131的凹槽126与探针131的相对位置关系。如图3所示，滑阀120的凹槽126的底面301是沿螺杆轴线方向逐渐朝向内倾斜的斜面，从而使得凹槽126的深度从滑阀头端121向滑阀尾端122逐渐增加。探针131接触端132伸入到凹槽126中并与凹槽126的底面301接触，探针131的测量端133伸出凹槽126之外。如前所述，当滑阀120沿螺杆轴线方向移动时，探针131不能沿螺杆轴线方向移动，但是会沿垂直于螺杆轴线的方向移动。随着滑阀120沿轴线方向的移动，探针131伸出凹槽126的部分的长度也相应地变化，并与滑阀120的位置形成线性的对应关系。在其他的实施例中，凹槽126的底面301的倾斜方向也可以是相反的，即凹槽126的深度从滑阀尾端122向滑阀头端121逐渐增加。
在图3中，区域A表示滑阀120在第一位置210和第二位置230之间移动时，探针131相对于滑阀120所移动的区域。由于滑阀120在第一位置210和第二位置230之间移动时能够调节螺杆压缩机的内容积比Vi，因此可将区域A视作内容积比Vi调节区域A。区域B表示滑阀120在第二位置230和第三位置250之间移动时，探针131相对于滑阀120所移动的区域。由于滑阀120在第二位置230和第三位置250之间移动时能够调节螺杆压缩机的吸气容量，因此可将区域B视作吸气容量调节区域B。以下将结合图3所示的内容积比Vi调节区域A和吸气容量调节区域B来介绍本申请中用于控制螺杆压缩机的方法。
由于滑阀120的位置决定了螺杆压缩机的吸气容积Vs和排气容积Vd，因此内容积比Vi与滑阀120的位置之间呈线性对应关系。根据本申请的控制方法，基于内容积比Vi与滑阀120的位置之间的线性对应关系，不管是当滑阀120在内容积比Vi调节区域A移动，还是在吸气容量调节区域B移动，都采用内容积比Vi来标定滑阀120的位置，从而在控制过程中可以根据内容积比Vi的参数值来调节滑阀120的位置。但是由于滑阀120在吸气容量调节区域B移动时，螺杆压缩机的实际内容积比Vi是近似不变的，因此，本申请采用虚拟内容积比Vi来对滑阀120在吸气容量调节区域B移动时的位置进行标定。虚拟内容积比Vi和实际内容积比Vi都遵循内容积比Vi与滑阀120的位置之间的线性对应关系。
具体而言，在内容积比Vi调节区域A内，滑阀120的位置与实际内容积比Vi成线性对应关系。在第一位置210处，具有实际最小内容积比Vimin；在第二位置230处，具有实际最大内容积比Vimax1。因此，可在[Vimin,Vimax1]的范围内根据内容积比Vi的参数值调节滑阀120的位置，以使螺杆压缩机100具有相应的实际内容积比Vi。
在吸气容量调节区域B内，实际内容积比Vi可近似地视为保持不变，滑阀120的位置的变化用于调节吸气容量。为了保持控制方式的一致性，可以根据在内容积比Vi调节区域内相同的线性对应关系，为滑阀120的位置设定相应的虚拟内容积比Vi，以便于采用统一的控制方法和控制系统来调节滑阀120的位置。根据螺杆转子110的转子型线计算出滑阀120的不同位置所对应的吸气容量数据，可以建立虚拟内容积比Vi与吸气容量的对应关系。在第三位置250处，具有虚拟最大内容积比Vimax2。因此，可在[Vimax1,Vimax2]的范围内，根据内容积比Vi的参数值调节滑阀120的位置，以使螺杆压缩机100具有相应的吸气容量。
位置传感器130能够精准地确定滑阀120的位置，在内容积比Vi调节区域A中可用于指示螺杆压缩机100的实际内容积比Vi，以便与工况实时匹配；在吸气容量调节区域B中可用于指示吸气容量的变化。
通过限位结构142、143(参见图1A)，可以准确地将滑阀120移动至第一位置210(Vimin)和第三位置250(Vimax2)处，从而便于位置传感器130的标定和校准，以及便于位置传感器130和凹槽126的结构设计。
图4为螺杆压缩机的控制方法的一个实施例的流程图。如图4所示，在步骤401中，负载发生了变化，需要调节内容积比Vi和工作频率F以适应负载的变化。
在步骤402中，根据目标负载设定或确定相应的工作频率参数F和工作内容积比参数Vi，然后转向步骤403。其中，工作频率参数F对应一预定的工作吸气容量R。这些参数的值可以通过预先设定的公式、算法或量表来确定。
在步骤403中，将步骤402中所设定的工作频率参数F与工作频率阈值Ft进行比较，如果工作频率参数F不低于工作频率阈值Ft，则转向步骤404，如果工作频率参数F低于工作频率阈值Ft，则转向步骤406。工作频率阈值Ft对应螺杆压缩机100能够正常工作的最小转速，与螺杆压缩机100的固有性能有关，可以由生产商预先设定。工作频率阈值Ft对应一阈值吸气容量Rt。
在步骤404中，将实际的工作频率确定为工作频率参数F，并根据内容积比参数Vi确定对应的滑阀120的内容积比调节位置220，随后转向步骤405。通过将实际的工作频率改变为工作频率参数F，可以调节螺杆压缩机100的螺杆转子110的转速，从而将螺杆压缩机100的吸气容量调节至预定的工作吸气容量R。并且，在根据内容积比参数Vi确定对应的滑阀120的内容积比调节位置220后，可以根据滑阀120的当前位置确定将滑阀120移动到相应的内容积比调节位置220的位移量L1。滑阀120的当前位置可以通过位置传感器130确定。
在步骤405中，将滑阀120移动到相应的内容积比调节位置220。此时，滑阀头端121位于螺杆转子110的吸气头端111的外侧或与吸气头端111对齐，从而使得滑阀120能够遮挡螺杆转子110的从吸气头端111开始的向排气尾端112延伸的一段，以使得实际内容积比等于设定的内容积比参数Vi。
在步骤406中，将实际工作频率确定为工作频率阈值Ft，并根据内容积比参数Vi确定与预定的工作吸气容量R相对应的滑阀120的吸气容量调节位置240，随后转向步骤407。通过改变工作频率可以调节螺杆转子110的转速。并且，在根据内容积比参数Vi确定与预定的工作吸气容量R相对应的滑阀120的吸气容量调节位置240之后，可以根据滑阀120的当前位置确定将滑阀120移动到相应的吸气容量调节位置240的位移量L2。滑阀120的当前位置可以通过位置传感器130确定。
在步骤407中，将滑阀120移动到相应的吸气容量调节位置240。此时，滑阀头端121位于螺杆转子110的吸气头端111的内侧，并在滑阀头端121与吸气头端111之间形成一段吸气容量调节距离D2，从而将与工作频率阈值Ft对应的阈值吸气容量Rt调节至与工作频率参数F对应的工作吸气容量R。
在步骤408中，本次调节结束，当负载再次发生变化时，重复上述步骤以对螺杆压缩机100进行相应的调节。
图5A示出了本申请的螺杆压缩机的控制系统的一个实施例的框图。如图5A所示，螺杆压缩机100还包括控制器510，用于螺杆转子110的转子致动器520，以及用于活塞杆的活塞杆致动器530。控制器510与螺杆转子110的转子致动器520通信连接，以通过调节工作频率来调节螺杆转子110的转速，从而调节螺杆压缩机100的吸气容量。控制器510还与位置传感器130通信连接，以根据位置传感器130产生的信号确定滑阀120的位置。控制器510还与活塞杆致动器530通信连接，以通过活塞杆致动器530驱动活塞杆140来带动滑阀120移动，从而调节滑阀120的位置。在一些实施例中，活塞杆致动器530是液压传动装置。图5B为图5A所示的控制器510的框图。如图5B所示，控制器510包括处理器501、输入接口502、输出接口503、具有程序505的存储器504和总线506。处理器501、输入接口502、输出接口503和存储器504通过总线506通信连接，使得处理器501能够控制输入接口502、输出接口503和存储器504的运行。存储器504用于存储程序、指令和数据，处理器501从存储器504读取程序、指令和数据，并且能够向存储器504写入数据。
输入接口502通过连接507接收信号和数据，例如来自位置传感器130的指示滑阀120的位置的信号、人工输入的各种参数等。输出接口503通过连接508发送信号和数据，例如向转子致动器520、活塞杆致动器530发送相应的控制信号等。存储器504中存储有控制程序、以及预先设定的各类数值或参数等数据，例如螺杆压缩机100的控制程序、工作频率阈值Ft，以及当达到阈值或满足某种条件时采取某种动作的指令等。可以在生产制造的工程中预先设定各类参数，也可以在使用时通过人工输入或数据导入的方式来设定各类参数。处理器501从输入接口502和存储器504获取各种信号、数据、程序和指令，进行相应的处理，并通过输出接口503进行输出。
本申请的发明人通过长期的观察和实验发现，受螺杆压缩机定内压比工作特性限制，现有的变频螺杆机组的综合部分负荷效率偏差，明显低于变频调节离心机组；现有的变频螺杆机组受低频下压缩机电机升温和排气温度过高的保护限制，其工作频率不能过低，运行范围受到一定限制；以及现有的螺杆压缩机的内容积比Vi调节和吸气容量调节是两套独立的机构，结构复杂，成本较高。
本申请的螺杆压缩机100通过对滑阀120的结构设计和控制，能够实现连续的内容积比Vi调节，并进一步具有吸气容量调节的功能，同时具有内容积比Vi和吸气容量的指示功能，提高了运行效率，且适用的内容积比Vi调节范围广，结构简单，便于标准化。同时，扩展了螺杆压缩机100的运行范围和负载调节能力，通过滑阀120和螺杆转子110的吸气容量调节的协调控制，有效解决了工作温度过高的限制问题。本申请的螺杆压缩机100可以与变频驱动器、换热器和节流装置配合用于空调系统，通过变频转速吸气容量调节和内容积比Vi调节的有效结合，实现实时运行效率的最大化。
本说明书使用示例来公开本申请，其中的一个或多个示例被图示于附图中。每个示例都是为了解释本申请而提供，而不是为了限制本申请。事实上，对于本领域技术人员而言显而易见的是，不脱离本申请的范围或精神的情况下可以对本申请进行各种修改和变型。例如，作为一个实施例的一部分的图示的或描述的特征可以与另一个实施例一起使用，以得到更进一步的实施例。因此，其意图是本申请涵盖在所附权利要求书及其等同物的范围内进行的修改和变型。

Claims (12)

1.一种螺杆压缩机(100)，其特征在于包括：
螺杆转子(110)，所述螺杆转子(110)上设有齿，所述螺杆转子(110)包括吸气头端(111)和排气尾端(112)，其中，所述螺杆转子(110)被配置为能够从所述吸气头端(111)吸入气体，并从所述排气尾端(112)排出压缩后的气体；以及
滑阀(120)，所述滑阀(120)包括用于封闭所述螺杆转子(110)的压缩容腔(103)的工作侧(125)，所述工作侧(125)包括滑阀头端(121)和滑阀尾端(122)，其中，在所述螺杆转子(110)的轴线方向上，所述滑阀头端(121)和所述滑阀尾端(122)与所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)和所述排气尾端(112)设置方向一致，以及所述滑阀(120)被配置为能够沿所述螺杆转子(110)的轴线方向往复移动；
其中，所述滑阀(120)被配置为能够移动到一个吸气容量调节位置(240)，在所述吸气容量调节位置(240)时，所述滑阀头端(121)位于所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)的内侧，并在所述滑阀头端(121)与所述吸气头端(111)之间形成一段吸气容量调节距离(D2)，所述吸气容量调节距离(D2)使得所述滑阀(120)能够在不改变所述螺杆转子(110)的转速时调节所述螺杆压缩机(100)的吸气容量。
2.根据权利要求1所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于：
所述滑阀(120)被配置为能够移动到一个内容积比调节位置(220)，在所述内容积比调节位置(220)时，所述滑阀头端(121)位于所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)的外侧或与所述吸气头端(111)对齐，使得所述滑阀(120)能够调节所述螺杆压缩机(100)的内容积比。
3.根据权利要求1所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于还包括：
位置传感器(130)，所述位置传感器(130)在所述轴线方向上位于所述螺杆转子(110)的吸气头端(111)和排气尾端(112)之间，并与所述滑阀(120)接触，所述位置传感器(130)被配置为能够指示所述滑阀(120)的位置。
4.根据权利要求3所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于：
所述滑阀(120)的非工作侧具有相对于所述螺杆转子(110)沿所述轴线方向倾斜的斜面；以及
所述位置传感器(130)包括探针，所述探针在所述轴线方向上的位置固定，其中，所述探针的一端与所述斜面接触，并能够随着所述滑阀(120)的移动而相对于所述斜面滑动，从而使得所述探针能够随着所述滑阀(120)的移动沿垂直于所述轴线的方向移动；
其中，所述位置传感器(130)能够根据所述探针在垂直于所述轴线的方向上的移动距离来确定所述滑阀(120)的位置。
5.根据权利要求4所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于：
所述滑阀(120)的非工作侧具有沿所述轴线方向延伸的凹槽，所述凹槽的底面为相对于所述螺杆转子(110)在所述轴线方向上倾斜的斜面；以及
所述探针具有接触端和测量端，所述接触端伸入所述凹槽并与所述凹槽的底面接触，并能够随着所述滑阀(120)的移动而相对于所述底面滑动，以及所述测量端从所述凹槽伸出；
其中，所述位置传感器(130)能够根据所述探针伸出所述凹槽部分的长度来确定所述滑阀(120)的位置。
6.根据权利要求1所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于：
当所述滑阀(120)位于第一位置(210)时，所述滑阀头端(121)位于所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)的外侧，所述滑阀(120)的一部分用于遮挡所述螺杆转子(110)的从所述吸气头端(111)开始的向所述排气尾端(112)延伸的一段，所述螺杆压缩机(100)具有实际最小内容积比Vimin，其中，所述第一位置(210)为所述滑阀(120)朝向所述吸气头端(111)移动的最大行程的位置；
当所述滑阀(120)位于第二位置(230)时，所述滑阀头端(121)与所述螺杆压缩机(100)的所述吸气头端(111)对齐，所述滑阀(120)的全部用于遮挡所述螺杆转子(110)的从所述吸气头端(111)开始的向所述排气尾端(112)延伸的一段，所述螺杆压缩机(100)具有实际最大内容积比Vimax1；以及
当所述滑阀(120)位于第三位置(250)时，所述滑阀头端(121)位于所述螺杆压缩机(100)的所述吸气头端(111)的内侧，所述滑阀(120)的全部用于遮挡所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)和所述排气尾端(112)之间的一段，所述螺杆压缩机(100)具有虚拟最大内容积比Vimax2，其中，所述第三位置(250)为所述滑阀(120)朝向所述排气尾端(112)移动的最大行程的位置。
7.根据权利要求6所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于：
所述螺杆压缩机(100)被配置为能够通过在所述第一位置(210)和所述第二位置(230)之间的区域调节所述滑阀(120)的位置，来调节所述螺杆压缩机(100)的内容积比Vi；以及，
所述螺杆压缩机(100)被配置为能够通过在所述第二位置(230)和所述第三位置(250)之间的区域调节所述滑阀(120)的位置，来调节所述螺杆压缩机(100)的吸气腔容积，从而调节所述螺杆压缩机(100)的吸气容量。
8.根据权利要求1所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于还包括：
活塞杆(140)，所述活塞杆(140)与所述滑阀尾端(122)连接，所述活塞杆(140)被配置为能够被液压驱动从而带动所述滑阀(120)沿所述轴线方向往复移动。
9.根据权利要求8所述的螺杆压缩机(100)，其特征在于还包括：
控制器(510)，所述控制器(510)被配置为能够调节所述螺杆转子(110)的转速，并能够通过活塞杆致动器(530)驱动所述活塞杆(140)调节所述滑阀(120)的位置。
10.一种螺杆压缩机(100)的控制方法，其特征在于包括：
a.根据目标负载设定所述螺杆压缩机(100)的工作频率参数F和工作内容积比参数Vi，所述工作频率参数F对应一预定的工作吸气容量R；以及
b.判断所述工作频率参数F是否低于工作频率阈值Ft，所述工作频率阈值Ft对应阈值吸气容量Rt；以及
c.根据设定的工作频率参数F和工作内容积比参数Vi来调节滑阀(120)的位置，其中：
c1.当所述工作频率参数F不低于所述工作频率阈值Ft时，
(i)将所述螺杆压缩机(100)的工作频率确定为所述工作频率参数F，以调节所述螺杆压缩机(100)的螺杆转子(110)的转速，从而将所述螺杆压缩机(100)的吸气容量调节至所述预定的工作吸气容量R，并且按照设定的工作内容积比参数Vi来确定所述滑阀(120)移动到与所述工作内容积比参数Vi相对应的内容积比调节位置(220)的位移量L1，以及
(ii)根据所述位移量L1将所述滑阀(120)移动到所述内容积比调节位置(220)，在所述内容积比调节位置(220)时，所述滑阀(120)的滑阀头端(121)位于所述螺杆压缩机(100)的螺杆转子(110)的吸气头端(111)的外侧或与所述吸气头端(111)对齐，从而使得所述滑阀(120)能够遮挡所述螺杆转子(110)的从所述吸气头端(111)开始并向排气尾端(112)延伸的一段；以及
c2.当所述工作频率参数F低于所述工作频率阈值Ft时，
(i)将所述螺杆压缩机(100)的工作频率确定为所述工作频率阈值Ft，以调节所述螺杆转子(110)的转速，并且按照设定的工作内容积比参数Vi来确定所述滑阀(120)移动到与所述预定的工作吸气容量R相对应的吸气容量调节位置(240)的位移量L2，以及
(ii)根据所述位移量L2将所述滑阀(120)移动到所述吸气容量调节位置(240)，在所述吸气容量调节位置(240)时，所述滑阀头端(121)位于所述螺杆转子(110)的所述吸气头端(111)的内侧，并在所述滑阀头端(121)与所述吸气头端(111)之间形成一段吸气容量调节距离(D2)，从而能够将与所述工作频率阈值Ft对应的所述阈值吸气容量Rt调节至所述预定的工作吸气容量R。
11.根据权利要求10所述的螺杆压缩机(100)的控制方法，其特征在于：
在步骤c1中达到的实际内容积比等于所述设定的工作内容积比参数Vi，压缩机的工作内容积比参数Vi介于实际最小内容积比Vimin和实际最大内容积比Vimax1之间；以及
在步骤c2中达到的实际内容积比由所述预定的工作吸气容量R确定，压缩机的工作内容积比参数Vi介于实际最大内容积比Vimax1和虚拟最大内容积比Vimax2之间。
12.根据权利要求10所述的螺杆压缩机(100)的控制方法，其特征在于：
所述工作频率阈值Ft对应所述螺杆压缩机(100)能够正常工作的最小转速。
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