CN112334718B - 用于在马达起动期间冷却马达的方法和系统 - Google Patents
用于在马达起动期间冷却马达的方法和系统 Download PDFInfo
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Abstract
一种HVAC系统包括具有低压输入端和高压输出端的压缩机。压缩机由马达驱动，该马达具有构造成冷却和润滑马达的液体冷却剂流动路径。马达具有冷却剂输入端和冷却剂输出端。蒸发器与压缩机连通，并包括冷却剂输入端和冷却剂输出端。冷凝器与蒸发器和压缩机流体连通。第一冷却剂流动路径包括将冷凝器的输出端连接到阀切换装置的冷却剂驱动系统。第二冷却剂流动路径将冷凝器的输出端连接到蒸发器的输入端和阀切换装置的第二输入端。第三冷却剂流动路径将阀切换装置连接到马达的输入端。第四冷却剂流动路径将马达的输出端连接到蒸发器的输入端。
Description
技术领域
本公开大体上涉及压缩机马达冷却和润滑，并且更具体地涉及在起动序列期间的压缩机马达冷却和润滑。
对相关申请的交叉引用
本申请要求2018年10月3日提交的美国临时专利申请No. 62/740476的优先权。
背景技术
全球变暖和其它环境问题促使暖通空调(HVAC)行业探索替代性低全球变暖潜能(GWP)制冷剂来代替HVAC系统中的现有制冷剂。然而，由于它们的低压特性，一些低GWP制冷剂，特别是那些适合在诸如屋顶和住宅系统的小容量系统中使用的制冷剂，需要使用高效压缩机、蒸发器和冷凝器。
诸如高速离心压缩机的某些高效压缩机需要高速马达来正常操作。然而，高速马达需要经由冷却系统冷却和润滑马达轴承，以保持马达系统低于极限温度并防止轴承过热。这种系统的传统空气冷却可能不适用于高速马达，并且独立的油基液体冷却导致复杂的系统并增加了成本。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种暖通空调(HVAC)系统包括：压缩机，其包括低压输入端和高压输出端，该压缩机由马达驱动，该马达包括构造成冷却和润滑马达的液体冷却剂流动路径并具有液体冷却剂输入端和液体冷却剂输出端；蒸发器，其与压缩机流体连通，该蒸发器包括液体冷却剂输入端和蒸气冷却剂输出端，蒸气冷却剂输出端连接到压缩机的低压输入端；冷凝器，其与蒸发器和压缩机流体连通，该冷凝器包括蒸气冷却输入端和液体冷却剂输出端，蒸气冷却输入端连接到压缩机的高压输出端；第一液体冷却剂流动路径，其包括将冷凝器的液体冷却剂输出端连接到阀切换装置的输入端的液体冷却剂驱动系统；第二液体冷却剂流动路径，其将冷凝器的液体冷却剂输出端连接到蒸发器的液体输入端和阀切换装置的第二输入端；第三液体冷却剂流动路径，其将阀切换装置的输出端连接到马达的液体冷却剂输入端；以及第四液体冷却剂流动路径，其将马达的液体冷却剂输出端连接到蒸发器的液体冷却剂输入端。
在上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，液体冷却剂驱动系统包括电动泵。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，电动泵设置在集成到冷凝器中的贮存器内。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，电动泵设置在冷凝器外部的贮存器内。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，电动泵设置在冷凝器的外面。
任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例还包括可控地连接到三通阀、电动泵和马达的控制器。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，控制器配置成在启动马达之前至少5秒启动电动泵。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，液体冷却剂驱动系统包括液体冷却剂贮存器。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，相对于重力，液体冷却剂贮存器设置在马达上方，使得当阀切换装置处于第一状态时，液体冷却剂被重力从贮存器馈送到马达。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，液体冷却剂贮存器包括设置在液体冷却剂贮存器内的电加热器。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，电加热器可控地联接到控制器，并且控制器配置成在启动马达之前至少5分钟启动电加热器。
任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例还包括单向阀，该单向阀设置在冷凝器的液体冷却剂输出端和贮存器的输入端之间的第一液体冷却剂流动路径中，并且定向成使得液体冷却剂从冷凝器流到贮存器并且被阻止从贮存器流到冷凝器。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，液体冷却剂流动路径包括液相R1233zd(E) (CHCl=CH=CF3)制冷剂。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，第二液体冷却剂流动路径包括将冷凝器的液体冷却剂输出端连接到蒸发器的液体输入端的膨胀装置。
在任何上述暖通空调(HVAC)系统的另一个示例中，第一液体冷却剂流动路径包括将冷凝器的液体冷却剂输出端连接到液体冷却剂驱动系统的止回阀。
一种用于操作暖通空调(HVAC)系统的示例性方法包括：在压缩机马达的起动序列期间使用液体冷却剂驱动系统将液体冷却剂从冷凝器驱动到压缩机马达，从而冷却和润滑压缩机马达；以及一旦起动序列已完成，便利用冷凝器和蒸发器之间的压差将液体冷却剂从冷凝器抽吸到压缩机马达。
在用于操作暖通空调(HVAC)系统的上述示例性方法的另一个示例中，驱动液体冷却剂包括将液体冷却剂从冷凝器提供到贮存器并加热贮存器中的液体冷却剂，从而增加液体冷却剂的压力。
在用于操作暖通空调(HVAC)系统的任何上述示例性方法的另一个示例中，驱动液体冷却剂包括操作设置在冷凝器内的电动泵。
在用于操作暖通空调(HVAC)系统的任何上述示例性方法的另一个示例中，驱动液体冷却剂包括操作设置在冷凝器的出口和压缩机马达的液体冷却剂入口之间的电动泵。
用于操作暖通空调(HVAC)系统的任何上述示例性方法的另一个示例还包括：响应于压缩机马达超过旋转速度，从使用液体冷却剂驱动系统驱动液体冷却剂过渡到利用冷凝器和蒸发器之间的压差将液体冷却剂从冷凝器抽吸到压缩机马达。
本发明的这些和其它特征可从下面的说明书和附图中得到最好的理解，下面是附图说明。
附图说明
图1示出了用于暖通空调(HVAC)系统的高速马达的压缩机马达冷却系统的高级示意图。
图2示意性地示出了图1的构造的变型。
图3A示意性地示出了图1的构造的第二变型。
图3B示意性地示出了图3A的构造的变型。
图4示意性地示出了图1的构造的第三变型。
具体实施方式
图1示意性地示出了具有用于压缩机20的压缩机马达冷却子系统10的蒸气压缩系统，压缩机20由用于HVAC应用的高速马达22驱动。在一个非限制性示例中，高速马达20是用于小型离心压缩机的马达。该系统包括与压缩机20流体连通的冷凝器30、蒸发器40和膨胀装置11。为了向高速马达22提供冷却和润滑，在压缩机20的全速操作期间，由压缩机20产生的压力升高沿着流体流动路径50从冷凝器30向马达22提供液体冷却剂。在图1的实施例中，液体冷却剂冷却并润滑马达22，并且然后经由流动路径58提供到蒸发器40。一旦处于蒸发器40中，冷却剂蒸发，并沿着蒸气流动路径60以蒸气形式提供到压缩机20。蒸气流动路径60将蒸发的冷却剂从压缩机提供到冷凝器30。
一旦压缩机20已经开始以设计的速度操作，由于压缩机20的操作而积聚的压力便足以驱动液体冷却剂通过马达20并提供冷却和润滑效果。然而，在最初的起动期间，可能没有足够的压力来驱动液体冷却剂，并且液体冷却剂驱动系统70提供补充压力来驱动液体冷却剂通过马达20。液体冷却剂驱动系统70可包括构造成产生必要的压缩机上升(compressor rise)的多种变型。图2至图4描述了液体冷却剂驱动系统的示例性实施例。
关于液体冷却剂流动路径50，流动路径50包括从冷凝器30向三通阀80的输入端提供冷却剂的第一支路52。第一支路52包括液体冷却剂驱动系统70。在备选系统中，三通阀80可用能够调节流量或在两个输入流量源之间切换流量的任何其它类型的阀或调节器来代替。液体冷却剂流动路径50中还包括第二支路54，该第二支路54将冷凝器30直接连接到三通阀80或其它流动切换装置、膨胀装置11和蒸发器40的液体冷却剂输入端。如本文所用，“阀切换装置”大体指能够在至少两个输入端之间切换输出端的连接的任何流动切换装置。第三支路56将三通阀80的输出端连接到马达22的液体冷却剂输入端，并且第四支路58将马达22的输出端连接到第二支路54中的膨胀装置11的输出端。在合并之后，冷却剂流入蒸发器40。
当系统10最初开启时，三通阀80被设定为经由液体冷却剂驱动系统70从冷凝器30接收液体冷却剂。当马达22开始操作时，液体冷却剂驱动系统70通过三通阀80和膨胀装置11将液体冷却剂从冷凝器30(经由第一支路52)驱动到马达22，从而润滑和冷却马达22。
一旦马达22达到速度，并且由于冷凝器30内的压力积聚而产生足够的液体冷却剂馈送功率，三通阀80便切换到从第二支路54接收液体冷却剂，并且液体冷却剂驱动系统70关闭。以这种方式，冷却剂直接从冷凝器30通过第二支路54、三通阀80和第三支路56主动提供到马达22。一旦提供到蒸发器40，液体冷却剂便蒸发并从流过蒸发器40的另一种流体中吸收热量。
马达22、三通阀80和液体冷却剂驱动系统70的操作经由控制器90控制。控制器90可为专用的冷却系统控制器、马达控制器或能够存储和实现本文描述的控制序列的任何其它控制器。
液体冷却剂可为任何合适的低全球变暖潜能的制冷剂。在一个示例中，液体冷却剂是制冷剂R1233zd(E) (CHCl=CH=CF3)，其具有非常低的直接全球变暖潜能、高循环效率、无毒且不易燃。
继续参考图1，图2示意性地示出了包括热驱动液体冷却剂驱动系统170的根据图1的示例的HVAC系统100。热驱动液体冷却剂驱动系统170经由定位在液体冷却剂流动路径150的第一支路152中的止回阀172连接到冷凝器130的出口。热驱动液体冷却剂驱动系统170包括贮存器174，液体冷却剂汇集在贮存器174中。如本文所用，贮存器174是指能够存储液体制冷剂的任何部件，并且可包括超大尺寸管路、流体箱、冷凝器的一部分等。
在图2的实施例中，电加热器176(即利用电产生热量的装置)设置在贮存器174内，或者连接到贮存器174，使得电加热器176在启动时升高贮存器174内的液体冷却剂的温度。除了利用电来产生热量的热源之外，通过对描述的系统的微小修改，可使用备选热源来达到相同的效果。升高贮存器174中的温度增加了贮存器174中的压力，并且当三通阀180将来自贮存器174的液体冷却剂流的第一支路152连接到液体冷却剂流动路径的第三支路156时，增加的压力驱动液体冷却剂沿着液体冷却剂流动路径的第二支路152流动。
为了确保在贮存器174内建立足够的压力，电加热器176在马达122启动之前被启动。在一些示例中，这可包括在马达122启动之前多达5或10分钟的启动，并且由控制器90调控。电加热器176的启动必须先于马达122的启动的具体时间长度由多个因素决定，包括但不限于冷却剂的体积、制冷剂的类型等。备选地，马达的启动由贮存器174和蒸发器140之间的压差控制。
继续参考图1和图2，图3A和图3B示出了使用电动泵272作为液体冷却剂驱动器的HVAC系统200。在备选示例中，驱动液体冷却剂的其它手段(例如，电动流体力学等)可用于泵送液体冷却剂，而不需要电驱动泵272。HVAC系统200与关于图1和图2描述的系统基本上相同，但除了下者以外：电动泵272被用来代替图2的热驱动液体冷却剂驱动系统170驱动液体冷却剂。电动泵272可被包括在冷凝器230的基部内，如图3A的示例所示，或者可在第一液体冷却剂流动路径252内而在冷凝器230的外面。在这两种情况下，电动泵272经由到诸如建筑电网的外部电源的连接或从到HVAC系统的电连接接收电功率，并且由配置成控制马达220的控制器启动。电动泵272可为具有足够尺寸和功率来驱动液体冷却剂的任何常规电动泵。
与图2的热驱动液体冷却剂驱动系统170不同，图3A或图3B的泵驱动系统在启动后和马达22能够开始起动操作前需要最小量的准备(lead up)时间。举例来说，准备时间可小于10秒。在一些这样的示例中，准备时间可为5秒。
继续参考图1至图3B，图4示出了在图1的液体冷却剂驱动系统70上具有第三变型的HVAC系统300。图4的液体冷却剂驱动系统利用相对于重力物理上定位在马达上方的重力馈送贮存器374，贮存器填充有来自冷凝器330的液体冷却剂。贮存器374经由定位在液体冷却剂回路350的第一支路352中的止回阀372连接到冷凝器330的出口。当三通阀380切换到将贮存器出口连接到马达322时，重力导致液体冷却剂通过马达322，并允许马达322开始起动序列。由于重力的连续施加，在图4的系统能够开始旋转之前，不需要晚于(beyond)三通阀380的连接的准备时间。
在一些示例中，图4的重力馈送冷却剂系统带有附加的包装限制，并且马达322的物理结构构造成支撑液体冷却剂贮存器的重量。
现在参考图1至图4中的所有图，在最初的起动后，通过切换三通阀以绕过液体冷却剂驱动系统，由直接从冷凝器提供的液体冷却剂冷却和润滑马达。调节液体冷却剂流量，以保持马达中的高性能蒸发冷却和从马达离开的低质量两相制冷剂。
还应当理解，任何上面描述的概念可单独使用，或者与任何或所有其它上面描述的概念结合使用。虽然已经公开了本发明的实施例，但是本领域普通技术人员将认识到某些修改将归入本发明的范围内。为此，应当研究所附的权利要求书来确定本发明的真实范围和内容。
Claims (12)
1.一种暖通空调系统，包括：
压缩机，其包括低压输入端和高压输出端，所述压缩机由马达驱动，所述马达包括构造成冷却和润滑所述马达的液体冷却剂流动路径并具有液体冷却剂输入端和液体冷却剂输出端；
蒸发器，其与所述压缩机流体连通，所述蒸发器包括液体冷却剂输入端和蒸气冷却剂输出端，所述蒸气冷却剂输出端连接到所述压缩机的所述低压输入端；
冷凝器，其与所述蒸发器和所述压缩机流体连通，所述冷凝器包括蒸气冷却输入端和液体冷却剂输出端，所述蒸气冷却输入端连接到所述压缩机的高压输出端；
第一液体冷却剂流动路径，其包括将所述冷凝器的所述液体冷却剂输出端连接到阀切换装置的输入端的液体冷却剂驱动系统；
第二液体冷却剂流动路径，其将所述冷凝器的所述液体冷却剂输出端连接到所述蒸发器的所述液体冷却剂输入端和所述阀切换装置的第二输入端；
第三液体冷却剂流动路径，其将所述阀切换装置的输出端连接到所述马达的所述液体冷却剂输入端；以及
第四液体冷却剂流动路径，其将所述马达的所述液体冷却剂输出端连接到所述蒸发器的所述液体冷却剂输入端；
其中所述液体冷却剂驱动系统包括液体冷却剂重力馈送贮存器；其中，相对于重力，所述液体冷却剂重力馈送贮存器设置在所述马达上方，使得当所述阀切换装置处于第一状态时，液体冷却剂被重力从所述液体冷却剂重力馈送贮存器馈送到所述马达；
其中当所述阀切换装置切换到将所述液体冷却剂重力馈送贮存器的出口连接到所述马达时，重力导致所述液体冷却剂通过所述马达，并允许所述马达开始起动序列。
2.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于，所述液体冷却剂贮存器包括设置在所述液体冷却剂贮存器内的电加热器。
3.根据权利要求2所述的暖通空调系统，其特征在于，所述电加热器可控地联接到控制器，并且所述控制器配置成在启动所述马达之前至少5分钟启动所述电加热器。
4.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于，还包括单向阀，所述单向阀设置在所述冷凝器的所述液体冷却剂输出端和所述贮存器的所述输入端之间的所述第一液体冷却剂流动路径中，并且定向成使得液体冷却剂从所述冷凝器流到所述贮存器并且被阻止从所述贮存器流到所述冷凝器。
5.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于，所述液体冷却剂流动路径包括液相R1233zd(E)(CHCl＝CH＝CF3)制冷剂。
6.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于，所述第二液体冷却剂流动路径包括将所述冷凝器的所述液体冷却剂输出端连接到所述蒸发器的所述液体冷却剂输入端的膨胀装置。
7.根据权利要求1所述的暖通空调系统，其特征在于，所述第一液体冷却剂流动路径包括将所述冷凝器的所述液体冷却剂输出端连接到所述液体冷却剂驱动系统的止回阀。
8.一种用于操作如权利要求1-7的任一项所述的暖通空调系统的方法，包括：
在压缩机马达的起动序列期间使用液体冷却剂驱动系统将液体冷却剂从冷凝器驱动到所述压缩机马达，从而冷却和润滑所述压缩机马达；以及
一旦所述起动序列已完成，便利用所述冷凝器和蒸发器之间的压差将液体冷却剂从所述冷凝器抽吸到所述压缩机马达。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，驱动所述液体冷却剂包括将液体冷却剂从所述冷凝器提供到贮存器并加热所述贮存器中的所述液体冷却剂，从而增加所述液体冷却剂的压力。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，驱动所述液体冷却剂包括操作设置在所述冷凝器内的电动泵。
11.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，驱动所述液体冷却剂包括操作设置在所述冷凝器的出口和所述压缩机马达的液体冷却剂入口之间的电动泵。
12.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括：响应于所述压缩机马达超过旋转速度，从使用所述液体冷却剂驱动系统驱动所述液体冷却剂过渡到利用所述冷凝器和所述蒸发器之间的压差将液体冷却剂从所述冷凝器抽吸到所述压缩机马达。
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