CN114729649A - 进口导叶致动器组件 - Google Patents

Abstract

一种用于离心式压缩机的进口导叶组件，包括多个导叶、联接到所述多个导叶的驱动结构、致动器以及致动机构。所述驱动结构的旋转将所述多个导叶从第一位置转变到第二位置。所述致动机构被配置为基于所述致动器的操作在所述第一位置和所述第二位置之间转变所述多个导叶。当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构施加第一量的旋转力以驱动所述驱动结构，而当所述导叶处于所述第二位置时，所述致动机构施加第二量的旋转力。与当所述导叶处于所述第二位置时相比，当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构向所述致动器提供机械效益。

Description

进口导叶致动器组件

技术领域

本申请要求于2019年10月31日提交的美国临时申请No.62/928,881的优先权，其全部内容通过引用以其整体结合于此。

本发明总体上涉及进口导叶(inlet guide vane)，并且具体地涉及在暖通空调和制冷设备中用于打开和/或关闭进口导叶的致动器组件(actuator assembly)。

背景技术

本节旨在向读者介绍可与当前描述的实施方式的各个方面相关的领域的各个方面，以帮助促进更好地理解本实施方式的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来理解，而不是承认现有技术。

现代住宅和工业客户期望对室内空间进行气候控制。通常，暖通空调(“HVAC”)系统使室内空间的空气循环通过低温(用于冷却)源或高温(用于加热)源，从而调节室内空间的环境空气温度。除其他技术之外，HVAC系统通过利用以下公知物理原理来产生这些低温源和高温源：从气体转变到液体的流体释放热量，而从液体转变到气体的流体吸收热量。

在典型的住宅系统中，流体制冷剂循环通过管道的闭环，该管道的闭环使用压缩机和其他流量控制装置来操纵制冷剂的流量和压力，使得制冷剂在液相和气相之间循环。这些相变通常发生在HVAC的热交换器内，热交换器是闭环的一部分并且被设计成在循环的制冷剂和流动的环境空气之间传递热量。这是制冷循环的基础。其中制冷剂从气体转变为液体的热交换器称为“冷凝器”，冷凝的流体向周围环境释放热量。其中制冷剂从液体转变为气体的热交换器称为“蒸发器”，蒸发的制冷剂从周围环境吸收热量。

对于商业应用而言，离心冷却器是控制大型建筑物室内气候的经济方法。在典型的冷却器系统内，多个流体回路协作以将热量从一个位置传递到另一个位置。典型冷却器的核心是制冷剂回路，该制冷剂回路使在液相和气相之间转变的流体制冷剂循环，以实现所需的热量的吸收或释放。这类似于传统的住宅系统。但是，代替将热量直接传递到周围空气或循环空气或从周围空气或循环空气直接吸收热量的制冷剂，冷却器通常采用热量传递到其中或从其传递热量的循环水的回路。为了冷却建筑物，制冷剂回路的蒸发器可被设计成从在冷却水回路中循环的水吸收热量，在冷却水回路中循环的水又经由空气处理单元中的热交换器从室内环境吸收热量。并且制冷剂回路的冷凝器可被设计成将热量从循环的制冷剂释放到在冷却水回路中循环的水，在冷却水回路中循环的水又经由冷却塔中的热交换器将热量释放到室外环境。

制冷剂回路内的制冷剂循环可以部分地由离心式压缩机驱动(centrifugalcompressor)，离心式压缩机具有进口导叶(IGV)，IGV打开并关闭以改变进入压缩机的制冷剂流量，从而调节冷却器的冷却能力。当进口导叶开始关闭时，进口导叶改变了叶轮的进入角度，降低了流速和冷却器的冷却能力。在一些应用中，冲击导叶的气态制冷剂可产生阻止IGV从更关闭位置移动到更打开位置的扭矩。通常，当IGV处于或非常接近关闭位置时，该阻力扭矩(resistive torque)最高，并且随着IGV转变到打开位置，该阻力扭矩可减小。

为了克服最大阻力扭矩，可以使用更强大的致动器。然而，这些更强大的致动器通常更大、更昂贵，并且需要更多的能量来操作。

发明内容

下面阐述本文公开的一些实施方式的某些方面。应当理解，呈现这些方面仅仅是为了向读者提供本发明可能采取的某些形式的简要概述，并且这些方面并不旨在限制本发明的范围。实际上，本发明可以包括下面可能没有阐述的各种方面。

本公开的实施方式总体上涉及利用离心压缩机的暖通空调或制冷(HVACR)系统，该离心式压缩机具有用于打开和/或关闭IGV的进口导叶致动器组件。

在一些实施方式中，IGV联接到利用被布置为创造机械效益的蜗杆传动和连杆部件的组件。在一些实施方式中，IGV致动器组件包括：多个导叶；联接到所述多个导叶的驱动结构，其中，所述驱动结构的旋转将所述多个导叶从第一位置转变到第二位置；致动器；致动机构，其被配置为基于所述致动器的操作在所述第一位置和所述第二位置之间转变所述多个导叶，其中，当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构施加第一量的旋转力以驱动所述驱动结构，而当所述导叶处于所述第二位置时，所述致动机构施加第二量的旋转力，并且其中，与当所述导叶处于所述第二位置时相比，当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构向所述致动器提供机械效益。

在一些实施方式中，当所述IGV处于基本关闭的位置时，机械效益增加了施加到驱动环和/或所述IGV的力。在一些实施方式中，当所述IGV处于基本关闭的位置时，需要更小的致动器扭矩。在一些实施方式中，连杆具有“过中心(over-center)”设计，其中，与当连杆更不平行于所述驱动环的平面时相比，当连杆更接近平行于所述驱动环的平面时，向所述驱动环施加更多的力。

关于本实施方式的各个方面，可以存在上述特征的各种改进。在这些各个方面中也可以并入其他特征。这些改进和附加特征可以单独存在或以任何组合存在。例如，以下关于一个或更多个所示实施方式所讨论的各种特征可以单独地或以任何组合方式并入本公开的上述方面中的任何方面中。同样，以上给出的简要概述仅旨在使读者熟悉一些实施方式的某些方面和上下文，而不限于所要求保护的主题。

附图说明

当参考附图阅读以下详细描述时，某些实施方式的这些和其他特征、方面和优势将变得更好理解，在附图中，相同的符号在整个附图中表示相同的部分，其中：

[图1]图1示意性地示出了根据本公开的一个实施方式的用于建筑物的冷却器系统；

[图2A至图2B]图2A至图2B示意性地示出了根据本公开的实施方式的安装在离心式冷却器的一部分内的IGV致动器组件；

[图3A至图3C]图3A至图3C示意性地示出了根据本公开的实施方式的IGV的打开位置和关闭位置；

[图4]图4示意性地示出了根据本公开的实施方式的IGV致动器组件；

[图5]图5示意性地示出了根据本公开的实施方式的IGV致动器组件；

[图6A至图6J]图6A至图6J示意性地示出了根据本公开的实施方式的IGV致动器组件的操作；以及

[图7]图7示出了根据本公开的实施方式的IGV致动器组件中的扭矩和叶片角度之间的关系。

具体实施方式

下面将描述本公开的一个或更多个特定实施方式。为了提供这些实施方式的简明描述，可以不描述实际实现的所有特征。应当理解，在任何这样的实际实现的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须做出许多实现特定的决定以实现开发者的特定目标，例如符合系统相关和业务相关的约束，开发者的特定目标可能因实现的不同而不同。此外，应当理解，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但是对于受益于本公开的普通技术人员来说，这将是设计、制造和生产的常规任务。

当引入各种实施方式的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”旨在表示存在一个或更多个该元件。术语“包括”、“包含”和“具有”意在是包含性的，并且意味着可以存在除了所列出的元素之外的附加元素。

转到附图，图1示出了冷却器系统100的概视图。在冷却器的中心是制冷回路110。压缩机120将相对冷的低压制冷剂气体转换成热的高压气体。然后，热高压气体在冷凝器125中转变为高压液体制冷剂。在该步骤期间，来自高压气体的热量通常通过冷凝器125中的热交换器传递到在冷却水回路130中循环的水。最终，传递到冷却水回路130中的水的热量经由冷却塔140中的另一热交换器排出到室外环境。

在制冷剂回路中离开冷凝器125的现在为液体的制冷剂在其通过膨胀阀127时转变为低压液体。当制冷剂变成低压液体时，这种压力下降也降低了制冷剂的温度。然后，冷的低压液体进入蒸发器145，在蒸发器145中热量被传递回制冷剂，将制冷剂转换回低压气体以由压缩机压缩。在蒸发器145中传递到制冷剂的热量通常通过蒸发器145中的热交换器由在冷却水回路150中循环的水提供。冷却水回路150将现在冷却了的水运送到空气处理单元(AHU)160，AHU 160使建筑物的室内空气循环通过热交换器，以冷却室内空间。可以设想，制冷剂可以是任意数量的制冷剂，包括R410A、R32、R454B、R452B、R1233zd、R1234ze、R134a、R513A、R515A、R515B和R1234yf，或其任意数量的组合。

图2A示意性地示出了安装在离心式压缩机210的一部分内的IGV致动器组件200。图2B示意性地示出了安装在离心式压缩机210内的IGV致动器组件200，其中压缩机的一部分被移除以便示出IGV致动器组件200的一个实施方式在离心式压缩机210内的布置。IGV致动器组件200的IGV引导在结合到冷却器系统中的离心式压缩机210内的气流。换句话说，IGV致动器组件200的IGV冲击(impact)结合到冷却器系统中的离心式压缩机210内的气流。

离心式压缩机通过经由进口导叶抽吸气体并使用离心叶轮压缩气体来操作。通过打开和关闭IGV来调节进入离心式压缩机的气流。

图3A至图3C示出了当IGV 310从打开位置转变到关闭位置时的IGV 310。图3A示出了处于完全打开位置的IGV 310。在该位置，允许气体基本上不受限制地流过叶片。图3B示出了一旦旋转到部分关闭位置的IGV 310。在该位置，气体被允许流过叶片，但在一定程度上受到限制。叶片还用于引导气流，以便于促进进入离心式压缩机的气体的旋转移动。图3C示出了处于完全关闭位置的IGV 310。在该位置，气体的流动显著地受到限制。在一些IGV组件中，IGV的中央部分保持打开，以便即使当IGV处于关闭位置时也允许最小制冷剂流动。

图4示意性地示出了根据一个实施方式的IGV致动器组件400。如图所示，组件400允许控制多个IGV 410的位置。多个IGV 410以协调的移动打开和/或关闭，以限制或扩张通过IGV 410进入离心式压缩机的流体的流。

在所公开的组件中，IGV 410联接到驱动结构420，驱动结构420控制IGV 410的打开和关闭。在一些实施方式中，驱动结构420包括驱动环422。在一些实施方式中，驱动结构420连接到致动机构430，致动机构430向驱动结构420施加力，使得IGV 410打开或关闭。致动机构430可以向驱动环422施加旋转力。致动机构430由致动器440驱动。

图5示意性地示出了根据一个实施方式的IGV致动器组件500。在一个公开的实施方式中，IGV致动器组件500由蜗杆传动530驱动。蜗杆传动530包括从动蜗杆螺钉(drivenworm screw)534，该从动蜗杆螺钉534用于使安装在中央毂(central hub)538上的蜗轮536旋转。蜗杆传动530由蜗杆致动器540驱动。连杆臂550在第一端552处连接到蜗轮536并且在第二端554处连接到驱动环522。(如本文所使用的，“端部”不是指终端位置，而是指一个更靠近一边而不是另一边的位置。)连杆臂550连接到蜗轮536的点被称为第一点562。连杆臂550连接到驱动环522的点被称为第二点564。

当驱动蜗杆螺钉534时，蜗杆螺钉534使蜗轮536旋转。蜗轮536的旋转通过连杆臂550传输力，使得驱动环522旋转，从而打开或关闭IGV 510。即，驱动环522可操作地连接到IGV 510，并且被配置为使IGV 510在打开位置和关闭位置之间旋转。换句话说，驱动环522可操作地连接到IGV 510并且被配置为打开和关闭IGV 510。

在一些实施方式中，可以基于蜗轮、连杆臂和驱动环的特定构造来创造机械效益。连杆臂将蜗轮的旋转转换为驱动环的旋转。在一些实施方式中，蜗轮和驱动环相对于彼此基本垂直地定位。换句话说，蜗杆传动包括基本上垂直于驱动环布置的蜗轮。在一些实施方式中，蜗轮的每单位旋转施加给驱动环的旋转量取决于第一点的位置和/或驱动环与蜗轮之间的相对角度。

例如，当第一点与由驱动环限定的平面(即，第一平面)最垂直地偏移时，蜗轮的每个单位旋转转换为第一点在平行于第一平面的方向上的更大的行程量，从而导致连杆臂使驱动环旋转更大的量，但是降低了连杆系统的机械效益。当第一点与蜗轮一起旋转并且接近由驱动环限定的平面时，蜗轮的每个单位旋转转化为第一点在平行于第一平面的方向上的减小的行程量，从而使得连杆臂使驱动环旋转更小的量，但是增加了连杆系统的机械效益。这种布置的结果是，当第一点更靠近平面时比当第一点更偏离第一平面时，可以向驱动环施加更大量的力。

在一些实施方式中，连杆臂通常限定与由驱动环限定的第一平面相交的第一线。在这样的实施方式中，当齿轮旋转时，在第一线和第一平面之间形成的锐角将增大或减小。在一些实施方式中，与在第一线和第一平面之间的锐角更大时相比，在该锐角更小时，机械效益更大。在一些实施方式中，当多个导叶关闭时，第一平面与第一线之间的锐角更小，而当多个导叶打开时，第一平面与第一线之间的锐角更大。

图6A至图6J示意性地示出了根据一个实施方式的IGV致动器组件600的移动。图6A示出了处于基本关闭位置的IGV 610。在该位置，通过IGV 610的气体在IGV上施加最大的力，从而对打开IGV产生阻力。第一点615基本上邻近由驱动环620限定的第一平面605(参见图6C)，从而当IGV 610关闭并且受到来自流动气体的最大量的阻力时产生增加的机械效益。

图6B示出了当蜗杆螺钉使蜗轮顺时针旋转大约10°时的组件600。该旋转使第一点615几乎完全在垂直于第一平面的方向上移动，从而导致驱动环的仅最小旋转并且少量地打开IGV 610。可以理解，蜗杆螺钉旋转基本上相同的量以便将圆形蜗轮旋转10°，而与第一点615的位置无关。然而，由连杆臂施加到驱动环的力根据第一点615的位置而显著变化。

图6C至图6H在每个图中示出了当蜗杆螺钉将蜗轮顺时针旋转大约10°时的组件600。在每个图中，第一点615随蜗轮顺时针旋转。虽然蜗轮在每个图中旋转大约10°，但第一点615在每个连续图中沿与第一平面605更平行且更不垂直于第一平面605的方向行进。这导致随着第一点615与蜗轮一起旋转到更远离第一平面的点，从图6C至图6H，每10°旋转连杆臂使驱动环旋转的量增加。如图中所示，连杆臂和第一平面605之间形成的锐角随着每10°旋转而增加。

图6I示出了当蜗杆螺钉已经使蜗轮旋转大约80°并且第一点接近从第一平面605最大偏移时的组件600。在该位置，蜗轮的每10°旋转使第一点615在几乎完全在平行于第一平面605的方向上移动，因此连杆臂引起驱动环620的显著旋转。IGV610在该位置基本上打开，允许气体以相对小的阻力进入离心式压缩机。由于当组件处于这种构造时流动气体不提供显著增加的阻力，所以不需要组件产生的增加的机械效益。

图6J示出了当蜗杆螺钉已经使蜗轮从图6A中所示的构造旋转大约90°时并且第一点615从第一平面605最大偏移时的组件600。IGV完全打开，以允许气体相对自由地进入离心式压缩机。在该位置，流动气体不会对IGV 610的移动产生显著的阻力。由组件产生的机械效益在该位置被最小化。

图7示出了示出根据一个实施方式的IGV致动器组件的叶片角度和致动器扭矩之间的关系的曲线图。如曲线图所示，在一些实施方式中，当叶片处于关闭位置并且叶片角度接近零度时，叶片扭矩达到峰值。由于所公开的机构产生的机械效益，所需的致动器扭矩随着叶片角度接近零而减小，但是总叶片扭矩随着叶片角度接近零而增加。如图7所示，当导叶相对于驱动环的角度减小时，致动器产生的扭矩与施加到导叶上的扭矩之间的差异增大。此外，图7表明，与当导叶处于打开位置时相比，当导叶处于关闭位置时，由连杆臂施加到驱动环的力的量更大。

如图7所示，在一些实施方式中，当导叶处于第一位置时，致动机构施加第一量的旋转力以驱动驱动结构，该旋转力被转换成叶片扭矩，而当导叶处于第二位置时，致动机构施加第二量的旋转力。在一些实施方式中，与当导叶处于第二位置时相比，当导叶处于第一位置时，致动机构向致动器提供机械效益。

虽然已经在几个特定实施方式的上下文中讨论了所公开的IGV致动器组件的一般概念，但是应当理解，可以想到许多变化。

所公开的实施方式包括多个导叶、驱动结构和致动机构。在一些实施方式中，驱动结构包括驱动环或能够从致动机构接收力并调节多个导叶的位置的任何其他合适的结构。

在一些实施方式中，致动器机构可以包括蜗杆传动、滑轮传动、带传动或齿条齿轮传动。在一些实施方式中，致动器机构包括齿轮，该齿轮可以是例如正齿轮、蜗轮、斜齿轮、锥齿轮、轮或配置为接收致动力并向驱动结构或驱动环施加力(例如旋转力)的任何合适的部件。在一些实施方式中，齿轮安装在中央毂上。在一些实施方式中，齿轮布置成基本上垂直于驱动结构或驱动环。在一些实施方式中，齿轮布置成与驱动结构或驱动环成大于45°的角度。在一些实施方式中，齿轮是椭圆形的。在一些实施方式中，致动器机构包括可以彼此接合和/或通过毂旋转地链接的多个齿轮。

在一些实施方式中，致动器机构包括连杆臂。在一些实施方式中，连杆臂具有第一端和第二端，第一端在第一点处连接到齿轮或轮，第二端在第二点处连接到驱动结构或驱动环。在一些实施方式中，连杆臂将力从致动器机构的齿轮或轮传递到驱动结构或驱动环。在一些实施方式中，连杆臂包括布置成适应致动器组件和驱动结构两者的运动的一个或更多个铰接或枢转附接点。在一些实施方式中，驱动环的运动形成弧。在这样的实施方式中，第二点在弧的运动中移动并且还随驱动环旋转。连杆臂必须适应这些运动中的每一个，同时还在第一点处保持与齿轮的旋转连接。在一些实施方式中，连杆臂被布置成提供拉力和推力两者。在一些实施方式中，可以使用多于一个的连杆臂。在这样的实施方式中，每个连杆臂可被布置成提供推力或拉力。

在一些实施方式中，致动器机构由致动器驱动。致动器可以是电致动器、气动致动器、液压致动器、磁性致动器或电机。在一些实施方式中，致动器使用蜗杆螺钉、齿条、链传动和/或皮带传动来接合齿轮。在一些实施方式中，致动器通过中间机构，例如一系列齿轮或中央毂，来接合齿轮。

虽然本公开的各方面可能易于受到各种修改和替代形式的影响，但是在附图中已经通过示例的方式示出了特定实施方式，并且在此已经详细描述了特定实施方式。但是应当理解，本发明并不意在限于所公开的特定形式。相反，本发明将覆盖落入由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改、等同物和替换。

附图标记列表

200：IGV致动器组件

310：IGV

400：IGV致动器组件

410：IGV

420：驱动结构

422：驱动环

430：致动机构

440：致动器

500：IGV致动器组件

510：IGV

522：驱动环

530：蜗杆传动

534：从动蜗杆螺钉

536：蜗轮

538：中央毂

540：蜗杆致动器

550：连杆臂

552：第一端

554：第二端

562：第一点

564：第二点

600：组件

605：第一平面

610：IGV

615：第一点

620：驱动环

Claims (7)

1.一种用于离心式压缩机的进口导叶组件，该进口导叶组件包括：

多个导叶；

联接到所述多个导叶的驱动结构，其中，所述驱动结构的旋转将所述多个导叶从第一位置转变到第二位置；

致动器；

致动机构，该致动机构被配置为基于所述致动器的操作在所述第一位置和所述第二位置之间转变所述多个导叶，

其中，当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构施加第一量的旋转力以驱动所述驱动结构，当所述导叶处于所述第二位置时，所述致动机构施加第二量的旋转力，并且

其中，与当所述导叶处于所述第二位置时相比，当所述导叶处于所述第一位置时，所述致动机构向所述致动器提供机械效益。

2.根据权利要求1所述的进口导叶组件，其中，所述驱动结构包括驱动环。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的进口导叶组件，其中，所述致动机构包括蜗杆传动。

4.根据权利要求1或权利要求2所述的进口导叶组件，其中，所述致动机构包括滑轮。

5.根据权利要求1至3中的任意一项所述的进口导叶组件，其中，所述致动机构包括齿轮。

6.根据权利要求5所述的进口导叶组件，其中，所述齿轮是椭圆形的。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的进口导叶组件，其中，当所述导叶处于基本上闭合的位置时，所述机械效益最大。

Images