CN1952396A - 双级螺杆压缩机及使用该压缩机的双级压缩制冷机 - Google Patents

Abstract

本发明的双级螺杆压缩机具备：行程体积比调节机构，根据吸入压力的变化，通过行程体积改变机构改变一级侧压缩机及二级侧压缩机中至少某一个的行程体积，来调节一级侧压缩机和二级侧压缩机的行程体积比；和容量调节机构，通过旋转控制机构改变马达的转速，来调节容量。根据这样的结构，能够调节一级侧和二级侧的行程体积比，以使中间压力成为理想的值，并且，能根据蒸发温度的变化减轻一级侧和二级侧压缩机的负担，进行高效率的运转。

Description

双级螺杆压缩机及使用该压缩机的双级压缩制冷机

技术领域

本发明涉及双级螺杆压缩机及使用该压缩机的双级压缩制冷机。

背景技术

在制冷剂循环流路中具备双级螺杆压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器的双级压缩制冷机中，谋求蒸发器中制冷剂的蒸发温度(ET)能够应对-30°～-60°的较大温度范围，并且能够用同一制冷机来应对。

以往，在特开平11-117879号公报中记载的那样的双级螺杆压缩机中，在一级侧压缩机中设有由滑阀构成的容量控制机构，通过对滑阀卸荷来进行部分负荷运转。此外，在特开2003-21089号公报中记载的双级螺杆压缩机中，通过控制使一级侧压缩机和二级侧压缩机旋转的驱动马达的转速来进行部分负荷运转。进而，在特开2004-278824号公报的制冷循环装置中，记载了能够独立地改变低级侧压缩机和高级侧压缩机的转速、对应于负荷而使各自的转速增减的技术。但是，只进行这样的部分负荷运转，制冷剂的蒸发温度(ET)不能充分应对-30°～-60°这一较大温度范围。

一般而言，在一级侧压缩机的压缩比和二级侧压缩机的压缩比相等时，双级压缩机进行理想的运转。如果设吸入压力(一级侧压缩机的吸入压力)为Ps、设中间压力(一级侧压缩机的排出压力、同时是二级侧压缩机的吸入压力)为Pm、设排出压力(二级侧压缩机的排出压力)为Pd，则一级侧压缩比r1＝Pm/Ps、二级侧压缩比r2＝Pd/Pm，所以，在一级侧压缩比r1和二级侧压缩比r2相等(r1＝r2)时，由Pm/Ps＝Pd/Pm，得到 $\mathrm{Pm}=\sqrt{(\mathrm{Ps}\·\mathrm{Pd})}.$

如果设排出压力为15.64ata，将蒸发温度ET(℃)为-30、-40、-50、-60时的吸入压力Ps(ata)分别设为1.67、1.07、0.658、0.382，则由 $\mathrm{Pm}=\sqrt{(\mathrm{Ps}\·\mathrm{Pd})},$ 得到中间压力Pm(ata)为5.11、4.09、3.21、2.44，如果将这些数据绘成图，则为图3所示那样。由该图3可知，如果决定了双级螺杆压缩机的排出压力和吸入压力，则决定了一级侧压缩机的压缩比和二级侧压缩机的压缩比相等时的理想中间压力。

但是，实际上，中间压力是由一级侧压缩机和二级侧压缩机的行程体积之比即行程体积比R(＝V1/V2)决定的。这里，行程体积是指压缩机中每单位时间内压缩的体积。如果设与吸入压力Ps相当的压缩介质比容为v1、设与中间压力Pm相当的压缩介质比容为v2，则v1/v2＝V1/V2＝R，所以，由v2＝v1×(1/R)求得v2，由与该v2相当的压力求得中间压力Pm。另外，所谓比容是指物体的每单位重量的体积。此外，所谓“与v2相当的压力”是利用在制冷机领域中公知的莫里尔图(P-h图)等求出的。例如，蒸发温度ET(℃)为-30、-40、-50、-60时的v1变化为0.135、0.205、0.323、0.536。利用该v1和行程体积比R＝3求出中间压力Pm，如果描绘到图中与理想中间压力一起表示，则为图4所示那样。由图4可知，在蒸发温度为-40℃时，中间压力与理想中间压力大致相同，是理想的，在蒸发温度为-30℃～-40℃时，中间压力比理想中间压力高从而一级侧压缩机的负担大，如果蒸发温度变为-40～-60℃，则中间压力变得比理想中间压力低从而二级侧压缩机的负担变大。

如上所述，在以往的双级螺杆压缩机中，在蒸发温度(ET)为-30℃～-60℃的范围内，一级侧压缩机和二级侧压缩机的行程体积比是恒定的。因此，如果将设计点设定为最佳蒸发温度，则在该点为理想中间压力，但是，在除此以外的蒸发温度下，对某一压缩机施加的负担过重，使压缩机效率变差。

发明内容

本发明是鉴于上述以往的问题而做出的，目的是提供一种双级螺杆压缩机以及使用该压缩机的双级压缩制冷机，其能够调节一级侧和二级侧的行程体积比以使中间压力达到理想值，并且能根据蒸发温度的变化减轻一级侧和二级侧压缩机的负担，进行高效率的运转。

在图4中，为了使由双点划线表示的中间压力接近由实线表示的理想中间压力，在蒸发温度为-30℃的区域中，比容v1为0.135的情况下，只要将行程体积比降低为R＝0.135/0.053＝2.55，即、使一级侧压缩机的行程体积变为原来的2.55/3.0＝0.85(减少15％)，以使比容v2成为与理想中间压力5.11ata相当的比容0.053就可以。对于由此产生的压缩能力降低，通过增加螺杆压缩机的转速来应对。另一方面，在蒸发温度为-60℃的区域中，进行相反的动作。由此，能够使中间压力接近理想中间压力。本发明是根据这一发现作出的。

即，本发明是一种双级螺杆压缩机，包括：一级侧压缩机，配置在压缩机主体内；二级侧压缩机，配置在压缩机主体内、且处于上述一级侧压缩机的下游侧；一个马达，驱动上述一级侧压缩机及二级侧压缩机；行程体积改变机构，改变上述一级侧压缩机及二级侧压缩机中至少某一个的行程体积；吸入压力检测器，测量上述一级侧压缩机的吸入压力值Ps；行程体积比调节机构，调节上述一级侧压缩机和上述二级侧压缩机的行程体积比，所述行程体积比调节机构根据由上述吸入压力检测器测得的吸入压力值Ps，通过上述行程体积改变机构改变上述一级侧压缩机及二级侧压缩机中至少某一个的行程体积；旋转控制机构，控制上述马达的转速；容量调节机构，通过上述旋转控制机构改变上述马达的转速，来调节上述双级螺杆压缩机的容量。

在本发明的双级螺杆压缩机中，如果通过行程体积比调节机构改变一级侧压缩机和二级侧压缩机的行程体积比，则中间压力变化，所以能够使中间压力接近理想的理论中间压力。

此外，在本发明的双级螺杆压缩机中，通过容量调节机构改变马达的转速，所以能够由此改变双级螺杆压缩机的容量、即压缩气体的供给量。由此，能够只送出供给目的地所需要的量的压缩气体。

这样，在本发明中，通过将行程体积比调节机构和容量调节机构组合，巧妙地实现了能够进行高效运转的双级螺杆压缩机。即，由行程体积改变机构及行程体积比调节机构将中间压力控制到理想值而实现高效化，而主要由旋转控制机构及容量调节机构进行压缩气体的供给量控制。换言之，行程体积改变机构是专门为了进行中间压力的最佳化而使用的，供给量的调节另外使用旋转控制机构进行。

本发明的双级螺杆压缩机还包括：排出压力检测器，测量上述二级侧压缩机的排出压力值Pd；中间压力检测器，测量上述一级侧压缩机的排出压力值、即中间压力值Pm；上述行程体积比调节机构根据由上述吸入压力检测器测得的吸入压力值Ps和由上述排出压力检测器测得的排出压力值Pd，通过

计算理论中间压力值Pmth，通过上述行程体积改变机构改变行程体积，以使得由上述中间压力检测器测得的中间压力值Pm和上述理论中间压力值Pmth之差为零。

上述行程体积改变机构可以是活塞阀或滑阀。行程体积改变机构只要设置在一级侧压缩机和二级侧压缩机中至少某一个上即可，但优选设置在一级侧压缩机上。此外，上述旋转控制机构可以是变换器。

此外，本发明是一种双级压缩制冷机，在制冷剂循环流路中依次具备双级螺杆压缩机、冷凝器、膨胀阀、以及蒸发器；在上述蒸发器中设有测量蒸发温度值的蒸发温度检测器；上述容量调节机构通过上述旋转控制机构改变上述马达的转速，以使得由上述蒸发温度检测器测得的蒸发温度值和预先设定的目标蒸发温度值之差为零。

根据本发明的双级压缩制冷机，能够对应于较大范围的蒸发温度使中间压力接近理想的理论中间压力，能够使压缩机的效率大幅提高。特别是，以往在-20℃～-30℃的范围由于中间压力过度上升而不能运转，但本发明通过由行程体积比调节机构调节行程体积，降低中间压力，而能够运转。

附图说明

图1是表示具备本发明的双级螺杆压缩机的双级压缩制冷机循环的图。

图2是图1的双级螺杆压缩机的活塞阀的放大剖视图。

图3是表示对应于蒸发温度变化产生的双级螺杆压缩机的吸入压力、中间压力、排出压力的变化的曲线图。

图4是表示在对应于蒸发温度变化产生的、双级螺杆压缩机的理想中间压力变化和行程体积比恒定时的中间压力变化的曲线图。

具体实施方式

以下按照附图说明本发明的实施方式。

图1表示使用本发明的双级螺杆压缩机1的双级压缩制冷机的循环。该制冷循环是用制冷剂循环流路6连结双级螺杆压缩机1、油分离器2、冷凝器3、膨胀阀4及蒸发器5而成的。

双级螺杆压缩机1的主体包括：一级侧压缩机壳体8，收纳有由相互啮合的阴阳一对螺杆转子构成的一级侧压缩机7；二级侧压缩机壳体11，收纳有具有与上述一级侧压缩机7的阳转子共用的驱动轴9、并且由相互啮合的阴阳一对螺杆转子构成的二级侧压缩机10；和马达壳体13，收纳有驱动上述一级侧压缩机7及上述二级侧压缩机10的驱动轴9的一个马达12。

在一级侧压缩机壳体8上设有与一级侧压缩机7的吸入侧连通的吸入口14，在该吸入口14的上游侧设有过滤器15。一级侧压缩机7的排出侧经由壳体内空间与二级侧压缩机10的吸入侧连通。在二级侧压缩机壳体11上设有与二级侧压缩机10的排出侧连通的排出口16。

如图2所示，在一级侧压缩机壳体8中，与一级侧压缩机7的驱动轴9平行地形成有压力缸17，在该压力缸17中以可滑动的方式收纳有活塞阀18。活塞阀18将压力缸17分离成位于一级侧压缩机7的吸入侧的气体空间19和位于一级侧压缩机7的排出侧的液压空间20。活塞阀18，通过将螺旋弹簧22的一端从压力缸17的气体空间19侧插入到沿轴向形成的孔21中，并将该螺旋弹簧22的另一端抵接在压力缸17的端壁上，而被向一级侧压缩机7的排出侧施力。螺旋弹簧22由位于其内侧的引导棒23引导。压力缸17的气体空间19与一级侧压缩机7的吸入侧连通，并且，经由一级侧压缩机壳体8上形成的多个开口部24而与一级侧压缩机7的封闭空间连通。为了使活塞阀18克服螺旋弹簧22的作用力向气体空间19侧移动，向压力缸17的液压空间20中供给液压。

回到图1，从电源25经由变换器26对二级侧压缩机10的马达12供电，控制其转速。变换器26构成旋转控制机构。此外，由液压装置27向活塞阀18的液压空间20供给液压，通过调节向液压空间20供给的液压量，能够设成由活塞阀18将全部开口部24封闭的全负荷状态、和将至少1个开口部24敞开的卸荷状态。活塞阀18构成容量控制机构。变换器26及液压装置27由控制器28控制。能够将由压力计测量的吸入压力Ps、中间压力Pm、排出压力Pd输入到控制器28中。另外，压力计分别附设在与一级侧压缩机7的吸入侧连通的流路(测量Ps)、一级侧压缩机7的排出侧和二级侧压缩机10的吸入侧之间的壳体内空间(测量Pm)、与二级侧压缩机10的排出侧连通的流路(测量Pd)中。此外，经由温度调节计30将由设置在蒸发器5上的温度传感器29检测的蒸发温度输入到控制器28中。控制器28构成本发明的行程体积比调节机构和容量调节机构。

下面，说明由上述结构构成的双级压缩制冷机的动作。

例如，假设将一级侧压缩机7的行程体积V1和二级侧压缩机10的行程体积V2的行程体积比R(＝V1/V2)设计为R＝3。在此情况下，在一级侧压缩机7为全负荷状态、一级侧压缩机7和二级侧压缩机10的行程体积比保持R＝3时，推测中间压力Pm如图4所示成为超过理论中间压力Pmth的6.3ata。这里，如果使活塞阀18移动而将一级侧压缩机7卸荷15％，则一级侧压缩机7的行程体积变为85％，行程体积比R变为R＝3×0.85＝2.55，结果，中间压力Pm降低，能够接近理论中间压力Pmth。这样，能够对应于大范围的蒸发温度，使中间压力接近理想的理论中间压力Pmth，能够使压缩机的效率大幅提高。这样，在将该双级压缩制冷机设计成行程体积比R(＝V1/V2)为R＝3的情况下，由图4可知，如果蒸发温度ET(℃)为-40℃以上、进而吸入压力Ps为1.07ata以上，则能够通过使活塞阀18移动、将一级侧压缩机7卸荷所需比例，来使中间压力Pm降低，接近理论中间压力值。

另外，这样设定任意的卸荷量，可以通过使用图2所示的机构来顺利地实现。即，在图2中，将开口部24设置成，使得活塞阀18的移动量和卸荷量成比例。这样利用活塞阀进行卸荷的机构是公知的。

在图1的双级螺杆压缩机1中，设有测量吸入压力Ps、排出压力Pd、及中间压力Pm的压力计，所以，在运转状态下将在双级螺杆压缩机1中测量的吸入压力Ps、排出压力Pd、中间压力Pm输入到控制器28中后，控制器28计算出理论中间压力 $\mathrm{Pmth}=\sqrt{(\mathrm{Ps}\·\mathrm{Pd})},$ 并使活塞阀18移动，以使测量中间压力Pm和理论中间压力Pmth之差为零。这里，也可以基于测量中间压力Pm和理论中间压力Pmth，利用PID运算来决定活塞阀18的移动位置。

在将双级螺杆压缩机1用于排出压力Pd大致恒定的情况、例如制冷机的情况下，也可以省略排出压力Pd的压力计。在此情况下，只要将该排出压力值预先存储到控制器28中，在理论中间压力Pmth的计算中加以使用即可。

进而，在排出压力Pd大致恒定的情况下，也可以省略中间压力Pm的压力计，只根据吸入压力Ps的值决定活塞阀18的位置。即，预先求出吸入压力Ps的值、与在该吸入压力Ps值下中间压力Pm大致达到理论中间压力Pmth时活塞阀18的位置之间的关系，将该关系存储到控制器28中。在运转时，根据该存储的关系，对应于测得的吸入压力Ps决定活塞阀18的位置。

另一方面，将由蒸发器5内的温度传感器29检测到的蒸发温度输入到温度调节计30中，温度调节计30将检测到的蒸发温度与目标温度进行比较，在比目标温度高时向控制器28请求增速。由此，控制器28经由变换器26增大马达12的转速。结果，一级侧压缩机7和二级侧压缩机10的行程体积同时变大，能够在将行程体积比R保持在理想状态的情况下，增大容量进而增加制冷能力。反之，在比目标温度低时，减小马达12的转速，防止过度冷却等造成的浪费。

由上述结构构成的双级压缩制冷机，在蒸发温度ET(℃)为规定温度(具体而言是-40℃)以上、进而吸入压力Ps为规定压力(具体而言是1.07ata)以上的情况下，能够使中间压力Pm接近理论中间压力Pmth，但是，希望其在除此以外的情况下也能够得到同等的效果。为此，以下述方式构成：除了上述结构以外，在二级侧压缩机壳体11中，与二级侧压缩机10的驱动轴9(与一级侧压缩机7的驱动轴9共用)平行地形成压力缸，将独立于上述活塞阀18的活塞阀以可滑动的方式收纳在该压力缸中。如果是这一结构的双级压缩制冷机，则不仅能够使一级侧压缩机7的行程体积变化，还能够使二级侧压缩机10的行程体积变化。并且，如果是该结构的双级压缩制冷机，则在比-40℃低、进而吸入压力Ps比1.07ata低的情况下，通过使二级侧压缩机10侧的活塞阀移动，而以所需比例对二级侧压缩机10卸荷，能够使中间压力Pm上升，接近理论中间压力Pmth。

另外，在上述实施方式中，作为行程体积改变机构使用的是活塞阀18，但是也可以使用滑阀。此外，活塞阀18或滑阀如上所述，并不限于设在一级侧压缩机7中，也可以设置在二级侧压缩机10中，还可以设置在一级侧压缩机7和二级侧压缩机10这两者中。

Claims (6)

1、一种双级螺杆压缩机，其特征在于，包括：

一级侧压缩机，配置在压缩机主体内；

二级侧压缩机，配置在压缩机主体内、且处于上述一级侧压缩机的下游侧；

一个马达，驱动上述一级侧压缩机及二级侧压缩机；

行程体积改变机构，改变上述一级侧压缩机及二级侧压缩机中至少某一个的行程体积；

吸入压力检测器，测量上述一级侧压缩机的吸入压力值(Ps)；

行程体积比调节机构，调节上述一级侧压缩机和上述二级侧压缩机的行程体积比，所述行程体积比调节机构根据由上述吸入压力检测器测得的吸入压力值(Ps)，通过上述行程体积改变机构改变上述一级侧压缩机及二级侧压缩机中至少某一个的行程体积；

旋转控制机构，控制上述马达的转速；

容量调节机构，通过上述旋转控制机构改变上述马达的转速，来调节上述双级螺杆压缩机的容量。

2、如权利要求1所述的双级螺杆压缩机，其特征在于，还包括：

排出压力检测器，测量上述二级侧压缩机的排出压力值(Pd)；

中间压力检测器，测量上述一级侧压缩机的排出压力值、即中间压力值(Pm)；

上述行程体积比调节机构根据由上述吸入压力检测器测得的吸入压力值(Ps)和由上述排出压力检测器测得的排出压力值(Pd)，通过

计算理论中间压力值(Pmth)，通过上述行程体积改变机构改变行程体积，以使得由上述中间压力检测器测得的中间压力值(Pm)和上述理论中间压力值(Pmth)之差为零。

3、如权利要求1所述的双级螺杆压缩机，其特征在于，上述行程体积改变机构是活塞阀。

4、如权利要求1所述的双级螺杆压缩机，其特征在于，上述行程体积改变机构是滑阀。

5、如权利要求1所述的双级螺杆压缩机，其特征在于，上述旋转控制机构是变换器。

6、一种双级压缩制冷机，其特征在于，

在制冷剂循环流路中依次具备权利要求1所述的双级螺杆压缩机、冷凝器、膨胀阀、以及蒸发器；

在上述蒸发器中设有测量蒸发温度值的蒸发温度检测器；

上述容量调节机构通过上述旋转控制机构改变上述马达的转速，以使得由上述蒸发温度检测器测得的蒸发温度值和预先设定的目标蒸发温度值之差为零。

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