CN1952398B - 压缩机容量调节系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种压缩机系统包括：具有进口的压缩机；流体地结合至进口的第一管道；由第二管道流体地结合至进口的蓄能器；和布置在第二管道中并且能操作来在关闭状态下防止蓄能器和进口之间流体连通以及在打开状态下允许蓄能器和进口之间流体连通的第一阀。

Description

压缩机容量调节系统和方法
技术领域
本发明涉及压缩机，并且更具体地涉及容量调整的压缩机。
背景技术
压缩机可广泛地用于工业用途和家居用途中以在致冷、热泵、HVAC或者冷冻系统(统称为“致冷系统”)内循环致冷剂以便提供期望的加热或冷却作用。在任何前述用途中，压缩机可与基于系统需求来调整压缩机容量的容量调节系统相结合使用。
常规的容量调节系统有选择地调节压缩机将致冷剂循环通过致冷系统的能力并且因此调节致冷系统吸收和释放热的能力。因此常规的容量调节系统可用来基于所需的加热和/或冷却需求来调节致冷系统的容量。基于系统需求调整压缩机容量提高了压缩机的效率，因为仅消耗所需量的能量。
常规的容量调节系统可通过调整压缩机壳体内的压力来调节压缩机的容量以防止布置在壳体内的压缩机腔室的操作。例如，在涡旋压缩机应用中，常规的容量调节系统可允许不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件相分离。这种分离在不旋转的涡旋元件和旋转的涡旋元件之间形成了渗漏通道并且因此降低了压缩机压缩致冷剂的能力。
渗漏通道可通过阀的致动来将不旋转的涡旋元件暴露于低压蒸汽(即吸入压力下的蒸汽)或者中压蒸汽或者高压蒸汽(即排出压力下的蒸汽)下而实现。脉宽调制可用来将阀在打开状态和关闭状态之间循环以获得期望容量的压缩机。通常，阀以如此的速率循环以使得在压缩机加载时阀关闭并且在压缩机卸载时阀打开。
在加载压缩机时，压缩机进口处的吸入压力均匀地降低，而在卸载压缩机时，吸入压力均匀地增大。吸入压力随着时间而降低就导致了容量的降低，因为与在较高压力下压缩蒸汽(即压缩机加载期间的早期)所消耗的能量相比，压缩机需要消耗额外的能量来将低压蒸汽压缩至排出压力。因此，压缩机的效率就随着吸入压力的降低而降低。
发明内容
一种压缩机系统包括压缩机，该压缩机具有进口、流体地结合至进口的第一管道、由第二管道流体地结合至进口的蓄能器以及布置在第二管道中防止在关闭状态下蓄能器和进口流体连通并且在打开状态下允许蓄能器和进口流体连通的第一阀。
第一阀允许在压缩机加载期间压缩机的蓄能器和进口之间连通以增大通常在加载循环结束时(即在蒸汽压力最低时)压缩机所接收的蒸汽的压力。蒸汽压力的增大允许压缩机在将蒸汽压缩到排出压力时消耗更少的能量并且因此增大了系统的容量和效率。
附图说明
从详细描述和附图中，将能更完全地理解本发明，在附图中：
图1是结合有根据本发明原理的包括第一容量调整电路的容量调节系统的热泵或冷却系统的示意图；
图1A是用于图1所示容量调节系统的第二容量调整电路的示意图；
图2是示出用于图1所示容量调节系统的第一阀和第二阀的可变工作循环信号的波形图；和
图3是常规容量调节系统和本发明容量调节系统的吸入压力与时间的比较。
具体实施方式
参照附图，容量调节系统10提供为用于压缩机12。容量调节系统10选择性地加载压缩机12以使压缩机容量适合于系统需求。压缩机12可以是结合有如受让人名下的美国专利No.6,821,092所示的中压偏置系统的涡旋压缩机或者可以是结合有如受让人名下的美国专利No.6,213,731所示的排出压力偏置系统的涡旋压缩机，这两项专利的内容以参考的方式结合于此。虽然与容量调节系统10相关联地描述了涡旋压缩机，但是容量调节系统10也可用于其它类型的压缩机，包括往复式压缩机，比如如受让人名下的美国专利No.6,206,652所示的压缩机，该项专利的内容以参考的方式结合于此。
参照图1，容量调节系统10和压缩机12结合入具有蒸发器16、冷凝器18、膨胀阀20和蓄能器22的系统14。根据蒸发器16和冷凝器18的位置，系统14可以是热泵系统、致冷系统、冷却系统或HVAC系统。
压缩机12通过主管道24流体地结合至蒸发器16、冷凝器18、膨胀阀20和蓄能器22。压缩机12和主管道24一起来在全部系统14的各个部件16、18、20、22之间循环致冷剂以产生冷却作用。主管道24在各个部件16、18、20、22之间延伸并且流体地结合至压缩机12的进口25以给压缩机12提供蒸汽化的致冷剂。
在工作中，压缩机12从蒸发器16接收蒸汽致冷剂并在将蒸汽致冷剂排出到冷凝器18之前对其进行压缩。冷凝器18从致冷剂中吸热，从而导致蒸汽致冷剂从蒸汽状态转变为液态。液态致冷剂在来自压缩机12的压力之下从冷凝器18泵送到膨胀阀20。
膨胀阀20在液态致冷剂进入蒸发器16之前使其膨胀以增大致冷剂吸热的能力。蒸发器16从其周围吸热，从而将液态致冷剂从液态转变为蒸汽。一旦处于蒸汽状态，致冷剂就返回到压缩机12以开始一个新的循环。
容量调节系统10通常包括蒸汽补偿电路11和容量调整电路13。蒸汽补偿电路11通常布置在蒸发器16和压缩机12之间并且在比通过主管道24供应的吸入压力稍高的压力之下有选择地将蒸发的致冷剂供应至压缩机12。
蒸汽补偿电路11包括输入管道26、输出管道28和阀30。输入管道26将蓄能器22流体地结合至主管道24并且包括止回阀32。止回阀32布置在蓄能器22的进口附近以防止致冷剂离开蓄能器22并进入蒸发器16。输出管道28将蓄能器流体地结合至主管道24并包括阀30。阀30可以是开关阀，比如电磁阀。虽然公开的是电磁阀，但是可以使用能有选择地防止流体从蓄能器22流到压缩机12的任何阀，比如热膨胀阀或电子膨胀阀。
输出管道26和主管道24的接头处通常布置有止回阀34。止回阀34防止蒸汽从蓄能器22沿着主管道24大致朝向蒸发器16行进。止回阀32确保了来自蓄能器22的蒸汽被导向远离蒸发器16和朝向压缩机12。
容量调整电路13可以是压力偏置电路，比如中压偏置系统36或排出压力偏置系统38，以便有选择地加载和卸载压缩机12，如受让人的美国专利No.6,821,092和受让人的美国专利No.6,213,731分别所述的。排出压力偏置系统38在图1中示意性地示出，而中压偏置系统36在图1A中示出。虽然任一压力偏置系统36、38都能与容量调节系统10一起使用，但是下文中容量调节系统10将被描述为包括排出压力偏置系统38。
如图所示，容量调节系统10的操作包括在蒸发器16中将致冷剂从液态转变为蒸汽，从而蒸发的致冷剂从蒸发器16沿着主管道24朝着压缩机12行进至压缩机12的进口25和蓄能器22的进口管道26。
蓄能器22接收蒸发的致冷剂并将蒸发的致冷剂收集在容器40中。一旦处于容器40中，蒸发的致冷剂被分离为低压液体和处于稍高的压力下的蒸汽，但是所述稍高的压力低于压缩机12的中压和排出压力。液体致冷剂收集在容器40的底部而蒸汽致冷剂升高到容器40的顶部。在阀30处于打开状态时，蒸汽致冷剂经由管道28离开蓄能器22并在进口25处进入压缩机12。在阀30处于关闭状态时，蒸汽致冷剂停留在蓄能器22中。
阀30的操作可以利用脉宽调制来控制以使得阀30在打开状态和关闭状态之间循环。阀30用排出压力偏置系统38来定时以使得在排出压力偏置系统38加载压缩机12时，阀30至少在压缩机加载的一部分时间内处于打开状态。
图2绘出了排出压力偏置系统38和阀30的示例性工作循环。工作循环示出了对于十秒钟的总循环时间而言加载压缩机12五秒钟和卸载压缩机12五秒钟时的排出压力偏置系统38。虽然公开了十秒钟的工作循环，但是排出压力偏置系统38和阀30可包括更短或更长的工作循环。
在涡旋压缩机应用中，排出压力偏置系统38在排出压力下有选择地将蒸汽供应至压缩机12的偏置腔室42以维持不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件之间的啮合。维持不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件之间的啮合允许了不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件相协同来压缩其间的流体。
在卸载压缩机12时，吸入压力下的蒸汽致冷剂被供应到偏置腔室42以允许不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件相分离。不旋转的涡旋元件与旋转的涡旋元件相分离在不旋转的涡旋元件和旋转的涡旋元件之间形成了渗漏通道。渗漏通道降低了不旋转的涡旋元件和旋转的涡旋元件压缩流体的能力。
在非涡旋压缩机应用中，比如往复式压缩机，阀可布置为与主管道24流体连通并且在允许吸入压力下的蒸汽致冷剂进入压缩机12的压缩腔室43的打开状态和阻止吸入压力下的蒸汽致冷剂进入压缩机12的压缩腔室43的关闭状态之间有选择地致动。在系统需求较低时将蒸汽致冷剂限制在压缩腔室43可降低压缩机12的容量并且因此提高了压缩机12和系统14的效率。
阀的工作循环短于排出压力偏置系统38的工作循环，但是被定时为使得当通过主管道24引入进口25的吸入压力处于其最低值(例如五秒钟加载时期的最后2.5秒钟)时，阀30被打开以允许蒸发的致冷剂在进口25处进入压缩机12。比主管道24上吸入压力高的吸入压力下的蒸发致冷剂的流入在无需压缩机12消耗额外的能量之下增大了压缩机12的容量。
压缩机12在将压力降低的蒸发致冷剂压缩到排出压力时消耗额外的能量。因为在加载压缩机12期间吸入压力会随着时间而降低，压缩机12在将压力降低的蒸发致冷剂压缩到排出压力时就消耗额外的能量。额外的能量消耗降低了压缩机12的效率并且因此增大了工作成本。在阀30处于打开状态时(即处于示例性工作循环的2.5秒钟)，与常规系统相比，压缩机进口25处的吸入压力增大。吸入压力的增大降低了将蒸发致冷剂压缩到排出压力中压缩机12所需的功。提供排出压力下的蒸发致冷剂时降低压缩机12所需的功就降低了压缩机12的能量消耗并且因此增大了压缩机效率。
图3示出了在加载压缩机12期间当阀30处于打开状态时由压缩机12所实现的额外容量的示例性曲线。图3的曲线示出了在阀30从大致70psig至大致78psig时吸入压力的增大。吸入压力的增大在无需额外能量消耗之下增大了压缩机12的容量。
在功中，在最初加载压缩机时阀30处于关闭状态。当压缩机12加载了预定时间时(例如在图2的示例性工作循环中，2.5秒钟)，阀30被打开并且允许高压的蒸发致冷剂经由输出管道28从蓄能器22流到压缩机进口25。在来自蓄能器22的蒸发致冷剂还遇到排出压力偏置系统38时，其不会影响系统38将压缩机12维持在加载状态的能力，因为来自蓄能器22的高压蒸汽致冷剂的压力低于在排出压力下施加至压缩腔室42的蒸发致冷剂的压力。
一旦排出压力偏置系统38已经加载了压缩机预定时间(例如在图2的示例性工作循环中，5秒钟)，压缩机12就被卸载。在大致相同时刻，阀30被关闭以使得压缩机12只是从主管道24接收蒸发致冷剂。此时，压缩机12仍保持在卸载状态直到排出压力偏置系统38将压缩机12返回到加载状态并开始新的循环。
容量调节系统10与压力偏置系统36、38一起工作来使压缩机容量适应于需求。容量调节系统10通过通常布置在蓄能器22的出口和压缩机12的进口25之间的阀30的脉宽调制来控制来自蓄能器22的蒸发致冷剂。这种阀控制就增大了压缩机12的容量和效率。
本发明的描述本质上仅仅是示例性的，因而未偏离本发明主旨的变化都将在本发明的范围之内。这种变化并不视为偏离了本发明的精神和范围。

Claims (15)

1.一种压缩机系统，包括：
具有进口的压缩机；
流体地结合至所述进口的第一管道；
由第二管道流体地结合至所述进口的蓄能器；和
布置在所述第二管道中并且能操作来在关闭状态下防止所述蓄能器和所述进口之间蒸汽致冷剂的流体连通以及在打开状态下允许所述蓄能器和所述进口之间蒸汽致冷剂的流体连通的第一阀。
2.根据权利要求1的压缩机系统，还包括布置在所述第一管道中以便在所述第一阀处于所述打开状态时将流体从所述蓄能器导向至所述进口的第一止回阀。
3.根据权利要求1的压缩机系统，还包括布置在所述蓄能器的进口附近以便在所述进口处防止流体离开所述蓄能器的第二止回阀。
4.根据权利要求1的压缩机系统，其中所述第一阀是电磁阀。
5.根据权利要求1的压缩机系统，其中所述第一阀利用脉宽调制来控制。
6.根据权利要求1的压缩机系统，还包括可操作来将所述压缩机在加载状态和卸载状态之间切换的压力偏置系统。
7.根据权利要求6的压缩机系统，其中当所述压缩机处于所述加载状态时所述第一阀处于所述打开状态并且当所述压缩机处于所述卸载状态时所述第一阀处于所述关闭状态。
8.根据权利要求7的压缩机系统，其中所述第一阀的工作循环小于所述压力偏置系统的工作循环。
9.一种压缩机系统，包括：
具有进口的压缩机；
流体地结合至所述进口的第一管道；
通过第二管道流体地结合至所述进口的蓄能器；
布置在所述蓄能器和所述压缩机之间的阀，该阀可操作来有选择地防止流体从所述蓄能器流入所述压缩机；和
可操作来将所述压缩机在加载状态和卸载状态之间切换的压力偏置系统，当所述压缩机处于所述加载状态时所述阀允许流体从所述蓄能器进入所述压缩机并且当所述压缩机处于所述卸载状态时防止流体从所述蓄能器进入所述压缩机。
10.根据权利要求9的压缩机系统，其中所述阀利用脉宽调制来控制。
11.根据权利要求9的压缩机系统，其中所述阀是电磁阀。
12.根据权利要求9的压缩机系统，其中当所述压缩机处于所述加载状态时所述阀处于所述打开状态并且当所述压缩机处于所述卸载状态时所述阀处于所述关闭状态。
13.根据权利要求9的压缩机系统，其中所述阀的工作循环小于所述压力偏置系统的工作循环。
14.根据权利要求9的压缩机系统，其中，所述压力偏置系统是中压偏置系统。
15.根据权利要求9的压缩机系统，其中所述压力偏置系统是排出压力偏置系统。
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