TW201430225A - 具有延伸行程之可變幾何擴散器 - Google Patents

Abstract

一種用於與一離心壓縮機使用之改良可變幾何擴散器(VGD)機構。這VGD機構實質完全地延伸進入該擴散間隙使得該VGD機構可更完全地用來控制其他操作功能。藉由防止冷媒氣體在壓縮機停機時逆流通過該擴散間隙，該VGD機構可被用來在壓縮機停機時減少壓縮機反轉及伴隨之瞬間負載，且因為該擴散間隙被該擴散環之完全延伸實質地堵住，所以防止該冷媒氣體之逆流。在啟動時，由於可隨著負載及葉輪速度增加而阻止氣流通過該擴散間隙，所以亦可有效地消除瞬時突波及失速，因此避免由在低速時之啟動負載造成之問題。該VGD機構亦可供容量控制使用以便在低負載達成更有效之調降。

Description

具有延伸行程之可變幾何擴散器 相關申請案之交互參照

本申請案請求2012年11月9日申請，名稱為“具有延伸行程之可變幾何擴散器”之美國暫時申請案第61/724,684號之優先權及利益。

本發明係有關於離心壓縮機，且更特別係有關於一種可較佳地控制包括啟動及停機之一離心壓縮機之全部操作範圍的改良可變幾何擴散器機構。

離心壓縮機可使用在例如冷凍器之需要一可被壓縮流體的各種裝置中。該壓縮機係藉由使該流體通過一旋轉葉輪來操作。該葉輪作用在該流體上以增加該流體之壓力。因為該葉輪之操作在該流動中產生一逆壓力梯度，某些壓縮機設計包括一定位在該葉輪出口之可變幾何擴散器以便在失速情況時穩定該流體流動。當冷媒流減少同時通過該葉輪之壓力差不變時，失速產生。失速不必要地產生噪音，造成振動且降低壓縮機效率。

由於失速情況只會在該壓縮機操作之時間的一非常小百分比出現，所以該可變幾何擴散器之操作類似地 是有限的，使得影響一擴散器機構之整體壽命完整性之磨耗及磨損，負載及其他作用是有限的。但是，增加使用一可變幾何擴散器機構將大幅影響一擴散器機構之整體可靠性及壽命。

Nenstiel在2005年3月29日領證之美國專利第6,872,050號('050專利)中提出一有效之擴散器設計。該'050專利揭露一可變幾何擴散器，該可變幾何擴散器在操作該壓縮機時開與關，便宜地製造，容易組裝，容易修理及更換，且回應初期失速情況依據來自控制器之信號或命令提供用於決定位置之確實接合。

該'050專利之可變幾何擴散器設計使用一擴散環，該擴散環可在通過一擴散間隙之流動不受到阻礙的一第一收回位置與回應偵測到失速，該擴散環延伸進入該擴散間隙以改變通過該擴散間隙之流動的一第二延伸位置之間移動。這係藉由使該擴散環實質地延伸通過該擴散間隙以改變流體流動來達成。這舒緩可藉由使該擴散環延伸通過該擴散間隙之大約75%來達成。該擴散環係藉由一驅動環驅動，且該驅動環可由對應於該擴散環之第一收回位置的一第一位置，對應於該擴散環之第二延伸位置的一第二位置，及在該第一位置與該第二位置之間之任一中間位置移動。該第二位置係在該擴散間隙之大約75%穩定該系統且因此舒緩失速之一延伸位置。該驅動環則安裝在支持塊上，且該驅動環可相對於該等支持塊旋轉移動，並且該等支持塊係安裝在一噴嘴底板之背面上。該噴嘴底板係固 定在與該離心壓縮機之葉輪相鄰之殼體上。雖然當該擴散環在其第二延伸位置時，該可變幾何擴散器設計在壓縮機操作時對於改變通過該擴散間隙之流動是有效的，但是該擴散環在壓縮機停機時未充分地堵住流動以阻止壓縮機反轉及伴隨之瞬間負載或避免在啟動時由於該壓縮機由低負載及低速突然上升至高速之瞬時突波及失速。

由於在整個環區域上之一壓力差，使用該可變幾何擴散器在該擴散環上產生一負載。當該環在其收回位置時，該壓縮之冷媒通過該環表面且遭遇到非常小之負載。但是，當該環移動至其進入該擴散間隙之延伸位置位置時，高速氣體通過該擴散環之面且產生一低壓區域。在該噴嘴底板之溝槽中的高壓氣體在該環之背面上施加一力。在該環，及該可變幾何擴散器機構之其他部份上的負載是可計算的。它是在該環之各側上之氣壓的差乘以該環之面積。本發明之可變幾何擴散器包括一比較大之擴散環，其操作必須克服相當大之力且必須耐受操作時之相當大之力。因此，該等機構相當大且操作這些機構以克服這些力所需之能量亦相當大。但是，因為該可變幾何擴散器只接合該壓縮機之全部壽命之一小百分比，所以該可變幾何擴散器所遭受之負載及磨耗與磨損是可接受的。

需要增加使用該可變幾何擴散環使得它不只是可作為一失速舒緩裝置使用。該可變幾何擴散器不只可供舒緩失速使用，而且亦可供容量控制、突波控制、較佳調降、減少在壓縮機停機時壓縮機反轉及伴隨之瞬間負載以 及減少啟動暫態使用。由於增加使用該可變幾何擴散器，需要對全部離心壓縮機操作提供所欲控制強化，同時對經過長期使用之可變幾何擴散器提供壽命的一改良裝置。

本發明提供一可變幾何擴散器(VGD)機構。該VGD機構包括延伸進入一擴散間隙且如一VGD機構所預期地舒緩失速的一擴散環。但是本發明之VGD機構比習知蒸氣沈積法更延伸進入該擴散間隙，使得本發明之VGD機構可被用來控制其他操作功能。因此，藉由防止冷媒氣體在壓縮機停機時逆流通過該擴散間隙，該VGD機構可被用來在壓縮機停機時減少壓縮機反轉及伴隨之瞬間負載。因為該擴散間隙被該擴散環之完全延伸實質地堵住，所以防止該冷媒氣體之逆流。該VGD機構更提供更佳且更有效率之壓縮機調降、減少在低冷卻容量操作時明顯熱氣體分流之需要。在啟動時，由於可隨著負載及葉輪速度增加而阻止氣流通過該擴散間隙，所以亦可有效地消除瞬時突波及失速，因此避免由在低速時之啟動負載造成之問題。本發明之VGD機構亦可供容量控制使用以便在低負載達成更有效之調降。

雖然該擴散環延伸通過該擴散間隙以配合在某些情形下在一般操作時通過該擴散間隙之較少氣流，但是由於當該葉輪在啟動時速突然上升且在停機時減少其速度時氣流明顯減少，所以該擴散環必須在停機時及啟動時實質完全地延伸通過該擴散間隙。該擴散環之外緣包含一凸 緣，且在完全延伸通過該擴散間隙時，該凸緣實質阻止氣流通過該擴散間隙。在該擴散間隙上之軸向力係隨著在該環之各側上之壓力差及該環之面積改變。當該擴散環延伸進入該擴散間隙時，高速氣體通過該環之外面且產生一低壓區域。在該環之一第一側之較高壓氣體在該環之第一側提供一力。在該環上之全部軸向力係在該環之第一側與該環之第二、相對側之間的氣壓差乘以該環之徑向面積。在該環上之軸向力可藉由減少該環之面積來減少。藉由減少延伸進入該擴散間隙之該環之徑向寬度，在該環上之軸向力與該環之寬度成正比地減少。雖然該環之寬度(厚度)可減少以降低該負載，但是該環必須足夠厚以配合來自通過該環之流動之增大徑向力，否則它將不作用而有效地堵住氣流且會產生操作故障。該環之厚度將依據該壓縮機之容量隨壓縮機改變，該環之厚度是相對的，且該比例取決於數種因素，最重要的是作用在該擴散環之第一、內圓柱形表面及第二、外圓柱形表面上之淨徑向流動力，特別是當該葉輪在停機時由操作速度減慢或在啟動時突然上升至操作速度時。具有較大葉輪之較大壓縮機將產生較高流動力且承受較高負載，需要較厚之環。但是，不論壓縮機尺寸為何，減少在該環上之軸向力均會減少操作該VGD機構所需之力。

最後在該環上產生之軸向負載被傳送至一致動機構。本發明之致動機構包括讓它可在一無油環境中操作之改良，但是它的操作不受此限。該致動機構亦經修改使 得該擴散環相對於該殼體之相對內面的位置可藉由一控制器依需要監測及調整。相關之凸輪軌道機構亦已修改使得該環在該擴散間隙中之位置可在任何時間決定。

不只該環必須足夠厚以便處理在該壓縮機之壽命期間的徑向負載，而且該環必須與該相對殼體連接以提供一環繞其周緣為均一之間隙且必須有效地對接尺寸亦必須作成均一的該殼體之一內面。如果該間隙不是實質均一的，即，超出可容許公差，則加壓氣體將通過該間隙在該間隙比可容許大之位置洩漏，無法達成封閉擴散環之目的且無法減少有關於容量控制、在停機及啟動時產生之突波、及伴隨該改良VGD機構之其他操作改良的問題。雖然習知設計不一定要在停機及啟動時避免環繞該擴散環之該洩漏，但是為了更有效，本發明之擴散環及殼體之相對內面都必須具有小心控制之對接表面使得該VGD機構之適當操作可在多數條件之一範圍內完成。

因此，在本發明中，為了影響氣流通過該擴散間隙之控制，該VGD機構需要延伸該擴散環進入該擴散間隙之行程的實體變化。除了延伸該擴散環之長度進入該擴散間隙以容許實質完全封閉擴散間隙以外，該擴散環之徑向面積減少以減少回應該等壓力在該環上之軸向力。又，藉由加入感測器，一控制器便可準確地監測該擴散環之位置且引導該致動機構以便回應壓縮機操作條件在完全開啟及完全關閉之位置之間準確地移動該擴散環。可使用較快作用機構以達成該環位置之較佳控制及回應冷凍器系 統暫態，例如以通過該壓縮機之壓力差啟動或動力失效停機。

本發明之改良可變幾何擴散器之另一優點係不需要用於容量控制及啟動管理之預旋轉扇葉。預旋轉扇葉及它們的機構是複雜的、昂貴的，且需要它們自己的驅動機構及控制。

本發明之其他特徵及優點將配合舉例顯示本發明之原理之附圖，由該較佳實施例之以下更詳細說明了解。

100‧‧‧壓縮機

110‧‧‧可變幾何擴散器

120‧‧‧擴散板

122‧‧‧葉輪

124‧‧‧葉輪入口

126‧‧‧噴嘴底板

130、830‧‧‧擴散環

132、832、837‧‧‧溝槽

134‧‧‧擴散間隙

140‧‧‧驅動銷

150‧‧‧第一面

152‧‧‧第二相對面

154‧‧‧內周壁

156‧‧‧外周壁

158‧‧‧孔

200‧‧‧凸輪從動件

250、850‧‧‧驅動環

252‧‧‧周緣表面

256‧‧‧頂表面

258‧‧‧底表面

260‧‧‧內周緣溝槽

262、862‧‧‧凸輪軌道

267、269‧‧‧平坦部

810‧‧‧VGD機構/可變幾何擴散器

811‧‧‧致動器

833‧‧‧第一凸緣

835‧‧‧第二凸緣

839‧‧‧蓋板

863‧‧‧冷媒流

896‧‧‧驅動桿

898‧‧‧驅動馬達

901‧‧‧操作槓桿

圖1係在使用一可移動擴散環之一離心壓縮機中之一習知可變幾何擴散器的橫截面圖。

圖2提供一習知擴散環之立體圖。

圖3係本發明之可變幾何擴散器之橫截面圖。

圖4係本發明之擴散環之俯視圖。

圖5係顯示在本發明之擴散環上之負載分布之橫截面圖。

圖6係大致顯示一可變幾何擴散器之驅動環操作。

圖7顯示直線致動器配置在本發明之驅動環上。

圖8顯示在本發明之驅動環之周緣中之凸輪軌道。

圖9顯示在習知驅動環之周緣中之凸輪軌道。

本發明提出一種用於一離心壓縮機之改良VGD機構。圖1以橫截面圖大致顯示使用一VGD機構之習知可變容量離心壓縮機100，且該VGD機構具有一可移動擴散環130以控制通過一擴散間隙134之流體流動，例如讓渡給本發明之受讓人且在此全部加入作為參考之美國專利第6,872,050號。圖1大致顯示目前之習知可變容量離心壓縮機。

如圖1所示，壓縮機100包括，如圖所示，與該壓縮機殼體結合成一體之擴散板120、一葉輪122及一噴嘴底板126。該可變幾何擴散器110之一部份的一擴散環130係組裝在一車製在噴嘴底板126中的溝槽132中且安裝在一驅動銷140上。又，圖1橫截面圖顯示的是一凸輪從動件200，該凸輪從動件200係插入位在驅動環250中之凸輪軌道262中。凸輪從動件200係與驅動銷140連接。如完全在該'050專利中說明地，這些機構將驅動環250之旋轉移動轉換成擴散環130之軸向移動。內周緣溝槽260支持一軸向軸承(未圖示)，該軸向軸承防止驅動環250旋轉時軸向移動。

擴散環130可移動遠離溝槽132且進入分開擴散板120與噴嘴底板126之擴散間隙134。冷媒通過在葉輪122與渦卷室(未圖示)中間之擴散間隙134，且該渦卷室收納離開擴散器110之冷媒。冷媒可通過該渦卷室至壓縮之另一階段或至一冷凝器(亦未圖示)。在該完全收回位置，擴散環130係套置在噴嘴底板126之溝槽132中且一擴散間隙134係在一容許最大冷媒流動之狀態。在該完全延伸位 置，擴散環130延伸通過擴散間隙134，減少冷媒通過擴散間隙134之間隔。擴散環130可移動至該收回位置與該延伸位置中間的任一位置。

葉輪122之旋轉對通常是一進入該葉輪入口124之冷媒的流體產生作用，因此增加其壓力。如所屬技術領域中習知地，較高速度之冷媒離開該葉輪且當它被導引至一渦卷室時通過擴散間隙134並且最後到達該壓縮機出口。包含擴散板120、噴嘴底板126及形成在該擴散板120與噴嘴底板126之間之擴散間隙134、以及用以調整擴散間隙134之擴散環130的可變幾何擴散器110降低來自葉輪122之該冷媒之速度，因此增加在該擴散器出口之冷媒之壓力。

如果該壓縮機流量減少以配合，例如，一冷凍器之冷卻需求減少，且在整個葉輪122維持相同壓力，離開葉輪122之流體流動會變成不穩定且可交替地向後且向前流動而產生上述失速及/或突波情形。回應一較低冷媒流動，為了防止產生一突波情形，該擴散間隙134減少以減少在該葉輪出口之面積且穩定該流體流動。藉由將擴散環130移入間隙134以減少間隙134之橫截面積或藉由在溝槽132內移動擴散環增加間隙134之橫截面積，可改變該擴散間隙134。但是，由於用以驅動擴散環130之機構，所以除了在該擴散環之終端位置，即，當完全延伸或完全收回時以外，在間隙134中之擴散環之精確位置是未知的。此外，因為在該'050專利中該擴散環與該擴散板兩者之幾何形狀 沒有小心地控制，所以即使當該擴散環130完全延伸時，允許洩漏通過該擴散環之一間隙亦仍然會存在。該習知擴散環130係顯示在該'050專利之圖6與7中，該'050專利之圖6係在此重製為圖2。該等特徵係在該'050專利中完整地說明，其中150係擴散環130之一第一面，152係擴散環130之一第二相對面，154係擴散環130之一內周壁，156係擴散環130之一外周壁，且158係用以組裝該擴散環至對接部件以便於其移動之孔。但是，由於該'050專利之VGD機構係用以依據相關噪音及振動來控制失速，就其所欲達成之目的而言，構態是可接受的，但是對其他功能而言，其用途受限。

以下將在進一步參照圖式之情形下詳細說明本發明之改良可變幾何擴散器(VGD)機構。除了控制旋轉失速以外，本發明之VGD機構執行多數功能且因此需要一不同構態及一不同控制機構。

本發明之VGD機構810係顯示在圖3中。它具有與前述VGD機構的許多相似處；但是，它亦具有明顯差異，該等差異會影響該壓縮機之操作。本發明之擴散環830具有一與習知擴散環130不同之橫截面輪廓。擴散環130係顯示在圖2之立體圖中且具有一矩形橫截面。相反地，本發明之擴散環830包括一對實質正交之凸緣，即一可延伸進入擴散間隙134之第一凸緣833及一實質垂直於該第一凸緣之第二凸緣835，該第二凸緣835實質平行於該擴散間隙及氣體流動之方向延伸。實質正交之凸緣係表示在包括 互相呈90°±15°之一範圍內延伸之凸緣，其中正交凸緣互相呈90°延伸。實質平行於該擴散間隙及該氣體流動之方向延伸之第二凸緣表示該等正交凸緣在包括0°±15°之一範圍內延伸，其中是0°平行。當擴散環830組合在該壓縮機中作為VGD機構810之一元件時，第一凸緣833向擴散板120之一相對面延伸。應注意的是第一凸緣833提供擴散環830可比習知擴散環130更延伸進入擴散間隙134之能力，因為凸緣833在軸向上，即，進入擴散間隙134之方向上，提供一延伸尺寸。在擴散環830上之軸向力係通過第一凸緣833之壓力差的結果。當擴散環830完全收回時，因為沒有壓力差，故該軸向力係在其最小值。但是，當第一凸緣833延伸進入擴散間隙134時，高速氣體通過該環之第一凸緣833之面，產生一低壓區域。在噴嘴底板126之溝槽中之較高壓氣體施加一壓力至第二凸緣835。在環830上及在使環移入及移出擴散間隙134之機構的力係，如前述地，氣體壓力之差乘以擴散器凸緣833之面面積。

在環830上之軸向力係藉由減少第一凸緣833之全徑向厚度減少，且該第一凸緣833之全徑向厚度係當第一凸緣833延伸時延伸進入擴散間隙134的擴散環830之部份，且該第一凸緣之徑向厚度係垂直於在擴散間隙134中之氣體流動的方向。請參閱圖3及擴散環830，與習知擴散環130之設計比較，突入擴散間隙134的第一凸緣833之面積減少。第一凸緣833之徑向厚度已減少2/3，由於負載與在擴散間隙134內之第一凸緣833的面面積成正比，因此在擴散 環上之負載正比地，即大約2/3地，減少。

第一凸緣833之徑向厚度之減少減少可用以附接使擴散環830由其收回位置移動至其延伸位置之致動裝置的空間。第二凸緣835位於噴嘴底板之溝槽837中，第二凸緣835在溝槽837中移動而容許擴散環凸緣833移入及移出擴散間隙134。在噴嘴底板126中之溝槽837亦必須允許擴散環830組裝至該VGD機構。一環繞第二凸緣835之大徑向間隙容許進入溝槽837之高壓氣體在第二凸緣835之各側上相等，因此無助於與在擴散環830上之氣體壓力相關的負載。因此，在該擴散環830上之全部壓力負載係當延伸進入擴散間隙134時作用在第一凸緣833之延伸部份之面積上之冷媒的壓力。一可移除蓋板839係組裝在噴嘴底板126上且設置成協助組裝該擴散環驅動機構。蓋板839在冷媒氣體流至該壓縮機排出口時，為冷媒氣體之流動提供一平順、空氣動力表面，減少在這區域中之擾流之可能性。

在形成凸緣833時，必須注意要提供具有一預選徑向厚度之凸緣833。如顯示組裝在噴嘴底板126上之擴散環830之一橫截面的圖5所示，當擴散環830延伸進入擴散間隙134時，高壓冷媒撞擊第一凸緣833，如冷媒流863所示。圖5顯示一在第一凸緣833上之徑向力。在決定凸緣833之徑向厚度時要考慮之另一因素係暴露於相當大之壓力變動的擴散環830之疲勞壽命。此外，在本發明中，擴散環830必須儘可能地接近擴散板120以便使該VGD機構增加容量控制、較佳調降、突波控制及在啟動及停機時壓縮 機瞬間負載極小化之能力。為了儘可能地減少該間隙，就凸緣833之面及對接擴散板120之面的平坦度而言，擴散板120具有小心控制之尺寸且凸緣833必須具有小心控制之公差。如果凸緣833太薄，它不可能維持這些幾何特徵在所欲公差內，因此例如彈回之機構會發生且這會不利地影響公差。公差產生之偏差將增加環繞凸緣及通過該擴散間隙之洩漏，且防止該VGD機構有效地用於容量控制、調降、在啟動及停機及突波時之暫態控制，但是該VGD機構可保持其供舒緩失速使用之能力。如圖所示，擴散環830，且特別是擴散環凸緣833必須理想地具有一儘可能小之凸緣厚度以減少作用在該凸緣上之力，但是必須具有足夠之厚度以避免在製造時彈回及在操作時滿足疲勞同時耐受施加在該凸緣上之氣體壓力的力。

一重要特性係操作這可移動擴散環以維持該等幾何公差以便在擴散環830完全延伸時減少環繞擴散環830及通過擴散間隙134之洩漏。具有較高冷凍能力之壓縮機會需要另外增加該凸緣厚度以配合在較寬擴散器寬度上之較高壓力以便滿足上述競爭設計要求。

其他考慮亦影響本發明之可變幾何擴散器機構之整體設計。最近之壓縮機設計使用電磁軸承而非一般在先前設計中使用之機械軸承。使用電磁軸承之壓縮機避免使用油。但是，某些在使用機械軸承之壓縮機中的油有助於潤滑用以使在習知技術中之擴散環130由一收回位置移動至在擴散間隙134中之一延伸位置。

本發明之可變幾何擴散器810亦使用一改良機構設計，且該改良機構設計係可在使用具有標準潤滑之機械軸承之一習知離心壓縮機，或在一實質無潤滑環境中使用電磁軸承之離心壓縮機中操作。大致上，移動擴散環830之該機構係顯示在圖6中且包括一在凸輪軌道862中移動之驅動銷140。驅動銷140連接第二凸緣835與驅動環850使得驅動環850之旋轉移動產生在擴散間隙134內由一可逆收回位置至一可逆延伸位置的擴散環830之平移動作。驅動環850對應於圖1中之驅動環250。驅動銷140在本發明之可變幾何擴散器810中之凸輪從動件200的配置亦與圖1所示之習知幾何擴散器110之配置相同。當驅動銷140在凸輪軌道862內移動時，附接於驅動銷140之凸輪從動件200依循驅動環850中之凸輪軌道862移動。本發明之驅動環850係與圖1之驅動環250相同，但是重要之不同在於如圖9所示之驅動環250之凸輪軌道幾何形狀262及如圖6與8所示之驅動環850之凸輪軌道幾何形狀862。驅動環850附接在擴散環830上係與驅動環250附接在擴散環130上相同，但是驅動銷140與各個擴散環130與830之連接點除外。本發明之擴散環830具有一凸緣形構態且驅動銷140與擴散環830之第二凸緣835連接。當然，第二凸緣835不存在擴散環130中，因為它是一簡單圓柱形環，如圖1之橫截面圖所示。

以下請參閱圖7，本發明之一致動器811與一控制器一起操作，使得其操作可程式化。致動器811係一線 性致動器且包括一驅動桿896，且該驅動桿896附接在一驅動馬達898上。驅動桿896係直接附接在該操作槓桿901上，且該操作槓桿901係附接在該驅動環850上。驅動桿896之直線移動則使驅動環850旋轉。

以下請參閱圖8，位在驅動環850之外周緣表面252上之凸輪軌道862具有一預選捲繞及深度以收納凸輪從動件200。通常，有三凸輪軌道862位在驅動環850之周緣表面252中，但是在圖8中只顯示一凸輪軌道。凸輪軌道862由驅動環250之一底表面258向驅動環850之一頂表面256延伸，以在這些表面之間的一角度，且最好以一實質直線延伸。凸輪軌道862之形狀在此是具有一實質預選直線斜率之一斜道，與圖9所示之在該斜道之各端具有平坦部267與269的習知凸輪軌道262不同。在習知凸輪軌道262中之平坦部導致初始緩衝馬達之不準確定位及移動能力且在該完全收回位置造成該機構之配合調整。由於該等平坦部消除在移動之各終點卡住之可能性，所以該等平坦部防止對該機構之破壞，且該不準確定位不是在習知凸輪軌道之操作及能力中的一因素。

相反地，在一實施例中，與該直線凸輪軌道862一起操作以控制接著定位擴散環830在擴散間隙134中之驅動環850的一線性致動器提供較快之動作、可變速度、位置準確性及在擴散間隙134中第一凸緣833之位置之精確位置回饋。本發明之系統可讓擴散環830相對於擴散間隙134在擴散環830之終點容易校準，使擴散環830可不止 用於舒緩失速。當然，簡化在該致動器之槓桿及連桿與附接在驅動環250上之該操作槓桿901之間的連接更提供許多好處。

在開始建構本發明之VGD機構810時，或當需要一後續校準時，只需操作該致動器使驅動環250旋轉，使凸輪從動件200由凸輪軌道862中移動之一端向凸輪軌道862中移動之另一端移動。可使用可完成這工作之任一致動器或馬達，但是在凸輪軌道862中快速地移動凸輪從動件200之一裝置是較佳的。雖然一旋轉式致動器係一可使用之變化例，但是一線性致動器是較佳的。在凸輪軌道862之兩端的移動端對應於第一凸緣833之完全延伸位置及第一凸緣833之完全收回位置。在第一凸緣833之擴散間隙134之最大尺寸，即，在擴散板120至蓋板839之外表面之間的距離，係可依據製造及組裝決定或測量之一已知距離。一控制器之程式化功能包括儲藏或儲存擴散環830之終點位置，在第一凸緣833之擴散間隙134且特別是相對於擴散板120及致動器811之第一凸緣833的最大尺寸，使得不只該等終點位置是已知的，而且擴散間隙134在任何時間之開度(依據第一凸緣833之位置)亦是已知的，使得在擴散間隙134之開度可依據壓縮機100之操作條件快速地調整。擴散環830在移動終點之位置可校準，且擴散環在這些終點內任一處之位置可在不需使用另外之感測器的情形下決定。可使用來自該致動器之一信號作為該校準程序之一部份及在校準後決定擴散環830之位置。此外，如果 在操作過程中會產生擴散環830之位置準確性之一問題，可依需要完成重新校準。該等程式化功能讓致動器811可以一一般模式操作及移動擴散環830，即依據壓縮機100之一般暫態移動。但是，致動器811亦可以一快速模式操作，如果偵測到迫近之突波或失速，則允許擴散環830移動至擴散間隙134依需要完全受限之一完全延伸位置。在此所使用之一完全受限擴散間隙134係擴散環830完全延伸使得擴散間隙134之開度為最小者。雖然VGD機構810之設計在擴散環830位在該完全延伸位置時未提供一100%氣體密封，它事實上提供優於在擴散環130位在該完全延伸位置時提供只減少擴散間隙大約75%之習知VGD機構的一相當大改良。本發明之改良可使洩漏減少至它不再衝擊調降或開啟及停機突波之冷凍器控制的一程度。因此，一完全受限擴散間隙134及/或一完全延伸擴散環130在功能上係不衝擊調降或開啟及停機突波之冷凍器控制者。

藉由致動器811之快速定位能力亦可在一般操作時控制離心壓縮機之容量。此外，控制擴散環830之位置使得通過擴散間隙134之冷媒流受限的能力可在需要使用一熱冷媒氣體分流之前允許更大之冷凍器調降。冷凍器調降係定義為可藉由該壓縮機達成同時容許在不必停止該壓縮機之情形下連續操作之最小容量。這是有利的，因為熱氣體分流，或其他類似裝置需要人工地將冷媒流載入該壓縮機，故它是一種用以達成低壓縮機容量之非常無效率裝置。

藉由致動器811快速定位擴散環830亦可在停機時迅速地控制通過擴散間隙134之氣體流動。一冷凍器之冷凍循環需要機械工作(壓縮機/馬達)以產生一冷媒壓力上升且將冷媒由蒸發狀態移至冷凝狀態。在一般“軟”停機，該壓縮機速度以一受控制方式減少以便使在蒸發器及冷凝器殼體中之壓力相等，因此避免在停機時之大瞬間或擾動狀態。但是，當該系統需要一適中停機時，例如由於馬達喪失電力(電力中斷、故障、安全措施等)，沒有在該冷凝器殼體中維持高壓之裝置。平衡系統壓力之唯一機構係透過冷媒由高壓冷凝器通過該壓縮機回流至低壓蒸發器。當電力未供至該壓縮機時，該葉輪不必要地成為一渦輪機且由於該冷媒壓力相等，一能量由在該冷凝器中之高壓流體傳送至該壓縮機，流至低壓(蒸發器)側，使壓縮機葉輪向後旋轉(與設計所需相反)。在喪失電力之情形下，可提供用以對致動器811供電之備用電池以確保該VGD仍可在停機時操作。此外，軸承負載會在停機時達到它們的最高值，如果反轉，則會發生失速或突波。藉由VGD機構810快速作用封閉擴散間隙134避免在停機時軸承穩定性之問題。它亦釋放這些較高負載之部份，因此可使用較低負載軸承，這亦因該等軸承比較不昂貴而可節省成本。關閉擴散間隙134產生對冷媒通過壓縮機100回流之阻力。

藉由致動器811快速定位擴散環830亦可在啟動時迅速地控制通過擴散間隙134之氣體流動。在啟動時，如果水泵已在冷水流經該蒸發器且熱水流經該冷凝器之 情形下運轉，則在該壓縮機上已有一相當大之負載。在這情形下，一壓縮機可通過失速及突波直到它達到足以克服系統壓力差之速度。以一關閉VGD開始可避免在這些條件下之瞬間突波。因此，在啟動之前，一控制器可自動地命令致動器811使擴散環830移動至一完全延伸位置，關閉擴散間隙134。如有必要，依據一程式演算法，該控制器可根據例如感測之壓力或壓縮機速度之一感測條件，接著命令致動器811由其完全延伸位置收回擴散環830。

該可變幾何擴散器之大部份組裝可相對先前設計保持不變。但是，在本發明中，該設計係經修改使得擴散環830相對於擴散板120之一準確位置在一般壓縮機操作時之任何時間均是已知的，使擴散間隙134之準確開度可在任何時間均知道。這係利用一不需要或使用另外之程序潤滑之機構完成。本發明之VGD機構810，與習知VGD機構不同，可較佳地在例如利用電磁軸承之壓縮機的一無油壓縮機中使用。但是，它亦可在利用油潤滑軸承之壓縮機中使用。

準確地定位擴散環830之能力容許在壓縮機操作時依據壓縮機需求及/或輸出(即，冷凍器冷卻負載及在該冷凝器與蒸發器之間的壓力差)進行微調，且這些微調可在一校準程序程式化在該控制器中且儲存在該控制器中。例如，當溫度在一空調空間中改變時，可改變擴散間隙134以對應於該冷凍器之冷卻需求，且該等溫度變化對應於壓縮機需求。該壓縮機之需求可與真正壓縮機輸出比 較。因此，如果需求稍微增加，例如稍微冷卻該空間或維持該空間在一溫度(當外部溫度增加時)且如果需求需要稍微增加壓縮機輸出，則可稍微增加擴散間隙134。如果需求大幅增加，例如由於一在該空間中明顯降低溫度之需求，且有壓縮機輸出需要之一對應大幅增加，則可完全開啟擴散間隙134以收納增加之冷媒流。擴散環830之位置，且因此該擴散間隙134之開度可以校準且該校準結果可儲存在該控制器中。因此，當該壓縮機需求是100%時，擴散間隙134可在擴散環830完全收回時完全開啟。當擴散環凸緣833在該溝槽832內完全收回時產生一完全收回擴散環830。當擴散環凸緣833完全延伸進入該溝槽832時，例如在壓縮機停機時產生一完全延伸擴散環830。這兩種情況代表壓縮機操作之終點。

如上所述，使用在這些終點位置之擴散環830之位置及決定在這些終點位置之間之擴散環830之位置的來自該致動器之一信號，可程式化該控制器。此外，操作條件可與擴散環之位置相關。因此，該控制器可程式化以“學習”在，例如，一離開該蒸發器之水溫(冷卻負載)之擴散環830之位置。該系統之其他正常監測及感測條件亦可與擴散環830之位置，及該致動器相關。此外，失速及突波最好可使用聲音感測器感測，但是感測失速及突波不限於使用該等聲音感測器且可使用用以決定失速及突波何時會即將來臨之其他方法。當然，在本發明中，由於該控制器可在任何時間決定該擴散環830之位置，所以該控制器可 使用這位置以便依據冷媒流行為、壓縮機效率及突波或失速之偵測移動擴散環830，且對這些條件之任一條件之作用與擴散環830之位置不是直線地相關。

例如，在啟動時，當壓縮機需求被節制至10%時，藉由由該完全延伸(關閉)位置移動擴散環830至一第一預定位置，可開啟擴散間隙134。應注意的是就壓縮機需求之一10%變化而言，由於擴散環移動之非直線作用，所以散環830之移動不會一直相同。移動亦取決於擴散環830之初始及最後位置。類似地，當要求壓縮機需求在50%(由上述10%需求增加40%)時，可藉由由該第一預定位置定位擴散環830至一第二預定位置進一步開啟擴散間隙134。依此方式，可依需要在該控制器中儲存整個範圍之值，以提供該壓縮機之有效率操作，且當壓縮機負載改變時，這些值可叫回(或進一步估計)，且擴散環830可藉由該控制器快速地重新定位以達到穩定狀態操作條件。

一旦偵測到發生一不利事件，例如藉由偵測聲音感測器偵測之突波或失速，或喪失供至該系統之電力，則該控制器可超馳該等程式化之設定且快速地延伸擴散環830進入擴散間隙134以阻塞冷媒通過擴散間隙134之流動直到舒緩失速或突波為止。雖然突波或失速可藉由以感測器監測通過擴散器810之冷媒流，但是監測突波或失速之較佳方式係利用聲音感測器，因為突波或失速產生明顯及不必要之噪音，且聲音感測器與該控制器通訊。用以偵測突波或失速之其他方法可使用偵測突波或失速之演算 法，例如揭露在2008年4月15日發證之名稱為“在一離心壓縮機中用於穩定性控制之系統及方法(System and Method for Stability Control in a Centrifugal Compressor)”之美國專利第7,356,999號，2011年3月15日發證之名稱為“控制系統(Control System)”之美國專利第7,905,102號中者。2011年3月15日發證之名稱為“用以在一壓縮機偵測旋轉失速之方法(Method for Detecting Rotating Stall in a Compressor)”之美國專利第7,905,702號使用在該擴散環下游之一壓力轉換器以偵測及修正旋轉失速。這些專利全部讓渡給本發明之受讓人且在此加入作為參考。在已修正突波或失速後，依據壓縮機需求擴散環830之定位之程式化操作可如上所述地藉由該控制器儲存。

本發明之改良可變幾何擴散器機構810的優點包括使用減少作用在該機構上之力的一可移動L形凸緣833。這L形凸緣之重量亦可比在習知可變幾何擴散器機構中使用之可移動凸緣輕。該較小之力及較小之重量提供一可更快反應之VGD。它亦容許使用輕量及較不昂貴之致動器。此外，該改良可變幾何擴散器不只可完全關閉，而且可被校準以便依據感測系統條件控制壓縮機操作的能力容許該可變幾何擴散器可用於容量控制及用於舒緩突波或失速。這容量控制特徵可省略已在過去使用之預旋轉扇葉(PRV)。因此，雖然該改良可變幾何擴散器會使用更多，但是它會承受較小之力且其較輕之重量將產生具有較長壽命之較少磨耗，這又可提供更多可靠性。

雖然本發明已參照一較佳實施例說明過了，但是發明所屬技術領域中具有通常知識者可了解在不偏離本發明之範圍的情形下可進行各種改變且等效物可取代其元件。此外，在不偏離本發明之實質範圍的情形下，可進行許多修改以使本發明之教示適合一特定情形或材料。因此，本發明應不受限於揭露作為預想用以實施本發明之最佳模式的特定實施例，但是本發明將包括落在附加申請專利範圍之範圍內的所有實施例。

120‧‧‧擴散板

126‧‧‧噴嘴底板

134‧‧‧擴散間隙

810‧‧‧VGD機構；可變幾何擴散器

830‧‧‧擴散環

832‧‧‧溝槽

833‧‧‧第一凸緣

835‧‧‧第二凸緣

837‧‧‧溝槽

839‧‧‧蓋板

Claims (15)

1. 一種用於一離心壓縮機之可變幾何擴散器，該可變幾何擴散器包含：一驅動環，係可旋轉地安裝且可在一第一位置與一第二位置之間移動，該驅動環包括位在該驅動環之一周緣上的一凸輪軌道；一致動器，係附接在該驅動環上以使該驅動環由一第一位置移動至一第二位置；一驅動銷，係與該驅動環連接；一凸輪從動件，係與該驅動銷連接，該凸輪從動件係安裝在該驅動環之凸輪軌道中；一擴散環，係與該驅動銷連接，該擴散環係安裝成當該驅動環旋轉時軸向地移動，該擴散環可在一擴散間隙內移動，其中該擴散環更包括一第一凸緣，且該第一凸緣以該擴散間隙之方向由該環之一表面延伸；及一控制器，其決定該擴散環在該擴散間隙內之一位置。
2. 如請求項1之可變幾何擴散器，其中該擴散環更包括一第二凸緣，該第二凸緣與該第一凸緣實質正交且與在該擴散間隙中之一氣體流動實質平行。
3. 如請求項1之可變幾何擴散器，其中位在該驅動環之周緣上之該凸輪軌道以一角度延伸在該驅動環之一頂表 面與該驅動環之一底表面之間。
4. 如請求項3之可變幾何擴散器，其中該凸輪軌道以具有一預定斜率之一筆直直線形式在該驅動環之頂表面與該驅動環之底表面之間延伸成為一斜道。
5. 如請求項1之可變幾何擴散器，其中該致動器係為一線性致動器，其透過一連桿附接在該驅動環上且可在一第一軸向位置與一第二軸向位置之間移動以使該驅動環由對應於延伸進入該擴散間隙之一延伸擴散環之一第一位置移動至由該擴散間隙收回之一第二位置。
6. 如請求項5之可變幾何擴散器，其中該擴散環之第一凸緣之一完全延伸位置及該擴散環之第一凸緣之一完全收回位置係傳送到該控制器且被儲存。
7. 如請求項6之可變幾何擴散器，其中該致動器包括一致動器感測器，該致動器感測器提供一信號至該控制器，顯示當擴散環在該完全延伸位置時、當該擴散環在該完全收回位置時之該致動器位置，及當該致動器位置在這些位置中間時該擴散環之位置。
8. 如請求項1之可變幾何擴散器，更包括多數聲音感測器，該等聲音感測器提供與由該壓縮機產生之突波或失速有關之噪音的一信號至該控制器，且該控制器使該驅動環完全延伸至該擴散間隙中。
9. 如請求項1之可變幾何擴散器，更包括一電氣感測器，供該控制器及該致動器用之一備用電源，當該電氣感測器偵測到喪失供至該壓縮機之電力時該備用電源啟 動，且該控制器發出信號給該致動器以使該擴散環完全延伸至該擴散間隙中。
10. 如請求項2之可變幾何擴散器，其中該壓縮機更包括一噴嘴底板，該噴嘴底板具有一溝槽殼體擴散環及在該噴嘴底板上覆蓋該溝槽之一蓋體，該蓋體提供通過該擴散間隙之一冷媒流體之一空氣動力流動。
11. 一種用以控制在離心壓縮機中之冷媒流動之方法，包含以下步驟：提供一可變幾何擴散器，其包含：一驅動環，係可旋轉地安裝且可在一第一位置與一第二位置之間移動，該驅動環包括位在該驅動環之一周緣上的一凸輪軌道；一致動器，係附接在該驅動環上以使該驅動環由一第一位置移動至一第二位置；一驅動銷，係與該驅動環連接；一凸輪從動件，係與該驅動銷連接，該凸輪從動件係安裝在該驅動環之凸輪軌道中；一擴散環，係與該驅動銷連接，該擴散環係安裝成當該驅動環旋轉時軸向地移動，該擴散環可在一擴散間隙內移動，其中該擴散環更包括一第一凸緣，且該第一凸緣以該擴散間隙之方向由該環之一表面延伸；及一控制器，其決定該擴散環在該擴散間隙內之一位置， 決定當該擴散環之第一凸緣完全收入一噴嘴底板時在該擴散環之第一凸緣的該擴散間隙之一寬度且在該控制器中儲存該寬度；藉由致動該致動器以使該驅動環由對應於完全延伸通過該擴散間隙之該寬度之該擴散環之第一凸緣的該第一位置移動至對應於完全收入該噴嘴底板中之該擴散環之第一凸緣的一第二位置，校準該擴散環在該擴散間隙內之位置，且在該控制器中儲存當該擴散環之第一凸緣完全延伸及完全收回時該致動器之位置；及依據該儲存之擴散間隙的寬度及該致動器之一當前位置決定該擴散間隙之開度，且依據該致動器之當前位置藉由該控制器計算該擴散環之第一凸緣之位置。
12. 如請求項11之方法，更包含以下步驟：規劃該控制器以使一冷凍系統之操作條件與該擴散環之位置相關。
13. 如請求項12之方法，更包含以下步驟：提供多個感測器以監測一冷凍系統之至少一條件；提供一表示該被監測條件之信號至該控制器；決定該擴散環之位置；在該控制器中儲存該擴散環之位置及該被監測條件；輸入用於一被監測條件之一值；在該控制器之一記憶體中搜尋該被監測條件值；在該控制器記憶體中找到該被監測條件值； 叫出對應於該找到之被監測條件值的該擴散環之位置；及命令該致動器使該擴散環移動至該對應位置。
14. 如請求項12之方法，其中該被監測條件係蒸發器離開水溫。
15. 如請求項11之方法，更包含以下其他步驟：感測一不利事件之發生；及使該驅動環之第一凸緣移動至一完全延伸位置以減少通過該擴散間隙之冷媒之一流動至最小。