TWI607185B - 離心式壓縮機之調變機構 - Google Patents

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鐘震麒
劉中哲
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財團法人工業技術研究院
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Description

離心式壓縮機之調變機構
本發明係關於一種調變機構，特別是一種離心式壓縮機之調變機構。
離心式壓縮機的特性有別於容積式壓縮機，現有離心式冰水機組容量的控制方式，主要是以控制離心式壓縮機的轉速與吸入口的進氣導葉(Inlet Guide Vane)的開度來因應負載的變化，達到冰水機組容量調節之目的。
然而，離心式冰水機在低負載條件下運轉時或高低壓差增加時，由於所運送的冷媒氣體質量流率無法克服高低壓壓差，冷媒氣流便無法壓送至高壓端而停止送出，此時高壓端的氣體便產生逆流回低壓端。當低壓端壓力升高時，高低壓力差減小，壓縮機葉輪回復可壓送的能力範圍，冷媒氣流回復至正常的流動方向。然後高低壓力差又再度上升，高低壓力差又再增加超過葉輪的壓送能力範圍，高壓端的冷媒氣體又再度逆流回低壓端，如此現象反覆發生即所謂的喘震。因此，如何抑制喘震的狀況，以進一步提升離心式壓縮機的運轉範圍與效能，則為研發人員應解決的問題之一。
本發明在於提供一種離心式壓縮機之調變機構，藉以改善先前技術中離心式壓縮機易因負載降低時氣體失速而產生的喘震問題。
本發明之一實施例所揭露之離心式壓縮機之調變機構，用以應用於一壓縮機本體。離心式壓縮機之調變機構包含一擴壓器流道寬度調整組件及一氣體旁通閥組件。擴壓器流道寬度調整組件包含一擴壓器流道寬度調整片及一第一閥桿。擴壓器流道寬度調整片用以可活動地裝設於壓縮機本體之一擴壓流道。第一閥桿連接於擴壓器流道寬度調整片，並用以帶動擴壓器流道寬度調整片位移而調整擴壓流道的寬度。氣體旁通閥組件包含一氣體旁通閥及一第二閥桿。氣體旁通閥用以可活動地裝設於壓縮機本體之一熱氣旁通道。第二閥桿連接於氣體旁通閥，並用以帶動氣體旁通閥位移而調整氣體旁通閥的開閉。
根據上述實施例之離心式壓縮機之調變機構，透過擴壓流道的寬度控制與熱氣旁通口的開閉控制的結合，以在相同壓縮比與轉速條件下，藉由調降擴壓流道的寬度使氣體速度提高，排除了氣體在擴壓器失速並進而產生喘震的問題，藉此擴大離心式壓縮機可運轉範圍。
以上關於本發明內容的說明及以下實施方式的說明係用以示範與解釋本發明的原理，並且提供本發明的專利申請範圍更進一步的解釋。
1‧‧‧離心式壓縮機
10‧‧‧調變機構
20‧‧‧壓縮機本體
22‧‧‧擴壓流道
23‧‧‧渦道
24‧‧‧熱氣旁通道
25‧‧‧壓縮機進氣室
26‧‧‧熱氣旁通口
100‧‧‧傳動軸
200‧‧‧擴壓器流道寬度調整組件
210‧‧‧第一旋轉輪
211‧‧‧第一凸輪軌道
220‧‧‧擴壓器流道寬度調整片
230‧‧‧第一閥桿
240‧‧‧軸承
250、260‧‧‧軸承固定環
270‧‧‧調整片支撐桿
300‧‧‧氣體旁通閥組件
310‧‧‧第二旋轉輪
311‧‧‧第二凸輪軌道
320‧‧‧氣體旁通閥
330‧‧‧第二閥桿
340‧‧‧固定座
350‧‧‧壓縮彈簧
360‧‧‧氣密墊圈
370‧‧‧固定螺帽
400‧‧‧致動器
D1‧‧‧第一寬度
D2‧‧‧第二寬度
L1~L4‧‧‧距離
圖1為根據本發明第一實施例所述之離心式壓縮機的部分立體剖面示意圖。
圖2為圖1之局部分解示意圖。
圖3為圖2之第一旋轉輪與第二旋轉輪的平面示意圖。
圖4為圖1之剖面示意圖。
圖5至圖10為圖1之離心式壓縮機的操作示意圖。
圖11為根據本發明第一實施例之擴壓器流道寬度調整組件與傳動軸部分立體剖面示意圖。
請參閱圖1至圖4。圖1為根據本發明第一實施例所述之離心式壓縮機的部分立體剖面示意圖。圖2為圖1之局部分解示意圖。圖3為圖2之第一旋轉輪與第二旋轉輪的平面示意圖。圖4為圖1之剖面示意圖。
如圖1、圖2與圖4所示，本實施例之離心式壓縮機1包含一調變機構10及一壓縮機本體20。壓縮機本體20具有一擴壓流道22、一渦道23及一熱氣旁通道24。擴壓流道22及熱氣旁通道24連通渦道23，且熱氣旁通道24之一側具有一熱氣旁通口26。熱氣旁通口26與壓縮機進氣室25連通。
調變機構10包含一傳動軸100、一擴壓器流道寬度調整組件200、一氣體旁通閥組件300及一致動器400。
傳動軸100可轉動地設置於壓縮機本體20。擴壓器流道寬度調整組件200包含一第一旋轉輪210、一擴壓器流道寬度調整片220及一第一閥桿230。第一旋轉輪210裝設於傳動軸100，並具有一第一凸輪軌道211。第一凸輪軌道211與傳動軸100之軸線A保持相異距離。
如圖3所示，在本實施例中，第一凸輪軌道211中在軸線A之正Y方向側的區段與軸線A的距離L1小於第一凸輪軌道211中在軸線 A之負Z方向側的區段與軸線A的距離L3。並且第一凸輪軌道211中在軸線A之負Z方向側的區段與軸線A的距離L3等於第一凸輪軌道211中在軸線A之負Y方向側的區段與軸線A的距離L4。但並不以此為限，在其他實施例中，也可依實際需求調整第一凸輪軌道211的軌跡。
如圖2與圖4所示，擴壓器流道寬度調整片220可活動地裝設於壓縮機本體20之一擴壓流道22。第一閥桿230之一端可滑動地位於第一凸輪軌道211，第一閥桿230之另一端連接於擴壓器流道寬度調整片220，以帶動擴壓器流道寬度調整片220位移並調整擴壓流道22的寬度D1。
在本實施例中，擴壓器流道寬度調整組件200更包含一軸承240及兩個軸承固定環250、260。軸承240例如為直線軸承，並裝設於壓縮機本體20。軸承固定環250、260裝設於壓縮機本體20，且軸承240夾設於相對應之兩軸承固定環250、260之間。第一閥桿230穿過軸承240與兩個軸承固定環250、260，使得第一閥桿230可透過軸承240的潤滑來提升第一閥桿230滑動的順暢度。
如圖2與圖4所示，氣體旁通閥組件300包含一第二旋轉輪310、一氣體旁通閥320及一第二閥桿330。第二旋轉輪310裝設於傳動軸100，並具有一第二凸輪軌道311。第二凸輪軌道311與傳動軸100之軸線A保持相異距離。如圖3所示，在本實施例中，第二凸輪軌道311中在軸線A之正Y方向側的區段與軸線A的距離L1等於第二凸輪軌道311中在軸線A之負Z方向側的區段與軸線A的距離L2。並且第二凸輪軌道311中在軸線A之負Z方向側的區段與軸線A的距離L2小於第二凸輪軌道311 中在軸線A之負Y方向側的區段與軸線A的距離L4。但並不以此為限，在其他實施例中，也可依實際需求調整第二凸輪軌道311的軌跡。
如圖2與圖4所示，氣體旁通閥320可活動地裝設於壓縮機本體20之一熱氣旁通道24。第二閥桿330之一端可滑動地位於第二凸輪軌道311。第二閥桿330之另一端連接於氣體旁通閥320，以帶動氣體旁通閥320位移而調整氣體旁通閥320的開閉。
在本實施例中，氣體旁通閥組件300係更包含一固定座340、一壓縮彈簧350、一氣密墊圈360及一固定螺帽370。固定座340固定於壓縮機本體20。第二閥桿330可滑動地設置於固定座340，且氣體旁通閥320位於固定座340靠近傳動軸100之一側，以封閉熱氣旁通口26。固定螺帽370位於氣體旁通閥320靠近傳動軸100之一側，且固定螺帽370與氣體旁通閥320夾設氣密墊圈360。如此一來，氣體旁通閥320可透過氣密墊圈360封住氣體旁通閥320而進一步地提升氣體旁通閥320對熱氣旁通口26的氣密效果。壓縮彈簧350夾設於固定座340與氣體旁通閥320之間，以令氣體旁通閥320常態封閉熱氣旁通口26。
致動器400例如為馬達，致動器400連接傳動軸100，以驅動傳動軸100順向或反向旋轉。
請參閱圖3至圖10。圖5至圖10為圖1之離心式壓縮機的操作示意圖。如圖3與圖4所示，傳動軸100位於起始位置，並以此位置視為傳動軸100位於一第一旋轉角度(例如為0度)。此時，第一閥桿230之一端與第二閥桿330之一端分別在第一凸輪軌道211與第二凸輪軌道311之導引下，使得第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之位置至 傳動桿100之軸線A的距離與第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之位置至傳動桿100之軸線的距離相等。如此一來，第一閥桿230可帶動擴壓器流道寬度調整片220位於相對靠近傳動軸100的位置而讓擴壓通道22具有第一寬度D1。第一寬度D1例如為7毫米。第二閥桿330可帶動氣體旁通閥320位於相對靠近傳動軸100的位置而封閉熱氣旁通口26。
如圖5與圖6所示，傳動軸100沿箭頭a所指示的方向旋轉至一第二旋轉角度(例如為90度)時，第一閥桿230之一端與第二閥桿330之一端分別在第一凸輪軌道211與第二凸輪軌道311之導引下，使得第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之位置至傳動桿100之軸線A的距離變大，且第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之位置至傳動桿100之軸線的距離維持不變。如此一來，第一閥桿230可帶動擴壓器流道寬度調整片220位於相對遠離傳動軸100的位置而讓擴壓通道22具有第二寬度D2。第二寬度D2例如為3毫米。第二閥桿330繼續維持令氣體旁通閥320位於相對靠近傳動軸100的位置而繼續封閉熱氣旁通口26。
如圖7與圖8所示，傳動軸100繼續沿箭頭a所指示的方向旋轉至一第三旋轉角度(例如為180度)時，第一閥桿230之一端與第二閥桿330之一端分別在第一凸輪軌道211與第二凸輪軌道311之導引下，使得第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之位置至傳動桿100之軸線A的距離維持不變，且第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之位置至傳動桿100之軸線的距離變大。如此一來，可讓擴壓通道22維持於第二寬度D2。第二閥桿330可帶動氣體旁通閥320移至位於相對遠離傳動軸100的位置而改成開啟熱氣旁通口26。
如圖9與圖10所示，傳動軸100繼續沿箭頭a所指示的方向旋轉至一第四旋轉角度(例如為270度)時，第一閥桿230之一端與第二閥桿330之一端分別在第一凸輪軌道211與第二凸輪軌道311之導引下，使得第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之位置至傳動桿100之軸線A的距離維持不變，且第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之位置至傳動桿100之軸線的距離變小。如此一來，可讓擴壓通道22維持於第二寬度D2。第二閥桿330可帶動氣體旁通閥320移至位於相對靠近傳動軸100的位置而改成關閉熱氣旁通口26。
此外，傳動軸100繼續沿箭頭a所指示的方向旋轉，可回到傳動軸100於第一旋轉角度(例如為0度)時的狀況。
從上述操作可知，傳動軸100於第一旋轉角度範圍內(如0度至90度)時，第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之各位置至傳動軸100之軸線A的距離相異，傳動軸100於異於第一旋轉角度範圍的一第二旋轉角度範圍內(如90度至180度)時，第一閥桿230之一端位於第一凸輪軌道211之各位置至傳動軸100之軸線A的距離相等。
此外，傳動軸100於第一旋轉角度範圍內(如0度至90度)時，第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之各位置至傳動軸100之軸線A的距離相等，傳動軸100於異於第一旋轉角度範圍的一第二旋轉角度範圍內(如90度至180度)時，第二閥桿330之一端位於第二凸輪軌道311之各位置至傳動軸100之軸線A的距離相異。
上述實施例中，結合了擴壓流道22的寬度控制與熱氣旁通口26的開閉控制的效果在於，離心式壓縮機1轉速的改變搭配擴壓流道 22的寬度調整，對於擴大離心式壓縮機1的運轉範圍以及延緩喘震發生的效果。以200RT單級離心式壓縮機的設計為例，額定設定條件為轉速23,000rpm、壓縮比Pr=2.58。實際運轉條件為壓縮比Pr=2.2與轉速20,460rpm。當擴壓流道22寬度為7毫米時，離心式壓縮機1的冷媒質量流率低於3.7kg/s會發生失速。但當擴壓流道22寬度從7毫米降至3毫米時，離心式壓縮機1轉速低於3.15kg/s才會發生失速。此代表離心式壓縮機1可運轉範圍增加。比較寬度7mm與3mm的運轉範圍，在相同壓縮比與轉速條件下，壓縮機的冷媒質量流率從3.7kg/s降低至3.15kg/s，相當於冷凍能力降低24.4冷凍噸，容量運轉範圍增加12.2%，由此可見擴壓流道22的寬度調整對調降離心式壓縮機1運轉容量的效果，再結合熱氣旁通口26的開閉控制，可更進一步調降運轉容量，達到擴大離心式壓縮機1可運轉範圍的功效。
此外，透過機構耦合的設計，利用單一致動器與傳動軸可同時進行擴壓器流道寬度與內部氣體旁通閥之開度調整。
再者，整合離心式壓縮機的擴壓器流道寬度調整機構，以及氣體旁通閥開度調整機構於壓縮機機體內部，同時具備容量調整與擴大運轉範圍防止喘震之功效。
並且，使離心式冰水機之配管簡潔、單純，控制複雜度降低；達到降低離心式冰水機成本之目的。
值得注意的是，上述傳動軸100與第二閥桿330之間是透過具有第二凸輪軌道311之第二旋轉輪310來傳動，但並不以此為限，在其他實施例中，傳動軸100與第二閥桿330之間也可以透過齒輪與齒條來 傳動。其中齒輪可各側皆有齒部，或著齒輪的部分側有齒部且部分側無齒部。
請參閱圖11。圖11為根據本發明第實施例所述之離心式壓縮機的擴壓流道寬度調整組件之部分立體剖面示意圖。
擴壓器流道寬度調整組件200更包含複數個調整片支撐桿270。這些調整片支撐桿270之一端連接於擴壓器流道寬度調整片220，另一端可活動地裝設於壓縮機本體20。透過第一閥桿230與這些調整片支撐桿270的共同推抵，可讓擴壓器流道寬度調整片220位移的更順暢且更平均。
根據上述實施例之離心式壓縮機之調變機構，透過擴壓流道的寬度控制與熱氣旁通口的開閉控制的結合，以在相同壓縮比與轉速條件下，藉由調降擴壓流道的寬度使氣體速度提高，排除了氣體在擴壓器失速並進而發生喘震的問題，藉此擴大離心式壓縮機1可運轉範圍。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
10‧‧‧調變機構
20‧‧‧壓縮機本體
22‧‧‧擴壓流道
23‧‧‧渦道
24‧‧‧熱氣旁通道
25‧‧‧壓縮機進氣室
26‧‧‧熱氣旁通口
100‧‧‧傳動軸
200‧‧‧擴壓器流道寬度調整組件
210‧‧‧第一旋轉輪
211‧‧‧第一凸輪軌道
220‧‧‧擴壓器流道寬度調整片
230‧‧‧第一閥桿
240‧‧‧軸承
250、260‧‧‧軸承固定環
300‧‧‧氣體旁通閥組件
310‧‧‧第二旋轉輪
311‧‧‧第二凸輪軌道
320‧‧‧氣體旁通閥
330‧‧‧第二閥桿
340‧‧‧固定座
350‧‧‧壓縮彈簧
360‧‧‧氣密墊圈
370‧‧‧固定螺帽
400‧‧‧致動器
D1‧‧‧第一寬度

Claims (8)

  1. 一種離心式壓縮機之調變機構，用以應用於一壓縮機本體，包含：一擴壓器流道寬度調整組件，包含：一擴壓器流道寬度調整片，裝設於該壓縮機本體之一擴壓流道，並可相對該壓縮機本體活動；以及一第一閥桿，連接於該擴壓器流道寬度調整片，並用以帶動該擴壓器流道寬度調整片位移而調整該擴壓流道的寬度；以及一氣體旁通閥組件，包含：一氣體旁通閥，裝設於該壓縮機本體之一熱氣旁通道，並可相對該壓縮機本體活動，該熱氣旁通道之一側具有一熱氣旁通口，一第二閥桿，連接於該氣體旁通閥，並用以帶動該氣體旁通閥位移而調整該熱氣旁通口的開閉；以及一傳動軸，該傳動軸與該擴壓器流道寬度調整組件之該第一閥桿以及該氣體旁通閥組件之該第二閥桿樞接，以調整該擴壓流道的寬度以及該熱氣旁通口的開閉。
  2. 如請求項1所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該擴壓器流道寬度調整組件更包含一第一凸輪，該第一凸輪裝設於該傳動軸，並具有一第一滑槽，該第一滑槽與該傳動軸之軸線保持相異距離，該第一閥桿之一端可滑動地位於該第一滑槽，該第一閥桿之另一端連接於該擴壓器流道寬度調整片，以帶動該擴壓器流道寬度調整片位移。
  3. 如請求項2所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該氣體 旁通閥組件更包含一第二凸輪，該第二凸輪裝設於該傳動軸，並具有一第二滑槽，該第二滑槽與該傳動軸之軸線保持相異距離，該第二閥桿之一端可滑動地位於該第二滑槽，該第二閥桿之另一端連接於該氣體旁通閥，以帶動該氣體旁通閥位移。
  4. 如請求項3所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該傳動軸於一第一旋轉角度範圍內時，該第一閥桿之一端位於該第一滑槽之位置至該傳動軸之軸線的距離與該第二閥桿之一端位於該第二滑槽之位置至該傳動軸之軸線的距離相等，該傳動軸於異於該第一旋轉角度範圍的一第二旋轉角度範圍內時，該第一閥桿位於該第一滑槽之位置至該傳動軸之軸線的距離與該第二閥桿位於該第二滑槽之位置至該傳動軸之軸線的距離相異。
  5. 如請求項1所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該擴壓器流道寬度調整組件更包含複數個調整片支撐桿，該些調整片支撐桿之一端連接於該擴壓器流道寬度調整片，另一端可活動地裝設於該壓縮機本體。
  6. 如請求項1所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該擴壓器流道寬度調整組件更包含一軸承及二軸承固定環，該軸承裝設於該壓縮機本體，該些軸承固定環分別裝設於該壓縮機本體，且每一個該軸承夾設於相對應之兩該軸承固定環之間。
  7. 如請求項2所述之離心式壓縮機之調變機構，其中該氣體旁通閥組件係更包含一固定座、一壓縮彈簧、一氣密墊圈及一固定螺帽，該固定螺帽、該氣密墊圈、該壓縮彈簧與該固定座套設於該第二閥桿，並自靠近該傳動軸朝遠離該傳動軸之方向排列，該壓縮彈簧夾設於該氣體旁 通閥與該固定座之間，以令該氣體旁通閥常態關閉該熱氣旁通道。
  8. 如請求項2所述之離心式壓縮機之調變機構，更包含一致動器，該致動器連接該傳動軸，以驅動該傳動軸旋轉。
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