回转式压缩机单元及其控制运转方法

专利名称：回转式压缩机单元及其控制运转方法
技术领域：
本发明涉及包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机 单元及其控制运转方法，该单元被制造得能够具有每个压缩机的合适的负载 平衡而运转，从而实现该单元的有效运转。
背景技术：
通常，齿式回转式压缩机包括两个转子，凸形转子和凹形转子，每个转 子都具有爪形齿或叶片。它们在转子转动时沿相反的方向转动而不接触彼 此，以压缩捕获在叶片和压缩机外壳的内表面之间形成的压缩室内的气体。 由于转子不接触彼此以及压缩机外壳的内表面，因而转子没有磨损并具有很 长的寿命。此外，由于转子的非接触配合，不需要转子的润滑油，并且可以 获得干净的没有污染上润滑油的压缩气体。这种类型的压缩机可获得的压缩比率相对较低，因而在许多情况下通过构成包括串联的低压段压缩机和高压 段压缩机的两级压缩机单元高效率地获得需要的较高的压缩比率。齿式压缩机的工作将在下文中参考图4a至图4d进行描述。在图4a中，具有爪形叶片的凸形转子02与具有爪形叶片的凹形转子03 在压缩机外壳01内配合并具有紧密的间隙。当转子02和03沿箭头所示的 方向旋转时，将要被压缩的气体g从吸入开口 04被吸入。在图4b中，吸入 开口 04由转子02、 03关闭，并且吸入的气体g限制在围绕凹形转子03的 叶片的室和围绕凸形转子02的叶片的室内。在图4c中，这两个室相连通， 并且两个室的总容积在转子旋转以压缩气体时减小。在图4d中，压缩气体c 穿过出口开口05排出，出口开口 05设置在压缩机外壳01的两侧，并且当 转子旋转时由凹形转子03的侧面打开。传统地，使用单一的电动机驱动如图5所示的两级压缩机单元的低压段 压缩机和高压段压缩机这两个压缩机，用于节省空间和减少工厂成本。在图 5中，连接到电动机07的输出轴07a的驱动齿轮08与连接到低压段压缩机 的凸形转子02a的转轴06a的齿轮09a和连接到高压段压缩机的凸形转子02b的转轴06a的齿轮09b啮合。低压段压缩机的凸形转子02a和高压段压缩机的凸形转子02b由单一的 电动机07 —起驱动。每个压缩机的凸形转子和凹形转子分别经由正时齿轮 010a和020b同步。具有由单一的电动才几驱动的两个压缩才几的回转式压缩机在日本^是前/> 开专利申请No.l-193089(专利文献1 )中和日本提前公开专利申请No.4-6349 (专利文献2)中公开。在设计包括低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元中，通常 每个压缩机的排气量确定成使得当单元在单元的额定排放压力下运转时，每 个压缩机的驱动力几乎相等。每个压缩机的排气量在单元的运转中不能够改 变。低压段压缩机的旋转速度和高压段压缩机的旋转速度由电动机07的旋 转速度和齿轮09a与齿轮08的齿数比率以及齿轮09b与齿轮08的齿数比率 确定。通常，这些比率确定为相等，使得两压缩机都以相同的旋转速度旋转。电动机的旋转速度可由逆变器(inverter )根据各种运转条件控制而改变。 例如，在日本提前公开专利申请No.2002-39079 (专利文献3)中公开了一 种使用多个电动机驱动涡旋式压缩机的驱动涡旋盘，其中电动机由逆变器控 制。在日本提前公开专利申请No.2004-360464 (专利文献4)中公开了一种 无油螺旋压缩机，其旋转速度由逆变器控制。如上所述，对于如图5所示的具有低压段压缩机和高压段压缩机并且由 单一电动机驱动的压缩机单元，每个压缩机的旋转速度不能分开控制。这种 压缩机单元的运转将参考示出P-V图(P表示压力并且V表示气体的比容积 (specific volume ))的图6说明。在图6中，气体首先由低压段压缩机压缩 到0.2MPa，然后压缩气体穿过中间冷却器受到冷却以减少比容积，如箭头x 所示。然后压缩并冷却的气体例如由高压段压缩机进一步压缩至0.7MPa。然而，压缩机单元并不总是运转以产生单元的额定排放压力。额定排放 压力为0.7MPa的压缩4几单元可运转以产生0.5MPa的排》文压力，如^f黄向线y 所示，或瞬时产生0.8MPa的排放压力，如图6中横向线z所示。通过上述 的逆变器控制，电动机的旋转速度由逆变器控制，并且低压段压缩机的旋转 速度和高压段压缩机的旋转速度不能够分开控制。下，如横向线y所示，大部分的压缩工作由低压段压缩机完成，并且高压段压缩4几完成了压缩才几单元的小部分压缩工作。因而，在j氐压革史压缩才几和高压 段压缩机之间产生了负载不平衡，并且低压段压缩机中温度的上升变得比高 压段压缩机中温度上升要大，低压段压缩机的压缩效率减小，导致压缩单元 的压缩效率减小，并且在压缩机单元的耐用性上引起另外的有害效应。为了实现低压段压缩机和高压段压缩机的合适的负载平衡，需要减小低 压段压缩机的旋转速度并增加高压段压缩机的旋转速度，然而，这对于压缩 机单元的传统驱动系统不可能。况下，如横向线Z所示，相对于低压段压缩机的负载，高压段压缩机的负载 变得相对更大，从而在这两个压缩机之间引起负载的不平衡。因而，高压段 压缩机内的温度上升比低压段压缩机内的温度上升更大，导致高压段压缩机 的压缩效率减小。从而，压缩机单元的压缩效率减小，并且在压缩机单元的 耐用性上引起另外的有害效应。为了实现低压段和高压段压缩机的负载平 衡，需要增加低压段压缩机的旋转速度并减小高压段压缩机的旋转速度，然 而，这对于压缩机单元的传统驱动系统不可能。发明内容本发明根据现有技术的问题而做出，并且本发明的目的是使得可能操作 回转式压缩机单元，该旋转压缩单元包括至少两个串联的压缩机并分开驱 动，并且通过能够独立控制每个压缩机的旋转速度，可具有总是与压缩机单 元的排放压力无关的优化的压缩效率。为了达到此目的，本发明提出了 一种控制包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元的运转的方法，其中所述的低压段和高压段压缩机由驱动装置驱动，每个驱动装置驱动一个 压缩机，或者经由可变速齿轮通过单一的驱动装置驱动，每个可变速齿轮连 接到一个压缩机并由所述单一的驱动装置驱动，并且每个所述压缩机的旋转速度根据压缩机单元的各种运转条件独立地受 到控制，使得压缩机的负载平衡。根据本发明的运转方法，通过由分开的驱动装置分别地驱动或由单一的 驱动装置经由分开的可变速齿轮分别地驱动每级的压缩机，每个压缩机的旋 转速度可以独立地受到控制。因而，可以实现压缩机的最佳负载平衡，使得压缩机单元的每个压缩机在压缩机单元的所有运转条件下在几乎同样的负 载下运转。因此，压缩机单元能够总是具有最佳效率地运转，此外压缩机单 元的耐用性可得到改善。例如，当排放压力低于单元的额定排放压力时，压缩机单元被操作，以 减小低压段压缩机的旋转速度和增加高压段压缩机的旋转速度，从而实现低 压段和高压段压缩机的最佳负载平衡，使得每个压缩机内温度上升几乎相 等，并且当排放压力高于单元的额定排放压力时，压缩机单元被操作，以增 加低压段压缩机的旋转速度和减小高压段压缩机的旋转速度，从而实现两压 缩机的最佳负载平衡，使得每个压缩机内温度上升几乎相等。本发明中优选的是高压段压缩机的排放侧气体压力受到检测，或高压段 压缩机的排放侧气体压力和低压段压缩机的排放侧气体压力都受到检测，并 且基于检测到的压力值或两者的压力值，独立地控制每个压缩机的旋转速 度。为了实践本发明的运转方法，提出了一种包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元作为压缩机单元的第 一发明，其中每个所述低压段压缩机和高压段压缩机具有用于分别驱动每个压缩机的驱动装置，并且每个驱动装置设置有用于改变到所述每个驱动装置的电源的频率的逆变器电路，并且设置控制器，以根据压缩机单元的各种运转条件经由所述每个逆变器电路控制所述每个驱动装置的旋转速度，使得所述压缩机的负载平衡。作为第一发明的压缩机单元，其构成使得每个压缩机由电动机驱动，电动机设置有逆变器电路并分别连接到每个压缩机，经由每个逆变器电路由控制器控制到每个压缩机的电源的频率，每个压缩机的旋转速度可独立地受到控制。本发明还提出了作为压缩机单元的第二发明的回转式压缩机单元，其包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机，并包括用于驱动所述低压段和高压段压缩机的单一的驱动装置，连接到所述低压段压缩机并由所述单一的驱动装置驱动的可变速齿轮，连接到所述高压段压缩机并由所述单一的驱动装置驱动的另外的可变速齿轮，和控制器，用于根据压缩机单元的变化的运转条件经由每个所述可变速齿轮独立地控制每个所述压缩机的旋转速度，使得压缩机的负载平衡。第二发明的压缩机单元设置有仅单一的电动机，并且通过控制器控制由 单一的电动机驱动的每个可变速齿轮，每个压缩机的旋转速度独立地受到控制。根据第一和第二发明的压缩机单元，构成压缩机单元的每个压缩机的旋 转速度可受到控制，使得实现压缩机的负载平衡，因而压缩机单元可总是具 有最佳压缩效率地运转，此外压缩机单元的耐用性可得到改善。在第一和第二发明的压缩机单元中，优选的是设置用于检测高压段压缩 机的排放侧气体压力的压力传感器，或除了设置用于检测高压段压缩机的排 放侧气体压力的所述压力传感器之外，设置用于检测低压段压缩机的排放侧 气体压力的压力传感器，并且基于由压力传感器检测的压力，每个压缩机的旋转速度独立地受到控制。根据本发明，包括串联的并分开驱动的低压段压缩机和高压段压缩机的 压缩机单元的每个压缩机的旋转速度可独立地受到控制，对于压缩机单元的 各种运转条件可实现压缩机的最佳负载平衡，因而压缩机单元可根据压缩机 单元的各种运转条件总是具有最佳效率地运转，此外压缩机单元的耐用性可 得到改善。本发明可应用到还具有一个或多个串联到低压段和高压段压缩机的中 间压力段压缩机的压缩机单元，并且可实现压缩机的负载平衡。


图1示出了本发明的第一实施例的示意性总结构。图2示出了本发明的第二实施例的示意性总结构。 图3示出了本发明的第三实施例的示意性总结构。 图4a至4d示出了说明齿类型回转式压缩机的工作的视图。 图5示出了具有低压段压缩机和高压段压缩机的传统压缩机单元的驱动 机构的示意性结构。图6示出了具有低压段压缩机和高压段压缩机的传统压缩机单元的P-V图。
具体实施方式
本发明的优选实施例将参考附图而进行详细描述。然而，所期望的是除 了特别地说明，实施例中的组成部件的尺寸、材料、相对位置等应解释为仅 是说明性的，并不作为本发明的范围的限制。 (第一实施例)本发明的第一实施例将参考图1进行说明。图1示出了具有例如齿式的 低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元的示意性总结构。参考图1，回转式压缩机单元包括低压段压缩机(此后称为LP压缩机)11、高压段压缩机(此后称为HP压缩机)12、直接连接到LP压缩机11的LP压缩机 驱动电动机(此后称为LP电动机)13、和直接连接到HP压缩机12的HP 压缩机驱动电动机(此后称为HP电动机)14。此外，设置有LP电动机控 制逆变器电路(此后称为LP逆变器电路)15，其用于通过改变到LP电动 机13的电源的频率改变LP电动机13的旋转速度，以及设置有HP电动机 控制逆变器电路(此后称为HP逆变器电路)16,其用于通过改变到HP电 动机14的电源的频率改变HP电动机14的旋转速度。将要被吸入LP压缩机11的气体g由LP压缩机11压缩到例如0.2MPa。 从LP压缩机11排放的压缩气体通过设置在排放流动路径17内的内冷却器 18冷却，然后吸入到HP压缩机12，以进一步压缩到例如0.7MPa。穿过HP压缩机12并从其排放出的压缩气体通过设置在排放流动路径 19内的后冷却器20冷却，然后供应到用户设备。压力传感器21设置在后冷 却器20的下游侧，以探测HP压缩机12的排放压力。此外，设置了控制器 22,以基于由压力传感器21检测的排放压力控制LP逆变器电路15和HP 逆变器电路16。由连接到排放流动路径19的压力传感器21检测出的HP压缩机12的排 放气体压力输入到控制器22。控制器22控制LP逆变器电路15和HP逆变 器电路16，使得通过独立地控制每个压缩机的旋转速度实现LP压缩机11 和HP压缩机12的最佳负载平衡。当运转压缩机单元产生小于额定压力的排放压力时，例如当运转额定排 放压力为0.7MPa的压缩机单元以产生如图6中横向线y所示的0.5MPa的排 放压力时，控制器22控制使得HP压缩机12的旋转速度大于LP压缩机ll 的旋转速度，以实现压缩机11和12的负载平衡，使得每个压缩机内由压缩 引起的温度上升几乎相等。可能存在压缩机单元运转产生如图6中横向线z示出的0.8MPa的排放 压力的情况。在此情况下，控制器22控制使得LP压缩机11的旋转速度大 于HP压缩机12的旋转速度，以实现压缩机11和12的负载平衡，使得每 个压缩机内由压缩引起的温度上升几乎相等。
通过以此方式独立地控制LP压缩机11的旋转速度和HP压缩机12的
力时，LP压缩机11和HP压缩机12的负载平衡总是能够实现。因而压缩机 单元的运转总是具有最佳的与压缩机单元的要求的排放压力无关的压缩效 率，因而可以总是实现压缩机单元的有效运转，此外，可以改善压缩机单元 的耐用性。
当HP压缩机12的排放压力由压力传感器21检测到，并且LP和HP 压缩机11、 12的旋转速度经由LP和HP逆变器电路15、 16独立地受到控 制时，LP压缩机11和HP压缩机12的负载平衡可根据HP压缩机12的各 种排放压力具有高度精确性地实现。
(第二实施例)
接下来，本发明的第二实施例将参考图2进行说明。在图2中，与图1 的组成部分相同的用同样的参考标号标出，并省略其说明。图2中的第二实 施例与图1中的第一实施例的不同点在于在排放流动路径17中设置有中 间压力传感器31,以检测LP压缩机ll的排放压力。其它的与图1中的第 一实施例相同。除了由压力传感器21检测的压力值之外，由中间压力传感 器31检测出的压力值输入到控制器22，并且基于检测的两压力值经由LP 和HP逆变器电路15、 16， LP和HP压缩机ll、 12的旋转速度受到控制。
对于第二实施例的此结构，不仅在排放流动路径19中检测HP压缩机 12的排放压力，而且在排放流动路径17中检测LP压缩机11的排放压力， 基于LP压缩机和HP压缩机的两排放压力，可以实现LP压缩机11和HP 压缩机12的最佳负载平衡。因而，压缩机单元的更有效运转可实现。 (第三实施例)
接下来，本发明的第三实施例将参考图3进行说明。在图3中，与图2 的组成部分相同的用同样的参考标号标出，并省略其说明。图3中的第三实 施例与图2中的第二实施例的不同在于采用单一的电动机41以驱动压缩 机单元，设置可变速齿轮(此后称为LP变速器)43用于改变LP压缩机11的旋转速度，设置可变速齿轮(此后称为HP变速器)44用于改变HP压缩 机12的旋转速度，并且将齿轮箱42连接到电动机41，从而经由LP变速器 43和HP变速器44， LP压缩机11和HP压缩机12分别地受到驱动。其它 的与图2中的第二实施例相同。
对于第三实施例的压缩机单元，电动机41的旋转经由齿轮箱42和分别 经由LP和HP变速器43、 44传动到LP和HP压缩机11、 12。 LP变速器43 和HP变速器44由控制器22控制。因而，LP压缩机11和HP压缩机12的 旋转速度可独立地受到控制。
压缩机单元可受到控制，使得当压缩机单元运转产生不同于单元的额定排放 压力的排放压力时，LP压缩机11和HP压缩机12的最佳负载平衡总是能够 实现。因而，压缩机单元总是有效地运转，此外压缩机单元的耐用性可得到 改善。
通过由压力探测器21和中间压力传感器31探测HP压缩机12和LP压 缩机11的排放压力，并且基于探测的压力控制HP压缩机12和LP压缩机 11的旋转速度，根据各种排放压力LP压缩机11和HP压缩机12的最佳负 载平衡可具有高度的精确性地保持。此外，当压缩机单元由单一的电动机41 驱动时，可节省安装空间装置的费用。
尽管压缩机单元的例子包括两个压缩机，即在上文中描述的串联的低压 段和高压段压缩机，可容易理解当分开驱动的 一个或多个中间压力段压缩机 与低压段和高压段压缩机串联时，可获得类似的效果。
工业实用性
根据本发明，包括串联的多个压缩机的压缩机单元可控制得使得每个压 缩机的旋转速度可独立地改变，获得压缩机的最佳负载平衡，从而可有效地 执行压缩机单元的运转。
权利要求
1.一种控制包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元的运转的方法，其中所述的低压段压缩机和高压段压缩机由驱动装置驱动，每个所述驱动装置驱动一个所述压缩机，或者经由可变速齿轮通过单一的驱动装置驱动，每个所述可变速齿轮连接到一个所述压缩机并由所述单一的驱动装置驱动，并且每个所述压缩机的旋转速度根据所述压缩机单元的各种运转条件独立地受到控制，使得所述压缩机的负载平衡。
2. 如权利要求1所述的控制回转式压缩机单元的运转的方法，其中所 述高压段压缩机的排放侧气体压力受到检测，或所述高压段压缩机的排放侧 气体压力和所述低压段压缩机的排放侧气体压力都受到检测，并且基于检测 到的一或多个压力值，独立地控制每个所述压缩机的旋转速度。
3. —种包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元， 其中每个所述低压段压缩机和高压段压缩机具有用于分别驱动每个所述压 缩机的驱动装置，并且每个所述驱动装置设置有用于改变到所述每个驱动装 置的电源的频率的逆变器电路，并且设置控制器，以根据所述压缩机单元的各种运转条件、经由所述每个逆 变器电路控制所述每个驱动装置的旋转速度，使得所述压缩机的负载平衡。
4. 一种包括串联的低压段压缩机和高压段压缩机的回转式压缩机单元， 包括单一的驱动装置，其用于驱动所述低压段压缩机和高压段压缩机； 可变速齿轮，其连接到所述低压段压缩机并由所述单一的驱动装置驱动；另外的可变速齿轮，其连接到所述高压段压缩机并由所述单一的驱动装置驱动；和控制器，用于根据所述压缩机单元的各种运转条件、经由每个所述可变 速齿轮独立地控制每个所述压缩机的旋转速度，使得所述压缩机的负载平衡。
5. 如权利要求3或4所述的回转式压缩机单元，其中设置用于检测所述高压段压缩机的排放侧气体压力的压力传感器，或除了设置用于检测所述 高压段压缩机的排放侧气体压力的所述压力传感器之外，设置用于检测所述 低压段压缩机的排放侧气体压力的压力传感器，并且基于由所述一或多个压 力传感器检测的压力，每个所述压缩机的旋转速度独立地受到控制。
6. 如权利要求1或2所述的控制回转式压缩机单元的运转的方法，还 包括一个或多个与所述低压段压缩机和高压段压缩机串联的中间压力段压 缩机，所述一个或多个中间压力段压缩机经由分开的可变速齿轮或多个齿轮 通过分开的驱动装置或多个驱动装置或通过所述单一的驱动装置而分开地 受到驱动，并且转动速度独立地受到控制，使得实现所有的压缩机的负载平 衡。
7. 如权利要求3至5中任一项所述的回转式压缩机单元，还包括一个 或多个与所述低压段压缩机和高压段压缩机串联的中间压力段压缩机，所述 一个或多个中间压力段压缩机经由分开的可变速齿轮或多个齿轮通过分开 的驱动装置或多个驱动装置或通过所述单一的驱动装置而分开地受到驱动， 并且转动速度独立地受到控制，使得实现所有的压缩机的负载平衡。
全文摘要
一种压缩机单元，其具有至少两个压缩机，例如串联的低压段压缩机11和高压段压缩机12，其中低压段压缩机11和高压段压缩机12分别由驱动装置13和14分开地驱动，或经由分别连接到每个压缩机的可变速齿轮43和44通过单一的驱动装置41驱动，并且根据压缩机单元的各种运转条件，低压段压缩机11的旋转速度和高压段压缩机12的旋转速度独立地受到控制，使得总是可实现压缩机11和12的最佳负载平衡。
文档编号F04C28/24GK101275564SQ200810083020
公开日2008年10月1日 申请日期2008年3月18日 优先权日2007年3月30日
发明者木村英幸 申请人:阿耐思特岩田株式会社