具有密封轴承的离心压缩机的制作方法

本发明总体上涉及一种用于冷却器系统的离心压缩机。更具体而言，本发明涉及一种具有密封轴承的离心压缩机。

背景技术：

冷却器系统是从介质中去除热量的制冷机器或装置。通常使用诸如水之类的液体作为介质，并且冷却器系统在蒸气压缩制冷循环中运转。该液体接着能通过热交换器进行循环，以根据需要对空气或装备进行冷却。作为必要的副产品，制冷会产生废热，必须将其排放到环境中，或者为了获得更高的效率，将其回收以用于加热的目的。常规的冷却器系统通常使用离心压缩机，该离心压缩机通常被称为涡轮压缩机。因此，这种冷却器系统能够被称为涡轮冷却器。替代地，能使用其它类型的压缩机，例如螺杆压缩机。

在常规的(涡轮)冷却器中，制冷剂在离心压缩机中被压缩并被送到热交换器，在上述热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。这种热交换器被称为冷凝器，因为制冷剂在该热交换器中冷凝。作为结果，热量被传递到介质(液体)以加热介质。离开冷凝器的制冷剂通过膨胀阀膨胀，并被送到另一个热交换器，在该热交换器中，在制冷剂与热交换介质(液体)之间发生热交换。该热交换器被称为蒸发器，因为制冷剂在该热交换器中加热(蒸发)。作为结果，热量从介质(液体)传递到制冷剂，从而使液体冷却。来自蒸发器的制冷剂接着返回到离心压缩机，并重复该循环。所用的液体通常是水。

常规的离心压缩机基本上包括壳体、入口导叶、叶轮、扩散器、马达、各种传感器以及控制器。制冷剂依次流过入口导叶、叶轮以及扩散器。因而，入口导叶联接到离心压缩机的进气端口，而扩散器联接到叶轮的出气端口。入口导叶对进入叶轮的制冷剂气体的流量进行控制。叶轮增大制冷剂气体的速度。扩散器用于将由叶轮给出的制冷剂气体的速度(动态压力)转换成(静态)压力。马达使叶轮旋转。控制器控制马达、入口导叶以及膨胀阀。通过这种方式，制冷剂在常规的离心压缩机中被压缩。常规的离心压缩机可以具有单级或双级。马达通过轴使一个或多个叶轮旋转。轴承系统对马达的轴进行支承。常规的离心压缩机的叶轮包括封闭式叶轮、半开放式叶轮以及开放式叶轮。封闭式叶轮或半开放式叶轮具有包围该叶轮的叶轮罩。

美国专利申请公开第2015/0192147号公开了一种使用封闭式叶轮的离心压缩机。

技术实现要素：

在使用封闭式叶轮的常规的离心压缩机中，轴承和用于叶轮罩的密封件是必要的部件。然而，在常规的离心压缩机中，轴承系统和用于叶轮罩的密封件是单独设置的。由于压缩机的入口部需要具有很大的尺寸以容纳轴承，因此，已认为很难将轴承配合至压缩机的入口部内。因此，在常规的离心压缩机中，轴承系统通常仅绕马达的轴承设置。

因此，本发明的一个目的在于提供一种具有一体式密封轴承的离心压缩机以将密封件和轴承设置在压缩机内，从而改善压缩机的效率以及旋转动力学性能。

本发明的另一目的在于提供一种具有一体式密封轴承的离心压缩机，以减低的成本将密封件和轴承相对简单地设置在压缩机内。

一个或多个上述目的基本可以通过提供一种适用于冷却器系统的离心压缩机来实现，所述离心压缩机包括：壳体，所述壳体具有入口部和出口部；叶轮，所述叶轮附接至能够围绕轴旋转轴线进行旋转的轴，所述叶轮具有包围该叶轮的叶轮罩；马达，所述马达构造并布置成使所述轴旋转，从而使所述叶轮旋转；扩散器，所述扩散器配置于所述叶轮下游的所述出口部；以及密封轴承，所述密封轴承附接至所述入口部以将所述叶轮罩密封，并且所述密封轴承将所述叶轮和所述轴支承为能够旋转。

从以下结合附图公开优选实施方式的详细描述，本领域技术人员可以更了解本发明的上述和其它目的、特征、方面以及优点。

附图说明

现参照附图，这些附图形成该原始公开的一部分：

图1是表示具有根据本发明一实施方式的、带有密封轴承的离心压缩机的冷却器系统的示意图；

图2是图1所示的冷却器系统的离心压缩机的立体图，其中，为了进行图示，将上述离心压缩机的一部分切除并且以截面示出；

图3是图2所示的离心压缩机的叶轮以及马达的示意纵向侧视图；

图4是安装在图2所示的叶轮的叶轮罩上的密封轴承的放大立体图，其中，为了进行图示，离心压缩机被局部剖开并以截面示出；

图5是密封轴承的局部的立体图；

图6a是从离心压缩机的入口侧观察图2所示的叶轮中的一个叶轮的前视图，图6b是其立体图；

图7是沿图6a中的剖切线7-7剖开的图2-4、图6a以及图6b所示的密封轴承以及叶轮的叶轮罩的简化横剖视图；

图8是图7中的圆圈8内的密封轴承以及叶轮的叶轮罩的放大示意横剖视图；

图9a是表示背对背式叶轮(back-to-backimpeller)构造的示意图，图9b是表示内联式叶轮(inlineimpeller)构造的示意图。

图10示出了包括油罐、油供给管线、油返回管线、制冷剂管线以及分离管线的油制冷剂分离系统；以及

图11是图1的冷却器系统的冷却器控制器的示意图。

具体实施方式

现将参照附图说明所选择的实施方式。本领域技术人员根据本公开将清楚可见，实施方式的以下描述仅提供用于说明，而并非为了限制由所附的权利要求书及其等同物来限定的本发明。

首先参照图1，根据本发明一实施方式示出了具有密封轴承60(60a、60b)的冷却器系统10。冷却器系统10优选为以常规方式采用冷却水和冷却器水的水冷却器。本文所示的冷却器系统10是双级冷却器系统。不过，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，冷却器系统10可以是单级冷却器系统或者包括三级以上的多级冷却器系统。

冷却器系统10基本上包括串联连接在一起以形成环路制冷循环的冷却器控制器20、压缩机22、冷凝器24、膨胀阀26以及蒸发器28。另外，各种传感器(未示出)配置于冷却器系统10的整个回路。除了冷却器系统具有根据本发明的密封轴承60(60a、60b)以外，冷却器系统10是常规的冷却器系统。

参照图1至图3，在所示实施方式中，压缩机22是双级离心压缩机。本文所示的压缩机22是包括两个叶轮的双级离心压缩机。不过，上述压缩机22也可以是包括三个以上叶轮的多级离心压缩机。所示实施方式的双级离心压缩机22包括第一级叶轮34a和第二级叶轮34b。叶轮34a具有包围该叶轮34a的叶轮罩35a，并且叶轮34b具有包围该叶轮34b的叶轮罩35b。离心压缩机22还包括第一级入口导叶32a、第一扩散器/蜗壳36a、第二级入口导叶32b、第二扩散器/蜗壳36b、压缩机马达38以及各种常规的传感器(未示出)。壳体30覆盖离心压缩机22。壳体30包括用于压缩机22的第一级的入口部31a和出口部33a。壳体30还包括用于压缩机的第二级的入口部31b和出口部33b。

冷却器控制器20以常规方式从各种传感器接收信号，并对入口导叶32a和32b以及压缩机马达38进行控制，以下将进行更详细说明。制冷剂依次流过第一级入口导叶32a、第一级叶轮34a、第二级入口导叶32b以及第二级叶轮34b。入口导叶32a和32b分别以常规方式对流入叶轮34a和34b的制冷剂气体的流量进行控制。叶轮34a和34b通常在不改变压力的情况下增大制冷剂气体的速度。马达速度决定制冷剂气体速度的增量。扩散器/蜗壳36a和36b增大制冷剂压力。扩散器/蜗壳36a和36b相对于壳体30不可移动地固定。压缩机马达38通过轴42使叶轮34a和34b旋转。通过这种方式，制冷剂在离心压缩机22内被压缩。所示实施方式的离心压缩机22包括入口导叶32a和32b。不过，入口导叶32a和32b是可选的，并且，根据本发明的密封轴承60(60a、60b)能够应用于不包括入口导叶的离心压缩机。

在冷却器系统10运转时，压缩机22的第一级叶轮34a和第二级叶轮34b旋转，并且冷却器系统10内的低压制冷剂通过第一级叶轮34a吸入。制冷剂的流量通过入口导叶32a进行调节。通过第一级叶轮34a吸入的制冷剂被压缩成中压，通过第一扩散器/蜗壳36a增大制冷剂压力，制冷剂随后被引导至第二级叶轮34b。制冷剂的流量通过入口导叶32b进行调节。第二级叶轮34b将中压的制冷剂压缩成高压，并且通过第二扩散器/蜗壳36b增大制冷剂压力。随后，高压气体制冷剂被排出至冷却器系统10。

参照图1和图11，冷却器控制器20是电控制器，包括压缩机变频驱动器92、压缩机马达控制部93、入口导叶控制部94、膨胀阀控制部95以及油制冷剂分离系统控制部96。

在所示实施方式中，控制部是冷却器控制器20的被编程为执行本文描述的部件的控制的部分。压缩机变频驱动器92、压缩机马达控制部93、入口导叶控制部94、膨胀阀控制部95以及油制冷剂分离系统控制部96彼此联接，并形成离心压缩机控制部的电联接到压缩机22的i/o接口的部分。不过，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，只要一个或多个控制器被编程为执行对本文描述的冷却器系统10的部件的控制，则控制部、部件和/或冷却器控制器20的精确数量、位置和/或结构能够在不偏离本发明的情况下进行改变。

冷却器控制器20是常规的控制器，因而包括至少一个微处理器或cpu、输入/输出(i/o)接口、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)以及存储设备(临时或永久)，这些部件形成计算机可读介质，该计算机可读介质被编程为执行一个或多个控制程序以控制冷却器系统10。冷却器控制器20可以可选地包括：诸如小键盘之类的输入接口，上述输入接口接收来自用户的输入；以及显示设备，上述显示设备用于将各种参数显示给用户。上述部件和程序是常规的部件和程序，因而，除非理解实施方式所需，否则将不在本文中详细讨论。

如上所述，冷却器系统10具有根据本发明的密封轴承60(60a、60b)。在所示实施方式中，压缩机22是双级离心压缩机。如图1所示，第一级密封轴承60a和第二级密封轴承60b分别设置在压缩机22的第一级和第二级内。本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，除了第一级密封轴承60a与第二级密封轴承60b彼此成镜像以外，上述第一级密封轴承60a与上述第二级密封轴承60b的结构是相同的。因此，第一级密封轴承60a和第二级密封轴承60b在后文中统称为密封轴承60。

以相同的方式，下文对压缩机22的第一级和第二级的元件一并称谓而不加以区别。例如，壳体30的用于第一级的入口部31a和壳体30的用于第二级的入口部31b被统称为壳体30的入口部31。第一级入口导叶32a和第二级入口导叶32b被统称为入口导叶32。第一级叶轮34a和第二级叶轮34b被统称为叶轮34。

参照图4至图7，将对根据本发明的密封轴承60的详细结构进行说明。密封轴承60附接至入口部31以将叶轮34的叶轮罩35密封，并且将叶轮34和轴42支承为能够旋转，这将在后文中进一步详细说明。叶轮罩35通常由钢或铝制成。密封轴承60能够由钢制成/衬有钢。不过，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的情况下，能够采用另一材料。如图6a和6b最佳所示的那样，封闭式叶轮被用作所示实施方式的压缩机22的叶轮34。不过，本发明未对叶轮34的类型进行限制。只要根据本发明的密封轴承60具有罩，则该密封轴承60还能够应用于任何类型的叶轮。密封轴承60可以是径向轴承或推力轴承。

如图8最佳所示的那样，所示实施方式的密封轴承60包括油供给槽62、上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70。油供给槽62设置在密封轴承60的上游中央突出部63与下游中央突出部65之间。上游分离槽68设置在密封轴承60的上游端部突出部67与上游中间突出部69之间。上游油分离槽64设置在密封轴承60的上游中央突出部63与上游中间突出部69之间。下游分离槽70设置在密封轴承60的下游中间突出部71与下游端部突出部73之间。下游油返回槽66设置在密封轴承60的下游中央突出部65与下游中间突出部71之间。油供给槽62、上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70形成在密封轴承60的面向叶轮罩35的面向罩的表面61上。

在所示实施方式中，油供给槽62的沿着平行于旋转轴线x的轴向的宽度大于上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70的宽度。不过，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，油供给槽62的宽度可以与上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70的宽度实质相同。

如图4和图8所示，叶轮罩35具有台阶部35s。台阶部35s在与旋转轴线x垂直的方向y上向外突出。密封轴承60具有凹陷部60r。凹陷部60r接收台阶部35s。在叶轮罩35的台阶部35s与密封轴承60的凹陷部60r之间存在间隙72。油供给槽62设置在凹陷部60r内。因此，油供给槽62的沿着垂直于轴向的方向y的高度小于上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70的高度。凹陷/台阶组合用于在离心作用下使油从返回槽向分离槽的泄漏最小化。不过，凹陷/台阶组合是可选的。本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的情况下，凹陷/台阶组合能够省略。

上游油返回槽64相对于油供给槽62配置在制冷剂流f的上游。下游油返回槽66相对于油供给槽62配置在制冷剂流f的下游。制冷剂流f在图8中通过箭头f示出，该制冷剂流f从压缩机22的吸入侧流动至压缩机22的排出侧。通过上述布置，油供给槽62介于上游油返回槽64与下游油返回槽66之间。供给至油供给槽62的油通过间隙72流动至上游油返回槽64以及下游油返回槽66，这将在后文中进行更详细说明。

上游分离槽68相对于上游油返回槽64和油供给槽62配置在制冷剂流f的上游，以使上游油返回槽64介于油供给槽62与上游分离槽68之间。下游分离槽70相对于下游油返回槽66和油供给槽62配置在制冷剂流f的下游，以使下游油返回槽66介于油供给槽62与下游分离槽70之间。从上游油返回槽64和下游油返回槽66泄漏的油分别流入上游分离槽68和下游分离槽70。少量的制冷剂还流入上游分离槽68和下游分离槽70，这将在后文中进行更详细说明。

在所示的实施方式中，上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70具有实质相同的宽度。不过，本领域技术人员根据本公开将清楚可见的是，在不偏离本发明的范围的情况下，上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70可采用不同的宽度。

同样地，在所示实施方式中，密封轴承60包括油供给槽62、上游油返回槽64、下游油返回槽66、上游分离槽68以及下游分离槽70。不过，密封轴承60可仅具有油供给槽62、上游油返回槽64以及上游分离槽68。相似地，密封轴承60可仅具有油供给槽62、下游油返回槽66以及下游分离槽70。

如图8最佳所示的那样，齿部74-80形成在密封轴承60的面向罩的表面61上。更具体而言，齿部74形成在上游端部突出部67的面向罩的表面61上，齿部76形成在上游中间突出部69的面向罩的表面61上，齿部78形成在下游端部突出部73的面向罩的表面61上，齿部80形成在下游中间突出部71的面向罩的表面61上。

齿部74位于密封轴承60的压缩机22的吸入侧的端部与上游分离槽68之间。齿部76位于上游分离槽68与上游油返回槽64之间。齿部78位于密封轴承60的压缩机22的排出侧的端部与下游分离槽70之间。齿部80位于下游分离槽70与下游油返回槽66之间。上游分离槽68接收经过齿部74和齿部76的油和制冷剂。相似地，下游分离槽70接收经过齿部78和齿部80的油和制冷剂。

尽管在齿部74-78的尖端与叶轮罩35之间存在小的缝隙，供给至油供给槽62的油必须经过由齿部74-78产生的长而困难的路径而逸出，因此，齿部74-78有助于防止油泄漏至密封轴承60。另外，流入上游分离槽68和下游分离槽70的油被吸入后述的油罐。通过这种方式，对密封轴承60进行润滑的油的泄漏被减少至实质为零。密封轴承60用作密封件和轴承。

上游分离槽68和下游分离槽70具有围绕叶轮罩35沿整个周向延伸的环形形状。上游油返回槽64和下游油返回槽66优选具有以与上游分离槽68和下游分离槽70相同的方式围绕叶轮罩35沿整个周向延伸的环形形状。作为替代，上游油返回槽64和下游油返回槽66可具有围绕叶轮罩35沿局部周向延伸的形状。油供给槽62具有弧形形状，但不必围绕叶轮罩35沿整个周向延伸。

图9a是表示背对背式叶轮构造的示意图，图9b是表示内联式叶轮构造的示意图。在图9a所示的背对背式叶轮构造中，密封轴承60以简易支承式轴承构造被用在两个叶轮罩上。不过，本发明不限于背对背式叶轮构造。根据本发明的密封轴承60还能够应用于图9b所示的内联式叶轮构造。在图9b所示的内联式叶轮构造中，常规的轴承(优选油润滑式)和密封轴承60被一起用在一个叶轮上。作为一例，图10所示的油制冷剂分离系统100采用内联式叶轮构造。

参照图1，冷却器系统10具有油制冷剂分离系统100a和油制冷剂分离系统100b。本领域技术人员根据本公开清楚可见的是，油制冷剂分离系统100a和油制冷剂分离系统100b的结构是相同的。因此，油制冷剂分离系统100a和油制冷剂分离系统100b在后文中被统称为油制冷剂分离系统100。作为替代，冷却器系统10可具有用于密封轴承60a和密封轴承60b两者的单一油制冷剂分离系统100。单一油制冷剂分离系统100也能够应用于内联式叶轮构造，这将在后文中进行详细说明。

参照图10，油制冷剂分离系统100包括油罐101、油供给管线osl、油返回管线orl、制冷剂管线rl以及分离管线sl。油罐101构造并布置成接收油和制冷剂。油供给管线osl从油罐101延伸至油供给槽62。油泵op和油过滤器配置在油供给管线osl内。油返回管线orl从上游油返回槽64和下游油返回槽66延伸至油罐101。滤网和油冷却器配置在油返回管线orl内。制冷剂管线rl从油罐101延伸至压缩机22的吸入侧。真空泵vp配置在制冷剂管线rl内。分离管线sl从上游分离槽68和下游分离槽70延伸至油罐101。

在油制冷剂分离系统100中，对密封轴承60进行润滑的油经由油供给管线osl从油罐101被供给至油供给槽62。供给至油供给槽62的油经过间隙72并随后流动至上游油返回槽64和下游油返回槽66。流动至上游油返回槽64和下游油返回槽66的油经由油返回管线orl返回至油罐101。通过这种方式，从油罐101被供给至油供给槽62的油主要经由上游油返回槽64和下游油返回槽66返回至油罐101。

不过，一些油分别通过齿部76和齿部78从上游油返回槽64和下游油返回槽66泄漏，并且分别流入上游分离槽68和下游分离槽70。少量的制冷剂也分别从压缩机22的吸入侧和压缩机22的排出侧流入上游分离槽68和下游分离槽70。上游分离槽68和下游分离槽70内的包含制冷剂的油通过由真空泵vp产生的真空被吸入，并且经由分离管线sl被引导至油罐101内。在油罐101内，包含制冷剂的油被分离成油部分和制冷剂部分。制冷剂部分通过使用制冷剂管线rl内的真空泵vp返回至压缩机22的吸入侧。油部分通过使用油供给管线osl内的油泵op被供给至油供给槽62。图10所示的内联式叶轮构造包括含油轴承40。油罐101中的一些油经由油供给管线osl被供给至含油轴承40，并且经由油返回管线orl返回至油罐101。

为了实现上述油和制冷剂的分离/循环，执行控制以满足下述条件。控制可以是通过油制冷剂分离系统控制部96进行的主动控制。作为替代，控制可以是被动控制。

1.上游分离槽68和下游分离槽70中的压力(p5)必须小于压缩机吸入压力(p7)。

2.上游油返回槽64和下游油返回槽66中的压力(p4)必须大于上游分离槽68和下游分离槽70中的压力(p5)。

3.油供给槽62中的压力(p3)必须大于上游油返回槽64和下游油返回槽66中的压力(p4)。

条件一：p5＜p7

条件二和条件三：p5＜p4＜p3

条件一通过真空泵vp实现，该真空泵vp通过产生从油罐101到压缩机22的吸入侧的制冷剂的流动来产生比压缩机22的吸入侧的压力低的油罐101内的压力。条件二通过与分离管线sl相比增加油返回管线orl内的压降实现。通过具有滤网、油冷却器、可选的过滤器(未示出)以及可选的阀(未示出)的油返回管线orl中的部件来形成增加的压降。条件三通过油泵op实现。本领域技术人员根据本公开清楚可见的是，能够根据标准工程实践来确定流动生成部件和管道的详细尺寸。

系统的启动/关闭步骤的例子示于下面的表一。

表一

就全球环境保护而言，考虑在冷却器系统中使用诸如r1233zd、r1234ze之类的新型的低gwp(globalwarmingpotential：全球变暖潜值)制冷剂。低全球变暖潜值制冷剂的一个示例为蒸发压力等于或小于大气压的低压制冷剂。例如，低压制冷剂r1233zd是离心冷却器应用的候选项，因为其是不易燃、无毒、低成本，并且与诸如r1234ze之类的其它候选项相比，具有高cop，而所述r1234ze是目前主流的制冷剂r134a的替代品。具有根据本发明的密封轴承60的压缩机22可用于包括诸如r1233zd这样的低压制冷剂的任何类型的制冷剂。

术语的一般解释

在理解本发明的范围时，本文所使用的术语“包括”及其派生词旨在表示开放式术语，其指定表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在，但是不排除其它未表述的特征、元件、零件、组、整体和/或步骤的存在。上述内容也适用于具有类似含义的诸如术语“包括”、“具有”及其派生词之类的术语。而且，当以单数形式使用时，术语“部件”、“部”、“部分”、“构件”或“元件”可以具有单个部件或多个部件的双重含义。

本文使用的用于描述由零件、部以及设备等执行的运行或功能的术语“检测”包括不需要物理检测的零件、部以及设备等，还包括确定、测量、建模、预测或计算等，以执行运行或功能。

本文所使用的用于描述设备的零件、部或部件的术语“构造”包括构成和/或编程为执行期望功能的硬件和/或软件。

本文所使用的诸如“基本上”、“大约”以及“大致”的程度术语是指改进后的术语的合理偏差量，而最终结果不会显著改变。

尽管仅选择了选定的实施方式以对本发明进行说明，但对于本领域技术人员来说，从本公开中应当明白，在本文中，能够在不脱离随附权利要求书限定的本发明的范围内进行各种改变和修改。例如，各种零件的尺寸、形状、位置或方向能够根据需要和/或期望来进行改变。直接连接或彼此接触地示出的零件能够具有配置在它们之间的中间结构。一个元件的功能可以由两个元件来执行，反之亦然。一个实施方式的结构和功能能够在另一个实施方式中采用。所有优点不需要同时出现在特定实施方式中。现有技术中每个唯一的特征单独或与其它特征相结合，也应当被认为是申请人对进一步发明的单独描述，包括由这些特征所体现的结构和/或功能概念。因而，根据本发明的实施方式的上述描述仅被提供用于说明，并不旨在限制由随附权利要求书及它们的等同物所限定的本发明。