具有可变速度和容积控制的旋转压缩机的制作方法
【专利说明】具有可变速度和容积控制的旋转压缩机
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求于2013年10月I日提交的美国临时申请N0.61/885，174的权益，该申请的全部内容通过援引并入本文。
技术领域
[0002]本发明总体上涉及旋转压缩机，并且更具体地，但非排他性地涉及具有变速控制和可变容积比的旋转压缩机。
【背景技术】
[0003]制冷系统中的压缩机将制冷剂的压力从蒸发器压力提高到冷凝器压力。蒸发器压力有时被称为吸气压力，并且冷凝器压力有时被称为排气压力。包括旋转螺杆型压缩机的许多类型的压缩机被用于这样的制冷系统中。旋转螺杆压缩机是容积式(positivedisplacement)、容积减小装置。
[0004]旋转螺杆型压缩机包括通向压缩机的工作室的吸气口和排气口。工作室包括在压缩机外壳中的一对配合的凸形螺杆转子和凹形螺杆转子，其在螺杆转子与压缩机外壳的工作室的内壁之间限定压缩袋。压缩机外壳的工作室限定成形为一对平行的交叉的平端圆筒的容积，并且每个转子首先封装在圆筒形容积中的一个中。
[0005]在基于制冷的系统的常规运行中，相互配合的螺杆转子的反向旋转将在吸气压力下的大量制冷剂气体从压缩机的低压端处的吸气区域吸入吸气口。通过吸气口将制冷剂传送至压缩袋，该压缩袋具有人字形形状(chevron shape)，有时称为凹槽空间。压缩袋由相互配合的转子和工作室的内壁限定。随着相互配合的螺杆转子的旋转，从吸气口闭合压缩袋。当压缩袋容积随着相互配合的螺杆转子的旋转而减小时，发生气体压缩。压缩袋通过相互配合的螺杆转子的旋转周向地和轴向地位移至压缩机的高压排气端，并且形成与排气口的连通。通过排气口，从工作室径向地和轴向地排放压缩后的制冷剂气体。
[0006]通常期望在部分负荷的条件下(诸如当不需要满容量(fullcapacity)运行时)运行这种螺杆压缩机。为了提高在部分负荷的条件下的性能，已经采用了多种途径。已经采用的一种途径是使用控制气体释放至排气口中之前被压缩的时间量的滑阀布置。通常，气体在转子的压缩袋中保留的时间越长，入口与出口的容积比就越高。滑阀允许基于系统的条件而改变容积比，从而提高效率。然而，期望避免带有转子的滑阀的干扰。因此，已经开发出复杂的布置来避免这种干扰，其增加了压缩机的成本和维护，并且限制了控制压缩比的能力。此外，当系统的能力变化时，容积比的变化能够导致气体转向返回压缩机的吸气口，弓丨起吸入气体加热并且需要重新压缩转向的气体，从而降低效率。
[0007]已经采用以便改进部分负荷性能的另一途径是使用变速驱动器(VSD)JSD通过改变马达驱动相互配合的螺杆转子的速度来控制马达负荷。VSD通常改变向马达提供的频率和/或电压。这种频率或者电压变化能够允许马达响应于马达上的负荷来提供可变的输出速度和功率。
[0008]在常规螺杆压缩机中采用VSD能够引起在满负荷容量下的效率降低。采用VSD所面临的另一挑战是常规马达在其额定速度下到达其峰值效率。因此，马达效率在较低速度下下降。这种降低的理论性能在部分负荷条件下危及节能水平。
[0009]不论采用哪一种途径来实现部分负荷性能，在常规螺杆压缩机中独立地使用的滑阀布置和变速驱动器两者都不会产生实现期望效率和运行控制的可变容量的螺杆压缩机。因此，期望的是用于旋转压缩机的运行的方法和系统的进一步改善。
【发明内容】
[0010]公开了制冷系统、压缩机系统和控制这种系统的旋转螺杆压缩机以在变化的负荷和运行条件下有效地运行的方法的实施例。方法和系统的实施例包括制冷系统的旋转螺杆压缩机，其能够运行为通过响应于系统的运行条件控制排气口的径向容积比和轴向容积比中的至少一个，结合响应于负荷条件对驱动压缩机转子的马达的变速控制来改变压缩机的容积比。在一个改进中，压缩机转子速度由连接至变速驱动器的永磁马达控制。在进一步的改进中，为了达到最佳效率控制转子的尖端速度。在又一改进中，基于运行条件改变排气口的径向容积和轴向容积以控制压缩机的容积比。进一步的实施例、形式、对象、特征、优势、方面和益处将从以下描述和附图中变得显而易见。
【附图说明】
[0011]图1示出了包括压缩机系统的制冷系统的实施例。
[0012]图2示出了带有控制系统的图1的制冷系统。
[0013]图3是图1的压缩机系统的压缩机和马达的一个实施例的沿驱动转子的旋转轴线的剖视图。
[0014]图4A和图4B是压缩机的一部分的剖视图和处于第一位置的径向排气口容积控制组件的另一实施例的剖视图。
[0015]图5A和图5B分别对应于图4A和图4B，并且示出了处于第二位置的径向排气口容积控制组件。
[0016]图6是朝与图3的剖视图正交的方向看去的图1的压缩机和马达的沿驱动转子的旋转轴线的纵向剖视图。
[0017]图7是压缩机和转子的局部截面的纵向视图，其示出了带有处于第一位置的滑阀的径向排气口容积控制组件。
[0018]图8是压缩机和转子的局部截面的纵向视图，其示出了带有处于第二位置的滑阀的图7的径向排气口容积控制组件。
[0019]图9是从马达外壳朝向压缩机外壳的排气端看去的压缩机外壳的一部分的透视图，其示出了处于第一位置的轴向容积排气口控制组件。
[0020]图10是图9的视图，其示出了处于第二位置的轴向容积排气口控制组件。
[0021 ]图11是图9和图10的排气口控制组件的端板的透视图。
[0022]图12是朝向马达外壳看去的压缩机外壳的排气端的正视图。
[0023]图13是从马达外壳朝向压缩机外壳的排气端看去的压缩机外壳的一部分的透视图，并且去除了轴向排气口容积控制组件的控制构件。
【具体实施方式】
[0024]出于清楚地、简要地并且准确地描述本发明的示例性实施例、制造和使用本发明的示例性实施例的方式和过程的目的，并且为了使得能够实践、制造和使用本发明的示例性实施例，现在将参照某些示例性实施例(包括附图中所示的那些示例性实施例)，并且将使用具体的语言来描述本发明的示例性实施例。然而，应当理解的是不会由此形成对本发明的范围的限制，并且本发明包括并且保护如与本发明相关的领域中的技术人员将想到的那样的示例性实施例的变型、改型以及进一步的应用。
[0025]图1描绘了制冷系统1的一个实施例。制冷系统1可以使流体(诸如，例如，制冷剂)如沿管道连接件92、94、96的箭头所指示的那样循环，以便接收冷却负荷并且将热从负荷中去除以便在其它位置散热。如图所示，制冷系统10包括螺杆压缩机系统12、联接至压缩机系统12的冷凝器系统18、以及联接在压缩机系统12和冷凝器系统18之间的蒸发器系统
20。螺杆压缩机12、冷凝器系统18和蒸发器系统20串联连接以形成闭环制冷系统10。也可以向系统10提供其它部件和系统，如本领域普通技术人员将理解的那样，诸如膨胀阀、节能器(economizer)、栗等。
[0026]制冷系统10涉及，例如，在约20吨至500吨或者更大的范围内的冷水机组系统。本领域普通技术人员将容易地理解，本发明的实施例和特征被考虑为不仅包括并且应用于单级压缩机/冷水机组，还包括并且应用于多级压缩机/冷水机组以及并行运行的单级压缩机/冷水机组和/或多级压缩机/冷水机组。
[0027]制冷系统10可以使流体循环以控制空间(诸如，房间、家庭或者建筑)中的温度，或者用于冷却制造过程或者其它适合的用途。流体可以是选自气体、液体或者多相形式的共沸混合物、非共沸混合物或者其混合物或者调和物的制冷剂。例如，这种制冷剂可以选自以下项:1?-123、1?-1343、1?-12347匕1?-123426、1?-41(^、1?-22或者1?-32。因为本发明的实施例并不限于任何特定的制冷剂，所以本发明也可适应于正在兴起的诸如低全球变暖潜能值(低GWP)制冷剂的多种多样的制冷剂。
[0028]压缩机系统12可以包括吸气口14和排气口 16。如本领域技术人员已知的，压缩机系统12的吸气口 14接收处于第一热力学状态的流体，并且压缩机系统12压缩流体并且将流体从吸气口 14输送到在更高排气压力和更高排气温度下的排气口 16。从排气口 16排出的流体可以处于第二热力学状态，具有这样的温度和压力:在该温度和压力下，可以利用冷凝器系统18中的冷却空气或者冷却液体容易地使流体冷凝。
[0029]冷凝器系统18从压缩机系统12的排气口16接收压缩的流体，并且在其通过冷凝器系统18时使压缩的流体冷却。冷凝器系统18可以包括线圈或者导管，压缩的流体经过该线圈或者该导管并且冷空气或者冷流体通过该线圈或者该导管以将热排放到空气或者其它介质。在一个实施例中，尽管考虑了其它类型的冷凝器，但是冷凝器系统18是壳管满液式冷凝器。能够将冷凝器系统设置为单个冷凝器或者串联的或者并联的多个冷凝器，例如，将单独的冷凝器或者多个冷凝器连接至每个压缩机。
[0030]冷凝器系统18可以配置为通过管道92从排气口16接收流体。能够在压缩机系统12与冷凝器系统18之间提供油分离器(未示出)。冷凝器系统18可以将流体从过热蒸汽转变为饱和液体。由