具有多速渦旋壓縮機和經濟器迴路的製冷劑系統的製作方法

2023-09-22 07:37:45

專利名稱：具有多速渦旋壓縮機和經濟器迴路的製冷劑系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種在製冷劑系統中進行操作的雙速渦旋壓縮機，所述渦旋壓縮機具有經濟器功能和其它容量調節裝置。

背景技術：
製冷劑系統在多種用途中使用以對環境進行調節。尤其是，採用空氣調節器和熱泵以冷卻和/或加熱諸如進入環境的空氣之類的二次流體。所述環境的冷卻或加熱負荷可以根據周圍環境的條件、被佔用的水平、其它顯熱和潛熱負荷需求的改變、以及溫度和/或溼度的設定值由建築物居住者進行調節來變化。
因此，製冷劑系統可以設置有複雜的控制器、以及多個可選擇的構件和部件以調節冷卻和/或加熱能力。已知的選擇包括使至少部分通過壓縮機壓縮的製冷劑旁通回到吸入管線的能力。這種功能還被稱為卸載器旁通功能。在操作中進行所述額外步驟以減小系統的容量。
另一種選擇包括所謂的經濟器循環。在經濟器循環中，使流向蒸發器的主製冷劑流在經濟器熱交換器中進行過冷。所述主製冷劑流由膨脹至一定中間壓力及溫度水平並隨後經過經濟器熱交換器的分流(tapped)製冷劑進行過冷。接下來，所述分流製冷劑在壓縮循環的中間位置返回壓縮機。因此，所述經濟器循環設置有額外的操作步驟以通過在操作的經濟和其它模式(步驟)之間切換來改變系統的容量。
在現有技術中，可以對控制器設定程序以可選地啟動這些不同的控制功能中任意一種。然而，在相對較大的不連續的步驟中由所述功能提供的容量會增大或減小。因此當系統在任何上述的操作模式下運行時，需要提供可以改變容量的能力，以更接近地匹配外部負荷的需要量。
馬達驅動器已知用於在製冷劑系統中以兩個速度驅動壓縮機。通過以高速或低速驅動壓縮機，可以改變被壓縮的及在整個系統中進行循環的製冷劑的量，並因此可以改變系統的容量。
壓縮機的一種不斷普及的類型是渦旋壓縮機。在渦旋壓縮機中，一對渦旋構件相對彼此繞轉以壓縮捲入的製冷劑。渦旋壓縮機的一種設計構造既使用經濟器又使用多種卸載器功能。進一步，所述渦旋壓縮機可以採用單一的中間口(port)以擇一地或同時提供所述兩種功能。所述渦旋壓縮機在美國專利申請5,996,364中進行了描述。
然而，還沒有結合用於馬達的雙速驅動器和經濟器循環來使用渦旋壓縮機以在系統操作及控制中獲得額外的靈活性。


發明內容
在本發明所描述的實施例中，渦旋壓縮機設置在具有經濟器迴路的製冷劑系統中。所述渦旋壓縮機具有馬達，所述馬達可以以多個不同的速度驅動。為了示例性的目的，以下的描述討論雙速馬達。然而，所述渦旋壓縮機可以以兩個以上的不同速度運行。通過選擇性地使用經濟器迴路，和/或可選擇的卸載器功能，控制器可以增大或減小所述製冷劑系統的容量。進一步，通過改變所述馬達的速度，可以調節在各種操作模式中的系統容量以提供額外的控制靈活性。
控制器確定需要的容量水平，然後如果需要增大容量，則通過啟動經濟器迴路獲得所述需要的容量水平，如果不需要額外的容量，則不啟動所述經濟器循環，或者設置額外的卸載裝置以更進一步降低容量，並且確定用於獲得精確的容量水平所需要的馬達的速度。由於製冷劑壓縮機只在一定速度範圍內提供有效及可靠的操作，可能需要結合或未結合經濟器迴路的容量校正的額外步驟(如，卸載器功能)，並類似地與相應的壓縮機馬達速度調節一起使用，以精密地控制容量水平或獲得更有效的單元操作。而且，所述控制器還可以監控所述系統的效率水平並選擇最優選的操作模式和馬達速度。在這種情況時，考慮了容量和效率以建立最優的單元操作。
通過設置結合上述的容量調節選擇的所述雙速驅動器，本發明使最終用戶可以精密地調整系統容量和/或效率，或所述兩種參數的結合至需要的水平。如已知的，可以設置額外的節流設備(通常稱為吸入調節閥(SMV))以進一步降低所述容量至低於通過卸載機構和降低馬達速度所通常獲得的水平。
本發明的這些和其它特徵通過以下的文字說明和附圖可以更好地理解，其中附圖之後是簡短的說明。



圖1A示出了製冷劑循環的第一實施例。
圖1B是另一實施例。
圖2A示出了由現有技術提供的容量的圖表。
圖2B示出了由本發明提供的容量的圖表。
圖3是流程圖。

具體實施例方式 製冷劑系統20如圖1A所示出，所述製冷劑系統20具有壓縮機22和控制器44。如已知的，用於壓縮機22的馬達24可以以兩個速度驅動，從而可以改變由壓縮機22壓縮及在整個系統中循環的製冷劑的量。即，所述壓縮機在穩態操作時以兩個非零的速度中一個速度被驅動。所述壓縮機22是具有繞轉渦旋構件26和非繞轉渦旋構件28的渦旋壓縮機。如已知的，多個壓縮腔限定在兩個渦旋構件之間，當繞轉渦旋構件26由馬達24驅動以繞轉時，所述壓縮腔可以壓縮捲入的製冷劑。可以看出，吸入管30引導製冷劑進入包圍所述馬達及通入所述壓縮腔中的吸入腔31。當製冷劑被壓縮時，所述製冷劑被驅動至與排出口32相通的排出腔33中。渦旋壓縮機的一般結構是已知的。如已知的，注入管線34(在下文中進行描述)與設置在中間壓縮位置的口(或多個口)51相通。
由壓縮機22壓縮的製冷劑從排出口32排出，隨後到達室外熱交換器46，所述室外熱交換器46在製冷模式時是冷凝器。風扇47吹送空氣經過所述熱交換器46。冷凝器46的下遊是經濟器熱交換器48。所述經濟器熱交換器48可以是傳統的熱交換器或閃蒸槽類型的熱交換器。如已知的，所述經濟器熱交換器從經過經濟器膨脹設備49的分接管線45接收分流的製冷劑，並從液體管線41接收主製冷劑。儘管兩個製冷劑流在圖1中示出沿相同的方向流動，但這只是為了簡化附圖。實踐中，一般優選具有以逆流方式流動的兩個製冷劑流。
在分接管線45中分流的製冷劑使液體管線41中的製冷劑過冷，從而製冷劑經過主膨脹設備52之後，在進入蒸發器54之前將具有更高的冷卻潛能。風扇55吹送空氣經過所述所述蒸發器54。所述製冷劑從蒸發器54返回引導回壓縮機22的吸入管30。可選擇的吸入調節閥61可以設置在壓縮機22和蒸發器54之間的吸入管30中。來自分接管線45的分流的製冷劑經過返回的注入管線34以進入壓縮機22中的中間壓縮位置或注入口(或多個口)51。當旁通閥40打開時，旁通管線19可以選擇性地旁通來自壓縮機22的製冷劑回到吸入管線30。應當理解的是經濟器膨脹設備49還優選地組合有截止部件，或設置分離的截止設備36。當所述旁通閥40打開時，優選地關閉所述截止設備36，而當所述截止設備36打開時，通常閉合所述旁通閥40；然而，還可以在截止閥36和旁通閥40都是打開的情況下進行操作。如圖所示，注入管線34的同一個口可以用於傳送來自經濟器熱交換器的製冷劑，以及用於旁通製冷劑回到吸入管線。當然如果需要時，旁通和製冷劑注入的功能可以使用不同的口，而不使用共用口51。
如已知的，當需要壓縮機22的部分負荷容量時，所述旁通閥40打開。因此，部分壓縮的製冷劑返回吸入管線30，從而製冷劑系統的冷卻能力降低。如果需要增加容量時，則閉合所述旁通閥40。如果還需要進一步增加容量時，則閉合所述旁通閥40並打開所述經濟器膨脹設備49(或截止設備36)以提供經濟器的功能。因此，可以獲得提高的容量。
用於製冷劑循環20的控制器44可以確定需要的冷卻能力，並且必要時操作旁通功能和/或經濟器的功能。因此，如圖2A所示，現有技術的系統提供有變動的容量階段。一個階段對應於在經濟模式時的操作；另一個階段對應於在同時結合有經濟及旁通模式時的操作；又一個階段對應於非經濟模式；以及再一個階段對應於旁通模式時的操作。如果有額外的SMV存在，如圖所示，通過在上述的操作模式中對SMV節流，可以在所述模式之間調節容量。然而，SMV操作是低效率的，因此一般而言應當儘可能地避免SMV操作。
當圖1A的系統包括雙速壓縮機馬達時，則在使用或不使用SMV時，在基準數值之間可以存在額外的容量控制。因此，如圖2B所示，如果系統以最大容量在點E1(所述點E1通常對應於結合的經濟迴路以及以最大速度運行的壓縮機)進行操作時，通過減小壓縮機的速度，容量可以降低至點E2位置。如果需要進一步降低容量，調節壓縮機的速度並且通過結合的可用的卸載器的可選方式(如，旁通)中的一種切換至經濟模式。
控制器44控制每個所述可選方式並且以兩個可實現的速度改變壓縮機馬達的速度(圖3)以獲得精確地匹配所需要容量的容量。儘管所述控制器可以根據任何能夠確定最優選操作的算法來改變模式或速度，但是大部分優選的控制邏輯是基於效率和可靠性的考慮。因此，本發明能夠通過利用每個所述的幾個可選方式使提供的容量更適合需要的容量以滿足外部負荷的需要。
圖1B示出了另一種實施例，其中示意性地示出了壓縮機122，而其中經濟器注入管線134和卸載器管線136與在壓縮機122中不同的口相通。所述附圖略帶示意性地示出了所述部件(注意，壓縮機122的吸入口和排出口並未顯示)，但是本領域的普通技術人員應當理解如何獲得所述結構。
另一方面，已知可以連續地調節經濟器和卸載器的功能。而且，設置雙速壓縮機將使所獲得的操作更靈活、更可靠、並且更有效。同樣，如上所述，多速馬達(替代雙速馬達)可以組合在壓縮機的設計中以提供額外的靈活度。
儘管對本發明的優選實施例進行了描述，但是本領域的普通技術人員應當認識到某些修改落入本發明的範圍。為此，以下的權利要求書將用於確定本發明的實際範圍和要點。
權利要求
1.一種製冷劑系統，所述製冷劑系統包括
至少一個壓縮機，所述壓縮機具有給所述壓縮機提供多個速度的多速驅動器，並且所述壓縮機設置有吸入口、中間壓力口和排出口；
冷凝器，所述冷凝器在所述壓縮機的下遊；主膨脹設備，所述主膨脹設備在所述冷凝器的下遊；蒸發器，所述蒸發器在所述主膨脹設備的下遊；和經濟器迴路，所述經濟器迴路包括經濟器膨脹設備和經濟器熱交換器，並且所述經濟器迴路設置在所述冷凝器和所述蒸發器之間，所述經濟器迴路使分流的製冷劑選擇性地返回所述壓縮機；以及
控制器，所述控制器用於選擇性地操作所述經濟器迴路，以傳送分流的製冷劑通過所述經濟器熱交換器，並使所述分流的製冷劑返回到所述壓縮機中，並且所述控制器還可操作用於選擇所述壓縮機的速度以獲得不同的容量水平。
2.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中多速驅動器是雙速驅動器。
3.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中旁通口還設置用於所述壓縮機，以選擇性地旁通至少一部分的來自所述壓縮機的部分壓縮的製冷劑回到用於所述壓縮機的吸入管線。
4.如權利要求3所述的製冷劑系統，其中所述旁通口和所述中間壓力口設置為同一個口。
5.如權利要求4所述的製冷劑系統，其中所述旁通口選擇性地與中間壓力管線相通，所述中間壓力管線接收回到通向所述壓縮機的吸入管線的所述分流的製冷劑。
6.如權利要求3所述的製冷劑系統，其中所述旁通的製冷劑的傳送通過流量控制設備來控制。
7.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中所述壓縮機是渦旋壓縮機。
8.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中所述分流的製冷劑返回至所述中間壓力口。
9.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中所述分流的製冷劑的傳送通過流量控制設備來控制。
10.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中吸入調節閥位於所述蒸發器的下遊。
11.如權利要求1所述的製冷劑系統，其中基於效率和可靠性的考慮，所述控制器在操作模式順序下進行操作，以使用所述多速驅動器和所述經濟器迴路。
12.一種操作製冷劑系統的方法，其中所述製冷劑系統具有至少一個多速壓縮機和至少一個經濟器迴路；
確定所述製冷劑系統需要的負荷，並且確定是否應當結合所述經濟器迴路以滿足所述需要的負荷量；以及
改變所述壓縮機的速度以滿足所述需要的負荷量。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述多速壓縮機是雙速壓縮機。
14.如權利要求12所述的方法，其中所述壓縮機進一步設置有卸載器功能，並且所述卸載器功能和所述經濟器迴路都提供滿足所述需要的負荷量的模式。
15.如權利要求12所述的方法，其中還設置有吸入調節閥，並且所述吸入調節閥啟動以改變所述製冷劑系統的操作性能以滿足所述需要的負荷量。
16.如權利要求12所述的方法，其中基於效率和可靠性的考慮，控制器使用操作模式順序來操作所述經濟器迴路和所述多速壓縮機。
17.一種渦旋壓縮機，所述渦旋壓縮機包括
渦旋壓縮機殼體；
壓縮機泵單元，所述壓縮機泵單元安裝在所述殼體內，所述壓縮機泵單元包括繞轉渦旋體和非繞轉渦旋體，所述繞轉渦旋體和非繞轉渦旋體各具有基座和從所述基座延伸出的一般為螺旋型的渦旋齒，所述渦旋齒互插裝配以限定壓縮腔；
馬達，所述馬達用於驅動所述壓縮機，所述馬達可以以多個不同的速度進行操作；
經濟器注入口，所述經濟器注入口用於將來自經濟器迴路的製冷劑回注到所述壓縮腔中，所述經濟器注入口延伸至所述殼體中，並通過所述繞轉渦旋體和非繞轉渦旋體中的至少一個進入到其中一個所述壓縮腔中；以及
控制器，所述控制器用於結合與所述渦旋壓縮機相關的經濟器迴路的可選操作，以所述兩個速度中的每一個速度選擇性地操作所述壓縮機。
18.如權利要求17所述的渦旋壓縮機，其中還設置有旁通口，以選擇性地旁通來自所述壓縮機的製冷劑回到所述壓縮機的吸入管線，並且所述控制器可操作用於選擇所述壓縮機的速度以提供不同的容量水平。
19.如權利要求18所述的渦旋壓縮機，其中所述旁通口和所述中間壓力口設置為同一個口。
20.如權利要求19所述的渦旋壓縮機，其中所述旁通口選擇性地與中間壓力管線相通，所述中間壓力管線接收回到通向所述壓縮機的吸入管線的所述分流的製冷劑。
21.如權利要求18所述的渦旋壓縮機，其中所述旁通的製冷劑的傳送通過流量控制設備來控制。
22.如權利要求17所述的渦旋壓縮機，其中所述旁通口和所述中間壓力口設置為兩個不同的口。
23.如權利要求17所述的渦旋壓縮機，其中所述馬達僅設置有兩個速度。
24.如權利要求17所述的渦旋壓縮機，其中基於效率和可靠性的考慮，所述控制器在操作模式順序下進行操作，以使用所述多速驅動器和所述經濟器迴路。
全文摘要
本發明涉及一種渦旋壓縮機，所述渦旋壓縮機設置有多速馬達。控制器選擇用於操作所述馬達的速度，並同時選擇用於系統容量調節的幾個可以實現的可選方案，以最有效及最可靠的方式滿足外部負荷的需要量。所描述的實施例包括經濟器迴路、卸載器功能，以及可選的吸入調節閥。通過使用結合用於所述壓縮機的多速馬達的每個所述部件，本發明使所提供的容量更適於需要的容量。
文檔編號F25B40/00GK101307962SQ20071010258
公開日2008年11月19日 申請日期2007年5月16日 優先權日2007年5月16日
發明者A·利夫森, M·F·塔拉斯 申請人:蝸卷技術公司