压力平衡系统和方法 【技术领域】
本发明总体上涉及压缩机，包括在致冷和供暖、通风与供冷(HVAC)应用场合中使用的压缩机。更具体地说，本发明涉及一种压力平衡系统，以及一种在保持冷凝器在高压状态时起动压缩机(如，涡卷式、回转式或往复运动式压缩机)的方法。
背景技术
标准的致冷或HVAC系统包括流体、蒸发器、压缩机、冷凝器和膨胀阀。在典型的致冷循环中，流体以低压力下的流体状态开始。当液体从蒸发器吸收热时，蒸发器使低压液体蒸发，液体变成低压蒸气。压缩机吸入蒸气，并压缩蒸气，形成高压蒸气。然后，压缩机将高压蒸气送至冷凝器。冷凝器使高压蒸气冷凝，产生高压液体。当膨胀阀使高压液体膨胀产生低压液体时，循环完成。只是作为例子，流体可以为氨、乙基氯、氟利昂或其他已知的致冷剂。
一般，当起动压缩机时，在压缩机的吸入侧和排出侧的压力较低。工作时，压缩机使流体在排出侧达到高压。然而，当压缩机不再压缩流体时，压缩机高压侧(向着冷凝器)的流体流回至压缩机的低压侧(向着蒸发器)，直至在先前高压和先前低压侧之间达到平衡状态为止。这样，当压缩机停止工作时，高压侧的压力与低压侧的压力相等。这种系统的效率不高，因为致冷循环在起动时需要能量，以便在冷凝器中产生冷凝流体所需的高压。
HVAC系统的另一个问题是难以在起动时高效率地达到高压，而这种高压是随季节变化的能量效率要求(SEER)-一种用于评估HVAC系统的系统-所必需的。当压缩机需要在系统中压力不平衡的条件下起动时，通常使用起动元件(如，起动电容器和起动继电器)来克服压力差。当系统工作时，这些元件可使起动的压力差很大。然而，这些元件较昂贵，并且在起动时，在压缩机电机中产生高电压和大电流。
考虑到上述问题，需要有一种改进的系统和在高压负载下起动压缩机的平衡压力的方法。
【发明内容】
因此，本发明旨在提供一种改进的系统和一种在保持冷凝器在高压状态下起动压缩机地方法。
如下面更详细地说明的那样，本发明的系统和方法可保持从阀向前至冷凝器的高压，但使在阀下面的压力泄漏回压缩机的吸入端，直至阀下面的压力与压缩机低压侧的压力相等为止。通过提高阀上面的压力和与阀下面的压力平衡，可以取消昂贵和危险的起动元件。HVAC系统的一个好处是不会有损于SEER系统的评估。
本发明的其他目的和优点部分地在后面的说明中提出，部分地可从说明书了解，或从本发明的实践中得知。本发明的优点和目的可通过在所附的权利要求书中指出的要素及其综合来实现和达到。
为了达到本发明的优点和目的，如这里所述和实现的那样，本发明旨在提供一种压缩机的压力平衡系统。压缩机具有用于从蒸发器接收第一压力的流体的压缩机入口和将第二压力的流体排出至冷凝器的压缩机出口。压缩机可将流体从第一压力压缩至第二压力。本发明的系统包括接近压力机出口并与该出口流体连通的阀，还包括在该阀上游并与压缩机入口以较小流量流体连通的放气口。该阀具有打开和关闭位置。当压缩机工作时，阀运动至打开位置，使第二压力的流体通过该阀。当压缩机停止工作时，该阀运动至关闭位置，以防止第二压力的流体通过该阀回流至压缩机入口。当压缩机停止工作时放气口使压缩机中容纳的流体压力平衡。
在另一方面中，本发明提供一种压缩机的压力平衡系统，该压缩机具有高压侧和低压侧，还具有接收第一压力的流体的压缩机入口和排出第二压力的流体的压缩机出口。该压缩机可将流体从第一压力压缩至第二压力。该实施例中的系统包括容器，该容器与压缩机流体连通，并具有至少一个放置在该容器内的阀和一个放气口。该容器有一个入口和一个出口，容器的入口或出口与压缩机出口连接。该容器至少分成从入口至至少一个阀的第一部分和从至少一个阀至容器出口的第二部分。该阀可使当压缩机工作时压缩的流体通过它流至容器的第二部分；并且当压缩机停止工作时，可防止容器第二部分中的压缩流体通过该阀回流至容器的第一部分。放气口连接容器的第一部分和压缩机的低压侧，当压缩机停止工作时，它可使压缩流体从该容器的第一部分排出至压缩机的低压侧。放气口的构造要使得当压缩机工作时，通过放气口的流量较小或没有。结果，当压缩机工作时，流回压缩机入口的流体量可忽略不计。
上述的一般说明和下面的详细说明都仅仅是示例性和说明性的，不是对本发明的限制。
【附图说明】
所介绍和构成本说明书的一部分的附图表示了本发明的几个实施例。与说明一起，这些附图可以说明本发明的原理。
图1为示意性地表示根据本发明的压力平衡系统和方法的气候控制系统的方框图；
图2为包括根据本发明一个实施例的内部压力平衡系统的压缩机的横截面图；
图3为根据本发明另一个实施例的固定在压缩机外部的压力平衡系统的横截面图；
图4为根据本发明一个实施例的包括一个壳体、两个阀和一个放气口的压力平衡系统的横截面图；
图5为根据本发明另一个实施例的包括一个壳体、两个阀和一个放气口的压力平衡系统的横截面图；图5a中，放气口在关闭位置；图5b中，放气口在打开位置；
图6为根据本发明另一个实施例的包括一个壳体、几个阀和带有一个放气口的内部次级壳体的压力平衡系统的横截面图；
图7为根据本发明另一个实施例的包括一个壳体、两个阀和带有一个放气口的外部次级壳体的压力平衡系统的横截面图；
图8为根据本发明一个实施例的圆柱阀的透视图；
图9为在打开位置的通过图8所示的圆柱阀的阀芯的截面；
图10为在关闭位置的通过图8所示的圆柱阀的阀芯的截面；
图11为根据本发明一个实施例的磁性单向阀的横截面图；
图12为根据本发明另一个实施例的球式单向阀的横截面图；
图13为根据本发明另一个实施例的挡板式单向阀的横截面图。
【具体实施方式】
现在详细地来说明本发明的实施例，其例子表示在附图中。附图中，相同的标记表示相同或相似的部件。
根据本发明，提供了一种平衡压缩机中的压力的方法和系统，使得可以在整个系统的一些部分保持高压时起动压缩机。可以认为，压缩机是包括致冷、冰箱或HVAC系统的气候控制系统的一个部件。然而，因为压力平衡系统可以用在使用压缩机的任何系统中，因此其应用不是仅限于这种系统。
图1中的标记74表示包括根据本发明压力平衡系统的压缩机的一个致冷系统的示例性实施例。
在致冷或HVAC系统中，一般流体或致冷剂通过系统流动，并将热传递至流体和从流体传出。当致冷系统74工作时，因为液体从蒸发器吸热，所以低压的流体状态的流体在蒸发器4中蒸发，并形成低压蒸气状态的流体。压缩机2吸入低压蒸气状态的流体，并压缩它。然后，高压蒸气状态的流体流至冷凝器8。冷凝器8将流体从高压蒸气状态冷凝至高压流体状态。当膨胀阀6使流体从高压流体状态膨胀至低压流体状态时，循环完成。流体为任何可用的致冷剂，如氨、乙基氯、氟利昂、含氯氟烃、氟化烃(hydrofluorocarbons)和天然致冷剂。
在传统的系统中，当致冷系统74停止工作时，压缩机2高压一侧的高压蒸气状态的流体向着蒸发器4泄漏回来，最后，压缩机2中的流体压力达到平衡状态。当致冷系统74重新工作时，冷凝器8中的压力必需回升至致冷系统74断开以前的压力。在高效率系统中，当压力不相等时，利用起动电容器和起动继电器来重新起动压缩机2和达到这个结果。这些元件昂贵，并且在起动时，在压缩机2中产生高电压和电流。压力平衡系统10解决了在高效率系统中对这种部件的需要，并且解决了如在本发明的实施例中更详细地说明那样，与传统的系统有关的问题和耗费。
图2和图3中表示往复运动式压缩机2的一般部件。这些部件可包括压缩机壳体38，它装着转动的轴82，并使一个或多个活塞78在一个或多个压缩机腔80中运动。以上针对图1的示意图所述的低压流体被吸入压缩机入口16(或吸入管路)，并进入压缩腔80中。在本发明中，压缩机入口16可以为从蒸发器4延伸至压缩腔80的流体流动通路中的任何一个点。活塞78可在压缩腔80内运动，压缩通过压缩机出口20(或排放口)以高压从压缩机2排出的流体。在本发明中，压缩机出口20可以为从压缩腔80上面至冷凝器8的流体流动通道中的任何一个点。
如所周知，一般压缩机包括一个阀系统84(例如图3所示的系统)，以防止当压缩机工作时，流体回流至压缩机入口16。这种系统是技术熟练的人所熟知的，因此，图3所示的系统只是用于说明性的，不是对本发明的限制。所示的阀系统包括放置在压缩机壳体38内的一个阀板86，放置在压缩机出口20上的一个阀92，以及可在座90上滑动形成孔94的一个圆环形阀88。活塞78的缩回形成真空，可将圆环阀88吸引离开间隙96，并将流体通过压缩机入口16吸入压缩腔80中。在压缩机出口20上的阀92，可防止在流体压力达到超过在阀92以外的压力之前，流体从压缩机2排出。当活塞78运动和将流体压缩至这个压力时，流体的力打开阀92，使高压流体通过压缩机出口20排出。在压缩行程过程中，流体力使圆环阀88向着阀板86运动，堵塞间隙96，并防止流体通过压缩机入口16流出。
根据本发明，提供了一种压力平衡系统和方法，来平衡系统(例如致冷系统)中的压力，使压缩机2在高压负载下起动。在一个实施例中，压力平衡系统与压缩机连接，并具有一个阀或一系列阀和一个放气口。该阀或多个阀在致冷系统74停止工作时，可保持压缩机2的高压侧的高压(从阀至冷凝器8，再至膨胀阀6)；而当致冷系统断开时，放气口可使压缩机2中的压力达到与压缩机2的低压侧的压力平衡的状态(从膨胀阀6至蒸发器4再至阀)。当系统74工作时，放气口只使少量甚至没有流体通过，但当系统断开时，可使流体泄漏。压力平衡系统保持高压侧(排放)的流体在高压蒸气状态，同时使低压侧(吸入)的流体达到与低压蒸气状态的流体平衡的状态。当压缩机2停止工作时，因为蒸发器4起单向阀作用，因此压缩机2的高压侧保持为高压，而阀下面的压力达到平衡。当重新起动致冷系统74时，可以更容易和更有效地在系统74中达到高压状态。
根据本发明的带有压力平衡系统的压缩机的示例性实施例表示在图2和图3中。压力平衡系统10可以放在压缩机2的内部，如图2所示那样；或如图1和图3所示，放在压缩机2的外面。尽管压力平衡系统10可用以任何压缩机，例如包括回转式、螺杆式和涡卷式压缩机中，但是图2所示的压缩机2为往复运动式压缩机。
如图2和图3所示，压缩机出口20与压力平衡系统10的壳体24连通，壳体24具有壳体入口34和壳体出口36。在图2中，壳体24放在压缩机2的内部，而壳体出口36与压缩机出口20连接。然而，图3所示的本发明的壳体24可以放在压缩机2的外面，使壳体入口34与压缩机出口20连接。在其他的变型中，壳体入口34可以与圆柱阀头部连接，而壳体出口36可以与压缩机出口20连接。
在图2和图3所示的实施例中，壳体24为一个容器或一个消声器。如图8至10更详细地说明的那样，壳体24还可以为一个圆筒或任何其他封闭腔。不论壳体24是在压缩机2的内面或外面，压力平衡系统10可以保持向着壳体出口36的高压侧的流体为高压蒸气状态，同时使向着压缩机入口16的流体与低压蒸气状态的流体平衡。
图4至10表示压力平衡系统10的各种实施例。在每一个实施例中，如上所述，壳体24均与压缩机2连通。
在图4所示的压力平衡系统10的基本实施例中，壳体24具有一个放气口26和至少一个阀28。阀28将壳体24分成第一部分30和第二部分32。壳体24的第一部分30占据壳体入口34和阀28之间的空间；而壳体24的第二部分32占据阀28和壳体出口36之间的空间。阀28放置在壳体24中，可以打开或关闭。当压缩机2工作时，阀28打开，使被压缩成高压蒸气状态的流体从壳体24的第一部分30流向壳体24的第二部分32。当压缩机2停止工作时，阀28关闭，防止高压蒸气状态的流体回流至壳体24的第一部分中。位于壳体24的第一部分30中的放气口26，使壳体24的第一部分30与压缩机2的低压侧72(例如压缩机入口16)连接，使在压缩机2开始断开时，处在高压蒸气状态下的流体压力与压缩机2的低压侧的处在低压蒸气状态下的流体平衡。放气口26通过管路、管子或其他流动通道与压缩机2的低压侧密封连接，使流体停留在系统74内，不会泄漏至大气中。
压力平衡系统10中的阀28可以为各种形式的阀中的一种或多种。图11～13表示一些典型的阀。图11所示的一个实施例为磁性单向阀48。图12所示的另一个实施例为球式单向阀52。图13所示的再一个实施例为挡板式单向阀50。任何形式的单向阀包括(但不限于)这些阀，均可用在本发明中。
在图8～10所示的实施例中，压力平衡系统10包括具有圆柱形单向阀54的壳体24，并且最好放气口28为孔64形式。在这个实施例中，壳体24为包括通导流体的多个通道56的一个圆筒。然而，圆柱形壳体24可以具有一条通道56。圆柱形壳体24的第一部分30除了通道56以外基本上为实心的；而圆柱形壳体24的第二部分32是开放的。放在圆柱形壳体24内的阀28的末端部分上固定有一个阀杆60，如提动阀58。
提动阀58放置在壳体24的第二部分32中。虽然可防止流体从壳体24的第一部分30通过阀28泄漏至壳体出口36的壳体24和提动阀58的任何形状都是可接受的，但希望提动阀58的面积与圆柱形壳体24的内部面积相等。
同时，阀杆60从提动阀58通过壳体24的第一部分30延伸至壳体24的入口34。阀杆60可以有一个在壳体24的入口34以外的超程挡块62，该挡块在压缩机2工作时，与壳体24的基本上为实心的第一部分30接触。虽然，在图8～10所示的实施例中表示了超程挡块62，但可防止流体将提动阀58和阀杆60通过壳体24推出的任何装置都是可接受的。
当压缩机2工作时，高压蒸气状态的流体进入壳体24的入口34和通道56中，迫使圆柱形阀54打开。如图9所示，因为流体迫使提动阀58进入壳体24的第二部分32中，则流体通过提动阀58被迫打开时形成的开口，并流向壳体出口36。超程挡块62防止提动阀58和阀杆60被迫进入壳体24的第二部分32太远或超出第二部分32。如图10所示，当压缩机2停止工作时，流体停止流入壳体入口34和通道55中，结果，流体不会迫使提动阀58打开。因此，提动阀58关闭，防止包含在壳体24的第二部分32中的流体回流至壳体入口34。因此，压缩机2高压侧70的流体保持在高压蒸气状态，使压缩机2的高压侧70保持高压。
根据本发明，当压缩机2起动时，放气口26可使压力平衡。在图8～10所示的实施例中，当压缩机2停止工作时，在壳体24的第一部分30的通道56中的高压蒸气状态的流体与低压蒸气状态的流体平衡，这样，当重新起动压缩机2时，压缩机2内部高压侧70变成低压，得到上述的好处。如图8～10所示和下面更充分地说明那样，这个优选实施例中的平衡是由于放气口26形成的。
压力平衡系统10中的放气口26包括各种形式，只要放气口26可使包含在壳体24的第一部分30中的高压蒸气状态的流体与压缩机2的低压侧72的低压蒸气状态的流体平衡即可。另外，放气口26制成，使得当致冷系统74工作时，很小或没有流体泄漏至压缩机2的低压侧72；但当致冷系统74断开时，流体泄漏至压缩机2的低压侧72。
例如，放气口26可以为在壳体24的第一部分中的一个简单的小孔或孔。如图2所示，当壳体24放在压缩机2内部时，放气口26可以为壳体24和压缩机入口16之间的一个孔或小孔64。在这个实施例中，放气口26足够小，使得当压缩机工作时，可防止大量的流体流回压缩机入口16；但又足够大，使得当压缩机停止工作时，在一段时间内，流体压力达到与压缩机2的低压侧72平衡的状态。
同时，如图3所示，当壳体24放在压缩机2的外面时，为了平衡流体压力，接头42(例如毛细管或其他管或皮下注射用的针)将壳体24的第一部分30与压缩机2的低压侧72(例如压缩机入口16)连接起来。另外，包括通向接头42的小孔64的放气口26足够小，使得当压缩机工作时，可防止大量的流体流回压缩机入口16；但又足够大，使得当压缩机停止工作时，在一段时间内，流体压力达到与压缩机2的低压侧72平衡的状态。
另外，如图4，6和7所示，放气口26可以为上述针对阀28所述的任何形式的阀98，包括(但不限于)磁性单向阀48、挡板式单向阀50、球式单向阀52或任何这种阀与接头42的综合。阀98的公差可使阀98在较低的流体压力下打开，让在压缩机2停止工作时的流体通过阀98泄漏，以达到与压缩机2的低压侧72平衡的状态；但该公差可使阀98在较高的流体压力下关闭，以防止当压缩机2工作时，流体通过阀98。因此，阀98的公差在每平方英寸几磅的范围内，这个公差可满足特定的致冷或HVAC系统74的要求。
在压力平衡系统10的一个优选实施例中，放气口26设计成只有当压缩机2不工作时，流体才能从高压侧70流出至低压侧72。图8～10表示这种系统的一个实施例。在这个实施例中，圆柱形阀54由壳体24、提动阀58和阀杆60构成。如表示圆柱形阀54的图8～10所示，阀杆60有一个小孔64。除了通道56以外，基本上为实心的壳体24的第一部分30具有连接所有通道56的放气口26。可以有一个或多个这种通道56。如同上述在图2和图3所示的实施例中的管那样的小孔和接头一样，放气口26与压缩机2的低压侧72连通。
在该优选实施例中，压力平衡系统10是效率很高的，因为当压缩机2停止工作时，放气口26可使壳体24的第一部分30中的流体与压缩机2的低压侧72平衡；但当压缩机2工作时，可防止流体从壳体24的第一部分30向压缩机2的低压侧72泄漏。当压缩机2工作时，流体迫使与阀杆60连接的提动阀58打开。阀杆60上的小孔64不与放气口26对准，因为可防止高压蒸气状态的流体从通道56泄漏至放气口26外面去。图9表示这个“打开”位置。当压缩机2停止工作时，提动阀58关闭，因而连接的阀杆60也运动，使小孔64与放气口26对准，如图10所示那样。如上所述，因为提动阀58关闭，壳体24的第二部分32中的高压蒸气状态的流体保持为高压。同时，由于图8～10所示的阀杆60、小孔64和放气口26的形状，可使高压蒸气状态的流体从壳体24的第一部分30中的通道56通过小孔64泄漏至放气口26中。如上对于图2和图3所述那样，通过压力平衡系统10中的放气口26，可使壳体24的第一部分30中的流体平衡。
图1～10所示的实施例只是压力平衡系统10的可能结构的代表，决不是对本发明的限制。
图5a和图5b表示放在压缩机2的内部和外部的压力平衡系统10的一个实施例。壳体24包含一个将壳体24的第一部分30与第二部分32隔开的阀，例如磁性单向阀48。第一部分30又包含第二个阀，例如圆柱式单向阀54，该阀放置在单向阀导向装置68中。圆柱形单向阀导向装置68在每一侧形成低压腔76。圆柱形单向阀54在其面向壳体24的入口34的末端上有一个唇部66，以防止当压缩机2工作时，圆柱形单向阀54通过单向阀导向装置68。圆柱形单向阀54还有一个通道56，当压缩机2工作时，流体通过该通道流向壳体24的出口36。放气口26为位于壳体24中的被低压腔76包围的区域上的一个小孔。如图5a和图5b所示，压力平衡系统10可保持壳体24的第二部分32中的流体在高压蒸气状态，同时可使壳体24的第一部分30中的流体与低压蒸气状态的流体平衡。
如图5a所示，当压缩机2工作时，高压蒸气状态的流体通过圆柱形单向阀54的第一个通道56流入壳体24的第一部分30中；并通过磁性单向阀48流入壳体24的第二部分32中。由于流体压力作用，圆柱形单向阀54贴紧圆柱形单向阀导向装置68，关闭放气口26。如图5b所示，当压缩机2停止工作时，磁性单向阀48关闭，壳体24的第二部分32中的流体保持为高压蒸气状态。壳体24的第一部分30中的流体也为高压蒸气状态，但开始泄漏至低压腔76中并通过放气口26。当压缩机2停止工作时，作用在圆柱形单向阀54底部上的流体压力减小，并且圆柱形单向阀54不再贴紧圆柱形单向阀导向装置68。
图6和图7表示放气口26为安放阀98的一个次级壳体46的本发明的实施例。在图6中，阀98的次级壳体46放在壳体24的第一部分30的内部，而在图7中，阀98的次级壳体46放在外部，但与壳体24的第一部分30连通。图6和图7所示的压力平衡系统的工作方式大致与上述的相同。
现在参照图3来详细说明使用压力平衡系统10可使压缩机2在压力不高的负载下起动的压力平衡方法。当压缩机2工作时，低压蒸气状态的流体通过压缩机入口16进入压缩机2，并进入压缩腔80中。如上所述，当活塞78压缩流体时，阀系统84可防止流体通过入口16流出压缩机2。阀92在增大的压力作用下打开，使现在为高压蒸气状态的流体通过压缩机出口20排出，并进入壳体24的入口34中。然后，流体从壳体24的第一部分30通过阀28进入壳体24的第二部分32中。活塞78产生的压力流体的流动，使阀28打开。如图1示意性地所示，流体通过在至冷凝器8的通路上的壳体出口36，从壳体24排出。
当压缩机2断开时，因为活塞78不再压缩流体且不再迫使流体通过压缩机出口20，因此阀28和92关闭。由于流体压力低，膨胀阀6也关闭。如图1所示，在壳体24的第二部分32中的阀28上面的流体保持为高压蒸气状态，并保持在高压侧70。同时，壳体24的第一部分30中的高压蒸气状态的流体通过放气口26流回压缩机入口16，并与压缩机入口16处的低压蒸气状态的流体平衡。
如图1所示，当重新起动压缩机2时，由于阀28上面的流体的高压状态形成高压负荷，因此高压侧70保持为高压。同时，在平衡过程以后，阀28下面的流体为低压状态。结果，当重新起动压缩机2，活塞78开始压缩流体时，阀28下面的流体为低压，使活塞78更容易进行压缩。同时，在阀28上面保持高压状态，这样，压缩循环不是再次从基础的零开始，因此达到在压缩机停止工作以前的压力所需的工作较少。这样，压力平衡方法和系统可提高压缩机和作为部件的气候控制系统的效率。
技术熟练的人知道，在不偏离本发明的范围或精神的条件下，可对高压负荷下的压缩机起动的压力平衡方法和系统作各种改进和改变。从考虑上述本发明的说明和实践中，技术熟练的人可知道本发明的其他实施例，本说明书和例子只是示例性的，本发明的范围和精神由以下的权利要求书及其等价文件确定。