具有多速脉宽调制压缩机的制冷系统.pdf

一种设有压缩机的制冷系统，所述压缩机具有能在至少两种不同转速下运行的马达。所述脉宽调制控制器被提供以使得压缩机马达运行按照特定速率在其至少两种转速下循环，从而与所调节空间内的热负荷需求量精确匹配。本发明减少了现有技术中出现的循环和其它效率损失，同时使成本最小化并可提高可靠性。另外，本发明能与其它已知的卸载技术结合使用。

1.  一种制冷系统，包括：
压缩机，用于压缩制冷剂并将制冷剂输送到下游的冷凝器，制冷剂经过冷凝器、膨胀装置、蒸发器，并从所述蒸发器回流到所述压缩机；
马达，用于驱动所述压缩机，所述马达在至少两种转速下运行；以及
用于所述马达的脉宽调制控制器，所述脉宽调制控制器使得所述马达在较高转速和较低转速之间以某一循环速率运行以改变所述制冷系统的容量。

2.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述马达仅具有两种转速，所述脉宽调制控制器使得所述马达在较高转速和较低转速之间循环。

3.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷系统还具有节能器功能，且所述节能器功能被选择性启动以帮助获得期望的系统容量。

4.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷系统还设有卸载器功能，所述卸载器功能被选择性启动以帮助获得期望的系统容量。

5.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述压缩机为涡旋式压缩机。

6.  如权利要求5所述的制冷系统，其中流量控制装置被提供用于控制流到背压室的制冷剂的量，从而保持所述涡旋式压缩机的动涡盘构件与静涡盘构件的相互接触，且所述流量控制装置选择性和周期性地关闭以阻止压缩流体流至所述背压室，以帮助获得期望的系统容量。

7.  如权利要求1所述的制冷系统，其中吸入调节阀被安置于通向所述压缩机的吸入管线上，且被控制以限制达到所述压缩机的制冷剂的量，以帮助获得期望的系统容量。

8.  如权利要求1所述的制冷系统，其中循环速率是能够调节的。

9.  如权利要求1所述的制冷系统，其中循环时间能够在1秒至30秒之间变化。

10.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述循环速率由可靠性、温度控制和效率因素中的至少一个限定。

11.  如权利要求1所述的制冷系统，其中较低转速下的时间段由压缩机元件的润滑因素限定。

12.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述压缩机从由螺旋式压缩机、往复式压缩机和旋转式压缩机组成的组中选出。

13.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述制冷系统是空调系统、热泵系统、集装箱制冷系统、牵引拖车制冷系统以及超市制冷系统中的一种。

14.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述马达被安置于压缩机壳体的外面。

15.  如权利要求1所述的制冷系统，其中所述马达被安置于压缩机壳体的里面。

16.  如权利要求1所述的制冷系统，其中，所述马达在高转速和低转速之间的的运行通过固态接触器实现。

17.  一种运行制冷系统的方法，包括步骤：
a)提供压缩机，用于压缩制冷剂并将所述制冷剂输送到下游的冷凝器，制冷剂通过冷凝器、膨胀装置、蒸发器，并从所述蒸发器回流到所述压缩机；
b)提供马达，用于驱动所述压缩机，所述马达在至少两种转速下运行；以及
c)使得所述马达在较高转速和较低转速之间以某一速率循环以改变所述制冷系统的容量。

18.  如权利要求17所述的方法，其中所述马达仅具有两种转速，所述脉宽调制控制器使得所述马达在较高转速和较低转速之间循环。

19.  如权利要求17所述的方法，其中所述制冷系统还具有节能器功能，且所述节能器功能被选择性地启动以帮助获得期望的系统容量。

20.  如权利要求17所述的方法，其中所述制冷系统还具有卸载器功能，且所述卸载器功能被选择性地启动以帮助获得期望的系统容量。

21.  如权利要求17所述的方法，其中所述压缩机为涡旋式压缩机。

22.  如权利要求21所述的方法，其中流量控制装置被提供用于控制流到背压室的制冷剂的量，用以保持所述涡旋式压缩机的动涡盘构件与静涡盘构件相互接触，且所述流量控制装置选择性地和周期性地关闭，以阻止压缩流体流至所述背压室，从而帮助获得期望的系统容量。

23.  如权利要求17所述的方法，其中吸入调节阀被安置于通向所述压缩机的吸入管线，并且被控制以限制达到所述压缩机的制冷剂的量，从而帮助获得期望的系统容量。

24.  如权利要求17所述的方法，其中循环速率是能够调节的。

25.  如权利要求17所述的方法，其中循环时间能够在1秒至30秒之间变化。

26.  如权利要求17所述的方法，其中循环速率由可靠性、温度控制和效率因素中的至少一个限定。

27.  如权利要求17所述的方法，其中较低转速下的时间段由压缩机元件的润滑因素限定。

28.  如权利要求17所述的方法，所述压缩机从由螺旋式压缩机、往复式压缩机和旋转式压缩机组成的组中选出。

29.  如权利要求17所述的方法，其中所述制冷系统是空调系统、热泵系统、集装箱制冷系统、牵引拖车制冷系统以及超市制冷系统中的一种。

30.  如权利要求17所述的方法，其中所述马达被安置于压缩机壳体的外面。

31.  如权利要求17所述的方法，其中所述马达被安置于压缩机壳的里面。

32.  如权利要求17所述的方法，其中所述马达在高转速和低转速之间的运行通过固态接触器实现。

具有多速脉宽调制压缩机的制冷系统
【背景技术】
本发明涉及一种制冷系统，其中，压缩机马达可以以至少两种转速运行，且其中脉宽调制控制器被设置用以使得马达以指定的可调速率在不同转速下循环从而改变制冷系统的容量。
制冷系统用于调节如空气的二次流体。压缩机和制冷系统通常被定制以满足最大容量需求。然而，在大多数情况下，冷却或加热容量需求相对较低，因此，需要通过某些方法对制冷系统进行卸载。在单回路制冷系统中，压缩机马达通常在打开和关闭运行阶段之间循环。可选地，可以使用吸入调节阀或变速压缩机。所有这些卸载的方法存在各种缺陷。当循环地打开和关闭该装置时，不能精确地控制将被调节的环境的温度和湿度。在空调系统的情况下，这种不充分的温度控制导致室内环境居住者的不适。在制冷的情况下，不充分的温度控制会致使需要冷却并维持在特定温度范围内的货物变质腐坏。同样，在压缩机启动-停止运行期间出现的循环损耗对制冷系统的效率是不利的。类似地，由于穿过压缩机增加的压力比会降低制冷系统的效率并且会升高压缩机的排放温度，因此，吸入调节阀的使用具有不良后果。另外，吸入调节阀增加了装置的成本，并成为附加可靠性风险。在变速压缩机的情况下，变速传动装置也是重要的成本增加因素。此外，当通过变速传动装置控制时，压缩机的转速通常不能够降低到某个值以下以满足严格温度控制的需要。由于变速传动装置自身的低效率，变速传动系统引入了额外的损失。这些额外的损失通常在5-6％的量级上。另外，通常需要附加的昂贵装置以冷却变速传动装置的。最后，变速压缩机和相关部件的使用将额外复杂性引入所述系统设计，潜在地导致可靠性问题。
先前提出的改变系统容量的方法中的一个是快速循环制冷系统部件。例如，已知使吸入阀在打开和关闭位置(所谓的脉宽调制控制器)之间快速循环从而控制送入压缩机的制冷剂的量。这样，减少了由整个制冷系统提供的容量。尽管这种方法非常有益，但是其通常不如变速选择有效，且在某些情况下可以导致过高的排放温度。因此，需要进一步开发并促进脉宽调制技术的使用。快速循环或脉宽调制技术还尚未被用于控制多速压缩机马达的转速。
【发明内容】
在本发明的一个公开实施方案中，制冷系统中的压缩机设有多速马达。马达能够被设计以通过例如变极线圈(pole changing windings)使其以两种或两种以上的不同转速运行。通过改变外部连接能够选择特定的马达转速。马达转速间的转换能够通过所谓的固态接触器来实现。(尽管比普通转换控制器更昂贵，但是当可能需要在所述转速之间快速转换时，所述固态接触器提供更高的可靠性。)用于选择马达运行转速的控制器具备脉宽调制能力。当确定应提供减少的容量时，所述脉宽调制控制器使得压缩机马达以需要的速率在较高转速和较低转速之间循环，从而满足在调节空间内的热负载需求。这样，减少了制冷系统的容量并精确地将其调整到所需要的容量。此外，压缩机马达的脉宽调制能够与其它例如打开和关闭节能回路，压缩机旁通阀的使用以及吸入调节阀卸载技术结合使用，。在本发明中，压缩机马达在其运行转速之间足够快地循环，且所述循环速率通常比系统热惰性快。换言之，当压缩机从一个运行转速切换到另一运行转速时，选择足够快的循环速率以转速不严重影响供给到需要调节的环境的空气温度。
根据以下说明和附图能够更好地理解本发明的这些及其它特征，下面是附图的简要描述。
【附图说明】
图1A是根据本发明的制冷系统的示意图。
图1B示出了根据本发明的另一示意图。
图1C示出了关于本发明的又一示意图。
图2是本发明一个实施方案的转速-时间曲线。
【具体实施方式】
图1A示出了包含压缩机21的制冷系统20，所述压缩机21具有驱动轴24的多速马达22。所述压缩机21以具有与静涡盘28插接的动涡盘26的涡旋式压缩机为例。值得注意的是，尽管描述主要涉及涡旋式压缩机类型，但是能够在多种转速下运行的其它压缩机(螺旋式、往复式，旋转式等)也属于本发明的范围。本发明将应用于不同类型的制冷系统。例如，这些系统可以包括空调装置、热泵装置、冷冻系统和不同类型的制冷装置，其包括集装箱、牵引拖车箱、超市冷冻柜以及陈列柜。本发明还将应用于不同压缩机-马达配置，其中，马达能够是密封或半密封压缩机壳体的一部分，所述密封或半密封压缩机壳体还包括压缩机泵元件(在这种情况下，压缩元件能够被称为压缩机)。可选择地，所述马达200能够位于所述壳体202的外面，壳体202包含压缩元件(所谓的开启式压缩机设计)，参见图1C。
尽管本发明将扩展到可在多个不连续转速下运行的马达(或几乎不连续的转速，例如感应马达便是这种情况，其中马达转度由于马达转差率能够在各不同转速下略微变化)，但是所述马达22是能够在至少两种转速下运行的马达。控制器23能够控制该马达以一组上述的多个不连续转速中所期望的转速运行一段时间。转换设备包括在控制器23中以从一个运行转速转换到另一运行转速。如果期望，也可对转换速率进行控制。
被压缩机21压缩的制冷剂通过排放管线30、冷凝器(或跨临界运行的气体冷却器)32，并流向主膨胀装置33。如图所示，制冷系统20可选择性地结合节能循环系统，该节能循环系统包括节能热交换器34，其中制冷剂的分流部分经过节能膨胀装置37，然后经过节能热交换器34。如图所示，分支管线36中的膨胀的(较低压力和温度的)制冷剂冷却主制冷剂回路中的制冷剂，并向着主膨胀装置33流过节能热交换器34，从而提供蒸发器40中更高的冷却热势。虽然分流的制冷剂如图所示以相同方向通过节能热交换器34，但是在实践中通常将两股制冷剂流布置在逆流配置中。在节能膨胀装置不具备关机能力的情况下，可以增设例如阀54的额外的流动控制装置以便当需要额外容量时实现节能器功能，而当不需要额外容量时将其拆卸下来。如本技术领域所知，尽管该节能流位于节能热交换器34的分流上游，但是下游点位置也是可行的，并且也属于本发明范围。
在主膨胀装置33的下游，制冷剂通过蒸发器40，随后到达管线41。示出的吸入调节阀42(也是用于本发明目的的可选部件)用于控制流到吸入管线44并流回压缩机21的制冷剂的量。
此制冷系统中的其它可选部件包括卸载旁通管线48。所述卸载旁通管线结合卸载阀50，并选择性地与从压缩机21到管线46、然后到吸入管线44的部分压缩制冷剂的至少一部分连通，从而在期望时减少制冷系统20的容量。
回流管线52通常使得节能热交换器34下游的分流制冷剂以蒸汽形式经由阀54和管线46回流到压缩处理中的中间点。在此实施方案中，当阀54打开时，选择性地使用相同出口以注入节能制冷剂，并且当阀50是打开时，选择性地使用相同出口以对压缩机进行卸载。在其它可能的示意图中，节能器和卸载器的功能不相互排斥且可以同时使用。
节能器功能、卸载器功能和吸入调节阀是已知的通过改变由制冷系统20提供的容量以与被调节的环境中的热负荷需求匹配的技术。
本发明利用控制器23的脉宽调制技术对此容量进行附加控制，从而使得马达22在较高和较低转速之间快速转换。因此，如图2所示，马达能够以特定速率在高转速和较低转速之间循环，从而提供平均期望容量Q_期望。所述期望容量与Q_时间平均容量匹配。Q_时间平均容量按照在高转速和低转速运行下传送容量的积分平均进行计算。在所示的例子中，较高转速大约是较低转的两倍(例如，马达转速能够在3500RPM运行和1750RMP运行之间转换)。在各个转速下的运行时间可以被控制以获得精确的时间平均转速，从而提供与所调节空间内的热负荷需求精确匹配的期望的容量。应指出的是，本发明克服了变速压缩机限制中的一个限制，即变速传动装置必须在降低的转速下长时间运行压缩机。由于传送到需要润滑的压缩机部件的润滑油的量能够被减少到不能接受的低水平，因此降低转速下的长时间运行能够导致压缩机损坏。在本发明中，由于压缩机在低运行转速下花费的时间量非常短(一般来说，在1至30秒的范围内)，因此，不会出现这种情况。在这种情况下，低转速运行下的供油在长时期内不会中断，并且一旦压缩机转回到较高转速则补充供油。因此，不需要附加的供应来促进压缩机部件(轴承、密封件等)的油润滑。如果压缩机已在较低转速下运行了相当长一段时间，便不是这样的情况了。因此，在脉宽调制运行模式下，压缩机运行范围能够扩展到比在连续变速运行情况下更低的转速。所需要加热或冷却系统容量限定压缩机应在高转速下运行所需时间相对于低转速运行所需时间的比率。循环速率(压缩机在高转速与低转速之间循环得有多快)通常由可靠性和效率因素确定。正如以上所讨论的，过低的循环速率可以导致较低转速运行下的润滑问题，以及导致在高转速和低转速运行的时间间隔内传送到调节环境的空气温度不可接受的变化。另一方面，过高的循环速率可以引入与转换装置有关的可靠性问题，或潜在的热力学效率退化。
图1B示出了一个实施方案，其中在图1A实施方案中提到的各种容量控制技术的其中一个还包括卸载器功能，借此控制背压室306中的制冷剂压力，从而允许涡旋构件相互接合和分离，由此压缩和循环制冷系统中需要的制冷剂量，所述卸载器功能控制流回到背压室(back pressure chamber)306的制冷剂的量，所述背压室位于涡旋室(scroll chamber)302和涡旋室304(此例中为涡旋构件304)其中之一的后面，。此技术将通过减少压缩制冷剂蒸汽的时间平均量来减少整个系统的容量。例如，如图所示，阀310控制来自源头308、到达背压室306的较高压力流体的量，从而使得动涡盘302和静涡盘304能够相互移动接触和脱离以控制系统容量。如果阀310由控制器312按特定速率以脉宽调制方式进行控制，则涡旋元件302和涡旋元件304将因此接合和分离，从而为系统容量提供需要的制冷剂流以与调节空间内的热负载需求匹配。阀310可以被安置于压缩机21的内部或外部，且控制器23和312可以是分开的独立控制器，或者与用于制冷系统20的控制器结合。此技术是已知的，且这里被说明为另一部件，所述部件能够与压缩机马达传动速度的创造性脉宽调制控制器结合使用，从而精确地将提供的系统容量调整为期望的容量。
尽管已公开了本发明的优选实施方案，但本领域的普通技术人员应当认识到，某些修改应属于本发明的范围。鉴于此，应当研究下列权利要求以确定本发明的真实范围和内容。