專利名稱：具有受脈寬調制的部件和可變速壓縮機的制冷系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于具有可變速壓縮機的制冷系統的控制，其中， 利用脈寬調制技術對整個系統提供進一步的控制。
背景技術：
在很多應用中利用制冷系統調節環境。特別地，空調和熱泵用于 冷卻和/或加熱進入環境的空氣。環境的冷卻或加熱負荷可隨環境條 件、居住水平、其他明顯的和潛在的負荷需求的改變而變，并且隨環 境的占據者對溫度和/或濕度設定值的調整而變。
已知的用于改善制冷系統效率的方案是對壓縮機馬達進行可變速 驅動。通常，例如當制冷系統上的冷卻負荷相對較低時，壓縮機不必 以全速運轉。在這種情況下，可能希望減小壓縮機速度，從而減小制 冷系統的總體能量消耗。在各種操作環境和潛在應用的廣泛領域內， 特別是在部分負荷條件下，使用可變速驅動是提高系統性能并減少設 備的壽命周期成本的最有效的技術之一。
然而，考慮到可靠性的要求，不得不為理想的壓縮機減速設定一 個較低的限度。例如，如果壓縮機元件的潤滑不充分，則在低運轉速 度下可能會產生問題。此外，某些類型的壓縮機要求一最小運轉速度 以提供徑向柔性。例如，如果渦旋壓縮機低于最小速度運轉，則由于 徑向柔性的損失，渦旋壓縮機可能有顯著的性能損失。
除了采用降低壓縮機速度的方法，還已知各種其他的方案用于提 供系統容量上的變化。例如，作為卸荷器循環的經濟器循環已為人所 知。然而，即使在具有用于壓縮機的可變速驅動器的系統內提供了這 些循環，仍希望提供更大的系統容量的可變性。
在現有技術中，已經用以改變制冷系統的容量的另 一 種方法是使 用脈寬調制來控制閥，例如經濟器循環上的斷流閥、和/或卸荷器管路 上的斷流閥、和/或吸入管路上的斷流閥。通過利用脈寬調制才支術迅速 地循環操作這些閥，來提供額外的容量控制。也可以結合可變速驅動 操作來應用內部渦^走盤元件的脈寬調制。在該情況下，如本技術領i戈所知的那樣，渦旋盤元件以脈沖寬度的方式彼此分離，以控制由壓縮 機抽吸的制冷劑的量。然而，這些對閥或內部渦旋壓縮元件進行控制 的脈寬調制技術，還沒有用在具有可變速驅動壓縮機的制冷系統中。

發明內容
在本發明的公開實施例中，壓縮機設置有可變速驅動器。在檢測 到對低容量的需求時，壓縮機轉為低速以保持環境中的適當條件，不 需要切換到運轉的起停模式。壓縮機被合并到制冷系統中，制冷系統 具有脈寬調制控制器，除了循環啟動和關閉壓縮機馬達之外，還用于 循環操作系統內的一些部件。在公開的實施例中，被循環操作的部件 是閥，而且可以是吸入閥、和/或經濟器循環的斷流閥和/或卸荷器閥， 并且/或者被循環操作的部件是渦旋壓縮機抽吸元件中的一個。通過循 環打開和關閉這些部件，輸送到制冷循環內的各個位置的制冷劑量被 降低，從而可以降低容量，而不需要超出安全條件地降低壓縮機馬達 速度。
雖然下面為了說明性的目的而按照包"^舌渦旋壓縮^f幾的制冷系統描 述本發明中對閥的操作，但是這種操作可以用于任何可變速壓縮機。
由以下說明和附圖可以充分理解本發明的這些和其他的特征，下 面是對附圖的簡要說明。


圖U是結合本發明的制冷系統的示意圖1B示出了可選的實施例；
圖2示出了制冷系統的另一個示意圖。
具體實施例方式
在圖1中示出具有渦旋壓縮機21的制冷系統19，渦旋壓縮機21 包括靜渦旋盤構件22和動渦旋盤構件24。如所知的那樣，軸26被電 動馬達28驅動以^吏動渦旋盤構件24繞轉。如所示的那樣，示意地連 接可變速驅動器30以驅動電動馬達28。如所知的那樣，軸26內的油 槽32和油路34向壓縮才幾21內的各個活動元件供油。
如所知的那樣，冷凝器36位于壓縮機21的下游，膨脹裝置38位于冷凝器36的下游，蒸發器40位于膨脹裝置38的下游。還已知，壓 縮機21被電動馬達28驅動以壓縮制冷劑蒸汽并驅動該制冷劑蒸汽通 過制冷系統19。來自油槽32的油被輸送到壓縮機元件以提供對壓縮機 部件的適當潤滑，該壓縮機部件例如是曲軸箱軸承100、動渦旋盤軸承 102、靜渦旋盤構件22和動渦旋盤構件24，同時一些量的油會與制冷 劑一起離開壓縮才幾21，通過制冷系統19循環流動。渦旋壓縮機的最典 型的輸油系統之一也示于圖1中，其中，來自油槽32的油被拾油管110 拾取，并沿油路34輸送到如上所迷的各個壓縮機部件。 一些油還能被 進入壓縮機的制冷劑通過吸入口 120輸送。然而，大部分的輸油工作 都是通過如上所迷從油槽輸油來完成。在現有技術中，在制冷系統中 已經使用了可變速驅動器時，設計者會受到壓縮機21的軸26的最小 運轉速度的限制。如果速度在較長的時間內低于某一水平，那么不足 的油量會通過油路輸送到需要潤滑的壓縮機部件內。因此，對于只需 要使少量的壓縮制冷劑質量流循環流過系統的低冷卻負荷情況，最小 速度要求(例如45Hz)經常是確保足夠的油量提供給壓縮機部件的限 制因素。此外，高于最小速度的運轉還能確保渦旋壓縮機的有效運轉 所需的徑向柔性不會因過低的馬達速度而損失。如所知的那樣，使輸 送容量與系統負荷相匹配是重要的。由于壓縮機運轉速度經常不能減 小到4氐于用于容量消減(capacity shedding)的某一閾值，故需要另 外的有效手段來降低設備輸送的容量，而不在冷卻的環境內為了進行 麻煩的溫度控制而佳:i殳備循環啟動和關閉。以下說明通過l吏壓縮機可 變速運轉結合不同系統部件的脈寬調制、來提供有效地使容量消減的 另外的手段。
圖1示出了可以結合到制冷系統19內的另外的特征。例如，包括 經濟器循環且所述經濟器循環具有經濟器熱交換器l8。主液體管路l3 具有分流管路11,所述分流管路11從主液體管路分出并經過經濟器膨 脹裝置115。分流管路11和主液體管路13都經過經濟器熱交換器18。 實際上，在實踐中，分流管路內的制冷劑流相對于主液體管路13內的 流體一般以逆流方向經過經濟器熱交換器。然而，為了簡化這幅圖中 的說明，以相同方向示出了兩個管路中的流體。如所知的那樣，經濟 器回路使主液體管路中的制冷劑再冷卻，從而增強制冷系統19的性能 (容量和/或效率)。示出的經濟器噴射管路20延伸回到壓縮機21，
7并且通過通道，例如通過通道2 3把中間壓力的制冷劑噴射到壓縮室內。 經濟器回路的功能和結構是已知的，然而，包括本發明的馬達控制器 30的所述經濟器回路給制冷系統提供了更大的靈活性以增強對制冷系 統19的操作。
可選的卸荷器管路17包括卸荷器閥200。卸荷器閥200選擇性地 打開以使部分壓縮的制冷劑從壓縮室通過通道23回到壓縮機21的吸 入口 120。卸荷器功能為制冷系統設計者提供了對性能調整和優化的額 外的自由度。如所知的那樣，卸荷器閥可以設置在壓縮機的內部或外 部。
本質上，當需要更大的系統容量時，可以通過關掉卸荷器閥來利 用經濟器功能。可選地，如果需要較低的容量，則關掉經濟器膨脹裝 置115 (或獨立的斷流裝置)，同時卸荷器閥200打開。這樣，輸送到 冷凝器36的壓縮制冷劑的量被減少。并且，如果需要為制冷系統19 提供另一中間容量級，則可通過打開經濟器膨脹裝置115和卸荷器閥 200來將經濟器功能和卸荷器功能相結合。通過切斷經濟器噴射管路內 的流動并關閉卸荷器閥200,也能獲得容量卸荷的另一個可選的中間 級。
這些與下文公開的可變速馬達控制器相結合的系統構造為制冷系 統設計者提供更大的自由度和靈活性以控制輸送的系統容量。
在這種情況下，控制器30可不僅包括可變速驅動器，但也可以是 微處理器或其他類型的控制器，所述微處理器或其他類型的控制器能 夠為經濟器閥115(在這種情況下可以是斷流閥)、和/或卸荷器閥200、 和/或吸入調節閥210提供脈寬調制控制。
也如本技術領域所知的那樣，脈寬調制還可用于脈寬調制渦旋壓 縮元件本身，在該情況下，渦旋盤元件將以脈沖寬度的方式彼此分離， 從而控制壓縮沖幾抽吸的制冷劑的量。
圖1B示意地示出了實施例301。已知動渦旋盤構件302和靜渦旋 盤構件304可借助腔室306內的氣體偏置在一起。通過啟動和關閉閥 310,能控制腔室306內的壓力。如所示那樣，閥310經由管路308與 另一個壓力源連通，當閥310關閉時，所迷另一個壓力源所處的壓力 不同于腔室306內的壓力。當腔室306內的壓力減小到低于某一水平 時，渦旋盤構件就彼此分離，并且由壓縮機抽吸的制冷劑的量減少。當腔室306內的壓力增加到高于某一水平時，渦旋盤構件將彼此接觸， 于是恢復正常的壓縮過程。閥可由脈寬調制控制器312控制。因此， 通過調節腔室306內的壓力，可允許兩個渦旋盤構件302和304周期 性地彼此分開和接觸。應當注意，只是為了說明的目的而示出圖1B所 示的示意圖。例如，也可以代替允許渦旋盤構件304軸向地移動以與 渦旋盤構件302接觸和不接觸，而允許渦旋盤構件302軸向地移動、 同時渦旋盤構件304在軸向上基本保持靜止。閥310可以位于壓縮機 的內部或外部。
雖然示意圖示出了所述控制器為這些閥和/或壓縮機元件中的每 一個提供脈寬調制控制，但在其他實施例中，可以利用這些閥和/或壓 縮機的組合，或甚至其他閥。通過迅速地使這些閥循環處于啟動和關 閉位置(關閉可以是部分關閉或完全關閉)，可以改變通過閥和壓縮 機中的任一個的制冷劑的量以改變容量。例如， 一旦壓縮機速度已被 降低，但還需要額外減小容量，那么閥或壓縮機就可被循環操作以進 一步減少系統容量。應當注意， 一般會首先實施壓縮才幾速度減小以消 減容量，因為與其他的卸荷方法相比，這是消減容量的最有效的手段。
本發明提供有效的手段以通過使用各種系統部件的各種脈寬調制 方法來有效且精確地控制制冷系統19的容量，所述各種系統部件結合 了可變速驅動馬達的使用。當有容量調整的需要時，馬達驅動可在速 度上變化。經濟器回路也可被打開或關閉以改變容量。還可以利用卸 荷器功能。另外，與用于這一控制的上述各選項相結合，本發明還允 許控制器通過閥115、 200和210中的任一個和/或對壓縮機抽吸元件 本身的調節來調節制冷劑流。這樣，可以進一步減少容量而不使壓縮 機電動馬達28的速度過度地降低超過其運轉的安全閾值。
圖2示出了另一個實施例300,其中，閥200和210在壓縮才幾殼體 的內部的流動通道上。應當注意，雖然在圖2中，閥都被示出在壓縮 機的內部，但壓縮機設計者可以選擇將所述閥中的一些設置在內部， 并將所述閥中的一些設置在外部。另外，示出的經濟器管路的斷流閥 220與膨脹閥分開。如果斷流閥220位于外部，則其功能可與膨脹閥的 使用相結合。雖然示出的閥是獨立的部件，但是如本技術領域所知的 那樣，可以將閥的功能結合成單個三通閥。可通過脈寬調制技術控制 閥220、 200和210中的每個閥或一些閥。應當理解，馬達控制器30包括下述程序，該程序從制冷系統內的 各個位置獲取輸入信息，并且確定何時需要壓縮機馬達的較低速度、 以及何時需要啟動受脈寬調制的部件的脈寬調制。控制器還能決定何
時系統需要運轉在經濟模式、非經濟模式、旁通卸荷模式、或者上述 模式的任一組合下。能夠通過這樣的閥和壓縮機實施本發明的控制器 是已知的。
本領域普通技術人員可以想到，與其他可用的選擇相比，或者除 了其他可用的選擇之外，何時較低速度是理想和優選的。
應當理解，盡管參照包括渦旋壓縮機的制冷系統描述了本發明， 但本發明可用于任^可可變速壓縮才幾，包括渦^走壓縮才幾、螺斥干壓縮機、 往復式壓縮機、旋轉壓縮機等。這一技術例如可用于在運輸容器單元、 卡車/拖車應用、超市制冷應用、以及工廠廠房和民用住宅降溫或升溫
中使用的制冷系統，還可用于水暖應用。盡管已經公開了本發明的優 選實施例，但本領域的普通技術人員可以想到在本發明的范圍內可以 進行某些改進。為此，應當認真研究所附的權利要求以確定本發明的 真正范圍和內容。
權利要求
1.一種制冷系統，包括壓縮機和用于驅動所述壓縮機的電動馬達、用于改變所述電動馬達的運轉速度的可變速驅動器；所述壓縮機下游的冷凝器、所述冷凝器下游的膨脹裝置、以及所述膨脹裝置下游的蒸發器；所述可變速驅動器使所述電動馬達轉為低速運轉，并且所述可變速驅動器以低速度水平操作所述電動馬達；和用于控制至少一個系統部件的脈寬調制控制器。
2. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于 控制器控制至少一個閥。
3. 根據權利要求2所述的制冷系統，其特征在于 中包括經濟器回路。
4. 根據權利要求3所述的制冷系統，其特征在于系統部件是與所述經濟器回路相關的斷流閥。
5. 根據權利要求2所述的制冷系統，其特征在于 置有卸荷器回路。
6. 根據權利要求5所述的制冷系統，其特征在于 系統部件是與所述卸荷器回路相關的閥。
7. 根據權利要求2所述的制冷系統，其特征在于 有經濟器回路和卸荷器回路。
8. 根據權利要求7所述的制冷系統，其特征在于g站A杜臺4壬ti ffr ，'* 、A哭T57玖:i曰義<46 1S! 1 " ^片i'未'4l7,閥。
9. 根據權利要求2所述的制冷系統，其特征在于 系統部件是閥，該閥用于控制從所述蒸發器輸送到所述壓縮機的制冷 劑的質量流。
10. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于所述至少一 個系統部件在所述壓縮機的殼體的外部。
11. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于所述至少一 個系統部件在所述壓縮才幾的殼體的內部。
12. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于所述壓縮機所述步;K寬調制在該制冷系統 所述至少一個 所述壓縮機設 所述至少一個 制冷系統設置 所述至少一個哭IH7 Y支J:曰乂 A^！所述至少一個選自渦旋壓縮機、旋轉壓縮機、往復式壓縮纟;L和螺桿壓縮機組成的組。
13. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于所述至少一 個系統部件是受脈寬調制的控制器，該控制器用于在渦旋壓縮機內將 動和靜渦旋盤構件保持在一起或允許所述動和靜渦旋盤構件彼此分 開。
14. 根據權利要求1所述的制冷系統，其特征在于所述制冷系 統選自容器制冷系統、卡車/拖車系統、超市制冷系統、住宅空調系統、 住宅熱泵系統、商業空調系統、商業熱泵系統和水暖系統組成的組。
15. —種操作制冷系統的方法，包括以下步驟(1 )提供具有可變速驅動器的壓縮機，并監測與所述壓縮機相關 的制冷系統的負荷；(2) 確定低負荷情況，并在已經確定為低負荷情況時使所迷壓縮 機轉為〗氐速運轉；和(3) 為系統部件提供脈寬調制控制，以便通過改變壓縮機的速度 和改變所述其他部件的操作來允許來自制冷系統的容量的變化。
16. 根據權利要求15所述的方法，其特征在于所述脈寬調制控 制控制至少一個閥。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特征在于在該制冷系統中 包括經濟器回路，并且所述至少一個系統部件是與所述經濟器回路相 關的斷流閥。
18. 根據權利要求16所述的方法，其特征在于所述壓縮;^設置 有卸荷器回路，并且所述至少一個系統部件是與所述卸荷器回路相關 的閥。
19. 根據權利要求16所述的方法，其特征在于制冷系統設置有 經濟器回路和卸荷器回路，并且所述至少一個系統部件包括與所述經 濟器回路相關的閥和與所述卸荷器回路相關的閥。
20，根椐權利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一個系 統部件在所述壓縮片幾的殼體的外部。
21. 根據權利要求15所述的方法，其特征在于所述至少一個系統部件在所述壓縮機的殼體的內部。
22. 根據權利要求15所述的方法，其特征在于所述其他系統部 件是閥，該閥用于控制從所迷蒸發器輸送到所述壓縮機的制冷劑的量。
23.根據權利要求15所迷的方法，其特征在于所述至少一個系 統部件是受脈寬調制的控制器，該控制器用于在渦旋壓縮機內將動和 靜渦旋盤構件保持在一起或允許所述動和靜渦旋盤構件彼此分開。
全文摘要
本發明提供一種可變速驅動器，該可變速驅動器用于操作制冷系統內的壓縮機馬達。在制冷系統控制器確定為低負荷情況時，可變速驅動控制器以運轉的較低速度模式操作壓縮機馬達。此外，可變速驅動器的操作與不同系統部件的脈寬調制控制相結合。特別地，至少一個閥或壓縮機可被控制器迅速地循環操作，以調節經過閥或壓縮機的制冷劑的量。作為示例的閥可包括經濟器循環的斷流閥、卸荷器閥或吸入調節閥。
文檔編號F25B49/00GK101297168SQ200580051927
公開日2008年10月29日 申請日期2005年10月26日 優先權日2005年10月26日
發明者A·利夫森, S·斯里尼瓦桑 申請人:開利公司