離心式壓縮機(jī)用于經(jīng)由制冷劑回路在制冷機(jī)中循環(huán)制冷劑。離心式壓縮機(jī)在達(dá)到稱之為喘振的條件之前高效地運(yùn)行.然而，在喘振期間，壓縮機(jī)為了給定的壓縮比而經(jīng)受過低的流速，并可能經(jīng)受回流。

在一個示例性的壓縮機(jī)中，葉輪由磁軸承支撐在轉(zhuǎn)子軸上。由磁軸承控制系統(tǒng)所檢測到的振動已被用于檢測由失速和喘振條件所引起的的流體不穩(wěn)定性。這些振動已習(xí)慣于通過調(diào)節(jié)入口導(dǎo)向葉片來調(diào)節(jié)通過葉輪的流動.

在另一示例中，壓力在葉輪任一側(cè)處被測量。在給定的運(yùn)行條件下不期望的壓力波動顯示了流動的不穩(wěn)定性，這會產(chǎn)生軸的不穩(wěn)定性.在該示例中，通過調(diào)節(jié)可變幾何形狀的擴(kuò)壓器的位置以恢復(fù)流動的穩(wěn)定性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及用于離心式壓縮機(jī)的控制系統(tǒng)和方法.該系統(tǒng)例如包括控制器，所述控制器構(gòu)造成控制(1)流動調(diào)節(jié)器和(2)軸的速度中的至少一個的調(diào)節(jié)，以提供安全、高效的壓縮機(jī)的運(yùn)行。

前面段落的實施例、示例和可替代方案、權(quán)利要求或包括它們各個方面的任何方面或各自單獨的特征的以下的描述和附圖能夠被單獨地選取或以任意組合方式選取。所描述的與一個實施例相關(guān)的特征可適用于所有實施例，除非這些特征不相容。

附圖說明

附圖可簡要描述如下：

圖1是制冷劑壓縮機(jī)的高度示意性視圖；

圖2A是從圖1中沿著線2-2的視圖，并且示出沿著基準(zhǔn)軸線所定位的軸；

圖2B是沿著線2-2的視圖，并且示出了在下限處的軸；

圖2C是沿線2-2的視圖，并且示出了在上限處的軸；

圖3是示出了示例性方法的流程圖；

圖4圖解地示出了在保持閥的位置的同時進(jìn)行的速度的調(diào)節(jié)；

圖5圖解地示出了在保持速度的同時進(jìn)行的閥的位置的調(diào)節(jié)；

圖6A圖解地示出了在保持速度的同時進(jìn)行的一系列的閥的位置的調(diào)節(jié)；

圖6B圖解地示出了一系列的閥的位置的調(diào)節(jié)，其中之一是通過速度調(diào)節(jié)來獲得的.

具體實施方式

圖1示出了用于循環(huán)制冷劑的離心式制冷劑壓縮機(jī)10(“壓縮機(jī)10”).壓縮機(jī)10在于2013年12月4日所提出的美國共同未決申請No.14/096395中進(jìn)行更詳細(xì)地描述，其全部內(nèi)容通過引用而結(jié)合于此。本發(fā)明不限于在圖1中所示的壓縮機(jī)10的所有細(xì)節(jié)，本發(fā)明也不是限定于在美國申請No.14/096395中描述的壓縮機(jī)10.相反，圖1和美國申請No.14/096395描述并且示出在本發(fā)明的范圍內(nèi)的壓縮機(jī)的一個示例。

如上所述，壓縮機(jī)10是制冷劑壓縮機(jī)。示例性的制冷劑包括化學(xué)制冷劑、例如R-134a等。進(jìn)一步地，壓縮機(jī)10能夠與制冷回路L流體連通.制冷回路L已知地包括蒸發(fā)器11、膨脹裝置13和冷凝器15.

該壓縮機(jī)10包括殼體12，所述殼體包圍電動機(jī)14.殼體12可包括一個或多個部件.電動機(jī)14可旋轉(zhuǎn)地驅(qū)動至少一個葉輪來壓縮制冷劑。電動機(jī)14可以由變頻驅(qū)動器來驅(qū)動。壓縮機(jī)10包括第一葉輪16和第二葉輪18，它們中的每一個經(jīng)由軸19連接到電動機(jī)14。雖然示出兩個葉輪，但是本發(fā)明還擴(kuò)大到具有額外葉輪或更少葉輪的壓縮機(jī).

軸19由軸承組件B可旋轉(zhuǎn)地支撐，所述軸承組件在該示例中是磁軸承組件.軸承組件B包括軸承電源和構(gòu)造成確定軸19的位置的感測元件.在一示例中，感測元件包括構(gòu)造成測量從所述軸承電源提供到磁軸承的電流的電流傳感器.

在一些運(yùn)行條件下，軸19的中心線19C與基準(zhǔn)軸線A_REF同軸.在其它條件下、例如在壓縮機(jī)10接近喘振時，中心線19C偏離基準(zhǔn)軸線A_REF.正如將在下面描述的，軸承組件B構(gòu)造成感測該偏離并且將中心線19C的位置報告至控制器C?？刂破鰿可以是包括存儲器、硬件和軟件的任何已知類型的控制器?？刂破鰿構(gòu)造成存儲指令并且將指令提供給壓縮機(jī)10的各個組件(包括電動機(jī)14和軸承組件B).控制器C可以由一個或更多個組件來提供.

殼體12形成了主制冷劑流動路徑F。特別地，殼體12形成了用于主制冷劑流動路徑F的外邊界.第一制冷劑流或主制冷劑流構(gòu)造成沿著在壓縮機(jī)入口20和壓縮機(jī)出口22之間的主制冷劑流動路徑F流動.在該示例中，在壓縮機(jī)入口20處沒有設(shè)置入口導(dǎo)向葉片。缺少入口導(dǎo)向葉片減少了壓縮機(jī)10中的在長時間使用之后可能需要維護(hù)和/或更換的機(jī)械部件的數(shù)量.

在圖1中從左到右，主制冷劑流動路徑F開始于壓縮機(jī)入口20，在壓縮機(jī)入口處，朝著第一葉輪16吸引制冷劑。第一葉輪16設(shè)置在主制冷劑流動路徑F中并且相對于主制冷劑流動路徑F布置在第二葉輪18的上游.第一葉輪16包括軸向地、大體上平行于基準(zhǔn)軸線A_REF布置的入口16I和徑向地、大體上垂直于基準(zhǔn)軸線A_REF布置的出口16O.

在該示例中，第一擴(kuò)壓器24位于出口16O的緊下游。第一擴(kuò)壓器24包括多個葉片24V。在該示例中，葉片24V是固定葉片。即，在壓縮機(jī)10運(yùn)行期間，葉片24V的相對定向是不可調(diào)的，并且在壓縮機(jī)10運(yùn)行期間，葉片24V之間所形成的流動路徑是不可調(diào)的.盡管本發(fā)明不限于固定葉片的擴(kuò)壓器，但是使用固定葉片的擴(kuò)壓器具有降低壓縮機(jī)10中的機(jī)械部件(其在使用一段時間后可能再次需要維修和/或更換)的數(shù)量的優(yōu)點.此外，避免可變幾何形狀的擴(kuò)壓器可具有消除通常與可變幾何形狀的擴(kuò)壓器相關(guān)聯(lián)的泄漏流的益處.

主制冷劑流動路徑F在大體上徑向遠(yuǎn)離基準(zhǔn)軸線A_REF的方向上延伸通過第一擴(kuò)壓器24。接著，主制冷劑流動路徑F在轉(zhuǎn)換彎頭25中偏轉(zhuǎn)180°，并朝著第二葉輪18徑向向內(nèi)流動通過具有非渦旋葉片29的返回通道27。與第一葉輪16相同，第二葉輪18包括軸向定向的入口18I和徑向定向出口18O.第二擴(kuò)壓器26布置在第二葉輪18的下游.在該示例中，第二擴(kuò)壓器26不包括固定葉片，但是，它可以包括葉片.出口蝸殼28設(shè)置在第二擴(kuò)壓器26的下游。出口蝸殼28大體上圍繞基準(zhǔn)軸線A_REF螺旋行進(jìn)并導(dǎo)向至壓縮機(jī)出口22。

在該示例中，壓縮機(jī)10包括再循環(huán)流動路徑R，所述再循環(huán)流動路徑構(gòu)造成將來自主制冷劑流動路徑F的制冷劑的一部分(即，制冷劑的“第二流”)從第一位置30再循環(huán)到相對于所述主制冷劑流動路徑F的第一位置30上游的第二位置32.正如在以下將討論的，在該示例中，第一位置30在壓縮機(jī)出口22附近，并且第二位置32設(shè)置在第一葉輪16的下游。然而在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，第一位置30和第二位置32可設(shè)置在其它位置處.第一位置30的可替代的候選位置是轉(zhuǎn)換彎頭25或在返回通道27內(nèi)的位置。第二位置32能夠可替代地設(shè)置在第二擴(kuò)壓器26的入口處。

再循環(huán)流動路徑R部分地由再循環(huán)管線34來提供。在該示例中，再循環(huán)管線34從出口蝸殼28抽出其制冷劑流，在該點處流體的流動沒有渦流.這與在擴(kuò)壓器的出口處周向地抽出的制冷劑流相反，在那種情況下，由非渦旋葉片所分開多個通路需要維持用于通過再循環(huán)噴嘴46的流動的注入所要求的壓力.在沒有非渦旋葉片的情況下，由于再循環(huán)噴嘴46具有更小的半徑，角動量守恒引起速度的增大和壓力的降低.由于在再循環(huán)噴嘴46上的壓差的降低，該靜壓的降低限制了再循環(huán)流動路徑R。

再循環(huán)流動路徑R.還包括流動調(diào)節(jié)器或閥36.在該示例中，流動調(diào)節(jié)器36設(shè)置在再循環(huán)管線34中在殼體12的外部。這允許很容易更換和安裝流動調(diào)節(jié)器36。流動調(diào)節(jié)器36可以是構(gòu)造成調(diào)節(jié)制冷劑的流動的任何類型的裝置，所述裝置包括機(jī)械閥、例如采用電氣控制或氣動控制的蝶閥、閘閥或球閥。流動調(diào)節(jié)器36可包含致動器，所述致動器響應(yīng)于來自控制閥C的指示可操作地確定閥的位置。

再循環(huán)流動路徑R開始在大體上垂直于基準(zhǔn)軸線A_REF方向徑向向外從第一位置30沿著主制冷劑流動路徑F延伸到再循環(huán)管線34中的第一彎頭38。再循環(huán)流動路徑R接著從第一彎頭38在圖1中從右到左(并大體上平行于基準(zhǔn)軸線A_REF)軸向地延伸至第二彎頭40，在第二彎頭處，所述再循環(huán)流動路徑R接著朝著基準(zhǔn)軸線A_REF徑向地向內(nèi)偏轉(zhuǎn).在該示例中，流動調(diào)節(jié)器36設(shè)置在再循環(huán)流動路徑R中在第二彎頭40的下游.雖然再循環(huán)流動路徑R以具體的方式示出，但是再循環(huán)流動通道R能夠以不同方式布置.

在流動調(diào)節(jié)器36的下游，再循環(huán)流動路徑R在入口42處進(jìn)入殼體12到再循環(huán)蝸殼44.但是，也可不需要再循環(huán)蝸殼44.在其它示例中，可以使用增壓室.然而，當(dāng)使用再循環(huán)蝸殼44時，在再循環(huán)管線34中的流體的速度(動能)在進(jìn)入再循環(huán)蝸殼44時被保持，而在進(jìn)入增壓室時沒有速度.因此，再循環(huán)蝸殼44形成更高效的流動再循環(huán)系統(tǒng).

該再循環(huán)蝸殼44圍繞基準(zhǔn)軸線A_REF螺旋行進(jìn)，并且與多個再循環(huán)噴嘴46連通.在再循環(huán)流動路徑R內(nèi)的制冷劑僅有在相鄰葉片24V之間的再循環(huán)噴嘴46引入到主制冷劑流動路徑F中.再循環(huán)噴嘴46和葉片24V的細(xì)節(jié)在美國申請No.14/096395中討論，該美國申請再次通過引用而結(jié)合于此處.

流動調(diào)節(jié)器36能夠可選擇性地定位成響應(yīng)于來自控制器C的指令而移除在主制冷劑流動路徑F中的在第一位置30處的一部分制冷劑并經(jīng)由再循環(huán)流動路徑R將該移除部分的致冷劑返回注入(或重新引入)到主制冷劑流動路徑F。.

來自再循環(huán)流動路徑R的致冷劑的注入通過使下游元件(例如第一擴(kuò)壓器24、返回通道27、第二葉輪18和第二擴(kuò)壓器26)經(jīng)受更接近于它們的最佳范圍的制冷劑流而增加了壓縮機(jī)10在部分負(fù)荷條件下的運(yùn)行穩(wěn)定性。反過來，這將壓縮機(jī)10的高效運(yùn)行范圍擴(kuò)大到更低的部分負(fù)荷運(yùn)行條件，該部分負(fù)荷運(yùn)行條件降低了喘振工況的可能性。此外，并且正如以上所述，壓縮機(jī)10在不需要入口導(dǎo)向葉片或可變幾何形狀的擴(kuò)壓器的情況下可以做到這些，這增加了壓縮機(jī)10的可靠性.

正如以上所述的，在一些運(yùn)行條件期間，軸19的中心線19C圍繞基準(zhǔn)軸線A_REF旋轉(zhuǎn)(圖2A)。當(dāng)軸19在這些條件下穩(wěn)定時，壓縮機(jī)10相對低效地運(yùn)行.在大體上避免喘振時，壓縮機(jī)10在其接近喘振時效率最高.在發(fā)生喘振之前，由于不穩(wěn)定而在軸19中的波動能夠以來自與軸承組件B相聯(lián)的位置傳感器的信號的形式觀察到。

當(dāng)壓縮機(jī)10接近喘振時，軸19的中心線19C開始偏離基準(zhǔn)軸線A_RRF.圖2B-2C示出在低效的壓縮機(jī)運(yùn)行(與L1有關(guān))和喘振(與L₂有關(guān))之間的平衡。

在圖2B中，軸19的中心線19C從基準(zhǔn)軸線A_REF偏移第一距離L₁.該第一距離L₁在這里被稱作下限L₁。在所述下限L₁處，軸19展示了圍繞基準(zhǔn)軸線A_REF的第一軌道O₁。

在圖2C中，軸19的中心線19C從基準(zhǔn)軸線A_REF間隔第二距離L₂.第二距離L₂在這里將被稱作上限L₂。在所述上限L₂處，軸19展現(xiàn)了圍繞基準(zhǔn)軸線A_REF的比第一軌道O₁大的第二軌道O₂。雖然在此處提及了基準(zhǔn)軸線A_REF和軸19的中心線19C，但是本發(fā)明擴(kuò)展到以不同的方式、例如通過監(jiān)測軸19的外表面的位置來監(jiān)測軸19的位置的應(yīng)用中.

當(dāng)軸19的中心線19C在L₁和L₂之間的范圍內(nèi)時，壓縮機(jī)10處于高效的且安全的運(yùn)行范圍內(nèi).即，在中心線19C相對于基準(zhǔn)軸線S_REF以大于或等于L₁且小于或等于L₂的距離設(shè)置時.在L₁以下時，壓縮機(jī)10低效地運(yùn)行.在L₂以上時，壓縮機(jī)可能經(jīng)受喘振。

在一示例中，下限L₁和上限L₂是預(yù)先確定的數(shù)值，它們由控制器C存儲和使用。下限L₁和上限L₂由實驗測試和觀察的結(jié)果來確定.此外，下限L₁和上限L₂可以在壓縮機(jī)運(yùn)行過程中根據(jù)需要且依賴于特定的應(yīng)用來調(diào)節(jié).在一些示例中，該下限L₁和上限L₂具有在零點幾毫米的量級上的相對小的尺度。例如下限L₁可以是大約0.05毫米，并且上限L₂可以是大約0.1毫米。

圖1示出了前徑向磁軸承，其是軸承組件B的一部分且鄰近于葉輪16，18。在軸承組件B內(nèi)的其它磁軸承、例如后磁軸承可能用于監(jiān)測軸19的位置.然而，前徑向磁性軸承由于它很靠近葉輪而能夠具有對葉輪16，18的運(yùn)動更加敏感的優(yōu)點。此外，本發(fā)明不限定于使用磁軸承來監(jiān)測軸位置的壓縮機(jī)。檢測軸位置的其它方法也落入本發(fā)明的范圍內(nèi).

在圖3中示出了根據(jù)本發(fā)明的一個示例性的方法，在壓縮機(jī)10運(yùn)行期間，在附圖標(biāo)記50處監(jiān)測軸19的位置.在本示例中，正如以上所述的，軸承組件B構(gòu)造成在前徑向磁軸承附近的點處監(jiān)測軸19的中心線19C的位置.

軸承組件B將軸19的位置報告給控制器C。控制器C接著在附圖標(biāo)記52處確定中心線19C是否在L₁和L₂之間的范圍內(nèi).如果軸19的位置是在接受的范圍內(nèi)時，控制器C繼續(xù)監(jiān)測軸19的位置。如果不是，在附圖標(biāo)記54處調(diào)節(jié)壓縮機(jī)10的某些運(yùn)行參數(shù)。通過使用軸承組件B監(jiān)測軸位置并通過考慮到檢測軸位置與進(jìn)行壓力測量完全不同，從而不需更額外的感測裝置(例如壓力傳感器和接近傳感器)。

圖4至圖6B示出了調(diào)節(jié)的各種示例，即調(diào)節(jié)流動調(diào)節(jié)器36和/或軸19的旋轉(zhuǎn)速度.雖然此處參考了“速度”或“軸的速度”，應(yīng)當(dāng)理解的是，在軸19的旋轉(zhuǎn)速度與葉輪16、18的旋轉(zhuǎn)速度不同時，軸19的旋轉(zhuǎn)速度成正比于葉輪16、18的旋轉(zhuǎn)速度，并正比于電動機(jī)14的旋轉(zhuǎn)速度。在一些情況下，該“速度”指的是“壓縮機(jī)速度”.

圖4至圖6B包括壓縮機(jī)10的若干示例性運(yùn)行曲線，其示出壓縮比(Y軸)與容量(X軸)。在圖4至圖6B中的每個曲線具有如虛線所示的代表低效的運(yùn)行范圍的部分56，其中軸19的中心線19C的位置可能低于L₁.該曲線還包括如實線所示的高效的運(yùn)行范圍58，其中，所述軸19的中心線19C可能在L₁和L₂之間的范圍內(nèi).

圖4示出了兩個運(yùn)行曲線C₁和C₂。在圖4中，流動調(diào)節(jié)器36的位置保持恒定.在一個示例中，壓縮機(jī)10可在高效的運(yùn)行范圍58內(nèi)在點P₁處運(yùn)行.由于制冷劑回路L中的一些條件、例如冷凝器15內(nèi)的溫度升高，該系統(tǒng)所需的壓縮比可能增大。

壓縮機(jī)10響應(yīng)于增大的壓縮比沿著曲線C₁從點P₁移動到點P₂。為了避免喘振，在軸19接近L₂時，軸19的旋轉(zhuǎn)速度增大(例如，增大5％)，其使所述軸的運(yùn)行曲線水平地移動到曲線C₂.該軸19的旋轉(zhuǎn)速度的增大使壓縮機(jī)10在點P₃處沿曲線C₂在高效的運(yùn)行范圍58內(nèi)運(yùn)行，從而提供了新的更高的壓縮比.

另一種運(yùn)行的調(diào)節(jié)在圖5中示出。在圖5中，軸19的旋轉(zhuǎn)速度保持恒定.當(dāng)在點P₁處運(yùn)行時，壓縮機(jī)10所需要的容量可能會降低。在這種情況下，流動調(diào)節(jié)器36相對于其在點P₁處的位置被打開。即，為了說明一個示例，在流動調(diào)節(jié)器36是在點P₁處具有30％的開度時，流動調(diào)節(jié)器36可能在點P₂處調(diào)節(jié)至具有35％的開度。

通過打開流動調(diào)節(jié)器36并保持恒定的軸的速度，壓縮機(jī)10此時沿新的第二曲線C₂運(yùn)行.在該示例中，壓縮機(jī)10在點P₂處沿曲線C₂運(yùn)行，其正如圖5中所示的處于高效的運(yùn)行范圍58內(nèi)。

圖6A至圖6B示出了其中壓縮機(jī)的容量增大的示例.在一示例中，壓縮機(jī)10最初在點P₁處沿曲線C₁運(yùn)行。為了增大容量，流動調(diào)節(jié)器36相對于其在點P₁的位置關(guān)閉。通過該調(diào)整，壓縮機(jī)10此時在點P₂處的新的第二曲線C₂運(yùn)行。

為了進(jìn)一步增大壓縮機(jī)10的容量，同時保持軸速度恒定，所述流動調(diào)節(jié)器36相對于在點P₂的位置進(jìn)一步關(guān)閉，使得壓縮機(jī)在點P₃處沿著第三曲線C₃運(yùn)行(圖6A).如圖所示，點P3低于L₁，并且因此在安全運(yùn)行的同時，壓縮機(jī)10相對低效地運(yùn)行.

圖6B示出了與圖6A相同的運(yùn)行的調(diào)節(jié)，然而，在圖6B中，當(dāng)從點P₂處增大容量時，軸的速度和流動調(diào)節(jié)器的位置均被調(diào)節(jié).在圖6B中，正如在圖6A中的示例，流動調(diào)節(jié)器36相對于其P₂位置關(guān)閉，但是軸19的旋轉(zhuǎn)速度也相對于其在點P₂處速度降低.通過這兩個調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)10此時在點P₄處沿著第四曲線C₄運(yùn)行。由于速度降低，曲線C₄相對于曲線C₃沿Y軸移動.通過關(guān)閉流動調(diào)節(jié)器36和降低速度的這種組合，壓縮機(jī)10此時在高效的運(yùn)行范圍58內(nèi)提供了增大的容量.

正如從上面可以看到的，在附圖標(biāo)記54處能夠被調(diào)節(jié)的具體地所預(yù)期的運(yùn)行參數(shù)包括打開和關(guān)閉流動調(diào)節(jié)器36和調(diào)節(jié)軸19的旋轉(zhuǎn)速度.依賴于特定的情況，流動調(diào)節(jié)器36的調(diào)節(jié)可結(jié)合軸19的速度的調(diào)節(jié)(如在圖6B中)。雖然已經(jīng)在上面討論了流動調(diào)節(jié)器的位置和軸的速度，但是本發(fā)明適用于能夠被調(diào)節(jié)的其它運(yùn)行參數(shù).

盡管不同的示例具有在圖中所示的具體的部件，但是本發(fā)明的實施例并不限于那些特定組合。還能夠采用將來自這些示例中的一個的一些部件或特征與來自這些示例中的另一個的部件或特征組合起來.

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，上述實施例是示例性和非限制性的。也就是說，本發(fā)明的改進(jìn)將落入權(quán)利要求的范圍內(nèi).因此，以下權(quán)利要求應(yīng)該被考慮以確定它們的真實的范圍和內(nèi)容。