具有扩展范围和容量控制特征的两级离心式压缩机

摘要

本公开的一个示例性实施例涉及一种离心式制冷剂压缩机系统。所述系统包括冷凝器、蒸发器和冷凝器与蒸发器之间的节热器。所述系统还包括具有第一叶轮和第一叶轮下游的第二叶轮的离心式压缩机。压缩机包括至少一个端口。流体经由至少一个端口被从再循环流动路径和节热器流动路径引入压缩机的主流动路径中。

说明书

有关申请

本申请要求2013年11月14日提交的美国临时申请号No.61/904,160的优选权，其 全部内容通过参引结合到本文中。

背景技术

制冷剂压缩机(refrigerantcompressor)被用于使冷却器中的制冷剂经由制冷 剂回路循环。一种已知的制冷剂压缩机以固定速度运转，并且具有设置在叶轮上游、压缩机 进口处的一组可变进口导流叶片。可变进口导流叶片在制冷剂压缩机运转期间被致动，以 在各种运转条件下调节容量。

其他已知的制冷剂压缩机另外地已经在叶轮的下游应用几何形状可变的扩压器 (diffuser)，以在部分负载的运转条件期间改善容量控制。几何形状可变的扩压器在部分 负载条件下将扩压器的流动截面积调整至低流量，从而类似于满载设计条件的流动角度和 速度来维持流动角度和速度。

一种先前的制冷剂压缩机构思建议再循环制冷剂来改善容量控制。例如，在Brasz 的美国专利No.5,669,756中，制冷剂被从扩压器出口处再循环并且回注入叶轮处的主流动 路径中。

发明内容

本公开的一个示例性实施例涉及一种离心式制冷剂压缩机系统。所述系统包括冷 凝器、蒸发器和位于冷凝器与蒸发器之间的节热器。所述系统还包括离心式压缩机，该离心 式压缩机具有第一叶轮和位于第一叶轮下游处的第二叶轮。压缩机包括至少一个端口。流 体经由所述至少一个端口从再循环流动路径和节热器流动路径被引入压缩机的主流动路 径中。

本公开的另一示例性实施例涉及一种离心式制冷剂压缩机。该压缩机包括第一叶 轮和位于第一叶轮下游处的第二叶轮。压缩机还包括与再循环流动路径处于流体连通的端 口，所述端口或者(1)邻近位于第一叶轮与第二叶轮之间的返回通道设置，或者(2)设置在 第二叶轮的下游。

可以独立地或者按任何组合地采用前段的实施例、实例及备选方案、权利要求书 或者以下说明及附图，包括其各个方面或者相应各个特征中的任何一个。结合一个实施例 所描述的特征适用于全部实施例，除非那些特征是不相容的。

附图说明

附图可以简要地描述如下：

图1示意性地图解了根据本公开的第一实例的制冷剂系统。

图2示意性地图解了第二实例的制冷剂系统。

图3示意性地图解了第三实例的制冷剂系统。

图4示意性地图解了第一实例的压缩机。

图5示意性地图解了第二实例的压缩机。

图6示意性地图解了第三实例的压缩机。

图7示意性地图解了第四实例的压缩机。

图8示意性地图解了第五实例的压缩机。

图9示意性地图解了第六实例的压缩机。

具体实施方式

图1示意性地图解了第一实例的制冷剂系统10。制冷剂系统10包括压缩机12。在该 实例中，压缩机12是包括第一叶轮14和第二叶轮16的离心式压缩机，意味着压缩机12是两 级压缩机。第一叶轮14和第二叶轮16沿着轴18安装，该轴18由马达20可旋转地驱动。马达20 的速度是可调节的，以(至少部分地)调节压缩机12的容量。压缩机12被构造成给制冷剂回 路L内的流体流加压，所述流体在本实例中为制冷剂。

在压缩机12的下游，系统10包括冷凝器22，冷凝器22在第一膨胀阀24和第二膨胀 阀26的上游。第一膨胀阀24在节热器28的上游，并且可由控制器(未示出)控制，以引导第一 流体流通过节热器28。第一流体流冷却通过节热器28流向第二膨胀阀26的第二流体流，该 第二膨胀阀在节热器28的下游。蒸发器30被定位在第二膨胀阀26的下游并且在压缩机12的 上游。

压缩机12与节热器流动路径E处于流体连通，该流动路径在节热器28处起源于制 冷剂回路L。此外，压缩机12与再循环流动路径R处于流体连通。在该实例中，再循环流动路 径R在第二叶轮16的下游的一位置(诸如，压缩机12的输出口(或者出口))处起源于制冷剂 回路L。以下将详细描述节热器流动路径E和再循环流动路径R。

图2图解了根据本公开的另一制冷剂系统110。像系统10那样，系统110包括构造成 给制冷剂回路L内的流体流加压的压缩机12。在压缩机12的下游，系统110包括冷凝器22，冷 凝器22在第一膨胀阀124和第二膨胀阀126的上游。在第一膨胀阀124与第二膨胀阀126之 间，系统110包括节热器128，节热器128在本实例中为节热器储罐(也被称为“闪蒸”罐)。

第一膨胀阀124在节热器128的上游，并且第二膨胀阀126被设置在节热器128与蒸 发器30之间，该蒸发器30在压缩机12的上游。

在系统110中，压缩机12与节热器流动路径E处于流体连通，该节热器流动路径在 节热器128处起源于制冷剂回路L。此外，压缩机12与再循环流动路径R处于流体连通。像系 统10那样，再循环流动路径R在第二叶轮16的下游的一位置处起源于制冷剂回路L。

图3图解了不包括节热器的系统210。在系统210中，设有压缩机12和位于压缩机12 的下游的冷凝器22。因为没有节热器，所以系统210仅包括单个膨胀阀224(诸如，阀26、 126)，该膨胀阀在冷凝器22的下游并且在蒸发器30的上游。系统210包括再循环流动路径R， 该再循环流动路径R像前述实例那样起源于第二叶轮16的下游的一位置。

图4-9示意性地图解了六个实例的压缩机112、212、312、412、512和612。所述压缩 机112、212、312、412、512和612中的每一个可被用作图1-3之间所示的系统10、110、210的任 何一个中的压缩机12。

图4示意性地图解了第一实例的压缩机112。压缩机12包括以34示出的进口，其包 括可控的进口导流叶片36。进口导流叶片36被构造成通过调节(throttle)来自制冷剂回路 L的流体流F₁，来控制压缩机112的容量。流体F₁的流动路径在本文中被称作压缩机112的主 流动路径。在本公开的另一实例中，压缩机112未包括进口导流叶片36。

在本实例中，流体F₁经由进口34进入压缩机112，并且在进口导流叶片36上轴向地 (沿轴向方向A)流动并且流向第一叶轮14。第一叶轮14给流体F₁加压，并且使流体F₁朝下游 径向地(沿径向方向Z)排向第一无叶片式扩压器38。然后，横跨弯管40使流体F₁径向内向地 转向返回通道42，其可以包括反旋(deswirl)叶片。

压缩机112包括邻近返回通道42设置的端口44(其自身可设有多个气体注入孔)。 在本实例中，端口44与节热器流动路径E和再循环流动路径R流体连通。来自节热器流动路 径E的流体以F₂示出，并且来自再循环流动路径R的流体以F₃示出。

再循环流体F₃可经由流量调节器32来控制，以选择性地将流体流F₃引入端口44中。 流量调节器32经由控制器(未描绘)控制，以按选定时间将流体F₃引入流体F₁中。在一个实例 中，当压缩机112按正常容量运转时流量调节器32关闭。正常容量的范围为设计容量的大约 40-100％。然而，处于相对低的、部分负载的运转容量(例如，设计容量的大约30％)时，控制 器指示进口导流叶片36关闭并且流量调节器32打开，以使得流体F₃经由再循环流动路径R 流向端口44。另外或者备选是，在某些实例中，控制器可以在压缩机启动期间指示流量调节 器32打开。

继续参见图4，流体F₁-F₃的混合流从返回通道42流至返回通道的出口46。然后，混 合流F₁-F₃被第二叶轮16加压，并且被径向地排向第二无叶片式扩压器48。最后，混合流F₁- F₃流向出口蜗壳50。出口蜗壳50不必处于涡旋形的形式，然而其他种类的出口归入本公开 的范围之内。

在图4的实例中，再循环流动路径R被设置在出口蜗壳50与端口44之间，并且如所 提到的，流量调节器32选择性地引流(tap)主流动路径内的一部分流体以用于再循环。再循 环流动路径R可以起源于另外的位置，包括在第二叶轮14的下游并且在冷凝器22的上游的 任何位置。

流体从节热器流动路径E和/或再循环流动路径R的注入通过允许下游元件(例如， 第二叶轮16)经历更接近其最佳范围的流而在部分负载的条件中增强了压缩机112运转的 稳定性。

图5图解了第二实例的压缩机212。与压缩机112不同(其中节热器流动路径E和再 循环流动路径R两者都与端口44连通)，压缩机212包括位于第二叶轮16下游的第二端口52。 在该实例中，第二端口52与再循环流动路径R处于流体连通，并且被设置成将流体F₃注入第 二无叶片式扩压器48附近。像压缩机112那样，节热器流动路径E与端口44处于流体连通。

经由端口44和52注入流体F₂和F₃在卸载条件期间使第二级叶轮16稳定。此外，与其 中经由端口44注入流体F₃的图4相比，在第二叶轮16的下游注入流体F₃可具有提高整个压缩 机效率的优点，因为在该位置处不存在已经对流体F₃所做过的工作(例如，流体F₃在被引入 主流动路径之前未被第二叶轮16加压)。

图4-5的压缩机112、212提供了更高的峰值效率，即使在相对狭窄的运转范围。与 图4-5的压缩机112、212不同，图6-9的压缩机312、412、512和612不包括进口导流叶片36。反 而，如下所述，通过从位于第一叶轮14的下游的再循环流动路径R注入流体来控制容量。

参见图6的压缩机312，流体流F₁被从制冷剂回路L引入进口34。流体流F₁被第一叶 轮14加压并且被径向地排向第一无叶片式扩压器38。在该实例中，邻近第一无叶片式扩压 器38，再循环端口54被设置成从再循环流动路径R引入流体流F₃。如在上述实例中，再循环 流动路径R起源于出口蜗壳50处。

图6中的再循环流动路径R的配置与共同待审美国专利申请号No.14/096,395中所 描述的再循环流动路径R的配置是相同的，该共同待审美国专利整体通过参引包括于此。如 ‘395申请中所阐述的，再循环流动路径R可以连通于再循环蜗壳和多个注入喷嘴，然而，本 公开扩充至其他种类的配置。

继续参见图6，压缩机312包括位于第一无叶片式扩压器38下游的第一叶片式扩压 器56，该叶片式扩压器包括多个固定的(或不动的)叶片。流体F₁和F₃的混合流径向地通过第 一叶片式扩压器56流至横跨弯管40，该横跨弯管使混合流F₁、F₃朝向返回通道42径向地转 向。

如在图4和图5的实例中，压缩机312包括邻近返回通道42的端口44。端口44被设置 成将流体F₂从节热器流动路径E注入压缩机312中。然后，混合流F₁-F₃向下游流至第二叶轮 16，在该第二叶轮处被加压并径向地排出。在第二叶轮16的下游，压缩机312包括第二无叶 片式扩压器48和第二叶片式扩压器58。第二叶片式扩压器58在第二无叶片式扩压器48的下 游并且在出口蜗壳50的上游。像第一叶片式扩压器56那样，第二叶片式扩压器58包括固定 叶片。

流体F₃从再循环流动路径R的注入通过允许下游元件(例如，第一叶片式扩压器 56、第二叶轮16和第二叶片式扩压器58)经历更接近其最佳范围的流而在部分负载条件中 增强压缩机312运转的稳定性。流体F₂的注入进一步稳定了端口44下游的元件，即，第二叶 轮16和第二叶片式扩压器58。进而，注入流体F₂、F₃使压缩机312的有效运转范围延伸至更低 的部分负载运转条件，其减小了浪涌状态的可能性。此外，压缩机312不需要进口导流叶片 或者几何形状可变的扩压器，这减少了压缩机312内的机械构件并且引起增高的可靠性。

图7图解了类似于图6的压缩机312的压缩机412，然而压缩机412不包括邻近返回 通道42的端口(诸如，端口44)。反而，在压缩机412中，来自节热器流动路径E的流体F₂和来 自再循环流动路径R的流体F₃均经由端口54引入压缩机412中。这通过除去端口而简化了压 缩机412的结构。

虽然图6和图7包括具有固定叶片的第一叶片式扩压器56，但是其他压缩机(诸如, 图8和图9的压缩机512、612)可以包括位于第一叶轮14下游的几何形状可变的扩压器60。几 何形状可变的扩压器60的叶片是可调节的，以控制压缩机512、612的容量。压缩机512、612 可以在无需进口导流叶片的情况下有效控制容量。

图8图解了包括位于第一叶轮14下游的几何形状可变的扩压器60的第一实例的压 缩机512。压缩机512还包括位于第二叶轮16下游的叶片式扩压器58。如图8中所示，流体流 F₂、F₃被按与图4的压缩机112基本上相同的方式经由邻近返回通道42的端口44而注入压缩 机12中。因此，压缩机512的容量有效地由第一叶轮14的几何形状可变的扩压器控制，同时 流体F₂、F₃经由端口44的注入如上所述相对于压缩机112稳定了第二叶轮16。

图9图解了包括位于第一叶轮14下游的几何形状可变的扩压器60的第二实例的压 缩机612。压缩机612包括位于第二叶轮16下游的叶片式扩压器58。类似于图5，节热器流动 路径E经由端口44与压缩机12处于流体连通，并且再循环流动路径R与位于第二叶轮16下游 的第二端口52处于流体连通。

在压缩机112、212、312、412、512和612中的每一个中，来自节热器流动路径E的流 体流F₂可以是一致的、稳定流、与压缩机的容量成正比的。

如上所述，在某些实例中，没有节热器流动路径E(因为没有节热器，诸如在图3的 实例中)。在这些情况中，压缩机212、312和612可以不包括端口44(请注意，压缩机112和512 经由端口44注入流体F₃，并且因此仍然存在对于端口44的需要，甚至当消除节热器流动路 径E时也是如此)。

很清楚，术语诸如“前部”、“后部”、“轴向”、“径向”和“周向”用于说明目的，并且不 应该认为是另外的限制。术语诸如“通常”、“基本上”和“大约”不是意指无边界的术语，并且 应该按照本领域技术人员解释所述术语的方式地来解释。

虽然不同实例具有附图中所示的特定构件，但是本公开的实施例不限于所述特定 组合。可以使用来自实例中的一个实例的一些构件或者特征与来自实例中的另一个实例的 特征或构件的结合。

本领域的普通技术人员应当理解，上述实施例是示例性的且不是限制性的。也就 是说，本公开的改型将归入权利要求的范围之内。因此，以下的权利要求应该力图确定其真 实的范围和内容。