CN1705826A - 可变内部容积比式变频螺杆压缩机 - Google Patents

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Abstract

利用基于变频器(15)的电动机(11)的转速控制，进行相对负荷的能力调整。这样，在能力调整时不需要进行卸载控制，抑制运转效率的降低。另外，不需要进行容量控制的容量控制阀，简化阀控制机构。另一方面，可变内部容积比的作用是达到与运转状态(能力)对应的最高的压缩机效率，在低内部容积比指令时，利用压缩部控制器(27)使滑阀(19)向轴向电动机(11)侧移动，加快压缩步骤的结束时间，尽快喷出压缩气体。与此相对，在高内部容积比指令时，使滑阀(19)向轴向活塞(25)侧移动，延迟压缩步骤的结束时间，推迟喷出压缩气体。

Description

可变内部容积比式变频螺杆压缩机
技术领域
本发明涉及一种可以改变螺杆压缩机的吸入容积和喷出容积之比，即内部容积比的可变内部容积比式变频螺杆压缩机。
背景技术
以往，作为可以改变上述内部容积比的可变内部容积比式螺杆型压缩机，有图7所示的压缩机(例如，参照专利第3159762号公报)。
在该可变内部容积比式螺杆型压缩机中，在需要变更上述内部容积比时，利用步进电机1使连杆(rod)2旋转，使可变VI(内部容积比)阀3例如后退。此时，容量控制阀4与可变VI阀3一起后退，在可变VI阀3被固定于新的设定位置时，以接触可变VI阀3的状态被再次固定，这样，上述容量控制阀4的前端后退到与变动后的内部容积比相对应的位置，重新规定喷出口5的开口度。
该情况时，检测压力Pd1，并向步进电机1提供使该检测压力Pd1和喷出压力Pd2之差ΔP为最小的信号，由此指定上述内部容积比，所述压力Pd1是由运转时的转子和壳体7内壁形成的空间与喷出空间连通之前的压力。或者，利用控制装置10分析运转时的吸入压力、喷出压力等的参数趋势，预测最佳内部容积比，并向步进电机1提供表示该最佳内部容积比的值的信号，由此指定上述内部容积比。
在上述结构中，从吸入孔6吸入的流体，在壳体7内通过阴、阳转子(未图示)被压缩后，经过喷出口5向喷出孔8喷出。
在该状态下，施加给可变内部容积比式螺杆型压缩机的负荷变动，在需要容量控制的情况下，根据该控制指令，油压活塞9进行前进动作，使容量控制阀4只前进需要的量，所以在可变VI阀3和容量控制阀4之间产生间隙。并且，压缩中的流体从可变VI阀3和容量控制阀4的间隙在吸入侧旁通(by-pass)。
即，在上述专利第3159762号公报中，使从容量控制阀4喷出的压缩气体的内部容积比可以改变，以便对应于全负荷能力(100％负载)下运转时的高低压力条件，而达到最高的压缩机效率。
但是，在上述以往的专利第3159762号公报中公开的可变内部容积比式螺杆型压缩机中，存在以下问题。
即，上述以往的可变内部容积比式螺杆型压缩机的可变内部容积比技术，使从喷出口5喷出的压缩气体的内部容积比可以改变，以便对应于运转时的高低压力条件而达到最高的压缩机效率，但是形成为对应于全负荷能力(100％负载)时的设定。并且，在部分负荷能力时(部分负载时)，由于使压缩中途的流体从可变VI阀3和容量控制阀4的间隙在吸入侧旁通，需要进行能力调整(卸载控制)，所以存在效率较差的问题。
另外，由于设有变更内部容积比的可变VI阀3和进行容量控制的容量控制阀4，所以需要分别地设置变更内部容积比时的可变VI阀3控制机构和控制容量时的容量控制阀4控制机构，存在阀控制机构复杂的问题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种可以根据负荷(运转条件)经常以最大效率运转的可变内部容积比式螺杆压缩机。
为了达到上述目的，本发明的可变内部容积比式变频螺杆压缩机的特征在于，具有：可变内部容积比阀，通过变更螺杆压缩部的压缩步骤的结束时间，可以改变内部容积比；旋转驱动上述螺杆压缩部的电动机；根据负荷控制上述电动机的旋转频率的变频器。
根据上述结构，在根据负荷调整压缩能力时，利用变频器控制电动机的旋转频率。这样，不进行卸载控制即可进行能力调整。并且，为了达到与所调整的上述电动机的旋转频率对应的最高的压缩机效率，控制可变内部容积比阀的开度，设定螺杆压缩部的压缩步骤的结束时间。结果，可以根据负荷经常以最大效率运转。
并且，本发明的可变内部容积比式变频螺杆压缩机的特征在于，具有控制部，根据上述螺杆压缩部的吸入侧压力和喷出侧压力和上述电动机的旋转频率，控制上述可变内部容积比阀的开度。
根据上述结构，在上述可变内部容积比时，利用控制部，根据上述螺杆压缩部的吸入侧压力和喷出侧压力和上述电动机的旋转频率，控制上述可变内部容积比阀的开度。因此，能够利用预先设定的压缩比和电动机的旋转频率和最佳内部容积比的关系，准确且容易地控制上述内部容积比，以达到由上述变频器调整的上述电动机的旋转频率所对应的最高的压缩机效率。
附图说明
图1A、1B是本发明的可变内部容积比式变频螺杆压缩机的主要部分结构图。
图2是表示图1所示的可变内部容积比式变频螺杆压缩机的能力·内部容积比控制系统的图。
图3是表示与图2不同的能力·内部容积比控制系统的图。
图4是表示压缩比和最佳内部容积比的各旋转频率的关系的图。
图5是表示冷冻能力和压缩机效率的各压缩比的关系的图。
图6A、6B是表示螺杆型压缩机的内容积和压力的关系的图。
图7是以往的可变内部容积比式螺杆型压缩机的剖面图。
具体实施方式
以下，根据图示实施方式详细说明本发明。图1是本实施方式的可变内部容积比式变频螺杆压缩机的概略结构图。图1A表示低内部容积比时，图1B表示高内部容积比时。
在图1中，11表示电动机，具有被固定在固定于壳体(未图示)的定子12和固定于主轴14的一端侧并旋转的转子13。电动机11由变频器(inverter)15进行变频驱动。上述主轴14的两端由轴承16、17支撑，在主轴14的另一端侧安装着螺杆转子(screw rotor)18。在主轴14通过电动机11旋转时，螺杆转子18旋转，利用外周面的螺纹槽(未图示)压缩吸入气体。设有面对螺杆转子18的外周面的圆筒状的滑阀19，其在轴向上具有规定长度的喷出口20，由螺杆转子18压缩的气体从喷出口20喷出。
在上述滑阀19的电动机11的相反侧端面安装着多个连杆(rod)22的一端，其由支撑板21支撑着自由滑动。各连杆22的另一端安装在一块连接板23上。在支撑板21的螺杆转子18的相反侧表面中央设有气缸24，活塞25被收容于该气缸24中，在活塞25的螺杆转子18的相反侧安装着活塞杆26，在活塞杆26的前端安装连接板23。这样，随着活塞25向轴向的移动，滑阀19通过活塞杆26、连接板23和连杆22向轴向移动。
进排到上述气缸24内的活塞25两侧的工作室中的工作流体，根据来自压缩部控制器27的控制信号，由流体控制装置28控制。另外，上述流体控制装置28的具体结构为，在降低内部容积比时，按照图1A所示使活塞25向螺杆转子18侧移动，而在提高内部容积比时，按照图1B所示使活塞25向螺杆转子18的相反侧移动，只要具有这种结构，就没有特别限定。
在上述结构的可变内部容积比式变频螺杆压缩机中，利用变频器15对电动机11的转速控制，进行相对负荷的能力调整。这样，在能力调整时不需要进行卸载控制，可以抑制运转效率的降低。另外，不需要进行容量控制的容量控制阀，可简化阀控制机构。
对此，利用压缩部控制器27控制滑阀19的位置，使上述可变内部容积比达到与运转状态对应的最高效率。并且，在低内部容积比指令时，使滑阀19(即，喷出口20的开始位置)向轴向电动机11侧移动，由此加快压缩部的压缩步骤的结束时间，尽快喷出压缩气体。另一方面，在高内部容积比指令时，使滑阀19(即，喷出口20的开始位置)向轴向活塞25侧移动，延迟压缩部的压缩步骤的结束时间，推迟喷出压缩气体。即，在本实施方式中，利用滑阀19构成上述可变内部容积比阀。
并且，如上所述，利用上述变频器15设定电动机的转速，利用压缩部控制器27设定滑阀19的位置后，从吸入口吸入的吸入气体通过电动机11内部被导入螺杆转子18。并且，由形成于螺杆转子18外周面的上述螺纹槽压缩，从滑阀19的喷出口20喷出。
以下，说明本实施方式的电动机11的转速控制和滑阀19的位置控制。
图2是表示本可变内部容积比式变频螺杆压缩机的能力·内部容积比控制系统的图。在图2中，以安装在冷冻机上压缩加热制冷剂的螺杆压缩机31为例进行说明。
上述冷冻机构成为将螺杆压缩机31、冷凝器32、膨涨阀33和蒸发器34顺序连接成环状。从螺杆压缩机31喷出的高温高压制冷剂在冷凝器32中与冷却水或空气进行热交换被冷凝，成为低温高压的液体制冷剂供给膨涨阀33。被膨涨阀33减压的低温低压液体制冷剂在蒸发器34中与水进行热交换而蒸发，成为低压气体返回螺杆压缩机31。在蒸发器34被冷却的冷水用于冷气设备。
在上述蒸发器34的制冷剂管安装着温度传感器35，表示来自该温度传感器35的冷却水温Tw的检测信号被输入控制装置36的转速输出部37。这样，转速输出部37把基于所输入的检测信号的冷却水温Tw作为负荷侧的信息，根据例如与设定温度的差，算出用于获得所需要的冷冻能力的电动机11的旋转频率Hz，输出给控制装置36的最佳内部容积比输出部38和变频器15。变频器15根据上述接收的旋转频率Hz，控制电动机11的转速。由此，进行相对负荷的能力调整。
另一方面，在包括上述螺杆转子18和滑阀19的螺杆压缩部39的吸入侧安装着低压侧压力传感器40，在喷出侧安装着高压侧压力传感器41。并且，表示来自低压侧压力传感器40的低压力LP的检测信号、和表示来自高压侧压力传感器41的高压力HP的检测信号，被输入给最佳内部容积比输出部38。这样，最佳内部容积比输出部38根据基于所输入的检测信号的吸入侧低压力LP和喷出侧高压力HP，检测设定电动机11的转速后的运转状况。并且，根据低压力LP和高压力HP及来自转速输出部37的旋转频率Hz，进行运算处理，算出当前的旋转频率Hz的最佳内部容积比，输出给压缩部控制器27。这样，压缩部控制器27根据上述接收的内部容积比控制流体控制装置28的动作。并且，进行与运转状况对应的内部容积比控制。
但是，上述流体控制装置28的结构在具有进行与滑阀19向轴向的移动成比例的动作的部件(操作先导阀(pilot valve)的外部驱动电机等)时，可以根据上述部件的动作位置检测滑阀19的位置。该情况时，把来自流体控制装置28的表示滑阀19的位置SV的检测信号，经由压缩部控制器27或直接输入最佳内部容积比输出部38。在最佳内部容积比输出部38，根据上述接收的滑阀19的位置SV求出当前的内部容积比值，对最佳内部容积比进行反馈控制。这样，可以高精度地进行可变内部容积比控制。
另外，上述流体控制装置28的结构在为不能检测滑阀19的位置的结构(例如，由配管和电磁阀构成)时，最佳内部容积比输出部38乘算自起动时起的输出内部容积比值，并且，把该乘算内部容积比值作为当前的内部容积比值，算出对最佳内部容积比值的控制量ΔVI，由此可以进行反馈控制。
图3是表示与图2不同的能力·内部容积比控制系统的图。在图3中，螺杆压缩机31也安装在冷冻机上。并且，控制装置51和变频器54具有与图2不同的结构。以下，对和图2相同的部件赋予相同的标号，主要说明控制装置51和变频器54的动作。
与图2所示情况相同，表示来自温度传感器35的冷却水温Tw的检测信号被输入给控制装置51的转速输出部52。并且，表示来自低压侧压力传感器40的低压力LP的检测信号、和表示来自高压侧压力传感器41的高压力HP的检测信号，被输入给控制装置51的最佳内部容积比输出部53。利用转速输出部52，根据冷却水温Tw算出用于获得需要的冷冻能力的电动机11的旋转频率Hz，利用变频器54控制电动机11的转速。由此，进行相对负荷的能力调整。
本实施方式的变频器54可以检测上述电动机11的驱动电压V和驱动电流A(或驱动电功率W)，把所检测的驱动电压V和驱动电流A(或驱动电功率W)送回给转速输出部52。通过转速输出部52，将上述算出的旋转频率Hz和上述接收的驱动电压V和驱动电流A(或驱动电功率W)发送给最佳内部容积比输出部53。
这样，上述最佳内部容积比输出部53与图2所示情况相同，根据来自压力传感器40、41的低压力LP和高压力HP及来自转速输出部52的旋转频率Hz和来自流体控制装置28的滑阀19的位置SV，进行运算处理，算出对最佳内部容积比的控制量ΔVI，输出给压缩部控制器27。
另外，在本实施方式中，利用上述最佳内部容积比输出部53存储来自转速输出部52的驱动电压V和驱动电流A(或驱动电功率W)的变化推移。并且，一面反复进行上述的内部容积比动作，一面进行内部容积比控制，以使驱动电压V和驱动电流A(或驱动电功率W)为最小。
以后，与图2所示情况相同，利用上述压缩部控制器27，根据上述接收的控制量ΔVI，控制流体控制装置28的动作，反馈控制对应于运转状况的内部容积比。
另外，该情况时与图2的情况相同，上述流体控制装置28的结构为不能检测滑阀19的位置的结构时，最佳内部容积比输出部53乘算自起动时起的输出内部容积比值后，把乘算内部容积比值作为当前的内部容积比值，算出最佳内部容积比值的控制量ΔVI。
在图2和图3所示的控制装置36、51的最佳内部容积比输出部38、53中，进行运算处理来算出对最佳内部容积比的控制量ΔVI。但是，把来自低压侧压力传感器40的低压力LP和来自高压侧压力传感器41的高压力HP及来自转速输出部37、52的旋转频率Hz顺序存储在存储器中，并且，把低压力LP、高压力HP和旋转频率Hz与前次进行内部容积比动作时的低压力LP和高压力HP及旋转频率Hz比较，根据它们的变化推移，也可以求出对最佳内部容积比的控制量ΔVI。
图4表示利用来自上述高压侧压力传感器41的高压力HP和来自低压侧压力传感器40的低压力LP之比(HP/LP)表示的压缩比、和最佳内部容积比的各运转频率Hz(＝30Hz、60Hz、90Hz)的关系。图4中的直线是利用VI＝(HP/LP)1/k(k：制冷剂比热比)表示的理论值。针对每种制冷剂求出这种压缩比和最佳内部容积比及运转频率Hz的关系，把上述关系加进利用图2和图3所示的最佳内部容积比输出部38、53进行运算处理时的运算公式中。
这样，通过上述最佳内部容积比输出部38、53的运算处理，可以准确算出当前旋转频率Hz下对最佳内部容积比的控制量ΔVI。
如上所述，在本实施方式中，利用变频器15变频驱动螺杆压缩机的电动机11。并且，根据来自压缩部控制器27的控制信号，利用流体控制装置28控制进排到气缸24内的工作室中的工作流体，由此控制滑阀19的轴向位置，该滑阀19规定喷出的开始位置。
并且，利用构成控制装置36、51的转速输出部37、52，把冷却水温Tw作为负荷侧的信息，算出用于获得所需要的冷冻能力的旋转频率Hz，利用变频器15、54把电动机11的转速控制为该旋转频率Hz，由此进行相对负荷的能力调整。因此，在能力调整时不需要进行卸载控制，可以抑制运转效率的降低。另外，不需要进行容量控制的容量控制阀，简化阀控制机构。
另外，利用上述控制装置36、51的最佳内部容积比输出部38、53，根据吸入侧的低压力LP和喷出侧的高压力HP和旋转频率Hz，进行运算处理，算出当前的旋转频率Hz的最佳内部容积比(或ΔVI)，利用压缩部控制器27和流体控制装置28设定滑阀19的轴向位置，规定喷出的开始位置，由此实现上述可变内部容积比。因此，能够设定内部容积比，以达到与电动机11的旋转频率Hz对应的最高的压缩机效率。
因此，根据本实施方式，为了进行相对负荷的能力调整，可以把控制螺杆压缩机31的旋转频率Hz时的压缩机效率的降低抑制到最小限度。
图5表示冷冻能力和压缩机效率的关系。横轴表示冷冻能力Q，利用把以往的可变内部容积比和卸载控制并用的可变内部容积比式螺杆压缩机的60Hz时的冷冻能力设为100％的百分率进行表示。另一方面，纵轴表示压缩机效率。另外，使上述压缩比变化为2.1、3.9、5.5、7.9。
根据该图，本实施方式的可变内部容积比和变频控制并用的可变内部容积比式变频螺杆压缩机，与可变内部容积比和卸载控制并用的以往的可变内部容积比式螺杆压缩机相比，在100％以下的冷冻能力Q下，无论哪种压缩比都可以提高压缩机效率。而且，冷冻能力越低，越能大大提高压缩机效率，可以获得更大效果。并且，本可变内部容积比式变频螺杆压缩机，利用变频控制进行相对负荷的能力调整。因此，能够进行100％以上的能力调整。另外，利用卸载控制进行相对负荷的能力调整的以往的螺杆压缩机，当然不能进行100％以上的能力调整。
可是，螺杆压缩机即使在相同的压力条件下，由于旋转频率使得内压产生差异，因此存在对应各频率的最佳内部容积比的值。图6表示频率30Hz时(图6A)和频率90Hz时(图6B)的内容积和压力的关系。图中虚线是表示把内部容积比固定在频率60Hz的最佳内部容积比值的固定内部容积比时的内容积和压力的关系的曲线。另外，单点划线是表示理论绝热压缩时的内容积和压力的关系的曲线。在上述固定内部容积比中，在30Hz频率时，在时刻(A)产生压缩不足，压力急剧减少。并且，在90Hz频率时，在时刻(B)产生过度压缩，相比理论值压力大大增大。由此，不能单纯地把变频器适用于螺杆压缩机的容量控制。
可是，如本实施方式那样，通过形成可变内部容积比，如实线所示，可以消除在固定内部容积比时，在30Hz频率情况下所产生的压缩不足，并减小压力变动的幅度；并且，可以消除在固定内部容积比时，在90Hz频率情况下所产生的过度压缩，减小压力变动的幅度。
另外，在上述实施方式中，以把本可变内部容积比式变频螺杆压缩机的能力·内部容积比控制系统适用于冷冻机为例进行了说明，但是本发明不限于此。总之，在图2和图3中，输入给控制装置36、51的转速输出部37、52的检测信号只要是表示负荷状态的信号即可。

Claims (2)

1.一种可变内部容积比式变频螺杆压缩机，其特征在于，具有：
可变内部容积比阀(19)，通过变更螺杆压缩部(39)的压缩步骤的结束时间，可以改变内部容积比；
旋转驱动上述螺杆压缩部(39)的电动机(11)；
根据负荷控制上述电动机(11)的旋转频率的变频器(15)。
2.根据权利要求1所述的可变内部容积比式变频螺杆压缩机，其特征在于，具有控制部(36、51、27、28)，根据上述螺杆压缩部(39)的吸入侧压力和喷出侧压力和上述电动机(11)的旋转频率，控制上述可变内部容积比阀(19)的开度。
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