[发明专利]容积比控制系统和方法

说明书

相关申请案的交叉参考

本申请案主张于2010年9月14日递交的发明名称为“容积比控制系统和方法”（VOLUME RATIO CONTROL SYSTEM AND METHOD）的第61/382,849号美国临时申请案的优先权和权益，所述申请案以引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明大体涉及正排量压缩机（positive displacement compressor）。更确切的说，本发明涉及对螺杆式压缩机（screw compressor）的容积比进行的控制。

背景技术

在旋转螺杆式压缩机中，进气和压缩可以由两个紧密啮合的、旋转的、有螺旋形突出部分的转子来实现，所述转子交替地把气体抽吸到螺纹上，并将气体压缩到较高压力。螺杆式压缩机为具有进气和压缩循环的正排量装置，类似于活塞式/往复式压缩机。螺杆式压缩机的转子可以安置于紧密配合的孔内，所述孔内置有界定压缩机进气和排气容积的几何特征，提供了压缩机的内置容积比。压缩机的容积比应该与并有压缩机的系统的相关压力条件相匹配，藉以避免过分压缩或不完全压缩，并避免由此产生的功的损失。在闭合回路制冷系统或空调系统中，在热侧换热器与冷侧换热器之间建立系统的容积比。

固定容积比的压缩机可以用于避免可变容积比机器带来的花费和问题。外壳内置有固定入口端口和排气端口的螺杆式压缩机可以针对特定的吸气和排气条件/压力组合来进行优化。然而，连接有压缩机的系统极少会每时每刻在完全相同的条件下运行，尤其在空调应用中。夜间、白天以及季节的温度可以影响系统的容积比以及压缩机运行的效率。在负载可变的系统中，被冷凝器拒收的热量会波动，使得高侧压力上升或下降，导致压缩机的容积比偏离压缩机的最优容积比。

容积比或容积指数（volume index）（Vi）为压缩机在吸气口闭合时的内部容积与排气口刚刚打开时其内部容积之比。螺杆式压缩机、涡旋式压缩机（scroll compressor）以及类似机器可以具有基于压缩机几何结构的固定容积比。

为实现最佳效率，压缩机腔室内部的压力应该基本上等于压缩机的排气管线内的压力。如果内部压力超过排气压力，会造成气体的过度压缩，产生系统损失。如果内腔压力或内部压力太低，排气口打开时会发生回流，从而产生另一类型的系统损失。

例如，制冷系统等蒸汽压缩系统可包括压缩机、冷凝器、膨胀装置（expansion device）以及蒸发器。压缩机的效率与蒸发器以及冷凝器内的饱和条件有关。冷凝器以及蒸发器内的压力可以用来确定压缩机外部的系统的压力比（pressure ratio）。对于当前的实例，压力比（pressure ratio）/压缩比（compression ratio）可以确定为4。容积比（Vi）与压缩比相关，其关系为Vi增加为自身的1/k次幂，k为所压缩的气体或制冷剂的比热的比。基于上述关系，为了实现在最大负载条件下的最佳性能，对于当前的实例，要在压缩机几何结构内构建的容积比会为3.23。然而，在部分负载、低温环境条件（low ambient condition）下，或夜间状态下，制冷系统中冷凝器的饱和条件下降，而蒸发器的条件保持相对恒定。在部分负载或低温环境条件下，为维持压缩机的最佳性能，压缩机的Vi应该降为2.5。

因此，需要这样一种系统，该系统能够在部分负载或低温环境条件下改变压缩机的容积比，而且无需使用诸如滑阀（slide valve）等昂贵而又复杂的装置。

发明内容