[0001] 本
申请要求2007年12月31提交的题为“MHETHOD AND SYSTEM FORROTOR COOLING”的美国临时申请NO.61/017,966的权益，该美国临时申请通过援引纳入本
说明书。
背景技术
[0002] 本申请总体上涉及对蒸气压缩系统中的
压缩机马达进行冷却的系统和方法。
[0003] 密封马达(hermetic motor)可能会受到由旋转过程中的摩擦引起的
风阻损耗(windage losses)。风阻损耗不利地影响马达性能和效率。为了降低马达中的风阻损耗，可以控制与马达直接相关的因素，例如转子的圆周速度、绕转子循环的马达冷却气体的流动和热
力学状态工况(condition)、转子表面的面积和转子表面的粗糙度，以减小马达中的摩擦。
[0004] 一种用于在冷却马达的同时降低马达中的
能量损耗的方法是，朝马达绕组(windings)抽吸制冷剂。通过将制冷剂抽吸经过马达绕组而引起的
温度降低防止了马达部件
过热并且提高了马达运行效率。另一种用于降低马达中能量损耗的方法是，在整个马达腔内保持恒定压力。一个压力
阀可被放置在马达腔内，以释放在运行过程中产生在马达腔内的更高压气体。随着该腔内的压力增大，该阀打开，由此释放高压气体。在该腔内保持恒定压力提高了马达效率。然而，这一方法使用了机械装置，并且对于在马达腔内保持真正恒定压力而言不是优选的。此外，这一方法并没有解决马达腔温度的问题。
[0005] 另外一种方法通过在马达腔内保持恒定压力来控制马达内的能量损耗，同时也防止马达部件之间的油损耗。在马达
轴承部件之间保存油允许实现部件运动的更大润滑，由此减小摩擦同时不允许油逸入马达冷却腔，从而防止过量的油形成
涡流，并且降低能量损耗。一个包含
制冷压缩机变速箱(transmission)和油供应储存器的隔绝式密封的壳体被连接到压缩机的抽吸侧，以平衡壳体中的压力。该方法的关注点在于防止来自油储存中的制冷剂
沸腾。然而，此系统仅仅将马达腔内的压力保持在恒定
水平，并且仅仅帮助降低能量损耗，而不是优化马达效率。
[0006] 然而，对于非常高速的马达而言，即使在诸如转子的圆周速度、围绕马达的马达冷却气体的
密度和流动、转子表面的面积和/或转子表面的粗糙度等因素被优化之后，风阻损耗仍然可以非常大。可被操纵以降低风阻损耗的唯一剩余因素是马达腔中的气体密度。风阻损耗随着马达腔中的气体密度的降低而降低，从而导致更好的马达效率。
[0007] 为了降低这些高速马达腔中的气体密度，使用
真空泵来降低围绕马达的压力，以尽可能地降低风阻损耗。然而，
真空泵的使用没有提供既将马达充分冷却又提供围绕马达腔的真空的能力。一个降低马达腔中的气体密度而同时冷却马达的尝试包括，使用由独立动力源提供动力的辅助正
排量气体压缩机(auxiliary positive displacementgas compressor)，以在完整的蒸气压缩系统运转时将马达腔“抽空(pump down)”。然而，该辅助压缩机可能会消耗比在马达风阻损耗中节省的能量更多的能量。
[0008] 用于蒸气压缩系统中的密封/半密封马达的其他常规转子冷却系统依靠被引导经由转子并且被放泄至该压缩机的
叶轮(impeller)抽吸入口处的最低压力
位置的
蒸发器气体。该系统被用来，通过将系统内的制冷剂密度保持在
蒸发器工况附近，使转子的风阻损耗或摩擦损耗最小化。由于马达的恒定速度，马达中的风阻损耗与马达腔中的气体密度接近成正比。
[0009] 使用最低压气体来进行马达冷却以使马达损耗最小化的潜在的不期望的结果是，压缩机中的
密封件泄漏实际上被最大化，因为跨越密封件受到了最大的压力差。这一论述适用于经由马达腔放泄至第一级抽吸的任何密封件。当利用蒸发器蒸气来冷却转子时，密封件上游的压力处于各个叶轮排放静止工况，而下游压力处于马达腔压力——即接近蒸发器压力。如果只考虑马达风阻损耗，那么该系统使损耗最小化。然而，通过利用蒸发器工况来进行马达冷却，压缩机中的密封件泄漏可能会增加，特别是在两级压缩机中。
发明内容
[0010] 本发明涉及一种蒸气压缩系统。该蒸气压缩系统包括连接成闭合环路(loop)的压缩机、蒸发器和
冷凝器。马达被连接至该压缩机，以向该压缩机提供动力。马达冷却系统被配置为冷却该压缩机马达。该压缩机包括第一压缩机级和第二压缩机级。该第一压缩机级向该第二压缩机级的输入端(input)提供压缩蒸气。该马达冷却系统包括：第一连接件，其与该闭合环路
流体连通，以将制冷剂输送至马达腔中；以及第二连接件，其与该制冷剂环路连接，以使制冷剂返回至具有中间压力(intermediate pressure)的级间连接件(interstageconnection)。该中间压力大于蒸发器运行压力且小于冷凝器运行压力。第一密封件位于该马达腔和该第一压缩机级之间，并且第二密封件位于该马达腔和该第二压缩机级之间。该第一和第二密封件使该制冷剂在该马达腔内保持在中间压力。
[0011] 本发明还涉及一种马达冷却系统，其用于为冷却器系统中的压缩机提供动力的马达。该冷却器系统包括连接成闭合环路的压缩机、蒸发器和冷凝器。该马达冷却系统包括封装该马达的马达壳体，以及位于该马达壳体内的马达腔。该冷却系统包括：来自该马达腔的第一连接件，其与该冷凝器流体连通，以将制冷剂输送至该腔中；以及来自该马达腔的第二连接件，其与该环路流体连通，以使制冷剂返回至具有中间压力的级间连接件。该中间压力大于蒸发器运行压力且小于冷凝器运行压力。该马达腔被配置为使该制冷剂在该马达腔内保持在该中间压力。
[0012] 本发明还涉及一种马达冷却系统，其用于为冷却器系统中的压缩机提供动力的马达，该冷却器系统包括连接成闭合环路的压缩机、蒸发器和冷凝器。该马达冷却系统包括封装该马达的马达壳体，以及位于该马达壳体内的马达腔。该冷却系统包括：来自该马达腔的第一连接件，其与该冷凝器流体连通，以将制冷剂输送至该腔中；以及来自该马达腔的第二连接件，其与该环路流体连通，以使制冷剂返回至具有预定运行压力的该蒸发器。该马达腔被配置为使该制冷剂在该马达腔内保持在该蒸发器运行压力。
附图说明
[0013] 图1示出了商用环境中的暖通
空调(HVAC)系统的一个示例性实施方案。
[0014] 图2示意性地示出了蒸气压缩系统的一个示例性实施方案。
[0015] 图3示出了安装在蒸气压缩系统上的可变速驱动装置(VSD)的一个示例性实施方案。
[0016] 图4示意性地示出了用于多级蒸气压缩系统的冷却系统的一个示例性实施方案。
[0017] 图5示出了压缩机中的平衡
活塞迷宫式(labyrinth)密封件的一个示例性实施方案。
[0018] 图6示出了风阻损耗、密封件泄漏损耗以及组合损耗与马达腔压力的函数关系的一个图表。
具体实施方式
[0019] 图1示出了在用于商用设置的
建筑物12中的、用于
暖通空调系统(HVAC系统)10的一个示例性环境。系统10可以包括一个被包含在蒸气压缩系统14中的压缩机，蒸气压缩系统14可以供应一种可被用于冷却建筑物12的
冷却液体(chilled liquid)。系统10也可以包括一个用于加热建筑物12的
锅炉16，以及一个使空气在建筑物12中循环的空气分配系统。该空气分配系统可以包括一个回风管(airreturn duct)18、一个送风管(air supply duct)20和一个空气处理机(air handler)22。空气处理机22可以包括一个
热交换器，该热交换器通过管道(conduits)24连接至锅炉16和蒸气压缩系统14。根据系统10的运行模式，空气处理机22中的热交换器可以接收来自锅炉16的加热液体(heated liquid)或者来自蒸气压缩系统14的冷却液体。系统10被示为在建筑物12的每一层具有一个分立的空气处理机，但是应理解，这些部件可以在两层或者多层之间共享。
[0020] 图2示意性地示出了可被用在图1的建筑物12中的、带有VSD 26的系统14的一个示例性实施方案。系统10可以包括一个压缩机28、一个冷凝器30、一个液体冷却器(chiller)或蒸发器32以及一个控制面板34。压缩机28由马达36驱动，马达36由VSD26提供动力。VSD 26可以是，例如，一个向量式驱动装置(vector-type drive)或者一个可变
电压、可变
频率(VVVF)驱动装置。VSD 26从交流(AC)电源38接收具有特定的固定线电压和固定线频率的交流电，并且向马达36提供具有期望电压和期望频率的交流电，该期望电压和频率都可以被改变以满足特定的要求。控制面板34可以包括各种不同的部件，诸如模数(A/D)转换器、
微处理器、非易失性
存储器以及
接口板，以控制系统10的运行。控制面板34也可以用来控制VSD 26以及马达36的运行。
[0021] 压缩机28对制冷剂蒸气进行压缩，并且经由一个排放管线(discharge line)将该蒸气输送至冷凝器30。压缩机28可以是任何适宜类型的压缩机，例如螺杆式压缩机、离心式压缩机、往复式压缩机或涡旋式压缩机。由压缩机28输送至冷凝器30的制冷剂蒸气与一种流体——例如空气或水——发生热交换关系，并且由于与该流体的热交换关系，该制冷剂蒸气经历
相变而成为制冷剂液体。来自冷凝器30的冷凝的液态制冷剂经由一个膨胀装置66流至蒸发器32。
[0022] 在另一个示例性实施方案中，蒸发器32可以包括连接件，其用于冷却负载(cooling load)的供应管线和返回管线。辅助液体(secondary liquid)——例如水、乙烯、氯化
钙盐水或
氯化钠盐水——经由返回管线进入蒸发器32，并且经由供应管线离开蒸发器32。蒸发器32中的液态制冷剂与该辅助液体发生热交换关系，以降低该辅助液体的温度。
由于与该辅助液体的热交换关系，蒸发器32中的制冷剂液体经历相变而成为制冷剂蒸气。
蒸发器32中的蒸气制冷剂经由一个抽吸管线离开蒸发器32并返回至压缩机28以完成循环。
[0023] 图3示出了HVAC&R系统的一个示例性蒸气压缩系统。VSD 26被安装在蒸发器32的顶部上，且邻近于马达36和控制面板34。马达36可以被安装在位于蒸发器32的对侧的冷凝器30上。来自VSD 26的输出线路(wiring)(未示出)被连接至用于马达36的马达引出线(motorleads)(未示出)，以向驱动压缩机28的马达36提供动力。
[0024] 参考图1，一个示例性HVAC、制冷或液体冷却器系统10包括连接成制冷环路的压缩机28、冷凝器30和液体冷却蒸发器32。在一个示例性实施方案中，该冷却器系统具有250吨或更大的容量，并且可以具有1000吨或更大的容量。马达36被连接至压缩机28以向压缩机28提供动力。马达36和压缩机28优选地被容纳在一个共用的密封
外壳内，但它们可以被容纳在分立的密封外壳内。
[0025] 来自冷凝器30的高压液态制冷剂流经一个膨胀装置(expander)66，以以低压进入蒸发器32。被输送至蒸发器32的液态制冷剂与一种流体——例如空气或水——发生热交换关系，并且由于与该流体的热交换关系，该液态制冷剂经历相变而成为制冷剂蒸气。蒸发器32中的蒸气制冷剂通过一个抽吸管线离开蒸发器32并返回至压缩机28以完成循环。应理解，在该系统中可以使用冷凝器30和蒸发器32的任何适宜配置，只要能够在冷凝器30和蒸发器32中获得制冷剂的适当相变。一个马达冷却环路被连接至该制冷剂环路，以向马达36提供冷却。
[0026] 在图4中，示出了一个多级压缩机系统。多级压缩机38包括一个第一压缩机级42和一个第二压缩机级44。第一压缩机级42和第二压缩机级44被布置在马达36的相对端部，马达36驱动每一个压缩机级42、44。蒸气制冷剂经由制冷剂管线50被引入第一压缩机级42。制冷剂管线50是由蒸发器32的排放管线46提供的。该蒸气制冷剂被第一压缩机级42压缩，并被排放至一个级间跨接管线(interstagecrossover line)48中。级间跨接管线48在一个相对端部被连接至第二压缩机级44的一个抽吸输入端52。该制冷剂在第二压缩机级44中被进一步压缩，以输出至压缩机排出管线54，并供应至冷凝器30，在这里，已加压的蒸气制冷剂被冷凝成液体。在图4所示的示例性实施方案中，一个可选的经济器(economizer)回路(circuit)60被插入液态制冷剂返回路径56、58，并且一个蒸气流动管线62被连接至抽吸入口52，用于向第二压缩机级44提供中间压力制冷剂，以增加制冷剂循环的效率。通过将蒸发器32经由一个第二制冷剂蒸气管线64连接至密封或半密封压缩机38内的马达36内的空气间隙(gap)，来提供一个马达冷却源(source of motor cooling)。
蒸气管线64与马达36的内部流体连通，并且以相对于第二压缩机级44的抽吸入口52而言的中间压力提供制冷剂。该中间压力可以是大于蒸发器运行压力且小于冷凝器运行压力的压力。在一个示例性实施方案中，该中间压力可以近似等于第一压缩机级42排放压力、第二压缩机级44抽吸压力、或经济器运行压力，所有这三个压力接近相等，具有由管路降(line drop)造成的轻微差异。在一个实施方案中，马达36可以经由一个放泄管线49放泄连接至级间跨接管线48或者与之流体连通的位置。该放泄连接确定了马达腔78的中间压力水平(图5)。
[0027] 在另外一个实施方案中，马达36可以经由另外的放泄管线47放泄至蒸发器32，而放泄管线49被从图4中去除。另外的放泄管线47可以用在，例如，压缩机级42、44与马达腔78(图5)之间可以实现完全或接近完全的密封的情况下；在这样的情况下，最小损耗将对应于马达腔78内的最小压力，通过经由另外的放泄管线47放泄至蒸发器32可实现该最小损耗。而且，在单级压缩机38的情况下，用上述方法，通过使马达36放泄至蒸发器32，可以冷却马达36和马达腔78。
[0028] 接下来参照图5，多级压缩机38的一个局部截面图示出了马达36与第一压缩机级42或第二压缩机级44之间的接口(interface)72，压缩机38关于任一个接口72大致对称。一个密封件70被布置在马达36和第一压缩机级42之间。另一个密封件70被布置在马达36和第二压缩机级44之间。对于第一压缩机级42和第二压缩机级44的平衡活塞迷宫式密封件70而言存在泄漏路径。密封件70上游的压缩机级腔74中的压力分别与每一个叶轮76的排放静态工况近似相同。位于密封件70下游的马达腔78在马达腔78工况下被加压，马达腔78工况即，当来自蒸发器32的蒸气被用来冷却转子时，马达腔压力近似等于蒸发器压力。通过第一压缩机级42的抽吸，来自蒸发器32的蒸气经由制冷剂蒸气管线64被放泄回来。
[0029] 图6描绘了一个代表性压缩机的风阻和密封件泄漏的近似理论损耗与马达腔压力的函数关系。在x轴示出的马达腔压力在蒸发器工况和冷凝器工况之间变化，以产生这些曲线。图表80表现了马达中的密封件泄漏功率损耗84、转子风阻功率损耗82以及组合功率损耗86占总功率的百分比与马达腔压力的函数关系。组合功率损耗——线86——是密封件泄漏功率损耗和转子风阻功率损耗之和。因转子风阻而损失的最小功率出现在点88，该点对应于最低马达腔压力。点88出现在马达36内的近似蒸发器压力工况。相反，因密封件泄漏而损失最小功率的点90出现在当跨越密封件的压力差近似为零时。跨越密封件的压力差近似为零的点90与高马达腔压力吻合。在该示例性图表80中，内部马达腔压力近似为126PSI。
[0030] 出现最小压缩机系统功率损耗——或组合功率损耗——的点92是密封件泄漏损耗和转子风阻损耗之和被最小化的点，如线86所示。此组合功率损耗最小点92出现在高马达腔压力处。此结果与仅考虑转子风阻损耗时所得到结果相违，即，如果考虑转子风阻损耗而不考虑密封件泄漏，则转子风阻损耗在最低的马达腔压力处被最小化。
[0031] 图表80示出，为了使组合压缩机系统损耗86最小化，密封件泄漏损耗82必须被最小化或降低。这可以，例如，通过能减少泄漏的改进密封件以及通过使跨越密封件的压力差最小化来实现。在一个示例性实施方案中，通过使用马达冷却流源(sources of motor coolingflow)以及尽可能地以接近相等的压力进行放泄，可以使跨越密封件的压力差最小化。
[0032] 使跨越密封件70的压力差最小化的一个方法是，使用高压蒸气——其超过蒸发器32的蒸气压力——来冷却马达腔78，以实现最小系统损耗。在一个示例性实施方案中，该方法采用了来自冷凝器30的、膨胀为纯蒸气的液态制冷剂来提供转子间隙冷却，如冷却剂(coolant)供应管线37(图4)所示，并且放泄回到一个中间压力位置，例如第二级抽吸入口
52、第一级排放或级间跨接管线48或者经济器容器60。也可以使用其他中间压力位置，并且前述位置仅是举例而非限制。本领域技术人员应理解，在制冷剂回路中可以找到多个中间压力位置，而所给出的实例是制冷剂回路中通常可介入的点。
[0033] 在另一个示例性实施方案中，没有采用跨越屏障(barrier)密封件具有最小化压力差的专用冷却管线，而是，该系统可以在不将冷却源从该系统的其他部分分离的前提下，利用仅从级二(stage two)经由马达腔流入级一(stage one)的密封件泄漏。此方法降低了系统复杂度和成本。在任一种情况下，确保了将马达和轴承运行温度保持在要求的限度之内。
[0034] 所公开的冷却方法可以被应用于运转在密封/半密封环境中、处于各自的马达运行限度内的各种类型的马达，例如感应马达(inductionmotor)、永磁马达(permanentmagnet motor)、混合永磁马达(hybridpermanent magnet motor)、实心转子马达(solid rotor motor)。另外，该方法适用于处于各自的轴承运行限度内的各种轴承类型，例如油膜轴承(oil film bearing)、气体或箔片轴承(gas or foilbearing)、滚动元件轴承(rolling element bearing)、
磁轴承(magnetic bearing)、以及其他适宜的轴承。
[0035] 对于具有不同特征的各类密封件，马达腔78的最佳运行压力不同，从而所得到密封件泄漏相应地会不同。
[0036] 重要的是注意，各示例性实施方案中所示的用于转子冷却的方法和系统的构造和布置仅仅是说明性的。尽管在本公开文本中只详细描述了几个示例性实施方案，但阅读本公开文本的本领域普通技术人员应容易地理解，在本质上不脱离
权利要求中所记载的主题的新颖教导和优点的前提下，有可能进行许多改型(例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例，参数的值，安装布置，材料使用，
颜色，定向等方面的更改)。例如，被示为整体形成的元件可以由多个部件或元件构成，元件的位置可以被反转或者以其他方式改变，并且离散元件的性质或数量或者位置可以变更或改变。相应地，所有这样的改型都旨在被包括在本申请的范围内。任何过程或方法步骤的顺序或次序可以根据另外的实施方案而改变或重排。在权利要求中，任何“装置+功能”条款都旨在
覆盖在此描述的、执行所记载功能的结构，并且不仅覆盖结构等同物，而且覆盖等同的结构。在不脱离本申请的范围的前提下，可以对示例性实施方案的设计、运行工况和布置进行其他替换、改型、变化和省略。
