專利名稱：熱泵裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用渦旋壓縮機的熱泵裝置的空氣調節(jié)器及冷凍裝置。
下文利用圖2說明以往的熱泵裝置。壓縮機100、蒸發(fā)器210、冷凝器220、膨脹閥230按照圖2所示的方式連接在一起?？刂蒲b置240是控制壓縮機100的轉速的例如變換器的電力變換裝置?？刂蒲b置240在作為熱泵的一個例子的空氣調節(jié)器中，在可變的范圍內(nèi)，根據(jù)可變及運轉的ON·OFF的控制來調節(jié)對壓縮機100的轉速的控制，使室內(nèi)溫度成為控制目標的設定溫度。另外，控制裝置240還用來調節(jié)膨脹閥230的開度、流向蒸發(fā)器210及冷凝器220的通風量。這樣的熱泵裝置進行控制后，能得到進行冷凍循環(huán)的控制時所需要的冷凍能力，并在室內(nèi)溫度達到設定溫度時對各種控制量進行調節(jié)，控制所消耗的電力。
適于這種熱泵裝置的壓縮機有渦旋壓縮機，該渦旋壓縮機通過將旋轉渦旋件和非旋轉渦旋件(固定渦旋件)相互組合在一起而形成壓縮室，其中旋轉渦旋件和非旋轉渦旋件都是通過在端板上形成渦卷狀的卷而構成的。這種渦旋壓縮機在壓縮機運轉過程中，由壓縮室內(nèi)的壓力產(chǎn)生沿著使旋轉渦旋件和非旋轉渦旋件分離方向的力。針對該分離力，必須形成推壓兩個渦旋件方向的力。
具體地說，至少在旋轉渦旋件和非旋轉渦旋件的任何一方上，在端板(或稱作鏡板)的壓縮室的相反一側設置背面壓力區(qū)域，把壓力流體導入該背面壓力區(qū)域，在讓旋轉渦旋件和非旋轉渦旋件相互接近的方向上產(chǎn)生力(推壓力)。其背面壓力的大小通過把該背面壓力設計為吸入壓力與排出壓力之間的中間壓力的機構實現(xiàn)，即把該背面壓力設計為吸入壓力等的(熱泵裝置內(nèi)部的壓力)×(常數(shù))+(常數(shù))的中間壓力。
作為這種把壓力導入背壓室的技術已是公知技術，例如特開平7-217557號公報(文獻1)及特開昭64-381號公報(文獻2)所公開的技術方案。
在文獻1中，記載了用管路通過壓力調節(jié)閥把背壓室與吸入側連接在一起、當壓差大于通過初期設定由壓力調節(jié)旋鈕所設定的彈簧力時、打開壓力調節(jié)閥、使壓差成為與彈簧力相抵的壓差的方案。
在文獻2中，記載了設定兩個把旋轉渦旋件的背面區(qū)域劃分成同心圓狀的壓力區(qū)域、通過把高壓導入內(nèi)側區(qū)域、根據(jù)條件把低壓或高壓的壓力導入外側區(qū)域、從而改變推壓力的方案。
在上述文獻1中，一旦背壓室的壓力成為與吸入壓力對應的能和設定的彈簧力相抵的壓力時，即背壓室的壓力為吸入壓力加克服彈簧力的壓力，這使吸入壓力與背壓室壓力的關系一定，得不到更合適的壓力。
另外，在文獻2中，根據(jù)高低壓差對背壓室外側區(qū)域的壓力進行兩極切換，高壓與低壓是什么樣的壓力并不明確，因而背壓室的平均壓力只有兩種類型，與文獻1一樣得不到合適的壓力。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種能使背壓室的壓力成為合適的壓力的熱泵裝置。
為了完成上述目的，本發(fā)明提供一種熱泵裝置，該熱泵裝置包括渦旋壓縮機、熱交換器和膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、以及把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，該熱泵裝置還包括用于檢測熱泵裝置或渦旋壓縮機的電力消耗的裝置和根據(jù)該檢測裝置的輸出而增減上述背壓室的壓力的裝置。
附圖簡介

圖1是本發(fā)明熱泵裝置的構成圖；圖2是以往熱泵裝置的構成圖；圖3是背面壓力與壓縮電力消耗的關系示意圖4是背面壓力控制的算法示意圖；圖5是背面壓力控制的算法示意圖；圖6表示背面壓力控制結構的實施例；圖7是表示背面壓力控制結構的實施例；圖8是表示背面壓力控制結構的實施例；圖9是表示背面壓力控制結構的實施例；圖10是表示背面壓力控制結構的實施例；圖11是表示背面壓力控制結構的實施例；圖12是表示背面壓力控制結構的實施例；圖13是表示背面壓力控制結構的實施例；圖14是表示背面壓力控制結構的實施例；圖15是表示背面壓力控制結構的實施例；圖16是表示背面壓力控制結構的實施例；圖17是表示背面壓力控制結構的實施例；圖18是表示背面壓力控制結構的實施例；圖19是進行容量控制的壓縮機例子的示意圖；圖20是容量控制時的PV曲線圖；圖21是容量控制時壓縮室內(nèi)壓力的分布示意圖；圖22是壓力比控制時的PV曲線圖；圖23是壓力比控制時的壓縮室內(nèi)壓力的分布示意圖。
以下，以空氣調節(jié)器為例說明本發(fā)明的一實施例。在圖1中，渦旋壓縮機100、蒸發(fā)器210、冷凝器220、膨脹閥230、控制裝置240、背面壓力調節(jié)器310、背面壓力調節(jié)器控制裝置300按照圖1所示的方式連接在一起。從壓縮機100排出的高溫高壓制冷劑通過冷凝器220，使制冷劑凝縮放出熱量，然后再用作為膨脹手段的膨脹閥230減壓，通過蒸發(fā)器210吸收該制冷劑氣化的熱量，由此構成在冷凍循環(huán)中熱移動的熱泵裝置。
用于該空氣調節(jié)器的壓縮機是渦旋壓縮機100，下面用圖6說明該渦旋壓縮機100。在密閉容器內(nèi)容納有壓縮機構和驅動該壓縮機構的驅動電動機(圖中未示)。該壓縮機構由在端板(鏡板)上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件110和在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件(固定渦旋件)120構成。壓縮機構的旋轉渦旋件110通過由電動機帶動旋轉的軸驅動，該軸由具有作為主軸承功能的機架130支持。另外，旋轉渦旋件110的推力由機架130承受。從非旋轉渦旋件120的大致中央位置的排出口排出的高溫高壓氣體制冷劑充滿密閉容器，使該密閉容器的內(nèi)部成為排出壓力。然后通過圖中未示的管排出到冷凍循環(huán)中。
此外，冷凍機油儲存在密閉容器的底部，軸的壓縮機構相反一側的尖端浸入該冷凍機油中，由排出壓力擠壓的冷凍機油通過軸內(nèi)部所設置的給油通路潤滑主軸承等。與此同時，也把油供給到旋轉渦旋件110與機架130之間所設置的空間(背壓室)中。由于向該背壓室的供油是通過軸承間隙進行的，所以其壓力減少到低于排出壓力的壓力。還設置有通過控制信號改變作用到該旋轉渦旋件110端板的壓縮室相反一側的流體壓力的壓力調節(jié)器310。通過調整該背壓室內(nèi)的流體壓力，以得到減少壓縮機的電力消耗的效果。
這里用圖3說明背面壓力值與壓縮機的電力消耗的關系。其中橫軸表示背面壓力值(背壓室壓力)，縱軸表示壓縮機的摩擦損失、泄漏損失和電力消耗。
背面壓力值變化時，由于旋轉渦旋件推壓非旋轉渦旋件的壓力變化，所以在壓縮室的泄漏損失、滑動部的摩擦損失發(fā)生變化，使電力消耗受到極大的影響。
首先，關于泄漏損失，當旋轉渦旋件推壓非旋轉渦旋件的力變強時，由于旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件變形，使兩者間接觸部的空隙減少。另一方面，當推壓力減少時，該空隙增大。在渦旋壓縮機中，旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的渦卷相互組合進行旋轉運動時，構成從圓周方向向中心逐漸壓縮的結構，形成數(shù)個月牙狀的壓縮室。這樣，在相鄰壓縮室間產(chǎn)生壓力差，作為工作流體的制冷劑通過一個端板與另一渦卷尖端間的空隙向壓力更低的外側壓縮室泄漏。因而在氣體壓縮方面必須做出更多的功。這就是泄漏損失使電力消耗增大的原因。雖然對于泄漏損失來說，會隨著旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的推壓力的變大而減少，但是在推壓力達到某種值以上的范圍內(nèi)這種減少泄漏的效果比較小，效果達到飽和。
關于滑動部的摩擦損失，在壓縮氣體運轉中，旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的端板及渦卷尖端接觸滑動而在旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件之間產(chǎn)生摩擦力，故背面壓力值的增減也會使摩擦力增減，從而使摩擦損失增減。壓縮機的電力消耗是氣體壓縮做功與損失的迭加，兩種損失在曲線圖上重疊時，成為向下凸的曲線，存在消耗電力的極小值。這樣在背面壓力值方面，存在著可使壓縮機的電力消耗為最小的值。
因此，要考慮旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的分離力和吸入壓力及排出壓力的關系。分離力依壓縮室內(nèi)的壓力分布而變化。由于該壓縮室內(nèi)的壓力分布根據(jù)使用壓力條件而變化，因此，僅以(循環(huán)內(nèi)的部分壓力)×(常數(shù))+(常數(shù))等的壓縮機內(nèi)壓力為基準時，為了讓空氣調節(jié)器在大的壓力范圍內(nèi)運轉，背面壓力值的設定值就不能符合整個運轉壓力范圍，就需要設定適于實際的有代表性的標準使用條件，使該條件的背面壓力值最佳化。因此，根據(jù)地域差的設置狀況或環(huán)境氣溫等要素，當實機運轉條件與設定背面壓力值的標準條件的偏差較大時，如果背面壓力控制的目標值偏離實況，就不能發(fā)揮本來的性能。
此外，以最高效率為目標的熱泵裝置由于有多種用途，因此，在生產(chǎn)上，為了符合所使用的不同制冷劑或使用條件，就需要開發(fā)根據(jù)每種條件設定背面壓力值的背面壓力調節(jié)機構，需要生產(chǎn)與最大熱泵裝置的種類數(shù)目相同的種類的壓縮機，必需進行少量多品種生產(chǎn)。
為了解決這些問題，在本實施例中，對背壓室的壓力進行調整，不僅使背壓室的壓力大小為只比吸入壓力大一定值的值，而且還檢測渦旋壓縮機的電力消耗(最好是能代表空氣調節(jié)器的電力消耗)，使該電力消耗為最小。
以下，對此進行說明。在圖1中，在空氣調節(jié)器上設置有壓力調節(jié)器控制裝置300，該壓力調節(jié)器控制裝置300檢測出導入背壓室的流體壓力變化所引起的壓縮機的電力消耗的變化傾向，并把根據(jù)該檢測出的電力消耗的變化傾向而使壓縮機的電力消耗變?yōu)樽钚〉牧黧w壓力控制信號輸出給壓力調節(jié)器310。
這里，空氣調節(jié)器的控制目標是根據(jù)設定值對室內(nèi)空氣溫度進行控制的，其方法是在室內(nèi)、室外通過制冷劑進行必要的熱移動的。這時，由于相當于單位制冷劑循環(huán)量的冷凍循環(huán)的能力大體由室外機的氛圍氣體溫度與制冷劑的物理參數(shù)所決定，因此移動的熱量的大小一般是由制冷劑循環(huán)量來控制的，也可以采用大體根據(jù)壓縮機的回轉改變制冷劑循環(huán)量而調整所需要的熱量的方法。除此之外，也可以根據(jù)向熱交換器吹風的風扇的風量等來調整冷凍循環(huán)的溫度或壓力。
下文說明以下說明書中的用語。數(shù)據(jù)庫設置有基本的記憶裝置，其存儲區(qū)域大，分為3塊，對作為運轉條件的室內(nèi)溫度、室外溫度、設定溫度等物理量；作為控制條件的背面壓力、壓縮機轉速、室內(nèi)外風扇轉速、電動膨脹閥開度等控制信號；作為控制結果的溫度、壓力、電力消耗、電壓、電流等物理量分別進行關聯(lián)地記憶，從運轉條件中得出成為最佳運轉的控制信號。進一步求出此時的電力消耗等。并且，使上述運轉條件與控制信號的關系不變地進行記憶，隨時記憶表示運轉中控制結果的物理量數(shù)據(jù)，對從運轉條件得出的控制信號加上控制結果的記憶，由此得出最佳控制值。此外，在上述算法中，也可根據(jù)運轉條件、控制信號、控制結果的各關系式與補正項進行計算。
另外，存儲器是對運轉條件、控制信號、控制結果按時序進行記憶的，用于根據(jù)控制穩(wěn)定性檢測或上述背面壓力值變化所引起的室內(nèi)空調器和壓縮機的電力消耗的變化及控制發(fā)生異常時的控制值的再設定等。此外，穩(wěn)定判斷是指根據(jù)相對平均值的偏差求出固定時間內(nèi)或依據(jù)控制狀況改變的時間內(nèi)的信號變化，或者與根據(jù)數(shù)據(jù)庫從運轉條件求出的極限值進行比較等。
內(nèi)置鐘表是得出季節(jié)、日期、時刻等的裝置，可以得出上次運轉與當前運轉之間的停止期。
再者，也可以改變背面壓力值的變化量。上述的電力消耗與背面壓力的關系為向下凸的曲線?？紤]到相對于背面壓力增減而電力消耗增減時，如果計算出(電力消耗的變化量)/(背面壓力的變化量)，即可求出控制點附近的該曲線切線的斜率，由于斜率絕對值在某值以下時，是極小值附近的值，所以，更進一步減少背面壓力的變化量，由此可抑制最小值附近的控制值的波動，可以盡快早地收斂。
另外，以上說明的室內(nèi)空調器的電力消耗，是指室內(nèi)空調器的附帶裝置的電力相對壓縮機的電力較小時的情況等，也可以測定壓縮機的電力消耗。而且在不能直接測定出電力消耗的場合，也可以替代為測定電壓值與電流值。
在控制壓縮機的電力消耗使其下降方面，如果能使作為室內(nèi)空調器的控制對象的室內(nèi)溫度穩(wěn)定在控制目標值附近，使室內(nèi)空調器的構成要素的物理量也到達大致平衡的狀態(tài)，就能很容易地確認背面壓力值變化所引起的電力消耗的變化，因此，下文用圖4的控制算法說明室內(nèi)空調器運轉狀態(tài)穩(wěn)定時進行的控制形式。
首先，使旋轉渦旋件110的背面壓力值固定，在室內(nèi)溫度達到目標值時，讓旋轉渦旋件110的背面壓力區(qū)域101的壓力只增加(或減少)一定的變化量。由于考慮了作為冷凍循環(huán)的冷凍能力改變、并偏離室內(nèi)溫度目標值，固定該背面壓力值再度控制壓縮機的轉速、膨脹閥等并將室內(nèi)溫度為控制目標值。當室內(nèi)溫度再次達到目標值時，把穩(wěn)定時候的電力消耗與存儲器記憶的背面壓力值變換前的電力消耗進行比較。
這里，如果熱泵的電力消耗減少，進行如下的步驟，再次使背面壓力值增加(或減少)，反復調整背面壓力值。相反，如果熱泵的電力消耗增加，則進行與上次相反的操作，使背面壓力值減少(或增加)，并反復進行調整，由此在同一室內(nèi)溫度下，連續(xù)地改變背面壓力值，可使電力消耗變少。此外，通過對決定背面壓力值的閥開度、步進電動機的回轉位置進行記憶，返回電力消耗增加前的回轉位置，將該值作為最小電力消耗運轉。
此外，在圖4所示的算法中，示出的是啟動時最初的背面壓力的變化方向為減少方向的示意圖，即使是在增加的方向上，只是路徑不同而已，也可以進行同樣的控制。也可以考慮對運轉停止時的背面壓力值的增減的變化方向進行記憶，作為啟動后的變化方向加以利用，從而在短時間內(nèi)使電力消耗的控制收斂。
以上，除了作為確認穩(wěn)定性的物理量的室內(nèi)溫度以外，還可以設置對壓縮機、熱交換器、風扇、膨脹閥、配管等室內(nèi)空調器構成要素的溫度、壓力、制冷劑流量方面；作用在室內(nèi)空調器的整體及壓縮機上的電壓、電流、電力、壓縮機轉速等方面的運轉狀態(tài)進行檢測的檢測裝置，根據(jù)用各種傳感器檢測出的信號，對于檢測裝置測定項目的至少一種以上進行穩(wěn)定判斷。
下文，用圖6說明調節(jié)閥機構。在該實施例中，以由平板閥組成的調節(jié)機構為例說明。在旋轉渦旋件110的背面設置背面壓力區(qū)域(背壓室)。如上文所述那樣，通過軸與機架130或旋轉渦旋件110的軸承間隙進行減壓后，把密閉容器內(nèi)的排出壓力導入該背壓室。在非旋轉渦旋件120內(nèi)設有與吸入壓力連通的流路126和127。作為與吸入壓力連通的流路126和127的開閉機構，設置可改變流路阻力的圓盤狀背壓閥123，在該背壓閥123的一個面上作用有吸入壓力所產(chǎn)生的力和用于改變背壓閥123的開閉條件的彈簧124等彈性體所產(chǎn)生的朝著使閥123關閉方向的力。而背壓閥123的另一面為有背面壓力產(chǎn)生的力作用的結構。而可改變彈簧124長度(改變彈簧力)的彈簧壓桿125從非旋轉渦旋件120側配置，構成背壓閥調節(jié)機構。通過改變該彈簧壓桿的位置，可改變彈簧力，從而使彈簧壓緊力改變，當背面壓力大于吸入壓力加上彈力、而產(chǎn)生壓力差時，閥打開，背面壓力降低。這種結構的優(yōu)點是，無論彈簧特性是線性的還是非線性的，彈簧力都是壓縮量的函數(shù)，因而，在與步進電動機等驅動源組合的場合，不需要使用壓力傳感器等檢測裝置，用開環(huán)控制就能基本掌握設定的背面壓力與吸入壓力的壓力差。而且，彈簧并不限于螺旋彈簧，還可以用板簧、碟簧等其它彈性體。
下文用圖7說明背壓閥調節(jié)機構的另一例子，該例是針閥調節(jié)構造。與上述同樣，在旋轉渦旋件110的背面設定背面壓力區(qū)域。把通過軸與機架130或旋轉渦旋件110的軸承間隙減壓后的密閉容器內(nèi)的排出壓力導入該背面壓力區(qū)域。在非旋轉渦旋件120內(nèi)設置把背面壓力區(qū)域與吸入壓力連通的流路126及127，在與該吸入壓力連通的流路126及127上設置可改變流路阻力的大致為圓筒狀的針和用該針的端面或側面進行密封的結構。
通過選擇該針的形狀，就可以根據(jù)需要改變該針的變位與流路阻力的關系。這種關系在圖8中示出。很明顯，針軸向的形狀的不同，針的上下運動、密封面與針之間的間隙的關系就會按照圖8曲線所示的方式變化。
下文根據(jù)圖17至圖18說明上述壓力調節(jié)機構的又一例。這里示出了回轉閥。該回轉閥有利于安裝到狹小的空間里，由于沒有振動或脈動部分，所以不易產(chǎn)生噪音。圖17所示的回轉閥是可以連續(xù)改變開口面積的機構，圖18所示的回轉閥是可以階段地改變開口面積的機構。后者由于是可以階段地改變開口面積的機構，所以在用步進電動機驅動回轉的場合，即使不測定背面壓力值，也能發(fā)揮明確設定值的優(yōu)點。通過改變?nèi)魏我环N流路的阻力，可以調整背壓室的壓力。
但是，在壓縮機密閉容器外面設置這種控制機構時，可以采用市售的無密封閥或電動膨脹閥等。
作為控制機構，必須是能對從全閉到全開期間使背面壓力單調增加、單調減少的特性進行簡單地控制的。這在本實施例中，也可以如上文所述那樣對上一次的背壓閥的控制增加或減少，判斷其變化方向性對電力消耗的降低是否有效，使下一次也有相同的變化傾向，但在變化過程中，有變極點的控制方向性很難判斷。
下文用圖10說明壓力調節(jié)機構310的壓力調節(jié)閥的驅動裝置。作為上述平板閥及針閥的壓力調節(jié)機構的驅動裝置，在如圖10所示的本實施例中，可以使用螺釘與步進電動機。該機構是，在非旋轉渦旋件120內(nèi)設有凹螺紋，在與步進電動機320連接的彈簧壓桿上設有凸螺紋，兩者組合并通過步進電動機轉動，彈簧壓桿可以上下運動。其特點是，即使是開環(huán)控制，利用步進電動機仍可以把握彈簧的壓縮量。
作為其它驅動裝置，可以是線性電動機、螺旋線圈、由流體壓力驅動的促動缸機構、超聲波馬達、與加熱及冷卻裝置組合的形狀記憶合金等。另外，在壓縮機外面安裝無密封閥時，也可以在閥的旋轉軸上安裝回轉馬達。
根據(jù)以上所示的本實施例，在空氣調節(jié)器的室內(nèi)溫度與設定溫度均衡的穩(wěn)定狀態(tài)下，由于可調整背壓室的壓力，使電力消耗降低，因而電力消耗的計測值不會因背壓室壓力以外的因素而改變，減少了背壓室壓力控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。由此，可以把背壓室的壓力調整到使電力消耗為最小的值。從而，可抑制冷凍循環(huán)整體的電力消耗。
在控制壓縮機的電力消耗、使其下降方面，對于室內(nèi)空調器的運轉狀態(tài)為非平衡狀態(tài)的場合，由于是只改變背面壓力而包含改變背面壓力值以外的因素所引起的室內(nèi)空調器的電力消耗的，因而，照原樣進行評價是困難的。在上述第一實施例中，調整背壓室的壓力時，是在空氣調節(jié)器的運轉狀態(tài)達到平衡的階段進行的，而在第二實施例中，即使是在非平衡狀態(tài)下，也可以進行背壓室的壓力調整。下面用圖5說明控制算法。
例如，空氣調節(jié)器的運轉狀態(tài)很容易變成非平衡狀態(tài)，為設定溫度與室內(nèi)溫度的偏差大的情況。但是，在溫度偏差相當大的場合，由于壓縮機的轉速也是有界限的，或者在一定轉速下旋轉的場合，在這種場合，即使溫度控制沒有達到平衡，壓縮機的電力消耗也是按照基本恒定值推移的。
因此，在本實施例中，通過從壓縮機的輸入電壓與輸入電流求出壓縮機的電力消耗，可以判定該電力消耗的正負峰間值是否進入規(guī)定的范圍，進入該范圍內(nèi)的情況，其電力消耗的變動少，與第一實施例同樣，改變背壓室的壓力，如果變化前的電力消耗大于變化后的電力消耗，繼續(xù)該變化方向，直到電力消耗的關系顛倒為止。
根據(jù)本實施例，在用于空氣調節(jié)器的場合，即使溫度控制系統(tǒng)未達到平衡，如果電力消耗變動少，則能判斷出背壓室壓力控制以外的因素所引起的電力消耗變動的可能性小，在這種場合，也能達到在減少電力消耗的方向上進行背壓室的壓力控制的效果。而且，如果與第一實施例的背壓室的壓力控制組合，在平衡狀態(tài)下也可以進行背壓室壓力控制(由于溫度控制達到平衡狀態(tài)意味著電力消耗的變動小，所以自然也可以進行第一實施例的控制)。
在上述第一及第二實施例中，第一實施例只有在達到完全平衡狀態(tài)后才能進行背壓室的壓力控制，在第二實施例中，只有當電力消耗的變動小時進行背壓室的壓力控制，但是在下文敘述的第三實施例中，當電力消耗變動時，也使背壓室的壓力變化，從背壓室的壓力變動結果可以判斷出是否反映了電力消耗如何，因而，即使在極端情況等任何運轉狀態(tài)下，也能進行背壓室的壓力控制。
設置有運轉狀態(tài)檢測裝置，該運轉狀態(tài)檢測裝置除檢測作為顯示室內(nèi)空調器運轉狀態(tài)的物理量的室內(nèi)溫度以外，還檢測壓縮機、熱交換器、風扇、膨脹閥、配管等室內(nèi)空調器構成要素的溫度、壓力、制冷劑流量，也檢測作用在室內(nèi)空調器整體及壓縮機上的電壓、電流、電力、壓縮機轉速等。此外，還設置有和表示運轉條件的物理量及室內(nèi)空調器裝置的電力消耗有關的數(shù)據(jù)庫。
理想的壓縮機，通過確立其理論，測定冷凍循環(huán)中的物理量，就可以從莫里爾熱力學計算圖求出理想壓縮機在該時點的電力消耗。也就是說，測定吸入氣體溫度、膨脹閥前溫度、壓縮機轉速(制冷劑流量)、壓縮機吸入壓力、壓縮機排出壓力，把這些值代入與室內(nèi)空調器電力消耗有關的數(shù)據(jù)庫或實驗式中，就可算出理想壓縮機測定時的電力消耗。
把該理想電力消耗與實際壓縮機的電力消耗(從輸入電流與輸入電壓求出的)加以記憶，增加(或減少)旋轉渦旋件110的背面壓力區(qū)域101的壓力，考慮運轉狀態(tài)的變化，如果在這種情況下，壓縮機的損失也減少，即，如果改變背壓室的壓力后的壓縮機實際的電力消耗接近理想的電力消耗，就可以進一步增加(或減少)，進行調整。相反，如果壓縮機的損失增加(壓縮機實際的電力消耗偏離理想的電力消耗)，以與前回相反的變化傾向進行減少(或增加)，由此，也可以對背面壓力值進行控制，使損失準確地變小。
此外，利用上述數(shù)據(jù)庫的補正功能時，可以提高上述理想的電力消耗的精度，減少電力消耗。
在上述第一至第三實施例中，調整改變背面壓力的條件，并使其發(fā)生變化時，在電力消耗大幅度變化的場合，從以上敘述可以看出，改變背面壓力并沒引起變化。照原樣設置后由于不能判斷把背面壓力控制在何種狀態(tài)下比較合適，所以，背面壓力的控制不穩(wěn)定。下文敘述用于抑制這種現(xiàn)象發(fā)生的例子。
設置記憶裝置，該記憶裝置在改變背面壓力時，對背面壓力改變之前的室內(nèi)空調器的壓縮機轉速或膨脹閥開度、室內(nèi)外風扇的轉速等控制值預先進行記憶，并改變背面壓力值，使室內(nèi)空調器的電力消耗降低，對室內(nèi)溫度進行控制，使其到達控制目標值。
進而，在對室內(nèi)溫度進行穩(wěn)定控制期間，由于換氣或人出入等所引起的熱負載的變化、暖氣設備的除霜等，會使室內(nèi)溫度及室內(nèi)空調器的電力消耗急劇變化，當其絕對值及單位時間內(nèi)的變化量超過從表示運轉狀態(tài)的物理量中用數(shù)據(jù)庫決定的預定值時，則判斷為不能向背面壓力控制的目標值收斂。換言之，當相對背面壓力控制量的電力消耗的變化量極大地超過從理論上導出的變化量時，則判斷為該大的電力消耗的變化不是由于進行背面壓力控制所引起的，而是由其它因素引起的變化。即，設置判斷功能，用于監(jiān)視壓縮機或室內(nèi)空調器電力消耗的絕對值及單位時間的變化量。在該值中的至少一個超過設定值時，判斷為異?，F(xiàn)象。
為了避免這時背面壓力控制的不穩(wěn)定，對背面壓力變更之前的室內(nèi)空調器的壓縮機轉速、膨脹閥開度、室內(nèi)外風扇的轉速及背面壓力值(步進電動機的位置)預先進行記憶，在使室內(nèi)空調器的控制返回背面壓力變更之前存儲器記憶的設定值地進行控制。
進而，說明使背面壓力變化的第四實施例。渦旋壓縮機在運轉中，旋轉渦旋件相對于非旋轉渦旋件以旋轉半徑作不自轉的旋轉運動。這時，旋轉渦旋件渦卷與非旋轉渦旋件渦卷之間構成的大致為半月形的壓縮室的位置、形狀及其壓力隨著上述轉動而變化，引起旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件分離的分離力方向上的力大小也隨著該轉動的進行周期地變化。例如，在運轉條件引起排出口壓力高于壓縮機構排出之前的壓力的場合等，當最內(nèi)側壓縮室與排出口連通時，壓縮機的壓力變高，出現(xiàn)分離力急劇變大的情況。
為了解決該問題，在本實施例中，采用為使背面壓力值變?yōu)楸匾淖钚O限值而根據(jù)壓縮機的旋轉改變該背面壓力值的結構。由于可以檢測出壓縮機轉一圈過程中的壓縮室的壓力變動，所以，可以制作表示旋轉位置與背面壓力之間的關系的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)該數(shù)據(jù)庫調整背面壓力。通過該實施例，可以達到進一步省電的目的。
到目前為止的說明，可以看出，為了調整背面壓力，必須在渦旋壓縮機上安裝用于驅動調節(jié)閥的任何驅動源。以下說明該驅動源的安裝位置。
在圖9所示的渦旋壓縮機中，在密閉容器外側設置壓力調節(jié)機構，在外側設置驅動裝置。采用這種結構，在確保壓縮機密閉容器內(nèi)的安裝空間有困難時比較合適。另外，由于只需要對閥密封就可以了，所以可以減少用于提高密閉性的密封部件。
另外，在圖10所示的渦旋壓縮機中，在密閉容器的內(nèi)側設置壓力調節(jié)機構，在外側設置驅動裝置。這時，非旋轉渦旋件內(nèi)要有連接驅動裝置的桿，桿的驅動裝置一側是排出壓力，非旋轉渦旋件內(nèi)部是吸入壓力與背面壓力，由于產(chǎn)生壓力差，所以，在非旋轉渦旋件與桿之間必須設置密封，同樣地，在密閉容器與桿之間也要設置密封。
再者，圖11所示的渦旋壓縮機是在密閉容器的內(nèi)側設置壓力調節(jié)機構、在外側設置驅動裝置的另一個例子。與圖10所示例子的不同是，由于驅動裝置與密閉容器不需要密封，所以非旋轉渦旋件的一部分可以延長到殼體上，非旋轉渦旋件與殼體這兩個部件可以通過焊接結合在一起。由此，可以把通過壓入等進行密閉、設置密封的場所從兩個位置減少到一個位置。成為對防止制冷劑的泄漏更為有利的結構。而且，作為結構可以延長到密閉容器側，與非旋轉渦旋件結合，能得到同樣的效果。
圖12是在密閉容器的內(nèi)側設置壓力調節(jié)機構及驅動裝置的例子。非旋轉渦旋件與桿的關系與圖10所示的例子同樣，在非旋轉渦旋件與桿之間組裝有密封裝置。
但是，圖13所示的實施例是在非旋轉渦旋件120為可動型(固定渦旋釋放型)的渦旋壓縮機上采用本發(fā)明的例子。圖中的非旋轉渦旋件120的上部設置有隔板，隔板的上部為排出壓力，下部為吸入壓力，在隔板與非旋轉渦旋件120的空間內(nèi)作用有背面壓力。利用背面壓力導入流路126把背面壓力導入壓縮機外部，用吸入壓力導入流路127把吸入壓力導入壓縮機外部。兩個流路126、127與作為調節(jié)裝置310的無密封閥連接，并進一步與驅動用步進電動機連接。
在把壓力調節(jié)機構組裝到密閉容器內(nèi)的場合，如圖14所示，在旋轉渦旋件、非旋轉渦旋件及支架、隔板內(nèi)設置流路，也可配管對至少背面壓力與吸入壓力的一方進行導引。
圖15示出了把旋轉渦旋件110壓向非旋轉渦旋件120的力的發(fā)生方法，這種方法是在旋轉渦旋件的壓縮室的相反一側所設置的密封圈的背面作用有壓力，通過該密封圈把推壓力傳遞給旋轉渦旋件，這樣也能得到同樣的效果。另外，圖16所示的例子是在圖15的壓縮機內(nèi)設置控制機構的例子。
上述的密封裝置利用O型密封圈或樹脂性襯墊、機械密封、部件間的間隙或油也有效果。
根據(jù)以上敘述的各種實施例，在熱泵裝置中，與根據(jù)運轉條件的有代表性的運轉條件、至少把壓縮機內(nèi)的旋轉渦旋件及非旋轉渦旋件的任意一方的背面壓力值設定成(循環(huán)內(nèi)部的部分壓力)×(常數(shù))+(常數(shù))的情況相比較，在寬的壓力比的運轉條件下，不用改變控制對象的設定溫度，就可以進行調整，使壓縮機的電力消耗極小化，達到裝置省電的目的。
進一步，對于冷凍機等各種機器單獨使用來說，即使是在半固定的運轉條件下進行運轉的裝置，甚至在考慮到安裝條件或溫度管理對象及設定溫度差等所引起的機器間的條件差別大的情況下，由于用一種壓縮機就能擴大覆蓋范圍，因此，減少了生產(chǎn)機種，降低了大量生產(chǎn)的費用。
下面，用圖19說明搭載有進行負載控制的渦旋壓縮機的熱泵裝置的實施例。
容量控制就是減少相對于正常運轉來說壓縮機開始時的容積。因此，從正常運轉下的壓縮開始位置到成為容量控制所希望的容積期間，制冷劑并未壓縮，壓縮室可以與吸入壓力空間連通。
作為一個例子，在非旋轉渦旋件120的端板上，設置有逆流防止閥，為了對其閥體進行開閉，設置有切換裝置129，該切換裝置129把和閥體的壓縮室相反一側連通的吸入壓力導入流路127與排出壓力導入流路128的這兩個流路可以有選擇地導通。
在這里，在最大容積運轉時，使排出壓力從壓縮室相反一側相對于逆流防止閥作用，關閉閥，進行運轉。在容量控制時，使吸入壓力從壓縮室相反一側相對于上述逆流防止閥作用，打開閥，把壓縮過程的制冷劑通過旁通通路導入吸入壓力區(qū)域，在降低負載下進行運轉。進一步，在正常運轉及容量控制時，進行最佳的背壓室的壓力控制。
進行這種容量控制的壓縮機，壓縮室內(nèi)壓力所產(chǎn)生的力隨著行程容積的變化而變化，為了使旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件接近所需要的推壓力也在變化。因而，利用方便的壓縮機構，以幾何學構成的最大行程容積的運轉為正常運轉，以減少行程容積的運轉為容量控制運轉。圖20示出了各種運轉時的PV曲線圖。相對于正常運轉(a-b-c-d)來說，在容量控制時(a-b′-c′-d)，壓縮室內(nèi)的壓力分布如圖22所示，可見減少了容量控制時必須的推壓旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的推壓力。
因此，在正常運轉時，利用最佳的背壓室的壓力值，增大了推壓旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的推壓力，增加了滑動損失，減少了由負載控制所產(chǎn)生的使電力消耗降低的效果。
針對這種壓縮機，設置上述的渦旋壓縮機的背壓閥調節(jié)機構時，與沒有增加容量控制的渦旋壓縮機相比較，對于有大變化的壓縮室內(nèi)的壓力來說，可以把背壓控制在最佳的程度。
此外，與增加上述容量控制的渦旋壓縮機一樣，作為使壓縮室內(nèi)的壓力大幅度地變化的壓縮機，有設置過壓縮防止機構的渦旋壓縮機。該壓縮機在除排出口之外的其它地方設置把排出室與壓縮途中的壓縮室連通的貫通孔，在該貫通孔中設置泄流閥。這樣，在液體制冷劑壓縮時等壓縮途中，當壓力大于排出壓力時，沒有貫通孔的渦旋壓縮機，其過壓縮的制冷劑沒有地方排泄，因而壓力有可能引起渦旋件的渦卷等損壞，但是，在設有貫通孔(安裝泄流閥)的壓縮機中，由于壓縮途中壓縮室內(nèi)的壓力為排出壓力以上時，泄流閥打開，可以使壓力釋放。
在設置有這種過壓縮防止機構的渦旋壓縮機中，在圖23所示的正常運轉(a-b-c-d)時，排出口附近的壓力為最高壓力，周圍作用的壓力有所降低。與此相比，在過壓縮防止動作的壓力比控制(a-b′-c′-d)時，泄流閥打開，所以壓縮室內(nèi)的壓力分布如圖所示，與正常運轉時相比較，成為頂部被削掉一部分的壓力分布。很明顯，可以減少壓力比控制時所需要的推壓旋轉渦旋件與非旋轉渦旋件的推壓力。
設置這種過壓縮防止機構的渦旋壓縮機上設有背壓調節(jié)機構時，與上述一樣，可自動地調整背壓，所以可減少電力消耗。
以上，通過對各種實施例所進行描述，可以看出，根據(jù)本發(fā)明，能達到提供減少電力消耗的熱泵裝置的效果。
權利要求
1.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、熱交換器和膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，其特征是，該熱泵裝置還包括用于檢測熱泵裝置或渦旋壓縮機的電力消耗的裝置，以及根據(jù)該檢測裝置的輸出增減上述背壓室的壓力的裝置。
2.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、熱交換器、膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室、把該背壓室與吸入壓力區(qū)域連通的連通流路、設置在該連通流路中的閥，其特征是，該熱泵裝置還包括用于改變上述閥的開閉條件的裝置。
3.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、熱交換器和膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，以把溫度控制對象的溫度控制成設定溫度，其特征是，該熱泵裝置還包括用于調節(jié)上述背壓室的壓力的機構，該調節(jié)機構在上述溫度控制達到基本均衡的狀態(tài)時，檢測熱泵裝置或渦旋壓縮機的電力消耗，以使該電力消耗變少。
4.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、熱交換器和膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，其特征是，該熱泵裝置還包括用于調節(jié)上述背壓室的壓力的機構，該調節(jié)機構檢測上述渦旋壓縮機的輸入電力，在該檢測的電力的變動幅度為規(guī)定的范圍內(nèi)時，檢測熱泵裝置或渦旋壓縮機的電力消耗，使該電力消耗變少。
5.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、室外熱交換器、室內(nèi)熱交換器和膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，其特征是，該熱泵裝置還包括用于調整上述背壓室的壓力的壓力調節(jié)機構；對上述渦旋壓縮機的轉速、室外熱交換器的風扇轉速、室內(nèi)熱交換器的風扇轉速及膨脹裝置的開度進行記憶的記憶裝置；用于檢測熱泵裝置的電力消耗的變化的裝置，在通過上述壓力調節(jié)機構使背壓室壓力變更后，當判斷出上述的電力消耗的變化大于預定量時，在變更前返回由上述壓力調節(jié)機構對背壓室的壓力控制，使上述渦旋壓縮機的轉速、室外熱交換器的風扇轉速、室內(nèi)熱交換器的風扇轉速及膨脹裝置的開度返回到由上述壓力調節(jié)機構變更背壓室的壓力之前的值。
6.一種熱泵裝置，包括渦旋壓縮機、熱交換器、膨脹裝置，所述的渦旋壓縮機具有在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室，其特征是，該熱泵裝置還設有用于檢測上述渦旋壓縮機的實際輸入電力的裝置；求出從當前熱泵裝置的狀態(tài)量得出的上述渦旋壓縮機的電力消耗的裝置；以及用于調節(jié)上述背壓室的壓力、使渦旋壓縮機的實際輸入電力接近上述消耗電力的機構。
7.根據(jù)權利要求6所述的熱泵裝置，其特征是，上述熱泵裝置的當前狀態(tài)量是上述渦旋壓縮機的吸入壓力、渦旋壓縮機的排出壓力、膨脹閥前的制冷劑溫度、渦旋壓縮機的轉速。
8.一種渦旋壓縮機，包括在端板上形成渦卷狀卷的旋轉渦旋件、在端板上形成渦卷狀卷的非旋轉渦旋件、把壓力導入該旋轉渦旋件或非旋轉渦旋件的壓縮室相反一側的背壓室、把該背壓室與吸入壓力區(qū)域連通的連通流路以及設置在該連通流路中的閥，其特征是，還設有用于改變上述閥的流路阻力的裝置。
9.根據(jù)權利要求8所述的渦旋壓縮機，其特征是，上述閥是通過彈簧并根據(jù)上述背壓室與吸入壓力區(qū)域的壓差進行開閉的，上述改變流路阻力的裝置是可以改變該彈簧力的裝置。
10.根據(jù)權利要求8所述的渦旋壓縮機，其特征是，上述閥是針閥，上述改變流路阻力的裝置是用來調整該針閥的開度的裝置。
11.根據(jù)權利要求8所述的渦旋壓縮機，其特征是，上述閥是回轉閥，上述改變流路阻力的裝置是用來調整該回轉閥的開度的裝置。
12.根據(jù)權利要求1至7所述的熱泵裝置，其特征是，在壓縮機構上搭載設有負載控制裝置的渦旋壓縮機。
全文摘要
能減少渦旋壓縮機損失控制渦旋件中一方端板壓縮室的相反一側作用的壓力,考慮到標準運轉條件的任何條件,把壓縮機內(nèi)的吸入壓力等設定為基準的(壓縮機內(nèi)壓力)+(常數(shù))、(壓縮機內(nèi)壓力)×(常數(shù))+(常數(shù)),關于壓縮機的電力消耗,在寬的壓力條件下,不一定能調整成最佳值。為解決此問題,設置有用于調節(jié)作用在端板的壓縮室相反一側的壓力的裝置和控制該調節(jié)裝置的控制裝置,進行控制使壓縮機電力消耗最小。
文檔編號F04C18/02GK1248688SQ9911853
公開日2000年3月29日 申請日期1999年9月7日 優(yōu)先權日1998年9月18日
發(fā)明者寺井利行, 坪野勇, 關口浩一 申請人:株式會社日立制作所