CN102483054B - 马达冷却应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于马达(50)的冷却***(10)，所述马达(50)为蒸气压缩***(14)中的压缩机(32)提供动力。所述冷却***(10)包括一个壳(114)和一个位于所述壳(114)中的腔室(126)。第一流体回路(140)具有第一连接(112)和第二连接(154)，所述第一连接用于接收制冷剂进入所述腔室(126)，所述第二连接用于将来自所述腔室(126)的制冷剂传送至一个热交换器，以实现与一个发热部件(120)的热传递关系。

Description

马达冷却应用
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2008年7月14日提交的、题为“MOTORAPPLICATIONS”的美国临时申请No.61/080,658的优先权和权益，该美国临时申请通过引用方式纳入本文。
背景技术
本申请总体涉及用于包括在空调和制冷应用中的蒸气压缩***的马达的冷却。
蒸气压缩***可使用以较高转动速度运行的较紧凑马达来为部件提供动力。通过使用较紧凑的马达，可实现***尺寸的减小。另外，使用高的转动速度还可实现马达效率的增加。但是，与以较高转动速度运行马达相关的一些问题包括，在马达轴和轴承之间产生摩擦以及形成风阻损失。风阻是在马达的转动转子和转子周围的环境之间形成的摩擦力，转子周围的环境一般是空气或工作介质，在密封传动系(hermetic driveline)的情况下，诸如是制冷剂蒸气。风阻会产生热量，并降低马达的运行效率。
发明内容
本发明涉及提供一种用于马达的冷却***，所述马达为蒸气压缩***中的压缩机提供动力。所述冷却***包括一个壳和一个位于所述壳中的腔室。第一流体回路(fluid circuit)具有第一连接和第二连接，所述第一连接用于接收制冷剂进入所述腔室，所述第二连接用于将来自所述腔室的制冷剂传送至一个热交换器，以实现与一个发热部件的热传递关系。
本发明还涉及一种用于马达的冷却***，所述马达为蒸气压缩***中的压缩机提供动力。所述冷却***包括一个壳和一个位于所述壳中的腔室。所述壳包括在所述腔室内形成的多个凹槽。第一流体回路具有第一连接和第二连接，所述第一连接用于接收制冷剂进入所述腔室，所述第二连接用于将来自所述腔室的制冷剂传送至一个热交换器，以实现与一个发热部件的热传递关系，所述发热部件与所述蒸气压缩***的运行相关联。
附图说明
图1示出了商业设施中的一个采暖、排出和空调***的一个示例实施方案。
图2示出了一个示例的蒸气压缩***的等距视图。
图3和4示意性示出一个蒸气压缩***的示例实施方案。
图5示意性示出了用于多级蒸气压缩***的冷却***的一个示例实施方案。
图6、6A、7A、7B、8、9和9A示出了***的马达冷却的示例实施方案。
具体实施方式
图1示出了对于一般的商业设施，在建筑物12中的包括变冷液体***的一个采暖、排出和空调(HVAC)***10的示例环境。***10可包括一个能够供应变冷液体的蒸气压缩***14，所述变冷液体可用于使建筑物12冷却。***10可包括一个供应加热液体的锅炉16，所述加热液体可用于加热建筑物12；以及一个空气分配***，其使空气循环通过建筑物12。所述空气分配***还可包括空气返回管道18、空气供应管道20和空气处理器22。空气处理器22可包括一个热交换器，该热交换器通过导管24连接至锅炉16和蒸气压缩***14。根据***10的运行模式而定，空气处理器22中的热交换器可从锅炉16接收加热液体、或者从蒸气压缩***14接收变冷液体。***10被示为在建筑物12的每一层都具有一个分立的空气处理器，但是应理解，也可在两层或更多层之间共享所述空气处理器。
图2和3示出了可用在一个HVAC***(诸如HVAC***10)中的一个示例的蒸气压缩***14。蒸气压缩***14可使制冷剂循环通过由马达50驱动的压缩机32、冷凝器34、膨胀装置36、以及液体冷却器或蒸发器38。蒸气压缩***14还可包括一个控制面板40，该控制面板可包括模数(A/D)转换器42、微处理器44、非易失性存储器46，以及接口板48。可用作蒸气压缩***14中的制冷剂的一些流体的实施例是：基于氢氟化碳(HFC)的制冷剂，例如，R-410A、R-407C、R-134a氢氟化烯烃(HFO)；“天然”制冷剂，诸如氨(NH3)、R-717、二氧化碳(CO2)、R-744；或基于烃的制冷剂、水蒸气或者任何其他合适类型的制冷剂。在一个示例实施方案中，蒸气压缩***14可使用一个或多个以下各项：可变状态驱动器(variable state drives)(VSD)52、马达50、压缩机32、冷凝器34和/或蒸发器38。
与压缩机32一起使用的马达50可由VSD 52提供动力、或者可直接由交流(AC)或直流(DC)电源提供动力。如果使用了VSD 52，则其从AC电源接收具有特定的固定线电压和固定线频率的AC功率，并向马达50提供具有可变电压和频率的功率。马达50可包括能够由VSD提供动力或直接从AC或DC电源提供动力的任意类型的电动马达。例如，马达50可以是开关磁阻马达、感应马达、电子整流的永磁马达或任何其他合适的马达类型。
压缩机32将制冷剂蒸气压缩，并通过排放管线将蒸气传送至冷凝器34。压缩机32可以是离心压缩机、螺杆压缩机、往复压缩机、回转压缩机、摆杆压缩机(swing link compressor)、涡旋压缩机(scrollcompressor)、涡轮压缩机(turbine compressor)或任何其他合适的压缩机。由压缩机32传送至冷凝器34的制冷剂蒸气将热量传递至流体，例如水或空气。作为与该流体热传递的结果，制冷剂蒸气在冷凝器34中冷凝为制冷剂液体。来自冷凝器34的液体制冷剂通过膨胀装置36流至蒸发器38。在图3示出的示例实施方案中，冷凝器34是水冷却的，并且包括连接至冷却塔56的管束54。
传送至蒸发器38的液体制冷剂从另一流体——该另一流体可以与用于冷凝器34的流体是相同类型或不同类型——中吸收热量，并且相变为制冷剂蒸气。在图3示出的示例实施方案中，蒸发器38包括管束，该管束具有连接至冷却负载62的供应管线60S和返回管线60R。例如水、乙二醇、氯化钙卤水、氯化钠卤水、或任何其他合适液体的过程流体(process fluid)通过返回管线60R进入蒸发器38，以及经由供应管线60S离开蒸发器38。蒸发器38降低在管中的过程流体的温度。蒸发器38中的管束可包括多个管和多个管束。蒸气制冷剂通过一个抽吸管线离开蒸发器38并返回至压缩机32，以完成该循环或环路。
图4类似于图3，图4示出了具有一个中间回路64的制冷剂回路，所述中间回路可被包括在冷凝器34和膨胀装置36之间，以提供增加的冷却容量、效率和性能。中间回路64具有一个进口管线68，所述进口管线可或者直接连接至冷凝器34，或者与冷凝器34流体连通。如所示的，进口管线68包括位于中间容器(intermediate vessel)70上游的一个膨胀装置66。在一个示例实施方案中，中间容器70可以是闪蒸罐(flash tank)，也称为闪蒸中间冷却器(flashintercooler)。在一个替代的示例实施方案中，中间容器70可被配置为热交换器或“表面经济器(surface economizer)”。在闪蒸中间冷却器的实施方案中，第一膨胀装置66运行以降低从冷凝器34接收的液体的压力。在闪蒸中间冷却器中的膨胀过程期间，液体的一部分被蒸发。中间容器70可用于将蒸发的蒸气与从冷凝器34接收的液体分隔开。蒸发的液体可在抽吸和排放之间的一个中间压力、或者在压缩的中间级通过管线74被压缩机32吸到一个端口。未蒸发的液体被膨胀过程冷却，收集在中间容器70的底部，在此处重新获得所述液体，以使其通过具有膨胀装置36的管线72流至蒸发器38。
在“表面经济器”或“表面中间冷却器”的布置中，如本领域技术人员已知的，实现方式稍有不同。中间回路64可按照与上述方式类似的方式运行，除了中间回路64仅接收来自冷凝器34的一部分制冷剂，剩余的制冷剂直接继续前进至膨胀装置36(未示出)，而不是如图4中所示的接收来自冷凝器34的全部数量的制冷剂。
在图5中，示出了多级压缩机***。多级压缩机76包括第一压缩机78和第二压缩机80。第一压缩机78和第二压缩机80位于马达50的相对端，所述马达为压缩机78、80中的每一个提供动力或驱动所述压缩机78、80中的每一个。蒸气制冷剂通过制冷剂管线82被吸入第一压缩机78。制冷剂管线82通过蒸发器38的排放管线84进行供给。蒸气制冷剂被第一压缩机78压缩，并且被排放到级间交叉管线(interstage crossover line)86。级间交叉管线86的相对端连接至第二压缩机80的抽吸管线88。制冷剂在第二压缩机80中被进一步压缩，以在压缩机排放管线90中输出，并供应至冷凝器34，在该冷凝器中，经压缩的蒸气制冷剂冷凝为液体。在图5示出的示例实施方案中，一个可选的经济器容器92被***液体制冷剂通路94、96中，蒸气流管线98连接至抽吸管线88，以向第二压缩机80提供中间压力的制冷剂，从而提高制冷循环的效率。通过将蒸发器38经第二制冷剂蒸气管线100连接至密封或半密封的压缩机76内的马达50里面的空气隙，提供马达冷却口。蒸气管线100与马达50内部流体连通，并且以一个相对于第二压缩机80的抽吸进口88减小的压力提供制冷剂。在一个示例实施方案中，马达50可防止冷却蒸气通过排出管线102到达级间交叉管线86或与级间交叉管线86流体连通的一个位置。排出管线连接的位置决定或确定了马达腔室中的中间压力水平。
在一个示例实施方案中，来自冷凝器34的液体制冷剂可膨胀为蒸气以提供马达冷却，如冷却剂供应管线106示出的(图5)，所述蒸气排出回到一个中间压力位置，例如，第二级抽吸进口88、第一级排放或级间交叉管线86、或经济器容器92。
在一个替代的示例实施方案中，马达50可通过替代的排出管线104(而不是排出管线102)将冷却蒸气排出返回到蒸发器38中。替代的排出管线104可例如用在其中能够实现压缩机级78、80和马达腔室之间的完全或近乎完全的密封的一个实施方案中；在这样一个实施方案中，最小损失可对应马达腔室中的最小压力，通过替代的排出管线104排出至蒸发器38可实现所述最小损失。此外，在单级压缩机76的情况下，通过类似的方法，例如，通过马达50至蒸发器38的排出可冷却马达50和马达腔室。
图6示出了一个冷却剂环路110，诸如用于变速驱动器(variablespeed drive)52(VSD)(示出在图3和4中)和/或压缩机马达50的冷却剂环路。冷却剂环路110将来自冷凝器34的制冷剂流体经由制冷剂管线106提供到形成在马达壳114中的开口112，所述制冷剂管线106通过控制装置108进行调节，所述控制装置诸如合适构造的阀。经开口112引入的冷却流体被传送通过形成在马达壳114中的凹槽116以冷却马达定子118。类似于机械紧固件的内螺纹，凹槽116可沿着马达壳114的内表面形成。在再一个示例实施方案中，凹槽116可基本延伸密封在马达壳114中。在又一个实施方案中，其中凹槽116可完全密封在马达壳114中，诸如通过使用沿马达壳114的内表面应用的薄的、高度导热的材料板(未示出)。密封凹槽116可作为形成在马达壳114中的通道工作。或者，来自冷凝器34的水可传送通过马达壳凹槽116。在一个替代实施方案中，定子118的尺寸可适于压配合到马达壳114中，形成定子118的周缘面和凹槽116之间的流体密封。流过凹槽116的流体将定子118冷却。在流过凹槽116之后，可将冷却流体带到与位于一个围封室(enclosure)122中的发热部件120进行热传递的关系，所述发热部件诸如变速驱动器部件或与蒸气压缩***的运行相关联的其他部件，以提供对这些部件的冷却。如图6中所示，凹槽116可被螺旋形定向，但也可按照不同构形定向。例如，凹槽116可类似被纵向布置在马达壳114中。或者，凹槽116可被模制或铸造在马达壳114中，而不需要额外管道124定位在凹槽中。图6A中示出了一个这样的示例实施方案，其中管道处于纵向布置的定向。
图6描绘了包括马达50(以横截面示出)、控制装置108和冷凝器34的冷却***的一部分。马达50具有马达壳114，该马达壳包括马达腔室126、定子118和转子128，该转子包括延伸穿过马达壳114的转子马达轴130。一组或多组电磁轴承132径向支承马达轴130，以显著减小在所述轴和马达壳114之间的滑动摩擦。在一个替代的示例实施方案中，可使用其他合适类型的轴承。为清楚起见，未示出对轴向导向的负载起作用的推力轴承。至少一个压缩机叶轮138附接至马达轴130的至少一个末端。如图6还示出的，流体从冷凝器34流出、经过马达壳凹槽116，然后被带到与发热部件120进行热传递的关系。在冷却了容纳在一个围封室122中的发热部件120之后，所述发热部件是诸如与冷却变速驱动器52(VSD)(图4)相关联的那些部件，所述流体可返回到马达壳114以冷却所述马达转子和轴承，然后返回到次级流体回路的返回侧(图6中未示出)。在所述流体是制冷剂时，马达壳114可在压缩机抽吸压力或蒸发器压力下进行排出。在一个替代实施方案(未示出)中，可在冷却马达绕组和轴承之前冷却加热部件120。
在图6(和图8)中，冷却流体需要一个压力差，以便循环通过马达50。实现压力差的一个方法是，提供流体并使用一个膨胀装置(不管是被固定或进行调节，例如图6中的控制装置108)使所述流体膨胀。如果流体以一个足够高的压力差——例如在冷凝器压力和压缩机抽吸压力之间——通过马达50，则应不需要一个泵(图6中未示出)来使流体循环通过马达50。
图7A和7B示出了类似于图6的实施方案，除了在马达壳114周围提供了两个独立的制冷剂流体回路140、142进行冷却。流体回路140、142都被供以来自冷凝器34的液体制冷剂。在图7A的第一回路140中，从该回路中排放的两相制冷剂返回至冷凝器34；因此，需要一个泵144来推动该回路中提供的液体循环。在图7B的第一回路140中，从该回路排放的两相制冷剂可经由管线146返回至中间冷却器70(图4)、或中间压缩器级、或中间级连接(假设一个两级压缩机76(图5))。在这样的实施方案中，不需要使用液体泵144来使液体循环，可使用一个控制阀148，通过马达壳114的开口112将液体制冷剂提供进该回路。图7A和7B的第一回路140可足以在低马达速度和功率的组合下冷却所述马达。在对应于较高马达速度和功率的较高负载下，控制阀156可引导额外的液体制冷剂通过马达壳114的开口150进入第二回路142，如图7A和7B中示出的。在一个示例实施方案中，流体回路140、142相互独立。第二回路142中的流体通过马达壳114的开口152离开马达，并且可返回到低压环境，诸如蒸发器38(图4)、或中间冷却器70(图4)、或中间压缩机级、或中间级连接(假设一个两级压缩机76(图5))。
图8示出了类似于图7A和7B的用于马达冷却的实施方案，除了流体回路158将来自冷凝器34的流体通过马达壳114中的开口(诸如开口152、154)引入马达腔室126。冷凝器流体然后离开马达壳114，诸如开口112、150，返回至冷凝器34(图4)或蒸发器38(图4)。在一个替代实施方案中，还可将流体回路158传送处于与发热部件的热传递关系。
图9和9A示出了用于冷却具有凸极(salient poles)162的马达50的实施方案。类似于图6A，通过将制冷剂供给通过放置在紧邻定子118的凸极162处的纵向布置的管道160来将定子118冷却。或者，管道160可定位为平行布置，例如，与冷凝器34的管束(图4)平行。在另一些实施方案中，可通过利用热虹吸***泵送在冷凝器压力下的制冷剂。在一个替代实施方案中，还可将流体回路输送处于与发热部件的热传递关系。
尽管附图示出的和此处说明的示例实施方案目前是优选的，但应理解，这些实施方案仅通过示例方式示出。因此，本申请不限于一个具体的实施方案，而是延及各种改型。根据替代实施方案，可改变或重新排列任意过程或方法步骤的顺序或次序。
重要地是指出，各种示例实施方案中示出的该***的构造和布置仅是示例性的。尽管在本公开文本中仅详细说明了一些实施方案，但本领域技术人员在阅读了本公开文本后，将容易明了许多改型都是可能的(例如，改变各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值、安装布置、使用的材料、颜色、定向等)，而不实质偏离所述主题的新颖教导和优点。例如，示为整体成型的元件可由多个部件或元件构成，元件的位置可被颠倒或以其他方式变化，分立元件的本质或数目、或位置可被改变或变化。从而，所有这些修改都意在包括在本申请的范围内。根据替代实施方案，可改变或重新排列任意过程或方法步骤的顺序或次序。在不偏离本申请的范围的情况下，可对示例实施方案的设计、运行条件和布置做出其他替换、改型、变化和省略。

Claims (11)

1.一种用于马达的冷却***，所述马达为蒸气压缩***中的压缩机提供动力，所述冷却***包括：
一个壳和一个位于所述壳中的腔室；
第一流体回路，其具有第一连接和第二连接，所述第一连接用于接收制冷剂进入所述腔室，所述第二连接用于将来自所述腔室的制冷剂传送至一个热交换器，以实现与一个发热部件的热传递关系,所述发热部件位于所述壳的外部，所述发热部件是一个变速驱动器部件，其中与所述发热部件热传递的制冷剂被直接返回一个冷凝器；
其中所述腔室包括电磁轴承，以径向支承一个马达轴。
2.根据权利要求1所述的***，其中所述压缩机是一个多级压缩机。
3.根据权利要求1所述的***，其中一个供应被提供与所述发热部件处于热传递关系的制冷剂的部件被定位在与所述腔室的所述第一连接的上游。
4.根据权利要求1所述的***，包括在一个冷凝器和所述第一连接之间流体连通的一个控制装置。
5.根据权利要求1所述的***，包括一个第二流体回路，该第二流体回路具有与所述腔室的第三连接和与所述腔室的第四连接，所述第三连接与一个冷凝器流体连通，以将制冷剂传送进所述腔室中，所述第四连接与所述第一流体回路流体连通。
6.根据权利要求5所述的***，其中所述第二流体回路向所述马达提供液体制冷剂。
7.根据权利要求5所述的***，其中所述第二流体回路向所述马达提供蒸气制冷剂。
8.根据权利要求5所述的***，其中所述第一流体回路和所述第二流体回路彼此独立。
9.根据权利要求5所述的***，其中所述第一流体回路向所述马达提供液体制冷剂，以及所述第二流体回路向所述马达提供蒸气制冷剂。
10.根据权利要求5所述的***，其中所述第二流体回路包括一个控制装置，该控制装置与所述冷凝器和所述第一连接流体连通，并位于所述冷凝器和所述第一连接之间。
11.根据权利要求5所述的***，其中所述第二流体回路包括一个泵，该泵与所述冷凝器和所述第一连接流体连通，并位于所述冷凝器和所述第一连接之间。
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