涡旋式压缩机 涡旋式压缩机

杨头-

压缩机控制承受改革之风 Vol. 104, No. 1256, August, September 2002 (Wind of change hits compressor control；p.25) 　　涡卷式压缩机的压缩控制时常会出现状况。目前，一种新的控制方法可以针对100%至0%压缩比，在一分钟内的时间，进行数次的往返调节。 　　在大部分的运转时间中，绝大部分的冷冻空调系统皆非处于全载(full-load) 的运转状况中 (譬如，一台冷凝系统系设计来在-10℃的温度下对 10kW 的热能进行冷却，然后在 32℃进行蒸发。图一显示此系统的设计点与其冷凝温度45℃以及每月的平均环境气温与系统在每一个气温上的相对应冷凝温度。此处的平均气温是英国东南方典型的环境气温)。 相符 (Matched) 　　如图二所示，当压缩机在每月气温下的运转，皆符合冷凝器的要求时，压缩机的性能大约介于 11.5 与 14kW 之间。 　　一般冷凝系统在 32℃气温下运转的机率甚小，其在大部分的运转时间中，仅发挥其全载时之 70 至 85% 的能力。在实际的应用中，其负载会受到环境温度的影响，最明显的例子即为室内与室外温差所产生的负载。当室温在 0℃的情况下，冷凝系统在每月固定气温下的负载，则可依据原始的设计温度，由先前所提的起始点 10kW 开始估计。 　　图三显示冷凝系统每月份的负载量及压缩机的能力与电力销耗。在此例子中，冷凝系统的负载 (14kW)是相对应于压缩机在 5℃环境气温下的功率5kW。除了受到气温的影响之外，空调产生的负载具有"季节性(seasonal)"的特性。这些空调负载同时与非气候型态的负载混合在一起；这些非气候因素的负载多半来自于：基本公用设施负载(base load)、大楼潜能负载(occupancy)、办公电器设备负载(office equipment load) 等。 实例 (Examples) 　　在某些特定范围内之性能要求与运转方式下，压缩机必须维持在持续运转的状态。这些受限于此条件的系统包括：密闭式空调系统 (close control air conditioning)、密闭控制式冷冻系统 (close control refrigeration, 譬如：冷冻车系统- reefer system)及舒适冷却系统 (comfort cooling systems) 等。 　　那种具备多重蒸发器的冷媒量可变式(VRV)系统及其它仅具单一蒸发器功能的系统等，皆要求压缩机保持在持续运转的状态中，藉此避免系统在激活与停止的切换之际，突然失去冷冻与除湿的功能。 　　涡卷式压缩机的功能控制，可分为数种形式。开/关回路(on/off cycling)式--许多的系统具备充沛的"热惯性(thermal inertia)"，其允许单一压缩机从事 on/off 的动作(这些设备诸如家用电冰箱等)。在温度控制的应用上，这种设计则视系统温度的起伏状态，通常温度波动的程度必须在可接受的范围内。此种稳态通常系依赖一小时内数次周期循环来达成。其中，蒸发温度的变化为关键指针。在此控制条件下，单一压缩机的建构为最佳的设计 [实际的应用例子，诸如牛乳储槽(milk tank)]。此种系统的运作方式是要求压缩机保持在持续运转的状况中，直至系统达到所设定的恒温点 (holding temperature) 为止。 超市 (Supermarkets) 　　在涡卷式压缩机的应用中，藉多重压缩机来缓和压缩比调节时所产生的不规则变化，是最常采用的方法。一般超级市场所使用的冷藏保鲜柜，即是采用这种多重压缩机的设计。在从前，此种设计是使用往复式压缩机，如今的设计则是使用涡卷式压缩机。 　　利用汽缸卸载(cylinder unloading)法的压缩比控制方法，使得大型往复式压缩机的功能得以发挥。涡卷式的机组则是采用较小型之压缩机，以图其灵活性。 　　Tandem 型式的涡卷式压缩机(如图四)，则经常被使用于空调系统设计中。在不需要依靠油液分离法来进行控制的情形下，使用油液量均衡(oil level equalization)的设计，可以降低机组的造价与构造的复杂性。在对于冷冻机组而言，一般的做法是将油液分离器(oil separator) 与油液调节器的控制(regulator control)相互搭配，以控制个别压缩机的油液量。但是，近年来的实验结果显示，配备至三台以上之涡卷式压缩机的冷冻系统，即可以采用简单的油液均衡系统 (如图五所示)。 　　两阶式涡卷式压缩机：一台涡卷式压缩机的压缩比控制，可藉由开启一只旁通管(bypass) 来进行，此方法是让低压状态的蒸发体 (low-pressure vapor)，在无需经过压缩过程而绕道循环。藉此，涡卷式压缩的外罩(wrap of the scroll set) 即可有效的缩小。此种减少压缩机吸入端进气量的建构设计，已为涡卷式压缩机多年的设计方法。通常，一台涡卷式压缩机具有两只旁通管，如图六所示。图七是动态的涡卷钻(drillings)于固定涡卷槽(fixed scroll)内的建构以及旁通管由压缩室(compressor chamber)相通至系统的低压区(LP region)。 气密 (Sealing) 　　在全载压缩运转时，确保压缩机流道的彻底气密性是非常重要的。涡卷钻与涡卷槽之间的吻合允差，必须符合某特定尺寸与形状的规格要求，藉此降低"涡囊(scroll pockets) "相互之间之气流互通/泄漏的机率。在部分负载运转时，流量面积必须要足够。早期的设计是使用电磁阀(solenoid valve)来控制流量面积；小型活塞阀(plunger valves)则是使用来执行流道的气密管制─其系藉由压缩排放气体来开启。但是，末期的设计具有一只气密环(sealing ring)，当其受到内建的电磁阀的牵引时，会将活塞由阀口处暂时移开(如图八所示)。当电磁阀处于不活动时，气密环则藉弹簧装置归位。 过估 (Oversizing) 　　为维持某程度的固定压缩比，压缩机出口端的面积必须经过调整。但是，那种仅具备一只压缩机的空调系统，在进行压缩比调整时(由于气温与负载同时滑落及冷凝器能力过大)，则会面临冷凝温度滑落的问题。因此，在全宰与部分负载的运转下，藉由不改变压缩机出口面积的方式来调节压缩比，是比较佳的选择；此方法同时也可以产生较理想的系统效率。 　　此般逐步的性能控制法，比其它方法[例如：马达两段变速 (two-speed motor) 等]较具优势，其优势为：a.控制系统简易，无需额外的接触装置；b.可以持续的保持全速运转，而无润滑上的顾虑；c.在全载与部分负载的系统运转下，无需要求停机。 　　针对使用 R410A 冷媒与两阶控制的压缩机所作的实验测试结果显示，在32℃之饱和冷凝温度下，其COP 表现与同样使用 R410A 的标准涡卷式压缩机的COP 表现相同。前者的出口端位置条件在部分负载运转时，提供 67% 的压缩量。目前的欧洲市场，还无计画推展两阶式(two-step) 控制的压缩机市场。 　　变速或变频(inverter)的控制：可让涡卷式压缩机在变速的情形下运转。然而，其压缩机机件的运转是依循"沿径运动的惯性(radial compliance mechanism) 运作，最佳运转状况仅发生在某特定范围内。如果压缩机的运转速度过慢，则会造成涡轮衔密度的问题(scroll separation)，由于丧失离心力(centrifugal force)" 来维系"腰窝(scroll flanks)"之间的密合度。 　　但是，具有固定回转半径(orbiting radius) 的涡卷式设计，则可以在较慢的速度下运转而无衔密度的问题 [此种设计是仰赖一只固定回转的曲柄(throw crank) 来驱动]。在这种设计中，机件的润滑效果 (lubrication) 是重要的设计关键，由于在任何速度下的运转，充分的润滑液必须循环至所有转轴的轴承内，以维系可靠的运转。 已开发 (Developed) 　　Copeland 公司在过去曾开发完成一款可变速的涡卷式压缩机(variable speed scrolls)。此机种具备 30 至 100Hz 速度范围的条件。但是，这种压缩机是针对某些特定的空调系统而设计。 　　如图九所示，主要的附加项目是一只油液帮浦(oil pump)以及为了符合运转速度上的要求所做的一些设计改良。由于其油液的流量差异很大，并且其马达是设计来在100Hz 的速度下与变频器搭配使用，这种机种的油液管理(oil management) 是其设计上的关键点。其运转能力的摘要图，如图十所示。但是，此机种从未被商品化，也未公开再发表。 　　数字涡卷式压缩机(Digital scroll compressor)：此构想表达一种轴向运作的观念，此种设计提供的压缩控制，允许上端的固定涡卷(fixed scroll)依轴向的方向移动，使得上/下涡卷可处于略为咬合的负载状态。并且，藉由涡卷在 1mm 轴向分离度的控制，使得压缩机在全速运转时，可达到无压缩。因此，当马达在驱动下端的动态涡卷时，压缩机的压缩量为零。当复归正常后，上涡卷与下涡卷则处于完全咬合的状态。此时，压缩机的压缩能力与一般标准的涡卷式压缩机无异，可发挥100% 的压缩功能。至于压缩调节(modulation) 的方式，是藉由交替的方式与位于上方的固定涡卷进行分离与咬合的压缩运转。调节功能的起始则是根据调幅讯号的波宽而定 (pulse width modulated signal, PWM)，如图十一所示。由于转轴是以100% 的速度持续运转，因此机件的润滑作用必须要随时的执行。 周期 (Cycle) 　　执行一个完整的 ON/OFF 顺序所需的时间，称为"周期时间(cycle time)"。其时间约为 15 至30 秒钟之间。其中，瞬间的负载时间为二秒钟，因此涡卷承载时间仅占整体负载时间的极短的部分。图十二说明其运作原理。在图解中，顶冠(top cap)的内部具有一个由气压推动的活塞(piston)，而顶冠则是安置于涡卷的上端。活塞上端的压缩调节室(modulation chamber) 则是藉由一只外通管与电磁阀(solenoid valve) 来感应压缩机吸入端的压力。电磁阀在活跃时候是处于扩张的状态(左图显示系统在无负载的状况)。 　　在压缩的过程中，活塞下端的出口压力(discharge pressure) 会将活塞向上推顶；同时，将上涡卷(upper scroll)的位置向上提升。此时，一只动态压力出口阀 (dynamic discharge valve)则位于涡卷的出口端，以防止高压气体在排出时的回流现象。当气压在压缩调节室内累积到与压缩机出口端压力相等时，活塞承受的压力则会停止。当系统处于初期的压缩运转状态时，上涡卷则向下位移至其与下涡卷的正常接触位置。压缩调节室则具有一个小的倾流口(bleed hole)，用以加速调节室内的压力提升。 　　当电磁阀活跃时，其会再次处于开启状态；此时，压缩调节室内的气体则被释放至压缩装置的低压区。 　　虽然，在每一次的压缩运转周期中，少量的气体会藉由外通管(external tubing)，由高压区(high side)随之被释放至低压区(low side)；但是，在设计定义上，外通管并非一只旁通管。 需求 (Demanding) 　　如果使用这种具有ON/OFF 频率的系统来取代持续性压缩比递减方式的压缩运转时，密闭式控制系统(close control system)比较具有热惯性(thermal inertia)。 　　图十三显示压缩机吸入端与吐出端的压差状况。数字涡卷式压缩机在全载运转时的电力需求，与一般标准涡卷式压缩机无异。目前，一款为特殊冷冻应用 [即冷冻车(reefer)] 而设计的数字涡卷式压缩机，已发展成功。这种藉由性能控制的涡卷式压缩机，可以无须使用'高温气体旁通(hot-gas bypass)"法，而能达到不同性能范围的要求与能源效益的提升。 　　在空调的应用中，数字涡卷式压缩机优于使用变频控制(inverter-controlled)的涡卷式压缩机。数字涡卷式压缩机在空调应用中的一些优点，包含： 　a. 其性能范围介于 10% 至 100%；可即刻执行任何层次的压缩。这种条件使得它的适应性优于使用变频的系统。至于使用变频器的系统，它们则必须先经过变频的阶段，将高性能的运转速度调降至低性能的运转速度。通常，一只频率范围介于 30至100Hz 的变频器，仅能将压缩机的压缩能力减小 30 % 至40%。并且，有时还需视压缩机本身的系统压力调节状况；在必要时也许会采用热气旁通或要求停机。 　b. 在低性能的运转要求下，数字涡卷式压缩机的吸入端压力，可以产生除湿的功效。反观使用变频器的压缩机，当变频涡卷式压缩机在低速运转时，其系统内的流体质量速度会随之减慢，其内的蒸发压力则随之提升。在舒适空调的应用中，此蒸发压力会超过露点条件。 较低 (Lower) 　　数字涡卷式压缩机的设计则可以改善上述的缺点。当数字涡卷式压缩机在负载的运转状况下，其蒸发温度则是降低；如图十五所示。并且，在一特定的运转时段里，其蒸发器的露点则是持续的低于室内气温的露点。图十六显示数字涡卷式压缩机的除湿特性。 　　改良式的油液回归(oil return)设计是压缩机入口端质量流量特性的另一项优势。在承载时，压缩机则在最大性能下运转，这种状态具有足够的能力来执行油液回归的功能。因此，系统运转不会牵涉到油液分离的控制处理或复杂的周期(例如：定时速度增加)，以确保足量的油液回归至压缩机。 　　数字涡卷式压缩机的恒速运转(constant speed)，具平顺运转的特性，其可避免伴随高速运转而来之噪音与压力的鼓动。 　　控制系统是数字涡卷式压缩机的重要部分。虽然，其整体构造需要熟练的安装技巧；但是，其仍然比变频器装置要来的简单与轻巧。 　　Copeland 公司持续的在进行数字涡卷式压缩机的设计与其所属之控制器发展，此公司试图将此机种推广至欧洲市场。

杨头-

太多！ 在我机子里。