CN101063450B - 具有油旁通的压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种油润滑压缩机包括连接电机上游和下游相应油路的旁通油管路。该旁通油路使油在压缩机壳体外部的管中绕过电机，并流回到涡管入口附近的壳体内。油旁通管路使“多余的”油直接回流到槽(28)，而不是使其穿过空气间隙从槽(27)流到槽(28)，由此降低电机的阻力和输入功率。

Description

具有油旁通的压缩机
技术领域
本发明总体涉及一种用在低温制冷系统中进行吉福特-麦元马洪(Gifford McMahon，GM)循环操作的氦压缩机单元。更具体地说，本发明涉及一种改进的、用于涡旋式油润滑压缩机单元的油冷结构，所述压缩机单元适于通过将氦水平定向而对其进行压缩。
背景技术
制冷压缩机需要润滑移动部件例如轴承和齿轮。这些压缩机包含油槽以将油从槽部引向每个润滑点。油润滑空调压缩机用于向GM式低温制冷机供给增压氦已经成为标准。能够采用这些相对廉价但可靠的压缩机，是因为研制了在氦得到压缩时对其进行冷却的方法，并且研制了可靠地使油置于GM式制冷系统的冷膨胀器之外的油分离器和吸收器。由于氦在压缩过程中比标准空调制冷剂变得更热，因此通过使大量的油与氦一起流过压缩室而氦频繁得到冷却。另外，压缩机单元在氦的压缩过程中还产生热。因此，油在GM式低温制冷中的作用，是润滑且吸收氦压缩过程中产生的热量。
在授予McMahon等人的美国专利No.2,906,101中描述了GM循环制冷机的基本操作原理。GM循环已经成为在小型商用制冷机中产生低温温度的主要手段，主要是因为其能够利用大量生产的油润滑空调压缩机以最小的成本构建可靠、长寿命的制冷机。尽管用氦替代设计制冷剂，但GM循环制冷机在空调压缩机设计极限内的压力和功率输入下操作良好。通常，GM制冷机以大约2MPa(每平方英寸300磅绝对压力，psia)的高压(Ph)和大约0.8MPa(117psia)的低压下操作。
空调压缩机被构造成具有很大的尺寸范围以及几种不同的设计。提供额外冷却以使这些压缩机适于压缩氦的装置，对不同的压缩机来说是不同的。例如，吸取大约200-600W的压缩机通常是通过向压缩机壳体增加空气冷却翼而得到冷却的往复活塞式。在大约800-4,500W之间，最常见的压缩机是低压回流气体直接流向压缩室的滚动活塞式压缩机。在滚动活塞式压缩机中，油与氦一起流入压缩室，并且在氦得到压缩时从其中吸收热量。较多的油与压缩机壳体中的高压氦分离。在授予Longsworth的美国专利No.6,488,120中描述了通过绕壳体缠绕水冷却管并在水管上进一步缠绕氦冷却管和油冷却管而对氦、油和压缩机壳体进行冷却。冷却的油随后注射入回流氦管路中。实践中，压缩机作为油泵。泵送的油量通常大约是排量的2％。
油冷却系统的问题是冷却水的流速和温度非常重要，并且必须得到严格监控。监控器故障降低了油分离器的有效性，产生过热，并提高了压缩机关闭或故障的可能性。
Hitachi Corporation制造的涡旋压缩机吸收5-9kW的功率，并且具有直接流向涡管的回流气流。油可以注入入口并与氦一起以高压排入壳体内。与以上所述滚动活塞式压缩机类似，大部分油与氦分离并积聚在压缩机底部。与更小的压缩机不同，这种类型的压缩机利用缠绕壳体的水冷却管冷却壳体不是很有效。在此，通过空气或水冷却的后冷却器带走来自氦和油中的热量。
Copeland Compressor Corporation制造的用于空调设备的涡旋压缩机吸收5-15kW的功率。这些压缩机与Hitachi设计的不同之处在于，回流气体以低压流入壳体而不是直接流入涡管。在涡管处于电机上方的标准竖直定向中，不存在任何装置使冷却油与氦一起流入压缩室。Copeland已经改进了5kW和7.5kW的两种压缩机，以通过在涡管上方的排出增压室内收集高压油、并随后使其流过专用端口以在外部后冷却器中得到冷却，而使冷却氦的油循环。另一专用回流端口使油接近低压地方式回到涡管，在那里其与得到压缩的氦混合。
在授予Weatherston等人的美国专利No.6,017,205中，具有对涡旋压缩机构造和操作以及为使Copeland标准单元适于压缩氦而进行特定改变的描述。在R.C.Longsworth于2002年Amer.Inst.of Physics第47卷“Advances inCryogenic Engineering(低温工程进展)”第691-697页中的“HeliumCompressor for GM and Pulse-tube Expanders(用于GM和脉冲管膨胀器的氦压缩机)”中描述了采用两个压缩机(其被制造用于使用氦设施)中较大一个压缩机的压缩机系统，同时描述了压缩机是主要部件的整个压缩机系统。
在试图降低将以上涡旋压缩机应用于需要喷油冷却的场合下成本的方面，Copeland成功地将压缩机水平定位。在Copeland压缩机中，在压缩机底部的油因重力以低压与得到压缩的气体一起流入涡管。对标准竖直压缩机仅有的改进是在压缩机的底部中心增加了一个端口。在水平定向时，通常从压缩机底部油槽中沿驱动轴向上泵送以润滑轴承和涡管的油，在其于后冷却器中得到冷却之后在驱动轴的端部被导向。与竖直定向相比，更多的油与氦一起流入涡管。然而，水平定向的问题是，有比所需润滑轴承更多的油在循环，并且“多余的”油积聚在壳体底部。多余的油穿过电机中的“空气”间隙流向涡管，由此对电机施加极大的阻力。
当标准Copeland涡旋压缩机水平操作时，导入驱动轴端部的冷却油含有一大部分超过润滑轴承所需量的油。多余的油落入压缩机壳体的底部，并且其中更多油流过转子和定子之间的“空气”间隙达到涡管入口，在那里油与氦一起被泵送达到高压。在“空气”间隙中的油以及产生的阻力导致电机吸收比压缩机在竖直位置操作时更多的功率。
水平定向的另一问题是更大的振动。除了压缩机固有的振动之外，水平操作标准Copeland涡旋压缩机因“空气”间隙中存在的油而导致甚至更大的振动。
因此，需要改进Copeland式水平定向的油润滑压缩机的油冷却系统。针对上述问题做出本发明。因而，要求具有一种降低作用于电机上的阻力的油润滑压缩机。还要求提供一种利用降低的输入功率的高效油润滑压缩机，其可以以变速操作，并具有降低的振动。
没有任何参考文献披露了油旁通设计，其使得当从后冷却器中回流的油分成两个支流时，一个支流润滑轴承且多余的油落入油槽，第二个支流在压缩机壳体外部的管中旁通绕过电机，并流回到涡管入口附近的壳体内，从而输入功率显著降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型和改进的油润滑压缩机，使得油可以在重力作用下流入压缩室入口，并通过将从后冷却器回流的油分成两个支流而使超过一半的油旁通绕过电机，第一回流油部分润滑轴承并包含落入油槽的多余油，以及第二回流油部分在压缩机外部的管中旁通绕过电机并流回到涡管入口附近的壳体内。
根据本发明的一方面，本发明提供一种油润滑压缩机，其中，油在重力作用下流入压缩室入口，所述压缩机包括：在回流气体压力下的油槽；第一回流油部分，其撞击驱动轴的第一端；使驱动轴转动的电机，其定位在所述驱动轴的所述第一端与第二端之间；由所述驱动轴的第二端驱动的压缩室；以及第二回流油部分，其流入电机与压缩室入口之间的压缩机壳体内。
根据本发明的另一方面，本发明提供一种用于降低油润滑压缩机的输入功率、振动和阻力的方法，其中油在重力作用下流入压缩室入口，所述方法包括以下步骤：将从后冷却器回流的油分成两个回流油部分，其包括第一回流油部分和第二回流油部分，其中第一回流油部分撞击驱动轴的第一端；使第二回流油部分穿过压缩机壳体外部的油旁通管路流入电机与压缩室入口之间的压缩机壳体内；以及使油直接回流到油槽而不是流过空气间隙。
本发明的另一目的是提供一种油旁通系统，其使大部分油旁通绕过电机，提高了油平衡效果，由此降低了电机的阻力。
本发明的另一目的是提供一种降低输入功率的油旁通系统。
本发明的另一目的是提供一种降低压缩机振动或压缩机噪声的油旁通系统。
本发明的另一目的是提供一种压缩机，其中通过固定或可变的孔口确定第一和第二回流油部分的流速。
本发明的另一目的是提供一种压缩机，其中可变孔口在压缩机的操作过程中得到自动调节，从而可以以变速进行操作。
附图说明
参照以下描述和附图将会清楚地了解到本发明的其它目的和优点。
图1是根据本发明的油润滑氦压缩机系统的示意图，显示了水平安装、具有油旁通系统的标准Copeland涡旋压缩机；
图2是油润滑氦压缩机的示意图，其显示了水平安装的标准Copeland涡旋压缩机，该压缩机具有使从后冷却器回流的油撞击驱动轴的油泵端的端口，该构造代表现有技术；
图3是根据本发明的油润滑氦压缩机的示意图，显示了水平安装的标准Copeland涡旋压缩机，其中从后冷却器回流的油分为两部分，一部分流到使油可以撞击驱动轴的油泵端的端口上，第二部分旁通绕过电机并流入涡管入口附近的壳体内；
图4是根据本发明的油润滑氦压缩机的示意图，显示了水平安装的标准Copeland涡旋压缩机，其具有使从后冷却器回流的油撞击在驱动轴的油泵端的端口，多余的油落入电机与驱动轴的泵端之间的油槽内；所有多余的油随后通过绕过电机的外部管流到涡管入口。
具体实施方式
参照图1，示出了本发明的优选实施方式，用于压缩机单元的新型油旁通装置。该新型油旁通装置用于根据本发明的油润滑氦压缩机1中，并包括压缩机壳体2，该压缩机壳体包含由电机14通过驱动轴13驱动的压缩机涡管组12。油在压缩机壳体2内被容纳在电机14任意一侧的油槽27和28中。电机14包括与驱动轴13相连的转子以及与由转子隔开“空气”间隙46的外定子。尽管在此被称为“空气”间隙46，但本申请的间隙中实际上具有氦。与现有技术中大量油从中流过的“空气间隙”相比，流过本发明的“空气间隙”的油量显著减少。壳体2具有在回流(低)压力下的容积3和在供给(高)压力下的容积11。压缩机2的类型是用于压缩在空调设备中采用的制冷剂，并且通常竖直定向，且涡管位于电机上方以及油槽处于底部。驱动轴13在电机14下方的一端包含油泵16，其从油槽中吸取油以穿过驱动轴13上的孔对其泵送，所述驱动轴具有润滑下轴承、上轴承并且向涡管组中的压缩室内注入一定油的端口。
当制冷剂例如氦得到压缩时，在压缩过程中升高的温度比用于空调的制冷剂大得多。这些高温会促使油分解并使涡管变形。通过使相对大量的油与氦一起流过压缩室，温度可以保持在容许限值内。为了在对标准压缩机进行最小改变的情况下实现上述目的，Copeland已经采取了一种水平安装的压缩机。
在随后得到冷却、并经由油回流端口15回流到压缩机的油中的大部分压缩热量，离开压缩机。
传统地，在本发明之前，油流过电机定子与旋转绕组之间通常称为“空气”间隙的间隙以进入油槽28，从那里其与氦一起流入压缩室。图2表示被制造成使得所有回流油流过端口15的Copeland压缩机。在槽27中多余的油具有在“空气”间隙上方的油位，同时涡管入口低于“空气”间隙。因而，在槽28中的油位低于“空气”间隙。空气间隙限制油流动，因此槽27中的油位在“空气”间隙底部之上足够高，以提供使其流过“空气”间隙进入槽28内所需的压头。在初始设计中的槽27内油位会随着在不同操作条件下油流速的变化而在高度上改变。这样导致批量油分离器(bulkoil separator)4中的油面深度变化。更为重要的是，功率会因从“空气”间隙中的油对电机产生阻力而导致消耗。
与之相比，根据本发明，通过增加图1和3所示的油旁通管路23，使从后冷却器回流的油中超过一半的油直接回流到槽28内，而不是使其通过“空气”间隙从槽27流到槽28，从而降低了对电机的阻力，也降低了输入功率。已经得到冷却的油流过端口15，并撞击驱动轴13的端部，在那里第一回流油部分由油泵16吸收，并且第二部分“多余的”油落入油槽27内。
在图4所示的备选实施方式中，旁通管路23起始于槽27而不是管路25。所有“多余的”油流过旁通管路27，并且槽27中的油位低于“空气”间隙。
通过孔口24和26的尺寸设定总的油循环率和分流率。也就是说，孔口控制可以流过的油量。当较多部分的油旁通绕过压缩机电机时，槽27中的油位可以略高于槽28中的“空气”间隙，如图1和3中由实线表示的油位，或者如果存在一些穿过电机14的定子的通道，则油位可能略低于“空气”间隙。
可以利用速度控制装置，使本发明的压缩机以变速操作。在操作过程中，可以通过使旁通油孔口24和轴承孔口26可变而不是固定来调节油流速。孔口24和26可以在压缩机操作的同时得到自动调节，以在不同操作条件下优化油流速，以及改变操作速度。也就是说，通过固定或可变孔口确定压缩机第一和第二回流油部分的流速。可变孔口可以在压缩机的操作过程中得到自动调节。
在此采用的制冷机被称为低温制冷机。
通常，压缩机是这样一种机械装置，其在通常低的压力下吸入气体并将其增大到更高压力。在此采用的压缩机被定义为低温制冷机的一个部件，其提供低温制冷机所需的氦气流速。更具体地说，在此采用的压缩机是油润滑涡旋压缩机，其在氦的压缩过程中产生热量。然而，本发明的压缩机并不局限于这种类型。可以采用具有冷却油流过“空气”间隙的其它类型的压缩机，例如往复式、离心式、膜片式和螺杆式压缩机。
在此所称的“多余的”油指的是流过端口15并落入槽27内的油。
更详细地，在图1中的箭头29表示氦与来自槽28的油一起进入压缩室。箭头19表示氦/油混合物离开压缩室并流入高压增压室11。从那里混合物流过管路20到达批量油分离器4，在那里大部分油穿过管路21离开，少于0.1％的油与氦一起穿过管路31离开。在管路21和31中的两个流动流流过后冷却器6，其利用穿过30的冷却水反向流动而冷却两个流动流。冷却的油流过管路25和孔口26进入端口15(在此处其提供对轴承的润滑)，且冷却油穿过管路23和孔口24进入槽28内。冷却氦穿过管路32流到油分离器8，其清除未在批量油分离器4内得到分离的大部分的油。得到分离的油积聚在油分离器8的底部，并穿过管路41和过滤器/孔口42回流到压缩机2的低压容积3内。从分离器8处，氦仅与油雾形式的微量油一起穿过管路33流到吸收器10(该吸收器在油穿过供给管路37离开之前清除所有的油汽)；该吸收器收集和容纳污染物。其主要作用是从氦气但主要是从油中清除所有微量成分，例如水蒸汽。供给管路37将氦送入膨胀器(未示出)。氦从膨胀器中以低压穿过管路39回流并穿过管路24继续流入压缩机容积3内。自密封连接件36使管路33和37可以断开，并使吸收器可以得到更换而不会损失氦。自密封连接件38使管路39可以被去除而不会损失氦。该系统通过大气减压阀(ARV)40得到保护以防过高压力。在冷却或者管路37或39不相连的操作过程中，通过在管路34中的内部减压阀35限制系统高压侧和低压侧之间的过大压差。温度开关47和44是典型的、在超过安全操作温度时关闭压缩机的开关。
本申请已经公开了有助于改进这种油润滑压缩机的发明。批量油分离器4被示出具有油位开关。由于压缩机2中的油位几乎恒定，因此当油积聚在吸收器10内时，批量油分离器中的油位经过长时间而下落。这样提供了一种如美国专利No.6,488,120中描述的使压缩机“防故障”的装置，该文献在此全部引入作为参考。该专利规定，压缩机在吸收器达到超过大约75％负载之前关闭，油(雾)从不离开吸收器。压缩机2中几乎恒定的油位可以使油在这样一个油位(在该油位上，油位传感器或开关打开以关闭压缩机)上增加，而在最大额外油量(其可增加，并利用小于吸收器8的75％负载使油位开关打开)与最小油量(当油位开关打开时，该最小油量可以收集在吸收器8内)之间不会具有更大的差值。最大和最小油位之间的差值是由于系统初始充油以及在不同温度和压力下的操作过程中油位的变化的容许量。
本发明的优点是，油旁通管路还提高了压缩机操作的油平衡和功效。另一优点是，在改进的Copeland压缩机中，防止在油润滑压缩机在水平定向操作时性能变差。
实施例1
对于具有338L/min排量和大约7L/min的油循环率的压缩机，当5L/min的油通过流过管路23而旁通绕过电机14时，60Hz的输入功率从8,300W减小到8,000W。
本发明的优选实施方式涉及GM制冷机，特别涉及用于空调装置的Copeland涡旋式压缩制冷单元。然而，本发明可以用于压缩式制冷单元中其它类型的涡旋式压缩机。
在备选实施方式中，压缩机可以包括另外的阀、孔或通道以控制超过润滑轴承所需的油量。同时，还可以理解，在此采用的术语和技术是为了描述而不应该被认为是限制。
尽管已经描述了本发明，但将会认识到能够进一步改进，本发明的用途和/或适用总体上遵循本发明的原理并包括脱离本发明公开内容但在本发明涉及的领域中已知或惯例范围的那些变化，这一点适用于之前提出的主要特征，这些都落入本发明的范围或附加权利要求限制范围内。

Claims (15)

1.一种油润滑压缩机，其特征在于，油在重力作用下流入压缩室入口，所述压缩机包括：
第一回流油部分，其撞击驱动轴的第一端；
使驱动轴转动的电机，其定位在所述驱动轴的所述第一端与第二端之间；
在回流气体压力下的第一油槽(27)和第二油槽(28)；
由所述驱动轴的第二端驱动的压缩室；以及
第二回流油部分，其流入电机与压缩室入口之间的压缩机壳体内。
2.如权利要求1所述的油润滑压缩机，其特征在于，还包括压缩机壳体外部的油旁通管路，由此所述第二回流油部分从油回流管路(25)或从第一油槽(27)流入涡管入口附近的压缩机壳体内。
3.如权利要求1所述的油润滑压缩机，其特征在于，还包括压缩机壳体外部的油旁通管路，其中该油旁通管路使油在回流气体的压力下直接回流到第二油槽(28)。
4.如权利要求2所述的油润滑压缩机，其特征在于，所述油旁通管路起始于第一油槽(27)。
5.如权利要求2所述的油润滑压缩机，其特征在于，所述油旁通管路起始于油回流管路(25)。
6.如权利要求1所述的油润滑压缩机，其特征在于，通过固定或可变的孔口来确定所述第一回流油部分和第二回流油部分的流速。
7.如权利要求6所述的油润滑压缩机，其特征在于，所述可变的孔口在压缩机的操作过程中得到自动调节，从而以变速进行操作。
8.一种包括权利要求1所述的油润滑压缩机的制冷机。
9.如权利要求1所述的油润滑压缩机，其特征在于，所述压缩机水平操作。
10.如权利要求1所述的油润滑压缩机，其特征在于，还包括压缩机防故障装置，使得当批量油分离器中的低油位触发油位传感器或开关时，压缩机关闭。
11.一种用于降低油润滑压缩机的输入功率、振动和阻力的方法，其中油在重力作用下流入压缩室入口，所述方法包括以下步骤：
将从后冷却器回流的油分成两个回流油部分，其包括第一回流油部分和第二回流油部分，其中第一回流油部分撞击驱动轴的第一端；
使第二回流油部分穿过压缩机壳体外部的油旁通管路流入电机与压缩室入口之间的压缩机壳体内；以及
使油直接回流到油槽而不是流过空气间隙。
12.如权利要求11所述方法，其特征在于，所述第一回流油部分润滑轴承，并且所述第二回流油部分旁通绕过电机。
13.如权利要求11所述方法，其特征在于，通过固定或可变的孔口来确定所述第一回流油部分和第二回流油部分的流速。
14.如权利要求13所述方法，其特征在于，可变的孔口在压缩机的操作过程中得到自动调节，从而可以以变速进行操作。
15.如权利要求11所述方法，其特征在于，还包括在批量油分离器中的油位触发油位传感器或开关时，关闭压缩机。
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