CN102052282A - 气冷式氦气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一般在吉福德-麦克马洪循环中使用的低温致冷机用油润滑式氦气压缩机。本发明的目的在于，将油润滑式氦气压缩机中的构成要素的油分离器和吸附器保持在室内的空调环境中，同时在夏季至少向室外释放压缩机的热量的65％，剩余热量被释放到室内的被调节的空气中或释放到冷却水中。这通过高压氦气在包含压缩机、油分离器、油吸附器以及其他管和控制构件的室内组装体中的气冷式或水冷式热交换器中被冷却的期间，在室外的气冷式热交换器中以高压循环高温油，并使进行了冷却的油回流到压缩机入口来实现。为了节约对室内空间进行加热的成本，提供在冬季将油产生的热量释放到室内空间的可选择的方案。

Description

气冷式氦气压缩机

技术领域

本发明涉及一种在以吉福德-麦克马洪循环运行的低温致冷系统中使用的氦气压缩单元。尤其涉及，具有生态环保和经济效益之优势的气冷式压缩机的装置。

背景技术

GM循环致冷机的运行基本原理已被麦克马洪等的美国专利第2906101公开。GM循环主要因为可以利用为了能够以低成本提供高可靠性、长寿命的致冷机而大量生产的油润滑式空调压缩机，因此在小型商用致冷机中成为产生低温的优选手段。GM循环致冷机在氦被置换为所设计的致冷剂的情况下，也能在空调压缩机的设计范围内通过输入压力和功率而正常运行。典型地，GM致冷机在约2MPa(300磅每平方英寸，绝对压力)的高压(Ph)和在0.8MPa(117绝对压力)的低压下运行。GM制冷机中的低温侧膨胀器一般通过5m至20m长的气体管线从压缩机分离。膨胀器和压缩机通常设置在室内，压缩机通常通过水进行冷却，最典型的是，通过由水冷却单元进行循环的水进行冷却。有些压缩机是气冷式压缩机，设置在室内并通过由空调调节的空气冷却，或设置在室外并由室外空气冷却。

空调压缩机可以形成为各种大小和几种不同外观。为了使这些压缩机适合压缩氦气而提供的附加的冷却手段，在不同压缩机中各不相同。例如，消耗约200～600W的压缩机为典型的往复活塞式压缩机，其通过将气冷式翅片加在压缩机壳体上而进行冷却。消耗约800～4500W之间的最普遍使用的压缩机为旋转活塞式压缩机，这种压缩机中低压回流气体直接在压缩室中流动。在旋转活塞式压缩机中，油与氦气一起流入到压缩室中，并在压缩时从氦气吸收热量。大部分油在处于高压的压缩室中从氦气分离。Longsworth的美国专利第6488120号中公开了在壳体周围缠绕水冷管，然后在水冷管上进一步缠绕氦气冷却管和油冷却管而冷却氦气、油以及压缩壳体的方法。被冷却的油被注入到氦气回流管路中。实际上，压缩机被用作油泵。以往，消耗3000W～15000W的涡旋式压缩机和消耗15kW～50kW的螺杆式压缩机一直用于压缩氦气，但现在最大型的GM循环致冷机消耗约15kW。小型的往复式压缩机具有进气阀和排气阀，旋转活塞式压缩机具有排气阀。这些阀限制油的流量，允许的油量为行程容积的约0.5％，在不具有阀的涡旋式和螺杆式压缩机中，一般可以吸入行程容积的约2％的油。这些油量足够从压缩机吸入约75％的热量，剩余的热量留在氦气中。双方流路为了在压缩机的外部进行冷却而从压缩机流出，因此无需像具有阀的较小型的压缩机那样从压缩机壳体排除热量。

美国专利第US2007/0253854号公开了由Copeland公司制造的水平涡旋式压缩机，该压缩机一直被本发明的受让人应用于氦气的压缩。当流入空调致冷剂所需的油的数倍多的油时，可以使剩余的油迂回电机并直接流入涡管入口。Copeland压缩机需要有外部的散装油分离器，以用于从氦气分离大部分油。油和氦气中的热量在水冷式热交换器中被排除，然后油返回到压缩机，而氦气在流入膨胀器之前通过第二油分离器和吸附器。以往，为了将其变换为空冷式，如图1所示，将水冷式热交换器替换为空冷式热交换器。这种空冷式，在室内的空调环境中空气温度在15℃至30℃之间时运行良好。如实验证明，用户可以接受的最高热负荷为约3kW，当热负荷超过最高热负荷时，如果不能利用水冷却，则最好向室外空气释放热量。而要设计温度在-30℃至45℃的范围内变化的室外环境中可以运行的氦压缩机，存在很多问题。为了能够将最大排出温度维持在约低于85℃，油的循环速度被设定为足够高。这属于压缩机的容许范围内，与低温油相比，在高速油中可好排放被吸附在其中的污染物(主要是水蒸气)。这需要尽早安装吸附器，并且需要频繁地更换吸附器。在低的室外温度下，油变得非常粘，使压缩机难以起动。在过去，该问题通过将压缩机放置在具有可调整的百叶窗和风扇的小屋中来解决的，其中上述百叶窗和风扇对小屋进行恒温控制，以使小屋维持与室温相近的温度。这些特征中的一个或两个，可以被组装在压缩机的机柜内。为了在压缩机起动前加热压缩机需要加热器，然后利用压缩机排出的热量使小屋或机柜保持高温。本申请的受让人制造了室内用的氦气气冷式压缩机，其模型为CSA-71，该压缩机使用了日立的涡旋式压缩机，并且制造了在室外运行的压缩机，其模型为CAN-61，该压缩机使用了三洋的旋转活塞式压缩机。两者均采用了以往的冷却手段。

日立公司制造了适合压缩氦气的多种涡旋式压缩机模型。这些压缩机的消耗电力在5kW～9kW之间。日立公司的涡旋式压缩机与Copeland的水平式压缩机不同，其朝向为垂直方向并使回流气体和油通过分离的管路直接流入涡管中。氦气和油同时以高压被排出到壳体中。如上面记载的旋转活塞式压缩机，大部分油从氦气分离并聚集在压缩机底部。与小型压缩机不同，对于这种压缩机，通过缠绕在壳体周围的水冷管来冷却壳体并不奏效。此时，通过设置在压缩机壳体外部的、可以为气冷式或水冷式的后置冷却器来排除从氦气和油释放的热量。日立公司的涡旋式压缩机因为不需要散装油分离器，管路更简单，因此作为本发明的主体来示出。

发明内容

本发明的目的在于，将气冷式油润滑式氦气压缩机中的构成要素的油分离器(可以为多个)和吸附器保持在室内的空调环境中，同时在夏季至少向室外释放压缩机的热量的65％。

本发明被设计成用于GM或脉管的低温致冷机，在夏季，至少将由压缩机生成的热量的65％释放到室外的空气中，剩余热量被释放到室内的被调节的空气中。这通过在高温高压氦气在包含压缩机、一个以上的油分离器、油吸附器以及其他管和控制构件的室内组装体中的气冷式热交换器中被冷却的期间，在室外的气冷式热交换器中以高压循环高温油，并使进行了冷却的油回流到压缩机入口来实现。

本发明的其他目的在于，为了节约对室内空间进行加热的成本，提供在冬季将油产生的热量释放到室内空间的可选择的方案。

本发明可以应用于消耗约4kW～12kW之间的电力，夏季在进行了调节的空气中释放约1kW～3kW的热量的压缩机系统中。

附图说明

图1为油润滑式氦气压缩机系统的概略图，通过现有技术说明用具有风扇27的6示出的气冷式后置冷却器代替标准的水冷式后置冷却器。

图2A为压缩机系统的概略图，其中油循环于设在室外的气冷式油冷却器9，而包含气冷式氦气冷却器12的系统的剩余部分根据本发明配置在室内，并且包含通过冷却器12使释放到室内空气中的热量的总量最小的氦气/油热交换器11。

图2B为省略了热交换器11的图2A的变形图。

图3A为表示增加搭载于室内的风扇29和第二气冷式油冷却器10的可选机构的压缩机系统的概略图，在夏季，电磁阀48、49用于使高温油循环室外油冷却器9，在冬季，电磁阀48、49用于使高温油循环室内油冷却器10。

图3B表示除了油冷却器10和氦气冷却器12一起被搭载且使用同一个风扇30之外，其他与图3A的压缩机系统类似的压缩机系统。

图4表示增加了旁通管路25和油温调节器24以外，与图2A的系统类似的系统，当外部温度非常低时，调节器24使高温油通过旁通管路25，以使其与由油冷却器9流出的低温油混合，返回时的温度保持大于约10℃。

具体实施方式

下面，对于在附图中具有相同参照符号和说明的相同或类似的部分不进行重复说明。图1为目前正由本申请的受让人制造的油润滑式氦压缩机系统的模块图，其中后置冷却器6采用了水冷方式而非气冷方式。该图显示由Copeland公司制造的水平涡旋式压缩机。该水平涡旋式压缩机需要有连接于压缩机排出管路21的散装油分离器5，以用于从氦气分离大部分油。由于在后面的图中氦气/油的混合物从涡管排出后进入起到散装油分离器作用的压缩机壳体中，因此使用由日立公司制造的垂直涡旋式压缩机来说明压缩机。

在所有的图中，压缩机系统的共同构成部分为，压缩机壳体2、壳体中的高气压容积4、油分离器7、吸附器8、压缩机涡管13、传动轴14、电机15、油回流端16、氦气回流管路17、从涡管19的氦气/油混合物排出器19、向后置冷却器的高压高温油管路22、油量控制口23、油箱中的油、向后置冷却器的高压氦气31、从冷却器6或9的高压油32、从油分离器7至吸附器8的气体管路33、从油分离器7至内置泄压阀(IRV)35的气体管道34、吸附器气体连接器(gas couplings)36、将压缩机连接至膨胀器(未图式)的高压氦气供应管路37、通过管路39将从膨胀器返回的气体以低压连接至压缩机的回流气体连接器38、大气安全阀(ARV)40、通过节流孔/过滤器42从分离器7至压缩机的油回流管路41、与传动轴14成一体的油泵47、将从后置冷却器排出的氦气连接至油分离器7的管路50。

图1中的压缩机系统100表示通过用气冷式后置冷却器6和风扇27替换水冷式后置冷却器并将整个系统放置在室外，从而将水冷单元变换为气冷单元的以往的方法。在容许范围内，油量被设定为保持最高温度，热交换器和风扇的大小被设计为，在约45℃的最高气温下，能够从油和氦气排除热量。氦气在约50℃下流入油分离器7。如果不具有将其冷却至接近室温如约25℃的单元，则氦气将会搬送从高温油气化并被收集到吸附器中的高百分比的污染物(主要为水)。因此，与压缩机、氦气后置冷却器、油分离器(可以为多个)和吸附器被保持在本发明的空调环境中相比，吸附器需要以更高的频率更换。

压缩机系统100与后面的系统相比具有如下的不同点。即，回流气体从管路17流入涡管入口侧的压缩机壳体中，因此壳体2中的大部分容积处于低压状态，如符号3。油箱26中的油处于低压，在18中流向涡管时与低压氦气混合。排出管路21包含离开涡管的同样的氦气/油混合物，如符号19。图1中示出了温度开关TSG44，当排出温度过高时，温度开关TSG44用于停止压缩机运行。TSM45为当电机温度过高时，停止压缩机运行的温度开关。大部分压缩机系统都具有这两个保护单元。

图2A为压缩机系统200的概略图。该图表示日立公司的垂直式压缩机，其被构造成如同通过管路16的回流油，回流的氦气通过管路17直接流入到涡管13。高温压缩氦气和油的混合物从涡管流出，如符号19，然后大部分油滴落到设在压缩机底部的油箱26中。高温压缩氦气与少量油一起通过管路20从压缩机流出并流入到热交换器11，热交换器11将高温氦气中的一部分热量转移至回流油中。然后氦气通过氦气冷却器12流动，氦气冷却器12通过由风扇30驱动而流动的室内空气进行冷却。从压缩机排出的大部分热量在油冷却器9中释放到室外。

表1提供在夏天的室外温度45℃和冬天的温度-30℃下，图中示出的系统中的氦气和油的温度估计值。假设室内温度在夏天为27℃，在冬天为21℃。油循环流量被固定节流孔23设定为使管路22中的油最高温度为85℃。可能认为该油循环流量在低温环境下保持不变，但实际上流量与温度一起下降。对于在60hz运行、具有98mL的排出量、将氦气从0.9MPa压缩至2.3MPa时消耗8.0kW功率的涡旋式压缩机进行计算。风扇速度可以改变，因此为了防止油过冷，例如在冬天使室外空气流降低。连接于室外的热交换器的管路可以考虑绝缘。

氦气以及其他的单原子气体被压缩时，比其他气体温度更高，因此与氦气一起喷射到压缩机入口的油更为实在(substantial)。表1示出在系统100中，在本实施例中喷射的油的容积占排出的油容积的2.0％。表示现有技术的系统100，将压缩机热量的100％释放到室外。用于说明本发明的系统200，在认为最热的天气，将热量的81％释放到室外，将19％释放到室内，在认为最冷的天气，将热量的89％释放到室外，将热量的11％释放到室内。相对于本例中所使用的8.0kW的输入功率而言，空调系统的最大热负荷为1.5kW。

本发明的最重要的点在于，除了油冷却器之外，可以将压缩机系统的所有部分置于室内，其结果可以使流通油分离器7和吸附器8的氦气相对于系统100保持非常低的温度。表1表示从吸附器流出的氦气在系统100中为50℃，而在系统200中为32℃。

图2B为表示省略了热交换器11的图2A的变形例的概略图。表1列举了可与系统200进行对比的系统201的温度。在认为最热的天气，系统201将热量的66％释放到室外，将34％释放到室内，在认为最冷的天气，系统将热量的70％释放到室外，将30％释放到室内。相对于本例中所使用的8.0kW的输入功率而言，空调系统的最大热负荷为2.7kW。系统201通过省略热交换器11而节省的成本，被空调系统的非常高的室内热负荷而抵消。

图3A为表示增加设置在室内的第二气冷式油冷却器10和风扇29的可选择机构的压缩机系统300的概略图。在夏季，电磁阀48、49在室外油冷却器9中用于循环高温油；在冬季，电磁阀48、49在室内油冷却器10中用于循环高温油。一般为自密封的气管线联接器51，可以使上述组件作为选择构件来出售。在夏季，电磁阀48被开通，电磁阀49被关闭，因此与系统200相同。在冬季，油通过室内的油冷却器10流动，因此可以用压缩机产生的全部热量加热内部空间。

图3B表示压缩机系统301，该压缩机系统301除了油冷却器10和氦气冷却器12一起设置且共用同一个风扇30之外，其他与图3A的压缩机系统300类似。

图4表示压缩机系统400，该压缩机系统400与图2A的压缩机系统类似，增加了旁通管路25和油温调节器24。当外部的空气温度非常低时，调节器24使高温油流过旁通管路25并与从油冷却器9流出的低温油混合，可以维持大于约10℃的回流温度。相对于系统200而言，系统400可以具有在冬季可以迅速起动的优势。为了加热室外冷却器9中的油，系统400中的油旁通管路25可以使油迅速循环，从外部流入的低温油可以在压缩机被预热的期间被混合，而不会等待加热器来加热。在初始阶段，风扇28有时最好被关闭。

用水冷式热交换器替换气冷式氦气冷却器12属于本发明的保护范围内。在此，不存在任何用于限定本发明的意图。应该理解，本发明可以应用于其他的水平涡旋式压缩机或其他的如螺杆式、往复式、离心式以及旋转叶片式压缩机，并用于任意的单原子气体的压缩。

上面说明了本发明，但应该理解，在本发明所属的技术领域中，基于本发明的公开，在本发明原理的基础上进行进一步的修改、使用和/或应用均属于本发明的权利要求书中限定的保护范围内。在此，在本发明说明书中使用的术语与摘要均用来说明本发明，并不限定本发明。

Claims (7)

1.一种具有单原子气体的油润滑式压缩机系统，其特征在于，包含：

至少一个压缩机；

气冷式油冷却器；以及

气冷式气体冷却器，所述压缩机和所述气体冷却器配置在室内，在夏季被冷却的期间，仅将从所述压缩机排出的热量的35％左右释放到内部空间，剩余热量通过所述油冷却器释放到外部。

2.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，进一步包含配置在室内的第二气冷式油冷却器，当室内空间需要被加热时，油的流动从室外的冷却器转向室内的冷却器。

3.根据权利要求2所述的压缩机系统，其特征在于，所述第二油冷却器包含一种风扇，该风扇与用于冷却气体或同种类物质的风扇不同。

4.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，进一步包含热交换器，将从所述压缩机流出的所述单原子气体排出的热量转移到从所述外部的油冷却器回流的被冷却的油中。

5.根据权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，进一步包含油旁通管路和旁通流量调节器，用于将流向所述油冷却器的高温油管路连接到被冷却的油回流管路，当油温低于外部温度时，旁通流量调节器控制被混合的油的温度，使其大于10℃。

6.一种具有单原子气体的油润滑式压缩机系统，其特征在于，包含：

至少一个压缩机；

气冷式油冷却器；以及

水冷式气体冷却器，所述压缩机和所述气体冷却器配置在室内，在夏季被冷却的期间，仅将从所述压缩机排出的热量的33％左右释放到冷却水中，剩余热量通过所述油冷却器释放到外部。

7.根据权利要求6所述的压缩机系统，其特征在于，进一步包含配置在室内的第二气冷式油冷却器，当室内空间需要被加热时，油的流动从室外的冷却器转向室内的冷却器。

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