CN102812312A

CN102812312A - 往复制冷压缩机油分离

Info

Publication number: CN102812312A
Application number: CN2010800608110A
Authority: CN
Inventors: P.J.弗拉尼根
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2010-01-06
Filing date: 2010-12-13
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2030-12-13
Also published as: EP2521888A2; SG181973A1; WO2011084369A2; CN102812312B; US8850835B2; DK2521888T3; WO2011084369A3; US20130031929A1; EP2521888B1

Abstract

一种压缩机（20）包括外壳（22）和曲轴（38）。外壳具有多个气缸（30,32）。对于每个气缸，压缩机包括活塞（34），所述活塞被安装成至少局部地在所述气缸内往复运动。连杆（36）将每个活塞联接到所述曲轴。所述外壳的电动马达室（50）具有定子（42）和转子（40）。转子安装到曲轴。外壳具有位于所述马达室和所述曲轴箱室/贮槽（52）之间的壁（56）。所述壁支承用于聚结夹带在制冷剂流（522）中的油的特征（120,132;420;460），所述制冷剂流离开所述转子和所述定子之间的间隙（90）以防止所述油进入到所述气缸中。

Description

往复制冷压缩机油分离

相关申请的交叉引用

本申请要求于2010年1月6日提交的名为“Reciprocating Refrigeration Compressor Oil Separation”的美国专利申请No. 61/292,764的益处，该申请的公开内容以引用的方式全文结合到本文中，就像在本文被详细阐述的那样。

技术领域

本发明涉及制冷压缩机。更具体地，本发明涉及密封式往复活塞压缩机。各种制冷剂压缩机构造是通用的。这些构造是：螺杆式压缩机；涡旋式压缩机；以及往复活塞压缩机。

背景技术

在封闭式驱动或密封式压缩机中，电动马达被包含在压缩机的外壳内。在这种压缩机中，曲轴完全位于该外壳内部并且不需要相对于外壳进行密封。在其他（开式驱动）压缩机中，马达（不管是电动的还是其他类型的）位于外壳之外，并且曲轴伸入该外壳中。曲轴的外部被机械地联接到马达。在这种情况下，曲轴的伸入所述外壳中的部分必须相对于外壳被密封。

通常使用往复压缩机的制冷系统的两个具体子领域是：作为用于分布式零售展示橱的中心压缩机；以及用于运输制冷系统中（例如，卡车、拖车、以及货物容器制冷系统）。本领域运输制冷系统的示例性状态使用柴油-电动混合系统来电气驱动使用R-404A HFC制冷剂的往复活塞压缩机。最近，由于涉及HFC的环境影响的问题，已经提出使用基于二氧化碳的制冷剂（例如，R-744）。

发明内容

本发明的一个方面包括一种具有外壳和曲轴的压缩机。该外壳包括：入口；多个气缸；出口；马达室；位于所述马达室与所述气缸之间的抽吸通道；以及曲轴箱室。对于每个气缸，所述压缩机包括活塞，所述活塞被安装成至少局部地在所述气缸内往复运动。连杆将每个活塞联接到所述曲轴。电动马达室位于所述外壳的马达室内并且包括定子和转子。转子安装到曲轴。外壳具有位于所述马达室和曲轴箱室/贮槽之间的壁。所述壁支承用于聚结夹带在流中的油的机构，所述流离开所述转子和所述定子之间的间隙。这防止所述油经由所述抽吸通道进入到所述气缸中。

在各个实施方式中，所述压缩机还可以包括轴承，所述轴承被安装在所述壁内并且支承所述曲轴。止回阀可以在所述壁中位于所述轴承下方。

本发明的其他方面涉及一种包括这种压缩机的制冷系统。所述制冷系统可以包括通过所述压缩机的再循环流路。第一热交换器可以沿所述流路设置在所述压缩机下游。膨胀装置可以沿所述流路设置在所述第一热交换器下游。第二热交换器可以沿所述流路设置在所述膨胀装置下游。制冷剂注料可以包括按重量计至少50%的二氧化碳。该系统可以是制冷运输系统。所述制冷运输系统还可以包括容器。所述第二热交换器可以设置成冷却所述容器的内部。该系统可以是固定制冷系统。所述固定制冷系统还可以包括多个制冷空间。可以存在多个所述第二热交换器，每个第二热交换器定位成冷却相关的所述制冷空间。

本发明的其他方面涉及使用方法。所述马达被提供动力以驱动所述曲轴并且提供所述活塞的往复运动。所述活塞的运动在抽吸通道中产生吸力。所述吸力将所述制冷剂以及被夹带在所述制冷剂中的油通过所述入口抽吸到压缩机中。所述制冷剂和被夹带的油的至少一部分朝向所述壁纵向传送通过所述转子和所述定子之间的空间。所述机构使所述流偏转。所述流的偏转使所述油分离并聚结。

这可以在再处理压缩机的构造或者再制造压缩机中实施，通过添加唇部以形成用于聚结油的机构以得到所述压缩机或者所述压缩机的构造来实现。

一个或多个实施方式的细节在附图和下述说明中被阐述。其他特征、目的和优势通过该说明、附图以及权利要求书将是显而易见的。

附图说明

图1是压缩机的竖直纵向截面图/剖视图。

图2是图1的压缩机的竖直横向截面图。

图3是图1的压缩机的局部第二竖直横向截面图。

图4是图1的压缩机的马达室的近端的第一放大图。

图5是马达室的近端的另一放大图。

图6是制冷系统的示意图。

图7是包括图6的系统的牵引车-拖车组合的局部示意图。

图8是固定式市售制冷系统的示意图。

图9是替代压缩机的马达室的近端的局部纵向截面图/剖面图。

图10是第二替代压缩机的马达室的近端的局部纵向截面图/剖面图。

图11是沿线11-11截取的图10的第二替代压缩机的马达室的近端的局部纵向截面图/剖面图。

在各个附图中，相同的附图标记和标识指示相同的元件。

具体实施方式

图1和图2示出了示例性压缩机20。压缩机20具有壳体（外壳）组件22。示例性压缩机包括电动马达24（图1）。示例性外壳22具有抽吸端口（入口）26和排出端口（出口）28。壳体限定多个气缸30和32（图2）。每个气缸容纳相关活塞34，所述活塞被安装用于至少部分地在所述气缸内进行往复运动。示例性多缸构造包括：直列式；V（V字形）；以及水平对置型。示例性V字形压缩机包括两个气缸组，每组均包括两个气缸。每个气缸包括抽吸位置和排出位置。例如，气缸可以并联联接，使得抽吸位置是由抽吸端口26供给的共用/公共抽吸增压室，并且排出位置是供给排出端口28的共用/公共排出增压室。在其他构造中，气缸可以共用抽吸位置/状况，但具有不同的排出位置/状况。在其他构造中，气缸可以串联连接。示例性制冷剂是基于二氧化碳（CO₂）的制冷剂（例如，按质量/重量计至少50%的CO₂）。

每个活塞34经由相关连杆36联接到公共曲轴38。每个活塞34经由相关曲柄销39联接到其相关连杆36。示例性曲轴38借助用于绕轴线500旋转的轴承被保持在该外壳内。示例性曲轴38（图1）与马达24的转子40和定子42同轴。

示例性外壳限定马达室50和曲轴箱或贮槽室52。示例性外壳组件包括沿着气缸的单个主铸件54，所述单个主铸件沿着曲轴箱的侧面并且横向围绕马达室。取决于上下文，术语“曲轴箱”可以表示室52或围绕这种室的机构（例如，包括主铸件54的曲轴箱部55）。主铸件包括壁56，该壁将曲轴箱52与马达室50分离。示例性主铸件54还包括马达外壳部57，其围绕所述马达占所述定子和转子的长度的至少一半。示例性壁56具有轴承室58，该轴承室携载轴承60，该轴承相对于外壳支承曲轴。

在曲轴箱52的前端处，主铸件中的孔由前部轴承组件70封闭，该前部轴承组件70接合曲轴的在其前端74附近的向前部72。这种组件70可以与油泵或其他特征集成。

在马达室50的后端/远端处，马达罩80被紧固到主铸件54。罩80可以包含压缩机入口26。马达室50经由抽吸通道82联接到气缸。气缸往复运动将制冷剂抽吸通过入口26（在图1中的520处）、进入到马达室50中、从马达室50通过抽吸通道82（在图3中的526处）、通过气缸、并接着借助排出增压室抽出到出口28（在图1中的530处）。当传送通过气缸时，制冷剂流夹带附加油，使得在530处的压缩机排出流与在526处的流相比相对富含油。如将在下文进一步讨论的，本领域已知的是将油分离器设置在压缩机的下游，以从制冷剂流移除油并且使得该油返回到压缩机。通过从制冷剂流移除油，可以改善热交换器效率。

在示例性压缩机中，制冷剂通过位于转子40和定子42之间的环形空间（气隙）90（图4）从马达（图1）的远端94（远离曲轴箱）被抽吸到马达的近端（靠近曲轴箱）96。

示例性压缩机具有用于聚结油的机构，该油被夹带在离开气隙的流522中。这有助于防止这种油经由抽吸通道进入气缸中。将马达室（例如，与仅具有单独分离器的马达室区分开）内的油分离可具有数个优势。现有密封式压缩机具有用于将油从马达室返回到曲轴箱的机构。具体地，在许多现有压缩机中，止回阀98（图2）可定位在壁56内，以允许从马达室进入到曲轴箱中的单路流。止回阀入口99（图3）可定位在马达室中的期望最大油积聚部102的表面100高度。曲轴箱与马达室相比可以保持在稍微较低的压力，以便借助止回阀将油从马达室抽吸到曲轴箱中。用于将油抽吸到曲轴箱中的示例性机构包括与曲轴整体形成的离心泵104（图1）。泵104包括在曲轴内在曲轴箱和马达室之间延伸的通路106。在马达室处，该通路与大致C形的径向延伸抽吸管件108（其具有沿曲轴的中心入口110以及在“C”的两端处的一对径向相对设置的出口112）连通。当抽吸管件随着曲轴旋转时，该抽吸管件从通路106抽吸，以相对于马达室降低曲轴箱中的压力。曲轴箱中降低的压力将油从马达室抽吸通过止回阀。因此，在修改这种系统时，在曲轴箱中添加油分离不需要添加独立的返回机构。分离的油可以通过现有止回阀返回到曲轴箱。

另一优势在于，如果足够量的油从马达室中的流被移除，那么外部分离器可以被省除或减小尺寸（由此，降低系统制造成本）。

通过沿壁56的（轴向）朝外表面122添加大致环形唇部120（图4）来提供用于聚结的示例性机构。该唇部具有径向朝内表面124、朝外表面126以及边缘/顶部128。朝内表面124与轴承凸台132的从所述壁突出的朝外表面130协作，以形成大致环形通道134。该通道134具有沿壁56的底部136。如将在下文进一步讨论的，示例性唇部120不是完全环，具有下部间隙138，该下部间隙可以容纳止回阀并且可以与马达室中的油积聚部表面100大致重合。

在示例性实施方式中，载油制冷剂的流520（图1）进入入口中。至少一部分522（图4）被抽吸通过气隙。离开该气隙的制冷剂借助凸台外表面径向向外偏转、并接着借助通道底部和唇部朝内表面纵向向后偏转。流路的该反向部被示出为524。流反向可使得油（先前被夹带在制冷剂中）沿通道壁聚结并且向下流入到积聚部中。制冷剂流可反向回流（例如，526）以进入抽吸通道82（图3）中。在该点处，制冷剂流相对于入口流526而言被放空油。

通道134（图4）具有示例性高度或深度（相对于唇部边缘）H₁（即，从通道底部测量的唇部高度）。相对于壁的朝外部140的唇部高度H₂可能接近H₁或与H₁相同。可能期望的是最大化该高度，以使得用于聚结、经受可用间隙、铸造实践性和材料成本的可用表面面积最大化。示例性H₂和H₁是5-20 mm、更确切地是8-12 mm。相对于唇部宽度W（例如，槽至槽测量的），示例性H₂和H₁是W的50%+（例如，50-200%）、更确切地是至少100%。唇部的示例性周向范围θ₁（例如，从端部142至端部144）是至少180°，更具体地是至少270°、或270-330°（如果不是完整环的话）。所示具体压缩机的几何尺寸建议在唇部中具有间隙138。这是因为唇部的径向位置基于马达气隙的位置被确定。油面100的给定期望高度可以将整个环形唇部的一部分设置在积聚部中。在该区域中的铸造材料可能浪费了。此外，可以期望的是将止回阀98定位在唇部处或附近。例如，示例性止回阀沿大平坦凸台150被定位。示例性凸台150沿间隙垂下。凸台150相对于止回阀尺寸过大，以在止回阀的位置上提供灵活性（即，对于给定铸件，能够沿凸台在期望高度处钻出用于止回阀的孔，以便提供用于特定目标操作状况的有利止回阀位置）。因此，如果不是完整环，那么示例性间隙角度θ₂可以是30-120°、更确切地40-60°。唇部边缘128的径向位置R₁可以大于气隙中心的径向位置R₂（更确切地，大于R₂ + H₁）但是小于定子的外半径。如替代地测量的，R₁示例性地可以是R₂的105-120%、更确切地107-115%。示例性唇部边缘128还可以示例性地是通道的底部的径向位置R₃的105%+、更确切地110-130%或110-120%。示例性R₃是R₂的105-120%。在示例性系统中，曲轴轴线500是大致水平的（例如，在水平线的20°内、更确切地在水平线的5°内）。

通过在砂型铸模中简单地添加相应通道，唇部可以在现有压缩机构造的再处理中实施。替代地，唇部可以实施为分离块体（例如，板的安装到壁上的边缘）。这种板还可以用于再制造现有的压缩机中。板可以配置有合适孔或切口，以容纳诸如止回阀的部件。这种板可以由金属板冲压成。经由在硬件上的反复试验或计算机流体动力学仿真能够得出合适的唇部尺寸和形状。

图6示出了包括压缩机20的示例性制冷系统220。系统220包括在抽吸端口26处的系统抽吸位置/状况250。制冷剂主流路252从抽吸位置/状况250向下游推进通过并联的压缩机气缸，以从排出位置/状况254在排出端口28处被排出。主流路252向下游推进通过第一热交换器（气体冷却器/冷凝器）256的入口，以离开气体冷却器/冷凝器的出口。然后，主流路252向下游推进通过膨胀装置262。接着，主流路252向下游推进通过第二热交换器（蒸发器）264，以返回到抽吸位置/状况250。

在正常操作状况下，再循环的制冷剂流沿主流路252传送，并且在气缸中被压缩。被压缩的制冷剂在气体冷却器/冷凝器256中被冷却、在膨胀装置262中膨胀、并接着在蒸发器264中被加热。在示例性实施方式中，气体冷却器/冷凝器256和蒸发器264是具有由相关风扇（270; 272）促动的空气流（274; 276）的制冷剂-空气热交换器。蒸发器264可以位于制冷空间中，或者蒸发器的空气流可以穿过该制冷空间。类似地，气体冷却器/冷凝器256或其空气流可以位于制冷空间外部。

附加的系统部件和其他系统变形都是可能的（例如，多区域/蒸发器构造、经济化构造等）。示例性系统包括制冷运输单元和固定市售制冷系统。

图7示出了呈制冷拖车形式的制冷运输单元（系统）320。拖车可以由牵引车322拉动。示例性拖车包括限定内部/室326（制冷空间）的容器/箱体324。安装到箱体324前部的设备壳体328可以包含发电机系统，该发电机系统包括发动机330（例如，柴油机）以及发电机332，该发电机被机械联接到发动机以由此被驱动。制冷系统220可以电联接到发电机332以接收电功率。蒸发器及其相关风扇可以定位在室326内或者以其他方式定位成与室326热连通。

示例性固定市售制冷系统350（图8）包括一个或多个中央压缩机20以及通常用于多个制冷空间356（例如，建筑物中的零售展示橱358中的）的排热热交换器256（例如，在建筑物355之外/上面）。每个这种制冷空间可以具有其自身的吸热热交换器264’以及膨胀装置262’（或，可能存在公共膨胀装置）。

压缩机可经由其他常规制造技术被制造。

图9示出了替代实施方式，其中唇部420不是形成在铸件中，而是由独立构件（例如，板422）形成。示例性板422具有从中心孔表面426径向向外延伸的腹板424（该腹板围绕具有衬套式轴承而不是球轴承的轴承凸台，所述凸台与图1中的凸台相比相对更长并且向上游更加突出）。在腹板424的朝外极限位置处，外围部428纵向/轴向向外弯曲至边缘430，该边缘形成为唇部420的边缘。示例性板422具有相应的远端面432和近端面434。该板可以由金属形成（例如，由金属板冲压成）。该板被用于其中位于曲轴箱和马达外壳之间的壁436是相当大地打开的示例性情形中。示例性壁436具有由毂状轴承凸台444朝外的径向腹板442分离的周向孔440阵列。示例性轴承446是被保持在所述凸台内的衬套。该板可以借助诸如螺栓450的紧固件紧固到壁。板可以在现有压缩机的翻新或现有压缩机构造的再处理/再设计中实施。例如，存在孔或与壁的形状相关的其他因素可能需要使得唇部的铸造显著变化以被实施为铸件的一部分。示例性板可以更易于实施。示例性板可以完全或部分地阻塞孔440中的一些或全部，以实现离开气隙的载有润滑剂的制冷剂的偏转。

图10和图11示出了第二替代压缩机，所述第二替代压缩机特征也是衬套式轴承456而不是球轴承。示例性压缩机也处于定位有相关端口458的直列构造。唇部460具有端部462和464。间隙466居中地定位在唇部的最下部处并且容纳与上述其他唇部中类似的阀。

虽然在上文详细地描述了实施方式，但是这种描述并不旨在限制本发明的范围。将理解的是，可以作出各种修改，而不偏离本发明的精神和范围。例如，当在再处理现有压缩机构造中实施时，现有构造的细节可能影响或指定任何特定实施方式的细节。因此，其他实施方式也落入下述权利要求书的范围内。

Claims

1.一种压缩机（20），所述压缩机包括：

外壳（22），所述外壳具有：

入口；

马达室（50）；

多个气缸（30-32）；

位于所述马达室与所述气缸之间的抽吸通道（82）；

曲轴箱室（52）；以及

出口；

曲轴（38）；

对于每个所述气缸包括下述部件：

活塞（34），所述活塞被安装成至少局部地在所述气缸内往复运动；

连杆（36），所述连杆将所述活塞联接到所述曲轴；以及

销（44），所述销将所述连杆联接到所述活塞；以及

电动马达（24），所述电动马达位于所述马达室内并且包括：

定子（42）；以及

转子（40），所述转子安装到所述曲轴，所述外壳具有位于所述马达室（50）与所述曲轴箱室（52）之间的壁（56）；

其中：

所述壁支承用于聚结被夹带在离开所述转子和所述定子之间的间隙（90）的流中的油的机构（120, 132; 420; 460），以防止所述油经由所述抽吸通道进入所述气缸中。

2.根据权利要求1所述的压缩机，还包括：

轴承（60），所述轴承被安装在所述壁内并且支承所述曲轴；以及

止回阀（98），所述止回阀在所述壁中位于所述轴承下方。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述外壳包括单个主铸件（54），所述单个主铸件包括：

壁（56）；

马达外壳（57），所述马达外壳围绕所述定子和所述转子的长度的至少一半；以及

曲轴箱（55），所述壁（56）形成所述曲轴箱的一部分。

4.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述机构包括具有第一部分（130）和第二部分（124）的表面，所述第一部分使所述制冷剂径向向外偏转，所述第二部分使所述制冷剂纵向向后偏转。

5.根据权利要求1所述的压缩机，其中：

所述机构包括唇部。

6.根据权利要求5所述的压缩机，其中：

所述唇部是大致环形唇部，并且在下端处具有间隙（138; 466）。

7.一种制冷系统（220; 350），所述制冷系统包括：

根据权利要求1所述的压缩机（20）；

通过所述压缩机的制冷剂再循环流路（252）；

第一热交换器（256），所述第一热交换器沿所述流路设置在所述压缩机下游；

膨胀装置（262; 262'），所述膨胀装置沿所述流路设置在所述第一热交换器下游；以及

第二热交换器（264; 264'），所述第二热交换器沿所述流路设置在所述膨胀装置下游。

8.根据权利要求7所述的制冷系统，其中：

制冷剂注料包括按重量计至少50%的二氧化碳。

9.根据权利要求7所述的制冷系统，其中：

不存在附加的油分离器。

10.根据权利要求7所述的制冷系统，其中：

所述曲轴的旋转轴线在水平线的20°内。

11.根据权利要求7所述的制冷系统，其是制冷运输系统，并且还包括：

容器（324），所述第二热交换器设置成冷却所述容器的内部（326）。

12.根据权利要求7所述的制冷系统，其是固定制冷系统，并且还包括：

多个制冷空间（356）；以及

多个所述第二热交换器（264'），每个第二热交换器定位成冷却相关的所述制冷空间。

13.一种操作根据权利要求1所述的压缩机的方法，其中：

所述马达被提供动力以驱动所述曲轴并且提供所述活塞的往复运动；

所述活塞的运动在抽吸通道中产生吸力；

所述吸力将所述制冷剂以及被夹带在所述制冷剂中的油通过所述入口抽吸到压缩机中；

所述制冷剂和被夹带的油的至少一部分朝向所述壁纵向传送通过所述转子和所述定子之间的空间；以及

所述机构使所述流偏转。

14.根据权利要求13所述的方法，其中：

所述流的偏转使所述油被分离并聚结。

15.一种用于再处理压缩机的构造或者再制造压缩机的方法，所述方法包括：

添加唇部以形成用于聚结油的机构，以得到如权利要求1所述的压缩机或者所述压缩机的构造。