CN103913015B - 油平衡装置以及使用其的制冷系统 - Google Patents

油平衡装置以及使用其的制冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种油平衡装置以及使用其的制冷系统。在用于压缩机间的油平衡装置中，压缩机包括一台第一压缩机和至少两台第二压缩机。第一压缩机和第二压缩机的吸气管并联地连接至主吸气管路而第一压缩机和第二压缩机的排气管并联地连接至主排气管路，在系统有运行需求情况下第一压缩机始终处于运转状态而第二压缩机为间歇运转的压缩机，第二压缩机中的各压缩机的油池通过第一油平衡管串联连接，第一压缩机的油池通过第二油平衡管连接至第一油平衡管的底部。

Description

油平衡装置以及使用其的制冷系统
技术领域
本发明涉及制冷空调技术领域，尤其涉及油平衡装置以及使用该油平衡装置的制冷系统。
背景技术
在制冷系统中有时需要同时使用多台压缩机。例如，压缩机并联技术在空调制冷行业被越来越广泛地应用。并联的压缩机有着能量调节方便、单台停机维修便利、成本低等优点。压缩机在工作中润滑油是不可缺少的。但是往往由于压缩机之间的排量不同，管路设计差异等等，可能会造成某台压缩机缺少润滑油而被烧毁，特别是低压腔的涡旋压缩机。因此，需要对多台压缩机的油位进行管理。在目前油位管理中，可以采用冷冻行业广为应用的主动回油装置，但是其成本高昂，系统结构复杂，并不适用于商用和轻型商用空调领域。也可以采用通过管路设计的方式，但是这些方式不能很可靠地控制压缩机油位安全。因此，现有的油位管理不能同时满足低成本和高可靠性的要求。
传统的制冷系统被广泛地用在冷却和加热室内空气的空调装置中和其他的制冷机器中。该传统的制冷系统中的压缩机组由几台压缩机构成且其中的一台压缩机为第一压缩机，可以是具有容量调节能力(或可变排量)的压缩机，也可以是固定排量压缩机。为了使得制冷系统能够在部分负载模式下运行，压缩机组还包括并联连接的其他几台第二压缩机，这些第二压缩机可以根据负荷需求间歇工作。在容量要求比较精确的情况下，第一压缩机还具有容量调节(变排量)的能力。
具体地，在传统的制冷系统中，存在几种方法来平衡第一压缩机和第二压缩机之间的润滑油。为了平衡多个压缩机之间的油，一种方法是依赖于压缩机之间的油平衡管；另一种方法依赖于排气管路上的油分离器。所有已知的方法都不能在部分负载条件下提供可靠的油平衡方案。如果存在油平衡管，那么排量小的压缩机易缺油。在制冷系统没有油平衡管的情况下，排量大的压缩机会更快地达到缺油状态。
目前，传统的压缩机组设置有油平衡管，该油平衡管与压缩机的油池并联或串联连接。在一些方案中，压缩机间也会安装另外的气体平衡管，用于减小由于不同的制冷剂流量造成的壳体内部的压力差。
在传统的压缩机组中，在压缩机以不同的排量运行时，围绕压缩机的回油管和油平衡管不能解决部分负载模式中的油平衡问题。实践证实在某些条件(由于不同的排量导致不同压缩机壳体内部存在较大的压力差)下，油会被从较高壳体压力的压缩机抽出，而进入到较低压力的压缩机中。另外，气体平衡管可以帮助减小压力差，但是它需要更改压缩机的结构，采用更多的管路连接和焊接工作，造成系统复杂。
由此可见，现有技术缺少可靠经济的油平衡方案。
发明内容
本发明的目的旨在解决现有技术中存在的上述问题和缺陷的至少一个方面。
本发明的第一个方面，提供了一种用于压缩机间的油平衡装置，该压缩机包括一台第一压缩机和至少两台第二压缩机。第一压缩机和第二压缩机的吸气管并联地连接至主吸气管路而第一压缩机和第二压缩机的排气管并联地连接至主排气管路，在系统有运行需求情况下第一压缩机始终处于运转状态而第二压缩机为间歇运转的压缩机，第二压缩机中的各压缩机的油池通过第一油平衡管串联连接，第一压缩机的油池通过第二油平衡管连接至第一油平衡管的底部。
本发明的第二个方面提供了一种采用多台压缩机的制冷系统，其中制冷系统的压缩机组由多台并联的压缩机组成，其中多台压缩机之间的油平衡装置为上述的油平衡装置。
本发明实施例中，对第一压缩机的油平衡管进行改进，使其连接至第二压缩机之间的共同油平衡管的底部，从而，避免了第一压缩机与第二压缩机的油池直接连接，可以使得第一压缩机和第二压缩机中的较低压力的压缩机所需要的油量被传输到具有该较低压力的压缩机的油池内，从而实现可靠、经济的油平衡。
附图说明
本发明的这些和/或其他方面和优点从下面结合附图对优选实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1示出根据本发明的第一实施例的3台压缩机之间的油平衡装置的示意图。
图2示出根据本发明的第二实施例的具有油分离器以及将油供给至另一压缩机的吸气管的配置的示意图。
图3是根据本发明的第三实施例的关于图2示出的回油管和吸气管的结构设置的变形例的示意图。
图4示出根据本发明的第四实施例的包含n台第二压缩机和1台第一压缩机的制冷系统配置的示意图。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号表示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。
本发明实施例提出一种油平衡装置，应用于多台压缩机的制冷系统，可以迅速、可靠地保证压缩机之间的油平衡。在上述的制冷系统中，多台压缩机可能会出现有的压缩机欠油，或有的压缩机富油。在此，对术语“欠油压缩机”和“富油压缩机”进行以下简单说明。
欠油压缩机是指在这样的压缩机中，油量小于压缩机工作的标准油量，或者与其它相关联的压缩机相比油量相对较小。反之，富油压缩机是指在这样的压缩机中，油量大于压缩机工作的标准油量，或者与其它相关联的压缩机相比油量相对较大。在实际的多压缩机系统中，欠油压缩机和富油压缩机可以是由实际的使用情况造成的，也可以是由设计者有意设计的，比如可以通过油位差异、供油顺序、油耗大小等多种方式来使得系统中的一个或一些压缩机中的油先于其它压缩机消耗至低于标准油位从而形成欠油，反之则可形成富油。在本申请中，“油”指压缩机工作所需的润滑油。
在本发明中，制冷系统的压缩机组由几台压缩机组成，这些压缩机并联地连接，且其中的一台压缩机为始终运转的第一压缩机，而其余的压缩机为间歇运转的压缩机。本发明的实施例中，通过改善油平衡管设计，避免油从第一压缩机抽取至第二压缩机，或油从第二压缩机抽取至第一压缩机。
本发明实施例中，对第一压缩机的油平衡管进行改进，使其连接至第二压缩机之间的共同油平衡管的底部，从而，避免了第一压缩机与第二压缩机的油池直接连接，可以使得第一压缩机和第二压缩机中的较低压力的压缩机所需要的油量被传输到具有该较低压力的压缩机的油池内。
第一实施例
参见图1，示出了本发明的压缩机组包括3台压缩机，其中一台压缩机为第一压缩机(或主压缩机MCP(mastercompressor))，而另外两台压缩机是第二压缩机(或附属压缩机，slavecompressor)CP1和CP2。如图所示，第一压缩机MCP和第二压缩机CP1和CP2分别通过各自的吸气管SX、S1、S2并联地连接至主吸气管路SMP。相应地，它们的排气管DX、D1和D2分别并联地连接至主排气管路DMP。从而第一压缩机MCP、第二压缩机CP1、CP2被并联地连接在制冷系统中。
在本实施例中，第二压缩机CP1和CP2的油池(未标识)通过第一油平衡管EQ1连接。通常，第一油平衡管EQ1被制成水平管。第一压缩机MCP的油池(未标识)通过第二油平衡管EQ2连接至第一油平衡管EQ1的底部。通过设计第二油平衡管EQ2的形状使其能够连接至第一油平衡管EQ1的底部。因此，可以采用任何形状的第二油平衡管EQ2，只要该第二油平衡管EQ2能实现上述的功能。
如图所示，第一油平衡管EQ1的端口与第二压缩机CP1、CP2的油池的连接位置P1、P2基本上处于同一高度水平，即高于第二压缩机CP1、CP2的油池底部的某一适合的高度位置。另外，第二油平衡管EQ2的端口与第一压缩机MCP的油池的连接位置PX处于与连接位置P1、P2大致相同的高度位置。根据上述可知，本领域技术人员可以根据需要和具体应用设置连接位置PX、P1、P2的高度。在本实施例中，吸气管S1、S2以及吸气管SX与它们对应的压缩机CP1、CP2、MCP的连接位置相对于彼此处于同一高度水平。当然，吸气管和排气管的具体连接位置和高度可以根据实际需要进行选择。
注意到，在本发明实施例中，压缩机CP1、CP2、MCP的油池处于各自的压缩机的底部。
在本发明实施例中，第二油平衡管EQ2的直径小于或等于第一油平衡管EQ1的直径。
为了便于对并联的多台压缩机的控制，并联的多台第二压缩机的排量是彼此大致相等或相当的，但不限于此。当第二压缩机CP1、CP2的排量相差较大时，可以在较小排量压缩机吸气口设置限流环以平衡第二压缩机间的吸气压力差。第一压缩机MCP的排量则没有明确限制。
也就是说，本领域技术人员可以根据需要将第一压缩机和第二压缩机设置成：(1)第一压缩机为变排量压缩机，第二压缩机为固定排量压缩机；(2)第一压缩机为固定排量压缩机，第二压缩机也为固定排量压缩机；或(3)第一压缩机为变排量压缩机，第二压缩机也为变排量压缩机。根据需要，可对上述的结构布置进行适当的修改，以使得各个压缩机能够更好地运作。
由图1可见，在第一实施例中，第二油平衡管EQ2的形状可以是：其两端为大致水平管EQ22而中间部EQ21为连接两个水平管的弯折管或倾斜管。中间部EQ21的设计可以使得第二油平衡管EQ2的一端能够连接至第一油平衡管EQ1的底部上。
本发明实施例中的具有第一油平衡管EQ1和第二油平衡管EQ2的油平衡装置，可以减少制冷剂气体经第一压缩机和第二压缩机之间的油平衡管进行的转移，从而改善了第一和/或第二油平衡管EQ1/EQ2的油传输效率。第一油平衡管EQ1平衡第二压缩机CP1和CP2之间的油位和油池上方的压力。
如果第一压缩机MCP在比第二压缩机CP1或CP2更高的排量下工作，第一压缩机MCP的壳体内的压力将低于第二压缩机CP1和CP2的壳体内的压力。继而，油可以从第一油平衡管EQ1通过第二油平衡管EQ2转移到第一压缩机MCP中。一旦第二压缩机CP1和CP2中的油位达到第一油平衡管EQ1底部的高度，将不再将油转移至第一压缩机MCP中，这是因为第二油平衡管EQ2没有直接连接至第二压缩机CP1、CP2的油池。因此，保持了第二压缩机CP1、CP2的油池的最低油位高度。
如果第一压缩机MCP以低于第二压缩机CP1和CP2的排量工作的情形中，油将从第一压缩机MCP转移至第二压缩机CP1、CP2。当第一压缩机MCP内油位达到第二油平衡管EQ2连接至第一压缩机MCP的油池的管口PX的底部时，油将不会继续从第一压缩机MCP转移至第一油平衡管EQ1。因此，在此情形中也保持了第一压缩机MCP的油池的最低油位。
由上述分析可知，本发明的第一实施例提供的油平衡方案实现了各压缩机之间的油平衡并且保证了各压缩机的最低油位。
第二实施例
参见图2，其示出了具有油分离器、连接至油分离器的管道以及将经油分离器分离的油输送至另一压缩机的吸气管的管道连接的配置的方案。
如图所示，本发明的第二实施例也示出了与主吸气管路SMP和主排气管路DMP分别并联连接的3台压缩机，分别为第一压缩机MCP以及第二压缩机CP1、CP2。上述3台压缩机的油池之间的油平衡装置(即第一油平衡管和第二油平衡管EQ1、EQ2)的设置与第一实施例相同，在此为了简便，不再对其详细描述。第二实施例和第一实施例的不同之处在于其增设了3个油分离器用于实现油的分离以及将分离后的油输送至与其连接的下一压缩机。
以下将针对于新增设的油分离器OS1、OS2、OSX以及与其相关的布置进行详细说明。
参考图2，吸气管S1、S2分别包括竖直管部分S11、S21和与之连接的向上倾斜的倾斜管部分S12、S22。气体被通过竖直管部分S11、S21从主吸气管路SMP引出，并经由各自的倾斜管部分S12、S22吸入到相应的压缩机CP1、CP2中。相应地，吸气管SX包括竖直管部分SX1和与之连接的水平管部分SX2。气体被通过竖直管部分SX1从主吸气管路SMP引出，并经由水平管部分SX2吸入到可变排量压缩机MCP中。
具体地，第二压缩机CP1的排气管D1连接至与其对应的油分离器OS1，该油分离器OS1从第二压缩机CP1排放的气体中将油分离出来，并将分离后的油经由回油管OR1输送至第一压缩机MCP的吸气管SX的水平管部分SX2，且把分离后的气体经由主排气管路DMP排出；之后，第一压缩机MCP经由水平管部分SX2将来自主吸气管路SMP的气体与来自回油管OR1的油一起吸入到其中，油经重力落到该第一压缩机MCP的油池中。因此，实现了将从第二压缩机CP1的排气中分离出来的油输送至第一压缩机MCP中的功能。
类似地，第一压缩机MCP的排气管DX连接至与之对应的油分离器OSX，该油分离器OSX将第一压缩机MCP的排气中携带的油分离出来，且把其经由回油管ORX输送至第二压缩机CP2的吸气管S2的倾斜管部分S22，并把分离后的气体排至主排气管路DMP；之后该第二压缩机CP2经由倾斜管部分S22把油与来自主吸气管路SMP的气体一起吸入到其中，油经重力落到该第二压缩机CP2的油池中。
第二压缩机CP2的排气管D2连接至与之对应的油分离器OS2，该油分离器OS2将第二压缩机CP2的排气中携带的油分离出来，并将其经由回油管OR2输送至第二压缩机CP1的吸气管S1的倾斜管部分S12，且把分离后的气体排放至主排气管路DMP；之后该第二压缩机CP1经由倾斜管部分S12把油与来自主吸气管路SMP的气体一起吸入到其中，油经重力落到该第二压缩机CP1的油池中。
在这种配置中，油被通过油分离器OS1、OS2、OSX的油交叉输送，从一台压缩机输送至另一台压缩机。在本发明的配置中，第二压缩机CP1、CP2的吸气管设置成具有倾斜管部分，其起到了非常重要的作用。尤其是当一台第二压缩机停止工作时，倾斜管部分通过重力将返回的油引至其吸气管的竖直管部分中，并返回至主吸气管路SMP。这样，主吸气管路SMP中的油能够被输送到下一台正在工作的压缩机。第一压缩机MCP不需要设置倾斜的吸气管，这是因为第一压缩机MCP总是运转的。在这种情形中，油平衡管改善了油平衡效率，从而更短时间地实现油平衡。
第三实施例
图3示出关于图2示出的回油管和吸气管的结构设置的变形例。
图3与图2的区别在于来自油分离器OS1、OS2、OSX的回油管的连接方式以及相应的吸气管的结构设置，但是保持了通过重力进行油交叉输送以及将油返回至主吸气管路的相同的原理。
如图所示，本发明的第三实施例也示出了与主吸气管路SMP和主排气管路DMP分别并联连接的3台压缩机，分别为第一压缩机MCP以及第二压缩机CP1、CP2。上述3台压缩机的油池之间的油平衡装置(即第一油平衡管EQ1和第二油平衡管EQ2)的设置与第一实施例相同，在此为了简便简明，不再详细描述。第三实施例和第二实施例的不同之处在于其改变了回油管与吸气管的布置和连接方式。
以下将针对于回油管和吸气管的布置进行详细说明。
参考图3，吸气管S1、S2分别包括竖直管部分S11、S21和与之连接的水平管部分S12、S22。气体被通过竖直管部分S11、S21从主吸气管路SMP引出，并经由各自的水平管部分S12、S22吸入到相应的压缩机CP1、CP2中。相应地，吸气管SX包括竖直管部分SX1和与之连接的水平管部分SX2。气体被通过竖直管部分SX1从主吸气管路SMP引出，并经由水平管部分SX2吸入到第一压缩机MCP中。
具体地，第二压缩机CP1的排气管D1连接至与其对应的油分离器OS1，该油分离器OS1从第二压缩机CP1排放的气体中分离出油，并将分离后的油经由回油管OR1输送至第一压缩机MCP的吸气管SX的水平管部分SX2上且将分离后的气体经由主排气管路DMP排出；之后，第一压缩机MCP经由水平管部分SX2将来自主吸气管路SMP的气体与来自回油管OR1的油一起吸入到其中，油经重力落到该第一压缩机MCP的油池中。因此，实现了将第二压缩机CP1排放气体中携带的油分离出来，并输送至第一压缩机MCP的目的。
类似地，第一压缩机MCP的排气管DX连接至与之对应的油分离器OSX，该油分离器OSX将第一压缩机MCP的排气中携带的油分离出来，并将其经由回油管ORX输送至第二压缩机CP2的吸气管S2的竖直管部分S21且将经分离处理后的气体排放至主排气管路DMP；之后该第二压缩机CP2经由水平管部分S22把竖直管部分S21中的油与来自主吸气管路SMP的气体一起吸入到其中。
第二压缩机CP2的排气管D2连接至与之对应的油分离器OS2，该油分离器OS2将第二压缩机CP2的排气中携带的油分离出来，并将其经由回油管OR2输送至第二压缩机CP1的吸气管S1的竖直管部分S11且把经分离处理的气体排放至主排气管路DMP；之后该第二压缩机CP1经由水平管部分S12把竖直管部分S11中的油与来自主吸气管路SMP的气体一起吸入到其中。
从上文描述可知，吸气管S1、S2的水平管部分S12、S22完成了分离后的油到第二压缩机CP1、CP2的吸气管的回流，因此在压缩机被启动时，气流将携带油的气体一起移动到对应的压缩机中，否则油将被输送至各自的竖直管部分S11、S21，会通过重力降落到主吸气管路SMP中。如之前的配置，第一压缩机MCP不需要回油管的特殊连接，因为其总是处于运行中。
第二实施例和第三实施例的两种方案允许以不同的次序启动第二压缩机CP1、CP2。
第四实施例
参考图4，其示出n台第二压缩机和1台第一压缩机的更加普遍的配置。
可见，图4与图3的实施例的连接结构和原理完全一致，只是其中的第二压缩机的数量被从2台增加至n台。因此，不再对其的原理和结构设置进行详细描述，仅详细说明它们的不同之处。
具体地，第一油平衡管EQ1串联连接n台第二压缩机CP1、CP2...CPk、CPk+1...CPn-1、CPn的各自的油池，其中n、k均为整数。
另外，以类似于第三实施例中示出的方式，设置了n个油分离器OS1、OS2...OSk、OSk+1...OSn-1、OSn，n个排放管D1、D2...Dk、Dk+1...Dn-1、Dn、n个回油管OR1、OR2...ORk、ORk+1...ORn-1、ORn、n个吸气管S1、S2...Sk、Sk+1...Sn-1、Sn，其中k、n为整数。
综上所述，本发明的优点在于：除了要求第一压缩机始终处于运转中之外，独立于工作的和停止的压缩机的组合在压缩机之间具有可靠的油分配；简单的管道连接配置、没有壳体的主动式的部件或额外的修改，因此，本发明的上述方案是一种降低了成本的技术方案。
尽管在上述的具体实施例中，为了清楚起见，以两台第二压缩机和一台第一压缩机为例进行描述，但是，本领域技术人员应当理解，本发明不限于上述的情形，也可以应用于更多的压缩机，诸如3台、4台、5台、6台或更多台压缩机的情形。同时，第一压缩机可以是固定排量压缩机，也可以是具有容量调节功能的变排量压缩机，第二压缩机可以都是变排量压缩机或者都是固定排量压缩机。
在本发明的上述具体实施例中，第一压缩机和第二压缩机可以是低压腔涡旋压缩机。但本发明不限于此，本发明也可以用于其它类型的压缩机间的油平衡。
虽然本发明总体构思的一些实施例已被显示和说明，本领域普通技术人员将理解，在不背离本总体发明构思的原则和精神的情况下，可对这些实施例做出改变，本发明的范围以权利要求和它们的等同物限定。

Claims (11)

1.一种用于压缩机间的油平衡装置，其中，
所述压缩机包括一台第一压缩机和至少两台第二压缩机，所述第一压缩机和第二压缩机的吸气管并联地连接至主吸气管路，而所述第一压缩机和第二压缩机的排气管并联地连接至主排气管路，
其特征在于，所述第一压缩机为始终运转的压缩机，所述第二压缩机为间歇运转的压缩机，所述第二压缩机中的各压缩机的油池通过第一油平衡管串联连接，所述第一压缩机的油池通过第二油平衡管连接至第一油平衡管的底部。
2.根据权利要求1所述的油平衡装置，其中，
所述第二油平衡管与第一压缩机的油池的第一连接位置设置于高于第一压缩机的油池底部的位置。
3.根据权利要求1所述的油平衡装置，其中，
所述第一油平衡管与对应的第二压缩机的第二连接位置设置于与第一连接位置大致相同的高度位置。
4.根据权利要求1所述的油平衡装置，其中，
所述第二油平衡管的直径小于或等于第一油平衡管的直径。
5.根据权利要求1所述的油平衡装置，其中，
所述第一油平衡管是水平的管道。
6.根据权利要求1所述的油平衡装置，其中，
所述第二油平衡管是具有至少一个弯折管或倾斜管的管道。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的油平衡装置，其中，
所述第一压缩机和第二压缩机的排气管和吸气管之间还设置有油分离器、连接油分离器与第一压缩机和第二压缩机中一个压缩机的管路、连接油分离器与主排气管路的管路、以及将经油分离器分离的油输送至所述第一压缩机和第二压缩机中的另一压缩机的吸气管的管路。
8.根据权利要求7所述的油平衡装置，其中，
所述第二压缩机中的每个压缩机的吸气管包括与主吸气管路连接的竖直管部分以及连接所述竖直管部分与对应的第二压缩机的油池的向上倾斜的倾斜管部分，对应的第二压缩机的回油管连接至对应的吸气管的倾斜管部分。
9.根据权利要求7所述的油平衡装置，其中，
所述第二压缩机中的每个压缩机的吸气管包括与主吸气管路连接的竖直管部分以及连接所述竖直管部分与对应的第二压缩机的油池的水平管部分，对应的第二压缩机的回油管连接至对应的吸气管的竖直管部分。
10.根据权利要求7所述的油平衡装置，其中，
所述第一压缩机为变排量压缩机，所述第二压缩机为固定排量压缩机；或
所述第一压缩机为固定排量压缩机，所述第二压缩机为固定排量压缩机；或
所述第一压缩机为变排量压缩机，所述第二压缩机为变排量压缩机。
11.一种多台压缩机的制冷系统，其中，
所述制冷系统的压缩机组由多台并联的压缩机组成，其中所述多台压缩机之间的油平衡装置为根据权利要求1-10中任一项所述的油平衡装置。
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