CN1798946A - 防止压缩机中液体引起的损坏 - Google Patents

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Abstract

在压缩机的油池内感测两个液面，以便在启动压缩机之前确定是否有足够的油以及是否存在有过多的制冷剂，并且如果需要的话，采取适当的步骤。当启动时，以及在工作过程中，感测在压缩机的吸气侧中存在有液态制冷剂，并且如果需要的话可采取适当的步骤。

Description

防止压缩机中液体引起的损坏
背景技术
在静止的空调、热泵、或制冷系统中，可实现压力平衡，并且制冷剂往往冷凝并聚集在该系统中的较冷或较低的位置处。对于在其循环的各个部分中承受的室内和室外温度的范围而言，在一段时间内压缩机经常是该系统中最冷的部分。因此，大量的液态制冷剂将聚集在压缩机的吸气侧和排气侧。
聚集在压缩机油池内的液态制冷剂导致液面上升，而且使得油稀释，当压缩机启动时这使得对压缩机轴承和其它移动部件的润滑性能降低。当启动时在压缩机的吸气侧冷凝的液态制冷剂被吸入到压缩机构内，这导致满液式启动(flooded start)。由于液体基本上是不可压缩的，因此其的出现导致压缩机内的非常高的压力和应力。较少量的液态制冷剂可能冲洗掉通常应在移动部件上的润滑油膜。在吸气侧冷凝的液体还可能在启动时直接或间接输送到压缩机的油池内，由此使得油稀释并导致上述的结果。
由于制冷剂和与其一起使用的多种润滑油的亲合性，制冷剂还可在一段时间之后流动且溶解到油中，即使当压缩机不再比该系统的其它部分冷时也是如此，这由此导致润滑油的稀释及其润滑性能的损失。这种亲合性还借助经系统循环的制冷剂从而使得油从油池中被带走并分配到整个系统中。
在该系统工作时，由于制冷剂从液态相变到气态，因此最大程度的传热出现在蒸发器中。膨胀装置控制进入蒸发器的制冷剂的流动和压降。尽管过热的制冷剂通常从蒸发器流向压缩机，但是如果膨胀装置不能适当地工作和/或如果可用的热量不足以实现制冷剂的完全蒸发，则液态制冷剂可能供应到压缩机的吸气侧。如果该系统充入了过量的制冷剂的话，液态制冷剂还可能供应到压缩机。失去润滑效果、满液式启动、液态制冷剂溢流和液击均会造成压缩机损坏。
发明内容
借助本发明，可减少或一定程度上消除由于润滑损失和/或例如溢流、液击、和满液式启动的液体引起的损坏从而导致的容积式制冷剂压缩机的故障。借助在压缩机油池内的低液面传感器可确定缺少足够的润滑。当由于润滑油中存在制冷剂而导致超过设计要求时，借助位于所需油量的液面处的传感器，可检测到形式为液态制冷剂或形式为油稀释剂的过多制冷剂的存在。借助位于吸气路径上的用于检测液态制冷剂质量流的传感器，可检测到液态制冷剂流入压缩机。相同类型的传感器可用于检测高和低的液体液面以及流向压缩机的液体。
响应于冷却要求，存在足够的油而不存在过多的制冷剂的情况可允许压缩机启动。如果在该系统中的油不足够则不能允许启动。如果在油池中或在压缩机的吸气入口处存在过多的液态制冷剂，则可使得曲轴箱加热器工作以便加热油池和吸气入口内的液体，以便排走制冷剂并增加油池内的油的比例。在加热油池内的油一预定时间之后，传感器感测液面，并且如果液面在两个传感器之间则启动压缩机。在该系统工作过程中，液态制冷剂流入压缩机可被感测到，并且如果该液体流动超过了预定的门限则使得压缩机停机。
本发明的一目的在于提供防止压缩机液击损坏。
本发明的另一目的在于检测到液态制冷剂流入压缩机。
本发明的另一目的在于提供一种用于操作制冷系统或空调系统以便使得压缩机的液击损坏最小化的方法。借助本发明可实现这些目的，参照以下的描述可更明确地理解其它的目的。
本质上来说，在压缩机的油池内感测两个液面，以便确定在启动压缩机之前是否存在足够的油和过多的制冷剂，并且如果需要的话可采取适当的措施。当启动时，以及在工作过程中，感测在压缩机的吸气侧中存在有液态制冷剂或有液态制冷剂流动，并且如果需要的话可采取适当的措施。
附图说明
参照对优选实施例的下列描述并结合附图，可以更好地理解本发明，在附图中：
图1是适当的传感器及其电路；
图2示出了图1所示的传感器的传感器信号与液体百分比的关系；
图3示出了应用本发明的往复式压缩机；
图4示出了应用本发明的高压侧旋转式压缩机；
图5是应用本发明的制冷系统或空调系统的示意图；
图6是用于启动压缩机的流程图；
图7是在启动之后基于传感器S-3的响应的操作压缩机的流程图；
图8是在启动之后基于传感器S-2的响应的操作压缩机的流程图；和
图9是在启动之后基于传感器S-1的响应的操作压缩机的流程图。
具体实施方式
图1相当于由James Solberg，Norman R.Miller，Predrag Hrnjak所著的在SAE期刊上的文章“A Sensor for Estimating the LiquidMass Fraction of the Refrigerant Exiting on Evaporator”的图2。该文章披露了图1所示的电路，其“试图保持电阻式温度检测器RTD”的电阻等于Rset，其作为RTD的阻值。“该电路使用运算放大器作为用于反馈的介质。运算放大器使用该反馈以保持其恒定电压的输出，而仅仅使用非常少的电流。这样就可迫使RTD的电阻等于Rset的电阻。通常，当RTD的电阻随温度改变时，通过测量其电阻从而可利用RTD来测量温度。但是该电路迫使RTD的电阻等于Rset。该电路通常加热RTD来进行补偿，直到RTD的电阻(及其温度)等于Rset”。
在工作中，“饱和的液态制冷剂的液滴附着在RTD的表面上，RTD电路尽可能地提升其温度，以便恢复到其设定值(这由Rset确定)。为了实现此结果，RTD必须将足够的能量传递给制冷剂，以便克服其蒸发潜热。当流体的LMF(液体质量分数)下降时，较少的能量经RTD散发。当该流体全部变为蒸气时，经RTD的所有能量流用于显热，显热是使得RTD的温度升高到其设定值所需的”。
在本发明中图1所示的传感器和电路的工作方式不同于在该文章中所述的方式，其用于检测这样的液面，该液面代表在压缩机/系统工作之前润滑油不充足以及在润滑油中存在液体和/或溶解的制冷剂。此外，图1所示的传感器和电路用于在压缩机/系统工作之前以及在工作过程中检测在压缩机的吸气口处存在液体。
图2示出了图1所示的传感器和电路的响应。标记的直线“最大安全水平”代表了可接受的最大液体量。该传感器不区别液态制冷剂和/或油。如果传感器仅处于蒸气中，其响应将是点A即原点的响应。如果传感器处于液态制冷剂和/或油中，其响应将是点B的响应。点A和点B之间的直线表示的响应代表了在100％的蒸气和100％的液体之间的范围并且代表了在压缩机的吸气口可能的状况的范围。
具体地参照图3，压缩机10是具有壳体10-1的往复式压缩机，该壳体限定了在工作中处于吸气压力的曲轴箱。三个传感器S-1、S-2、S-3位于压缩机10中。传感器S-1、S-2、S-3可以与图1所示的传感器相同，并且具有相关的电路。传感器S-1位于压缩机10的曲轴箱的低液面，处于在曲轴箱底部的油池中的可接受的最小油液面相关的水平面。通常，传感器S-1感测到对应于图2的点B的状态。传感器S-2位于压缩机10的曲轴箱内处于高于正常油池油液面的位置。因此，传感器S-2可能位于液体中，或没有处于液体中。如果传感器S-2处于液体中，则最可能的原因是存在液态制冷剂，并且该传感器感测到对应于图2的点B的状态。曲轴箱加热器11的启动可使得足够的液态制冷剂蒸发，以便使得油池中的液面下降，这样传感器S-2高于液面并且将感测到对应于图2的点A的状态。
传感器S-3位于压缩机10的吸气集管10-2中。传感器S-3用于感测在启动压缩机10之前存在液态制冷剂，或感测在工作过程中液态制冷剂流入压缩机10。传感器S-3将确定存在的液态制冷剂的程度。如果在启动时由传感器S-3感测到液体，则曲轴箱加热器11启动以便使得在压缩机10的吸气口的液态制冷剂蒸发。这是可以实现的，这是因为由于压缩机的吸气口与被加热的曲轴箱流体连通。通常，在启动时，液体的存在使得传感器S-3感测到对应于图2的点B或点B附近的状态。在压缩机工作过程中，传感器S-3应当感测到在标记有“最大安全水平”的直线与位于图2的点A或点A附近位置之间对应的状态。由“最大安全水平”的直线表示的小百分比的液态制冷剂是允许的，但是当压缩机试图压缩大量液体时，本发明使得压缩机停机。
具体地参照图4，压缩机10’具有马达10-3’并且在工作中处于排气压力，并且其没有吸气压力腔。由于没有曲轴箱，油池容积稍大于润滑油所需的容积。因此，过量的油/制冷剂可能聚集在泵送结构的周围或在其之上，因此可省去了对应于图3所示的传感器S-2。曲轴箱加热器11’作为带位于壳体10’-1的外部上处于对应于油池位置的区域中。传感器S-3位于吸气口10’-2中。并且传感器S-1和传感器S-3以与图3所示的对应传感器相同的方式工作。
在图5中，附图标记100总体上表示制冷回路或空调回路，其串联地包括具有马达10-3的压缩机10、排气管路12、冷凝器14、包含膨胀装置18的管路16、蒸发器20、和吸气管路22。制冷回路或空调回路100由微处理器30来控制。结合图3和图5，微处理器30主动地控制传感器S-1、S-2、S-3以及曲轴箱加热器11。微处理器30还接收大量的输入，例如感测到的周围温度、进入冷凝器的空气温度、共同地标记为区域输入的区域温度和区域设定值。微处理器30与显示/界面面板40连接以便双向通信。
图6示出了用于启动压缩机10以便提供依据本发明教示的压缩机保护的工序。当压缩机10停机并且所有与启动相关的计数器设定为零时，这由块101表示，由微处理器30接收到冷却需求使得启动程序初启，这由块102表示。油与制冷剂之间存在亲合性，因此它们是可互溶的，并且液态制冷剂的存在使得油池中的液面上升。液体的存在或不存在可由传感器S-2、S-3感测到，这由块103表示。传感器S-2可能处于油池内的液体中或在其之上，这取决于在油池中存在有多少的液体。传感器S-3将感测在压缩机10吸气入口处存在的任何液体。如果传感器S-2或S-3感测到液体，并且已经尝试了三次或更少次的启动，这由块104表示，则曲轴箱加热器工作10分钟，这由块105表示，并且在显示面板上显示“满液式启动”，这由块106表示。在曲轴箱加热器加热10分钟之后，返回到块103。在三次不成功的加热循环之后，压缩机被锁定，这由块107表示。当由块107表示的压缩机被锁定时，在试图启动压缩机10之前需要手动介入。如果开始时传感器S-2或S-3没有感测到液体，或者在一次到三次的曲轴箱加热循环之后，由传感器S-1感测到液面，这由块108表示。如果传感器S-1没有感测到液体，油液面太低，并且如果已经尝试了三次或更少次的启动，这由块109表示，则在显示面板上显示“低油液面”，这由块110表示，并且在返回到块107之前延迟10分钟以便油回排到压缩机油池中，这由块111表示。如果开始时由传感器S-1感测到液面或者在一次到三次的等待循环之后，压缩机启动，这由块112表示。由于在压缩机10启动之前传感器S-1、S-2、S-3必须均满足要求，因此如果希望的话，可以在传感器S-2、S-3满足要求之前满足传感器S-1的要求。
一旦压缩机启动并运行，这由块113表示，蒸发器的工作将指示是否有液态制冷剂供应到压缩机的吸气口。在油池中的油液面将基于借助制冷剂及其返回流率携带的流经系统的油而改变。因此，传感器S-1、S-2、S-3在系统100的工作过程中被连续地监控。尽管传感器S-1、S-2、S-3被连续地监控，传感器S-3是对时间最敏感的。假定马达以3600RPM(转每分钟)运行，一转相当于1/60秒。当传感器S-3能够以一毫秒的时间间隔进行监控时，可以读取一系列的读数以便确定液体的特性并且在马达完成一转以及压缩机完成相应的泵送循环之前使得压缩机停机。在工作过程中，在吸气口处的液体可呈两种形式。第一种可能是液体以高于图2所示的“最大安全水平”的流率的连续流，这是已知的溢流。第二种可能是所有的或绝大部分的液体的离散流，这是已知的液击。
一旦压缩机10运行，这由块113表示，传感器S-1、S-2、S-3均连续地感测并且定期地监控，当感测到特定状态时，启动其自身的响应。
具体地参照图7，当压缩机10运行时，这由块113表示，传感器S-3每毫秒检测在压缩机的吸气压力腔或吸气入口中存在的液体，这由块114表示，并且传感器S-3向块115提供检测结果。如上所述，由传感器S-3感测到的液体可能存在的量不大于图2所示的“最大安全水平”，这不需要矫正措施。如果由传感器S-3检测的液体量超过“最大安全水平”，则需要矫正措施。由于每毫秒监控传感器S-3，因此在响应之前接收大量的传感器输入，同时使得在1/60秒内的响应代表马达的一转以及压缩机泵送结构的一个循环。当由传感器S-3检测到的液体大于“最大安全水平”，在块115中分析大量的传感器输入，并且作出该感测的液体是否代表了液击或溢流的决定。如果在块115中检测到液击则跳到块120，如果在块115中检测到溢流则跳到块130。对于检测到液击或溢流的响应基本上相同，但除了所显示的特定故障之外。不同的信息可帮助维修人员更有效地识别并确定问题的原因。如果检测到液击或者如果检测到溢流，压缩机将停机，这分别由块121和131表示。如果压缩机由于液击而停机，则显示“液击”，这由块122表示，并且液击计数器递增，这由块123表示。如果对于当前的冷却需求已经出现了三次或更少次的液击响应，这由块124表示，则使得曲轴箱加热器11工作5分钟，这由块125表示。在曲轴箱加热器11加热5分钟之后，显示“OK”，这由块126表示，并且返回到块112以便启动压缩机，这可包括达到两次以上的曲轴箱加热。在对于当前的冷却需求已经出现了四次的液击时，这由块124表示，压缩机被锁定，这由块127表示。当压缩机被锁定时，这由块127表示，需借助手动重置可解除锁定，这由块128表示。当进行手动重置时，这由块128表示，返回到块101。
如果压缩机由于溢流而停机，则显示“溢流”，这由块132表示，并且溢流计数器递增，这由块133表示。如果对于当前的冷却需求已经出现了三次或更少次的溢流响应，这由块134表示，则使得曲轴箱加热器11工作5分钟，这由块135表示。在曲轴箱加热器11加热5分钟之后，显示“OK”，这由块136表示，并且返回到块112以便启动压缩机，这可包括达到两次以上的曲轴箱加热。在对于当前的冷却需求已经出现了四次的溢流时，这由块134表示，压缩机被锁定，这由块137表示。当压缩机被锁定时，这由块137表示，需借助手动重置可解除锁定，这由块138表示。当进行手动重置时，这由块128表示，返回到块101。
仅当传感器S-2高于在压缩机油池内的液体/油时，压缩机才可启动。具体地参照图8，当压缩机运行时，这由块113表示，传感器S-2在油池内的对应于过多液体的水平面上感测存在或不存在液体，这由块141表示。每秒钟将进行传感器S-2在预定水平面上感测存在或不存在液体，并且该传感器信息供应给块142，其中传感器S-2感测到液体代表了液面过高，由此表明在油池中具有过多制冷剂并且油被稀释。基于液面过高的决定，这由块142表示，压缩机停机，这由块143表示。当压缩机由于溢流而停机时，则显示“溢流”，这由块144表示，并且溢流计数器递增，这由块145表示。如果对于当前的冷却需求已经出现了三次或更少次的溢流响应，这由块146表示，则使得曲轴箱加热器11工作10分钟，这由块147表示。在曲轴箱加热器11加热10分钟之后，显示“OK”，这由块148表示，并且返回到块112以便启动压缩机，这可包括达到两次以上的曲轴箱加热。在对于当前的冷却需求已经出现了四次的溢流时，这由块146表示，压缩机被锁定，这由块149表示。当压缩机被锁定时，这由块149表示，需借助手动重置可解除锁定，这由块150表示。当进行手动重置时，这由块150表示，返回到块101。
仅当传感器S-1处于油池内的液体中时才可启动压缩机。这确保了如果该液体是油，则有足够的油用于润滑。由于该液体中的一部分是制冷剂，因此制冷剂可能蒸发排走并且使得液面下降到传感器S-1之下。油还可能泵送离开压缩机，从而使得液面下降到传感器S-1之下。具体地参照图9，当压缩机运行时，这由块113表示，传感器S-1在油池内的对应于最小油池液面的水平面上感测存在或不存在液体，这由块160表示。每100毫秒将进行传感器S-1在预定水平面上感测存在或不存在液体，并且该传感器信息供应给块161，其中传感器S-2没有感测到液体代表了液面过低以及油池中的油不足够。如果在块161中确定液面过低，则压缩机停机，这由块162表示。当压缩机由于油液面过低而停机时，则显示“油面过低”，这由块163表示，并且油面过低计数器递增，这由块164表示。如果对于当前的冷却需求已经出现了三次或更少次的油面过低响应，这由块165表示，则延迟10分钟，这由块166表示，以便油回流到油池中。在延迟10分钟之后，显示“OK”，这由块167表示，并且返回到块112以便启动压缩机，这可包括达到两次以上的10分钟延迟。在对于当前的冷却需求已经出现了四次的油面过低感测时，这由块165表示，压缩机被锁定，这由块168表示。当压缩机被锁定时，这由块168表示，需借助手动重置可解除锁定，这由块169表示。当进行手动重置时，这由块169表示，返回到块101。
当压缩机运行时，这由图6-9中的块113表示，满足冷却需求时可关断压缩机，这由块180表示，并且所有计数器重置为零，这由块181表示。
尽管示出了并描述了本发明的优选实施例，但是本领域的技术人员可进行其它的变型。例如，例如图4所示的高压侧压缩机不需要传感器S-2。由于启动循环包括时间延迟和曲轴箱加热，因此时间延迟和曲轴箱加热可在除了启动循环之外的其它步骤中省去。只要压缩机可在出现液击或溢流的一转内停机，可改变各个时间段。因此，本发明的范围仅由后附的权利要求来限定。

Claims (13)

1.在由微处理器控制的并且包括容积式压缩机的空调系统中，其中该压缩机具有吸气入口、马达、油池、和曲轴箱加热器，用于保护与该微处理器在操作上连接的所述压缩机的装置，其包括：
用于在该吸气入口感测存在的液体的百分比的装置；
当所述用于感测液体百分比的装置检测到至少预定百分比的液体时用于防止该压缩机启动的装置；
当所述用于感测液体百分比的装置检测到至少预定百分比的液体时用于使得该压缩机停机的装置；
在所述用于感测液体百分比的装置检测到至少预定百分比的液体之后用于启动该曲轴箱加热器至少一次的装置；和
在该曲轴箱加热器被启动之后用于试图启动该压缩机的装置。
2.如权利要求1所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
用于在该油池内的第一预定水平面处感测存在或不存在液体的第一装置，其中该第一水平面代表在该油池中可接受的最小油液面；和
当所述第一装置在该第一预定水平面处感测到不存在液体时用于防止该压缩机启动的装置。
3.如权利要求2所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
当所述第一装置在该第一预定水平面处感测到不存在液体时用于使得该压缩机停机的装置。
4.如权利要求2所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
用于在该油池内的第二预定水平面处感测存在或不存在液体的第二装置，其中该第二水平面高于该第一液面并且代表在该油池中具有过多液体；
当所述第二装置在该第二预定水平面处感测到存在液体时用于防止该压缩机启动的装置；
当所述第二装置在该第二预定水平面处感测到存在液体时用于使得该压缩机停机的装置；
在所述第二装置在该第二液面处感测到液体存在之后用于启动该曲轴箱加热器至少一次的装置；和
在该曲轴箱加热器被启动之后用于试图启动该压缩机的装置。
5.如权利要求1所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
用于在该油池内的预定水平面处感测存在或不存在液体的装置，其中该预定水平面代表在该油池中具有过多液体；
当所述用于感测存在或不存在液体的装置在该预定水平面处感测到存在液体时用于防止该压缩机启动的装置；
当所述用于感测存在或不存在液体的装置在该预定水平面处感测到存在液体时用于使得该压缩机停机的装置；
当所述用于感测存在或不存在液体的装置在该预定水平面处感测到存在液体时用于启动该曲轴箱加热器至少一次的装置；和
在该曲轴箱加热器被启动之后用于试图启动该压缩机的装置。
6.在由微处理器控制的并且包括容积式压缩机的空调系统中，其中该压缩机具有吸气入口、马达、油池、和曲轴箱加热器，用于保护与该微处理器在操作上连接的所述压缩机的装置，其包括：
用于在该油池内的第一预定水平面处感测存在或不存在液体的第一装置，其中该第一水平面代表在该油池中可接受的最小油液面；和
当所述第一装置在该第一预定水平面处感测到不存在液体时用于防止该压缩机启动的装置。
7.如权利要求6所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
当所述第一装置在该第一预定水平面处感测到不存在液体时用于使得该压缩机停机的装置。
8.如权利要求6所述的用于保护该压缩机的装置，其特征在于，还包括：
用于在该油池内的第二预定水平面处感测存在或不存在液体的装置，其中该第二水平面高于该第一液面并且代表在该油池中具有过多液体；
当所述第二装置在该第二预定水平面处感测到存在液体时用于防止该压缩机启动的装置；
当所述第二装置在该第二预定水平面处感测到存在液体时用于使得该压缩机停机的装置；
当所述第二装置在该第二预定水平面处感测到存在液体时用于启动该曲轴箱加热器至少一次的装置；和
在该曲轴箱加热器被启动之后用于试图启动该压缩机的装置。
9.一种用于操作由微处理器控制的并且包括容积式压缩机的空调系统的方法，其中该压缩机具有吸气入口、马达、油池、和曲轴箱加热器，用于保护所述压缩机的方法包括以下步骤：
在该吸气入口感测存在的液体的百分比；
当在该吸气入口检测到超过预定百分比的液体时防止该压缩机启动；
当在该吸气入口检测到超过预定百分比的液体时使得该压缩机停机；
在当在该吸气入口检测到超过预定百分比的液体之后启动该曲轴箱加热器至少一次；和
在该曲轴箱加热器被启动之后用于试图启动该压缩机。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在该油池内的第一预定水平面处感测存在或不存在液体，其中该第一水平面代表在该油池中可接受的最小油液面；和
当在该第一水平面处感测到不存在液体时用于防止该压缩机启动。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
当在该第一水平面处感测到不存在液体时使得该压缩机停机。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在该油池内的第二预定水平面处感测存在或不存在液体，其中该第二水平面高于该第一液面并且代表在该油池中具有过多液体；
当在该第二预定水平面处感测到存在液体时防止该压缩机启动；
当在该第二预定水平面处感测到存在液体时使得该压缩机停机；
在该第二液面处感测到液体存在之后启动该曲轴箱加热器至少一次；和
在该曲轴箱加热器被启动之后试图启动该压缩机。
13.如权利要求9所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：
在该油池内的预定水平面处感测存在或不存在液体，其中该预定水平面代表在该油池中具有过多液体；
当在该预定水平面处感测到存在液体时防止该压缩机启动；
当在该预定水平面处感测到存在液体时使得该压缩机停机；
当在该预定水平面处感测到存在液体时启动该曲轴箱加热器至少一次；和
在该曲轴箱加热器被启动之后试图启动该压缩机。
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