KR20050050664A - 무연 윤활유와 함께 사용하기 위한 압축기장치 - Google Patents

무연 윤활유와 함께 사용하기 위한 압축기장치 Download PDF

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Abstract

모터에 의해서 구동되는 압축기, 임의의 어큐뮬레이터, 액체/기체 분리기, 응축기와 증발기 형태의 열교환기, 팽창 밸브 및 이러한 부품들을 서로 연결시키기 위한 파이프 형태의 도관을 포함하는 압축장치가 개시된다. 액체/기체 분리 수단은 가스 압축기와 함께 사용하는 것으로, 윤활유 분리기이며, 통상적으로는 원통형의 수평 또는 수직 용기이다. 윤활유 분리기는 무연 윤활유와 냉매 가스의 혼합물을 함유하고 유체 흐름을 형성하는 입자 크기의 범위로 압축기로부터 배출된 유동을 수용하며, 윤활유로부터 냉매 가스를 분리시키고 압축기에서 재활용하기 위하여 윤활유를 수집한다. 윤활장치에서 사용된 윤활유는 큰 크기의 액적들로 급속하게 응집하고 에어졸을 생성하지 않기 때문에, 분리기는 에어졸을 유착시키기 위한 유착기 요소를 필요로하지 않으며 유착기 요소로서 기능하기 위한 맨웨이(manway)를 필요로하지 않는다. 유착기 요소는 큰 크기의 액적들을 응집시키기 위하여 보다 신뢰성있고 내구성 있는 메쉬 패드와 교체가 가능하다. 분리기와 연관된 전체 크기와 공간의 요구조건들이 감소된다.

Description

무연 윤활유와 함께 사용하기 위한 압축기장치{COMPRESSOR SYSTEMS FOR USE WITH SMOKELESS LUBRICANT}
본 발명은 무연 윤활유와 함께 사용하기 위한 압축기장치에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 무연 윤활유와 함께 양변위 압축기들을 이용하는 압축기장치에 관한 것이다.
양변위 압축기들(positive displacement compressors)은 공기나 기체의 연속적인 체적들이 폐쇄된 공간 내에서 한정되어 고압으로 증가하는 기계장치이다. 기체의 압력은 폐쇄된 공간의 체적이 감소함에 따라 증가된다. 양변위 압축기들은, 예를 들어 왕복 압축기들, 회전 압축기들, 스크롤 압축기들 및 스크루 압축기들을 포함한다. 스크루 압축기들은 단일 스크루 압축기들, 수(male)-암(female)(이중) 스크루 압축기들 및 다른 변형예들을 포함한 헬리컬 로브 회전 압축기들(helical lobe rotary compressors)로서 알려져 있고, 공기 압축기, 냉장고, 수냉각기(water chiller), 및 천연가스 처리장비들에 널리 알려져 있다. 이러한 압축기들에서는, 효과적으로 작동하고 압축될 체적을 포함하는 로브들을 밀봉하며 유니트들에 대한 손상을 방지하기 위하여, 회전 및 접촉 표면들을 윤활하도록 윤활유를 사용한다.
왕복 압축기들은 실린더 내에서 이동가능한 피스톤을 이용한다. 피스톤은 크랭크에 부착된 커넥팅 로드에 부착된다. 전동기는 크랭크를 구동시켜서 피스톤이 실린더 내부를 왕복하게 하며, 이에 의해 실린더 내의 체적이 증가하거나 감소하게 된다. 유체는 피스톤의 하사점에 있을 때 밸브를 통해서 실린더 내로 도입된다. 유체는 피스톤이 상사점을 향해 상방향으로 움직임에 따라 압축되고 피스톤이 상사점에 도달하는 경우에는 밸브를 통해서 실린더로부터 제거된다. 윤활유는 베어링, 실린더 벽, 피스톤 벽, 피스톤 링, 피스톤 핀을 윤활하도록 이용된다. 소형 왕복 압축기들은 밀봉된 유니트이므로, 가압된 냉매에서 윤활유의 비말동반(entrainment)은 문제가 되지 않는다. 그런데, 큰 왕복 압축기들에서 윤활유 손실은 문제가 된다.
스크롤 압축기는 2개의 스크롤들 사이에서 일련의 초승달 모양의 포켓들을 발생시키는데, 이러한 초승달 모양의 포켓들은 압축을 위한 유체를 수용한다. 통상적으로, 하나의 스크롤은 고정되고 다른 스크롤들은 고정된 스크롤 주위를 선회하게 된다. 이러한 운동이 진행됨에 따라, 2개의 스크롤들 사이에 조성된 포켓들은 2개의 스크롤들의 중앙을 향해 천천히 밀리게 된다. 그 결과 유체의 체적이 감소된다. 이때, 윤활유는 주 베어링과 밀봉 표면들 그리고 스크롤들의 테두리를 윤활시키도록 사용된다.
회전 압축기들은 일반적으로 고정 블레이드 및 회전 블레이드 타입의 두가지 종류의 압축기가 있다. 회전 블레이드 회전 압축기의 블레이드나 베인들은 원통형 하우징 내에서 축과함께 회전한다. 고정 블레이드 압축기에 있어서, 고정 블레이드는, 실린더가 하우징 어셈블리 내에서 회전하는 동안에 실린더 내에서 편심축 상에 있는 롤러를 통해 정적인 상태로 유지되며 하우징의 일부를 이루는 블레이들 구비한다. 두가지 종류에 있어서, 블레이드는 유체에 대한 연속적인 밀봉을 제공한다. 흡입라인으로부터 배출되는 저압 유체는 개구부 내로 도입된다. 유체는 블레이드가 회전하는 동안 블레이드 뒤쪽의 공간을 채운다. 블레이드 앞쪽의 증기 공간내에 비말동반된 유체는 압축기 배출구 내로 밀릴 수 있을 때까지 가압된다. 윤활유의 막은 실린더, 하우징, 롤러 및 블레이드 표면들 뿐만아니라 베어링 상에 필요하다. 윤활유는 냉각기에서 용이하게 비말동반될 수 있다.
스크루 압축기는 중공의 이중 통형상의 케이싱 내부에서 분리된 축 상에 장착된 2개의 원통형 회전자들을 포함한다. 통상적으로 압축기의 측벽들은 2개의 평행하고 중첩된 실린더들을 형성하는데, 이러한 실린더들은 지면에 대하여 평행한 축들과 함께 회전자들을 나란히 에워싼다. 스크루 압축기 회전자들은 나선형으로 연장된 로브들 및 회전자의 원주상에 큰 나사를 형성하는 로브들의 외면 상에 형성된 홈들을 구비한다. 작동과정 동안에, 회전자들의 나사들은 함게 맞물리며, 이때 회전자들 사이에 일련의 간격들을 형성하도록 한 회전자 상의 로브들은 다른 회전자 상에 형성된 대응하는 홈들에 맞물린다. 이 간격들은, 케이싱의 일단부에 있는 압축기 유입구 개구부 또는 "포트(port)"와 연통하며 회전자가 회전함에 따라서 체적을 연속적으로 감소시켜서 케이싱의 반대쪽 단부에 있는 배출구 쪽으로 가스를 가압하는 연속적인 압축 챔버를 형성한다. 윤활유는 베어링, 축 밀봉재 및 회전자들을 윤활하도록 압축기 내로 도입되고, 압축기의 작동과정 동안에 스크루들 사이의 틈새를 밀봉할 수 있게하고, 압축 열을 제거할 수 있게 한다. 그리하여 윤활유가 과열되는 것이 방지되고 압축기의 동작과 관련된 소음들이 줄어들게 된다.
각각의 타입의 압축기에 공통적인 것은 유입구와 배출구이다. 압축기 유입구는 때때로 "흡입(suction)" 또는 "저압측(low pressure side)"으로 언급되는 반면, 압축기 배출구는 "배출(outlet)" 또는 "고압측(high pressure side)"으로서 언급된다.
스크루 압축기 회전자들은 서로 맞물리며, 하우징 내에서 동시에 반대 방향으로 회전한다. 회전자들은 하우징의 일단부에 제공된 흡입 매니폴드로부터 하우징의 타단부에 제공된 배출 매니폴드 쪽으로 하우징을 통해 기체를 휩쓸어가도록 작동한다. 시판중에 있는 스크루 압축기들은 공통적으로 나사형 축들 또는 나선형 회전자들을 포함하는데, 이때 나선형 회전자들은 4개의 로브들, 또는 5개이상의 로브들을 갖도록 설계되며, 통상적으로 회전자들은 예를 들어 3 내지 9개의 로브들을 구비할 수 있다. 수 회전자와 암 회전자들은 각기다른 수의 로브들을 구비하게 될 것이다. 회전축들은 통상적으로 케이싱의 단부 벽들에서 윤활유 순환 장치로부터 배출된 일정량의 윤활유를 수용하는 윤활된 베어링 및/또는 밀봉재들에 의해서 지지된다.
윤활유는 통상적으로 오일 기지 액체 화합물의 형태를 이루며, 압축기 장치의 이러한 부분은 통상적으로 "윤활유-오일(lube-oil)" 장치로서 언급된다. 압축기 윤활유-오일 장치는 일반적으로 수집 저장소, 필터, 압력 및/또는 온도 센서들을 포함한다. 윤활유-오일은 수냉각기 스크루 드라이브 압축기장치에서의 압력차에 의해 증발기와 응축기를 통해서 순환하거나, 또는 대형 왕복 압축기들과 같은 모터 구동식 펌프에 의해서 순환될 것이다. 많은 윤활유들이 고온에서 점성을 상실하여 질이 저하되므로, 스크루 압축기와 같이 고온에서 작동하는 압축기들은 특별하게 고안된 윤활유-오일 장치들 및 윤활유가 밀봉재들과 베어링들로 재순환되기 전에 윤활유의 온도를 감소시키기 위한 냉각기를 포함한다. 소위 "오일이 흘러넘치는(oil flooded)" 스크루 압축기들은 압축기 케이싱의 내부를 통해서 윤활유를 재순환시키기 위한 수단을 더 포함한다. 가스 흐름 내로의 직접적인 "윤활유-오일 분사(lube-oil injection)"는 회전자들을 냉각시키고 윤활하는 것을 지원하며 회전자들 사이 또는 회전자들 주위의 누설 경로들을 통해서 나오는 가스를 봉쇄하고 부식을 방지하며 스크루 압축기들에 의해 야기된 소음 수준을 최소화한다.
이러한 양변위 압축기들에 있어서 명백한 바와 같이, 함께 압축되는 윤활유와 기체상태의 유체는 압축기 동작의 결과로서 혼합된다. 고압 및 고온하에서, 윤활유는 액적들을 형성한다. 이러한 액적들은 통상적으로 기체 흐름 내에 비말동반되고, 압축 가스, 통상적으로 냉매가 압축기로부터 운반되기전에 제거되어야만 한다. 이러한 액적들은 약 1미크론 이하로 매우 미세해지는 경우에, 냉매 가스 내에 비말동반되는 에어졸을 형성한다. 이러한 에어졸은 압축기 장치의 분리기 부분의 일부인 유착기(coalescer)와 같은 특정 에어졸-제거 장비의 설치없이는 용이하게 유착되지 않으며 유체 흐름으로부터 용이하게 제거되지 않는다. 폐쇄된 장치의 일 실시예에 있어서, 에어졸들은 압축기를 윤활하도록 복귀함에 따라 압축된 가스와 함게 하류로 이동할 수 있게된다. 물론, 이것은 압축기로부터 항상 부재하는 일정체적의 윤활유를 상쇄하도록 장치내에 추가적인 윤활유를 필요로하며, 윤활유가 비싸기 때문에 작동 비용을 증가시킨다. 또한, 폐쇄된 장치의 다른 부분에 존재하는 윤활유는 효율적으로 작동하지 않는 하류의 장비로 안내될 수 있다. 개방된 장치들에 있어서, 윤활유는 결코 복귀하지 않고 보충되어야만 하는 에어졸로서 하류로 손실된다.
통상의 스크루 압축기는 윤활유와 냉매를 함께 혼합시키고, 가압된 기체와 오일의 혼합물로 구성되는 고압 고온의 유체 흐름을 배출시킨다. 고온 고압의 오일은 상기한 바와 같은 크기 범위이고 1미크론 이하 범위의 에어졸을 포함하는 액적들을 형성한다. 비말동반된 에어졸은 별도의 도움없이는 압축 가스로부터 쉽게 제거될 수 있는 액적들을 유착시키거나 형성할 수 없다. 따라서, 윤활유가 압축기의 하류로 운반되는 것을 방지하기 위하여 에어졸을 제거하도록 유착기들이 분리기들에 포함된다. 유착기들을 구비함에도 불구하고, 매우 적은 양의 미세한 초과 액적들이 하류로 빠져나간다. 만일 충분한 체적의 오일이 압축기로부터 제거된다면, 압축기는 오일이 고갈될 수 있다.
잉여 오일이 이용되지 않는 설계의 경우에 있어서, 오일은 압축기 내에 유지되어야만 한다. 오일은 미세하게 분할된 에어졸의 응집을 수반하기 때문에 냉각 가스가 수냉각기 또는 냉각 장치 내로 배출되기 전에 고압의 냉각 기체로부터 분리되어야만 한다.
상기한 바와 같이, 윤활유가 하류로 이동하는 유체에 비말동반되는 것을 방지하기 위하여, 종래기술은 분리기 구간을 갖는 압축기를 채용한다. 압축가스는 꾸불꾸불한 경로를 따르거나 또는 큰 액적들이 응집될 수 있는 표면에 접촉하며, 이때 재활용을 위해 섬프 타입의 장치내로 재순환되어 압축기의 가동 부품을 윤활시킨다. 미세한 에어졸을 붙들기 위해, 에어졸들은 분리될 충분한 크기의 액적들로 응집되지는 않으며, 분리기 구간은 유착기 또는 필터 유니트를 채용하며, 에어졸은 분리기의 압축가스 하류로 배출되기 전에 유착기 또는 필터 유니트를 통과하게 된다. 이러한 설계는 수냉각기 장치에 대한 오일의 손실을 최소화하고 오일의 응집에는 효과적인 반면, 가압된 유체가 에어졸의 혼합물과 같은 압력 손실을 경험하게 되며, 유착 장치를 통과할 때 연기가 발생한다. 이러한 압력손실은 장치의 성능에 직접적으로 연관되어 유니트의 효율을 감소시킨다. 통상적인 유착기 요소는 메쉬 미소섬유 재료들로 제조되어 장치의 크기를 증가시키는 높은 표면적을 제공하는 일련의 필터들 또는 장치 필터들을 포함한다. 적용예에 있어서, 공간이 고려의 대상이 아닌 경우, 큰 용기가 동일한 체적의 공간에 배치될 수 있을 지라도 장치의 크기는 중요한 요소이고, 압력 강하는 여전히 관심사로 존재한다. 그런데, 대부분의 적용예에 있어서, 공간은 고려대상이고, 분리기는 다른한편으로 이용이 가능한 공간을 점유한다. 유착기 요소의 제거는 동일한 공간 내에서 큰 분리기의 설치를 가능하게 하며, 동일한 성능을 가지지만 공간은 덜 점유하는 큰 압축기장치 또는 장치들의 설계를 가능하게 한다. 또한, 장치로부터 제거될 수 있는 유착기와 연관된 압력 강하에 따라 효율이 개선될 수 있다. 유착기 요소를 포함하는 유니트들이 내부에의 접근성을 제공하고 그 결과 내부 필터들 및 통로들이 유지 보수될 수 있다. 그러한 접근은 맨웨이(manway)를 통해서 이루어지며, 접근을 위해서 추가적인 공간이 요구되지는 않는다. 그런데, 이러한 접근은 장치 내로의 추가적인 침투를 요구하고, 적당한 가스켓으로 밀봉되어야만 한다. 그러나, 이렇게 밀봉된 조인트는 잠재적인 누설 경로를 제공한다. 또한, 유착기 요소를 에워싸는 구조물을 제조하는데 있어서 추가적인 비용이 소모되는 등의 문제점이 있다.
유착기를 제거하도록 제안된 방법은 무연 윤활유(non-smoking lubricants)를 사용하는 것이다. 무연 윤활유라는 말은 에어졸을 형성하지 않는 윤활유를 의미하며, 매우 단시간 동안에 1미크론 미만 또는 미크론 단위의 입자들을 가지며 유착기의 사용없이 분리기의 작동 체적 내에서 가압 기체로부터 용이하게 응집될 수 있는 충분한 크기의 액적들로 유착하도록 용이하게 조절되는 에어졸을 형성하는 것을 의미한다. 이러한 무연 윤활유들은 기계 작동자들의 노출 위험성을 최소화할 수 있는 기계가공/절단용 오일로서 적용이 가능하다. 이러한 윤활유들은 압축기 장치와 함께 사용하도록 제안된 반면, 압축기 장치에서 사용된 냉매들과 함께 별도의 상업적 용도로서 사용되지는 않는다. 이러한 윤활유들은 가격이 매우 비싸다는 결점에도 불구하고 스크루 압축기 장치들과 같은 양변위 타입의 압축기들에 사용된다.
미합중국 특허 제 3,805,018 호에는 윤활유의 사용이 제안되어 있는데, 이는 5,000 이상의 점성 평균 분자량을 갖는 오일 가용성 폴리올레핀을 포함하는 미스트 반응 억제제가 개시되어 있다. 다른 윤활유의 사용이 미합중국 특허 제 5,756,430 호에 개시되어 있는데, 여기에서는 미스트 반응 억제제로서 1∼5%의 폴리이소부틸렌 망간 400-2500이 추가된 폴리카르복실산 에스테르 기지 미스트 오일 윤활유가 개시되어 있다. 잠재적인 무연 오일들의 형성을 개시하고 있으나, 상기 특허들은 장치의 성능을 향상시키기 위한 잠재가능성 및 종래 장치에서 윤활유가 존재하는 직접적인 대체로서의 무연 오일과 같은 사용으로 얻을 수 있는 장치의 개선에 대하여 어느것도 의도적으로 인식하고 있지 못하다.
마찬가지로, Short에게 허여되어 CPI Engineering Services, Inc.사에게 양도된 미합중국 특허 제 4,916,914 호 및 제 5,027,606 호에는 고온 고압하에서 냉매에 용이하게 용해될 수 없지만 저온 저압하에서 냉매에는 쉽게 용해될 수 있는 윤활유의 사용이 개시되어 있다. 이것은 응축 온도와 압력하에서 2개의 상으로 존재하고 실질적으로 증발 온도와 압력에서는 하나의 상으로서 존재하는 냉매-윤활유 조합을 제공함으로써 달성된다. 이러한 조합은 오일로 하여금 유체가 압축기의 수냉각장치 하류로 배출되기 전에 배출 영역에서 냉각기로부터 효과적으로 분리되게 한다. 그러나, 상기 특허들은 그러한 윤활유의 사용에 따른 결과로서 장치의 개선을 인식하고 있지 못하다. 이러한 윤활유들은 비염화탄화수소 냉각기와 조합하여 사용되는 폴리에테르 폴리올(polyols) 또는 모놀(monols)이다.
종래의 압축장치들은 압축기들과 연관하여 사용되는 분리기들을 포함한다. 분리기들은 윤활유를 냉매로부터 분리시키고 장치내에서 이용되는 윤활유의 형식에 관계없이 동일한 기능을 수행하는 요소들을 구비한다. 이러한 분리기들은 윤활유들이 압출기로부터 배출됨에 따라서 미세한 에어졸들이나 "스모크(smoke)" 들을 포함하는 유체를 형성하도록 냉매 가스와 혼합되는 윤활유들과 함께 사용하도록 설계된다. 현재의 압축장치들은 작은 파이프를 통해서 압축기의 압축기 부분으로부터 큰 파이프로 유체가 이동하게 하여 분리기 내에서 배출되게 한다. 유체가 작은 파이프에서 큰 파이프로 배출됨에 따라서, 속도 변화가 수반된다. 유체는 분리기의 벽에 충돌하고 이때 유동 방향이 바뀌면서 속도의 손실이 발생한다. 유체가 접촉하는 각각의 표면에서 에너지 손실이 존해하고 액적들의 크기분포에 걸쳐서 윤활유 액적들의 유착이 일어난다. 유착하는 윤활유가 임계크기에 도달하는 경우, 윤활유는 중력이나 모멘텀에 의해서 압축기에 대한 주 오일 저장소 공급원을 형성하는 분리기의 바닥으로 낙하한 후, 압축기로의 윤활을 제공하도록 분리기로부터 재순환된다. 잔여 유체는 유착기 요소로서 언급되는 분리기 내에서 구조물을 통해 유동하고, 이때 잔여 에어졸의 상당부분이 증가된 표면적을 갖는 미세한 재료 섬유 상에서 액적들로 응집되고, 유착기 요소와 연관되고 주 오일 저장소보다 저압으로 유지되는 유착기 저장소로 중력에 의해 떨어진다. 오일은 별도의 라인을 통해서 유착기 저장소로부터 압축기의 저압측으로 복귀한다. 유착기 요소를 통과한 유체는 분리기를 빠져나가고 압축기의 하류를 통과한다. 이때 폐쇄된 장치에 대하여 압축장치의 잔여 부분을 통과한다. 이러한 유체는 냉매를 포함하고, 유착기의 미세한 필터 요소를 통과할 수 있는 매우 미세한 적은 양의 윤활유를 포함한다. 분리기의 내부 기구들에 대한 접근성을 제공하기 위하여, 유착기에 인접한 분리기의 일단부에 있는 헤드에 맨웨이(manway)가 설치된다. 이러한 접근성은 주기적인 수리와 보수가 필요한 유착기 요소들에 요구된다.
그런데, 종래기술에서는 무연 타입의 오일을 수냉각기 장치들 내로 통합함으로써 수냉각기 장치들에 상기 장점들을 실현할 수 있는 방법에 대하여 전혀 기술하고 있지 못하다. 미합중국 미쉬간주 미드랜드에 소재하는 CPI사에 의해서 개발된 윤활유와 같은 무연 윤활유들은 본 출원과 동일 날자로 출원되어 미합중국 오하이오주 클리블랜드 소재의 Lubrizol Corp.사에게 양도된 계류중인 특허출원(발명의 명칭: A LUBRICANT AND COMPRESSOR WORKING FLUID COMPOSITION USEFUL FOR IMPROVING THE OIL SEPARATION PREFORMANCE OF A VAPOR COMPRESSION SYSTEM)에 개시되어 있다. 무연 타입 오일의 사용의 결과로서 감소된 크기의 변경된 구조물을 통합한 압축 장치들이 필요하다.
도 1은 통상적인 윤활유를 이용하는 종래기술에 따른 압축기장치의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 비말동반된 "무연" 윤활유를 갖는 압축 가스와 비말동반된 종래의 윤활유를 갖는 압축 가스를 압축한 후 입자 크기 분포를 보여주는 그래프.
도 3은 무연 오일을 가스 흐름으로부터 분리하기 위한 유착기를 구비함이 없이 윤활유 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기장치의 일부분을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 유체 속도와 입자 크기의 함수로서 다양한 윤활유 액적 분리 메카니즘의 효과를 보여주는 그래프.
도 5는 무연 오일을 가스 흐름으로부터 분리하기 위한 유착기 부분을 구비함이 없이 별도의 윤활유 저장소를 갖는 윤활유 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 6은 무연 오일을 가스 흐름으로부터 분리하기 위한 유착기 부분을 구비함이 없이 제 1 단계 원심 분리기를 갖는 윤활유 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 무연 오일을 가스 흐름으로부터 분리하기 위한 유착기 부분을 구비함이 없이 냉각 가스를 윤활유 풀(lubricant pool)에 통과시키는 윤활유 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 8은 무연 오일을 가스 흐름으로부터 분리하기 위한 유착기 부분을 구비함이 없이 윤활유 입자들을 배출시키기 위한 전기장을 갖는 윤활유 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기장치를 개략적으로 나타낸 도면.
도 9는 냉매 카테고리와 오일 타입을 판별하는 시판중인 냉각장치들의 챠트.
도 10은 메쉬 미스트 제거기를 갖는 수직 분리기를 이용하는 본 발명에 따른 압축기 장치를 개략적으로 나타낸 도면.
본 발명은 양변위 타입의 압축기들과 함께 사용하기 위한 압축장치를 제공하며, 이때 압축장치는 무연 윤활유에 대하여 설계된 액체/기체 분리수단을 포함하며, 유착기를 사용함이 없이 압축기 배출구에 배치된 분리수단의 작용체적의 ??위 내에서 일정 온도와 압력하에 가압된 기체에 비말동반된 윤활유의 응집을 가능하게하는 우수한 유착 특성을 나타내고, 그리하여 분리수단을 빠져나가는 가압된 기체에 비말동반된 에어졸로서 분류되는 미세하게 분할된 윤활유의 입자들의 수가 상당히 감소된다. 입자들의 수가 700ppm 이하로 상당히 감소하고 입자들이 매우 작기 때문에, 빠져나가는 윤활유의 체적과 중량이 필수적으로 감소된다.
분리수단, 또는 분리기는 몇단계로 분할된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 분리수단 또는 분리기는 압축기의 일부로서 논의된다. 그런데, 이것은 제한적인 것이 아니며, 압축기와 분리기는 파이프, 배관 및 상호연결 플랜지 등의 적당한 연결수단(이들로서 한정되지는 않음)에 의해서 연결되는 2개의 분리된 부품으로서 간주된다. 통상적으로, 분리기의 제 1 단계는 충돌이나 모멘텀에 의해서 가압된 유체로부터 약 70미크론 이상의 비말동반된 윤활유의 큰 액적들 모두를 실질적으로 제거하는 충돌 또는 모멘텀 기지 부분이다. 제 2 단계는 약 5 내지 700미크론 범위의 크기인 비말동반된 액적들의 조합을 포함하는 나머지 윤활유들을 제거하도록 설계된다. 제 2 단계를 빠져나가는 유체는 1미크론미만 크기 범위, 즉 5미크론 이하 크기의 액적들을 주로 포함한다. 통상적으로, 제 2 단계의 유착부분 하류는 1미크론 미만의 에어졸, 액적들을 제거하기 위하여 통상적으로 섬유상 필터들과 같은 매우 미세한 필터들을 이용한다. 물론, 미세한 필터들은 1내지 5미크론 범위의 크기를 갖는 입자들을 또한 제거한다.
본 발명에서 이용되는 "무연(smokeless)" 윤활유는 약 0.6미크론, 통상적으로는 0.5미크론 이상의 크기로 액적들의 응집을 증진시키기 위한 첨가제들을 포함한다. 약 1미크론이하의 크기를 갖는 유체 흐름에 비말동반된 액적들은 다수로 존재하는 경우에, 포그(fog), 에어졸, 미스트 또는 "스모크"로서 언급된다. 그런데, 여기에서 사용하는 바와 같은 "에어졸"은 약 1미크론 및 그보다 작은 직경을 갖는 입자들(1미크론 미만 입자들)을 언급하는 반면, "미스트"는 약 1미크론 내지 약 70미크론 범위의 크기 분포를 갖는 액적들을 언급한다. "스모크"는 연기의 외양을 제공하는 것으로, 단독 혹은 조합하여 기능하는 미스트나 에어졸의 다수의 입자들을 언급한다. 윤활유 첨가제는 원하는 성질의 윤활유를 제공하기 위해서, 항산화제, 유동점 억제제(pour point depressants), 부식 방지제, 발포 방지제, VI 개선제 등을 포함하게 될 것이다.
윤활유 및 여기에서 간단히 "윤활유"로서 언급되는 첨가제의 특성은 분리기의 제 1 단계와 분리기 배출구 사이에서의 액적들의 크기 분포를 변화시키는 것이다. 그리하여 적고 큰 액적들이 존재하게 된다. 여기에서 사용되는 바와 같이, 분리기에서의 단계는 소정 크기 범위 내에서 윤활유 액적들에 작용하는 증기의 특성을 변경시키도록 유체 흐름 상에 작용한다. 본 발명에 따른 윤활유에 의해서 유체 흐름에서의 입자들의 크기 분포 및 수에서의 변화는 유착부가 섬유유리, 케블라(Kevlar) 섬유 등과 같은 다중필라멘트 방사로 이루어고 종래 기술에서 이용된 필터와 마찬가지로 메쉬(co-knit pads)로 짜여진 미세한 스트랜드를 포함하게 한다. 이는 제거되거나, 예를 들면 일련의 고정된 판들 또는 조악한 메쉬 스크린 또는 순서대로 배열된 조악한 메쉬 스크린들에 의해서 교체될 수 있다. 무연 윤활유는 매우 미세한 입자들 모두를 실질적으로 제거하기 위하여 유체 흐름에 존재하는 입자들의 수와 크기 분포를 변화시기고 그로인하여 이러한 미세 입자들을 응집시키도록 미세한 유착기 요소들을 구비할 필요성을 제거하게 된다. 밀(mil) 또는 수 밀(few mils) 이하의 1미크론미만의 액적들 보다 큰 섬유 공간을 갖는 함께 짜여진(co-knit) 패드들은 섬유로 이루어지지 않고 적어도 10배이상 큰 공간을 갖는 메쉬 스크린이나 핀들과 교체될 수 있다. 입자들의 크기와 수 분포는 고정된 판이나 조악한 메쉬 스크린이 큰 크기 분포와 "스모크"의 외양을 제거하는 입자들을 만족할만하게 응집시킬 수 있다. 이상적으로, "무연" 윤활유는 분리기의 제 1 단계를 통과한후 분리기의 최종 단계를 통과하기 전에 "무연"(즉, 연기의 외양을 가지지 않는)의 상태가 되어야 한다. 즉, 액적들은 분리기의 최종 단계에서 유체 흐름으로부터 용이하게 제거되도록 약 5미크론 이상의 크기 분포를 갖는 입자들의 전체수가 줄어들고 충분히 큰 크기로 응집되며, 단지 적은 수의 입자들이 작은 직경(5미크론 이하)을 가지며, 그리하여 고정된 판이나 조악한 메쉬 스크린에서 분리가 이루어질 수 있다.
통상적으로, 압축장치는 모터에 의해서 구동되는 압축기, 임의의 어큐뮬레이터(accumulator), 액체/기체 분리기, 응축기와 증발기 형태의 열교환기, 팽창 밸브들 및 이러한 부품들을 연결하도록 배관의 형태를 갖는 도관을 포함한다. 액체/기체 분리수단은 통상적으로 수평 또는 수직 용기인 윤활유 분리기이다. 다수의 단계들을 갖는 윤활유 분리기는 가스 압축기와 관련하여 사용된다. 윤활유 압축기는 압축기로부터 나오는 배출유동을 수용한다. 이러한 배출유동은 유체 흐름을 형성하는 입자 크기의 범위 내에서 윤활유와 냉매 가스의 혼합물을 포함한다. 이러한 분리기는 냉매 가스를 윤활유로부터 분리시킨다. 분리된 윤활유는 압축기 베어링과 같은 압축기의 가동 부품을 윤활하도록 재활용하기 위하여 분리기 내에 수집하여 저장된다.
본 발명에 따른 분리기는 압축기로부터 배출된 유체를 수용한다. 그런데, 윤활장치에 사용된 윤활유는 "무연"으로서 설계되었기 때문에, 즉 적은 수의 큰 액적들이나 입자들을 급속하게 응집하도록 설계되었기 때문에, 본 발명에 따른 분리기는 에어졸을 제거하기 위한 유착기 요소를 포함하지 않으며 또한 유착기 요소에 대한 접근성을 제공하기 위한 맨웨이(manway)가 더 이상 필요하지 않다. 그에 따라 분리기의 공간이 절감되고 유지보수를 위한 공간이 절감된다. 또한, 제조 및 작동비용이 절감된다.
작동에 있어서, 본 발명에 따른 분리기는 압축기로부터 배출된 가압된 유체를 수용하는 원통형 용기이다. 가압된 유체는 작은 파이프로부터 큰 파이프로서 설계된 용기 내로 도입됨에 따라 속도변화를 겪게된다. 용기내로 도입되는 순간, 유체는 제 1 단계의 벽에 충돌함에 따라 유동방향의 변화를 겪게된다. 이 벽은 용기의 원통형 벽들중 하나가 될 수 있다. 윤활유중 일부는 속도변화에 따라 응집되고 몇몇의 추가적인 윤활유는 벽과의 접촉에 의해서 벽에 응집된다. 제 2 단계 내로 도입된 유체는 예를 들어 임의의 베인 미스트 제거기인 조악한 미스트 제거기를 통과하는데, 여기에서 큰 크기의 입자분포를 갖는 유체는 가스 유동 경로상에 위치된 조악한 미스트 제거기의 큰 표면들이나 베인 미스트 제거기의 베인 상에 응집된다. 판들 또는 조악한 메쉬가 이용될 것이다. 유체는 계속해서 원통형 분리기를 통해서 미스트 제거기를 통과하는데, 이때 미세한 크기 분포의 윤활유의 나머지는 미세한 메쉬 표면 상에 응집된다. 비록 1미크론미만의 에어졸들이 미스트 제거기를 바이패스하여 분리기 하류로 빠져나가서 응축기 내로 이동하지만, 이러한 1미크론미만의 에어졸 입자들의 수는 윤활유의 유착성질로 인하여 줄어들고, 그 결과 입자크기 분포에서 큰 크기로의 이동이 야기된다. 모든 응집된 윤활유는 분리기와 연관된 섬프내로 낙하한다. 메쉬 표면은 예를 들어 스테인레스강이나 플라스틱 모노필라멘트와 같이 강성을 갖는 내식성 재료로 이루어진다. 가압된 유체는 유착 요소를 통과하지 않으며 그에 따르는 압력강하를 겪지 않고 분리기를 빠져나가며, 도관을 통해서 압축 사이클의 다음 부품으로 운반된다. 수냉각기 장치에 있어서, 다음의 부품은 응축단계이다.
본 발명의 장점은 압축기 내에서 오일 에어졸의 형성을 최소화하거나 제거시킬 수 있는 무연 오일을 사용하는 것이다. 이것은 유체 흐름이 열교환기와 같은 압축장치의 나머지 내로 운반되어 열교환기의 효율이 감소하는 것을 최소화하거나 제거하는 것이다. 그러므로, 에어졸을 비말동반하거나 제거하도록 설계된 구조물들이 압축기로부터 제거될 수 있고 열교환기 작동이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
본 발명에 따른 장점은 분리기의 유착기 요소를 제거할 수 있도록 분리기를 소형화할 수 있다는데 있다. 고속으로 배출되는 가스에 의해 부식되거나 질저하될 수 있는 오염된 환경하에서 파편들에 의해 혼란을 겪고 손상될 수 있는 종래의 유착기 요소와는 달리, 메쉬 미스트 제거기들은 미세하고 예민하지 않기 때문에 그러한 문제점들을 야기하지 않는다. 그러한 메쉬 스크린들은 유지보수를 위한 분리기의 내부에 대한 접근성을 필요하지 않기 때문에, 분리기 요소와 함께 맨웨이가 제거될 수 있고, 그 결과 분리기의 크기가 감소된다.
본 발명의 다른 장점은 분리기들이 종래의 분리기 만큼 크지 않기 때문에 유체가 분리기를 통과하는 경우에 압력강하가 발생하지 않는다는 것이다. 즉, 유착기 요소를 통과하면서 발생하는 압력강하가 제거된다. 분리기를 빠져나가는 유체의 전체적인 압력이 높기 때문에, 장치의 전체적인 효율이 개선된다.
본 발명의 또다른 장점은 분리기 하류로부터 장치의 나머지 부분으로 배출되는 윤활유가 적다는 것이다. 개방된 장치에서, 이것은 압축기에 대한 손상을 끼침이 없이 장치의 작동을 유지하는데 필요한 윤활유 교체를 최소화하고, 그에 따라 비용을 크게 낮추게 된다. 폐쇄된 장치에서, 몇몇 윤활유가 장치하류로부터 그아래 하류의 부품들로 빠져나갈지라도, 윤활유는 장치내로 순환된다. 그런데, 분리기 내에 남아있는 대부분의 윤활유는 압축기에 의해서 재활용된다. 이것은 장치에 필요한 윤활유의 양을 감소시켜서 비용을 절감시킨다.
본 발명의 또다른 장점은 미세 액적들(에어졸)의 형태로서 분리기 하류로부터 장치의 나머지 부분으로 배출되는 윤활유의 양이 적어서 증발기의 성능이 개선된다는 것이다. 증발기에 수집되는 윤활유는 증발기에서 열전달 표면의 성능에 대해 영향을 덜 미치고 효율이 높아진다는 것이다. 본 발명에 있어서, 대부분의 윤활유는 분리기내에 비말동반되고 적은 양의 윤활유가 미세하게 분할된 액적들(에어졸)의 형태로 빠져나가기 때문에, 증발기에서 증발기를 오염시키는 오일들이 적어지고, 그 결과 열전달 효율이 개선되어 전체적인 효율이 향상된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점들은 첨부된 도면들을 참조로한 하기의 바람직한 실시 예의 상세한 설명을 통해서 보다 명백하게 밝혀질 것이다.
본 발명은 무연 또는 비에어졸 형성 윤활유와 함께 이용하는 압축 장치들의 개선된 설계에 관한 것이다. 윤활유들은 첨가제들에 의해서 특징지워지는데, 이때 첨가제들은 매우 미세한 액적들이 큰 액적들로 급격하게 응집될 수 있게 이를 증진시키며, 그에 따라 윤활유의 에어졸이 압축기 장치의 하류로 운반되지 않는다. 압축기 장치는 분리기나 분리기 부분을 포함하도록 한정되는데, 이는 압축기나 압축기 부분에 의해서 압축된 가스로부터 윤활유를 제거하는 기능을 갖는다. 분리기는 압축기의 일체화된 일부로서 존재하거나 또는 압축기에 부착된 별도 유니트로서 존재한다. 이렇게 사용됨에 따라, 에어졸은 약 1미크론이하, 통상적으로는 약 1미크론 내지 약 0.1미크론의 평균직경을 가지며 압축 가스에 비말동반된 윤활유의 매우 미세한 액적들을 의미하게 된다. 에어졸은 그러한 윤활유 액적들의 밀리온(ppm) 당 적어도 약 1500부분을 갖는 압축 가스를 더 포함한다. 그와같이 폐쇄된 루프장치에 있어서, 압축 가스는 통상적으로 냉매이다. 무연 윤활유의 특별한 형성은 중요하지 않지만, 에어졸을 형성하지 않는 윤활유들의 능력은 중요하다.
현재의 압축장치 설계와는 달리, 본 발명에 따른 압축장치는 비용을 절감하고 성능을 개선시키며 공간을 절감하도록 압축장치의 분리기 또는 분리기 부분의 부품들의 구조를 변화시키도록 급속한 유착 특성의 장점을 갖는다. 여기에서 발표하는 압축장치는 새로운 압축장치 및 현존 압축기장치의 부품들을 개장하는 것을 포함한다. 이와같은 새로운 압축장치들 및 현존 압축기 장치의 개장은 비 에어졸 형성 윤활유들과 조합하여 사용하여야만 한다. 새로운 또는 개장된 장치들에서 에어졸을 발생시키는 윤활유들을 사용하는 것은 에어졸의 과도한 비말동반을 야기하게 될 것이며, 이것은 윤활유 하류의 손실로 이어지고, 열전달을 위해 사용된 폐쇄 루프 장치들의 성능이 수용불가능한 수준까지 떨어지고, 몇몇의 경우에는 장치의 부품들이 손상되며 장치의 작동 비용의 증가하게 된다. 보다 값비싼 무연 윤활유들이 현존 장치들에서 대체될 수 있는데, 이것은 그러한 장치들에서 사용될 때 바람직하지 못하며, 이들 장치들은 여기에서 발표하는 새로운 설계들에서 얻을 수 있는 설계 성능의 개선의 장점들을 이용할 수 없다. 그러므로, 현존 장치들에서 무연 윤활유를 이용하는 것은 불필요하게 높은 비용의 지불을 수반하게될 것이다.
본 발명에 따른 장치들은 냉각 유체들과 양립할 수 있는 무연 윤활유들과 함께 작동하도록 설계되는데, 이때 무연 윤활유들은 공통적으로 유용한 냉매들을 포함하며 다른 압축가능한 가스들과도 사용될 수 있다. 윤활유와 냉각 유체와의 특별한 조합은 중요하다. 그와 같은 무연 윤활유는, 냉각 가스와 같은 압축가능한 가스가 압축되는 경우에 큰 입자들의 형성을 증진시킴에 의해서 0.3 내지 10미크론의 입자크기의 감소된 원자화 특성들을 가지며, 이에 의해 압축 가스에 비말동반된 윤활유의 수 및 전체 입자 분포 크기가 변화한다. 윤활유는 통상적으로 기본 윤활유에 추가되는 다른 첨가제들 뿐만아니라 유착제를 포함한다. 첨가제는 산화방지제, 유동점 억제제, 부식방지제, 발포 방지제 또는 다른 특정용도의 방지제들을 포함하게될 것이다. 무연 윤활유는 압축기의 흡입측에서 측정되는 바와 같이 약 10∼50℉와 약 10∼60psia의 저온 저압하에서 냉각 유체로 혼화되며, 무연 윤활유는 압축기의 배출측에서 측정되는 바와 같이 약 50∼275℉와 약 60∼400psia의 고온 고압하에서 냉각 유체로부터 쉽게 분리될 수 있다. 윤활유는 압축기 온도와 압력 범위에 걸쳐서 압축 사이클 동안에 약 0.3 내지 1미크론, 최대 약 10미크론의 1미크론미만의 크기 범위로 큰 액적들로 급속하게 응집되어 에어졸들의 형성을 회피할 수 있으므로, 종래의 구조들이 불필요해져서 이들을 제거할 수 있게 한다. 본 발명에 따른 장치는, 윤활유의 감소된 원자화 특성들을 최대한 이용하고, 초기 윤활유 크기 입자 분포에서 전체적으로 상방향으로 이동하며, 많은 작은 입자들이 약간 큰 입자들로 급속하게 응집되므로, 종래의 구조물들을 구비함이 없이 압축가스로부터 윤활유의 분리를 증진시킴으로써 에어졸을 제거하고 그리하여 윤활유의 이용을 확대시키는 장점을 갖는다. 무연 윤활유의 특별한 조성은 본 발명에서 중요하지 않지만, 그러한 윤활유의 기능적인 성능은 본 발명의 장치의 설계와 성능을 변화시키는데 있어서 중요한 기능을 수행한다.
통상적인 장치들은 냉장고, HVAC 및 천연가스 압축에서와 같은 다양한 분야에 사용된다. 냉장고 및 HVAC와 같은 열교환 장치들에 있어서, 열은 제 1 위치로부터 제 2 위치로 전달되고, 이 장치들은 폐쇄된 장치이다. 이들은 통상적으로 압축기, 냉매로부터 윤활유를 분리시키기 위한 수단, 냉매 저장수단, 압축기에 의해서 사용하도록 냉매를 저장하기 위한 수단, 압축기로부터 배출되는 냉매를 수용하는 응축기, 팽창 수단, 냉매를 압축기 또는 냉매 저장수단으로 공급하는 증발기 수단을 포함하며, 이러한 장치들의 다양한 요소들은 폐쇄된 루프를 형성하고 이는 적당한 도관에 의해서 서로 연결된다. 장치의 다양한 부품들은 서로 수 피트(feet)내에 존재하거나 또는 1/4 마일(mile) 또는 그이상 떨어진 매우 작은 영역에 걸쳐서 위치한다.
천연가스 저장과 같이 천연가스 압축과 함께 사용되는 압축기 장치는 열교환에 필요한 모든 부품들을 포함하지는 않을 것이다. 또한, 그러한 장치는 압축 가스가 저장설비내에 저장되고 압축기로 재순환되거나 복귀되지 않으므로 개방된 장치이다. 그러한 장치의 전체적인 동작과 설계는, 폐쇄되거나 개방되든지 간에, 장치 동작에 있어서 중요하며, 본 발명은 압축가능한 유체의 압축 및 이와 연관된 부품들 및 동작에 초점을 맞추었다. 즉, 장치의 압축기 부분, 압축기의 윤활유, 윤활유를 압축가스로부터 분리하는 것 및 압축기의 가동부품을 윤활시키도록 윤활유을 재활용하는 것에 중점을 두었다.
도 1을 참조하면, 종래기술에 따른 스크루 압축기 장치(2)의 일부분이 도시되어 있는데, 압축기(10), 압축기(10)와 일체화된 모터(20), 분리기(30)가 도시되어 있다. 냉매 및 비말동반된 윤활유로 이루어진 압축 유체는 가압되어 압축기 배출구(12)를 통해서 배출되고, 도관(22)을 통해서 분리기(30) 내로 운반된다. 비록 수직 분리기들도 사용될 수 있지만, 분리기(30)는 가압된 유체가 실질적으로 축방향으로(즉, 수평으로) 분리기를 통해서 유동하는 수평 분리기이며, 제 1 헤드(32), 제 2 헤드(34) 및 배출구(36)를 포함한다. 비록 분리기 설계는 다양하게 변화될 수 있지만, 이러한 종래의 분리기는 유체의 방향이 변하는 제 1 단계(23), 액적들이 유체흐름으로부터 제거되는 임의의 제 2 단계(25), 적어도 하나의 유착 필터를 포함하는 제 3 단계(27)의 3단계로 분할될 수 있다. 제 3 단계(27)에서, 통상적으로 에어졸의 제거를 위한 일련의 필터들은 각각의 필터가 선행 필터보다 작은 직경의 입자들을 비말동반하도록 미세한 필터가 된다. 유착기 요소 필터들의 큰 표면적은 유체의 속도를 떨어뜨리고, 그에따라 유착기로하여금 보다 효과적으로 작동할 것을유구하게 되며, 이와 동시에 장치의 효율을 저하시키고 분리기의 전체크기를 증가시킨다. 제 2 헤드(34)는 유착기 요소에 대한 접근성을 용이하게 하기 위한 맨웨이(manway)(36) 또는 헤드웨이(headway)를 포함한다.
비말동반된 윤활유와 함께 고속으로 이동하는 압축 가스는 도관(22)을 통해서 분리기의 제 1 단계(23)로 들어가서 도관(22)을 빠져나온다. 분리기의 제 1 단계(23)에서, 압축 가스는 도관을 빠져나올 때 팽창하면서 속도 저하를 겪게된다. 압축 가스는 무작위의 크기 분포를 갖는 비말동반된 윤활유를 포함하며, 이때 윤활유의 액적 크기는 1000미크론에서 1미크론미만의 크기까지 변한다. 이러한 고압의 유체는 장벽, 여기서는 제 1 헤드(32)에 충돌하면서 도시된 바와 같이 방향 변화를 겪게된다. 이때 유체의 속도는 초당(fps) 약 2 내지 3피트이다. 비말동반된 윤활유의 일부는 제 1 헤드(32)와 충돌하면서 큰 액적들이나 작은 액적들이 큰 액적들에 응집되는 과정을 겪게되며, 임께 크기에 도달함으로써 유체흐름으로부터 중력에 의해 이탈되어 분리기(38)의 바닥부분에 액체로서 분리된다. 잔여 윤활유의 상당부분은 임계크기보다 작다. 제 1 단계에서, 약 70미크론 또는 그이상의 크기를 갖는 입자들이 응집되고 중력에 의해서 제거된다. 잔여 유체는 더 작아지고 미세한 에어졸과 미세한 미스트의 조합으로서 압축 가스에 비말동반된 액적들을 포함한다. 이때, 상기 미스트는 약 1.0미크론 내지 약 70미크론 범위의 직경을 갖는 크기 분포의 액적들을 함유하며, 1미크론미만의 매우 많은 수의 입자들 또는 그러한 범위의 에어졸을 가진다. 응집된 윤활유는 적은 양의 용해된 냉매를 포함하게될 것이다. 주 오일 저장소로서 작용하는 분리기(38)의 바닥부분 또는 섬프에 떨어진 액체는 압축기(10)로 복귀하여 베어링 및 다른 가동 부품들을 윤활시킨다. 이러한 윤활유는 주 압축기로 복귀하기 전에 여과되고 냉각되며, 예를 들어 몇몇 장치에서 펌프(도 1에는 도시되지 않음)와 같은 추가의 부품에 의해서 복귀된다.
유체는 분리기의 제 2 단계(25)로 이동한다. 이 단계는 압축 유체로부터 추가적인 윤활유 액적들을 제거한다. 이 단계(25)는 미스트로부터 추가적인 액적들을 제거한다. 다수의 옵션들이 이러한 단계에 대하여 유용하며, 옵션들의 각각은 각기다른 크기의 액적들을 제거한다. 한가지 옵션으로는, 액적들이 분리기의 길이방향을 따라 이동함에 따라 액적들을 제거하도록 분리기 유니트의 길이를 이용하는 것이다. 물론, 이러한 옵션은 상대적으로 길이가 짧은 분리기에서는 제한적이다. 두 번째 옵션은 압축 유체가 일련의 고정 판들을 통과하는 플레이트 팩(plate pack, 도시되지 않음)을 이용하는 것이다. 약 15미크론 내지 약 700미크론의 크기를 갖는 윤활유 액적들이 증기로부터 제거되고, 판들을 통과함에 따라 판들 상에 응집된다. 몇몇의 작은 입자들과 몇몇의 나머지 큰 입자들은 판 상에 응집될 것이다. 또다른 옵션은 통상적으로 큰 금속 메쉬 구조물로 이루어지고 압축 유체가 통과하는 메쉬 패드(29)를 이용하는 것이다. 유체가 메쉬 구조물과 접촉함에 따라서, 액체 액적들은 구조물 상에 응집한다. 메쉬 패드들은 통상적으로 약 5미크론 및 그 이상의 범위인 액적들을 제거한다. 제 2 단계를 위해 선택된 구조물에 관계없이, 응집된 윤활유는 제 1 단계에서 제거된 윤활유와 함께 섬프로 낙하한다.
비말동반된 미스트와 에어졸을 갖는 압축 가스의 형태인 유체는 유착부(40)를 갖는 분리기의 제 3 단계(27)로 이동한다. 분리기(30)의 유착부(40)는 적어도 하나의 필터(42)를 포함하며, 통상적으로는 섬유 형태로 미세한 메쉬인 일련의 필터들을 구비한다. 또한, 유착부(40)는 유착 저장소(44), 유착 저장소(44)로부터 압축기(10)로 연장된 복귀 라인(46) 및 유착부(40)에 대한 접근성을 제공하는 맨웨이(48)를 포함한다. 분리기(30)의 배출구(36)는 유착부(40)에서 필터 또는 일련의 필터들(42)의 하류에 위치한다.
유착부의 목적은 가능한한 압축 가스로부터 잔여 윤활유를 제거하는데 있다. 그리하여, 윤활유는 윤활기능을 수행하도록 압축기로부터 복귀할 수 있고, 압축 가스는 분리기의 하류를 통과하여 HVAC인 경우 응축기, 천연가스 장치의 경우 저장소 내로 들어간다. 이때, 가능한한 적은 양의 윤활유가 비말동반된다. 그러므로, 유착기는 압축 유체가 분리기를 떠나기 전에 압축 유체로부터 잔여 비스트 및 에어졸의 대부분을 제거해야만 한다. 비말동반된 미스트와 에어졸을 갖는 가스가 적어도 하나의 필터를 갖는 유착부를 통과함에 따라, 미스트 형태의 입자들은 필터들(42) 상에 액적을 형성하고 유착기 저장소(44) 내로 낙하한다. 필터 또는 일련의 필터들(42)은 유리 미소섬유와 같은 미세한 메쉬 섬유들로 이루어진다. 이러한 미소섬유들은 그들을 통과하는 가스와 미스트의 속도를 저하시키도록 충분한 표면적을 가지며, 그리하여 필터들은 미스트를 액적들로 유착시켜서 액체로서 유착 저장소(44)로 낙하시키는데 효과적이다. 수평의 분리기의 유착부를 빠져나간 가스는 배출구(36)에 도달하기 전에 입구에서 초당 약 2∼3fps 내지 0.5fps, 통상적으로는 약 0.3fps로 줄어든 속도를 갖는다. 섬유층의 깊이는 액적들이 액체로 유착되기에 충분한 잔류시간과 냉매 가스에서의 상당한 압력 저하의 회피 사이에 균형을 이룬다. 필터들의 유리 섬유들의 밀도가 너무 높으면 냉매 압력이 줄어듦에 따라 효율이 감소하는 등의 장치의 동작에 악영향을 끼친다. 또한, 배수와 연관된 문제점이 때때로 발생한다. 유리 미소섬유 필터들은 에어졸 내에 0.3미크론 이하의 입자들을 큰 입자들로 액적들을 유착시킴에 의해서 가스 흐름으로부터 윤활유를 제거하도록 설계된다. 그러나, 그에 따른 압력 저하가 수반된다. 적은 양의 에어졸, 통상적으로는 약 0.3미크론 이하의 평균 크기를 갖는 에어졸은 가스와 함께 분리기로부터 HVAC 장치로 이동함에 따라 압축 가스에 비말동반된 상태를 유지할 수 있다. 폐쇄장치에 있어서, 이러한 윤활유는 압축기(10)로 복귀하게 된다. 그러나, 개방 장치에서는, 이러한 윤활유는 손실되고, 압축기의 손상을 방지하기 위하여 주기적으로 교체되어야만 한다. 몇몇 응용분야에서, 맨웨이(48)는 분리기의 유착부에 대한 접근성을 제공한다. 이러한 접근성은 몇몇 적용예에서 필터들의 주기적인 유지와 보수 및 교체를 위해서 필요하다.
일단 압축 가스가 적어도 하나의 필터(42)를 통과하면, 가스는 배출구(36)를 통해서 추후 처리를 위해 하류로 이송하기 위한 도관으로 배출된다. 유착 저장소(44) 내로 응집된 액체, 실질적으로 윤활유는 적은 양의 용해된 냉매를 포함하며, 여과후에 복귀라인(46)을 통해서 압축기로 복귀한다. 유착 저장소가 장치의 고압측이 아니라 분리기(30)의 저압 부분이므로, 유착 저장소(44)의 윤활유는 압축기의 저압측(흡입측) 상에 작용하는 압력보다 높은 압력을 가지며, 이러한 압력차에 의해서 압축기(10)로 복귀하고 압축기의 가동 부품을 윤활하고 밀봉한다.
본 발명은 무연 오일과 함께 사용하고 분리기의 제 3 단계(27) 또는 유착 부분을 제거하는 분리기의 사용을 가능하게 하도록 설계된 것이다. 무연 윤활유는 분리기를 통해서 압축기로부터 나오는 유체가 통과함에 따라 압축 가스에 비말동반된 무연 또는 에어졸을 줄이거나 제거시킨다. 분리기의 제 3 단계(27)의 사용없이 매우 적은 입자들을 매우 큰 입자들로 유착시킴으로써, 이러한 에어졸의 제거는 그와같은 윤활 유체의 특성이 된다. 윤활 유체가 압축가능한 가스와 함께 압축되고 압축된 가스가 비말동반된 윤활유와 함께 분리기를 통과함에 따라서, 비말동반된 가스에 있는 비말동반된 윤활유 입자들의 크기 분포가 변화하고 입자들은 보다 용이하게 적거나 큰 액적들을 형성한다. 크기 분포는 에어졸이 짧은 시간동안 존재하는 것으로 이루어진다. 액적들의 크기 분포는 도 2에 도시된 바와 같이 이동한다. 도 2의 하부에 있는 좌측 곡선은 압축 유체에 있는 비말동반된 윤활유 입자들의 크기 분포를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 무연 윤활유는 우측으로 이동된 곡선을 갖는다. 평균 입자크기는 증가하고 1미크론미만의 입자들의 수는 상당히 감소된다. 분포 곡선에 중첩하는 챠트는 분리기의 각각의 제 1 단계, 제 2 단계 및 제 3 단계에서 제거된 입자들의 크기를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 압축 가스에 비말동반된 미크론단위 이상의 입자들을 갖는 무연 타입의 윤활유 및 약 5미크론 이하, 700ppm 이하, 보다 바람직하게는 100ppm, 압축 가스에 비말동반된 1 내지 15ppm의 매우 적은 입자들이 사용됨을 나타내며, 이들은 유착기의 제 3 단계를 제거할 수 있게 한다. 비말동반된 윤활유 액체는 냉매 가스로부터 분리되어야만 하는 반면, 분리는 분리기의 제 1 단계와 제 2 단계를 사용하고 제 3 단계는 제거함으로써 용이하게 달성될 수 있고, 이에 의해 상당한 압력 강하가 없어지고 장치의 작동 효율이 보다 향상된다. 많은 응용분야에 있어서, 큰 입자 분포를 갖는 입자들을 유착시키는데 필요한 장비는 다르게 고안될 수 있으며, 유착기 부분과 통상적으로 사용된 섬유 필터들을 제거할 수 있게 한다. 입자 유착에 사용되는 장비는 신뢰가능하고 규칙적인 보수가 필요하지 않고, 그리하여 유착기 부분에 인접하게 위치된 맨웨이가 제거될 수 있다. 그러므로, 분리기를 소형화하 수 있을 뿐만아니라, 분리기를 위한 설치 공간이 감소될 수 있다. 즉, 맨웨이에 대한 접근에 요구되는 필요 공간이 제거될 수 있고 이러한 공간은 다른 용도로서 사용이 가능하다. 다음에서 설명하는 몇몇 예들에 있어서, 분리기가 수평 분리기로서 설명되지만, 수평 분리기는 수직 분리기와 상호 교환하여 사용될 수 있으며, 필수적으로 동일한 작동 요소들을 포함한다. 수평 혹은 수직 분리기의 선택은 공간적인 고려를 기초로 한다.
실시 예 1
무연 윤활유와 함께 작동하도록 설계된 본 발명에 따른 실시예가 도 3에 도시되어 있다. 본 발명에 따른 스크루 압축기(202)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 이 스크루 압축기(202)는 압축기(210), 압축기(210)와 일체로 형성된 모터(220), 및 종래기술에서 이용된 제 3 단계(27)와 유착부(40)를 제거한 분리기(230)를 포함한다. 도 3은 예시적으로 도시된 것으로서, 본 발명을 스크루 압축기 또는 다른 특정 형식의 스크루 압축기로 한정하는 것을 의미하지는 않으며, 수/암 스크루 압축기들, 단일 스크루 압축기 또는 스크루 압축기의 변경예들을 포함할 수 있다. 압축 가스와 비말동반된 윤활유는 압축기 배출구(212)를 통해서 배출되고 도관(22)을 통해서 분리기(230) 내로 운반된다. 분리기(230)는 수평 분리기이며, 제 1 헤드(232), 제 2 헤드(234) 및 배출구(236)를 포함한다. 분리기(230) 내에는 임의의 베인 미스트 제거기(vane mist eliminator)(260) 및 메쉬 미스트 제거기(mesh mist eliminator)(270)가 배치된다. 베인 미스트 제거기는 제 1 단계 액적 응집기이며, 유체 흐름으로부터 액적들을 분리시키는데 있어서 메쉬 미스트 제거기만큼 유효하지는 않다. 도 2를 참조하면, 효과적인 플레이트 팩의 형태를 취하고 있는 베인 미스트 제거기는 모든 액적들을 약 15미크론 크기로 제거시키는데 유용한 반면, 메쉬 패드 또는 메쉬 미스트 제거기는 약 5미크론 크기로 액적들을 제거시키는데 유용하다. 도관(222)을 통해서 분리기내로 고속으로 도입되는 압축 유체는 종래기술에서와 마찬가지로 도관을 빠져나간다. 유체가 도관을 빠져나오면서 팽창함에 따라, 유체는 속도 강하를 경험하게 된다. 이러한 고압 유체는 장벽, 즉 제 1 헤드(232)에 충돌하고, 종래기술에서와 마찬가지로 방향 변화를 겪게된다. 비말동반된 윤활유의 일부는 제 1 헤드(232)와 충돌하면서 응집되고 70미크론 만큼 작은 크기를 갖는 액적들이 분리되어 분리기(238)의 바닥 부분에 떨어진다. 그런데, 통상적으로 에어졸은 "무연 윤활유"를 형성하지 않으며, 만일 형성하더라도 남아있는 입자들이 큰 액적들로 응집됨에 따라 이러한 제 1 단계에서 신속하게 제거된다.
비말동반된 윤활유는 약 70미크론 이하의 액적들을 포함하게 되고, 약 0.3미크론 만큼 작은 크기의 몇몇 액적들은 가스 유동에 따라 운반된다. 그런데, 도 2에 도시된 바와 같이, 윤활유 낙하물의 상당부분의 크기 분포는 이러한 작은 수의 1미크론미만의 액적들이 표준 윤활유에서 생성되듯이 특정 에어졸을 형성하지 못할 정도로 충분히 크고, 그러므로 압축가스유동에서 분리기로부터 배출될 때 제거되어야만 한다. 그러나, 가스가 분리기 유니트를 떠나기전에, 가능한한 많은 수의 잔여 비말동반된 액적들이 고속의 압축가스의 유동으로부터 제거된다. 왜냐하면, 입자 크기 분포에서 입자들의 평균크기는 종래의 비 무연 윤활유 보다는 적은 수의 입자들과 함께 큰 입자 크기로 이동하며, 각기다른 구조물들이 도 2에 도시된 바와 같이 종래기술에서 보다는 이들 입자들의 제거에 보다 효과적으로 이용될 것이다. 이러한 실시 예에서, 압축 가스와 비말동반된 윤활유는 제 2 단계로 이동한다. 이러한 실시 예에 있어서, 제 2 단계는 베인 미스트 제거기와 메쉬 미스트 제거기를 포함한다. 큰 액적들은 베인 미스트 제거기를 첫 번째로 통과하면서 제거되는데, 이때 베인 미스트 제거기는 방사상으로 배향된 다수의 판들 및 판들 사이에 배치된 통로를 가지며 유체의 유동 경로에 배열되는 원형 구조물이다. 판들은 유체에 나선형 흐름을 제공하기 위해서 판들을 가로지르는 유체의 압력 강하를 최소하도록 설계된 테이퍼진 에어포일들(airfoils)이 될 수 있다. 베인들은 고정되거나 가변적일 수 있다. 만일 가변적이라면, 베인의 피치는 유체의 속도에 따라 변할 수 있다. 윤활유 액적들은 이러한 베인 미스트 제거기의 판들 상에 응집된다. 베인 미스 제거기는 내구성 있는 재료로 제조될 수 있는데, 금속 베인 미스트 제거기들은 특별히 긴 수명과 최소한의 유지보수를 필요로하는 것으로 알려졌다. 응집하는 윤활유 액적들은 유착하여 저장소(238) 내로 떨어진다. 베인 미스트 제거기는 약 40미크론 이상의 액적들중 99.9%를 제거하고 약 15미크론 이상의 액적들중 90% 이상을 제거하는데 효과적이다. 액적 분포를 통해서 다양한 크기의 다수 입자들이 포함되고 있음을 알 수 있게된다. 특정 단계가 상기한 크기보다 작은 몇몇 입자들 및 상기한 크기의 범위 내에 있는 모든 입자들을 제거하게될 특별한 구조물을 포함할지라도, 크기 분포의 하부에 있는 매우 작은 수의 입자들을 제거하기 위해서는 상기 구조물을 바이패스해야 한다.
베인 미스트 제거기(260)를 통과하는 유체는 여전히 제거되어야만될 약 15미크론 이상의 몇몇 액적들 뿐만아니라 약 15미크론 보다 작은 액적들을 포함한다. 유체는 메쉬 미스트 제거기(270)를 통과한다. 메쉬 미스트 제거기는 하나 또는 2개의 스크린 또는 패드로 이루어진다. 메쉬 패드는 통상적으로 약 5미크론 이상의 크기를 갖는 액적들을 제거하고, 약 5미크론 보다 작은 몇몇 입자들을 제거한다. 메쉬 패드는 5미크론 보다 작은 입자들, 약 1∼2미크론의 입자들을 제거하도록 설계될 수 있지만, 그에 따른 압력강하의 문제가 있다. 다시 도 2를 참조하면, 미세한 윤활유 입자들을 응집시키는 능력은 필수적이지는 않다. 무연 윤활유에서 입자들의 크기 분포는 이동하고 그리하여 약 5미크론 보다 작은 입자들의 수(그러므로 입자들의 중량퍼센트)는 작다. 말하자면, 무연 윤활유에 응집된 입자들은 양이 적고, 비 무연 윤활유에서의 입자들보다 크다. 그리고 가스에서 에어졸로서 비말동반되지 않는다. 이는 넓은 표면적을 갖는 미세한 스트랜드를 갖는 재료를 통해서 유체가 통과함이 없이 구조물 상에 응집됨에 의해서 가스 흐름으로부터 용이하게 분리되게 한다. 5미크론 보다 작은 다수의 입자들은 응집되려는 윤활유의 성질로 인하여 상당히 줄어들고, 그리하여 이들 입자들중 몇몇이 제 2 단계에서 분리되지 않을 지라도 하류를 빠져나가며, 이렇게 빠져나간 입자들은 윤활유의 매우 작은 체적분율를 차지한다.
응집된 윤활유는 냉각을 위해서 사용된 폐쇄 장치에서 작은 양의 냉매를 포함하게될 것이다. 주 오일 저장소로서 작용하는 분리기(38)의 바닥부분에 있는 액체는 압축기(10)로 복귀하여 베어링과 다른 가동 부품들을 윤활시킨다. 윤활유는 여과되고 냉각되어 주 압축기로 복귀된다. 펌프(도 1에는 도시되지 않음)가 복귀 루프에 포함될 것이다. 메쉬 패드는 5미크론 이상의 크기를 갖는 액적들의 99.9%를 제거하는데 효과적이고 그보다 작은 입자들을 비말동반할 수 있다. 메쉬 패드들은 내구성 재료로 제조될 수 있으며, 금속성 와이어 패드들은 특히 긴 수명을 가지며 최소한의 유지보수를 필요로 한다. 이러한 이유로해서, 종래기술에 따른 제 2 헤드(34)의 맨웨이(48)와 같은 맨웨이/핸드홀이 제거될 수 있다. 메쉬 개구부들은 가변적이며, 5미크론 이상의 입자들을 유체로부터 분리시키는데 충분한 메쉬 크기를 갖는다. 이러한 분리를 달성하기 위해서, 메쉬 크기는 0.011" 보다 작을 수 있다. 판들이 비말동반된 액적들을 제거하는데 사용되는 경우, 통상적인 기계적 분리 장치에서 판 분리는 0.1" 내지 0.5" 범위에서 변할 수 있다. 메쉬와 판들 모두는 윤활유 액적들의 응집에 필요한 추가적인 표면적을 제공한다. 응집하는 윤활유 액적들은 유착하여 저장소(238) 내로 떨어진다. 비록 5미크론의 액적들을 제거하도록 설계된 메쉬 미스트 제거기(270)에서 일부 압력강하가 일어나지만, 이때의 압력강하는 제 3 단계의 유착기를 이용하는 종래장치에서 요구된 바와 같이 메쉬 미스트 제거기로부터 유체 저장소를 분리해야할만큼 심각하지는 않다. 응집된 유체 모두는 중력에 의해서 저장소(238) 내로 유동하고 종래기술에서와 마찬가지로 여과와 냉각을 거친후에 윤활유 압축기(210) 내로 복귀한다. 그러므로, 종래 기술에 따른 설계에서 압축기의 하부 압력부분에 대하여 후방에 있는 제 3 단계 유착기로부터 냉매를 여과시키고 방향성을 부여하기 위해 필요한 추가적인 구조물이 무연 윤활유와 조합하여 사용되는 본 발명에 따른 설계에서는 제거될 수 있다.
액적 크기, 가스 속도, 가스 흐름으로부터 액적들을 분리시키기 위한 구조물 사이의 상호관계를 이해하기 위해서, 가스 속도 대 액적 크기를 나타낸 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비말동반된 액적들은 보다 커지고 느리게 이동하며, 가스 흐름으로부터 쉽게 제거된다. 이것은 도 4의 상부 좌측에 곡선으로 나타내었다. 반대로, 작은 입자들은 가스 흐름에서 빠르게 이동하여 재비말동반되는데, 이는 도 4의 하부 우측에 있는 곡선으로 나타내었다. 이러한 그래프의 중첩은 통상적으로 제 2 단계와 제 3 단계 구조물에 대한 액적 제거를 나타낸 것이다. 베인 미스트 제거기(260)와 같은 플레이트 팩은 큰 액적들을 제거하는데 효과적이 될 수 있다. 제 3 단계 유착기(40)는 에어졸을 제거하는데 효과적이고, 반면에 메쉬 미스트 제거기(270)는 액적들을 제거하는데 있어서 이러한 2가지 사이의 중간이다. 윤활유는 에어졸, 즉 1미크론미만의 액적들을 만들어내는 장치에 있어서, 이러한 1미크론미만의 액적들을 제거하기 위한 유착기(40)와 같은 제 3 단계 구조물을 포함하는 것이 필요하다. 그러나, 윤활유는 에어졸의 형성을 회피하는 동안에 큰 액적들을 형성할 수 있는 경우, 메쉬 미스트 제거기(270)와 베인 미스트 제거기(260)와 같은 구조물들이 비말동반된 윤활유를 제거하는데 이용될 수 있으며, 보다 고비용이 들고 상당한 유지보수가 필요한 제 3 단계 유착기 부분(40)이 제거될 수 있다.
도 1에 도시된 스크루 압축기 장치는 시판중인 냉각장치를 사용하여 작동될 수 있다. 제 3 단계 유착기 필터는 제거되고 베인 미스트 제거기(260) 및 메쉬 미스트 제거기(270)로 교체될 수 있다. 그리하여 분리기는 도 3에 도시된 바와 같이 구성된다. 그러나, 냉각 장치에서의 윤활유는 이러한 구성에 있어서 무연 윤활유와 교체된다. 무연 윤활유는 미합중국 미쉬간주 미드랜드 소재의 CPI사에 의해서 시판중이다. 무연 윤활유는 시판중인 FRICK #9와 같은 암모니아 기지 장치와 함께 사용하도록 고안된 잘알려지지 않은 첨가제들을 갖는 미네랄 기지 오일로 알려져 있다. 시판중에 있는 냉각장치의 리스트는 도 9에 도시되어 있으며, 이는 냉각기 형식과 윤활유 형식 뿐만아니라 공통의 목적을 판별한다. 비교를 위해서, 압축기 장치는 각각의 시험에 대하여 동일한 조건하에 놓인다. 장치의 성능은 분리기의 배출구에 설치된 냉각기에서의 윤활유 함량에 기초로하며, 선택된 윤활유에 따라 변할 수 있다. 시험은 제거된 유착기 필터들과 설치된 유착기 필터들에 연관하여 에어졸을 형성하는 윤활유를 사용하여 분리기 상에서 이루어진다. 유착기 필터들이 설치되고, 약 6ppm의 윤활유가 배출구에서 냉각 가스에서 측정되었다. 유착기 필터들이 제거됨에 따라서, 약 1500ppm의 윤활유가 배출구에서 냉각 가스에서 측정되었는데, 유체 압력은 제 3 단계 유착기 필터를 통과시킴에 의해서 줄어들지 않았기 때문에 배출압력이 상당히 높아졌다. 본 발명에 따른 무연 윤활유 및 도 3에 도시된 분리기, 즉 제 3 단계가 없는 분리기를 사용함으로써, 제 3 단계를 갖는 종래의 분리기에서의 윤활유의 성능을 따르기 위해서는 최대 10ppm의 윤활유가 배출구의 냉매에서 허용된다. 이러한 수치는 제 3 단계를 갖는 종래의 분리기에서 측정된 6ppm에 비해 만족스러운 것이다. 개방된 회로 장치에 있어서, 배출구에서 최대 10ppm의 천연가스의 압력은 수용가능한 양의 윤활유로서 고려될 수 있지만, 통상적으로는 6ppm이 바람직하다. 이것은 배출구에서 윤활유의 수용가능한 양이 500ppm이고 바람직하게는 300ppm인 수냉각기와 같은 폐쇄 루프 장치와는 다른 개방된 회로에서 허용가능한 양이다. 상기한 바와 같은 증발기 효율을 고려하여, 배출구에서 윤활유의 양은 최소화하는 것이 바람직하다. 그러나, 이러한 개방된 루프 장치에 있어서, 압력 강하는 설치된 유착기 필터에서 보다 상당히 작다. 이러한 구성의 가스의 배출압력은 제 3 단계가 제거된 비말동반된 에어졸을 갖는 기체의 배출압력과 유사하다. 베인 미스트 제거기와 메쉬 미스트 제거기를 가지며 유착기 필터는 구비하지 않고 무연 윤활유를 사용하는 압축기 장치에서의 분리기는, 윤활유 분리에서 동등한 성능을 나타내며, 종래의 윤활유를 사용하는 유착기 필터들을 갖는 분리기에서의 압력에 비해 우수한 성능(압력강하가 없음으로 인하여)을 나타낸다. 유착기 필터들을 구비하지 않고 무연 윤활유를 사용하는 압축기 장치는, 윤활유의 동일한 비말동반에 대하여 우수한 효과를 나타낸다.
실시 예 2
무연 윤활유와 함께 작동하도록 설계된 본 발명에 따른 제 2 실시예가 도 5에 도시되어 있다. 이러한 설계는 응집된 유체의 저장소가 분리기의 외부에 있다는 것을 제외하고는, 도 3을 참조로하여 설명된 설계와 유사하다. 본 발명에 따른 스크루 압축기(402)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 이 스크루 압축기(402)는 압축기(410), 압축기(410)와 일체로 형성된 모터(420), 및 종래기술에서 이용된 제 3 단계(27)와 유착부(40)를 제거한 분리기(430)를 포함한다. 압축 가스와 비말동반된 윤활유는 압축기 배출구(412)를 통해서 배출되고 도관(422)을 통해서 분리기(430) 내로 운반된다. 분리기(430)는 수평 분리기이며, 제 1 헤드(432), 제 2 헤드(434) 및 배출구(436)를 포함한다. 분리기 내에는 베인 미스트 제거기(460) 및 메쉬 미스트 제거기(470)가 배치된다. 도관(422)을 통해서 분리기내로 고속으로 도입되는 가압 유체는 종래기술에서와 마찬가지로 도관을 빠져나간다. 유체가 도관을 빠져나오면서 팽창함에 따라, 유체는 속도 강하를 경험하게 된다. 이러한 고압 유체는 장벽, 즉 제 1 헤드(432)에 충돌하고, 종래기술에서와 마찬가지로 방향 변화를 겪게된다.
비말동반된 윤활유의 일부는 제 1 헤드(432)와 충돌하면서 응집되고 분리되어 분리기(438)의 바닥 부분에 떨어진 다음 외부 저장소(439) 내로 유동한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 저장소(439)는 분리기(430) 아래에 위치한다. 이러한 설계에 있어서, 비록 필수적인 것은 아니지만, 분리기(430)의 바닥은 도관(441)을 향하여 경사진 슬로프를 포함한다. 도관(441)은 외부 저장소(439)를 분리기(430)와 연결한다. 이때, 슬로프는 응집된 유체가 분리기(430)로부터 외부 저장소(439)로 중력에 의해 이동하는 것을 용이하게 한다. 외부 저장소(439)로부터 분리기(430)로 윤활유가 역류하는 것을 방지하기 위하여 도관(441)에는 체크 밸브가 배치될 수 있다. 이와는 달리, 외부 저장소는 분리기에 인접하거나 분리기 위에 설치될 수 있고, 응집된 윤활유는 윤활유 높이가 분리기(439) 내에서 소정 높이에 도달하는 경우에 플로트 밸브의 활성화와 같은 펌핑이나 중력 배수에 의해서 저장소로 순환될 수 있다. 도 3에 도시된 실시예에서와 마찬가지로, 에어졸은 무연 윤활유를 형성하지 않는다.
윤활유는 저장소(439)로부터 압축기(410)로 복귀하여 베어링과 다른 가동 부품들을 윤활시킨다. 윤활유는 여과되고 냉각되어 주 압축기 내로 복귀한다. 외부 저장소의 장점은 분리기를 소형화시킬 수 있다는 것이다. 이것은 분리기의 설치 공간이 제한적이고 원격으로 위치된 외부 저장소를 설치할 수 있는 공간이 있는 경우에 바람직하다. 물론, 제 2의 독립적인 구조물의 설치는 추가적인 제조 및 원가 비용을 동반한다. 그런데, 이러한 비용들은 수중 적용예에서와 같이 설치 공간이 유리한 경우에는 제한적인 요소가 되지 않는다.
실시 예 3
무연 윤활유와 함께 작동하도록 설계된 본 발명에 따른 제 3 실시예가 도 6에 도시되어 있다. 이러한 설계는 도관(522)을 떠난 후에 분리기(530) 내로 고속으로 이동하는 가압된 유체가 분리기(530) 내에서 도관에 바로 인접하여 위치된 원심 분리기(533)를 통과하는 것을 제외하고는, 도 3을 참조로하여 설명된 설계와 유사하다. 본 발명에 따른 스크루 압축기(502)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 이 스크루 압축기(502)는 압축기(510), 압축기(510)와 일체로 형성된 모터(520), 및 종래기술에서 이용된 제 3 단계(27)와 유착부(40)를 제거한 분리기(530)를 포함한다. 압축 가스와 비말동반된 윤활유는 압축기 배출구(512)를 통해서 배출되고 도관(522)을 통해서 분리기(530) 내로 운반된다. 분리기(530)는 수평 분리기이며, 제 1 헤드(532), 제 2 헤드(534) 및 배출구(536)를 포함한다. 도관(522)을 통해서 고속으로 분리기 내로 들어가는 가압된 유체는 종래 기술에서와 마찬가지로 도관을 빠져나간다. 유체가 도관을 빠져나오면서 팽창함에 따라, 유체는 속도 강하를 경험하게 된다. 이러한 고압 유체는 장벽, 즉 제 1 헤드(532)에 충돌하고, 종래기술에서와 마찬가지로 방향 변화를 겪게되고, 원심 분리기(533)를 향하게 된다.
원심 분리기(533)는 제 1 헤드(532)로부터 제 2 헤드(534)로 연장된 분리기(530)의 중앙선에 대하여 방사상으로 장착된 일련의 고정된 아치형 베인들로 이루어진다. 원심 분리기(533)로 들어가는 유체의 일부는 베인들 상에서 응집되고 중력에 의해 저장소(538)로 떨어진다. 비록 도 6에는 내부 저장소가 도시되어 있지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 실시 예 2에서 설명한 바와 같은 외부 저장소가 이러한 실시예에도 채택가능함을 이해할 수 있을 것이다.
원심 분리기(533)의 아치형 베인들은 유체가 베인들을 통과할 때 유체에 대하여 스핀을 부여한다. 원심 분리기(533)는 유체가 통과할 때 관성의 영향을 갖는다. 유체 흐름의 속도는 대체적으로 일정하며, 원심력은 큰 모멘텀, 즉 큰 크기를 갖는 액적들이 기체 흐름으로부터 제거되게 하여 결과적으로는 이들을 분리시킨다. 원심분리기는 유체 유동에서 액적들의 방향을 변화시키지만, 분리기를 빠져나가는 유체 흐름은 속도에 있어서 상당한 손실이 발생하지 않는다. 또한, 원심분리기(533)를 빠져나가는 유체로 하여금 분리기(530)의 벽에 충돌하도록 와류나 스핀을 통해 유도할 수 있다. 이것은 추가의 액적들이 중력에 의해서 저장소(538) 내로 응집하게 한다. 유체 흐름으로부터 윤활유 액적들을 제거하는데 있어서 원심 분리기의 영향에 따라, 분리기(530)로부터 베인 미스트 제거기(560)를 제거하는 것이 가능하다. 메쉬 미스트 제거기(570)는 약 5미크론 크기로 액적들을 분리시키기 위하여 분리기(560)의 부품으로서 존재하게 된다. 그러나, 베인 미스트 제거기를 제거함으로써 분리기(530)의 크기를 상당히 줄일 수 있다. 압축기(50)로의 윤활유 복귀와 배출구를 통해서 압축기 장치의 다른 부분으로의 냉각 가스의 유동은 이러한 실시 예에서 그대로 유지된다.
실시 예 4
무연 윤활유와 함께 작동하도록 설계된 본 발명에 따른 다른 변형예가 도 7에 도시되어 있다. 이러한 설계는 고속으로 이동하는 가압된 유체를 분리기(630) 내로 운반하기 위한 도관(622)이 소정의 높이만큼 윤활유 풀(lubricant pool) 내로 하방향 연장되고 도관(622)의 배출구가 윤활유 풀의 표면 아래에 소정 거리만큼 연장된 것을 제외하고는, 도 2를 참조로하여 설명된 설계와 유사하다. 도관(622)을 떠난 유체는 분리기(630) 내에서 윤활유 풀(635) 내로 들어간다. 비록 유체의 속도가 도관(622)으로부터 빠져나올 때 감소되지만, 유체는 여전히 상당한 속도를 갖는다. 유체는 유체 풀을 통과하면서 추가적인 액적들을 형성하며, 이러한 액적들은 분리기 내에서 추후 단계에서 유체 흐름으로부터 용이하게 제거할 수 있도록 하기 위하여 윤활유의 응집특성으로 인하여 상당히 커진다. 이러한 실시 예의 장점은 윤활유 유체가 분리기(630) 내에서 도관을 빠져나감에 따라 유체 흐름에 있는 에어졸이 윤활유 풀내에서 윤활유 유체와 접촉하는 것이다. 그 결과, 에어졸은 큰 액적들로 응집되거나 또는 윤활유 풀내로 응집된다. 본 발명에 따른 스크루 압축기(602)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 이 스크루 압축기(602)는 압축기(610), 압축기(610)와 일체로 형성된 모터(620), 및 분리기(630)를 포함한다. 유체 흐름이 분리기(630)를 통과하여 배출구(636)쪽으로 이동함에 따라 유체 흐름에 비말동반된 액적들을 제거하기 위하여, 분리기(630)는 베인 미스트 제거기(660)와 메쉬 미스트 제거기(670)를 포함한다. 응집된 윤활유는 중력에 의해 저장소로서 작용하는 분리기(638)의 바닥으로 유동하고, 분리기(638)로부터 배출된 윤활유는 다른 실시예에서와 마찬가지로 압축기의 가동 부품을 윤활시키도록 다시 순환될 수 있다.
실시 예 5
무연 윤활유와 함께 작동하도록 설계된 본 발명에 따른 제 5 실시 예가 도 8에 도시되어 있다. 분리기(730)는 도 3에 도시된 분리기(230)의 구조 및 작동과 기계적으로 동일하다. 본 발명에 따른 스크루 압축기(702)의 일부분이 개략적으로 도시되어 있는데, 이 스크루 압축기(702)는 압축기(710), 압축기(710)와 일체로 형성된 모터(720), 및 분리기(730)를 포함한다. 종래기술에서 이용된 분리기의 제 3 단계 유착부(40)는 제거되었다. 압축 가스와 비말동반된 윤활유는 이 실시 예에서 이온화가 가능하며, 압축기 배출구(712)를 통해서 배출되고 도관(722)을 통해서 분리기(730) 내로 운반된다. 통상적으로, 윤활유 및 첨가제들은 용이하게 이온화될 수 있다. 분리기(730)는 수평 분리기이며, 제 1 헤드(732), 제 2 헤드(734) 및 배출구(736)를 포함한다. 분리기(730) 내에는 임의의 베인 미스트 제거기(760) 및 메쉬 미스트 제거기(770)가 배치된다. 비말동반된 윤활유와 함께 압축 가스는 도관(722)을 통해서 고속으로 분리기 내로 들어가고 종래 기술에서와 마찬가지로 도관을 빠져나온다. 유체가 도관을 빠져나오면서 팽창함에 따라, 유체는 속도 강하를 경험하게 된다. 이러한 고압 유체는 장벽, 즉 제 1 헤드(732)에 충돌하고, 종래기술에서와 마찬가지로 방향 변화를 겪게된다. 비말동반된 윤활유의 일부는 제 1 헤드(732)와 충돌하면서 응집되고 분리되어 분리기(738)의 바닥 부분에 떨어져서 분리된다. 비록 액적들은 잔여 윤활유 흐름에 비말동반되지만, 에어졸은 무연 윤활유와 함께 형성되지 않는다. 분리기(730)는 제 2 단계에서 임의의 베인 미스트 제거기(760) 및 메쉬 미스트 제거기(770)를 포함한다. 이 실시 예에 있어서, 제 2 단계 내, 여기서는 임의의 베인 미스트 제거기(760) 및 메쉬 미스트 제거기(770) 사이에서 전위가 향상된다. 임의의 베인 미스트 제거기(760)를 통과하는 윤활유 액적들은 양전하 또는 음전하로 충전되고, 반면에 압축가스는 이러한 전기장에 의해 영향을 받지 않는다. 메쉬 미스트 제거기는 응축 액적들에서 그 기능을 수행하는 반면에, 충전된 윤활유 액적들은 가스 흐름으로부터 비말동반된 액적들을 제거하는 것을 향상시키기 위하여 양전하로 충전된 메쉬 미스트 제거기에 의해서 끌리게 된다.
베인 미스트 제거기(760) 및 메쉬 미스트 제거기(770)는 전위를 적용하기 위한 종래의 구조물인 반면, 본 실시예는 이러한 2개의 구조물 사이에서 전위의 적용으로 제한되지는 않는다. 여기에서 발표된 개념은 분리기 내에서 이온화가 가능한 윤활유 액적들을 전기적으로 충전시키고, 유체 흐름이 배출구(736)를 통해서 분리기를 빠져나가기 전에 유체 흐름으로부터 액적들을 제거하기 위하여 반대극성으로 충전된 구조물을 이용하기 위한 것이다. 그러므로, 윤활유 액적들을 효과적으로 이온화시킬 수 있는 다른 구조물들이 사용될 수 있다. 이들은 별도로 추가된 구조물이 되거나 또는 종래의 구조물들이 될 수 있다. 예를 들면, 도관(722)으로부터 배출되는 유체 흐름의 배출지점과 메쉬 미스트 제거기(770)의 추가된(도시되지 않음) 구조물 하류 사이에서의 전위, 메쉬 미스트 제거기(770)와 배출구(736) 사이에서의 전위가 제 1 단계나 제 2 단계에서 분리되지 않은 윤활유 액적들을 충전시키고 분리시키는데 사용될 수 있다. 향상된 전위는 다량의 급속하게 움직이는 액적들을 충전시키기에 충분하다. 적어도 500V의 전위, 바람직하게는 약 1000V의 전위가 표준 스크루 압축기에 대하여 요구된다. 사람들에게 부상을 입히는 것을 피하고 사고의 가능성을 제거하기 위하여 주의가 필요하다. 그러므로, 전위를 향상시키기 위한 구조물들은 분리기의 나머지 부분과 매우 주의깊게 절연되어야만한다. 또한, 아크발생이 일어나지 않아야 하며, 비아크 전자부품들의 사용이 바람직하다.
실시 예 6
무연 윤활유와 함께 사용하도록 설계된 하나의 수직한 분리기가 도 10에 도시되어 있다. 분리기(1030)는 거의 수직한 축을 갖는 원통형 용기이다. 압축가스는 압축기(도시되지 않음)로부터 배출되는 비말동반된 윤활유와 함께 도관(1032)을 통해서 실린더로 들어간다. 도관(1032)이 실린더의 축에 대하여 거의 수직하게 위치하고, 그리하여 압축가스는 비말동반된 윤활유와 함께 실린더 벽에 대한 접선방향으로 도입되어 와류를 갖게된다. 가스 배출구(1040)는 수집 구조물(1050) 위에서 실린더 내로 하방향 연장된다. 이때, 수집 구조물(1050)은 메쉬 미스트 제거기 또는 베인 미스트 제거기가 될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 메쉬 미트스 제거기인 수집 구조물 바로 아래에는, 윤활유를 수집하기 위한 섬프(1054)가 배치된다. 섬프(1054)의 바닥에서는 배출 파이프(1060)가 수집된 윤활유를 압축기로 운반하기 위하여 압축기의 유입구에 연결된다. 압축가스 및 비말동반된 윤활유가 원통형 용기에 벽의 접선방향으로 도입됨에 따라서, 유체는 벽과 접촉하게 된다. 이때 유체의 속도는 벽과의 접촉에 의해서 느려지게되고, 원통형 벽에 응집된 윤활유 액적들은 섬프(1060)로 떨어지게 된다. 원통형 벽에 의해서 부여된 와류는 추가적인 윤활유 액적들이 임계크기를 갖게됨에 따라서 원심력에 의해 가스 흐름으로부터 제거되게 한다. 압축가스 및 비말동반된 윤활유가 하방향으로 유동함에 따라서, 큰 입자들이 임계크기에 도달하여 중력에 의해 분리된다. 압축가스 및 비말동반된 윤활유가 가스 배출구(1040) 방향으로 하방향 유동함에 따라서, 압축가스 및 비말동반된 윤활유는 가스 배출구(1040)에 인접하게 배치된 수집 구조물(1050)에 접촉하게 되는데, 이때 가스 및 윤활유는 가스 배출구(1040)의 가스 유동을 방해하지 않도록 하기 위하여 충분한 거리를 유지하게 되고, 추가적인 윤활유가 수집 구조물(1050)의 표면 상에 응집되어 섬프(1054)로 낙하하게 된다. 종래 기술에서 이용된 분리기의 제 3 단계 유착부가 제거된다. 이 장치는 압축가스 및 비말동반된 윤활유를 분리시키기 위한 수직한 분리기의 한 배열이다. 수집 구조물(1050)은 실린더 내에서 어느 위치에도 배치가 가능하며, 심지어 가스 배출구(1040)의 입구에도 설치가 가능하다. 수집조는 와류 가스 흐름 내에서 방사상으로 배치된 베인 미스트 제거기가 될 수 있으며, 이와는 달리 베인 미스트 제거기와 메쉬 패드 제거기의 조합이 될 수 있다.
본 발명의 장점은 천연 가스 압축을 위한 스크루 수냉각기들 또는 스크루 압축기들에서 이용된 바와 같은 스크루 압축기들을 참조하여 설명된 바 있다. 스크루 압축기들에 있어서, 무연 윤활유는 윤활유의 에어로졸화를 방지하여 표면 장력 효과와 분자간 인력의 결과로서 발생하는 윤활유의 독특한 응집특성들로 인하여 윤활유 액적들의 큰 크기의 입자들을 응집할 수 있게하고, 분리기의 제 3 단계에서 설명한 바와같은 유착부의 사용없이 가스 흐름으로부터 제거될 수 있다. 그리하여, 분리기의 전체 비용 및 크기를 줄일 수 있으며, 유착기 부분의 유지 보수 필요성 및 유착기 부분에 대한 접근을 위한 요구조건들 그리고 앞서 설명한 바와 같이 그러한 접근과 연관된 문제점들이 해소된다.
상기한 바와 같은 요구조건들을 충족시키는 윤활유는 모두 사용이 가능한데, 바람직한 무연 윤활유로는 미합중국 미쉬간주 미드랜드 소재의 CPI사에 의해서 시판중인 것을 들 수 있다. 무연 윤활유는 시판중인 FRICK #9와 같은 암모니아 기지 장치와 함께 사용하도록 고안된 잘알려지지 않은 첨가제들을 갖는 미네랄 기지 오일로 알려져 있다. 그런데, 잘알려지지 않은 첨가제들은 무연 윤활유를 만들어 내기 위해서 York "C", York "H", York "K"로서 알려진 오일과 같은 POE 오일들 및 다른 미네랄 오일들과 함게 사용될 수 있다. 미합중국 미쉬간주 미드랜드 소재의 CPI사에 의해서 시판중에 있는 다른 적당한 무연 윤활유는 시판중인 FRICK #13와 같은 냉매(134a)와 함께 사용하도록 고안된 잘알려지지 않은 첨가제를 갖는 폴리올에스테르기지(POE) 오일이다.
냉매와 함께 사용이 가능함에 추가하여, 윤활유의 표면 장력은, 윤활유가 유체로서 냉매와 함께 가압되는 경우에 에어졸을 형성하지 않을 정도, 또는 에어졸을 형성하더라도 0.6미크론 이상의 액적들 및 바람직하게는 1미크론미만 보다 큰 액적들(1미크론 및 그 이상)을 형성하도록 신속하게 유착되는 정도가 되어야 한다. 이러한 액적들은 통상적으로 압축가스가 미세한 섬유 필터를 통과하는 경우에서와 마찬가지로 압축가스의 속도를 저하시킬 필요없이 적당한 표면 상에서 응집될 수 있다. 또한, 만일 윤활유가 도 7의 제 5 실시 예에 도시된 바와 같은 실시 예에서 냉매와 함께 사용되는 경우에, 윤활유는 이온화가 가능한 반면, 냉매는 이온화가 불가능하다. 냉매와 가스는 비 폭발성이고 비 연소성이다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 많은 변경들이 본 발명의 필수적인 범위를 벗어남이 없이 본 발명에 따라 특별한 상황이나 재료에 적용될 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 수행하기 위한 최선의 실시예로서 설명한 특정 실시예로서 한정되지 않으며, 첨부된 특허청구범위 내의 모든 실시 예들을 포괄하게될 것이다.

Claims (38)

  1. 양변위 타입(positive displacement type) 압축기와 함께 사용하기 위한 액체/기체 분리기로서,
    제 1 단부 및 이에 대향하는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장된 원통형 셸(shell), 제 1 위치에서 상기 용기내로 열린 유입구, 및 제 2 위치에 형성된 배출구를 갖는 원통형상의 용기;
    비말동반된(entrained) 윤활유와 압축 가스의 혼합물로 이루어지고 상기 압축기로부터 배출되어 상기 용기의 상기 유입구를 향하는 유체의 배출 유동을 수용하기 위한 도관;
    상기 유체가 상기 유입구를 빠져나갈 때 상기 유체의 유동방향을 변화시키기 위해서 상기 유입구에 인접하여 상기 용기내에 제공된 표면을 가지며, 상기 표면에서 윤활유의 액적들을 집적시키고, 이렇게 집적된 액적들은 중력에 의해서 상기 용기의 바닥에 축적되며 상기 용기의 바닥은 섬프(sump)로서 작용하는, 제 1 구조물; 그리고
    상기 유체가 상기 배출구에 도달하기 전에 상기 유체 통로 내에 위치된 적어도 하나의 유착(coalescing) 구조물로, 상기 압축 가스 및 상기 윤활유에 대하여 비활성인 재료로 이루어지고, 상기 유체는 약 5 미크론 또는 그이상의 크기를 갖는 윤활유의 잔여 액적들을 유착시키도록 상기 유착 구조물의 표면위를 지나가고, 잔여 유체는 윤활유 액적들이 없는 가스로 가압되며, 압축가스는 상기 용기의 상기 배출구로 배출되고, 상기 적어도 하나의 유착 구조물과 상기 배출구 사이에는 섬유상의 유착 필터들이 존재하지 않으며, 이에 의해 상기 압축가스는 약 700ppm 이하의 비말동반된 윤활유를 함유하는, 적어도 하나의 유착 구조물;을 포함하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 유체가 상기 유입구를 통해서 빠져나갈 때 상기 유체의 유동방향을 변화시키기 위한 상기 제 1 구조물은 상기 용기의 벽인 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유착 구조물은 베인 미스트 제거기(vane mist eliminator)를 포함하는 다수의 판들이며, 상기 베인 미스트 제거기는 상기 유체의 유동방향이 변화된 후에 상기 유체의 유동 경로에서 방사상으로 배치된 에어포일들(airfoils)로 이루어진 원형 구조물인 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 에어포일들은 상기 에어포일들을 통해서 유동하는 유체의 압력 강하를 최소화하도록 테이퍼져 있는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 다수의 판들의 인접한 판들은 0.011∼0.250"의 거리만큼 이격된 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 베인 미스트 제거기는 약 30미크론 이상의 직경을 갖는 유체로부터 비말동반된 액적들중 약 99.9%를 제거하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 베인 미스트 제거기는 약 15미크론 이상의 직경을 갖는 유체로부터 비말동반된 액적들중 약 90%를 제거하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유착 구조물은 상기 압축 가스와 상기 윤활유에 대하여 비활성인 재료로 이루어진 메쉬를 포함하는 메쉬 미스트 제거기(mesh mist eliminator)인 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 메쉬 미스트 제거기는 약 5미크론 이상의 직경을 갖는 유체로부터 비말동반된 액적들중 약 99.9%를 제거하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  10. 제 8 항에 있어서, 적어도 하나의 메쉬 미스트 구조물은 스테인레스강, 플라스틱 모노필라멘트, 니켈기지 합금 및 그 조합으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 재료를 더 함유하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 유체의 응집된 액적들을 강화시키기 위한 일체형의 유체 저장소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 유체의 응집된 액적들을 강화시키기 위한 외부 유체 저장소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  13. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 구조물과 상기 적어도 하나의 유착 구조물 사이에 배치된 원심 분리기를 더 포함하며, 그리하여 상기 유체의 흐름은 상기 유동방향의 변화를 겪은 후에 상기 원심 분리기를 향하고, 상기 원심 분리기는 상기 원심형 분리기의 중앙선에 대하여 방사상으로 장착된 다수의 고정 아치형 베인들을 구비하며, 상기 아치형 베인들은 베인의 표면들 상에 유체의 액적들을 응집시키고 상기 유체 흐름에 스핀을 부여하며, 그리하여 큰 액적들이 상기 스핀에 의해서 부여된 원심력에 의해 상기 유체 흐름으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  14. 제 1 항에 있어서, 적어도 하나의 유착 구조물은 원심 분리기와 메쉬 미스트 제거기를 포함하며, 그리하여 상기 유체의 흐름은 상기 유동방향의 변화를 겪은 후에 상기 원심 분리기 및 상기 메쉬 미스트 제거기를 향하며, 상기 원심 분리기는 상기 원심형 분리기의 중앙선에 대하여 방사상으로 배치된 다수의 고정 아치형 베인들을 구비하며, 상기 아치형 베인들은 베인의 표면들 상에 유체의 액적들을 응집시키고 상기 유체 흐름에 스핀을 부여하며, 그리하여 큰 액적들이 상기 스핀에 의해서 부여된 원심력에 의해 상기 유체 흐름으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  15. 제 1 항에 있어서, 비말동반된 윤활유중 적어도 일부는 이온화될 수 있고, 상기 가스는 이온화가 불가능하며, 상기 분리기는 상기 유입구와 상기 배출구 사이에서 전위를 향상시키도록 상기 용기에 연결된 전력공급원을 더 포함하며, 그리하여 상기 유체의 흐름에서 윤활유의 액적들이 이온화되고, 상기 유체는 상기 분리기를 빠져나가기 전에 반대로 대전된 배출 구조물 상에 증착되는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 전위는 0.6∼40미크론의 크기를 갖는 다수의 급속하게 이동하는 입자들을 대전시키기에 충분한 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 전위는 적어도 약 500V인 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 전위는 약 1,000V인 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  19. 제 15 항에 있어서, 상기 전력공급원은 비-아크-전자부품들(non-arc-electronics)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  20. 스크루(screw) 압축기와 함께 사용하기 위한 액체/기체 분리기로서,
    제 1 단부 및 이에 대향하는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장된 원통형 셸(shell), 제 1 위치에서 상기 용기내로 열린 유입구, 및 제 2 위치에 형성된 배출구를 갖는 원통형상의 용기;
    상기 용기내에 배치된 윤활유 풀(pool);
    무연(smokeless) 윤활유와 압축 가스의 혼합물로 이루어지고 상기 압축기로부터 배출되는 유체의 배출 유동을 수용하며, 상기 유체의 흐름을 상기 윤활유 풀내로 향하게 하고 계속해서 상기 유체를 상기 용기의 상기 유입구로 향하게 하여, 상기 유체 흐름에서 상기 윤활유의 미세 액적들이 에어졸을 형성함이 없이 큰 액적들을 형성하게되는, 도관;
    상기 윤활유 풀과 상기 배출구 사이에 위치하고, 가압된 유체에 대하여 비활성인 재료로 이루어진 메쉬를 포함하는 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기로, 상기 유체는 약 5미크론 이상의 크기를 갖는 무연 윤활유의 잔여 액적들을 유착시키는 상기 메쉬의 표면을 통과하고, 이때 잔여 유체는 압축 가스가 열교환기를 향하는 위치에서 상기 용기의 상기 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하는 에어졸이 없는 가스로 압축되고, 상기 용기는 상기 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 섬유상의 유착 필터들을 구비하지 않는, 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체/기체 분리기.
  21. 증기 유체 압축장치로서,
    압축가능한 가스와 무연 윤활유의 혼합물을 포함하며, 상기 무연 윤활유는 에어졸의 형성없이 약 1 미크론 이상의 크기로 윤활유 액적들을 급속하게 응집시키는 특이한 미스팅 특성들(misting characteristics)을 갖는 압축가능한 유체; 그리고
    유체를 수용하기 위한 유입구, 상기 유체를 가압하기 위한 압축기 부분, 비말동반된 무연 윤활유 액적들로부터 압축 가스를 분리하기 위한 분리기, 상기 압축기 부분을 상기 분리기에 연결시키기 위한 수단, 그리고 상기 분리기로부터 상기 가압 유체를 배출시키기 위한 배출구를 포함하는 양변위 압축기로, 상기 분리기는 제 1 단계와 제 2 단계를 구비하며, 상기 제 1 단계는 상기 압축가능한 가스로부터 약 70미크론 이상의 직경을 갖는 무연 윤활유 액적들 모두를 용이하게 제거하며, 상기 제 2 단계는 상기 압축가능한 가스로부터 약 10미크론 이상의 직경을 갖는 무연 윤활유 액적들 모두를 용이하게 제거하며, 그리하여 상기 배출구로부터 배출된 상기 제 2 단계의 압축가스 하류가 약 5미크론 미만의 직경을 갖는 약 700ppm 보다 작은 윤활유 액적들과 비말동반되고, 상기 분리기는 유착기(coalescer)를 구비하지 않는, 양변위 압축기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 배출구를 통해서 배출된 상기 제 2 단계의 가압된 냉각 유체 하류는 약 5미크론 이하의 직경을 갖는 약 50ppm 보다 작은 윤활유 액적들과 비말동반되는 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  23. 제 22 항에 있어서, 상기 분리기의 상기 제 1 단계는 벽을 포함하며, 상기 압축기 부분을 상기 분리기에 연결시키기 위한 수단은 도관이며, 상기 도관은 상기 유체의 유동방향을 변경시키기 위하여 상기 유체를 상기 벽으로 향하게 하는 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  24. 제 22 항에 있어서, 상기 분리기의 상기 제 2 단계는 베인 미스트 제거기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  25. 제 22 항에 있어서, 상기 분리기의 상기 제 2 단계는 메쉬 미스트 제거기를 포함하는 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  26. 제 23 항에 있어서, 상기 양변위 압축기의 상기 압축기 부분은 스크루 압축기인 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  27. 제 23 항에 있어서, 상기 양변위 압축기의 상기 압축기 부분은 스크롤 압축기인 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  28. 제 23 항에 있어서, 상기 양변위 압축기의 상기 압축기 부분은 왕복 압축기인 것을 특징으로 하는 증기 유체 압축장치.
  29. 스크루 압축기로서,
    저압하의 압축가능한 가스와 무연 윤활유의 혼합물을 함유한 유체를 수용하기 위한 유입구;
    단부 벽들을 갖는 케이싱 내의 회전가능한 축에 장착된 적어도 하나의 원통형 회전자로, 상기 회전자의 원주상에 형성된 다수의 나사와 홈들을 구비하며, 상기 홈들에서 유체를 고압으로 가압하기 위하여 상기 적어도 하나의 회전자의 홈들은 상기 적어도 하나의 제 2 회전자와 맞물리는, 적어도 하나의 원통형 회전자;
    상기 가압된 고압 유체를 배출시키기 위한 배출구;
    상기 케이싱의 단부 벽에서 상기 적어도 하나의 원통형 회전자의 축을 지지하기 위한 베어링 및 상기 적어도 하나의 제 2 회전자의 회전을 지지하기 위한 베어링; 그리고
    액체/기체 분리기를 포함하며,
    상기 액체/기체 분리기는,
    제 1 단부 및 이에 대향하는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장된 원통형 셸(shell), 제 1 위치에서 상기 용기내로 열린 유입구, 및 제 2 위치에 형성된 배출구를 갖는 원통형상의 용기;
    상기 유체가 상기 유입구를 빠져나갈 때 상기 유체의 유동방향을 변화시키기 위해서 상기 유입구에 인접하여 상기 용기내에 제공된 표면을 가지며, 상기 표면에서 윤활유의 액적들을 집적시키고, 이렇게 집적된 액적들은 중력에 의해서 상기 용기의 바닥에 축적되며 상기 용기의 바닥은 섬프(sump)로서 작용하는, 제 1 구조물;
    상기 제 1 구조물과 상기 배출구 사이에 위치되고, 다수의 판들로 이루어지며, 상기 유체는 상기 판 표면 상에 무연 윤활유의 액적들을 집적시키도록 상기 판 표면들을 통과하는 베인 미스트 제거기;
    상기 베인 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 위치되고, 상기 압축기 유체에 대하여 비활성인 재료로 이루어진 메쉬를 포함하며, 상기 유체는 약 5미크론 이상의 직경을 갖는 무연 윤활유의 잔여 액적들을 유착시키는 상기 메쉬의 표면을 통과하며, 상기 잔여 유체는 상기 구조물에 대한 하류의 유동을 위해 상기 용기의 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하는 윤활유 액적들이 없는 가압가능한 가스이며, 상기 용기는 상기 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 섬유상의 유착 필터를 구비하지 않는, 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기;
    상기 가압된 고온 유체를 상기 액체/오일 분리기로 이송하기 위하여 상기 배출구를 상기 유입구에 연결시키기 위한 도관; 그리고
    상기 섬프로부터 상기 베어링들로 윤활유를 운반하기 위한 수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  30. 제 29 항에 있어서, 상기 가스가 냉각 가스인 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  31. 제 29 항에 있어서, 상기 가스가 냉각 가스인 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  32. 제 29 항에 있어서, 단부 벽들을 갖는 케이싱 내의 회전가능한 축에 장착된 적어도 하나의 원통형 회전자로, 상기 회전자의 원주상에 형성된 다수의 나사와 홈들을 구비하며, 한쌍의 조화된 헬리컬 회전자를 포함하며, 이때 한 회전자는 수 회전자(male rotor)이고 다른 하나의 회전자는 암 회전자(female rotor)이고, 각각의 회전자는 단부벽들을 갖는 케이싱 내에서 별도의 축들 상에 장착되고, 상기 수 회전자는 다수의 로브들을 구비하고, 상기 암 회전자는 다수의 로브 공간들을 가지며, 이에 의해 상기 회전자들이 회전하는 동안에 상기 로브와 상기 로브 공간 사이에 붙들린 유체가 가압되는 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  33. 제 29 항에 있어서, 상기 단부 벽들을 갖는 케이싱 내의 회전가능한 축에 장착된 적어도 하나의 원통형 회전자로, 상기 회전자의 원주상에 형성된 다수의 나사와 홈들을 구비하며, 상기 홈 내에서 유체를 가압하기 위하여 상기 적어도 하나의 회전자의 홈들은 상기 적어도 하나의 제 2 회전자와 맞물리고, 상기 축 상에 장착된 다수의 나사들과 홈들을 갖는 헬리컬 회전자 및 적어도 하나의 게이트 회전자를 포함하고, 상기 적어도 하나의 게이트 회전자는 상기 헬리컬 회전자의 홈들에 결합하는 아암들을 구비하고 그리하여 상기 홈들에 붙들린 유체가 가압되는 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  34. 제 29 항에 있어서, 상기 용기의 상기 제 2 단부에서 상기 배출구의 하류에 배치된 상기 구조물이 열 교환기인 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  35. 제 29 항에 있어서, 상기 용기의 상기 제 2 단부에서 상기 배출구의 하류에 배치된 상기 구조물이 저장 용기인 것을 특징으로 하는 스크루 압축기.
  36. 압축장치로서,
    유체를 저압으로부터 고온 고압으로 압축시키기 위한 스크루 압축기로, 저압하의 압축가능한 가스와 무연 윤활유의 혼합물을 포함하는 유체를 수용하기 위한 유입구, 단부 벽들을 갖는 케이싱 내의 별도의 회전축에 장착된 2개의 원통형 회전자, 상기 가압된 고압의 유체를 배출시키기 위한 배출구, 상기 케이싱의 단부 벽에서 상기 회전자의 축을 지지하기 위한 베어링, 및 기체/액체 분리기를 포함하며, 상기 회전자들은 상기 회전자들의 원주상에 큰 나사를 형성하는 홈들 및 나선형으로 연장된 로드들을 구비하며, 상기 유체를 가압하기 위한 압축 포켓을 형성하기 위하여 한 회전자의 로브들이 다른 회전자의 로브들과 맞물리는, 스크루 압축기를 포함하며,
    상기 액체/기체 분리기는,
    제 1 단부 및 이에 대향하는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장된 원통형 셸(shell), 제 1 위치에서 상기 용기내로 열린 유입구, 및 제 2 위치에 형성된 배출구를 갖는 원통형상의 용기;
    상기 유체가 상기 유입구를 빠져나갈 때 상기 유체의 유동방향을 변화시키기 위해서 상기 유입구에 인접하여 상기 용기내에 제공된 표면을 가지며, 상기 표면에서 윤활유의 액적들을 집적시키고, 이렇게 집적된 액적들은 중력에 의해서 상기 용기의 바닥에 축적되며 상기 용기의 바닥은 섬프(sump)로서 작용하는, 제 1 구조물;
    상기 베인 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 위치되고, 상기 압축기 유체에 대하여 비활성인 재료로 이루어진 메쉬를 포함하며, 상기 유체는 약 5미크론 이상의 직경을 갖는 무연 윤활유의 잔여 액적들을 유착시키는 상기 메쉬의 표면을 통과하며, 상기 잔여 유체는 가스가 열교환기를 향하는 상기 용기의 상기 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하는 윤활유 액적들이 없는 가압가능한 가스이며, 상기 용기는 상기 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 섬유상의 유착 필터를 구비하지 않는, 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기;
    상기 가압된 고온 유체를 액체/오일 분리기로 이송하기 위하여 상기 배출구를 상기 유입구에 연결시키기 위한 도관;
    상기 섬프로부터 상기 베어링들로 윤활유를 운반하기 위한 수단;
    고온 고압의 유체로부터 열을 제 1 공간으로 전달하고 유체를 저온 고압 액체로 응축시키기 위한 수단을 포함하는 응축기;
    상기 압축기로부터 상기 응축기로 유체를 운반하기 위한 도관;
    고압 액체를 수용하여 저압 액체로 변환시키기 위한 팽창 밸브;
    액체를 상기 응축기로부터 상기 팽창 밸브로 운반하기 위한 도관;
    액체를 저온 저압의 압축가능한 유체로 증발시키기 위하여 상기 제 2 공간으로부터 상기 액체로 열을 전달하기 위한 수단을 포함하는 증발기;
    상기 팽창 밸브로부터 상기 증발기로 액체를 운반하기 위한 도관;
    상기 증발기로부터 상기 압축기로 유체를 운반하기 위한 도관;을 포함하며,
    이에 의해 상기 압축기 장치는 윤활유 액적이 없는 압축가스가 상기 원통형 용기의 상기 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하고, 상기 압축가스는 약 500ppm의 비말동반된 윤활유를 가지며, 가스가 하방향으로 유동하여 상기 증발기 내에서 상기 윤활유가 실질적으로 존재하지 않게 되는 것을 특징으로 하는 압축장치.
  37. 압축장치로서,
    유체를 저압으로부터 고온 고압으로 압축시키기 위한 스크루 압축기로, 저압하의 압축가능한 가스와 무연 윤활유의 혼합물을 포함하는 유체를 수용하기 위한 유입구, 단부 벽들을 갖는 케이싱 내의 별도의 회전축에 장착된 2개의 원통형 회전자, 상기 가압된 고압의 유체를 배출시키기 위한 배출구, 상기 케이싱의 단부 벽에서 상기 회전자의 축을 지지하기 위한 베어링, 및 기체/액체 분리기를 포함하며, 상기 회전자들은 상기 회전자들의 원주상에 큰 나사를 형성하는 홈들 및 나선형으로 연장된 로드들을 구비하며, 상기 유체를 가압하기 위한 압축 포켓을 형성하기 위하여 한 회전자의 로브들이 다른 회전자의 로브들과 맞물리는, 스크루 압축기를 포함하며,
    상기 액체/기체 분리기는,
    제 1 단부 및 이에 대향하는 제 2 단부, 상기 제 1 단부와 상기 제 2 단부 사이에서 연장된 원통형 셸(shell), 제 1 위치에서 상기 용기내로 열린 유입구, 및 제 2 위치에 형성된 배출구를 갖는 원통형상의 용기;
    상기 유체가 상기 유입구를 빠져나갈 때 상기 유체의 유동방향을 변화시키기 위해서 상기 유입구에 인접하여 상기 용기내에 제공된 표면을 가지며, 상기 표면에서 윤활유의 액적들을 집적시키고, 이렇게 집적된 액적들은 중력에 의해서 상기 용기의 바닥에 축적되며 상기 용기의 바닥은 섬프(sump)로서 작용하는, 제 1 구조물;
    상기 베인 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 위치되고, 상기 압축기 유체에 대하여 비활성인 재료로 이루어진 메쉬를 포함하며, 상기 유체는 약 5미크론 이상의 직경을 갖는 무연 윤활유의 잔여 액적들을 유착시키는 상기 메쉬의 표면을 통과하며, 상기 잔여 유체는 가스가 열교환기를 향하는 상기 용기의 상기 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하는 윤활유 액적들이 없는 가압가능한 가스이며, 상기 용기는 상기 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기와 상기 배출구 사이에 섬유상의 유착 필터를 구비하지 않는, 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기;
    상기 가압된 고온 유체를 액체/오일 분리기로 이송하기 위하여 상기 배출구를 상기 유입구에 연결시키기 위한 도관;
    상기 섬프로부터 상기 베어링들로 윤활유를 운반하기 위한 수단; 그리고
    상기 압축기로부터 저장장치로 유체를 운반하기 위한 도관;을 포함하며,
    이에 의해 상기 압축기 장치는, 윤활유 액적이 없는 압축가스가 상기 원통형 용기의 상기 제 2 단부에 형성된 상기 배출구를 통과하고, 상기 압축가스는 약 10ppm의 비말동반된 윤활유를 가지며, 가스가 하방향으로 유동하여 상기 증발기 내에서 상기 윤활유가 실질적으로 존재하지 않게 되는 것을 특징으로 하는 압축장치.
  38. 제 32 항에 있어서, 상기 제 1 구조물과 상기 적어도 하나의 메쉬 미스트 제거기 사이에 위치된 베인 미스트 제거기를 더 포함하며, 상기 미스트 제거기는 다수의 판들로 이루어지고, 유체는 판 표면상에 무연 윤활유 액적들을 응집시키기 위해서 판 표면 위를 통과하는 것을 특징으로 하는 압축장치.
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