专利名称：用于可变速压缩机包内的润滑剂流控制的系统和方法
技术领域：
本申请涉及对压缩机和压缩机系统内的润滑剂流的控制。尤其，本发明涉及包括用于对压缩机的润滑剂流控制的方法和系统的可变速压缩机包。
背景技术：
旋转螺杆压缩机已长期被用于在工业领域内提供压缩空气。这样的旋转螺杆压缩机的典型结构包括两个转子，这两个转子被安装在一个由两个端壁和在两端壁间延伸的筒壁所限定的工作空间内。筒壁呈两个交叉圆柱体结构，每个圆柱体内有一个转子。每个筒壁内有螺旋延伸状叶片和槽，叶片和槽互相啮合形成纹状压缩腔。在这些腔内，气流被螺杆压缩机在入口通道到出口通道间移动并压缩。在填充阶段，每个压缩腔与入口相通；在压缩阶段，每个压缩腔体积连续减少；在排放阶段，每个压缩腔与出口相通。
压缩机内的油完成几项功能。首先，它提供润滑以防止运动部件接触和磨损。第二，它做为密封物，填充所有压缩空气可能泄露的通道。第三，它做为热传导介质吸收部分压缩热。油从具有压缩空气的压缩机被排放到油气分离器箱，在这里油被从空气中分离出。虽然部分油残留在压缩空气中，但它仅仅占百万分之几的比例。
可变速压缩机在操作上与传统单速压缩机很相似。但在可变速压缩机内，可变速驱动器与电机相连。可变速驱动器调节电机速度，反过来电机速度进一步控制压缩机速度。但是本发明人发现可变速压缩机所需要的润滑剂不同于通常的情况。随着压缩机速度的提高，保持压缩机在最优效率下运行所需的油更少。压缩机速度越低，保持有效压缩机所需的油越多。因此，油泵不能用于可变速压缩机，因为油泵在高速时泵出的油太多，并且/或者在低速时泵出的油太少。这个问题可以通过将油泵去除，在无泵情况下运行压缩机来解决。压缩机包的机油箱压力用于在系统内推动油运动。但是这种油调节的方法不能控制独立于机油箱压力的油流。
以前的可变速压缩机不具备有油流控制的可变速压缩机的优点，即克服由于在不同压缩速度下的不合适油流而导致的压缩机输出低效率的缺点。
特别是以前的可变速压缩机系统设计没有结合能够控制润滑剂流、以实现在所有压缩机速度下具有优化效率的油溢流旋转螺杆压缩机。
因此，需要一种压缩机包，在其内压缩机的油流可以控制，以提高在不同速度下的效率。
满足这些需求正是本发明的目的所在。
发明内容
本发明涉及一种在可变速压缩机内的用于调节润滑剂流的系统。该系统包括一个压缩机，该压缩机具有用于所要压缩气体的入口、一个润滑剂注射线、和一个用于压缩气体和润滑剂流出的润滑剂出口；一个用于观察压缩机工作速度的装置；一个包括用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀的油流控制接口；和一个用于与观察压缩机工作速度的装置和油流控制接口相联的控制逻辑。在这个系统内，控制逻辑接收来自于用于观察压缩机工作速度的装置的信号，并给油流控制接口发送信号，以便响应实现基于工作速度的预定的压缩机最佳润滑剂流率，调节通过阀的油流。
在本发明的另一实施例中，该系统进一步包括一个压缩机电机，其中压缩机电机驱动压缩机，并且压缩机的工作速度可以通过压缩机电机的速度来观测；控制逻辑与压缩机电机相联系，并接收驱动压缩机的电机的工作速度。另外，该系统还可能进一步包括一个可变速驱动器，在其内可变速驱动器控制压缩机电机，并且压缩机的工作速度可以通过可变速驱动器观测；控制逻辑用于与可变速驱动器相联系，这样实现可变速驱动器的速度被传送到控制逻辑。
在本发明的实施例中，系统的阀可能是一个电磁阀或可能包含两个或更多阀。压缩机是一个旋转螺杆压缩机或者更为优选的是一个油溢流旋转螺杆压缩机。在本发明的又一实施例中，控制逻辑可能是可变速驱动器的一个整体部件，或可能是空气压缩机的一个整体部件。
在本发明的又一实施例中，压缩机系统进一步包括多个润滑剂注射线，并且至少一个润滑剂注射线被流动控制接口控制。而且多数润滑剂注射线包括不同尺寸的孔。
在本发明的又一实施例中，该系统进一步包括一个流体地连接到压缩机出口的空气-润滑剂分离器，一个润滑剂冷却器，和一个润滑剂过滤器。空气-润滑剂分离器、润滑剂冷却器和润滑剂过滤器流体地互相连接，并且它们通过润滑剂注射线与压缩机相连接。
本发明的另一个实施例还提供一个在可变速压缩机内用于调节润滑剂流的系统。该系统包括一个油溢流旋转螺杆压缩机，该压缩机具有用于所要压缩气体的入口，一个油注射线，和一个用于被压缩气体和油流出的出口；一个可驱动地连接到压缩机的压缩机电机；一个可控制地连接到压缩机电机的可变速驱动器；一个流动控制接口，该控制接口包括用于调节通过油注射线的润滑剂流的电磁阀；和一个用于与可变速驱动器和流动控制接口相联系的控制逻辑。在这个系统内，控制逻辑接收来自于可变速驱动器的指示压缩机工作速度的信号，并发送信号给流动控制接口，以便响应实现基于工作速度的预定的压缩机最佳润滑剂流率，调节通过电磁阀的油流。
在本发明的另一实施例中涉及一种在可变速压缩机内调节润滑剂流的方法。该方法包括以下步骤测量压缩机工作速度；决定用于工作速度的适当润滑剂流；和开启或关闭阀以调节润滑剂流。在本发明的进一步实施例中，通过观测控制压缩机电机速度的可变速驱动器的速度，近似估计出压缩机的工作速度。
本发明的又一实施例中提供了一种用于在压缩机内调节润滑剂流的方法，在压缩机内润滑剂流随着压缩机速度的降低而增加。另外，润滑剂流随着压缩机速度的增加而减少。这可以通过当压缩机速度变化时调节阀或在预定的压缩机速度下调节阀来实现。
因此，本发明的总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于控制流经压缩机系统的润滑剂流。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于电子地调节流经压缩机系统的润滑剂流。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于控制流经压缩机的润滑剂流，从而使压缩机工作达到最优效率。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于响应压缩机速度的变化，通过调节流经压缩机的润滑剂流，在最优效率下操作可变速压缩机。
用于在本发明的可变速压缩机内的润滑剂流控制的系统的特点和方法，可以在一个或多个本发明的实施例中单独实现，或结合实现。正如本领域普通技术人员所理解的，本发明在许多应用中有广泛的应用，如下文所展示和讨论的多种特点和优点。
如本领域普通技术人员所理解的，可能有根据本发明用于可变速压缩机包内润滑剂流控制的系统和方法的许多不同的实施例。本发明另外的使用、目标、优点和新颖特点将被随后详细列出，而且通过随后的检验或对本发明的实践，这些优点对本领域普通技术人员来说将更为明显。
图1是本发明实施例的压缩机系统示意图。
图2是显示三个不同润滑剂流率在不同输出水平上的压缩机性能的图表。
图3是显示本发明的压缩机的最佳油流率模式的图表。
具体实施例方式
在本发明的一个实施例中，一个系统被用于监测压缩机速度和改变对压缩机的润滑剂流率，从而优化压缩机的效率。
在本说明书中，术语“油”和“润滑剂”均用于描述压缩机润滑流体。除了润滑作用，该润滑流体可能有很多功能，例如密封和热传导。当润滑剂通常是石油基的油，它也可能是合成润滑剂或自然与合成润滑的混合产品，如酯、乙二醇、硅树脂基的润滑剂、水或水基的润滑剂。当术语“油”被使用时，它指的是石油基的润滑剂。当术语“润滑剂”被使用时，它指的是更广泛的用于上文提到的压缩机的可接受的润滑剂类。
根据图1，在本发明的一个实施例中，一个典型的压缩机系统100包括一个由压缩机电机120驱动的空气压缩机110，该电机120通过可变速驱动器130控制。压缩机110通过润滑剂注射线115注入润滑剂。压缩完成后，压缩空气/润滑剂混合物离开压缩机110并进入空气-润滑剂分离器140。在空气-润滑剂分离器140内，空气被从润滑剂中分离出来，并被去除以用于使用或存储，而润滑剂则被注入一个润滑剂冷却器150内，在这里去除由空气压缩产生的热，之后润滑剂被送往润滑剂过滤器150，以便在润滑剂重新进入润滑剂注射线115之前，过滤掉任何残留的微粒杂质或水份。润滑剂由油流控制接口170进入润滑剂注射线115。油流控制接口170是在润滑剂注射线115上的点，在这里润滑剂流根据本发明被调节。润滑剂流率由与油流控制接口170电路上相联接的控制逻辑180决定。控制逻辑180监测压缩机110运动的速度，并发送适当的信号给油流控制接口170以调节用于优化压缩机性能的润滑剂流。
在本发明的实施例中，润滑剂流率通过油流控制接口170和控制逻辑180的相互作用来控制。控制逻辑180是被编程以响应与压缩机速度相关输入的自动控制系统。控制逻辑180在压缩机110的工作速度范围内被编程为实现最优的润滑剂流率。在本发明的优选实施例中，可变速驱动器130内的传感器将可变速驱动器130的速度传送到控制逻辑180，该可变速驱动器130的速度与压缩机110速度直接成比例。不过，压缩机110的速度还可以通过除了监测可变速驱动器120以外的方法决定。在本发明的一个实施例中，流出压缩机110的气体流率被用于近似估计压缩机110的速度。在本发明的进一步实施例中，压缩机110的速度通过观测压缩机电机120的速度被测量。无论如何，一旦压缩机的速度被决定，这一信息就被传送到控制逻辑180。
控制逻辑180接收压缩机的工作速度，并将压缩机速度与预先确定的压缩机速度/润滑剂流率的结合情况对比，以便决定用于所测压缩机速度的最优润滑剂流率。控制逻辑180随后将预期的润滑剂流率传送到油流控制接口170。在本发明的一个实施例中，控制逻辑180发送信号到油流控制接口170，油流控制接口进一步决定正确的阀的位置。在本发明的又一实施例中，控制逻辑170决定正确的阀的位置并将这一信息直接传送到油流控制接口170内的阀。
油流控制接口170是沿润滑剂注射线115的一个点，在该点上控制润滑剂流率。在本发明的一个实施例中，油流控制接口包括一个处理器，该处理器从控制逻辑180处接收预期流率信息，通过系统监测流率并做出适当调节。在本发明的又一实施例中，油流控制接口与控制逻辑180直接相联并直接响应来自于控制逻辑180的信号。在本发明的优选实施例中，油流控制接口170包括电控电磁阀。这个油流控制接口170可以位于沿润滑剂注射线的任何点，包括在注射线115和压缩机之间的接口。在本发明的一个实施例中，油流控制接口170被合并到压缩机110的机架内，并形成在其中的一个整体部件。
在本发明的又一实施例中，压缩机系统使用两个或多个共同工作用于调节压缩机润滑剂流的阀。在本发明的一个实施例中，在润滑剂注射线内的一系列孔被电控阀控制。随着对润滑剂需求的增加，打开油流控制接口170内另外的阀。在本发明的又一实施例中，孔尺寸不同以允许不同流率通过不同尺寸的孔。随着对润滑剂需求量的改变，流率调节是通过开关不同尺寸的孔的组合来实现的，以实现对流率的最优化。在本发明的又一实施例中，孔的尺寸是相同的并被按顺序打开以实现对压缩机润滑剂流的逐步调节。本领域技术人员可以理解的是，在给定压缩机速度下，不同尺寸和数量孔的组合能够实现最优化润滑剂流的作用。
在本发明的优选实施例中，电控阀用于调节流经压缩机系统的润滑剂流。可以使用在工业领域通常使用的任何类型的阀。在本应用中适用的阀包括门阀、球阀、角阀、针阀、塞嘴、球阀、蝶阀、升降式止回阀或任何其它本领域中所知的阀。
在本发明的优选实施例中，润滑剂流通过在润滑剂注射线内两个平行的的孔来调节。其中一个孔在任何时候都打开以允许最少量润滑剂流流入压缩机。另一个孔可以被打开或关闭以调节润滑剂流。孔的尺寸由压缩机要求的润滑剂流率决定。这个系统保证任何时候至少最少量润滑剂通过第一个孔润滑压缩机。随着压缩机速度的变化，第二个孔依据新的工作速度下的预先确定的最优润滑剂流率被打开或关闭。
在本发明的优选实施例中，第二个孔可以被一个电磁阀打开或关闭。当该阀打开并且润滑剂通过两个孔流出时，就实现了最大润滑剂流量。当该阀关闭时，润滑剂可流经第一个孔，就实现了最小润滑剂流量。例如当在低压缩机速度下工作时，在第二个压缩机内的电磁阀将被打开，以允许最大润滑剂流量在低压缩机速度下流过。当压缩机速度超过一定门槛值时，电磁阀将关闭使润滑剂只流经第一个孔，以实现在高压缩机速度下最少润滑剂流量。
气体压缩是一个放热过程，润滑剂流体的一个功能是通过吸收在压缩机内的热并将热带走，来冷却压缩机。因此离开压缩机的润滑剂会比进入压缩机的润滑剂热。例如，润滑剂/空气混合物离开油溢流旋转螺杆压缩机时的温度可能是190°F或更高，如果油温达到235°F时，压缩机会在自身过热并损坏之前自动关机。为了保证压缩机内的安全和有效的工作温度，必须在润滑剂重新进入压缩机之前将润滑剂中的热量去掉。这是通过位于润滑剂注射线115上的空气-润滑剂分离器140之后的润滑剂冷却器150来实现的。在本发明的一实施例中，润滑剂冷却器150是一个简单的热交换器，它用本领域熟知的方法将热从流体中带走。
另外，随着润滑剂在压缩机系统内完成循环，它可能积累杂质，如污垢和其它微粒状物质。这些杂质可能随所要压缩的进气一起进入压缩机系统，或可能源于压缩机系统内的微粒状物质。这些污垢、金属、水和其它杂质可能损坏压缩机和其它部件，并降低系统的效率。因此需要过滤润滑剂以去除这些杂质使它们不会堵塞在压缩机内并导致系统损坏。
在本发明的实施例中，润滑剂过滤器160流体地连接在空气-润滑剂分类器140和压缩机之间的润滑剂注射线115上。润滑剂过滤器160将前述微粒状物质从润滑剂流中去除。另外润滑剂过滤器160可以用于去除积累在润滑剂流中的湿气。在本发明的优选实施例中，润滑剂冷却器150和润滑剂过滤器160位于润滑剂分离器140之后并在油流控制接口170之前。润滑剂冷却器150位于润滑剂过滤器160之前以最优地去除润滑剂流中的湿气。
在本发明的又一实施例中，提供了用于调节对可变速压缩机的润滑剂流的方法。在本发明的一个实施例中，这个方法通过使用这里描述的压缩机系统来实现。在本发明的另一实施例中，这一方法通过使用不同的可变速压缩机配置来实现。随着压缩机速度的改变来控制润滑剂流量，可以使压缩机系统的效率被维持在最优水平上。虽然润滑剂溢流旋转螺杆压缩机可能在尺寸、最大输出和设计上略有不同，但它们效率的基本原则就是随着压缩机速度的减小，润滑剂流应该增加以实现更高的效率。不同压缩机速度的精确的润滑剂流率可以通过简单的测试来确定，如例子中的详细描述。一旦不同压缩机速度的最优流率被确定下来，它们就可以用于使压缩机最优化。压缩机的速度可以通过直接使用内部传感器，或间接地监测离开压缩机的气体流率或监测驱动压缩机的电机速度来确定。一旦压缩机速度被确定下来，它就可以与针对这一速度的预先确定的最优润滑剂流相符合。随后润滑剂流率被调节，以便匹配压缩机在这一速度的最优润滑剂流。
在本发明一个实施例中，润滑剂流随着压缩机速度的改变而连续改变。在本发明的另一实施例中，润滑剂流可在预定的间隔中改变。通过改变预定间隔的润滑剂流，系统可被设计为具有更少移动部件、更少调节和细调需要的形式。
虽然本发明已结合特定实施例所描述，但应该清楚的是，这些实施例仅用于展示本发明的原理。对本领域普通技术人员来说，本发明的系统和方法可以以其它方式和实施例的方式建立和实现。因此这里的描述不是用于限制本发明，其它相关实施例也在本发明限制范围内。
例子下面三个运行测试是在一个长与直径比为1.23且具有被修改的SRM C转子结构的204毫米的油溢流螺杆压缩机中进行的。这个压缩机仅仅用于展示本发明的例子，而并不意味着本发明限制于这个配置中。三种运行是在不同的油流率下进行的。下面的曲线表明了在不同的压缩机输出率下消耗多少能量(千瓦)来运送100立方英尺/每分钟(CFM(立方英尺/每分钟))的空气。因为按CFM的压缩机输出直接与压缩机速度成比例，所以这很好的说明了在不同输出水平上压缩机的运行效率。
在110 PSIG和25.5gpm的油流下的运行测试
在110 PSIG和20gpm的油流下的运行测试
在110 PSIG和15gpm的油流下的运行测试
图2是三个不同油流下的以CFM(立方英尺/每分钟)为单位的压缩机输出所对应的以千瓦每100CFM(立方英尺/每分钟)为单位的压缩机性能的对比图。实线代表15GPM的油流，短划线代表代表20GPM的油流，点线代表25.5GPM的油流。图中清晰的展示了在低压缩机输出情况下，从0到大约150CFM范围内，25.5GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的最低线所示。从150到大约335CFM范围内，20GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的最低短划线所示。在高流率范围内，325CFM以上的范围内，15GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的实线所示。
由此图可见，最优化在输出率的很宽范围上工作的可变速压缩机的效率，需要改变油流率。本发明可以通过对可变速驱动器和相应改变的油流率，监测压缩机输出。这已在图3中展示出。图3展示了对应图2中测试的压缩机的最优油流。对本领域技术人员来说，这一概念可以在任何可变速压缩机中使用。
本发明的多个实施例已在本发明多个目的的实现中描述。但这些实施例仅用于说明本发明的原理，本领域技术人员易于理解的是，其中的多种修改和等效方案并不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于在可变速压缩机内调节润滑剂流的系统包括一个压缩机，该压缩机具有一个用于所要压缩的气体的入口，一个润滑剂注射线，和一个用于被压缩气体和润滑剂流出的出口；一个用于观察压缩机工作速度的装置；一个流动控制接口，该控制接口包括一个用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀；一个用于与观察压缩机工作速度的装置和油流控制接口相联接的控制逻辑，其中，该控制逻辑接收来自用于观察压缩机工作速度的装置的信号，并给油流控制接口发送信号，以响应基于工作速度的预先确定的压缩机的最优润滑剂流率，调节通过阀的油流。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个压缩机电机，其中压缩机电机驱动压缩机，并且压缩机的工作速度可以通过压缩机电机的速度来观测；控制逻辑与压缩机电机相联，并接收驱动压缩机的电机的工作速度。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括一个可变速驱动器，其中可变速驱动器控制压缩机电机，并且压缩机的工作速度可以通过可变速驱动器观测；控制逻辑与可变速驱动器相联，从而使可变速驱动器的速度被传送到控制逻辑。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀是一个电磁阀。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀包括两个或多个阀。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个旋转螺杆压缩机。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个油溢流旋转螺杆压缩机。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个水溢流旋转螺杆压缩机。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑是可变速驱动器的一个整体部件。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，油流控制接口是空气压缩机的一个整体部件。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，压缩机系统进一步包括多个润滑剂注射线，并且至少一个润滑剂注射线被油流控制接口控制。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，多个润滑剂注射线包括不同尺寸的孔。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个流体地连接到压缩机出口的空气-润滑剂分离器；一个润滑剂冷却器；一个润滑剂过滤器；其中空气-润滑剂分离器、润滑剂冷却器和润滑剂过滤器流体地互相连接，并且它们通过润滑剂注射线与压缩机相连接。
14.一种用于调节可变速压缩机内润滑剂流的系统，包括一个油溢流旋转螺杆压缩机，该压缩机具有用于所要压缩的气体的入口，一个油注射线，和一个用于被压缩气体和油流出的出口；一个可驱动地连接到压缩机的压缩机电机；一个可控制地连接到压缩机电机的可变速驱动器；一个油流控制接口，该控制接口包括一个用于调节通过油注射线的润滑剂流的电磁阀；一个用于与可变速驱动器和油流控制接口相联的控制逻辑，其中，控制逻辑接收来自于可变速驱动器的指示压缩机工作速度的信号，并发送信号给油流控制接口，以响应基于工作速度的预先确定的压缩机的最优润滑剂流率，调节通过电磁阀的油流。
15.一种用于调节可变速压缩机内润滑剂流的方法，包括以下步骤测量压缩机工作速度；决定用于工作速度的适当润滑剂流；开启或关闭阀以便调节润滑剂流。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，压缩机的工作速度是通过观测控制压缩机电机速度的可变速驱动器的速度近似估计的。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，润滑剂流随着压缩机速度的降低而增加。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，润滑剂流随着压缩机速度的增加而减少。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述阀当压缩机速度变化时被调节。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述阀在预先确定的压缩机速度下被调节。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是油。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是水。
全文摘要
一种用于调节可变速压缩机内润滑流的系统和方法，包括一个压缩机，该压缩机具有用于所要压缩的气体的入口，至少一个润滑剂注射线和一个用于被压缩气体和润滑剂流出的出口；一个油流控制接口，包括至少一个用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀；和一个控制逻辑，与压缩机相联，从而压缩机的工作速度被传送到控制逻辑，并且控制逻辑与油流控制接口相联，从而控制逻辑给油流控制接口发送信号，以便打开或关闭至少一个依赖于压缩机预定最优润滑剂流率的阀，该压缩机预定最优润滑剂流率是基于工作速度的。这使得通过压缩机的润滑剂流响应压缩机在不同速度下的工作需要而被改变。
文档编号F04C28/00GK1512073SQ200310120510
公开日2004年7月14日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月13日
发明者史蒂文·D·森特斯, 史蒂文 D 森特斯 申请人:科尔泰克工业公司
技术领域：
本申请涉及对压缩机和压缩机系统内的润滑剂流的控制。尤其，本发明涉及包括用于对压缩机的润滑剂流控制的方法和系统的可变速压缩机包。
背景技术：
旋转螺杆压缩机已长期被用于在工业领域内提供压缩空气。这样的旋转螺杆压缩机的典型结构包括两个转子，这两个转子被安装在一个由两个端壁和在两端壁间延伸的筒壁所限定的工作空间内。筒壁呈两个交叉圆柱体结构，每个圆柱体内有一个转子。每个筒壁内有螺旋延伸状叶片和槽，叶片和槽互相啮合形成纹状压缩腔。在这些腔内，气流被螺杆压缩机在入口通道到出口通道间移动并压缩。在填充阶段，每个压缩腔与入口相通；在压缩阶段，每个压缩腔体积连续减少；在排放阶段，每个压缩腔与出口相通。
压缩机内的油完成几项功能。首先，它提供润滑以防止运动部件接触和磨损。第二，它做为密封物，填充所有压缩空气可能泄露的通道。第三，它做为热传导介质吸收部分压缩热。油从具有压缩空气的压缩机被排放到油气分离器箱，在这里油被从空气中分离出。虽然部分油残留在压缩空气中，但它仅仅占百万分之几的比例。
可变速压缩机在操作上与传统单速压缩机很相似。但在可变速压缩机内，可变速驱动器与电机相连。可变速驱动器调节电机速度，反过来电机速度进一步控制压缩机速度。但是本发明人发现可变速压缩机所需要的润滑剂不同于通常的情况。随着压缩机速度的提高，保持压缩机在最优效率下运行所需的油更少。压缩机速度越低，保持有效压缩机所需的油越多。因此，油泵不能用于可变速压缩机，因为油泵在高速时泵出的油太多，并且/或者在低速时泵出的油太少。这个问题可以通过将油泵去除，在无泵情况下运行压缩机来解决。压缩机包的机油箱压力用于在系统内推动油运动。但是这种油调节的方法不能控制独立于机油箱压力的油流。
以前的可变速压缩机不具备有油流控制的可变速压缩机的优点，即克服由于在不同压缩速度下的不合适油流而导致的压缩机输出低效率的缺点。
特别是以前的可变速压缩机系统设计没有结合能够控制润滑剂流、以实现在所有压缩机速度下具有优化效率的油溢流旋转螺杆压缩机。
因此，需要一种压缩机包，在其内压缩机的油流可以控制，以提高在不同速度下的效率。
满足这些需求正是本发明的目的所在。
发明内容
本发明涉及一种在可变速压缩机内的用于调节润滑剂流的系统。该系统包括一个压缩机，该压缩机具有用于所要压缩气体的入口、一个润滑剂注射线、和一个用于压缩气体和润滑剂流出的润滑剂出口；一个用于观察压缩机工作速度的装置；一个包括用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀的油流控制接口；和一个用于与观察压缩机工作速度的装置和油流控制接口相联的控制逻辑。在这个系统内，控制逻辑接收来自于用于观察压缩机工作速度的装置的信号，并给油流控制接口发送信号，以便响应实现基于工作速度的预定的压缩机最佳润滑剂流率，调节通过阀的油流。
在本发明的另一实施例中，该系统进一步包括一个压缩机电机，其中压缩机电机驱动压缩机，并且压缩机的工作速度可以通过压缩机电机的速度来观测；控制逻辑与压缩机电机相联系，并接收驱动压缩机的电机的工作速度。另外，该系统还可能进一步包括一个可变速驱动器，在其内可变速驱动器控制压缩机电机，并且压缩机的工作速度可以通过可变速驱动器观测；控制逻辑用于与可变速驱动器相联系，这样实现可变速驱动器的速度被传送到控制逻辑。
在本发明的实施例中，系统的阀可能是一个电磁阀或可能包含两个或更多阀。压缩机是一个旋转螺杆压缩机或者更为优选的是一个油溢流旋转螺杆压缩机。在本发明的又一实施例中，控制逻辑可能是可变速驱动器的一个整体部件，或可能是空气压缩机的一个整体部件。
在本发明的又一实施例中，压缩机系统进一步包括多个润滑剂注射线，并且至少一个润滑剂注射线被流动控制接口控制。而且多数润滑剂注射线包括不同尺寸的孔。
在本发明的又一实施例中，该系统进一步包括一个流体地连接到压缩机出口的空气-润滑剂分离器，一个润滑剂冷却器，和一个润滑剂过滤器。空气-润滑剂分离器、润滑剂冷却器和润滑剂过滤器流体地互相连接，并且它们通过润滑剂注射线与压缩机相连接。
本发明的另一个实施例还提供一个在可变速压缩机内用于调节润滑剂流的系统。该系统包括一个油溢流旋转螺杆压缩机，该压缩机具有用于所要压缩气体的入口，一个油注射线，和一个用于被压缩气体和油流出的出口；一个可驱动地连接到压缩机的压缩机电机；一个可控制地连接到压缩机电机的可变速驱动器；一个流动控制接口，该控制接口包括用于调节通过油注射线的润滑剂流的电磁阀；和一个用于与可变速驱动器和流动控制接口相联系的控制逻辑。在这个系统内，控制逻辑接收来自于可变速驱动器的指示压缩机工作速度的信号，并发送信号给流动控制接口，以便响应实现基于工作速度的预定的压缩机最佳润滑剂流率，调节通过电磁阀的油流。
在本发明的另一实施例中涉及一种在可变速压缩机内调节润滑剂流的方法。该方法包括以下步骤测量压缩机工作速度；决定用于工作速度的适当润滑剂流；和开启或关闭阀以调节润滑剂流。在本发明的进一步实施例中，通过观测控制压缩机电机速度的可变速驱动器的速度，近似估计出压缩机的工作速度。
本发明的又一实施例中提供了一种用于在压缩机内调节润滑剂流的方法，在压缩机内润滑剂流随着压缩机速度的降低而增加。另外，润滑剂流随着压缩机速度的增加而减少。这可以通过当压缩机速度变化时调节阀或在预定的压缩机速度下调节阀来实现。
因此，本发明的总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于控制流经压缩机系统的润滑剂流。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于电子地调节流经压缩机系统的润滑剂流。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于控制流经压缩机的润滑剂流，从而使压缩机工作达到最优效率。
本发明的又一个总体目的是提供一种新颖并改进的系统和方法，用于响应压缩机速度的变化，通过调节流经压缩机的润滑剂流，在最优效率下操作可变速压缩机。
用于在本发明的可变速压缩机内的润滑剂流控制的系统的特点和方法，可以在一个或多个本发明的实施例中单独实现，或结合实现。正如本领域普通技术人员所理解的，本发明在许多应用中有广泛的应用，如下文所展示和讨论的多种特点和优点。
如本领域普通技术人员所理解的，可能有根据本发明用于可变速压缩机包内润滑剂流控制的系统和方法的许多不同的实施例。本发明另外的使用、目标、优点和新颖特点将被随后详细列出，而且通过随后的检验或对本发明的实践，这些优点对本领域普通技术人员来说将更为明显。
图1是本发明实施例的压缩机系统示意图。
图2是显示三个不同润滑剂流率在不同输出水平上的压缩机性能的图表。
图3是显示本发明的压缩机的最佳油流率模式的图表。
具体实施例方式
在本发明的一个实施例中，一个系统被用于监测压缩机速度和改变对压缩机的润滑剂流率，从而优化压缩机的效率。
在本说明书中，术语“油”和“润滑剂”均用于描述压缩机润滑流体。除了润滑作用，该润滑流体可能有很多功能，例如密封和热传导。当润滑剂通常是石油基的油，它也可能是合成润滑剂或自然与合成润滑的混合产品，如酯、乙二醇、硅树脂基的润滑剂、水或水基的润滑剂。当术语“油”被使用时，它指的是石油基的润滑剂。当术语“润滑剂”被使用时，它指的是更广泛的用于上文提到的压缩机的可接受的润滑剂类。
根据图1，在本发明的一个实施例中，一个典型的压缩机系统100包括一个由压缩机电机120驱动的空气压缩机110，该电机120通过可变速驱动器130控制。压缩机110通过润滑剂注射线115注入润滑剂。压缩完成后，压缩空气/润滑剂混合物离开压缩机110并进入空气-润滑剂分离器140。在空气-润滑剂分离器140内，空气被从润滑剂中分离出来，并被去除以用于使用或存储，而润滑剂则被注入一个润滑剂冷却器150内，在这里去除由空气压缩产生的热，之后润滑剂被送往润滑剂过滤器150，以便在润滑剂重新进入润滑剂注射线115之前，过滤掉任何残留的微粒杂质或水份。润滑剂由油流控制接口170进入润滑剂注射线115。油流控制接口170是在润滑剂注射线115上的点，在这里润滑剂流根据本发明被调节。润滑剂流率由与油流控制接口170电路上相联接的控制逻辑180决定。控制逻辑180监测压缩机110运动的速度，并发送适当的信号给油流控制接口170以调节用于优化压缩机性能的润滑剂流。
在本发明的实施例中，润滑剂流率通过油流控制接口170和控制逻辑180的相互作用来控制。控制逻辑180是被编程以响应与压缩机速度相关输入的自动控制系统。控制逻辑180在压缩机110的工作速度范围内被编程为实现最优的润滑剂流率。在本发明的优选实施例中，可变速驱动器130内的传感器将可变速驱动器130的速度传送到控制逻辑180，该可变速驱动器130的速度与压缩机110速度直接成比例。不过，压缩机110的速度还可以通过除了监测可变速驱动器120以外的方法决定。在本发明的一个实施例中，流出压缩机110的气体流率被用于近似估计压缩机110的速度。在本发明的进一步实施例中，压缩机110的速度通过观测压缩机电机120的速度被测量。无论如何，一旦压缩机的速度被决定，这一信息就被传送到控制逻辑180。
控制逻辑180接收压缩机的工作速度，并将压缩机速度与预先确定的压缩机速度/润滑剂流率的结合情况对比，以便决定用于所测压缩机速度的最优润滑剂流率。控制逻辑180随后将预期的润滑剂流率传送到油流控制接口170。在本发明的一个实施例中，控制逻辑180发送信号到油流控制接口170，油流控制接口进一步决定正确的阀的位置。在本发明的又一实施例中，控制逻辑170决定正确的阀的位置并将这一信息直接传送到油流控制接口170内的阀。
油流控制接口170是沿润滑剂注射线115的一个点，在该点上控制润滑剂流率。在本发明的一个实施例中，油流控制接口包括一个处理器，该处理器从控制逻辑180处接收预期流率信息，通过系统监测流率并做出适当调节。在本发明的又一实施例中，油流控制接口与控制逻辑180直接相联并直接响应来自于控制逻辑180的信号。在本发明的优选实施例中，油流控制接口170包括电控电磁阀。这个油流控制接口170可以位于沿润滑剂注射线的任何点，包括在注射线115和压缩机之间的接口。在本发明的一个实施例中，油流控制接口170被合并到压缩机110的机架内，并形成在其中的一个整体部件。
在本发明的又一实施例中，压缩机系统使用两个或多个共同工作用于调节压缩机润滑剂流的阀。在本发明的一个实施例中，在润滑剂注射线内的一系列孔被电控阀控制。随着对润滑剂需求的增加，打开油流控制接口170内另外的阀。在本发明的又一实施例中，孔尺寸不同以允许不同流率通过不同尺寸的孔。随着对润滑剂需求量的改变，流率调节是通过开关不同尺寸的孔的组合来实现的，以实现对流率的最优化。在本发明的又一实施例中，孔的尺寸是相同的并被按顺序打开以实现对压缩机润滑剂流的逐步调节。本领域技术人员可以理解的是，在给定压缩机速度下，不同尺寸和数量孔的组合能够实现最优化润滑剂流的作用。
在本发明的优选实施例中，电控阀用于调节流经压缩机系统的润滑剂流。可以使用在工业领域通常使用的任何类型的阀。在本应用中适用的阀包括门阀、球阀、角阀、针阀、塞嘴、球阀、蝶阀、升降式止回阀或任何其它本领域中所知的阀。
在本发明的优选实施例中，润滑剂流通过在润滑剂注射线内两个平行的的孔来调节。其中一个孔在任何时候都打开以允许最少量润滑剂流流入压缩机。另一个孔可以被打开或关闭以调节润滑剂流。孔的尺寸由压缩机要求的润滑剂流率决定。这个系统保证任何时候至少最少量润滑剂通过第一个孔润滑压缩机。随着压缩机速度的变化，第二个孔依据新的工作速度下的预先确定的最优润滑剂流率被打开或关闭。
在本发明的优选实施例中，第二个孔可以被一个电磁阀打开或关闭。当该阀打开并且润滑剂通过两个孔流出时，就实现了最大润滑剂流量。当该阀关闭时，润滑剂可流经第一个孔，就实现了最小润滑剂流量。例如当在低压缩机速度下工作时，在第二个压缩机内的电磁阀将被打开，以允许最大润滑剂流量在低压缩机速度下流过。当压缩机速度超过一定门槛值时，电磁阀将关闭使润滑剂只流经第一个孔，以实现在高压缩机速度下最少润滑剂流量。
气体压缩是一个放热过程，润滑剂流体的一个功能是通过吸收在压缩机内的热并将热带走，来冷却压缩机。因此离开压缩机的润滑剂会比进入压缩机的润滑剂热。例如，润滑剂/空气混合物离开油溢流旋转螺杆压缩机时的温度可能是190°F或更高，如果油温达到235°F时，压缩机会在自身过热并损坏之前自动关机。为了保证压缩机内的安全和有效的工作温度，必须在润滑剂重新进入压缩机之前将润滑剂中的热量去掉。这是通过位于润滑剂注射线115上的空气-润滑剂分离器140之后的润滑剂冷却器150来实现的。在本发明的一实施例中，润滑剂冷却器150是一个简单的热交换器，它用本领域熟知的方法将热从流体中带走。
另外，随着润滑剂在压缩机系统内完成循环，它可能积累杂质，如污垢和其它微粒状物质。这些杂质可能随所要压缩的进气一起进入压缩机系统，或可能源于压缩机系统内的微粒状物质。这些污垢、金属、水和其它杂质可能损坏压缩机和其它部件，并降低系统的效率。因此需要过滤润滑剂以去除这些杂质使它们不会堵塞在压缩机内并导致系统损坏。
在本发明的实施例中，润滑剂过滤器160流体地连接在空气-润滑剂分类器140和压缩机之间的润滑剂注射线115上。润滑剂过滤器160将前述微粒状物质从润滑剂流中去除。另外润滑剂过滤器160可以用于去除积累在润滑剂流中的湿气。在本发明的优选实施例中，润滑剂冷却器150和润滑剂过滤器160位于润滑剂分离器140之后并在油流控制接口170之前。润滑剂冷却器150位于润滑剂过滤器160之前以最优地去除润滑剂流中的湿气。
在本发明的又一实施例中，提供了用于调节对可变速压缩机的润滑剂流的方法。在本发明的一个实施例中，这个方法通过使用这里描述的压缩机系统来实现。在本发明的另一实施例中，这一方法通过使用不同的可变速压缩机配置来实现。随着压缩机速度的改变来控制润滑剂流量，可以使压缩机系统的效率被维持在最优水平上。虽然润滑剂溢流旋转螺杆压缩机可能在尺寸、最大输出和设计上略有不同，但它们效率的基本原则就是随着压缩机速度的减小，润滑剂流应该增加以实现更高的效率。不同压缩机速度的精确的润滑剂流率可以通过简单的测试来确定，如例子中的详细描述。一旦不同压缩机速度的最优流率被确定下来，它们就可以用于使压缩机最优化。压缩机的速度可以通过直接使用内部传感器，或间接地监测离开压缩机的气体流率或监测驱动压缩机的电机速度来确定。一旦压缩机速度被确定下来，它就可以与针对这一速度的预先确定的最优润滑剂流相符合。随后润滑剂流率被调节，以便匹配压缩机在这一速度的最优润滑剂流。
在本发明一个实施例中，润滑剂流随着压缩机速度的改变而连续改变。在本发明的另一实施例中，润滑剂流可在预定的间隔中改变。通过改变预定间隔的润滑剂流，系统可被设计为具有更少移动部件、更少调节和细调需要的形式。
虽然本发明已结合特定实施例所描述，但应该清楚的是，这些实施例仅用于展示本发明的原理。对本领域普通技术人员来说，本发明的系统和方法可以以其它方式和实施例的方式建立和实现。因此这里的描述不是用于限制本发明，其它相关实施例也在本发明限制范围内。
例子下面三个运行测试是在一个长与直径比为1.23且具有被修改的SRM C转子结构的204毫米的油溢流螺杆压缩机中进行的。这个压缩机仅仅用于展示本发明的例子，而并不意味着本发明限制于这个配置中。三种运行是在不同的油流率下进行的。下面的曲线表明了在不同的压缩机输出率下消耗多少能量(千瓦)来运送100立方英尺/每分钟(CFM(立方英尺/每分钟))的空气。因为按CFM的压缩机输出直接与压缩机速度成比例，所以这很好的说明了在不同输出水平上压缩机的运行效率。
在110 PSIG和25.5gpm的油流下的运行测试
在110 PSIG和20gpm的油流下的运行测试
在110 PSIG和15gpm的油流下的运行测试
图2是三个不同油流下的以CFM(立方英尺/每分钟)为单位的压缩机输出所对应的以千瓦每100CFM(立方英尺/每分钟)为单位的压缩机性能的对比图。实线代表15GPM的油流，短划线代表代表20GPM的油流，点线代表25.5GPM的油流。图中清晰的展示了在低压缩机输出情况下，从0到大约150CFM范围内，25.5GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的最低线所示。从150到大约335CFM范围内，20GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的最低短划线所示。在高流率范围内，325CFM以上的范围内，15GPM的油流率产生最高压缩机工作效率，如图中在此范围的实线所示。
由此图可见，最优化在输出率的很宽范围上工作的可变速压缩机的效率，需要改变油流率。本发明可以通过对可变速驱动器和相应改变的油流率，监测压缩机输出。这已在图3中展示出。图3展示了对应图2中测试的压缩机的最优油流。对本领域技术人员来说，这一概念可以在任何可变速压缩机中使用。
本发明的多个实施例已在本发明多个目的的实现中描述。但这些实施例仅用于说明本发明的原理，本领域技术人员易于理解的是，其中的多种修改和等效方案并不偏离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种用于在可变速压缩机内调节润滑剂流的系统包括一个压缩机，该压缩机具有一个用于所要压缩的气体的入口，一个润滑剂注射线，和一个用于被压缩气体和润滑剂流出的出口；一个用于观察压缩机工作速度的装置；一个流动控制接口，该控制接口包括一个用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀；一个用于与观察压缩机工作速度的装置和油流控制接口相联接的控制逻辑，其中，该控制逻辑接收来自用于观察压缩机工作速度的装置的信号，并给油流控制接口发送信号，以响应基于工作速度的预先确定的压缩机的最优润滑剂流率，调节通过阀的油流。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个压缩机电机，其中压缩机电机驱动压缩机，并且压缩机的工作速度可以通过压缩机电机的速度来观测；控制逻辑与压缩机电机相联，并接收驱动压缩机的电机的工作速度。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括一个可变速驱动器，其中可变速驱动器控制压缩机电机，并且压缩机的工作速度可以通过可变速驱动器观测；控制逻辑与可变速驱动器相联，从而使可变速驱动器的速度被传送到控制逻辑。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀是一个电磁阀。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阀包括两个或多个阀。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个旋转螺杆压缩机。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个油溢流旋转螺杆压缩机。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述压缩机是一个水溢流旋转螺杆压缩机。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑是可变速驱动器的一个整体部件。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，油流控制接口是空气压缩机的一个整体部件。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，压缩机系统进一步包括多个润滑剂注射线，并且至少一个润滑剂注射线被油流控制接口控制。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，多个润滑剂注射线包括不同尺寸的孔。
13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括一个流体地连接到压缩机出口的空气-润滑剂分离器；一个润滑剂冷却器；一个润滑剂过滤器；其中空气-润滑剂分离器、润滑剂冷却器和润滑剂过滤器流体地互相连接，并且它们通过润滑剂注射线与压缩机相连接。
14.一种用于调节可变速压缩机内润滑剂流的系统，包括一个油溢流旋转螺杆压缩机，该压缩机具有用于所要压缩的气体的入口，一个油注射线，和一个用于被压缩气体和油流出的出口；一个可驱动地连接到压缩机的压缩机电机；一个可控制地连接到压缩机电机的可变速驱动器；一个油流控制接口，该控制接口包括一个用于调节通过油注射线的润滑剂流的电磁阀；一个用于与可变速驱动器和油流控制接口相联的控制逻辑，其中，控制逻辑接收来自于可变速驱动器的指示压缩机工作速度的信号，并发送信号给油流控制接口，以响应基于工作速度的预先确定的压缩机的最优润滑剂流率，调节通过电磁阀的油流。
15.一种用于调节可变速压缩机内润滑剂流的方法，包括以下步骤测量压缩机工作速度；决定用于工作速度的适当润滑剂流；开启或关闭阀以便调节润滑剂流。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，压缩机的工作速度是通过观测控制压缩机电机速度的可变速驱动器的速度近似估计的。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，润滑剂流随着压缩机速度的降低而增加。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，润滑剂流随着压缩机速度的增加而减少。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述阀当压缩机速度变化时被调节。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述阀在预先确定的压缩机速度下被调节。
21.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是油。
22.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述润滑剂是水。
全文摘要
一种用于调节可变速压缩机内润滑流的系统和方法，包括一个压缩机，该压缩机具有用于所要压缩的气体的入口，至少一个润滑剂注射线和一个用于被压缩气体和润滑剂流出的出口；一个油流控制接口，包括至少一个用于调节通过润滑剂注射线的润滑剂流的阀；和一个控制逻辑，与压缩机相联，从而压缩机的工作速度被传送到控制逻辑，并且控制逻辑与油流控制接口相联，从而控制逻辑给油流控制接口发送信号，以便打开或关闭至少一个依赖于压缩机预定最优润滑剂流率的阀，该压缩机预定最优润滑剂流率是基于工作速度的。这使得通过压缩机的润滑剂流响应压缩机在不同速度下的工作需要而被改变。
文档编号F04C28/00GK1512073SQ200310120510
公开日2004年7月14日 申请日期2003年12月12日 优先权日2002年12月13日
发明者史蒂文·D·森特斯, 史蒂文 D 森特斯 申请人:科尔泰克工业公司
再多了解一些
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