[发明专利]气冷式氦气压缩机

说明书

技术领域

本发明涉及一种在以吉福德-麦克马洪循环运行的低温致冷系统中使用的氦气压缩单元。尤其涉及，具有生态环保和经济效益之优势的气冷式压缩机的装置。

背景技术

GM循环致冷机的运行基本原理已被麦克马洪等的美国专利第2906101公开。GM循环主要因为可以利用为了能够以低成本提供高可靠性、长寿命的致冷机而大量生产的油润滑式空调压缩机，因此在小型商用致冷机中成为产生低温的优选手段。GM循环致冷机在氦被置换为所设计的致冷剂的情况下，也能在空调压缩机的设计范围内通过输入压力和功率而正常运行。典型地，GM致冷机在约2MPa(300磅每平方英寸，绝对压力)的高压(Ph)和在0.8MPa(117绝对压力)的低压下运行。GM制冷机中的低温侧膨胀器一般通过5m至20m长的气体管线从压缩机分离。膨胀器和压缩机通常设置在室内，压缩机通常通过水进行冷却，最典型的是，通过由水冷却单元进行循环的水进行冷却。有些压缩机是气冷式压缩机，设置在室内并通过由空调调节的空气冷却，或设置在室外并由室外空气冷却。

空调压缩机可以形成为各种大小和几种不同外观。为了使这些压缩机适合压缩氦气而提供的附加的冷却手段，在不同压缩机中各不相同。例如，消耗约200～600W的压缩机为典型的往复活塞式压缩机，其通过将气冷式翅片加在压缩机壳体上而进行冷却。消耗约800～4500W之间的最普遍使用的压缩机为旋转活塞式压缩机，这种压缩机中低压回流气体直接在压缩室中流动。在旋转活塞式压缩机中，油与氦气一起流入到压缩室中，并在压缩时从氦气吸收热量。大部分油在处于高压的压缩室中从氦气分离。Longsworth的美国专利第6488120号中公开了在壳体周围缠绕水冷管，然后在水冷管上进一步缠绕氦气冷却管和油冷却管而冷却氦气、油以及压缩壳体的方法。被冷却的油被注入到氦气回流管路中。实际上，压缩机被用作油泵。以往，消耗3000W～15000W的涡旋式压缩机和消耗15kW～50kW的螺杆式压缩机一直用于压缩氦气，但现在最大型的GM循环致冷机消耗约15kW。小型的往复式压缩机具有进气阀和排气阀，旋转活塞式压缩机具有排气阀。这些阀限制油的流量，允许的油量为行程容积的约0.5％，在不具有阀的涡旋式和螺杆式压缩机中，一般可以吸入行程容积的约2％的油。这些油量足够从压缩机吸入约75％的热量，剩余的热量留在氦气中。双方流路为了在压缩机的外部进行冷却而从压缩机流出，因此无需像具有阀的较小型的压缩机那样从压缩机壳体排除热量。

美国专利第US2007/0253854号公开了由Copeland公司制造的水平涡旋式压缩机，该压缩机一直被本发明的受让人应用于氦气的压缩。当流入空调致冷剂所需的油的数倍多的油时，可以使剩余的油迂回电机并直接流入涡管入口。Copeland压缩机需要有外部的散装油分离器，以用于从氦气分离大部分油。油和氦气中的热量在水冷式热交换器中被排除，然后油返回到压缩机，而氦气在流入膨胀器之前通过第二油分离器和吸附器。以往，为了将其变换为空冷式，如图1所示，将水冷式热交换器替换为空冷式热交换器。这种空冷式，在室内的空调环境中空气温度在15℃至30℃之间时运行良好。如实验证明，用户可以接受的最高热负荷为约3kW，当热负荷超过最高热负荷时，如果不能利用水冷却，则最好向室外空气释放热量。而要设计温度在-30℃至45℃的范围内变化的室外环境中可以运行的氦压缩机，存在很多问题。为了能够将最大排出温度维持在约低于85℃，油的循环速度被设定为足够高。这属于压缩机的容许范围内，与低温油相比，在高速油中可好排放被吸附在其中的污染物(主要是水蒸气)。这需要尽早安装吸附器，并且需要频繁地更换吸附器。在低的室外温度下，油变得非常粘，使压缩机难以起动。在过去，该问题通过将压缩机放置在具有可调整的百叶窗和风扇的小屋中来解决的，其中上述百叶窗和风扇对小屋进行恒温控制，以使小屋维持与室温相近的温度。这些特征中的一个或两个，可以被组装在压缩机的机柜内。为了在压缩机起动前加热压缩机需要加热器，然后利用压缩机排出的热量使小屋或机柜保持高温。本申请的受让人制造了室内用的氦气气冷式压缩机，其模型为CSA-71，该压缩机使用了日立的涡旋式压缩机，并且制造了在室外运行的压缩机，其模型为CAN-61，该压缩机使用了三洋的旋转活塞式压缩机。两者均采用了以往的冷却手段。