非同轴式润滑油分离器 发明背景
本部分继续专利申请来自于1993年11月16日提交、序号为08/153,709现已放弃的美国专利申请。
总体上讲，本发明涉及在压缩过程中已注入液体的致冷气体的压缩。更具体而言，本发明涉及在致冷系统中需要将夹带的润滑油从注润滑油地螺旋压缩机排出的致冷气—润滑油混合物中分离出来。
致冷系统中使用的压缩机将致冷气体的压力从入口压力提高到出口压力，由此使得该系统使用的致冷剂冷却所需介质。在这类系统中，采用了许多类型的压缩机，包括旋转的螺旋压缩机来压缩致冷气体。
在螺旋压缩机中，两个互补的转子位于转子外壳的工作室中。该外壳的低压端限定一个吸入口，它的高压端限定一个排出口。在入口压力下的致冷气体通过吸入口进入压缩机工作室的低压端，并且被包封在反转的螺旋转子之间形成的腔中。该气腔的容积减小，并且当压缩机的转子旋转且啮合时，该气腔沿圆周方向移到该工作室的高压端。
这个气腔中的气体被压缩，且由于容积的减小而被加热，该气体在气腔开口通向排出口之前被容纳在气腔中。该气腔随着容积的减小，最后开口通向位于转子外壳高压端的排出口，压缩气体由该排出口排出。
在大多数实施例中，在致冷系统申请中使用的螺旋压缩机包括润滑油注入装置。为此，润滑油以相当大的量注入工作室中(并由此注入被压缩的致冷气体中)。首先，注入的润滑油在压力作用下起到冷却该致冷气体的作用。因此，相互啮合的转子被冷却以在它们之间允许有很小的间隙。
其次，润滑油起到润滑剂的作用。螺旋压缩机中的两个转子之一一般由外源例如电马达驱动。啮合转子依靠与外部驱动转子的啮合关系被驱动。注入的润滑油防止在主动转子和被动转子之间的过多的磨损，另外，它被供给到压缩机中的不同的承载面以达到润滑目的。
最后，注入螺旋压缩机工作室的润滑油在转子之间以及在转子与工作室的壁之间起到密封层的作用，因为在各转子之间或在转子与转子外壳之间没有独立的密封件。如果缺少润滑油的注入，就会出现不利于压缩机效率的显著的泄漏通道。因此，注入的润滑油既能提高螺旋压缩机的效率，也能延长它的寿命。
进入螺旋压缩机工作室的润滑油的绝大部分被喷成雾状并且在压力作用下被夹带入致冷剂中。在很大程度上，这些润滑油必须从压缩机排出的富含润滑油的致冷气体中分离出来，使得到的润滑油回到压缩机以实现上述列举的目的。此外，必须实现从压缩的致冷气体中分离出过多的润滑油，以确保致冷系统中气体的性能并未受到将过量的润滑油引入并通过该系统的热交换器而带来的不适当的影响。
实现旋风式润滑油分离的先有设备在美国专利4,070,168，4,506,523和5,209,448中说明，后者已被转让给本发明的受让人。
′168专利指的是一种液—气分离器，其功能是通过使用涡壳将夹带的气体从液体例如原油中分离出来。分离器中混合物的通道的宽度被尽量增大。
′523专利被认为是许多先有的旋风式润滑油分离器的典型。然而，它采用的是同轴的排气管，故可以理解该专利与本发明的润滑油分离器有很大的差别。关于′523专利，排气管与分离器外壳是同轴的，且排气管在分离器外壳内部的直径被加大，被分离的致冷气体经该排气管从该分离器中排出。
最后，′448专利如同′523专利，就其个别独立部分而言，建议先前已知且通常使用的旋风式润滑油分离器，在该分离器中将涡旋作用引入液流以实现润滑油的分离。′448专利的分离器是唯一能将入口混合物分离成两个分流以供给到分离器中的不同位置，在那里产生润滑油的离心分离过程。
仍然需要更有效且尤其适于与螺旋型致冷压缩机一同使用的“旋风”式润滑油分离器。
发明概述
可以理解，本发明的主要目的是从液—气混合物中分离出夹带的液体，例如润滑油。
本发明的另一目的是在没有运动部件的设备中从气体中分离出液体。
本发明的又一目的是以这样一种方式，即在相关的冷却压缩机中不需要单独油池而从压缩的致冷气体中分离润滑油。
本发明的再一目的是利用离心力从液—气混合物中分离预定量的液体。
本发明的主要目的是以这样一种方式，即减少了气体中的压力损失而将致冷系统中的致冷气体和润滑油分离，由此提高了致冷系统的总体效率。
最后，本发明的另一主要目的是提供一种小型旋风式液—气分离器，通过采用非同轴排气管而提供较大的不受阻碍的入口，以这样一种方式，即既尽可能减小了气体中的压力降又允许分离器的尺寸小于那些在美国机械工程师学会(ASME)标准下认为是高压容器的分离器的尺寸，而使得润滑油从致冷气体中有效地分离。
本发明的润滑油分离器设计了一个圆筒形竖直向上的外壳，它的上端用盖盖上。这个盖可以是与外壳分开的或者与外壳一体，它限定了一个从螺旋压缩机得到的冷却的气—润滑油混合物的入口以及一个由连接致冷系统冷凝器的排气管所穿透的致冷气体出口。
该盖象外壳一样实质上为大体圆柱形且横截面为圆形。由盖限定的排出口相对于盖的圆形横截面的中心线是非同轴的，因此排气管相对于分离器外壳的中心线是非同轴的。
可以理解，由于使用非同轴的排气管，润滑油分离器的入口可以被加大而仍然不受排气管的阻碍，由此允许从压缩机得到的冷却的气—润滑油混合物增大流动的横截面面积。由于流动面积增大，当致冷气体流入、通过及流出分离器时，致冷气体中的压力降与具有同轴排气管的类似外壳直径的先前的分离器相比是减小的。
还可以理解，为了在排气管与分离器外壳同轴的分离器中获得同样的不受阻碍的入口流动面积，需要采用增大了直径的外壳，这可能会要求分离器满足美国机械工程师学会关于高压容器的技术要求。通过将分离器外壳的直径维持在小于美国机械工程师学会高压容器技术要求开始生效的直径，本发明的润滑油分离器在性能、制造及成本方面获得了显著的优点。
还可以理解，本发明中压力降的特性通过在分离器外壳内部的排气管的末端限定一个加大的入口而被提高了。在分离器外壳的内部限定排气管的一个增大的过渡入口会减小压力降，如果在这个位置不设置一个过渡入口，就会产生相反的效果。通过使气体和润滑剂的混合物经过分离器而被径向向外地推向分离器外壳的内壁，且由于它所处的流动面积的收缩而增加速度，该加大的入口还能提高润滑油的分离过程。
本发明的润滑油分离器的效率和物理特性还可以通过在分离器外壳中设置一块隔板而得到提高，该隔板将外壳的内部分成两个室。在上室中进行润滑剂的分离而在下室中进行润滑剂的收集与容纳。通过减小了实现良好的润滑油分离效果所需的分离器外壳的内部高度，使用隔板有效地缩短了润滑油分离器。
本发明的另一优点是关于排气管的双重作用，即可以是存在于、致冷系统中的管路，也是将压缩机连接到冷凝器(经由润滑油分离器)的管路。本发明的润滑油分离器的再一优点是通过适当地确定分离器外壳的长度可有助于使用容量变化的压缩机。
然而，可以理解本发明的主要优点是流经它的致冷气体的压力降的减小，而将分离器外壳直径维持在小于那些被认为是美国机械工程师学会高压容器的分离器的直径。
附图描述
图1示意地指明本发明的致冷系统。
图2是本发明的润滑油分离器的透视图。
图3是本发明的润滑油分离器的顶视图。
图4是沿图3中的线4-4截取的分离器的横截面图。
图5是沿图2中的线5-5截取的本发明的润滑油分离器的横截面图。
图6是本发明的替换实施例的横截面图。
图7是沿图6中的线7-7截取的视图。
优选实施例的描述
首先参照图1，致冷系统100包括冷凝器102，被冷凝的致冷剂通过计量装置104从冷凝器102被供给到蒸发器106。汽化的致冷剂从蒸发器106被供给到压缩机108，该压缩机最好是旋转的螺旋压缩机。压缩机108将压缩的致冷气体和夹带的润滑油的混合物排出到润滑油分离器10，该分离器将润滑油从混合物中分离，它将被进一步描述。已由分离器10脱离出润滑油的气体被供给到冷凝器102以完成冷却回路，而分离出的润滑油被重新供给到压缩机以实现上述列举的目的。
同时参照所有的附图，润滑油分离器10包括一个竖直向上的圆筒形外壳12，该外壳的上部由盖14封闭。外壳12限定油池16，从进入分离器10的致冷气—润滑油混合物中分离的润滑油被排放到该油池中。分离出的润滑油从油池16经管道18被供给到压缩机108。
外壳12的盖14限定一个入口20和一个排出口22。入口20由管道24穿透或被连接到管道24上，压缩的致冷气体和夹带的润滑油的混合物通过该管道从压缩机108连通至分离器10。从附图中可以理解，管道24经过入口20并穿入润滑油分离器的内部。然而，应当指出正如在此引入作为参考的′448专利说明的，入口管道可以存在于盖14的成形部件中。该入口管道并不是必须穿入分离器外壳的内部。在任何一种情形下，从压缩机得到的混合物被切向地排出并沿分离器10的内侧壁进入它的内部。
盖14中限定的排出口22相对于盖14的中心线是非同轴的。这样，排气管26穿透盖14且延伸进入外壳12，以这种方式排气管的中心线与外壳12的中心线偏离且是非同轴的，并且分离器成为一个整体。
由于排气管26相对于外壳12的中心线是非同轴的，盖14中的入口20最好位于外壳12或盖14的周边上，使得它的直径以及所处的横截面流通面积被增大。由此，当从压缩机108排出的冷却的气—润滑油混合物流入分离器10时，它的流体阻力被尽可能减小，同时伴随着致冷气体中压力损失的尽可能减小和整个系统效率的提高。
图4中最佳示出，入口管道24的直径可以增加一个尺寸D，该尺寸D标称地示出排气管26的中心线28与润滑油分离器10的中心线30的偏移量。可以理解，入口20的直径可以被增加，使得它大于分离器外壳直径的一半，以这种方式使得进入分离器的混合物不冲击排气管而且混合物的流动也不受到排气管的阻碍。
应当指明，排气管26的开口下端32被设置在润滑油分离器10的内部，排气管26穿入外壳的内部一段长度，使得它的下端32位于入口20之下。因此，排气管的端部32的目的是将从分离器出来的致冷气体连通到系统冷凝器，当充满润滑油的致冷气体通过入口20进入分离器的内部时，该端部32与充满润滑油的致冷气体有效地隔离，且该端部32被置于距分离器外壳的内侧壁较远的区域，在该区域存在已经脱离润滑油的致冷气体。
操作中，致冷气体和润滑油的混合物通过入口20沿外壳12的内侧壁切向地进入该外壳12。该混合物旋转着且沿基本上螺旋状的路径沿着该外壳的内壁向下。可以理解，由于混合物中夹带的润滑油比夹带它的致冷气体重，因此由混合物的气旋流产生的离心力促使润滑油沿径向向外移动且冲击并粘附于分离器外壳的内壁，并且在重力的作用下使润滑油沿该内壁向下流动。分离出的润滑油收集在油池16中。
外壳12的轴向中心区域一般包含已经分离出润滑油的致冷气体。由于夹带润滑油的致冷气体连续进入润滑油分离器的上部区域并由于操作时致冷系统中分离器下游存在较低的压力，因此这些已经分离出润滑油的致冷气体进入排气管26的开口端32。
当压缩机操作时，油池16中的润滑油同样也在存在于润滑油分离器内部的排出压力的作用下进入管道18并由此进入压缩机中需要冷却、密封和润滑的各个部位。通过设计，这些部位通向或通入压缩机中压力低于其排放压力的区域。
因此，润滑油和脱离出这些润滑油的致冷气体都由分离器10驱动并被供给到致冷系统中的那些部位，在这些部位中它们可以通过存在于润滑油分离器和这些部位之间的压力差而被再次利用。无需润滑油分离器中或与其相关的机械辅助或运动部件就可实现所述供给。可任选利用一个油泵(未示出)，使润滑油从油池16回到压缩机108。
应当指出，附图1-5示出的润滑油分离器提出入口20被管道24穿入，该管道的末端34位于最接近排气管26的位置。然而，可以理解在这两种情况下，进入外壳的混合物不受非同轴排气管的阻碍，因而无需管道24的部分穿入润滑油分离器。也应当指出，虽然在优选实施例中盖14是外壳12的一个独立部件，但外壳12事实上可以是单一整体的。
现在参照图6和图7，它们描述了本发明的替换实施例。在图6和图7的实施例中可大致看到，排气管26在它的下端32设有一加大的部分50并且在加大部分50的下端54与在外壳底部12中所限定的油池16的表面之间设置了隔板部件52。加大的部分50是排气管的锥形或仿形的过渡部分，它可以是排气管26末端的整体成形件或例如采用焊接固定于其上的一个独立件。
通过在排气管26上附加或利用过渡部分50提高了润滑油分离器的性能和效率。在这方面，在加大部分50径向最外端边缘和外壳12的内壁56之间的减小的流通面积与加大部分50的锥形悬挂轮廓一起用于引导润滑剂和致冷气体并使其偏斜，而且提高了气流的速度，其中该致冷气体沿径向向外地朝着外壳12的内壁流去。采用该分离器结构通过提高润滑油的冲击增强了被夹带的润滑剂从致冷气体中的分离，而比那些未采用加大部分50的分离器，这种润滑油分离器整体上的压力降特性提高了。
采用安装在外壳12内部的隔板52同样也是有利的，隔板52有效地将外壳12的内部分成第一部分58和第二部分60，且隔板52与外壳12的内壁共同限定了通道62。或者隔板52本身可以限定流动通道，该隔板实质上是圆形的并且与圆筒形外壳12内部的圆形横截面直接配合。
外壳12的部分58可以称为分离室，而部分60与后面限定的油池16可以称为收集室。由于减小了在外壳12内部的排气管的入口(不论它是加大部分50的入口或是未采用加大部分时管26的入口)与油池16的表面之间的距离，使用隔板52可以缩短外壳12的所需高度。
在这方面，在外壳12的部分58中产生动态的润滑油分离过程，其中，在隔板与流入和经过外壳的部分58的气流和润滑剂的相互物理作用中，该隔板52起到主动作用。由于部分60和外壳12的油池16被隔板52与正在部分58中进行的动态的分离过程隔开，因此部分60与外壳12的油池16都能维持相对的平静。因此，外壳12中排气管的入口与油池16的表面之间的隔开距离被减小了。
可以理解，设想了彼此独立地使用加大部件50或隔板52或者将它们与附图1-5中的分离器实施例联合使用。还可以理解，如果排气管26穿入到外壳12的下部而不是上部且向上延伸通过油池16，使得它的开口端32向上开口通入外壳的内部，本发明的润滑油分离器设备是可以操作的且高效的。在那种情况下，外壳12的入口20将被设置在排气管的向上开口端32与油池16的表面之间。排气管穿透外壳的下部而不是上部在这些情况下是有利的，即在特定的致冷系统或设备中润滑油分离器的使用或应用的场合中，从组装或管道布线观点看，润滑油分离器10的布置使排气管这样的布置成为有利的。最后，在图6和图7的实施例中，图中示出入口管24并没有穿入外壳12的内部的情形，在上述的某些设计的情况下这可能是有利的。
虽然本发明的致冷系统的润滑油分离器是以优选实施例公开的，但可以理解，可在它的范围内做出不同改型。因此，本发明的范围将仅仅按照下面的权利要求书中的内容而受到限制。