专利名称：带有干燥器和无线电发射控制装置的气体压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体的压缩。更具体地说，本发明涉及用于由天然气和/或氢气驱动的车辆中的天然气和/或氢气的压缩。详细地说，本发明涉及作为压缩过程的一部分来去除水汽和将所去除的水分与其中的杂质分离的设备和方法。本发明也涉及使电磁辐射的释放最少的问题。
背景技术：
人们知道要从气体去除水分来存储这样的气体以供在汽车中使用。许多其它的应用场合也要从压缩的气体中去除水分。通常，在气体压缩循环的过程中，被压缩的气体在一干燥剂层上通过，由该干燥剂层来从气体去除水分。最终，干燥剂将会饱和。可采用一水分传感器来检测流出压缩机的气体中所含的水分量，感知何时在压缩机输出处的水分含量升高到超过一允许的范围而在一上限之上。或者，可将一干燥层使用一段预定的时间。在任一情况下，最终都将需要使干燥剂层再生的一再生阶段。
用于干燥气体流的技术已建立得很完善了。它包括吸收和冷凝方法以及使用膜分离系统。这些技术被单独使用或组合使用的这些技术的例子为美国专利第5,034,025号、第5,071,451号和第5,240,472号以及这里所涉及的现有技术。
这种类型的现有压缩机已采用了连续、使用两个层的系统来工作的气体干燥结构。这种类型的例子包括美国专利第6,117,211号。
本发明的目的在于，压缩天然气且通过采用不连续地使用单层的系统来工作的气体干燥结构来使压缩好的气体中所存在的水分量减小，而该单层系统中最后中断气体的压缩以使系统能进行再生。
在对气流的处理中，去水过程产生提取出的水，这些水可能会含有来自主流的微量杂质。在天然气的情况中，这些杂质包括硫化氢、二氧化硫以及硫醇。丢弃这种类型的含有杂质的水可能会受到环境保护方面的限制。
所产生的析出水由于其中所含有的杂质而不能就地释放到环境中。除了有关环境危害相关的事宜之外，即便是来自天然气流的微量的有机或硫磺成分的气味，也会告诉消费者在该压缩机系统中发生了泄漏。
本发明的一个目的在于解决在这些情况下如何方便地处置分离出来的水的问题。
本发明还有一个目的在于使压缩机系统工作的过程中就释放的电磁辐射最少。
将先以总体形式描述本发明，然后，再将参照附图详细描述按照具体实施例的其实现方式。这些实施例用来说明本发明的原理及其实现方式。然后，在对本说明书给出结论的各项权利要求中的每一项中，将进一步描述说明在其最广泛的范围中的本发明及其更多的具体形式。
发明内容
在一个方面，根据本发明，一种在一气体压缩循环上正常工作的气体压缩机设有一气体干燥器级，该气体干燥器级包括定位成串联在气体压缩循环中穿过压缩机的气流中(in-line with)的单个干燥剂层。一冷凝器也设置成串联在这样的气流中，该冷凝器在压缩循环中是不工作的。干燥剂层和冷凝器的温度都是可控制的，较佳的是通过电气装置来控制。在压缩循环的过程中，这样的温度控制器较佳的是不工作的。不过，当进入再生循环后，就加热气体层，并冷却冷凝器。
在一阀装置的致动所引起的再生循环的过程中，被捕获在压缩机、干燥剂层以及冷凝器内的气体从压缩机的出口被重新导向，以作为穿过压缩机的一再循环气流而在一闭合回路中循环，且这样的再循环气体的至少一部分穿过干燥剂层和冷凝器。这就使从干燥剂层放出的水能被再循环气体载带至冷凝器，这些水在冷凝器中由于温度控制装置在冷凝器内所保持的低温状态而冷凝。
更具体地说，在一较佳的实施例中，压缩机的出口通过一电子控制的阀连接至输送管线，所述输送管线在压缩循环中将压缩气体带离到存储罐中。当压缩机停止以压缩模式工作时，电气控制的输送阀将气流从输送管线转换入压缩机的一壳体空腔的内部容积。压缩机从其壳体空腔抽吸其输入物。
在输送管线中所产生的压力降致使位于含有高压气体的外部储罐处的一止回阀关闭。被捕获在输送管线中的压缩气体然后就“排气”至壳体的内部容积中，产生一适度地升高至高于供应管线压力(例如30-60psi)的压力状态。因为气体源压力仅为0.2至0.5psi，所以在供应管线入口处通向内部容积的止回阀然后就关闭了。
由于将压缩机的输出重新导向至壳体容积中，被捕获的气体此时就能在穿过压缩机、干燥剂层、冷凝器以及壳体容积的一闭合回路中循环，且该捕获的气体用作用以再生干燥剂层的一残气。气体在该闭合回路中的循环在一较低的气体流速下进行，以使穿过冷凝器的循环气体在其流出冷凝器时基本上、较佳的是完全被冷却。作为一较佳的工作模式，这可使从干燥剂层至冷凝器的传湿效率最高。
可以通过降低压缩机电动机的速度而以较低的流速进行循环。或者，一个或多个阀控制的旁通管路可绕干燥剂层和/或冷凝器转向一部分的循环气体，从而仅允许有限量的气体流过这些部件。可将通过阀或者通过其它流速限制装置而形成的在该层上的允许流速设定成与从这种气体的蒸汽冷凝相匹配。这种结构使系统能利用定速电动机来工作。
在再生过程中，从干燥剂层析出的水提高了循环气体的含湿量。在此阶段加热干燥剂层，以增强其水分释放。然后，呈蒸汽形式的释放出来的水将被气流带至冷凝器，并在那里由于冷凝器内所保持的低温状态而冷凝。流出冷凝器的循环气体以冷却的、蒸汽饱和的状态离开冷凝器。当循环气体到达加热的干燥剂层时，它的温度已升高，并且该气体不再蒸汽饱和了。因此，加热了的循环气体就能在其从干燥剂层之上通过时从干燥剂层吸收更多的水分。
为了处置冷凝器内所冷凝出的水，可简单地将这样的水收集起来。不过，为了实现延长的、独立的操作，将冷凝水引导、较佳的是在重力作用下流动引导成与一半透膜接触，该半透膜使水能蒸发。与此同时，存在于冷凝物内的芳香族化合物通过膜而保留在冷凝器内。为了增强水穿过半透膜的蒸发和流动的速率，较佳地是可设置一外部风扇和可选用的加热器元件，以使温暖的空气循环经过膜表面。
重要的是应注意到，根据本发明，冷凝器在压缩循环的过程中定位成串联在气流中。这可将冷凝器和半透膜暴露于一压力升高的状态。在本发明的一较佳的变化形式中，压缩机是一多级压缩机，并且干燥剂层和冷凝器串联地设置在相继的级之间、较佳的是在压缩机的第一和第二级之间。因此，尽管冷凝器暴露至一压力升高的状态，但这不是压缩机所产生的最终的最大压力。而是仅在第一级压缩之后升高的一中间压力。
在本发明的、冷凝器直接连接至穿过其而使冷凝水能蒸发到环境中半透膜的较佳实施例中，对冷凝器所暴露于的压力的这种限制是尤为重要的。这样的膜仅能承受中等的压差。在多级压缩机的情况中，第一和第二级之间所形成的压力不会过高以致不能使用这样的半透膜来作为处置水冷凝物的装置。膜的一较佳的形式是用吸湿离子交换膜(Hydroscopic Ion Exchange Membrane)制成的管道。
因此，根据该较佳实施例，积聚在冷凝器中的冷凝水直接或最终通过较佳的是穿过半透膜释放到环境中而被处置掉。使用这样的膜保证分离和留下可能存在于水冷凝物中的有气味的复杂分子，而仅有纯水被释放到环境中。
一旦再生好干燥剂层，就终止对层的加热。还有，如果采用对冷凝器进行冷却和对半透膜进行加热，则也终止这样的操作。之后，致动阀装置，以将压缩机的出口级重新连接至输送管线。然后，如果压缩机电动机已减速的话，它就加速，以恢复压缩循环，并且通向供应管线的入口自动重新打开。或者，如果采用的是定速电动机，则旁通管线关闭，使正常的压缩循环得以恢复。
在还有一个较佳的变化形式中，压缩机被装在一密封的金属壳体内。供应气体穿过一止回阀进入该壳体的内部容积，并从该内部容积的曲柄部分被抽吸入压缩机。电动机、较佳的是一变速电动机，以及较佳的是输送电流至电动机的控制电路也位于该壳体内。在这些较佳的情况中，电动机是交流感应电动机，并且在变速的情况中，控制电路产生变频的交流信号，藉此可根据系统的要求而改变电动机的速度。
本发明的再一较佳的特征是，不仅操作压缩机机构的电动机装在与压缩机相同的壳体内，而且向电动机输送电力的控制电路也装在壳体内。通过这种结构所获得一个有利的结果是可将从电动机控制器输送至电动机的电流所产生的电磁发射限制在该金属壳体内。
控制电路可通过壳体壁的密封穿孔输送360伏特DC下的电流。电动机控制电路可工作以产生频率约为60Hz、但带有多个谐波的交流电流。输送至电动机的电力在通常的最大水平下提供约8至10安培的电流。在带有这样的频率的这样的电流的电动机的控制电路之间延伸的布线所产生的电磁辐射是一电磁辐射源。通过将该布线限制在金属壳体内，就可屏蔽来自该电磁辐射源的电磁辐射以阻止其进入周围环境中。
在启动时，较佳的是采用较低的电动机速度，以减少否则会在供电系统上产生的高启动电耗。这就使该装置能以标准的家用电压(例如110-120伏特)、采用适度的熔断保险丝的供电系统为动力来运转。在启动之后，可以高电动机速度来进行初始的压缩。一旦在汽车燃料储罐或其它输送容器中形成较高的压力，就降低电动机的速度以减轻活塞环摩擦和限制功率消耗。这个过程尤为适合于无油压缩机，这是因为当压缩机系统以高速抵抗高背压工作时，这种装置中的压缩机汽缸内的密封环的磨损速率会增加。
此外，在使用可连续控制的变速电动机的情况中，也可控制电动机的速度来避免其机械部件所产生的固有共振频率，否则这样的共振会增加装置所产生的噪音和振动。
前面的内容概括了本发明的主要特征以及它的一些可选用的方面。通过下面结合附图对较佳实施例的描述，可以进一步理解本发明。
图1是停放在一汽车库中的一气体燃料汽车的图示，该汽车库设有安装在其内部上的一根据本发明的家用加燃料装置。
图2是示出该装置除了电动机和压缩机之外的基本部件的示意图，所述基本部件包括干燥剂层、主逻辑控制器、电动机控制电路以及各种传感器。
图3是与图2不同形式的示意图，示出在压缩循环中的气体流动。
图4是如图2所示的示意图，示出该装置在再生干燥剂层且电动机速度可变的再生循环中的基本流动图。
图5是在其直接的壳体内的压缩机/电动机组件和干燥器部件的侧视截面图。该压缩机壳体容纳电动机、一排气容积以及电动机控制电路。还示出了一用于容纳冷却空气流的附加壳体体或通风罩。
图6是图2所示的干燥器、冷凝器以及半透膜部分的详细的示意前视截面图，且半透膜呈水的冷凝物在重力作用下进入穿过的一管子的形式。
图6A是图6所示的干燥器、冷凝器以及半透膜部分的前视截面图，且示出水的冷凝物在存在由风扇所产生的加热气流的情况下穿过其蒸发的半透膜管。
图7是图5和6a所示的半透膜的详细的、特写的侧视截面图，且示出围绕盘管的气流。
图8A和8B是如图2中那样的、示出该装置在再生循环过程中的基本流动图的示意图，其中，电动机的速度是固定不变的，且干燥器-冷凝器有一旁通线路，该旁通线路能通过将气流转换入循环回路或/和壳体空腔来使穿过干燥器-冷凝器的气流转向，以使冷凝器内可产生较低的气体流率。
具体实施例方式
在图1中，家用加燃料装置1所示为安装在一汽车库壁上，且高压排放或输送软管2连接至一汽车，入口或供应软管3提供一气体6的供应源，以及电气软线4插入一标准的家用插座。
图2示出了示出了在压缩模式工作的该单元。在图2中，可能含有杂质8的管线气体6进入壳体26的内部容积14，管线气体6从该内部容积14被抽吸入压缩级5的一系列四个压缩级28、32、33、34中的第一个。管线气体6的压力通常在0.2与0.5psi之间，并通过第一压缩级28所产生的抽吸作用而被抽吸入内部容积14。一管线气体压力传感器21探测管线气体的压力，并向主逻辑控制器46提供一信号。
当离开第一级28后，气体6穿过容纳在一吸收腔室29中的一干燥剂层7。该干燥剂材料(诸如活性氧化铝或沸石)层7吸收气体6中的水分，包括杂质8中的至少一些。在从吸收腔室29流出后，经干燥的气体继续流入一冷凝器的容积中，在这个阶段，冷凝器30是被动的。穿过管道55流出冷凝器30之后，气体6继续流至压缩级5的接下去的第二级32。在图3中示出了在该压缩循环中的气体流动。
如图4所示，以及在图6和6A中更加详细地所示，当压缩循环终止时，通过将干燥剂7暴露于被捕获在压缩机5、电动机27、干燥剂层7以及冷凝器30中的气体流所形成的的一残气13，来再生干燥剂7。如图4所示，以较低的流速抽吸残气13穿过吸收剂层7，这可选用通过改变电动机27来使其低速工作而实现。通过残气13的干燥状态(如下面进一步描述的)、通过其压力以及通过附加地向吸收剂层7供应热量，来促使吸收剂层7中的水分蒸发到残气13中。
气体流出层7后，就流入含有一热交换表面的冷凝器30，该热交换表面较佳的是通过基于珀尔帖效应工作的一电气致动的冷却块53来进行冷却。
然后，此时已在冷凝器30中被去除了水分的冷却的循环残气13流入一返回管道55，该返回管道引导至压缩机的第二级32。电动机27和压缩机的低速工作致使该扫气13不停地循环，直至再生循环终止为止。
为了加速再生循环并帮助随后复原水，一恒温控制的电气元件52使干燥剂7变暖。变暖的、潮湿的残气可在其穿过冷凝器30时更加有效地释放水分。
如图2和6所示，液化的水54作为冷凝物积聚在冷凝器30的底部中，并在冷凝器内的返回管道55的高度之下。冷凝的水54将含有一些残余的杂质8a。可以简单地积聚和收集该水的冷凝物54、包括存在于其中的残余杂质8a，或者然后可使其流至一独立的腔室，该独立的腔室较佳的是其壁由一半透膜61形成的管道31的形式。半透膜61仅允许水作为渗透物穿透。在膜61的另一侧上，穿过其扩散的水蒸发。可以通过一风扇42所产生的气流来加速这个过程。在这种情况下，罩43用来将一恒定的气流输送到膜61之上。可供选用的是，用一膜加热器56来加热膜附近的气流。
来自风扇42的循环气流也可用来冷却冷凝器30，较佳的是利用单独的管道(未示出)来进行冷却。
当水扩散穿过膜61时，一些杂质8a可能会积聚在膜61的内表面上。最终，扩散的速率可能会降低到必须清洁或更换膜61的水平。
在前面的描述中，半透膜61可以是作为独立腔室壁的一部分装配的一板的形式。图6和7示出了一较佳的变化形式，其中半透膜所示为一管子31。该管子31较佳的是具有由半透的吸湿离子交换膜材料制成的壁。已经发现，改性的Teflon(TM)所制成的管子形式的膜适合于本应用场合，表现出在使用寿命中的实际耐用性。
应注意到，吸收剂腔室29和冷凝器30被容纳在压缩机5的高压区域内、第一级28与第二级32之间。该区域中的压力在压缩循环中仅约为200psi。实际上，该压力水平增强了气体干燥的效果。已经发现，在这些压力水平，管道形式的半透膜61可延伸到该加压区域之外，并依靠固定联接器57以密封管道31与冷凝器腔室30之间的连接。使用多级压缩机尤为利于这种结构。
如图2中所示的其它部件包括一入口过滤器22、一高压转换器24、引导至一排气口的一减压阀25、在第四级34中用以释放过高的超压的一爆破隔膜、一串联设置的脱落式连接器36、车辆连接喷嘴38、一气体泄漏检测传感器39、一气流传感器40以及一周围空气温度传感器41。
在图8A和8B中示出了为定速电动机的一变化形式，其中，在再生过程中，由主逻辑控制器46致动的一阀61打开一旁通管线60或60A。由于该旁通，残气13以较佳的流速穿过干燥剂材料7和冷凝器30。阀61以及相关的流动限制装置所允许穿过该再生支流的残气13的量设定成使蒸汽蒸发和冷凝过程的效率最高。再循环气体13或者通过旁通管线60转向至第二级32，或者通过旁通管线60A转向至壳体容积14，或者可以组合使用两个旁通管线。
参见图2，压缩机5、电动机27以及电动机控制电路45都位于壳体26内，(将压缩机组计为壳体的一部分)，该壳体26又被一外罩43所包围。根据本发明的一个变化形式，向电动机27供应电流的电子电动机控制器45较佳的是位于电动机/压缩机组的完全容纳的环境内。该密封的环境也是由包围电动机和压缩机零件的同一金属壳体26来构成。特别是，电动机控制电路45位于整个地密封在壳体26内的排气容积14中。壳体26的金属壁起到电动机控制电路45所产生的热量的散热件的作用，还起到由于延伸在电动机27与电动机控制电路45之间的布线所产生的向外的电磁发射的屏蔽件的作用。
如图2所示，由一电源47供电的主逻辑控制器46能致动电动机27，并通过电动机控制电路45以可变速的方式控制其速度。主逻辑控制器46与电动机控制电路45之间的信号在一密封的入口部位44处穿透壳体26。指令逻辑电路46通过沿着光纤传送的数字编码信号发送和接收指令和数据。这就可使含有让于稍稍加压状态下的天然气的壳体26的金属空腔内部14的电气穿透量最少。
结论上述的实施例仅仅是示例性的。在下面的权利要求中将进一步描述和限定在其最宽泛的含义下的本发明及其更多具体的方面。
这些权利要求以及这里所用的语言应籍助于已描述的本发明的诸变化形式来加以理解。它们并非要限制于这么些变化形式，而是将其阅读理解为涵盖本发明的全部保护范围，如本发明和本文已经揭示的内容所隐含的那样。
权利要求
要求排他的所有权或特权的本发明的实施例如下所限定1.一种气体压缩系统，该系统在正常情况下以一气体压缩循环工作，但也可以一干燥器再生循环工作，所述系统包括1)由一电动机驱动的一压缩机，该压缩机至少具有一第一级入口，来自一气体供应入口的要进行压缩的气流穿过该第一级入口；2)在压缩机出口处的一气体输送出口，用以将气体供应至一输送管线；3)一气体干燥器级，它包括定位成串联在气体压缩循环的过程中穿过压缩机的气流中的一干燥剂层；4)一冷凝器，它也定位成串联在气体压缩循环的过程中穿过压缩机的气流中，该冷凝器在压缩循环的过程中正常状态时是不工作的；5)用于控制干燥剂层和冷凝器的温度的温度控制装置，该装置在压缩循环的过程中是不工作的，但一旦进入一再生循环，这样装置就可致动，以加热干燥剂层和冷却冷凝器；以及6)用于将气流从输送出口转换成穿过压缩机再循环的阀装置，籍助于该阀装置，在由阀装置的致动所产生的再生循环的过程中，被捕获在压缩机、干燥剂层以及冷凝器内的气体被从压缩机的出口重新引导，以作为穿过压缩机的一再循环气流在一闭合回路中循环，且这样的再循环气体的至少一部分穿过干燥剂层和冷凝器，以使从干燥剂层析出的水能被再循环气体载带至冷凝器，这些水在冷凝器中由于温度控制装置而在冷凝器内所保持的低温状态而冷凝。
2.如权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，压缩机是具有至少第一和第二级的一多级压缩机，并且干燥剂层和冷凝器串联地设置在相继的级之间、较佳的是在压缩机的第一和第二级之间。
3.如权利要求2所述的压缩机系统，其特征在于，冷凝器产生作为冷凝物的水，且还包括一半透膜，冷凝水能穿过该半透膜蒸发到环境中去。
4.如权利要求3所述的压缩机系统，其特征在于，膜呈由重力进行充装的管道的形式。
5.如权利要求1所述的压缩机系统，其特征在于，压缩机包括一密封的金属壳体，该壳体设有连接至所述气体供应入口和第一级压缩机入口的一内部容积，所述内部容积还包括1)容纳在其中并连接以驱动所述压缩机的所述电动机，和2)在所述气体供应入口处的一供给阀，当阀装置将气流转换成穿过压缩机再循环时该供给阀关闭，当压缩气体穿过输送管线时该供给阀打开，藉此，根据阀装置的致动状态，就可以由第一级压缩机从所述气体供应入口或从所述压缩机出口抽吸入壳体的内部容积中的气体。
6.如权利要求5所述的压缩机系统，其特征在于，包括一主逻辑控制器，该主逻辑控制器连接至电动机控制电路以使电动机变速地工作用于以较低的速度运转电动机和压缩机，在再生过程中，所述速度调节成限制再循环气体穿过冷凝器的流动，使这样的气流在流出冷凝器时被冷却，藉此来实现从干燥剂层到冷凝器的传湿。
7.如权利要求6所述的压缩机系统，其特征在于，电动机是一交流感应电动机，并且电动机控制电路产生一频率变化的交流信号，藉此，可根据这样的变化的频率来改变电动机的速度。
8.如权利要求5所述的压缩机系统，其特征在于，包括连接至在一旁通管路上的一旁通阀的一主逻辑控制器，该旁通管路将在循环气体转向离开穿过所述干燥剂层和冷凝器，以致在再生过程中限制穿过冷凝器的再循环气体流动，使这样的气流在流出冷凝器时被冷却，藉此来实现从干燥剂层到冷凝器的传湿。
9.如权利要求5所述的压缩机系统，其特征在于，包括位于壳体内、用以向电动机输送电流的电动机控制电路，所述电动机控制电路通过被所述壳体屏蔽的布线连接至所述电动机，藉此由从电动机控制器输送至电动机的电流所产生的电磁发射就不会发送到金属壳体外面。
10.一种气体压缩机系统，该系统包括1)一压缩机，它至少具有一第一级入口，以接纳来自一气体供应入口的要被压缩的气流；2)连接成驱动所述压缩机的一电动机；3)在压缩机出口处的一气体输送出口，用以将气体供应至一输送管线；4)包围电动机的一密封的金属壳体；以及5)位于壳体内、用以将电流输送至电动机的电动机控制电路，所述电动机控制电路通过被所述壳体屏蔽的布线而连接至所述电动机，藉此由从电动机控制器输送至电动机的电流所产生的电磁发射就不会发送到金属壳体外面。
11.如权利要求10所述的压缩机系统，其特征在于，所述密封的金属壳体形成连接至所述气体供应入口和第一级压缩机入口的一内部容积，从而允许压缩机从该内部容积抽吸气体。
全文摘要
根据本发明的气体压缩机装置包括插入在压缩循环的气流路径中的单个气体干燥剂层和冷凝器(在压缩阶段中不工作)。在多级压缩机的情况中，单个气体干燥剂层较佳的是插入在第一和第二级之间。通过将该层暴露于一再生循环，从而周期地去除被吸收入该层水分。所采用的再生循环是基于在该装置暂停输送压缩气体时存在于压缩机和干燥剂层自身中的气体、以及存在于再循环回路中的其它气体的闭路的再循环。使从干燥剂层去除的水分冷凝，并较佳的是通过一半透膜而蒸发到周围环境中去。电动机和电动机控制器在通常情况下与压缩机设置在一起，以使电磁发射最少。
文档编号B60S5/02GK1720090SQ200380104914
公开日2006年1月11日 申请日期2003年10月6日 优先权日2002年10月4日
发明者A·陈, F·安泰纳索夫, R·瑞克汉姆, T·毛吉索夫, T·戴麦林 申请人:燃料制造股份有限公司