压缩机润滑油质量管理的制作方法

本公开总体上涉及一种供暖、通风、空调以及制冷(hvacr)系统。更具体地，本公开涉及用于hvacr系统中的压缩机的润滑剂质量管理。

背景技术：

供暖、通风、空调和制冷(hvacr)系统通常包括压缩机。压缩机(诸如但不限于螺杆压缩机和涡旋压缩机)利用轴承来支撑旋转轴。所述轴承通常包括润滑系统。如果轴承未正确润滑，则轴承可能会失效，最终压缩机可能会在轴承的预期使用寿命之前失效。

技术实现要素：

本公开总体上涉及一种供暖、通风、空调以及制冷(hvacr)系统。更具体地，本公开涉及用于hvacr系统中的压缩机的润滑剂质量管理。

在一个实施例中，hvacr系统包括变速压缩机。在一个实施例中，变速压缩机是正排量压缩机。

在一个实施例中，所述变速压缩机是变速螺杆压缩机。在一个实施例中，变速螺杆压缩机可以在最小速度和最大速度之间运行。在一个实施例中，最小速度限制可以被设置为大于最小速度的值，在该值上所述变速压缩机能够运行。例如，可以基于选定的制冷剂和润滑剂的饱和吸入温度和饱和排出温度，为所选的压缩机效率和轴承尺寸确定最小速度限制。

在一个实施例中，可以基于该饱和吸入温度、该饱和排出温度以及该润滑剂温度来确定最小速度限制。在一个实施例中，润滑剂温度可以是测量值。在一个实施例中，润滑剂温度可以是相对润滑剂温度，该相对润滑剂温度是所测量的润滑剂温度与饱和排出温度之间的差。

在一个实施例中，所选的制冷剂包括具有低排放过热并且可与所选的润滑剂混溶的制冷剂，这会导致高的润滑剂稀释度。

在一个实施例中，所选的制冷剂包括具有比r-134a相对较低的全球变暖潜能(gwp)的制冷剂，并且该制冷剂可用作r-134a的替代制冷剂。

在一个实施例中，所选的制冷剂可以是r1234ze(e)、r-513a、r1234yf等。

在一个实施例中，最小速度限制与轴承尺寸成反比。即，在一个实施例中，随着轴承尺寸减小，最小速度限制增大。

在一个实施例中，hvacr系统包括润滑剂分离器。所述润滑剂分离器可以包含一个润滑剂箱。在一个实施例中，润滑剂分离器和润滑剂箱的组合可以降低hvacr系统的整体复杂性。

公开了一种供暖、通风、空调和制冷(hvacr)系统。所述hvacr系统包括制冷剂回路。所述制冷剂回路包括互相流体连接的压缩机、冷凝器、膨胀装置以及蒸发器。所述控制器电连接到压缩机。控制器被配置为防止压缩机以小于最小速度限制的速度运行。润滑剂分离器具有在压缩机和冷凝器之间流体连接的入口和多个出口。多个出口中的第一出口与冷凝器流体连接。多个出口中的第二出口流体连接到压缩机的一个或多个部件，以向该一个或多个部件提供润滑剂。

还公开了一种控制变速压缩机的方法。该方法包括使用变速压缩机的控制器，确定饱和吸入温度和饱和排出温度，并使用变速压缩机的控制器基于饱和吸入温度和饱和排出温度，来计算变速压缩机的最小速度限制。控制器接收冷却需求，并基于冷却需求确定变速压缩机的速度设置。响应于确定速度设置小于所计算的最小速度限制，控制器将改写速度设置，利用最小速度限制并冷却以满足冷却要求。

还公开了一种用于供暖、通风、空调和制冷(hvacr)系统的润滑剂分离器。润滑剂分离器包括第一腔室和第二腔室。布置在第一腔室中的导管将第一腔室流体连接至第二腔室。第一腔室包括接收高压制冷剂/润滑剂混合物的入口和提供高压制冷剂的出口。第二腔室通过导管接收制冷剂/润滑剂混合物的润滑剂部分。第二腔室包括出口，通过该出口提供低压润滑剂。

附图说明

参考形成本公开的一部分的附图，并且其示出了可以实践本说明书中描述的系统和方法的实施例。

图1是根据一个实施例的制冷剂回路的示意图。

图2a是根据一个实施例的用于确定变速压缩机的最小速度限制的方法的流程图。

图2b是根据另一实施例的用于确定变速压缩机的最小速度限制的方法的流程图。

图3是根据一个实施例的用于操作变速压缩机以维持最小轴承润滑剂膜厚度的方法的流程图。

图4示出了根据一个实施例的hvacr系统中的变速电动机的最小工作频率的示意图。

图5a-5e示出了根据一个实施例的hvacr系统中的变速电动机的最小工作频率的示意图。

贯穿全文，相同的参考数字表示相同的部分。

具体实施方式

本公开总体上涉及一种供暖通风、空调以及制冷(hvacr)系统。更具体地，本公开涉及用于hvacr系统中的压缩机的润滑剂质量管理。

hvacr制冷剂对环境的影响日益受到关注。例如，自2011年以来，欧盟一直在逐步淘汰在某些制冷系统中全球升温潜能值(gwp)例如超过150的制冷剂。hvacr系统可使用具有合适的特性(例如密度、蒸气压、汽化热以及合适的化学特性，这些特性满足有关安全和环境影响的要求(例如上述的欧盟标准))的环保型的hvacr制冷剂。该环保型hvacr制冷剂是不可燃或轻度易燃、无臭氧消耗、节能、毒性低、与结构材料兼容的，并且在设备的使用寿命内化学稳定。

当前的制冷剂，例如r134a等，可能具有相对较高的gwps。例如，r134a为1,430的gwp。因此，在hvacr系统中正在应用诸如但不限于r1234ze(e)、r513a等的替代制冷剂。

在使用较新的制冷剂组合物(例如但不限于r1234ze(e)和r513a)时，由于制冷剂与现有制冷剂(例如r134a)相比性能不同，可能出现各种问题。通常，具有较低gwp的制冷剂，例如r1234ze(e)、r513a等可被带入润滑剂中。在某些示例中，替代的制冷剂比当前的制冷剂在润滑剂中的混溶性相对更高，导致润滑剂中制冷剂的浓度(例如，润滑剂稀释度)更高。

结果，由于低的排放过热，hvacr系统的压缩机的运行图的部分可能遭受较高的润滑剂稀释度和有限的轴承粘度(即，轴承处的润滑剂和制冷剂混合物的有限粘度)。在某些示例中，当变速压缩机以相对较低的速度运行时，较高的润滑剂稀释度和有限的轴承粘度问题可能会更加严重。较高的润滑剂稀释度和有限的轴承粘度会导致，例如，缩短轴承的使用寿命，并最终导致压缩机故障。在某些示例中，利用r134a替代制冷剂可能需要替换压缩机中的机械组件(例如轴承等)。

在其他示例中，即使使用当前的制冷剂(例如r134a)，控制变速压缩机以使效率最大化也可能导致润滑剂稀释度问题。

通常，与r134a替代制冷剂一起使用的润滑剂会遇到较高的润滑剂稀释度问题。润滑剂可包括可与所选替代制冷剂混溶的任何合适的润滑剂。

通常，当排放过热变得相对较低时，较高的润滑剂稀释度可能成为问题。例如，当排放过热温度低于或约为8℃时，可能会出现较高的润滑剂稀释度。

在一个实施例中，可以为变速压缩机设置最小速度限制，以限制或避免达到较高的润滑剂稀释度和有限的轴承粘度成为问题的运行条件。因此，可以利用现有的机械部件(例如，轴承等)。为变速压缩机提供最小速度限制可以,例如,控制轴承的旋转线速度(平均直径乘以速度)。因此，可以提高轴承寿命。在一个实施例中，可以基于饱和的吸入温度和排出温度并结合压缩机机架尺寸来选择最小速度限制。在一个实施例中，压缩机框架尺寸可以包括轴承尺寸和压缩机效率。

在一个实施例中，用于hvacr系统的压缩机是螺杆压缩机。在一个实施例中，螺杆压缩机为能够以最小速度和最大速度之间的各种速度操作的变速螺杆压缩机。

根据一个实施例，可以基于排放过热来选择用于变速压缩机的最小速度。

在一个实施例中，可基于饱和吸入温度和饱和排出温度来选择用于变速压缩机的最小速度。

图1是根据一个实施例的制冷剂回路10的示意图。制冷剂回路10通常包括压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16、蒸发器18以及润滑剂分离器150。

所述制冷剂回路10为示例，并且可以被修改为包括附加组件。例如，在一个实施例中，制冷剂回路10可以包括其他部件，例如但不限于，节能热交换器、一个或多个流量控制装置、接收箱、干燥器、吸入液体热交换器等。

所述制冷剂回路10通常可以应用在用于控制空间(通常称为调节空间)中的环境条件(例如，温度、湿度、空气质量等)的各种系统。这种系统的示例包括，但不限于hvacr系统、运输制冷系统等。

所述压缩机12、冷凝器14、膨胀装置16以及蒸发器18经由制冷剂管线20、22、24流体连接。在一个实施例中，制冷剂管线20、22和24可替代地被称为制冷剂管道20、22和24等。

在一个实施例中，制冷剂回路10可以被配置为能够以冷却模式运行的冷却系统(例如，空调系统)。在一个实施例中，制冷剂回路10可以被配置为可以在冷却模式和供暖/除霜模式这两者下运行的热泵系统。

制冷剂回路10可以根据公知的原理运行。所述制冷剂回路10可以被配置为供暖或冷却气态过程流体(例如，传热介质或流体，诸如，但不限于空气等)，在这种情况下，制冷剂回路10可以通常表示空调或热泵。

在运行中，所述压缩机12将工作流体(例如，诸如制冷剂等的传热流体)从压力相对较低的气体(例如，吸入压力)压缩至压力相对较高的气体(例如，排出压力)。在一个实施例中，所述压缩机12可以是正排量压缩机。在一个实施例中，所述正排量压缩机可以是螺杆压缩机、涡旋压缩机、往复式压缩机等。在一个实施例中，压缩机12可以是离心压缩机。

所述相对较高压力的气体也处于相对较高温度，所述气体从压缩机12排出并通过制冷剂管线20流至冷凝器14。所述工作流体流过冷凝器14，并且将热量排散到处理流体(例如水、空气等)，从而冷却工作流体。现在为液态的冷却的工作流体经由所述制冷剂管线22流向膨胀装置16。所述膨胀装置16降低工作流体的压力。结果，一部分工作流体转变成气态。“膨胀装置”也可以称为膨胀器。在一个实施例中，膨胀器可以是膨胀阀、膨胀板、膨胀容器、孔口等，或其他这种类型的膨胀机构。应当理解的是，膨胀器可以是在本领域用于膨胀工作流体以使工作流体温度降低的任何类型的膨胀器。

现在处于液态和气态混合状态的所述工作流体经由制冷剂管线22流向蒸发器18。所述工作流体流经蒸发器18，并从处理流体(例如水、空气等)吸收热量，加热工作流体并将其转化为气态。然后，所述气态工作流体经由制冷剂管线24返回到压缩机12。当所述制冷剂回路在，例如制冷模式下运行时(例如，在启用压缩机12时)，上述过程继续进行。

所述制冷剂回路10可包括设置在压缩机12和冷凝器14之间的润滑剂分离器150。所述润滑剂分离器150经由制冷剂管线20流体地连接到压缩机12的出口。所述润滑剂分离器150流体地连接到压缩机12，以经由润滑剂返回管线28a并且可选地经由第二润滑剂返回管线28b将润滑剂提供给压缩机12的各种部件(例如，轴承等)。应当理解的是，可以基于例如压缩机的哪些部件被提供润滑剂来选择润滑剂返回管线28a、28b的数量。

图2a是根据一个实施例的用于确定变速压缩机(例如，图1中的压缩机12)的最小速度限制的方法50的流程图。所述方法50可以特定于所选的压缩机尺寸。所选择的压缩机尺寸和方法50的相应执行可以基于，例如压缩机中轴承的尺寸和压缩机的效率要求。根据一个实施例，方法50可以由压缩机的控制器(例如，图1中的控制器26)执行。在一个实施例中，方法50可以针对一系列压缩机执行，并且所确定的最小速度限制可以被包括在压缩机的控制中。根据下面的图3示出并描述了用于压缩机12的控制方法的示例。

在52中，测量hvacr系统的吸入压力。所述吸入压力与所选制冷剂(例如r-134a、r1234ze(e)、r-513a等)的组合可用于确定饱和吸入温度。在一个实施例中，可以可选择地测量吸入温度，尽管必须做出关于过热量的假设，这可能使测定不如使用吸入压力更精确。

在54中，测量用于hvacr系统的排出压力。排出压力与所选制冷剂(例如，r-134a、r1234ze(e)、r-513a等)的组合可用于确定饱和排出温度。在一个实施例中，可以可选择地测量排出温度，尽管必须做出关于过热量的假设，这可能使测定不如使用排出压力更准确。

在56中，使用所选的饱和吸入温度和所选的饱和排出温度来确定所述变速压缩机的最小速度限制。该最小速度限制通常取决于制冷剂、润滑剂、压缩机中的轴承尺寸以及压缩机性能。在一个实施例中，随着轴承尺寸减小，最小速度限制增大。所述最小速度限制的确定，例如，可以通过测试或建模所述变速压缩机的排出温度(与变速压缩机中轴承的轴承腔温度相关联)并进行表面拟合以确定最小速度极限方程来确定。通常，当轴承达到小于或等于或约等于300,000mm/min的俯仰速度时，可能需要一个最小速度限制，以防止更高的润滑剂稀释度和/或轴承润滑剂膜的损失。因此，小于或等于或约等于300,000mm/min的俯仰速度可被认为是较低的速度，而大于300,000mm/min的俯仰速度可被视为较高的速度。

参考图4，示出了根据一个实施例的根据方法50确定的最小电动机频率示例。图4表示选定的轴承尺寸。应当理解的是，图4中所述最小电动机频率曲线取决于所选择的制冷剂(例如，r1234ze(e)等)、轴承尺寸以及所选择的润滑剂。在图中，x轴示为饱和吸入温度(°f)，和y轴示为饱和排出温度(°f)。所述电动机频率以各种阴影从相对较低到相对较高来表示。如图所示，在较低的饱和吸入温度和饱和排出温度下的最小电动机频率是相对低于在相对较高的饱和吸入温度和饱和排出温度下的最小电动机频率。

图2b是根据一个实施例的用于确定变速压缩机(例如，图1中的压缩机12)的最小速度限制的方法60的流程图。该方法60可以是特定于所选的压缩机尺寸以及所选的润滑剂和制冷剂的组合。所选择的压缩机尺寸和方法60的相应执行可以基于，例如压缩机中轴承的尺寸，压缩机的效率以及润滑剂和制冷剂混合物的溶解度。根据一个实施例，该方法60可以由压缩机的控制器(例如，图1中的控制器26)执行。在一个实施例中，该方法60可以针对一系列压缩机执行，并且所确定的最小速度限制可以被包括在压缩机的控制中。根据下面的图3示出并描述了用于压缩机12的控制方法的示例。

在62中，测量用于hvacr系统的吸入压力。该吸入压力与所选制冷剂(例如r-134a、r1234ze(e)、r-513a等)的组合可用于确定饱和吸入温度。在一个实施例中，尽管必须做出关于过热量的假设，可以可选择地测量吸入温度，这可能使测定不如使用吸入压力更精确。

在64中，测量hvacr系统的排出压力。排出压力与所选制冷剂(例如r-134a、r1234ze(e)、r-513a等)的组合可用于确定饱和排出温度

在66处，测量压缩机12的润滑剂温度。在一个实施例中，可以假设润滑剂温度而不是测量润滑剂温度。在这样的实施例中，可以假设润滑剂温度与饱和排出温度相同。所述润滑剂温度可用于确定相对润滑剂温度。该相对润滑剂温度可以基于润滑剂温度和饱和排出温度。例如，相对润滑剂温度可以是所测量的润滑剂温度与饱和排出温度之间的差。润滑剂温度可以提供比图2a中的方法50更准确的hvacr系统中的运行条件视角。

在68中，所选的饱和吸入温度、所选的饱和排出温度以及润滑剂温度用于确定变速压缩机的最小速度限制。在一个实施例中，在68中使用的润滑剂温度为所述相对润滑剂温度而不是所测量的润滑剂温度。所述最小速度限制通常取决于制冷剂、润滑剂、压缩机中的轴承尺寸以及压缩机性能。在一个实施例中，随着轴承尺寸减小，最小速度限制增大。最小速度限制的确定，例如，可以通过测试或建模变速压缩机的排出温度(与变速压缩机中轴承的轴承腔温度相关联)并进行表面拟合以确定最小速度限制方程来确定最小速度限制。通常，当轴承达到小于或等于或约等于40,000mm/min至等于或约等于550,000mm/min的俯仰速度时，可能需要最小速度限制以防止在轴承处润滑膜的稀释损失。因此，小于或等于或约等于150,000mm/min的俯仰速度可被认为是较低的速度，而大于400,000mm/min的俯仰速度可被视为较高的速度。

在另一个实施例中，所述最小压缩机速度可以是已知的，在这种情况下，可以修改图2b中的方法以确定另一变量，例如但不限于所述润滑剂温度、所述排出温度等。在这样的实施例中，图2b中的方法可以用于，例如，控制排出温度或润滑剂温度。

参照图5a-5e，示出了根据一个实施例的，根据方法60确定的相对润滑剂温度为5°f(图5a)、12°f(图5b)、20°f(图5c)、30°f(图5d)以及40°f(图5e)的最低电动机频率的示例。图5a至5e表示选定的轴承尺寸。应当理解的是，图5a至5e中的最小电动机频率曲线取决于所选择的制冷剂(例如，r134a等)、轴承尺寸以及所选择的润滑剂。在图中，相对于最小电动机频率绘制了饱和吸入温度(°f)和饱和排出温度(°f)。电动机频率从相对较低到相对较高来表示。如图所示，在较低的饱和吸入温度、饱和排出温度以及较低的相对润滑剂温度下的所述最小电动机频率是相对低于在较高的饱和吸入温度、饱和排出温度以及较高的相对润滑剂温度下的最小电动机频率。随着饱和吸入温度和饱和排出温度的增加，润滑剂粘度通常可以提高。然而，在一个实施例中，可能存在随着饱和吸入温度和饱和排出温度的升高润滑剂粘度降低的点。

图3是根据一个实施例的用于运行变速压缩机(例如，图1中的压缩机12)以维持最小轴承润滑剂膜厚度的方法100的流程图。所述方法100通常包括基于冷却需求和最小速度限制来运行hvacr系统(例如，图1中的制冷剂回路10)。

所述方法100开始于102处。在102中，控制器(例如，恒温器等)确定冷却需求。可以基于在恒温器中、调节空间中的一个或多个传感器中、建筑物自动化系统中和/或hvacr系统(例如，图1中所示的制冷剂回路10)的控制器中等的设置来确定冷却需求。

在104中，控制器基于冷却需求确定变速压缩机设置。在一个实施例中，这可以包括压缩机12的目标速度设置。在一个实施例中，这可以包括小于压缩机12的目标速度的压缩机12的速度设定。在一个实施例中，所述目标速度可以是最大速度。

在106中，所述控制器26确定所确定的变速压缩机设置是否小于最小速度限制(例如，如在图2a的方法50中确定的或在图2b的方法60中确定的)。

在108中，控制器基于冷却需求和在104中确定的变速压缩机设置，为hvacr系统设置一个或多个冷却设置。

在110中，如果在104中确定的变速压缩机设置小于最小速度限制(例如，如在图2a的方法50中所讨论的或在图2b的方法60中所讨论的)，则控制器26改写该变速压缩机设置(例如，在104中确定的)以利用最小速度限制并根据冷却要求进行冷却。

实施方式：

实施例1-8中的任何一个可以与实施例9-13和14-21中的任何一个结合。实施例9-13中的任何一个可以与实施例14-21中的任何一个结合。

实施例1、本申请提供了一种供暖、通风、空调以及制冷(hvacr)系统，包括：制冷剂回路，所述制冷剂回路包括：互相流体连接的压缩机、冷凝器、膨胀装置以及蒸发器；电连接到所述压缩机的控制器，该控制器被配置为防止压缩机以小于最小速度限制的速度运行，其中该控制器被配置为基于饱和吸入温度、饱和排出温度以及润滑剂温度确定最小速度限制。

实施例2、根据实施例1所述的hvacr系统，其中，所述润滑剂温度是相对润滑剂温度，所述相对润滑剂温度是所测量的润滑剂温度与所述饱和排出温度之间的差。

实施例3、根据实施例1或2中任一项的hvacr系统，其中，所述控制器被配置为当冷却设置对应于所述压缩机的低于最小速度限制的运行速度时，改写所述冷却设置。

实施例4、根据实施例1-3中任一项的hvacr系统，其中，所述压缩机是变速螺杆压缩机。

实施例5、根据实施例4的hvacr系统，其中，最小速度限制用于小于或约等于40,000mm/min至等于或约等于550,000mm/min的轴承俯仰速度。

实施例6、根据实施例1-5中任一项的hvacr系统，其中hvacr系统使用r134a作为制冷剂。

实施例7、根据实施例1-6中任一项的hvacr系统，其中，hvacr系统使用具有比r134a相对较低的gwp的制冷剂。

实施例8、根据实施例1-7中任一项的hvacr系统，其中，hvacr系统使用r1234ze(e)或r513a作为制冷剂。

实施例9、一种控制变速压缩机的方法，包括：使用所述变速压缩机的控制器,确定饱和吸入温度、饱和排出温度以及润滑剂温度；以及使用变速压缩机的控制器,基于饱和吸入温度、饱和排出温度以及润滑剂温度,来计算变速压缩机的最小速度限制；通过控制器接收冷却需求；基于冷却需求确定变速压缩机的速度设置；响应于确定速度设置小于所计算的最小速度限制，改写速度设置并利用最小速度限制和冷却来满足冷却需求。

实施例10、根据实施例9的方法，其中，响应于确定速度设置大于最小速度限制，基于速度设置进行冷却以满足冷却要求。

实施例11、根据实施例9或10之一的方法，其中，所述计算基于饱和吸入温度、饱和排出温度、润滑剂温度、轴承尺寸以及压缩机效率。

实施例12、根据实施例9-11中任一项的方法，其中，所述变速压缩机利用r1234ze(e)作为制冷剂。

实施例13、根据实施例9-12中任一项的方法，其中，最小速度限制用于小于或约等于40,000mm/min至等于或约等于550,000mm/min的轴承俯仰速度。

实施例14、一种供暖、通风、空调和制冷(hvacr)系统，包括：制冷剂回路，该制冷剂回路包括：流体连接的压缩机、冷凝器、膨胀装置和蒸发器；电连接到压缩机的控制器，该控制器配置成防止压缩机以小于最小速度限制的速度运行。

实施例15、根据实施例14的hvacr系统，其中，润滑剂温度为相对润滑剂温度，所述相对润滑剂温度为测得的润滑剂温度和饱和排出温度之间的差。

实施例16、根据实施例14或15中任一项的hvacr系统，其中，所述控制器被配置为当冷却设置对应于所述压缩机的低于最小速度限制的运行速度时，改写所述冷却设置。

实施例17、根据实施例14-16中任一项的hvacr系统，其中，所述压缩机是变速螺杆压缩机。

实施例18、根据实施例17的hvacr系统，其中，最小速度限制用于低于或大约40,000mm/min至等于或大约550,000mm/min的轴承俯仰速度。

实施例19、根据实施例14至18中任一项的hvacr系统，其中，hvacr系统使用r134a作为制冷剂。

实施例20、根据实施例14-19中任一项的hvacr系统，其中，hvacr系统使用比r134a具有相对较低gwp的制冷剂。

实施例21、根据实施例14-20中任一项的hvacr系统，其中，hvacr系统使用r1234ze(e)或r513a作为制冷剂。

在本说明书中使用的术语旨在描述特定实施例，而不旨在进行限制。除非另外明确指出，否则术语“一”，“一个”和“该”也包括复数形式。当在本说明书中使用术语“包括”和/或“包含”时指定存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或增加一个或多个其他更多特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件。

关于前面的描述，应当理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下，特别是在所采用的建筑材料以及部件的形状、尺寸和布置实施例进行详细的改变。本说明书和所描述的实施例仅是示例性的，本公开的真实范围和精神由所附权利要求指示。