本发明对用于空调系统的螺杆式压缩机进行讨论，但也可适用于任何场 合的所有压缩机。与许多其它类型的压缩机一样，螺杆式压缩机需要有润滑 油流到压缩机，以润滑轴承和防止轴承的长期老化。另外，需要有润滑油流 动以密封螺杆式压缩机中的转子，从而避免性能下降，并冷却转子防止摩擦 生热。
压缩机需要有润滑油流动来润滑轴承，以延长它们的工作寿命。另外， 在螺杆式和涡旋式压缩机中，润滑油被用来密封转子，缺少这种密封会导致 压缩机性能下降。而且，对转子的润滑可在冷却转子的同时防止摩擦生热， 并可防止转子径向增大而干涉相邻的压缩机部件。如果油循环系统发生故障 而压缩机又继续工作的话，则会最终导致压缩机失效和损坏。   均授予奥特曼等人的美国专利5,431,025和5,347,825涉及一种用于压 缩机的给油损耗保护结构。实质上，这两个专利都是将润滑油系统中的一种 液体的温度与饱和致冷剂温度进行比较，当比较显示出差异超出范围时产生 一信号而关闭压缩机。这些专利与本发明一起都已普通转让，将它们援引在 此仅供参考。
需要这样一种润滑油保护系统，它可探明压缩机中有油或探明在压缩机 的任何起动之前立即可得到截留在压缩机供给管路中的润滑油的供给。另外， 优良的润滑油保护系统可以探明在压缩机操作过程中润滑油管路中的流动， 并可探明该流动是液体的而非气体的，或至少是液体泡沫。另外，所需的润 滑油保护系统应可探明该流动的油量较多(即重量小于致冷剂的30％)。

本发明的一个目的、特点和优点是解决现有技术的润滑油保护系统的问 题。
本发明的一个目的、特点和优点是提供一种润滑油保护系统，它可检测 出流到压缩机的润滑剂的数量和特性。
本发明的另一个目的、特点和优点是提供一压缩机排出温度传感器来检 验油浓度，在某一条压缩机润滑剂供给管路中提供一压差传感器来检测油的 流动，在某一条压缩机润滑剂供给管路中提供一液位传感器来检测起动时油 的存在，以及进一步用该液位传感器来检测压缩机操作过程中油的特性。
本发明的一个目的、特点和优点是提供一液位传感器，它通常仅在起动 时用来检测出在动态环境中液体是否到达一定高度，以确定液体蒸气混合物 的特性。
本发明的一个目的、特点和优点在于探明起动时压缩机中已经有润滑剂 或在压缩机起动之前立即可得到截留在压缩机供给管路中的润滑剂的供给。
本发明的一个目的、特点和优点在于探明在预定时间周期内的压缩机操 作过程中压缩机润滑剂供给管路中的润滑剂流动。
本发明的一个目的、特点和预定在于探明在润滑剂供给管路中流向压缩 机的流体是液体而非气体。
本发明的又一个目的、特点和优点是即使在存在一些正常量的泡沫时也 探明液体的流动。
本发明的一个目的、特点和优点在于探明润滑剂供给管路中的流体的油 特性较高。
本发明的还有一个目的、特点和优点在于探明该高特性油流小于致冷剂 重量的30％。
本发明的一个目的、特点和优点是提供一种润滑油保护系统，它便于逆 变起动或其它正常阶跃状态。
本发明的一个目的、特点和优点是在压缩机润滑油保护系统中于相关部 件的工作过程中提供可能的检查，并检测出在明确不应有流动时没有流动发 生。
本发明提供了一种控制装置，它采用一具有二进制输出的传感器，以监 控一种具有三种相态的流体。该装置包括一控制器和一传感器，该传感器测 定流体是否存在，并将一个二进制信号提供给控制器。该控制器可响应于表 明流体是否存在的二进制信号，并可通过监控该二进制信号中的二进制阶跃 率来确定中间流体状态。
本发明还提供了一种用于压缩机的润滑油保护系统。该系统包括：一可 操作的用来压缩一可压缩流体的压缩机，它具有一排出口、一转子和一轴承； 一供油系统，它包括一可操作地连接于转子并为其提供润滑剂的第一输油管 路和一可操作地连接于轴承并为其提供润滑剂的第二输油管路；以及一设置 在第一或第二输油管路中并控制其中流动的节流孔。该系统还包括：一设置 在排出口中的第一传感器，用以测定表示压缩机所排出的可压缩流体的温度 的一条件，并将一代表信号提供给控制器；一靠近节流孔而设置的第二传感 器，用以测定通过节流孔的压差和将一代表信号提供给控制器；一靠近无节 流孔的输油管路而设置的第三传感器，该第三传感器测定液体是否存在和将 一二进制代表信号提供给控制器。该系统还包括一可操作地连接于第一、第 二和第三传感器并从它们接收信号的控制器。该控制器可操作的用来控制压 缩机的操作并响应于它。该控制器用第一传感器信号来确定润滑流体的特性、 用第二传感器信号来检测润滑流体的实际流动、并用第三传感器信号来区别 液相的润滑剂与气相的可压缩流体。
本发明还进一步提供了一种用于压缩机的保护系统。该保护系统包括： 一压缩机，它具有一排出口，并具有至少一个转子和至少一个轴承；以及一 润滑系统，它包括至少一个用于从压缩机回收油的油回收装置、将油回收装 置连接于压缩机轴承的轴承管道和将油回收装置连接于压缩机转子的转子管 道。该系统还包括一润滑油保护系统，该油保护系统包括一设置在排出口中 用于检测压缩机所排出的润滑剂/致冷剂混合物的温度的压缩机排出温度传感 器、一设置在轴承管道中用于测定轴承管道中的压差的压差传感器和一设置 在转子管道中用于检测转子管道中是否有油的油检测器。
本发明还进一步提供了一种用于确保压缩机操作的方法。该方法包括以 下步骤：测量压缩机排出温度；根据所测得的排出温度检测是否有足够的过 热；测量与一压缩机润滑管路相关的压差；根据所测得的压差检测是否有足 够的润滑剂流过该管路；测量一压缩机转子润滑管路中的油特性；并且，根 据所测得的油特性信号检测是否有合适的润滑特性。
本发明另外还提供了一种为压缩机提供润滑油保护的方法。该方法包括 以下步骤：在压缩机操作之前用一液位传感器来检测一转子供给管路中是否 有润滑剂；并且，在压缩机操作过程中用同一液位传感器来检测转子供给管 路中润滑剂的特性。
本发明还进一步提供了保护一压缩机润滑系统的方法。该方法包括以下 步骤：检测一压缩机润滑管路中的压差以检验润滑剂流动；检测压缩机排出 温度以检验润滑剂浓度；并且，检测一压缩机润滑供给管路中的起泡度以检 验润滑剂特性。
本发明还进一步提供了保护一压缩机油润滑系统的方法。该方法包括以 下步骤：在压缩机排出口中提供一压缩机排出温度传感器；用该压缩机排出 温度传感器来检测由压缩机所排出的一润滑剂/致冷剂混合物的排出温度；提 供一压差传感器；用该压差传感器来检测通过一压缩机润滑剂供给管路的压 差；在一压缩机润滑剂供给管路中提供一液位检测器；用该液位检测器监控 润滑剂供给管路中是否有液体或润滑剂供给管路中的泡沫特性；并且，将检 测到的排出温度、检测到的压差、液位检测器的检测信号与各设定值相比较， 如果有任一信号的比较结果不好则终止压缩机操作。
本发明还进一步提供了一种操作一压缩机润滑油保护系统的方法。该方 法包括以下步骤：监控压缩机排出温度；将监控的排出温度与饱和冷凝器温 度相比较以确定一排出过热；如果排出过热小于预定的最小过热则终止运转； 检测一压缩机润滑剂供给管路中的压力；如果检测到的压差小于所需的最小 润滑剂流率则终止运转；在压缩机操作之前用一液位传感器监控一压缩机润 滑剂供给管路中是否有润滑剂；在压缩机操作过程中用该液位传感器检测该 润滑剂供给管路中的润滑剂特性；并且，如果润滑剂特性没有超过所需的特 性则终止压缩机操作。
附图说明
图1是一空调或致冷系统的示意图，该系统包括一温度调节子系统、一 润滑子系统和一控制器子系统，并且还包括本发明的润滑油保护系统。
图2是本发明的液位传感器的剖视示意图。
图3是用于处理图2液位传感器输出信号的方框图。

图1表示一空调或致冷系统10。该系统10包括三个子系统：一调节流体 温度的温度调节系统12(由宽双线表示)，一润滑温度调节系统12的机械部件 的润滑系统16(由窄双线表示)，以及一协调和控制温度调节系统12和润滑系 统16的控制系统18(由单线表示)。
温度调节系统12包括一压缩机20，它压缩致冷剂，并将压缩的致冷剂和 润滑剂从一压缩机转子21和一压缩机轴承23通过一压缩机排出口22引导至 一或多个油分离器24。授予Roach等人的美国专利5,341,658、授予Lakowske 的5,201,648和授予Andersen等人的5,203,685中示出了一些示例性的压缩 机，授予Boehde等人的美国专利5,502,984和授予Carey的5,029,448中示 出了一些示例性的油分离器，所有这些专利都与本发明一起经普通转让，将 它们援引在此仅供参考。
在油分离器24中，润滑剂和致冷剂被分离成一主要是润滑剂的混合物和 一主要是致冷剂的混合物。主要是致冷剂的混合物(夹带一些润滑剂)由管道26 引导至一冷凝器28，在那里致冷剂从热的蒸气冷凝为热的液体。热液体致冷 剂通过管道30到达一膨胀阀32。膨胀阀32通过控制来自冷凝器28的热的液 体致冷剂的流动而计量温度调节系统的操作。离开膨胀阀32的热液体致冷剂 进入管道34，在那里一些液体致冷剂闪蒸成热蒸气，而留下冷却液体致冷剂。 气相和液相致冷剂的混合物进入一气液分离器36，在那里热蒸气被分离出来 并最好被引导至压缩机20。冷却的液体混合物通过管道38离开气液分离器36 并进入一蒸发器40，在那里致冷剂使流体冷却，致冷剂在该过程中蒸发。主 要是致冷剂的混合物中所夹带的润滑剂残留和汇聚在蒸发器40的底部44。管 道42引导热的气相致冷剂从蒸发器40回到压缩机20，从而继续进行温度调 节循环。
润滑系统16包括压缩机20，在那里润滑剂被注入或提供给一或多个压缩 机转子21和一或多个压缩机轴承23。润滑剂与致冷剂混合，润滑剂/致冷剂 混合物通过压缩机排出口22排到油分离器24。油分离器24将润滑剂/致冷剂 混合物分离成一主要是润滑剂的混合物和一主要是致冷剂的混合物。主要是 润滑剂的混合物由管道50引导至一储油槽52。储油槽52具有一通气口54和 一油加热器56。主要是润滑剂的的混合物从储油槽52经过管道58、滤油器60、 一附加的油冷却器62和一设置在管道59中以防回流的单向阀64。管道58还 具有一主输油管路螺线管66，用于自动控制润滑剂流过管道58的流动，并具 有一手动维修阀68。管道58最终将主要是润滑剂的混合物引导至一大容量的 竖直管路70，该竖直管路70在压缩机停机过程中起到收集器的作用。竖直管 路70对一转子供给管路72进行供给，为一或多个压缩机转子21提供润滑剂， 并对一轴承供给管路74供油，为一或多个压缩机轴承23提供润滑剂。转子 供给管路72具有一辅助性的油检测器76，诸如是美国伊利诺伊州Chatham的 AC&R构件公司出售的S-9400系列液位开关，还具有一加油维修口78，用 于添加或排出润滑油。轴承供给管路74具有一单向阀80和一节流孔82。提 供一压差开关84，它围绕该节流孔而设置，以测量通过该节流孔82的压差。
润滑系统16还包括一回油气泵86，用于从蒸发器40的底部44回收所汇 聚的润滑剂。回油气泵86可使当致冷剂在蒸发器40中蒸发时从致冷剂混合 物中所分离积聚的润滑剂返回。所积聚的润滑剂通过管道96和一滤油器98， 并返回到压缩机20。与回油气泵相联的是一通气管路88和一冷凝器压力管道 92，该通气管路的操作由一填充螺线管90控制，该冷凝器压力管道的操作由 一排放电磁阀94控制。这在1997年2月18日提交的、名为“致冷系统中油 从蒸发器往压缩机的返回”的、经普通转让的美国专利申请08/801,545中有 更充分地描述，该专利申请援引在此仅供参考。
控制系统18包括一控制器100，它可以是一单个的控制器，也可以是多 个协调工作的控制器。控制器100通过一电气线路可操作地连接于压缩机20， 从而控制压缩机20的操作和容量。控制器100还通过一电气线路104控制膨 胀阀的操作，并通过一电气线路106控制油加热器56、主输油管路螺线管66 以及电磁阀90和94的操作。控制器100还具有一将控制器100连接于一设 置在压缩机排出口22中用以检测润滑剂/致冷剂混合物排出温度的压缩机排 出温度传感器110的电气线路108，并具有一将控制器100连接于一用于检测 饱和冷凝器温度的饱和冷凝器温度传感器130的电气线路132。控制器100还 通过一电气线路112连接于压差传感器84，用以从传感器84接收表示压差的 信号。控制器100还通过一电气线路114连接于附加的油检测器76，用以从 该附加的油检测器76接收表示是否有油、致冷剂或泡沫的信号。控制器100 还具有许多其它的传感器，包括与蒸发器相联并通过电气线路122连接于控 制器100的传感器120，用以通过任何传统方式检测通过蒸发器40的ΔT。
大容量的竖直管路70设置用来在停机时截留非常靠近压缩机20的润滑 油。在油检测传感器76检测出油而保证在压缩机起动时可获得最小体积的润 滑油之前，控制系统18不允许压缩机起动。在非工作期间还检查油流压差传 感器84，以防止开关失效或线路故障。
在压缩机操作过程中，润滑油保护系统的所有三个关键部件要求有最佳 运行。这些关键部件是：压差传感器84、油检测传感器76和排出温度传感器 110。
排出温度传感器110不断地受监控并与传感器130所确定的饱和冷凝器 温度比较。饱和冷凝器温度与排出温度的比较确定一排出过热。较低的过热 条件暗示油分离器24将开始分离与润滑剂在一起的液体致冷剂，因而主要是 润滑剂的混合物将变得太稀释。控制器100具有一“跳闸时间”积分 (integral)，从而，如果认为过热已太长时间处于过低状态，则系统10将安 全地停机。低于该点不允许有不确定的操作的过热值以及总的积分跳闸点均 通过对一实际系统的实验性试验来确定。
差压传感器84检测跨越在轴承供给管路74中的节流孔82和单向阀80 的压力。对于与所需最小油流率相关的一转换点，校准差压传感器84，而且 传感器84一般指示是否存在最小油流率。节流孔82用来提供压降来表示实 际流率，同时与流到转子21的润滑油相比较，平衡流到转子23的润滑油。 由于前面的压缩机20具有位于压缩机内的节流孔，所以去除在压缩机20之 外的节流孔82通过延长润滑油处于较低压力的停留时间，从而在润滑剂进入 压缩机20来润滑轴承23之前将更多制冷剂释放成蒸气，来提高润滑油质量。 较长的停留时间有助于蒸发仍然夹带在润滑剂中的任何液体制冷剂，以保证 用包含高浓度的润滑剂的液体来润滑压缩机20。在正常操作中，始终监控压 力传感84，而且如果在多于预定时间的期间内(诸如，两秒)失去流动，那 么将关闭系统10。
以前，只将润滑油检测器传感器76用作二进制级开关使用，但是在本发 明中还用作对于泡沫质量的模拟传感器。这在下面详述。
在大多数正常操作情况下，在转子供给管路72中流动的润滑油只有少量 蒸气，而且一般此流体很清楚只有少量气泡或泡沫存在。
参照图2，传感器76运用红外线LED(发光二极管)150和匹配红外线检 测器152，结合具有暴露于转子供给管路72的界面156的圆锥形玻璃棱镜154。 由于当光通过玻璃到蒸气界面(与玻璃到液体界面相反)时，与光的折射率相 关的特性，使得当转子供给管路72中存在蒸气时，将来自LED150的光反射 回到检测器152，或者当在转子供给管路72中存在润滑油时只在一定程度上 反射。然后，检测器152控制对于离散二进制输出的开收集器晶体管。关状 态(或高输出)暗示干燥，如在管路160处的一液位所示，同时在开状态(或 低输出)暗示潮湿，如在管路162处的一液位所示。先前，在美国专利 5,278,426(授予Barbier)中已提出该原理，在此结合该专利仅供参考。在这 些以前的运用中，当液位已稳定从而可以相对于界面156检测液位(如由液位 管路160和162所示)时，只在起动时使用该传感器。然而，一旦压缩机20 开始操作，大容量垂直管路70和转子供给管路72内部表示液体润滑剂和制 冷剂以及造成气泡164所指示的泡沫混合物的蒸气状制冷剂的动态混合。通 常，可以不再使用传感器76，因为没有检测到稳定液位。本发明使得在动态 环境中能够使用普通传感器来检测泡沫的特性，能证实在泡沫中存在足够的 润滑剂以保证适当的压缩机操作。
通过对传感器76的内部元件进行较小的修改来控制检测器152的灵敏度 和校准操作来调节从LED150输出的LED光，将传感器76用于泡沫的确定。 选择传感器76的内部元件，从而检测器152具有落在所需范围内的增益。根 据要被检测的环境，可以根据实验来确定所需增益和所需范围，并随着任何 特定润滑剂和制冷剂组合而变化。在传感器76中只使用由满足所需增益和范 围标准的检测器152。然后校准LED150的亮度，以便得到对于所需标准的正 确输出。经校准的亮度将随着被检测的环境而变化，特别是上述环境包括被 检测的润滑剂和制冷剂组合。
当在本发明的润滑油保护系统中使用这种经校准传感器76时，由于泡沫 流体的随机特性，导致经校准传感器76产生非常“干扰”信号，很快再作用 于棱镜154让运动的小蒸气泡以及将光反射回到检测器152。当在转子供给管 路72中的泡沫158的蒸气成分增加时，来自传感器76的信号的直流电平也 增加。
图3示出用于处理来自控制器100中的传感器76的信号的方框图200。 由控制器100运用特定滤波来产生代表泡沫成分的模拟值，来处理该信号。 在控制器100中的软件中执行跳闸时间功能，以定义超过其开始时间积分的 泡沫含量等级和积分的最终跳闸值，在该值终止压缩机操作。根据实验确定 用于保护等级的值。
在电线202上提供来自传感器76的信号，并通过第一阶滤波器和分压器 204，它粗略对信号滤波并把24VDC(伏直流电压)信号转换成5VDC信号。 如图3所示，滤波器和分压器204包括工作电阻器206、200千欧姆电阻器208、 30.1千欧姆电阻器210、0.1微法拉电容器212、二极管214和216、100千 欧姆电阻器218和15微法拉电容器220。当然，这些值依赖于应用情况，并 作相应改变。
在离开滤波器和分压器204之后，由采样器222在200毫秒的速率下采 样该信号，而且由模拟-数字转换器224把该信号转换成10位数字信号。所 得数字信号进入具有时间常数6.4秒的有限脉冲响应滤波器226。该滤波器226 通过取最后32个采样的流动历史采样(running historical sample)并根据 下列公式对它们求平均，来弄平所得数字信号：
滤波信号＝最后信号的1/32+旧平均的31/32
向24伏补偿器228提供来自滤波器226的滤波信号，其中上述补偿器228 补偿传感器电源电压的变化来避免24VDC电源电源变化所导致的误差，这种 误差一般在19和26VDC范围内。
补偿信号被送到一积分控制器240、一偏移和时间刻度块242以及一积分 器244。积分控制器240规定778位计数的一必需的积分等级，该等级是一凭 实验确定的等级，用于将干的泡沫与充满润滑剂的泡沫相区分，并对应于 3.8VDC。积分等级778是凭实验选定的，以避免可能在起动阶段发生的阶跃 (transition)等级以及其它任何线路电平的瞬态波动。能够在该等级以上进 行积分，积分器242将对位计数与778以上时间累积的乘积求积分。被积分 的量将被累积，除非补偿信号中的位计数等级降到573以下，该位计数相当 于2.8VDC。当位计数测量值降到573位计数以下时，积分器244中累积的积 分将被清除。在573与778位计数之间，累积的积分将被保持，但不会增加 新的积分值。只有在778位计数以上，积分控制器240才会允许位计数的累 积。总的积分将被提供给一比较器246，只要积得的位计数超过3200位计数 秒，它便会跳闸。该跳闸位计数是凭实验确定的，它对于任何具体的系统或 场合将是变化的。
实质上，泡沫在高和低状态之间会造成大量的阶跃状态，由这种泡沫所 造成的大量阶跃状态被当作“颤动”来处理，并被测量以确定管道72中流体 的第三状态。因此，二进制传感器76可提供表示气泡164特性的模拟输出。 如以上所讨论的，与传统使用相关的测量适用于起动阶段，而新的使用适用 于动态操作。
以上所描述的是一种用于压缩机的润滑油保护系统，它能确保油流浓度 和特性。本技术领域的普通技术人员可以认识到，可以对该润滑油保护系统 进行许多变化，包括将本发明应用于其它各种压缩机，以及采用各种其它的 润滑剂和致冷剂组合。另外，本发明在液位传感器方面可推广应用到需要测 得管道中是否有一定特性泡沫的其它领域。其它的变化和改制也是明显的。 所有这些变化和改制应落在所附权利要求书的精神和范围之内。
本申请与由R.W.奥科闰、A.阿明和M.A.谢佩克发明的、名为“液位传感 器”的、与本申请同一天提交的、经普通转让的美国专利申请08/924,228相 关。