本发明涉及一种带有喷射式冷却的压缩机的压缩机机组，以及一种 在压缩机设备中压缩气体的方法。

压缩机，特别是螺杆式压缩机是用于压缩气体介质的，特别是用于 压缩从大气中吸入的空气。通常，要使这种气体具有很高的压力，适当 的温度和没有杂质。

为了在一台螺杆式压缩机的压缩出口使气体具有较低的温度，为螺 杆式压缩机研制了各种液体喷射泵。这种用喷射式冷却的螺杆式压缩机 所用的冷却剂是油、水或者化学冷却剂混合物。

众所周知，使用螺杆式压缩机时，一般，气体的出口温度低，压缩 机的效率就高。但是，现在已不再容许以危险物质污染环境，或者过度 消耗水来换取高的能量效率了。

在专利文献CH-A-564153中描述了一种带有用油作冷却剂的封 闭压力冷却循环系统的螺杆式压缩机。从CH-A-564 153中可知，油滴 的尺寸和油滴的运行轨道对冷却效果有重要的影响。此外，还知道，细 雾状的油滴具有很好的冷却效果，然而极小的油滴在以后很难从压缩气 体中分离出来，并且会在气体中造成污染。用于润滑的和冷却的润滑油 喷射到螺杆式压缩机里面，用于限制被压缩气体的加热。压缩气体随带 的这种润滑油和压缩气体一起导入一个沉淀容器内，并在该容器中沉淀 下来。然后，压缩气体通过一个冷却装置被引出压缩机机组。上述润滑 油则通过一根冷却剂管道和一个润滑油冷却装置回到压缩机内，再在压 缩机内与被压缩的气体混合在一起。这篇文献也提到了水的适用性，但 并未在相应的实施例中使其具体化。

使用油作为冷却剂和润滑剂对于环境来说是一种负担，因为不可能 把所有的润滑油从压缩气体中清除掉。此外，这种螺杆式压缩机设备不 能用于生产气体中完全不能有油的压缩气体。

专利文献EP-B-0 389 036，DE-A-40 42 177，以及EP-B-0 258 255 中公开了用水作冷却剂液体的具体例子。用水作冷却剂能够避免在压缩 气体中混入不良的杂质。存在于压缩气体中的水对于大多数使用情况不 会产生问题，特别是当这种压缩气体是从大气吸入，并在压缩机中压缩 的空气。

通常，制造压缩气体所消耗的能量是很大的。因此，作了很多努力， 试图影响螺杆式压缩机内部的温度的提高过程，来降低制造压缩气体的 能量消耗。

在EP-B-0 389 036的螺杆式压缩机中，液体是直接喷射到压缩机腔 室内去的，目的是降低制造压缩气体的能量消耗。所喷射的一部分冷却 水喷射在压缩机的吸气侧，然而大部分冷却水喷射到螺杆式压缩机的压 缩空间中压力逐渐增大的各个不同部位。

根据DE-A-40 42 177，由于设置了产生细雾的雾化器喷咀，工作 腔室内的温度降低了。此外，这些雾化器喷咀还能使工作腔室内的温度 更均匀地分布。

螺杆式压缩机的能量消耗基本上决定于转子的转速。在压缩过程中 压缩气体粒子的加速度对于转子的减速是一个重要的因数，它是转速的 函数，因而也是螺杆式压缩机的能量消耗的重要因数。此外，转子的转 速还影响轴承的摩擦和转子的相互摩擦。速度较低，则作为转速的函数 的能量消耗就能减少。另一方面，在低速度下，转子之间和转子与压缩 机腔室之间的泄漏有重要的负面影响，因为回流的损失妨碍了获得想要 的压力和压缩气体的高生产率。

为了把上述回流损失降低到最低限度，EP-B-0 258 255建议用喷射 水的方式在转子和腔室的内壁上形成一层薄膜。为此目的，要喷射大量 的水，其水量大约是使压缩气体完全饱和所需要的水量的五倍。上述冷 却水要喷射到进气通道或者压缩机的腔室内。在压缩过程中，被压缩的 气体被加热，于是一部分喷射出来的水在压缩过程中蒸发。没有蒸发掉 的水便把压缩机的转子和腔室互相密封住。尽管如此，各转子将仍然以 与干转的转子相当的圆周速度转动。

上述冷却水也和压缩气体一起从螺杆式压缩机的出口流出来。气体 和冷却水的混合物通过一个冷却装置流向一分离器，在该分离器中气体 与冷却水分离开来。分离后的冷却水流入一个没有压力的储罐内，然后 还可以用一台泵把它再送到螺杆式压缩机中去。但，只有一小部分喷射 出来的水能够回收。如果把喷射的水量调到最低限度，就完全没有回流 的水，全部水量都要由水源来供应。

US-4,968,231专利文献(该文献形成权利要求1的前序部分的基 础)描述了一种带有封闭的压力冷却剂循环管路的压缩机设备，在该循 环管路中，一种硼酸钾的液体溶液在进行循环，用于润滑和冷却。在压 缩机的下游，在冷却剂循环管路中设置了一个沉淀罐，这个沉淀罐是一 个以气密方式与压缩机出口连接的压力容器。充满在上述压力容器中的 压力迫使上述硼酸溶液在该压缩机设备中通过一个过滤器和一个冷却 装置向着上述压缩机进行循环。这种喷射到压缩机内部去的硼酸溶液被 经过压缩的气体所加热，并与也提高了温度的压缩气体一起进入沉淀 罐。同样，US-A-4,968,231中所公开的这种压缩机机组，由于它排泄硼 酸并且能量消耗大，也对环境有害。

某些公知的螺杆式压缩机的特点是，将液体喷射到压缩机腔室内部 去所消耗的能量已经达到相当经济的程度。然而，仍和以前一样，使冷 却剂雾化很困难，因为水的蒸发使得矿物质在压缩机内部沉淀下来，这 样就要加大公差，并且这种沉淀会造成很大的间隙和使效率下降。

本发明的目的是提供一种不污染环境的气体介质的压缩过程。

为达到本发明的上述目的，本发明提供一种压缩机设备，它包括一 台喷水冷却的压缩机，其压力出口用一根连接管道与一个用于分离喷射 的冷却水的沉淀罐相连，上述沉淀罐是一个以压力气密的方式与压缩机 的出口连接的压力容器，上述压缩机设备还包括一个从上述沉淀罐引向 上述压缩机的冷却水管道，和一个设置在冷却水的流动通路上，在沉淀 罐与压缩机之间的冷却装置，无油的冷却水在循环系统中循环，该循环 系统由上述压缩机，连接管道，沉淀罐，冷却装置和冷却水管道组成， 上述冷却水是借助于遍布在沉淀罐内部的压力压向冷却装置的，其中： 容纳在上述循环系统中的冷却水中不加添加剂；在上述循环系统中设置 了一个用于防止矿物质沉淀的水处理装置；喷射到压缩机内的水的份量 使得该压缩机实现一种几乎是等温的压缩，气体出口温度与气体入口温 度之间温差低于10℃。

本发明的压缩机设备设计成使得完全没有油和润滑剂的冷却水在 循环系统中循环，该循环系统由压缩机、连接管道、沉淀罐和冷却液体 管道组成。由于采用水作为润滑剂，使得压缩机设备既不向环境中排出 油，也不排出水的添加剂。但，水是一种不良密封剂。因此，本发明的 喷射水的压缩机必须把密封的缝隙做得比喷射油的压缩机窄得多。这就 导致必须非常严格的控制公差。用于防止矿物质沉淀的水处理装置和几 乎是等温的压缩，防止了沉淀堵塞密封缝隙和造成损坏。由于防止了在 轴承上沉淀，压缩机的使用寿命也增加了。

因此，本发明综合了若干项措施。首先，由于不使用油或其他添加 剂来润滑或冷却压缩机设备，保护了环境，而这种效果不是靠损失压缩 机设备的效率来换取的。由于在压缩机设备中设置了封闭的冷却水循环 系统和水处理装置，以防止矿物质的沉淀，并且还将压缩机设备设计成 几乎是等温的压缩过程，因此把压缩机设备的内部损失减少到最小的程 度。在与封闭的循环系统协同工作时能够防止矿物质沉淀的水处理装 置，以及借助于几乎是等温压缩过程而使水的消耗很少，容许在转子的 设计中严格控制公差。转子设计中的严格的公差减少了回流损失，从而 提高了效率，而不需要专用的润滑剂或密封剂。避免矿物质沉淀对于容 许严格控制公差是很重要的特征。由于本发明的压缩机设备能够在低转 速下工作，所以能量损失和磨损降低到最小的程度。除了水的消耗少之 外，几乎是等温的压缩过程也对降低转子的阻力有积极的效果，因为由 于温度提高而造成的压缩机中的阻力减小了。几乎是等温的压缩过程意 味着，在该压缩过程中，气体出口温度与气体进口温度之间上下的差别 小于5°-10℃。最好是气体的出口温度低于或等于气体的进口温度。 因此，本发明不但取消了冷却水中的添加剂，而且还是一种把许多导致 减少环境污染的措施很好地组织在一起的系统。

上述水处理装置还有防止循环冷却水被细菌污染的优点，所以还排 除了因细菌的不可控制的扩散而造成的环境污染。

使用水作为冷却剂并对它进行处理还有利于使得所生产的压缩气 体绝对没有油和细菌，所以这种压缩机设备甚至可以用于食品工业领域 和空气清洁的实验室内。

可以把上述压缩机设备看作是一个能够在一个封闭循环系统内运 行的准封闭系统。当要压缩的气体，例如空气，与一定量的湿气一起送 入压缩机时，经过压缩的空气便与这些湿气一起离开压缩机设备，上述 冷却水的量是恒定的，并且这个循环系统能在与外界隔断的状态下运 行。但是，这个循环系统却通过要压缩的气体向外界开放，所以这个系 统只能称为准封闭系统。为了排出被气体带进来的液体，该循环系统可 以是开放的，即，可以有排水管道。通常，冷却水的喷射都设计成在压 缩机内不使冷却水蒸发，所以冷却水没有消耗。可以设置进水管道，以 便最初的充灌和补充。

通常，上述水处理装置是一种使得由冷却水输送进来的异物带有电 荷的极化装置。异物，例如分解后的矿物质，会在上述极化装置的电极 之间存在的电场的作用下，置换一个自由电子。由于这种单方向的置 换，这些异物粒子将互相排斥，结果便防止了助长沉淀的原子团的形 成。由于防止了矿物质沉淀，例如氧化钙的形成，所有装置中的构件， 特别是转子和转子的轴承的使用寿命增长了。

压缩机设备的水处理装置中具有两个由外界供电的不损失型的电 极。但是，最好是具有这样的压缩机设备，其中的极化装置是一个电— 化学元件。所使用的电—化学元件有一个正电极和一个负电极，而冷却 水则作为电解液在这两个电极之间流过。冷却水中的异物作为电荷的载 体。这种水处理装置的优点是，即使没有电流供应也能够工作。这就简 化了压缩机设备，并且节约了非必要的能量消耗。

最好，上述极化装置沿着流动轴线布置在一根管子里，在管子的内 壁上设置一个与在管子内部延伸的反电极协同工作的金属电极。具有这 种结构的水处理装置对于冷却水的流动阻力很小，所以输送流动的冷却 水只需要很少的能量。与此同时，这种结构还使得随着冷却水输送的异 物具有很好的极性。当上述金属电极用铝制造，而反电极用碳制造时， 能够获得特别良好的极性。这两种材料的组合保证了这种可溶解电极的 电极材料只有极少量可以忽略不计的材料溶解在冷却水中。如果冷却水 沿轴向流过的管子是一根钢管，并且其内壁上涂覆一层使该钢管与金属 电极绝缘的绝缘层，还能进一步获得更好的效果。

使用一种布置在极化装置下游的粒子过滤器，通常是一种薄膜过滤 器，就能过滤掉冷却水中的杂质。

压缩机设备可以通过一个水位控制阀与公用饮水管网连接。由于这 种压缩机设备运行时没有油和润滑剂，所以即使和要压缩的气体一起进 入的水量过多了，也可以排放掉。在夏季，由于被压缩的空气的湿度大， 常常会产生过量的水，因为在绝热压缩过程中，温度常常会下降到低于 该压力下的露点。此外，这种系统的运行的管理很方便，因为，当冷凝 水积聚得太多时，上水位传感器会使排水阀打开。在本发明的压缩机机 组中可以摈弃用于分离油和冷凝水的，需要经常保养和维修的油分离 器。

下面参照附图详细说明本发明的优选实施例，通过对这些实施例的 描述，将进一步了解本发明的其他优点。附图中：

图1是本发明的压缩机设备的一个优选实施例，其中有一个安装在 冷却水循环系统中的水处理装置；

图2是图1中的水处理装置的放大图；

图3是在图1的压缩机设备中使用的螺杆式压缩机的示意纵向断面 图；

图4是从垂直于图3中的螺杆式压缩机的转子的轴线方向看的一对 转子的示意断面图。

图1表示一台生产无油压缩空气的压缩机设备10。这台压缩机设 备10包括一台压缩机12，这台压缩机的吸气侧通过一根进气管14与空 气过滤器16连通。在压缩机12内部经过压缩的空气通过一根连接管道 18流入一沉淀罐20，该沉淀罐同时也用作压缩空气21的储气罐。上述 压缩空气可以通过一根压缩空气管道22输出。

用一台电动机24驱动的压缩机12是一台螺杆式压缩机，它具有用 陶瓷材料制成的一个主要转子和一个辅助转子。上述主要转子有五条螺 旋形地围绕着主转子轴线的双凸齿，这些双凸齿在压缩机12的压缩部 分的包角为240度左右。上述辅助转子有六条螺旋形地围绕着辅助转子 的轴线的凹凸齿。当两个转子啮合时，主要转子与辅助转子的齿相互之 间为滚动接触。

这一对转子分别支承在两侧的轴承上。主要转子由一根驱动轴驱 动，然后借助于与辅助转子的啮合而驱动辅助转子。

用于上述螺杆式压缩机12上的这一对转子都是用陶瓷材料或塑料 模压成的，具有非常光滑的表面和十分严格的公差。这种严格的公差是 依靠精细的加工，例如研磨和上釉来达到的。

下面的表1(参照图3、图4)表示决定于转子直径的能够获得良 好效率的公差。

表  1

转子直径    72mm     200mm    400mm

   S        20-25    30-35    35-40

            (23-33)  (37-47)  (55-73)

   A          0        0        0

            (2±1)   (3±1)   (5±1)

   R         0-2      2-4      2-4

            (4-6)    (7-11)   (12-15)

   Ts        0-1      1-2      2-3

            (1-2)    (2-3)    (3-6)

   Tv        0-1      0-1      0-1

            (2-4)    (3-5)    (4-6)

   Tn        0-1      0-1      0-1

            (1-2)    (2-4)    (3-5)

   r          0        0        0

            (1-2)    (3-4)    (4-5)

   a          0        0        0

            (9-14)   (1-2)    (6-11)

表与图3和/图4中：

S： 吸气侧的公隙；

A： 压缩侧的公隙；

R： 气缸的公隙；

r： 径向轴承的公隙；

a： 轴向轴承的公隙；

Ts：顶部公隙；

Tv：在基圆区域内垂直于转子轴线的周向齿侧公隙；

Tn：在基圆区域内垂直于齿侧轮廓的法向公隙。

在图3中示意地表示的螺杆式压缩机12中，上述吸气侧56在图的 左方，而由推力轴承60所确定的压缩侧58在右方。

上述公差的数值以1/100mm计，上述Ts，Tv的数值是指标准中心 距的公隙。作为比较，在括弧中列出了公知压缩机的公差。顶部公隙 Ts，在基圆区域内垂直于转子轴线的周向齿侧公隙Tv，在基圆区域内垂 直于齿侧轮廓的法向公隙Tn均示于图4，在该图中主要转子驱动与其 啮合的辅助转子。

最好，转子按照DE-A-39 03 067或DE-A-40 35 534专利文献中 所描述的方法制造。

为了在压缩过程中使气体的出口温度与气体的进口温度相等，或低 于气体的进口温度，上述压缩机设备10具有一冷却循环系统26，不含 油和冷却剂的水25作为冷却剂在该系统中进行循环。因此，压缩过程 是一个具有多变指数的多变压缩过程，其指数在0.95-1.05之间，最好 在0.95-1.0之间。在压缩过程中，上述冷却水25通过水喷咀喷射到螺 杆式压缩机的区域内，把压缩机12在压缩过程中所产生的热量带走。 上述喷咀一般按照DE-AS-40 42 177来设计，它既把水喷射到压缩机 的吸气侧，也喷射到其压缩侧。这种喷射是这样实施的，它保证不在压 缩机的任何地方使水蒸发。借助于一种冷却水的分配装置(图中未表 示)，喷射到吸气管道内的冷却水与喷射到压缩机腔室内的冷却水的比 例是可以调节的。这样，即使在变化的运行条件下，也能够使进入压缩 机的空气是100％的饱和状态。一种造成非常细小的水滴的早期雾化， 以及在平稳的温度曲线下延长向压缩机内部的喷射时间，与严格的公隙 相结合，能够达到非常高的效率。

上述冷却和凝结的水25几乎全部是在沉淀罐20里凝结的。由于在 沉淀罐20内的压力是均布的，所以冷却水通过一根冷却水管道28被压 向水处理装置31，该水处理装置防止了矿物质的沉淀。这种水处理装置 最好是一种极化装置。水从水处理装置31被压向冷却装置32和粒子过 滤器34，然后，经过处理和冷却的水再从过滤器流入压缩机12中的各 水喷咀。

上述压缩机设备也可以通过一个供水进口36来充满水，所供的水 通过进气管道14加入吸入的空气中。供入的水通过压缩机28以及连接 管道18和沉淀罐20之后，到达设置在冷却水管道28中间的水处理装 置31。

用作水处理装置31，并在放大后示于图2的极化装置有一根沿轴 向架设，用作处理容器的钢管38。在钢管38内部敷设了一层用塑料制 成的绝缘层40，使钢管38与铝制的金属电极42绝缘。反电极44是一 根碳做的电极，设置在圆筒形钢管38的内部。上述反电极44的轴线与 钢管38的轴线重合，其长度与金属电极42相同，它只能通过流过钢管 38中的冷却水25与金属电极通电。

当处理冷却水25时，使用的是在金属电极42与反电极44之间产 生的单元电压。只要作为电解液的含有矿物质的水25流过钢管38，上 述金属电极42、反电极44和含有矿物质的冷却水25便组成一个电化学 元件。在金属电极42与反电极44之间的电压随冷却水25和电极42、 44的性质而定，一般在0.8-1.2V之间。

上述极化装置31也可以称为离子载体，它防止或分解硅、钙和镁 的沉淀物和水垢。在离子载体内部完成的离子化是由于遍布在两个电极 42、44之间的单元电压把溶解在水中的天然矿物质，例如钙、镁、硅和 铁等，  几乎全部转变为相应的氢氧化合物〔例如 Ca(OH)2，Mg(OH)2，Si(OH)2，Fe(OH)〕。在这种转变之后，所形成的氢氧 化合物带有电荷。在这种情况下，每一个粒子都具有同样的极性和同样 的电荷，就能够防止粒子的聚集。因为同样的电荷互相排斥。

由于离子化的矿物质粒子只能在有限的时间内保持其带电状态，所 以必须不断地重复冷却水25的离子化。在优选实施例中，上述冷却水 25大约每分钟要通过上述水处理装置6次。由于上述冷却水25在水处 理装置31中的重复处理，就有可能因为冷却水的返回而使异物充分带 电，从而，即使是在比较弱的电场下也能使冷却水25软化。

使铝电极只通过冷却水25与碳电极44通电，对于水处理装置31 的功能是极为重要的，这样才能使电极42与44之间除了电荷的输送之 外没有电流流过。万一这两个电极42、44通电了，就会有大量的铝析 出，造成负面的后果，即，溶解在冷却水中的硅会沉淀下来，在轴、腔 室和轴向表面的密封件上形成永久性的沉淀物。

布置在水处理装置31下游的粒子过滤器34的作用是永久性地把冷 却水25中的异物清理出去。由于34的薄膜会被堵塞，所以应该定期更 换离子过滤器34。

为了保证压缩机设备的运行只要很少量的维修，设置了一个电控制 器，它有一个中央处理器46和上、下水位传感器48、49。水位传感器 48、49的作用是监控冷却水在沉淀罐20内部的高度。根据所吸入的空 气的温度和湿度来确定加入冷却循环系统26中的冷凝水的多少。

当所压缩的空气的温度和湿度较高时，在压缩过程中会产生特别多 的冷凝水。这些冷凝水借助于一根排水管50自动地从冷却循环系统26 中排出去。为此目的，当沉淀罐20中的冷却水25的高度达到最高允许 水位时，上水位传感器48便发出信号，上述中央处理器46就自动地打 开排水阀52。而当水位达到下水位传感器49时，上述排水阀52便关闭。