用于压缩机和其它设备的密封泄漏检测装置的制作方法

专利名称

：用于压缩机和其它设备的密封泄漏检测装置的制作方法

技术领域

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本发明涉及关于例如压缩机的空气运动设备的检测密封失效的装置和方法。更具体地，本发明涉及关于检测油从空气运动设备泄漏进入下游的空气和气体的传感器和它们的放置。

背景技术

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通常使用空气压缩机、风扇、鼓风机、涡轮增压器和其它空气运动设备对以空气流动的结果起作用的动力生产设备或其它设备提供必要的氧气或空气流。这些设备的例子包括发动机、马达和低温催化反应器、例如燃料电池。对于其中使用例如上述的空气运动设备的许多应用场合，对下游设备提供的空气的质量或纯度不是关键的。但是，有许多应用场合，例如某些类型的动力生产设备，其中在空气流中的例如微粒和化学烟气的任何污染物必须保持较低，以便使动力生产设备适当地和有效地发挥作用。燃料电池是动力生产设备的一种，某些类型的空气携带的污染物能够有害地影响它的效率和工作，甚至会停止它的工作。
燃料电池有阳板和阴板，通过催化反应产生功率。一普通类型的燃料电池是氢燃料电池，其中氢燃料源被引至阳板，其中放出氢电子，留下正电离子。放出的电子经过外部电路到达阴极，在这过程中提供了电流，可以利用该电流作为供外部电路使用的动力源。正电离子通过燃料电池的电解液扩散和到达阴板，在该处离子与电子和氧结合，形成水和二氧化碳、加工的副产品。为加速催化反应，通常使用催化剂。
在氢源或氧源中存在的化学污染物能够阻止燃料电池的工作。在燃料电池系统中，通常由空气运动设备，例如空气压缩机、风扇、鼓风机、涡轮增压机等在含有必要的氧气的环境空气流到达阴极之前对其加压和/或加速，以便对阴极提供所需量的氧气。2001年4月11日提交的美国专利号6,432,177(Dallas等人)、美国专利申请系列号09/832,715，2001年6月12日提交的09/879,441和2002年4月10日提交的10/122,647叙述了关于从对燃料电池提供氧气的空气流中去除化学的和微粒的污染物的系统。但是，在这些申请中，所述的系统主要涉及在空气流通过空气运动设备之前从空气流去除污染物。这些系统设有被设置成去除去由该空气去除设备所进行的生产中可能产生的污染物。
需要的是防止，较佳地消除由空气运动设备自身所产生的空气流的污染物和在有过多的空气流的污染物的情况下保证及时地使燃料电池系统停止工作。

发明内容

本发明提供事先报警系统，该系统能够用于可能被在空气流或者其它气体流中存在的污染物有害影响的任何设备或加工过程。本发明的事行报警系统尤其适合于敏感的动力生产设备，在流过该动力生产设备的空气或其它气体的上游的空气运动设备产生的污染物能够永久地或暂时地损坏该敏感的动力生产设备。本发明的该系统也适合于其中气体流的清洁度是较重要的其它设备，例如油漆喷射器或工具。
本发明提供了密封泄漏检测装置，当它结合进入空气运动设备时，它对流过空气运动设备的气体监测例如碳氢化合物的污染物，例如可能危害位于该空气运动设备下游的动力生产设备或其它设备或加工过程的润滑油或硅酮，传感器位于空气运动设备内，以监测和报警在空气运动设备中产生的泄漏，例如润滑油的泄漏。
在一特定实施例中，本发明涉及具有入口和出口、将入口连接至出口的空气流动通道的空气运动设备。该空气运动设备还具有污染源。密封泄漏检测系统位于污染源下游和出口上游的空气流动通道内，通常，污染源是润滑剂源，例如轴承润滑剂。
在另一特定实施例中，本发明涉及包括空气运动设备的系统，该设备具有入口，出口和将入口连接至出口的空气流动通道和污染源。密封泄漏检测系统位于该设备内、污染源下游和出口上游的空气流动通道内。该系统包括具有用于从空气运动设备出口接受空气的氧化剂入口的燃料电池。
附图简述

图1是包括空气处理设备的系统的示意图；图2是可与例如图1所示的空气处理设备一起使用的密封泄漏检测装置的一第一实施例的局部示意图；图3是可与例如图1所示的空气处理设备一起使用的密封泄漏检测装置的一第二实施例的局部示意图；图4是包括空气处理设备和燃料电池的燃料电池系统的局部示意图；图5是包括过滤器、空气处理设备和燃料电池的燃料电池系统的局部示意图。

具体实施例方式

在本发明的较佳实施例中，将叙述结合进入空气处理或空气运动设备、例如压缩机内的本发明的密封泄漏检测装置，当压缩机结合进入一系统内时，该装置保护压缩机下游的设备不受可以通过空气处理设备或由空气处理设备产生的润滑油或其它污染物产生的污染。压缩机和其它空气运动设备包括多种类型的密封，用于将润滑油保持在轴承的周围。由于该设备通常使用较长时期，这些密封磨损和/或断裂，造成泄漏。
虽然在本说明书中使用术语“空气运动设备”、“空气处理”、“空气流”等，但是应该理解其它的气体流、例如富氧空气、纯氧、二氧化碳、氢、氦、氮、氩，混合气体或任何其它气体材料都可以与本发明的密封泄漏检测装置一起使用。
参阅图1，示意地示出了系统10，它包括空气处理设备20和下游设备30。通常是环境空气的进入空气流12在入口22进入空气处理设备20和在出口24从该设备流出。
适合的空气运动设备的例子包括压缩机、风扇、鼓风机、蜗轮增压器、膨胀器和真空泵。多种类型的压缩机的特定例子包括旋转压缩机，例如旋转叶片、旋转螺杆、旋转涡管、旋转叶轮、旋转滑动叶片，往复压缩机、离心机(多级和单级)、空气冷却的、水冷却的、单级、双作用、多级和高压力压缩机。一例子是一特定类型的压缩机，它尤其用于燃料电池的应用场合，它是“Lysholm”双螺杆压缩机，它可从瑞典的Opcon Autorotor AB得到。
离开出口24的空气流14前进到设备30的入口32。设备30可以是利用空气或另一气体供应流工作的任何设备，例如用于产生动力，以及它要求空气流较没有可能是由空气运动设备20产生的污染物。在系统10内能够使用的产生动力的设备的例子包括热机、例如火花发火装置或压缩发火装置、电动机、蒸汽发动机和燃料电池。从本发明的密封泄漏检测装置会得益的其它设备的例子包括油漆喷射器、清洁的房间的通风系统、对工具提供动力的压缩空气管线、关于饮料的碳酸盐气体和医学空气。
设备30通常是会被润滑油的存在而危害的类型，该润滑油通常是碳氢化合物为基的材料或者硅酮为基的合成油，该润滑油能够可替换地或附加地使用在空气流通过的应用场合，这能够引起对于其随后施加空气流的物品或加工过程造成危害。例如，燃料电池的催化剂和/或电解液通过与碳氢化合物、硅酮或硫、无论是固体微粒、液体或蒸汽形式接触可能造成永久性的损坏。本发明的密封泄漏检测装置使来自空气运动设备20的泄漏油或其它污染物的可能性减至最少、以及较佳地消除，该污染物会对通过空气运动设备20的空气流污染到这样一程度，即这污染会有害于设备30，或有害于设备30所服务的下游一应用场合。密封泄漏检测装置监测和报警任何泄漏，从而提供了事先报警系统，以防止对动力产生设备30或空气运动设备20的下游的其它加工过程的的重大危害。
空气运动设备20包括本发明的密封泄漏检测装置。在本发明的一较佳实施例中，密封泄漏检测装置被设计和构造成检测通过通常在空气运动设备20、例如压缩机和鼓风机内的密封的润滑油的泄漏。如果检测到任何油，在泄出的油对设备30产生暂时的或永久的危害之前，能使系统10停止工作，否则在供应至下游设备30的空气流中产生不可接受的程度。
空气运动设备20通常包括转轴，该轴装有许多叶片或叶轮，用于从空气运动设备的入口将空气运动到出口。该轴通常安装在由空气运动设备20处理的空气的通道中或被其包围。
现在参阅图2，在空气运动设备20的局部视图中示出了密封泄漏检测装置50的第一实施例。在这实施例中，空气处理设备20是双螺杆空气压缩机21，它具有形成孔32的本体或壳体30，该孔容装有连接于凸起部36的转轴34。由安装在孔32内的轴承支持轴34，用于转动，用标号38示出了一组轴承。轴承38被浸没在润滑油42内，该油被保持在也由壳体孔32形成的油室31内。润滑油42减少了在轴承38、轴34和在定时齿轮(未示出)上的磨损和降低了它们的工作温度。以将油42保持在油室31内的方式将轴承38固定在孔32内。其次油密封件、柔性密封件44可滑动地接合转轴34，用于在孔32和轴34之间提供附加的液体紧密密封，以保持住通过轴承泄漏在孔腔内的任何油。密封件44通常还可以称为油刷环或油刷密封件。在所示的实施例中，有两个柔性密封件44a、44b。空气压缩机21的这些不同的特征在压缩机和其它空气运动设备的领域是传统的和众所周知的。按照本发明，将密封泄漏检测系统50结合在压缩机21内，尤其相对于密封件44，检测可能通过轴承38和密封件44a、44b的任何油。密封泄漏检测系统50提供了事先报警系统，用于防止由通过轴承密封件或磨损的或损坏的密封件44a泄漏的油所引起的对设备30或由设备30所执行的加工过程的损坏。
尤其，在这实施例中，密封泄漏检测系统50包括分别位于在壳体30内形成的、在它们分别监测的密封件下游的一孔或孔46a、46b中的一第一传感器45a和一第二传感器45b。孔46a、46b的尺寸应该被确定为在其中可工作地接纳传感器45a、45b(例如6毫米直径)。孔46a、46b较佳地被构造成通过壳体30和进入泄漏的油将所在的空腔内，从而能够从壳体30的外侧将传感器放置在该孔内。传感器45a、45b可以螺纹啮合或仅仅揿扣配合进入孔46a、46b。较佳地，各孔46a、46b相对于孔32处在壳体30内的较低位置处。带有第一传感器45a的第一孔46a处在轴承38和第一密封件44a之间，以及带有第二传感器45b的第二孔46b处在第一密封件44a和第二密封件44b之间。各传感器45a、45b对油42的存在进行监测和报警。第一传感器45a是对可能漏过轴承38的任何油的存在进行监测的主要传感器。第二传感器45b是对可能漏过轴承38和第一密封件44a的任何油的存在进行监测的辅助传感器。能够利用由传感器45a、45b证实检测到油的数据使系统10停止工作，从而避免对设备30产生的永久性的危害。在一可替换选用的结构中，由第一传感器45a确认的泄漏可以是警示轴承38开始泄漏和可能需要调换。但是，如果传感器45b检测不存在油，那么密封件44a可能没有充分磨损或损坏到证明要立即停止工作和调换的程度。然后可以利用由第二传感器45b随后检测到油自动地停止该系统的工作。
如以上所述，传感器45a、45b被构造成检测液体润滑油的存在。附加地或可替换地，传感器45a、45b可以被构造成检测存在的例如碳氢化合物、硅酮、硫或为油42的成份的其它材料的分子数量。用于检测液体材料或分子数量的合适的传感器的例子包括依靠折射和反射工作的那些传感器。反射传感器45a、45b依靠监测射入壳体30内、可能泄漏润滑油的部位的光来的反射而工作。在光的路径中存在油或其它污染物会影响反射读数。适合的反射传感器的一个例子是PartFU67G，可从Keyenes得到。
通常例如通过光纤或电缆将传感器可工作地连接到其它信号处理设备，例如计算机。用于与FU67G传感器连接的适当的放大器的一个例子是放大器PartFSM，也可从Keyenes得到。如果需要，可以串联或并联连接多个传感器。通常，对于第二传感器使用一第二放大器。在使用一第一FSM放大器的串联连接的传感器结构中使用的合适的放大器的一例子是PartFSM2，也可从Keyenes得到。
在图3中示出了密封泄漏检测装置的第二实施例。在这实施例中，空气设备20是空气压缩机61，它具有形成孔72的本体或壳体70，该孔容装连接于圆柱形凸起部分76的圆柱形转轴74。轴74和凸起部分76被安装成依靠轴承在孔72内旋转，由标号78示出了一组轴承。由一系列柔性密封件84保持在油室71内的润滑油82，以浸没轴承78。在所示的实施例中，示出了外表好像叶片的三个密封件84a、84b、84c。最左方的密封件84a是用于将油82保持在油室71内的主要密封件。如果油通过第一密封件84a泄漏，设置第二密封件84b，用于阻挡通过第一密封件84a泄漏的任何油。类似地，设置第三密封件84c，阻挡通过第二密封件84b泄漏的任何油。使用带有密封件84a、84b、84c的密封泄漏检测系统80检测是否有任何油82通过密封件84a、84b、84c。尤其，密封泄漏检测系统80包括位于壳体70内的诸排出孔内的一组传感器85。即，一第一传感器85a位于在密封件84a和84b之间的孔86a内，一第二传感器85b位于在密封件84b和84c之间的孔86b内，以及一第三传感器85c位于在密封件84c下游的孔86c内。
类似于图2的传感器45a、45b，传感器85a、85b、85c被构造成检测可能通过密封件84泄漏的任何润滑油的存在和防止对下游设备或加工过程可能造成的损坏。
应该理解可以将密封泄漏检测装置50、80结合进入关于泄漏的润滑油对下游设备或加工过程可能形成威胁的任何空气运动或空气处理设备。此外，可以将密封泄漏检测装置50、80用在与存在润滑油污染会受到有害影响的任何设备和加工过程一起使用的空气运动或空气处理设备上。
参阅图4和5，系统100和200分别利用空气运动设备120、220，这两设备分别结合有上述类型的密封泄漏检测装置的一实施例。
图4的系统100具有在入口122进入空气运动设备120的空气流112和通过出口124流出的空气流114。空气流114进入在较佳实施例中为一特定的燃料电池的动力产生设备130。
燃料电池130是有效地将燃料的化学能转化为电能的电化学装置。燃料电池130化学地结合燃料和氧化剂，而不燃烧，从而消除了传统的燃烧动力系统的许多效率低和严重污染的问题。燃料电池130在原理上像电池那样工作。但是，又不像电池，燃料电池不停止工作和不要求再充电；只要对它供应燃料和氧气，它将继续产生电和热形式的能量。
通常，燃料电池130包括围绕电解液、处在中间的两个电极(一阳极和一阴极)。在一较佳实施例中，燃料电池130是PEM型、低温燃料电池。对于PEM燃料电池，氢和氧以一方式分别通过阳极和阴极，即在电极之间产生电压、产生电流，以及产生作为主要副产品的水和二氧化碳。将氢燃料供应到燃料电池的阳极。某些燃料电池直接消耗氢气，而另一些燃料电池利用燃料转化器，用于从例如天然气、甲醇、乙醇或汽油的碳氢化合物燃料提取氢气。氧气在阴极进入燃料电池。能够以纯净的形式供应氧气，或者能够直接从环境空气得到氧气。
燃料电池130利用催化剂，引起氢原子分裂为质子和电子，它们各自采取不同路径到达阴极。质子通过电解液。在返回到阳极之前，电子产生有用的电流，能够利用该电流为能源，在阳极处它们与氢质子和氧再结合，形成水。
燃料电池130、以及其它燃料电池、通常的特征在于电解液材料处在阴极和阳极之间，以及用作为离子交换的桥梁。有五种主要已知类型的燃料电池。碱性燃料电池(AFCs)包括碱性液体电解液和主要用于空间飞行应用场合。质子交换膜燃料电池(PEM或者PEMFCs)包含固体聚合物电解质。它们的低温工作、高释能密度和迅速改变它们的输出以满足功率要求方面的转换的能力使它们理想地用于可动的和静止的应用场合，例如动力车辆或建筑物。磷酸燃料电池(PAFCs)利用磷酸电解液和目前用于商业发电。熔化的碳酸盐燃料电池(MCFCs)包含碳酸盐电解质，该电解质在约650℃工作温度下被溶化。固体氧化物燃料电池(SOFCs)利用陶瓷电解质材料和工作温度达到约1000℃。MCFCs和SOFCs能够利用一氧化碳作为燃料。
以上讨论了主要的已知类型的燃料电池的结构。它们都有简要地所讨论的共同特征，但是在工作温度和工作效率方面不同。将氢燃料源引导至阳极，在该处释放氢电子，留下正电荷离子。释放的电子通过外部电路到达阴极，在该过程中，提供了电流，能够利用它用于外部电路的电源。正电荷离子通过燃料电池扩散到阴极，在此处该离子与电子和氧结合，形成该过程的副产品的水和二氧化碳。为加速阴极反应，通常使用催化剂。通常用于燃料电池反应的催化剂的例子包括镍、铂、钴、铯、钛和其它稀土金属。
燃料电池的质子交换膜(PEM)型是用于动力车辆的普通的燃料电池结构，这是由于它的较低的工作温度、较高的释能密度和迅速地改变它的功率输出以满足功率要求方面的变换的能力。PEM燃料电池通常简单地称为“低温燃料电池”，这是由于它的工作温度较低，通常约70至100℃，有时高到200℃。燃料电池130较佳地为PEM、低温结构，或者SOFC(固体氧化物)结构。燃料电池的结构和操作通常是众所周知的。各种燃料电池例如可从加拿大、Vancouver的Ballard动力系统股份有限公司；康涅狄格州、联合技术公司(UTC)；马萨诸塞州、美国燃料电池公司；德国、Erlangen的Siemans AG；密歇根州、底特律市的通用发动机的Global Alternative Propulsion Center；以及日本丰田发动机公司购得。将各具有阳极、阴极和电解液的多个燃料电池构造成“堆积体”，以提供所需的外部功率量。会认识到本发明的原理将有利于通常的任何燃料电池结构的工作。
可被各种燃料电池接受的污染物的阈值取决于燃料电池的设计。例如，碳氢化合物(甲烷和较浓)、氨、二氧化硫、一氧化碳、硅酮等；已知占据了催化物上的空间和钝化了反应现场。因此，在它们进入燃料电池的反应区域之前需要去除这些污染物。
可接受的污染的精确的阈值和污染物的类型随使用的催化剂、工作状态和催化的加工过程效率要求而变化。在污染可能危害催化剂、电解液或燃料电池的其它部分之前，本发明的密封泄漏检测装置停止空气流进入。
再次参阅图4，已通过其中具有本发明的一实施例的密封泄漏检测装置的空气运动设备120的空气流114将氧气供应给燃料电池130。氢燃料如氢气流140进入燃料电池130。燃料电池130转换氢和氧，以提供电功率160和作为副产品的水150。空气流作为出口流116离开燃料电池130。
参阅图5，系统200类似于图4的系统100，但是除了系统200包括过滤器组件之外，空气流在进入空气运动设备之前通过该过滤器组件。具体地，系统200包括过滤器组件210，空气流如气流212进入该过滤器组件和如气流213离开该过滤器组件。
过滤器组件210对进入的空气流212提供过滤，以将纯净的空气流213和氧化剂提供给燃料电池230的入口侧。过滤器组件210捕获和保留可能有害于燃烧或催化过程、电解液或两者的微粒和/或化学污染物。过滤器组件210还能够提供对于从例如压缩机的、可以与燃料电池230可工作地连接的空气运动设备220发出的任何噪声的消音或衰减。
过滤器组件210的一第一例子具有壳体和在壳体内的过滤器元件。壳体具有入口和出口，入口接受进入过滤器组件的脏空气(即空气流212)，以及出口提供离开过滤器组件210的干净的过滤过的空气(即空气流213)。过滤器元件具有微粒过滤器部分，该部分被构造和设置成从空气流212去除实际存在的或特定的污染物，以及具有化学过滤器部分，该部分被构造和设置成从空气流212去除化学污染物。过滤器组件还具有消声元件，例如谐振腔、声节流口(choke)、全节流口、吸声材料，该吸声材料每公尺衰减或降低至少3分贝的噪音，较佳地降低6分贝。例如见公开的美国专利申请2002/0150805。
过滤器组件210的一第二例子具有包括消声元件、微粒过滤器部分或化学过滤器部分的过滤器元件。消声元件被构造和设计成提供每公尺至少6分贝的宽带声衰减。微粒过滤器部分被构造和设置成从进入过滤器元件的脏空气(即空气流212)去除微粒污染物，以及将微粒过滤器部分放置在消声元件的径向附近。设置化学过滤器部分，用于从脏空气去除化学污染物。在某些结构中，微粒过滤器部分能够被构造成提供直通流动。例如参见公开的美国专利申请2002/0150806。
应该理解可以使用过滤器组件210的任何其它结构。在美国专利号6,432,177和公开的美国专利申请2002/157359中叙述了关于过滤器组件210的附加信息和多种可替换的实施例。
参阅过滤器组件210下游的系统200的部分，离开过滤器组件210的过滤过的空气流213通过入口222进入空气运动设备220。在被具有本发明的密封泄漏检测装置的空气运动设备220处理之后空气如气流214通过出口224离开。在某些系统结构中，可能希望包括在压缩机220下游的和燃料电池230上游的过滤器组件。在图5中以虚线所示的、如排气过滤器210’的这一“排气”过滤器组件能够包括微粒过滤器部分、化学过滤器部分和消声元件的任何部分。在美国公布的专利申请2002/0150805，2002/0150806和2002/157359中揭示了排气过滤器组件的例子。空气流214将氧气供应到燃料电池230。氢燃料如氢气流240进入燃料电池230。燃料电池230转化氢和氧，提供电功率260和作为副产品的水250。空气流如出口流216离开燃料电池230。
以上的详细说明、例子和资料提供了本发明的组成部分的制造和使用的完整说明。由于不偏离本发明的原理和范围可以做出本发明的许多实施例，所以本发明由以下所附权利要求书限定。

权利要求

1.一种空气运动设备，它包括(a)入口和出口；(b)将入口连接至出口的空气流动通道；(c)污染源；以及(d)位于空气流动通道内的、在污染源下游的和出口上游的密封泄漏检测系统。
2.按照权利要求1所述的空气运动设备，其特征在于污染源是润滑剂。
3.按照权利要求2所述的空气运动设备，其特征在于润滑剂包括硅酮。
4.按照权利要求1-3的任一项所述的空气运动设备，其特征在于空气运动设备是压缩机。
5.按照权利要求4所述的空气运动设备，其特征在于压缩机是双螺杆压缩机、Lysholm压缩机或旋转压缩机。
6.按照权利要求1-5的任一项所述的空气运动设备，其特征在于密封泄漏检测系统包括位于空气运动设备的内密封件下游的传感器。
7.按照权利要求6所述的空气运动设备，其特征在于传感器被构造和设置成通过折射或反射检测污染。
8.一系统，它包括(a)按照权利要求1-7的任一项所述的空气运动设备；以及(b)具有用于接收来自空气运动设备出口的空气的氧化剂入口的燃料电池。
9.按照权利要求8所述的系统，其特征在于燃料电池是PEM燃料电池或固体氧化物燃料电池。

全文摘要

关于设备或加工过程的事先报警系统，该设备或加工过程能够被来自位于流过该设备的空气的上游的空气运动设备、例如压缩机的污染永久地或暂时地损坏。本发明提供了密封泄漏检测装置，当该装置结合进入空气运动设备时，它对流过该空气运动设备的空气监测可能危害下游设备的污染物、例如润滑油的存在。至少一传感器位于该空气运动设备内、保持污染物的密封件的下游。在该密封泄漏装置结合在系统内、燃料电池的上游时，它特别有效。