CN101504231B - 一种两级旋叶式膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明属于制冷技术及设备领域，具体涉及一种用于制冷(热泵)***能量回收的两级旋叶式膨胀机。包括缸体、转子、滑片、轴承、轴承座和端盖，膨胀机有两个不对称的工作腔，膨胀机的缸体的内轮廓线为不对称的光滑曲线，转子上开设滑片槽，滑片底部与转子之间设置有弹簧，进气口开设在轴承座上，缸体设置有工作腔、进排气道，端盖上开设总排气孔。本发明的两级旋叶式膨胀机，其容积比为7.5左右，用于替代传统蒸气压缩式制冷(热泵)***中的节流阀，可将标准空调工况下的R410A，从冷凝器出口工况膨胀至蒸发器入口工况，同时回收膨胀过程中产生的膨胀功，减少***能耗，提高***能效比。

Description

一种两级旋叶式膨胀机

技术领域

本发明属于制冷技术和制冷设备领域，具体涉及一种用于制冷(热泵)***能量回收的两级旋叶式膨胀机。

背景技术

随着人类生活水平的不断提高，制冷(热泵)***在生产生活中的应用日益增多，其耗电量在总能耗中的比例也不断升高。因此降低制冷(热泵)***的能耗、提高***效率，在全球能源日益紧张的背景下显得尤为重要。

传统制冷(热泵)***中，工质通过节流阀的节流作用，从高温高压的液相节流至低温低压的气、液两相，而后进入蒸发器获得冷量。在节流过程中，工质的温度、压力降低，产生不可逆损失(节流损失)。因此，如能减少并回收利用这部分节流损失，将显著提高制冷(热泵)***的整体效率，达到降低***能耗的目的。

膨胀机是一种能将压力能转化为机械能或电能的通用机械。在制冷(热泵)***中，用膨胀机替代节流阀不但可以降低工质的温度和压力，同时还可以回收工质在膨胀过程中的压力能。如用膨胀机回收的能量带动辅助压缩机工作，可以对工质进行预压缩，从而在不影响***制冷(制热)量的条件下，可降低***主压缩机的输入功，减少***能耗，提高***的能效比。

目前广泛使用的蒸气压缩式制冷(热泵)***中，工质的容积比较大，这为膨胀机的设计制造带来较大难度。因此，开发和应用制冷(热泵)***能量回收膨胀机目前尚处于起步阶段，实际应用还较少。

传统的旋叶式膨胀机是一种单级膨胀机，能实现的容积比有限(3.0～4.0)，不能直接满足蒸气压缩式制冷(热泵)***中较大容积比要求。

发明内容

针对上述现有技术的旋叶式膨胀机容积比较小的不足，本发明的目的在于，提供一种结构简单，工作可靠，具有较大容积比的两级膨胀过程的旋叶式膨胀机。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种两级旋叶式膨胀机，包括缸体、转子、滑片、轴承、轴承座和端盖，其特征在于，转子将缸体沿Y轴分割成两个不对称的工作腔，分别为一级工作腔、二级工作腔，膨胀机的缸体轴线垂直剖面的内轮廓线为光滑曲线，由一级工作型线、二级工作型线构成，转子上开设滑片槽，滑片底部与转子之间设置有弹簧，进气口开设在轴承座上，缸体内的一级工作腔、二级工作腔通过中间进排气道连通，沿气缸轴向分两段布置在缸体内；二级排气道沿轴承座轴线平行设置，并与轴承座内腔体相连通，端盖上开设总排气道。

所述一级工作型线和二级工作型线通过两段密封曲线bgc、b’hc’连接，该密封曲线分别为圆弧，该圆弧的半径与转子(10)的半径相等。

所述一级工作型线和二级工作型线均由工作曲线和过渡曲线构成，所述一级工作型线和二级工作型线的工作曲线均与密封曲线的曲率不同，且工作曲线通过过渡曲线与密封曲线相连接。

所述一级工作型线为简谐曲线，二级工作型线为椭圆简谐曲线。

所述膨胀机一级工作腔开始排气时的工作腔容积等于二级膨胀工作腔进气结束时的工作腔容积。

所述一级工作型线和二级工作型线的过渡曲线均为高次多项式曲线。

附图说明

所述一级工作型线和二级工作型线的过渡曲线与各自的工作曲线和密封曲线连接处三阶导数连续。

所述转子(10)上开设有滑片槽(11)，其倾斜方向与转子旋转方向相同，滑片槽的根部尺寸大于槽本体的尺寸。

所述膨胀机除进气口与出气口与外部连通外，两级膨胀之间的进气、排气通道均设置在膨胀机内部，不用外部管路连接。

本发明的两级旋叶式膨胀机，相比单级旋叶式膨胀机，其可实现7.5左右的容积比。用于替代传统蒸气压缩式制冷(热泵)***中的节流阀，可将标准空调工况下的R410A，从冷凝压力、冷凝口温度膨胀至蒸发压力、蒸发温度，同时回收并输出制冷剂在膨胀过程中产生的膨胀功。实现在不影响***制冷(制热)能力的基础上，减少***能耗，提高***能效比。

图1是膨胀机的整体结构示意图；

图2是膨胀机的气缸轮廓线示意图；

图3是膨胀机的轴承座与端盖部位局部剖视图；

图4是膨胀机的工作腔示意图，是图3的A-A向剖视图；

图5是膨胀机转子横截面示意图；

图6是膨胀机缸体上开设的进排气道图，是图4的D-D向剖视图；

图7是膨胀机的二级排气口示意图，是图3的B-B向剖视图；

具体实施方式

图8是膨胀机的排气道示意图，是图4的C-C向剖视图；

图9是膨胀机轴承座的三维实体剖视图；

图10是膨胀机缸体的三维实体剖视图。

附图中零部件编号：端盖1、轴承座2、缸体3、轴承座4、端盖5、键6、轴封7、二级排气道8、角接触轴承9、转子10、滑片11、滑片槽12、片弹簧13、总排气道14、二级工作型线15、二级工作腔16、中间进排气道17、一级工作型线18、一级工作腔19、一级进气道20、螺旋弹簧21、进气通孔22、密封条23。

以下结合附图对本发明作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明的膨胀机包括缸体3，缸体3的两个端面分别与轴承座2和轴承座4用螺钉联结，两个轴承座与缸体3的两个端面之间设有密封条23，实现对膨胀机工作腔轴向的密封。

一对轴承9的外圈分别安装在轴承座2、轴承座4内，通过端盖1和端盖5上的套筒对轴承9进行轴向固定；轴承9的内圈安装在转子10上，并通过轴肩对轴承9另一端进行轴向固定。端盖1和端盖5分别用螺钉联结在轴承座2和轴承座4上，转子10从端盖5中心伸出，在端盖5转子10伸出的通孔内侧安装轴封7，转子10通过键6可与辅助压缩机或发电机相联，输出动力。

如图2所示的一二级工作型线，本发明的膨胀机为两级膨胀机，膨胀机工作腔工作型线是组合型线，膨胀机的一级工作型线18是由工作曲线afa′，过渡曲线ab、a′b′构成；所述的膨胀机的缸体二级工作型线15是由工作曲线ded′，过渡曲线cd、c′d′构成，一级工作型线18与二级工作型线15连接部分由密封曲线bgc、b′hc′构成的封闭的光滑曲线，密封曲线为一段圆弧，其半径与转子10的半径相同，通过间隙配合实现膨胀机转子10与气缸3之间的径向密封。一级工作型线18的工作曲线afa′为简谐曲线，二级工作型线15的工作曲线ded′为椭圆简谐曲线，两级不同工作线的几何参数必须满足使一级工作腔19开始排气时的工作腔容积与二级工作腔16进气结束时的工作腔容积相等(见图4)。由于工作曲线与密封曲线的曲率不同，二者直接相连会出现尖角或拐点，严重恶化滑片的受力状况，使膨胀机的噪声增大、工作可靠性和寿命降低。因此工作曲线与密封曲线之间需用过渡曲线连接，分别为一级气缸过渡曲线ab和过渡曲线a′b′，二级气缸过渡曲线cd和过渡曲线c′d′，过渡曲线为高次多项式曲线，可满足其与工作曲线和密封曲线连接处三阶导数连续，使滑片平稳过度，受力均匀不发生突变。

如图3所示，本发明的膨胀机的总排气道14开设在端盖1上，工质从总排气道14流出膨胀机，转子从端盖5中心伸出，端盖5上安装轴封7，端盖1和端盖5伸出的套筒对轴承9的外圈进行轴向固定。

如图4所示，本发明的膨胀机的转子10将缸体沿Y轴分割成两个不对称的工作腔，分别为一级工作腔19、二级工作腔16，转子10按逆时针方向旋转(从转子10伸出端方向正视)，滑片11将气缸分为八个腔室，进入膨胀机的工质首先从开设在缸体3内的一级进气道20进入膨胀机的一级工作腔19，随着转子的转动，当滑片11转过一级进气道20时，工作腔完全封闭，一级进气结束。在压差的作用下，密封在一级工作腔19内的工质不断膨胀，推动滑片11及转子10旋转，当一级工作腔19达到其最大容积时，滑片恰好转至中间进排气道17的i点，开始排气，一级膨胀结束，工质从中间进排气道17流出一级工作腔19，进入二级工作腔16。二级工作腔16的进气过程与一级工作腔19的进气过程类似，中间进排气道17与气缸相交的点j是二级工作腔16进气结束的位置，即当滑片11转至j点时膨胀机的二级工作腔16与中间进排气道17隔离，二级进气结束。二级进气结束时(滑片11转至点j)二级工作腔16的体积与一级工作腔19开始排气时(滑片11转至点i)的体积相同，这样两级膨胀可连续进行。随着滑片的继续转动，工质不断膨胀，二级工作腔16的体积逐渐增大，并在达到其最大容积时开始排气。经过两级膨胀后的工质经二级排气道8离开膨胀机工作腔，完成整个膨胀过程。转子10上开设八个滑片槽12，滑片槽与十字轴线相交，其倾斜方向与转子旋转方向相同，滑片11嵌入滑片槽12内，滑片11随着转子10的转动，在离心力和底部安装的弹簧13的弹力的作用下，滑片11沿径向伸出滑片槽12，顶部和缸体壁面紧密贴合，并沿着缸体3壁面的曲线形状在滑片槽12内作往复运动。滑片槽12的深度需满足在滑片11顶部与滑片槽12顶部平齐时(即滑片11完全嵌入在滑片槽12内)，滑片11底部距滑片槽12底部应留有1～2mm的距离，并且滑片槽12靠近底部的横截面积加大，其目的是为了让滑片槽12底部形成与转子10两端的轴承腔连通的排气通道，以便于二级排气机构的布置和对轴承9润滑。滑片连同有一定预紧的弹簧一起装入滑片槽后，弹簧预紧力可保证滑片在膨胀机工作时的任意角度与气缸壁面贴合。由于一级、二级两个工作腔不对称，滑片在两个工作腔中的最大升程也不相同，所用滑片的几何尺寸要同时满足两个不同工作腔的要求。

本发明的膨胀机的滑片11底部安装弹簧，弹簧可选择片弹簧或螺旋弹簧，两种弹簧在安装时与滑片11和滑片槽12之间都无紧固件联结。为保证滑片11在任何时刻都在滑片槽12中沿转子10径向处于伸出状态，使其顶部与工作型线贴合，形成封闭的工作腔，需对弹簧预紧。

一级进气道20与Y轴平行设置，开设在一级工作腔19一侧，中间进排气道17跨越一级工作腔19和二级工作腔16，既是一级工作腔19的排气道又是二级工作腔16的进气道，将一级工作腔19的排气直接引入二级工作腔16。

如图6所示，本发明的膨胀机的一级进气道20和中间进排气道17，在缸体3内轴向上分两段设置，进气通孔22连接两段一级进气道20，进气通孔22在缸体3上一端封闭，与膨胀机外界相联的开口端位于轴承座2上，制冷剂流出冷凝器后，从进气通孔22进入膨胀机，再分流从两段一级进气道20进入膨胀机工作腔。

如图7所示，本发明的膨胀机的二级排气道8与轴承座4相通，工质通过二级排气道8从膨胀机工作腔流出后，进入轴承座4内，本图仅显示轴承座4内二级排气道8的位置。

如图8、图9所示，本发明的膨胀机的二级排气道8沿轴承座2、4轴线平行设置，并与轴承座2、4内腔体相连通。处于二级排气阶段的制冷剂从二级工作腔16沿轴向通过二级排气道8流出，并分别流入轴承座2和轴承座4的轴承腔内。流入轴承座4的制冷剂通过滑片槽12底部的通孔及滚动轴承滚珠间的间隙沿轴向又流入轴承座2内，而后通过总排气道14最终流出膨胀机。制冷剂中含有润滑油，在经过滚动轴承时可对其进行润滑。

如图10是膨胀机缸体的三维实体剖视图，一级进气道20和中间进排气道17分别分两段开设在缸体内，进气通孔22将两段一级进气道20连通。

Claims (9)

1.一种两级旋叶式膨胀机，包括缸体(3)、转子(10)、滑片(11)、轴承(9)、轴承座(2，4)和端盖(1)，其特征在于，转子(10)将缸体(3)沿Y轴分割成两个不对称的工作腔，分别为一级工作腔(19)、二级工作腔(16)，膨胀机缸体(3)的轴线垂直剖面的内轮廓线为光滑曲线，由一级工作型线(18)、二级工作型线(15)构成，转子(10)上开设滑片槽(12)，滑片(11)底部与转子之间设置有弹簧(13)，进气口开设在轴承座(2)上，缸体内的一级工作腔(19)、二级工作腔(16)通过中间进排气道(17)连通，沿气缸轴向分两段布置在缸体内；二级排气道(8)沿轴承座(2、4)轴线平行设置，并与轴承座内腔体相连通，端盖(1)上开设总排气道(14)。

2.据权利要求1所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述一级工作型线和二级工作型线通过两段密封曲线（bgc、b’hc’）连接，该密封曲线分别为圆弧，该圆弧的半径与转子(10)的半径相等。

3.根据权利要求2所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述一级工作型线和二级工作型线均由工作曲线和过渡曲线构成，所述一级工作型线和二级工作型线的工作曲线均与密封曲线的曲率不同，且工作曲线通过过渡曲线与密封曲线相连接。

4.根据权利要求3所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：一级工作型线为简谐曲线，二级工作型线为椭圆简谐曲线。

5.根据权利要求1或4所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述膨胀机一级工作腔开始排气时的工作腔容积等于二级工作腔进气结束时的工作腔容积。

6.根据权利要求5所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述一级工作型线和二级工作型线的过渡曲线均为高次多项式曲线。

7.根据权利要求6所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述一级工作型线和二级工作型线的过渡曲线与各自的工作曲线和密封曲线连接处三阶导数连续。

8.根据权利要求1或6或7所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述转子(10)上开设有滑片槽(11)，其倾斜方向与转子旋转方向相同，滑片槽的根部尺寸大于槽本体的尺寸。

9.根据权利要求8所述的两级旋叶式膨胀机，其特征在于：所述膨胀机除进气口(20)与出气口(14)与外部连通外，所有两级膨胀之间的进气、排气通道均设置在膨胀机内部，不用外部管路连接。

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