CN103423909A

CN103423909A - 螺旋压缩膨胀制冷机

Info

Publication number: CN103423909A
Application number: CN2013104145630A
Authority: CN
Inventors: 张周卫; 汪雅红; 张小卫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-09-12
Filing date: 2013-09-12
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-09-12
Also published as: CN103423909B

Abstract

螺旋压缩膨胀制冷机采用完全轴对称且同轴线结构的螺旋压缩机头、电机、螺旋膨胀机头及壳体设计方法，应用近似布雷顿循环制冷原理，较布雷顿循环更接近等温压缩过程的循环方式，可回收膨胀功，COP较高；应用多级螺旋压缩叶片逐级缩小螺旋叶片螺距及螺旋上升角、逐级扩压再压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶片对气体的多级离心冲压过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀方法，实现气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；采用气流多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋膨胀叶片高速旋转，实现气流对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程；结构简洁精巧，可直接连接至管道中，实现被冷却气的开式制冷过程。

Description

螺旋压缩膨胀制冷机

技术领域

本发明涉及一种螺旋压缩膨胀制冷机，采用完全轴对称且同轴线结构的螺旋压缩机头、电机及螺旋膨胀机头，应用近似布雷顿循环制冷原理，较布雷顿循环更接近等温压缩过程的循环方式，压缩功相对较小，可回收膨胀功，COP较高；应用多级螺旋压缩叶片逐级改变螺旋压缩叶片螺距及螺旋上升角、逐级扩压再压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶轮对气体的多级离心冲压压缩过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；采用气流多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气流对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程；结构简洁精巧，外型似圆柱形，可直接连接至管道中，实现高温气体的开式低温制冷过程。

背景技术

传统的制冷机多采用近似逆卡诺循环、斯特林循环、布雷顿循环等，大多***复杂，能效比较低，难以回收膨胀功，需要独立分离的压缩段、冷却段、膨胀段等，其中以布雷顿循环应用最广。本发明基于布雷顿循环提出一种开式制冷的螺旋压缩膨胀制冷机，压缩段、电机、膨胀段连接在同一轴线上，整体压缩机类似圆柱体结构，高温气体从螺旋压缩膨胀制冷机一端进入压缩段后，经多级压缩、冷却、再多级膨胀变为低温气体，并从另一端排出，整体制冷机结构简洁，便于安装于管道***，将高温气体直接冷却变为低温气体，可直接完成开式制冷过程。布雷顿循环主要用于大型制冷***，一般为闭式制冷***，由两个等压过程、两个等熵过程组成，压缩过程为等熵过程，需要较多的理论压缩功。本发明基于布雷顿循环，应用近似布雷顿循环制冷原理，压缩过程中由于采用了较长的压缩段，便于一边压缩，一边冷却，较布雷顿循环更接近等温压缩过程，压缩功相对较小。同时，采用多级膨胀再扩压再膨胀的膨胀制冷过程，整个过程更接近等熵膨胀过程，膨胀后温度更低。布雷顿循环可采用膨胀机与压缩机同轴设置，一般采用大型离心压缩机及大型离心膨胀过程，可回收压缩功，制冷机气缸较大，主要用于较大的制冷***，一般需要外加冷却***。本发明膨胀制冷过程中的理论膨胀功也可回收并通过电机中轴传递给压缩段进行压缩，可用于小型制冷***，不需要外加冷却***，压缩段的压缩功比布雷顿循环更小，能效比较布雷顿循环更高。由于采用轴向扩压过程及压缩后气流直接经过电机中轴进入膨胀段，气缸直径小于离心压缩机，再没有多余的输气管道，整体制冷机直径较小。此外，本发明采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片及多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩及沿轴向扩压的方法，可有效弥补离心压缩过程存在的不足，拓宽回转式气体压缩机械在小型制冷***中的应用能力。最后，布雷顿循环采用单一的单级膨胀叶轮进行膨胀制冷，膨胀过程中偏离等熵过程较远，膨胀后气体温度较高，回收的膨胀功较少。本发明采用近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程，同时采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程，制冷温度更低，回收压缩功更多。大多制冷机采用外回冷却***，制冷机体积较大，而本发明应用壳内电机风扇冷却电机的同时冷却壳内换热器，达到冷却压缩段的目的，***结构简洁精巧，体积更小，使用直接安装于气体管道内，应用开式制冷原理直接将高温气体压缩、冷却、膨胀制冷并降温。

发明内容

根据螺旋压缩膨胀制冷机近似布雷顿制冷原理，发明螺旋压缩膨胀制冷机，利用逐级调节螺旋压缩叶轮叶片螺线螺距及上升角的方法，改变相邻螺旋叶片间距及通流截面面积，采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环沿轴向扩压的方法，最终实现气体的逐级离心冲压过程；膨胀过程近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；同时采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程，使制冷机体积更小，能效比更高。

本发明的技术解决方案：

螺旋压缩膨胀制冷机，包括壳体与机芯两部分，壳体包括筒体（5）、左封头（3）、进气接管（2）、进气接管法兰（1）、右封头（8）、排气接管（9）、排气接管法兰（10）、压缩段散热片（4）、电机散热片（6）、膨胀段绝热层（7）；机芯包括压缩机头、电机、膨胀机头三部分；压缩机头包括离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）、压缩中轴（30）、壳内散热片（15）；电机包括风扇（29）、左支撑轮（17）、右支撑轮（18）、定子（28）、转子（27）；膨胀机头包括膨胀罩（19）、膨胀中轴（26）、第五扩压环（25）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第六扩压环（24）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第七扩压环（23）、三级螺旋膨胀叶片（22）；机芯安装于壳体内；其特征在于：电机与压缩机头及膨胀机头同轴连接，左侧安装压缩机头，右侧安装膨胀机头；压缩机头内压缩中轴（30）上从左至右依次安装离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）；压缩罩（16）锥形外表面安装壳内散热片（15）；压缩中轴（30）右侧为中空结构，并开有径向进气口；膨胀机头内膨胀中轴（26）上从右至左依次安装三级螺旋膨胀叶片（22）、第七扩压环（23）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第六扩压环（24）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第五扩压环（25）、膨胀罩（19）；膨胀中轴（26）左侧为中空结构，并开有径向排气口；压缩段螺旋压缩叶片为变螺距连续型螺旋压缩叶片，由左至右各级螺旋压缩叶片螺距逐渐减小；膨胀段螺旋膨胀叶片为变螺距连续型螺旋膨胀叶片，由右至左各级螺旋膨胀叶片螺距逐渐减小，各级螺距较大于压缩段对应螺旋叶片螺距；电机左侧安装左支撑轮（17），左支撑轮（17）左侧安装风扇（29），风扇（29）左侧为压缩罩（16）；电机右侧安装右支撑轮（18），右支撑轮（18）右侧为膨胀罩（19）；电机外部为定子（28），中间为转子（27），转子（27）中轴为中空结构，左侧连接压缩中轴（30），右侧连接膨胀中轴（26）；定子（28）外表面、左支撑轮（17）外表面、右支撑轮（18）柱形外表面与筒体（5）内表面接触；第一扩压环（11）、第二扩压环（12）、第三扩压环（32）、第四扩压环（31）、第五扩压环（25）、第六扩压环（24）、第七扩压环（23）静态安装于筒体（5）内，柱形外表面与筒体（5）内表面接触；筒体（5）左侧外柱面安装压缩段散热片（4），中间外柱面安装电机散热片（6），右侧外柱面安装膨胀段绝热层（7），压缩段散热片（4）与电机散热片（6）之间沿周向开多排排气孔，电机散热片（6）与膨胀段绝热层（7）之间开多排进气孔；压缩机头圆柱形外表面、膨胀机头圆柱形外表面直径略小于筒体（5）内径，并与电机一起安装于筒体（5）内部；各级扩压环由扩压环叶片、扩压环内圈、扩压环外圈组成，各级扩压环叶片前端圈曲为半圆形且沿径向向后端逐渐变为平面形，再沿圆周阵列后安装于各级扩压环外圈与各级扩压环内圈之间。

壳内散热片（15）为沿压缩罩（16）锥形外表面圆周阵列的径向散热片，中间按周向等距切割分开；压缩段散热片（4）为沿筒体（5）外柱面周向阵列布置的多排垂直于筒体（5）外表面的长方体形散热片，中间按周向等距切割分开；电机散热片（6）为沿筒体（5）外柱面周向阵列布置的多排垂直于筒体（5）外表面的长方体形散热片，长方体形散热片中间按周向等距切割分开。

压缩中轴（30）、电机转子（27）中轴、膨胀中轴（26）通过联轴器连接；压缩中轴（30）右侧开有轴向孔及联通轴向孔的径向孔，电机转子（27）中轴开有轴向通孔，膨胀中轴（26）左侧开有轴向孔及联通轴向孔的径向孔。

螺旋压缩膨胀制冷机，采用近似布雷顿循环及开式循环制冷方法，其特征在于：整体及部件全部采用轴对称型结构设计，将压缩机头、冷却散热片、电机、膨胀机头、壳体设置于同一轴线上，压缩后的气流被冷却后通过电机中轴气流通道并通入膨胀机头膨胀制冷；通过逐渐缩小螺旋压缩叶片螺距及螺旋上升角，采用离心冲压压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶轮对气体的离心冲压压缩过程；采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环轴向扩压的方法，实现被冷却气体的多级离心冲压增压过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋膨胀叶片膨胀做功过程及降温过程；采用高压气流沿轴向多级扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋膨胀叶片逐级膨胀做功并降温过程；膨胀功沿轴向输至压缩段并减少压缩段压缩功。

被冷却气通过进气接管（2）进入高速旋转的离心压缩叶轮（34），沿径向离心加速，加速后的气流在第一扩压环（11）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的一级螺旋压缩叶片（33），在一级螺旋压缩叶片（33）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第二扩压环（12）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的二级螺旋压缩叶片（13），在二级螺旋压缩叶片（13）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第三扩压环（32）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的三级螺旋压缩叶片（14），在三级螺旋压缩叶片（14）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第四扩压环（31）内沿轴向扩压后变为高压气体，并被壳内散热片（15）冷却。

压缩后的高压气体沿压缩中轴（30）左侧径向孔进入压缩中轴（30）轴向孔，再经转子（27）中轴中心孔流至膨胀中轴（26）轴向孔，再沿膨胀中轴（26）径向孔进入膨胀段。

高压气体经第五扩压环（25）改变方向后进入一级螺旋膨胀叶片（20），推动一级螺旋膨胀叶片（20）旋转，压力及温度降低后，流速增大并进入第六扩压环（24）扩压并改变方向，再进入二级螺旋膨胀叶片（21），推动二级螺旋膨胀叶片（21）旋转，压力及温度再次降低后，流速增大并进入第七扩压环（23）扩压并改变方向，再进入三级螺旋膨胀叶片（22），推动三级螺旋压缩叶片（22）旋转，压力及温度再次降低后，通过排气接管（9）排出壳体。

冷却气沿筒体（5）右侧进气孔进入壳体，并进入定子（28）与转子（27）之间的通道冷却电机，冷却电机后经风扇（29）左侧进入壳内散热片（15）空隙并冷却壳内散热片（15），冷却后沿筒体（5）左侧出气孔排出壳体。

压缩机头产生的一部分热量通过筒体（5）左侧的压缩段散热片（4）排入环境；电机产生的一部分热量通过电机散热片（6）排入环境；膨胀段产生的冷量通过膨胀段绝热层（7）与环境绝热。

方案所涉及的原理问题：

螺旋压缩膨胀制冷机应用近似布雷顿循环制冷原理，在理论循环过程中，布雷顿循环为等熵压缩过程，而螺旋压缩膨胀制冷机由于采用了多级螺旋叶片压缩，采用较长的压缩机头，压缩过程便于气缸向外散热，较布雷顿循环更接近等温压缩过程，压缩功相对较小。同时，螺旋压缩膨胀制冷机采用多级膨胀再扩压再膨胀的膨胀制冷过程，整个过程近似等熵膨胀过程。由于整个膨胀过程与压缩过程连接在一条轴线上，膨胀制冷过程中的理论膨胀功可以回收并通过电机中轴传递给压缩段进行压缩，整个制冷过程中，压缩段的压缩功比布雷顿循环小，COP比布雷顿循环高。螺旋压缩膨胀制冷机用变螺距螺旋压缩机头压缩过程中，采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片及多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩及沿轴向扩压的方法，可有效弥补离心压缩过程存在的不足，拓宽回转式气体压缩机械的应用领域。首先，气流进入离心压缩叶轮（34），应用离心压缩原理进行初步离心加速，并在第一扩压环（11）内增压。增压后的气流进入高速旋转的一级螺旋压缩叶片进气口时，产生冲压压缩作用，相对速度减小后，随高速旋转的螺旋叶片逐渐加速产生离心压缩，并向螺旋叶片下部运动，静压增大；相对于叶片，高速气流进入螺旋叶片瞬间形成冲压，并在螺旋叶片形成的渐缩通道中逐渐扩压，达到螺旋叶片底部时，静压增大；由于螺旋叶片带动气流高速旋转，在叶片底部形成高压气流，高压气流流至叶片底部时，遇到静止的第二扩压环（12），气流在第二扩压环（12）内再次扩压，静压继续增大，随之改变方向并进入二级螺旋压缩叶片（13），进行下一级的离心冲压压缩过程，并持续二级、三级压缩及扩压过程。总体压缩过程包括初步离心压缩过程、三级螺旋叶片带动的三级冲压过程，四次扩压过制，冲压过程中伴随离心压缩过程。压缩后的气流通过压缩中轴（30）径向孔进入压缩中轴（30）轴向孔后，再通过电机定子（27）中轴中心孔输送到膨胀段。其次，由于气流在压缩过程中螺旋叶片持续对气体做功，产生大量的热，热量通过压缩罩（16）外压缩段散热片（4）排入大气环境。压缩机头内螺旋转子高速旋转，最大线速度每秒100米以上，最高转速每分钟10000转以上，可完成小直径螺旋转子的离心冲压压缩过程。压缩过程中各级螺旋叶片螺距大小、螺旋叶片数量、螺旋角大小等可根据实际气体可压缩性能确定，压缩级数可根据压比确定。利用逐级调节螺旋压缩叶轮叶片螺线螺距及上升角的方法，改变相邻螺旋叶片间距及通流截面面积，采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环沿轴向扩压的方法，最终实现气体的逐级离心冲压过程。膨胀过程近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；同时采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程。膨胀功可沿轴向输送至压缩段并减少压缩段压缩功，从而提高***COP。冷却气沿筒体（5）右侧进气孔进入壳体，进入定子（28）与转子（27）之间的通道冷却电机，冷却电机后经风扇（29）左侧进入壳内散热片（15）空隙并冷却壳内散热片（15），冷却后沿筒体（5）左侧出气孔排出壳体。被冷却气体在压缩机头内被压缩过程产生的一部分热量通过筒体（5）左侧的压缩段散热片（4）与冷却气换热排出，一部分通过壳内散热片（15）与冷却电机后的冷却气进行强制对流换热并排出壳体。多级膨胀过程与外界通过绝热层（7）隔开，防止膨胀制冷量扩散至处界。

本发明的技术特点：

螺旋压缩膨胀制冷机压缩段、电机、膨胀段连接在同一轴线上，整体压缩机类似圆柱体结构，高温被冷却气从螺旋压缩膨胀制冷机一端进入压缩段后，经多级压缩、冷却、再多级膨胀变为低温气体，并从另一端排出，整体制冷机结构简洁，便于安装于管道***，将高温气体直接冷却变为低温气体，完成开式制冷过程；螺旋压缩膨胀制冷机应用近似布雷顿循环制冷原理，较布雷顿循环更接近等温压缩过程，压缩功相对较小；螺旋压缩膨胀制冷机采用多级膨胀再扩压再膨胀的膨胀制冷过程，整个过程近似等熵膨胀过程；螺旋压缩膨胀制冷机膨胀制冷过程中的理论膨胀功可以回收并通过电机中轴传递给压缩段进行压缩，整个制冷过程中，压缩段的压缩功比布雷顿循环小，COP比布雷顿循环高；螺旋压缩膨胀制冷机用变螺距螺旋压缩机头压缩过程中，采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片及多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩及沿轴向扩压的方法，可有效弥补离心压缩过程存在的不足，拓宽回转式气体压缩机械的应用领域；螺旋压缩膨胀制冷机压缩过程中各级螺旋叶片螺距大小、螺旋叶片数量、螺旋角大小等可根据实际气体可压缩性能确定，压缩级数可根据压比确定；螺旋压缩膨胀制冷机利用逐级缩小螺旋压缩叶轮叶片螺线螺距及上升角的方法，缩小相邻螺旋叶片间距及通流截面面积，采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环沿轴向扩压的方法，最终实现气体的逐级离心冲压过程；压缩后的高压气体经冷却后可通过中空的电机中轴输送至膨胀段进行膨胀制冷；螺旋压缩膨胀制冷机膨胀过程近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；螺旋压缩膨胀制冷机采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程；螺旋压缩膨胀制冷机应用壳内电机风扇冷却电机的同时冷却壳内换热器，达到冷却压缩段的目的，***结构简洁精巧，可直接连接至管道中将高温气体冷却。

附图说明

图1所示为螺旋压缩膨胀制冷机壳体。

图2所示为螺旋压缩膨胀制冷机机芯。

具体实施方式

采用近似布雷顿循环及开式循环制冷方法、整体及部件全部采用轴对称型结构设计螺旋压缩膨胀制冷机，将压缩机头、冷却散热片、电机、膨胀机头、壳体设置于同一轴线上，压缩后的气流被冷却后通过电机中轴气流通道并通入膨胀机头膨胀制冷；通过逐渐缩小螺旋压缩叶片螺距及螺旋上升角，采用离心冲压压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶轮对气体的离心冲压压缩过程；采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环轴向扩压的方法，实现被冷却气体的多级离心冲压增压过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋膨胀叶片膨胀做功过程及降温过程；采用高压气流沿轴向多级扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋膨胀叶片逐级膨胀做功并降温过程；膨胀功沿轴向输至压缩段并减少压缩段压缩功。

加工制造螺旋压缩膨胀制冷机，包括壳体与机芯两部分，壳体包括筒体（5）、左封头（3）、进气接管（2）、进气接管法兰（1）、右封头（8）、排气接管（9）、排气接管法兰（10）、压缩段散热片（4）、电机散热片（6）、膨胀段绝热层（7）；机芯包括压缩机头、电机、膨胀机头三部分；压缩机头包括离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）、压缩中轴（30）、壳内散热片（15）；电机包括风扇（29）、左支撑轮（17）、右支撑轮（18）、定子（28）、转子（27）；膨胀机头包括膨胀罩（19）、膨胀中轴（26）、第五扩压环（25）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第六扩压环（24）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第七扩压环（23）、三级螺旋膨胀叶片（22）；机芯安装于壳体内；部件满足以下联接关系：电机与压缩机头及膨胀机头同轴连接，左侧安装压缩机头，右侧安装膨胀机头；压缩机头内压缩中轴（30）上从左至右依次安装离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）；压缩罩（16）锥形外表面安装壳内散热片（15）；压缩中轴（30）右侧为中空结构，并开有径向进气口；膨胀机头内膨胀中轴（26）上从右至左依次安装三级螺旋膨胀叶片（22）、第七扩压环（23）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第六扩压环（24）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第五扩压环（25）、膨胀罩（19）；膨胀中轴（26）左侧为中空结构，并开有径向排气口；压缩段螺旋压缩叶片为变螺距连续型螺旋压缩叶片，由左至右各级螺旋压缩叶片螺距逐渐减小；膨胀段螺旋膨胀叶片为变螺距连续型螺旋膨胀叶片，由右至左各级螺旋膨胀叶片螺距逐渐减小，各级螺距较大于压缩段对应螺旋叶片螺距；电机左侧安装左支撑轮（17），左支撑轮（17）左侧安装风扇（29），风扇（29）左侧为压缩罩（16）；电机右侧安装右支撑轮（18），右支撑轮（18）右侧为膨胀罩（19）；电机外部为定子（28），中间为转子（27），转子（27）中轴为中空结构，左侧连接压缩中轴（30），右侧连接膨胀中轴（26）；定子（28）外表面、左支撑轮（17）外表面、右支撑轮（18）柱形外表面与筒体（5）内表面接触；第一扩压环（11）、第二扩压环（12）、第三扩压环（32）、第四扩压环（31）、第五扩压环（25）、第六扩压环（24）、第七扩压环（23）静态安装于筒体（5）内，柱形外表面与筒体（5）内表面接触；筒体（5）左侧外柱面安装压缩段散热片（4），中间外柱面安装电机散热片（6），右侧外柱面安装膨胀段绝热层（7），压缩段散热片（4）与电机散热片（6）之间沿周向开多排排气孔，电机散热片（6）与膨胀段绝热层（7）之间开多排进气孔；压缩机头圆柱形外表面、膨胀机头圆柱形外表面直径略小于筒体（5）内径，并与电机一起安装于筒体（5）内部；各级扩压环由扩压环叶片、扩压环内圈、扩压环外圈组成，各级扩压环叶片前端圈曲为半圆形且沿径向向后端逐渐变为平面形，再沿圆周阵列后安装于各级扩压环外圈与各级扩压环内圈之间。

将被冷却气通过进气接管（2）打入高速旋转的离心压缩叶轮（34），沿径向离心加速，加速后的气流在第一扩压环（11）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的一级螺旋压缩叶片（33），在一级螺旋压缩叶片（33）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第二扩压环（12）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的二级螺旋压缩叶片（13），在二级螺旋压缩叶片（13）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第三扩压环（32）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的三级螺旋压缩叶片（14），在三级螺旋压缩叶片（14）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第四扩压环（31）内沿轴向扩压后变为高压气体，并被壳内散热片（15）冷却。

将压缩后的高压气体沿压缩中轴（30）左侧径向孔打入压缩中轴（30）轴向孔，再经转子（27）中轴中心孔流至膨胀中轴（26）轴向孔，再沿膨胀中轴（26）径向孔进入膨胀段。

将高压气体经第五扩压环（25）改变方向后打入一级螺旋膨胀叶片（20），推动一级螺旋膨胀叶片（20）旋转，压力及温度降低后，流速增大并进入第六扩压环（24）扩压并改变方向，再进入二级螺旋膨胀叶片（21），推动二级螺旋膨胀叶片（21）旋转，压力及温度再次降低后，流速增大并进入第七扩压环（23）扩压并改变方向，再进入三级螺旋膨胀叶片（22），推动三级螺旋压缩叶片（22）旋转，压力及温度再次降低后，通过排气接管（9）排出壳体。

Claims

1.螺旋压缩膨胀制冷机，包括壳体与机芯两部分，壳体包括筒体（5）、左封头（3）、进气接管（2）、进气接管法兰（1）、右封头（8）、排气接管（9）、排气接管法兰（10）、压缩段散热片（4）、电机散热片（6）、膨胀段绝热层（7）；机芯包括压缩机头、电机、膨胀机头三部分；压缩机头包括离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）、压缩中轴（30）、壳内散热片（15）；电机包括风扇（29）、左支撑轮（17）、右支撑轮（18）、定子（28）、转子（27）；膨胀机头包括膨胀罩（19）、膨胀中轴（26）、第五扩压环（25）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第六扩压环（24）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第七扩压环（23）、三级螺旋膨胀叶片（22）；机芯安装于壳体内；其特征在于：电机与压缩机头及膨胀机头同轴连接，左侧安装压缩机头，右侧安装膨胀机头；压缩机头内压缩中轴（30）上从左至右依次安装离心压缩叶轮（34）、第一扩压环（11）、一级螺旋压缩叶片（33）、第二扩压环（12）、二级螺旋压缩叶片（13）、第三扩压环（32）、三级螺旋压缩叶片（14）、第四扩压环（31）、压缩罩（16）；压缩罩（16）锥形外表面安装壳内散热片（15）；压缩中轴（30）右侧为中空结构，并开有径向进气口；膨胀机头内膨胀中轴（26）上从右至左依次安装三级螺旋膨胀叶片（22）、第七扩压环（23）、二级螺旋膨胀叶片（21）、第六扩压环（24）、一级螺旋膨胀叶片（20）、第五扩压环（25）、膨胀罩（19）；膨胀中轴（26）左侧为中空结构，并开有径向排气口；压缩段螺旋压缩叶片为变螺距连续型螺旋压缩叶片，由左至右各级螺旋压缩叶片螺距逐渐减小；膨胀段螺旋膨胀叶片为变螺距连续型螺旋膨胀叶片，由右至左各级螺旋膨胀叶片螺距逐渐减小，各级螺距较大于压缩段对应螺旋叶片螺距；电机左侧安装左支撑轮（17），左支撑轮（17）左侧安装风扇（29），风扇（29）左侧为压缩罩（16）；电机右侧安装右支撑轮（18），右支撑轮（18）右侧为膨胀罩（19）；电机外部为定子（28），中间为转子（27），转子（27）中轴为中空结构，左侧连接压缩中轴（30），右侧连接膨胀中轴（26）；定子（28）外表面、左支撑轮（17）外表面、右支撑轮（18）柱形外表面与筒体（5）内表面接触；第一扩压环（11）、第二扩压环（12）、第三扩压环（32）、第四扩压环（31）、第五扩压环（25）、第六扩压环（24）、第七扩压环（23）静态安装于筒体（5）内，柱形外表面与筒体（5）内表面接触；筒体（5）左侧外柱面安装压缩段散热片（4），中间外柱面安装电机散热片（6），右侧外柱面安装膨胀段绝热层（7），压缩段散热片（4）与电机散热片（6）之间沿周向开多排排气孔，电机散热片（6）与膨胀段绝热层（7）之间开多排进气孔；压缩机头圆柱形外表面、膨胀机头圆柱形外表面直径略小于筒体（5）内径，并与电机一起安装于筒体（5）内部；各级扩压环由扩压环叶片、扩压环内圈、扩压环外圈组成，各级扩压环叶片前端圈曲为半圆形且沿径向向后端逐渐变为平面形，再沿圆周阵列后安装于各级扩压环外圈与各级扩压环内圈之间。

2.根据权利要求1所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：壳内散热片（15）为沿压缩罩（16）锥形外表面圆周阵列的径向散热片，中间按周向等距切割分开；压缩段散热片（4）为沿筒体（5）外柱面周向阵列布置的多排垂直于筒体（5）外表面的长方体形散热片，中间按周向等距切割分开；电机散热片（6）为沿筒体（5）外柱面周向阵列布置的多排垂直于筒体（5）外表面的长方体形散热片，长方体形散热片中间按周向等距切割分开。

3.根据权利要求1所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：压缩中轴（30）、电机转子（27）中轴、膨胀中轴（26）通过联轴器连接；压缩中轴（30）右侧开有轴向孔及联通轴向孔的径向孔，电机转子（27）中轴开有轴向通孔，膨胀中轴（26）左侧开有轴向孔及联通轴向孔的径向孔。

4.螺旋压缩膨胀制冷机，采用近似布雷顿循环及开式循环制冷方法，其特征在于：整体及部件全部采用轴对称型结构设计方法，将压缩机头、冷却散热片、电机、膨胀机头、壳体设置于同一轴线上，压缩后的气流被冷却后通过电机中轴气流通道并通入膨胀机头膨胀制冷；通过逐渐缩小螺旋压缩叶片螺距及螺旋上升角，采用离心冲压压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶轮对气体的离心冲压压缩过程；采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环轴向扩压的方法，实现被冷却气体的多级离心冲压增压过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋膨胀叶片膨胀做功过程及降温过程；采用高压气流沿轴向多级扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋膨胀叶片逐级膨胀做功并降温过程；膨胀功沿轴向输至压缩段并减少压缩段压缩功。

5.根据权利要求2所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：被冷却气通过进气接管（2）进入高速旋转的离心压缩叶轮（34），沿径向离心加速，加速后的气流在第一扩压环（11）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的一级螺旋压缩叶片（33），在一级螺旋压缩叶片（33）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第二扩压环（12）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的二级螺旋压缩叶片（13），在二级螺旋压缩叶片（13）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第三扩压环（32）内沿轴向扩压并改变方向，再进入高速旋转的三级螺旋压缩叶片（14），在三级螺旋压缩叶片（14）内被离心冲压，压力升高，周向速度加快后进入第四扩压环（31）内沿轴向扩压后变为高压气体，并被壳内散热片（15）冷却。

6.根据权利要求2所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：压缩后的高压气体沿压缩中轴（30）左侧径向孔进入压缩中轴（30）轴向孔，再经转子（27）中轴中心孔流至膨胀中轴（26）轴向孔，再沿膨胀中轴（26）径向孔进入膨胀段。

7.根据权利要求2所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：高压气体经第五扩压环（25）改变方向后进入一级螺旋膨胀叶片（20），推动一级螺旋膨胀叶片（20）旋转，压力及温度降低后，流速增大并进入第六扩压环（24）扩压并改变方向，再进入二级螺旋膨胀叶片（21），推动二级螺旋膨胀叶片（21）旋转，压力及温度再次降低后，流速增大并进入第七扩压环（23）扩压并改变方向，再进入三级螺旋膨胀叶片（22），推动三级螺旋压缩叶片（22）旋转，压力及温度再次降低后，通过排气接管（9）排出壳体。

8.根据权利要求2所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：冷却气沿筒体（5）右侧进气孔进入壳体，并进入定子（28）与转子（27）之间的通道冷却电机，冷却电机后经风扇（29）左侧进入壳内散热片（15）空隙并冷却壳内散热片（15），冷却后沿筒体（5）左侧出气孔排出壳体。

9.根据权利要求2所述的螺旋压缩膨胀制冷机，其特征在于：压缩机头产生的一部分热量通过筒体（5）左侧的压缩段散热片（4）排入环境；电机产生的一部分热量通过电机散热片（6）排入环境；膨胀段产生的冷量通过膨胀段绝热层（7）与环境绝热。