CN109899303B - 一种无径向轴承的小微型离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无径向轴承的小微型离心压缩机，涉及压缩机设计技术领域，包括：壳体；主轴内开有与壳体排气口相通的气流通孔；第一轴向静环与壳体的内底形成空腔，第一轴向静环沿圆周开有至少两周通气孔A；第一动环固定设置于主轴上；转套筒固定设置于转子的外表面；定套筒固定设置于定子的内表面；第二动环固定设置于主轴上；第二轴向静环固定设置于壳体内；离心叶轮的进排气口与壳体的进排气口分别相对设置。本发明的有益效果是，无需安装径向与轴向止推轴承，压缩机全无油，不需要润滑***，使得压缩机的结构更加简单与紧凑，有利于压缩机的小微型化；气流循环通道带走电机工作过程产生的热量，起到内循环冷却的效果。

Description

一种无径向轴承的小微型离心压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机设计技术领域，特别是一种无径向轴承的小微型离心压缩机。

背景技术

随着集成电路等电子技术的发展，现代高热流器件热流密度越来越大，采用被动式冷却方法无法满足散热要求，需要配备制冷***才能保证电子***的正常运行。在移动或便携式电子***、芯片冷却、雷达冷却以及国防军工等许多场合由于受空间、重量的限制，迫切需要轻量、小微型的制冷***。

压缩机是制冷***的核心关键设备，离心式压缩机作为旋转式透平机械，具有结构紧凑简单、效率与可靠性高、使用寿命周期长等优点，是理想的小微型压缩机机型。但小微型离心压缩机要得到高排气压力以满足制冷***要求，必须要提高压缩机转速，减小轴端密封泄漏，目前现有的技术无法达到这些要求。

目前的小微型压缩机主要有滚动转子式和线性活塞式两种，原理完全不同于离心式压缩机。目前采用磁悬浮轴承和气体轴承支撑的高转速离心压缩机还无法做到小微型，磁悬浮轴承结构复杂，需要单独的控制***，静压气体轴承需要独立的压缩气源进行供气，小微型化都受限；动压气体轴承结构复杂，对材料与加工工艺要求非常高，可靠性与寿命无法保证。此外，压缩机的轴端密封技术问题也是制约离心压缩机向小微型化发展的瓶颈。离心压缩机技术还无法满足小微型制冷***的要求。

滚动转子式压缩机和线性活塞式压缩机其工作原理决定了无法进一步实现微型化，且这两种压缩机运行效率低，零部件中有易损件，需定期更换，可靠性与寿命无法保证。

离心式压缩机结构简单，无易损坏零部件，可靠性高，寿命长。但离心压缩机只有通过高转速才能实现小微型化，目前已有的磁悬浮轴承和气体轴承以及密封技术，还无法做到离心压缩机的超高速小微型化。

发明内容

本发明的目的是为了解决高速轴承与气体密封技术，设计了一种无径向轴承的小微型离心压缩机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种无径向轴承的小微型离心压缩机，包括：壳体，设有一个进气口和一个排气口；主轴，旋转设置于所述壳体内，所述主轴内开有与所述壳体排气口相通的气流通孔；第一轴向静环，固定设置于所述壳体内，所述第一轴向静环与所述壳体的内底形成空腔，所述第一轴向静环沿圆周开有至少两周通气孔A；第一动环，固定设置于所述主轴上，位于所述第一轴向静环的外侧；转子，固定设置于所述主轴上，位于所述第一动环的外侧；转套筒，固定设置于所述转子的外表面；定子，固定设置于所述壳体内，与所述转子相对设置；定套筒，固定设置于所述定子的内表面；第二动环，固定设置于所述主轴上，位于所述转子的外侧；第二轴向静环，固定设置于所述壳体内，位于所述第二动环上，位于壳体内，位于第一轴向静环的外侧，所述离心叶轮的进气口与所述壳体的进气口相对设置，所述离心叶轮的排气口与所述壳体排气口相对设置；其中，所述第一轴向静环和第一动环形成第一通道，所述转套筒和定套筒形成第二通道，所述第二动环和第二轴向静环形成第三通道，所述第二轴向静环与离心叶轮形成第四通道；所述离心叶轮的排气口经第四通道与通气孔B相通，所述通气孔B经第三通道和第二通道后与通气孔A相通，所述通气孔A经空腔后与气流通孔相通。

进一步的，还包括径向静环，所述径向静环固定设置于所述壳体上，位于所述第二动环的外侧。

再进一步的，所述径向静环与第二动环之间的间隙大于主轴与第一轴向静环之间的间隙。

再进一步的，所述径向静环与第二动环之间的间隙大于主轴与第二轴向静环之间的间隙。

进一步的，所述第二轴向静环沿圆周开有一周通气孔B，所述第二轴向静环的外径为D4，所述通气孔B的圆心所在的直径为D5，

再进一步的，所述第一轴向静环沿圆周开有两周通气孔A，所述第一轴向静环的外径为D1，外侧的所述通气孔A的圆心所在的直径为D2，内侧的所述通气孔为D3，

进一步的，所述第一动环和第二动环的端面和圆柱面均开有动压槽。

进一步的，所述壳体包括外壳和底座，所述离心叶轮设置于所述外壳内，所述第二轴向静环设置于所述底座内。

进一步的，所述第一动环和第二动环均采用硬质合金。

再进一步的，所述第一轴向静环和第二轴向静环材料硬度均低于第一动环和第二动环。

本发明的有益效果是：

1、无需安装径向与轴向止推轴承，压缩机全无油，不需要润滑***，使得压缩机的结构更加简单与紧凑，有利于压缩机的小微型化；

2、动环与静环之间形成气膜支撑，转套筒转动时与定套筒之间产生动压效应形成气膜，与压缩机转子轴向载荷、径向载荷平衡后，使压缩机转子处于气悬浮状态，无固体接触摩擦损失，压缩机可以达到超高转速；

3、气流循环通道带走电机工作过程产生的热量，起到内循环冷却的效果。

附图说明

图1是本申请压缩机的结构示意图。

以上各图中，1、壳体；11、外壳；12、底座；2、主轴；21、气流通孔；3、第一轴向静环；31、通气孔A；4、第一动环；5、转子；51、转套筒；6、定子；61、定套筒；7、第二动环；8、第二轴向静环；81、通气孔B；9、离心叶轮。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下：

一种无径向轴承的小微型离心压缩机，如图1所示，包括壳体1，主轴2，第一轴向静环3，第一动环4，转子5，转套筒51，定子6，定套筒61，第二动环7，第二轴向静环8和离心叶轮9。

压缩机的壳体1设有一个进气口和一个排气口。主轴2旋转设置在壳体1内，主轴2内开有气流通孔21，该气流通孔21的一端与壳体1的排气口相通，另一端与壳体1内部的空腔连通。第一轴向静环3固定设置在壳体1内，第一轴向静环3位于壳体1内，，第一轴向静环3与壳体1的内底形成空腔，第一轴向静环3沿圆周开有两周通气孔A31。第一动环4固定设置在主轴2上，第一动环4位于第一轴向静环3的外侧。

转子5固定设置在主轴2上，定子6固定设置于壳体1内，转子5和定子6均设置在壳体1内，定子6与转子5相对设置。转套筒51固定设置在转子5的外表面，定套筒61固定设置在定子6的内表面。

第二动环7固定设置在主轴2上，第二动环7位于转子5的外侧。优选的，径向静环71固定设置在壳体1上，径向静环71位于第二动环7的外侧。第二轴向静环8固定设置在壳体1内，第二轴向静环8位于第二动环7的外侧，第二轴向静环8沿圆周开有一周通气孔B81。

离心叶轮9固定设置在主轴2上，离心叶轮9设置在壳体1内，离心叶轮9位于第二轴向静环8的外侧。离心叶轮9的进排气口与壳体1的进排气口分别相对设置。大部分气体从壳体1的进气口进入到压缩机腔内，经离心叶轮9提速升压后从壳体1的排气口排出。

第一轴向静环3和第一动环4形成第一通道，该第一通道为小间隙通道。转套筒51和定套筒61形成第二通道。第二动环7和第二轴向静环8形成第三通道，该第三通道为小间隙通道。第二轴向静环8与离心叶轮9形成第四通道，该第四通道为小间隙通道。离心叶轮9的排气口经第四通道与通气孔B81相通，通气孔B81经第三通道和第二通道后与通气孔A31相通，通气孔A31经空腔后与气流通孔21相通。

在使用过程中，转子5驱动主轴2转动，第一动环4、第二动环7和离心叶轮9随主轴2一起旋转，少部分气体从离心叶轮9的排气口流出后，会直接进入第四通道内，然后通过通气孔B81进入第三通道中，靠近径向静环71气体压力在旋转过程中会逐渐的增大，接着流到第二通道中，然后流动到第一通道中以及从外侧通气孔A31中进入第一轴向静环3与壳体1的内底的空腔中，一部分气体又由内侧通气孔A31进入静环3与动环4之间，随动环旋转压力升高，从外侧通气孔A31流出，由于主轴2内开有气流通孔21，气流会从气流通孔21流到壳体1的进气口处。上述流动过程为一个气流循环通道。该气流通道能够带走电机工作过程产生的热量，起到内循环冷却的效果。

在第一动环4和第二动环7均随主轴2旋转过程中，第一动环4和第二动环7上下两个端面以及周向圆柱面分别与壳体1内壁和径向静环71表面之间会产生动压效应，形成气膜，为了提高动压效应，第一动环4和第二动环7的端面和圆柱面均开有动压槽。电机转套筒51转动时与定套筒61之间也会产生动压效应形成气膜，使压缩机转子在径向上也处于悬浮状态，自动平衡调整径向间隙。气膜使压缩机转子***(包括转轴2、电机转子3、动环7、离心叶轮9)处于悬浮状态，无固体接触摩擦损耗，可以达到超高转速，同时气膜的压力高于转子5所在腔内的压力，达到了类似干气密封的密封效果；压缩机采用全封闭式的结构，只有一个进气口与排气口，无需其他润滑冷却***，避免了轴端外泄漏，即无外泄漏。

优选的，第二轴向静环8的外径为D4，通气孔B81的圆心所在的直径为D5，

第一轴向静环沿圆周开有两周通气孔，静环的外径为D1，外侧通气孔的圆心所在的直径为D2，内侧通气孔为D3，

该设计能够稳定气膜的形成。

此外，径向静环71与第二动环7之间的间隙大于主轴2与第一轴向静环3之间的间隙；径向静环71与第二动环7之间的间隙大于主轴2与第二轴向静环8之间的间隙，该设计避免第二动环7冲击径向静环71。

壳体1包括外壳11和底座12，离心叶轮9设置在外壳11内，第二轴向静环8设置在底座12内，该设计便于安装压缩机。

压缩机启动或停机过程中第一轴向静环3和第一动环4，以及第二动环7和第二轴向静环8会短暂摩擦，为降低摩擦系数，减小摩擦损耗，动静环材料软硬配对，第一动环4和第二动环7均采用硬质合金，第一轴向静环3和第二轴向静环8料硬度均低于第一动环4和第二动环7，并在第一轴向静环3、第一动环4、第二动环7和第二轴向静环8的表面进行喷涂，提升表面的润滑性能和耐磨性。

以上参考了优选实施例对本发明进行了描述，但本发明的保护范围并不限制于此，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，且不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。因此，任何落入权利要求的范围内的所有技术方案均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，包括：

壳体(1)，设有一个进气口和一个排气口；

主轴(2)，旋转设置于所述壳体(1)内，所述主轴(2)内开有与所述壳体(1)排气口相通的气流通孔(21)；

第一轴向静环(3)，固定设置于所述壳体(1)内，所述第一轴向静环(3)与所述壳体(1)的内底形成空腔，所述第一轴向静环(3)沿圆周开有至少两周通气孔A(31)；

第一动环(4)，固定设置于所述主轴(2)上，位于所述第一轴向静环(3)的上侧；

电机转子(5)，固定设置于所述主轴(2)上，位于所述第一动环(4)的上侧；

转套筒(51)，固定设置于所述转子(5)的外表面；

电机定子(6)，固定设置于所述壳体(1)内，与所述转子(5)相对设置；

定套筒(61)，固定设置于所述定子(6)的内表面；

第二动环(7)，固定设置于所述主轴(2)上，位于所述转子(5)的上侧；

第二轴向静环(8)，固定设置于所述壳体(1)内，位于所述第二动环(7)的上侧，所述第二轴向静环(8)沿圆周开有至少一周通气孔B(81)；

离心叶轮(9)，固定设置于所述主轴(2)上，位于壳体(1)内，位于第二轴向静环(8)的上侧，所述离心叶轮(9)的进气口与所述壳体(1)的进气口相对设置，所述离心叶轮(9)的排气口与所述壳体(1)排气口相对设置；

其中，所述第一轴向静环(3)和第一动环(4)形成第一通道，所述转套筒(51)和定套筒(61)形成第二通道，所述第二动环(7)和第二轴向静环(8)形成第三通道，所述第二轴向静环(8)与离心叶轮(9)形成第四通道；所述离心叶轮(9)的排气口经第四通道与通气孔B(81)相通，所述通气孔B(81)经第三通道和第二通道后与通气孔A(31)相通，所述通气孔A(31)经空腔后与气流通孔(21)相通；

所述第二轴向静环(8)的外径为D4，所述通气孔B(81)的圆心所在的直径为D5，

所述第一轴向静环(3)的外径为D1，所述通气孔A包括外侧通气孔和内侧通气孔，所述外侧通气孔的圆心所在的直径为D2，所述内侧通气孔的圆心所在的直径为D3，

2.根据权利要求1所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，还包括径向静环(71)，所述径向静环(71)固定设置于所述壳体(1)上，位于所述第二动环(7)的外侧。

3.根据权利要求2所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述径向静环(71)与第二动环(7)之间的间隙大于主轴(2)与第一轴向静环(3)之间的间隙。

4.根据权利要求2所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述径向静环(71)与第二动环(7)之间的间隙大于主轴(2)与第二轴向静环(8)之间的间隙。

5.根据权利要求1所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述第一动环(4)和第二动环(7)的端面和圆柱面均开有动压槽。

6.根据权利要求1所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述壳体(1)包括外壳(11)和底座(12)，所述离心叶轮(9)设置于所述外壳(11)内，所述第二轴向静环(8)设置于所述底座(12)内。

7.根据权利要求1所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述第一动环(4)和第二动环(7)均采用硬质合金。

8.根据权利要求1或7所述的一种无径向轴承的小微型离心压缩机，其特征在于，所述第一轴向静环(3)和第二轴向静环(8)材料硬度均低于第一动环(4)和第二动环(7)。

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