CN1978906A - 滚动转子式压缩－膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有膨胀结构的压缩－膨胀机。解决了现有技术中的压缩机不能将膨胀功直接传递给压缩结构的问题。本发明的压缩－膨胀机包括壳体、曲轴、压缩结构和膨胀结构，所述膨胀结构与所述压缩结构共用所述曲轴，以致所述的膨胀结构所产生的膨胀功能通过该曲轴传递给所述的压缩结构。压缩－膨胀机实现了压缩过程和膨胀过程，回收了膨胀功同时将膨胀功直接传递给了压缩机。

Description

滚动转子式压缩-膨胀机

技术领域

本发明涉及一种压缩机，特别是涉及一种带有膨胀结构的压缩-膨胀机。

背景技术

目前全封闭滚动转子式压缩机中，电机的一侧仅布置有压缩结构，如图1所示。对于膨胀功较大的场合，如超临界循环或跨临界循环来说，其热力膨胀机构采用节流元件或膨胀设备来完成，但其膨胀设备回收的膨胀功无法直接传递给压缩机。

发明内容

本发明的目的在于设计一种新型的机器，通过该机器，能够回收循环过程中的膨胀功，并且同时将该功直接传递给压缩机从而避免了传递过程中的机电转换过程的效率损失。

为了实现此目的，本发明提出了一种压缩-膨胀机，其技术方案如下：

一种压缩-膨胀机，包括壳体、曲轴和压缩结构，其特征在于还包括膨胀结构，所述膨胀结构与所述压缩结构共用所述曲轴，以致所述的膨胀结构所产生的膨胀功能通过该曲轴传递给所述的压缩结构。

本发明的有益效果是该滚动转子式压缩-膨胀机实现了压缩过程和膨胀过程，回收了膨胀功同时将膨胀功直接传递给了压缩机。

本发明提出的是单轴全封闭滚动转子式压缩机-膨胀机一体化装置。本发明是在全封闭滚动转子式压缩机的基础上提出来的，通过在全封闭滚动转子式压缩机的电机的一端(例如可以是上部)布置滚动转子式膨胀机的膨胀结构，实现了压缩和膨胀的功能。

本发明的压缩-膨胀机的膨胀结构可采用现有技术中的单缸滚动转子式结构，也可以采用本发明提出的更优选的两缸滚动转子式结构。

用于本发明的压缩-膨胀机的优选的膨胀机构的可以是一种两缸滚动转子式膨胀结构，该膨胀结构包括第一缸盖、第二缸盖、中间板，第一气缸、第二气缸、第一活塞、第二活塞、设置在第一气缸上的可往复运动的第一叶片、设置在第二气缸上的可往复运动的第二叶片，所述中间板上带有通孔，所述第一气缸上带有进气口，所述第二气缸上带有排气口，所述曲轴上设有第一偏心部和第二偏心部，所述第二缸盖、第二气缸、中间板、第一气缸和第一缸盖按照上述顺序依次排列并装配在一起，所述第一活塞和第二活塞分别装配在所述曲轴的第一偏心部和第二偏心部上，使得所述第一偏心部置于第一活塞内，所述第二偏心部置于第二活塞内，

所述第一缸盖、第一气缸、第一活塞、中间板第一叶片及进气口限定出第一膨胀单元，其中第一活塞偏心放置于第一气缸内，第一叶片头部与第一活塞表面接触，在该膨胀结构的工作过程中，第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸内表面、及中间板和第一缸盖能将第一气缸内部空间分成了两部分：吸气腔和第一膨胀腔；

所述第二缸盖、第二气缸、第二活塞、中间板、第二叶片及排气口限定出第二膨胀单元，第二活塞偏心放置于第二气缸内，第二叶片头部与第二活塞表面接触，在该膨胀结构的工作过程中，第二活塞表面、第二叶片表面、第二气缸内表面、及中间板和第二缸盖能将第二气缸内部空间分成了两部分：第二膨胀腔和排气腔；

所述第一和第二膨胀腔通过中间板上的通孔相连通，这样第一和第二膨胀腔共同构成了该膨胀结构的膨胀腔。

这种膨胀结构的有益的发明效果是该两缸膨胀结构省去现有单缸滚动转子膨胀结构吸气口处的进气阀，降低了控制难度，提高了膨胀结构的可靠性。同时延长了气体膨胀周期，使膨胀过程更为平滑。

这种两缸滚动转子式膨胀结构的更优选的方案如下：

优选地，所述的第一偏心部和第二偏心部与所述曲轴一体地形成。这样使制造出的构件的整体强度更好，安装简便。

优选地，所述曲轴的第一和第二偏心部的偏心方向一致。通过偏心方向一致的第一和第二偏心部，可以使膨胀结构的结构简单。

优选地，所述第二缸盖、第二气缸、中间板、第一气缸和第一缸盖是通过螺栓固定装配在一起的。在本说明书的基础上，本领域技术人员可以理解这样的装配工艺的简便性、装拆方便。

优选地，所述第一气缸和第二气缸上都设有叶片槽和弹簧孔，所述的弹簧孔内设有弹簧，所述第一叶片和第二叶片置于所述的叶片槽内并受所述的弹簧施加的压力。本领域技术人员在本说明书的基础上可以理解这样的结构也可以使安装简便。

优选地，所述中间板上的通孔为一个斜孔，该斜孔的进气端口与第一膨胀腔连通，该斜孔的出气端口与第二膨胀腔连通，该斜孔的两端分别紧邻所述的第一叶片和第二叶片。其他形状的孔也可以实现本发明的目的，但是斜孔更便于加工，且气体传送性能较好。而且，通孔的进气端口与出气端口可以离开叶片一定距离，但是，紧邻叶片的进气端口与出气端口可以使膨胀结构的工作性能更优化。理论上，通孔的进出气端口越靠近叶片，则通孔体积越小，膨胀结构的工作越理想。

优选地，所述的进气口和排气口分别靠近所述的第一叶片和第二叶片设置。

优选地，所述的进气口设在所述第一叶片的一侧，所述的斜孔的进气端口设在所述第一叶片的另一侧，所述的斜孔的出气端口处在所述第二叶片的一侧，所述的排气口处在第二叶片的另一侧。

所述的第一膨胀单元的排量小于第二膨胀单元的排量。

所述的第二偏心部的偏心量可大于所述的第一偏心部的偏心量。这可以使第二膨胀单元的排量大于第一膨胀单元的排量。也可通过缸高和缸径来调整排量。

优选地，所述的第一气缸的内部容积小与所述的第二气缸的内部容积。通过这种方式，也可以使第二膨胀单元的排量大于第一膨胀单元的排量。

本发明压缩膨胀机的压缩结构可采用现有技术中的形式，如单转子、双转子、两级压缩等，也可采用本发明提出的新的两级压缩结构。

可以用作本发明的压缩-膨胀机的压缩结构的一种更优选的两级滚动转子式压缩结构如下：其包括第一缸盖、第二缸盖、中间板、第一气缸、第二气缸、第一活塞、第二活塞、设置在第一气缸上的可往复运动的第一叶片、设置在第二气缸上的可往复运动的第二叶片，所述中间板上带有通孔，所述第一气缸上带有进气口，所述第二气缸上带有排气口，所述排气口处设有排气阀，所述曲轴上设有第一偏心部和第二偏心部，所述第一缸盖、第一气缸、中间板、第二气缸和第二缸盖按照上述顺序依次排列并装配在一起，所述第一活塞和第二活塞分别装配在所述曲轴的第一偏心部和第二偏心部上，所述第一偏心部置于第一活塞内，使得所述第二偏心部置于第二活塞内，

所述第一缸盖、第一气缸、第一活塞、中间板、第一叶片及排气口限定出第一压缩单元，第一活塞偏心放置于第一气缸内，第一叶片头部与第一活塞表面接触，在所述压缩结构的工作过程中，第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸内表面、及中间板和第一缸盖能将第一气缸内部空间分成两部分：第一压缩单元的压缩腔和第一压缩单元的吸气腔；

所述第二缸盖、第二气缸、第二活塞、中间板、第二叶片、排气口及排气阀限定出第二压缩单元，其中第二活塞偏心放置于第二气缸内，第二叶片头部与第二活塞表面接触，在所述压缩结构的工作过程中，第二活塞表面、第二叶片表面、第二气缸内表面、及中间板和第二缸盖能将第二气缸内部空间分成两部分：二级压缩腔和第二压缩单元的吸气腔；

所述第一压缩单元的压缩腔和第二压缩单元的吸气腔通过中间板上的通孔相连通，并能共同构成该压缩结构的一级压缩腔。

该优选的两级压缩结构的有益的效果是该两级压缩结构省去现有滚动转子压缩结构在第一级排气口处的排气阀及排气腔，提高了压缩结构的可靠性，降低了压缩结构的成本。

该两级压缩结构的更优选的方案及效果如下：

优选地，所述的第一偏心部和第二偏心部可以与所述曲轴一体地形成。这样使制造出的构件的整体强度更好，安装简便。

优选地，所述曲轴的第一和第二偏心部的偏心方向一致。通过偏心方向一致的第一和第二偏心部，可以使压缩结构的工作性能优化。

优选地，所述第一缸盖、第一气缸、中间板、第二气缸和第二缸盖是通过螺栓固定装配在一起的。在本说明书的基础上，本领域技术人员可以理解这样的装配工艺的简便性、装拆方便。

优选地，所述第一气缸和第二气缸上都设有叶片槽和弹簧孔，所述的弹簧孔内设有弹簧，所述第一叶片和第二叶片置于所述的叶片槽内并受所述的弹簧施加的压力。本领域技术人员在本说明书的基础上可以理解这样的结构也可以使安装简便。

优选地，所述中间板上的通孔为一个斜孔，该斜孔的进气端口与第一压缩单元的压缩腔连通，该斜孔的出气端口与第二压缩单元的吸气腔连通，该斜孔的两端口分别紧邻所述的第一叶片和第二叶片。其他形状的通孔也可以实现本发明的目的，但是斜孔更便于加工，且气体传送性能较好。而且，通孔的进气端口与出气端口可以离开叶片一定距离，但是，紧邻叶片的进气端口与出气端口可以使压缩结构的工作性能更优化。理论上，通孔的进出气端口越靠近叶片，压缩结构的工作越理想。

优选地，所述的进气口和排气口分别靠近所述的第一叶片和第二叶片设置。

优选地，所述的进气口设在所述第一叶片的一侧，所述的斜孔的进气端口设在所述第一叶片的另一侧，所述的斜孔的出气端口处在所述第二叶片的一侧，所述的排气口处在第二叶片的另一侧。

优选地，所述的第二压缩单元的排量小于第一压缩单元的排量。

优选地，所述的第一偏心部的偏心量大于所述的第二偏心部的偏心量。这可以使第一压缩单元的排量大于第二压缩单元的排量。

优选地，所述的第二气缸的内部容积小于所述的第一气缸的内部容积。通过这种方式，也可以使第一压缩单元的排量大于第二压缩单元的排量。

优选地，所述第二活塞的外径大于所述第一活塞的外径。这是另外一种可以使第一压缩单元的排量大于第二压缩单元的排量的方式。

下面结合附图对本发明的各个优选的实施例或本发明的压缩膨胀机的部件的优选的实施例进行说明。

附图说明

图1是现有技术中的全封闭滚动转子式压缩机的结构示意图；

图2是本发明的压缩-膨胀机的结构时意图：

图3是可作为本发明的压缩-膨胀机的膨胀结构的现有技术的膨胀机的结构示意图；

图4是图3的横截面的简化示意图；

图5是可用于本发明压缩-膨胀机的膨胀结构的两缸滚动转子式膨胀结构的结构示意图；

图6是可用于本发明压缩-膨胀机的膨胀结构的两缸滚动转子式膨胀结构处于工作过程中的一个阶段时的示意图，表示了本发明膨胀结构的工作原理；

图7是本发明的压缩-膨胀机的将膨胀结构与压缩结构连接起来的曲轴的结构示意图；

图8是用于本发明的压缩-膨胀机的两缸滚动转子式膨胀结构的中间板及第一叶片的立体结构示意图；

图9是用于本发明的压缩-膨胀机的两缸滚动转子式膨胀结构的中间板及第一叶片的平面示意图；

图10～14是用于本发明的压缩-膨胀机的两缸滚动转子式膨胀结构的工作过程示意图；

图15是现有技术的两级压缩机的结构示意图，该两级压缩机的压缩结构可用作本发明的压缩-膨胀机的压缩结构；

图16是图15的A部的放大示意图；

图17是可用作本发明的压缩膨胀机的压缩结构的两级滚动转子式压缩结构的结构示意图；

图18是可用作本发明的压缩膨胀机的压缩结构的两级滚动转子式压缩结构的工作原理的示意图；

图19是可用作本发明的压缩膨胀机的两级滚动转子式压缩结构的中间板及第二叶片的立体结构示意图；

图20是可用作本发明的压缩膨胀机的两级滚动转子式压缩结构的中间板及第二叶片的平面示意图；

图21～25是表示可用作本发明的压缩膨胀机的两级压缩结构的工作过程的示意图

具体实施方式

图2是本发明的滚动转子式压缩-膨胀机的结构简图，电机的上下两侧分别布置膨胀和压缩结构，压缩结构可采用目前形式，如单转子、双转子、两级压缩等，也可采用本发明提出的新的压缩结构。膨胀结构可采用现有的单缸滚动转子式结构，也可以采用本发明提出的两缸滚动转子式结构。且膨胀结构和压缩结构共用同一根曲轴5。

对于该压缩-膨胀机来说，由于压缩结构和膨胀结构共用同一根曲轴，所以要求膨胀侧曲轴偏心外径不可高于电机转子内曲轴的外径，否则会给装配带来很大的困难。以CO2(二氧化碳)超临界循环为例，若压缩结构(相当于压缩机)吸气压力为3.5Mpa，吸气温度为10℃，排气压力为9Mpa，若膨胀结构(相当于膨胀机)进气压力与压缩结构排气压力相同，进气温度为35℃，则压缩结构和膨胀结构的吸气比容之比为7.53∶1，即压缩结构排量是膨胀结构排量的7.53倍，因此可将膨胀结构的缸径减小，由此使偏心外径减小，从而使偏心外径低于电机转子内曲轴的外径。

装配该压缩-膨胀结构时，先完成下部的压缩结构的装配，然后将电机转子装到曲轴上，最后再装配上部的膨胀结构。将压缩结构与膨胀结构都装到曲轴上之后，再将由此压缩结构、膨胀结构与曲轴形成的组件装到壳体内。

滚动转子式压缩-膨胀机中压缩结构和膨胀结构共用的曲轴如图7所示，膨胀侧两偏心部的偏心方向一致，且偏心外径不可高于电机转子内曲轴的外径。

可以采用目前广泛使用滚动转子式压缩机作为本发明的膨胀-压缩机中的膨胀结构，利用该压缩机的反过程来实现膨胀结构的功能。如图3和4所示，这种由压缩机转化而成的滚动转子式膨胀结构的工作腔上设有进气口115和排气口117。工作腔由第一缸盖2、第二缸盖3、气缸108、曲轴104、叶片118、弹簧119组成。第一缸盖2、第二缸盖3、气缸108通过螺栓129装配在一起。需要在进气口处安装一开闭可控制的进气阀116。气缸吸入一定的高压气体后，进气阀关闭，这部分气体在气缸内膨胀后，由排气口排出

下面结合附图说明可用作本发明的压缩-膨胀机的膨胀结构的一个两缸膨胀结构的优选的实施例。

图5是该两缸膨胀结构的结构简图，图6是其工作原理示意图。如图所示，该膨胀结构由第一、第二两个膨胀单元31和32构成。第一膨胀单元由第一缸盖2、第一气缸8、第一活塞10、中间板4、第一叶片12、上弹簧14及进气口16限定而成，其中第一活塞10偏心放置于第一气缸8内，第一叶片头部与第一活塞表面可相对滑动地接触，这样由第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸表面、及中间板和第一缸盖将第一气缸内部空间分成了两部分：吸气腔18和第一膨胀腔26；同理，第二膨胀单元32由第二缸盖3、第二气缸9、第二活塞11、中间板4、第二叶片12、下弹簧15及排气口17限定而成，第二活塞11偏心放置于第二气缸9内，第二叶片头部与第二活塞表面可以相对滑动地接触，由第二活塞表面、第二叶片表面、第二气缸表面、及中间板和第二缸盖将第二气缸内部空间分成了两部分：第二膨胀腔27和排气腔19。第一和第二膨胀腔通过中间板4上的通孔21相连通，这样第一和第二膨胀腔共同构成了膨胀结构的膨胀腔。第一和第二两膨胀单元共用一根曲轴5，曲轴5的第一和第二偏心部52和51的偏心方向一致，第一偏心部52置于第一活塞10内，第二偏心部51置于第二活塞11内。为实现膨胀功能，第一膨胀单元的排量(由第一气缸表面、第一活塞外表面、第一缸盖及中间板表面所围空间的体积)要小于第二膨胀单元的排量(由第二气缸表面、第二活塞外表面、第二缸盖及中间板表面所围空间的体积)。第一和第二两个膨胀单元通过螺栓联结在一起，并置于壳体1内。

该膨胀结构的工作原理：从高压气源来的高压气体首先进入膨胀结构第一膨胀单元的吸气腔，吸气结束后，通过滚动转子(第一活塞)的隔断作用使吸入的高压气体(其容积为第一膨胀单元的排量)与吸气口脱离，此时高压气体进入膨胀腔，随着两个滚动转子的同步运动，该膨胀腔的容积也同步增加，从而实现了吸入气体的膨胀过程，膨胀过程结束后，低压气体充满排气腔(其容积为第二膨胀单元的排量)，在膨胀结构下一个运转周期，该低压气体被排出第二膨胀单元，并通过排气管排出膨胀结构。膨胀结构吸排气的压比可通过改变第一/第二两膨胀单元的排量来调节。

下面结合图10～14来说明本发明的膨胀结构的工作过程。下面提到的在图10～14中的曲轴转角指的是气缸中心线与活塞的中心线所限定的平面与叶片运动方向的夹角。

图10是当曲轴的转角正好为0度时的示意图。如图10所示，曲轴转角为0度时，此时第一膨胀单元内只有吸气腔，且此时的吸气腔内充满高压气体，吸气腔的容积(高压气体的体积)的值等于第一膨胀单元的排量。但是当随着曲轴旋转而曲轴转角大于0度时，原来的吸气腔立即转变为第一膨胀腔，且该第一膨胀腔的容积的值从等于第一膨胀单元的排量开始逐渐减小，同时一个新的吸气腔从容积为0开始逐渐增大。此时，第二膨胀单元内只有第二膨胀腔，其内部为低压气体。此时第二膨胀腔的容积的值达到最大，等于第二膨胀单元的排量。但是当随着曲轴旋转而曲轴转角大于0度时，第二膨胀单元内的原来的膨胀腔立即转变为排气腔，该排气腔的容积的值从等于第二膨胀单元的排量的最大值开始逐渐减小，同时第二膨胀单元内出现一个从容积为0开始逐渐增大的新的第二膨胀腔。即当曲轴转角大于0度时，第一膨胀腔与第二膨胀腔共同组成膨胀腔。

如图11所示，曲轴转角为90度时，第一膨胀单元内的部分高压气体通过中间板上的通道进入到第二膨胀单元，由第一膨胀腔与第二膨胀腔组成的膨胀腔的容积变得更大，高压气体的压力降低。

如图12所示，曲轴转角为180度时，第一膨胀单元内的气体有一半通过中间板上的通道进入到第二膨胀单元，由第一膨胀腔与第二膨胀腔组成的膨胀腔的容积继续变大，气体的压力继续降低。

如图13所示，曲轴转角为270度时，第一膨胀单元内的气体继续通过中间板上的通道进入到第二膨胀单元，由第一膨胀腔与第二膨胀腔组成的膨胀腔的容积变得更大，高压气体的压力变得更低。

如图14所示，曲轴转角为360度时，原来的第一膨胀单元的第一膨胀腔内的高压气体已经全部进入到第二膨胀单元的第二膨胀腔。而且，第二膨胀单元的第二膨胀腔的容积等于第二膨胀单元的排量，由于第二膨胀单元的排量大于第一膨胀单元的排量，故实现了高压气体的膨胀过程。此时第一膨胀单元内的膨胀腔的容积为0，第一膨胀单元内只有吸气腔，且此时的吸气腔内充满高压气体，吸气腔的容积(高压气体的体积)的值为最大值，等于第一膨胀单元的排量。但是当随着曲轴旋转而曲轴转角大于360度时，原来的吸气腔立即转变为第一膨胀腔，且该第一膨胀腔的容积的值从等于第一膨胀单元的排量开始逐渐减小，同时一个新的吸气腔从容积为0开始逐渐增大。而且，当曲轴转角大于360度时，第二膨胀单元内的原来的膨胀腔立即转变为排气腔，该排气腔的容积的值从等于第二膨胀单元的排量的最大值开始逐渐减小，同时第二膨胀单元内出现一个从容积为0开始逐渐增大的新的第二膨胀腔。即当曲轴转角大于360度时，第一膨胀腔与第二膨胀腔共同组成膨胀腔。如此周而复始地循环，本发明的膨胀结构即可实现气体膨胀的功能。

本领域技术人员可以理解，虽然在本说明书的图中，为了清楚起见，斜孔的进气端口与出气端口分别与第一叶片和第二叶片间隔开一定距离，实际上，在本说明书所详细描述的优选实施例中，斜孔的进气端口与出气端口是分别尽量地靠近第一叶片和第二叶片的，以实现最优的工作性能。上述关于工作过程的说明也是基于斜孔的两个端口紧邻第一叶片和第二叶片做出的。

两缸膨胀结构的装配联结方式如下：

1.将第二缸盖3和第二气缸9用螺栓6装配在一起；

2.装入曲轴5、第二活塞11、第二叶片13；

3.放入中间板4和第一气缸8，通过螺栓将其固定在第二气缸和第二缸盖组件上；

4.装入第一活塞10、第一叶片12；

5.安装第一缸盖2并用螺栓固定；

6.装入第一和第二弹簧14和15。

其中叶片和弹簧的安装方式与现有技术中的滚动转子式压缩机相同，叶片置于气缸上的叶片槽内，弹簧置于气缸上的弹簧孔内，其一端与叶片后部接触。

在现有的两级滚动转子式压缩机结构基础上，可以采用图7～9所示的方式来实现两缸滚动转子膨胀结构。其中，将曲轴的膨胀侧两偏心方向设置成一致，如图7所示。可通过调节两偏心量或第一气缸和第二气缸高度和内径来调节两缸的排量。排量 $V=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_C^2-{(D_C-2E)}^2)H_C$

式中：D_c-气缸内径，E-曲轴偏心量，H_c-气缸高度。其中： $E=\frac{D_C-D_r}{2},$ D_r-活塞的外径。

通过在中间板4上开斜孔21来实现一级和二级气缸的连通，如图8和9所示。可以理解，中间板上的斜孔21的进气端口最好尽量靠近第一叶片12，而斜孔21的出气端口尽量靠近第二叶片13。

本领域技术人员可以理解，本申请文件中的所谓的第一/第二膨胀单元的位置可以根据实际需要而改变。例如，申请文件中的第一膨胀单元也可以放在下面，第二膨胀单元也可以放在上面。对于卧式膨胀结构，两个膨胀单元也可以并排放置。其他的以第一/第二标明的部件也是如此。

下面说明可以用作本发明的压缩-膨胀机的压缩结构的实施例

PCT/JP92/01458(WO93/10356)公开了一种现有技术中的两级高背压滚动转子压缩结构，其结构简图如图15和16所示。压缩结构的一级排气腔226和第二气缸221中形成的二级吸气腔通过通道相连通。气体的流向为：随着曲轴204的旋转，进入压缩结构的气体经第一级压缩后，由第一缸盖225上的排气孔排出到下排气腔226，然后又经第一缸盖225、第一气缸224、中间板222上的通气孔223进去到第二气缸221内的第二级压缩腔，经第二级压缩后排出到壳体内，冷却电机后排出压缩结构。可以用这种现有技术中的压缩结构作为本发明的压缩膨胀机的压缩结构。

下面结合附图说明可用作本发明压缩膨胀机的两级压缩结构的一个更优选的实施例。

图17是该两级压缩结构的结构简图，图18是其工作原理示意图。如图所示，该压缩结构由第一、第二两个压缩单元332和331构成。第二/第一两个压缩单元通过其上部的电机来驱动，第二/第一压缩单元及电机共同置于压缩结构壳体内部。第一压缩单元332由第一缸盖303、第一气缸309、第一活塞311、中间板304、第一叶片313、下弹簧315及进气口317限定而成。第一活塞311偏心放置于第一气缸309内，第一叶片头部与第一活塞表面可以相对滑动地接触。在工作过程中，第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸表面、及中间板和第一缸盖能将第一气缸内部空间分成两部分：第一压缩单元的压缩腔327和第一压缩单元的吸气腔319。同理，第二压缩单元由第二缸盖302、第二气缸308、第二活塞310、中间板304、第二叶片312、上弹簧314、排气口316及排气阀346限定而成。排气阀346上带有排气阀片。其中第二活塞310偏心放置于第二气缸308内，第二叶片312的头部与第二活塞310的表面可相对滑动地接触，这样在工作过程中，第二活塞的表面、第二叶片表面、第二气缸表面、及中间板和第二缸盖能将第二气缸内部空间分成两部分：二级压缩腔318和第二压缩单元的吸气腔326。第一压缩单元的压缩腔327和第二压缩单元的吸气腔326通过中间板304上的斜孔形式的通孔321相连通，这样第二压缩单元的吸气腔326和第一压缩单元的压缩腔327能共同构成压缩结构的一级压缩腔。第二和第一两压缩单元共用一根曲轴5，曲轴5的第二和第一偏心部352和351的偏心方向一致，第二偏心部352置于第二活塞310内，第一偏心部351置于第一活塞311内。第二活塞的外径大于第一活塞的外径。第一偏心部的偏心量大于第二偏心部的偏心量。工作时，第二活塞与第一活塞同步旋转。为实现压缩功能，第二压缩单元的排量(由第二气缸表面、第二活塞外表面、第二缸盖及中间板表面所围空间的体积)要小于第一压缩单元的排量(由第一气缸表面、第一活塞外表面、第一缸盖及中间板表面所围空间的体积)。第二和第一两个压缩单元通过螺栓联结在一起，并置于壳体1内。

该两级压缩结构的工作原理：气体首先进入压缩结构第一压缩单元的吸气腔，吸气结束后开始压缩。由于第一压缩单元的压缩腔和第二压缩单元的吸气腔相连通，故第一压缩单元的压缩过程也是第二压缩单元的吸气过程，第一压缩单元压缩结束后，第二压缩单元吸气也随之结束。由于第一压缩单元的排量大于第二压缩单元的排量，这样由第一压缩单元的压缩腔和第二压缩单元的吸气腔共同构成的一级压缩腔，实现了对压缩结构吸入气体的第一级压缩。随后在曲轴的下一个回转周期内，第二压缩单元的压缩腔即二级压缩腔再将气体压缩至排气压力，经排气通道排到壳体内部，冷却电机后再由排气管排出压缩结构。对于一定的气体来说，一级压缩结束后，其压力取决于第一/第二压缩单元的排量比，可通过调节第一/第二压缩单元的排量来调节一级的排气压力。

两级压缩结构的装配联接方式与目前的双转子压缩结构基本相同，具体如下：

1.将第二缸盖和第二气缸用螺栓装配在一起；

2.装入曲轴、第二活塞、第二叶片；

3.放入中间板和第一气缸，并通过螺栓将其固定在第二气缸/第二缸盖组件上；

4.装入第一活塞、第一叶片；

5.安装第一缸盖并用螺栓固定；

6.从曲轴上端将电机转子装到曲轴上；

7.装入第二/第一弹簧。

其中叶片和弹簧的安装方式与双转子压缩结构相同，叶片置于气缸上的叶片槽内，弹簧置于气缸上的弹簧孔内，其一端与叶片尾部接触。

WO93/10356(PCT/JP92/01458)公开了一种两级滚动转子式压缩结构。在现有(例如该PCT国际公布专利文本所公开)的两级滚动转子式压缩结构的基础上，可以采用图17-20所示的方式来实现本发明的两级滚动转子压缩结构。其中，将曲轴的压缩侧的两偏心部的偏心方向设置成一致。如图17和18所示。可通过调节压缩侧的两偏心部的偏心量或第二气缸和第一气缸高度和内径来调节两缸的排量。第二/第一压缩单元的排量 $V=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D_C^2-{(D_C-2E)}^2)H_C$

式中：D_c-气缸内径，E-曲轴偏心量，H_c-气缸高度。其中： $E=\frac{D_c-D_r}{2},$ D_r-活塞的外径。

通过在中间板304上开斜孔321来实现一级气缸和二级气缸的连通以及一级压缩腔和二级压缩腔的连通，如图19和20所示。

也可以通过调节两个活塞的外径来调节两缸的排量。

下面结合图21～25来说明本发明提出的该两级压缩结构的工作过程。图21～25分别表示本发明的两级压缩结构在工作过程中所处的一个阶段。下面提到的在图21～25中的曲轴转角指的是气缸中轴线与活塞的中轴线所限定的平面与叶片运动方向的夹角。

如图21所示，曲轴转角为0度时，第一压缩单元内只有吸气腔319，该吸气腔内充满低压气体，吸气腔的容积(即低压气体的体积)达最大值，为第一压缩单元的排量。但是当曲轴转角大于0度且第一活塞的与第一气缸的内表面接触的表面部分经过进气口317后，第一压缩单元的吸气腔立即转变为第一压缩单元的压缩腔。第一压缩单元的压缩腔的容积从最大值逐渐变小。同时，第一压缩单元内出现一个新的吸气腔，该新的吸气腔的容积从0逐渐增大。同时，当曲轴转角大于0度且第二活塞的与第二气缸的内表面接触的表面部分经过斜孔的排气端口后，第二压缩单元的第二气缸内出现一个容积从0逐渐增大的第二压缩单元的吸气腔，第一压缩单元的压缩腔内的气体被压入该吸气腔，第二压缩单元的吸气腔与第一压缩单元的压缩腔共同构成一级压缩腔。

如图22，曲轴转角为180度时，第一压缩单元内的气体通过中间板上的通孔进入到第二压缩单元，一级压缩腔的容积变小，气体的压力升高。

如图23所示，曲轴转角为360度时，第一压缩单元内的气体通过中间板上的通孔全部进入到第二压缩单元的吸气腔，此时一级压缩腔仅由第二压缩单元的吸气腔构成，一级压缩腔的容积为第二压缩单元的排量，同时第一压缩单元的压缩腔的容积变为0，而第一压缩单元的新的吸气腔的容积增大至最大值，为第一压缩单元的排量，并且新吸入的气体充满了该吸气腔。当曲轴转角继续增大而大于360度时，完全由第二压缩单元的吸气腔构成的一级压缩腔立即转变为二级压缩腔。

如图24所示，曲轴转角为540度时，二级压缩腔的容积变小，气体的压力升高，若气体的压力高于排气腔的压力，则排气阀46的排气阀片打开，气体由排气通道排出。

如图25所示，曲轴转角为720度时，二级压缩腔的容积减小为0，吸入气体全部排出到排气腔。同时，第一压缩单元的吸气腔又吸满了新的低压气体。此时状态与图21所示的状态相同。如此不断循环，就实现了压缩结构的压缩气体的功能。

本领域技术人员可以理解，本申请文件中的所谓的第一/第二压缩单元的位置可以根据实际需要而改变。例如，申请文件中的第一压缩单元也可以放在上面，第二压缩单元也可以放在下面。对于卧式压缩结构，两个压缩单元也可以并排放置。其他的以第一/第二标明的部件也是如此。

Claims (19)

1.一种压缩-膨胀机，包括壳体(1)、曲轴(5)和压缩结构，其特征在于还包括膨胀结构，所述膨胀结构与所述压缩结构(5)共用所述曲轴(5)，以致所述的膨胀结构所产生的膨胀功能通过该曲轴(5)传递给所述的压缩结构。

2.如权利要求1所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述膨胀结构，包括第一缸盖(2)、第二缸盖(3)、中间板(4)、第一气缸(8)、第二气缸(9)、第一活塞(10)、第二活塞(11)、设置在第一气缸上的可往复运动的第一叶片(12)、设置在第二气缸上的可往复运动的第二叶片(13)，所述中间板上带有通孔(21)，所述第一气缸上带有进气口(16)，所述第二气缸上带有排气口(17)，所述曲轴(5)上设有第一偏心部(52)和第二偏心部(51)，所述第二缸盖、第二气缸、中间板、第一气缸和第一缸盖按照上述顺序依次排列并装配在一起，所述第一活塞和第二活塞分别装配在所述曲轴的第一偏心部(52)和第二偏心部(51)上，使得所述第一偏心部置于第一活塞内，所述第二偏心部置于第二活塞内，

所述第一缸盖、第一气缸、第一活塞、中间板、第一叶片及进气口限定出第一膨胀单元(31)，其中第一活塞偏心放置于第一气缸内，第一叶片头部与第一活塞表面接触，在所述膨胀结构的工作过程中，第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸内表面、及中间板和第一缸盖能将第一气缸内部空间分成了两部分：吸气腔(18)和第一膨胀腔(26)；

所述第二缸盖、第二气缸、第二活塞、中间板、第二叶片及排气口限定出第二膨胀单元(32)，第二活塞偏心放置于第二气缸内，第二叶片头部与第二活塞表面接触，在所述膨胀结构的工作过程中，第二活塞表面、第二叶片表面、第二气缸内表面、及中间板和第二缸盖能将第二气缸内部空间分成了两部分：第二膨胀腔(27)和排气腔(19)；

所述第一和第二膨胀腔通过中间板上的通孔相连通，这样所述第一和第二膨胀腔共同构成了该膨胀结构的膨胀腔。

3.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的第一偏心部(52)和第二偏心部(51)与所述曲轴一体地形成。

4.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述曲轴的第一和第二偏心部的偏心方向一致。

5.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述第二缸盖、第二气缸、中间板、第一气缸和第一缸盖是通过螺栓(6)固定装配在一起的。

6.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述第一气缸和第二气缸上都设有叶片槽和弹簧孔，所述的弹簧孔内设有弹簧，所述第一叶片和第二叶片置于所述的叶片槽内并受所述的弹簧施加的压力。

7.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述中间板上的通孔为一个斜孔，该斜孔的进气端口与第一膨胀腔连通，该斜孔的出气端口与第二膨胀腔连通，该斜孔的两端分别紧邻所述的第一叶片和第二叶片。

8.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的进气口和排气口分别靠近所述的第一叶片和第二叶片设置。

9.如权利要求7所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的进气口设在所述第一叶片的一侧，所述的斜孔的进气端口设在所述第一叶片的另一侧，所述的斜孔的出气端口处在所述第二叶片的一侧，所述的排气口处在第二叶片的另一侧。

10.如权利要求2所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的第一膨胀单元的排量小于第二膨胀单元的排量。

11.如权利要求1所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的压缩结构包括第一缸盖(303)、第二缸盖(302)、中间板(304)、第一气缸(309)、第二气缸(308)、第一活塞(311)、第二活塞(310)、设置在第一气缸上的可往复运动的第一叶片(313)、设置在第二气缸上的可往复运动的第二叶片(312)，所述中间板上带有通孔(321)，所述第二气缸上带有排气口(316)，所述排气口处设有排气阀(346)，所述第一气缸上带有进气口(317)，所述曲轴(5)上设有第一偏心部(351)和第二偏心部(352)，所述第一缸盖、第一气缸、中间板、第二气缸和第二缸盖按照上述顺序依次排列并装配在一起，所述第一活塞和第二活塞分别装配在所述曲轴的第一偏心部(351)和第二偏心部(352)上，使得所述第一偏心部置于第一活塞内，所述第二偏心部置于第二活塞内，

所述第一缸盖、第一气缸、第一活塞、中间板、第一叶片及排气口限定出第一压缩单元(332)，第一活塞偏心放置于第一气缸内，第一叶片头部与第一活塞表面接触，在所述压缩结构的工作过程中，第一活塞表面、第一叶片表面、第一气缸内表面、及中间板和第一缸盖能将第一气缸内部空间分成两部分：第一压缩单元的压缩腔(327)和第一压缩单元的吸气腔(319)；

所述第二缸盖、第二气缸、第二活塞、中间板、第二叶片、排气口及排气阀限定出第二压缩单元(331)，其中第二活塞偏心放置于第二气缸内，第二叶片头部与第二活塞表面接触，在所述压缩结构的工作过程中，第二活塞表面、第二叶片表面、第二气缸内表面、及中间板和第二缸盖能将第二气缸内部空间分成两部分：二级压缩腔(318)和第二压缩单元的吸气腔(326)；

所述第一压缩单元的压缩腔(327)和第二压缩单元的吸气腔(326)通过中间板上的通孔相连通，并能共同构成该压缩结构的一级压缩腔。

12.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的第一偏心部(351)和第二偏心部(352)与所述曲轴(5)一体地形成。

13.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述曲轴的第一和第二偏心部(351和352)的偏心方向一致。

14.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述第一缸盖、第一气缸、中间板、第二气缸和第二缸盖是通过螺栓(306)固定装配在一起的。

15.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述第一气缸和第二气缸上都设有叶片槽和弹簧孔，所述的弹簧孔内设有弹簧，所述第一叶片和第二叶片置于所述的叶片槽内并受所述的弹簧施加的压力。

16.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述中间板上的通孔为一个斜孔(321)，该斜孔的进气端口(367)与第一压缩单元的压缩腔(327)连通，该斜孔的出气端口(366)与第二压缩单元的吸气腔(326)连通，该斜孔的两端口分别紧邻所述的第一叶片和第二叶片。

17.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的进气口和排气口分别靠近所述的第一叶片和第二叶片设置。

18.如权利要求16所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的进气口(317)设在所述第一叶片的一侧，所述的斜孔的进气端口(367)设在所述第一叶片的另一侧，所述的斜孔的出气端口(366)处在所述第二叶片的一侧，所述的排气口(316)处在第二叶片的另一侧。

19.如权利要求11所述的压缩-膨胀机，其特征在于：所述的第二压缩单元的排量小于第一压缩单元的排量。

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