CN103196253A - 耦合变频式空气涡轮制冷系统及联供方法 - Google Patents

Abstract

耦合变频式空气涡轮制冷系统 及联供方法。 现有空调制冷系统基本上采用蒸发制冷原理，由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和循环风机等组成，并且要使用制冷剂进行循环，结构复杂，制造成本高；使用含氟制冷剂也不符合环保要求。 本发明的组成包括： 压气机（ 1 ） ，所述的 压气机通过回冷器（ 6 ） 与 空气涡轮膨胀机（ 4 ） 连接，所述的 空气涡轮膨胀机通过永磁磁力耦合联轴器 A （ 2 ）与耦合变频电机（ 3 ）转轴连接，所述的耦合变频电机转轴通过磁磁力耦合联轴器 B （ 11 ） 与所述的 压气机转轴 连接，所述的 空气涡轮膨胀机 与所述的 回冷器 连接。 本发明用于 耦合变频式空气涡轮制冷 。

Description

耦合变频式空气涡轮制冷系统及联供方法

技术领域：

本发明涉及一种耦合变频式空气涡轮制冷系统及联供方法。

背景技术：

现有空调制冷系统基本上采用蒸发制冷原理，由压缩机、冷凝器、蒸发器、膨胀阀和循环风机等组成，并且要使用制冷剂进行循环，结构复杂，制造成本高；使用含氟制冷剂也不符合环保要求。而采用涡轮膨胀制冷技术的尤其是使用空气作为制冷剂的高速空气涡轮膨胀制冷系统，具有结构简单、成本低廉、无毒环保、性能可靠、寿命长久等多方面优点，成为目前空调制冷技术发展的一个新方向。

因此，有必要开发适应目前技术发展的功能性智能性强、能满足多种供冷需求、轻便耐用的空气涡轮膨胀制冷系统。其技术关键在于制冷核心机的结构和驱动方式等。

压气机－涡轮转子结构是涡轮膨胀制冷机械中的常用结构形式，为压气机－涡轮转子结构提供高效可靠的润滑支撑，是高速涡轮膨胀制冷设计的重要问题。长期以来，常规油脂润滑轴承（滚动轴承或油脂滑动轴承）是高速涡轮膨胀制冷系统的主要轴承形式。这种支撑形式的优点是技术成熟，简单易用。但是，随着主轴转速的不断升高，润滑油脂在高温环境工作时经常会由于变质而引发轴承故障，而在低温环境工作时润滑油的粘滞度又会增加，极大影响了系统工作效率和寿命。同时，由于油质润滑轴承需要相应的供油润滑系统，使得结构和维护相对复杂，也增加了制造维护成本和系统重量。

气体轴承在极高和极低的温度环境下都能发挥良好性能。无论是静压气体轴承，还是动压气体轴承，其原理都是依靠气体的粘性，提高间隙中气体的压力，从而将轴悬浮起来的轴承。它没有一般滚动轴承对超高转速的限制，使得高速涡轮膨胀制冷系统可以获得更高的转速和性能。同时，由于取消了复杂沉重的供油润滑系统，使得结构简单，维护使用更加方便。

    对于空气涡轮膨胀机的驱动方式，国外的发展趋势是综合集成了无油支承技术、永磁电动机/发电机一体化技术、电力电子技术以及高速转子动力学等核心技术所构成的高速永磁变频电动机，以及适用于高速轴系传动的永磁联轴器。

   综合以上技术背景和使用需求，本专利有效集成了高速压气机－涡轮转子结构、高速气体润滑轴承、高速变频电动机、永磁联轴器等多项关键技术，形成了耦合变频式空气涡轮制冷系统。

发明内容：

本发明的目的是提供一种耦合变频式空气涡轮制冷系统及联供方法，具有体积小、重量轻、集成性好、可控性强等特点。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种耦合变频式空气涡轮制冷系统，其组成包括：压气机，所述的压气机通过回冷器与空气涡轮膨胀机连接，所述的空气涡轮膨胀机通过永磁磁力耦合联轴器A与耦合变频电机转轴连接，所述的耦合变频电机转轴通过磁磁力耦合联轴器B与所述的压气机转轴连接，所述的空气涡轮膨胀机与所述的回冷器连接。

所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，所述的永磁磁力耦合联轴器包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与电机轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。

所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的空气涡轮膨胀机的叶轮两端设置轴承支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压和动静压混合结构。

一种耦合变频式空气涡轮制冷系统工作方法，经压气机压缩的空气经过回冷器后进入空气涡轮膨胀机膨胀做功后，一部分直接排出作为低温冷源，另一部分经过回冷器升温后，作为中高温冷源，为永磁磁力耦合联轴器、轴承、密封等结构件进行冷却。

有益效果：

1. 本发明的永磁磁力耦合联轴器解决了系统的对中、软启动、减震、调速及过载保护等问题，并且使永磁磁力驱动的传动效率大大提高，可达到98.5%，不仅可以减少维护费用，增加设备过程的实用性，还可改善系统的稳定性，降低使用成本。

2. 本发明的电机和空气涡轮膨胀制冷机采用气体润滑轴承，不需要润滑油系统；膨胀机-电机系统设计成一体化结构形式，整台机组的尺寸显著减小，重量减轻。

3.本发明提供的耦合变频式空气涡轮制冷系统实现了冷电集成，突破了国内空气涡轮制冷系统耦合集成化的技术瓶颈，具有适应性强、体积小、重量轻、可控性好等优点，可广泛应用于交通车辆、小型船舶、野外作业及其他具有环境控制和供冷需求的场合，具有良好的经济性和社会效益。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。图中，1为压气机，2为永磁磁力耦合联轴器A，3为耦合变频电机，4为空气涡轮膨胀机，5为轴承，6为回冷器， 11为永磁磁力耦合联轴器B。

附图2是永磁磁力耦合联轴器的原理图。图中，7为电机轴，8为导体转子，9为永磁体转子，10为负载轴。

具体实施方式：

实施例1：

一种耦合变频式空气涡轮制冷系统，其组成包括：压气机1，所述的压气机通过回冷器6与空气涡轮膨胀机4连接，所述的空气涡轮膨胀机通过永磁磁力耦合联轴器A2与耦合变频电机3转轴连接，所述的耦合变频电机转轴通过磁磁力耦合联轴器B11与所述的压气机转轴连接，所述的空气涡轮膨胀机与所述的回冷器连接。

实施例2：

根据实施例1所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，所述的永磁磁力耦合联轴器包括导体转子8、永磁体转子9，所述的导体转子与电机轴7连接，所述的永磁体转子与负载轴10连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。

实施例3：

根据实施例1或2所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的空气涡轮膨胀机的叶轮两端设置轴承5支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压和动静压混合结构。

实施例4：

上述的耦合变频式空气涡轮制冷系统工作方法，被压气机压缩的空气经过回冷器后进入空气涡轮膨胀机膨胀做功后，一部分直接排出作为低温冷源，另一部分经过回冷器升温后，作为中高温冷源，为永磁磁力耦合联轴器、轴承、密封等结构件进行冷却。

实施例5：

上述的耦合变频式空气涡轮制冷系统工作方法，主要包括：空气涡轮膨胀机、耦合变频电机、永磁磁力耦合联轴器等；主要结构为：

空气涡轮膨胀机的压气机出口的空气一部分经过回冷器后进入涡轮，在其中膨胀做功后，一部分直接排出作为低温冷源，另一部分经过回冷器升温后，作为中高温冷源，并可为永磁磁力耦合联轴器、轴承、密封等结构件进行冷却。

所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，其中空气涡轮膨胀制冷机、耦合变频电机的转子结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在压气机或涡轮的叶轮两端设置轴承支撑位置，在耦合变频电机转子的两端设置轴承支撑位置；气体轴承可以采用静压、动压和动静压混合结构的三种形式。

所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，耦合变频电机驱动压气机，压气机产生的高压空气驱动涡轮，涡轮通过联轴器驱动电机。其中涡轮轴和压气机轴分别通过永磁磁力耦合联轴器与耦合变频电机转轴连接。

实施例6：

根据实施例1 所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，可根据功能要求，分解成两个具备独立功能的子系统：耦合变频电机与涡轮所集成的发电系统，和耦合变频电机与压气机所集成的空气压缩系统，分别满足涡轮膨胀做功发电和产生压缩空气的使用需求。

Claims (4)

1.一种耦合变频式空气涡轮制冷系统，其组成包括：压气机，其特征是：所述的压气机通过回冷器与空气涡轮膨胀机连接，所述的空气涡轮膨胀机通过永磁磁力耦合联轴器A与耦合变频电机转轴连接，所述的耦合变频电机转轴通过磁力耦合联轴器B与所述的压气机转轴连接，所述的空气涡轮膨胀机与所述的回冷器连接。

2.根据权利要求1所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，其特征是：所述的永磁磁力耦合联轴器包括导体转子、永磁体转子，所述的导体转子与电机轴连接，所述的永磁体转子与负载轴连接，所述的永磁磁力耦合联轴器通过电机一端的导体和负载一端的永磁体之间的感应磁场相互作用产生转矩，通过调节永磁体和导体之间的间隙就可以控制传递的转矩，从而实现负载的智能调节。

3.根据权利要求1或2所述的耦合变频式空气涡轮制冷系统，其特征是：所述的发电机导体转子、所述的永磁体转子的结构采用气体润滑轴承作为润滑支撑形式，在所述的压气机或所述的空气涡轮膨胀机的叶轮两端设置轴承支撑位置，在所述的耦合变频发电机转子的两端设置轴承支撑位置；所述的气体润滑轴承采用静压、动压和动静压混合结构。

4.一种耦合变频式空气涡轮制冷系统工作方法，其特征是：经压气机压缩的空气经过回冷器后进入空气涡轮膨胀机膨胀做功后，一部分直接排出作为低温冷源，另一部分经过回冷器升温后，作为中高温冷源，为永磁磁力耦合联轴器、轴承、密封等结构件进行冷却。

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