CN103206802A - 一种脉管膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉管膨胀机、及包含该脉管膨胀机的热泵或制冷机。该脉管膨胀机包括脉管（13）和压缩机（21），脉管（13）上设有流入管道（11）和流出管道（16）；压缩机（21）低压端（211）与脉管（13）相连接，其高压端（212）接入外界循环系统的高压管道（522）。压缩机（21）将脉管（13）内的高压液体蒸发的蒸气抽出压缩输送到外界高压管道。随着蒸气的不断抽出，脉管内压力不断降低，进而实现液体膨胀过程。这一过程中，蒸气不膨胀到低压，而是直接被压缩到高压，并输出以供他用。这样避免了蒸气膨胀过程，提高了能量利用效率。该脉管膨胀机可用于热泵或制冷机等取代节流阀。

Description

一种脉管膨胀机

技术领域

本发明涉及一种热泵或制冷机，特别是一种热泵或制冷机循环系统中使用的脉管膨胀机。

背景技术

热泵技术是近年来倍受关注的新能源技术，可将低温热源的热能转移到高温热源。热泵在制冷工况下工作，即与制冷机功能相同。在热泵或制冷机的循环系统中，需要将高压状态的高压流体转换为低压流体。

膨胀机是一种将高压流体变为低压流体使流体的温度降低并将流体的膨胀功回收或转化成其他形式的能量的装置。单相膨胀机是一种十分成熟的技术，而对高压液体在膨胀过程有汽化的膨胀机远没有成熟。汽化会造成气蚀，长时间运行会使运动的金属部件产生麻点，进而产生破坏。长期以来空调热泵等的封闭循环系统中让高压液体膨胀为低压液体的膨胀装置是节流阀，膨胀功简单地损失掉了。一般氟利昂的节流损失并不大，对于二氧化碳为工质的空调，节流损失十分大。对于大型空调，节流损失的功相对输入功很小，但量很大，如果能够回收，意义也非常大。脉管膨胀机JP2007-255798提出了一种可膨胀液体的膨胀机，该膨胀机的设计思想与传统的膨胀机一样，将膨胀功变成机械功回收然后再利用。一般来说，功的传输与转化总是伴随损失。液体在从高压到低压的膨胀过程中，不断地汽化，蒸气逐渐增多。到低压时，蒸气的量最大，液体的量最少。开始时蒸发的蒸气压力很高，这部分蒸气最后也被膨胀为低压，不参与制冷过程而再被压缩到高压，其膨胀过程伴随损失，压缩过程也伴随损失。在空调热泵等的封闭循环系统中，节流阀出来的蒸气要和从蒸发器来的蒸气一起压缩到高压的。

发明内容

为提高能量利用率、降低能耗，本发明的解决方案是在脉管的热端接入压缩机，该压缩机的低压端接脉管,高压端有对外界输出口, 压缩机直接将从液体中蒸发的蒸气压缩到高压，输出，以利用，而不是全部将蒸气降到低压后再压缩。随着蒸发的蒸气不断被压缩机抽走压缩至高压排出，脉管内的液体不断降压降温，直到降到低压低温，然后排出。这样，对于蒸发的蒸气，基本没有膨胀过程,只有压缩过程，进而效率提高。膨胀过程理论上是是可逆的,对蒸气的压缩过程,理论上也是可逆的。因此，该发明的过程是可逆的,没有理论损失,因而理论效率也是最高的。这里，压缩机压缩的是蒸气，属于常规的技术。因此，该膨胀机没有技术困难，部件都是在常规下运行的，实现的可能性很高。

与节流阀相比，本发明的优势更明显。经过节流阀后产生的蒸气是低压，压缩到高压耗功最大，本发明中，开始蒸发的蒸气压力基本是高压，蒸气压力逐渐下降，因而，压缩机吸入压力是逐渐降低的，而蒸发的蒸气量只与高压，低压，与高压液体温度有关，和过程无关，因而压缩耗功少。当然，本发明也适用于气体等单相流体或多相流体，并不限于液气两相。

本发明的有益效果是：由于本发明及时将从液体中蒸发的蒸气压缩至高压，最初蒸发的蒸气不经膨胀到低压再被压缩至高压的过程，基本没有膨胀过程,这样效率提高。同时，各部件都是在常规下运行，实现的可行性很高，从而为两相液体膨胀机的实现打开一条路。本发明有可能取代热泵、制冷机等循环系统的节流阀，提高能量利用效率。

附图说明

图1是脉管膨胀机实施例1。

图2是脉管膨胀机实施例1应用于热泵或制冷机的系统图。

图3是脉管膨胀机实施例2。

图4是脉管膨胀机实施例2应用于热泵或制冷机的系统图。

图5是脉管膨胀机实施例3。

图6是脉管膨胀机实施例3第1种应用于热泵或制冷机的系统图。

图7是脉管膨胀机实施例3第2种应用于热泵或制冷机的系统图。

图8是脉管膨胀机实施例4。

图9是脉管膨胀机实施例4应用于热泵或制冷机的系统图。

图10是脉管膨胀机实施例5。

图11是脉管膨胀机实施例5应用于热泵或制冷机的系统图。

图12是脉管膨胀机实施例6。

图13是脉管膨胀机实施例4应用于间歇式制冷机的系统图。

图14是具有制冷和制热切换功能的热泵或制冷机系统图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、脉管膨胀机，11、流入管道，12、流入阀，13、脉管，131、流体均匀器，132、流体均匀器，14、出气管道， 15、流出阀，16、流出管道。21、压缩机， 211、压缩机低压端，212、压缩机高压端，22、低压旁路阀，23、低压旁路管道， 24、出气阀， 25、高压旁路阀，26、高压旁路管道，27、膨胀气体流出管道，28、膨胀气体流出阀， 29、辅助压缩机，291、辅助压缩机低压端，292、辅助压缩机高压端，293、辅助压缩机出气阀，294、辅助压缩机出气管，295、辅助压缩机进气管道，31、高压气体排出阀，32、高压气体排出管道，33、低压气体进入阀，34、低压气体进入管道，41、排气器阀，42、排气器管道，43、排气器，44、排气器吸入阀，45、排气器排出阀，46、排气器排出管道，47、排气器吸入管道，51、蒸发器，511、蒸发器进液端，512、蒸发器出气端，52、主压缩机，521、低压管道，522、高压管道，523、主压缩机低压切换阀，524、主压缩机高压切换阀，525、主压缩机旁路低压切换阀，526、主压缩机旁路高压切换阀，527、主压缩机低压旁路，528、主压缩机高压旁路，53、冷凝器，531、冷凝器入气端，532、冷凝器出液端，54、冷凝器出液管道，55、高压储液罐，551、副冷凝器，56、低压储液罐，57、平衡阀，58、平衡管道, 59、蒸发器进液管道。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

如图1所示，脉管13上有流入管道11与流入阀12，流出管道16与流出阀15，有出气管道14，出气管道14上有出气阀24，出气管道14与压缩机21的低压端211相接，压缩机21高压端212有膨胀气体流出管道27与其相接，脉管13是有一定容积的空腔或空管，膨胀气体流出管道27为对外输出口，可使膨胀机向外输出压缩过的蒸气，以供他用。

如图1所示，工作过程如下：

进液过程：流出阀15关闭，流入阀12打开。经流入管道11到脉管13的高压液体流入脉管13的下端。待到压力升至高压，压缩机21启动，出气阀24打开，一部分蒸气从脉管13中经被抽出经出气管道14，出气阀24，经膨胀气体流出管道27被压出。高压液体继续流入脉管13的下端。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，一部分蒸气从脉管13中被抽出经出气管道14，出气阀24被压缩机21压至高压经膨胀气体流出管道27被压出，脉管内压力不断降低，里面的液体温度不断降低。

出液过程：待到压力降到一定程度，压缩机21停止，出气阀24关闭，流出阀15打开，余压将液体经流出管道16压出脉管13，然后关闭流出阀15。然后进行下一个过程。

在上述过程中，流入的高压液体经膨胀后变为低压液体和蒸气,低压液体经流出阀和流出管道流出,而蒸气经压缩机压缩后从压缩机的高压端流出经膨胀气体流出管道27输出到外界以供他用。出气管道14,出气阀24, 和膨胀气体流出管道27的开口面积要尽可能的大以使蒸气流过时压降尽可能的小。

该实施例结构简单，但有很大的进液损失因为流入阀12打开时，脉管13里的压力是低压而液体是高压的。

如图2所示的脉管膨胀机实施例1的应用于制冷机的系统图中，脉管膨胀机1的流出管道16接蒸发器51的进液端511，主压缩机52的低压端通过低压管道521接蒸发器的出气端512，主压缩机52的高压端通过高压管道522接冷凝器53的进气端531，脉管膨胀机1的流入管道11接接冷凝器53的冷凝器出液端532。脉管膨胀机1的膨胀气体流出管道27与高压管道522相接。冷凝器的温度为环境温度，蒸发器的温度为制冷温度。冷凝器的温度对应有一个高压，蒸发器的温度对应有一个低压。

如图2所示的脉管膨胀机实施例1的应用于制冷机的系统图中，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：流出阀15关闭，流入阀12打开。从冷凝器53经流入管道11到脉管13的高压液体流入脉管13的下端。待到压力升至高压，压缩机21启动，一部分蒸气从脉管13中被抽出经出气管道14，出气阀24，经膨胀气体流出管道27被压至高压管道522和主压缩机52出来的气体会合进入冷器53，高压液体继续流入脉管13的下端。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，压缩机21继续运转，一部分蒸气从脉管13中被抽出经出气管道14，出气阀24，压缩后经膨胀气体流出管道27被压至高压管道522和主压缩机出来的气体会合进入冷器53，脉管内压力不断降低，里面的液体温度不断降低。

出液过程：待到压力降到一定程度，压缩机21停止，出气阀24关闭，流出阀15打开，余压将液体经流出管道16压出脉管13至蒸发器51。然后进行下一个过程。

这里高压与低压是相对而言的。具体到图2的应用，高压是指冷凝压力，即蒸气可冷凝的压力，与冷凝器的温度有关；低压是指蒸发压力，即液体可蒸发的压力，与蒸发器的温度有关。

在图2中，主压缩机52将蒸发器51的蒸发器出气端512来的蒸气经低压管道521吸入，压缩后成高压经高压管道522从冷凝器53的冷凝器入气端531流入冷凝器53冷凝放出热量，在冷凝器出液端532变为高压液体，该高压液体的温度为环境温度。该高压液体经膨胀机1膨胀后变为低压低温液体后流入蒸发器51的蒸发器进液端511，在蒸发器51内吸热蒸变成蒸气。这里低温是指制冷温度。为了防止液体进入压缩机，进入压缩机的蒸气可适当被加热成过热蒸气。

该实施例中, 如果压缩机21是容积式的话，出气阀24可以不要,因为容积式压缩机不运转的话，气体基本不会泄漏。

实施例2

如图3所示，在压缩机21的低压端添加了低压旁路管道23，在其上有低压旁路阀22，高压旁路管道26连接压缩机21的高压端与低压端，在其上有高压旁路阀25。膨胀气体流出管道27上加装膨胀气体流出阀28。这里，低压旁路管道23与外界相通，可使压缩机吸入低压蒸气。

如图4所示，低压旁路管道23连接在低压管道521上。

在该实施例中，压缩机21始终运行。但在阀切换时，也可以停止。

如图3所示，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：低压旁路阀22关闭, 高压旁路阀25关闭，流入阀12打开，膨胀气体流出阀28打开，出气阀24打开，压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出，进而使脉管13通过流入阀12和流入管道11吸入高压液体。如果不计流动阻力和传热,该过程中液体为等压流入，蒸气通过压缩机也为等压流出。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出，脉管内压力与温度不断降低。如果不计流动阻力和传热,该过程中脉管内的流体膨胀过程为绝热膨胀，蒸气在压缩机里经过绝热压缩。

出液过程：待到压力降到低压，膨胀气体流出阀28关闭，出气阀24关闭，高压旁路阀25打开，流出阀15打开，低压旁路阀22打开，压缩机21将低压蒸气经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入后通过高压旁路阀25、高压旁路管道26和出气管道14压入脉管13，进而将液体从脉管13的下端经流出管道16和流出阀15压出。如果不计流动阻力和传热,该过程中液体为等压流出，，蒸气通过压缩机也为等压流入。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，压缩机21将低压蒸气经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入压缩后通过高压旁路阀25、高压旁路管道26和出气管道14压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。如果不计流动阻力和传热,该过程中脉管内的流体压缩过程为绝热压缩，蒸气在压缩机里经过绝热压缩。

如图4所示的脉管膨胀机实施例2的应用于制冷机的系统图中，主压缩机52始终运行，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：低压旁路阀22关闭, 高压旁路阀25关闭，流入阀12打开，膨胀气体流出阀28打开，出气阀24打开，压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出至高压管道522与从主压缩机来的气体会和进入冷凝器53冷凝，进而使脉管13通过流入阀12和流入管道11吸入高压液体。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出至高压管道522与从主压缩机来的气体会合进入冷凝器53冷凝，脉管内压力与温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，膨胀气体流出阀28关闭，出气阀24关闭，高压旁路阀25打开，流出阀15打开，低压旁路阀22打开，压缩机21将低压蒸气从低压管道521经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入后通过高压旁路阀25、高压旁路管道26和出气管道14压入脉管13，进而将液体从脉管13的下端经流出管道16和流出阀15压出。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，压缩机21将低压蒸气从低压管道521经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入压缩后通过高压旁路阀25、高压旁路管道26和出气管道14压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

在该实施例中，没有理论不可逆损失，但进液与出液过程靠压缩机21，虽然没有理论压差，没有理论损失，但流动损失较大。

与实施例1相比，实施例2在压缩机21上加了旁路以吸入低压蒸气而完成排液和压缩过程。而吸入的低压蒸气和蒸发的蒸气一起被压缩后从膨胀气体流出管道排出到高压管道参与制冷过程。

从上述的膨胀过程可以看出，压缩机21吸入蒸气压缩至高压，由于蒸气被吸走，液体的压力降低，进而实现膨胀过程。

当高压液体变为低压液体时，蒸发的蒸气量只与高压，低压，与高压液体温度有关，和过程无关，因而不管是节流阀，膨胀机，还是本发明，蒸发的蒸气量是一样的。

在膨胀过程中，刚开始膨胀的蒸气在高压下，压缩机只要一点功就可将其压缩到高压。随着蒸气不断被抽走，蒸气压力不断降低，压缩机将蒸气压缩到高压所需的功逐渐增大，待到蒸气压力降到低压时，压缩机将蒸气压缩到高压所需的功最大。膨胀过程所需的总功是蒸气从高压到低压被压缩机压缩到高压的功之和。

与节流阀相比，本发明的优势很明显。在一般的制冷机或热泵中，经过节流阀后产生的蒸气是低压，但要压缩至高压。因而压缩到高压耗功最大。

如果用脉管膨胀机JP2007-255798膨胀液体，蒸气也要被膨胀至低压，将蒸气压缩至高压的功耗和用节流阀时的一样，但膨胀功可抵消一部分压缩功，其理论功耗和本发明一样，但实际不一样，因为将膨胀功转化为机械功要有一部分损失，在将其从低压压缩至高压还要有损失。在压缩机效率一定的情况下，该损失要比从中间压力压到高压损失要大因为其功耗最大。

本发明的最大特点是让蒸发的蒸气，基本不膨胀，直接被压缩机抽走压缩至高压，既使液体膨胀了，又节省了压缩功。而普通的膨胀机是先膨胀至低压，然后再压缩至高压。这相当于间接回收了膨胀功，再加一部分功，使蒸发的蒸气压缩至高压。

在制冷机中,蒸发的蒸气要被压缩到高压参与制冷过程，因此，本发明利用了这个特点，不将蒸发的蒸气膨胀到低压，而直接压缩到高压，减少了工作流程。

实施例3

参见图5，在脉管的上部添加高压气体排出管道32和低压气体进入管道34，高压气体排出管道32上有高压气体排出阀31，低压气体进入管道34上有低压气体进入阀33。在流入阀12之前通过流入管道11接入高压储液罐55及副冷凝器551，高压储液罐55接入冷凝器出液管道54。在流出阀15后通过流出管道16接入低压储液罐56，低压储液罐56接有蒸发器进液管道59。低压气体进入管道34接在低压储液罐56的上部，高压气体排出管道32接在高压储液罐55的上部。

参见图6，冷凝器出液管道54接入冷凝器的出液端532，蒸发器进液管道59接入蒸发器的进液端511。

如图5所示，工作过程如下：

进液过程：流入阀12打开，高压气体排出阀31打开，膨胀气体流出阀28打开。高压旁路阀25关闭，出气阀24关闭，低压气体进入阀33处于关闭状态。高压储液罐55内的液体经流入管11和流入阀12流入脉管的下端。脉管内的蒸气经高压气体排出阀31、高压气体排出管道32流入高压储液罐的上部。压缩机21停止或运转，低压旁路阀22根据压缩机状态关闭或打开。

膨胀过程：待液体进入脉管13到一定程度，流入阀12关闭，高压气体排出阀31关闭。低压旁路阀22关闭，出气阀24打开。压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出，脉管内压力和温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，出气阀24关闭，低压旁路阀22打开，低压气体进入阀33打开，流出阀15打开。脉管中的液体经流出阀15和流出管道16流入低压储液罐56中，而低压储液罐56中的气体则经低压气体进入阀33和低压气体进入管道34流入脉管的上端。压缩机21停止或运转。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，低压气体进入阀33关闭，膨胀气体流出阀28关闭，高压旁路阀25打开。压缩机21将低压蒸气经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入并压缩后通过高压旁路阀25和高压旁路管道26压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

如图6所示的脉管膨胀机实施例3的应用于制冷机的系统图中，主压缩机52始终运行，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：流入阀12打开，高压气体排出阀31打开，膨胀气体流出阀28打开。高压旁路阀25关闭，出气阀24关闭，低压气体进入阀33处于关闭状态。高压储液罐55内的液体经流入管11和流入阀12流入脉管的下端。脉管内的蒸气经高压气体排出阀31、高压气体排出管道32流入高压储液罐的上部。压缩机21和主压缩机52一起将从蒸发器51来低压蒸气压入冷凝器。

膨胀过程：待液体进入脉管13到一定程度，流入阀12关闭，高压气体排出阀31关闭。低压旁路阀22关闭，出气阀24打开。压缩机21将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出至高压管道522与从主压缩机来的气体会合进入冷凝器53冷凝，脉管内压力和温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，出气阀24关闭，低压旁路阀22打开，低压气体进入阀33打开，流出阀15打开。脉管中的液体经流出阀15和流出管道16流入低压储液罐56中，而低压储液罐56中的气体则经低压气体进入阀33和低压气体进入管道34流入脉管的上端。压缩机21和主压缩机52一起将从蒸发器51来低压蒸气压入冷凝器53。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，低压气体进入阀33关闭，膨胀气体流出阀28关闭，高压旁路阀25打开。压缩机21将低压蒸气从低压管道521经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入并压缩后通过高压旁路阀25和高压旁路管道26压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

副冷凝器551是为了将在进液过程流入储液罐55的蒸气冷凝。

在该实施例中，流动损失低减。进液过程和出液过程靠液体的自重流动。

在图7中，平衡管道58将储液罐55的上部与冷凝器的高压管道522相接。平衡管道58上有平衡阀57。打开平衡阀57，储液罐55上部的气体就与高压管道522相通而流入冷凝器53，进而冷凝器液体端532中的液体流入储液罐55。这样在进液过程流入储液罐55的蒸气进入冷凝器53内冷凝。

储液罐除了让液体自流外，还起到稳压的作用，因为脉管膨胀机的流动是间歇的。如果工作周期很长，将会造成很大的压力波动。

实施例4

参见图8，在脉管的上部添加排气器43，排气器43通过排气器管道42与脉管热端相连，排气器管道42上有排气器阀41，排气器排出管道46 与高压管道522相连，其上有排气器排出阀45，排气器吸入管道47与低压管道521相连，其上有排气器吸入阀44。这里，排气器是指一种不压缩，或微压缩的风扇类机器，如风扇，罗茨鼓风机，齿轮泵等。

如图8所示，工作过程如下：

进液过程：流入阀12打开，膨胀气体流出阀28打开，出气阀24处于关闭状态，高压旁路阀25关闭，排气器阀41打开，排气器排出阀45打开，排气器43运转，排气器43从脉管的上端经吸入蒸气，经排气器管道42和排气器阀41，将蒸气经排气器排出阀45和排气器排出管道46排出。压缩机21将低压蒸气压缩成高压，或停止运转，低压旁路阀22根据压缩机状态关闭或打开。

膨胀过程：待液体进入脉管13到一定程度，流入阀12关闭，排气器阀41关闭。排气器排出阀45关闭，排气器43停止运行。低压旁路阀22关闭，出气阀24打开。压缩机21运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出，脉管内压力和温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，流出阀15打开，出气阀24关闭，低压旁路阀22打开，排气器阀41打开，排气器吸入阀44打开，排气器吸入低压蒸气，经排气器吸入管道47和排气器吸入阀44 ，排气器阀41，排气器管道42排入脉管的上端，脉管中的液体流出。压缩机21将低压蒸气压缩成高压，或停止运转。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，高压旁路阀25打开，膨胀气体流出阀28关闭，排气器阀41关闭，排气器吸入阀44关闭，排气器43停止运转。压缩机21运转，将低压蒸气经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入并压缩后通过高压旁路阀25和高压旁路管道26压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

如图9所示的脉管膨胀机实施例4的应用于制冷机的系统图中，主压缩机52始终运行，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：流入阀12打开，膨胀气体流出阀28打开，出气阀处于24关闭状态，高压旁路阀25关闭，低压旁路阀22打开，排气器阀41打开，排气器排出阀45打开，排气器43运转，排气器43从脉管的上端经吸入蒸气，经排气器管道42和排气器阀41，将蒸气经排气器排出阀45和排气器排出管道46排出入高压管道522中。压缩机21和主压缩机52一起将从蒸发器51来低压蒸气压入冷凝器。

膨胀过程：待液体进入脉管13到一定程度，流入阀12关闭，排气器阀41关闭。排气器排出阀45关闭，排气器43停止运行。低压旁路阀22关闭，出气阀24打开。压缩机21运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出阀28和膨胀气体流出管道27排出至高压管道522与从主压缩机来的气体会合进入冷凝器53冷凝，脉管内压力和温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，流出阀15打开，出气阀24关闭，低压旁路阀22打开，排气器阀41打开，排气器吸入阀44打开，排气器从低压管道521吸入低压蒸气，经排气器吸入管道47和排气器吸入阀44 ，排气器阀41，排气器管道42排入脉管的上端，脉管中的液体流入蒸发器51的进液端。压缩机21和主压缩机52一起将从蒸发器51来低压蒸气压入冷凝器。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，高压旁路阀25打开，膨胀气体流出阀28关闭，排气器阀41关闭，排气器吸入阀44关闭，排气器43停止运转。压缩机21运转，压缩机21将低压蒸气从低压管道521经低压旁路管道23和低压旁路阀22不断吸入并压缩后通过高压旁路阀25和高压旁路管道26压入脉管13，从而将压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

实施例5

如图10所示，在压缩机21旁并联了辅助压缩机29，其低压端（291）有辅助压缩机进气管道295，其高压端（292）有辅助压缩机出气管道294与脉管13相接，辅助压缩机出气管道294上有辅助压缩机出气阀293。辅助压缩机进气管道295与外界相通。辅助压缩机29通过辅助压缩机进气管道295吸入低压蒸气，通过辅助压缩机出气管道294和辅助压缩机出气阀293向脉管13压入低压蒸气。辅助压缩机29完成排液和升压过程。而压缩机21完成进液和膨胀过程。

如图10所示，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：辅助压缩机29停止运转，辅助压缩机出气阀293关闭，流入阀12打开，出气阀24打开，压缩机21运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入后经膨胀气体流出管道27排出，进而使脉管13通过流入阀12和流入管道11吸入高压液体。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，压缩机21继续运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出管道27排出，脉管内压力与温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，压缩机21停止运转，出气阀24关闭，流出阀15打开，辅助压缩机出气阀293打开，辅助压缩机29运转，辅助压缩机29通过辅助压缩机进气管道295吸入低压蒸气，通过辅助压缩机出气管道294和辅助压缩机出气阀293向脉管13压入低压蒸气进而将液体从脉管13的下端经流出管道16和流出阀15压出。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，辅助压缩机29继续运转，辅助压缩机29通过辅助压缩机进气管道295吸入低压蒸气，并压缩，通过辅助压缩机出气管道294和辅助压缩机出气阀293向脉管13压入从而将脉管内的压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

图11中，辅助压缩机进气管道295接于低压管道521上，其他的和图2一样。

如图11所示的脉管膨胀机实施例5的应用于制冷机的系统图中，压缩机52始终运行，膨胀机1的工作过程如下：

进液过程：辅助压缩机29停止运转，辅助压缩机出气阀293关闭，流入阀12打开，出气阀24打开，压缩机21运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入后经膨胀气体流出管道27排出到高压管道522，进而使脉管13通过流入阀12和流入管道11吸入高压液体。

膨胀过程：待高压液体进入脉管13到一定程度，比如灌满90%以上的容积，流入阀12关闭，压缩机21继续运转，将脉管13内的蒸气通过出气管道14和出气阀24吸入并压缩后经膨胀气体流出管道27排出到高压管道522，脉管内压力与温度不断降低。

出液过程：待到压力降到低压，压缩机21停止运转，出气阀24关闭，流出阀15打开，辅助压缩机出气阀293打开，辅助压缩机29运转，辅助压缩机29通过辅助压缩机进气管道295从低压管道521吸入低压蒸气，通过辅助压缩机出气管道294和辅助压缩机出气阀293向脉管13压入低压蒸气进而将液体从脉管13的下端经流出管道16和流出阀15压出。

升压过程：待液体排出后，流出阀15关闭，辅助压缩机29继续运转，辅助压缩机29通过辅助压缩机进气管道295从低压管道521吸入低压蒸气，并压缩，通过辅助压缩机出气管道294和辅助压缩机出气阀293向脉管13压入从而将脉管内的压力提升。待到提升至高压，然后进行下一个过程。

在本发明中，压缩机21的压比在工作过程中是变化的。在膨胀过程中，压比不断增大，在增压过程中，压比也不断增大。在进液过程与出液过程，压比基本为零。因此适合的机种为活塞式，滚动转子式，带出气阀的蜗旋式，可调压比的透平式压缩机，等。压缩机最好是转速可控的，如用逆变器控制的无刷直流电机带动的压缩机等。

为了减少损失,从出气阀24到压缩机21的气缸进气口之间的死容积要尽可能的小。膨胀气体流出阀28到压缩机21的气缸出气口之间的死容积要尽可能的小。

为了让压缩机21的运行尽可能稳定，运行周期要长，比如1-10分钟一个周期。

压缩机21不限于一个，可由几个并联或串联起来，以扩大流量或加大压比。

本发明不仅对液体有效，对各种流体都有效。只是对于单相流体过于复杂了。

该发明也适用于气液和液气两相流体的膨胀，也适用于膨胀后带液的蒸气的膨胀。膨胀后带液的蒸气膨胀过程中出现的液体留在脉管内，被压缩机抽走的是蒸气，最后剩余蒸气和液体从流出阀排出。

如用于膨胀液体,本发明的流入管和流出管可在脉管的任何地方,在下面方便于气液分离。

实施例6

如图12所示，脉管的上下两端有流体均匀器131，和132，该实施例用于流体为气体的情况。气体均匀器是由多孔材料做成，让气体在脉管里流动均匀。如用于液体，流体均匀器132可作为气液分离器使用以防液体进入压缩机。

本发明的实施例3和4的进液与出液的方法也适用于实施例1。

本发明的实施例的应用为制冷机,如果蒸发器的温度为环境温度,冷凝器的温度为制热温度,则为热泵。因此并不限于制冷机.

本发明的脉管13可作为一个变温换热器对外放热或吸收热量。在膨胀过程中，脉管内的工质的温度不断降低，在升压过程中，脉管内的工质的温度不断升高，因而，脉管本身可作为一个变温换热器使用。在许多场合，变温要比恒温方便。一般脉管是由不锈钢等低导热材料制成，在这种情况下，脉管可和普通的空调的蒸发器和冷凝器一样，由多个管子组成，也可加翅片。

实施例7

本发明也可用于如图13所示的间歇式制冷机和热泵。将图6中的主压缩机去掉即得图13。膨胀机完成一个工作周期后，压缩机21代替主压缩机压缩从蒸发器来的蒸汽到冷凝器中。

与图6相比，在图13中，在膨胀机完成一个工作周期后，压缩机21继续运行，将蒸发器51内的蒸气吸入压缩后排入冷凝器53冷凝。待到蒸发器51内的液体蒸发完后，进行下一个过程。

实施例8

本发明也可用于如图14所示的热泵和制冷机。蒸发器51既可用作吸热器，也可用作放热器；同时冷凝器53即可用作放热器，也可用作吸热气。

在实施例2所述热泵或制冷机（图4）的基础上，加入主压缩机低压旁路527和主压缩机高压旁路528，主压缩机低压旁路527上有主压缩机旁路低压切换阀525，主压缩机高压旁路528上有主压缩机旁路高压切换阀526，在低压管道521上装主压缩机低压切换阀523，在高压管道522上装主压缩机高压切换阀524。

当主压缩机旁路低压切换阀525关闭，主压缩机旁路高压切换阀526关闭，主压缩机低压切换阀523打开，主压缩机高压切换阀524打开，蒸发器51吸热，冷凝器53放热。

当主压缩机旁路低压切换阀525打开，主压缩机旁路高压切换阀526打开，主压缩机低压切换阀523关闭，主压缩机高压切换阀524关闭，同时，流入阀12当流出阀用，流出阀15当流入阀用，蒸发器51放热，变为冷凝器，冷凝器53吸热，变为蒸发器。

前述实施例的实现，均使用了一种将高压流体转换为低压流体的方法，即：首先，将高压流体注入脉管13；然后，高压流体在脉管中膨胀；在注入高压流体、以及高压流体膨胀的过程中，直接将从流体中蒸发的蒸气抽出、并压缩至高压状态，输入外界循环系统利用；随着蒸发的蒸气不断被输出，脉管内的流体不断降压降温，直到降到低压低温，最后将流体从脉管内排出。该方法也是本发明的重要组成部分，并属于本发明专利的保护范围。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种脉管膨胀机，包括脉管（13），所述脉管（13）上设有与外界循环系统相连接的流入管道（11）和流出管道（16）；其特征在于，还包括压缩机（21），所述压缩机具有低压端（211）和高压端（212），其低压端（211）与设于脉管（13）上的出气管道（14）相连接，其高压端（212）设有膨胀气体流出管道（27），并接入外界循环系统。

2.根据权利要求1所述的脉管膨胀机，其特征在于，还设有辅助压缩机（29），其低压端（291）接于外界循环系统，其高压端（292）接入脉管（13）。

3.根据权利要求1所述的脉管膨胀机，其特征在于，所述压缩机（21）的低压端（211）接有低压旁路管道（23），低压旁路管道（23）的另一端接于外界循环系统；

所述压缩机（21）的高压端（212）接有高压旁路管道（26），高压旁路管道（26）的另一端接入脉管（13）。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的脉管膨胀机，其特征在于， 在所述脉管的流入管道（11）之前连接有高压储液罐（55），高压储液罐（55）接于外界循环系统的冷凝器出液端（532）；在所述脉管的流出管道（16）之后连接有低压储液罐（56），低压储液罐（56）接入外界循环系统的蒸发器进液端（511）；

在所述脉管（13）的上部还设有：高压气体排出管道（32），接在高压储液罐（55）的上部；以及低压气体进入管道（34），接在低压储液罐（56）的上部。

5.根据权利要求4所述的脉管膨胀机，其特征在于，所述高压储液罐（55）上部还设有副冷凝器（551）、或通过平衡管道（58）将高压储液罐（55）上部空间连接到外界循环系统的冷凝器入气端（531）。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的脉管膨胀机，其特征在于，还设有排气器（43），排气器（43）的一端通过排气器管道（42）与脉管（13）相连；

排气器（43）的另一端设有并联的排出管道（46）和吸入管道（47），排出管道（46）与外界循环系统的高压管道（522）相连，其上设有排气器排出阀（45），排气器吸入管道（47）与外界循环系统的低压管道（521）相连，其上设有排气器吸入阀（44）。

7.根据权利要求1-3中任一项所述的脉管膨胀机，其特征在于，脉管（13）的上下两端设有流体均匀器（131、132）。

8.一种热泵或制冷机，包括顺次连接形成闭合循环系统的主压缩机（52）、冷凝器（53）、将高压流体膨胀为低压的装置、蒸发器（51），其特征在于，所述将高压流体膨胀为低压的装置为权利要求1-3中任一项所述的脉管膨胀机（1）；

脉管膨胀机（1）中脉管（13）的流入管道（11）与冷凝器（53）的出液端（532）相连，脉管（13）的流出管道（16）与蒸发器（51）的进液端（511）相连；

所述主压缩机（52）的两端连有低压管道（521）与高压管道（522），并分别与蒸发器（51）的出气端（512）和冷凝器（53）的入气端（531）连接。

9.根据权利要求8所述的热泵或制冷机，其特征在于，在所述低压管道（521）与高压管道（522）之间设有与主压缩机（52）并联的主压缩机低压旁路（527）和主压缩机高压旁路（528），主压缩机低压旁路（527）上有主压缩机旁路低压切换阀（525），主压缩机高压旁路（528）上有主压缩机旁路高压切换阀（526），在低压管道（521）上设有主压缩机低压切换阀（523），在高压管道（522）上设有主压缩机高压切换阀（524）。

10.一种热泵或制冷机，包括顺次连接形成闭合循环的压缩机、冷凝器（53）、将高压流体膨胀为低压的装置、蒸发器（51），其特征在于，所述将高压流体膨胀为低压的装置为权利要求1-3中任一项所述的脉管膨胀机（1），所述压缩机为脉管膨胀机（1）中的压缩机（21）；

脉管膨胀机（1）中脉管（13）的流入管道（11）与冷凝器（53）的出液端（532）相连，脉管（13）的流出管道（16）与蒸发器（51）的进液端（511）相连；

所述压缩机（21）的两端连有低压管道（521）与高压管道（522），并分别与蒸发器（51）的出气端（512）和冷凝器（53）的入气端（531）连接。

11.一种将高压流体转换为低压流体的方法，其特征在于，首先，将高压流体注入脉管（13）；然后，高压流体在脉管中膨胀；在注入高压流体、以及高压流体膨胀的过程中，直接将从流体中蒸发的蒸气抽出、并压缩至高压状态，输入外界循环系统利用；随着蒸发的蒸气不断被输出，脉管内的流体不断降压降温，直到降到低压低温，最后将流体从脉管内排出。

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