CN108843401B - 一种往复式膨胀机构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制冷技术中的节能装置技术领域，公开了一种往复式膨胀机构，包括：缸体，在缸体的内部设有能够沿缸体的纵向进行上下往复运动的活塞，在缸体的上端面分别构造有进气口和排气口；缸头，在缸头的内部分别构造有进气腔和排气腔，在缸头的底壁上分别构造有进气孔口和排气孔口，进气孔口与进气口上下相对设置并共同构造成进气通道，排气孔口与排气口上下相对设置并共同构造成排气通道；转盘，转盘设置在缸头和缸体之间，在转盘上分别构造有第一通口和第二通口；以及转动轴，转动轴设置在转盘的上表面并能够带动转盘进行同步的周向转动以对进气通道和排气通道进行切换式地打开和关闭。该往复式膨胀机构具有能效利用率高和密封性能好的优点。

Description

一种往复式膨胀机构
技术领域
本发明涉及制冷技术中的节能装置技术领域，特别是涉及一种往复式膨胀机构。
背景技术
往复式膨胀机构作为用来制取冷量的低温机械已被广泛应用于低温领域，如氢、氦液化，空气分离等。在制冷领域，随着蒙特利尔协议的签订，传统的CFCs(氟氯氢)和HCFCs(制冷剂)类工质由于其对臭氧层的破坏作用和温室效应正在被逐步淘汰，空调行业正面临着开发替代物的挑战，鉴于新型化合物替代物同样会隐含着不可预知的危害，人们将注意力集中在自然制冷工质上，其中具有优良的环保特性和良好的流动以及传热性能的CO2成为全球范围内最受重视的热点。由于CO2跨临界制冷循环中压差较大，采用节流方式所引起的不可逆损失大，即COP(性能系数)远低于传统制冷循环。为了提高有效能的利用率，改善循环性能，可采用膨胀机构来替代循环中的节流阀。往复式膨胀机构由于其优良的密封性能，在高压和小流量的情况下，其效率仍高于透平式和回转式膨胀机构。因此活塞式膨胀机构在CO2跨临界制冷循环中有着巨大的竞争力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种往复式膨胀机构，以解决现有技术中CO2系统能效低下的技术问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种往复式膨胀机构，包括：缸体，在所述缸体的内部设有能够沿所述缸体的纵向进行上下往复运动的活塞，在所述缸体的上端面分别构造有进气口和排气口；缸头，在所述缸头的内部分别构造有进气腔和排气腔，在所述缸头的底壁上分别构造有进气孔口和排气孔口，其中，所述进气孔口与所述进气口上下相对设置并共同构造成进气通道，所述排气孔口与所述排气口上下相对设置并共同构造成排气通道；转盘，所述转盘设置在所述缸头和所述缸体之间，在所述转盘上分别构造有第一通口和第二通口；以及转动轴，所述转动轴设置在所述转盘的上表面并能够带动所述转盘进行同步的周向转动以对所述进气通道和所述排气通道进行切换式地打开和关闭。
其中，所述第一通口位于第一环道上，所述第二通口位于第二环道上。
其中，在所述转盘的中心区域构造有水平部，在所述水平部的中心设有所述转动轴，在所述水平部上并位于所述转动轴的外侧构造有所述第一通口，在所述水平部的外侧构造有所述第二通口。
其中，在所述转盘的上下两个面上分别构造有上内环状凸起和下内环状凸起，其中，所述上内环状凸起和所述下内环状凸起的其中一部分位于所述第一通口的外侧，所述上内环状凸起和所述下内环状凸起的其中另一部分位于所述第二通口的内侧；在所述转盘的外周的上下两个面分别构造有上外环状凸起和下外环状凸起，其中，所述上外环状凸起和所述下外环状凸起上下相对设置。
其中，在所述缸头的底壁的中间区域构造有第一凸台，在所述第一凸台上构造有所述排气孔口，在所述第一凸台的外围构造有所述进气孔口。
其中，在所述排气孔口和所述进气孔口之间构造有开口朝下的第一环形内凹槽，所述第一环形内凹槽的其中一部分位于所述排气孔口的外侧，所述第一环形内凹槽的其中另一部分位于所述进气孔口的内侧，所述上内环状凸起嵌设在所述第一环形内凹槽内。
其中，在所述缸头的底壁的外周构造有开口朝下的第一环形外凹槽，所述上外环状凸起嵌设在所述第一环形外凹槽内。
其中，在所述缸体的顶壁的上端面的中心区域构造有第二凸台，在所述第二凸台上构造有所述排气口，在所述第二凸台的外围构造有所述进气口。
其中，在所述排气口和所述进气口之间构造有开口朝上的第二环形内凹槽，所述第二环形内凹槽的其中一部分位于所述排气口的外侧，所述第一环形内凹槽的其中另一部分位于所述进气口的内侧，其中，所述下内环状凸起嵌设在所述第二环形内凹槽内。
其中，在所述缸体的顶壁的上端面的外围构造有第二环形外凹槽，所述下外环状凸起嵌设在所述第二环形外凹槽内。
(三)有益效果
本发明提供的往复式膨胀机构，与现有技术相比，具有如下优点：
吸气阶段：活塞沿缸体的纵向向下运动，在此过程中，通过转动轴的周向转动，便会带动该转盘随之进行同步转动，当转盘旋转至第一通口分别与进气口以及进气孔口连通时，工质便会经上述进气通道进入到缸体的内部，随着活塞逐渐沿缸体向下运动，工质会逐渐膨胀，此时，上述第二通口与上述排气口以及排气孔口不连通，这样，便达到了在吸气时不排气的目的。
排气阶段：当活塞沿缸体向下运动至最大位移后，表明此时已经吸入了最大量的工质，活塞逐渐向上运动，在此过程中，通过转动轴的周向转动，便会带动该转盘随之进行同步转动，当转盘旋转至第二通口分别与排气口以及排气孔口相连通时，工质会经上述排气通道排放到外面。由此可见，由于本申请通过采用转盘，利用进气通道与排气通道的周期性通、断来控制膨胀机的工作过程，这相对于常规的往复式膨胀机而言，大大地简化了配气机构的结构，减小了气缸内的余隙容积。此外，通过使用本申请的往复式膨胀机构，从而有效地替代了制冷系统中的节流阀，同时，通过活塞沿缸体向上运动，从而有效地利用了由高压工质变低压工质的能量进行做功，进一步地，大大地提高了有效能的利用率。
附图说明
图1为本申请的实施例的往复式膨胀机构的整体结构示意图；
图2为图1中的转盘的整体结构示意图；
图3为图1中的缸头的整体结构示意图；
图4为图1中的缸体的整体结构示意图。
图中，1：缸体；11：活塞；12：进气口；13：排气口；14：第二凸台；15：第二环形内凹槽；16：第二环形外凹槽；2：缸头；21：进气腔；22：排气腔；23：进气孔口；24：排气孔口；25：第一凸台；26：第一环形内凹槽；27：第一环形外凹槽；3：转盘；31：第一通口；32：第二通口；33：水平部；34：上内环状凸起；35：上外环状凸起；4：转动轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
如图1至图4所示，图中示意性地显示了该往复式膨胀机构包括缸体1、缸头2、转盘3以及转动轴4。
在本申请的实施例中，在该缸体1的内部设有能够沿该缸体1的纵向进行上下往复运动的活塞11，在该缸体1的上端面分别构造有进气口12和排气口13。
在该缸头2的内部分别构造有进气腔21和排气腔22，在该缸头2的底壁上分别构造有进气孔口23和排气孔口24，其中，该进气孔口23与该进气口12上下相对设置并共同构造成进气通道，该排气孔口24与该排气口13上下相对设置并共同构造成排气通道。
该转盘3设置在该缸头2和该缸体1之间，在该转盘3上分别构造有第一通口31和第二通口32。
该转动轴4设置在该转盘3的上表面并能够带动该转盘3进行同步的周向转动以对该进气通道和该排气通道进行切换式地打开和关闭。需要说明的是，该第一通口31分别与进气口12以及进气孔口23相匹配，该第二通口32分别与排气口13和排气孔口24相匹配。具体地，吸气阶段：活塞11沿缸体1的纵向向下运动，在此过程中，通过转动轴4的周向转动，便会带动该转盘3随之进行同步转动，当转盘3旋转至第一通口31分别与进气口12以及进气孔口23连通时，工质便会经上述进气通道进入到缸体1的内部，随着活塞11逐渐沿缸体1向下运动，工质会逐渐膨胀，此时，上述第二通口32与上述排气口13以及排气孔口24不连通，这样，便达到了在吸气时不排气的目的。
排气阶段：当活塞11沿缸体1向下运动至最大位移后，表明此时已经吸入了最大量的工质，活塞11逐渐向上运动，在此过程中，通过转动轴4的周向转动，便会带动该转盘3随之进行同步转动，当转盘3旋转至第二通口32分别与排气口13以及排气孔口24相连通时，工质会经上述排气通道排放到外面。由此可见，由于本申请通过采用转盘3，利用进气通道与排气通道的周期性通、断来控制膨胀机的工作过程，这相对于常规的往复式膨胀机而言，大大地简化了配气机构的结构，减小了气缸内的余隙容积。此外，通过使用本申请的往复式膨胀机构，从而有效地替代了制冷系统中的节流阀，同时，通过活塞11沿缸体1向上运动，从而有效地利用了由高压工质变低压工质的能量进行做功，进一步地，大大地提高了有效能的利用率。
在一个实施例中，该转动轴4转动一周，上述活塞11刚好往复运动一次。需要说明的是，该转动轴4可由单独设置的动力机构或传动机构进行驱动。
如图2所示，在本申请的一个比较优选的技术方案中，该第一通口31位于第一环道上，该第二通口32位于第二环道上。也就是说，该第一通口31和第二通口32位于内径不同的环道上，这样，可以确保转盘3能够准确且灵活地实现对上述进气通道和排气通道的打开和关闭，从而有效地避免了上述进气通道或排气通道被一直打开或关闭的情况。
如图2所示，图中还示意性地显示了在该转盘3的中心区域构造有水平部33，在该水平部33的中心设有该转动轴4，在该水平部33上并位于该转动轴4的外侧构造有该第一通口31，在该水平部33的外侧构造有该第二通口32。也就是说，该第一通道31和第二通道32位于不同内径的环道上。
如图2所示，为进一步优化上述技术方案中的转盘3，在上述技术方案的基础上，在转盘3的上下两个面上分别构造有上内环状凸起34和下内环状凸起(图中未示出)，其中，该上内环状凸起34和该下内环状凸起的其中一部分位于该第一通口31的外侧，该上内环状凸起34和该下内环状凸起的其中另一部分位于该第二通口32的内侧。
在该转盘3的外周的上下两个面分别构造有上外环状凸起35和下外环状凸起(图中未示出)，其中，该上外环状凸起35和该下外环状凸起上下相对设置。需要说明的是，上述上内环状凸起34和下内环状凸起主要起到隔断进气口12与排气口13，阻止高压工质从进气口12向排气口13泄露的作用。上述上外环状凸起35和下外环状凸起主要起到阻止高压工质向外部泄露的情况。
如图3所示，为进一步优化上述技术方案中的缸头2，在上述技术方案的基础上，在该缸头2的底壁的中间区域构造有第一凸台25，在该第一凸台25上构造有该排气孔口24，在该第一凸台25的外围构造有该进气孔口23。
在另一个优选的技术方案中，在该排气孔口24和该进气孔口23之间构造有开口朝下的第一环形内凹槽26，该第一环形内凹槽26的其中一部分位于该排气孔口24的外侧，该第一环形内凹槽26的其中另一部分位于该进气孔口23的内侧，该上内环状凸起34嵌设在该第一环形内凹槽26内。这样，一方面可以实现该缸头2与转盘3内侧的连接，另一方面，还能够起到密封的作用，防止高压工质从进气口12向排气口13发生泄露的情况。
如图3所示，图中还示意性地显示了在该缸头2的底壁的外周构造有开口朝下的第一环形外凹槽27，该上外环状凸起35嵌设在该第一环形外凹槽27内。这样，一方面可以实现该缸头2与转盘3外侧的连接，另一方面，还能够起到密封的作用，防止高压工质朝外发生泄露的情况。
如图4所示，为进一步优化上述技术方案中的缸体1，在上述技术方案的基础上，在该缸体1的顶壁的上端面的中心区域构造有第二凸台14，在该第二凸台14上构造有该排气口13，在该第二凸台14的外围构造有该进气口12。
在另一个实施例中，在该排气口13和该进气口12之间构造有开口朝上的第二环形内凹槽15，该第二环形内凹槽15的其中一部分位于该排气口13的外侧，该第一环形内凹槽15的其中另一部分位于该进气口12的内侧，其中，该下内环状凸起嵌设在该第二环形内凹槽内15。由此可知，上述进气口12与排气口13也位于不同的环道上，此外，通过使得该下内环状凸起嵌设在该第二环形内凹槽内15，从而可以实现该转盘3的内侧与缸体1的连接，同时，还能够实现进气通道与排气通道的隔断，避免高压工质从进气通道向排气通道泄露。
如图4所示，图中还示意性地显示了在该缸体1的顶壁的上端面的外围构造有第二环形外凹槽16，该下外环状凸起嵌设在该第二环形外凹槽16内。这样，便实现了转盘3的外侧与缸体1的连接，同时，还能够有效地避免高压工质向外侧泄露的情况。
需要说明的是，上述上内环状凸起34、上外环状凸起35、下内环状凸起以及下外环状凸起的个数可以根据实际的密封要求进行相应地增设。由此可见，本申请通过采用多道密封环实现了高、低压之间的密封，避免了往复式膨胀机的泄漏过大的问题。
综上所述，吸气阶段：活塞11沿缸体1的纵向向下运动，在此过程中，通过转动轴4的周向转动，便会带动该转盘3随之进行同步转动，当转盘3旋转至第一通口31分别与进气口12以及进气孔口23连通时，工质便会经上述进气通道进入到缸体1的内部，随着活塞11逐渐沿缸体1向下运动，工质会逐渐膨胀，此时，上述第二通口32与上述排气口13以及排气孔口24不连通，这样，便达到了在吸气时不排气的目的。
排气阶段：当活塞11沿缸体1向下运动至最大位移后，表明此时已经吸入了最大量的工质，活塞11逐渐向上运动，在此过程中，通过转动轴4的周向转动，便会带动该转盘3随之进行同步转动，当转盘3旋转至第二通口32分别与排气口13以及排气孔口24相连通时，工质会经上述排气通道排放到外面。由此可见，由于本申请通过采用转盘3，利用进气通道与排气通道的周期性通、断来控制膨胀机的工作过程，这相对于常规的往复式膨胀机而言，大大地简化了配气机构的结构，减小了气缸内的余隙容积。此外，通过使用本申请的往复式膨胀机构，从而有效地替代了制冷系统中的节流阀，同时，通过活塞11沿缸体1向上运动，从而有效地利用了由高压工质变低压工质的能量进行做功，进一步地，大大地提高了有效能的利用率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (7)

1.一种往复式膨胀机构，其特征在于，包括：
缸体，在所述缸体的内部设有能够沿所述缸体的纵向进行上下往复运动的活塞，在所述缸体的上端面分别构造有进气口和排气口；
缸头，在所述缸头的内部分别构造有进气腔和排气腔，在所述缸头的底壁上分别构造有进气孔口和排气孔口，其中，所述进气孔口与所述进气口上下相对设置并共同构造成进气通道，所述排气孔口与所述排气口上下相对设置并共同构造成排气通道；
转盘，所述转盘设置在所述缸头和所述缸体之间，在所述转盘上分别构造有第一通口和第二通口；以及
转动轴，所述转动轴设置在所述转盘的上表面并能够带动所述转盘进行同步的周向转动以对所述进气通道和所述排气通道进行切换式地打开和关闭；
所述第一通口位于第一环道上，所述第二通口位于第二环道上；
在所述转盘的中心区域构造有水平部，在所述水平部的中心设有所述转动轴，在所述水平部上并位于所述转动轴的外侧构造有所述第一通口，在所述水平部的外侧构造有所述第二通口；
在所述转盘的上表面上构造有上内环状凸起，在所述转盘的下表面上构造有下内环状凸起，其中，所述上内环状凸起和所述下内环状凸起的其中一部分位于所述第一通口的外侧，所述上内环状凸起和所述下内环状凸起的其中另一部分位于所述第二通口的内侧；
在所述转盘的上表面的外周上构造有上外环状凸起，在所述转盘的下表面的外周上构造有下外环状凸起，其中，所述上外环状凸起和所述下外环状凸起上下相对设置。
2.根据权利要求1所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述缸头的底壁的中间区域构造有第一凸台，在所述第一凸台上构造有所述排气孔口，在所述第一凸台的外围构造有所述进气孔口。
3.根据权利要求2所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述排气孔口和所述进气孔口之间构造有开口朝下的第一环形内凹槽，所述第一环形内凹槽的其中一部分位于所述排气孔口的外侧，所述第一环形内凹槽的其中另一部分位于所述进气孔口的内侧，所述上内环状凸起嵌设在所述第一环形内凹槽内。
4.根据权利要求3所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述缸头的底壁的外周构造有开口朝下的第一环形外凹槽，所述上外环状凸起嵌设在所述第一环形外凹槽内。
5.根据权利要求1所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述缸体的顶壁的上端面的中心区域构造有第二凸台，在所述第二凸台上构造有所述排气口，在所述第二凸台的外围构造有所述进气口。
6.根据权利要求5所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述排气口和所述进气口之间构造有开口朝上的第二环形内凹槽，所述第二环形内凹槽的其中一部分位于所述排气口的外侧，所述第二环形内凹槽的其中另一部分位于所述进气口的内侧，其中，所述下内环状凸起嵌设在所述第二环形内凹槽内。
7.根据权利要求3所述的往复式膨胀机构，其特征在于，在所述缸体的顶壁的上端面的外围构造有第二环形外凹槽，所述下外环状凸起嵌设在所述第二环形外凹槽内。
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