CN109751254B - 一种立式小微型气悬浮离心压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立式小微型气悬浮离心压缩机，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；转套筒固定设置于电机转子的外表面；定套筒固定设置于电机定子的内表面；第一轴向静环沿圆周开有至少两周通气孔A；第二轴向静环沿圆周开有至少一周通气孔B；第一轴向静环、第二轴向静环、动环和径向静环形成第一通道，第二轴向静环与离心叶轮形成第二通道；离心叶轮的排气口经第二通道与通气孔A相通，通气孔A经第一通道与通气孔B相通。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，不需要润滑系统，压缩机结构更加简单与紧凑；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

一种立式小微型气悬浮离心压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机设计技术领域，特别是一种立式小微型气悬浮离心压缩机。

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，需要配备制冷系统才能保证电子系统的正常运行。在移动或便携式电子系统、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、小微型的制冷系统。

压缩机是制冷系统的核心关键设备，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系统要求，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电机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，需要单独的控制系统，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系统的要求。

滚动电机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，设计了一种立式小微型气悬浮离心压缩机。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为，一种立式小微型气悬浮离心压缩机压缩机，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；电机转子，固定设置于所述主轴上，位于壳体内；转套筒，固定设置于所述电机转子的外表面；电机定子，固定设置于所述壳体内，与所述电机转子相对设置；定套筒固定设置于所述电机定子的内表面；第一轴向静环，固定设置于所述壳体内，位于所述电机转子的外侧，所述第一轴向静环沿圆周开有至少两周通气孔A；第二轴向静环，固定设置于所述壳体内，位于所述第一轴向静环的外侧，所述第二轴向静环沿圆周开有至少一周通气孔B；动环，固定设置于所述主轴上，位于所述第一轴向静环和第二轴向静环之间；径向静环，固定设置于所述壳体上，其底端与所述第一轴向静环连接，其顶端与所述第二轴向静环连接；离心叶轮，固定设置于所述主轴上，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、第二轴向静环、动环和径向静环形成第一通道，所述第二轴向静环与离心叶轮形成第二通道；所述离心叶轮的排气口经第二通道与通气孔A相通，所述通气孔A经第一通道与通气孔B相通。

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，外侧所述通气孔A的圆心所在的直径为D2，内侧所述通气孔A的圆心所在的直径为D3，

更进一步的，D3＝D5。

进一步的，所述动环的端面和圆柱面均开有动压槽。

进一步的，所述径向静环与动环之间的间隙大于主轴与第一轴向静环之间的间隙。

进一步的，所述径向静环与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，所述动环采用硬质合金。

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，不需要润滑系统，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，与压缩机电机转子轴向载荷、径向载荷平衡后，使压缩机电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是本申请所述一种立式小微型气悬浮离心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、电机转子；31、转套筒；4、电机定子；41、定套筒；5、第二轴向静环；51、通气孔A；6、第二轴向静环；61、通气孔B；7、动环；8、径向静环；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：

一种轴承和密封一体化的小微型离心压缩机，如图1所示，包括壳体1，主轴2，电机转子3，转套筒31，电机定子4，定套筒41，第一轴向静环5，第二轴向静环6，动环7，径向静环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。电机转子3固定设置在主轴2上，电机定子4固定设置于壳体1内，电机转子3和电机定子4均设置在壳体1内，电机定子4与电机转子3相对设置。转套筒31固定设置在所述电机转子3的外表面，定套筒41固定设置在所述电机定子4的内表面；第一轴向静环5固定设置在壳体1内，第一轴向静环5位于电机转子3的外侧，第一轴向静环5沿圆周开有两周通气孔A51。第二轴向静环6固定设置在壳体1内，第二轴向静环6位于第一轴向静环5的外侧，第二轴向静环6沿圆周开有一周通气孔B61。

动环7固定设置在主轴2上，动环7位于第一轴向静环5和第二轴向静环6之间。径向静环8固定设置在壳体1上，径向静环8的底端与第一轴向静环5连接，径向静环8的顶端与第二轴向静环6连接。第一轴向静环5、第二轴向静环6、动环7和径向静环8形成第一通道，通气孔A51经第一通道与通气孔B61相通，该第一通道为小间隙通道。

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位于第一轴向静环5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。第二轴向静环6与离心叶轮9形成第二通道，离心叶轮9的排气口经第二通道与通气孔A51相通。

在使用过程中，电机转子3驱动主轴2转动，动环7与离心叶轮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，会直接进入第二通道内，然后通过通气孔B61进入第一通道中，靠近径向静环8气体压力在旋转过程中会逐渐的增大，接着从外侧通气孔A51中流出进入到气压较低的电机转子3和电机定子4之间的间隙中，一部分气体从内侧通气孔A51进入静环5和动环7的间隙中，随动环旋转压力升高，从外侧通气孔A51流出，转套筒31转动时与定套筒41之间也会产生动压效应形成气膜，使压缩机转子电机转子系统(包括转轴2、电机转子3、动环7、离心叶轮9)在径向上也处于悬浮状态，自动平衡调整径向间隙。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。

在动环7随主轴2旋转过程中，动环7上下两个端面以及周向圆柱面与径向静环8表面之间会产生动压效应，形成气膜。为了提高动压效应，动环7的端面和圆柱面均开有动压槽。气膜使压缩机转子系统(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压缩机电机转子3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，无需其他润滑冷却系统，避免了轴端外泄漏，即无外泄漏。

优选的，第二轴向静环6的外径为D4，通气孔B61的圆心所在的直径为D5，

第一轴向静环5的外径为D1，外侧通气孔A51的圆心所在的直径为D2，内侧通气孔A51的圆心所在的直径为D3，

在此基础上，D3＝D5，该设计能够稳定气膜的形成。

此外，径向静环8与动环7之间的间隙大于主轴2与第一轴向静环5之间的间隙；径向静环8与动环7之间的间隙大于主轴2与第二轴向静环6之间的间隙，该设计避免动环7冲击径向静环8。

压缩机启动或停机过程中第一轴向静环5、第二轴向静环6和动环7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，动环7采用硬质合金，第一轴向静环5和第二轴向静环6材料硬度均低于动环7，并在第一轴向静环5、第二轴向静环6和动环7的表面进行喷涂，提升表面的润滑性能和耐磨性。

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6设置在底座12内。该设计便于安装压缩机。

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 (4)

1.一种立式小微型气悬浮离心压缩机，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）进气口相通的气流通孔（21）；

电机转子（3），固定设置于所述主轴（2）上，位于壳体（1）内；

转套筒（31），固定设置于所述电机转子（3）的外表面；

电机定子（4），固定设置于所述壳体（1）内，与所述电机转子（3）相对设置；

定套筒（41）固定设置于所述电机定子（4）的内表面；

第一轴向静环（5），固定设置于所述壳体（1）内，位于所述电机转子（3）的外侧，所述第一轴向静环（5）沿圆周开有两周通气孔A（51），所述第一轴向静环（5）的外径为

，外侧所述通气孔A（51）的圆心所在的直径为

，内侧所述通气孔A（51）的圆心所在的直径为

；

第二轴向静环（6），固定设置于所述壳体（1）内，位于所述第一轴向静环（5）的外侧，所述第二轴向静环（6）沿圆周开有一周通气孔B（61）；所述第二轴向静环（6）的外径为

，所述通气孔B（61）的圆心所在的直径为

；动环（7），固定设置于所述主轴（2）上，位于所述第一轴向静环（5）和第二轴向静环（6）之间，并且所述动环（7）的端面和圆柱面均开有用于提高动压效应的动压槽；

径向静环（8），固定设置于所述壳体（1）上，其底端与所述第一轴向静环（5）连接，其顶端与所述第二轴向静环（6）连接；所述径向静环（8）与动环（7）之间的间隙大于主轴（2）与第一轴向静环（5）之间的间隙；所述径向静环（8）与动环（7）之间的间隙大于主轴（2）与第二轴向静环（6）之间的间隙；以及

离心叶轮（9），固定设置于所述主轴（2）上，位于壳体（1）内，位于第一轴向静环（5）的外侧，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（5）、第二轴向静环（6）、动环（7）和径向静环（8）形成第一通道，所述第二轴向静环（6）与离心叶轮（9）形成第二通道；所述离心叶轮（9）的排气口经第二通道与通气孔B（61）相通，所述通气孔A（51）经第一通道与通气孔B（61）相通。

2.根据权利要求1所述的一种立式小微型气悬浮离心压缩机，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（6）设置于所述底座（12）内。

3.根据权利要求1所述的一种立式小微型气悬浮离心压缩机，其特征在于，所述动环（7）采用硬质合金。

4.根据权利要求1或3所述的一种立式小微型气悬浮离心压缩机，其特征在于，所述第一轴向静环（5）和第二轴向静环（6）材料硬度均低于动环（7）。

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