CN110388327A - 包括流体压缩机的热泵 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括两级高速流体压缩机的热泵，该压缩机包括具有流体入口和压缩流体出口并且包含绕纵向轴线可旋转地安装的轴的外壳、形成第一压缩级的第一压缩轮和形成第二压缩级的第二压缩轮、位于第一和第二压缩轮之间并且布置成使轴旋转的电动机。外壳包括与纵向轴线同轴延伸的贯通的内壳，在内壳内部至少布置有电动机，所述内壳的内壁布置成与电动机一起形成在至少所述内壁和电动机之间的通道，以冷却与在通道中流动的待压缩流体接触的电动机。此外，外壳在其表面处包括形成至少一个集成壳体的至少一个空腔，所述至少一个集成壳体朝向内壁延伸以允许其中容纳的电子部件借助于所述内壁被在通道中流动的待压缩流体冷却。

Description

包括流体压缩机的热泵
技术领域
本发明涉及一种具有两级高速流体压缩机的热泵，该压缩机包括外壳、第一压缩轮、第二压缩轮以及电动机，外壳具有流体入口和压缩流体出口并且容纳绕纵向轴线可旋转地安装的轴，第一压缩轮和第二压缩轮背靠背地安装在所述轴上，所述第一压缩轮形成第一压缩级，所述第二压缩轮形成第二压缩级，电动机优选为同步电动机且位于第一压缩轮和第二压缩轮之间并布置成使所述轴旋转。
背景技术
这种流体压缩机通常称为涡轮压缩机或离心压缩机。它们设有形成永磁同步电动机(无刷电动机)的转子和定子。这种类型的压缩机可以达到非常高的速度，例如每分钟100,000至500,000转。电动机以高速驱动压缩轮，压缩轮压缩流体。此处使用的流体是制冷剂，特别是制冷剂气体。两个压缩轮的使用允许流体被压缩两倍。
这些压缩机通常包括用于待压缩流体的第一流动回路和用于冷却压缩机(以及，更具体地说，一方面包括电动机以及支撑电动机轴的轴承，另一方面包括电子部件)的冷却液的第二流动回路。事实上，电动机的高速旋转引起非常高的发热，使得必须冷却压缩机元件以避免损坏。至少就冷却回路而言，这些回路通常布置在实际的压缩机外部。
因此，这些压缩机非常庞大并且不能集成在有限的环境中。
此外，由冷却液回收的热量被浪费，这构成了相当大的能量浪费。
发明内容
本发明的一个目的是克服具有高速压缩机的已知热泵的各种缺点。
更确切地说，本发明的一个目的是提供一种具有极其紧凑的两级高速流体压缩机的热泵。
本发明的另一个目的是提供一种热泵，它具有两级高速流体压缩机，该压缩机具有高转速、高压缩比和最佳能量效率且占用体积小。
为此，本发明涉及一种具有两级高速流体压缩机的热泵，该压缩机包括外壳、第一压缩轮、第二压缩轮以及电动机，外壳具有流体入口和压缩流体出口且包括可围绕纵向轴线旋转地安装的轴，第一压缩轮和第二压缩轮背靠背地安装在所述轴上，所述第一压缩轮形成第一压缩级，所述第二压缩轮形成第二压缩级，并且电动机位于第一压缩轮和第二压缩轮之间并且布置成使轴旋转。
根据本发明，外壳包括与纵向轴线同轴延伸的贯通的内壳，并且内壳内部至少布置有电动机，所述内壳具有内壁，所述内壁布置成与电动机一起形成在至少所述内壁和电动机之间的通道，所述通道在所述第一压缩级和所述第二压缩级之间延伸，从而允许电动机在与通道中流动的待压缩流体接触时被冷却。此外，外壳在其表面处包括至少一个腔，该至少一个腔形成至少一个集成壳体，该集成壳体布置成接收压缩机的至少一个电子部件，所述集成壳体朝向内壁延伸，以允许所述电子部件经由所述内壁被在所述通道内流动的待压缩流体冷却。
因此，根据本发明的热泵包括压缩机，该压缩机使用同一流体用于压缩和用于冷却压缩机。兼用于循环待压缩流体和冷却各种压缩机元件的通道的布置使得可以获得非常紧凑的压缩机并因此获得非常紧凑的热泵。特别地，与其中电子部件直接由流体冷却的配置相比，电子部件经由内壁冷却的配置具有若干优点。所有电子部件均可无需特殊密封即可布置。可以在不排出流体的情况下对电子部件展开工作，而排出流体是一种复杂且昂贵的操作。此外，将电子部件固定在外壳中的集成壳体内节省了空间。
此外，根据本发明的热泵包括压缩机，该压缩机能够回收电动机、支承电动机轴的轴承以及电子部件中的全部热损失，以将所述损失转换成有用功。因此，根据本发明的热泵包括压缩机，该压缩机具有高转速、高压缩比和最佳能量效率并且占据的体积小。
附图说明
本发明的目的、优点和特征将在仅通过非限制性示例给出并且由附图示出的以下详细描述的本发明的实施例中更清楚地显现，其中：
-图1表示以透视图示出的包括高速压缩机的根据本发明的热泵的示意图。
-图2表示图1的压缩机沿纵向轴线的分解图。
-图3表示图1的压缩机的俯视的局部分解透视图。
-图4是图1的压缩机的纵向剖视图。
-图5是沿图4中C-C线的剖视图。
-图6是承载压缩轮和转子的轴的透视图。
-图7是压缩机的围绕轴承的放大剖视图。
-图8是承载电子部件的板的透视图。
具体实施方式
参见图1，示意性地示出了根据本发明的热泵100，其包括涡轮压缩机或离心压缩机类型的两级高速流体压缩机1。该热泵可以是可逆的并且可以用在移动设备中或用于家用。在以下描述中，术语“流体”是指制冷剂，更具体地是制冷剂气体。除了下面描述的压缩机之外，构成热泵的元件是已知的并且在此不需要任何特别的描述。
压缩机1包括由铝制成的外壳2，其上面2a由上盖3a封闭，其前面2b和后面2c分别由前盖3b和后盖3c封闭。外壳的侧面2d在它们的底部连接，以形成具有U形横截面的底部2e。
上盖3a位于压缩机的电子部件4侧，如下文所示。因此，如下文所见，由于通过上盖3a进入，因此容易接近集成在压缩机中的电子部件4。前盖3b和后盖3c用于进入压缩机的内部(电动机、转子、轴承等)。密封垫圈20插入外壳2的上面2a和上盖3a之间。该垫圈20保护电子部件4免受灰尘和湿气的影响。
外壳2具有布置在前盖3b上的用于待压缩流体的入口5和布置在外壳2的侧面2d之一上的切向的压缩流体出口6。
参照图4，外壳2包括陶瓷轴7、第一离心压缩轮8和第二离心压缩轮10，陶瓷轴7可绕穿过前面2b和后面2c的纵向轴线AA旋转地安装，第一离心压缩轮8和第二离心压缩轮10背对背地安装在轴7的两端，所述第一压缩轮8形成第一压缩级，所述第二压缩轮10形成第二压缩级。更具体地，轴7是中空的并且包含螺杆11，螺杆11的各端拧紧有压缩轮8,10中的一个，这使得压缩轮容易组装和拆卸。因此，两个压缩轮8和10在同一轴7上被驱动，这提供了更好的能量效率并且避免了使用减速齿轮。压缩轮8和10的后部包括迷宫密封，以控制压缩机内的压力并平衡轴向力。
外壳2还包括位于第一压缩轮8和第二压缩轮10之间并且布置成使轴7旋转的同步电动机12。电动机12包括定子14和转子，它们相互作用以形成永磁同步电动机(无刷电动机)。更具体地，定子14相对于外壳2固定安装，由线圈14a和两个铁氧体元件14b形成。转子包括与轴7(例如通过粘接)制成一体的磁铁16a，并用碳纤维护套16b覆盖。钛法兰16c(例如通过粘接)固定到侧面端部，并确保转子在高速下对离心力的抵抗力。
轴7借助于至少前径向轴承18、后径向轴承22和轴向轴承24绕其纵向轴线AA可旋转地安装在外壳2上。压缩机包括布置成绕轴7分别定位在电机16的前部和后部的用于支撑前径向轴承18的前径向轴承支架26和用于支撑后径向轴承22的后径向轴承支架28。在后部还在后径向轴承支架28和后盖3c之间设置一个蜗壳29。在压缩之后，蜗壳29包括通向切向流体出口6的孔口。还提供了轴向轴承支架30，用于支承轴向轴承24，轴向轴承24设置成围绕轴7定位在第一压缩轮8和前径向轴承支架26之间。很明显，轴向轴承可以设置在电机的后部。
轴承是非接触式和空气动力的，以产生有限的摩擦。它们不需要润滑，只需要很少的维护。更具体地，参考图6，轴向轴承24是空气动力轴承并且由盘形成，该盘在它的面的至少一个之上包括优选为螺旋形的第一凹槽24a，该凹槽设置成形成气膜。前和后径向轴承22是空气动力轴承，并且，面向前径向轴承18和后径向轴承22，轴7具有布置成产生气膜的第二凹槽32。
参考图7，前径向轴承支架26包括至少第一槽34，第一槽34面向设置在前径向轴承18上的第二槽36，所述第一槽34和所述第二槽36设置成容纳前轴承O形环接头38。在图7中，设置了两组槽34、36。同样，后径向轴承支架28包括至少第三槽，该第三槽面向设置在后径向轴承22上的第四槽，所述第三槽和所述第四槽设置成容纳后轴承O形环接头。设置在前径向轴承18和后径向轴承22上的槽具有圆形底部。径向轴承18,22仅通过所述相应的O形环接头被轴向和径向地保持。后者确保径向轴承19,22的定心、补偿径向游隙、抑制振动并保持它们的轴向位置。此外，该组件节省了空间，进一步增加了压缩机的紧凑性。
借助于安装在设置于螺纹杆11上的槽中的接头39(参见图4)实现了在轴7的中心处支承两个压缩轮8和10的螺纹杆11的径向保持和定心。
此外，前径向轴承支架26包括设置用于空气通过的第五槽40。同样，后径向轴承支架28包括设置用于空气通过的第六槽。这些第五和第六槽以及在轴承的每个重要点之间连通的孔使得可以平衡整个压缩机中的压力，尤其是密封接头之间的压力。这可以避免移动接头。
参见图2、4和5，外壳2包括一个贯通的内壳50，它与纵向轴线AA同轴地在外壳2的前面2b和后面2c之间延伸，并容纳前径向轴承支架26和前径向轴承18、电动机12和它的轴7、后径向轴承支架28和后径向轴承22、第二压缩轮10和蜗壳29。在前面2b侧，内壳50由前盖3b封闭，前盖3b将第一压缩轮8、轴向轴承支架30和轴向轴承24包括在内。在后面2c侧，内壳50由后盖3c封闭。
内壳50具有内壁52，内壁52布置成与电动机12一起在至少所述内壁52和电动机12之间形成通道54，所述通道54在第一压缩级和第二压缩级之间延伸，从而允许电动机12与在通道54中流动的待压缩流体接触而被冷却。更具体地，在此所示的变型中，内壳50的内壁52具有圆形横截面，而电动机12的定子14的两个铁氧体元件14b在其外表面上具有沿纵向轴线AA延伸的纵向凹陷部55(参见图5)，使电动机具有基本上多边形的横截面(在此为十二边形)，使得凹陷部55或电动机12的铁氧体元件14b的不与内壁52接触的面与所述内壁52形成所述通道54，用于待压缩流体流动。
更一般地，压缩机的沿着第一压缩级和第二压缩级之间的纵向通道定位的所有部分被设定尺寸和布置成为形成在第一压缩级和第二压缩级之间延伸的用于待压缩流体的所述流动通道54。因此，通道54形成在前盖3b和轴向轴承支架30之间，在前径向轴承支架26和内壁52之间(为此，搁靠在壳50的入口上的前径向轴承支架26的肩部56具有槽58，布置成与压缩流体流动通道54连通)，如上所述，在电动机12的铁氧体元件14b和内壁52之间，在后径向轴承支架28和内壁52之间，在蜗壳29和内壁52之间以及在后盖3c与蜗壳29之间。这些通道54设计成避免压缩机内部的湍流。
此外，有利地设置至少一个孔口(例如图4中标记为57a的点)，其布置成允许待压缩流体在通道54内流动以进入电动机12并在定子14和转子16之间流动；还设置有至少一个孔口(例如图4中标记为57b的点)，布置成允许待压缩流体离开电动机12并在冷却电动机12之后重新进入所述通道54。
同样地，有利地设置至少一个孔口(例如图4中标记为59a的点)，其布置成允许待压缩流体在通道54中流动以在轴向轴承24、前径向轴承18和后径向轴承22附近流动；还设置有至少一个孔口(对应于例如图4中标记为57b的相同点)，布置成允许待压缩流体在冷却所述轴向轴承24、前径向轴承18和后径向轴承22之后，重新进入所述通道54。
因此，在通过入口5进入第一压缩级之后，待压缩流体通过沿第一压缩级和第二压缩级之间的纵向轴线定位的压缩机部件进入通道54，并重新进入第二压缩级。因此，当它经过电动机的铁氧体元件14b和内壁52之间时，待压缩流体冷却电动机并回收电动机散发的卡路里，以在进入第二压缩级之前提高其效率。此外，孔口57a，57b允许流动的轻微偏离，使得待压缩流体也在定子14和转子16之间以及在轴承中流动以冷却这些元件并回收电动机中的热损失和由在轴承中的摩擦引起的热损失。
此外，参考图3和5，外壳2在其表面包括至少一个腔60a、60b，腔60a、60b形成至少一个集成壳体，该集成壳体布置成容纳压缩机的至少一个电子部件，所述集成壳体朝向内壁52延伸，尽可能接近通道54，以允许所述电子部件借助于内壁52被在通道54中流动的待压缩流体冷却，内壁52本身与在通道54中流动的待压缩流体接触。
有利地，外壳2在限定它的上部内表面62的同一表面上包括多个腔60a、60b，每个腔形成一个集成的壳体，该集成壳体设置成容纳压缩机的电子部件，所述腔60a、60b至少布置在外壳2的内壳50的内壁52上方并且至少在内壁52的一侧上，优选地在内壁52的每一侧上。因此，集成壳体以及因此放置在这些集成壳体内的电子部件布置成尽可能地接近与内壁52接触并在通道54内流动的待压缩的流体，使得所述待压缩流体可以借助于所述内壁52回收由所述电子部件发出的热量。
优选地，空腔60a、60b中的至少一个至少部分地沿着用于待压缩流体的流动通道54纵向延伸，以在外壳2的上部内表面62的至少一部分上形成纵向延伸的集成壳体。因此，集成壳体随着通道54延伸，以便借助于所述内壁52在设置在集成壳体内的电子部件和待压缩流体之间提供最大的热交换区域。
有利地，参考图8，压缩机包括至少一个板64，其布置成接收电子压缩机部件4，所述板64在其下表面上至少承载沿纵向轴线AA纵向延伸的电子部件4a、4b，所述板64定位在外壳2的上部内表面62上方，使得纵向延伸跨过板64的下表面的所述电子部件4a、4b分别容纳在它们的集成壳体内，所述集成壳体至少部分地沿着用于待压缩流体的流动通道54纵向延伸。在板64的上表面上设置有其他电子部件4c，其布置成容纳在上盖3a内。
例如，电子部件4a是纵向布置在板的每一侧上并垂直于板64的晶体管，以便借助于在电动机12的每一侧上的内壁52尽可能接近待压缩流体并与外壳具有尽可能大的接触表面。很明显，如果有足够的位置，晶体管都可以设置在电动机的单个同一侧上。
此外，集成壳体，以及尤其是沿纵向——至少部分地沿着用于待压缩流体的流动通道54——延伸的集成壳体，可以包括条带弹簧66，该弹簧优选地纵向设置，并且设置成将布置在所述集成壳体内部的电子部件4a保持沿朝向内壁52的方向抵靠在集成壳体的壁上。
电子部件4b例如是具有环形横截面的管式电容器，并且纵向地布置在板64的下表面上，以便容纳在设置在电动机12上方的相应圆形底部处的腔60b内，以便与外壳具有最大可能的接触面，以便在电动机12上方经由内壁52尽可能地接近待压缩流体。可以在腔60b的底部设置传导膏以使电容器和外壳2之间更好地接触。
因此，在通道54中流动的待压缩流体也从压缩机的电子部件中回收热损失，这些电子部件布置成尽可能地接近所述待压缩流体。此外，压缩机的内部经过优化，特别是外壳的上表面被裁切以便在小体积中容纳压缩机的电子部件，这使得可以制造非常紧凑的压缩机。
有利地，外壳2的上部内表面62具有孔68，孔68布置成允许电动机12和电子部件4之间的线缆通过，所述孔被密封使得待压缩流体不会泄漏。为此，将树脂浇注入孔68中，并在浇注时将线缆元件插入树脂中。然后将分别连接到电动机12和电子部件4的其它线缆元件焊接到浇铸在孔68内树脂中的线缆元件。例如在外壳2的后面2c上设置用于控制线缆出口和电源线缆出口的其它密封线缆通道70和72，这提供了安全连接。
优选地，压缩机包括在两个压缩级之间的压力和温度传感器74，其允许压缩机的自调节。
本发明中使用的流体压缩机可以达到非常高的转速，在100,000rpm和500,000rpm之间。它允许在第一压缩级被压缩的流体基本上流动通过整个系统，以回收所有的损失热量，特别是电机、轴承和电子部件中损失的热，以便在进入第二压缩级之前提高其效率(随着待压缩流体的温度增加，其压力也增加了)。此外，仅使用待压缩流体来冷却压缩机而无需借助额外的冷却回路，以及压缩机内部的电子部件的布置，使得电子器件集成在外壳中，使得可以获得非常紧凑的压缩机。因此，根据本发明的包括上述压缩机的热泵具有高旋转速度和高压缩比，同时占据体积小。例如，本发明使用的压缩机的压缩比大于3，功率大约为4kW，尺寸为：长×宽×高约14×8×11cm，重量仅1.5公斤。

Claims (15)

1.热泵(100)，具有两级高速流体压缩机(1)，该压缩机包括：
外壳(2)，具有流体入口(5)和压缩流体出口(6)，并且容纳能沿纵向轴线(AA)旋转地安装的轴(7)；
第一压缩轮(8)和第二压缩轮(10)，二者背对背地安装在所述轴(7)上，所述第一压缩轮(8)形成第一压缩级而所述第二压缩轮(10)形成第二压缩级；以及
电动机(12)，位于第一压缩轮(8)和第二压缩轮(10)之间并设置成使所述轴(7)旋转；
其特征在于，所述外壳(2)包括与所述纵向轴线(AA)同轴延伸的贯通的内壳(50)，在内壳内部至少设置有所述电动机(12)，所述内壳(50)具有内壁(52)，所述内壁布置成与所述电动机(12)一起在至少所述内壁(52)和所述电动机(12)之间形成通道(54)，所述通道(54)在第一压缩级和第二压缩级之间延伸，从而允许所述电动机(12)在与在通道(54)中流动的待压缩流体接触时被冷却，并且所述外壳(2)在其表面包括至少一个腔(60a，60b)，从而形成布置成接收压缩机的至少一个电子部件(4)的至少一个集成壳体，所述集成壳体朝向所述内壁(52)延伸以允许所述电子部件(4)借助于所述内壁(52)被在所述通道中流动的待压缩流体冷却。
2.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述内壳(50)的内壁(52)具有环形横截面，并且所述电动机(12)在其外表面上具有凹陷部(55)，所述凹陷部(55)与所述内壁(52)一起形成用于待压缩流体流动的所述通道(54)。
3.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述外壳(2)在限定其上部内表面(62)的同一表面上包括多个腔(60a，60b)，每个腔形成布置用于接收压缩机的电子部件(4a，4b)的集成壳体，所述腔(60a，60b)布置成至少在外壳(2)的内壁(52)的上方并且布置成至少在外壳(2)的内壁(52)的一侧上。
4.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述腔(60a，60b)至少部分地沿着用于待压缩流体流动的所述通道(54)纵向延伸，以形成纵向延伸的集成壳体。
5.根据权利要求4所述的热泵，其特征在于，所述流体压缩机(1)包括至少一个板(64)，所述板(64)布置成接收所述压缩机的电子部件(4)，所述板(64)在其下表面上承载至少纵向延伸的电子部件(4a，4b)，所述板(64)位于外壳(2)的上部内表面(62)的上方，使得纵向延伸跨过所述板(64)的下表面的所述电子部件(4a，4b)分别容纳在它们的至少部分地沿着用于待压缩流体的所述通道(54)纵向延伸的集成壳体内。
6.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述集成壳体包括条带弹簧(66)，所述条带弹簧(66)布置成将设置在所述集成壳体内的电子部件(4a)在朝向所述内壁(52)的方向上保持抵靠在所述集成壳体的壁上。
7.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述流体压缩机(1)包括用于封闭所述外壳(2)的上面(2a)的上盖(3a)，所述上盖(3a)位于所述电子部件(4)侧。
8.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述电动机(12)包括定子(14)和转子(16)，并且所述电动机设置有至少一个孔口(57a)，所述孔口(57a)布置成允许在所述通道(54)中流动的待压缩流体进入电动机(12)并在定子(14)和转子(16)之间流动，并且所述电动机设置有布置成允许待压缩流体离开电动机(12)并且在冷却电动机(12)之后重新进入所述通道(54)的至少一个孔口(57b)。
9.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述轴(7)借助于至少前径向轴承(18)、后径向轴承(22)和轴向轴承(24)可旋转地安装在所述外壳(2)上。
10.根据权利要求9所述的热泵，其特征在于，设置有至少一个孔口(59a)，所述孔口(59a)布置成允许在所述通道(54)中流动的待压缩流体分别流动到所述前径向轴承(18)、后径向轴承(22)和轴向轴承(24)附近，还设置有布置成允许待压缩流体在冷却所述前径向轴承(18)、后径向轴承(22)和轴向轴承(24)之后重新进入所述通道(54)的至少一个孔口(57b)。
11.根据权利要求9所述的热泵，其特征在于，所述轴向轴承(24)是空气动力轴承，并且在其至少一个面上，所述轴承具有设置成形成气膜的第一槽(24a)。
12.根据权利要求9所述的热泵，其特征在于，所述前径向轴承(18)和所述后径向轴承(22)是空气动力轴承，并且面向所述前径向轴承(18)和所述后径向轴承(22)，所述轴(7)具有设置成产生气膜的第二槽(32)。
13.根据权利要求9所述的热泵，其特征在于，所述流体压缩机(1)包括前径向轴承支架(26)和后径向轴承支架(28)，二者布置成围绕所述轴(7)分别位于电动机(12)的前部和后部，并且所述前径向轴承支架(26)包括至少第一槽(34)，该第一槽(34)面向设置在前径向轴承(18)上的第二槽(36)定位，所述第一槽(34)和所述第二槽(36)设置成接收前轴承密封接头(38)，并且所述后径向轴承支架(28)包括至少第三槽，所述第三槽面向设置在后径向轴承(22)上的第四槽定位，所述第三槽和所述第四槽设置成接收后轴承密封接头。
14.根据权利要求13所述的热泵，其特征在于，所述前径向轴承支架(26)包括设置成用于空气通过的第五槽(40)，并且所述后径向轴承支架(28)包括设置成用于空气通过的第六槽。
15.根据权利要求1所述的热泵，其特征在于，所述外壳(2)具有孔(68)，该孔设置成允许线缆在电动机(12)和电子部件(4)之间通过，所述孔(68)被密封。
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