CN110762873A - 压缩空气换热系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压缩空气换热系统，包括：空气制冷流路，空气制冷流路上设有第一压缩机、第二压缩机、膨胀机，第一压缩机和第二压缩机用于对流经空气制冷流路的空气升温升压，膨胀机用于对流经空气制冷流路的空气降温降压；其中，膨胀机通过连接轴与第二压缩机同轴连接，且第二压缩机的进气口连通第一压缩机的出气口。由于压缩空气换热系统使用空气作为制冷剂，安全无污染，不会对环境造成危害，且省去了传统的氟利昂等制冷剂带来的成本，也无需定期补充制冷剂，因而有利于降低生产成本和后期的维护成本。且双级压缩能够提高膨胀机的膨胀比和焓降，因此提高了膨胀机的做功能力，增大了单位制冷量，也提高了压缩空气换热系统的制热量。

Description

压缩空气换热系统

技术领域

本发明涉及空气调节设备技术领域，具体而言，涉及一种压缩空气换热系统。

背景技术

目前，现有的空调等制冷装置大多使利用制冷剂的相变潜热向房间输送热量进行制热或者带走房间的热量进行制冷。但是，大部分制冷剂(如氟利昂)对环境有危害，如温室效应、臭氧层空洞等。

发明内容

为了解决上述技术问题至少之一，本发明的目的在于提供一种压缩空气换热系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种压缩空气换热系统，包括：空气制冷流路，所述空气制冷流路上设有第一压缩机、第二压缩机、膨胀机，所述第一压缩机和所述第二压缩机用于对流经所述空气制冷流路的空气升温升压，所述膨胀机用于对流经所述空气制冷流路的空气降温降压；其中，所述膨胀机通过连接轴与所述第二压缩机同轴连接，且所述第二压缩机的进气口连通所述第一压缩机的出气口。

本发明提供的压缩空气换热系统，利用空气作为制冷剂，经过压缩机的升温升压和膨胀机的降温降压配合，来完成对房间等使用载体的制冷或者制热。由于压缩空气换热系统使用空气作为制冷剂，安全无污染，不会对环境造成危害，且省去了传统的氟利昂等制冷剂带来的成本，也无需定期补充制冷剂，因而有利于降低生产成本和后期的维护成本。

同时，第一压缩机的出气口连通第二压缩机的进气口，因而经第一压缩机压缩后的空气会进入第二压缩机再次压缩，从而对流经空气制冷流路的空气进行了双级压缩。双级压缩能够提高膨胀机的膨胀比和焓降，因此提高了膨胀机的做功能力，增大了单位制冷量。且相较于单级压缩，双级压缩能效更好，也提高了压缩空气换热系统的制热量。

并且，空气制冷剂相较于传统的液态制冷剂，能够降低系统压力(小于3bar)，使得系统运行更加可靠，寿命更长。直接将压缩空气换热系统的回风口与使用载体连通即可，这样省去了传统空调室内侧的换热器，使得房间的送风口可以按照用户需要设计成其他形式，更符合房间的装饰风格。

此外，膨胀机通过连接轴与第二压缩机同轴连接，使得第二压缩机可以回收膨胀机的膨胀功，也就是说可以利用膨胀机的膨胀功作为第二压缩机的动力源，进而提高系统能效。

另外，本发明提供的上述技术方案中的压缩空气换热系统还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，所述压缩空气换热系统还包括：驱动电机，与所述连接轴同轴相连，用于辅助所述膨胀机驱动所述第二压缩机。

利用驱动电机来辅助膨胀机驱动第二压缩机，使得第二压缩机可以有两种工作模式。具体地，当膨胀机输出的膨胀功能够满足第二压缩机的功耗时，驱动电机不需要工作，直接由膨胀机驱动第二压缩机即可；当膨胀机输出的膨胀功不足以满足第二压缩机的功耗时，驱动电机输出机械能，与膨胀机共同驱动第二压缩机，提高涡轮转速，增大涡轮温降和系统制冷量。具体地，驱动电机为高速电机。

在上述技术方案中，所述膨胀机与所述第二压缩机等功率匹配，以单独驱动所述第二压缩机。

膨胀机与第二压缩机等功率匹配，则膨胀机输出的膨胀功能够满足第二压缩机的功耗需求，因而无需额外配置驱动电机，实现了自给自足，从而简化了产品结构，降低了产品成本。可以理解的是，通常单级压缩配备的膨胀机不足以驱动与其同轴连接的压缩机，需要配备高速电机来辅助驱动。而本申请中额外配置了一个第一压缩机，因而能够降低与膨胀机同轴连接的第二压缩机的能耗，使得与其同轴连接的膨胀机足以驱动第二压缩机，以省去高速电机。

在上述任一技术方案中，所述连接轴上套设有动压气体轴承。

本方案使用动压气体轴承，依靠轴与轴承之间的高速相对运动产生动压润滑的压力气模，装配要求低，抗转子不对中，高速下稳定性好。相对静压气体轴承及磁悬浮轴承，结构更加简单，成本更低，更适用于家用空调。

在上述技术方案中，所述动压气体轴承包括波箔型箔片轴承，所述波箔型箔片轴承包括：轴承座，所述轴承座的内侧壁开设有固定槽；多层箔片，套设在所述轴承座的内侧，并设置有固定部，所述固定部与所述固定槽相配合使所述多层箔片与所述轴承座固定连接；所述多层箔片包括平箔片和套设在所述平箔片的径向外侧的鼓泡箔片；其中，每一层所述箔片的安装方向均与所述轴承的旋转方向相反。

在该技术方案中，轴承选用波箔型箔片轴承，通过轴承座上设置的固定槽，在多层箔片上设置固定部，可通过固定槽和固定部之间的配合实现箔片与轴承座的固定，从而减少在转动过程中发生的径向跳动，以影响轴承的正常使用。其中，多层箔片包括平箔片和鼓泡箔片，鼓泡箔片套设于平箔片外，更利于在转动时产生压力气膜，从而为连接轴提供支撑，有利于提升连接轴高速运转的稳定性。

此外，由于将箔片的安装方向与轴承的旋转方向相反设置，以保证轴承的稳定运转。若由于安装失误将箔片与轴承的旋转方向同向设置，则在启动时，箔片会缠绕到轴上卡住，无法正常使用。

在上述技术方案中，所述鼓泡箔片包括多个弧片，多个所述弧片沿所述动压气体轴承的周向间隔分布，所述平箔片的数量为两层，且与所述鼓泡箔片相邻设置的所述平箔片与多个所述弧片相连；或者所述鼓泡箔片为一体式结构，所述平箔片的数量为一层。

在该技术方案中，鼓泡箔片可由多个沿轴承的周向间隔分布的弧片构成，同时将平箔片与鼓泡箔片相邻设置，在鼓泡箔片设于平箔片的基础上，通过平箔片限制鼓泡箔片径向位置。

此外，鼓泡箔片可以为一体式结构，在鼓泡箔片内侧的平箔片仅为一层，可减少安装时的零件数量，提高安装效率，同时也可在满足转动的基础上，减少轴承整体的重量以及生产成本。

在上述任一技术方案中，所述压缩空气换热系统具有出风口、回风口、排气口和换气口，所述出风口和所述回风口用于与使用载体连通，所述排气口和所述换气口用于与外界大气连通，所述空气制冷流路的入口和出口分别形成所述回风口及所述排气口；所述空气制冷流路上设有新风换热器，所述新风换热器设有新风换热流路和第一换热流路；所述新风换热流路的入口和出口分别与所述换气口及所述出风口连通；所述第一换热流路接入所述空气制冷流路，用于利用所述空气制冷流路中的空气与所述新风换热流路进行热交换。

出风口和回风口是压缩空气换热系统与使用载体(如房间)进行气流交换的通道，而排气口和换气口是压缩空气换热系统与外界大气(也就是使用载体外侧的大气环境)进行气流交换的通道。新风换热器的第一换热流路接入空气制冷流路，因而会有升温升压或者降温降压的气体流过，进而能够与新风换热流路进行热交换。而新风换热流路通过换气口吸入外界大气的空气，并与第一换热流路换热后经回风口送入使用载体，进而对使用载体进行制热或者制冷。新风换热器的设置，使得压缩空气换热系统能够向使用载体输送制冷或者制热后的新风，兼具换热和净化空气的功能，能够保证房间空气质量，有利于用户的身心健康。

换言之，新风换热流路和空气制冷流路相并联，空气制冷流路用于制冷制热。新风换热流路用于产生新风，并吸收空气制冷流路产生的热量以向使用载体输送加热后的新风，或者向空气制冷流路输送热量以向使用载体输送降温后的新风。空气制冷流路通过回气口将使用载体内的空气吸收，并通过排气口排入外界大气，新风换热流路通过换气口吸入外界大气的空气，并通过出风口排入使用载体。由此形成循环。

在上述任一技术方案中，所述空气制冷流路上设有切换装置，所述切换装置用于切换所述空气制冷流路的流向，以使所述压缩空气换热系统在制冷模式与制热模式之间切换。

切换装置的设置，使得空气制冷流路的流向可以切换，从而使得压缩空气换热系统既能够用于制冷，也能够用于制热，丰富了压缩空气换热系统的功能，扩大了压缩空气换热系统的使用范围。当然，也可以取消切换装置，则压缩空气换热系统只具有制热功能，可以满足寒带地区等气温偏低地域的使用需求，或者只具有制冷功能，可以满足热带地区等气温偏高地域的使用需求。

在上述技术方案中，所述切换装置包括：第一控制阀，与所述压缩空气换热系统的回风口、所述第一压缩机的进气口、所述膨胀机的进气口、第一换热流路的出口相连，用于导通所述回风口与所述膨胀机的进气口以及导通所述第一换热流路的出口与所述第一压缩机的进气口，或者导通所述回风口与所述第一压缩机的进气口以及导通所述第一换热流路的出口与所述膨胀机的进气口；和第二控制阀，与所述第二压缩机的出气口、所述膨胀机的出气口、所述第一换热流路的入口、所述压缩空气换热系统的排气口相连，用于导通所述第二压缩机的出气口与所述排气口以及导通所述膨胀机的出气口与所述第一换热流路的入口，或者导通所述第二压缩机的出气口与所述第一换热流路的入口以及导通所述膨胀机的出气口与所述排气口。

当第一控制阀导通回风口与膨胀机的进气口、以及导通第一换热流路的出口与第一压缩机的进气口，且第二控制阀导通第二压缩机的出气口与排气口、以及导通膨胀机的出气口与第一换热流路的入口时，压缩空气换热系统切换至制冷模式运行：回风依次经回风口、第一控制阀进入膨胀机，降温降压后经第二控制阀进入第一换热流路，与新风换热流路热交换被加热后经第一控制阀进入第一压缩机升温升压，再进入第二压缩机中被第二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，最后经第二控制阀、通过排气口排出到外界大气；同时，外界大气温度较高的新风经换气口进入新风换热流路，并与第一换热流路进行热交换被冷却后送入使用载体(如房间内)对使用载体进行冷却。并且，空气制冷流路中的空气经新风换热器降温后才进入膨胀机降温降压，相当于进行了两次降温，因而有利于提高系统的制冷能力。

当第一控制阀导通回风口与第一压缩机的进气口、以及导通第一换热流路的出口与膨胀机的进气口，且第二控制阀导通第二压缩机的出气口与第一换热流路的入口、以及导通膨胀机的出气口与排气口时，压缩空气换热系统切换至制热模式运行：回风经回风口、第一控制阀进入第一压缩机升温升压，再进入第二压缩机中被二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，然后经过第二控制阀进入第一换热流路，与新风换热流路进行热交换被冷却后经第一控制阀进入膨胀机，降温降压后经过第二控制阀、通过排气口排出至外界大气；同时，外界大气温度较低的新风，经换气口进入新风换热流路，并与第一换热流路进行热交换被加热后送入使用载体对使用载体进行加热。并且，空气制冷流路中的空气经新风换热器升温后才进入第一压缩机升温升压，又进入第二压缩机升温升压，相当于进行了三次降温，因而有利于提高系统的制热能力。

在上述技术方案中，所述第一控制阀为第一四通阀，所述第一四通阀的四个端口分别与所述回风口、所述第一压缩机的进气口、所述膨胀机的进气口、所述第一换热流路的出口相连通；或者所述第一控制阀包括：第一单向阀，位于所述回风口与所述膨胀机的进气口之间，用于使所述回风口向所述膨胀机的进气口单向导通；第二单向阀，位于所述第一换热流路的出口与所述第一压缩机的进气口之间，用于使所述第一换热流路的出口向所述第一压缩机的进气口单向导通；第三单向阀，位于所述回风口与所述第一压缩机的进气口之间，用于使所述回风口向所述第一压缩机的进气口单向导通；和第四单向阀，位于所述第一换热流路的出口与所述膨胀机的进气口之间，用于使所述第一换热流路的出口向所述膨胀机的进气口单向导通。

第一控制阀采用四通阀的形式，结构较为简单，切换较为方便，有利于节约管路长路，优化管路布局，简化产品结构，且控制较为方便。

第一控制阀采用四个单向阀的形式，分别控制四条管路的单向导通，也能够实现制冷制热的切换。

在上述技术方案中，所述第二控制阀为第二四通阀，所述第二四通阀的四个端口分别与所述第二压缩机的出气口、所述膨胀机的出气口、所述第一换热流路的入口、所述排气口相连通；或者所述第二控制阀包括：第五单向阀，位于所述第二压缩机的出气口与所述排气口之间，用于使所述第二压缩机的出气口向所述排气口单向导通；第六单向阀，位于所述膨胀机的出气口与所述第一换热流路的入口之间，用于使所述膨胀机的出气口向所述第一换热流路的入口单向导通；第七单向阀，位于所述第二压缩机的出气口与所述第一换热流路的入口之间，用于使所述第二压缩机的出气口向所述第一换热流路的入口单向导通；第八单向阀，位于所述膨胀机的出气口与所述排气口之间，用于使所述膨胀机的出气口向所述排气口单向导通。

第二控制阀采用四通阀的形式，结构较为简单，切换较为方便，有利于节约长路，优化管路布局，简化产品结构，且控制较为方便。

第二控制阀采用四个单向阀的形式，分别控制四条管路的单向导通，也能够实现制冷制热的切换。

在上述任一技术方案中，所述空气制冷流路上设有冷却换热器，所述冷却换热器设有冷却流路和第二换热流路，所述冷却流路的两端分别连通所述第一压缩机的出气口与所述第二压缩机的进气口，所述第二换热流路的两端连通外界大气用于与所述冷却流路进行热交换。

冷却流路的两端分别连通第一压缩机的出气口与第二压缩机的进气口，因而第一压缩机压缩后的空气，在进入第二压缩机之前，能够通过冷却换热器适当散热冷却，以降低进入第二压缩机的空气温度，从而降低第二压缩机对空气的压缩难度，有利于提高系统能效。

在上述任一技术方案中，所述出风口处设有第一温度传感器；和/或所述回风口处设有第二温度传感器；和/或所述换气口处设有第三温度传感器；和/或所述出风口处设有风机。

在出风口处设置第一温度传感器，便于实时检测出风口处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在回风口处设置第二温度传感器，便于实时检测回风口处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在换气口处设置第三温度传感器，便于实时检测换气口处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在出风口处设置风机，有利于新风换热流路的空气流动，进而促进新风换热流路的空气循环，以进一步提高系统能效。

在上述任一技术方案中，所述第一压缩机为一级或多级压缩机；和/或所述第二压缩机为一级或多级压缩机；和/或所述第一压缩机为离心式压缩机，由变速电机驱动；和/或所述第二压缩机为升压涡轮压缩机。

第一压缩机可以根据需要选择一级或多级压缩机，对空气进行预压缩。第二压缩机也可以根据需要选择一级或多级压缩机(如二级压缩机)，对空气进行主压缩，提高压缩效果。

第一压缩机可以为但不局限于离心式压缩机，由变速电机驱动，单独运行，不影响第二压缩机的运行，效果好，可靠性高。第二压缩机可以为但不局限于升压涡轮压缩机，效果好，可靠性高。

在上述任一技术方案中，所述膨胀机的进气口与出气口之间的工作压力比大于1，并小于或等于3；和/或所述第二压缩机的出气口与进气口之间的工作压力比大于1，并小于等于3。

在该技术方案中，通过对上述工作压力比的限定，能够对系统的运行效率进行优化。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例所述的压缩空气换热系统的制冷原理示意图；

图2是图1所示压缩空气换热系统的制热原理示意图；

图3是本发明一个实施例所述的压缩空气换热系统的制冷原理示意图；

图4是图3所示压缩空气换热系统的制热原理示意图；

图5是本发明一个实施例所述的压缩空气换热系统的制冷原理示意图；

图6是图5所示压缩空气换热系统的制热原理示意图；

图7是本发明一个实施例所述的压缩空气换热系统的制冷原理示意图；

图8是图7所示压缩空气换热系统的制热原理示意图；

图9是本发明一个实施例所述的连接轴与动压气体轴承配合的局部示意图；

图10是本发明一些实施例所述的动压气体轴承的结构示意图；

图11是图10中A处的放大结构示意图。

其中，图1至图11中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100空气制冷流路，11第一压缩机，12第二压缩机，13膨胀机，14驱动电机，141连接轴，15动压气体轴承，151轴承座，152鼓泡箔片，153平箔片，16新风换热器，161新风换热流路，162第一换热流路，17冷却换热器，171冷却流路，172第二换热流路，18第一控制阀，19第二控制阀，20第一温度传感器，21第二温度传感器，23第三温度传感器，24风机，25变速电机，102出风口，104回风口，106换气口，108排气口，200房间；

其中，图1至图8中的箭头示意空气的流动方向。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图11描述根据本发明一些实施例所述的压缩空气换热系统。

实施例一

一种压缩空气换热系统，包括：空气制冷流路100。如图1和图2所示，空气制冷流路100上设有第一压缩机11、第二压缩机12、膨胀机13。第一压缩机11和第二压缩机12用于对流经空气制冷流路100的空气升温升压。膨胀机13用于对流经空气制冷流路100的空气降温降压。

其中，膨胀机13通过连接轴141与第二压缩机12同轴连接，如图1和图2所示，且第二压缩机12的进气口连通第一压缩机11的出气口。

本发明提供的压缩空气换热系统，利用空气作为制冷剂，经过压缩机的升温升压和膨胀机13的降温降压配合，来完成对房间200等使用载体的制冷或者制热。由于压缩空气换热系统使用空气作为制冷剂，安全无污染，不会对环境造成危害，且省去了传统的氟利昂等制冷剂带来的成本，也无需定期补充制冷剂，因而有利于降低生产成本和后期的维护成本。

同时，第一压缩机11的出气口连通第二压缩机12的进气口，因而经第一压缩机11压缩后的空气会进入第二压缩机12再次压缩，从而对流经空气制冷流路100的空气进行了双级压缩。双级压缩能够提高膨胀机13的膨胀比和焓降，因此提高了膨胀机13的做功能力，增大了单位制冷量。且相较于单级压缩，双级压缩能效更好，也提高了压缩空气换热系统的制热量。

并且，空气制冷剂相较于传统的液态制冷剂，能够降低系统压力(小于3bar)，使得系统运行更加可靠，寿命更长。直接将压缩空气换热系统的回风口104与使用载体连通即可，这样省去了传统空调室内侧的换热器，使得房间200的送风口可以按照用户需要设计成其他形式，更符合房间200的装饰风格。

此外，膨胀机13通过连接轴141与第二压缩机12同轴连接，使得第二压缩机12可以回收膨胀机13的膨胀功，也就是说可以利用膨胀机13的膨胀功作为第二压缩机12的动力源，进而提高系统能效。

进一步地，压缩空气换热系统还包括：驱动电机14，如图1和图2所示。其中，驱动电机14与连接轴141同轴相连，用于辅助膨胀机13驱动第二压缩机12。

利用驱动电机14来辅助膨胀机13驱动第二压缩机12，使得第二压缩机12可以有两种工作模式。具体地，当膨胀机13输出的膨胀功能够满足第二压缩机12的功耗时，驱动电机14不需要工作，直接由膨胀机13驱动第二压缩机12即可；当膨胀机13输出的膨胀功不足以满足第二压缩机12的功耗时，驱动电机14输出机械能，与膨胀机13共同驱动第二压缩机12，提高涡轮转速，增大涡轮温降和系统制冷量。

具体地，驱动电机14为高速电机。

进一步地，压缩空气换热系统具有出风口102、回风口104、排气口108和换气口106，如图1和图2所示。出风口102和回风口104用于与使用载体连通，排气口108和换气口106用于与外界大气连通，空气制冷流路100的入口和出口分别形成回风口104及排气口108。

进一步地，空气制冷流路100上设有新风换热器16，如图1和图2所示。新风换热器16设有新风换热流路161和第一换热流路162。新风换热流路161的入口和出口分别与换气口106及出风口102连通，如图1和图2所示。第一换热流路162接入空气制冷流路100，用于利用空气制冷流路100中的空气与新风换热流路161进行热交换。

出风口102和回风口104是压缩空气换热系统与使用载体(如房间200)进行气流交换的通道，而排气口108和换气口106是压缩空气换热系统与外界大气(也就是使用载体外侧的大气环境)进行气流交换的通道。新风换热器16的第一换热流路162接入空气制冷流路100，因而会有升温升压或者降温降压的气体流过，进而能够与新风换热流路161进行热交换。而新风换热流路161通过换气口106吸入外界大气的空气，并与第一换热流路162换热后经回风口104送入使用载体，进而对使用载体进行制热或者制冷。新风换热器16的设置，使得压缩空气换热系统能够向使用载体输送制冷或者制热后的新风，兼具换热和净化空气的功能，能够保证房间200空气质量，有利于用户的身心健康。

换言之，新风换热流路161和空气制冷流路100相并联，空气制冷流路100用于制冷制热。新风换热流路161用于产生新风，并吸收空气制冷流路100产生的热量以向使用载体输送加热后的新风，或者向空气制冷流路100输送热量以向使用载体输送降温后的新风。空气制冷流路100通过回气口将使用载体内的空气吸收，并通过排气口108排入外界大气，新风换热流路161通过换气口106吸入外界大气的空气，并通过出风口102排入使用载体。由此形成循环。

进一步地，空气制冷流路100上设有切换装置，切换装置用于切换空气制冷流路100的流向，以使压缩空气换热系统在制冷模式与制热模式之间切换。

切换装置的设置，使得空气制冷流路100的流向可以切换，从而使得压缩空气换热系统既能够用于制冷，也能够用于制热，丰富了压缩空气换热系统的功能，扩大了压缩空气换热系统的使用范围。

当然，也可以取消切换装置，则压缩空气换热系统只具有制热功能，可以满足寒带地区等气温偏低地域的使用需求或者满足保温装置的使用需求，或者只具有制冷功能，可以满足热带地区等气温偏高地域的使用需求或者满足制冷装置的需求。

具体地，切换装置包括：第一控制阀18和第二控制阀19，如图1和图2所示。

其中，第一控制阀18与压缩空气换热系统的回风口104、第一压缩机11的进气口、膨胀机13的进气口、第一换热流路162的出口相连，用于导通回风口104与膨胀机13的进气口以及导通第一换热流路162的出口与第一压缩机11的进气口(如图1所示)，或者导通回风口104与第一压缩机11的进气口以及导通第一换热流路162的出口与膨胀机13的进气口(如图2所示)。

第二控制阀19与第二压缩机12的出气口、膨胀机13的出气口、第一换热流路162的入口、压缩空气换热系统的排气口108相连，用于导通第二压缩机12的出气口与排气口108以及导通膨胀机13的出气口与第一换热流路162的入口(如图1所示)，或者导通第二压缩机12的出气口与第一换热流路162的入口以及导通膨胀机13的出气口与排气口108(如图2所示)。

当第一控制阀18导通回风口104与膨胀机13的进气口、以及导通第一换热流路162的出口与第一压缩机11的进气口，且第二控制阀19导通第二压缩机12的出气口与排气口108、以及导通膨胀机13的出气口与第一换热流路162的入口时，压缩空气换热系统切换至制冷模式运行：

如图1所示，回风依次经回风口104、第一控制阀18进入膨胀机13，降温降压后经第二控制阀19进入第一换热流路162，与新风换热流路161热交换被加热后经第一控制阀18进入第一压缩机11升温升压，再进入第二压缩机12中被第二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，最后经第二控制阀19、通过排气口108排出到外界大气。同时，外界大气温度较高的新风经换气口106进入新风换热流路161，并与第一换热流路162进行热交换被冷却后送入使用载体(如房间200内)对使用载体进行冷却。

并且，空气制冷流路100中的空气经新风换热器16降温后才进入膨胀机13降温降压，相当于进行了两次降温，因而有利于提高系统的制冷能力。

当第一控制阀18导通回风口104与第一压缩机11的进气口、以及导通第一换热流路162的出口与膨胀机13的进气口，且第二控制阀19导通第二压缩机12的出气口与第一换热流路162的入口、以及导通膨胀机13的出气口与排气口108时，压缩空气换热系统切换至制热模式运行：

如图2所示，回风经回风口104、第一控制阀18进入第一压缩机11升温升压，再进入第二压缩机12中被二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，然后经过第二控制阀19进入第一换热流路162，与新风换热流路161进行热交换被冷却后经第一控制阀18进入膨胀机13，降温降压后经过第二控制阀19、通过排气口108排出至外界大气。

同时，外界大气温度较低的新风，经换气口106进入新风换热流路161，并与第一换热流路162进行热交换被加热后送入使用载体对使用载体进行加热。

并且，空气制冷流路100中的空气经新风换热器16升温后才进入第一压缩机11升温升压，又进入第二压缩机12升温升压，相当于进行了三次降温，因而有利于提高系统的制热能力。

具体地，第一控制阀18为第一四通阀，如图1和图2所示。第一四通阀的四个端口分别与回风口104、第一压缩机11的进气口、膨胀机13的进气口、第一换热流路162的出口相连通。

第二控制阀19为第二四通阀，如图1和图2所示。第二四通阀的四个端口分别与第二压缩机12的出气口、膨胀机13的出气口、第一换热流路162的入口、排气口108相连通。

在该实施例中，第一控制阀18和第二控制阀19采用四通阀的形式，结构较为简单，切换较为方便，有利于节约管路长路，优化管路布局，简化产品结构，且控制较为方便。

实施例二

在实施例一的基础上，进一步地，连接轴141上套设有动压气体轴承15，如图3、图4和图9所示。

本方案使用动压气体轴承15，依靠轴与轴承之间的高速相对运动产生动压润滑的压力气模，装配要求低，抗转子不对中，高速下稳定性好。相对静压气体轴承及磁悬浮轴承，结构更加简单，成本更低，更适用于家用空调。

具体地，如图10和图11所示，动压气体轴承15包括波箔型箔片轴承，波箔型箔片轴承包括：轴承座151和多层箔片。轴承座151的内侧壁开设有固定槽。多层箔片套设在轴承座151的内侧，并设置有固定部，固定部与固定槽相配合使多层箔片与轴承座151固定连接。多层箔片包括平箔片153和套设在平箔片153的径向外侧的鼓泡箔片152。其中，每一层箔片的安装方向均与轴承的旋转方向相反。

在该实施例中，轴承选用波箔型箔片轴承，通过轴承座151上设置的固定槽，在多层箔片上设置固定部，可通过固定槽和固定部之间的配合实现箔片与轴承座151的固定，从而减少在转动过程中发生的径向跳动，以影响轴承的正常使用。其中，多层箔片包括平箔片153和鼓泡箔片152，鼓泡箔片152套设于平箔片153外，更利于在转动时产生压力气膜，从而为连接轴141提供支撑，有利于提升连接轴141高速运转的稳定性。

此外，由于将箔片的安装方向与轴承的旋转方向相反设置，以保证轴承的稳定运转。若由于安装失误将箔片与轴承的旋转方向同向设置，则在启动时，箔片会缠绕到轴上卡住，无法正常使用。

其中，鼓泡箔片152包括多个弧片，多个弧片沿动压气体轴承15的周向间隔分布，平箔片153的数量为两层，且与鼓泡箔片152相邻设置的平箔片153与多个弧片相连。

或者，鼓泡箔片152为一体式结构，平箔片153的数量为一层。

在该实施例中，鼓泡箔片152可由多个沿轴承的周向间隔分布的弧片构成，同时将平箔片153与鼓泡箔片152相邻设置，在鼓泡箔片152设于平箔片153的基础上，通过平箔片153限制鼓泡箔片152径向位置。

此外，鼓泡箔片152可以为一体式结构，在鼓泡箔片152内侧的平箔片153仅为一层，可减少安装时的零件数量，提高安装效率，同时也可在满足转动的基础上，减少轴承整体的重量以及生产成本。

实施例三(图中未示出)

与实施例一的区别在于：第一控制阀18包括：第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀和第四单向阀。第二控制阀19包括：第五单向阀、第六单向阀、第七单向阀和第八单向阀。

其中，第一单向阀位于回风口104与膨胀机13的进气口之间，用于使回风口104向膨胀机13的进气口单向导通。

第二单向阀位于第一换热流路162的出口与第一压缩机11的进气口之间，用于使第一换热流路162的出口向第一压缩机11的进气口单向导通。

第三单向阀位于回风口104与第一压缩机11的进气口之间，用于使回风口104向第一压缩机11的进气口单向导通。

第四单向阀位于第一换热流路162的出口与膨胀机13的进气口之间，用于使第一换热流路162的出口向膨胀机13的进气口单向导通。

第五单向阀位于第二压缩机12的出气口与排气口108之间，用于使第二压缩机12的出气口向排气口108单向导通。

第六单向阀位于膨胀机13的出气口与第一换热流路162的入口之间，用于使膨胀机13的出气口向第一换热流路162的入口单向导通。

第七单向阀位于第二压缩机12的出气口与第一换热流路162的入口之间，用于使第二压缩机12的出气口向第一换热流路162的入口单向导通。

第八单向阀，位于膨胀机13的出气口与排气口108之间，用于使膨胀机13的出气口向排气口108单向导通。

在该实施例中，第一控制阀18和第二控制阀19分别采用四个单向阀的形式，分别控制四条管路的单向导通，也能够实现制冷制热的切换。

实施例四

与实施例一的区别在于：膨胀机13与第二压缩机12等功率匹配，以单独驱动第二压缩机12，如图5和图6所示。

实施例五

与实施例二的区别在于：膨胀机13与第二压缩机12等功率匹配，以单独驱动第二压缩机12，如图7和图8所示。

在实施例四与实施例五中，膨胀机13与第二压缩机12等功率匹配，则膨胀机13输出的膨胀功能够满足第二压缩机12的功耗需求，因而无需额外配置驱动电机14，实现了自给自足，从而简化了产品结构，降低了产品成本。

可以理解的是，通常单级压缩配备的膨胀机13不足以驱动与其同轴连接的压缩机，需要配备高速电机来辅助驱动。而本申请中额外配置了一个第一压缩机11，因而能够降低与膨胀机13同轴连接的第二压缩机12的能耗，使得与其同轴连接的膨胀机13足以驱动第二压缩机12，以省去高速电机。

在上述任一实施例中，进一步地，空气制冷流路100上设有冷却换热器17，如图1至图8所示。冷却换热器17设有冷却流路171和第二换热流路172。冷却流路171的两端分别连通第一压缩机11的出气口与第二压缩机12的进气口。第二换热流路172的两端连通外界大气用于与冷却流路171进行热交换。

冷却流路171的两端分别连通第一压缩机11的出气口与第二压缩机12的进气口，因而第一压缩机11压缩后的空气，在进入第二压缩机12之前，能够通过冷却换热器17适当散热冷却，以降低进入第二压缩机12的空气温度，从而降低第二压缩机12对空气的压缩难度，有利于提高系统能效。

具体地，冷却换热器17为风冷换热器。

进一步地，如图3、图4、图7和图8所示，出风口102处设有第一温度传感器20，回风口104处设有第二温度传感器21，换气口106处设有第三温度传感器23，出风口102处设有风机24。

在出风口102处设置第一温度传感器20，便于实时检测出风口102处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在回风口104处设置第二温度传感器21，便于实时检测回风口104处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在换气口106处设置第三温度传感器23，便于实时检测换气口106处的温度，为压缩空气换热系统的调控提供依据。

在出风口102处设置风机24，有利于新风换热流路161的空气流动，进而促进新风换热流路161的空气循环，以进一步提高系统能效。

在上述任一实施例中，第一压缩机11为一级或多级压缩机，第二压缩机12为一级或多级压缩机。

第一压缩机11可以根据需要选择一级或多级压缩机，对空气进行预压缩。第二压缩机12也可以根据需要选择一级或多级压缩机(如二级压缩机)，对空气进行主压缩，提高压缩效果。

在上述任一实施例中，第一压缩机11为离心式压缩机，由变速电机25驱动，第二压缩机12为升压涡轮压缩机。

第一压缩机11可以为但不局限于离心式压缩机，由变速电机25驱动，单独运行，不影响第二压缩机12的运行，效果好，可靠性高。第二压缩机12可以为但不局限于升压涡轮压缩机，效果好，可靠性高。

在上述任一实施例中，膨胀机13的进气口与出气口之间的工作压力比大于1，并小于或等于3。

进一步地，第二压缩机12的出气口与进气口之间的工作压力比大于1，并小于等于3。

在该实施例中，通过对上述工作压力比的限定，能够对系统的运行效率进行优化。

下面以压缩空气换热系统用作空调，对房间进行制冷制热进行具体说明，并与传统空调进行对比。

现有家用空调原理大多是蒸汽压缩式制冷，即利用制冷剂的相变潜热带走房间的冷量或者热量。大部分制冷剂对环境有危害，如温室效应、臭氧层空洞。同时人如果长时间待在无新风的空调环境下，身体健康会受到影响。

而本申请的原理是空气制冷。空气制冷是以空气为制冷剂，经过压缩机的升温升压和膨胀机的降温降压配合完成对房间的制冷或者制热。

具体地，系统主要由膨胀机、压缩机、新风换热器、风冷换热器、风机和四通换向阀组成，其中压缩机包括一级压缩机和二级压缩机。一级压缩机为离心式压缩机，由可变速的电机驱动。二级压缩机为升压涡轮，和膨胀机同轴，回收膨胀功。

换言之，二级压缩机与膨胀机形成增压膨胀一体机。也就是说，透平膨胀机和离心压缩机同轴连接。其中，轴承为动压气体轴承。压缩机使进口空气压力升高，温度也会随着增加；膨胀机被空气推动，通过轴补偿功给压缩机，空气温度随之降低。

通过第一四通阀、第二四通阀的切换完成制冷制热循环的切换，下面介绍其工作原理。

制冷：室内空气经过第一四通阀进入膨胀机，降温降压后经过第二四通阀进入新风换热器，被加热后经过第一四通阀进入一级压缩机升温升压，接着进入风冷换热器散热(中间冷却过程)，再进入二级压缩机中被第二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，最后经第二四通阀排出到室外。同时，室外较高温度的新风在风机作用下经过新风换热器被冷却，送入室内对房间进行冷却。

制热：室内空气经过第一四通阀进入一级压缩机升温升压，接着进入风冷换热器散热(中间冷却过程)，再进入二级压缩机中被第二次压缩，温度上升至系统最高，压力也得到了提高，同时又回收了膨胀功，然后经过第二四通阀进入新风换热器，被冷却后经过第一四通阀进入膨胀机，降温降压后经过第二四通阀排出室外。同时，室外较低温度的新风，在风机作用下经过新风换热器后被加热，送入室内对房间进入加热。

在一个具体示例中，如图7和图8所示，压缩机和膨胀机同轴连接，两者采用的是等功率匹配，不需要外加电机驱动，系统实现“自给自足”。

在另一个具体示例中，如图3和图4所示，透平膨胀机和二级压缩机的连接轴上增加一同轴工作的高速电机，构成高速电机驱动的空气循环机组件—增压膨胀一体机。它有两种工作模式：当膨胀机的输出功满足压缩机的功耗时高速电机不需要工作；否则当膨胀机的输出功不满足压缩机的功耗时高速电机输出机械能，提高涡轮转速，增大涡轮温降和系统制冷量。

膨胀机和压缩机压比小于3，保证系统效率最优。压比更大，系统的能效会降低。

由此，本申请具有以下有益效果：

1)双级压缩提高了透平膨胀机的膨胀比和焓降，因此提高了膨胀机的做功能力，增大了单位制冷量。

2)使用空气为制冷剂，安全污染，省却制冷剂成本。

3)系统压力低(＜3bar)，运行可靠，寿命长。

4)使用动压气体轴承，依靠轴与轴承之间高速相对运动产生动压润滑的压力气膜，装配要求低，抗转子不对中，高速下稳定性好。相比静压气体轴承及磁悬浮轴承，结构更加简单，成本更低，更试用家用空调。

5)制冷制热都是全新风送风，制冷时，回风直接经过膨胀机膨胀，部分冷量被回收，再又压缩机排出室外；制热时，回风直接经过压缩机膨胀，回收部分热量，再由膨胀机排出到室外。

6)室内侧无换热器，送风口可以按照设置成其他形式，更符合房间的装饰风格。

当然，压缩空气换热系统也可以用作冰箱、冷柜等制冷装置或者用作保温箱等制热装置，则使用载体相应为冷藏室、冷冻室、保温室等空间。

在本发明中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定。术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；“相连”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (15)

1.一种压缩空气换热系统，其特征在于，包括：

空气制冷流路，所述空气制冷流路上设有第一压缩机、第二压缩机、膨胀机，所述第一压缩机和所述第二压缩机用于对流经所述空气制冷流路的空气升温升压，所述膨胀机用于对流经所述空气制冷流路的空气降温降压；

其中，所述膨胀机通过连接轴与所述第二压缩机同轴连接，且所述第二压缩机的进气口连通所述第一压缩机的出气口。

2.根据权利要求1所述的压缩空气换热系统，其特征在于，还包括：

驱动电机，与所述连接轴同轴相连，用于辅助所述膨胀机驱动所述第二压缩机。

3.根据权利要求1所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述膨胀机与所述第二压缩机等功率匹配，以单独驱动所述第二压缩机。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述连接轴上套设有动压气体轴承。

5.根据权利要求4所述的压缩空气换热系统，其特征在于，所述动压气体轴承包括波箔型箔片轴承，所述波箔型箔片轴承包括：

轴承座，所述轴承座的内侧壁开设有固定槽；

多层箔片，套设在所述轴承座的内侧，并设置有固定部，所述固定部与所述固定槽相配合使所述多层箔片与所述轴承座固定连接；所述多层箔片包括平箔片和套设在所述平箔片的径向外侧的鼓泡箔片；

其中，每一层所述箔片的安装方向均与所述轴承的旋转方向相反。

6.根据权利要求5所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述鼓泡箔片包括多个弧片，多个所述弧片沿所述动压气体轴承的周向间隔分布，所述平箔片的数量为两层，且与所述鼓泡箔片相邻设置的所述平箔片与多个所述弧片相连；或者

所述鼓泡箔片为一体式结构，所述平箔片的数量为一层。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述压缩空气换热系统具有出风口、回风口、排气口和换气口，所述出风口和所述回风口用于与使用载体连通，所述排气口和所述换气口用于与外界大气连通，所述空气制冷流路的入口和出口分别形成所述回风口及所述排气口；

所述空气制冷流路上设有新风换热器，所述新风换热器设有新风换热流路和第一换热流路；所述新风换热流路的入口和出口分别与所述换气口及所述出风口连通；所述第一换热流路接入所述空气制冷流路，用于利用所述空气制冷流路中的空气与所述新风换热流路进行热交换。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述空气制冷流路上设有切换装置，所述切换装置用于切换所述空气制冷流路的流向，以使所述压缩空气换热系统在制冷模式与制热模式之间切换。

9.根据权利要求8所述的压缩空气换热系统，其特征在于，所述切换装置包括：

第一控制阀，与所述压缩空气换热系统的回风口、所述第一压缩机的进气口、所述膨胀机的进气口、第一换热流路的出口相连，用于导通所述回风口与所述膨胀机的进气口以及导通所述第一换热流路的出口与所述第一压缩机的进气口，或者导通所述回风口与所述第一压缩机的进气口以及导通所述第一换热流路的出口与所述膨胀机的进气口；和

第二控制阀，与所述第二压缩机的出气口、所述膨胀机的出气口、所述第一换热流路的入口、所述压缩空气换热系统的排气口相连，用于导通所述第二压缩机的出气口与所述排气口以及导通所述膨胀机的出气口与所述第一换热流路的入口，或者导通所述第二压缩机的出气口与所述第一换热流路的入口以及导通所述膨胀机的出气口与所述排气口。

10.根据权利要求9所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述第一控制阀为第一四通阀，所述第一四通阀的四个端口分别与所述回风口、所述第一压缩机的进气口、所述膨胀机的进气口、所述第一换热流路的出口相连通；或者

所述第一控制阀包括：

第一单向阀，位于所述回风口与所述膨胀机的进气口之间，用于使所述回风口向所述膨胀机的进气口单向导通；

第二单向阀，位于所述第一换热流路的出口与所述第一压缩机的进气口之间，用于使所述第一换热流路的出口向所述第一压缩机的进气口单向导通；

第三单向阀，位于所述回风口与所述第一压缩机的进气口之间，用于使所述回风口向所述第一压缩机的进气口单向导通；和

第四单向阀，位于所述第一换热流路的出口与所述膨胀机的进气口之间，用于使所述第一换热流路的出口向所述膨胀机的进气口单向导通。

11.根据权利要求9所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述第二控制阀为第二四通阀，所述第二四通阀的四个端口分别与所述第二压缩机的出气口、所述膨胀机的出气口、所述第一换热流路的入口、所述排气口相连通；或者

所述第二控制阀包括：

第五单向阀，位于所述第二压缩机的出气口与所述排气口之间，用于使所述第二压缩机的出气口向所述排气口单向导通；

第六单向阀，位于所述膨胀机的出气口与所述第一换热流路的入口之间，用于使所述膨胀机的出气口向所述第一换热流路的入口单向导通；

第七单向阀，位于所述第二压缩机的出气口与所述第一换热流路的入口之间，用于使所述第二压缩机的出气口向所述第一换热流路的入口单向导通；

第八单向阀，位于所述膨胀机的出气口与所述排气口之间，用于使所述膨胀机的出气口向所述排气口单向导通。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述空气制冷流路上设有冷却换热器，所述冷却换热器设有冷却流路和第二换热流路，所述冷却流路的两端分别连通所述第一压缩机的出气口与所述第二压缩机的进气口，所述第二换热流路的两端连通外界大气用于与所述冷却流路进行热交换。

13.根据权利要求7所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述出风口处设有第一温度传感器；和/或

所述回风口处设有第二温度传感器；和/或

所述换气口处设有第三温度传感器；和/或

所述出风口处设有风机。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述第一压缩机为一级或多级压缩机；和/或

所述第二压缩机为一级或多级压缩机；和/或

所述第一压缩机为离心式压缩机，由变速电机驱动；和/或

所述第二压缩机为升压涡轮压缩机。

15.根据权利要求1至3中任一项所述的压缩空气换热系统，其特征在于，

所述膨胀机的进气口与出气口之间的工作压力比大于1，并小于或等于3；和/或

所述第二压缩机的出气口与进气口之间的工作压力比大于1，并小于等于3。

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