CN111059050A - 一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机及其热泵系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机及其热泵系统，膨胀压缩机包括壳体，壳体内沿轴向依次设置有膨胀定涡旋盘、膨胀动涡旋盘、膨胀十字架、压缩十字架、压缩动涡旋盘和压缩定涡旋盘，膨胀定涡旋盘、膨胀十字架、压缩十字架和压缩定涡旋盘均与壳体固定连接，壳体内还设置有主轴，膨胀动涡旋盘和压缩动涡旋盘通过主轴固定连接。本发明无需电机驱动即可回收膨胀功，并降低了主压缩机的压缩比，减少了外界功的输入，并且可以调节膨胀比，从而使膨胀压缩机适应不同的工况条件。

Description

一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机及其热泵系统
技术领域
本发明属于热泵技术领域，更具体地，涉及一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机及其热泵系统。
背景技术
在制冷热泵系统中，超临界CO2工质可以实现对环境无污染，并且化学稳定性和安全性好。CO2跨临界制冷循环需要的主要结构有蒸发器、压缩机、气体冷却器和节流阀。首先液态CO2通过蒸发器吸热汽化，此时CO2为低温低压气体，低于临界压力，然后CO2气体通过压缩机的压缩作用使压力值不断提高形成高温高压气体，大于临界压力；在气体冷却器中CO2气体在超临界状态下定压放热，最后通过节流装置绝热节流完成一个制冷循环系统。膨胀阀代替节流阀，可以减少节流过程会造成的能量损失，但如何利用回收所得的膨胀功，是亟待解决的问题。另外，在不同的环境温度条件下，热泵循环可能处于不同的压缩比，膨胀机也相应地需要有不同的膨胀比，才能适应各种不同工况下的稳定运行。因此，现有技术中亟需一种能够有效回收膨胀机的膨胀功，并且能够改变膨胀比的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种无需电机驱动即能够回收膨胀功，并且可以调节膨胀比的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机及其热泵系统。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，包括壳体，所述壳体内沿轴向依次设置有膨胀定涡旋盘、膨胀动涡旋盘、膨胀十字架、压缩十字架、压缩动涡旋盘和压缩定涡旋盘，所述膨胀定涡旋盘、所述膨胀十字架、所述压缩十字架和所述压缩定涡旋盘均与所述壳体固定连接，所述壳体内还设置有主轴，所述膨胀动涡旋盘和所述压缩动涡旋盘通过所述主轴固定连接；
所述膨胀动涡旋盘与所述膨胀定涡旋盘以180°相位差扣合组装，所述膨胀动涡旋盘的底面压紧所述膨胀十字架，所述壳体侧壁上开设有与所述膨胀定涡旋盘中心连通的主膨胀进气管，所述主膨胀进气管连接有进气组合阀，所述壳体上还开设有与所述膨胀定涡旋盘的最外沿相连通的膨胀排气管；
所述压缩定涡旋盘和所述压缩动涡旋盘以180°相位差扣合组装，所述压缩动涡旋盘的底面压紧所述压缩十字架，所述壳体上开设有与所述压缩定涡旋盘的最外沿相连通的压缩进气管，所述压缩定涡旋盘的中央开设有主排气口，所述主排气口上设置有主排气阀片，所述壳体侧壁上还开设有压缩排气管。
所述壳体侧壁上还开设有与所述膨胀定涡旋盘由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一膨胀进气管和第二膨胀进气管，所述第一膨胀进气管和所述第二膨胀进气管均与所述进气组合阀连接。
所述壳体侧壁上还开设有与所述压缩定涡旋盘的由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一压缩排气口和第二压缩排气口，所述第一压缩排气口上设置有第一排气阀片，所述第二压缩排气口上设置有第二排气阀片。
所述壳体内壁还固定设置有法兰，所述法兰与所述膨胀定涡旋盘、压缩定涡旋盘均通过螺栓固定连接。
本发明还提供了如下技术方案。
一种具有无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机的热泵系统，包括依次连接的蒸发器、旁通阀、主压缩机、气体冷却器和电子膨胀阀，所述主压缩机还连接有电机，所述的热泵系统还包括无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，所述气体冷却器的工质出口还连接有第一膨胀阀，所述第一膨胀阀的出口与所述进气组合阀的进气口连接，所述膨胀排气管与所述蒸发器的工质入口连接，所述蒸发器的工质出口还连接有截止阀，所述截止阀的出口与所述压缩进气管连接，所述压缩排气管与所述压缩机的进气口连接。
所述膨胀排气管还连接有第二膨胀阀，所述第二膨胀阀的出口与所述蒸发器的工质入口连接。
本发明与现有技术相比的有益效果是：通过压缩膨胀机的动膨胀涡旋盘与动压缩涡旋盘一体设置，使得膨胀机在工质在其膨胀气缸中膨胀的过程中，同时对进入其压缩气缸中的工质进行预压缩，从而无需电机驱动即可回收膨胀功，并降低了主压缩机的压缩比，减少了外界功的输入；通过在设计多个膨胀进气管，改变膨胀比，从而使膨胀压缩机适应不同的工况条件。
附图说明
图1是本发明中压缩膨胀机设计为卧式的主视结构示意图。
图2是图1中A-A截面的剖视图。
图3是图1中B-B截面的剖视图。
图4是本发明中压缩膨胀机设计为立式的主视结构示意图。
图5是本发明中热泵系统的系统图。
附图标记：1-无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，2-主压缩机，3-电机，4-气体冷却器，5-第一膨胀阀，6-第二膨胀阀，7-电子膨胀阀，8-蒸发器，9-截止阀，10-旁通阀，101-进气组合阀，102-主膨胀进气管，103-第一膨胀进气管，104-膨胀定涡旋盘，105-膨胀排气管，106-膨胀动涡旋盘，107-膨胀十字架，108-压缩进气管，109-排气阀片，110-压缩排气管，111-压缩定涡旋盘，112-压缩动涡旋盘，113-压缩十字架，114-主轴，115-第二膨胀进气管，116-法兰，117-螺栓，118-壳体，119-主排气口，120第一压缩排气管，121第二压缩排气管，122-第一排气阀片，123-第二排气阀片。
具体实施方式
如图1-3所示的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，包括壳体118，壳体118内沿轴向依次设置有膨胀定涡旋盘104、膨胀动涡旋盘106、膨胀十字架107、压缩十字架113、压缩动涡旋盘112和压缩定涡旋盘111，膨胀定涡旋盘104、膨胀十字架107、压缩十字架113和压缩定涡旋盘111均与壳体118固定连接，壳体118内还设置有主轴114，膨胀动涡旋盘106和压缩动涡旋盘112通过主轴114固定连接。
膨胀动涡旋盘106与膨胀定涡旋盘104以180°相位差扣合组装，膨胀动涡旋盘106的底面压紧膨胀十字架107，膨胀动涡旋盘106与膨胀定涡旋盘104构成了膨胀气缸，壳体118侧壁上开设有与膨胀定涡旋盘104中心连通的主膨胀进气管102，主膨胀进气管102连接有进气组合阀101，壳体118上还开设有与膨胀定涡旋盘104的最外沿相连通的膨胀排气管105。
压缩定涡旋盘111和压缩动涡旋盘112以180°相位差扣合组装，压缩动涡旋盘112的底面压紧压缩十字架113，压缩定涡旋盘111和压缩动涡旋盘112构成了压缩气缸，壳体118上开设有与压缩定涡旋盘111的最外沿相连通的压缩进气管108，压缩定涡旋盘111的中央开设有主排气口119，主排气口119上设置有排气阀片109，壳体118侧壁上还开设有压缩排气管110。
壳体118侧壁上还开设有与膨胀定涡旋盘104的由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一膨胀进气管103和第二膨胀进气管115，第一膨胀进气管103和第二膨胀进气管115均与进气组合阀101连接。
壳体118侧壁上还开设有与压缩定涡旋盘111的由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一压缩排气管120和第二压缩排气管121，第一压缩排气口120上设置有第一排气阀片122，第二压缩排气口121上设置有第二排气阀片123。
壳体118内壁还固定设置有法兰116，法兰116与膨胀定涡旋盘104、压缩定涡旋盘111均通过螺栓117固定连接，膨胀十字架107和压缩十字架113都与壳体118内壁固定连接。在本实施例中，膨胀十字架107和压缩十字架113分别焊接在了壳体118内壁的相应位置，在安装涡旋盘时，膨胀动涡旋盘106压紧膨胀十字架107，膨胀定涡旋盘104再压紧膨胀动涡旋盘106；压缩动涡旋盘112压紧压缩十字架113，压缩定涡旋盘111再压紧压缩动涡旋盘112。壳体118内壁四周设置多个法兰116，膨胀定涡旋盘104和压缩定涡旋盘111的外沿均设有内螺纹孔，每个法兰116上都设有与两个定涡旋盘上的内螺纹孔相对应的内螺纹孔，用螺栓117穿过上述内螺纹孔并锁紧，使两个定涡旋盘都分别和相应的法兰116固定连接，从而使两个定涡旋盘与壳体118固定成为一体。通过上述方式，使定涡旋盘、动涡旋盘和十字架依次压紧，由于定涡旋盘和十字架都已经与壳体118固定为一体，两个动涡旋盘就只能绕定涡旋盘中心线运动，而不会产生大的轴向晃动，以免影响压缩和膨胀过程。
图1中的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机为卧式结构。如图4所示，无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机还可以设计为立式结构，立式膨胀压缩机与卧式膨胀压缩机相同，区别仅在于立式膨胀压缩机的主轴114为竖直设置，卧式膨胀压缩机的主轴114为水平设置。压缩排气管110都设置在壳体118侧壁靠近底部处，并且与压缩定涡旋盘111与壳体118之间的空腔相连通，使得经过排气阀片排出的工质能够从压缩排气管110排出壳体118外。
如图5所示的具有无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机的热泵系统，包括依次连接的蒸发器8、旁通阀10、主压缩机2、气体冷却器4和电子膨胀阀7，主压缩机2还连接有电机3，热泵系统还包括无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机1，气体冷却器4的工质出口还连接有第一膨胀阀5，第一膨胀阀5的出口与进气组合阀101的进气口连接，膨胀排气管105与蒸发器8的工质入口连接，蒸发器8的工质出口还连接有截止阀9，截止阀9的出口与压缩进气管108连接，压缩排气管110与主压缩机2的进气口连接。
膨胀排气管105还连接有第二膨胀阀6，第二膨胀阀6的出口与蒸发器8的工质入口连接。
由于第一膨胀阀5、无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机1的膨胀气缸、第二膨胀阀6的串联组合与电子膨胀阀7是并联关系，截止阀9、无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机1的压缩气缸的串联组合与旁通阀10为并联关系。因此，通过控制阀的开闭，可以使上述热泵系统在两种不同工作状态下切换。
第一种工作状态：只打开电子膨胀阀7和旁通阀10，不启动无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机1，使系统处于传统制冷热泵循环的工作状态。CO2工质通过旁通阀10进入主压缩机2中进行压缩后，进入气体冷却器4中冷却，然后进入电子膨胀阀7，经蒸发器8回到旁通阀10，完成一次循环。
第二种工作状态：关闭电子膨胀阀7和旁通阀10，打开第一膨胀阀5、第二膨胀阀6和截止阀9，启动无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机1，工质从气体冷却器4中冷却后，在进气组合阀101控制下，由主膨胀进气管102进入膨胀气缸中央的月牙形密封腔，气体的高低压差使膨胀动涡旋盘106围绕膨胀定涡旋盘104的中心线做偏心距很小的圆周运动，两盘槽板的啮合线依次接触，使月牙形密封腔的空间变大，完成膨胀过程；当膨胀动涡旋盘106最外延接触膨胀定涡旋盘104时，密封腔体积达到最大，膨胀过程结束，二氧化碳气体由膨胀定涡旋盘104外延的膨胀排气口105排出，完成排气过程；膨胀动涡旋盘106与压缩动涡旋盘112固定连接在主轴114的两侧，二氧化碳在膨胀过程中，膨胀动涡旋盘106带动主轴114，进而带动压缩动涡旋盘112同步转动，压缩动涡旋盘112围绕压缩定涡旋盘111的中心线做偏心距很小的圆周运动，两盘槽板的啮合线依次接触，使月牙形密封腔的空间变小，完成压缩过程，即膨胀气缸中逆过程，将膨胀功进行回收利用，减少外部输入电能的消耗。工质从蒸发器8进入压缩进气管108，经压缩过程后从主排气口119排出，再经压缩排气管110排出壳体118进入主压缩机2。排气阀片的工作原理是：当气体大于其预设压力时，阀片会被气体顶开。当压缩气缸中的工质压力大于其预设值时，工质将会顶开排气阀片109排气。
在上述第二种工作状态的基础上，还可以根据工况需要，由进气组合阀101控制，只接通第一膨胀进气管103或第二膨胀进气管115。进气管越靠近涡旋盘的中央，气体流动的圈数越多，运动路程越长，膨胀比就越大，反之，则膨胀比越小。因此，进气组合阀101接通第二膨胀进气管115时，气体膨胀的体积最小，膨胀比最小；进气组合阀101接通主膨胀进气管102时，气体膨胀的体积最大，膨胀比最大。如果需要改变膨胀比，可以控制进气组合阀101关闭主膨胀进气管102，打开第一膨胀进气管103或第二膨胀进气管115，改变膨胀气缸内气体膨胀的体积，从而改变膨胀比。
此外，如果进气组合阀101接通主膨胀进气管102时，膨胀压缩机的膨胀比仍不能满足工况的要求，还可以关闭单向阀11，打开第二膨胀阀6，使在膨胀压缩机中膨胀的工质经过第二膨胀阀6进一步节流膨胀。
如需根据工况降低压缩比，还可以打开第一压缩排气管120或第二压缩排气管121，被压缩的工质顶开第一排气阀片122或第二排气阀片123，并通过压缩排气管110排出，进入主压缩机2。排气管越靠近涡旋盘的中央，气体流动的圈数越多，运动路程越长，压缩比就越高，反之，则压缩比越低。工质进入气体冷却器4之前所需要的压力，根据工况的需求而调整，从而调节制冷/热泵系统的制冷量/制热量。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，包括壳体(118)，其特征是，所述壳体(118)内沿轴向依次设置有膨胀定涡旋盘(104)、膨胀动涡旋盘(106)、膨胀十字架(107)、压缩十字架(113)、压缩动涡旋盘(112)和压缩定涡旋盘(111)，所述膨胀定涡旋盘(104)、所述膨胀十字架(107)、所述压缩十字架(113)和所述压缩定涡旋盘(111)均与所述壳体(118)固定连接，所述壳体(118)内还设置有主轴(114)，所述膨胀动涡旋盘(106)和所述压缩动涡旋盘(112)通过所述主轴(114)固定连接；
所述膨胀动涡旋盘(106)与所述膨胀定涡旋盘(104)以180°相位差扣合组装，所述膨胀动涡旋盘(106)的底面压紧所述膨胀十字架(107)，所述壳体(118)侧壁上开设有与所述膨胀定涡旋盘(104)中心连通的主膨胀进气管(102)，所述主膨胀进气管(102)连接有进气组合阀(101)，所述壳体(118)上还开设有与所述膨胀定涡旋盘(104)的最外沿相连通的膨胀排气管(105)；
所述压缩定涡旋盘(111)和所述压缩动涡旋盘(112)以180°相位差扣合组装，所述压缩动涡旋盘(112)的底面压紧所述压缩十字架(113)，所述壳体(118)上开设有与所述压缩定涡旋盘(111)的最外沿相连通的压缩进气管(108)，所述压缩定涡旋盘(111)的中央开设有主排气口(119)，所述主排气口(119)上设置有主排气阀片(109)，所述壳体(118)侧壁上还开设有压缩排气管(110)。
2.根据权利要求1所述的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，其特征是，所述壳体(118)侧壁上还开设有与所述膨胀定涡旋盘(104)由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一膨胀进气管(103)和第二膨胀进气管(115)，所述第一膨胀进气管(103)和所述第二膨胀进气管(115)均与所述进气组合阀(101)连接。
3.根据权利要求1所述的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，其特征是，所述壳体(118)侧壁上还开设有与所述压缩定涡旋盘(111)的由中心向外第二圈和第三圈盘体分别连通的第一压缩排气口(120)和第二压缩排气口(121)，所述第一压缩排气口(120)上设置有第一排气阀片(122)，所述第二压缩排气口(121)上设置有第二排气阀片(123)。
4.根据权利要求1所述的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机，其特征是，所述壳体(118)内壁还固定设置有法兰(116)，所述法兰(116)与所述膨胀定涡旋盘(104)、压缩定涡旋盘(111)均通过螺栓(117)固定连接。
5.一种具有如权利要求1中所述的无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机的热泵系统，包括依次连接的蒸发器(8)、旁通阀(10)、主压缩机(2)、气体冷却器(4)和电子膨胀阀(7)，所述主压缩机(2)还连接有电机(3)，其特征是，所述的热泵系统还包括无电机可变膨胀比涡旋式膨胀压缩机(1)，所述气体冷却器(4)的工质出口还连接有第一膨胀阀(5)，所述第一膨胀阀(5)的出口与所述进气组合阀(101)的进气口连接，所述膨胀排气管(105)与所述蒸发器(8)的工质入口连接，所述蒸发器(8)的工质出口还连接有截止阀(9)，所述截止阀(9)的出口与所述压缩进气管(108)连接，所述压缩排气管(110)与所述主压缩机(2)的进气口连接。
6.根据权利要求5中所述的热泵系统，其特征是，所述膨胀排气管(105)还连接有第二膨胀阀(6)，所述第二膨胀阀(6)的出口与所述蒸发器(8)的工质入口连接。
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