CN111206963A - 涡旋膨胀机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种涡旋膨胀机，包括：壳体；以及膨胀机构，设置在壳体内并且将具有进气压力的高压流体膨胀变为具有排气压力的低压流体，膨胀机构包括定涡旋盘和动涡旋盘并且限定有排气腔、进气腔和封闭的一系列膨胀腔，在膨胀机构上设置有背压腔，背压腔与一系列膨胀腔中的中压腔流体连通，设置有从背压腔流体连通至具有排气压力的低压区域的至少一个通路，通路构造成：当背压腔内的压力小于低压区域的压力时使通路开放，当背压腔内的压力大于等于低压区域的压力时使通路封闭，根据本发明的涡旋膨胀机能够避免涡旋膨胀机无法正常启动和工作的问题，并且结构简单、易于加工制造且成本效益高。

Description

涡旋膨胀机

技术领域

本发明涉及膨胀机领域，更具体地，涉及一种涡旋膨胀机。

背景技术

本部分提供了与本发明相关的背景信息，这些信息并不必然构成现有技术。

膨胀机是利用高压流体膨胀成低压流体向外输出机械功或电功的装置。一种常见的膨胀机为涡旋膨胀机。涡旋膨胀机的膨胀机构包括动涡旋盘和定涡旋盘。动涡旋盘和定涡旋盘彼此接合以在动涡旋涡卷与定涡旋涡卷之间限定一系列膨胀腔，所述一系列膨胀腔从膨胀机构的中心径向向外地体积逐渐增大，由此使得从膨胀机构中心处的进气口进入膨胀机构内的高压流体在经由所述一系列膨胀腔后变为低压流体并通过排气口被排出膨胀机构。在流体膨胀过程中产生驱动力矩，例如带动轴旋转以输出机械功或电功。

不管是浮动动涡旋的膨胀机还是浮动定涡旋的膨胀机，当背压腔内通常无法提供足够的压力使得动静涡旋压紧时，就会造成动静涡旋分离或者动静涡旋的异常晃动，导致涡旋膨胀机内无法建立正常的压力差或动静涡盘之间的磨损，从而无法正常启动和工作。

以浮动定涡旋的涡旋膨胀机——尤其是定涡旋盘的定涡旋盘端板的背侧上设置有浮动密封圈以密封所述背压腔的涡旋膨胀机——为例，该背压腔由设置在定涡旋盘端板上的凹槽和浮动密封圈构成，其中，背压腔流体连通至膨胀机构内限定的具有低于进气压力且高于排气压力的中间压力的中压腔，通过使背压腔中具有与中压腔相同的压力，能够确保动涡旋盘和定涡旋盘彼此接合，并且这种接合是柔性接合，能够提供一定的轴向柔性而使动涡旋盘和定涡旋盘免遭由于刚性接合而在特定情况下(例如杂质颗粒物进入膨胀机构内)所导致的严重磨损，另外，浮动密封圈依靠背压腔中的压力而被推压抵靠相对应的壁(特别地，使得浮动密封圈的上板的顶端抵靠例如隔板的下表面)，从而浮动密封圈将涡旋膨胀机壳体内的低压区(具有排气压力)、高压区(具有高压流体压力)以及上述中压区(背压腔，具有中间压力)彼此隔离，从而确保涡旋膨胀机正常工作。

如上所述，浮动密封圈需要依靠中压腔中的足够的压力来发挥密封作用，以保证涡旋膨胀机正常启动和正常工作。然而，在现有技术的涡旋膨胀机中，在启动之前，背压腔内通常无法提供足够的压力来为浮动密封圈提供足够的支承，当开始向涡旋膨胀机内的高压区中输入高压流体时，浮动密封圈由于受力不平衡(例如由于中压腔膨胀而使其压力下降进而导致背压腔的压力也下降至低于低压区的压力而引起受力不平衡)而向背压腔中塌缩，从而无法发挥密封隔离作用(即，使得流体从高压区直接流动至低压区而导致膨胀机构被旁通)，导致涡旋膨胀机内无法建立正常的压力差，从而无法正常启动和工作。因此，需要提供一种改进的涡旋膨胀机，以克服现有技术中的上述技术问题。

发明内容

在本部分中提供本发明的总体概要，而不是本发明完全范围或本发明所有特征的全面公开。

本发明的目的是针对上面提到的一个或多个技术问题进行改进。

根据本发明的一个方面，提供了一种涡旋膨胀机，包括：

壳体；以及

膨胀机构，所述膨胀机构设置在所述壳体内并且构造成将具有进气压力的高压流体膨胀变为具有排气压力的低压流体，所述膨胀机构包括定涡旋盘和动涡旋盘并且在所述膨胀机构内限定有排气腔、进气腔和封闭的一系列膨胀腔，其中，在所述膨胀机构上设置有背压腔，所述背压腔与所述一系列膨胀腔中的具有低于进气压力且高于排气压力的中间压力的中压腔流体连通，

其中，设置有从所述背压腔流体连通至具有排气压力的低压区域的至少一个通路，并且，所述通路构造成：当所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时使所述通路开放，当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时使所述通路封闭。

通过设置上述通路，能够在所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时使所述通路开放，以弥补所述背压腔内的压力不足的情况，而当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时使所述通路封闭，从而保持所述背压腔内的压力。可见，通过上述构型能够克服现有技术中的涡旋膨胀机无法正常启动和工作的技术问题。

根据本发明的一个方面，所述定涡旋盘能够相对于所述动涡旋盘进行轴向浮动。

根据本发明的一个方面，所述背压腔设置在所述定涡旋盘的定涡旋盘端板的背侧处，所述背压腔由浮动密封圈密封。

根据本发明的一个方面，所述低压区域包括所述膨胀机构外部的低压区和所述膨胀机构的与所述低压区直接连通的排气腔，所述通路设置于所述定涡旋盘端板中并直接连通至所述低压区或者直接连通至所述排气腔。

根据本发明的一个方面，在所述通路处设置有能够封闭和开放所述通路的单向阀，使得：当所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时使所述通路开放，当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时使所述通路封闭。

根据本发明的一个方面，所述通路包括朝向所述背压腔内开口的孔口，所述单向阀设置在所述孔口的区域处以封闭和开放所述孔口。

根据本发明的一个方面，所述单向阀包括设置在所述孔口处的阀片和阀档，所述阀片设置成一端固定的能够弹性变形的阀片或者能够整体移动的阀片，所述阀挡设置成将所述阀片置于所述孔口与所述阀挡之间。

根据本发明的一个方面，所述单向阀包括设置在所述孔口处的盖件，当所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时，所述盖件使所述孔口开放，当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时，所述盖件抵靠封闭所述孔口。

根据本发明的一个方面，所述盖件为一端固定的能够弹性变形的长形阀片，所述单向阀还包括阀挡，所述阀挡设置成将所述阀片置于所述孔口与所述阀挡之间，并且所述阀挡的面向所述阀片的侧面形成为弧面。

这种能够弹性变形的长形阀片不仅结构简单而且本身具有较好的回弹性，经久耐用，并能够准确、及时地封闭所述孔口，具有较高的灵敏度。优选地，通过设置上述阀挡，能够有效控制长形阀片的变形程度(偏离所述孔口的距离)，避免长形阀片由于意外受到较大的力而过度变形从而不能及时封闭孔口的情况，因此能够进一步提高单向阀的灵敏度。

根据本发明的一个方面，所述盖件为能够整体移动的阀片，所述单向阀还包括阀挡，所述阀挡设置成将所述盖件置于所述孔口与所述阀挡之间，所述阀挡与所述孔口之间设有允许所述阀片移动远离所述孔口的预定间隔。这种能够整体移动的阀片具有更高的压差灵敏度，能够充分打开孔口以便于流体流动。

根据本发明的一个方面，在所述背压腔的底壁围绕所述孔口形成有凹槽，所述阀挡固定于所述凹槽的内周壁上并且在所述阀挡与所述凹槽的内周壁之间设置有间隙。通过在所述阀挡与所述凹槽的内周壁之间设置间隙，便于流体经由所述间隙进出所述孔口。

根据本发明的一个方面，所述盖件为圆形片材并且所述阀挡具有柱状形状，以与形成为大致圆形的所述凹槽相适配。

根据本发明的一个方面，所述阀挡具有贯穿两个端面的中心贯通孔，所述中心贯通孔大致垂直于所述盖件。通过设置所述贯通孔，背压腔内部的流体压力能够更直接、更均匀地作用于阀片，使得阀片不易横向移动或侧倾，并且便于阀片更灵敏地响应于背压腔内部的流体压力而纵向移动远离或接近所述孔口。

根据本发明的一个方面，在形成为大致圆形的所述凹槽的内周壁上设置有纵向凹道，所述纵向凹道形成所述间隙。

根据本发明的一个方面，所述背压腔与所述中压腔经由呼吸孔而流体连通，所述通路的内径大于所述呼吸孔的内径。

根据本发明的一个方面，在所述背压腔中设置有弹簧组件，所述弹簧组件的上端抵靠所述浮动密封圈，所述弹簧组件的下端抵靠所述背压腔的底壁。

根据本发明的一个方面，所述弹簧组件包括抵靠所述浮动密封圈的至少一个支承构件和设置在所述支承构件下方并抵靠所述背压腔的底壁的至少一个弹性构件。

通过设置这种弹簧组件能够进一步为浮动密封圈提供支承，同时，由于提供的是弹性支承，因而也不会影响膨胀机构的轴向柔性。

根据本发明的一个方面，所述支承构件为环状片材，所述弹性构件为沿周向呈凹凸状的环形构件。这种沿周向呈凹凸状的环形构件能够提供较好的稳定承载并且具有一定的弹性变形能力，且纵向方向上只需占用较小的空间，更适用于背压腔的内部狭小空间。

总体上，根据本发明的涡旋膨胀机至少带来以下有益效果：根据本发明的涡旋膨胀机能够有效避免现有技术中的涡旋膨胀机由于背压腔内的初始压力不足而无法正常启动和工作的技术问题，并且，本发明的涡旋膨胀机结构简单、易于加工制造，具有较高的成本效益。

附图说明

根据以下参照附图的详细描述，本发明的前述及另外的特征和特点将变得更加清楚，这些附图仅作为示例并且不一定是按比例绘制。在附图中采用相同的参考标记指示相同的部件，在附图中：

图1示出根据本发明的第一优选实施方式的涡旋膨胀机的纵向截面图，其中示出从背压腔通向膨胀机构外部的通路；

图2示出包括图1所示的涡旋膨胀机的示意性流体膨胀循环系统；

图3示出现有技术中的涡旋膨胀机的膨胀机构中的浮动密封圈在启动涡旋膨胀机时的受力图；

图4示出图1中的涡旋膨胀机的局部纵向截面图，其中示出膨胀机构中的定涡旋盘的纵向截面图，并且示出了所述通路直接通向所述膨胀机构外部。

图5a示出图1中的涡旋膨胀机的局部纵向截面图，其中示出膨胀机构中的定涡旋盘的一部分的截面图，并且示出设置在背压腔内的单向阀的截面图；

图5b示出图5a中的单向阀的分解立体图；

图5c示出图5a中的单向阀的放大的截面图，其中示出了单向阀处于将通路的孔口封闭的状态；

图5d示出图5a中的单向阀的放大的截面图，其中示出了单向阀处于使通路的孔口开放的状态；

图6a示出根据本发明的第二优选实施方式的涡旋膨胀机中的定涡旋盘的纵向截面图，并且示出设置在背压腔内的单向阀的截面图；

图6b示出图6a中的单向阀的分解立体图；

图6c示出图6a中的单向阀的放大的截面图，其中示出了单向阀处于将通路的孔口封闭的状态；

图6d示出图6a中的单向阀的放大的截面图，其中示出了单向阀处于使通路的孔口开放的状态；

图7示出根据本发明的另一优选实施方式的涡旋膨胀机中的定涡旋盘的纵向截面图，其中示出了所述通路从背压腔连通至排气腔；

图8a示出根据本发明的第三优选实施方式的涡旋膨胀机中的膨胀机构的纵向截面图，并且示出设置在背压腔内的弹簧组件的截面图；

图8b示出图8a中的弹簧组件中的支承构件的立体图；

图8c示出图8a中的弹簧组件中的弹性构件的立体图；以及

图8d示出图8a中的膨胀机构的局部截面图，其中示出了弹簧组件的放大的截面图。

参考标记列表

涡旋膨胀机1；壳体10；顶盖14；底盖16；隔板15；进气管17

排气管18；主轴承座40；旋转轴30；定子52；转子54

膨胀机构EM；定涡旋盘22；动涡旋盘24；定涡旋盘端板220

外部流体循环路径11；高压流体管171

低压流体管181；高压阀K1；旁通管100；旁通阀K2

定涡旋盘端板的第一侧面P1；进气口I；排气腔26

定涡旋盘端板的第二侧面P2；背压腔C；浮动密封圈S；中压腔28

低压区A1；高压区A2；通路L；单向阀V；通路的孔口L1；盖件V1

盖件的螺钉孔V10；螺钉V2；螺纹孔O；阀挡V3；阀挡的螺钉孔V30

阀挡的侧面V31；凹槽L10；凹槽的内周壁L102

阀挡的中心贯通孔V32；弹簧组件T；支承构件T1；弹性构件T2

具体实施方式

现在将结合附图1-8d对本发明的优选实施方式进行详细描述。以下的描述在本质上只是示例性的而非意在限制本发明及其应用或用途。在各视图中，相对应的构件或部分采用相同的参考标记。

在下述示例性实施方式中，所述涡旋膨胀机示例性地示出为浮动定涡旋的立式涡旋膨胀机。在一些情况下，根据本发明的设置有从背压腔流体连通至低压区域的通路这一技术构思也可以适用于例如背压腔设置在动涡旋盘一侧的浮动动涡旋膨胀机的场合。并且，根据本发明的涡旋膨胀机(下文又称“膨胀机”)也可以是诸如卧式涡旋膨胀机的任何其他合适类型的涡旋膨胀机。

下面将参照图1来描述根据本发明的涡旋膨胀机1的基本构造和原理。

如图1所示，涡旋膨胀机1包括大致圆筒形的壳体10、设置在壳体10一端的顶盖14以及设置在壳体10另一端的底盖16。壳体10、顶盖14以及底盖16构成涡旋膨胀机1的具有封闭空间的外壳。

涡旋膨胀机1还包括设置在顶盖14和壳体10之间以将膨胀机的内部空间分隔成高压区A2(也称为高压空间)和低压区A1(也称为低压空间)的隔板15。隔板15和顶盖14之间构成高压区A2，而隔板15、壳体10和底盖16之间构成低压区A1。在高压区设置有用于引入高压流体(也称为工作流体)的进气管17，在低压区A1设置有用于排出膨胀后的低压流体的排气管18。

涡旋膨胀机1还包括由定涡旋盘22和动涡旋盘24构成的膨胀机构EM。动涡旋盘24能够相对于定涡旋盘22平动转动(即，动涡旋盘24的中心轴线绕定涡旋盘22的中心轴线公转，但是动涡旋盘24本身不会绕自身的中心轴线自转)。所述平动转动通过例如设置在定涡旋盘22和动涡旋盘24之间的十字滑环来实现。

定涡旋盘22包括定涡旋盘端板220、从定涡旋盘端板的第一侧面P1延伸的定涡旋涡卷和设置在定涡旋盘端板220的中心处的用于供高压流体进入膨胀机构EM中的进气口I，动涡旋盘24包括动涡旋盘端板以及从动涡旋盘端板的一侧面延伸的动涡旋涡卷，在膨胀机构EM内限定有如下各个腔体：流体连通至膨胀机构EM的排气口的排气腔26(排气腔26直接流体连通至前述低压区A1，并与低压区A1统称为低压区域)，以及由定涡旋涡卷和动涡旋涡卷接合形成的与进气口I流体连通的进气腔和用于使工作流体体积膨胀的封闭的一系列膨胀腔。具体地，在所述一系列膨胀腔中，径向最内侧的膨胀腔邻近进气口I并且具有与引入的高压流体基本相同的进气压力，因而称为高压腔，径向最外侧的膨胀腔具有与即将排出膨胀机构EM的低压流体基本相同的排气压力，因而称为低压腔，介于高压腔和低压腔之间的膨胀腔具有低于吸气压力且高于排气压力的中间压力，因而称为中压腔28。其中，在定涡旋盘端板220的第二侧面(背侧)P2上设置有背压腔C，背压腔C由浮动密封圈S密封并通过呼吸孔(图中未示出)与中压腔28流体连通。

高压流体经由进气管17进入涡旋膨胀机1内的高压区A2，然后经由进气口I进入膨胀机构EM中。进入膨胀机构EM的高压流体流经体积逐渐增大的一系列膨胀腔而被膨胀并变为低压流体。所述低压流体被排出至膨胀机构EM外部的低压区A1中，然后经由连接至涡旋膨胀机1的排气管18而被排出至涡旋膨胀机1外部。

涡旋膨胀机1还包括主轴承座40。主轴承座40通过合适的紧固方式相对于壳体10固定。动涡旋盘端板由主轴承座40支承。

涡旋膨胀机1还包括旋转轴(也可以称为输出轴)30。旋转轴30由设置在主轴承座40中的主轴承以可旋转的方式支撑。旋转轴30的一端联接至动涡旋盘24的毂部从而被驱动旋转。当涡旋膨胀机1运行时，在膨胀机构EM对流体进行膨胀的过程中产生驱动力矩，带动旋转轴30旋转以输出机械功或电功。

涡旋膨胀机1还可以包括由定子52和转子54构成的发电机。定子52固定至壳体10。转子54设置在定子52与旋转轴30之间。转子54固定至旋转轴30的外周面上，以在涡旋膨胀机1运行时随着旋转轴30一起旋转，从而使得发电机能够发电。

在实际应用中，如图2所示的示意性流体膨胀循环系统(例如利用卡诺循环的有机朗肯循环系统)可以包括：如上所述的涡旋膨胀机1；以及外部流体循环路径11，外部流体循环路径11包括：流体连通至涡旋膨胀机1的进气管17的高压流体管171，高压流体管171用于向进气管17供送来自蒸发器的高压流体；流体连通至涡旋膨胀机1的排气管18的低压流体管181，低压流体管181用于将涡旋膨胀机1排出的低压流体供送至冷凝器；以及其他泵送部件(如图中所示的工质泵)，其中，在高压流体管171上、蒸发器与进气管17之间设置有高压阀K1，从高压阀K1与蒸发器之间的高压流体管171分支出的旁通管100流体连通至低压流体管181，并且在旁通管100上设置有旁通阀K2。

通常，在向膨胀机构EM内供送高压流体之前需要预先预热外部流体循环路径11上的各个部件(尤其是例如蒸发器和冷凝器的热交换器)。首先，关闭高压阀K1并打开旁通阀K2以建立由高压流体管171、旁通管100和低压流体管181等形成的流体循环回路，此时，流体循环回路中的高压侧和低压侧之间流体连通，同时，涡旋膨胀机1壳体10内的低压区A1(以及排气腔26)可以仍保持与低压流体管181连通，因而低压区A1(以及排气腔26)中的压力与即将进入膨胀机构EM内的高压流体的压力基本相同。由于低压区A1与排气腔26流体连通因而具有相同的流体压力，下文将以低压区A1为例来描述现有技术的涡旋膨胀机在启动过程中的受力。

在现有技术的涡旋膨胀机中，参照图3可知，在启动涡旋膨胀机工作时，浮动密封圈受到如下作用力：首先，当打开高压阀K1并关闭旁通阀K2并且开始向涡旋膨胀机1内的高压区A2中输入高压流体时，高压压力(或进气压力)F1以及低压区A1中的低压压力(或排气压力)F2(此时，低压压力F2与高压压力F1基本相同)同时作用于浮动密封圈S(如图3中所示)并且力的方向促使浮动密封圈S向背压腔C中塌缩，同时，经由中压腔28进入背压腔C中的流体由于经过了体积膨胀而压力下降为中间压力F3，显然，F3＜F1且F3＜F2，因此，从图3中可以明显看出，向浮动密封圈S提供支承的合力F3+F1小于促使浮动密封圈S向背压腔C中塌缩的合力F1+F2，因此，由于无法提供足够的承载力，使得浮动密封圈S受力不平衡并因此向背压腔C中塌缩而无法发挥密封隔离作用，特别地，使得浮动密封圈的上板的顶端离开例如隔板的下表面进而使得低压区A1与高压区A2直接连通，高压流体随后直接经由高压区A2而旁通至低压区A1而不会再进入膨胀机构EM内，涡旋膨胀机1内将无法建立正常的压力差，因而无法正常启动和工作。

针对上述技术问题，本发明对现有技术的涡旋膨胀机进行了改进，总体来讲，本发明通过将背压腔C改进为可以在其压力不足时流体连通至低压区域并且在其压力达到一定水平后与低压区域隔离而有效地避免了上述问题，实现了涡旋膨胀机的正常启动和工作。具体地，下文将参照图4至图8d详细描述根据本发明的若干优选实施方式的改进的涡旋膨胀机。

图4至图5d示出了图1中的根据本发明的第一优选实施方式的涡旋膨胀机的局部视图。参见图4，其中示出了膨胀机构EM中的定涡旋盘220的纵向截面图，并且示出了定涡旋盘220中的通路L从背压腔C直接延伸通向膨胀机构EM外部的低压区A1(参照图1、图2可知，膨胀机构EM处于低压区A1中)。通路L包括朝向背压腔C内开口的孔口L1，在孔口L1附近设置单向阀V用于封闭和开放孔口L1，并且优选地，在本实施方式中，在孔口L1的周围设置有凹槽L10用以将单向阀V容置在凹槽L10中，以更好地保护单向阀V免于外部干扰。

参照图5a至图5d，其中示出了一种示例性的单向阀V。根据本实施方式，单向阀V可以包括：盖件L1，盖件L1示出为一端带有螺钉孔V10的长形阀片；以及螺钉V2，螺钉V2穿过盖件L1的螺钉孔V10并通过与相对应的螺纹孔O配装而将盖件L1固定成使得盖件L1的另一端覆盖孔口L1，其中，盖件L1在本实施方式中由具有弹性变形性能的材料——例如金属、高分子聚合物等——制成，从而在背压腔C内的压力小于通路L连通的低压区A1中的压力时，盖件L1将弹性变形而朝向背压腔C内部弯曲，从而开放所述孔口L1。

根据上述构型，在启动根据本发明的涡旋膨胀机1开始工作之前的预热阶段，背压腔C中的压力会小于低压区A1中的低压压力F2(此时，低压压力F2基本等于高压流体压力)，因此在低压压力F2占主导的作用下，单向阀V的盖件V1弹性变形而使孔口L1开放，从而低压区A1中的流体经由通路L进入背压腔C中，直至背压腔C中的压力约等于低压压力F2，从而浮动密封圈S保持处于受力平衡状态。当开始向膨胀机构EM中供送高压流体时(此时旁通阀K2已被关闭)，高压流体经由体积膨胀后压力降低(高压流体经由中压腔28到达背压腔C后变为中间压力F3，此时F3＜F2，F2＝F1)并进入背压腔C中而使得背压腔中的压力又小于低压区A1中的低压压力F2，从而使得单向阀V的盖件V1弹性变形而使孔口L1开放，来自低压区A1的流体进入背压腔C从而向背压腔C提供压力补偿，以维持浮动密封圈S的受力平衡(参照图3，需指出的是，浮动密封圈的密封件与抵接密封的壁之间本身可以存在一定的摩擦力，图3中虽未示出该摩擦力，但本领域普通技术人员应当能够理解)，浮动密封圈S保持密封从而将涡旋膨胀机1壳体10内的高压区A2与低压区A1彼此密封隔离。随着源源不断的高压流体膨胀变为低压流体并被排出至低压区A1中，使得低压区A1中的低压压力F2逐渐下降为等于排气压力，因而低压区A1中的流体作用于浮动密封圈S的力也逐渐减小而小于背压腔C内的中间压力F3，当背压腔C内的中间压力F3足以保持浮动密封圈S的受力平衡时，背压腔C内的单向阀V将保持封闭通路L，此时，背压腔C内将保持稳定的中压压力F3，涡旋膨胀机1中也将建立起稳定的压力差，从而确保涡旋膨胀机1正常工作。

在本实施方式中，优选地，单向阀V还包括阀挡V3，阀挡V3如图5b所示为长形片材，阀挡V3的第一端带有供螺钉V2穿过的螺钉孔V30并被螺钉V2紧固成抵靠盖件V1，即，如图中所示，盖件V1被设置在孔口L1与阀挡V3之间，阀挡V3的第二端位于孔口L1的上方。在本实施方式中，阀挡V3的面向盖件V1的侧面V31形成为弧面，所述弧面随着远离所述第一端而远离孔口L1地延伸，使得阀挡V3的侧面V31与孔口L1之间存在一定的间隔，该间隔如图中所示地允许盖件V1在来自孔口L1中的流体的压力的作用下弹性变形而向背压腔C内弯曲，从而使孔口L1开放(参见图5d)，并且由于存在阀挡V3，能够限制盖件V1弹性变形的程度，便于盖件V1快速回复以封闭孔口L1(参见图5c)，使得盖件V1更灵敏。在实际应用中，阀挡V3可以具有任何可能的形状，例如阀挡V3本身或其侧面V31具有台阶状或其他形状，只要能够确保阀挡V3的侧面V31与孔口L1之间存在一定的间隔即可。

在上述描述中，尽管示出了盖件V1具有平坦的片材形状因而其仅在使孔口L1开放时发生弹性变形，但这并不排除盖件V1仅在封闭孔口L1时发生弹性变形的情况以及在封闭和开放孔口L1时均发生弹性变形的情况。根据实际应用需求，不仅可以选择具有合适的弹性形变抗力的材料，并且可以预先设置盖件V1的形状和/或取向，从而使得盖件V1可以仅在封闭孔口L1时发生弹性变形或者在封闭和开放孔口L1时均发生弹性变形，例如，参照图5b，盖件V1本身可以具有弧形形状，并在常态下如图5b中所示的那样固定成抵靠阀挡V3，此时盖件V1使孔口L1开放，但盖件V1不发生弹性变形，当盖件V1受力并封闭孔口L1时(如图5c所示)，盖件V1发生弹性变形，又例如，在此基础上改变盖件V1本身的弯曲弧度，使其在自然状态下处于孔口L1与阀挡V3中间的位置而不抵靠任何一者，那么显然，盖件V1在封闭和开放孔口L1时均会发生弹性变形。

另外，在本实施方式中，单向阀V设置在通路L的孔口L1处，但在实际应用中，单向阀也可以设计在通路L内或者设置在通路L的朝向膨胀机构EM的外部开口的另一孔口处，对于设置在所述另一孔口处的情况，仅仅是根据本发明的单向阀V的位置的改变，在此不再赘述，对于设置在通路L内的情况，则可以采用现有技术中已有的任何合适的单向阀来实现，例如可以采用瓣膜式的能够弹性变形的阀片，或者可以采用与车胎打气孔中的单向阀类似的构件来实现本发明。甚至，也可以考虑采用电控阀，该电控阀例如通过控制器而被控制成基于感测到的相关数据而打开和关闭或者以预定正时打开和关闭(例如在膨胀机开启时打开电控阀而在预定时间之后关闭电控阀)。

另外，在本实施方式中，单向阀V示出为包括如上所述地通过螺钉V2固定在一起的盖件V1和阀挡V3，并且盖件V1通过弹性变形来使孔口L1开放。但在实际应用中，单向阀V并不限于上述结构，一方面，盖件V1和阀挡V3可以通过任何其他合适的方式进行固定，例如可以通过卡扣连接、铰接、铆接、焊接、粘合等方式，并且，盖件V1和阀挡V3可以采取不同的固定方式、于不同的位置进行固定，并且还可以仅固定阀挡V3，盖件V1可以是完全由阀挡V3限定位置和移动范围的活动构件；另一方面，盖件V1本身也可以由不可弹性变形的材料制成，例如，盖件V1可以通过铰接等方式固定成能够枢转打开的叶片形式，而阀挡V3固定成用于限定盖件V1枢转打开的开口大小，甚至，阀挡V3可以是能够在一定程度上弹性变形的材料并通过在一定程度内的弹性变形来约束盖件V1枢转打开的开口大小。

图6a至图6d示出根据本发明的第二实施方式。参照图6b可知，在本实施方式中，通路L具有与第一实施方式相同的构型，单向阀V也设置在孔口L1处，单向阀V包括盖件V1和阀挡V3，示例性地，在图6a至图6d中，盖件V1被示出为圆形阀片，阀挡V3被示出为圆柱状构件，并且阀挡V3的中心处具有贯通两个圆形端面的中心贯通孔V32。参照图6c和图6d可知，盖件V1放置在孔口L1外周缘上的凹槽L10中并覆盖孔口L1，并且阀挡V3固定在孔口L1上方的预定间隔位置处以允许盖件V1在孔口L1与阀挡V3之间往复移动，并且阀挡V3的中心贯通孔V32垂直于盖件V1，以便于背压腔C内的流体压力能够均匀地施加至盖件V1。如上所述，本实施方式中的阀挡V3也可以通过各种合适的方式固定至背压腔C中，在本实施方式中，阀挡V3优选地通过过盈卡位配合而配装在凹槽L10中，并且，如图中所示，阀挡V3的一侧与凹槽L10的内周壁L102之间存在间隙，该间隙可以通过使凹槽L10的一部分径向向外扩展而形成，设置该间隙是为了便于在孔口L1开放时背压腔C与外部压力区域之间的流体连通。

当背压腔C内的压力小于低压区A1的压力时，盖件V1被上推至阀挡V3处，使得孔口L1开放(参见图6d)，从而使背压腔C经由所述间隙与孔口L1连通的低压区A1连通，当背压腔C内的压力大于等于低压区A1的压力时，盖件V1被推压抵靠孔口L1，从而封闭孔口L1。

尽管上述优选实施方式中的通路L均为从背压腔C直接连通至膨胀机构EM外部的低压区A1，但是本发明不限于此，例如图7中所示，通路L也可以从背压腔C连通至膨胀机构EM中的排气腔26，如前文所述，排气腔26流体连通至膨胀机构EM的排气口从而流体连通至低压区A1，因此，具有这种构型的通路L也可以实现本发明的技术目的。

另一方面，如前所述，背压腔C通过呼吸孔(图中未示出)与中压腔28流体连通，因此，在启动涡旋膨胀机的过程中，当背压腔C内的压力大于中压腔28内的压力时，背压腔C内的流体将经由所述呼吸孔而流入中压腔28内，从而使背压腔C内的流体压力下降为低于前述低压区域(低压区A1和排气腔26)的压力。因而，为了使背压腔C内的压力尽快升高以及更好地保持背压腔C内的压力与低压区域相同，可以使通路L的内径大于呼吸孔的内径，特别地，可以将通路L设置为使得通路L的各处的横截面的口径均显著地大于所述呼吸孔的直径，从而确保通过通路L进入背压腔C内的流体的量远远大于从背压腔C经由所述呼吸孔而流入中压腔28内的流体的量。

上述优选实施方式均涉及通路L和单向阀V，然而，本发明还可以采用其他不同的构件来为浮动密封圈S提供支承以确保涡旋膨胀机1的正常启动和工作。例如，图8a至图8d示出了根据本发明的第三优选实施方式。

根据第三优选实施方式，在前述第一和第二优选实施方式的基础上，添加了弹簧组件T。如图所示，弹簧组件T包括支承构件T1(图8b)和弹性构件T2(图8c)，其中支承构件T1抵靠支承浮动密封圈S，弹性构件T2设置在支承构件T1下方并抵靠背压腔C的底壁从而为支承构件T1以及浮动密封圈S提供弹性支承。根据本发明，支承构件T1可以是具有平稳承载能力的任何合适的构件，弹性构件T2可以是具有弹性变形能力的任何合适的构件，例如：螺旋弹簧、板簧、碟簧等等。在本实施方式中，优选地，支承构件T1示出为环状片材，弹性构件T2示出为沿周向呈凹凸状——优选地呈波浪状——的环形构件。并且优选地，如图8d中所示，支承构件T1具有一定的厚度，并且弹性构件T2可以由多个上述不规则形状的环形构件叠置组合形成，例如图中所示，弹性构件T2由两个上述不规则形状的环形构件叠置组合形成。

本领域普通技术人员应当理解，上述构型的弹簧组件T仅为一种示例性实施方式，其也可以是一体件，并且可以具有任何合适的构型。通过设置这种弹簧组件T，能够进一步为浮动密封圈S提供支承以确保涡旋膨胀机1的正常启动和工作。此外，尽管上述第三实施方式的涡旋膨胀机中同时采用了通路L、单向阀V以及弹簧组件T，但应当理解的是，在弹簧组件T能够向浮动密封圈S提供足够的支承力的情况下，完全可以不设置通路L和单向阀V，而仅仅采用弹簧组件T即可。

尽管上述优选实施方式中的通路、通路的孔口、单向阀及其盖件和阀挡、弹簧组件及其支承构件和弹性构件均示出为特定数目，但是，应当理解的是，根据实际应用，可以分别设置任意数目的多个上述构件。

尽管在前述实施方式中描述了根据本发明的涡旋膨胀机的示例性实施方式，但是，本发明并不限于此，而是在不背离本发明的精神及保护范围的情况下，可以进行各种改型、替换和组合。

显然，通过将不同的实施方式及各个技术特征以不同的方式进行组合或者对其进行改型，可以进一步设计得出各种不同的实施方式。

上文结合具体实施方式描述了根据本发明的优选实施方式的涡旋膨胀机。可以理解，以上描述仅为示例性的而非限制性的，在不背离本发明的范围的情况下，本领域技术人员参照上述描述可以想到多种变型和修改。这些变型和修改同样包含在本发明的保护范围内。

Claims (11)

1.一种涡旋膨胀机(1)，包括：

壳体(10)；以及

膨胀机构(EM)，所述膨胀机构设置在所述壳体内并且构造成将具有进气压力的高压流体膨胀变为具有排气压力的低压流体，所述膨胀机构包括定涡旋盘(22)和动涡旋盘(24)并且在所述膨胀机构内限定有排气腔(26)、进气腔和封闭的一系列膨胀腔，其中，在所述膨胀机构上设置有背压腔(C)，所述背压腔与所述一系列膨胀腔中的具有低于进气压力且高于排气压力的中间压力的中压腔(28)流体连通，

其中，设置有从所述背压腔流体连通至具有排气压力的低压区域的至少一个通路(L)，并且，所述通路(L)构造成：当所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时使所述通路开放，当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时使所述通路封闭。

2.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述定涡旋盘能够相对于所述动涡旋盘进行轴向浮动。

3.根据权利要求2所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述背压腔设置在所述定涡旋盘的定涡旋盘端板的背侧(P)处，所述背压腔由浮动密封圈(S)密封。

4.根据权利要求3所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述低压区域包括所述膨胀机构外部的低压区(A1)和所述膨胀机构的与所述低压区直接连通的排气腔，所述通路设置于所述定涡旋盘端板中并直接连通至所述低压区或者直接连通至所述排气腔。

5.根据权利要求1所述的涡旋膨胀机(1)，其中，在所述通路处设置有能够封闭和开放所述通路的单向阀(V)，使得：当所述背压腔内的压力小于所述低压区域的压力时使所述通路开放，当所述背压腔内的压力大于等于所述低压区域的压力时使所述通路封闭。

6.根据权利要求5所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述通路包括朝向所述背压腔内开口的孔口(L1)，所述单向阀设置在所述孔口的区域处以封闭和开放所述孔口。

7.根据权利要求6所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述单向阀包括设置在所述孔口处的阀片和阀档，所述阀片设置成一端固定的能够弹性变形的阀片或者能够整体移动的阀片，所述阀挡设置成将所述阀片置于所述孔口与所述阀挡之间。

8.根据权利要求1-7所述的涡旋膨胀机(1)，其中，所述背压腔与所述中压腔经由呼吸孔而流体连通，所述通路的内径大于所述呼吸孔的内径。

9.根据权利要求3或4所述的涡旋膨胀机，其中，在所述背压腔中设置有弹簧组件(T)，所述弹簧组件的上端抵靠所述浮动密封圈，所述弹簧组件的下端抵靠所述背压腔的底壁。

10.根据权利要求9所述的涡旋膨胀机，其中，所述弹簧组件包括抵靠所述浮动密封圈的至少一个支承构件(T1)和设置在所述支承构件下方并抵靠所述背压腔的底壁的至少一个弹性构件(T2)。

11.根据权利要求10所述的涡旋膨胀机，其中，所述支承构件为环状片材，所述弹性构件为沿周向呈凹凸状的环形构件。

Images