CN115199573A - 一种空气循环机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种空气循环机，包括膨胀机部分、压缩机部分、风机部分、主轴和径向轴，第一引气管路一端能够从膨胀机部分的膨胀腔内引入气体，另一端与进气通道的一端连通，进气通道的另一端连通第一轴承腔，主轴内部设置有冷却通道；第一密封结构抵接在所述风机座的轴向一侧端面，第一密封结构为环状结构，包括位于其径向内周并沿轴向间隔设置的至少2个密封齿，密封齿包括齿间隙面、齿直面和齿斜面，齿直面相对于齿斜面而靠近第一轴承腔设置。本发明能够有效地带走高速轴承摩擦热，提高了高速旋转的转子系统的稳定性，还能通过齿直面提供比齿斜面对气体流动方向更大的气体阻力，从而能够提高密封结构的密封效果。

Description

一种空气循环机

技术领域

本发明涉及空气循环机技术领域，具体涉及一种空气循环机。

背景技术

用于压缩空气循环制冷系统的空气循环机，其转子由气动轴承支承作高速旋转。轴承与转子间的空气摩擦热量需要及时排除，否则该热量积聚一定程度后，轴承被烧毁，空气循环机不能正常工作。为了及时排走热量，采用ACM自身内部的气体冷却轴承，那如何有序地控制冷却气流的流动是个极需解决的技术难题。

为了确保冷却轴承的气流处于有序的可控状态，那么容纳轴承的腔体应具备一定的密封性，而容纳轴承的腔体是由静止件和高速旋转件组合而成，因此需要解决高速转子动静之间的气流密封技术问题。

由于现有技术中的空气循环机存在无法在对轴承进行散热冷却的同时还能提高对冷却气体的密封效果，保证有效密封等技术问题，因此本发明研究设计出一种空气循环机。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的空气循环机存在无法在对轴承进行散热冷却的同时还能提高对冷却气体的密封效果，保证有效密封的缺陷，从而提供一种空气循环机。

为了解决上述问题，本发明提供一种空气循环机，其包括：

膨胀机部分、压缩机部分、风机部分和主轴，所述主轴穿设所述膨胀机部分、所述压缩机部分和所述风机部分；所述空气循环机还包括第一径向轴承、第二径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承、第一引气管路和进气通道，所述主轴通过第一径向轴承、第二径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承支撑，所述第一径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承均设置在第一轴承腔内；所述第二径向轴承与所述第一径向轴承沿所述主轴的轴向间隔设置，所述第二径向轴承设置在第二轴承腔内；

所述第一引气管路一端能够从所述膨胀机部分的膨胀腔内引入气体，另一端与所述进气通道的一端连通，所述进气通道的另一端连通所述第一轴承腔，用于输送冷却所述第一径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承的冷却空气；所述主轴内部设置有冷却通道，所述冷却通道能够将所述第一轴承腔中的气体导通至所述第二轴承腔中，用于输送冷却所述第二径向轴承的冷却空气；

所述空气循环机包括风机座、第一密封结构和第二密封结构，所述第二轴承腔设置在所述风机座的径向内侧，所述第一密封结构抵接在所述风机座的轴向一侧端面，所述第二密封结构抵接在所述风机座的轴向另一侧端面；

所述第一密封结构为环状结构，包括位于其径向内周并沿轴向间隔设置的至少2个密封齿，所述密封齿包括齿间隙面、齿直面和齿斜面，两个相邻的所述密封齿之间形成第一密封腔，所述第一密封腔的槽底形成齿底面，所述齿间隙面为位于所述密封齿的径向内侧的端面，沿着所述第一密封结构的轴向，所述齿直面为位于所述密封齿的轴向一侧的端面，所述齿斜面为位于所述密封齿的轴向另一侧的端面，所述齿直面沿着所述第一密封结构的径向方向延伸，所述齿斜面沿着与所述第一密封结构的径向方向成0～90°之间的夹角的倾斜方向延伸，且所述齿直面相对于所述齿斜面而靠近所述第二轴承腔设置。

在一些实施方式中，所述第一密封结构套设在所主轴的外周，所述主轴的外径为D01，所述主轴的外周面与所述齿间隙面之间的径向间隙为第一径向间隙J1，并有J11/D01＝0.01～0.02。

在一些实施方式中，所述齿间隙面与所述齿底面沿沿径向方向的距离为所述密封齿的齿高C01，所述齿间隙面沿轴向方向的宽度为所述密封齿的齿宽C02，所述齿斜面与所述齿底面之间的夹角为所述密封齿的齿斜角C03，两个相邻的所述密封齿之间沿轴向方向的间距为齿间距C04，所述齿间隙面的内径为齿内直径C05；并有：

C01/C05＝0.03～0.06；和/或，C02/C05＝0.006～0.02；和/或，C03＝90°～150°；

和/或，C04/C05＝0.03～0.08。

在一些实施方式中，所述主轴通过所述第二径向轴承装配在所述风机座上，所述第二轴承腔位于所述风机座、所述主轴、所述第一密封结构和所述第二密封结构围成的空间内；所述第一密封结构相对于所述第二密封结构而靠近所述压缩机部分；

还包括平衡件，所述平衡件套设于所述主轴上且与所述第二密封结构相对的位置，所述第二密封结构为环形筒状结构且套设于所述平衡件的外周，所述第二密封结构的内周与所述平衡件的外周之间具有第二径向间隙J12，形成间隙密封。

在一些实施方式中，所述第二密封结构的内径为D12，并有J12/D12＝0.01～0.08。

在一些实施方式中，所述空气循环机包括轴承座、第三密封结构和第四密封结构，所述第一轴承腔设置在所述轴承座的径向内侧，所述第三密封结构抵接在所述轴承座的轴向一侧端面，所述第四密封结构抵接在所述轴承座的轴向另一侧端面；

所述进气通道开设在所述轴承座上；所述主轴通过所述第一径向轴承、所述第一止推轴承和所述第二止推轴承被装配在所述轴承座上，所述第一轴承腔位于所述轴承座、所述主轴、第三密封结构和第四密封结构围成的空腔内。

在一些实施方式中，所述冷却通道包括第一冷却通道、第二冷却通道和第三冷却通道，所述第一冷却通道的一端能与所述第一轴承腔连通、另一端能与所述第二冷却通道连通，所述第二冷却通道沿所述主轴的轴向延伸，所述第三冷却通道的一端与所述第二冷却通道的一端连通、另一端与所述第二轴承腔连通。

在一些实施方式中，还包括径向轴，所述径向轴套设于所述主轴的部分轴段外周，所述径向轴的轴向一端能对所述压缩机部分进行轴向定位，所述径向轴的至少部分轴段的径向内周与所述主轴的外周之间形成第三腔体；所述第一轴承腔中的冷却空气能进入所述第三腔体中以对所述径向轴和所述主轴进行冷却。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承套设于所述径向轴的部分轴段的外周；所述第二止推轴承也套设于所述径向轴的部分轴段的外周，且所述径向轴的外周上设置有环形凹槽，所述第二止推轴承设置于所述环形凹槽中，以对所述径向轴形成轴向限位；所述径向轴与所述主轴之间固接。

在一些实施方式中，所述径向轴上还开设有径向气孔，所述径向气孔的一端与所述第一轴承腔连通、另一端与所述第三腔体连通，所述第一冷却通道连通的一端与所述第三腔体连通，且所述径向气孔与所述第一冷却通道不相对设置，二者在所述主轴的轴向上间隔设置。

在一些实施方式中，所述第一止推轴承和所述第二止推轴承之间还设置有止推轴的部分结构，所述进气通道的一端与所述止推轴相对，冷却气体从所述进气通道进入所述第一轴承腔并分别冷却所述第一止推轴承和所述第二止推轴承，之后再到达所述第一径向轴承并对其冷却；之后再通过所述第一冷却通道进入所述主轴内部的所述第二冷却通道中；冷却气体进入所述第二冷却通道后再通过所述第三冷却通道进入所述第二轴承腔中并对所述第二径向轴承冷却，所述径向轴的轴向另一端与所述止推轴抵接。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承与所述主轴之间或者所述第一径向轴承上沿其轴向开设有第一间隙，所述第一间隙能够将所述第一径向轴承的轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧；所述第一止推轴承与所述止推轴之间具有第二间隙，所述第二止推轴承与所述径向轴之间具有第三间隙，所述止推轴上沿其轴向开设有第四间隙，所述第四间隙能够将所述止推轴轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧，所述第二止推轴承位于所述止推轴与所述第一径向轴承之间。

在一些实施方式中，经过所述第二径向轴承后的气体能够被导通至所述压缩机部分的吸气口中；或者，

所述风机座上还开设有气路，所述气路的一端与所述第二轴承腔连通、另一端能够连通至所述风机座的外部。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承和所述第二径向轴承为径向气动轴承；和/或，所述第一止推轴承和所述第二止推轴承为止推气动轴承。

在一些实施方式中，所述膨胀机部分的膨胀壳体上还设置有第二引气通道，所述膨胀壳体上还设置有导气部，所述导气部上设置有第三引气通道，所述第一引气管路的一端与所述第三引气通道的一端连通，所述第三引气通道的另一端与所述第二引气通道的一端连通，所述第二引气通道的另一端与膨胀机部分的膨胀腔连通。

本发明提供的一种空气循环机具有如下有益效果：

1.本发明的空气循环机，通过设置第一引起管路和进气管道，能够将膨胀腔中的气体引入并导入至第一轴承腔中，从而能够有效地对第一轴承腔中的第一径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承进行冷却作用，还通过设计容纳轴承装置的另一个轴承腔(第二轴承腔)，使得经过第一轴承腔冷却后的气体再通过主轴内部开设的冷却通道被导通至第二轴承腔中，用于对第二径向轴承进行冷却作用，冷却气流与需要冷却的轴承装置直接接触，带走轴承装置的大量热量，有效提高了对轴承的冷却效果，增强了散热能力；并且还通过形成第二轴承腔的风机座的两端分别设置第一和第二密封结构，能够对第二轴承腔进行有效的密封作用，并且第一密封结构包括至少两个密封齿结构，并且密封齿包括齿直面和齿斜面，而且齿直面相对于齿斜面靠近第一轴承腔设置，由于冷却气体的主流方向沿着轴向方向流动，因此通过沿径向方向设置的齿直面相对于倾斜设置的齿斜面靠近第一轴承腔，能够通过齿直面提供比齿斜面对气体流动方向更大的气体阻力，从而能够提高第一密封结构的密封效果，齿斜面设置在气流流动方向的背面，能够使得少量翻过齿直面的气流沿着齿斜面的方向流动，有效减小密封齿背面处的涡流(回流)，从而有效减小气流损失，并且在第一密封腔中进行缓冲，在下一个齿直面进一步被阻挡，从而能够更大程度地提高对气体的密封效果。

2.本发明还通过在径向轴的内周与主轴的外周之间形成的第三腔体，能够使得冷却气体进入其中，以能对径向轴和主轴起到进一步有效冷却的作用，提高对主轴、径向轴以及轴承的冷却效果；并且通过套设于主轴部分轴段外周的径向轴能够有效对压缩机部分进行轴向定位，对压缩叶轮起到精确的定位效果，提高定位精度，保证在高速运行下的稳定性能。

3.本发明还通过将第二轴承腔的另一端连通至压缩机部分的吸气口处，使得第一轴承腔和第二轴承腔中依次对轴承冷却后的气体能被导入至压缩机部分的吸气口处，以增大压缩机吸气口处气体的温度，提高吸气过热度，提高压缩能力，提高空气循环机的能效，提高节能效果；并且防止液击；因此本发明的空气循环机能够有效地带走高速轴承摩擦热，提高了高速旋转的转子系统的稳定性，同时还能回收利用被排放的高压气流，取得了节能的效果；

附图说明

图1为本发明实施例的空气循环机的结构立体图；

图2为本发明实施例的空气循环机的转子组件的结构立体图；

图3为本发明实施例的空气循环机的结构剖视图；

图4为本发明实施例的空气循环机在去掉第一径向轴承、第一止推轴承、第二止推轴承和第二径向轴承后的结构剖视图；

图4a为图4中的第一密封结构的局部放大结构图；

图4b为图4中的第二密封结构的局部放大结构图；

图5为本发明实施例的空气循环机的内部冷却流路示意图；

图6为图4a中的第一密封结构的齿结构特征图；

图7为图4a中的第一密封结构的齿结构参数图。

附图标记表示为：

100、膨胀机部分；200、压缩机部分；300、风机部分；T01、膨胀机入口；T02、膨胀机出口；C01、压缩机入口；C02、压缩机出口；F01、风叶进气口；F02、风叶出气口；Z01、转子；

01、主轴；0101、第一冷却通道；0102、第二冷却通道；0103、第三冷却通道；0104、第二圆柱面；02、径向轴；0201、径向气孔；0202、第一圆柱面；B0201、第一径向轴承；B0202、第二径向轴承；B0203、第一止推轴承；B0204、第二止推轴承；03、止推轴；0301、第四间隙；04、膨胀壳体；0401、第二引气通道；05、导气部；0501、第三引气通道；06、第一引气管路；07、轴承座；0701、进气通道；08、第三密封结构；09、第四密封结构；10、风机座；11、第一密封结构；12、第二密封结构；13、平衡件；q1、第一轴承腔；q2、第二轴承腔；q3、第三腔体；q11、第一密封腔；M01、齿间隙面；M02、齿直面；

M03、齿斜面；M04、齿底面；J11、第一径向间隙；J12、第二径向间隙；C01、齿高；C02、齿宽；C03、齿斜角；C04、齿间距；C05、齿内直径。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

结合图1至图7所示，本发明实施例提供了一种空气循环机，其包括：

膨胀机部分100、压缩机部分200、风机部分300和主轴01，所述主轴01穿设所述膨胀机部分100、所述压缩机部分200和所述风机部分300；所述空气循环机还包括第一径向轴承B0201、第二径向轴承B0202、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204、第一引气管路06和进气通道0701，所述主轴01通过第一径向轴承B0201、第二径向轴承B0202、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204支撑，所述第一径向轴承B0201、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204均设置在第一轴承腔q1内；所述第二径向轴承B0202与所述第一径向轴承B0201沿所述主轴01的轴向间隔设置，所述第二径向轴承B0202设置在第二轴承腔q2内；

所述第一引气管路06一端能够从所述膨胀机部分100的膨胀腔内引入气体，另一端与所述进气通道0701的一端连通，所述进气通道0701的另一端连通所述第一轴承腔q1，用于输送冷却所述第一径向轴承B0201、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204的冷却空气；所述主轴01内部设置有冷却通道，所述冷却通道能够将所述第一轴承腔q1中的气体导通至所述第二轴承腔q2中，用于输送冷却所述第二径向轴承B0202的冷却空气；

所述空气循环机包括风机座10、第一密封结构11和第二密封结构12，所述第二轴承腔q2设置在所述风机座10的径向内侧，所述第一密封结构11抵接在所述风机座10的轴向一侧端面，所述第二密封结构12抵接在所述风机座10的轴向另一侧端面；

所述第一密封结构11为环状结构，包括位于其径向内周并沿轴向间隔设置的至少2个密封齿，所述密封齿包括齿间隙面M01、齿直面M02和齿斜面M03，两个相邻的所述密封齿之间形成第一密封腔q11，所述第一密封腔q11的槽底形成齿底面M04，所述齿间隙面M01为位于所述密封齿的径向内侧的端面，沿着所述第一密封结构11的轴向，所述齿直面M02为位于所述密封齿的轴向一侧的端面，所述齿斜面M03为位于所述密封齿的轴向另一侧的端面，所述齿直面M02沿着所述第一密封结构11的径向方向延伸，所述齿斜面M03沿着与所述第一密封结构11的径向方向成0～90°之间的夹角的倾斜方向延伸，且所述齿直面M02相对于所述齿斜面M03而靠近所述第二轴承腔q2设置。

本发明的空气循环机，通过设置第一引起管路和进气管道，能够将膨胀腔中的气体引入并导入至第一轴承腔中，从而能够有效地对第一轴承腔中的第一径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承进行冷却作用，还通过设计容纳轴承装置的另一个轴承腔(第二轴承腔)，使得经过第一轴承腔冷却后的气体再通过主轴内部开设的冷却通道被导通至第二轴承腔中，用于对第二径向轴承进行冷却作用，冷却气流与需要冷却的轴承装置直接接触，带走轴承装置的大量热量，有效提高了对轴承的冷却效果，增强了散热能力；并且还通过形成第二轴承腔的风机座的两端分别设置第一和第二密封结构，能够对第二轴承腔进行有效的密封作用，并且第一密封结构包括至少两个密封齿结构，并且密封齿包括齿直面和齿斜面，而且齿直面相对于齿斜面靠近第一轴承腔设置，由于冷却气体的主流方向沿着轴向方向流动，因此通过沿径向方向设置的齿直面相对于倾斜设置的齿斜面靠近第一轴承腔，能够通过齿直面提供比齿斜面对气体流动方向更大的气体阻力，从而能够提高第一密封结构的密封效果，齿斜面设置在气流流动方向的背面，能够使得少量翻过齿直面的气流沿着齿斜面的方向流动，有效减小密封齿背面处的涡流(回流)，从而有效减小气流损失，并且在第一密封腔中进行缓冲，在下一个齿直面进一步被阻挡，从而能够在对3个轴承冷却的同时还更大程度地提高对气体的密封效果。

在一些实施方式中，所述第一密封结构11套设在所主轴01的外周，所述主轴01的外径为D01，所述主轴01的外周面与所述齿间隙面M01之间的径向间隙为第一径向间隙J1，并有J11/D01＝0.01～0.02。若J11取值过大，则密封效果不佳，若J11取值过小，容易出现磨损，因此本发明J11/D01＝0.01～0.02能够既保证密封效果的同时还能有效减小或防止磨损，进一步优选J1/D01＝0.014。

1.本发明提供一种冷却气体流路。在轴系上和与轴系相邻的结构上布置气路，实现支承轴系的气动轴承自冷却功能。

2.本发明提供一种径向轴和止推轴容纳腔的密封结构特征及其参数。

3.本发明提供一种带气流冷却流路的主轴结构，该主轴与径向轴和主轴共同组成气路贯通的轴系。

4.本发明提供了一种空气循环机，其包含轴系和冷却流路。

解决的技术问题：

1.同时解决空气循环机的气动轴承高效的多路冷却技术难题和密封问题；

2.解决不同位置的气动轴承冷却时涉及流量分配难题，

有益效果：

1.容纳轴承的腔体密封性好。

2.本发明的冷却流路，实现支承轴系的气动轴承自冷却功能，确保了高速旋转的转子系统的可靠性。

3.轴承多路冷却，提高了轴承的冷却效率。

4.本发明的采用气路贯通的轴系实现一条冷却流路，无需针对不同位置的气动轴承冷却而进行流量分配。

如图1所示。用于压缩空气制冷系统的空气循环机，转子Z01的旋转动力来自于气体的膨胀功，气体流入T01后膨胀做功，做功后的气体温度降低，低温气体从T02流出，被输送到需要制冷的区域。膨胀功驱动转子Z01旋转，转子Z01上的压缩叶轮将气体从C01吸入，经压缩后从C02排出。与此同时，转子Z01上的风叶由F01吸入空气，在F02处排出，驱动冷却气流。

如图5和图6。为了确保冷却气流5的气体处于有序的可控状态，需要考虑第二轴承腔q2的密封性以及气流5在第二轴承腔q2流动方向性，而第二轴承腔q2是由静止件(风机座10、第一密封结构11、第二密封结构12)和旋转件(平衡件13、轴01)组合而成，解决第二轴承腔q2的密封性问题，实际上就是解决高速旋转件与静止件之间的密封问题。为此，在第一密封结构11设置密封齿,密封齿包含4个几何特征：齿间隙面M01、齿直面M02、齿斜面M03和齿底面M04。第一密封结构11的齿间隙面M01与第二圆柱面0104形成第一径向间隙J11。第二轴承腔q2里气流5中的一小部分经第一径向间隙J11泄漏到第一密封腔q11，第一密封腔q11是由齿直面M02、齿斜面M03和齿底面M04和第二圆柱面0104围成的一个有环形进出口的腔体。泄漏气流在第一密封腔q11里膨胀后压力降低，经多个第一密封腔q11后，压力接近或低于第一密封结构11的另一侧压力，从而减弱甚至消除了气流5经第一径向间隙J11泄漏。在第二密封结构12与平衡件13之间的设置第二径向间隙J12，控制气流5经第二径向间隙J12的流通,从而控制气流5在第二轴承腔q2流动方向，气流5冷却径向轴承B0202后流向第二密封结构12，从第二径向间隙J12被排出冷却流道。

在一些实施方式中，所述齿间隙面M01与所述齿底面M04沿沿径向方向的距离为所述密封齿的齿高C01，所述齿间隙面M01沿轴向方向的宽度为所述密封齿的齿宽C02，所述齿斜面M03与所述齿底面M04之间的夹角为所述密封齿的齿斜角C03，两个相邻的所述密封齿之间沿轴向方向的间距为齿间距C04，所述齿间隙面M01的内径为齿内直径C05；

C01/C05＝0.03～0.06；和/或，C02/C05＝0.006～0.02；和/或，C03＝90°～150°；

和/或，C04/C05＝0.03～0.08。

若C01太大，齿过高，需要保证强度而导致齿较粗大；若C01太小，则腔体膨胀效果不佳，C01/C05＝0.03～0.06能够在保证强度的同时还能提高腔体的膨胀效果；进一步优选0.048。若C02太小，加工容易出现断齿；若C02大，则轴向空间占比大，因此C02/C05＝0.006～0.02能够在保证结构强度不易断齿的同时还能减小齿的轴向空间占比，不会增大空气循环机的体积，进一步优选0.012；若C03过小，密封齿根部强度低，C03过大，膨胀空间小，从而膨胀效果不佳，因此C03＝90°～150°能够在保证齿根部强度的同时还能提高膨胀空间，进一步优选110°。若C04过大，轴向空间占比大，若C04过小，则膨胀空间小，膨胀效果不佳，因此C04/C05＝0.03～0.08能够在既减小齿轴向空间占比的同时还能提高膨胀空间，进一步优选0.052。

在一些实施方式中，所述主轴01通过所述第二径向轴承B0202装配在所述风机座10上，所述第二轴承腔q2位于所述风机座10、所述主轴01、所述第一密封结构11和所述第二密封结构12围成的空间内；所述第一密封结构11相对于所述第二密封结构12而靠近所述压缩机部分200；

还包括平衡件13，所述平衡件13套设于所述主轴01上且与所述第二密封结构12相对的位置，所述第二密封结构12为环形筒状结构且套设于所述平衡件13的外周，所述第二密封结构12的内周与所述平衡件13的外周之间具有第二径向间隙J12，形成间隙密封。

本发明还通过第二密封结构，并且将其设置为与主轴之间间隙密封，本发明通过在相对远离压缩机的一端设置的第二密封结构，并将其设置为间隙密封，能够在保证能够将第二轴承腔中的气体进行有效密封之外，还能通过第二径向间隙对该腔中的气体进行排出，同时有效地实现了密封和排气的作用。

在一些实施方式中，所述第二密封结构12的内径为D12，并有J12/D12＝0.01～0.08。若间隙J12取过小，气流5不能顺利从间隙J12流出，同时容易出现转子碰磨，过大则导致密封效果差，泄漏严重，因此本发明将其设置在J12/D12＝0.01～0.08，能够在保证将气流顺利排出的同时还能防止泄漏严重，实现小流量的排气，同时还保证了密封性，其优选0.025。如果间隙过大，会出现一周内某些角度区域内流量集中，而某些角度区域流量几乎没有。控制较小的间隙确保气流通过时以层流的状态，在一圈360度范围内均匀流过气体。避免某些角度气流量大，某些角度气流量小，这种不均匀气流对转子的扰动作用。

在一些实施方式中，所述空气循环机包括轴承座07、第三密封结构08和第四密封结构09，所述第一轴承腔q1设置在所述轴承座07的径向内侧，所述第三密封结构08抵接在所述轴承座07的轴向一侧端面，所述第四密封结构09抵接在所述轴承座07的轴向另一侧端面；

所述进气通道0701开设在所述轴承座07上；所述主轴01通过所述第一径向轴承B0201、所述第一止推轴承B0203和所述第二止推轴承B0204被装配在所述轴承座07上，所述第一轴承腔q1位于所述轴承座07、所述主轴01、第三密封结构08和第四密封结构09围成的空腔内。本发明通过进气通道开设在轴承座上，能够引入膨胀腔中的冷却气体，轴承座的作用主要是对第一径向轴承、第一止推轴承和第二止推轴承进行支承，同时在轴承座内部形成第一轴承腔，用于容纳上述轴承的同时还能在其中通入冷却气体以冷却上述轴承。

如图4所示。轴承座07、第三密封结构08、第四密封结构09、径向轴02和止推轴03组成一个腔体(第一轴承腔q1)，第一轴承腔q1容纳第一径向轴承B0201、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204。风机座10、第一密封结构11、第二密封结构12、平衡件13和主轴01组成一个第二轴承腔q2，第二轴承腔q2容纳第二径向轴承B0202。

在一些实施方式中，所述冷却通道包括第一冷却通道0101、第二冷却通道0102和第三冷却通道0103，所述第一冷却通道0101的一端能与所述第一轴承腔q1连通、另一端能与所述第二冷却通道0102连通，所述第二冷却通道0102沿所述主轴01的轴向延伸，所述第三冷却通道0103的一端与所述第二冷却通道0102的一端连通、另一端与所述第二轴承腔q2连通。这是本发明的冷却通道的优选结构形式，即通过第一冷却通道能够从第一轴承腔中引入冷却气体，并进入第二冷却通道中，第二冷却通道沿轴向延伸以将气体导通至第三冷却通道处，第三冷却通道将冷却气体导出至第二轴承腔中，从而完成冷却气体的有效传递，同时对第一轴承腔中的3个轴承和第二轴承腔中的1个轴承起到冷却作用。

在一些实施方式中，还包括径向轴02，所述径向轴02套设于所述主轴01的部分轴段外周，所述径向轴02的轴向一端能对所述压缩机部分进行轴向定位，所述径向轴02的至少部分轴段的径向内周与所述主轴01的外周之间形成第三腔体q3；所述第一轴承腔q1中的冷却空气能进入所述第三腔体q3中以对所述径向轴02和所述主轴01进行冷却。

本发明还通过在径向轴的内周与主轴的外周之间形成的第三腔体，能够使得冷却气体进入其中，以能对径向轴和主轴起到进一步有效冷却的作用，提高对主轴、径向轴以及轴承的冷却效果；并且通过套设于主轴部分轴段外周的径向轴能够有效对压缩机部分进行轴向定位，对压缩叶轮起到精确的定位效果，提高定位精度，保证在高速运行下的稳定性能。

如图2所示。在空气循环机里面，转子Z01的径向被第一径向轴承B0201和第二径向轴承B0202支承，转子Z01的轴向被第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204支承。如图3所示，第一径向轴承B0201支承径向轴02的第一圆柱面0202，第二径向轴承B0202支承主轴01的第二圆柱面0104。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承B0201套设于所述径向轴02的部分轴段的外周；所述第二止推轴承B0204也套设于所述径向轴02的部分轴段的外周，且所述径向轴02的外周上设置有环形凹槽，所述第二止推轴承B0204设置于所述环形凹槽中，以对所述径向轴02形成轴向限位；所述径向轴02与所述主轴01之间固接(比如过盈配合)。这是本发明的第一径向轴承、第二止推轴承分别与径向轴之间的关系，即径向轴优选过盈套设于主轴的外周，而第一径向轴承套设于径向轴的外周，以通过径向轴达到对主轴径向支撑的目的；第二止推轴承通过径向轴外周上开设的环形凹槽以实现对径向轴的轴向支撑，以达到对主轴轴向支撑的目的。

在一些实施方式中，所述径向轴02上还开设有径向气孔0201，所述径向气孔0201的一端与所述第一轴承腔q1连通、另一端与所述第三腔体q3连通，所述第一冷却通道0101的一端与所述第三腔体q3连通，且所述径向气孔0200与所述第一冷却通道0101不相对设置，二者在所述主轴01的轴向上间隔设置。本发明还通过径向轴内部的径向气孔0201能够将第一轴承腔中的冷却气体导通至第三腔体中，在第三腔体中进一步对径向轴和主轴进行冷却，提高冷却效果，第三腔体中的冷却空气通过第一冷却通道进入主轴的内部第二冷却通道中。

在一些实施方式中，所述第一止推轴承B0203和所述第二止推轴承B0204之间还设置有止推轴03的至少部分结构，所述进气通道0701的一端与所述止推轴03相对，冷却气体从所述进气通道0701进入所述第一轴承腔q1并分别冷却所述第一止推轴承B0203和所述第二止推轴承B0204，之后再到达所述第一径向轴承B0201并对其冷却；之后再通过所述第一冷却通道0101进入所述主轴01内部的所述第二冷却通道0102中；冷却气体进入所述第二冷却通道0102后再通过所述第三冷却通道0103进入所述第二轴承腔q2中并对所述第二径向轴承B0202冷却。本发明还通过在两个止推轴承之间设置的止推轴结构，能够与两个止推轴承一起起到对主轴两个方向止推的作用，并且本发明的进气通道与止推轴相对，使得进入第一轴承腔中的冷却气体能够分别对两个止推轴承进行冷却，而后再进一步对第一径向轴承进行冷却作用，实现对三个轴承的有效冷却降温的效果。

如图3和图5所示。从膨胀壳体04引出的气流1，依次经第二引气通道0401、第三引气通道0501、第一引气管路06和进气通道0701，流入第一轴承腔q1。气流1分成气流11和气流12两部分。气流11流经第一止推轴承B0203与止推轴03之间的间隙，带走止推轴03相对于第一止推轴承B0203作高速旋转时产生的热量。气流12流经第二止推轴承B0204与止推轴03之间的间隙，带走止推轴03相对于第二止推轴承B0204作高速旋转时产生的热量。气流11经轴向气孔(第四间隙0301)后与气流12汇合成气流2，流过第一径向轴承B0201和中空的径向轴02之间的间隙，带走径向轴02相对于第一径向轴承B0201作高速旋转时产生的热量Q1,对第一径向轴承B0201实现第一次冷却。径向轴02相对于第一径向轴承B0201作高速旋转时产生的热量部分传递给径向轴02,该部分热量计为Q2；气流2依次流过径向气孔0201进入第三腔体q3,与径向轴02进行热交换,从而带走热量Q2，对第一径向轴承B0201实现第二次冷却。径向轴02相对于第一径向轴承B0201作高速旋转时产生的热量部分传递给主轴01,该部分热量计为Q3；第三腔体q3中的气流3流过径向气孔(第一冷却通道0101)，在轴向中孔(第二冷却通道0102)内汇成气流4，与主轴01对流换热，从而带走热量Q3，对第一径向轴承B0201实现第三次冷却。气流4流过径向气孔(第三冷却通道0103)，并在第二径向轴承B0202和主轴01的间隙里形成气流5，气流5冷却第二径向轴承B0202后被排出轴承冷却流道。

在一些实施方式中，所述径向轴02的轴向另一端与所述止推轴03抵接。本发明的径向轴的轴向一端对压缩叶轮形成轴向限位，轴向另一端与止推轴进行抵接，能够通过止推盘和径向轴实现对压缩叶轮的止推传导，从而提高对压缩叶轮的轴向定位精度。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承B0201与所述主轴01之间或者所述第一径向轴承B0201上沿其轴向开设有第一间隙，所述第一间隙能够将所述第一径向轴承B0201的轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧。本发明通过第一径向轴承与主轴之间或第一径向轴承内部沿轴向开设的第一间隙，能够将如图3中优选将气体经过第一间隙对第一径向轴承冷却，并将其导通至第一径向轴承的左端，起到冷却和导通的有效作用。

在一些实施方式中，所述第一止推轴承B0203与所述止推轴03之间具有第二间隙，所述第二止推轴承B0204与所述径向轴02之间具有第三间隙(径向轴02的第一圆柱面0202与第二止推轴承之间的间隙)，所述止推轴03上沿其轴向开设有第四间隙0301，所述第四间隙能够将所述止推轴03轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧，所述第二止推轴承B0204位于所述止推轴03与所述第一径向轴承B0201之间。本发明还通过第一止推轴承与止推轴之间的第二间隙能够将进入第一轴承腔中的气体经过该第二间隙对第一止推轴承进行冷却，第二止推轴承与径向轴之间的第三间隙能够使得进入第一轴承腔中的气体经过该第三间隙对第二止推轴承和径向轴进行冷却作用，第四间隙能够将对第一止推轴承冷却完的气体穿过止推轴而到达第二止推轴承中，完成冷却气体的有效导通的作用，实现利用气体冷却以及将气体传递的效果。

如图3所示。在转子Z01里布置一套轴系，轴系由主轴01、径向轴02和止推轴03组成。在主轴01布置第一冷却通道0101(径向气孔)、第二冷却通道0102(轴向中孔)和第三冷却通道0103(径向气孔)。在径向轴02上布置径向气孔0201。在止推轴03上布置轴向气孔(第四间隙0301)。轴系的孔实现了轴系的气路贯通，解决了不同位置的待冷却的气动轴承(第一径向轴承B0201、第二径向轴承B0202、第一止推轴承B0203和第二止推轴承B0204)气路连贯技术难题，避免了不同位置轴承冷却气流的流量分配问题。

在一些实施方式中，所述膨胀机部分100的膨胀壳体04上还设置有第二引气通道0401，所述膨胀壳体04上还设置有导气部05，所述导气部05上设置有第三引气通道0501，所述第一引气管路06的一端与所述第三引气通道0501的一端连通，所述第三引气通道0501的另一端与所述第二引气通道0401的一端连通，所述第二引气通道0401的另一端与膨胀机部分的膨胀腔连通。本发明通过第二引气通道、导气部和第三引气通道的设置能够有效实现将膨胀腔中的冷却气体导出至第一轴承腔中以对轴承进行冷却，通过主轴内部的冷却通道实现冷却气体的传递，以实现对第二轴承腔中的轴承冷却的效果。

如图3所示。在膨胀壳体04的进口，设置气路(第二引气通道0401)。在零件(导气部05)上布置气路(第三引气通道0501)。第三引气通道0501贯通连接第二引气通道0401。第一引气管路06与导气部05装配成一体。第一引气管路06贯通第三引气通道0501。在轴承座07内布置进气通道0701,进气通道0701贯通连接第一引气管路06。

如图3所示。风机座10、第一密封结构11、第二密封结构12和主轴01组成第二轴承腔q2，第二轴承腔q2容纳第二径向轴承B0202。

如图3-5所示。主轴01相对于第二径向轴承B0202作高速旋转时产生的热量传递给主轴01的部分为Q4；气流4流过第二径向轴承B0202包含的轴向中孔(第二冷却通道0102)部分段时，气流4与主轴01对流换热，带走热量Q4，对第二径向轴承B0202实现第一次冷却。轴向中孔(第二冷却通道0102)内的气流4流过第三冷却通道0103进入第二轴承腔q2。第二轴承腔q2中的气流5流经第二径向轴承B0202和主轴01的间隙，带走主轴01相对于第二径向轴承B0202作高速旋转时产生的部分热量Q5,对第二径向轴承B0202实现第二次冷却。最后气流5被压气机吸入，进入后续循环，或从从风机侧排出空气循环机。

在一些实施方式中，所述第一径向轴承B0201和所述第二径向轴承B0202为径向气动轴承；和/或，所述第一止推轴承B0203和所述第二止推轴承B0204为止推气动轴承。这是本发明的径向轴承以及止推轴承的优选结构形式。

本发明还通过将第二轴承腔的另一端连通至压缩机部分的吸气口处，使得第一轴承腔和第二轴承腔中依次对轴承冷却后的气体能被导入至压缩机部分的吸气口处，以增大压缩机吸气口处气体的温度，提高吸气过热度，提高压缩能力，提高空气循环机的能效，提高节能效果；并且防止液击；因此本发明的空气循环机能够有效地带走高速轴承摩擦热，提高了高速旋转的转子系统的稳定性，同时还能回收利用被排放的高压气流，取得了节能的效果。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (15)

1.一种空气循环机，其特征在于，包括：

膨胀机部分(100)、压缩机部分(200)、风机部分(300)和主轴(01)，所述主轴(01)穿设所述膨胀机部分(100)、所述压缩机部分(200)和所述风机部分(300)；所述空气循环机还包括第一径向轴承(B0201)、第二径向轴承(B0202)、第一止推轴承(B0203)和第二止推轴承(B0204)、第一引气管路(06)和进气通道(0701)，所述主轴(01)通过第一径向轴承(B0201)、第二径向轴承(B0202)、第一止推轴承(B0203)和第二止推轴承(B0204)支撑，所述第一径向轴承(B0201)、第一止推轴承(B0203)和第二止推轴承(B0204)均设置在第一轴承腔(q1)内；所述第二径向轴承(B0202)与所述第一径向轴承(B0201)沿所述主轴(01)的轴向间隔设置，所述第二径向轴承(B0202)设置在第二轴承腔(q2)内；

所述第一引气管路(06)一端能够从所述膨胀机部分(100)的膨胀腔内引入气体，另一端与所述进气通道(0701)的一端连通，所述进气通道(0701)的另一端连通所述第一轴承腔(q1)，用于输送冷却所述第一径向轴承(B0201)、第一止推轴承(B0203)和第二止推轴承(B0204)的冷却空气；所述主轴(01)内部设置有冷却通道，所述冷却通道能够将所述第一轴承腔(q1)中的气体导通至所述第二轴承腔(q2)中，用于输送冷却所述第二径向轴承(B0202)的冷却空气；

所述空气循环机包括风机座(10)、第一密封结构(11)和第二密封结构(12)，所述第二轴承腔(q2)设置在所述风机座(10)的径向内侧，所述第一密封结构(11)抵接在所述风机座(10)的轴向一侧端面，所述第二密封结构(12)抵接在所述风机座(10)的轴向另一侧端面；

所述第一密封结构(11)为环状结构，包括位于其径向内周并沿轴向间隔设置的至少2个密封齿，所述密封齿包括齿间隙面(M01)、齿直面(M02)和齿斜面(M03)，两个相邻的所述密封齿之间形成第一密封腔(q11)，所述第一密封腔(q11)的槽底形成齿底面(M04)，所述齿间隙面(M01)为位于所述密封齿的径向内侧的端面，沿着所述第一密封结构(11)的轴向，所述齿直面(M02)为位于所述密封齿的轴向一侧的端面，所述齿斜面(M03)为位于所述密封齿的轴向另一侧的端面，所述齿直面(M02)沿着所述第一密封结构(11)的径向方向延伸，所述齿斜面(M03)沿着与所述第一密封结构(11)的径向方向成0～90°之间的夹角的倾斜方向延伸，且所述齿直面(M02)相对于所述齿斜面(M03)而靠近所述第二轴承腔(q2)设置。

2.根据权利要求1所述的空气循环机，其特征在于，

所述第一密封结构(11)套设在所主轴(01)的外周，所述主轴(01)的外径为D01，所述主轴(01)的外周面与所述齿间隙面(M01)之间的径向间隙为第一径向间隙J1，并有J11/D01＝0.01～0.02。

3.根据权利要求1所述的空气循环机，其特征在于，

所述齿间隙面(M01)与所述齿底面(M04)沿沿径向方向的距离为所述密封齿的齿高C01，所述齿间隙面(M01)沿轴向方向的宽度为所述密封齿的齿宽C02，所述齿斜面(M03)与所述齿底面(M04)之间的夹角为所述密封齿的齿斜角C03，两个相邻的所述密封齿之间沿轴向方向的间距为齿间距C04，所述齿间隙面(M01)的内径为齿内直径C05；

C01/C05＝0.03～0.06；和/或，C02/C05＝0.006～0.02；和/或，C03＝90°～150°；和/或，C04/C05＝0.03～0.08。

4.根据权利要求1所述的空气循环机，其特征在于，所述主轴(01)通过所述第二径向轴承(B0202)装配在所述风机座(10)上，所述第二轴承腔(q2)位于所述风机座(10)、所述主轴(01)、所述第一密封结构(11)和所述第二密封结构(12)围成的空间内；所述第一密封结构(11)相对于所述第二密封结构(12)而靠近所述压缩机部分(200)；

还包括平衡件(13)，所述平衡件(13)套设于所述主轴(01)上且与所述第二密封结构(12)相对的位置，所述第二密封结构(12)为环形筒状结构且套设于所述平衡件(13)的外周，所述第二密封结构(12)的内周与所述平衡件(13)的外周之间具有第二径向间隙J12，形成间隙密封。

5.根据权利要求4所述的空气循环机，其特征在于，

所述第二密封结构(12)的内径为D12，并有J12/D12＝0.01～0.08。

6.根据权利要求1所述的空气循环机，其特征在于，

所述空气循环机包括轴承座(07)、第三密封结构(08)和第四密封结构(09)，所述第一轴承腔(q1)设置在所述轴承座(07)的径向内侧，所述第三密封结构(08)抵接在所述轴承座(07)的轴向一侧端面，所述第四密封结构(09)抵接在所述轴承座(07)的轴向另一侧端面；

所述进气通道(0701)开设在所述轴承座(07)上；所述主轴(01)通过所述第一径向轴承(B0201)、所述第一止推轴承(B0203)和所述第二止推轴承(B0204)被装配在所述轴承座(07)上，所述第一轴承腔(q1)位于所述轴承座(07)、所述主轴(01)、第三密封结构(08)和第四密封结构(09)围成的空腔内。

7.根据权利要求6所述的空气循环机，其特征在于，所述冷却通道包括第一冷却通道(0101)、第二冷却通道(0102)和第三冷却通道(0103)，所述第一冷却通道(0101)的一端能与所述第一轴承腔(q1)连通、另一端能与所述第二冷却通道(0102)连通，所述第二冷却通道(0102)沿所述主轴(01)的轴向延伸，所述第三冷却通道(0103)的一端与所述第二冷却通道(0102)的一端连通、另一端与所述第二轴承腔(q2)连通。

8.根据权利要求7所述的空气循环机，其特征在于，

还包括径向轴(02)，所述径向轴(02)套设于所述主轴(01)的部分轴段外周，所述径向轴(02)的轴向一端能对所述压缩机部分进行轴向定位，所述径向轴(02)的至少部分轴段的径向内周与所述主轴(01)的外周之间形成第三腔体(q3)；所述第一轴承腔(q1)中的冷却空气能进入所述第三腔体(q3)中以对所述径向轴(02)和所述主轴(01)进行冷却。

9.根据权利要求8所述的空气循环机，其特征在于，所述第一径向轴承(B0201)套设于所述径向轴(02)的部分轴段的外周；所述第二止推轴承(B0204)也套设于所述径向轴(02)的部分轴段的外周，且所述径向轴(02)的外周上设置有环形凹槽，所述第二止推轴承(B0204)设置于所述环形凹槽中，以对所述径向轴(02)形成轴向限位；所述径向轴(02)与所述主轴(01)之间固接。

10.根据权利要求8所述的空气循环机，其特征在于，所述径向轴(02)上还开设有径向气孔(0201)，所述径向气孔(0201)的一端与所述第一轴承腔(q1)连通、另一端与所述第三腔体(q3)连通，所述第一冷却通道(0101)的一端与所述第三腔体(q3)连通，且所述径向气孔(0201)与所述第一冷却通道(0101)不相对设置，二者在所述主轴(01)的轴向上间隔设置。

11.根据权利要求8所述的空气循环机，其特征在于，所述第一止推轴承(B0203)和所述第二止推轴承(B0204)之间还设置有止推轴(03)的至少部分结构，所述进气通道(0701)的一端与所述止推轴(03)相对，冷却气体从所述进气通道(0701)进入所述第一轴承腔(q1)并分别冷却所述第一止推轴承(B0203)和所述第二止推轴承(B0204)，之后再到达所述第一径向轴承(B0201)并对其冷却；之后再通过所述第一冷却通道(0101)进入所述主轴(01)内部的所述第二冷却通道(0102)中；冷却气体进入所述第二冷却通道(0102)后再通过所述第三冷却通道(0103)进入所述第二轴承腔(q2)中并对所述第二径向轴承(B0202)冷却，所述径向轴(02)的轴向另一端与所述止推轴(03)抵接。

12.根据权利要求11所述的空气循环机，其特征在于，所述第一径向轴承(B0201)与所述主轴(01)之间或者所述第一径向轴承(B0201)上沿其轴向开设有第一间隙，所述第一间隙能够将所述第一径向轴承(B0201)的轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧；所述第一止推轴承(B0203)与所述止推轴(03)之间具有第二间隙，所述第二止推轴承(B0204)与所述径向轴(02)之间具有第三间隙，所述止推轴(03)上沿其轴向开设有第四间隙(0301)，所述第四间隙能够将所述止推轴(03)轴向一侧的气流导通至其轴向另一侧，所述第二止推轴承(B0204)位于所述止推轴(03)与所述第一径向轴承(B0201)之间。

13.根据权利要求1所述的空气循环机，其特征在于，

经过所述第二径向轴承(B0202)后的气体能够被导通至所述压缩机部分(200)的吸气口中；或者，

所述风机座(10)上还开设有气路，所述气路的一端与所述第二轴承腔(q2)连通、另一端能够连通至所述风机座(10)的外部。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的空气循环机，其特征在于，所述第一径向轴承(B0201)和所述第二径向轴承(B0202)为径向气动轴承；和/或，所述第一止推轴承(B0203)和所述第二止推轴承(B0204)为止推气动轴承。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的空气循环机，其特征在于，所述膨胀机部分(100)的膨胀壳体(04)上还设置有第二引气通道(0401)，所述膨胀壳体(04)上还设置有导气部(05)，所述导气部(05)上设置有第三引气通道(0501)，所述第一引气管路(06)的一端与所述第三引气通道(0501)的一端连通，所述第三引气通道(0501)的另一端与所述第二引气通道(0401)的一端连通，所述第二引气通道(0401)的另一端与膨胀机部分的膨胀腔连通。

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