CN116201743A - 双级气浮离心制冷压缩机及储能热管理系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双级气浮离心制冷压缩机，其包括电机、第一级压缩结构、第二级压缩结构电机以及中空结构。其中电机包括壳体、转子及定子，第一级压缩结构、第二级压缩结构分别设置于电机的两端处，中空结构布置在壳体中或者壳体与定子之间，其中第一级压缩结构的出气口通过中空结构与第二级压缩结构的进气口连通。通过中空的外壳设计连通两级压缩结构，使得不需采用中间管结构，有效地减小了压缩机的整体体积。此外，所述中空的外壳还可以形成气冷通道，用以冷却电机定子，而无需额外增加水冷通道，降低了机壳结构复杂性，且冷却不需额外耗功，提升了系统的整体效率。

Description

双级气浮离心制冷压缩机及储能热管理系统
技术领域
本发明涉及储能热管理技术领域，特别涉及一种双级气浮离心制冷压缩机及储能热管理系统。
背景技术
热管理，是指对总系统、分立部件或其环境的温度进行管理和控制，其目的是维护各部件的正常运行或提高其性能或寿命。当前，在诸如电化学储能等领域中通常都需要进行热管理，热管理对储能系统的性能、寿命、安全性都有显著影响。由于液冷的热管理系统的换热能力较强，电芯温差可以做到3℃以内，因此，相对于风冷系统而言，液冷可以显著提升储能系统的寿命。鉴于此，目前在储能领域多采用液冷系统。
在液冷系统中，制冷循环可采用离心制冷压缩机。而制冷系统通常要至少达到25％的额定冷量，才能满足部分负荷应用需求，这就要求离心压缩机的喘振裕度要尽可能地大，因此通常在200kW冷量以下的系统中，优选采用双级离心结构。同时为了减小轴向推力，双级离心可采用背靠背式的结构，这种结构需要中间连接管将低压侧与高压侧连接起来，体积较大，不利于压缩机的布置。此外，由于离心制冷压缩机中多采用高速永磁同步电机，其功率密度高，为满足其散热需求，通常采用水冷冷却电机定子，电机壳上需设计水冷通道，结构相对复杂，且水冷循环需要水泵提供动力，又增加了制冷的系统的功耗。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明第一方面提供一种双级气浮离心制冷压缩机，包括：
电机，其包括壳体、转子及定子；
第一级压缩结构及第二级压缩结构，分别设置于所述电机的两端处；以及
中空结构，所述中空结构布置在所述壳体中或者所述壳体与电机的定子之间，其中第一级压缩结构的出气口通过所述中空结构与第二级压缩结构的进气口连通。
进一步地，所述转子上设置有径向的轴承以及推力盘，其中所述推力盘设置于靠近第一级压缩结构的一端，且在所述推力盘的两侧分别设置有推力轴承；以及
所述定子固定于所述壳体的内部，其中心轴与所述转子的中心轴重合。
进一步地，所述双级气浮离心压缩机还包括：
进气口，设置于所述双级气浮离心压缩机的第一端，且所述进气口与所述第一级压缩结构的进气口连通；以及
排气口，设置于与所述第一端相对的第二端，且所述排气口与所述第二级压缩结构的排气口连通。
进一步地，所述第一级压缩结构包括：
第一端壳，设置于所述双级气浮离心压缩机的第一端，连接至所述壳体，且其上设置有第一通孔，所述双级气浮离心压缩机的进气口连接至所述第一通孔；
第一端盖，设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，与所述第一端壳形成第一腔室，所述第一腔室与所述中空结构连通；以及
第一叶轮，设置于所述第一腔室内，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。
进一步地，所述第二级压缩结构包括：
第二端壳，设置于所述双级气浮离心压缩机的第二端，连接至所述壳体；
第二端盖，设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，与所述第二端壳形成第二腔室；
蜗壳，设置于所述第二腔室内，与第二端壳形成回转通道，所述回转通道与所述中空结构连通，且所述蜗壳与所述双级气浮离心压缩机的排气口连通，用于收集经第二叶轮压缩后的气体并排出；以及
第二叶轮，设置于所述蜗壳内部，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。
进一步地，所述双级气浮离心压缩机还包括级间补气口，其设置于所述第一端壳上，且与所述中空机构连通。
进一步地，所述径向轴承和/或推力轴承采用气浮轴承。
进一步地，所述第一叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。
进一步地，所述第二叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。
进一步地，所述第一叶轮与第二叶轮采用背靠背的方式设置。
基于如前所述的双级气浮离心制冷压缩机，本发明第二方面提供一种储能热管理系统，其包括如前所述的双级气浮离心制冷压缩机。
本发明提供的一种双级气浮离心制冷压缩机及储能热管理系统，通过中空的外壳设计连通两级压缩结构，而无需采用中间管结构，有效地减小了压缩机的整体体积。此外，所述中空的外壳还可以形成气冷通道，用以冷却电机定子，而无需额外增加水冷通道，降低了机壳结构复杂性，且冷却不需额外耗功，提升了系统的整体效率。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的双级气浮离心制冷压缩机的结构示意图；以及
图2示出本发明一个实施例的双级气浮离心制冷压缩机的剖面图示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
为了减小压缩机的体积，本发明提供了一种双级气浮离心制冷压缩机，其通过外壳中的中空结构实现低压侧与高压侧的气体连通，因此不必采用中间管结构，进而有效缩小了压缩机的体积。下面结合实施例附图对本发明的方案作进一步描述。
图1及图2分别示出本发明一个实施例的双级气浮离心制冷压缩机的外形及剖面图示意图。如图所示，一种双级气浮离心制冷压缩机包括电机、第一级压缩结构、第二级压缩结构、进气口401、以及排气口402。
所述电机包括转子101、定子102以及壳体103。其中所述壳体103包括中空结构，即其内部设置有第一通道131或者所述壳体与定子之间设置有第一通道131。所述第一级压缩结构的出气口通过所述第一通道131与第二级压缩结构的进气口连通。经过第一级压缩结构的制冷剂气体经由所述中空结构进入第二级压缩结构进一步地压缩，在此过程中，所述壳体中有制冷剂流过，同时也可吸收壳体内部定子所产生的热量，进而可以不再额外设置散热结构对电机进行散热。通常第一级压缩结构的排气温度小于50℃，而所述定子的温度一般在100℃以上，因此采用这一结构的换热效果较好，可显著带走电机发热量。所述定子102固定于所述壳体103内部，所述转子101的中心轴与所述定子102的中心轴重合。所述转子101上设置有两个径向轴承111，同时在靠近所述进气口401的一侧设置有推力盘112，且所述推力盘的两侧分别设置有一个推力轴承113，所述两个推力轴承相对设置，以分别承受指向低压侧或高压侧的轴向推力。在本发明的一个实施例中，所述径向轴承111、推力轴承113可采用气浮轴承，气浮轴承适用于高速轻载的应用。
如图所示，所述第一级压缩结构及第二级压缩结构分别设置于所述壳体103的内部的两端。在本发明的实施例中，可将设置有第一级压缩结构的一侧记为低压侧，设置有第二级压缩结构的一侧记为高压侧。
所述第一级压缩结构对来自蒸发器的低温低压制冷剂气体进行第一次压缩。如图所示，所述第一级压缩结构的进气口与所述双级气浮离心压缩机的进气口401连通。在本发明的一个实施例中，所述第一级压缩结构包括第一端壳201、第一端盖202以及第一叶轮203。所述第一端壳201设置于所述双级气浮离心压缩机的低压侧，连接至所述壳体103，且其上设置有第一通孔，所述双级气浮离心压缩机的进气口401连接至所述第一通孔。所述第一端盖202设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，其与所述第一端壳201形成第一腔室，所述第一腔室与所述第一通道131连通。在实际应用中，所述第一端壳201与第一端盖202之间可以视为一个扩压通道，其可对经叶轮压缩后的气体进行扩压。所述第一叶轮203设置于所述第一腔室内，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。由此来自蒸发器的低温低压制冷剂气体经所述进气口401进入第一腔室后，所述第一叶轮102压缩做功对气体进行压缩，压缩后的气体进入第一端壳与第一端盖围成的扩压通道，然后进入所述机壳中的第一通道131。
所述第二级压缩结构对第一次压缩后的制冷剂气体进行再次压缩。如图所示，所述第二级压缩结构的排气口与所述双级气浮离心压缩机的排气口402连通。在本发明的一个实施例中，所述第二级压缩结构包括第二端壳301、第二端盖302、蜗壳303以及第二叶轮304。所述第二端壳301设置于所述双级气浮离心压缩机的高压端，连接至所述壳体103，所述第二端盖302设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，与所述第二端壳301一起形成第二腔室，所述蜗壳303设置于所述第二腔室内，一方面所述蜗壳可与第二端壳301围成回转通道，所述回转通道与所述中空结构连通，其可以使得气体从离心方向变为向心方向，进而进入第二叶轮进行再次压缩，另一方面所述蜗壳303与所述双级气浮离心压缩机的排气口402连通，用于收集经第二叶轮304压缩后的气体并排出至冷凝器。所述第二叶轮304设置于所述蜗壳303内部，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。由此经由所述第一通道的制冷剂气体经过第二端壳301与蜗壳303围成的回转通道进入第二叶轮继续压缩，最后由所述蜗壳303排出进入冷凝器。
在本发明的一个实施例中，如图所示，由于采用了气浮轴承，因此所述第一端盖202及第二端盖302与所述转子101之间存在间隙，同时，所述第一端盖202与所述第一叶轮203之间存在一定间隙，流经气浮轴承的气体可经由这一间隙回到第一通道中，所述第二端盖302与所述第二叶轮304及蜗壳303之间同样存在一定间隙，经第二叶轮304压缩后的气体中的一部分在压力作用下可经由这一间隙进入到气浮轴承中。在本发明的一个实施例中，所述第一叶轮203及第二叶轮304采用背靠背的设计方式，使得第一、第二叶轮的轴向推力方向相反，互相抵消，进而有效降低推力轴承所受到的轴向推力。在本发明的一个实施例中，所述第一叶轮203及第二叶轮304分别通过第一锁紧螺母204及第二锁紧螺母305固定于所述转子101上。
在本发明的一个实施例中，所述第一端壳201与所述第一叶轮203之间还可设置有第一密封圈，以及所述第二端壳301与所述第二叶轮304之间可设置有第二密封圈，所述第一、第二密封圈可显著降低第一、第二叶轮出口到进口的回流效应，可进一步提升压缩机效率。
为了降低所述第二叶轮304的压缩功耗，在本发明的一个实施例中，在所述第一端壳201上还设置有级间补气孔403，以接入来自经济器的排气，对所述第一叶轮压缩后的气体进行冷却，进而达到降低高压叶轮的压缩功耗、提升系统的效率的目的。由于气体流经第一通道，此过程会吸收电机产生的热量，而电机定子的温度通常在100℃以上，因此在本发明的一个实施例中，所述经济器的补气无需保证过热度大于0℃，因为电机发热，即使补气带液，第二级压缩结构进气口的过热度也会大于0℃，因此第二叶轮不会发生液击，补气带液可增加气冷的冷却效果，并提升制冷循环效率。
在本发明的一个实施例中，所述电机100采用高速永磁同步电机，其轴承工作时为非接触式轴承，因此可以承受比通常的球轴承更高的转速，根据压缩机欧拉公式Δh＝U2Cu2-U1Cu1可知，同样做功能力的压缩机，转速越大，径向尺寸越小，因此采用永磁同步电机能够提升压缩机的功率密度。
如前所述的双级气浮离心制冷压缩机其工作原理在于：经所述第二叶轮压缩后的气体经由所述第二叶轮与第二端盖之间空隙、所述第二端盖与转子之间的间隙进入高压侧的第二径向轴承，然后经过所述定子与转子之间的气隙进入低压侧的第一径向轴承，随后通过推力盘与电机壳体之间的间隙以及推力盘与第一端盖之间的间隙依次经过两个推力轴承，最后依次经过第一端盖与转子之间的间隙、第一叶轮与第一端盖之间的间隙进入第一腔室，即第一压缩结构的排气口，回到主气路，即第一通道中实现内循环。
如前所述的双级气浮离心制冷压缩机中没有中间管及电机水冷通道，因此相较于现有的双级气浮离心制冷压缩机体积可减小15％左右，更方便布置。同时通过第一级排气及经济器补气在壳体的中空结构流动还可以冷却电机，无需额外消耗冷却功率。
基于如前所述的双级气浮离心制冷压缩机，本发明还提供一种储能热管理系统，其包括如前所述的双级气浮离心制冷压缩机。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims (10)

1.一种双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，包括：
电机，其包括壳体、转子及定子；
第一级压缩结构及第二级压缩结构，分别设置于所述电机的两端处；以及
中空结构，所述中空结构布置在所述壳体中或者所述壳体与定子之间，其中第一级压缩结构的出气口通过所述中空结构与第二级压缩结构的进气口连通。
2.如权利要求1所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，：
所述转子上设置有径向的轴承以及推力盘，其中所述推力盘设置于靠近第一级压缩结构的一端，且在所述推力盘的两侧分别设置有推力轴承；
所述定子固定于所述壳体的内部，其中心轴与所述转子的中心轴重合；
所述第一级压缩结构的进气口与所述双级气浮离心压缩机的进气口连通；以及
所述第二级压缩结构的排气口与所述双级气浮离心压缩机的排气口连通。
3.如权利要求1所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述第一级压缩结构包括：
第一端壳，设置于所述双级气浮离心压缩机的第一端，连接至所述壳体，且其上设置有第一通孔，所述双级气浮离心压缩机的进气口连接至所述第一通孔；
第一端盖，设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，与所述第一端壳形成第一腔室，所述第一腔室与所述中空结构连通；以及
第一叶轮，设置于所述第一腔室内，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。
4.如权利要求3所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述第二级压缩结构包括：
第二端壳，设置于所述双级气浮离心压缩机的第二端，连接至所述壳体；
第二端盖，设置于所述双级气浮离心压缩机的内部，与所述第二端壳形成第二腔室；
蜗壳，设置于所述第二腔室内，与第二端壳形成回转通道，所述回转通道与所述中空结构连通，且所述蜗壳与所述双级气浮离心压缩机的排气口连通，以收集经第二叶轮压缩后的气体并排出；以及
第二叶轮，设置于所述蜗壳内部，且固定于所述双级气浮离心压缩机的转子上。
5.如权利要求3所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，还包括级间补气口，其设置于所述第一端壳上，且与所述中空机构连通。
6.如权利要求2所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述径向轴承和/或推力轴承采用气浮轴承。
7.如权利要求3所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述第一叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。
8.如权利要求4所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述第二叶轮通过锁紧螺母固定于所述转子上。
9.如权利要求4所述的双级气浮离心制冷压缩机，其特征在于，所述第一叶轮与第二叶轮采用背靠背的方式设置。
10.一种储能热管理系统，其特征在于，包括如权利要求1至9任一所述的双级气浮离心制冷压缩机。
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CN118361402A (zh) * 2024-06-07 2024-07-19 中车株洲电机有限公司 一种双极压缩机
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