CN1438425A

CN1438425A - 涡旋式压出装置

Info

Publication number: CN1438425A
Application number: CN03103859A
Authority: CN
Inventors: 汤炎; J·W·布斯
Original assignee: Carrier Corp
Current assignee: Carrier Corp
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2003-08-27
Also published as: AU2003200459A1; KR100507819B1; KR20030068404A; US6658866B2; EP1336759A3; EP1336759A2; US20030150223A1

Abstract

制冷剂系统的涡旋式压出装置包括一个不运转的膨胀器涡旋盘和一个运转的膨胀器涡旋盘，以形成多个膨胀腔；还包括一个不运转的压缩器涡旋盘和一个运转的压缩器涡旋盘，以形成多个压缩腔。涡旋式压出装置使膨胀腔中的制冷剂膨胀成低压制冷剂蒸气和制冷剂液体。制冷剂液体离开涡旋式压出装置，以便蒸发。制冷剂蒸气在压缩腔中被压缩并与离开压缩机的制冷剂混合。另外，运转的涡旋盘可一体地结合成单个部件。

Description

涡旋式压出装置

技术领域

本发明涉及一种用于制冷系统的涡旋式压出装置。

背景技术

涡旋式压缩机使用在多种制冷剂系统中。制冷剂在涡旋式压缩机中压缩至高压之后，该制冷剂在冷凝器中被冷却并在膨胀装置中膨胀成低压。制冷剂在蒸发器中加热之后，该制冷剂再次进入涡旋式压缩机，以完成该循环。

涡旋式压缩机包括两个相面对的相互配合的涡旋盘，每一涡旋盘具有一基部和一从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件。相面对的涡旋件限定出压缩腔。两个涡旋件中的一个相对于另一个由轴来驱动运转。当包卷件运转时，在压缩腔中的制冷剂的体积减小，制冷剂的压力升高。

所希望的是，提高制冷系统的效率。在所有相变的制冷系统中，能量在膨胀阀处损失。使用由一种以较高效的方式利用或再生膨胀过程的能量的装置来代替膨胀阀是所希望的。

发明内容

本发明的制冷剂系统使用涡旋式压出装置代替膨胀阀。一不运转的膨胀器涡旋盘和一运转的膨胀器涡旋盘形成多个膨胀腔。一不运转的压缩器涡旋盘和一运转的压缩器涡旋盘形成多个压缩腔。运转的压缩器涡旋盘通过键与运转的膨胀器涡旋盘连接，以使运转的涡旋盘沿相同的方向以相同的速度移动。运转的涡旋盘由偏心曲柄件来移动。因为曲柄件和运转的涡旋件的重心偏离中心，所以使用一配重以便平衡由于偏心质量引起的径向惯性力并且防止径向负载。

制冷剂经高压制冷剂入口进入膨胀腔。在膨胀腔中，高压制冷剂膨胀成低压制冷剂蒸气和制冷剂液体的混合物。膨胀后的制冷剂液体经低压排出口离开涡旋式压出装置。低压制冷剂蒸气流入压缩腔以便压缩。没有被压缩机吸入的任何剩余的蒸气经低压排出口离开该压出装置。分隔件防止制冷剂液体通过而流入压缩腔。在压缩腔中对制冷剂蒸气压缩之后，该制冷剂经高压蒸气排出口排出并且与离开系统压缩机的制冷剂混合，该系统压缩机与该涡旋式压出装置并联连接。优选的是，膨胀腔的体积比大于压缩腔的体积比。

弹簧定位在运转的压缩器涡旋盘和运转的膨胀器涡旋盘之间，该弹簧减小了在涡旋式压出装置中的轴向负荷和轴向间隙。该弹簧反作用于压缩腔中的高压气体使运转的压缩器涡旋盘和运转的膨胀器涡旋盘分离的趋势。该弹簧还消除了由于涡旋盘的磨损而形成的并导致泄漏的任何间隙。

或者，运转的涡旋盘可一体地结合成为单个部件。带有组合的曲柄件和配重的驱动机构引导运转的涡旋盘，以促使制冷剂的膨胀和压缩。

结合以下的详细描述和附图可更明白地理解本发明的这些和其它的特征。

附图说明

结合当前的优选实施例的详细描述，本发明的各种特征和优点对于本领域的普通技术人员是清楚明白的。结合详细描述的附图为：

图1是现有技术的制冷剂系统的示意图；

图2是使用涡旋式压出装置的本发明的制冷剂系统的示意图；

图3示出了本发明的涡旋式压出装置；

图4是沿图3中的线4-4截取的涡旋式压出装置的截面图，其示出了膨胀器涡旋件的运转；

图5是沿图3中的线5-5截取的涡旋式压出装置的截面图；其示出了压缩器涡旋件的运转；

图6是沿图3中的线6-6截取的涡旋式压出装置的截面图；其示出了曲柄件和轴；

图7是沿图8中的线7-7截取的本发明的另一涡旋式压出装置的截面图；和

图8是图7所示的涡旋式压出装置的顶视图。

具体实施方式

图1示出了现有技术的制冷剂系统10的示意图，该系统包括压缩机12、冷凝器14、膨胀阀16和蒸发器18。在制冷剂蒸气以高压和高焓离开压缩机12之后，该制冷剂流经冷凝器14，在其中该制冷剂冷凝成液体，以低焓和高压离开。制冷剂液体随后在膨胀装置16中膨胀成低压的液气混合物，接着在蒸发器18被加热。制冷剂通常作为蒸气以低压和中等的焓值离开蒸发器18。制冷剂蒸气随后在压缩机12中被压缩，以完成循环10。

图2示出了制冷系统20的示意图，该系统使用了本发明的涡旋式压出装置26。该系统20包括系统压缩机22、冷凝器24、涡旋式压出装置26和蒸发器28。制冷剂经封闭的回路系统20循环。在制冷剂以高压和高焓离开系统压缩机22之后，制冷剂在冷凝器24中被冷却并冷凝，以便以低焓和高压离开。应当理解，系统压缩机22可以是任何形式的压缩机。高压低焓的制冷剂液体随后在涡旋式压出装置中膨胀成低压，以便形成制冷剂液体和制冷剂蒸气。低压低焓的制冷剂液体在膨胀后离开压出装置26并且在蒸发器26中被加热并气化，以便随后在系统压缩机22中进行压缩。脱离膨胀过程的低压制冷剂蒸气处于与离开蒸发器的制冷剂蒸气相似的中等的焓值。低压制冷剂蒸气在涡旋式压出装置中被压缩并作为高压高焓的蒸气经压出装置蒸气排出管路30离开，该管路并入系统压缩机22的排出口31。这样，涡旋式压出装置26和系统压缩机22通过它们各自的高压排出管路并联地连接。

图3示出了本发明的涡旋式压出装置。涡旋式压出装置26可应用于任何制冷、空调或热泵系统中。涡旋式压出装置26包括一不运转的膨胀器涡旋盘32和一带有轴36的运转的膨胀器涡旋盘34，它们限定出多个膨胀腔48。每一膨胀器涡旋盘32、34分别包括基部33和35以及大致螺旋形的包卷件37和39。涡旋式压出装置26还包括一不运转的压缩器涡旋盘38和一运转的膨胀器涡旋盘34，它们限定出多个压缩腔54。每一压缩器涡旋盘38、40分别包括基部41和43以及大致螺旋形的包卷件45和47。运转的压缩器涡旋盘40通过键68以键连接的方式与运转的膨胀器涡旋盘34连接。欧氏联接件66防止运转的膨胀器涡旋盘34发生自转。因为运转的压缩器涡旋盘40通过键68连接到运转的膨胀器涡旋盘34上，所以也防止了运转的压缩器涡旋盘40的自转。不运转的膨胀器涡旋盘32和不运转的压缩器涡旋盘38通过定位销44连接到压出装置主体42上。

制冷剂经高压制冷剂入口46供应到膨胀腔48。膨胀腔48具有高度H_E和体积比V_E。在膨胀腔48中，制冷剂膨胀成低压的制冷剂液体和低压的制冷剂蒸气。当制冷剂在膨胀腔中膨胀成低压之后，制冷剂液体经低压液体排出口50离开涡旋式压出装置26，以便在蒸发器28中蒸发，随后在系统压缩机22中进行进行压缩。同样，低压制冷剂蒸气的一部分经低压液体排出口50离开。然而，应当理解，低压制冷剂蒸气的一部分经独立的低压出口离开，该部分旁通过蒸发器24并直接返回到系统压缩机22的入口。分隔件52防止制冷剂液体进入压缩腔54，但允许制冷剂蒸气进入多个压缩腔54。

在膨胀之后，经膨胀的低压制冷剂液体和蒸气流入位于欧氏联接件66之上的第一腔73。剩余部分或低压制冷剂蒸气沿路径A从膨胀器出口腔73经分隔件52并通过压缩器入口腔75流入压缩腔54。因为分隔件52防止制冷剂液体经分隔件52的流动，所以膨胀后的制冷剂液体经低压液体出口50离开涡旋式压出装置26。如上所述，低压制冷剂蒸气的一部分同样经低压液体出口50离开。分隔件52防止制冷剂液体从膨胀器出口腔73流入压缩器入口腔75。

低压制冷剂蒸气在压缩腔54中被压缩。在压缩之后，在压缩腔54中的制冷剂经高压蒸气排出口56排出并沿压出装置蒸气排出管路30与离开系统压缩机22的高压制冷剂在压缩机排出口31处进行混合。

因为进入压缩腔48的制冷剂液体与离开压缩腔54的制冷剂蒸气相比具有非常低的比容，并且离开压缩腔48的制冷剂蒸气的比容与进入压缩腔54的制冷剂蒸气的比容相同，所以压缩腔54的体积比V_C优选为小于膨胀腔48的体积比V_E。同样，因为由膨胀腔产生的能量通常小于再次压缩离开膨胀腔48的总蒸气流所需的能量，所以压缩腔5 4的高度H_C通常小于膨胀腔48的高度H_E，以便将压缩腔吸入体积减小到低于膨胀腔排出体积的数值。或者，可在膨胀包卷件37、39与压缩包卷件45、47之间改变涡旋包卷件的其它参数，例如螺距、壁厚度或包卷件角度，以便限定减小的压缩腔吸入体积。然而，应当理解，两组包卷件37、39、45、47的运转半径应当相同或大致相同，以便运转的膨胀器涡旋盘34直接驱动运转的压缩器涡旋盘40。因为高度H_C通常小于高度H_E，所以低压制冷剂蒸气的一部分经低压液体出口50或经另一排出口排出，该排出口确保制冷剂最终返回到系统压缩机22的入口。然而，应当理解，如果膨胀腔能量输出增大或与压缩腔能量输入相等，则低压制冷剂蒸气的完全压缩是可能的。

图4和5分别示出了沿图3中的线4-4和线5-5截取的涡旋式压出装置26。因为运转的涡旋盘34和40通过键68连接，所以运转的涡旋盘34和40沿相同的方向以相同的速度移动。如图所示，压缩器涡旋盘38和40的大致螺旋形的包卷件45和47型面优选为与膨胀器涡旋盘32和34的大致螺旋形的包卷件37和39的型面相同。然而，膨胀器涡旋盘32和34的大致螺旋形的包卷件37和39的方向与压缩器涡旋盘38和40的大致螺旋形的包卷件45和47的方向相反。因此，当轴36转动时，压缩腔54压缩制冷剂，而膨胀腔48使制冷剂膨胀。

图6示出了沿图3中的线6-6截取的涡旋式压出装置26。偏心的曲柄件56引导轴36的转动。因为轴36的重心57是偏心的，所以配重58(如图3所示)用来抵消径向的惯性负荷。内套筒轴承60和外套筒轴承62定位成分别靠近曲柄件26的内侧和外侧。再参照图3，来自膨胀腔48的高压制冷剂流经润滑通道72和74，以润滑套筒轴承60和62。因为向轴承60和62提供了高压润滑，所以静压轴承60和62的设计是可行的。

弹簧64围绕轴36定位在运转的膨胀器涡旋盘34和运转的压缩器涡旋盘40之间。弹簧64减小了在涡旋式压出装置26中的轴向间隙和轴向负荷。在压缩腔54中的高压气体趋向于向下并向离开运转的膨胀器涡旋盘34的方向推动运转的压缩器涡旋盘40，以产生轴向负荷。弹簧64抵消了该负荷并向运转的压缩器涡旋盘40提供回复力，防止制冷剂从压缩腔54泄漏。此外，通过对H_C、V_C、H_E、V_E的选择，以及对涡旋盘32、34、38、40的大致螺旋形的包卷件37、39、45、47的数量进行选择，可在压缩腔5 4中形成良好的轴向密封，进而减小轴向负荷。

弹簧64还减小了涡旋式压出装置26中的轴向间隙。当涡旋式压出装置26运行时，涡旋盘32、34、38、40将会磨损，从而导致制冷剂的泄漏和效率的降低。弹簧64在运转的涡旋盘34、40上施加一力，以保持运转的涡旋盘34、40分别与不运转的涡旋盘32、38的接合，这样可减小由于磨损引起的制冷剂蒸气的泄漏。因为在膨胀腔48内的制冷剂为约80％液体，所以在膨胀腔48内的制冷剂液体形成附加的密封，以便进一步阻止制冷剂蒸气从膨胀腔48泄漏。

涡旋式压出装置26优选地还包括一对高压蒸气入口70。在压缩腔54中的制冷剂压缩之后，大部分高压制冷剂沿压出装置管路30流动，以便与离开系统压缩机22的制冷剂在排出口31处混合。高压制冷剂蒸气经高压蒸气入口70转向进入膨胀腔48。考虑到涡旋式压出装置26可获得到不同的容量，高压制冷剂蒸气可用来调节轴36的每分钟的转数。控制装置71提供了获得容量控制的能力。

在膨胀腔48和压缩腔54中的高压制冷剂蒸气趋向与使运转的涡旋盘34、40分别与不运转的涡旋盘32、38分离。优选的是，运转的膨胀器涡旋盘34和运转的压缩器涡旋盘40中的任一个或两个都分别包括孔85和87。孔85和87使得高压制冷剂蒸气逃逸到密封的背压腔81和83中，该背压腔分别设置在运转的膨胀器涡旋盘34和运转的压缩器涡旋盘40中的任一个的后面或这两个的后面。这提供了回复力，以抵消当系统运行工况改变时的分离力。然而，应当理解，不运转的膨胀和压缩器涡旋盘32和38中的任一个或这两个分别适合于轴向移动和设置有背压腔。

图7和8示出了另一涡旋式压出装置126。该涡旋式压出装置126包括由基部板172支承的不运转的膨胀器涡旋盘132、组合的膨胀和压缩器涡旋盘134、以及不运转的压缩器涡旋盘138。不运转的膨胀器涡旋盘132和不运转的压缩器涡旋盘138分别包括基部133和141，以及分别包括大致螺旋形的包卷件137和145。组合的膨胀和压缩器涡旋盘134包括基部135、大致螺旋形的包卷件139、以及大致螺旋形的包卷件147。高压制冷剂经高压制冷剂入口146供应到形成在涡旋盘132和134之间的膨胀腔148中。在膨胀之后，低压制冷剂液体经低压液体排出口150离开涡旋式压出装置126。低压制冷剂蒸气在压缩腔154中被压缩并经高压制冷剂蒸气排出口156排出。

如图8所示，分隔件152防止低压制冷剂液体进入压缩腔154。再参照图7，在膨胀之后，膨胀后的制冷剂蒸气和液体流入靠近分隔件152的膨胀器出口腔173。膨胀后的制冷剂蒸气沿路径B从膨胀器出口腔173经分隔件152并通过压缩器入口腔175流入压缩腔154。因为分隔件152防止制冷剂液体经分隔件152的流动，膨胀后的制冷剂液体经低压液体出口150离开涡旋式压出装置126。分隔件152定位在压出装置主体142和壁177之间。存在于壁177和运转的涡旋盘134之间的间隙179允许运转的涡旋盘134进行运转。分隔件152防止制冷剂液体从膨胀器出口腔173进入压缩器入口腔175。

涡旋式压出装置126包括三个驱动机构180，其包括组合的曲柄件和配重156，该配重引导该轴136以跟随运转的涡旋盘134的运动。内套筒轴承162和外套筒轴承160分别定位在曲柄件156的内表面和外表面上。制冷剂液体经在运转的涡旋盘134中的润滑通道174和在驱动机构180中的多个润滑通道178行进，以便润滑轴承160和162以及驱动机构180。驱动机构180还包括用于防止润滑剂从润滑通道174泄漏的塞176。

为了反作用于由于在腔148和154中的高压气体引起的涡旋盘132、134、138分离的趋势，不运转的涡旋盘132和138中的一个涡旋盘适合于轴向移动。因为由两个固定涡旋盘132、138适合于轴向移动可获得相同的运行优点，所以仅需要固定涡旋盘132和138中的一个涡旋盘适合于轴向移动。不运转的涡旋盘132和138中的每一个分别包括孔185和187。孔185和187使得高压制冷剂蒸气逃逸到密封的背压腔181和183中，如图所示，该背压腔分别设置在运转的膨胀器涡旋盘134和运转的压缩器涡旋盘140的后面。不运转的涡旋盘132和138沿定位销144轴向移动。

在制冷系统20中使用本发明的涡旋式压出装置26、126具有一些优点。其中一个优点在于，提高制冷剂系统20的效率。此外，涡旋式压出装置26是紧凑的，并且比现有技术的分离的压缩机和膨胀装置便宜。此外，使用膨胀器的能力直接地压缩一部分膨胀后的蒸气并使其返回到系统中，这避免了如现有技术中所进行的将能量从膨胀器传递到系统压缩机所需的机械复杂性的增加。

上述描述仅是本发明的原理的示例说明。参照以上精神，可作出本发明的许多改变和变型。虽然已描述了本发明的优选实施例，但是本领域的普通技术人员应当认识到可在本发明的范围进行改变。因此，应当理解，在后附的权利要求范围内，本发明可以以与具体描述不同的形式来实施。因此以下的权利要求应用来确定本发明的真正的范围和内容。

Claims

1.一种涡旋式压出装置，其包括：

膨胀装置，其包括一不运转的膨胀器涡旋件和一运转的膨胀器涡旋件，该不运转的膨胀器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，该运转的膨胀器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，所述运转的和不运转的膨胀器涡旋件的包卷件相互配合，以限定出多个膨胀腔；和

压缩装置，其包括一不运转的压缩器涡旋件和一运转的压缩器涡旋件，该不运转的压缩器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，该运转的压缩器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，所述运转的和所述不运转的压缩器涡旋件的包卷件相互配合，以限定出多个压缩腔。

2.如权利要求1所述的涡旋式压出装置，其特征在于，所述膨胀装置使制冷剂膨胀成低压制冷剂蒸气和低压制冷剂液体，所述制冷剂液体经低压出口离开所述膨胀装置，所述低压制冷剂蒸气的一部分经所述低压出口离开所述膨胀装置，并且所述压缩装置将所述低压制冷剂蒸气的剩余部分压缩成高压制冷剂，该高压制冷剂经高压出口离开所述压缩装置。

3.一种制冷系统，其包括：

具有出口的第一压缩装置，其将制冷剂压缩到第一高压；

排出热量的热交换器，其用于冷却所述制冷剂；

涡旋式压出装置，其包括一膨胀装置和第二压缩装置，该膨胀装置包括一不运转的膨胀器涡旋件和一运转的膨胀器涡旋件，该不运转的膨胀器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，该运转的膨胀器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，所述运转的和不运转的膨胀器涡旋件的包卷件相互配合，以限定出多个膨胀腔，以便使所述制冷剂膨胀成低压制冷剂蒸气和低压制冷剂液体，所述制冷剂液体经低压出口离开所述膨胀装置，所述低压制冷剂蒸气的一部分经所述低压出口离开所述膨胀装置；并且所述第二压缩装置包括一不运转的压缩器涡旋件和一运转的压缩器涡旋件，该不运转的压缩器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，该运转的压缩器涡旋件包括基部和从该基部延伸的大致螺旋形的包卷件，所述运转的和所述不运转的压缩器涡旋件的包卷件相互配合，以限定出多个压缩腔，以便将所述低压制冷剂蒸气的剩余部分压缩到第二高压，该高压制冷剂经高压出口离开所述压缩装置；

引自所述涡旋式压出装置的高压出口的通路，以便使所述第二高压的制冷剂与离开所述第一压缩装置的所述第一高压的制冷剂混合；以及

接收热量的热交换器，其用于使离开所述涡旋式压出装置的所述膨胀装置的所述低压制冷剂液体蒸发。

4.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，分隔件防止所述低压制冷剂液体进入所述多个压缩腔并且使所述低压制冷剂蒸气进入所述多个压缩腔。

5.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述运转的膨胀器涡旋件和所述运转的压缩器涡旋件成一体。

6.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述运转的膨胀器涡旋件与所述运转的压缩器涡旋件通过一部件连接，该部件防止所述运转的涡旋件之间的相对旋转，但允许其之间相对的轴向滑动。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，一弹簧定位在所述运转的膨胀器涡旋件与所述运转的压缩器涡旋件之间。

8.如权利要求7所述的设备，其特征在于，曲柄件引导所述轴，以驱动所述运转的膨胀器涡旋件与所述运转的压缩器涡旋件。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，配重与所述曲柄件相互作用。

10.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，防自转的联接件防止所述运转的膨胀器涡旋件和所述运转的压缩器涡旋件的自转。

11.如权利要求1、2或3所述的设备，其特征在于，所述多个膨胀腔的排出体积大于所述多个压缩腔的吸入体积。

12.如权利要求1所述的涡旋式压出装置，其特征在于，所述膨胀装置使制冷剂膨胀成低压制冷剂蒸气和低压制冷剂液体，所述制冷剂液体经低压出口离开所述膨胀装置，并且所述压缩装置将所述低压制冷剂蒸气压缩成高压制冷剂，该高压制冷剂经高压出口离开所述压缩装置。