專利名稱：一種兩級旋葉式膨脹機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于制冷技術和制冷設備領域，具體涉及一種用于制冷 (熱泵)系統(tǒng)能量回收的兩級旋葉式膨脹機。
背景技術：
隨著人類生活水平的不斷提高，制冷(熱泵)系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中 的應用日益增多，其耗電量在總能耗中的比例也不斷升高。因此降低 制冷(熱泵)系統(tǒng)的能耗、提高系統(tǒng)效率，在全球能源日益緊張的背 景下顯得尤為重要。
傳統(tǒng)制冷(熱泵)系統(tǒng)中，工質(zhì)通過節(jié)流閥的節(jié)流作用，從高溫 高壓的液相節(jié)流至低溫低壓的氣、液兩相，而后進入蒸發(fā)器獲得冷量。 在節(jié)流過程中，工質(zhì)的溫度、壓力降低，產(chǎn)生不可逆損失(節(jié)流損失)。 因此，如能減少并回收利用這部分節(jié)流損失，將顯著提高制冷(熱泵) 系統(tǒng)的整體效率，達到降低系統(tǒng)能耗的目的。
膨脹機是一種能將壓力能轉化為機械能或電能的通用機械。在制 冷(熱泵)系統(tǒng)中，用膨脹機替代節(jié)流閥不但可以降低工質(zhì)的溫度和 壓力，同時還可以回收工質(zhì)在膨脹過程中的壓力能。如用膨脹機回收 的能量帶動輔助壓縮機工作，可以對工質(zhì)進行預壓縮，從而在不影響 系統(tǒng)制冷(制熱)量的條件下，可降低系統(tǒng)主壓縮機的輸入功，減少 系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)的能效比。
4目前廣泛使用的蒸氣壓縮式制冷(熱泵)系統(tǒng)中，工質(zhì)的容積比 較大，這為膨脹機的設計制造帶來較大難度。因此，開發(fā)和應用制冷 (熱泵)系統(tǒng)能量回收膨脹機目前尚處于起步階段，實際應用還較少。 傳統(tǒng)的旋葉式膨脹機是一種單級膨脹機，能實現(xiàn)的容積比有限
(3.0 4.0)，不能直接滿足蒸氣壓縮式制冷(熱泵)系統(tǒng)中較大容 積比要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述現(xiàn)有技術的旋葉式膨脹機容積比較小的不足，本發(fā)明的 目的在于，提供一種結構簡單，工作可靠，具有較大容積比的兩級膨 脹過程的旋葉式膨脹機。
為了實現(xiàn)上述任務，本發(fā)明采取如下的技術解決方案
一種兩級旋葉式膨脹機，包括缸體、轉子、滑片、軸承、軸承座 和端蓋，其特征在于，轉子將缸體沿Y軸分割成兩個不對稱的工作腔， 分別為一級工作腔、二級工作腔，膨脹機的缸體軸線垂直剖面的內(nèi)輪 廓線為光滑曲線，由一級工作型線、二級工作型線構成，轉子上開設 滑片槽，滑片底部與轉子之間設置有彈簧，進氣口開設在軸承座上， 缸體內(nèi)的一級工作腔、二級工作腔通過中間進排氣道連通，沿氣缸軸 向分兩段布置在缸體內(nèi)；二級排氣道沿軸承座軸線平行設置，并與軸 承座內(nèi)腔體相連通，端蓋上開設總排氣道。
所述膨脹機缸體的一級工作型線是由工作曲線afa'，過渡曲線 ab、 a' b'構成；所述膨脹機缸體的二級工作型線是由工作曲線ded '，過渡曲線cd、 c' d'構成， 一級工作型線與二級工作型線連接部分由密封曲線bgC、 b' he'構成的封閉的光滑曲線。
所述的膨脹機的一級工作腔、二級工作腔的工作型線不同、工作 容積不相等。 一級工作型線為簡諧曲線，二級工作型線為橢圓簡諧曲 線。
所述膨脹機一級工作腔膨脹結束時的工作腔容積等于二級膨脹 工作腔開始時的工作腔容積。
所述膨脹機除進氣口與出氣口與外部連通外，兩級膨脹之間的進 氣、排氣通道均設置在膨脹機內(nèi)部，不用外部管路連接。
本發(fā)明的兩級旋葉式膨脹機，相比單級旋葉式膨脹機，其可實現(xiàn)
7.5左右的容積比。用于替代傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷(熱泵)系統(tǒng)中的 節(jié)流閥，可將標準空調(diào)工況下的R410A，從冷凝壓力、冷凝口溫度膨 脹至蒸發(fā)壓力、蒸發(fā)溫度，同時回收并輸出制冷劑在膨脹過程中產(chǎn)生 的膨脹功。實現(xiàn)在不影響系統(tǒng)制冷(制熱)能力的基礎上，減少系統(tǒng) 能耗，提高系統(tǒng)能效比。


圖1是膨脹機的整體結構示意圖2是膨脹機的氣缸輪廓線示意圖3是膨脹機的軸承座與端蓋部位局部剖視圖4是膨脹機的工作腔示意圖，是圖3的A-A向剖視圖5是膨脹機轉子橫截面示意圖6是膨脹機缸體上開設的進排氣道圖，是圖4的D-D向剖視圖； 圖7是膨脹機的二級排氣口示意圖，是圖3的B-B向剖視圖；圖8是膨脹機的排氣道示意圖，是圖4的C-C向剖視圖；圖9是膨脹機軸承座的三維實體剖視圖；圖io是膨脹機缸體的三維實體剖視圖。附圖中零部件編號端蓋l、軸承座2、缸體3、軸承座4、端蓋 5、鍵6、軸封7、 二級排氣道8、角接觸軸承9、轉子IO、滑片ll、 滑片槽12、片彈簧13、總排氣道14、 二級工作型線15、 二級工作腔 16、中間進排氣道17、 一級工作型線18、 一級工作腔19、 一級進氣 道20、螺旋彈簧21、進氣通孔22、密封條23。
具體實施方式
以下結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述。 如圖1所示，本發(fā)明的膨脹機包括缸體3，缸體3的兩個端面分 別與軸承座2和軸承座4用螺釘聯(lián)結，兩個軸承座與缸體3的兩個 端面之間設有密封條23，實現(xiàn)對膨脹機工作腔軸向的密封。一對軸承9的外圈分別安裝在軸承座2、軸承座4內(nèi)，通過端蓋 1和端蓋5上的套筒對軸承9進行軸向固定；軸承9的內(nèi)圈安裝在 轉子10上，并通過軸肩對軸承9另一端進行軸向固定。端蓋l和端 蓋5分別用螺釘聯(lián)結在軸承座2和軸承座4上，轉子10從端蓋5中 心伸出，在端蓋5轉子10伸出的通孔內(nèi)側安裝軸封7，轉子10通 過鍵6可與輔助壓縮機或發(fā)電機相聯(lián)，輸出動力。如圖2所示的一二級工作型線，本發(fā)明的膨脹機為兩級膨脹機， 膨脹機工作腔工作型線是組合型線，膨脹機的一級工作型線18是由 工作曲線afa',過渡曲線ab、 a' b'構成；所述的膨脹機的缸體二級工作型線15是由工作曲線ded'，過渡曲線cd、 c' d'構成，一 級工作型線18與二級工作型線15連接部分由密封曲線bgc、 b' hc '構成的封閉的光滑曲線，密封曲線為一段圓弧，其半徑與轉子10的 半徑相同，通過間隙配合實現(xiàn)膨脹機轉子10與氣缸3之間的徑向密 封。 一級工作型線18的工作曲線afa'為簡諧曲線，二級工作型線 15的工作曲線ded'為橢圓簡諧曲線，兩級不同工作線的幾何參數(shù) 必須滿足使一級工作腔19開始排氣時的工作腔容積與二級工作腔16 進氣結束時的工作腔容積相等(見圖4)。由于工作曲線與密封曲線 的曲率不同，二者直接相連會出現(xiàn)尖角或拐點，嚴重惡化滑片的受力 狀況，使膨脹機的噪聲增大、工作可靠性和壽命降低。因此工作曲線 與密封曲線之間需用過渡曲線連接，分別為一級氣缸過渡曲線ab和 過渡曲線a' b' ， 二級氣缸過渡曲線cd和過渡曲線c' d'，過渡曲 線為高次多項式曲線，可滿足其與工作曲線和密封曲線連接處三階導 數(shù)連續(xù)，使滑片平穩(wěn)過度，受力均勻不發(fā)生突變。
如圖3所示，本發(fā)明的膨脹機的總排氣道14開設在端蓋1上， 工質(zhì)從總排氣道14流出膨脹機，轉子從端蓋5中心伸出，端蓋5上 安裝軸封7，端蓋1和端蓋5伸出的套筒對軸承9的外圈進行軸向固 定。
如圖4所示，本發(fā)明的膨脹機的轉子10將缸體沿Y軸分割成兩 個不對稱的工作腔，分別為一級工作腔19、 二級工作腔16，轉子10 按逆時針方向旋轉(從轉子10伸出端方向正視)，滑片11將氣缸分 為八個腔室，進入膨脹機的工質(zhì)首先從開設在缸體3內(nèi)的一級進氣道20進入膨脹機的一級工作腔19，隨著轉子的轉動，當滑片ll轉過一 級進氣道20時，工作腔完全封閉， 一級進氣結束。在壓差的作用下， 密封在一級工作腔19內(nèi)的工質(zhì)不斷膨脹，推動滑片11及轉子10旋 轉，當一級工作腔19達到其最大容積時，滑片恰好轉至中間進排氣 道17的i點，開始排氣， 一級膨脹結束，工質(zhì)從中間進排氣道17流 出一級工作腔19，進入二級工作腔16。 二級工作腔16的進氣過程與 一級工作腔19的進氣過程類似，中間進排氣道17與氣缸相交的點j 是二級工作腔16進氣結束的位置，即當滑片11轉至j點時膨脹機的 二級工作腔16與中間進排氣道17隔離，二級進氣結束。二級進氣結 束時(滑片11轉至點j) 二級工作腔16的體積與一級工作腔19開 始排氣時(滑片11轉至點i)的體積相同，這樣兩級膨脹可連續(xù)進 行。隨著滑片的繼續(xù)轉動，工質(zhì)不斷膨脹，二級工作腔16的體積逐 漸增大，并在達到其最大容積時開始排氣。經(jīng)過兩級膨脹后的工質(zhì)經(jīng) 二級排氣道8離開膨脹機工作腔，完成整個膨脹過程。轉子10上開 設八個滑片槽12，滑片槽與十字軸線相交，其傾斜方向與轉子旋轉 方向相同，滑片11嵌入滑片槽12內(nèi)，滑片11隨著轉子10的轉動， 在離心力和底部安裝的彈簧13的彈力的作用下，滑片11沿徑向伸出 滑片槽12，頂部和缸體壁面緊密貼合，并沿著缸體3壁面的曲線形 狀在滑片槽12內(nèi)作往復運動。滑片槽12的深度需滿足在滑片11頂 部與滑片槽12頂部平齊時(即滑片11完全嵌入在滑片槽12內(nèi))，滑 片11底部距滑片槽12底部應留有1 2mm的距離，并且滑片槽12靠 近底部的橫截面積加大，其目的是為了讓滑片槽12底部形成與轉子10兩端的軸承腔連通的排氣通道，以便于二級排氣機構的布置和對
軸承9潤滑。滑片連同有一定預緊的彈簧一起裝入滑片槽后，彈簧預
緊力可保證滑片在膨脹機工作時的任意角度與氣缸壁面貼合。由于一 級、二級兩個工作腔不對稱，滑片在兩個工作腔中的最大升程也不相 同，所用滑片的幾何尺寸要同時滿足兩個不同工作腔的要求。 本發(fā)明的膨脹機的滑片11底部安裝彈簧，彈簧可選擇片彈簧或
螺旋彈簧，兩種彈簧在安裝時與滑片11和滑片槽12之間都無緊固件 聯(lián)結。為保證滑片11在任何時刻都在滑片槽12中沿轉子10徑向處 于伸出狀態(tài)，使其頂部與工作型線貼合，形成封閉的工作腔，需對彈 簧預緊。
一級進氣道20與Y軸平行設置，開設在一級工作腔19一側，中 間進排氣道17跨越一級工作腔19和二級工作腔16，既是一級工作 腔19的排氣道又是二級工作腔16的進氣道，將一級工作腔19的排 氣直接引入二級工作腔16。
如圖6所示，本發(fā)明的膨脹機的一級進氣道20和中間進排氣道 17，在缸體3內(nèi)軸向上分兩段設置，進氣通孔22連接兩段一級進氣 道20，進氣通孔22在缸體3上一端封閉，與膨脹機外界相聯(lián)的開口 端位于軸承座2上，制冷劑流出冷凝器后，從進氣通孔22進入膨脹 機，再分流從兩段一級進氣道20進入膨脹機工作腔。
如圖7所示，本發(fā)明的膨脹機的二級排氣道8與軸承座4相通， 工質(zhì)通過二級排氣道8從膨脹機工作腔流出后，進入軸承座4內(nèi)，本 圖僅顯示軸承座4內(nèi)二級排氣道8的位置。如圖8、圖9所示，本發(fā)明的膨脹機的二級排氣道8沿軸承座2、 4軸線平行設置，并與軸承座2、 4內(nèi)腔體相連通。處于二級排氣階 段的制冷劑從二級工作腔16沿軸向通過二級排氣道8流出，并分別 流入軸承座2和軸承座4的軸承腔內(nèi)。流入軸承座4的制冷劑通過滑 片槽12底部的通孔及滾動軸承滾珠間的間隙沿軸向又流入軸承座2 內(nèi)，而后通過總排氣道14最終流出膨脹機。制冷劑中含有潤滑油， 在經(jīng)過滾動軸承時可對其進行潤滑。
如圖10是膨脹機缸體的三維實體剖視圖， 一級進氣道20和中間 進排氣道17分別分兩段開設在缸體內(nèi)，進氣通孔22將兩段一級進氣 道20連通。
權利要求
1. 一種兩級旋葉式膨脹機，包括缸體(3)、轉子(10)、滑片(11)、軸承(9)、軸承座(2，4)和端蓋(1)，其特征在于，轉子(10)將缸體(3)沿Y軸分割成兩個不對稱的工作腔，分別為一級工作腔(19)、二級工作腔(16)，膨脹機缸體(3)的軸線垂直剖面的內(nèi)輪廓線為光滑曲線，由一級工作型線(18)、二級工作型線(15)構成，轉子(10)上開設滑片槽(12)，滑片(11)底部與轉子之間設置有彈簧(13)，進氣口開設在軸承座(2)上，缸體內(nèi)的一級工作腔(19)、二級工作腔(16)通過中間進排氣道(17)連通，沿氣缸軸向分兩段布置在缸體內(nèi)；二級排氣道(8)沿軸承座(2、4)軸線平行設置，并與軸承座內(nèi)腔體相連通，端蓋(1)上開設總排氣道(14)。
2. 據(jù)權利要求1所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于所述 膨脹機缸體(3)的一級工作型線(18)是由工作曲線afa'，過渡 曲線ab、 a' b'構成；所述膨脹機缸體的二級工作型線(15)是由 工作曲線ded'，過渡曲線cd、 c' d'構成， 一級工作型線(18)與 二級工作型線(15)連接部分由密封曲線bgc、 b' hc'構成的封閉 的光滑曲線。
3. 根據(jù)權利要求2所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于 一級 工作型線為簡諧曲線，二級工作型線為橢圓簡諧曲線。
4. 根據(jù)權利要求1所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于所述 的膨脹機的一級工作腔(19)、 二級工作腔(16)的工作型線不同、工作容積不相等。
5. 根據(jù)權利要求1所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于所 述膨脹機一級工作腔膨脹結束時的工作腔容積等于二級工作腔膨脹 開始時的工作腔容積。
6. 根據(jù)權利要求1所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于所 述轉子(10)上開設有滑片槽(11)，其傾斜方向與轉子旋轉方向相 同，滑片槽的根部尺寸大于槽本體的尺寸。
7. 根據(jù)權利要求1所述的兩級旋葉式膨脹機，其特征在于所述 膨脹機除進氣口 (20)與出氣口 (14)與外部連通外，所有兩級膨脹 之間的進氣、排氣通道均設置在膨脹機內(nèi)部，不用外部管路連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于制冷技術及設備領域，具體涉及一種用于制冷(熱泵)系統(tǒng)能量回收的兩級旋葉式膨脹機。包括缸體、轉子、滑片、軸承、軸承座和端蓋，膨脹機有兩個不對稱的工作腔，膨脹機的缸體的內(nèi)輪廓線為不對稱的光滑曲線，轉子上開設滑片槽，滑片底部與轉子之間設置有彈簧，進氣口開設在軸承座上，缸體設置有工作腔、進排氣道，端蓋上開設總排氣孔。本發(fā)明的兩級旋葉式膨脹機，其容積比為7.5左右，用于替代傳統(tǒng)蒸氣壓縮式制冷(熱泵)系統(tǒng)中的節(jié)流閥，可將標準空調(diào)工況下的R410A，從冷凝器出口工況膨脹至蒸發(fā)器入口工況，同時回收膨脹過程中產(chǎn)生的膨脹功，減少系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)能效比。
文檔編號F25B41/06GK101504231SQ200910021409
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權日2009年3月6日
發(fā)明者卜高選, 李連生, 束鵬程, 猛 王, 趙遠揚 申請人:西安交通大學