錐形壓縮膨脹一體機及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種錐形壓縮膨脹一體機及方法，屬于節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]低壓氣體壓縮和膨脹是常規(guī)能源系統(tǒng)中的常見過程，特別對于低壓低溫操作條件，單位質(zhì)量的氣體工質(zhì)體積流量大，常見的低壓壓縮機和膨脹機體積龐大，成本高昂。因此，如何繼續(xù)降低大體積流量條件下壓縮機和膨脹機的結(jié)構(gòu)尺寸仍是今后的重要發(fā)展方向。
[0003]分析現(xiàn)有能源系統(tǒng)常見的渦旋式壓縮機和螺桿式壓縮機的工作過程可知，以上設(shè)備在正向旋轉(zhuǎn)過程中能夠?qū)崿F(xiàn)對工質(zhì)壓縮，如果反向工作則能實現(xiàn)工質(zhì)膨脹。如果結(jié)合以上兩類容積式壓縮機特點，能夠在錐形通道內(nèi)布置偏心旋轉(zhuǎn)芯子，利用偏心旋轉(zhuǎn)芯子旋轉(zhuǎn)過程形成封閉腔，且集成多個偏心轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過程可同時實現(xiàn)對不同工質(zhì)的壓縮和膨脹，則能夠極大的簡化傳動機構(gòu)，并進而提高能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性，此類設(shè)備將會有廣泛的應(yīng)用價值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種錐形壓縮膨脹一體機及方法，能夠極大的簡化傳動機構(gòu)，并進而提尚能源系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
[0005]種錐形壓縮膨脹一體機，其特征在于:包括外殼體、第一轉(zhuǎn)動芯子和第二轉(zhuǎn)動芯子，第一轉(zhuǎn)動芯子位于外殼體內(nèi)部，第二轉(zhuǎn)動芯子位于第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)部；
其中外殼體內(nèi)廓面、第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面、第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面、第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面均為螺旋形錐面結(jié)構(gòu)，且錐角相同，均為cl，小于90°;
第一轉(zhuǎn)動芯子繞外殼體中心線公轉(zhuǎn)且繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)，第一轉(zhuǎn)動芯子中心線與外殼體中心線呈al角；第二轉(zhuǎn)動芯子繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線公轉(zhuǎn)且繞第二轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)時；第二轉(zhuǎn)動芯子中心線與第一轉(zhuǎn)動芯子中心線呈a2角；外殼體中心線、第一轉(zhuǎn)動芯子中心線和第二轉(zhuǎn)動芯子中心線均通過外殼體錐角的頂點；上述al角大于a2角；上述所有公轉(zhuǎn)、自轉(zhuǎn)同為正時針或同為逆時針方向；
外殼體內(nèi)廓面任一軸向位置的橫截面為倒角為R1的N邊形，第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面任一軸向位置的橫截面為倒角為R1的N-1邊形；第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面和外殼體內(nèi)廓面的接觸部位為N條螺旋線；外殼體內(nèi)廓面的軸向螺距與第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面的軸向螺距的比值為N:N-1, N為大于等于3的自然數(shù)；
第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面任一軸向位置的橫截面為倒角為R2的Μ邊形，第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面任一軸向位置的橫截面為倒角為R2的Μ-1邊形；第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面與第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面的接觸部位為Μ條螺旋線；第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面的軸向螺距與第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面的軸向螺距的比值為:Μ: Μ-1，Μ為大于等于3的自然數(shù)。
[0006]第一轉(zhuǎn)動芯子繞外殼體中心線公轉(zhuǎn)且繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)角速度與自轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為N-1:N ;以上轉(zhuǎn)速關(guān)系可保證第一工質(zhì)入口面積從零增加至最大然后再降低為零，從而可實現(xiàn)對第一工質(zhì)的吸入和封閉。
[0007]第二轉(zhuǎn)動芯子繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線公轉(zhuǎn)且繞第二轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)角速度與自轉(zhuǎn)角速度的關(guān)系為M-1:M ;以上轉(zhuǎn)速比關(guān)系可以保證第二轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面與第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面構(gòu)成的螺旋封閉腔，保證第二工質(zhì)入口面積從零增加至最大然后再降低為零，從而可實現(xiàn)對第二工質(zhì)的吸入和封閉。
[0008]根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機，外殼體的外廓切面與外殼體中心線的夾角為cl，該夾角小于90°。以上角度要求可以保證第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面、與外殼體內(nèi)廓面之間構(gòu)成的螺旋封閉腔體積沿著錐角方向運動時不斷縮小，可以實現(xiàn)對第一工質(zhì)的壓縮；第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面和第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面構(gòu)成螺旋封閉腔沿著錐角反方向運動時體積不斷增加，可以實現(xiàn)對第二工質(zhì)的膨脹。
[0009]根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機，al角大于a2角；以上角度要求可以保證第二轉(zhuǎn)動芯子中心線繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線的同時，不會出現(xiàn)第二轉(zhuǎn)動芯子與外殼體中心線干涉，即就是轉(zhuǎn)動芯子卡死的情況。
[0010]根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機的工作方法，其特征在于:
壓縮工作過程在于:
第一轉(zhuǎn)動芯子繞外殼體中心線公轉(zhuǎn)且繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)，使得第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面在外殼體內(nèi)廓面內(nèi)轉(zhuǎn)動；
由于第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面橫截面的N-1邊形的倒角為R1，與外殼體內(nèi)廓面橫截面的N邊形的倒角相同；
第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面和外殼體內(nèi)廓面的接觸部位為N條螺旋線；且每相鄰的兩條螺旋線有若干交點；
每相鄰的兩條螺旋線及其相鄰的兩個交點、與第一轉(zhuǎn)動芯子外廓面、與外殼體內(nèi)廓面之間構(gòu)成一個螺旋封閉腔；
在第一轉(zhuǎn)動芯子中心線繞外殼體中心線公轉(zhuǎn)且自轉(zhuǎn)的同時，上述螺旋封閉腔沿著軸向向錐角方向移動，體積不斷縮小，當(dāng)螺旋封閉腔內(nèi)充入第一工質(zhì)，則該工質(zhì)即被壓縮，該螺旋封閉腔即構(gòu)成一個壓縮腔，從而對第一工質(zhì)壓縮；
膨脹工作過程:
第二轉(zhuǎn)動芯子繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線公轉(zhuǎn)且繞第二轉(zhuǎn)動芯子中心線自轉(zhuǎn)時，使得第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面在第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面內(nèi)轉(zhuǎn)動；
由于第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面的橫截面的M-1邊形的倒角為R2，與第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面橫截面的Μ邊形的倒角相同；
第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面和第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面的接觸部位為Μ條螺旋線；且每相鄰的兩條螺旋線有若干交點；
每相鄰的兩條螺旋線及其相鄰的兩個交點、與第二轉(zhuǎn)動芯子外廓面、第一轉(zhuǎn)動芯子內(nèi)廓面構(gòu)成一個螺旋封閉腔；
在第二轉(zhuǎn)動芯子中心線繞第一轉(zhuǎn)動芯子中心線公轉(zhuǎn)且自轉(zhuǎn)時，上述螺旋封閉腔沿著軸向向錐角反方向移動，體積不斷增加，當(dāng)螺旋封閉腔內(nèi)充入第二工質(zhì)，則該工質(zhì)膨脹，該螺旋封閉腔即構(gòu)成一個膨脹腔，從而可以對第二工質(zhì)實現(xiàn)膨脹； 根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機，其特征在于:壓縮腔入口的第一工質(zhì)為干空氣、濕空氣、水蒸氣以及其他有一定濕度的氣體；由于該錐形壓縮膨脹一體機的壓縮過程為容積式壓縮過程，且由于第一轉(zhuǎn)動芯子的轉(zhuǎn)速不高，因此可對多種不同氣體、包括常規(guī)的干空氣、濕空氣以及其他具有一定濕度的氣體進行壓縮，具有廣泛的氣體適應(yīng)性；
根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機，其特征在于:膨脹腔入口的第二工質(zhì)為干空氣、濕空氣、水蒸氣以及其他有一定濕度的氣體。由于該錐形壓縮膨脹一體機的膨脹過程為容積式膨脹過程，且由于第二轉(zhuǎn)動芯子的轉(zhuǎn)速不高，因此可對多種不同氣體、包括常規(guī)的干空氣、濕空氣以及其他具有一定濕度的氣體進行膨脹，因此具有廣泛的氣體適應(yīng)性。
[0011]根據(jù)本發(fā)明所述的錐形壓縮膨脹一體機，其可有多種工作方式:可以同時對兩種工質(zhì)壓縮，也可對兩種工質(zhì)膨脹，還可用于兩種工質(zhì)的壓縮和膨脹、一種工質(zhì)的膨脹、一種工質(zhì)壓縮。當(dāng)用于壓縮膨脹一體機時，由于在實現(xiàn)氣體壓縮的過程，回收了部分膨脹功，因此具有一定的節(jié)能性。此外，由于壓縮過程和膨脹過程集成在統(tǒng)一設(shè)備中，也具有整體結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)勢。
[0012]由于該錐形壓縮膨脹機，可在其轉(zhuǎn)動芯子的外側(cè)和內(nèi)側(cè)分別布置了不同的螺旋型面，從而可以形成壓縮腔和膨脹腔，為設(shè)計壓縮膨脹一體化過程提供可能，且可以通過對兩個不同廓面參數(shù)進行優(yōu)化實現(xiàn)最佳的壓縮和膨脹效果。
【附圖說明】
[0013]圖1為錐形壓縮膨脹一體機結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2殼體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3第一轉(zhuǎn)動芯子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4第二轉(zhuǎn)動芯子結(jié)構(gòu)示意圖；
圖中標(biāo)號:1、外殼體，2、第一轉(zhuǎn)動芯子，3、第二轉(zhuǎn)動芯子，4、夕卜殼體中