專(zhuān)利名稱(chēng)：二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制冷空調(diào)與供暖設(shè)備中的能量回收裝置。
背景技術(shù)：
目前制冷空調(diào)行業(yè)普遍使用的制冷劑是CFCs(氯氟烴)與HCFCs(氫氯氟烴)物質(zhì)。由于它們對(duì)臭氧層有破壞作用以及產(chǎn)生溫室效應(yīng)，世界各國(guó)的科學(xué)家正在緊張研究其替代工作。其中二氧化碳以其優(yōu)良的環(huán)保特性、良好的傳熱和流動(dòng)性質(zhì)被重新引入到制冷熱泵行業(yè)中來(lái)。因此以CO2為制冷劑是解決CFC替代的首選方法。但是，要在工業(yè)技術(shù)中實(shí)現(xiàn)CO2跨臨界制冷循環(huán)，目前還有一定難度。主要原因是CO2的節(jié)流損失比常規(guī)工質(zhì)(如R22、R134a)大，其COP值(性能系數(shù))比常規(guī)循環(huán)至少低20％。如何減少CO2跨臨界制冷循環(huán)的節(jié)流損失，變節(jié)流損失為可用能，是目前丞待解決的問(wèn)題。采用膨脹機(jī)代替節(jié)流閥回收膨脹功可以提高CO2系統(tǒng)的COP，但由于CO2膨脹機(jī)入口為超臨界流體，目前所研究的CO2膨脹機(jī)均存在機(jī)械和泄漏損失，如何結(jié)合CO2跨臨界循環(huán)的特性通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高CO2膨脹機(jī)的效率，成為提高COP急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。CO2膨脹機(jī)能輸出機(jī)械功，但難得應(yīng)用，如果將其與其它用能設(shè)備如水泵、風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)等同軸連接，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)速難于控制和匹配等問(wèn)題較難實(shí)現(xiàn)。實(shí)際的解決方法是在較低的成本下將CO2膨脹機(jī)與能量轉(zhuǎn)換裝置一體化設(shè)計(jì)，將CO2膨脹機(jī)所輸出的機(jī)械功轉(zhuǎn)化為容易利用的電能，輸出的電能可靈活用于負(fù)載的運(yùn)行。負(fù)載可以是系統(tǒng)中的水泵、風(fēng)扇等小型設(shè)備，切實(shí)達(dá)到提高系統(tǒng)COP，節(jié)省系統(tǒng)耗能的目的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種直接應(yīng)用于CO2跨臨界制冷循環(huán)系統(tǒng)中的能量回收裝置，在實(shí)際的制冷、熱泵設(shè)備中可有效提高系統(tǒng)的COP，使CO2跨臨界循環(huán)系統(tǒng)具有實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。
本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理如附圖1、附圖2、附圖3和附圖4所示。二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器，由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)、聯(lián)軸器(2)、發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)、上機(jī)殼(4)、中機(jī)殼(5)、下機(jī)殼(6)和底座(7)等組成。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)、氣缸(9)、滑板(10)、偏心輪軸(11)、主軸(12)、下端蓋(13)及上端蓋(14)等組成。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)通過(guò)聯(lián)軸器(2)與發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)同軸連接。因?yàn)槎趸伎缗R界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器是處于高壓運(yùn)行狀態(tài)中，所以滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)和發(fā)電-電動(dòng)機(jī)一同被封裝于由機(jī)殼(4)、(5)、(6)所組成的殼體之內(nèi)，這樣不但可減少滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器的CO2泄漏，而且還可保障運(yùn)行的安全。下機(jī)殼(6)與底座(7)相接，以加強(qiáng)系統(tǒng)的支撐，減小振動(dòng)和運(yùn)行噪聲。為了有效減小摩擦和泄露在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)與偏心輪軸(11)之間、滑板(10)與氣缸(9)的滑板槽之間、裝有滾針(18)；在主軸(12)與上、下端蓋(14)(13)之間，除裝有滾針(18)外還裝有密封環(huán)(15)；下端蓋(13)的底部裝有軸承(19)；在滑板(10)靠近滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)的一端嵌有密封柱(21)，密封柱(21)一側(cè)的凹圓與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)的外圓重合。在滑板(10)的另一端裝有彈簧，彈簧的另一端流體管(22)相接，管(22)中的高壓流體使得滑板(10)緊貼于滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)。上端蓋(14)的上部裝有凸輪盤(pán)(16)，凸輪盤(pán)(16)下方裝有圓筒形控制閥桿(17)和圓柱形閥座(20)，在閥座(20)上開(kāi)有間距為15-18mm的方形通道。在控制閥桿(17)上開(kāi)有與閥座(20)方形通道同間距的環(huán)形凹槽和方孔。由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)，氣缸(9)，下端蓋(13)和上端蓋(14)將滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)分成一個(gè)高壓腔，一個(gè)低壓腔。通過(guò)與偏心輪軸同步旋轉(zhuǎn)的凸輪盤(pán)(16)的行線(xiàn)，控制凸輪盤(pán)(16)下方的圓筒形控制閥桿(17)在圓柱形閥座(20)中上下移動(dòng)。當(dāng)在控制閥桿(17)上的方孔與閥座(20)上的方形通道相對(duì)時(shí)，CO2高壓流體可以通過(guò)進(jìn)氣管(23)進(jìn)入滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)和氣缸(9)之間的膨脹腔，隨著滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)的轉(zhuǎn)動(dòng)，滑板(10)在氣缸(9)中的滑板槽中上下移動(dòng)膨脹做功，從排氣口(24)排出。當(dāng)在控制閥桿(17)上的方孔在與閥座(20)上的方形通道不相對(duì)時(shí)，則阻止了CO2高壓流體進(jìn)入膨脹腔?？刂崎y桿(17)的環(huán)形凹槽可以消除CO2高壓流體對(duì)控制閥桿(17)的單向作用，減小控制閥桿(17)間的摩擦。發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)由發(fā)電機(jī)(25)、電動(dòng)機(jī)(26)組成，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸。電動(dòng)機(jī)(26)與常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)、繼電器(28)及電源串聯(lián)。發(fā)電機(jī)輸出線(xiàn)(25)與繼電器(28)的常閉觸點(diǎn)和負(fù)載(29)串聯(lián)。
在二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器開(kāi)始啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)作為電動(dòng)機(jī)使用，以帶動(dòng)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)的主軸(12)旋轉(zhuǎn)，從而可克服滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)的啟動(dòng)死點(diǎn)。當(dāng)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)后，發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)作為發(fā)電機(jī)使用，將滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)的輸出功轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出。當(dāng)按下常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)時(shí)，繼電器(28)通電，其常閉觸點(diǎn)打開(kāi)，電動(dòng)機(jī)(26)與電源接通開(kāi)始工作，發(fā)電機(jī)不輸出功。當(dāng)常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)斷開(kāi)時(shí)，繼電器(28)的常閉觸點(diǎn)閉合，電動(dòng)機(jī)(26)電源斷開(kāi)停止工作，發(fā)電機(jī)(25)與負(fù)載(29)相通，輸出電能。
本發(fā)明的有益效果在于可以有效地回收膨脹功大幅度提高CO2系統(tǒng)的COP，利用膨脹機(jī)輸出的機(jī)械功，直接驅(qū)動(dòng)發(fā)電-電動(dòng)機(jī)發(fā)電，輸出電能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載運(yùn)行。其功能可幫助滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)瞬時(shí)啟動(dòng)，克服啟動(dòng)死點(diǎn)。本發(fā)明可直接應(yīng)用于CO2跨臨界系統(tǒng)，將節(jié)流損失轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的COP。在整體上將滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)、聯(lián)軸器和發(fā)電-電動(dòng)機(jī)置于上、中、下機(jī)殼中，不僅可以減少泄漏，降低噪聲，而且有利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。
圖1為CO2跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是圖2中A-A剖面的結(jié)構(gòu)圖。圖4是圖1中發(fā)電-電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明在循環(huán)系統(tǒng)中的布置圖。
附圖序號(hào)明細(xì)表
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明在系統(tǒng)中的布置如附圖5中的虛線(xiàn)框部分。
安裝時(shí)，將二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式能量回收器(本發(fā)明)的進(jìn)氣管(23)與氣體冷卻器(30)的出口相連，將排氣口(24)與蒸發(fā)器(31)的入口相連。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)的主軸(12)通過(guò)聯(lián)軸器(2)與發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)(3)的主軸同軸垂直安裝。發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)所輸出的電能用于負(fù)載的運(yùn)行，負(fù)載可以為系統(tǒng)的水泵、風(fēng)扇等小型用電設(shè)備。
工作時(shí)，按下常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)，發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)的電動(dòng)機(jī)(26)啟動(dòng)，帶動(dòng)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)按附圖3所示方向旋轉(zhuǎn)，克服了滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)的啟動(dòng)死點(diǎn)。同時(shí)繼電器(28)通過(guò)其常閉觸點(diǎn)鎖住發(fā)電機(jī)(25)，不對(duì)外輸出電能。斷開(kāi)常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)，-電動(dòng)機(jī)(26)停止工作，繼電器(28)的常閉觸點(diǎn)閉合，發(fā)電機(jī)(25)輸出電能給負(fù)載(29)。超臨界高壓二氧化碳流體(通常壓力為10Mpa左右)由進(jìn)氣管(23)進(jìn)入氣缸(9)，此時(shí)控制閥桿(17)上的方孔處于與閥座(20)上的方形通道相對(duì)位置，高壓流體進(jìn)入氣缸(9)后推動(dòng)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)轉(zhuǎn)動(dòng)，并驅(qū)動(dòng)偏心輪軸(11)按附圖3所示方向旋轉(zhuǎn)。偏心輪軸(11)帶動(dòng)凸輪盤(pán)(16)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)轉(zhuǎn)到其凸輪行線(xiàn)的下端時(shí)，控制閥桿(17)下移使得控制閥桿(17)上的方孔于與閥座(20)上的方形通道不相通的位置，停止進(jìn)氣，流體開(kāi)始自發(fā)膨脹。此膨脹過(guò)程中，由于壓差的作用高壓二氧化碳繼續(xù)推動(dòng)偏心輪軸(11)和滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)轉(zhuǎn)到缸體排氣口位置時(shí)，壓力降低到排氣壓力(30～40MPa)，高壓二氧化碳變?yōu)闅庖簝上嗔黧w，由排氣口(20)排出。這是上述部件旋轉(zhuǎn)的一個(gè)周期。在下一循環(huán)中，凸輪盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)又使控制閥桿(17)上移，使得高壓二氧化碳再次由進(jìn)氣管進(jìn)入缸體(9)，如此反復(fù)循環(huán)輸出軸功。滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)輸出的膨脹功帶動(dòng)通過(guò)聯(lián)軸器(2)連接的發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)，由發(fā)電機(jī)(25)向負(fù)載(29)輸出電能。
本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，易于操作并且體積小，重量輕，運(yùn)行安全可靠?？芍苯討?yīng)用于CO2跨臨界系統(tǒng)，將節(jié)流損失轉(zhuǎn)化為電能對(duì)外輸出，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的COP，使CO2跨臨界系統(tǒng)循環(huán)實(shí)用化。
權(quán)利要求
1.二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器，由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)，聯(lián)軸器(2)，發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)，上機(jī)殼(4)，中機(jī)殼(5)，下機(jī)殼(6)和底座(7)等組成，其特征是滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)通過(guò)聯(lián)軸器(2)與發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)同軸連接，并被封裝于由機(jī)殼(4)、(5)、(6)所組成的殼體之內(nèi)，下機(jī)殼(6)與底座(7)相接。
2.按照權(quán)利要求1所述的二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器，其特征是所述的滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)(1)由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)，氣缸(9)，滑板(10)，偏心輪軸(11)，主軸(12)，下端蓋(13)，上端蓋(14)等組成，其特征是在滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)與偏心輪軸(11)之間、滑板(10)與氣缸(9)的滑板槽之間、裝有滾針(18)，在主軸(12)與上、下端蓋(14)(13)之間，除裝有滾針(18)外還裝有密封環(huán)(15)，在滑板(10)靠近滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)的一端嵌有密封柱(21)，密封柱(21)一側(cè)的凹圓與滾動(dòng)轉(zhuǎn)子(8)的外圓重合，在滑板(10)的另一端裝有彈簧，彈簧另一端與高壓流體管(22)相接，下端蓋(13)的底部裝有軸承(19)，上端蓋(14)的上部裝有凸輪盤(pán)(16)，凸輪盤(pán)(16)下方裝有圓筒形控制閥桿(17)和圓柱形閥座(20)，在閥座(20)上間距為15-18mm的方形通道，在控制閥桿(17)上開(kāi)有與閥座(20)方形通道同間距的環(huán)形凹槽和方孔。
3.按照權(quán)利要求1所述的二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器，其特征是所述的發(fā)電-電動(dòng)機(jī)(3)是由發(fā)電機(jī)(25)和電動(dòng)機(jī)(26)組成，發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)(26)的電源線(xiàn)與常開(kāi)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)(27)、繼電器(28)及電源串聯(lián)，發(fā)電機(jī)(25)輸出線(xiàn)與繼電器(28)的常閉觸點(diǎn)、電流表及負(fù)載(29)串聯(lián)。
全文摘要
二氧化碳跨臨界制冷循環(huán)滾動(dòng)轉(zhuǎn)子能量回收器，主要由滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)、發(fā)電－電動(dòng)機(jī)、機(jī)殼和底座等組成，滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)與發(fā)電－電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器連接。其中滾動(dòng)轉(zhuǎn)子膨脹機(jī)由氣缸、滾動(dòng)轉(zhuǎn)子、滑板、偏心輪軸、主軸、凸輪盤(pán)、控制閥桿等組成。通過(guò)與偏心輪軸同步旋轉(zhuǎn)的凸輪盤(pán)行線(xiàn)，控制凸輪盤(pán)下方的閥桿。當(dāng)在控制閥桿上方孔與閥座上的方孔相對(duì)時(shí)，CO
文檔編號(hào)F25B9/00GK1419090SQ0215391
公開(kāi)日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者馬一太, 楊昭, 查世彤, 張?jiān)茟? 涂銘海, 蘇維誠(chéng) 申請(qǐng)人:天津大學(xué)