[发明专利]螺旋压缩膨胀制冷机

说明书

技术领域

本发明涉及一种螺旋压缩膨胀制冷机，采用完全轴对称且同轴线结构的螺旋压缩机头、电机及螺旋膨胀机头，应用近似布雷顿循环制冷原理，较布雷顿循环更接近等温压缩过程的循环方式，压缩功相对较小，可回收膨胀功，COP较高；应用多级螺旋压缩叶片逐级改变螺旋压缩叶片螺距及螺旋上升角、逐级扩压再压缩的连续压缩方法，实现高速螺旋叶轮对气体的多级离心冲压压缩过程；通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；采用气流多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气流对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程；结构简洁精巧，外型似圆柱形，可直接连接至管道中，实现高温气体的开式低温制冷过程。

背景技术

传统的制冷机多采用近似逆卡诺循环、斯特林循环、布雷顿循环等，大多系统复杂，能效比较低，难以回收膨胀功，需要独立分离的压缩段、冷却段、膨胀段等，其中以布雷顿循环应用最广。本发明基于布雷顿循环提出一种开式制冷的螺旋压缩膨胀制冷机，压缩段、电机、膨胀段连接在同一轴线上，整体压缩机类似圆柱体结构，高温气体从螺旋压缩膨胀制冷机一端进入压缩段后，经多级压缩、冷却、再多级膨胀变为低温气体，并从另一端排出，整体制冷机结构简洁，便于安装于管道系统，将高温气体直接冷却变为低温气体，可直接完成开式制冷过程。布雷顿循环主要用于大型制冷系统，一般为闭式制冷系统，由两个等压过程、两个等熵过程组成，压缩过程为等熵过程，需要较多的理论压缩功。本发明基于布雷顿循环，应用近似布雷顿循环制冷原理，压缩过程中由于采用了较长的压缩段，便于一边压缩，一边冷却，较布雷顿循环更接近等温压缩过程，压缩功相对较小。同时，采用多级膨胀再扩压再膨胀的膨胀制冷过程，整个过程更接近等熵膨胀过程，膨胀后温度更低。布雷顿循环可采用膨胀机与压缩机同轴设置，一般采用大型离心压缩机及大型离心膨胀过程，可回收压缩功，制冷机气缸较大，主要用于较大的制冷系统，一般需要外加冷却系统。本发明膨胀制冷过程中的理论膨胀功也可回收并通过电机中轴传递给压缩段进行压缩，可用于小型制冷系统，不需要外加冷却系统，压缩段的压缩功比布雷顿循环更小，能效比较布雷顿循环更高。由于采用轴向扩压过程及压缩后气流直接经过电机中轴进入膨胀段，气缸直径小于离心压缩机，再没有多余的输气管道，整体制冷机直径较小。此外，本发明采用离心压缩与冲压压缩相结合、以冲压压缩为主的压缩原理，应用连续多级螺旋压缩叶片及多级轴向扩压环，沿轴向连续多级压缩及沿轴向扩压的方法，可有效弥补离心压缩过程存在的不足，拓宽回转式气体压缩机械在小型制冷系统中的应用能力。最后，布雷顿循环采用单一的单级膨胀叶轮进行膨胀制冷，膨胀过程中偏离等熵过程较远，膨胀后气体温度较高，回收的膨胀功较少。本发明采用近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程，同时采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程，制冷温度更低，回收压缩功更多。大多制冷机采用外回冷却系统，制冷机体积较大，而本发明应用壳内电机风扇冷却电机的同时冷却壳内换热器，达到冷却压缩段的目的，系统结构简洁精巧，体积更小，使用直接安装于气体管道内，应用开式制冷原理直接将高温气体压缩、冷却、膨胀制冷并降温。

发明内容

根据螺旋压缩膨胀制冷机近似布雷顿制冷原理，发明螺旋压缩膨胀制冷机，利用逐级调节螺旋压缩叶轮叶片螺线螺距及上升角的方法，改变相邻螺旋叶片间距及通流截面面积，采用高速旋转的螺旋叶片逐级离心冲压的多级压缩方法及轴向设置多级扩压环沿轴向扩压的方法，最终实现气体的逐级离心冲压过程；膨胀过程近似压缩过程的反过程，通过增大螺旋膨胀叶片螺距及螺旋上升角、高压气流逐渐膨胀加速的连续膨胀做功方法，实现高压气体对螺旋叶片膨胀做功过程及降温过程；同时采用多级轴向扩压再膨胀的方法带动螺旋叶片高速旋转，实现气体对多级螺旋叶片逐级膨胀做功并降温过程，使制冷机体积更小，能效比更高。

本发明的技术解决方案：