[发明专利]一种活塞式膨胀机的进排气机械控制系统

说明书

本发明属于制冷/热泵技术领域，公开了一种活塞式膨胀机的进排气机械控制系统。该机械控制系统包括进气控制模块和排气控制模块；二者分别具有一个固定在膨胀机曲轴上的凸轮，凸轮随曲轴旋转，推动相应的挺杆在阀体内上、下运动。各挺杆通过齿条齿轮的啮合运动，驱动阀体内的对应阀杆绕自身轴心旋转；各阀杆上分别具有与阀体中的内/外进/排气管匹配的阀孔，可在阀杆旋转到一定方向时形成连通的气流通道，从而控制进、排气各参数。本发明的进排气机械控制系统结构简单、控制精确、不易受环境干扰，适用于各活塞连杆共用曲轴的多缸活塞式膨胀‑压缩一体机，实现了膨胀‑压缩机进、排气过程与对应的膨胀、压缩过程各阶段的良好同步。

技术领域

本发明属于制冷/热泵技术领域，具体涉及一种活塞式膨胀机的进、排气机械式控制系统。

背景技术

在制冷技术的发展过程中，制冷剂的更新换代始终是非常重要的技术提升手段。制冷剂的发展也伴随着臭氧破坏以及温室效应问题的困扰。在1992年《蒙特利尔议定书》第四次会议以及2007年《蒙特利尔议定书》第19次成员国会议上，环保议题尤为抢眼，逐步淘汰高GWP(全球变暖潜能)和高ODP(臭氧衰减潜能)制冷剂的呼声很高。

在其它行业生产和日常生活中，制冷剂也是不可或缺的存在。这些需求促使对制冷剂的研究不断深化。近年来，以自然工质和近自然工质为代表的第四代制冷剂得到较快发展。

第四代制冷剂，比如近自然工质(HFOs类工质)，其合成制造成本很高。这也就意味着生产过程会带来高能耗、高排放，次生温室效应也随之而来。而CO₂作为自然工质，具有许多优势，比如环境友好(ODP＝0，GWP＝1)、安全无毒、不易燃、传热性能好、流动性好、容积制冷量大、与普通润滑剂和结构材料相兼容、价格便宜、维护费用低，等等。CO₂也因此成为了优质制冷剂工质。

由于CO₂的沸点低，如果应用于制冷/热泵循环中，可使系统跨临界循环(压缩机的吸气压力低于临界压力，且排气压力高于临界压力)。但是，CO₂热泵系统也存在一些技术壁垒，最主要问题是：由于制冷系统内压力很高，节流损失大。CO₂跨临界循环的效率通常低于普通工质的亚临界循环(压缩机的吸排气压力均低于临界压力)。为了减少跨临界循环的节流损失，有必要采用一种装置来代替节流阀，从而提高系统节流效率。

膨胀机是利用压缩气体膨胀降压时向外输出机械功，使气体温度和压力降低的原理以获得能量的机械，在低温装置中已有广泛应用。在各类膨胀机中，活塞式膨胀机由于具有结构简单，密封性、可靠性好等特性，具有较大的开发潜力。然而，膨胀机的进、排气特性与压缩机有所不同，其排气过程应该较长且进气过程应较为迅速，才能减少节流损失并延长膨胀过程。但是，膨胀机的进、排气过程与膨胀机活塞的运行周期应紧密保持一致，否则，将会导致膨胀比下降，从而影响膨胀机的节能效果。传统的阀门以及主动周期性控制系统会因结构缝隙而在关闭时产生泄漏问题，采用电磁控制系统则可能使其受到电动机等交变电流设备导致的电磁干扰，影响其控制准确度。因此，设计一个高效可控的机械式进、排气控制系统，确保膨胀机进、排气周期与活塞运行周期的一致性，对于CO₂膨胀机的开发研究和利用具有很大的价值。

发明内容

本发明的目的是针对现有膨胀机技术中进、排气周期与膨胀过程不一致的问题，从而导致泄漏以及余隙损失，从而影响系统运行效率的问题，提出了一种活塞式膨胀机的进排气机械控制系统，以减少膨胀机的节流损失并优化膨胀过程。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：