膨胀机以及包括膨胀机的流体循环系统的制作方法

本公开涉及一种膨胀机以及包括膨胀机的流体循环系统。

背景技术：

本部分的内容仅提供了与本公开相关的背景信息，，其可能并不构成现有技术。

膨胀机是利用高压流体膨胀成低压流体向外输出机械功或电功的装置。一种常见的膨胀机为涡旋膨胀机。涡旋膨胀机的膨胀机构包括动涡旋部件和定涡旋部件。动涡旋部件和定涡旋部件彼此接合以在其叶片之间形成一系列体积逐渐增大的膨胀腔，由此使得高压流体变为低压流体。在流体膨胀过程中产生驱动力矩，例如带动轴旋转以输出机械功或电功。

通常，膨胀机内还包括存储有润滑剂的油池，润滑剂被提供至各个相关可动部件(例如主轴承)以对其进行润滑。此外，，在包含膨胀机的系统中，润滑剂会随着高压工作流体进入膨胀机的膨胀机构，并且随着膨胀后的低压工作流体排出膨胀机，由此在该系统中循环。在系统中循环的润滑剂可以对膨胀机构进行润滑。特别是对于低压侧膨胀机而言，由于油池中的润滑剂处于低压环境而难以供给至膨胀机构中，因此膨胀机构主要是通过在系统中循环的润滑剂进行润滑。

然而，系统中的润滑剂在流经膨胀机内的各个部件时会与工作流体分离而流入膨胀机内的油池中。这样，可能会导致油池内润滑剂的量过多，相应地，系统中循环的润滑剂的量会过少。这会导致膨胀机中各个相关可动部件、特别是膨胀机构的润滑情况劣化，从而影响膨胀机的正常操作并且降低膨胀效率。

因此，需要一种能够改善润滑剂分布并维持良好润滑的膨胀机。

技术实现要素：

本实用新型的一个或多个实施方式的一个目的是提供一种能够改善润滑剂分布并维持良好润滑的膨胀机。

本实用新型的一个或多个实施方式的另一个目的是提供一种结构简单且成本较低的膨胀机。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种膨胀机，其包括外壳、膨胀机构、排气管、油池和润滑剂排出通道。膨胀机构设置在外壳内并且构造成将高压流体膨胀变为低压流体。排气管构造成将低压流体排出膨胀机并且包括端部，所述端部配装在外壳的第一开口中且具有排气口，其中，低压流体经由排气口进入排气管中。油池位于外壳内并且存储有润滑剂。润滑剂排出通道构造成将油池中的润滑剂排出至排气管和/或与排气管连通的外部系统管路中，并且润滑剂排出通道包括具有入口的进口端和具有出口的出口端，其中，入口位于油池的预定油位处，进入润滑剂排出通道内的润滑剂经由出口排出至排气管和/或外部系统管路中。

根据上述膨胀机，由于提供了用于将过量的润滑剂从油池排出至排气管中的润滑剂排出通道，因此可以确保油池中的润滑剂的量不会过多，同时避免经由排气管进入系统中的润滑剂不会太少，由此保证膨胀机构得以良好润滑。此外，本实用新型利用伯努利效应(即，，工作流体本身的流速差引起的压差)将润滑剂从油池排出至排气管，以及/或者利用管路阻力损失带来的压降来将油池排出至排气管，因此本实用新型的膨胀机的结构简化。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道由单独的排油管提供。这样，可以避免对膨胀机的某些结构进行改进或加工。

在本公开的其他示例中，所述排油管固定至所述外壳的内壁。这样，可以使膨胀机的结构紧凑，以减小占地空间。

在本公开的其他示例中，所述排气管上设置有孔口，所述排油管的出口端配装在所述孔口中。

在本公开的其他示例中，所述排气管的所述孔口靠近所述排气管的端部的排气口设置，或者所述孔口与所述排气口之间的距离至少为最小预定距离。在排气管的孔口处的压强与排油管的入口处的压强之间的压差足以将预定油位处的润滑剂抽吸至排气管中时，排气管的孔口靠近排气口设置，可以使得膨胀机的结构更加紧凑。

另一方面，排气管的孔口可以与排气口相距一定距离，并且该距离越长，由于压降使得所述孔口处的压强越低，由此排气管的孔口与排油管的入口之间的压差越大。根据将润滑剂从油池抽吸至排气管中的最小压差可以确定排气管的孔口与排气口之间的最小预定距离。因此，排气管的孔口可以定位在与排气口之间的距离大于等于最小预定距离的位置处。

在本公开的其他示例中，所述外壳上还设置有第二开口，所述排油管的进口端配装在所述第二开口中。

在本公开的其他示例中，所述第二开口在竖向方向上定位在所述第一开口的正下方。在本公开的其他示例中，所述排气管朝向所述第二开口所在的水平面延伸以减小所述孔口与所述第二开口之间的高度差。在本公开的其他示例中，所述排油管沿水平方向设置。通过减小排油管的长度或者通过减小排气管的孔口与排油管的入口之间的高度差，有利于将润滑剂从油池抽吸至排气管中。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道由所述外壳的一部分和固定至所述外壳的所述一部分的板限定。在本公开的其他示例中，所述板具有弧形形状。这样，无需对膨胀机的外壳进行额外加工或改进，而且无需额外的安装空间。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道是设置在所述外壳内的孔。对于该示例，仅需对外壳进行钻孔等工艺，而无需额外设置构件，减小零件数量，简化组装工艺。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道基本上线性地延伸。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道的出口与所述排气管的壁基本齐平，或者伸入所述排气管的内部；并且/或者所述润滑剂排出通道的出口基本平行于流体在所述排气管内的流动方向，或者沿着所述流动方向倾斜地或垂直地取向。

在本公开的其他示例中，所述润滑剂排出通道的进口端和/或出口端是线性的，或者是弯曲的。

在本公开的其他示例中，在所述润滑剂排出通道中设置有：单向阀，所述单向阀允许流体从所述油池流入所述排气管，但是防止流体从所述排气管回流至所述油池；和/或泵，所述泵用于将所述油池中的润滑剂抽吸至所述排气管中。

在本公开的其他示例中，所述膨胀机是低压侧膨胀机。

根据本实用新型的另一方面，提供一种流体循环系统，所述流体循环系统包括上述膨胀机。

在本公开的其他示例中，所述流体循环系统还包括：冷凝器；构成所述外部系统管路的一部分的第一排气管，所述第一排气管将所述膨胀机连接至所述冷凝器的入口；以及构成所述外部系统管路的一部分的第二排气管，所述第二排气管与所述冷凝器的出口连接。所述润滑剂排出通道的所述出口端连接至所述第一排气管或所述第二排气管。根据本实用新型的流体循环系统可以解决润滑剂循环率过低导致膨胀机构润滑不足的问题。

通过本文提供的说明，其他的应用领域将变得显而易见。应该理解，本部分中描述的特定示例和实施方式仅出于说明目的而不是试图限制本公开的范围。

附图说明

本部分描述的附图仅出于说明目的而不是试图以任何方式限制本公开的范围。

图1是一种示例性涡旋膨胀机的纵剖视图。

图2a是根据本实用新型实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。

图2b是图2a的涡旋膨胀机的外观示意图。

图2c是图2a的涡旋膨胀机的排气管的一部分的放大示意图。

图2d是图2a的涡旋膨胀机的排油管的进口端的一部分的放大示意图。

图3是根据本实用新型另一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。

图4是根据本实用新型又一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。

图5是根据本实用新型另一实施方式的涡旋膨胀机的外观示意图。

图6是根据本实用新型又一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。

图7是根据本实用新型另一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。

图8a是示出排油管的出口端的变型的示意图。

图8b是示出排油管的出口端的另一变型的示意图。

图9a是示出排油管的进口端的变型的示意图。

图9b是示出排油管的进口端的另一变型的示意图。

图10是根据本实用新型实施方式的包括膨胀机的系统的示意图。

具体实施方式

下文的描述性质上仅是示例性的而不是试图限制本公开、应用及用途。应当理解，在这些附图中，相应的参考数字指示相似的或相应的部件及特征。

下面将参照附图来描述涡旋膨胀机10’的基本构造和原理。

如图1所示，涡旋膨胀机(下面也称为膨胀机)10’包括大致圆筒形的壳体12、设置在壳体12一端的顶盖14以及设置在壳体12另一端的底盖16。壳体12、顶盖14以及底盖16构成涡旋膨胀机10’的具有封闭空间的外壳。

涡旋膨胀机10’还包括设置在顶盖14和壳体12之间以将膨胀机的内部空间分隔成高压侧(也称为高压空间)和低压侧(也称为低压空间)的隔板15。隔板15和顶盖14之间构成高压侧，而隔板15、壳体12和底盖16之间构成低压侧。在高压侧设置有用于引入高压流体(也称为工作流体)的进气管17，在低压侧设置有用于排出膨胀后的低压流体的排气管18。

涡旋膨胀机10’还包括由定涡旋部件80和动涡旋部件70构成的膨胀机构。动涡旋部件70能够相对于定涡旋部件80平动转动(即，动涡旋部件70的中心轴线绕定涡旋部件80的中心轴线旋转，但是动涡旋部件70本身不会绕自身的中心轴线旋转)。所述平动转动通过例如设置在定涡旋部件70和动涡旋部件80之间的十字滑环(未示出)来实现。

动涡旋部件70包括端板72、形成在端板一侧的毂部74和形成在端板另一侧的螺旋状的叶片76。定涡旋部件80包括端板82、形成在端板一侧的螺旋状的叶片86和形成在端板的大致中央位置处的入口88。在定涡旋部件80的螺旋叶片86和动涡旋部件70的螺旋叶片76之间形成一系列体积在从径向内侧向径向外侧移动时逐渐增大的膨胀腔。

径向最内侧的膨胀腔邻近入口88并且处于与引入的高压流体基本相同的吸入压力，由此也被称为高压腔。径向最外侧的膨胀腔处于与即将排出膨胀机构的低压流体基本相同的排出压力，由此也被称为低压腔。介于高压腔和低压腔之间的膨胀腔处于吸入压力和排出压力之间，由此也被称为中压腔。

高压流体经由进气管17进入膨胀机10’的外壳内的高压侧，然后经由入口88进入膨胀机构。进入膨胀机构的高压流体流经体积逐渐增大的一系列膨胀腔而被膨胀并变为低压流体。所述低压流体排出至膨胀机10’的外壳内的低压侧，然后经由连接至膨胀机10’的外壳的排气管18而被排出膨胀机10’。

膨胀机10’还包括主轴承座40。主轴承座40通过合适的紧固方式相对于壳体12固定。动涡旋部件70的端板72由主轴承座40支撑。

膨胀机10’还可以包括旋转轴(也可以称为输出轴)30。旋转轴30由设置在主轴承座40中的主轴承44以可旋转的方式支撑。旋转轴30的一端设置有偏心曲柄销36。动涡旋部件70的毂部74驱动旋转轴30的曲柄销36，从而使旋转轴30旋转。当膨胀机10’运行时，在膨胀机构对流体进行膨胀的过程中产生驱动力矩，带动旋转轴30旋转以输出机械功或电功。

膨胀机10’还可以包括由定子22和转子24构成的发电机20。定子22固定至壳体12。转子24设置在定子22与旋转轴30之间。转子24固定至旋转轴30的外周面上，以在膨胀机10’运行时随着旋转轴30一起旋转，从而使得发电机20能够发电。

膨胀机10’还可以包括油池90，油池90中存储有润滑剂(润滑油)。如图所示，油池90位于膨胀机10’的外壳的底部，即，，位于底盖16处。旋转轴30中设置有沿旋转轴的纵向轴线延伸的孔(未示出)以及可选地设置有沿径向延伸的孔(未示出)。当旋转轴30旋转时，润滑剂B经由旋转轴30的孔被供给至诸如轴承的可动部件处。对可动部件润滑之后的润滑剂中的很小一部分润滑剂B1会随着工作流体经由排气管18排出膨胀机10’，而大部分润滑剂B2会返回至油池90。在图1中用虚线箭头来示意性示出从油池90供给的润滑剂的循环路径，并且为了便于描述而将其称为膨胀机内循环路径。

此外，在经由进气管17引入膨胀机10’内的高压流体中混合有润滑剂A。润滑剂A随着高压流体进入膨胀机构，由此对构成膨胀机构的定涡旋部件80和动涡旋部件70进行润滑。润滑剂A中的大部分润滑剂A1会随着工作流体经由排气管18排出膨胀机10’，而少部分润滑剂A2与工作流体分离而流入油池90。在图1中用实线箭头来示意性示出随着高压流体从外部供给的润滑剂的循环路径，并且为了便于描述而将其称为系统循环路径。

通常，润滑剂A2的量大于润滑剂B1的量。这样，在膨胀机10’运行一段时间之后，油池90中的润滑剂的量越来越多，而经由排气管18排出至包括膨胀机的系统中的润滑剂的量越来越少。因此，当随着高压流体经由进气管17进入膨胀机10’的润滑剂的量过少时，可能导致对膨胀机构的润滑不足，由此使得膨胀机构磨损严重，降低可靠性，甚至失效。

为了解决该问题，发明人根据伯努利效应在膨胀机中设置润滑剂排出通道100用以在排气管与油池之间的压差的作用下将油池中的润滑剂排出至排气管中。

图2a至图2d示出了根据本实用新型实施方式的涡旋膨胀机10。涡旋膨胀机10与上述涡旋膨胀机10’的不同之处在于还包括用于将油池中的润滑剂排出至排气管中的排油管50，排油管50提供了上述润滑剂排出通道100。涡旋膨胀机10的与上述涡旋膨胀机10’相同的部件用相同的附图标记表示，并且不再重复描述。

如图2a至图2d所示，涡旋膨胀机10还包括排油管50。排油管50包括连接至膨胀机10的外壳的进口端53和连接至排气管18的出口端51。排油管50的进口端53具有入口532。排油管50的入口532大致定位在预定油位处，以便将到达预定油位的润滑剂排出至排气管18中。这样，可以防止油池90中的润滑剂超过预定油位，即，防止油池90中的润滑剂的量过多。预定油位可以根据膨胀机的运行条件、膨胀机构的润滑条件等确定。排油管50的出口端51具有出口511，排油管50中的润滑剂经由出口511排出至排气管18中。

涡旋膨胀机10的壳体12上设置有第一开口121，排气管18的端部182配装在第一壳体开口121中。排气管18的端部182具有朝向涡旋膨胀机10的内部开放的排气口181，使得涡旋膨胀机10内的低压流体经由排气口181进入排气管18中。壳体12的第一壳体开口121形成涡旋膨胀机10的外壳的用于配装排气管18的第一开口。

涡旋膨胀机10的壳体12上还设置有第二壳体开口122，并且在底盖16上设置有底盖开口162，其中，底盖开口162与第二壳体开口122流体连通。第二壳体开口122和底盖开口162形成涡旋膨胀机10的外壳的用于配装排油管50的第二开口。排油管50的进口端53配装在外壳的第二开口中，具体地在图2d所示的示例中配装在第二壳体开口122中。

在图示的示例中，排油管50的进口端53连接至壳体12与底盖16的重叠部分处。然而，应理解的是，排油管50的进口端53可以连接至壳体12与底盖16不重叠的部分，例如，仅连接至壳体12或者仅连接至底盖16。当然，排油管50的进口端53的位置主要根据预定油位进行确定。

排气管18上可以设置有孔口183，排油管50的出口端51配装在孔口183中。在图2c所示的示例中，孔口183设置在排气管18的端部182中，即，靠近排气口181。然而，应理解的是，孔口183的位置可以根据实际需要而改变。

根据伯努利效应，在排气管18的端部182处，工作流体的流速较大，因此压强P1较小；而在外壳的第二开口处，工作流体的流速接近于零，因此压强P2较大。当油池90的油位漫过外壳的第二开口时，P2与P1之间的压差使得油池90内的润滑剂进入排油管50并进而进入排气管18中。根据本实用新型的膨胀机可以通过简单的结构来优化润滑油的分布或循环路径。

因此，P2与P1之间的压差越大，越有利于将润滑剂从油池90抽吸至排气管18中。如图3所示，可以将孔口183设置在远离排气口181的位置处。工作流体从排气口181流动至孔口183，由于流动阻力损失而会进一步产生压降。这样，孔口183处的压强小于排气口181处的压强，由此进一步增加排油管50的进口端53与出口端51之间的压差。可以根据所需的压差来确定孔口183与排气口181之间的压降，并由此来确定孔口183与排气口181之间的预定距离。因此，在孔口183与排气口181之间的距离大于等于预定距离的情况下，则可以确保能够将润滑剂从油池90抽吸至排气管18中。

图4是根据本实用新型又一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。在图4所示的涡旋膨胀机中，通过降低排油管50的出口端51与进口端53之间的高度差，即，通过降低压差所要克服的流体势能来进一步提高将润滑剂从油池90抽吸至排气管18中的能力。如图所示，排油管50沿水平方向设置，即，处于预定油位的水平面中。换言之，排油管50的出口端51与进口端53之间的高度差为零。为此，排气管18朝下延伸或弯曲，即，朝向预定油位的水平面延伸或弯曲，由此使得孔口183处于预定油位的水平面中。与图2a的示例相比，图4的示例中孔口183远离排气口181，因此可以在孔口183与排气口181之间产生较大的压降。

此外，在图4的示例中，排油管50可以线性地延伸，由此具有较短的长度。这样，有利于减小润滑剂在排油管50中的流动阻力，因此可以减小用于克服该流动阻力的压差。减小排油管的另一种方式如图2b所示，筒形壳体12的第二壳体开口122(外壳的第二开口)在竖向方向上定位在第一壳体开口121(外壳的第一开口)的下方。外壳的第一开口与第二开口之间的高度差可以根据工作流体的流速、膨胀机的工况、可动部件的润滑情况等进行确定。

然而，应理解的是，外壳的第一开口与第二开口的位置可以根据实际需要而改变，即，排油管50的结构可以根据第一开口和第二开口的位置而变化。例如，如图5所示，筒形壳体12的第一壳体开口121位于第二壳体开口122的上方，同时沿筒形壳体12的周向方向间隔开一定距离，由此例如避开下轴承座(特别地，避开支撑下轴承座主体的支撑架)。

在图2a至图5的示例中，排油管50基本设置在膨胀机的外部。然而，应理解的是，排油管50也可以设置在膨胀机的内部。如图6所示，排油管50固定至膨胀机的外壳的内壁。在图6的示例中，可以省去外壳的用于安装排油管50的进口端53的第二开口。排油管50的出口端51可以伸入排气管18中，或者可以与排气管18的下壁大致对齐。这样，可以省去排气管18上的用于安装排油管50的出口端51的孔口183。由于排油管50设置在膨胀机的外壳的内部，因此可以使得膨胀机的结构紧凑，由此节省安装空间。

图7是根据本实用新型另一实施方式的涡旋膨胀机的纵剖视图。如图7所示，图7中的示例与图6中的示例的不同之处在于构成润滑剂排出通道100的方式不同。在图7的示例中，润滑剂排出通道100由壳体12的一部分和板60限定。板60固定至壳体12的所述一部分。优选地，板60呈弧形形状。板60可以通过焊接、粘合剂等方式固定至壳体12。

应理解的是，形成上述润滑剂排出通道100的方式不局限于本文所述的方式。例如，润滑剂排出通道可以集成在壳体12(外壳)中。具体地，润滑剂排出通道可以是设置在壳体12(外壳)内的孔。

此外，应理解的是，润滑剂排出通道的出口端以及出口的设置可以根据应用场合以及安装条件等进行确定。优选地，润滑剂排出通道的出口端以及出口可以以有利于使润滑剂流入至排气管中的方式进行设置。

如图2c所示，出口端51的出口511大致与排气管的壁齐平，即，出口端51没有突出至排气管的内部中。如图8a所示，出口端51可以伸入排气管18中，即延伸超过孔口183。在图8a的示例中，出口端51大致垂直于排气管18的中心轴线，即，出口511大致平行于所述中心轴线。图8b示出了出口端51的另一变型。如图8b所示，出口端51具有伸入排气管18的内部的伸入部分513，并且伸入部分513沿着流体在排气管18中的流动方向弯曲，因此，伸入部分513也可以称为弯曲部分。伸入部分513可以构造成使得出口511大致垂直于排气管18的中心轴线，即，使得出口511沿着流体在排气管18中的流动方向取向。应理解的是，润滑剂排出通道的出口端以及出口的设置可以有各种变化，而不局限于图示或本文所述的示例。在一些示例中，出口的其他取向也是可以的。例如，出口相对于排气管的中心轴线可以是倾斜的。出口端51的内部通道的截面可以以有利于将润滑剂排出至排气管中的方式设计。

类似地，润滑剂排出通道的进口端以及入口的设置可以根据应用场合以及安装条件等进行确定。优选地，润滑剂排出通道的进口端以及入口可以以有利于使润滑剂从油池流入至润滑剂排出通道中的方式进行设置。

如图2d所示，进口端53的入口532大致与壳体12(外壳)齐平，即，进口端53没有突出至外壳的内部中。在图2d的示例中，入口532面向膨胀机的内部，即，大致垂直于润滑剂水平面。如图9a所示，进口端53可以伸入膨胀机内部，即延伸超过壳体12和底盖16(外壳)。在图9a的示例中，进口端53具有伸入部分533，并且伸入部分533朝上弯曲使得入口532大致平行于润滑剂水平面。图9b示出了进口端53的另一变型。如图9b所示，进口端53具有朝下弯曲的伸入部分535。应理解的是，润滑剂排出通道的进口端以及入口的设置可以有各种变化，而不局限于图示或本文所述的示例。例如，伸入部分可以是线性的，并且/或者入口相对于水平面是倾斜的。进口端53的内部通道的截面可以以有利于将润滑剂从油池抽吸至润滑剂排出通道的方式设计。

图10示出了使用上述涡旋膨胀机的流体循环系统的示意图。如图10所示，流体循环系统包括涡旋膨胀机10、经由第一排气管186连接至涡旋膨胀机10的冷凝器11、经由第二排气管188连接至冷凝器11的工质泵19以及连接在工质泵19与涡旋膨胀机10之间的蒸发器13。润滑剂排出通道100的出口端连接至第二排气管188，并且润滑剂排出通道100的进口端连接至涡旋膨胀机10，用于将涡旋膨胀机10内到达预定油位的润滑剂排出至第二排气管188中。将润滑剂排出通道100的出口端连接至第二排气管188，可以防止润滑剂对冷凝器的性能造成影响。

如图10所示，还可以在润滑剂排出通道100中设置单向阀105。单向阀105构造成允许流体从膨胀机10的油池90流入第二排气管188进入系统中，但是防止流体从第二排气管188回流至油池90。此外，为了确保将润滑剂从油池90排出到第二排气管188，也可以在润滑剂排出通道100中设置泵(未示出)。

应理解的是，根据本实用新型的流体循环系统不局限于图10所示的示例。例如，润滑剂排出通道100的出口端可以连接至第一排气管186。

本文中为了描述本实用新型，以立式低压侧涡旋膨胀机为例。然后，应理解的是，本实用新型可以适用于任何合适类型的膨胀机，例如，转子膨胀机、卧式膨胀机、高压侧膨胀机等等。

尽管在此已详细描述本公开的各种实施方式和可能的一些变型，但是应该理解本公开并不局限于这里详细描述和示出的具体实施方式。在图示以及上面描述的实施方式的各个特征可以在不冲突的情况下相互结合，或者可以省去。在不偏离本公开的实质和范围的情况下可由本领域的技术人员实现其它的变型和变体。所有这些变型和变体都落入本实用新型的范围内。而且，所有在此描述的构件、部件或特征都可以由其他结构上和功能上等同的构件、部件或特征来代替。