专利名称：双循环气体膨胀机的制作方法
双循环气体膨胀机属于制冷技术领域。可用于冷冻、冷藏、空调、空分。尤其是具有压缩气源的汽车、火车、飞机的夏季降温。
本发明以前已有多种气体膨胀机。如无回热式、定压回热式、定容回热(斯特林)式、索尔凡式、吉福特-麦克马洪式、涡流管式等气体制冷循环，其中增压式飞机空调系统(一种改进的飞机座舱空调系统)与本发明相近，在目前飞机上采用得较广。但是，首先该系统内最高气压通常是源气压的6倍以上(见后附公式1)，换热器增厚使造价增高又使传热温差增大，从而效率降低;同时，对密封不利，特别是转速高的微、小型机难能以工质本身润滑轴承，使高效微、小型机不能实现;其三是膨胀比增大，更加偏离透平膨胀机流量大、膨胀比小的最佳工况特点，透平熵增值大;其四是存有不必要的制冷深度，在所需温差范围较本发明制冷系数小。
本发明的任务是提供一种循环全过程中最高气压等于源气压，膨胀比小，流量大，便于微型化，热力完善度高，在所需温差范围制冷系数大，无环境污染，结构紧凑，造价低的分流式主、副双循环气体膨胀机。
为实现上述任务，本发明的技术解决方案是双循环气体膨胀机主要由高压引射器[1]、喷口[2]、旋流膨胀室[3]、涡轮[4]、副涡轮[5]、分流室[6]、传动轴[7]、气体轴承[8]、排放扩压器[9]、低压引射器[10]、吸热器[11]、扩压器[12]、增压器[13]、压送(制动)叶轮[14]、放热器[15]、永磁定子[16]、永磁转子[17]、涡轮柔性垫[18]、压送叶轮柔性垫[19]、导流器[20]、保温外壳[21]、溢水器[22]等零、部件组成。其特点是在一完整的气体压缩、放热、膨胀、吸热循环上附加一个副循环。主、副循环同时进行。系统内最高气压接近源气压，副循环流量为主循环流量的若干倍。副循环的气路为分流室[6]、吸热器[11]、扩压器[12]、增压器[13]、放热器[15]、高压引射器[1]、旋流膨胀室[3]、涡轮[4]、分流室[6]。主、副循环气流路径在旋流膨胀室[3]和涡轮[4]为相互重合段，正合透平膨胀机膨胀比小、通流量大的最佳工况特点。副循环的流量控制横截面设在高压引射器[1]中与拉伐尔喷口[2]之端面平行，轴线沿旋流膨胀室[3]之切线方向。吸热器[11]下接分流室[6]的外周向，上通过扩压器[12]接至增压器[13]入口。放热器[15]接至增压器[13]出口与引射器[1]的侧入口之间。分流室[6]的周壁为微扩旋转曲面，底壁中心外凸，以使其中气流粘滞损失最小。
第二特点是工质在主循环的膨胀过程之后被导入气体轴承[8]完成转动部件的润滑任务，以利于高效膨胀机的微、小型化。
第三特点是(径向、轴向)斜流反击式涡轮[4]和离心后向型压送(制动)叶轮[14]之轮盘背面均设有前向型离心式密封叶片，以阻止高、低压气流的串通掺混。
第四特点是叶轮[14]和涡轮[4]与轴[7]之间以柔性垫[19]、[18]装配，以使其自动定心。
第五特点是永磁定子[16]和固装于轴[7]上的永磁转子[17]将整个转动部件浮起，以消减其启动阻力。
第六特点是轴[7]中空，既减轻了重量，又增强了刚度(见后附公式2)，同时又是气体轴承[8]的供气通路。
本机进入工作状态后，压缩气体(如空气)经阀门、过滤除湿器流入喷口[2]，高速喷出后降压、降温，并引射来自放热器[15]的气体一同沿切向喷入旋流膨胀室[3]高速旋转，进而推动磁悬浮的主、副涡轮[4]、[5]通过轴[7]带动增压(制动)叶轮[14]高速旋转，对来自吸热器[11]的二次气流加压。旋流膨胀室[3]内进一步降压降温的合气流经主、副涡轮[4]、[5]进入分流室[6]后，留有很小的残余转速。远离轴心的较高速、较高压、较高温气流进一步得速(近轴气体沿径向心运动使角速增加，因粘滞作用将动量、动能沿径外传)，再进入吸热器[11]吸热后至扩压器[12]降速增压，再入增压器[13]经叶轮[14]加压(同时对外放热)后，入放热器[15]降温(放热器[15]外部可由冲压空气带走热量)，稳定工作状态下该气流已成为总压接近源气压的常温气流，再入高压引射器[1]与一次源气同入旋流膨胀室[3]。形成副循环。而靠近轴心的较低速、较低温、较低压气流则进一步失速(动量、动能沿径外传)，经空心轴[7]的中心孔流向推力气体轴承[8]，完成润滑任务进入排放扩压器[9]增压后，沿切向流出至低压引射器[10]，引射流经外壳[21]和导流器[20]之间以及吸热器[11]外部降温的气体一同排出，供给制冷、空调用。尤其当以空气为工质时(工质随处可取，无任何污染)，可直接送至被调空间，且被低压引射器[10]引射的空气可在吸热器[11]外部降温除湿，凝结水由溢水器[22]排出。
附图
为用于卡车驾驶室降温及其小型冰箱供冷的小型双循环空气膨胀机(与其配套使用的阀门为节电型压控双位双通阀)示意图。下面结合附图对本发明的实施例作说明。
旋流膨胀室[3]、分流室[6]、排放扩压器[9]、导流器[20]、外壳[21]均以玻璃钢制成，涡轮[4]、压送(制动)叶轮[14]、引射器[1]、喷口[2]、副涡轮[5]、中空刚性传动轴[7]、气体轴承[8]均以防腐耐磨材料制成，装于导流器[20]和排放扩压器[9]之间的吸热器[11]及装于外壳[21]外的放热器[15]、扩压器[12]、增压器[13]上盖均以铜外镀防腐金属制成，永磁定子[16]和固装于轴[7]中上部的永磁转子[17]以永久磁钢制成，柔性垫[18][19]均以高质橡胶制成。当源气温度为313K(40℃)，绝对压强为0.9MPa时，可得与耗气等质量流量193K(-80℃)的主气流和3倍耗气质量流量198K(-75℃)的副气流。
附公式1(增压式飞机空调系统的增压估算式)P1=PO［1+1-(P2/PO)γ-1γ］γγ-1]]>其中γ为绝热指数(热容比);P0为源气压;P1为增后压(增压器出口压强);P2为背压。
公式2(等径空心轴临界转速估算式)ωR=π22L2E(R2+r2)/ρ]]>
其中ωR为第一临界转速;L为轴长;E为材料弹性模量;ρ为材料密度;R为轴外径;r为轴内径。
权利要求
1.双循环气体膨胀机。由高压引射器[1]、喷口[2]、旋流膨胀室[3]、涡轮[4]、副涡轮[5]、分流室[6]、传动轴[7]、气体轴承[8]、排放扩压器[9]、低压引射器[10]、吸热器[11]、扩压器[12]、增压器[13]、压送(制动)叶轮[14]、放热器[15]、永磁定子[16]、永磁转子[17]、涡轮柔性垫[18]、压送叶轮柔性垫[19]、导流器[20]、保温外壳[21]、溢水器[22]等件组成。其特征在于在一完整的气体压缩、放热、膨胀、吸热循环上附加一个副循环。主、副循环同时进行，系统中最高气压接近源气压。副循环的气流路径为分流室[6]、吸热器[11]、扩压器[12]、增压器[13]、放热器[15]、高压引射器[1]、旋流膨胀室[3]、涡轮[4]、分流室[6]。副循环的流量控制横断面设于高压引射器[1]内与拉伐尔喷口[2]之端面平行，轴线沿旋流膨胀室[3]之切线方向。吸热器[11]下接分流室[6]的外周向，上通过扩压器[12]接至增压器[13]入口。放热器[15]接在增压器[13]的出口与高压引射器[1]侧入口之间。分流室[6]周壁为微扩旋转曲面，底壁中心外凸，以使其中气流粘滞损失最小。
2.按照权利要求1所述“双循环气体膨胀机”，其特征在于工质在主循环的膨胀过程之后进入气体轴承[8]同时起高速传动轴[7]的润滑作用。以利于机器的微、小型化。
3.按照权利要求1所述“双循环气体膨胀机”，其特征在于(径向、轴向)斜流式涡轮[4]和离心后向型压送(制动)叶轮[14]之轮盘背面均设有阻止高、低压气流相互掺混的前向型密封叶片。
4.按照权利要求1所述“双循环气体膨胀机”，其特征在于叶轮[14]和涡轮[4]与轴[7]之间均以柔性垫[19]、[18]装配，以使其自动定心。
5.按照权利要求1所述“双循环气体膨胀机”，其特征在于永磁定子[16]和固装于轴[7]上的永磁转子[17]将整个转动部件浮起以消减其启动阻力。
6.按照权利要求1所述“双循环气体膨胀机”，其特征在于传动轴[7]中空，既减轻了重量，又增强了刚度，同时又是气体轴承[8]的供气通路。
全文摘要
双循环气体膨胀机，属于制冷技术领域。该机克服了目前飞机上采用较广的增压式飞机空调系统气压高使换热温差增大；不易密封，难以用工质本身作润滑剂；膨胀比大，流量小以及多余制冷深度等项所决定的制冷效率低的缺点。其主要特征是在一完整的气体制冷循环上附加一个副循环，系统内最高气压接近源气压，主、副循环气路在旋流膨胀室和涡轮透平为相互重合段，适合透平机膨胀比小、流量大的最佳工况特点，并可用工质本身润滑轴承。
文档编号F25B9/06GK1079045SQ9210649
公开日1993年12月1日 申请日期1992年5月1日 优先权日1992年5月1日
发明者吕孟让 申请人:吕孟让