一种跨临界co的制作方法

专利名称:一种跨临界co的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压缩机，特别是一种用于跨临界CO2制冷循环的往复活塞压缩机，并给出了该往复活塞压缩机的吸、排气阀板及其吸、排气通道结构的设计，以解决CO2压缩机气缸吸、排气处的安装空间狭小问题，使该压缩机能具有足够大的吸、排气通流面积及缓冲腔，从而减小压缩机的气流脉动，并提高容积效率。
背景技术：
自20世纪80年代末以来，由于CFCs和HCFCs对臭氧层的破坏作用和温室效应，以它们为制冷剂的空调行业正面临着开发替代物的挑战，鉴于新型化合物替代物同样会隐含着不可预知的危害，人们将注意力集中在自然制冷工质上，CO2由于其优良的环保特性和良好的流动、传热性能的成为全球范围内最受重视的热点。
相比于传统的CFCs和HCFCs，CO2的临界点温度(31.1℃)低而临界点压力(7.37MPa)高，当作为制冷工质时，多数情况下需要采用跨临界循环。在跨临界循环中，与常规工质相比，CO2压缩机工作在更高的压力、更大的单位容积制冷量、压差以及更小的压缩比的情况下。据目前样机测试数据显示，吸入口压力达3.5～4.0MPa，出口压力高达8.0～11.0MPa，是传统工质工作压力的5～10倍，吸排气压差可达5～8MPa，在此高压力和大压差下工况下运行，对压缩机的设计产生诸多要求，如确定小流量、大制冷量的工况下，高压及大压差导致的零件的变形，小空间对压缩机吸、排气通道及气缸和压缩机尺寸设计的要求等。同时当CO2其单位容积制冷量远高于常规制冷剂，在0℃为22.6MJ/m3，分别为NH3的1.58倍，R12和R22的8.25倍与5.12倍，故而CO2制冷系统的容积流量显著减小，使得压缩机的尺寸、阀门与管道的流通面积比常规制冷系统小得多，同样制冷流量下，气缸尺寸也要小很多，吸、排气阀及其吸、排气通道的布置空间就非常有限，造成CO2压缩机设计的一个难点。
CO2作为环保制冷剂被提出后，国际上各大研究机构和制冷设备公司已经开发出许多应用于不同场合的CO2制冷系统，以欧洲与日本为主，其中日本基于节省能源的角度开发出的许多小型家用CO2热泵热水器上，其CO2压缩机主要以小型为主。但CO2压缩机作为制冷系统的核心部件，对CO2制冷系统的性能的起关键性作用，国际上目前对CO2压缩机的研究仍在持续中，尤其是中大型的还没有成熟机型，其核心技术一直没有公开。而我国目前有一些高校在进行CO2作为制冷工质的相关研究，对于CO2压缩机的设计还没有实际的开发成果，仍是一个空白。

发明内容本发明目的在于提供一种适用于跨临界CO2制冷循环的半封闭往复活塞压缩机，以解决循环要求的高压力、高压差及小流量等问题。同时为该压缩机提供一种新型的的吸、排气通道与吸、排气阀板的设计，解决CO2压缩机气缸吸、排气处的安装空间狭小问题，使该压缩机能具有足够大的吸、排气通流面积及缓冲腔，从而减小压缩机的气流脉动，并提高容积效率。通过吸入气体经电机侧加热的设计，避免吸入制冷剂对气缸及阀片的液击，提高了吸、排气阀片寿命及压缩机的可靠性。通过新型阀板结构设计，有效解决CO2压缩机的主要开发难点，使压缩机结构紧凑、加工及安装简便。
为了实现上述任务，本发明采用的技术方案是一种跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，其特征在于，该压缩机为单级双缸立式半封闭结构，包括一个一体化的壳体，该壳体由气缸体、电动机壳体及曲轴箱三部分构成；
电动机壳体中安装有电动机定子与电动机转子，该电动机转子与曲轴箱中的一根180度错角曲柄轴连接，用于对曲轴箱中的连杆进行驱动；同时连接固紧在曲轴箱上的油泵组件并进行驱动；连杆与活塞通过滑动活塞销连接，活塞与阀板组件围成气缸，构成压缩机的工作腔；两个集成在气缸体上的气缸，各个气缸在气缸体上的中心与曲轴垂直并上下延伸，两个气缸相互对称，几何尺寸相同；两个布置在气缸中的活塞，上述活塞能够在气缸中做往复运动，用于吸入低压力的CO2制冷剂、对其进行压缩并排出高压CO2制冷剂；上述阀板组件安装在气缸体的顶部，与气缸及该压缩机进气腔、排气腔相通，随着活塞的往复运动，通过安装在阀板组件上的吸气阀片、排气阀片开启和关闭该阀板组件上的吸、排气孔口，完成对压缩机的吸、排气控制的要求，两个开在电动机壳体内壁面上的弧形槽，该弧形槽与固紧在电动机壳体内的电动机定子围成两进气通道，并且上述进气通道沿轴向延伸，以便在上述压缩机机体的吸气腔与气缸体的进气腔之间提供流体通道；在电动机壳体与曲轴箱中间开一通孔，将电动机壳体与曲轴箱相互连通，其位置在电动机壳体内圆柱形空间的底部，而曲轴箱体内油位高度略低于孔的底部，使得电动机壳体与曲轴箱内的气体压力平衡，电动机壳体内的润滑油能回流入曲轴箱。
本发明较佳的技术方案还在于可调节气缸余隙容积的活塞设计以及紧凑空间、高强度要求下的滑动活塞销设计。在活塞4顶部设计小凸台，直径小于排气孔，可自由进出排气孔，高度在小于吸气阀板厚度下根据气缸余隙容积调整需求进行设计，将发明涉及的CO2压缩机余隙容积调整至要求的范围。
活塞与连杆直接通过滑动活塞销直接进行连接，滑动活塞销可在活塞的销孔中轴向滑动，活塞销的两端球面销盖为球面设计，采用柔性材料制作，并在两球面上向活塞销轴向开小孔，使活塞销体内部空间与外部连通。
本发明的有益效果在于使用了结构紧凑的阀板组件设计，在满足CO2压缩机高强度与紧凑空间的同时，实现了最大的吸、排气流通面积，良好地满足压缩机吸、排气的要求，提高了吸气容积效率，降低了因吸、排气腔气流脉动引起的压缩机噪音与振动。同时本发明涉及的活塞顶部凸台设计，有效地降低了该发明涉及的新型阀板组件引起的余隙容积的增加，提高了压缩机的容积系数与压缩机效率。滑动活塞销的设计良好解决了紧凑空间下活塞与连杆的连接问题。电动机侧进气通道的设计避免了气缸内及阀片处可能产生的液击现象，提高了压缩机的可靠性，满足常规制冷要求。
图1是本发明压缩机的结构示意剖面图，反映压缩机的整体结构；图2是壳体2的左视图，反映进气通道27、28的结构；图3是图1在壳体2与壳体1连接处的局部视图，反映了压缩机连通壳体1处的吸气腔30与壳体2处的进气腔29的进气通道31的机构；图4是阀板组件吸气侧I的结构图；图5是阀板组件排气侧II的结构图；图6是图4的A-A的剖面图；图7是图5的B-B的剖面图；图8是滑动活塞销5的结构图；上述图中的标号分别表示1.气缸体，2.电动机壳体，3.曲轴箱，4.活塞，5.滑动活塞销，6.连杆，7.曲轴，8.轴瓦，9.第一滑动轴承，10.第二滑动轴承，11.油泵盖，12.电动机转子，13.电动机定子，14.键，15.螺栓，16.电动机转子压板，17.轴承垫片，18.轴承垫片，19.油泵组件，20.气缸盖，21.吸气端盖，22.油过滤器，23.电加热器，24.曲轴箱底板，25.吊环螺钉，26.通孔，27.进气通道，28.进气通道，29.进气腔，30.吸气腔，31进气通道，32.加强筋，33.吸气盖板，34.吸气阀板，35.进气通道，36.吸气阀片，37.进气腔，38.进气口，39.进气口，40A、40B.气缸，41.排气腔，42.排气阀片，43.排气簧片，44.排气孔，45.活塞销孔，46.过滤网，47.凸台，48.排气孔，49.进气孔，50.阀板组件，81.销体，82.通孔，83.球面销盖。
下面结合附图对本发明的结构和工作原理作详细说明。
具体实施方式参见附图，本发明所涉及的一种跨临界CO2制冷循环用压缩机，型式为半封闭往复活塞式。该压缩机壳体由气缸体1，电动机壳体2及曲轴箱3三部分组成。气缸体1分别与活塞4A与活塞4B的顶部及阀板组件50构成两个密封工作气缸40A、40B，两工作气缸为立式且相互平行，其设计参数相同；活塞销5将活塞4A、4B与连杆6A、6B连成连杆组件，曲柄轴7为180度曲柄轴，两个连杆6(6A与6B)与曲柄轴7连接，之间加装轴瓦8(8A与8B)以满足摩擦要求。曲柄轴7通过第一、第二滑动轴承9、10两处支撑，径向被约束在电动机壳体2与油泵盖11上，油泵盖11通过螺栓固定在曲轴箱3上。电动机与两个连杆6(6A与6B)采用共轴驱动，同用一根曲柄轴7，电机转子12与曲柄轴7之间采用键14紧配合连接，电机定子13固定安装在电动机壳体2上。在电动机转子12侧，电动机转子压板16通过旋入曲柄轴的螺栓15将其压在电动机转子12上，保证电动机转子12的轴向定位。油泵组件19固定连接在油泵盖11上，气缸盖20与阀板组件50固定连接在气缸体1上，吸气端盖21与吊环螺钉25固定连接在壳体2上，曲轴箱底板23固定连接在壳体3上，电加热器23内嵌安装在曲轴箱底板24内部，油过滤器22安装在壳体3上，油泵组件19从曲轴箱内的进油通道经过油过滤器22后油泵组件19。电动机壳体2与曲轴箱3之间通过孔26互相连通，弧形通道27、28由电动机壳体2与电动机定子13之间的空隙构成，连通压缩机的进气腔29与压缩机的吸气腔30，进气通道31连通吸气腔30与壳体2处的进气腔29，32为气缸体1上的加强筋。
上述吸、排气阀板组件50结构中，其主要由气缸盖板33与吸气阀板34构成。以左侧结构为例，在阀板组件50的吸气侧，吸气阀片36上方的进气腔37通过阀板上的进气通道35与吸气腔30连通，进气通道35从38A、38B、38C、38D四个进气口给进气腔37进气，吸气阀板34密封配合在气缸盖板33上。吸气阀片36通过销钉定位夹装在吸气阀板34与活塞4之间，控制进气腔37与气缸40之间的进气通道的开闭。气缸盖板33上排气孔48与气缸40同心，连通气缸40与排气腔41，排气阀片42安装在排气孔48上方，控制气缸40与排气腔41之间吸气通道的开闭，排气阀片42与其上方的排气簧片43被固定安装在气缸盖板的上底面侧。阀板组件50的下底面活塞4B侧的结构与活塞4A侧的结构沿气缸40A与气缸40B之间的中心对称相同。排气孔44连通排气腔41与压缩机外部系统管路。
本发明的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，为单级双缸式设计，使用180度错角的曲柄轴进行动力传输，使曲轴箱压力与电动机侧压力相同，避免了CO2的高压力带来的曲轴轴封处的泄漏，同时可以将从进气孔进入进气腔的低温制冷剂带回的润滑油流回曲轴箱。将气缸直接设计在压缩机壳体上，避免了常规往复压缩机设计中的气缸与壳体连接处的泄漏。一体化的壳体设计简化了压缩机壳体结构量，提高了高压力状况下压缩机的密封性。
本发明的工作原理是从系统中回来的低温CO2制冷剂从压缩机的吸气端盖21上的进气孔49进入电动机壳体2内，并经过滤网46过滤，在进气腔29处形成低温吸气空腔，低温制冷剂通过在壳体2上开出的两弧形槽的进气通道27、28沿电动机定子壁面进入吸气腔30，对电动机进行散热后形成过热制冷剂，使CO2低温制冷剂完全气化，避免了可能低温制冷中可能存在的液体成分对气缸及阀片的液击，增加了压缩机的可靠性。此后通过气缸体1与电动机壳体2之间的进气通道3 1进入压缩机的吸气腔30，在吸气腔30内形成足够大的吸气缓冲腔。
以左侧活塞4处的结构为例对压缩机的工作过程进行描述。在吸气腔30中的低压气体，通过阀板组件50上的进气通道35由38A、38B、38C及38D四个进气口进入进气腔37，等待吸气阀片36的打开，准备进入气缸。当活塞4从上止点开始向下运动后，压缩机膨胀过程开始，气缸40A内的压力迅速降低，当进气腔37的压力大于气缸40的压力后，吸气阀片36打开，膨胀过程结束，吸气过程开始，低压气体开始进入气缸40A，当活塞4A运行至下止点时，完成最大吸气量，活塞4A开始向回运动，气缸40A内气体被压缩，压力升高，当气缸40A内的压力大于进气腔37压力后，吸气阀片36关闭，吸气过程结束，压缩过程开始。随着活塞4A向上运动，气缸40A压力逐渐增大，当压力大于排气腔41内的压力后，排气阀片42打开，压缩过程结束，排气过程开始，随着活塞4A到达上止点再次向下运动后，气缸40A内的压力低于排气腔41内的压力，排气阀片关闭，排气过程结束，进入下一循环。曲柄轴7为180度错角设计，在曲柄轴7的驱动下，活塞4A与活塞4B进行180度相位差的往复运动。
阀板组件50将紧凑的吸、排其空间进行了充分的利用，最大程度的使用气缸截面通流面积，采用环装进气，中间排气的吸、排气方式。在左侧气缸40A处的结构，采用环状的进气通道35，通过进气孔口38A、38B、38C和38D四个孔口对吸气阀片36上的进气腔37进行供气，使通流面积增大，减小因进气不足引起的压缩机效率损失，同时有效降低该处的压缩机噪声和振动。吸气阀板37是为了加工吸气盖板33上的内部通道设计的，当内部通道35、37及进气口38A、38B、38C和38D加工完成后，密封配合在吸气盖板33上，其加工方便，密封性良好。气缸40B处在阀板组件上的结构部分与气缸40A处的结构部分以两气缸中心的中点对称。阀板组件50的结构设计中结合使用了舌簧阀作为吸、排气阀，较好完成了本发明涉及的CO2压缩机在阀板与气缸处的密封，解决了CO2作为制冷剂引起的高压力和小安装空间的难题，提高了压缩机的吸气指数，优化了压缩机效率。
由于气缸排气孔口48位于阀板组件50的上方，由于阀板组件50的高度与排气孔48的面积产生一定的余隙容积，在活塞4A的顶部设计圆柱形凸台47，凸台47的直径小于排气孔48的直径，通过对高度的合理选择可将余隙容积进行降低，提高压缩机的容积系数。
由于活塞尺寸很小，强度要求又很高，在活塞内部难以使用常规活塞连杆装置中的固定活塞销的结构，所以活塞4A中设计使用了滑动活塞销5，其可在气缸40A的圆形壁面内轴向移动，径向被销孔约束，满足连杆6A对活塞4A的驱动要求。为减小滑动活塞销5对气缸40A的圆形壁面产生的接触磨损，将其两端面设计为球面结构，并且使用柔性材料，使其具有良好的使用性能，解决了发明涉及的CO2压缩机的这一难题。
本发明的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机在绝大部分场合可替代现有常规制冷剂压缩机，并且在许多常规制冷剂CFCs和HCFCs不能良好使用或性能不能满足要求时，它都有良好的性能表现。
本发明的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机的主要应用领域有在压缩-冷凝式制冷方法中，以其自然工质的特性替代现有的压缩机，达到优秀的环保要求，其COP指标在制冷工况下与常规工质如R134a相当，制热工况下优于R134a；在高温热泵系统中，跨临界CO2压缩机由于CO2作为制冷剂时自身良好的热物理性质，可产生90℃以上的高温，某些场合最高温度可达到130℃以上，匹配合适的制冷系统可应用于小区及商业供热、商用烘干装置及原油加热领域；与常规制热方式相比，如电加热、太阳能加热、煤炭、天然气等燃烧方式相比，CO2压缩机将环境中的低位能的转化为高位能，大量利用环境热量，具有优异的能效比，能被广泛应用在现有家庭制热、浴场热水制造等领域；跨临界CO2压缩机在低蒸发温度的制热性能良好，在寒冷地区，采用常规制冷剂压缩机的制冷系统不能完成制热的要求，而本发明的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机可完成这一需求。
权利要求
1.一种跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，其特征在于，该压缩机为单级双缸立式半封闭结构，包括一个一体化的壳体，该壳体由气缸体(1)、电动机壳体(2)及曲轴箱(3)三部分构成；电动机壳体(2)中安装有电动机定子(13)与电动机转子(12)，该电动机转子(12)与曲轴箱(3)中的一根180度错角曲柄轴(7)连接，用于对曲轴箱(3)中的两个连杆(6)进行驱动；同时连接固紧在曲轴箱(3)上的油泵组件(19)并进行驱动；两个连杆(6)与活塞(4)通过滑动活塞销(5)连接，活塞(6)与阀板组件(50)围成两个气缸(40)，构成压缩机的工作腔；两个集成在气缸体(1)上的气缸(40)，上述各个气缸(4)在气缸体(1)上的中心与曲轴垂直并上下延伸，两个气缸(40)相互对称，几何尺寸相同；两个布置在气缸(40)中的活塞(4)，活塞(4)能够在气缸(40)中做往复运动，用于吸入低压力的CO2制冷剂、对其进行压缩并排出高压CO2制冷剂；上述阀板组件(50)安装在气缸体(1)的顶部，与气缸(4)及该压缩机进气腔(30)、排气腔(41)相通，随着上述活塞的往复运动，通过安装在阀板组件上的吸气阀片(34)、排气阀片(42)开启和关闭该阀板组件(50)上的吸、排气孔口，完成对压缩机的吸、排气控制的要求；两个开在电动机壳体(2)内壁面上的弧形槽，该弧形槽与固紧在电动机壳体(2)内的电动机定子(13)围成两进气通道(27，28)，并且上述进气通道沿轴向延伸，以便在上述压缩机机体的吸气腔(30)与气缸体(1)的进气腔(29)之间提供流体通道；在电动机壳体(2)与曲轴箱(3)中间开一通孔(26)，将电动机壳体(2)与曲轴箱(3)相互连通，其位置在电动机壳体(2)内圆柱形空间的底部，而曲轴箱体(3)内油位高度略低于孔(26)的底部，使得电动机壳体(2)与曲轴箱(3)内的气体压力平衡，电动机壳体(2)内的润滑油能回流入曲轴箱(3)。
2.如权利要求
1所述的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，其特征在于，所述的阀板组件在吸气盖板(33)的与气缸(4)接触一侧，沿吸气阀板(34)的外圆侧加工一圆环形凹槽，为进气腔(37)的进气通道(35)，上述凹槽具有一定宽度，连通两个气缸(40)的进气通道，该进气通道(35)通过四个进气口(38A、38B、38C、38D)与四个进气口(39A、39B、39C、39D)分别呈放射状与两个气缸(40)的吸气腔(37)连通，允许气体在吸气阀片(36)打开时而进入气缸；以及排气孔口(48)与气缸同心，位于阀板组件(50)上，并与上述阀板组件(50)上密封安装的吸气阀板(34)同心，排气孔口(48)外圆与吸气阀板(34)之间的环状通道为气缸(40)的进气通道，被吸气阀片(36)封闭。
3.如权利要求
1所述的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，其特征在于，所述的活塞(4)的顶部有一圆柱形凸台(47)，其圆柱中心与活塞同心，直径小略于排气孔(48)，高度按照余隙容积设计要求进行控制，随活塞(4)一起进行往复运动过程中，能顺利进出排气孔(48)。
4.如权利要求
1所述的跨临界CO2制冷循环用往复活塞压缩机，其特征在于，所述的活塞(4)与连杆(6)直接通过滑动活塞销(5)进行连接，活塞(4)径向被约束，可沿其中心线自由转动，轴向具有一定的自由度，轴向滑动的约束为气缸(40)的圆柱形内壁面，活塞销(5)两端采用球面设计，并使用柔性材料制作后使用过盈配合套入活塞销圆柱内，活塞销(5)两端球面各钻一小孔，与活塞销(5)内孔相通。
专利摘要
本发明公开了一种跨临界CO
文档编号F04B39/00GK1995751SQ200610105259
公开日2007年7月11日 申请日期2006年12月22日
发明者邢子文, 马元, 何志龙, 彭学院 申请人:西安交通大学