一种多缸活塞式膨胀—压缩机的制作方法

本实用新型属于制冷/热泵技术领域，具体涉及一种多缸活塞式膨胀—压缩机。

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。

膨胀机是利用系统内产生的压缩气体膨胀过程向外输出机械功，以获得能量的机械的原理，并有同时使气体温度和压力降低的功效。膨胀机在低温装置中的应用已经很广泛。但是，现有研究中，膨胀机和压缩机多为分体设计，压缩机不能直接利用膨胀机输出的膨胀机械功进行工作。因此，需要设计一种能够将膨胀机械功直接回收利用的压缩与膨胀一体的设备，以期对co2工质进行充分利用，同时将膨胀机输出的膨胀机械功作为补充动能，从而减少对原动机的能源消耗，以促进节能减排。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述问题，提出了一种膨胀机与压缩机一体化的多缸活塞式膨胀—压缩机，从而实现压缩机将膨胀机械功直接回收利用的功能，以节约能源。

本实用新型采取的技术方案如下：

一种多缸活塞式膨胀—压缩机，包括曲轴和与所述曲轴相连的连杆；所述曲轴上有数个伸出段，每个所述伸出段连接有呈v字形错位安装的两个所述连杆；每个所述连杆各自通过几何参数相同的活塞，分别连接有几何参数相同的气缸；其中，安装于所述曲轴一端的一个所述气缸为活塞式膨胀缸，其余为活塞式压缩缸；位于所述活塞式压缩缸内的所述活塞为压缩缸活塞，位于所述活塞式膨胀缸内的所述活塞为膨胀缸活塞；所述活塞式膨胀缸内高压的工质膨胀，推动所述膨胀缸活塞对所述曲轴施加作用力，并通过所述连杆传导至各所述压缩缸活塞；所述作用力与外部原动机共同为各所述活塞式压缩缸做功提供动力；在所述气缸总数为奇数时，在缺少气缸的所述曲轴的伸出段添加1个几何参数相同的气缸作为备用气缸。

所述曲轴1上相邻两个伸出段伸出方向相反，以使所述曲轴和各所述连杆的受力相对平衡。

各所述活塞式压缩缸的气缸盖上有压缩缸排气结构；各所述活塞式膨胀缸的气缸盖上有膨胀缸排气结构；所述压缩缸排气结构和膨胀缸排气结构包括依次串接的排气管、排气腔、排气阀；各所述气缸盖上还有对应的压缩缸吸气结构和对应的膨胀缸吸气结构；所述压缩缸吸气结构和膨胀缸吸气结构分别依次包括串接的吸气管、吸气腔、吸气阀。

各所述活塞式压缩缸的吸气管进口并联于连接外部的蒸发器出口的压缩缸总吸气管处；各所述活塞式压缩缸的排气管出口并联于连接外部的气体冷却器入口的压缩缸总排气管处；所述活塞式膨胀缸的吸气管进口连接在膨胀缸总吸气管处，直接/通过位于外部的高压节流阀与所述外部的气体冷却器出口连接，所述活塞式膨胀缸的所述排气管出口连接于膨胀缸总排气管处，直接/通过外部的低压节流阀连接外部的蒸发器入口。

各所述活塞式压缩缸的所述排气管出口和相邻所述活塞式压缩缸的所述吸气管首尾相连，形成所有所述活塞式压缩缸的串联结构；排在第一位的所述活塞式压缩缸的所述吸气管前端连接于连接外部的蒸发器出口的压缩缸总吸气管处；排在最后一位的所述活塞式压缩缸的所述排气管连接于连接外部的气体冷却器入口的压缩缸总排气管处；所述活塞式膨胀缸的吸气管进口连接在膨胀缸总吸气管处，直接/通过位于外部的高压节流阀与所述外部的气体冷却器出口连接，所述活塞式膨胀缸的所述排气管出口连接于膨胀缸总排气管处，直接/通过外部的低压节流阀连接外部的所述蒸发器入口。

所述活塞式膨胀缸为2个以上，且连续安装在所述曲轴的一端的伸出段上；所述气缸总数为奇数时，补充一个所述备用气缸；对应地，所述曲轴的伸出段数与所述气缸总数匹配。

各所述活塞式压缩缸的所述吸气管进口并联于位于外部的蒸发器出口的压缩缸总吸气管；各所述活塞式压缩缸的所述排气管出口并联于位于外部的气体冷却器入口的压缩缸总排气管处；各所述活塞式膨胀缸的所述吸气管进口并联于膨胀缸总吸气管处，直接/通过位于外部的高压节流阀与所述外部的气体冷却器出口连接；各所述活塞式膨胀缸的所述排气管出口并联于膨胀缸总排气管处，直接/通过外部的低压节流阀连接外部的蒸发器入口。

至少2个所述活塞式压缩缸的所述排气管出口和相邻所述活塞式压缩缸的所述吸气管首尾相连，形成局部活塞式压缩缸串联结构；所述局部活塞式压缩缸串联结构中排在第一位的所述活塞式压缩缸的所述吸气管前端为局部压缩缸总吸气管，所述局部活塞式压缩缸串联结构中排在最后一位的所述活塞式压缩缸的所述排气管的后端为局部压缩缸总排气管；所有所述局部压缩缸总吸气管并联于压缩缸总吸气管，连接于外部的蒸发器出口；所有所述局部压缩缸总排气管的出口并联于压缩缸总排气管，连接位于外部的气体冷却器入口处；各所述活塞式膨胀缸的所述吸气管进口并联于膨胀缸总吸气管处，直接/通过位于外部的高压节流阀与所述外部的气体冷却器出口连接，各所述活塞式膨胀缸的所述排气管出口并联于膨胀缸总排气管处，直接/通过外部的低压节流阀连接外部的所述蒸发器入口；形成所述活塞式压缩缸混联与活塞式膨胀缸并联相结合的所述气缸的混联结构。

所述局部活塞式压缩缸串联结构为两个所述活塞式压缩缸的串联结构。

所述工质选用co2自然工质，应用于跨临界制冷/热泵循环。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型的多缸活塞式膨胀—压缩机，可以实现对制冷/热泵系统中高压工质膨胀功的高效直接利用，从而更显著地降低压缩机消耗的能源。

(2)本实用新型的多缸活塞式膨胀—压缩机，可以将膨胀机与压缩机一体化，结构紧凑，节约设备空间。

(3)本实用新型的多缸活塞式膨胀—压缩机，可以将膨胀缸与压缩缸采用同样参数，易于进行改造，以适应不同的制冷/热泵系统需求，降低成本。

(4)本实用新型的多缸活塞式膨胀—压缩机，可以通过单一曲轴使压缩与膨胀过程实现同步，易于控制系统运转周期。

附图说明

附图1为本实用新型有多个压缩缸和1个膨胀缸的活塞式膨胀—压缩机结构正视示意图

附图2为本实用新型附图1的右视示意图

附图3为本实用新型中的单体活塞式压缩缸/活塞式膨胀缸的结构示意图

附图4为本实用新型活塞式膨胀—压缩机运转时的活塞式膨胀缸膨胀过程示意图

附图5为本实用新型采用1个膨胀缸的气缸并联方式的整机连接示意图

附图6为本实用新型采用1个膨胀缸的气缸串联方式的整机连接示意图

附图7为本实用新型有多个压缩缸和膨胀缸的活塞式膨胀—压缩机结构正视示意图

附图8为本实用新型采用多于1个的膨胀缸的气缸混联方式的整机连接示意图

附图9为本实用新型采用多于1个的膨胀缸的气缸全并联方式的整机连接示意图

其中：1—曲轴2a—活塞式压缩缸2b—活塞式膨胀缸3a—压缩缸活塞3b—膨胀缸活塞4—外部原动机5a—压缩缸总吸气管6—膨胀缸总排气管7—曲轴箱8—连杆9—压缩缸总排气管10a(10b)—排气管11a(11b)—排气腔12a(12b)—排气阀13a(13b)—吸气阀14a(14b)—吸气腔15a(15b)—吸气管16a(16b)—气缸盖17—气体冷却器18—蒸发器19—高压节流阀20—低压节流阀21—膨胀缸总吸气管a—吸气过程开始阶段b—膨胀过程开始阶段c—排气过程开始阶段d—排气过程中间阶段

具体实施方式

本实用新型涉及一种多缸活塞式膨胀—压缩机，其可充分利用优质工质(比如co2工质)，将膨胀机输出的膨胀机械功转化为补充动能，从而减少对原动机的能源消耗，达到节能减排的目的。

下面以一具体实施例，对本实用新型的技术方案介绍如下：

一种多缸活塞式膨胀—压缩机，包括曲轴1和与曲轴1相连的连杆8；曲轴1上有数个伸出段，每个伸出段连接有呈v字形错位安装的两个连杆8；每个连杆8各自通过几何参数相同的活塞，分别连接有几何参数相同的气缸；其中，安装于曲轴1一端的一个气缸为活塞式膨胀缸2b，其余为活塞式压缩缸2a；位于活塞式压缩缸2a内的活塞为压缩缸活塞3a，位于活塞式膨胀缸2b内的活塞为膨胀缸活塞3b；活塞式膨胀缸2b内高压的工质膨胀，推动膨胀缸活塞3b对所述曲轴1施加作用力，并通过连杆8传导至各所述压缩缸活塞3a；所述作用力与外部原动机4共同为各所述活塞式压缩缸2a做功提供动力；在所述气缸总数为奇数时，在缺少气缸的曲轴1的伸出段添加1个几何参数相同的气缸作为备用气缸。

曲轴1上相邻两个伸出段伸出方向相反，以使曲轴1和各连杆8的受力相对平衡。

各活塞式压缩缸2a的气缸盖16a上有压缩缸排气结构；各活塞式膨胀缸2b的气缸盖16b上有膨胀缸排气结构；压缩缸排气结构和膨胀缸排气结构包括依次串接的排气管10a/10b、排气腔11a/11b、排气阀12a/12b；各气缸盖16a/16b上还有对应的压缩缸吸气结构和对应的膨胀缸吸气结构；压缩缸吸气结构和膨胀缸吸气结构分别依次包括串接的吸气管15a/15b、吸气腔14a/14b、吸气阀13a/13b。

各活塞式压缩缸2a的吸气管15a进口并联于连接外部的蒸发器18出口的压缩缸总吸气管5；各活塞式压缩缸2a的排气管10a出口并联于连接外部的气体冷却器17入口的压缩缸总排气管9处；活塞式膨胀缸2b的吸气管15b进口连接在膨胀缸总吸气管21处，直接/通过位于外部的高压节流阀19与外部的气体冷却器17出口连接，活塞式膨胀缸2b的排气管10b出口连接于总膨胀缸排气管6处，直接/通过外部的低压节流阀20连接外部的蒸发器18入口。

各所述活塞式压缩缸2a的所述排气管10a出口和相邻活塞式压缩缸2a的吸气管15a首尾相连，形成所有活塞式压缩缸2a的串联结构；排在第一位的活塞式压缩缸2a的吸气管15a前端连接于连接外部的蒸发器18出口的压缩缸总吸气管5处；排在最后一位的活塞式压缩缸2a的排气管10a连接于连接外部的气体冷却器17入口的压缩缸总排气管9处；活塞式膨胀缸2b的吸气管15b进口连接在膨胀缸总吸气管21处，直接/通过位于外部的高压节流阀19与外部的气体冷却器17出口连接，活塞式膨胀缸2b的排气管10b出口连接于膨胀缸总排气管6处，直接/通过外部的低压节流阀20连接外部的蒸发器18入口。

活塞式膨胀缸2b为2个以上，且连续安装在曲轴1的一端的伸出段上；气缸总数为奇数时，补充一个备用气缸；对应地，曲轴1的伸出段数与气缸总数匹配。

各活塞式压缩缸2a的吸气管15a进口并联于位于外部的蒸发器18出口的压缩缸总吸气管5处；各活塞式压缩缸2a的排气管10a出口并联于位于外部的气体冷却器17入口的压缩缸总排气管9处；各活塞式膨胀缸2b的吸气管15b进口并联于膨胀缸总吸气管21处，直接/通过位于外部的高压节流阀19与外部的气体冷却器17出口连接，各活塞式膨胀缸2b的排气管10b出口并联于膨胀缸总排气管6处，直接/通过外部的低压节流阀20连接外部的蒸发器18入口。

至少2个活塞式压缩缸2a的排气管10a出口和相邻活塞式压缩缸2a的吸气管15a首尾相连，形成局部活塞式压缩缸串联结构；局部活塞式压缩缸串联结构中排在第一位的活塞式压缩缸2a的吸气管15a前端为局部压缩缸总吸气管，局部活塞式压缩缸串联结构中排在最后一位的活塞式压缩缸2a的排气管10a的后端为局部压缩缸总排气管；所有局部压缩缸总吸气管并联于压缩缸总吸气管5，连接于外部的蒸发器18出口；所有局部压缩缸总排气管的出口并联于压缩缸总排气管9，连接位于外部的气体冷却器17入口处；各活塞式膨胀缸2b的吸气管15b进口并联于膨胀缸总吸气管21处，直接/通过位于外部的高压节流阀19与外部的气体冷却器17出口连接，各活塞式膨胀缸2b的排气管10b出口并联于膨胀缸总排气管6处，直接/通过外部的低压节流阀20连接外部的蒸发器18入口；形成所述活塞式压缩缸2a混联与活塞式膨胀缸2b并联相结合的所述气缸的混联结构。

局部活塞式压缩缸串联结构为两个活塞式压缩缸2a的串联结构。

工质选用co2自然工质，应用于跨临界制冷/热泵循环。

下面，结合附图，以具体实施例对本实用新型的具体结构做详细说明(附图中的局部剖切面均位于曲轴1的旋转轴线和气缸中心线构成的平面)：

如附图1～6所示，该具体实施例为4缸活塞式膨胀—压缩机，包括1个膨胀缸和3个压缩缸。

在该实施例中，置于一个曲轴箱7中的曲轴1包含两个相反方向(采用沿曲轴1中心呈180⁰)的伸出段，并以v(角度α依具体工况而定)字形连接有两个连杆8。在4个缸中，有3个为活塞式压缩缸2a，1个缸为活塞式膨胀缸2b，活塞式膨胀缸2b连接在曲轴的一端。外部原动机4在本实施例中选用电动机。多缸活塞式膨胀—压缩机被连接至一个co2制冷/热泵系统中(本实施例中以下所述工质均指co2)，

如附图5所示，4缸活塞式膨胀—压缩机采用3个活塞式压缩缸2a并联的连接方式。具体的，各活塞式压缩缸2a对应的吸气管15a并联于同一总吸气管5，各活塞式压缩缸2a对应的排气管10a并联于总排气管9；总吸气管5连接于蒸发器18出口，获得蒸发后的低压气体，总排气管9出口连接于气体冷却器17入口。活塞式膨胀缸2b的吸气管15b连接于气体冷却器17后的高压节流阀19，获得冷却后初步节流至设定压力的高压气体；排气管10b经过低压节流阀20连接于蒸发器18入口，低压节流阀20用于在膨胀过程后进一步降低工质压力。

蒸发器18中的低压液态工质在经过与外界的换热过程和蒸发过程后，吸收热量并蒸发为低压气体工质，然后进入总吸气管5并分为三股，分别通过各个活塞式压缩缸2a的吸气管15a、吸气腔14a以及打开的吸气阀13a，流入各个活塞式压缩缸2a。随后吸气阀13a关闭，曲轴1在外部原动机4的驱动下，带动活塞式压缩缸2a内的连杆8，推动各个活塞式压缩缸2a内的压缩缸活塞3a，对来自蒸发器18的工质进行压缩，使其压力与温度被提升成为高压气体工质，随后打开排气阀12a，使工质经过排气腔11a和排气管10a排出后,关闭排气阀12a，工质合流，流入总排气管9。

工质离开总排气管9后，进入系统的气体冷却器17，释放热量降低温度后，通过膨胀缸2b的吸气管15b、吸气腔14b，以及打开的吸气阀13b，流入各个活塞式膨胀缸2b，进行膨胀过程。工质在活塞式膨胀缸2b内由于压力较高而自发膨胀；伴随工质膨胀，其温度和压力降低的同时，推动膨胀缸活塞3b做功。由于膨胀缸活塞3b通过连杆8与曲轴1相连，从而使得膨胀功被用于辅助驱动曲轴1及其所连接的各活塞式压缩缸2a内的活塞3a运动，从而实现对工质膨胀功的直接利用，减少了整个系统对外部原动机4提供动力的需求，从而提高系统总效率，最终实现降低能耗。

活塞膨胀机的工作过程可参考附图4，具体过程如下：

吸气过程：吸气过程开始a—膨胀过程开始b，吸气阀13b开，高压气体工质进入气缸，同时推动活塞9b下降，直到吸气阀13关闭。

膨胀过程：膨胀过程开始b—排气过程开始c，活塞9b继续被推动下行至下死点，全程进气阀13b与排气阀12b都关闭。

排气过程：排气过程开始c—排气过程过半d—吸气过程开始a，活塞9b在惯性和曲轴1的推动下从下死点回到上死点，过程中排气阀12b开，将膨胀后的co2工质排出膨胀缸3。

然后再重新进行新一轮的吸气—膨胀—排气过程

工质通过排气腔11b和排气管10b后离开活塞式膨胀缸2b后，通过节流阀19进行节流液化，并重新进入蒸发器18，吸收热量并蒸发和升温，成为低压气体工质，从而实现完整的压缩—膨胀制冷/热泵循环。

可选地，如图6所示，可将各活塞式压缩缸2a之间的并联关系改为串联，即蒸发器18出口与第一个活塞式压缩缸2a的吸气管15a相连，第一个活塞式压缩缸2a的排气管10a与第二台活塞式压缩缸2a的吸气管15a相连，第二台活塞式压缩缸2a的排气管10a与第三台活塞式压缩缸2a的吸气管15a相连，且第三台活塞式压缩缸2a的排气管10a连接至气体冷却器17入口，膨胀缸3的连接方式不变。这种连接方式可以在压缩缸组中实现多级压缩，以实现更高的压缩比，适用于温差较大的工况，但是将会导致压缩工质流量的减小。

本实用新型还适用于2个以上膨胀缸的多缸活塞式膨胀—压缩机，如附图7～9所示。本实用新型可以将活塞式压缩缸2a的数量增加到四台或更多个；对应地，可将活塞式膨胀缸2b数量增加到2个或更多个。此时应根据总缸数增加连杆8的个数，并根据2个连杆8为1组的连杆组的组数，相应的选用匹配伸出段数的曲轴1；当气缸总数为奇数时，在单个气缸的曲轴1的伸出段配置备用气缸。如果条件允许，优选膨胀缸为偶数个，将膨胀缸2b的连杆8两两连接于曲轴1的同一伸出段。

附图7给出了有2个膨胀缸的多缸活塞式膨胀—压缩机的结构正视示意图。该多膨胀缸的实施例有2个缸膨胀缸2b、6个压缩缸2a，曲轴1有4个伸出段，连续的伸出段伸出方向相反，呈180⁰。

附图8所示为该实施例压缩缸气路两两串联后并联，结合膨胀缸气路并联的气缸混联连接关系示意图，附图9所示为压缩缸、膨胀缸气路各自并联的气缸连接关系示意图。

如附图8所示的多缸活塞式膨胀—压缩机气缸混联实例中，2个膨胀缸2b并联连接；每两个压缩缸2a通过其中一个压缩缸2a的吸气管15a与另一个压缩缸2a的排气管10a的连接，串联形成一个双级压缩缸组，即局部活塞式压缩缸串联结构，如此形成的3个双级压缩缸组；每个双级压缩缸组中的首端的吸气管15a为局部压缩缸总吸气管，共同并联于压缩缸总吸气管5，与蒸发器18出口连接；每个双级压缩缸组中的末端的排气管10b为局部压缩缸总排气管，共同并连于压缩缸总排气管9，与气体冷却器17入口连接。这样可以同时实现三组并联双级压缩，提高压缩比并增加工质压缩量。对应地，将2个活塞式膨胀缸2b的各吸气管15b以并联方式连接到至气体冷却器17出口，或通过高压节流阀19连接到至气体冷却器17出口；将2个活塞式膨胀缸2b的各排气管10b以并联方式连接到蒸发器18，或通过低压节流阀20连接到蒸发器18；这样可以实现并联膨胀过程，增大工质膨胀量。这种活塞式压缩缸2a混联与活塞式膨胀缸2b并联相结合的气缸的混联结构，可以最终实现较大容量的多级压缩和膨胀功能，同时满足压缩比与工质流量的较高需求。

如附图9所示的多缸活塞式膨胀—压缩机气缸并联实例中，2个膨胀缸2b并联连接；所有6个压缩缸2a的6个吸气管15a共同连接于压缩缸总吸气管5，6个排气管10a共同连接于压缩缸总排气管9，从而实现六缸并联单级压缩，极大提高工质压缩量。对应地，将2个活塞式膨胀缸2b的各吸气管15b以并联方式连接到至气体冷却器17出口，或通过高压节流阀19连接到至气体冷却器17出口；将2个活塞式膨胀缸2b的各排气管10b以并联方式连接到蒸发器18，或通过低压节流阀20连接到蒸发器18；这样可以实现并联膨胀过程，增大工质膨胀量。这种活塞式压缩缸2a并联与活塞式膨胀缸2b并联相结合的气缸的并联结构，可以最终实现较大容量的单级压缩和膨胀过程，满足工质流量的较高要求。

在具体应用中，高压节流阀19和低压节流阀20也可以选用膨胀阀。

以上为对本实用新型的优选实施例进行的描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式。上述的优选实施例仅是示意性的，并不是限制性的。本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型实质，还可以做出很多形式的具体变换。这些均属于本实用新型的保护范围之内。