[发明专利]锥形压缩膨胀一体机及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种锥形压缩膨胀一体机及方法，属于节能环保领域。

背景技术

低压气体压缩和膨胀是常规能源系统中的常见过程，特别对于低压低温操作条件，单位质量的气体工质体积流量大，常见的低压压缩机和膨胀机体积庞大，成本高昂。因此，如何继续降低大体积流量条件下压缩机和膨胀机的结构尺寸仍是今后的重要发展方向。

分析现有能源系统常见的涡旋式压缩机和螺杆式压缩机的工作过程可知，以上设备在正向旋转过程中能够实现对工质压缩，如果反向工作则能实现工质膨胀。如果结合以上两类容积式压缩机特点，能够在锥形通道内布置偏心旋转芯子，利用偏心旋转芯子旋转过程形成封闭腔，且集成多个偏心转子旋转过程可同时实现对不同工质的压缩和膨胀，则能够极大的简化传动机构，并进而提高能源系统的经济性，此类设备将会有广泛的应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种锥形压缩膨胀一体机及方法，能够极大的简化传动机构，并进而提高能源系统的经济性。

种锥形压缩膨胀一体机，其特征在于：包括外壳体、第一转动芯子和第二转动芯子，第一转动芯子位于外壳体内部，第二转动芯子位于第一转动芯子内部；

其中外壳体内廓面、第一转动芯子外廓面、第一转动芯子内廓面、第二转动芯子外廓面均为螺旋形锥面结构，且锥角相同，均为c1，小于90^o；

第一转动芯子绕外壳体中心线公转且绕第一转动芯子中心线自转，第一转动芯子中心线与外壳体中心线呈a1角； 第二转动芯子绕第一转动芯子中心线公转且绕第二转动芯子中心线自转时；第二转动芯子中心线与第一转动芯子中心线呈a2角；外壳体中心线、第一转动芯子中心线和第二转动芯子中心线均通过外壳体锥角的顶点；上述a1角大于a2角；上述所有公转、自转同为正时针或同为逆时针方向；

外壳体内廓面任一轴向位置的横截面为倒角为R1的N边形，第一转动芯子外廓面任一轴向位置的横截面为倒角为R1的N-1边形；第一转动芯子外廓面和外壳体内廓面的接触部位为N条螺旋线；外壳体内廓面的轴向螺距与第一转动芯子外廓面的轴向螺距的比值为N:N-1,N为大于3的自然数；

第一转动芯子内廓面任一轴向位置的横截面为倒角为R2的M边形，第二转动芯子外廓面任一轴向位置的横截面为倒角为R2的M-1边形；第二转动芯子外廓面与第一转动芯子内廓面的接触部位为M条螺旋线；第一转动芯子内廓面的轴向螺距与第二转动芯子外廓面的轴向螺距的比值为：M:M-1，M为大于3的自然数。

第一转动芯子绕外壳体中心线公转且绕第一转动芯子中心线自转，公转角速度与自转角速度的关系为N-1：N；以上转速关系可保证第一工质入口面积从零增加至最大然后再降低为零，从而可实现对第一工质的吸入和封闭。

第二转动芯子绕第一转动芯子中心线公转且绕第二转动芯子中心线自转，公转角速度与自转角速度的关系为M-1：M；以上转速比关系可以保证第二转动芯子内廓面与第一转动芯子内廓面构成的螺旋封闭腔，保证第二工质入口面积从零增加至最大然后再降低为零，从而可实现对第二工质的吸入和封闭。

根据本发明所述的锥形压缩膨胀一体机，外壳体的外廓切面与外壳体中心线的夹角为c1，该夹角小于90^o。以上角度要求可以保证第一转动芯子外廓面、与外壳体内廓面之间构成的螺旋封闭腔体积沿着锥角方向运动时不断缩小，可以实现对第一工质的压缩；第二转动芯子外廓面和第一转动芯子内廓面构成螺旋封闭腔沿着锥角反方向运动时体积不断增加，可以实现对第二工质的膨胀。

根据本发明所述的锥形压缩膨胀一体机，a1角大于a2角；以上角度要求可以保证第二转动芯子中心线绕第一转动芯子中心线的同时，不会出现第二转动芯子与外壳体中心线干涉，即就是转动芯子卡死的情况。

根据本发明所述的锥形压缩膨胀一体机的工作方法，其特征在于：

压缩工作过程在于：

第一转动芯子绕外壳体中心线公转且绕第一转动芯子中心线自转，使得第一转动芯子外廓面在外壳体内廓面内转动；

由于第一转动芯子外廓面横截面的N-1边形的倒角为R1，与外壳体内廓面横截面的N边形的倒角相同；

第一转动芯子外廓面和外壳体内廓面的接触部位为N条螺旋线；且每相邻的两条螺旋线有若干交点；

每相邻的两条螺旋线及其相邻的两个交点、与第一转动芯子外廓面、与外壳体内廓面之间构成一个螺旋封闭腔；