滚轮活塞式膨胀机

本发明涉及滚轮活塞式膨胀机。

迄今为止，一般滚轮活塞式膨胀机都是在一个气缸上设有进气口和排气口， 气缸内有一个轴，为了让轴转动需由一个辅助电机提供动力。轴的分别由轴承支 撑的二端，称为主轴和副轴，另外，在气缸内设有滚轮，使该滚轮偏心转动的偏 心轴(曲柄轴)与上述主轴、副轴连为一体。这样，借助滚轮的偏心转动，从进 气口开始吸入高压气体，完成进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结束，然后 再次回到进气开始状态。

实现兰金循环的滚轮活塞式膨胀机，在运转停止时，进气时间控制装置使进 气口处于关闭状态，停止供给高压气体。因此，运转开始时，为了将高压气体吸 入膨胀室内，必需有一个起动用的辅助电机，这样，就使装置体积变大，且构造 复杂，另外还带来安装不便，成本提高等缺点。

本发明的目的就在于提供一种滚轮活塞式膨胀机，利用该膨胀机，在运转开 始时，不需要辅动电机。

为了实现发明的目的，在本发明中，第一，在密闭箱体上设有进气管和排气 管，密闭箱体内设有一个气缸，在气缸内有能偏心转动的滚轮，且由该滚轮形成 与进气口、排气口相通的膨胀室，还有能使上述滚轮偏心转动的支撑轴以及控制 向各膨胀室定时供气的进气时间控制装置，以及在该时间控制装置使进气关闭时 也能向膨胀室内供给高压气体的供气装置。

第二，在密封箱体上有进气管和排气管，在该箱体内设有多个气缸的气缸组 合体，各气缸内都有能偏心运转且形成其膨胀室的滚轮，有使各滚轮偏心转动的 支撑轴，还有控制向各膨胀室定时进气的时间控制装置，以及当进气时间控制装 置使进气关闭时，总可以向某膨胀室供给高压气体的供气装置。

在有两个气缸的情况下，各膨胀室进气开口角在180度以上(如果有三个 气缸，开口角在120度以上。或者，当进气时间控制装置使进气关闭时，用旁 路将高压气体导入膨胀室内)。

上述旁路可以设在偏心轴的外圆面上或者设在借助偏心轴而偏心转动的滚轮 的内圆壁面上、轴的外圆面上、轴承的内圆面上等。比较理想的是，设计一个旁 路开关阀，该开关阀可根据膨胀机运转检测信号而关闭。

利用该滚轮活塞式膨胀机，借助于滚轮的偏心转动使高压气体从进气口吸入， 完成进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结束过程，再回到进气开始状态。

另外，运转一旦停止，进气口由于时间控制装置而处于关闭状态，这时，对 于多气缸体来说，由于进气开口角在180°以上，所以不管在任何位置停止时， 总能保证向部分膨胀室送气的旁路是开的。另外，对于进气流开口角在180° 以下，或单气缸情况下，运转开始时，高压气体通过旁路进入膨胀室内，完成高 压气体进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结束过程，并且运转进入稳定状态 时，气体旁路借助开关装置而关闭。

以下结合附图对本发明进行详细说明

图1是本发明滚动活塞式膨胀机的示意剖面图。

图2是图1的A-A剖面图。

图3是图1的B-B剖面图。

图4是第1气缸进气口的示意图。

图5是第2气缸进气口的示意图。

图6是转动角与进气时间示意图。

图7是滚动活塞式膨胀机的循环状态图。

图8是表示第2实施例的与图1类似的示意剖面图。

图9是图8的C-C剖面图。

图10是图8的D-D剖面图。

图11是在偏心轴外圆面设有旁路的主轴平面图。

图12是图11的E-E剖面图。

图13是图11的F-F剖面图。

图14是设有进气口的主轴平面图。

图15是图14的G-G剖面图。

图16是滚轮内圆面上装有旁路的斜视图。

图17是有轴进气口的主轴平面图。

图18是主轴承内圆面上设有旁路的示意图。

图19是副轴承内圆面上设有旁路的示意图。

图20是主轴上设有旁路的平面图。

图21是图20的H-H剖面图。

图22是图20的I-I剖面图。

图23是转动角与旁路开口时间的示意图。

图24是兰金循环流程图。

图25是在旁路上设有开关控制阀与图1类似的示意剖面图。

图26是图25的J-J剖面图。

图27是图25的K-K剖面图。

图28是在旁路上设有开关控制阀的循环流程图。

图29是在旁路上设有开关控制阀的剖面图。

图30是图29处于打开状态的主要部件示意图。

图31是与图29有关设有开关控制阀的循环流程图。

实施例：

下面结合图1至图7，更具体地介绍本发明的构成。

在图1中，标号1表示滚轮活塞式膨胀机，滚轮活塞式膨胀机 1中设有膨胀机9和压缩机11，膨胀机9在密闭箱体内的右侧， 该密闭箱体上有进气管3和排气管5。压缩机11在密闭箱体内的 左侧。在构成冷冻回路的压缩机中和在构成兰金回路的膨胀机中， 采用的是相同的流体循环方式。

膨胀机9由第1气缸13和第2气缸15构成双缸式。第1、 第2气缸13、15直接固定在密闭箱体内壁上，且由隔板17隔 开。轴19穿过两气缸13、15。

膨胀机9的轴19，包括主轴19a、副轴19b及中央部的 偏心轴(即曲轴19c)，并由主轴承21和副轴承23支撑。轴1 9中具有下述的进气导管25，和对应第1气缸13及第2气缸1 5的、相应部分错开180度位相的偏心轴27、29，在偏心轴 27、29上分别装有第1、第2气缸13、15内的第1滚轮3 1和第2滚轮33且每一个轴和滚轮嵌合在一起，由此各滚轮31、 33，靠偏心轴27、29的转动，相差180度位相偏心转动。

第1、2滚轮31、33的外圆面上装有靠背压或弹簧等使其 平时总压在该外圆面上的随动板37，由各滚轮31、33及随动 板37，分别构成膨胀室39。

在轴19中设有的气体导管25，由轴19的轴端部沿中心轴 线延长至左右的偏心轴27、29中。气体导管25一端的进气口 25a通过壳体41和上述的进气管3连通，壳体41被装在主轴 承21的轴承端部21a上，其安装面和壳体41的内部主轴外圆 面及上述轴承内圆面间用密封材料42、43密封，安装面的密封 材料42为″O″形环形式，密封材料43也为环状，并且用弹簧4 5向密封方向加力，以防止由进气管3来的高压气体向密闭箱体7 内或气缸13内泄漏。

气体导管25的另一端，如图4、图5所示，与设在各偏心轴 27、29的外圆面上并成180°位相差的进气口47相连通， 进气口47通过设在各滚轮31、33上的连通口49可与各膨胀 室39连通。

进气口47及连通口49，借助于偏心轴27、29约转动1 80°使进气口47与连通口49连通，从而构成高压气体送入膨 胀室39内的进气时间控制装置51。

各气缸13、15的进气口47，如图4、图5所示，其进气 开口角θ设定为180°以上，所以当运转停止时，总有一个气缸 的进气口47与连通口49相连通。

由此，如附图6所示，在任何角度位置上停止，都能确保进气 口47与连通口49处于连通的状态。

另外，在第1、第2气缸13、15上，分别都设有排气口5 5，第1气缸13的排气口55设在主轴承21上，第2气缸15 的排气口55设在副轴承23上。

第1气缸13的排气口55通入消声室57，消声室57通过 密闭箱体7与上述排气管5连通。第2气缸15的排气口55经贯 穿第2气缸15、中间隔板17、第1气缸的贯穿孔59通向消声 室57，同样由消声室57通过密闭箱体7与上述排气管5连通。

压缩机11有1个气缸61，属于单缸式。气缸61直接装在 密闭箱体7的内壁上，轴63贯穿气缸61。

压缩机11的轴63与膨胀机9的轴19固定地连成一体，借助于装在密闭 箱体内壁上的主轴承65及副轴承66支撑，使其能自由转动。在轴63上在上 述气缸61的相应部分设有偏心轴67，偏心轴67与装在气缸61内的滚轮6 9装在一起。因此，滚轮69借助偏心轴67的转动而进行偏心转动。

在主轴承65上设有排气口71，排气口71上有开关阀，排气口71经消 声室74，密闭箱体7的内部空间与上述排气管5连通。

如图1、3所示，另外，在气缸61中设有与进气管70相连的进气口72 和与借助背压或弹簧等始终与上述滚轮接触的随动板73，由滚轮69及随动板 73构成压缩室75。

压缩机11的副轴承66与上述膨胀机9的副轴承23之间设有润滑用偏心 旋转泵76，偏心旋转泵76的进油侧设有油导入管79，该导入管79一直延 长到下部的油箱77内。偏心旋转泵76的排油侧接着润滑油给油回路(图上未 标出)，将上述油箱77的润滑油送到各滚轮31、33、69及轴承面上。

图7表示包括压缩机11及膨胀机9的整体循环系统图。图中标号7表示装 有压缩机11和膨胀机9的密闭箱体。同时表示出了通过压缩机11的冷冻循环 81及通过膨胀机9的兰金循环83。

在兰金循环83中，由密闭箱体7的排气管5排出的工作介质气体经由热回 收部85→冷凝器等热交换器87，流入液罐89。从液罐89经高压泵91→ 热回收部85→有加热装置的蒸发器93→四通阀95回到膨胀机9的进气管3 而实现循环。在这种兰金循环83中，工作介质气体，经过高压泵91升压，高 压气体在通过热回收部85及蒸发器93时，被加热后送入膨胀机9的进气管3。

在冷冻循环81中，从密闭箱体7的排气管5排出的工作介质气体经热回收 部85→冷凝器等热交换器87→流入液罐89。直到液罐为止，该冷冻循环是 与兰金循环83相同的。从液罐89起，经膨胀泵97→蒸发器等热交换器99 →四通阀95→储气器101，回到压缩机11的进气管70，进行反复循环。 在这种冷冻循环81中，空气通过蒸发器等热交换器99时，经热交换而被冷却。

利用这样的滚轮活塞式膨胀机9，借助各滚轮31、33的偏心转动，高压 气体从进气口47吸入，实现进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结束，再经 排气过程，回到进气开始阶段。这时，膨胀机轴19的转动力，驱动压缩机主轴 63，使压缩机11的滚轮69偏心转动，由此，由进气口72送进的工作介质 气体被压缩，由排气管5排出后，回到进气管70，实现了冷冻循环过程。

另外，当运转停止时，膨胀机9的各进气口47，由于进气开口角θ有18 0°以上相位差，在任何角度上停止，都可以确保进气口47与膨胀室39的连 通状态，因此，即使没有辅助电机，与运转开始的同时，高压气体将被送入膨胀 室39内，实现进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结束的循环。

由图8到图24表示在运转停止时，进气口47关闭时实现进气口47与膨 胀室39相连通的第二实施例。

在图8中，与第1实施例所采用的同样的结构部分使用同样符号表示。即在 滚轮活塞式膨胀机1中，在密闭箱体7内的右侧设有膨胀机9，在左侧设有压缩 机11，在用于构成冷冻循环的压缩机11及构成兰金循环的膨胀机9中，工作 介质气体均采用同样一种流体。

膨胀机9由第1气缸13和第2气缸15构成，属于双缸式，第1、2气缸 13、15都直接装在密闭箱体7的内壁面上，且通过中间隔板17各自独立， 两气缸13、15贯穿有轴19。

膨胀机9的轴19由主轴承21和副轴承23支撑，能自由转动，在轴19 中设有下面介绍的气体导管25，在上述第1气缸13和第2气缸15对应的部 分设有偏心轴27、29，二者相互之间有180度位相差，在偏心轴27、2 9上，上述第1、第2气缸13、15内装的第1滚轮31和第2滚轮33与各 自所在的轴嵌合在一起。由此，各滚轮31、33，通过偏心轴27、29的转 动，而相差180度位相偏心转动。

第1、第2滚轮31、33的外圆面上设有随动板37(图9)，该随动板 37借助背压或弹簧始终压在滚轮31、32的外圆面上。各滚轮31、33及 随动板37分别构成膨胀室39、39。

轴19中的气体导管25，由轴19的端部，沿中心轴线延伸到左右偏心轴 27、29中。气体导管25一端的进气口25a通过壳体41与上述进气管3 连通，壳体41被装在主轴承21的轴承端部21a上，其安装面和壳体41内 的主轴外圆面及上述轴承内圆面之二者间用密封材料42、43密封，安装面的 密封材料42为″O″形环密封，与主轴外圆面及轴承内圆面间的密封材料43也 为环状，并借助于压紧弹簧45给密封方向加力，以防止来自进气管3的高压气 体漏入密闭箱体7内或气缸13内。

气体导管25的另一端如图9所示连到进气口47上，进气口47设在各偏 心轴27、29的外圆面上且有180度的相位差。进气口47通过设在各滚轮 31、33上的连通口49，可连通到各膨胀室39、39上。

进气口47及连通口49，借助偏心轴27、29的转动，能使进气口47 和连通口49对准，从而构成高压气体送入膨胀室39的进气时间控制装置。

各进气口47，在运转停止时，与连通口49的连通，由于错开所定角度而 关闭，这时一旁路103起连通作用。旁路103分别设在主轴承21和副轴承 23上。旁路103的一端，通到膨胀室39内，另一端与上述进气导管25连 通。

这样，当转轴在任何角度停止时，都确保一个膨胀室39与进气导管25处 于连通状态。

图11至图13表示在偏心轴27、29的外圆面上设有旁路105的滚轮 剖面，第1气缸13的偏心轴27上所设置的旁路105具有如下设计，若以中 心轴线为0°，以角度θS1偏置的进气口47开始，进气范围应该是大约是1 80度的所定角度θS3的范围。

第2气缸15的偏心轴29上设置的旁路105具有如下设计，与第1气缸 13的旁路105错开180度，设中心轴线为0°，以所定角度θS4偏置的 进气口47开始，进气范围大约是180度的所定角度θS6的范围。由此，如 附图23所示进气口47不管在哪个角度上停止，都能确保一个膨胀室39与进 气导管25处于连通状态。从而可以流进高压气体。

在这种情况下，如图14到图16所示，嵌合在偏心轴27、29上、借助 偏心轴27、29偏心转动的各滚轮31、33的内圆壁面上也可以设置旁路1 05。各旁路105可以如下设计，即，各旁路105设计成由连通口49起大 约在180度范围内与之连通，而连通口49间有180度位相差。这样，在任 何位置停止时都能确保通过旁路105使一个进气口47与一个连通口49处于 连通状态。

图17到图19表示在主轴承21和副轴承23内园壁面上设置旁路107、 107的轴平面示意图。旁路107、107的一端通过设有轴19上的连结口 109与进气导管25连通。另一端经流入口111与膨胀室39连通。

主轴承21上的旁路107和副轴承23上的旁路107，对于流入口11 1有180度相位差，因此，每个旁路107的进气范围大体上是180度。

在这种情况下，如图20到图22所示，在与主轴承21及副轴承23相嵌 合的轴19上设旁路107、107也是可以的。

对于这种旁路107、107，一端通过轴流入口113与进气导管25连 通，另一端通过如图18、图19所示，设在主轴承21及副轴承23上的流入 口111连通到膨胀室39内。

另外，在第1、第2气缸上各设有排气口55，第1气缸13的排气口55 设在主轴承21上，第2气缸的排气口55设在副轴承23上。

第1气缸13的排气口55，通入消声室57内，消声室57通过密闭箱体 7与上述排气管连通，第2气缸15的排气口55，经贯穿第2气缸15、中间 隔板17、第1气缸13的贯通孔59，通入消声室57内，同样，消声室57 通过密闭箱体7与上述排气管5连通。

压缩机11，由于与第1实施例完全相同，采用的同一符号，不再做详细说 明。

利用这种滚轮活塞式膨胀机1，借助膨胀机9的各滚轮31、33的偏心转 动，将高压气体从进气口47吸入，如图24所示完成进气开始→进气结束→膨 胀开始→膨胀膨胀经排气过程再回到进气开始的状态，从而实现循环。此时，轴 19的转动力驱动压缩机11的主轴63，使压缩机11的滚轮69偏心转动。 由此，从进气口47送进的工作介质气体被压缩，由排气管5排出后，再回到进 气管70，也实现了冷冻循环。

另外，运转停止时，膨胀机9的各进气口47，由于与连通口49位置错开 而处于关闭状态，但是通过旁路103可确保进气口47和膨胀室39处于连通 状态。

因此，即使没有辅助电机，开始运转时，高压气体也可被送入膨胀室39内， 完成进气开始→进气结束→膨胀开始-膨胀结束过程。

图25到图31表示，运转开始一段时间后，旁路103关闭的情况。在这 种情况下，旁路103分别设在主轴承21和副轴承23上，其一端与进气导管 25连通，另一端与膨胀室39连通。

在设有旁路103的主轴承21和副轴承23上设有旁路103的开关阀1 17。

开关阀117如图28所示，根据膨胀机运转检测装置119的检测信号而 动作，即，膨胀机检测装置119，根据检测气体温度的温度传感器来的信号或 者是由检测气体压力的压力传感器来的信号或者由膨胀机或压缩机的气体压力检 测传感器来的信号，关闭开关阀117。

另外，例如，图29、图30、图31表示，可以在开关阀117上设置形 状记忆合金做成的弹簧121，该形状记忆合金的形状随着排气管5导出介质的 气体温度而变化。运转一定时间后，也可以根据工作介质温度，使弹簧121动 作，从而由开关阀117关闭旁路103。

在这种情况下，也可以用随温度而动作的双金属片相应的弹簧代替形状记忆 合金弹簧121。

图28、图30表示装有膨胀机运转检测装置119的循环线路全图，与附 图7的循环图中的同一部件由相同的符号标出。图中，标号7是装有压缩机11 和膨胀机9的密闭箱体，且示出了通过压缩机11构成的冷冻循环系统81和通 过膨胀机9构成的兰金循环系统83。

在兰金循环系统中，从密闭箱体7的排气管5排出的气体，经热回收部85 →冷凝器等热交换器87，流入液罐89。由液罐89出来经高压泵91→热回 收部85→装有加热装置的蒸发器93→四通阀95，回到膨胀机9的进气管3， 实现循环过程。在这种兰金循环系统83中，工作介质气体，通过高压泵91升 压，高压气体通过热回收部及蒸发器时被加热，另外，在有加热装置的蒸发器9 3的出口侧还设有将高压气体返回热回收部8 5的第1、第2开关控制阀123、 125。

在冷冻循环系统81中，由密闭箱体7的排气管5排出的介质气体，经热回 收部85→冷凝器等热交换器87，流入液罐89，直至液罐89为止，在循环 系统与兰金循环83流程是相同的。由液罐89出来，经膨胀泵97→蒸发器等 热交换器99→四通阀95→储气器101流进压缩机11的进气管70，实 现循环。在该冷冻循环81中经蒸发器等热交换器99时热交换、冷却。另外， 四通阀95的出口侧，连通冷冻循环和兰金循环间的通路127内设有第3开关 控制阀129。

开关控制阀117和第1、第2、第3开关控制阀123、125、129 的工作状况结合图31的流程图加以说明。

从开始(S1阶段)起，进入工作状态1(S2阶段)，在工作状态1中， 开关控制阀117和第2、第3开关控制阀125、129关闭，第1开关控制 阀123打开，高压泵91工作(S3阶段)，借助于高压泵91的工作，通过 蒸发器93出口的工作气体的出口压力Po与设定压力值P比较(S4阶段)。 在第S4阶段中，出口压力若比设定压力P高的话，则进入第二工作状态(S5 阶段)，在第二工作状态中，开关控制阀117和第2开关控制阀125打开， 第1开关控制阀123和第3开关控制阀129关闭。这样，高压气体通过旁路 103，流入膨胀室39内，接着完成进气开始→进气结束→膨胀开始→膨胀结 束，再经排气过程回到进气开始状态，实现循环运转，当进入正常运转时，例如， 由检测传感器测得膨胀机的转数N，判定其已达到所定转数时，进入第3工作状 态(S7阶段)，在第3工作状态时，开关控制阀117和第1、第3开关控 制阀123、129关闭，第2开关控制阀125打开，进入了旁路103关闭 的额定运转状态(S8阶段)。因此，利用这一实施例，初期开始运转用旁路1 03，经运转一定时间后关闭，从而可以得到膨胀机稳定运转的状态。

如上所述，利用本发明滚轮活塞式膨胀机，不需辅助电机，就可以起动膨胀 机，因此在实现装置整体小型化、重量轻的同时，安装简单，成本降低也是很可 取的，另外，由于起动用的旁路可关闭，可以使膨胀机处于稳定运转的状态。