一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统技术方案

本发明专利技术涉及一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，该发明专利技术主要包括气浮轴承式离心压缩机总成、冷凝器/辐射器、加热器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、蒸发器/冷板、启动阀、压缩机出口引气口、引气阀、气浮轴承引气管路。所述的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统利用自身工质实现润滑及冷却。本发明专利技术具有结构简单、无需其他冷却工质、启动适应性强的特点。

A Self-Cooling and Self-Lubricating Closed Heat Pump/Refrigeration System

The invention relates to a self-cooling and self-lubricating closed heat pump/refrigeration system. The invention mainly comprises an air bearing centrifugal compressor assembly, a condenser/radiator, a heater, a first expansion valve, a second expansion valve, an evaporator/cooling plate, a starter valve, an outlet air outlet of a compressor, an air intake valve and an air bearing air intake pipeline. The self-cooling and self-lubricating closed heat pump/refrigeration system realizes lubrication and cooling by using its own working medium. The invention has the advantages of simple structure, no need of other cooling working medium and strong starting adaptability.

【技术实现步骤摘要】
一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统
本专利技术涉及制冷压缩机领域以及航天器、飞行器热控制领域，特别是涉及一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统。
技术介绍
随着现代技术的飞速发展，未来航天器、飞行器的设计对热控制问题的需求与日俱增。未来航天器、飞行器将面临热功耗增大、传统机载热沉能力不足、热流密度增强等新的热控问题，这些问题对热控设计的要求越来越严苛，新的热控技术将成为研究热点。在第3代战斗机中，SU-27的电子舱热载荷为18kW，F-18的电子舱热载荷为19kW。在第4代战斗机中，F-22的电子舱热载荷达到了55kW。可以预见，相控阵雷达等新一代电子设备的应用必将使未来飞行器的热载荷数量级的增加，预计可以达到几百千瓦的量级。随着热载荷的增加，传统的飞机热控手段例如空气循环制冷系统ACS(AirCycleSystem)等将很难提供足够的冷量来冷却这些电子设备。因此，为满足未来飞行器的热控需求，需发展能承担大功率散热的热控系统，而热泵技术却是解决未来飞行器超大功率热排散问题的重要技术途径。此外，对于地外星球宇航任务，发射重量是一个重要考虑因素。在利用辐射器对外散热的航天器热控系统中，辐射器质量通常占整个系统的50％～60％。根据斯忒蕃—波尔兹曼定理，辐射器表面散热量正比于其表面温度的4次方，同样散热量前提下能够通过提高辐射器表面温度达到显著减小辐射器表面积的目的，热泵系统能实现这一功能。国外的研究表明，系统散热量在10kW时，热泵相对于直接采用单向流体回路质量能够减轻27％，当系统散热量达到100kW时，热泵系统减轻的质量约为39％。从中可以看出随着排散功率的不断增大，热泵系统在减轻重量方面的优势越来越明显。可以看出，热泵技术具有提高辐射散热温度，减小辐射器面积、提高向阳面和极端环境下的散热能力、以及调节能力强等特点，是解决未来飞行器、航天器超大功率热排散问题的重要技术途径，然而空间微重力及变重力条件下热泵系统制冷压缩机技术是热泵技术与航天工程应用结合的瓶颈。常规压缩机在地面常规重力环境下依靠重力进行润滑及冷却，因此，在空间微重力及变重力条件下，地面的常规压缩机则无法使用。为解决微重力及变重力条件下压缩机的润滑问题，目前常用的方法包括无油润滑压缩机、润滑油制冷剂共循环压缩机、磁力轴承压缩机等。在无油润滑中最常用的方式又是气体润滑的方式，因此本专利技术采用的是气浮轴承式的压缩机。综上，为开发出能实现润滑、冷却以及密封一体化的热泵系统，本专利技术提出一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，该系统同样也适用于地面的制冷和热泵应用的需求。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术的目的是提供一种可利用自身工质实现冷却及密封的，能同时满足空间以及地面热泵和制冷系统使用条件的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其特征在于，包括气浮轴承式离心压缩机总成、冷凝器/辐射器、加热器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、蒸发器/冷板、启动阀。其中，所述的气浮轴承式离心压缩机总成包括离心叶轮、压缩机吸气口、压缩机排气口、气浮轴承、电机、压缩机机壳、离心叶轮进气口、引气阀、气浮轴承引气管路。其中，工质在所述的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统中的流动的过程为：气态制冷剂工质从压缩机吸气口流入，工质进入压缩机后首先经过电机，大部分的工质从电机与压缩机机壳的缝隙中流过，少量的工质通过电机内部的缝隙流过；工质流过电机，可以对电机进行冷却，同时进一步提高工质的过热度；流过电机的工质通过离心叶轮进气口进入离心叶轮部分；继而工质在离心叶轮中被压缩，压缩后的工质最终从压缩机排气口流出；由于制冷工质以及电机的冷却介质为同一种，这样就保证了整个制冷离心压缩机是单一工质的密闭系统，同时解决了压缩机的冷却以及泄露的问题。其中，所述的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统的启动过程为：压缩机在启动时，首先由加热器将制冷工质加热到气浮轴承的工作压力，使得气浮轴承开始工作，此时采用静压气浮的方式来克服转子的径向载荷；气浮轴承正常工作时，启动电机，驱动离心叶轮旋转；当离心叶轮工作后，制冷工质在压缩机出口就能达到一定的压力，此时通过压缩机出口引气的方式为气浮轴承提供工作气源；在进入到高速工作运行状态后，由转子不平衡产生的偏心而引起动压效应可以进一步地提高轴承的载荷能力。(三)有益效果本专利技术提供的一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其具有以下优点：1、本专利技术不仅可在地面使用，在变重力及微重力条件下的空间中也同样适用。2、本专利技术同时解决了压缩机的润滑、冷却以及泄露的问题。3、本法明解决了热泵/制冷系统在启动时压缩机气浮轴承的控制问题，避免启动过程的轴承磨损，保证长寿命。4、本专利技术具有结构简单、无需其他冷却工质、启动适应性强的特点。附图说明图1是本专利技术提供的一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统的系统图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。如图1所示，本专利技术包括气浮轴承式离心压缩机总成1、冷凝器/辐射器2、加热器3、第一膨胀阀4、第二膨胀阀5、蒸发器/冷板6、启动阀7。气浮轴承式离心压缩机总成1包括压缩机机壳8、气浮轴承引气管路9、离心叶轮10、压缩机吸气口11、前气浮轴承12、电机13、后气浮轴承14、离心叶轮进气口15、引气阀16、压缩机排气口17。工质在本专利技术的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统中的流动过程为：气态制冷剂工质从压缩机吸气口11流入，工质进入压缩机后首先经过电机13，大部分的工质从电机13与压缩机机壳8的1～10mm的缝隙中流过，少量的工质通过电机13内部的缝隙流过；工质流过电机13，可以对电机13进行冷却，同时进一步提高工质的过热度；流过电机13的工质通过离心叶轮进气口15进入离心叶轮10；继而工质在离心叶轮10中被压缩，压缩后的工质最终从压缩机排气口17流出；由于制冷工质以及电机13的冷却介质为同一种，这样就保证了整个制冷离心压缩机是单一工质的密闭系统，同时解决了压缩机的冷却以及泄露的问题。本专利技术的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统中的启动过程为：压缩机在启动时，首先由加热器3将制冷工质加热到前气浮轴承12以及后气浮轴承14的工作压力，使得前气浮轴承12以及后气浮轴承14开始工作，此时采用静压气浮的方式来克服转子的径向载荷；前气浮轴承12以及后气浮轴承14正常工作时，启动电机13，驱动离心叶轮10旋转；当离心叶轮10工作后，制冷工质在压缩机排气口17就能达到一定的压力，此时通过压缩机排气口17引气的方式为前气浮轴承12以及后气浮轴承14提供工作气源；在进入到高速工作运行状态后，由转子不平衡产生的偏心而引起动压效应可以进一步地提高轴承的载荷能力。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例而已，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.本专利技术涉及一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其特征在于，包括气浮轴承式离心压缩机总成、冷凝器/辐射器、加热器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、蒸发器/冷板、启动阀。

【技术特征摘要】
1.本发明涉及一种自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其特征在于，包括气浮轴承式离心压缩机总成、冷凝器/辐射器、加热器、第一膨胀阀、第二膨胀阀、蒸发器/冷板、启动阀。2.如权利要求1所述的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其特征在于，气浮轴承式离心压缩机总成包括离心叶轮、压缩机吸气口、压缩机排气口、气浮轴承、电机、压缩机机壳、离心叶轮进气口、引气阀、气浮轴承引气管路。3.如权利要求1所述的自冷却自润滑的封闭式热泵/制冷系统，其特征在于，工质在所述的气浮轴承式离心压缩机中的流动的过程为：气态制冷剂工质从压缩机吸气口流入，工质进入压缩机后首先经过电机，大部分的工质从电机与压缩机机壳的缝隙中流过，少量的工质通过电机内部的缝隙流过；工质流过电机，可以对电机进行冷却，同时进一步提高工质的过热度；流过电机的工质通...

【专利技术属性】
技术研发人员：李育隆，吴宏，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11