一种冷却装置及设置其的蒸汽压缩机的制作方法

1.本实用新型涉及压缩机冷却技术领域，尤其是涉及一种冷却装置及设置其的蒸汽压缩机。


背景技术：

2.随着制冷空调行业的迅速发展，制冷领域每年需要的制冷剂高达百万吨，而氯氟烃类人工合成制冷剂因为对臭氧层的破坏以及对温室效应的促进作用，使制冷与空调行业面临严重挑战。水作为第四代制冷剂具有绿色环保(odp＝0，gwp《1)、原料易得、成本低廉、安全性好、稳定性高以及汽化潜热大等诸多优势，完全可以满足环保要求从而应用在蒸气压缩机系统中；但是水蒸气分子量低、比容大以及绝热指数高，也决定了水蒸气系统具有压差小、压比大、单位容积制冷量小、容积流量大、排气温度高等特点，对水蒸气制冷系统用的压缩机也提出了更高的要求。目前使用的水蒸气压缩机主要有离心式水蒸气压缩机、螺杆式水蒸气压缩机以及罗茨式水蒸气压缩机。与螺杆式压缩机、罗茨式压缩机相比，离心式水蒸气压缩机具有容积流量大、动平衡特性好、振动小的优点，能够提供更高压比的气源，能显著提升电堆的功率密度和整体性能。而采用动压气体轴承的离心式水蒸气压缩机具有轴承摩擦损耗小、转速高、高温稳定性好、不需要润滑油等一系列优点，有着十分广阔的应用前景。
3.目前离心式蒸气压缩机常采用箔片动压气体径向轴承，其属于滑动轴承的一种，其工作原理就是为动压效应，气体是带有一定的粘性的，通过永磁转子的转动带动气体由大间隙趋向小间隙腔内，随着转子转速提升，气体的分布会达到一种平衡状态，此时气体会在轴承与转子形成的间隙内形成一层刚性气膜，从而能够把转子悬空起来。总的来说，箔片动压气体径向轴承工作时，通过动压效应形成高压气膜，而轴承的波箔结构通过变形为气膜提供压力支撑转子，在转子高速运行时，整个转子在高压气膜的作用下是处于悬空状态的，这种情况几乎是不存在摩擦热耗的，但其在起飞阶段，转速由低至高的过程中的低速状态时，转子与顶箔之间会存在短暂的轻微摩擦，此时的摩擦会产生一定的热量使气体温度略有上升，影响形成气膜的稳定性。
4.此外，离心式水蒸气压缩机还有一个最为显著的高温发热源—电机，电机作为整个压缩机的动力供给，与高压电源相连通过大电流运转而形成强磁场从而带动永磁转子转动。因其工作电流大，功率大，尤其是在电机刚刚启动的时候，转子瞬间启动所产生的力矩很大，这时的电机电流非常大，所以其产生的电阻热非常巨大，加上其工作于较为密闭的电机筒体内，自行散热性能差，以致于电机系统升温极快，短时间内电机的温度便可达到60℃以上，很多时候电机往往会因为过热而无法继续工作进入待机状态。
5.综上，现有离心式水蒸气压缩机轴承与电机的散热问题亟待解决。


技术实现要素：

6.本实用新型的目的在于提供一种冷却装置及设置其的蒸汽压缩机，至少解决现有
技术中存在的水蒸气压缩机轴承与电机的散热效果较差的技术问题。本实用新型提供的诸多技术方案中的优选技术方案所能产生的诸多技术效果详见下文阐述。
7.为实现上述目的，本实用新型提供了以下技术方案：
8.本实用新型提供的一种冷却装置，包括：
9.冷却管路，其包括第一冷却管和第二冷却管，所述第一冷却管和所述第二冷却管之间具有热交换段；
10.冷却组件，其设置于所述第一冷却管中，对所述第一冷却管内的第一介质进行冷却；且所述第一介质于所述热交换段对所述第二冷却管内的第二介质进行冷却。
11.可选地，所述冷却组件为第一换热器，所述第一换热器内设置有冷却液，所述第一冷却管穿过所述第一换热器。
12.可选地，所述第一冷却管位于所述第一换热器内的至少部分区段为弯曲管。
13.可选地，所述冷却液为冷水。
14.可选地，所述第一冷却管包括引入段和中间段，所述冷却组件位于所述中间段，且所述引入段和所述中间段的轴线呈锐角。
15.可选地，所述第二冷却管中设置有第二介质的驱动装置。
16.可选地，所述第二冷却管包括第二换热器，所述第一冷却管穿过所述第二换热器使所述第一介质与所述第二介质换热。
17.可选地，所述第一冷却管还包括回流支路，所述第一冷却管穿过所述第二换热器后延伸并连通至所述冷却组件上游的所述第一冷却管形成所述回流支路。
18.可选地，所述回流支路中设置有单向阀。
19.本实用新型提供的一种蒸汽压缩机，包括一级蜗壳、电机筒体、电机定子、动压气体轴承、二级径向轴承支座、二级扩压器和以上任一所述的冷却装置；所述第一冷却管的入口端连通于所述一级蜗壳的端口或蜗壳内，所述第二冷却管的出口端连通于所述压缩机的内部。
20.可选地，所述第一冷却管的入口端设置于所述一级蜗壳上，所述第二冷却管的出口端设置于所述电机筒体上。
21.可选地，所述二级径向轴承支座上对称地开设有出气口。
22.可选地，所述二级扩压器上对称地设置有雾化喷头。
23.本实用新型提供的一种冷却装置，包括冷却管路和冷却组件，其中冷却管路包括第一冷却管和第二冷却管，第一冷却管和第二冷却管之间具有热交换段；冷却组件设置于第一冷却管中，对第一冷却管内的第一介质进行冷却；且第一介质于热交换段对第二冷却管内的第二介质进行冷却。第一冷却管的入口端能够连通于压缩机的一级压缩腔，将高温水蒸汽(第一介质)引入冷却装置，高温水蒸汽在冷却组件中换热形成冷水；而第二冷却管引入的高温热风(第二介质)与上述冷水在热交换段换热后形成冷风并由第二冷却管的出口端进入压缩机内部，从而对蒸汽压缩机的轴承和/或电机进行有效冷却。
24.蒸汽压缩机使用该冷却装置后，冷风将动压气体径向轴承在启动阶段产生的小部分热量及时带走，保持轴承内高压气膜的稳定性，从而提高了轴承运行的可靠性；而冷风又将电机产生的热量运送至压缩机系统之外，保证电机能够长期稳定运行。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本实用新型具体实施方式提供的一种两级压缩离心式水蒸气压缩机的剖视结构示意图；
27.图2是本实用新型具体实施方式提供的一种冷却组件的结构示意图；
28.图3是本实用新型具体实施方式提供的一种第一冷却管位于第一换热器内的结构示意图；
29.图4是图1中a部分雾化喷头的放大结构示意图；
30.图5是蒸发环节的工作原理图；
31.图6是第一冷却管与第二冷却管的连接关系示意图。
32.图中1、一级叶轮；2、一级蜗壳；3、出气阀；4、第一冷却管；5、冷却组件；51、冷却壳体；6、转接阀；7、一级径向轴承支座；8、动压气体轴承；9、电机定子；10、电机筒体；11、二级径向轴承支座；12、二级扩压器；13、永磁转子；14、雾化喷头；15、蒸发器；16、单向阀；17、鼓风机。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本实用新型的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本实用新型所保护的范围。
34.本实用新型提供了一种冷却装置，包括：
35.冷却管路，其包括第一冷却管4和第二冷却管，第一冷却管4和第二冷却管之间具有热交换段；
36.冷却组件，其设置于第一冷却管4中，对第一冷却管4内的第一介质进行冷却；且第一介质于热交换段对第二冷却管内的第二介质进行冷却。
37.第一冷却管4的入口端能够连通于压缩机的一级压缩腔，将高温水蒸汽(第一介质)引入冷却装置，高温水蒸汽在冷却组件中换热形成冷水；而第二冷却管引入的高温热风(第二介质)与上述冷水在热交换段换热后形成冷风并由第二冷却管的出口端进入压缩机内部，从而对蒸汽压缩机的轴承和/或电机进行有效冷却。
38.作为可选地实施方式，冷却组件5为第一换热器，第一换热器内设置有冷却液，第一冷却管4穿过第一换热器。结构简单，易于实现。
39.具体地，如图2所示，第一换热器包括冷却壳体51，冷却壳体51上设置有冷却液进口和冷却液出口；第一冷却管4贯穿冷却壳体51，能够与从冷却液进口进入并填充于冷却壳体51腔室内的冷却液进行换热。
40.其中，冷却液优选冷水，清洁环保，易得，成本低廉。
41.作为可选地实施方式，第一冷却管4位于第一换热器内的至少部分区段为弯曲管，
弯曲管形状不限，只要能够增加第一冷却管4在第一换热器内的长度即可。如图3所示，本实施方式中采用螺旋管，能够有效增加换热段的长度，提高换热效率。螺旋管与其他形态弯曲管相比能够有效利用空间，最大限度地增加换热段的长度。
42.作为可选地实施方式，如图1和图6所示，第一冷却管4包括引入段和中间段，冷却组件5位于中间段，且引入段和中间段的轴线呈锐角。竖直设置的引入段与中间段的轴线呈锐角α，使中间段倾斜设置，便于凝结的冷水依靠重力向蒸发器15流动。
43.作为可选地实施方式，第二冷却管中设置有第二介质的驱动装置。本实施方式中第二介质为空气，在第二冷却管位于第二换热器下游设置鼓风机17，为冷风提供动力。
44.作为可选地实施方式，第二冷却管包括作为第二换热器的蒸发器15，第一冷却管4穿过第二换热器使第一介质与第二介质换热，参见图6。
45.作为可选地实施方式，如图1、图5和图6所示，第一冷却管4还包括回流支路，第一冷却管4穿过第二换热器后延伸并连通至冷却组件5上游的第一冷却管4形成回流支路。回流支路便于在蒸发器15内热交换后蒸发形成的高温水蒸汽与第一冷却管4入口端引入的高温水蒸汽混合重复利用。
46.具体地，回流支路中设置有单向阀16，防止高温水蒸汽回流。
47.本实用新型提供的一种蒸汽压缩机，包括一级叶轮1、一级蜗壳2、一级径向轴承支座7、电机筒体10、电机定子9、动压气体轴承8、永磁转子13、二级径向轴承支座11、二级扩压器12和以上任一的冷却装置；第一冷却管4的入口端连通于一级蜗壳2的端口或蜗壳内，第二冷却管的出口端连通于压缩机的内部。
48.蒸汽压缩机使用上述冷却装置后，冷风将动压气体径向轴承在启动阶段产生的小部分热量及时带走，保持轴承内高压气膜的稳定性，从而提高了轴承运行的可靠性；而冷风又将电机产生的热量运送至压缩机系统之外，保证电机能够长期稳定运行。
49.如图1所示，本实用新型具体实施方式提供了一种两级压缩离心式水蒸气压缩机，主要包括：一级叶轮1、一级蜗壳2、出气阀3、冷却管路、冷却电机5、转接阀6、径向轴承支座7、径向动压气悬浮轴承8、电机定子9、电机筒体10、二级径向轴承支座11、二级扩压器12、永磁转子13、雾化喷头14。第一冷却管4的入口端设置于一级蜗壳2上，第二冷却管的出口端设置于电机筒体10上。其中：
50.一级叶轮1为铸件加工而成，为压缩机的关键零件，其主要是对水蒸气进行做功提速，对压缩机的能效有很大的影响。
51.一级蜗壳2为形状不规则的铸件，其结构较为复杂，是由一级扩压器加压后的水蒸气流动的导向机构，其结构设计与加工的好坏将直接影响到压缩机的噪音性能。
52.出气阀3为采购类零件，一般由黄铜与塑料组成，与蜗壳通过螺纹连接，出气口与第一冷却管4连接，主要作用是将压缩机内一级压缩后的部分水蒸气导入冷却组件5冷却后冷却压缩机的电机与轴承。
53.第一冷却管4主要是导流输气作用，其中设置在冷却组件5内的部分为螺旋式结构，如图3所示，螺旋管能增加水蒸气的冷却时间从而提高冷却效果。因离心式压缩机叶轮对液滴十分敏感，为防止冷却后的水蒸气部分液化回流一级蜗壳2，将中间段(包括螺旋管)的轴线与竖直蒸汽段的夹角为锐角，使液化后的水滴在重力的作用下只能一直往前流动，提高冷却效率。
54.冷却组件5，其示意结构如图2所示，为一个冷却容器(冷却壳体51)和冷却液回路组成，冷却壳体51与螺旋输气管采用防水胶水密封黏合，冷水进口与外部冷水源相连接，冷水自上而下灌入冷却壳体51能够快速带走水蒸汽的热量，保证水蒸汽的冷却效果。转接阀6为采购件，主要将各段冷却管路连接起来，一般为塑料制品。
55.一级径向轴承支座7与二级径向轴承支座11均为回转类、空心铸件，均对称分布于电机筒体10的两侧。其中，一级径向轴承支座7连接电机筒体10和动压气体轴承8，为动压气体轴承8提供支撑；同理，二级径向轴承11为二级动压气体提供支撑。
56.动压气体轴承8为箔片动压气体径向轴承，对称分布于电机筒体10的两端，通过轴承壳与动压轴承支座7实现过盈连接，在本实用新型中，动压气体轴承8是被冷却对象，如图1所示，动压气体轴承8与轴承支座是过盈配合，动压气体轴承产生的热量会迅速传至轴承支座，鼓风机17将冷风输入压缩机内部后，快速流窜经过轴承支座表面，迅速带走其热量，从而达到冷却轴承的效果。
57.电机定子9由电机绕组组成，与电机筒体10通过热套嵌合在一起，通过与高压电源相连于电机腔内产生强磁场作用于电机转子13，使其进行高速转动。电机定子9由三部分热套而成，其中有一个为永磁钢，具有强磁性，为高精度零件，其作用是在电机定子的作用下带动叶轮高速转动。电机定子9为此专利技术的冷却对象，因电机定子9内通高压电流，以至于其产热现象非常急剧，其为一台压缩机内最为主要的发热源。如图1所示，电机筒体10内圈与电机定子9相配合的圆柱面分布了一螺旋通气流道，鼓风机17将冷风输进一级侧压缩机腔内后会进入电机筒体10内圈上的螺旋流道，从而环绕电机定子9表面快速流动，带走电机产生的热量后进入二级压缩机腔内。螺旋结构流道不仅增大了冷却的水蒸气充分与电机定子9的接触面积，而且增加了其冷却时间，提高了冷却效果。
58.电机筒体10为形状不规则铸件、空心零件，为压缩机的主要支撑部件，为蜗壳、扩压器、轴承支座、电机定子等提供支撑定位作用。其内壁上设有螺旋冷却通道，为冷却电机定子用。二级径向轴承支座11为回转体、空心铸件，主要为二级径向轴承提供支撑。其上设有上下对称分布的两个出气口如图1所示，这两个出气口主要作用是将经过电机定子9出来后的高温热风及时排出导入二级扩压器。二级扩压器12为回转体加工零件，主要是将一级压缩后的水蒸气进行二次压缩将水蒸气的动能转换为压力能及内能，进一步将水蒸气的温度和压力提高。二级扩压器12上设有上下对称分布的两个雾化喷头14，可以将压缩机内部因吸热升温的高温热风回收于压缩机二级压缩环节与水蒸气混合继续进行压缩。
59.雾化喷嘴14为采购零件，结构如图4所示，通过二级扩压器12的两侧压差，工作完的冷风在压力的作用下能顺利进入二级扩压环节，并且可以防止二级扩压器12内的水蒸气反冲压缩机内部。雾化喷头14采用螺纹连接的方式安装在二级扩压器12的对称两侧。永磁转子13由三部分热套而成，为实心零件，其中的内嵌部件为永磁钢，因此永磁转子13能在电机定子10产生的强磁场作用下进行高速运转，转速可达几万转/min，其一般在使用前都会进行动平衡测试以确保其运行的稳定性。
60.在压缩机外部设管路的情况下，将压缩机一级压缩后的水蒸气引入外部冷却组件5后再通过蒸发器15产生冷风对压缩机进行冷却，重新吸热气化的水蒸气则通过单向阀16回到起始输气管进行重复利用。其大致过程为：一级扩压器增压
→
第一冷却管4导出
→
冷却组件5进行冷却
→
蒸发器15气化产生冷风
→
鼓风机17将冷风输入压缩机内部
→
冷风经过动
压气体轴承8
→
雾化喷头14进行导出
→
压入二级扩压器12与水蒸气混合继续进行二级压缩，在实现冷却电机与轴承的同时又能将水蒸气和冷风进行多重利用，达到节能减排，绿色环保的目的。
61.为了避免压缩机在工作运行的过程中因电机过热而停机，本专利设计了一种应用于离心式水蒸气压缩机的电机定子冷却技术，以提高其工作的可持续性以及稳定性已达到提高生产效率的目的。
62.由于离心式水蒸气压缩机工作介质为水蒸气，本设计在压缩机外部设置第一冷却管4直接利用压缩机自身的水蒸气，第二冷却管通过一级排气引入高压气体进行降温后再通过蒸发器15与工业余热产生的热风进行能量转移，使工业高温热风冷却为冷风，作为冷却风(冷风)来源。
63.利用鼓风机17将冷风导入压缩机内部，冷风首先流经一级径向轴承壳体带走轴承的热量，后经过筒体上的螺旋冷却流道带走电机定子产生的高温热量并迅速送出压缩机内部。冷风吸热升温再次变为高温热风，后经过雾化喷嘴进入二级压缩环节与高温水蒸气混合继续进行二次压缩。
64.高温热风源可以采用工业生产中的余热进行利用，使压缩机更加绿色环保，提高能源利用率。
65.在实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有说明，
″
多个
″
的含义是两个或两个以上；术语
″
上
″
、
″
下
″
、
″
左
″
、
″
右
″
、
″
内
″
、
″
外
″
、
″
前端
″
、
″
后端
″
、
″
头部
″
、
″
尾部
″
等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语
″
第一
″
、
″
第二
″
、
″
第三
″
等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
66.在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语
″
安装
″
、
″
相连
″
、
″
连接
″
应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可视具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
67.以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。