本发明公开了一种具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机，包括箱体(300)、上支撑端盖(400)、进气端盖(500)和阀芯盖板(600)；上支撑端盖(400)与箱体(300)固定连接，形成一封闭的空腔(408)；进气端盖(500)和阀芯盖板(600)都设置于该空腔(408)内；阀芯盖板(600)设置于进气端盖(500)的下方；螺杆膨胀机还包括相互平行设置的主驱动轴(401)、调节操作杆(402)和从动轴(403)；螺杆膨胀机还包括一设置于空腔(408)内的进气口调节机构，该进气口调节机构包括半齿轮凸轮(700)、调节齿轮(800)、阀芯拨杆(900)、径向滑动阀芯(603)和周向滑动阀芯(604)。所述螺杆膨胀(压缩)机具有可调节的内置容积比，能够最大限度保持内置容积比与系统实际运行压力比的最佳匹配，提高螺杆膨胀机在变工况运行下的总体运行效率。
1.一种具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，包括箱体(300)、上支撑端盖(400)、进气端盖(500)和阀芯盖板(600)；
上支撑端盖(400)与箱体(300)固定连接，形成一封闭的空腔(408)；进气端盖(500)和阀芯盖板(600)都设置于该空腔(408)内；阀芯盖板(600)设置于进气端盖(500)的下方；
所述螺杆膨胀机还包括相互平行设置的主驱动轴(401)、调节操作杆(402)和从动轴(403)，并且主驱动轴(401)、调节操作杆(402)和从动轴(403)的中心轴线都与上支撑端盖(400)相垂直；
所述螺杆膨胀机还包括一设置于空腔(408)内的进气口调节机构，该进气口调节机构包括半齿轮凸轮(700)、调节齿轮(800)、阀芯拨杆(900)、径向滑动阀芯(603)和周向滑动阀芯(604)；
半齿轮凸轮(700)、调节齿轮(800)和阀芯拨杆(900)都设置于进气端盖(500)的上方；
半齿轮凸轮(700)为一不完整的圆形齿轮；半齿轮凸轮(700)设置于上支撑端盖(400)与进气端盖(500)之间，并且半齿轮凸轮(700)通过其中心孔(702)套装于主驱动轴(401)上，使得半齿轮凸轮(700)能够绕主驱动轴(401)转动；半齿轮凸轮(700)的下表面设置有第一斜凸台，第一斜凸台的一侧面为斜面；
调节齿轮(800)设置于上支撑端盖(400)与进气端盖(500)之间，并且调节齿轮(800)通过其中心孔(801)套装于调节操作杆(402)上，使得调节操作杆(402)能够带动调节齿轮(800)转动；
调节齿轮(800)与半齿轮凸轮(700)之间采用齿轮啮合的方式连接，使得调节齿轮(800)能够带动半齿轮凸轮(700)转动；
进气端盖(500)的上表面固定设置有拨杆铰轴(503)和第二斜凸台(505)，第二斜凸台(505)的一侧面为斜面，并且第二斜凸台(505)的斜面相对于进气端盖(500)上表面的倾斜角度等于第一斜凸台的斜面相对于半齿轮凸轮(700)下表面的倾斜角度；
阀芯拨杆(900)整体呈L形；阀芯拨杆(900)的短边末端与半齿轮凸轮(700)的凸轮面相向设置且二者未接触，当半齿轮凸轮(700)转动至阀芯拨杆(900)的短边末端与半齿轮凸轮(700)的凸轮面相接触时，半齿轮凸轮(700)能够推动阀芯拨杆(900)绕拨杆铰轴(503)转动；阀芯拨杆(900)的长边末端处设置有第一导向孔(901)，阀芯拨杆(900)的拐弯处设置有铰轴孔(902)；
阀芯盖板(600)上设置有贯通阀芯盖板(600)且均呈弧形的第一阀芯滑槽(601)和第二阀芯滑槽(602)，且第一阀芯滑槽(601)以拨杆铰轴(503)为中心，第二阀芯滑槽(602)以主驱动轴(401)为中心；第一阀芯滑槽(601)的里端与第二阀芯滑槽(602)的一端相连通；
径向滑动阀芯(603)设置于第一阀芯滑槽(601)内，且能够沿着第一阀芯滑槽(601)滑动；周向滑动阀芯(604)设置于第二阀芯滑槽(602)内，且能够沿着第二阀芯滑槽(602)滑动；第一阀芯滑槽(601)的未被径向滑动阀芯(603)封闭的部分与第二阀芯滑槽(602)的未被周向滑动阀芯(604)封闭的部分相互连通形成进气口(609)；
径向滑动阀芯(603)的上表面固定设置有竖直向上的第一导向杆(605)；周向滑动阀芯(604)的上表面固定设置有竖直向上的第二导向杆(606)；第二导向杆(606)呈斜台形，其上端面呈圆形，其下端面呈椭圆形，其一侧面为相对于周向滑动阀芯(604)的上表面倾斜设置的斜面，且该斜面相对于周向滑动阀芯(604)上表面的倾斜角度等于第二斜凸台(505)的斜面相对于进气端盖(500)上表面的倾斜角度；
进气端盖(500)上设置有均呈弧形的第一弧形槽孔(501)和第二弧形槽孔(502)，且第一弧形槽孔(501)的位置与第一阀芯滑槽(601)相对应，第二弧形槽孔(502)的位置与第二阀芯滑槽(602)相对应；
第一导向杆(605)穿过第一弧形槽孔(501)且装设于第一导向孔(901)内，使得阀芯拨杆(900)能够通过第一导向杆(605)带动径向滑动阀芯(603)沿着第一阀芯滑槽(601)滑动；
拨杆铰轴(503)套装于铰轴孔(902)内，使得阀芯拨杆(900)能够以拨杆铰轴(503)为轴转动；
半齿轮凸轮(700)的下表面设置有一第二导向孔(701)，且第二导向孔(701)的形状和尺寸均与第二导向杆(606)相匹配；第二导向杆(606)装设于第二导向孔(701)内，使得半齿轮凸轮(700)能够通过第二导向杆(606)带动周向滑动阀芯(604)沿着第二阀芯滑槽(602)滑动。
2.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述螺杆膨胀机还包括设置于所述空腔(408)内的阳螺杆(100)和阴螺杆(200)，且阳螺杆(100)与阴螺杆(200)相互啮合，使得阳螺杆(100)能够带动阴螺杆(200)转动。
3.根据权利要求2所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述进气端盖(500)上设置有第一通孔(506)、第二通孔(507)和第三通孔，并且第二通孔(507)和第三通孔分别位于第一通孔(506)的两侧；所述阀芯盖板(600)上设置有第四通孔(607)和第五通孔(608)，且第四通孔(607)的位置与第一通孔(506)的位置相对应，第五通孔(608)的位置与第二通孔(507)的位置相对应；
所述主驱动轴(401)通过第一支撑轴承(404a)与所述上支撑端盖(400)连接，使得所述主驱动轴(401)在所述上支撑端盖(400)和第一支撑轴承(404a)的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；所述主驱动轴(401)的下端依次穿过所述进气端盖(500)上的第一通孔(506)和所述阀芯盖板(600)上的第四通孔(607)后与所述阳螺杆(100)的上端固定连接为一体；
所述调节操作杆(402)的上端通过第二支撑轴承(404b)与所述上支撑端盖(400)连接，所述调节操作杆(402)的下端穿过所述进气端盖(500)上的第三通孔后通过第四支撑轴承(404d)与所述箱体(300)连接，使得所述调节操作杆(402)能够绕其中心轴线自由转动；
所述从动轴(403)的上端通过第三支撑轴承(404c)与所述上支撑端盖(400)连接，使得所述从动轴(403)在所述上支撑端盖(400)和第三支撑轴承(404c)的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；所述从动轴(403)的下端依次穿过所述进气端盖(500)上的第二通孔(507)和所述阀芯盖板(600)上的第五通孔(608)后与所述阴螺杆(200)的上端固定连接为一体。
4.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述调节齿轮(800)通过销键锁定的方式套装于所述调节操作杆(402)上，使得所述调节操作杆(402)能够带动所述调节齿轮(800)转动。
5.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述径向滑动阀芯(603)和所述周向滑动阀芯(604)的横截面均呈上宽下窄的直角梯形；所述第一阀芯滑槽(601)的形状和尺寸均被设置为与所述径向滑动阀芯(603)相匹配；所述第二阀芯滑槽(602)的形状和尺寸均被设置为与所述周向滑动阀芯(604)相匹配。
6.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述第一弧形槽孔(501)的宽度小于所述径向滑动阀芯(603)上表面的宽度；所述第二弧形槽孔(502)的宽度小于所述周向滑动阀芯(604)上表面的宽度。
7.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述拨杆铰轴(503)设置于所述第二弧形槽孔(502)的外侧；所述拨杆铰轴(503)的外周面上套装有扭力弹簧(504)；扭力弹簧(504)的下端固定或支撑于所述拨杆铰轴(503)上，或者固定或支撑于所述进气端盖(500)上，扭力弹簧(504)的上端固定或支撑于所述阀芯拨杆(900)上，并且扭力弹簧(504)的扭矩作用使得所述阀芯拨杆(900)的长边末端趋向于向远离所述主驱动轴(401)的方向移动。
8.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述主驱动轴(401)上套装有压紧弹簧(406)，并且压紧弹簧(406)位于所述上支撑端盖(400)与所述半齿轮凸轮(700)之间，用于将所述半齿轮凸轮(700)压紧使其贴合于所述进气端盖(500)的上表面。
9.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述主驱动轴(401)通过第一密封部件(405a)与所述上支撑端盖(400)连接，所述调节操作杆(402)通过第二密封部件(405b)与所述上支撑端盖(400)连接，所述从动轴(403)通过第三密封部件(405c)与所述上支撑端盖(400)连接，从而实现所述主驱动轴(401)、所述调节操作杆(402)和所述从动轴(403)三者与所述上支撑端盖(400)之间的密封。
10.根据权利要求1所述的具有可变容积比的螺杆膨胀机，其特征在于，所述螺杆膨胀机还包括控制器(407)；所述调节操作杆(402)的上端穿过所述上支撑端盖(400)后与控制器(407)连接；控制器(407)向所述调节操作杆(402)提供扭矩且能够带动调节操作杆(402)转动。
一种具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机
技术领域
[0001] 本发明属于能源的利用和转化技术领域，尤其是涉及一种具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机。
背景技术
[0002] 随着人类对节约能源、减少排放、以及对低品位能源利用的意识增强，对地热资源开发、工业废热利用、生物质能转化，以及太阳能、风能储能技术的开发转换等，使得基于郎肯循环的中小型热力动力机械的需求也日益增加。
[0003] 中小规模的热力动力机，多以容积式膨胀机为主，包括双螺杆膨胀机、单螺杆膨胀机、涡旋式膨胀机、滑片式膨胀机、旋转活塞式膨胀机等等。其中，在100kW以上规模的热能利用中，以双螺杆膨胀机居多。然而，各类容积式膨胀机有一个共同特征，即由于容积式膨胀机的内置容积膨胀比是根据其几何容积比确定的，因此其由几何特征决定的内置容积膨胀比一般也是固定、不可调节的。由此产生的问题是，当使用容积式膨胀机的系统的运行压力比发生变化时，会产生运行压力比与膨胀机的内置容积膨胀比不匹配的情况，产生“欠膨胀”或者“过膨胀”现象，引起工质的“下冲”或“反冲”，造成额外的热力损失，使原本效率不高的膨胀机增加额外的效率损失。如果膨胀机工作在过膨胀状态，由于存在“反冲”现象，会产生效率急骤下降，严重时会导致运行系统失稳，难以控制恢复稳定运行。因此为了安全，常令系统运行在欠膨胀状态(即系统的压力比大于膨胀机内置膨胀压力比)，使工质存在少量的“下冲”。由此带来的代价是，膨胀过程始终因膨胀机偏离最佳匹配状态而存在额外的热力损失。
[0004] 此外，由于容积式膨胀机的内置容积膨胀比大多由转动部件的几何形状来决定，因此特定内置容积膨胀比的容积式膨胀机通常也要专门设计其转动部件，定制加工相应的零部件，导致膨胀机制造成本偏高。尤其当需要高内置容积膨胀比时，由于高内置容积膨胀比的膨胀机制造更加困难，有些热能回收利用系统不得不选用低内置容积膨胀比的膨胀机串联来实现多级膨胀，由此造成热力回收和开发系统设备造价过高。另外，由于低内置容积膨胀比的限制，许多低品位热能转换开发系统只能选用有机工质作为热能转换媒介，不仅价格高，而且往往易燃易爆，或含有毒性，或对大气温室效应有潜在威胁，也由于有机工质通常只有较低的比热容，在热力系统中需要更大的流体质量流量、消耗更多的泵功耗，造成热力循环系统净功率减少，系统效率更低。
[0005] 低品位、变工况的热能利用开发条件，需要有一种能提供可调节的内置容积膨胀比的膨胀机，以实现与变化的热源条件实时最佳匹配的运行，获得更高的转换效率，同时也需要以更低的造价生产较高内置容积膨胀比的膨胀机，使低品位热力转换系统可以利用廉价的、更安全、更环保的高比热容工质(如水)，令低(温度)品位的地热资源回收、废热利用、生物质能开发、太阳能风能储热技术利用等具有更高效率和更低成本。
发明内容
[0006] 本发明要解决的技术问题是提供一种具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机。
[0007] 为解决上述技术问题，发明采用如下的技术方案：
[0008] 本发明提供一种具有可变容积比的螺杆膨胀机，包括箱体、上支撑端盖、进气端盖和阀芯盖板；
[0009] 上支撑端盖与箱体固定连接，形成一封闭的空腔；进气端盖和阀芯盖板都设置于该空腔内；阀芯盖板设置于进气端盖的下方；
[0010] 所述螺杆膨胀机还包括相互平行设置的主驱动轴、调节操作杆和从动轴，并且主驱动轴、调节操作杆和从动轴的中心轴线都与上支撑端盖相垂直；
[0011] 所述螺杆膨胀机还包括一设置于空腔内的进气口调节机构，该进气口调节机构包括半齿轮凸轮、调节齿轮、阀芯拨杆、径向滑动阀芯和周向滑动阀芯；
[0012] 半齿轮凸轮、调节齿轮和阀芯拨杆都设置于进气端盖的上方；
[0013] 半齿轮凸轮为一不完整的圆形齿轮；半齿轮凸轮设置于上支撑端盖与进气端盖之间，并且半齿轮凸轮通过其中心孔套装于主驱动轴上，使得半齿轮凸轮能够绕主驱动轴转动；半齿轮凸轮的下表面设置有第一斜凸台，第一斜凸台的一侧面为斜面；
[0014] 调节齿轮设置于上支撑端盖与进气端盖之间，并且调节齿轮通过其中心孔套装于调节操作杆上，使得调节操作杆能够带动调节齿轮转动；
[0015] 调节齿轮与半齿轮凸轮之间采用齿轮啮合的方式连接，使得调节齿轮能够带动半齿轮凸轮转动；
[0016] 进气端盖的上表面固定设置有拨杆铰轴和第二斜凸台，第二斜凸台的一侧面为斜面，并且第二斜凸台的斜面相对于进气端盖上表面的倾斜角度等于第一斜凸台的斜面相对于半齿轮凸轮下表面的倾斜角度；
[0017] 阀芯拨杆整体呈L形；阀芯拨杆的短边末端与半齿轮凸轮的凸轮面相向设置且二者未接触，当半齿轮凸轮转动至阀芯拨杆的短边末端与半齿轮凸轮的凸轮面相接触时，半齿轮凸轮能够推动阀芯拨杆绕拨杆铰轴转动；阀芯拨杆的长边末端处设置有第一导向孔，阀芯拨杆的拐弯处设置有铰轴孔；
[0018] 阀芯盖板上设置有贯通阀芯盖板且均呈弧形的第一阀芯滑槽和第二阀芯滑槽，且第一阀芯滑槽以拨杆铰轴为中心，第二阀芯滑槽以主驱动轴为中心；第一阀芯滑槽的里端与第二阀芯滑槽的一端相连通；
[0019] 径向滑动阀芯设置于第一阀芯滑槽内，且能够沿着第一阀芯滑槽滑动；周向滑动阀芯设置于第二阀芯滑槽内，且能够沿着第二阀芯滑槽滑动；第一阀芯滑槽的未被径向滑动阀芯封闭的部分与第二阀芯滑槽的未被周向滑动阀芯封闭的部分相互连通形成进气口；
[0020] 径向滑动阀芯的上表面固定设置有竖直向上的第一导向杆；周向滑动阀芯的上表面固定设置有竖直向上的第二导向杆；第二导向杆呈斜台形，其上端面呈圆形，其下端面呈椭圆形，其一侧面为相对于周向滑动阀芯的上表面倾斜设置的斜面，且该斜面相对于周向滑动阀芯上表面的倾斜角度等于第二斜凸台的斜面相对于进气端盖上表面的倾斜角度；
[0021] 进气端盖上设置有均呈弧形的第一弧形槽孔和第二弧形槽孔，且第一弧形槽孔的位置与第一阀芯滑槽相对应，第二弧形槽孔的位置与第二阀芯滑槽相对应；
[0022] 第一导向杆穿过第一弧形槽孔且装设于第一导向孔内，使得阀芯拨杆能够通过第一导向杆带动径向滑动阀芯沿着第一阀芯滑槽滑动；拨杆铰轴套装于铰轴孔内，使得阀芯拨杆能够以拨杆铰轴为轴转动；
[0023] 半齿轮凸轮的下表面设置有一第二导向孔，且第二导向孔的形状和尺寸均与第二导向杆相匹配；第二导向杆装设于第二导向孔内，使得半齿轮凸轮能够通过第二导向杆带动周向滑动阀芯沿着第二阀芯滑槽滑动。
[0024] 优选地，所述螺杆膨胀机还包括设置于所述空腔内的阳螺杆和阴螺杆，且阳螺杆与阴螺杆相互啮合，使得阳螺杆能够带动阴螺杆转动。
[0025] 优选地，所述进气端盖上设置有第一通孔、第二通孔和第三通孔，并且第二通孔和第三通孔分别位于第一通孔的两侧；所述阀芯盖板上设置有第四通孔和第五通孔，且第四通孔的位置与第一通孔的位置相对应，第五通孔的位置与第二通孔的位置相对应；所述主驱动轴通过第一支撑轴承与所述上支撑端盖连接，使得所述主驱动轴在所述上支撑端盖和第一支撑轴承的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；所述主驱动轴的下端依次穿过所述进气端盖上的第一通孔和所述阀芯盖板上的第四通孔后与所述阳螺杆的上端固定连接为一体；所述调节操作杆的上端通过第二支撑轴承与所述上支撑端盖连接，所述调节操作杆的下端穿过所述进气端盖上的第三通孔后通过第四支撑轴承与所述箱体连接，使得所述调节操作杆能够绕其中心轴线自由转动；所述从动轴的上端通过第三支撑轴承与所述上支撑端盖连接，使得所述从动轴在所述上支撑端盖和第三支撑轴承的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；所述从动轴的下端依次穿过所述进气端盖上的第二通孔和所述阀芯盖板上的第五通孔后与所述阴螺杆的上端固定连接为一体。
[0026] 优选地，所述调节齿轮通过销键锁定的方式套装于所述调节操作杆上，使得所述调节操作杆能够带动所述调节齿轮转动。
[0027] 优选地，所述径向滑动阀芯和所述周向滑动阀芯的横截面均呈上宽下窄的直角梯形；所述第一阀芯滑槽的形状和尺寸均被设置为与所述径向滑动阀芯相匹配；所述第二阀芯滑槽的形状和尺寸均被设置为与所述周向滑动阀芯相匹配。
[0028] 优选地，所述第一弧形槽孔的宽度小于所述径向滑动阀芯上表面的宽度；所述第二弧形槽孔的宽度小于所述周向滑动阀芯上表面的宽度。
[0029] 优选地，所述拨杆铰轴设置于所述第二弧形槽孔的外侧；所述拨杆铰轴的外周面上套装有扭力弹簧；扭力弹簧的下端固定或支撑于所述拨杆铰轴上，或者固定或支撑于所述进气端盖上，扭力弹簧的上端固定或支撑于所述阀芯拨杆上，并且扭力弹簧的扭矩作用使得所述阀芯拨杆的长边末端趋向于向远离所述主驱动轴的方向移动。
[0030] 优选地，所述主驱动轴上套装有压紧弹簧，并且压紧弹簧位于所述上支撑端盖与所述半齿轮凸轮之间，用于将所述半齿轮凸轮压紧使其贴合于所述进气端盖的上表面。
[0031] 优选地，所述主驱动轴通过第一密封部件与所述上支撑端盖连接，所述调节操作杆通过第二密封部件与所述上支撑端盖连接，所述从动轴通过第三密封部件与所述上支撑端盖连接，从而实现所述主驱动轴、所述调节操作杆和所述从动轴三者与所述上支撑端盖之间的密封。
[0032] 优选地，所述螺杆膨胀机还包括控制器；所述调节操作杆的上端穿过所述上支撑端盖后与控制器连接；控制器向所述调节操作杆提供扭矩且能够带动调节操作杆转动。
[0033] 本发明所记载的任何范围包括端值以及端值之间的任何数值以及端值或者端值之间的任意数值所构成的任意子范围。
[0034] 如无特殊说明，本发明中的各原料均可通过市售购买获得，本发明中所用的设备可采用所属领域中的常规设备或参照所属领域的现有技术进行。
[0035] 与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
[0036] (1)本发明提供的螺杆膨胀(压缩)机具有可调节的内置容积比，可以在不改变阳螺杆和阴螺杆的情况下，获得更高的内置容积比。一方面，这种螺杆膨胀机可以工作在工况变幅极大的热能回收和转化系统中，最大限度保持内置容积比与系统实际运行压力比的最佳匹配，减少由于膨胀压比的失配产生的热力学不可逆损失，提高螺杆膨胀机在变工况运行下的总体运行效率；另一方面，这种螺杆膨胀机可以在不改变阳螺杆和阴螺杆等关键零部件几何尺寸和线型的情况下，通过从外部调整来提高螺杆膨胀机的内置容积比，从而能简化加工制造中专用精密工装磨具的配置，进而可有效降低螺杆膨胀机的制造成本。
[0037] (2)本发明提供的螺杆膨胀(压缩)机的内置容积比在2至20的范围内可调，可以有效降低螺杆膨胀机出口乏气压力，也可使螺杆膨胀机选用高膨胀率的工质成为可能，有条件在低品位热能利用的郎肯循环中，使用具有高比热容、无毒、无爆燃安全隐患和大气温室效应隐患的工质(例如水)，更有利于减少循环工质泵功耗，提高系统净输出功率，提升系统效率。
附图说明
[0038] 下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明
[0039] 图1为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的容腔容积V与阳螺杆转角θ的关系曲线示意图；
[0040] 图2为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的进气口的轴向投影示意图；
[0041] 图3为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的沿圆周的剖面示意图；
[0042] 图4为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的剖面示意图；
[0043] 图5为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的进气口调节机构的立体示意图；
[0044] 图6为图5所示的本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的进气口调节机构的局部放大图；
[0045] 图7为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的俯视示意图之一(进气口的开度最小)；
[0046] 图8为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的俯视示意图之二(进气口的开度最大)；
[0047] 图9为本发明实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机的周向滑动阀芯和径向滑动阀芯的横截面示意图。
具体实施方式
[0048] 为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0049] 由螺杆膨胀机的工作原理可知，螺杆膨胀机的螺杆螺齿间的容腔容积V是阳螺杆转角θ的函数V(θ)，如图1所示，在阳螺杆旋转过程中，螺杆容腔依次历经进气阶段、膨胀阶段、排气阶段。其中，进气终了时即是膨胀起始时，此时，进气口被阳螺杆的螺齿断面截断封闭。根据螺杆膨胀机的特点，如图1所示，在进气阶段初期和膨胀阶段末期以及排气阶段初期和排气阶段末期，容腔容积V(θ)与阳螺杆转角θ之间呈非线性关系，在除此之外的其余大部分时段，容腔容积V(θ)与阳螺杆转角θ之间近似呈线性关系。
[0050] 膨胀机的内置容积膨胀比RV等于膨胀终了容积V2与膨胀初始容积V1的比值，即[0051]
[0052] 公式(1)中，RV表示内置容积膨胀比；V2表示膨胀终了容积；V1表示膨胀初始容积。
[0053] 由于在进气阶段和膨胀阶段，容腔容积V(θ)与阳螺杆转角θ之间呈线性关系，因此，如图1所示，如果能缩短进气阶段，提前完成进气过程，进气终了线将左移，就可以减小膨胀初始容积V1，在膨胀终了容积V2不变的情况下，就可获得更大的内置容积膨胀比RV。
[0054] 图2是螺杆膨胀机的进气口的轴向投影示意图。如图2所示，图中Rw是阳螺杆的螺齿齿顶圆半径，rw是阳螺杆的螺齿齿根圆半径，θλ是阳螺杆的相邻螺齿间夹角，并且阳螺杆的相邻螺齿间夹角θλ与其螺齿数Nw之间的关系式为：
[0055]
[0056] 公式(2)中，θλ表示阳螺杆的相邻螺齿间夹角；Nw表示螺齿数。由此可知，一旦阳螺杆制造完成，阳螺杆的相邻螺齿间夹角θλ便是一个固定参数。
[0057] 图2中ABCD所围成的区域为进气口范围，p和q分别表示阳螺杆的两个相邻的螺齿齿顶点位置。图2所示阳螺杆沿着例如逆时针方向旋转，当螺齿q的迎接面端线与进气口角点B相切时(即F点与B点重合时)，由阳螺杆的螺齿p和螺齿q以及阴螺杆和箱体包围的螺齿空间就被截断封闭，形成螺杆膨胀机的螺齿p和螺齿q之间的膨胀起始容积V1。此时，由OB线和OA线形成的夹角为进气口截断封闭角θin。该夹角越小，表明进气口封闭的越早，由于在此阶段容腔容积V(θ)与阳螺杆转角θ之间近似呈线性关系，因此形成的膨胀起始容积V1也越小，与膨胀终了容积V2相比，在膨胀终了容积V2不变的情况下，膨胀起始容积V1越小，则内置容积膨胀比RV就越大。
[0058] 如图2所示，进气口角点B是螺杆膨胀机进气口截断封闭的关键点，其所在的半径rc在本发明中称之为封闭点半径。沿该封闭点半径rc做沿周向的截面展开图，如图3所示，可清楚地看到螺齿关闭进气口时的转角关系。
[0059] 如图3所示，螺杆膨胀机的进气口截断封闭时的转角θ也即是膨胀起始角θ，该角与其它相关角的关系为：
[0060] θ＝θλ-θR+θin， 公式(3)
[0061] 公式(3)中，θ表示膨胀起始角；θλ表示阳螺杆的相邻螺齿间夹角；θin表示进气口截断封闭角；θR表示第一齿厚夹角，即螺齿迎接侧在封闭点半径rc处与螺齿齿顶径向线Oq的齿厚夹角，也即表示螺齿线与封闭点半径rc的弧线AB的交点F相对于螺齿齿顶连线Oq的夹角。
[0062] 以图3中标注的坐标和参数变量为基础，对于图1所示的进气阶段和膨胀阶段的近似直线部分，经推导可得容腔容积V(θ)与阳螺杆转角θ之间的近似线性表达式为：
[0063] V(θ)＝Vjθ·θ-VC， 公式(4)
[0064] 公式(4)中，Vjθ和VC均是与螺杆膨胀机的螺齿几何参数相关的固定参数。
[0065] 由公式(4)并结合附图3可知：
[0066] 螺杆膨胀机的膨胀起始容积V1(即进气终了容积)为：
[0067] V1＝(θλ+θin-θR)·Vjθ-VC， 公式(5)
[0068] 螺杆膨胀机的膨胀终了容积V2为：
[0069] V2＝(2π+θf)·Vjθ-VC， 公式(6)
[0070] 公式(6)中，θf表示第二齿厚夹角，即螺齿的另一侧(非迎接侧)在封闭点半径rc处与螺齿齿顶径向线Oq的齿厚夹角。第一齿厚夹角θR与第二齿厚夹角θf构成封闭点半径rc处的全齿厚夹角。
[0071] 将公式(5)和(6)带入公式(1)可得螺杆膨胀机的内置容积膨胀比为：
[0072]
[0073] 进气口截断封闭角θin由螺杆膨胀机的进气口形状和进气口开度决定。进气口截断封闭角θin增大，则由公式(3)可知螺杆膨胀机的膨胀起始角θ增大，由此膨胀起始容积V1也相应增大，内置容积膨胀比RV减小。反之亦然。
[0074] 第一齿厚夹角θR是封闭点半径rc的函数，具体的函数关系与螺杆的螺齿形状相关，总体上呈现为：封闭点半径rc越小，则第一齿厚夹角θR随螺齿厚度增大而增大的单调函数关系。因此，调整封闭点半径rc越小，使第一齿厚夹角θR越大，导致膨胀起始角θ越小，由此使膨胀起始容积V1越小，内置容积膨胀比RV增大。
[0075] 基于公式(7)以及上述内容可知：联合或单独改变螺杆膨胀机的进气口截断封闭角θin和封闭点半径rc，都可以改变螺杆膨胀机的内置容积膨胀比。
[0076] 如图4和5所示，本实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀机包括阳螺杆100、阴螺杆200、箱体300、上支撑端盖400、进气端盖500和阀芯盖板600。上支撑端盖400与箱体300固定连接，形成一封闭的空腔408，阳螺杆100、阴螺杆200、进气端盖500和阀芯盖板600都设置于该空腔408内。阳螺杆100与阴螺杆200相互啮合，使得阳螺杆100能够带动阴螺杆200转动。
[0077] 阀芯盖板600设置于进气端盖500的下方。进气端盖500上设置有第一通孔506、第二通孔507和第三通孔，并且第二通孔507和第三通孔分别位于第一通孔506的两侧。阀芯盖板600上设置有第四通孔607和第五通孔608，且第四通孔607的位置与第一通孔506的位置相对应，第五通孔608的位置与第二通孔507的位置相对应。
[0078] 本实施例提供的上述螺杆膨胀机还包括相互平行设置的主驱动轴401、调节操作杆402和从动轴403，并且主驱动轴401、调节操作杆402和从动轴403的中心轴线都与上支撑端盖400相垂直。
[0079] 主驱动轴401的上端穿过上支撑端盖400后与发电机(图中未示出)连接以向发电机输出动力，并且主驱动轴401通过第一支撑轴承404a与上支撑端盖400连接，使得主驱动轴401在上支撑端盖400和第一支撑轴承404a的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；主驱动轴401的下端依次穿过进气端盖500上的第一通孔506和阀芯盖板600上的第四通孔607后与阳螺杆100的上端固定连接为一体。在本实施例的一种优选实施方式中，主驱动轴401与阳螺杆100是一体成形的。
[0080] 调节操作杆402的上端穿过上支撑端盖400后与控制器407连接，并且调节操作杆402的上端通过第二支撑轴承404b与上支撑端盖400连接，调节操作杆402的下端穿过进气端盖500上的第三通孔后通过第四支撑轴承404d与箱体300连接，使得调节操作杆402能够绕其中心轴线自由转动。控制器407向调节操作杆402提供扭矩且能够带动调节操作杆402转动。
[0081] 从动轴403的上端通过第三支撑轴承404c与上支撑端盖400连接，使得从动轴403在上支撑端盖400和第三支撑轴承404c的支撑下能够绕其中心轴线自由转动；从动轴403的下端依次穿过进气端盖500上的第二通孔507和阀芯盖板600上的第五通孔608后与阴螺杆200的上端固定连接为一体。在本实施例的一种优选实施方式中，从动轴403与阴螺杆200是一体成形的。
[0082] 在本实施例的一种优选实施方式中，主驱动轴401上套装有压紧弹簧406，并且压紧弹簧406位于上支撑端盖400与半齿轮凸轮700之间，用于将半齿轮凸轮700压紧使其贴合于进气端盖500的上表面。优选地，压紧弹簧406可以是螺旋弹簧或蝶形弹簧或其组合。
[0083] 本实施例提供的上述螺杆膨胀机还包括一设置于空腔408内的进气口调节机构，该进气口调节机构包括半齿轮凸轮700、调节齿轮800、阀芯拨杆900、径向滑动阀芯603和周向滑动阀芯604。半齿轮凸轮700、调节齿轮800和阀芯拨杆900都设置于进气端盖500的上方。
[0084] 半齿轮凸轮700为一不完整的圆形齿轮。半齿轮凸轮700设置于上支撑端盖400与进气端盖500之间，并且半齿轮凸轮700通过其中心孔702套装于主驱动轴401上(主驱动轴401穿过半齿轮凸轮700的中心孔702)，使得半齿轮凸轮700能够绕主驱动轴401转动。半齿轮凸轮700的下表面设置有第一斜凸台(图中未示出)，第一斜凸台的一侧面为斜面。
[0085] 调节齿轮800设置于上支撑端盖400与进气端盖500之间，并且调节齿轮800通过其中心孔801套装于调节操作杆402上(调节操作杆402穿过调节齿轮800的中心孔801)，使得调节操作杆402能够带动调节齿轮800转动。在本实施例的一种优选实施方式中，调节齿轮800通过例如销键锁定(图中未示出)的方式套装于调节操作杆402上，使得调节操作杆402能够带动调节齿轮800转动。
[0086] 调节齿轮800与半齿轮凸轮700之间采用齿轮啮合的方式连接，使得调节齿轮800能够带动半齿轮凸轮700转动。通过调节齿轮800的转动角度，能够准确地控制半齿轮凸轮700的转动角度。
[0087] 进气端盖500的上表面固定设置有拨杆铰轴503和第二斜凸台505，拨杆铰轴503呈圆柱形，第二斜凸台505的一侧面为斜面，并且第二斜凸台505的斜面相对于进气端盖500上表面的倾斜角度等于第一斜凸台的斜面相对于半齿轮凸轮700下表面的倾斜角度。
[0088] 阀芯拨杆900整体呈L形。阀芯拨杆900的短边末端与半齿轮凸轮700的一侧端面即凸轮面相向设置且二者未接触，当半齿轮凸轮700转动至阀芯拨杆900的短边末端与半齿轮凸轮700的凸轮面相接触时，半齿轮凸轮700能够推动阀芯拨杆900绕拨杆铰轴503转动。阀芯拨杆900的长边末端处设置有圆形的第一导向孔901，阀芯拨杆900的拐弯处(即短边与长边的连接处)设置有圆形的铰轴孔902。
[0089] 阀芯盖板600上设置有贯通阀芯盖板600且均呈弧形的第一阀芯滑槽601和第二阀芯滑槽602，且第一阀芯滑槽601以拨杆铰轴503为中心(即第一阀芯滑槽601所在的圆以拨杆铰轴503为圆心)，第二阀芯滑槽602以主驱动轴401为中心(即第二阀芯滑槽602所在的圆以主驱动轴401为圆心)。第一阀芯滑槽601的里端(即靠近主驱动轴401的一端)与第二阀芯滑槽602的一端相连通。
[0090] 径向滑动阀芯603设置于第一阀芯滑槽601内，且能够沿着第一阀芯滑槽601滑动；周向滑动阀芯604设置于第二阀芯滑槽602内，且能够沿着第二阀芯滑槽602滑动。第一阀芯滑槽601的未被径向滑动阀芯603封闭的部分与第二阀芯滑槽602的未被周向滑动阀芯604封闭的部分相互连通形成进气口609。在本实施例的一种优选实施方式中，径向滑动阀芯
603和周向滑动阀芯604的横截面均呈上宽下窄且一边为直角边、另一边为斜边的直角梯形，如图9所示，MT为直角边，NG为斜边。第一阀芯滑槽601的形状和尺寸均被设置为与径向滑动阀芯603相匹配，以防止径向滑动阀芯603从第一阀芯滑槽601内脱离。第二阀芯滑槽
602的形状和尺寸均被设置为与周向滑动阀芯604相匹配，以防止周向滑动阀芯604从第二阀芯滑槽602内脱离。
[0091] 径向滑动阀芯603的上表面固定设置有竖直向上的第一导向杆605；周向滑动阀芯604的上表面固定设置有竖直向上的第二导向杆606。第一导向杆605呈圆柱形；第二导向杆
606呈斜台形，其上端面呈圆形，其下端面呈椭圆形，其一侧面为相对于周向滑动阀芯604的上表面倾斜设置的斜面，且该斜面相对于周向滑动阀芯604上表面的倾斜角度等于第二斜凸台505的斜面相对于进气端盖500上表面的倾斜角度(或者等于第一斜凸台的斜面相对于半齿轮凸轮700下表面的倾斜角度)。
[0092] 进气端盖500上设置有均呈弧形的第一弧形槽孔501和第二弧形槽孔502，且第一弧形槽孔501的位置与第一阀芯滑槽601相对应，第二弧形槽孔502的位置与第二阀芯滑槽602相对应。第一弧形槽孔501的宽度小于(略小于)径向滑动阀芯603上表面的宽度，以防止径向滑动阀芯603从第一阀芯滑槽601内脱离；第二弧形槽孔502的宽度小于(略小于)周向滑动阀芯604上表面的宽度，以防止周向滑动阀芯604从第二阀芯滑槽602内脱离。
[0093] 拨杆铰轴503的外周面上套装有扭力弹簧504。扭力弹簧504的下端固定或支撑于拨杆铰轴503上，或者固定或支撑于进气端盖500上，扭力弹簧504的上端固定或支撑于阀芯拨杆900上，并且扭力弹簧504的扭矩作用使得阀芯拨杆900的长边末端趋向于向远离主驱动轴401的方向(图中所示的逆时针方向)移动。拨杆铰轴503设置于第二弧形槽孔502的外侧。
[0094] 第一导向杆605穿过第一弧形槽孔501且装设于第一导向孔901内，使得阀芯拨杆900能够通过第一导向杆605带动径向滑动阀芯603沿着第一阀芯滑槽601滑动。拨杆铰轴
503套装于铰轴孔902内，使得阀芯拨杆900能够以拨杆铰轴503为轴转动。
[0095] 半齿轮凸轮700的下表面设置有一第二导向孔701，且第二导向孔701的形状和尺寸均与第二导向杆606相匹配。第二导向杆606装设于第二导向孔701内，使得半齿轮凸轮700能够通过第二导向杆606带动周向滑动阀芯604沿着第二阀芯滑槽602滑动。
[0096] 主驱动轴401通过第一密封部件405a与上支撑端盖400连接，调节操作杆402通过第二密封部件405b与上支撑端盖400连接，从动轴403通过第三密封部件405c与上支撑端盖400连接，从而实现主驱动轴401、调节操作杆402和从动轴403三者与上支撑端盖400之间的密封。
[0097] 半齿轮凸轮700、调节齿轮800、调节操作杆402、径向滑动阀芯603和周向滑动阀芯604的材质为金属材料或陶瓷材料，优选为耐腐蚀、耐高温的不锈钢材料。
[0098] 控制器407可以是电动控制器，也可以是电液控制器或液压控制器。控制器407优选为经由蜗轮蜗杆变速传动并且有自锁功能的电动执行控制器。
[0099] 以调小进气口为例，介绍本实施例提供的具有可变容积比的螺杆膨胀机的使用方法如下：
[0100] 控制器407接收来自用户的操作指令，并响应该操作指令而驱动调节操作杆402；
[0101] 调节操作杆402在控制器407的驱动下带动调节齿轮800转动；
[0102] 调节齿轮800在调节操作杆402的驱动下带动半齿轮凸轮700转动；
[0103] 半齿轮凸轮700在调节齿轮800的驱动下绕主驱动轴401转动；
[0104] 当半齿轮凸轮700在调节齿轮800的驱动下转动(例如沿顺时针方向转动)时，半齿轮凸轮700通过第二导向杆606带动周向滑动阀芯604沿着第二阀芯滑槽602滑动，实现周向滑动阀芯604沿着周向方向的移动，周向滑动阀芯604依次经历如图6所示的D1E1、D2E2、D3E3等位置，在此过程中半齿轮凸轮700的凸轮面与阀芯拨杆900的短边末端未接触；然后，当半齿轮凸轮700继续转动至设置于半齿轮凸轮700下表面的第一斜凸台的斜面与设置于进气端盖500上表面的第二斜凸台505的斜面接触时，半齿轮凸轮700的凸轮面同时到达阀芯拨杆900的短边末端处且二者恰好相接触，且在此时刻之前径向滑动阀芯603一直处于其最大开度位置，即如图6所示的AB位置；接下来，半齿轮凸轮700转动的同时受上述两斜面的相互作用力沿着主驱动轴401向上移动，使得周向滑动阀芯604的第二导向杆606沿着半齿轮凸轮700上的第二导向孔701的内壁相对向下滑动，从而使第二导向杆606停止带动周向滑动阀芯604沿着第二阀芯滑槽602滑动，周向滑动阀芯604到达其最小开度位置，即如图6所示的BD位置，与之同时，半齿轮凸轮700转动将推动阀芯拨杆900绕拨杆铰轴503转动，阀芯拨杆900通过第一导向杆605带动径向滑动阀芯603沿着第一阀芯滑槽601滑动，实现径向滑动阀芯603沿着径向方向的移动，径向滑动阀芯603依次经历如图6所示的AB、A1B1、A2B2等位置，直到径向滑动阀芯603到达其最小开度位置，即如图6所示的A3B3位置，此时的进气口609为如图6所示的A3B3CD围成的区域。
[0105] 简言之，调小进气口至最小开度的方法为，先将周向滑动阀芯604滑动至其最小开度，再将径向滑动阀芯603滑动至其最小开度。
[0106] 当需要调大进气口至最大开度时，反向实施上述使用方法即可。
[0107] 径向滑动阀芯603沿着径向方向的移动和/或周向滑动阀芯604沿着周向方向的移动，均能够调整进气口609的大小，即实现进气口609开度的调整，调整进气口截断封闭角θin和封闭点半径rc，从而改变螺杆膨胀机的膨胀起始角，达到调节螺杆膨胀机的内置容积膨胀比的目的。当周向滑动阀芯604沿着周向方向移动使得进气口609开度减小时，进气口截断封闭角θin随之减小，螺杆膨胀机的内置容积膨胀比随之增大；当径向滑动阀芯603沿着径向方向移动使得进气口609开度减小时，封闭点半径rc随之减小，螺杆膨胀机的内置容积膨胀比随之增大。反之，当周向滑动阀芯604沿着周向方向移动使得进气口609开度增大时，进气口截断封闭角θin随之增大，螺杆膨胀机的内置容积膨胀比随之减小；当径向滑动阀芯603沿着径向方向移动使得进气口609开度增大时，封闭点半径rc随之增大，螺杆膨胀机的内置容积膨胀比随之减小。
[0108] 需要特别说明的是，本实施提供的具有可变容积比的螺杆膨胀机的结构、工作原理及使用方法均可适用于实现其逆过程的螺杆压缩机，故本实施提供的具有可变容积比的螺杆膨胀机也可称为具有可变容积比的螺杆压缩机。螺杆压缩机的压缩过程与螺杆膨胀机的膨胀过程对应，且二者为互逆过程。因此，与螺杆膨胀机的内置容积膨胀比对应的是，螺杆压缩机的内置容积压缩比。本发明将螺杆膨胀机的内置容积膨胀比和螺杆压缩机的内置容积压缩比统一简称为螺杆膨胀机的容积比，并基于此确定本发明的发明名称为“一种具有可变容积比的螺杆膨胀(压缩)机”。
[0109] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
