CN101294563B - 球墨铸铁涡旋压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋压缩机，所述涡旋压缩机包括涡旋构件，所述涡旋构件具有基座和通常螺旋型的涡旋齿，所述涡旋齿从所述基座延伸出以限定压缩腔的一部分。所述涡旋构件由铸铁材料制成，所述铸铁材料包括具有石墨球的微观结构。

Description

球墨铸铁涡旋压缩机

技术领域

本发明涉及一种涡旋压缩机，并且尤其是涉及一种提高强度和耐用性的涡旋压缩机构件。

背景技术

涡旋压缩机广泛地用于制冷剂压缩***。已知的，一对涡旋构件各具有基座，其中通常螺旋型的涡旋齿从所述基座延伸出。典型地，一个涡旋体是非绕转的，而另一个涡旋体相对所述非绕转涡旋体绕转。所述绕转涡旋体接触非绕转涡旋体以密封及限定压缩腔。当使所述绕转涡旋构件相对另一个涡旋构件进行绕转时，压缩腔的大小向排放口减小，于是制冷剂被压缩。

一个制冷剂压缩***的实例包括空气调节或其它环境调节***。如已知的，压缩机压缩制冷剂并将制冷剂传送至下游的热交换器，典型地为冷凝器。从冷凝器开始，制冷剂被运送通过主膨胀装置，随后至室内热交换器，典型地为蒸发器。制冷剂从蒸发器返回压缩机。通常，所述***的性能和效率至少部分地依赖于涡旋压缩机的容量和效率。因此，存在向高容量和高效率的涡旋压缩机发展的趋势。

设计高容量涡旋压缩机的困难在于涡旋构件的强度和耐用性。高容量压缩机在不断苛刻的条件下(如涡旋构件之间较强的作用力以及增大的磨损)进行操作。当前用于涡旋构件的材料在许多压缩机中已证实是成功的，但是不适合用于更苛刻的操作条件。例如，在极端的操作条件下，所述涡旋构件可能会断裂或过度磨损。因此，即使高容量设计是可以实现的，也需要更高强度及更耐用的涡旋构件的材料以能够实现这种设计的容量优点。

因此，为了增大压缩机的容量需要提供能够耐受更苛刻条件的涡旋构件。

发明内容

涡旋压缩机的一个实施例包括涡旋构件，所述涡旋构件具有基座和通常螺旋型的涡旋齿，所述涡旋齿从所述基座延伸出以限定压缩腔的至少一部分。所述涡旋构件包括具有石墨球的微观结构。基于醚的润滑剂对靠近所述涡旋构件的轴承的至少一部分进行润滑。

涡旋压缩机的一个实施例包括一对涡旋构件，每个涡旋构件具有基座和从所述基座延伸出的通常螺旋型的涡旋齿。所述涡旋齿互插装配以限定压缩腔，并且所述涡旋构件中至少一个包括具有石墨球的微观结构。电动机驱动轴选择性地驱动至少一个涡旋构件。三个滑动轴承支撑所述轴，并且基于醚的润滑剂对所述轴承润滑。

制造所述涡旋压缩机方法的一个实施例包括以下步骤：熔化铸铁材料以产生熔融的材料，将球形成剂加入所述熔融的材料中，以及将所述熔融的材料传送至具有涡旋压缩机构件形状的模具中。

在所描述的实例中，所述涡旋构件相对坚固且耐用。从而使所述涡旋压缩机结合高容量压缩机的设计耐受更苛刻的操作条件。

以上的实例并不旨在限制。在下文中将描述其它的实例。本发明的这些和其它特性通过以下的文字说明和附图可以更好地理解，其中附图之后是简短的说明。

附图说明

图1是涡旋压缩机实例的横截面图。

图2是用于图1的涡旋压缩机非绕转涡旋构件的立体图。

图3是用于图1的涡旋压缩机的绕转涡旋构件的立体图。

图4是具有用于制造涡旋构件的铸铁材料的石墨球的微观结构的示意图。

图5示意性地示出了具有石墨球的微观结构的另一种实例。

图6示意性示出了铸造过程的实例。

具体实施方式

图1示出了涡旋压缩机20。如图所示，压缩机的泵装置22安装在密封的外壳24中。吸入腔26接收来自管27的吸入制冷剂。应当理解所述制冷剂可以在所述腔26中进行循环，并流经电动机28。所述电动机28驱动限定用于压缩机20的操作轴线A的轴30。压缩机的泵装置22包括非绕转涡旋体32和支撑在曲轴箱35上的绕转涡旋体34。如已知的，所述轴30驱动绕转涡旋体34相对非绕转涡旋体32绕转以压缩制冷剂。

在所述实例中，轴30通过三个不同轴承衬套支撑在压缩机20中。轴30的底部包括第一轴承衬套56(或下部轴承衬套)，所述轴承衬套60被接收于轴承毂58中。第二轴承衬套60(或曲柄箱轴承衬套)位于轴30和曲柄箱35之间更朝向压缩机20顶部的位置。第三轴承衬套62(或绕转涡旋体轴承衬套)位于绕转涡旋体34和轴30之间靠近轴30顶部的位置。

从压缩机20的操作应当理解，轴承衬套56、60和62被润滑以减小所述轴承衬套56、60和62的摩擦表面之间的磨损。为此，压缩机20的密封的外壳24包括润滑剂储槽64以容纳醚基的润滑剂66。在所述实例中，储槽64充装有需要量的醚基润滑剂66。

在另一实例中，所述醚基的润滑剂66是聚乙烯醚。聚乙烯醚不受影响以产生显著的水解作用，但对于酯基润滑剂会产生问题，当存在水时，酯基润滑剂降解以形成压缩机操作所不期望的金属皂、酸或其它副产物。此外，不同粘度的聚乙烯醚具有相似的性质，如在制冷剂中的混溶性，但这是酯基润滑剂的另一个缺点，所述酯基润滑剂的性质根据粘度不同而显著变化。而且，聚乙烯醚与酯基润滑剂相比润滑能力增强。聚乙烯醚减小了摩擦表面的摩擦及磨损，特别是具有边界润滑的摩擦表面。因此对比使用酯基润滑剂的相似的压缩机，产生了降低压缩机20能耗以及降低涡旋齿齿顶和涡旋体基座之间磨损的优点。在另一实例中，聚乙烯醚产生的摩擦系数比酯基润滑剂低20％-30％。

可选择地，聚乙烯醚包括一种或多种添加剂以增强其性能。在一个实例中，在聚乙烯醚使用极压(“EP”)添加剂以在高压下减小磨损。所述EP添加剂与压缩机20的金属表面反应以形成边界膜，所述边界膜减小涡旋构件32和34中摩擦表面和轴承衬套56、60和62的摩擦表面之间的磨损。在一个实例中，所述EP添加剂包括有机硫、磷化合物、或氯化合物的一种或多种。在另一实例中，EP添加剂包括磷酸三甲苯酯。给予该说明书，本领域的普通技术人员将理解添加剂或添加剂组以满足特定的需要。

可选择地，使用其它类型的添加剂(如抗磨损剂、润滑剂、腐蚀及氧化抑制剂、金属表面减活剂、自由基清除剂、泡沫调节剂之类)以进一步增强聚乙烯醚的性能。

所述聚乙烯醚润滑剂还具有关联的粘度。在一个实例中，粘度介于1厘沲(cSt)40℃和140cSt40℃之间。在另一实例中，粘度介于大约10cSt40℃和大约68cSt40℃之间。在又一实例中，粘度为大约32cSt40℃。在该说明书中使用的术语“大约”指的是标称粘度，所述标称粘度可以在由实验粘度的几个厘沲的公差范围内变化。

所选择的粘度会影响压缩机20的效率。例如，粘性越小的润滑剂在轴承衬套56、60和62中的摩擦表面之间提供越小的剪切阻力。然而，如果粘度太低，就不能产生需要的润滑能力。使用先前的酯基润滑剂，与所示出的压缩机20相似的涡旋压缩机典型地使用粘度为32或68cSt40℃的润滑剂以产生需要的润滑能力。为了提高效率而降低这种酯基润滑剂的粘度会导致由于润滑能力降低而产生非期望的磨损。然而，醚基润滑剂66润滑能力的增强允许使用比酯基润滑剂更低的粘度，而不用损失润滑能力。

在一个实例中，聚乙烯醚的粘度为22cSt40℃(即，低于典型地使用的酯基润滑剂的粘度32cSt40℃)以提高压缩机20的效率。相比现有的、典型的酯基润滑剂，提供了润滑能力及压缩机20效率的提高的所需的结合。给予该说明书，本领域的普通技术人员将理解适合的粘度以满足特定的润滑和效率的需要。

在所示出的实例中，轴30起离心泵的作用以向各轴承衬套56、60和62递送醚基润滑剂66。所述轴30包括通过润滑剂入口80接收醚基润滑剂66的第一通道77。叶片82与轴30一起绕转以通过第一通道77泵送油。在所述实例中，供给口84将第一通道77流体连接至第一轴承衬套56，从而当叶片82和轴30的绕转一起泵送时，醚基润滑剂66通过供给口84供应。

轴30中的第二通道86与第一通道77流体连接。在所述实例中，第二通道86从第一通道77偏移并与第一通道77以已知的方式配合，以将醚基润滑剂66离心地泵送至轴承衬套56、60和62。在所述实例中，第二通道包括供应口88a和88b。在所示出的实例中，所述供应口88b是在轴30顶部的开口。

供应口88a以与第一通道77中的供应口84相似的方式将醚基润滑剂66供应至第二轴承衬套60。所述醚基润滑剂从轴30端部中的供应口88b流出以对第三轴承衬套62进行润滑。对各个轴承衬套56、60和62进行润滑之后，重力作用使醚基润滑剂66以已知的方式通过回流通道向储槽64回流，所述回流通道通过压缩机20。

图2示出了非绕转涡旋体的立体图，图3示出了绕转涡旋体34的立体图。非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34各包括基座部分44和通常螺旋型的涡旋齿46，所述涡旋齿46从基座部分44向齿顶部47延伸。当进行装配时，涡旋齿46互插装配以限定非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间的压缩腔36(图1)。

在所示出的实例中，非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间存在径向和轴向(相对轴线A)的柔性(compliance)。柔性使涡旋体32和34在一定条件下分离，从而使微粒穿过涡旋压缩机20。轴向的柔性使绕转涡旋体34的涡旋齿46接触非绕转涡旋体32的基座部分44，以在通常的操作条件下提供密封。塞子T使压缩的制冷剂去塞流出到绕转涡旋体34的基座44之后的腔室100。合成力偏压所述的两个涡旋构件接触。在其它的涡旋压缩机中，腔室可以在非绕转涡旋体的基座之后。轴向的柔性使非绕转涡旋体32的涡旋齿46在通常的操作条件下接触绕转涡旋体34。

参考图4，非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34中的一个或两个由铸铁材料制成，所述铸铁材料具有包括石墨球58的微观结构56。在所示出的实施例中，石墨球在基体60中，如珠光体基体。在所述实例中的微观结构56以大致36X放大率示出。所述铸铁材料以已知的方式进行打磨及蚀刻以展现微观结构56。

所述微观结构56包括关联的成球率(nodularity)，所述成球率是基体60中的石墨球58与包括其它石墨形式的全部石墨的比例。在一个实例中，成球率大于大约80％，小于100％。在如图4所示的实例中，成球率为大约80％。在如图5所示的另一实例中，成球率为大约99％。

石墨球58使非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34具有强度并且具有耐用性。其它铸铁的微观结构，如主要包括石墨片的微观结构由于石墨片锐边的缺口效应而变弱。然而，石墨球58是圆球形的，因此不具有使材料变弱的锐边。一般地，成球率越高会导致强度越大及韧性越大。在一个实例中，具有石墨球58的铸铁材料具有至少60kpsi的抗拉强度。例如，抗拉强度可以使用ASTM A395或其它已知的标准测试。高强度及高耐用性使非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34相对坚固并且耐磨损，从而使涡旋压缩机20设计用于相对苛刻的操作条件以及相对较高的容量。在一个实例中，使用具有石墨球58的铸铁材料使涡旋齿46长度(即从基座44延伸出的长度)增加以增大了压缩腔的尺寸，而这又增大涡旋压缩机20的容量。此外，具有石墨球58的铸铁材料和醚基润滑剂66的使用的结合使高容量的压缩机20具有摩擦减小而使能耗降低的优点。

在一个实例中，相对苛刻的操作条件至少部分地由非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间的轴向和径向柔性产生。轴向和径向柔性使非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34接触，如上所述。在涡旋压缩机20的操作过程中，接触会使非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间产生磨损和应力。坚固且耐用的具有石墨球58的铸铁材料适于耐受这种操作条件。而且，醚基润滑剂66的使用通过增强润滑进一步增强了在这些条件下的操作性。在所描述的实例中，至少有一些醚基润滑剂66溶解在制冷剂中，并涂覆非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34的具有石墨球58的铸铁材料。在所描述的实例中，醚基润滑剂涂覆螺旋型涡旋齿46(包括齿顶部47)以减小涡旋体32和34之间的磨损。换言之，坚固且耐用的具有石墨球58的铸铁材料和提高润滑能力的醚基润滑剂66的结合使压缩机20具有适用于相对苛刻的操作条件的优点。

非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料包括在铸造过程中促进石墨球58形成的石墨球形成剂。在一个实例中，铸铁材料混合物包括3.20wt％-4.10wt％的碳、1.80wt％-3.00wt％的硅、0.10wt％-1.00wt％的锰、最高至0.050wt％的磷、以及一定量的石墨球形成剂。在另一实例中，铸铁材料混合物包括大约3.60wt％-3.80wt％的碳。

在一个实例中，所述石墨球形成剂包括镁。镁在非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料中的存在量介于大约0.02wt％和大约0.08wt％之间。在另一实例中，镁的存在量介于大约0.03wt％和0.06wt％之间。

在另一实例中，石墨球形成剂是合金，如镁的合金。在一个实例中，所述合金包括镁和镍。镁介于合金的4wt％和18wt％之间，其余为镍及可能的微量的其它材料。

在另一实例中，所述石墨球形成剂既包括镁又包括铯。在一个实例中，镁在非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料中的存在量如上所述，而铯的存在量介于大约0.0005wt％和大约0.01wt％之间。镁和铯加入如上所述的熔融的铸铁中。可选择地，或者除了镁和铯之外，使用量最高至0.300wt％的稀土金属以形成石墨球58。稀土金属的实例包括镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪、钍、和锆，但是可获得性和/或价格会限制了这些稀土金属的使用。

所述石墨球形成剂在非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸造过程中加入熔融的铸铁中。例如，适当的加入量导致上述的混合物的范围。

加入熔融铸铁的石墨球形成剂的量一般大于上述混合物的范围。在一个实例中，加入大约0.3wt％的石墨球形成剂。这样产生如下优点，加入足量的石墨球形成剂促进石墨球58的形成，同时允许石墨球形成剂(诸如通过挥发)的损耗。本说明书假定，本领域的普通技术人员将理解将适当量的石墨球形成剂加入熔融铸铁以满足特定的需要。

石墨球形成剂的量调节微观结构56的成球率。例如，相对少量会导致较低的成球率，而相对大量导致较高的成球率。因此，使用在此描述的石墨球形成剂的混合物范围以调整非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的性质(诸如强度、磨损度、以及磨耗(galling))，从而满足涡旋压缩机20特别的操作需要。

图6示意性示出了铸造过程的实例。铸模70限定了用于形成非绕转涡旋体32或绕转涡旋体34形状的模腔72。容器74(如钢包)容纳熔融的铸铁材料76，所述熔融的铸铁材料76注入铸模70并凝固。在注入之前，石墨球形成剂78加入熔融的铸铁材料76。可选择地，从加入石墨球形成剂到将熔融的铸铁材料76注入铸模70之间经过预定的时间间隔，以使石墨球形成剂78在熔融的铸铁材料中分散。

尽管对本发明的优选实施例进行了描述，然而本领域的普通技术人员将理解某些修改落入本发明的范围内。为此，以下的权利要求书将用来确定本发明实际范围和要点。

Claims (18)

1.一种涡旋压缩机，所述涡旋压缩机包括：

非绕转涡旋构件和绕转涡旋构件，所述非绕转涡旋构件和绕转涡旋构件各具有基座和通常螺旋型的涡旋齿，所述涡旋齿从所述基座延伸出，所述涡旋齿互插装配以限定非绕转涡旋构件和绕转涡旋构件之间的压缩腔，其中所述非绕转涡旋构件和所述绕转涡旋构件各包括具有石墨球的微观结构，所述非绕转涡旋构件和所述绕转涡旋构件之间存在径向和轴向的柔性；以及

醚基润滑剂，所述醚基润滑剂涂覆所述非绕转涡旋构件和所述绕转涡旋构件的至少一部分，其中所述醚基润滑剂的粘度介于1cSt40℃和140cSt40℃之间。

2.如权利要求1所述的涡旋构件，包括邻近所述非绕转涡旋构件和绕转涡旋构件的至少一个轴承，其中所述至少一个轴承涂覆有所述醚基润滑剂。

3.如权利要求1所述的涡旋压缩机，其中所述醚基润滑剂包括聚乙烯醚。

4.如权利要求3所述的涡旋压缩机，其中所述聚乙烯醚包括极压添加剂。

5.如权利要求4所述的涡旋压缩机，其中所述极压添加剂包括磷酸盐。

6.如权利要求5所述的涡旋压缩机，其中所述极压添加剂包括磷酸三甲苯酯。

7.如权利要求6所述的涡旋压缩机，其中所述醚基润滑剂的粘度介于10cSt40℃和68cSt40℃之间。

8.如权利要求7所述的涡旋压缩机，其中所述醚基润滑剂的粘度为约22cSt40℃。

9.如权利要求2所述的涡旋压缩机，其中所述至少一个轴承包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和所述第二轴承各自至少部分地涂覆有所述醚基润滑剂。

10.如权利要求9所述的涡旋压缩机，其中所述至少一个轴承包括第三轴承，所述第三轴承至少部分地涂覆有所述醚基润滑剂。

11.一种涡旋压缩机，所述涡旋压缩机包括：

一对涡旋构件，每个涡旋构件包括基座和从所述基座延伸出的通常螺旋型的涡旋齿，所述涡旋齿互插装配以限定压缩腔，其中所述一对涡旋构件中的至少一个涡旋构件包括具有石墨球的微观结构，所述一对涡旋构件之间存在径向和轴向的柔性；

电动机驱动轴，所述电动机驱动轴操作以驱动所述一对涡旋构件中的至少一个涡旋构件；

三个滑动轴承，所述滑动轴承支撑所述轴；以及

醚基润滑剂，所述醚基润滑剂涂覆至少一个所述轴承，其中所述醚基润滑剂的粘度介于1cSt40℃和140cSt40℃之间。

12.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述三个滑动轴承包括在所述一对涡旋构件中的绕转涡旋构件和所述轴之间的轴承衬套。

13.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述三个滑动轴承包括在支撑所述一对涡旋构件中的绕转涡旋构件的曲柄箱和所述轴之间的轴承衬套。

14.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述三个滑动轴承包括在轴承毂和所述轴之间的轴承衬套。

15.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述三个滑动轴承中第一个轴承位于所述轴的一端，所述三个滑动轴承中第二个轴承位于所述轴的相对端。

16.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述三个滑动轴承包括在所述一对涡旋构件中的绕转涡旋构件和驱动所述绕转涡旋构件的轴之间的第一轴承衬套，在支撑所述绕转涡旋构件的曲柄箱和所述轴之间的第二轴承衬套，以及在轴承毂和所述轴之间的第三轴承衬套。

17.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述螺旋型涡旋齿包括接触所述基座的齿顶部，并且所述醚基润滑剂涂覆所述齿顶部。

18.如权利要求11所述的涡旋压缩机，其中所述醚基润滑剂涂覆所述螺旋型涡旋齿。

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