CN1065948C - 轻型涡旋构件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一沿轨道旋转的涡旋件，由经陶瓷微粒强化的铝基复合材料制成。所制成的部件具有很好的耐磨性和与铸铁相匹配的热膨胀性，在使用时可以不用端部密封，并且还能使质量减轻。在生产制造这种部件时，先用压铸生产出一接近所需的形状，再用机加工最终达到所需的形状。

Description

轻型涡旋构件及其制造方法
在诸如泵、压缩机或膨胀机之类的涡旋机器中，涡旋构件之间有一基本的相互作用，即，一个涡旋件一定围绕着另一个相对地作沿轨道的旋转。在压缩机的情况下，被压缩的气体对涡旋构件施加一作用力，该作用力有使得这两个涡旋构件轴向分开以及使得涡旋构件的涡卷(wrap)在径向分开的趋势。为了让压缩机有必要的密封，就需要在轴向和径向有一定的顺从或柔量。轴向的顺从可以用这样一种形式，即，利用作用在沿轨道旋转的涡旋件的底板上的排放压力或中间压力，使得该旋转涡旋件的涡卷端部受到偏置而与固定涡旋件的底面相接合。另一种形式的轴向顺从是利用位于涡卷端部槽内的端部密封件来达到密封的目的。端部密封件还可以用来防止一涡旋构件的涡卷的端部与面对的涡旋构件底面之间的接触。
出于惯性考虑，有时要求沿轨道旋转的涡旋件越轻越好。考虑到减轻重量，铝是一种制造沿轨道旋转涡旋件的较理想的材料。由于铝较易磨损，所以必须使用一端部密封件来防止涡卷端部的磨损，同时也用以防止卡住的现象。但是由于设置端部密封件就需要机加工出设置密封件的槽，而且在使用端部密封件时还存在泄漏问题，所以通常尽量避免使用端部密封件。然而，在已有技术中，不使用端部密封件的铝制涡旋构件在使用上还不能令人满意。
日本专利JP62263859揭示了一种由经碳纤维和陶瓷微粒强化的铝基合金材料制成的涡旋构件，但其中并未揭示碳纤维和陶瓷微粒的最理想的具体含量，因而其强度／重量比达不到最佳状态。
本发明用诸如压铸或挤压铸造之类的压力铸造方法先生产出一种接近所需形状、由陶瓷微粒强化的铝基复合材料制成的部件。在压铸之后，该部件再被机加工至其最终的形状。所加入的陶瓷微粒使得涡旋件的性能大为增强，这是因为它增强了涡旋件的硬度，增加了耐磨性，以及当配对的涡旋件是由铸铁制成的情况下，该种材料制成的涡旋件还提供了与铸铁十分接近的热膨胀性。在固定涡旋件和沿轨道旋转的涡旋件两者均由经陶瓷微粒强化的铝基合金材料制成时，上述的这些性质完全一样，如果使用不同的合金制成时特性也非常接近。如果固定涡旋件也用铝基复合材料制成则除了上述所有的好处之外还可以使得固定涡旋件的重量进一步减轻。此外，使用这种经陶瓷微粒强化的铝还可以不用端部密封件和轴承衬套，
本发明的一个目的在于，提供一种由含一定数量陶瓷微粒的铝基复合材料制成的沿轨道旋转的涡旋件，它与另一由铝基金属复合材料或铸铁制成的固定涡旋件配合使用，使用时可以不用端部密封件。
本发明的另一目的在于，通过降低沿轨道旋转涡旋件的惯性负荷，来增加其速度范围以适应需要变速的应用场合。
本发明的又一目的在于，提高其初始磨合时间并减少其泄漏通道。
本发明还有一目的在于提供一种由铝基复合材料制成的沿轨道旋转的涡旋件，它具有与铸铁件十分相近的热膨胀系数和弹性模量。
这些和其它一些在下文中行将变得更为明显的目的将由本发明来完成。
为实现上述目的，本发明提供了一种轻型涡旋构件，它用于涡旋机械，所述涡旋机械包括：一由经陶瓷微粒强化的铝基复合材料制成的第一涡旋装置，它包括一涡卷以及一底板，所述涡卷具有侧面和一末端；一第二涡旋装置，它包括一涡卷和一底板，所述第二涡旋装置的涡卷具有侧面和一末端；用来驱动所述第一涡旋装置的装置，用以使所述第一和第二涡旋装置的侧面密封地相接触；轴向的顺从装置，它们使得所述第一涡旋装置的所述末端与第二涡旋装置的所述底板直接密封接触，以及，使得所述第二涡旋装置的所述末端与所述第一涡旋装置的所述底板直接密封接触，其中，所述陶瓷微粒的体积百分比为至少10％。
本发明还提供了一种制造轻型涡旋构件的方法，其中，所述方法包括以下步骤：加热体积百分比为10-25％的碳化硅微粒和铝的混合物，直至其熔化；压铸熔融金属混合物以生产出接近其所需形状的涡旋构件；以及对涡旋构件进行机加工，以达到最终所需的形状。
基本上，本发明提供一种由碳化硅陶瓷微粒强化的铝基复合材料制成的沿轨道旋转的涡旋件，使该涡旋件具有接近铸铁或能与铸铁匹配的较理想的物理性质，同时，使它可以与铸铁件或铝基复合材料制成的固定涡旋件一起使用。
图1是使用本发明的一密封涡旋压缩机的部份垂直剖视图；以及
图2示出了沿轨道旋转的涡旋件的制作过程的流程图。
图1中，编号100总的表示一密封涡旋压缩机。受压的流体，一般是排放压和中压的混合物，经过排放孔28和29进入到环形腔室40中，该环形腔室是由沿轨道旋转的涡旋件的背面、环形密封件32和34以及曲轴箱36所形成的。在腔室40中的受压流体所起的作用是如所述的那样保持沿轨道旋转的涡旋件21和固定涡旋件20之间的配合。与沿轨道旋转的涡旋件的背面相配合的腔室40的面积以及腔室40中的压力决定了施加到沿轨道旋转的涡旋件上的顺从力的大小。更具体地说，涡卷22和23的末端将分别直接与面对的涡旋件21和20的底面相配合，沿轨道旋转的涡旋件21的底面或底板110的外部则由于腔室40中的压力的偏置作用而与固定涡旋件20的外表面27相配合。与传统技术一样，涡旋件21通过欧氏联轴节50来保持其沿轨道的旋转运动。沿轨道作旋转的涡旋件21的一个毂件26设置于一滑块52中，无需轴承衬套，它由与一电动机(未画出)的转子相连的曲轴60驱动。滑块52可以相对曲轴60作往复运动，因而可使涡旋件21作径向顺从以使得涡卷22和23的侧面不管流体的撞击或其他类似情况仍能保持密封接触。曲轴60绕着轴Y-Y旋转，该轴同时也是固定涡旋件20的中心轴，而具有中心轴Z-Z的涡旋件20则环绕Y-Y轴作沿轨道的圆周运动。压缩空气经过排气口25进入壳内，随即被排入制冷或空调***内(未画出)。
绕轨道作圆周运动的涡旋件21与已有技术的涡旋件的区别在于，它由一种通过碳化硅微粒加强的铝基复合材料制成，该涡旋件在使用时与一铸铁制成的固定涡旋件相配合，用不着端部密封件或耐磨板。固定涡旋件也同样可以由通过碳化硅微粒强化的铝基复合材料制成。另外，在毂件26和滑块52之间无需单独的轴承。
通过陶瓷微粒强化的铝基复合材料中含有体积百分比为10％-25％的碳化硅微粒。对380铝，最好混以体积百分比为20％的碳化硅微粒。在这种混合比的情况下，弹性模量(单位：106磅／平方英転)为16．5，铸铁则为15．5。类似地，其热膨胀系数(单位：×10-6／F)为9．2，而铸铁则为6．0。如方框200所示，所述的混合物被加热以形成熔融金属。再对熔融的金属进行压铸，如方框210所示的那样，通过压铸来生产出接近所需形状的沿轨道旋转的涡旋件。由于该铝基复合材料制件的耐磨性好，给机加工带来了较大的困难，因而用压铸来获得接近所需的形状使要用机加工去掉的金属量降为最低是很重要的。铸造之后，所述部件如方框220所示那样被机加工至最终形状。此时就可以将该部件装配到压缩机100中去。
虽然本发明是针对一沿轨道旋转的涡旋件进行描述的，但同样也可以应用到其它一些场合，即铝是一种较好的原料，但它必需和铸铁的特性相匹配和／或需具有耐磨性的应用场合。而且，虽然上面陶瓷微粒用的是碳化硅，但也可以用其它一些原料，如碳化钛、氧化铝、钛、氮化铝或其它一些微粒材料。这些可以根据特定的需要来进行选择。所以，本发明的保护范围只受所附权利要求的限制。

Claims (5)

1．一种轻型涡旋构件，它用于涡旋机械(100)，所述涡旋机械(100)包括：
一由经陶瓷微粒强化的铝基复合材料制成的第一涡旋装置(21)，它包括一涡卷(22)以及一底板，所述涡卷具有侧面和一末端；
一第二涡旋装置(20)，它包括一涡卷和一底板，所述第二涡旋装置的涡卷具有侧面和一末端；
用来驱动所述第一涡旋装置的装置(60)，用以使所述第一和第二涡旋装置的侧面密封地相接触；
轴向的顺从装置(28，40)，它们使得所述第一涡旋装置的所述末端与第二涡旋装置的所述底板直接密封接触，以及，使得所述第二涡旋装置的所述末端与所述第一涡旋装置的所述底板直接密封接触；
其特征在于，所述陶瓷微粒的体积百分比为至少10％。
2．如权利要求1所述的轻型涡旋构件，其特征在于，所述经陶瓷微粒强化的铝基复合材料包含体积百分比为10-25％的碳化硅微粒。
3．如权利要求1所述的轻型涡旋构件，其特征在于，所述第二涡旋装置由铸铁制成。
4．如权利要求1所述的轻型涡旋构件，其特征在于，所述第二涡旋装置由铝基复合材料制成。
5．一种制造轻型涡旋构件的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
加热体积百分比为10-25％的碳化硅微粒和铝的混合物，直至其熔化；
压铸熔融金属混合物以生产出接近其所需形状的涡旋构件；以及
对涡旋构件进行机加工，以达到最终所需的形状。
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