CN107850065B - 往复式压缩机通风型排出阀 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种压缩机(20)，所述压缩机包括：外壳(22)；以及至少一个活塞(40)，所述至少一个活塞被安装用于往复运动，每个活塞在所述外壳的相应气缸(42)中。所述至少一个活塞具有周向表面(50)和上表面(52)。至少一个排出阀包括：阀元件(150)，所述阀元件可在关闭状态与打开状态之间移动；阀导向器(170)；一个或多个弹簧(180)，所述一个或多个弹簧至少部分地由所述阀导向器固持，从而使所述阀元件从所述打开状态朝向所述关闭状态偏置；以及所述阀导向器中的一个或多个通风口(300)，所述一个或多个通风口提供从所述阀元件上方的区域向上穿过所述阀导向器的流动路径。

Description

往复式压缩机通风型排出阀
相关申请的交叉引用
要求于2015年8月16日提交且名称为“Reciprocating Compressor VentedDischarge Valve”的美国专利申请序列号62/210,105的权益，所述申请的公开内容以引用的方式整体并入本文，就像详尽地阐述一样。
发明背景
本公开涉及往复式压缩机。更具体地说，本公开涉及排出阀。
往复式压缩机早已被用在诸如制冷的应用中。一种新近配置涉及活塞，所述活塞的上表面具有突出部，所述突出部在上止点(top-dead-center)突出到气缸体的顶面上方以有助于完全填充阀板内的体积以便提供对压缩流体的更完全的排出。
发明内容
本公开的一方面涉及一种压缩机，所述压缩机包括：外壳；以及至少一个活塞，所述至少一个活塞被安装用于往复运动，每个活塞在外壳的相应气缸中，至少一个活塞具有周向表面和上表面。至少一个排出阀包括：阀元件，所述阀元件可在关闭状态与打开状态之间移动；阀导向器；一个或多个弹簧，所述一个或多个弹簧至少部分地由阀导向器固持，从而使阀元件从打开状态朝向关闭状态偏置；以及阀导向器中的一个或多个通风口，所述一个或多个通风口提供从阀元件上方的区域向上穿过阀导向器的流动路径。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个弹簧是多个螺旋弹簧。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个弹簧是八到十六个弹簧/气缸。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个弹簧部分地容纳在一个或多个套座中并且一个或多个通风口延伸到一个或多个弹簧套座。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个通风口中的每一个与一个或多个套座中的各自相关联的一个同轴。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，阀元件是环形元件。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个周向开口提供从气缸到排出增压室的连通。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，压缩机还包括：电机；曲轴，所述曲轴由电机驱动；以及至少一个连杆，所述至少一个连杆将曲轴联接到至少一个活塞。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，一个或多个通风口各自包括钻孔。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，至少一个活塞包括多个相同的活塞。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，气缸形成于气缸体中；阀板组件安装到气缸体；并且阀导向器安装到阀板组件。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，阀板组件具有阀座，所述阀座形成吸入阀的落座表面；活塞上表面具有外部部分和突出部，所述突出部在中心向上延伸；并且活塞具有上止点状态，其中突出部被部分地接纳在阀座内。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，阀座形成排出阀的外落座表面；阀板组件具有内阀座，所述内阀座形成排出阀的内落座表面；活塞在突出部中具有凹部；并且在上止点状态下，内阀座被部分地接纳在凹部内。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，用于制造压缩机的方法包括钻孔来形成至少一个通风口。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，用于使用压缩机的方法包括使活塞在气缸中往复运动，在往复运动的向上部分期间，流体流穿过至少一个通风口。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，流体流是从气缸排出的流的分支，而另一个分支从周向开口流出。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，蒸气压缩***包括压缩机。
在任何前述实施方案的一个或多个实施方案中，蒸气压缩***是制冷***。
附图和以下描述中阐述了一个或多个实施方案的细节。从说明书和附图以及权利要求书中将清楚明白其他特征、目的以及优点。
附图简述
图1是压缩机的纵向截面图。
图1A是图1的压缩机的最前面两个气缸的放大图。
图1B是图1的压缩机的最前面的气缸的一部分的放大图。
图2是图1的压缩机的活塞的单独视图。
图3是压缩机的单个气缸的分解剖视图。
各个图中的相同的参考数字和标记表示相同的元件。
具体实施方式
图1示出压缩机20。压缩机具有外壳或壳体组件22，所述外壳或壳体组件包括入口或吸入口24以及出口或排出口26。示例性压缩机包括电机28，所述电机包括定子32和转子30。转子30与曲轴34整合来驱动曲轴围绕轴线500旋转。曲轴由多个轴承支撑来围绕轴线500旋转。压缩机是往复式压缩机，所述往复式压缩机具有多个活塞40，所述多个活塞被安装用于在限定在外壳的气缸体44内的各自相关联的气缸42中进行往复运动。示例性气缸经由肘节销46联接到曲轴，所述肘节销由活塞承载并且连杆48，所述杆将肘节销联接到曲轴。
每个活塞具有横向表面或侧表面或外径(OD)表面50 (图1A)和上表面或顶表面52。图1A示出了处于上止点(TDC)位置的最前面的活塞。在TDC位置，上表面52的横向部分54大致与气缸体44的上表面60齐平。阀板组件70安装在表面60顶上(有垫片62介入)并且支承与相应的气缸相关联的阀组件72。如下文进一步所论述，阀组件72各自包括形成入口或吸入阀的部分以及形成排出或出口阀的部分。气缸盖74安装在阀板组件顶上(有垫片75介入)并且封闭出与排出口26连通的排出增压室76。
图1A进一步示出了活塞，所述活塞包括向上突出部80 (其具有横向表面或侧表面或外径(OD)表面82和上端或远端84)，所述向上突出部在最前面的活塞中表示突出到阀板组件70中的上止点状态或位置。这有助于在上止点状态下最小化顶空以实现改进的总体流动。
示例性阀板组件70包括由间隔件隔开的底板90和顶板92。间隔件可以包括周边板94，所述周边板与阀板组件的周边配合以便于封闭出增压室96。另外的间隔件98可以分布在增压室内。如下文进一步所论述，增压室96是与吸入口24连通的吸入增压室。例如，在吸入口24处于外壳组件的电机外壳区段中的情况下，吸入增压室96可以经由铸造于外壳组件中的通路(未示出)而与电机外壳的内部连通。
吸入阀包括柔性阀元件120 (图1B)，所述柔性阀元件在每个气缸42的周向安装在阀板组件70与气缸体44之间。阀元件120形成为薄片，所述薄片具有下表面122和上表面124。在每个汽缸处，阀元件具有中心孔，所述中心孔由内周(内径(ID))表面126限定。在关闭状态下，邻近内周边126的上表面124落座在落座表面130 (ID阀座)上。示例性落座表面130是阀座132的下表面，所述阀座的上表面如下文进一步所论述形成排出阀落座表面。阀座的内径(ID)表面134在上止点状态下密切地适应突出部80的OD表面82。OD落座表面可以由底板90的下侧的一部分形成。
示例性吸入阀元件通常是圆形的但是具有隔开180°的两个接片135 (图3)，所述两个接片安放在曲轴箱平台上以供支撑；以及两个小接片136，所述两个小接片用作止动件。
示例性阀座132包括上部部分，所述上部部分(例如，经由压入配合、铜焊等等)安装到顶板92；以及下部部分，所述下部部分悬挂着穿过增压室96并且穿过底板90中的相关联的孔隙140。在操作中，随着活塞从其上止点状态缩回，减少的压力/抽吸使阀元件120折曲，即在中间弯曲(类似于U)并且在缸膛的边缘处由两个接片135支撑并且通过接片136与气缸中的凹部的互补的相关联的表面的配合来阻止所述阀元件。这种向下折曲使所述元件与ID和OD阀座表面脱离以允许经由端口148将制冷剂从吸入增压室96吸入到气缸中(孔隙140的环形周边部分处于阀座132的下部部分的外径(OD)表面的径向外侧)。在活塞触底和换向之后，阀元件120折回到其关闭或密封状态，从而接合落座表面来关闭端口148。
排出阀可以类似地包括阀元件150 (图1B)，所述阀元件具有打开状态和关闭状态。示例性阀元件150是弹簧加载环形物，所述弹簧加载环形物具有下表面152、上表面154、内径(ID)周边表面156以及外径(OD)周边表面158。用于阀的示例性阀座包括内径(ID)阀座和外径(OD)阀座。外径阀座由阀座132的上部落座表面160形成。示例性ID阀座由内阀座构件166的外径周边表面164形成。构件166在中心紧固到阀导向器170，所述阀导向器反过来安装在顶板92顶上。一个或多个弹簧180 (例如，固持在导向器中的套座182中的金属螺旋弹簧的圆周阵列(例如，每个气缸有三到二十个这样的弹簧和套座组合，或八到十六个弹簧和套座组合，其中示出了示例性十二个弹簧和套座组合)可以使阀元件152偏置到其关闭状态。
随着活塞向上朝向其上止点状态移动，顶空中的压力最终会超过排出增压室中的压力。此时(或归因于排出阀的偏置，在此之后)，排出阀元件150将从其关闭状态朝向打开状态移动，从而允许制冷剂从顶空传递到排出增压室中。当活塞抵达上止点时，排出阀会再次关闭。
在排出阀的这种示例性配置下，活塞突出部80包括中心凹部200 (图1A)，所述中心凹部在活塞逼近上止点时接纳并适应排出阀内阀座构件166以便于最小化顶空。
在活塞逼近上止点时，上表面52的横向部分54上方的小空间中的气体会被向上驱动。在基线***中，这种制冷剂被向上驱动到突出部80的横向表面82与阀座132的邻近ID表面134之间。空间的密闭性可能会引起流动阻力，从而降低压缩机效率。因此，图1A将通道220添加到基线活塞配置。通道从下端224延伸到上端226。下端大体可以形成入口端口(入口)并且上端226大体可以形成出口端口(出口)以在活塞向上移动到上止点状态的所述最终阶段期间供流量穿过。示例性下端224是沿循突出部横向表面82；然而，示例性上端226是沿循凹部200。示例性通道220是密闭通道(例如，它们具有完整的横向周边)，这有别于开放通道或沟槽。因此，示例性通道220可以通过在铸造的活塞中钻孔来形成。最终周向地围绕活塞和气缸轴线502分布了一组示例性通道。示例性配置具有四个这种通道220 (图3)。更广的范围是1至10个或2至8个。
在向上移动的后期阶段期间，通道下端224会被暴露在吸入阀元件上方与活塞的上升表面的横向部分52下方之间。活塞的进一步的向上移动会倾向于驱动一些气体向上穿过通道220，从而离开上端/出口226并且由此流出排出阀。原型测试已显示出在基线压缩机的额定状态下大致1%的效率改进。取决于实现方式，实施方案可以被配置成提供略微增加的容量(或潜在地略微减小的容量)。
每个孔的示例性尺寸涉及0.5 mm直径和4.9 mm2截面积。通道的示例性总截面积(例如，四倍于示例性活塞的孔截面积)是19.6 mm2。
当与缺少孔/通道220的其他类似的基线压缩机比较时，所述孔带来5%的TDC余隙容积增加。这通常可能会降低总性能。然而，由于改进的流动的影响大于增加的余隙容积的影响，因此观察到了性能的提高以及功率的降低。因此，可以预料，孔大小的流动益处换得的缩水的回报会被增加的余隙容积抵消，并且如果孔太大的话，则会带来降低的性能。在小尺寸因流过孔存在流动阻力而不提供总体益处的情况下，对于孔大小还可能存在下限阈值。
可替代的个别孔的截面积是至少2.0 mm2或2.0 mm2至10.0 mm2。可替代的总截面积是至少5.0 mm2或5.0 mm2至50.0 mm2。
相对于基线压缩机作出的其他修改是将通风口300 (图1B)添加到弹簧套座182。在一个示例性变型中，基线弹簧套座是盲孔，所述盲孔从阀导向器170的下部周边表面部分302向上延伸。基线弹簧180的上端靠着盲孔的基部安放。示例性修改添加通风口300作为较窄的通路，诸如直径较小的同轴钻孔，从而留下由基线套座的底表面的周边部分形成的肩部304。通风口300因此在套座182处具有下端310并且在阀导向器170的上表面314处具有上端312。
通过添加通风口300可以获得若干优点中的一个或多个。排出阀的响应性方面可以通过允许套座182通风来改进。例如，当阀元件150被从其关闭位置向上驱动时，阀元件上方的蒸气被驱动到套座中或横向地经由周向开口320挤出来。就蒸气被驱动到套座中这一方面来说，这可能会在套座中引起抵抗阀元件150的向上移动的背压。就蒸气被横向向外驱动这一方面来说，这也可能会涉及到背压，而且可能会引起所述蒸气与从气缸排出的蒸气竞争。
这些情况的一者或两者可以通过添加通风口来解决。在一些实施方案中，通风口可以允许最初在阀元件150上方的蒸气排放到套座中并且允许套座中的蒸气向外排放。
一些实施方案的其他潜在的优点涉及将来自气缸的流量传递穿过套座和通风口。例如，弹簧偏置的本质可以是在活塞的排出行程的某一部分或全部期间，阀元件150不会平顶并且关闭套座182的下端。在这种情况下，从气缸排出的一部分蒸气可以在径向和轴向上传递到阀元件150的OD周边160周围并且之后往后向内并向上穿过套座182和通风口300。在其他情况下，通道或其他通路可以被提供成使得流量甚至是在阀元件靠着止动表面平顶的情况下都可以从气缸穿过套座和通风口。
独立于上文相对于活塞通道220论述的修改，原型测试显示出在额定状态下大致2%的容量增加以及1%的EER改进。
可以对通道220或通风口300进行各种其他修改。在一个实例中，所示的通道220可以用沿着突出部的周向的完全开放的通道或者开放通道和密闭通道的一些混合形式替换，诸如将沿着突出部周向的下部部分的开放通道转变为穿入凹部200的密闭通道。另一种变型可能涉及用单个波形弹簧(例如，呈环形空间，诸如向下开口的通道)替换螺旋弹簧180和套座182的阵列。通风口可以从所述环形空间向上延伸。
压缩机被用在蒸气压缩***(例如，包括深冷器、空调、热泵等等的制冷***)中。在这种***中，压缩机可以驱动制冷剂流沿着再循环流动路径穿过一个或多个排热换热器和一个或多个吸热换热器。基本配置涉及穿过排热换热器、膨胀装置、吸热换热器并且返回到压缩机的有顺序的流动路径。
压缩机可以使用其他常规的或尚在开发的材料和技术来制造。
在说明书和以上权利要求中“第一”、“第二”等等的使用仅用于在权利要求内进行区分，并且不一定指示相对或绝对的重要性或临时顺序。类似地，一项权利要求中将一个元件标识为“第一”(或类似术语)并不妨碍这个“第一”元件标识在另一权利要求中或在说明书中被称为“第二”(或类似术语)的元件。
已经描述了一个或多个实施方案。然而，将理解，可以进行各种修改。例如，当应用于现有的基本***时，这种配置或其相关联的使用的细节可能会影响特定实现方式的细节。因此，其他实施方案也在以上权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种压缩机(20)，所述压缩机包括：
外壳(22)；以及
至少一个活塞(40)，所述至少一个活塞被安装用于往复运动，每个活塞在所述外壳的相应气缸(42)中，所述至少一个活塞具有周向表面(50)和上表面(52)；以及
至少一个排出阀，所述至少一个排出阀包括：
环形的阀元件(150)，所述阀元件可在关闭状态与打开状态之间移动；
阀导向器(170)；
一个或多个弹簧(180)，所述一个或多个弹簧至少部分地由所述阀导向器固持，从而使所述阀元件从所述打开状态朝向所述关闭状态偏置；以及
所述阀导向器中的一个或多个通风口(300)，所述一个或多个通风口提供从所述阀元件上方的区域向上穿过所述阀导向器的流动路径，
其中：所述一个或多个弹簧部分地容纳在一个或多个套座(182)中；并且所述一个或多个通风口延伸到所述一个或多个套座，
其中：一个或多个周向开口(320)提供从所述气缸到排出增压室(76)的连通，
并且其中：所述通风口延伸至所述套座的基部，所述一个或多个弹簧的端部靠着所述基部安放。
2.如权利要求1所述的压缩机，其中：
所述多个弹簧是多个螺旋弹簧。
3.如前述任一项权利要求所述的压缩机，其中：
所述多个弹簧是每个气缸中的八到十六个弹簧。
4.如权利要求1所述的压缩机，其中：
所述一个或多个通风口中的每一个与所述一个或多个套座中的各自相关联的一个同轴。
5.如权利要求1所述的压缩机，所述压缩机还包括：
电机(28)；
曲轴(34)，所述曲轴由所述电机驱动；以及
至少一个连杆(48)，所述至少一个连杆将所述曲轴联接到所述至少一个活塞。
6.如权利要求1所述的压缩机，其中：
所述一个或多个通风口各自包括钻孔。
7.如权利要求1所述的压缩机，其中：
所述至少一个活塞包括多个相同的活塞。
8.如权利要求1所述的压缩机，其中：
所述气缸形成于气缸体(44)中；
阀板组件(70)安装到所述气缸体；并且
所述阀导向器安装到所述阀板组件。
9.如权利要求8所述的压缩机，其中：
所述阀板组件具有阀座(132)，所述阀座形成吸入阀的落座表面(130)；
所述活塞上表面具有外部部分(54)和突出部(80)，所述突出部在中心向上延伸；并且
所述活塞具有上止点状态，其中所述突出部被部分地接纳在所述阀座内。
10.如权利要求9所述的压缩机，其中：
所述阀座形成排出阀的外落座表面(160)；
所述阀板组件具有内阀座(166)，所述内阀座形成所述排出阀的内落座表面(164)；
所述活塞在所述突出部中具有凹部(200)；并且
在所述上止点状态下，所述内阀座被部分地接纳在所述凹部内。
11.一种用于制造如前述任一项权利要求所述的压缩机的方法，所述方法包括：
钻孔来形成至少一个所述通风口。
12.一种用于使用如权利要求1至权利要求10中任一项所述的压缩机的方法，所述方法包括：
使所述活塞在所述气缸中往复运动，在所述往复运动的向上部分期间，流体流穿过至少一个所述通风口。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述流体流是从所述气缸排出的流的分支，而另一个分支从周向开口流出。
14.一种蒸气压缩***，所述蒸气压缩***包括如权利要求1至权利要求10中任一项所述的压缩机。
15.如权利要求14所述的蒸气压缩***，所述蒸气压缩***是制冷***。
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