CN1111725A

CN1111725A - 高压缩比涡卷容积式流***移装置

Info

Publication number: CN1111725A
Application number: CN 94117218
Authority: CN
Inventors: 倪诗茂
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-19
Filing date: 1994-11-19
Publication date: 1995-11-15

Abstract

一种涡卷容积式流体压缩装置，具有两个相互啮合，且具有预定几何结构和形状的螺旋形涡卷件。一种在此称为“流体前端密封装置”的新的设计方法通过将高压的粘性润滑油引入涡卷的前端来保持压缩气室之间的密封。所引入的润滑油在机器运行过程中提供密封、润滑和冷却作用。该流体密封装置可以用于所有的“固定间隙法”、“顺从法”、和“半顺从法” 机构。本发明还包括一在流体排出之前将过量的润滑油从排放流体中分离出来的机构。

Description

本发明与容积式流体压缩装置有关。更具体地说，本发明系一改进的涡卷容积式流体压缩装置，其中通过我们称之为流体前端密封的机构使该装置的压力气室之间的经向密封得以实现。此外，本发明提供了我们称之谓离心式油分离的机构，它可以减少由排出气体所携带出去的油的数量。

涡卷容积式流体压缩装置的技术是众所周知的，例如授与Creux的美国专利802，182揭示了一种涡卷型装置。该装置包括两个涡卷件，每个涡卷件有一个端面平盘和一个螺旋形或渐开线形的涡卷。这两个涡卷，具有相同的几何形状，彼此相互啮合且保持一定的角度和径向偏移，以在它们螺旋形的曲面之间造成多处线接触。如此，相互啮合的涡卷形成了至少一对被密封住的流体气室。当一个涡卷相对于另一个涡卷作轨道运动时，上述接触线就沿着螺旋曲面移动，因而流体气室容积随之改变。容积之增加或是减小取决于两涡卷之间相对运动的方向，这样，该装置可以用来压缩或膨胀流体。

下面参照图1a-1d对传统的涡卷压缩机的一般运行原理作一些说明。图1a-1d示意性地示出了相互啮合的螺旋形的涡卷1和2作相对运动以压缩流体，涡卷1和2相互啮合并在相互之间保持一定的角度偏移和径向偏移。图1a显示了每个涡卷的外端与另一涡卷相接触，也就是吸气阶段刚好完成，一对对称的流体气室A₁和A₂刚好形成。

图1b-1d依次显示了驱动轴曲柄旋转了一定角度后涡卷的位置。当曲转旋转时，流体气室A₁和A₂以径向和一定的角度逐渐向啮合涡卷的中心移动，同时A₁和A₂的容积逐步减少。流体气室A₁和A₂当曲轴的角度从图1c所示的状态到达1d所示的状态时，在中心部分A处合并在一起。当主轴继续旋转时，上述合并后的气室进一步减少它的容积。在涡卷作相对的轨道运动时，图1b和1d所示的外部空间逐步变化以形成新的密封气室，其中封闭着行将被压缩的下一个流体的容积（如同图1c和1a所示的状态）。

现有的涡卷设计中有三种用以保持涡卷件在“轴”向（沿涡卷中心轴轴线的方向）的运动关系的方法。这些方法可以称作“固定间隙”法，“轴向顺从”法和“半轴向顺从”法。

在早期的装置中，采用的是固定间隙法，例如授与Creux的美国专利No.801，182就是用固定间隙法的。在这一方法中，涡卷件之间在轴向的相互位置关系在装配完成之后就不能再变动。其中，一个涡卷件的前端和另一涡卷件的底部之间在通常情况下互不接触。为了保持涡卷件之间在运行时在轴向具有恰当的间隙，同时又保持高的压缩效率，这就要求极高的机械加工精度。另一个较为严重的问题是这一种结构无法对付异常情况，例如如果涡卷件中存在杂物颗粒或不可压缩的液体，或者涡卷件的前端与另一涡卷件的底部之间由于热的过度增长而互相接触。在这异常情况下，涡卷件会由于咬住而导致毁坏。

为了克服固定间隙法的弱点，开发出了种种轴向顺从结构。这些结构可以分成两大类：“机械前端密封”和“完全轴向顺从”。

图2示出了前端密封结构。另一个前端密封的例子可参见授与Mc Cullough的美国专利No.3，994，636。如图2所示，在涡卷件502和503的前端的中部各开有一条槽501。一密封件504可移动地嵌入槽501，并被机械或流体压力（图中未画出）推动而与另一涡卷件的底部505相接触。这样就可以防止流体通过涡卷502和503之间的径向泄漏。然而，前端密封结构中存在着固有的切向泄漏的通道，如图2中线A-A和B-B所示。这些泄漏通道降低了压缩效率。另外这种前端密封方法还存在着摩擦造成的功率损失以及由于密封件逐渐磨损而引起的密封效果下降的问题。

在完全轴向顺从结构中，涡卷件在机械力或流体力的作用下，保持涡卷间前端和底部的接触，从而不管是怎样的压力条件下，都维持流体气室的密封状态。授与Devorak等人的美国专利No.3，600，114揭示了一个完全轴向顺从结构。其中至少一个涡卷件受到机械的和（或）流体的轴向力的作用，保持着两涡卷件的前端和底部的密封接触。在’114专利中，具有排气压力的流体被用来在涡卷件的端面平盘的背部施加一偏压力。授与Young等人的美国专利No.3884，599揭示了一种完全轴向顺从结构。其中绕轨道运动的涡卷受到了具有排气压力的流体的轴向推动力。授与Kousokabe的美国专利No.4，357，132揭示了一种涡卷机器，其中用具有中间压力（压力在进，排气压力之间）的流体将绕轨道运动的涡卷件推向固定涡卷件。授与Toj的美国专利No.4，216，661揭示了一种完全轴向顺从结构。其中在涡卷机外部的流体被引入到绕轨道运动涡卷的背部以提供轴向的偏压力。授与Blain的美国专利No.4，611，975揭示了一种完全轴向顺从结构，其中在两个涡卷件的接触面上形成的一个环形室，它与较低的压力源相连接而造成负压，从而将两个涡卷件“吸”在一起。授与Arai的美国专利No.4，496，296揭示了一种完全轴向顺从结构，其中在绕轨道转动的涡卷件的背部形成了两个压力室。这两个压力室分别与处于中间压力的压缩气室和处于排气压力的中心容积相连接。这一结构可以在较大的损伤条件范围内保持涡卷件的径向密封。授与Caillat等人的美国专利No.4，767，293和No.4，877，382揭示了一种完全轴向顺从机构，其中带有弹性固定装置的非绕轨道转动的涡卷件在处于中间压力或者（和）处于排气压力的气体压力的作用下被推向绕轨道运动的涡卷件。

完全轴向顺从结构具有若干缺陷：例如，由于用在这些结构中的气体压力往往来自压缩气室和/或排气室，因而这种压力会随着运转条件，比如吸气和排气压力的改变而改变。然而，这种变化并不总是与作用于涡卷件的前端和底部的分离力成比例的。设计中兼顾和妥协的结果是，如果轴向偏压力在某一点的运行条件范围内是足够的话，在较低的吸气和排气压力下就可能会不足以维持稳定的工作。另一方面，这一轴向偏压力在高吸气和排气压力的运行条件下就可能会显得太大。

完全轴向顺从结构的另一个缺点是其提供表面的摩擦功率损耗是不可忽略的。当机械运行在较高的吸气和排气压力的条件下，过大的轴向气体偏压力导致大的摩擦功率损耗和严重的磨损。有的时候甚至严重到由于前端和底部的摩擦咬住而损毁整个机器。

完全轴向顺从结构还有一缺点是涡卷前端和底部的轴向接触会产生振动和噪音。

授与Fujio的美国专利No.4，958，993揭示了保持涡卷件之间的间隙的第三种结构。此法由于涡卷间的轴向间隙可以通过改变涡卷轴向位置而改变，因而叫做半轴向顺从结构。

美国专利’993认为可以在轴向移动的应该是绕轨道转动的涡卷件，而不是非绕轨道运动的涡卷件。该专利认为这样可以把可移动部件总数减到最低，因为绕轨道运动的涡卷件原来处于运动状态而非绕轨道运动的涡卷件原来就处于静止状态。运动部件则是人们要避免的振动和噪音的来源。此外，绕轨道运动的涡卷件通常总是比非绕轨道运动的涡卷件来得轻些。这些，较小的惯性会使绕轨道转动的涡卷件反应得快一些。

在本文开始所提及的，待审的美国专利申请Ser.No.07/931，011提供了一种改进了的半轴向顺从的偏置机构，消除了涡卷可能的晃动和碰撞，从而极大地减低了噪音，振动和泄漏。

尽管上述的种种结构已有了较大的改进，但其中仍不可避免的在一个涡卷的前端和与另一涡卷的底部之间存在有间隙。这是因为涡卷的中心部分处于较高的温度，因而比起其***部分具有较大的轴向热膨胀。这种温度差随着运行条件，例如气候，冷却，负载等的变化而变化。一涡卷的前部和另一涡卷的底部之间的间隙使得工作流体在各压缩气室之间泄漏，从而降低了能量效率，并可能导致过高的流体温度。

本发明，在此我们称之为流体前端密封的机构，通过将高压的粘性、润滑油引入到涡卷的前端从而维持了压力气室之间的径向密封。所引入的润滑油提供了运行中的密封，润滑的冷却。流体前端密封的方法可以用在“固定间隙”，完全顺从和半顺从等各种结构中，本发明还进一步提供了一种新的机构可以在润滑油流出涡卷装置之前把油从排出气体分离开来，以防止过量的润滑油流出涡卷装置。

根据如上所述，本发明的宗旨之一是提供一个涡卷容积式流体压缩装置，其中高压的粘性润滑油被引入到涡卷的前端以形成油膜。这种油膜，我们称之为流体前端密封。这样，本发明消除了各压缩气室之间的径向泄漏。

本发明的另一个宗旨是提供一种新的方法，使涡卷在运行中能得到充分的润滑和冷却。

本发明还有一个宗旨是提供一种新的结构，它能将润滑油从排出气体中分离出来，以防止过量的润滑油被带出涡卷装置。

为了实现上述及其他的目的，本发明的一个实施例提供了一个涡卷容积式流体压缩装置，它包括有一个装有流体进出口的壳体，一具有一个端面平盘的第一涡卷件。从这一平盘上有第一涡卷沿轴向延伸，进入壳体的内部，还有一第二涡卷件，它也有一个端面平盘。从它上面有第二涡卷沿轴向延伸。第二涡卷件可相对于第一涡卷件作非旋转性的轨道运动。

第一和第二涡卷，以互相保持一定的角度和具有径向位移的方式啮合在一起以造成多处线接触从而限定或形成了至少一对密封流体室。

驱动装置与涡卷件相连，以实现涡卷件之间相对的轨道运动而防止相对转动从而达成流体气室容积的改变。

本发明披露的实例提供了一种涡卷容积式流体压缩装置，其中高压的粘性润滑油被引入至少一个涡卷的前端。该润滑油流经一涡卷的前端与另一涡卷底部之间的间隙，形成一层油膜。该油膜封住了压缩气室之间径向的泄漏通道，并且提供了涡卷件前端和底部之间的润滑。

该流体前端密封机构向涡卷压缩气室引入了数量可观的润滑油。由于液态润滑油的热容量远大于被压缩的气体，因而润滑油可以从被压缩气体中吸收大量热量从而降低排出气体进而整个涡卷装置的温度。涡卷装置如果运行在较低的排出气体温度的状态下，就可以提高其能量效率和可靠性。油膜形成在涡卷的侧壁之间，提供了侧壁间的润滑同时也提供了压缩气室之间的切向密封。

然而，允许被排出气体带出涡卷装置的油量是有限度的。为此，本发明提供了一种新型结构以把过多的润滑油从排出气体中分离出来。在这一结构中，排出气体和润滑油的混合物由在绕轨道运动的涡卷的中心处的排出孔排出，然后流经沿着主轴的中心线的通道。混合物由以高速旋转的主轴的端部的喷嘴喷出。由于油和排放气体在密度上的巨大差异，它们从高速转动的主轴喷出时被分离。润滑油流向底部的油池，并在此被冷却，被压缩的气体则上升，由排气口排出。

参照附图阅读下文的详细说明，本发明将较容易地被理解。

图1a-1d示出了已有技术的涡卷压缩机中涡卷作相对轨道运动的情况;

图2示出了已有技术的一个典型的前端密封的结构;

图3示出了根据本发明所建造的涡卷空调压缩机的横切面图;

图4a-4c示出了根据本发明所建造的绕轨道运动的涡卷件的视图;以及

图5示出了本发明的第二实例的横切面图。

请参阅图3。图3示出了根据本发明所设计的一个涡卷型空调压缩机。压缩机10包括主机架20，压缩机外壳21以及端盖22和下端盖23。上端盖22以熟知的方法（例如焊接）与压缩机外壳21相连。下端盖23也以熟知的方法（例如焊接）与外壳21相连。主机架20上，装有主径向轴承30。主轴40由轴承29及30支承，并可绕其轴线S₁在马达41驱动下旋转。

一驱动柱销42由主轴40的尾端伸出。该驱动柱销中心轴线S₂与主轴的中心轴线S₁彼此之间有一偏移。该偏移距离等于第二涡卷的绕轨道运动的半径R_or。所谓绕轨道运动半径是第二涡卷件50相对于第一涡卷件60作非旋转性的轨道圆运动时的轨道半径。

第一涡卷件60具有一个端面平盘61，涡卷62由此延伸。第一涡卷件60以披露于待审的美国专利申请ser，No.07/931，011中之所谓“半顺从”方式固定在主机架20上。根据这一方式，第一涡卷件60与轴线S₁相垂直并在由作用于表面66的排出气体的偏置力作用下顶住主机架20的一个平面24。这样在一个涡卷件的涡卷的前端和另一涡卷件的端盘的底部之间就保持了恰当的间隙。这种间隙在图3中以65表示。

这种间隙必须足够大，以便即使在制造上有容差以及在正常运行下有热膨胀存在而仍能避免涡卷件的前端和底部之间的互相接触。另一方面，这种间隙又必须足够小以保证在压缩气室之间的径向泄漏能被在间隙中形成的润滑油膜所密封。这层油膜在本文中称之为流体前端密封，并将在下文中详细讨论。当非正常的情况出现时，例如，杂物颗粒不可压缩的流体进入涡卷件之间时，或是涡卷出现了不正常的热膨胀时，第一涡卷件将逆流体的偏置力而在轴向作退避运动以防止涡卷损坏。

除了端面平盘61和涡卷62以外，第一涡卷件60还包括有加强套63和加强肋64。第一涡卷件能够沿着轴线向轴线尾部方向作微小的偏移运动。涡卷62被固定在端面平盘61上并自端盘前端面延伸，加强套63和加强肋64则自端盘后表面延伸。

第二涡卷件50包括有一端面平盘51，一固定在端盘51上并且自端盘后表面延伸的涡卷52，以及固定在端盘51的前表面并自该表面延伸出来的绕轨道运动的轴承座53。

涡卷52和62互相啮合，并在角度上保持180度的相位差而在径向则保持绕轨道运动半径R_or的位移。如此，涡卷52和62以及端面平盘51和61之间至少形成一对密封气室。第二涡卷件50通过驱动柱销轴承43和驱动柱销42相连接。欧丹环45的作用是防止第二涡卷件50转动。在主轴40的驱动下，第二涡卷件50以绕轴转动半径R_or相对于第一涡卷件60作轨道运动以压缩流体。工作流体从入口91经气室92及固定涡卷件60的入口93进入压缩机10，并进入由涡卷件50、60所形成的吸气室95，然后被涡卷件所压缩，最后由排气孔70，经过排气通道71，72，喷嘴73，排气室80，排气通道74和排气口75而排出。气室94中的被排出气体不与气室92相通，它是被密封圈44所密封的。

平衡重物97和98用以平衡作用在第二涡卷件50上的、由于它作轨道运动而产生的离心力。

一密封件81把外壳内的整个容积分成两部分：底部容积80和上部容积92。容积80处于高压，容积92处于低压。

容积80中的高压气体把压缩机底部油池82中的润滑油压到绕轨道运动的涡卷件50的前部52。其油路的途径是由管道31，通道32，33和34以及涡卷件50中的通道35组成的。油路可以位于机壳内部如同本实施例所示，也可以位于机壳的外部。

现请参看图4a-4c，涡卷52的前部有一条槽36，该槽36可以沿着螺旋涡卷52的部分长度或全部长度延伸。槽36可是一条连续的槽也可以分成几段。润滑油由槽36中流出，并形成一层油膜而充满位于绕轨道运动的涡卷前端和固定涡卷底部之间的间隙。该润滑油膜切断了被压缩气体在压缩气室之间的径向泄漏通道。

润滑油也被允许流入压缩气室。绕轨道运动的涡卷的轨道运动驱动润滑油不但形成了在涡卷侧壁之间间隙之间的油膜，还形成了在非绕轨道运动涡卷件50的前端和绕轨道运动涡卷件60的底部之间的油膜。这些油膜在润滑各摩擦表面的同时还切断了各压缩气室之间可能的泄漏途径。此外，润滑油还冷却了被压缩气体并降低了排出气体的温度。而排出气体的温度下降意味着该装置的能量使用效率的增加。

被引入到压缩气室的润滑油需要从排出气体中分离出来，以防止过量的油进入与压缩机相联的外部***。回过来参看图3，在本发明中被压缩气体经由位于绕轨道转动的涡卷中心的排气孔70离开涡卷件。排出气体然后流经绕轨道动的涡卷上的通道71和沿主轴中心线的通道72由主轴末端的喷嘴73进入气室80。油和气的混合物由于被主轴加速，以高速由喷嘴73喷出。由于油和气之间在密度上的巨大差异，作用在油滴上的离心力远大于作用在气体上的离心力。油滴将继续保持其向下的动量而心向下端盖23的内壁。而被压缩气体自喷嘴73喷出以后，较容易改变其向下运动的方向，先沿通道74上升，然后由排气口75排出。一部分油滴打在内壁上，而流入底部油池82。另一部分油打在内壁上而被飞溅回来，但是被油罩83挡住而不能重新进入气流。这样由排出气体所带走的油量被保持在很低的水平。

上面描述的本发明的第一实例被称为“单流体前端密封”。其中高压润滑油只是被引入到一个涡卷的前端。

本发明的第二实施例在此被称为双流体前端密封，并显示在图5中。第二实施例的基本设计原则同第一实施例是一样的。所不同的是，在第二实施例中，高压油被同时引入到两涡卷件50及60的前端中。把高压油引到绕轨道转动的涡卷件前端去的通道与第一实施例中所述的一样。而高压油则是经由油管31，通道32，36，37和38，最终通过通道39被引入到非绕轨道转动的涡卷的前端而形成流体前端密封的，其密封原理与在第一实例中绕轨道运动涡卷的前端形成密封的原理是一样的。润滑油还润滑和冷却了涡卷装置。排出气体所携带的过多的油通过离心力的作用而被从气体分离开来，其工作原理也与第一实施例中所述的一样。

上面所描述的虽然是本发明的较佳实施例，但在本技术领域中的熟练人员将能据此而作出属于本发明范围之内的对结构、布局、零件的改变或变化。本发明由所附的权利要求书所限定。权利要求书要求保护的范围将包括与权项在意义上相同或结构相等效的一切装置和（或）方法。

Claims

1、一种涡卷容积式流体压缩装置，它包括：

一个第一涡卷件，它具有一个第一端面平盘和从它延伸出来的第一涡卷；

一个第二涡卷件，它具有一个第二端面平盘和从它延伸出来的第二涡卷；

上述第二涡卷件与上述第一涡卷件彼此相啮合得使上述第一涡卷的前端与上述第二端面平盘的底部相邻；并且

一条油槽位于上述第一涡卷的前端，以输送润滑物质。

2、如权利要求1所述的装置，其特征在于，润滑物质是润滑油。

3、如权利要求1所述的装置，其特征在于，它还具有一条油槽位于上述第二涡卷的前端，该油槽也是用以输送润滑物质的。

4、如权利要求1所述的装置，其特征在于，还有一条通路与上述之油槽相连以将上述润滑物质提供到上述油槽中去，以及从该油槽除去润滑物质。

5、如权利要求3所述的装置，其特征在于，它还包括一条通路与上述之油槽相连，以将上述润滑物质提供到上述油槽中去并从该油槽除去所述润滑物质。

6、如权利要求4所述的装置，其特征在于，它还包括至少有一个由上述第一涡卷件和第二涡卷件所形成的密封室以压缩流体;

上述的润滑物质能够从上述的油槽中流出而进入上述密封室;

上述通路能允许上述润滑物质和在上述之密封室内被压缩的气体离开上述密封室;并且

上述通路提供一流体分路以允许所述被压缩的流体从所述装置中流出;

上述之通路提供一润滑物质的支路以使该润滑物质能重新进入上述油槽。

7、如权利要求6所述的装置，其特征在于，上述之间润滑物质支路延伸通过第一涡卷件。

8、如权利要求6所述的装置，其特征在于，被压缩气体的密度足够低以致能上升而进入上述流体支路;并且

上述润滑物质的密度足够高以致能下降而进入上述润滑物质的流体支路。

9、如权利要求8所述的装置，其特征在于，上述通路包括有一个位于接收上述被压缩流体和上述润滑物质的支路上游的喷嘴，且该喷嘴迫使上述被压缩流体和上述润滑物质流向上述支路。

10、如权利要求5所述的装置，其特征在于，它进一步包括：

至少一个由上述第一和第二涡卷件所形成的密闭室以压缩流体;

上述润滑物质能从上述油槽流出并进入上述密闭室;

上述通路允许上述润滑物质和在上述密闭室里的上述被压缩流体离开上述密闭室;

上述通路提供了一条流体支路以允许上述被压缩流体离开上述装置;并且

上述通路提供了一条润滑物质支路以使上述润滑物质能流回到上述油槽中去。

11、如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述润滑物质支路至少部分地延伸过上述第一涡卷件。

12、如权利要求10所述的装置，其特征在于，上述润滑物质支路至少部分地延伸过上述的第二涡卷件。

13、如权利要求10所述的装置，其特征在于：

上述被压缩流体的密度足够低以致能上升到上述流体支路，且上述的润滑物质的密度足够高以致能下降到上述润滑物质支路中。

14、如权利要求13所述的装置，其特征在于，上述通路包括一个位于能接受上述被压缩流体和上述润滑物质的上述各支路的上游的喷嘴，并且上述喷嘴能迫使上述被压缩流体和上述润滑物质流向上述各支路。