CN1152674A

CN1152674A - 容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴

Info

Publication number: CN1152674A
Application number: CN 95121325
Authority: CN
Inventors: 柯恩九
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1997-06-25
Also published as: WO1997022808A1

Abstract

一种容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴，其由一主轴和从该主轴尾端伸出的驱动曲柄销构成，所述驱动曲柄销具有一呈楔形斜面的驱动面，而由其带动的驱动关节也有一与其配合的呈楔形斜面的被驱动面。曲柄销的楔形驱动面与压缩装置中的动涡旋元件的运动方向成一小于90度的夹角，使驱动力产生一个径向分力，克服作用在动涡旋元件上的径向分离力并正比于被压缩流体的压力，达到径向随动的目的。

Description

容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴

本发明与容积式流体装置有关。更具体地说，本发明与容积式涡旋流体压缩装置中的楔形曲柄轴有关。

容积式涡旋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揭示了一种涡旋型装置。该装置包括两个涡旋元件，每个涡旋元件有一个端板和一个螺旋形的涡卷。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气室。当一个涡卷相对于另一个涡卷作轨迹为圆的平动(这里称之为公转)，上述接触线就沿着螺旋曲面移动，因而密封气室容积随之改变。容积之增加或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所示的传统的涡旋式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，也就是吸入阶段刚好完成，一对对称的密封气室A1和A2刚好形成。

图1b-1d依次显示了曲柄轴旋转了一定角度后涡卷的位置，当曲柄轴旋转时，密封气室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的容积逐步减小。当曲柄轴的角度从图1c所示的状态到达1d所示的状态时，密封气室A1和A2在中心部位A处合并在一起，当曲柄轴继续旋转时，上述合并后的气室进一步减少它的容积。在涡卷作相对的、轨迹为圆的平动时，图1b一1d所示的外部空间逐步变化以形成新的密封气室，其中封闭着将被压缩的下一个流体的容积(如同图1c和1a所示的状态)。

图2a和2b为授与Caillat等人的美国专利4,767,293所示的垂直驱动面径向随动机构，标号1为主轴，标号2为关节，标号3为与主轴固接的曲柄销，标号4为曲柄销驱动关节的驱动面。此时关节2的运动方向是X方向，它与两涡卷螺旋线在接触点的公法线方向垂直。机构的驱动面4与动涡卷的运动方向是垂直的。该机构运行中，动涡卷和关节等零件的离心力需克服气室中流体的压力，使动涡卷紧紧与另一涡卷相接触，达到密封的目的。由于种种因素，例如涡卷制造上不可避免的误差，以及当气室中混入杂物和不可压缩的液体时，关节受到很大的径向分离力，当分离力大于离心力时，动涡卷和关节沿y方向退让。这就是目前广泛采用的径向随动机构。

在某些应用中，例如汽车空调压缩机和应用变频技术的可变速的空调压缩机，压缩机需要在较大的速度变化范围内工作。尤其是在汽车涡旋空调压缩机应用中，压缩机要在800-6000转/分的范围内运转，因而公转涡旋元件的离心力变化较大。同时，汽车空调的工作条件，即冷凝温度和蒸发温度的变化范围也较大，使得径向分离力和驱动力变化范围较大。这种情况给公转涡旋元件径向随动机构的设计带来了困难。

图3a和3b为日本Saden公司的摆杆装置的示意图。标号1为主轴，标号3为固接在主轴上的曲柄销，标号2为关节。O₁为主轴的回转中心，O₂为关节的几何中心，O₃为曲柄销的几何中心。如果忽略该机构运动中的惯性力和磨擦力，其曲柄销3对关节2的驱动力F将作用在O₂和O₃的连线上。该力可分解为切向驱动力Ft和径向驱动力Fr。两力的比为定值tgα。由于该结构的曲柄销中心O₃到主轴中心O₁的距离大于第二涡卷公转半径(即O₂至O₁的距离)。因此，该结构的主轴的直径较大，相应其关节的直径也较大，这样会占用推力轴承的一部分位置，减小推力轴承的有效承载面积，给设计与制造都带来一定的困难。

本发明的目的是提供一个容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴，它能克服动涡卷所受到的径向的流体分离力，从而提供一个有效的径向依从机构。

为了实现上述及其它的目的，本发明提供一种容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴，其中，所述压缩装置主要包括：

一个具有流体进出口的壳体；

一个第一涡旋元件，它固定在壳体内，具有一个第一端板和从它平面垂直延伸出来的第一涡卷；

一个第二涡旋元件，它具有一个第二端板和从它平面垂直延伸出来的第二涡卷；上述两个涡卷彼此相啮合，形成密封气室；

一曲柄轴，它由一主轴和一从该主轴尾端伸出的驱动曲柄销构成，所述驱动曲柄销具有一驱动面，驱动曲柄销的驱动面通过一驱动关节再通过一驱动轴承驱动上述第二涡旋元件相对于上述第一涡旋元件作轨迹为圆的平动；

其中，上述驱动曲柄销的驱动面是一个楔形斜面，上述驱动关节的被驱动面是一个与驱动曲柄销的驱动面配合的楔形斜面；驱动曲柄销的驱动楔面与上述第二涡卷的运动方向成一不等于90度的夹角。

在所述的装置中，上述第二涡旋元件沿上述驱动曲柄销驱动楔面向上述第一涡旋元件的分离运动方向与上述第二涡旋元件的运动方向的夹角在45度至85度之间。

本发明的优点是，主轴上的驱动曲柄销通过一个楔形斜面推动关节的楔形斜面，这样，驱动曲柄销的驱动力有一个径向分力，该径向分力通过驱动关节的轴承传给动涡旋元件，使动涡旋元件能克服在压缩流体过程中所承受的径向分离力，达到使动、静涡卷之间所形成的密封气室在切向密封。

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示出了已有技术中的涡旋式压缩机中的涡卷作轨迹为圆的平动之情况；

图2a-2b示出了已有技术中的垂直驱动面径向随动机构；

图3a-3b示出了已有技术中的摆杆驱动装置；

图4示出了根据本发明所设计的容积式涡旋压缩机的剖面图；

图5a-5b示出了根据本发明所设计的具有楔形驱动面的曲柄轴的结构图以及其受力情况分析图；

图6a-6b示出了根据本发明所设计的驱动关节的受力情况分析图及其纵剖视图；

图7示出了曲柄轴与驱动关节之间的受力情况分析图。

图4示出了根据本发明所设计的一个涡旋型空调压缩机。压缩机10包括主机架20，压缩机前壳21，电磁离合器22和第一涡旋元件(或叫做静涡旋元件)60。主机架上装有主径向轴承32。主轴40由主轴承32和装在前壳21上的轴承34所支承，并可绕其轴线S1在电磁离合器22的驱动下旋转。

一驱动曲柄销42由主轴40的尾端伸出，主轴40和驱动曲柄销构成所谓的“曲柄轴”。该驱动曲柄销中心轴线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旋元件的公转半径Ror。所谓公转半径是第二涡旋元件(或叫动涡旋元件)50相对于第一涡旋元件60作轨迹为圆的平动的轨迹半径。

第一涡旋元件60具有一个端板61，第一涡卷62从其平面垂直延伸。第一涡旋元件60与轴线S1相垂直并固定在主机架20的一个平面64上。这样在一个涡旋元件的涡卷的前端和另一个涡旋元件的端板的底部之间就保持了恰当的间隙。

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时仍能避免一涡卷的前端和另一端板的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位于涡卷前端的螺旋槽内的前端密封磨擦片66所密封。

第二涡旋元件50包括有一端板51，第二涡卷52从其平面垂直延伸，而自端板后表面延伸出轴承座53。

涡卷52和62互相啮合，并在角度上保持180度的相位差，而在径向则保持公转半径Ror的位移。如此，涡卷52和62以及端板51和61之间至少形成一对密封气室。第二涡旋元件50通过驱动曲柄轴承43和驱动关节41与驱动曲柄销42连接，欧丹环45的作用是防止第二涡旋元件50转动。在主轴40的驱动下，第二涡旋元件50以公转半径Ror相对于第一涡旋元件60作轨道运动以压缩气体。工作气体从入口91经通道93进入由涡旋元件50，60所形成的吸气室95，然后被涡卷所压缩，最后由排气孔70，经过排气阀71和排气通道72排出。

图5a-5b示出了根据本发明所建的曲柄轴，它的驱动曲柄销42具有呈楔形斜面的驱动面140，主轴40在运转时，驱动面140推动驱动关节41的被驱动面142(图6a-6b)，驱动关节41的被驱动面142也呈与驱动曲柄销42的驱动面140相配合的楔形斜面。如图7所示，与主轴40固接的曲柄销42，驱动关节41，带动动涡卷做轨迹为圆的平动。驱动面与此时作轨迹为圆的平动的动涡卷之运动方向(图示的X方向)成一小于90度的夹角α。需要指出的是，确切地说，关节的运动方向是与两涡旋形线接触点的公法线垂直，也就是与主轴和关节的两中心连线垂直。因此，当关节沿驱动面方向移动(即产生随动)时，夹角α有变化。但这种随动是微小的，因此该夹角可以认为是一定值。后面我们称角α为楔形曲柄轴的楔形角。楔形曲柄轴和关节间的接触面应是光滑的，而且有良好的润滑。因此，曲柄轴对关节的驱动力只能在图7所示的F1和F2之间的范围之内。F1与F2形成角的角分线与驱动面垂直，其角度为2Φ。Φ为接触面的摩擦角，如图所示，一部分驱动力转化为径向推力，使得动涡卷所受到的径向推力与径向分离力成正比，以达到良好的径向随动结构的目的。楔形曲柄轴的楔角α在设计时应考虑两个状态：第一个状态是，当压缩装置正常运行时，第二涡卷应在径向靠紧第一涡卷，以形成密封的气室。此时，由于摩擦力的作用，曲柄轴对驱动关节的驱动力为F2。因此有：

tg(α＋Φ)＝Ft/Fr₂ (1)(见图7)

Fr₂＞Fs－Fc (2)其中Φ为驱动曲柄销42与驱动关节41间摩擦角，Fs是冷媒气体在被压缩过程中施于第二涡旋元件的径向分离力，Fc是第二涡旋元件及驱动关节在公转中所产生的离心力。第二个状态是，涡旋形线的制造误差或气室中混入了某些杂物，第二涡旋元件不能按理论轨迹运行而需要退让时。此时，曲柄轴对驱动关节的驱动力为F1(见图7)。因此有：

tg(α－Φ)＝Ft/Fr (3)

Fr＜＝Fs－Fc＋Fd (4)其中Fd为两涡卷侧壁所能经受的最大压力。综合以上四式可得到，曲柄轴楔角α的设计原则：

arctg(Ft/(Fs－Fc＋Fd))＋Φ＜＝

α＜＝arctg(Ft/(Fs－Fc))－Φ (5)当(5)式得到满足时，就能达到两涡卷间的径向密封和安全退让。

另外，从本发明的驱动曲柄销42几何中心到主轴40中心的距离等于第二涡卷的公转半径，因此其结构紧凑，可缩小驱动装置的体积。从而增加推力轴承的有效承载面积。

上面所描述的，虽然是本发明的较佳实施例，但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或结构相等效的一切装置。

Claims

1.一种容积式涡旋流体压缩装置的楔形曲柄轴，其中，所述压缩装置主要包括：

一个具有流体进出口的壳体；

其特征在于，上述驱动曲柄销的驱动面是一个楔形斜面，上述驱动关节的被驱动面是一个与驱动曲柄销的驱动面配合的楔形斜面；驱动曲柄销的驱动楔面与上述第二涡卷的运动方向成一不等于90度的夹角。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，上述第二涡旋元件沿上述驱动曲柄销驱动楔面向上述第一涡旋元件的分离运动方向与上述第二涡旋元件的运动方向的夹角在45度至85度之间。