CN100402855C - 涡旋压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种涡旋压缩机，其中，固定涡卷的涡卷卷片的外壁曲线和盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁曲线由基圆半径被定义为“a”的渐开线曲线形成，固定涡卷的涡卷卷片的内壁曲线和盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁曲线由基圆半径被定义为“b”的渐开线曲线形成，并且基圆半径a和基圆半径b之比的数值a/b被设定为大于1.0并且小于1.5的数值。通过这种结构，形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁侧上的压缩腔室比形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室压缩得更快，并且可以减小在压缩过程中的泄漏损失。

Description

涡旋压缩机
技术领域
本发明涉及一种涡旋压缩机，其中，涡卷卷片从端板升起的固定涡卷和盘旋涡卷相互啮合，从而在它们之间形成压缩腔室，并且在盘旋涡卷沿着圆形轨道转动并同时通过限制旋转机构限制转动时，所述压缩腔室运动并同时改变其体积，由此进行抽吸、压缩和排放操作。
背景技术
在这种传统的涡旋压缩机中，形成固定涡卷和盘旋涡卷的两个涡卷卷片由渐开线曲线形成，这些曲线在许多情况中为具有恒定半径的圆的渐开线。
在一些涡旋压缩机中，固定涡卷和盘旋涡卷的部分或整个涡卷卷片的厚度从涡卷的中心朝着外缘变化(例如参见专利文献1)。
在一些涡旋压缩机中，从涡卷槽的外侧缠绕一圈的具有不对称卷片形状的盘旋涡卷的位置在高度上增加一个台阶以形成一个阶梯槽，圆柱体的中心从一端板表面进入该阶梯槽，该涡旋压缩机在从槽阶梯壁面和涡卷形状的中心设定的区域中设有具有一轴线的转动轴承，固定涡卷的固定卷片还包括阶梯状卷片，从而它与阶梯槽啮合并且可以形成压缩腔室(例如参见专利文献2)。
图6显示出在专利文献1中所述的传统涡旋压缩机。如图6所示，在其中涡卷构件之一使得另一个涡卷构件转动、由此使流体膨胀或压缩的涡卷式流体机械中，涡卷构件22的涡卷主体22b的一部分或整个形状的厚度从其中央朝着外侧增大或减小。
(专利文献1)
日本专利申请特许公开No.H11-264387
(专利文献2)
日本专利申请特许公开No.2000-329079
但是，在其中形成固定涡卷和盘旋涡卷的涡卷卷片由渐开线、即具有恒定半径的圆的渐开线形成的传统结构的情况下，如果确定出涡卷卷片的基圆半径a、涡卷的渐开角(缠绕圈数)、厚度t和高度h，则限制了相对于涡卷形状的自由度，并且唯一地确定了行程容积和组合容积比，因此该传统结构存在以下问题。
即，在工作在抽吸压力和排放压力之间的比值很大的条件下的用于冷冻的压缩机的情况下，组合容积比必须很大。但是，为了增大组合容积比，必须增大渐开角(缠绕圈数)，因此外形增大。如果要在保持外形尺寸和涡卷卷片的高度恒定的同时增大渐开角(缠绕圈数)，则存在这样一个问题，即涡卷卷片的厚度减小，强度消弱，或者行程容积减小。
作为提高组合压缩比、行程容积、涡卷卷片厚度的设计自由度的已知示例，在专利文献1中披露了一个例子。在该已知示例中，固定涡卷和盘旋涡卷的部分或整个涡卷卷片的厚度从这些涡卷的中心朝着外侧变化。因此，组合容积比固定，同时减小了外部形状，并且确保了中心强度。
另一方面，如果固定涡卷的涡卷卷片形成为其中涡卷卷片扩展至盘旋涡卷的涡卷卷片的卷绕末端部分的不对称卷片形状，则可以增大行程容积，因此可以减小涡卷卷片的高度或外部形状尺寸。形成于盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室可以使在用于封入工作流体的抽吸过程中的热接收损失和压力损失最小化。因此，该涡旋压缩机可以做得紧凑，并且可以减少在抽吸过程中的工作流体的损失。
但是，在形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室中的工作流体和在形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁侧上的压缩腔室中的工作流体，在保持这两种工作流体之间的差异的状态下被压缩。因此，存在这样一个问题，即，在压缩过程中产生在压缩腔室之间的泄漏损失。
在专利文献1中，没有涉及有关在不对称卷片形状方面减小在压缩过程中的泄漏损失的思想。
对于不对称卷片形状，为了减小在压缩过程中的泄漏损失，专利文献2提供了一种已知的紧凑型高效涡旋压缩机。在该已知示例中，卷片形成为楼梯形状。这样，虽然卷片的形状不对称，但是也能够减小在压缩期间的泄漏损失。
但是，由于卷片形成为楼梯形状，所以存在这样一个问题，即难以确保在楼梯部分的卷片之间的密封性能，生产步骤数增大，并且其成本增大。
本发明用来解决上面的传统的问题，并且本发明的目的在于提供一种紧凑、简单的涡旋压缩机，它可以减小在不对称卷片形状的压缩过程中的泄漏损失。
发明的内容
本发明的第一方面提供一种涡旋压缩机，其中，涡卷卷片从端板升起的固定涡卷和盘旋涡卷相互啮合，从而在它们之间形成压缩腔室，并且，当盘旋涡卷沿着圆形轨道转动并同时通过限制旋转机构限制转动时，所述压缩腔室运动并同时改变其体积，从而进行抽吸、压缩和排放操作，其中所述固定涡卷的涡卷卷片的外壁曲线和所述盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁曲线由基圆半径被定义为“a”的渐开线曲线形成，所述固定涡卷的涡卷卷片的内壁曲线和所述盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁曲线由基圆半径被定义为“b”的渐开线曲线形成，并且基圆半径a和基圆半径b之比的数值a/b被设定为大于1.0并且小于1.5的数值。
根据这个方面，由于比值a/b超过1.0，所以形成于盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁侧上的压缩腔室比形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室压缩得更快，并且可以减小在压缩过程中的泄漏损失。由于比值a/b小于1.5，所以这两个涡卷卷片的厚度不会变得非常薄，因此可以确保涡卷卷片的强度。
根据本发明的第二方面，在第一方面的涡旋压缩机中，所述固定涡卷的涡卷卷片的内壁曲线终止处的渐开角θa和盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁曲线终止的渐开角θb满足关系θb＜θa＜θb+π。
根据这个方面，可以在考虑了在抽吸过程中的热接收损失的影响和在压缩过程中在压缩腔室之间的泄漏损失之间的平衡的同时，优化设计该涡旋压缩机。
根据本发明的第三方面，在第一或第二方面的涡旋压缩机中，基圆半径的圆心位置和基圆半径b的圆心位置相互对准。
根据这个方面，由于可以减少涡卷卷片加工操作的生产步骤的数目，所以可以减小在压缩过程中的泄漏损失，并且可以降低生产成本。
根据本发明的第四方面，在第一或第二方面的涡旋压缩机中，基圆半径的圆心位置和基圆半径b的圆心位置相互分开。
根据这个方面，形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁侧上的压缩腔室比形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室压缩得更快，从而减小了泄漏损失，并且可以改变涡卷的涡卷卷片的厚度。因此，可以自由地调节涡卷卷片的强度。
本发明的第五方面提供了一种涡旋压缩机，其中，涡卷卷片从一端板升起的固定涡卷和盘旋涡卷相互啮合，从而在它们之间形成压缩腔室，并且当盘旋涡卷沿着圆形轨道转动并同时通过限制旋转机构限制转动时，所述压缩腔室运动并同时改变其体积，从而进行抽吸、压缩和排放操作，其中固定涡卷的涡卷卷片的厚度从其中心朝着其外侧增大，并且盘旋涡卷的涡卷卷片的厚度从其中心朝着其外侧减小。
根据这个方面，形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁侧上的压缩腔室比形成在盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁侧上的压缩腔室压缩得更快，并且可以减小在压缩过程中的泄漏损失。
根据本发明的第六方面，在第一至第五方面的任一方面的涡旋压缩机中，制冷剂为高压制冷剂例如二氧化碳。
这样，减小了压力变形，可以有效地防止磨损或异常磨损，并且可以有效减小在压缩腔室之间的泄漏损失。
附图说明
图1为本发明第一实施方案的涡旋压缩机的剖视图；
图2为在该实施方案的涡旋压缩机中的压缩机构的剖视图；
图3为一图表，显示出在该实施方案的涡旋压缩机中压缩腔室的容积相对于转角的变化；
图4为一图表，显示出当本发明第二实施方案的涡旋压缩机的渐开角θa在θb＜θa＜θb+π的范围内变化时压缩腔室的容积相对于转角的变化；
图5为平面图，显示出本发明第三实施方案的涡旋压缩机的涡卷卷片形状；并且
图6为一平面图，显示出传统涡旋压缩机的涡卷主体形状。
具体实施方式
(第一实施方案)
下面将参照这些附图对本发明的实施方案进行说明。本发明并不限于这些实施方案。
图1为本发明第一实施方案的涡旋压缩机的剖视图。与固定涡卷12啮合的盘旋涡卷13夹在通过焊接或冷缩配合固定在容器1中的曲柄轴4的主轴承构件11和用螺栓连接在主轴承构件11上的固定涡卷12之间，由此构成一涡旋压缩机机构2。限制旋转机构14、例如Oldham环设在盘旋涡卷13和主轴承构件11之间。限制旋转机构14引导盘旋涡卷13，以便阻止该盘旋涡卷13的旋转，并且允许它沿着圆形轨道运动。盘旋涡卷13由在曲柄轴4的上端上的主轴部分4a偏心地驱动，由此使得盘旋涡卷13沿着圆形轨道运动。这样，在从压缩腔室15的外周边朝着其中心运动的同时减小了形成在固定涡卷12和盘旋涡卷13之间的压缩腔室。利用这个事实，从与容器1的外面连通的抽吸管16并且从固定涡卷12外周的抽吸口17将制冷气体抽出，压缩该制冷气体以增大其压力，压力变得等于或大于预定值的制冷气体从固定涡卷12的中央部分的排出口18推压簧片阀19，并且将制冷气体排入到容器1中，并且重复上面的动作。
图2为该实施方案的涡旋压缩机的压缩机构的剖视图。固定涡卷12的涡卷卷片12b的外壁曲线和盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁曲线由基圆半径被定义为“a”的渐开线曲线形成。固定涡卷12的涡卷卷片12b的内壁曲线和盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁曲线由基圆半径被定义为“b”的渐开线曲线形成。作为基圆半径a和基圆半径b之比的比值a/b设定为大于1.0。这样，形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁侧上的压缩腔室15b比形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁侧上的涡卷腔室15a压缩得更快。
图3为一图表，显示出在该实施方案的涡旋压缩机中涡卷腔室的容积相对于转角(曲柄轴4的转角)的变化。实线显示出该实施方案的涡旋压缩机(a/b＞1.0)的容积变化，并且虚线显示出传统的不对称涡旋压缩机(a/b＝1.0)的容积变化。在图3中，当转角相同时，在压缩腔室15b和压缩腔室15a之间的容积比的差异与在压缩腔室15b和压缩腔室15a之间的压力差成正比。也就是说，由于容积比的差异在转角相同时更小，所以在压缩腔室15中的泄漏更少。如果将传统的不对称涡旋压缩机与本发明比较，则容积比更小，并且可以发现在压缩腔室15中的泄漏更小。
但是，如果作为基圆半径a和基圆半径b之比的比值a/b设定为1.5或更大，则两个涡卷卷片的厚度变化变得非常大，盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的卷绕末端部分的厚度和固定涡卷12的涡卷卷片12b的卷绕开始部分的厚度变得过薄，因此其强度削弱。为了确保该压缩机的可靠性，必须将比值a/b设定为小于1.5。
如上所述，在该实施方案的涡旋压缩机中，固定涡卷12的涡卷卷片12b的外壁曲线和盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁曲线由基圆半径被定义为“a”的渐开线曲线形成。固定涡卷12的涡卷卷片12b的内壁曲线和盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁曲线由基圆半径被定义为“b”的渐开线曲线形成。作为基圆半径a和基圆半径b之比的比值a/b设定为大于1.0的数值。这样，形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁侧上的压缩腔室15b比形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁侧上的压缩腔室15a压缩得更快，并且可以减小压缩过程中的泄漏损失。
如果比值a/b设定为小于1.5，则由于这两个涡卷卷片的厚度不会变得过薄，因此可以确保涡卷卷片的强度。
在该实施方案的涡旋压缩机中，基圆半径a的圆心位置和基圆半径b的圆心位置相互对准。通过这个结构，可以减少涡卷卷片加工操作的生产步骤的数目。因此，可以降低在压缩过程中的泄漏损失，并且可以降低生产成本。
可选的是，还可以将该涡旋压缩机构造成固定涡卷12的涡卷卷片12b的厚度从其中心朝着外侧增大，并且盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的厚度从其中心朝着外侧(未示出)减小。通过该结构，还与该实施方案一样，形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁侧上的压缩腔室15b比形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁侧上的压缩腔室15a压缩得更快，并且可以减少在压缩过程中的泄漏损失。
在上述涡旋压缩机中，构成其涡卷卷片的曲线不限于渐开线曲线，并且该曲线可以为阿基米得曲线、其半径随着圆的渐开角变化的渐开线曲线等。
(第二实施方案)
图4为一图表，显示出当本发明第二实施方案的涡旋压缩机的渐开角θa在θb＜θa＜θb+π的范围内变化时，压缩腔室的容积相对于转角的变化。图4显示出当固定涡卷12的涡卷卷片12b的内壁曲线终止处的渐开角θa和盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁曲线终止处的渐开角θb在θb＜θa＜θb+π的范围内变化时，压缩腔室15的容积相对于曲柄轴4的转角(转动角)的变化。
这里，提供了其中将固定涡卷12的涡卷卷片12b的内壁曲线的基圆圆心定义为原点的坐标系，并且任意方向定义为渐开角：θ＝0。从前面的方向沿着逆时针方向转动的方向被定义为渐开角的正方向。另外，提供了其中将盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的外壁曲线的基圆圆心定义为原点的坐标系Y。坐标系Y相当于通过使坐标系X转动180°而获得的坐标系。在下面的说明中，在本实施方案的渐开角在固定涡卷12的涡卷卷片12b的曲线的情况中显示出基于坐标系X测量出的角度，并且在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的曲线的情况中显示出基于坐标系Y测量出的角度。
从图4中可以看出，即使在渐开角θb变化的情况下也可以在相同转角的情况下减小容积比的差。也就是说，可以在除了工作流体(制冷剂)的特性之外还考虑了在抽吸过程中的热接收损失的影响和在压缩过程中压缩腔室的滑移损失之间的平衡的同时，优化设计该涡旋压缩机。例如，如果制冷剂具有高密度并且大压力差，可以想到，在压缩过程中在压缩腔室之间的滑移损失的影响大于在抽吸过程中的热接收损失的影响。因此，可以采用这样一种结构，其中使渐开角θa更接近渐开角θb。相反，如果制冷剂具有较低的密度和较小的压力差，则可以采用渐开角θa更接近渐开角θb+π的结构。
(第三实施方案)
图5为平面图，显示出本发明第三实施方案的涡旋压缩机的涡卷卷片形状。在图5中，基圆半径a的圆心位置和基圆半径b的圆心位置彼此分开。这样，形成在盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的内壁侧上的压缩腔室15b比形成在盘旋涡卷13的压缩卷片13b的外壁侧上的压缩腔室15a压缩得更快，并且在保持这个特性的同时，可以改变涡卷卷片的厚度。因此可以自由地调节涡卷卷片的强度。
(第四实施方案)
在本发明的第四实施方案的涡旋压缩机中，制冷剂为高压制冷剂，例如二氧化碳制冷剂(未示出)。该高压制冷剂在压缩过程中在压力腔室15之间具有较大的压力差。因此，可以更加有效地降低滑移损失。在高压制冷剂的情况中，盘旋涡卷13由于该压力差而变形较大，并且产生磨伤或异常磨损，但是在本实施方案的涡旋压缩机中，由于可以增大盘旋涡卷13的涡卷卷片13b的中央部分的厚度，所以可以抑制压力变形，并且有效地防止磨伤和异常磨损。
具有不对称涡卷卷片的涡旋压缩机具有紧凑和简单的结构，并且可以降低在压缩期间的泄漏损失。
工业实用性
如上所述，根据本发明的涡旋压缩机，由于可以降低在压缩过程中的泄漏损失并且可以将涡旋压缩机做得紧凑，所以工作流体不限于制冷剂，并且本发明可以应用于涡卷式流体机械例如空气涡旋压缩机、无油压缩机和涡旋式膨胀机。

Claims (7)

1.一种涡旋压缩机，其中，涡卷卷片从端板升起的固定涡卷和盘旋涡卷相互啮合，从而在它们之间形成压缩腔室，并且，当所述盘旋涡卷沿着圆形轨道转动并同时通过限制旋转机构限制转动时，所述压缩腔室运动并同时改变其体积，从而进行抽吸、压缩和排放操作，其中
所述固定涡卷的涡卷卷片的外壁曲线和所述盘旋涡卷的涡卷卷片的内壁曲线由基圆半径被定义为“a”的渐开线曲线形成，所述固定涡卷的涡卷卷片的内壁曲线和所述盘旋涡卷的涡卷卷片的外壁曲线由基圆半径被定义为“b”的渐开线曲线形成，并且基圆半径a和基圆半径b之比的数值a/b被设定为大于1.0并且小于1.5的数值。
2.如权利要求1所述的涡旋压缩机，其特征在于，所述固定涡卷的所述涡卷卷片的内壁曲线终止处的渐开角θa和所述盘旋涡卷的所述涡卷卷片的内壁曲线终止的渐开角θb满足关系式θb＜θa＜θb+π。
3.如权利要求1或2所述的涡旋压缩机，其特征在于，所述基圆半径a的圆心位置和所述基圆半径b的圆心位置相互重合。
4.如权利要求1或2所述的涡旋压缩机，其特征在于，所述基圆半径a的圆心位置和所述基圆半径b的圆心位置相互分开。
5.如权利要求1至2中任一项所述的涡旋压缩机，其特征在于，制冷剂为二氧化碳。
6.如权利要求3所述的涡旋压缩机，其特征在于，制冷剂为二氧化碳。
7.如权利要求4所述的涡旋压缩机，其特征在于，制冷剂为二氧化碳。
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