CN101008321A

CN101008321A - 改进的具有全方位依从悬浮涡卷的涡卷流体位移装置

Info

Publication number: CN101008321A
Application number: CNA2006101211503A
Authority: CN
Inventors: 倪诗茂
Original assignee: 倪诗茂
Current assignee: Scroll Laboratories Inc
Priority date: 2006-01-26
Filing date: 2006-08-22
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2026-08-22
Also published as: US7467933B2; EP1979617A1; BRPI0621046A2; EP1979617B1; WO2007087098A1; US20070172373A1; JP2009524771A; JP5155882B2; EP1979617A4; BRPI0621046B1; CN101008321B

Abstract

一个中央驱动曲柄轴——滑动关节结合周边曲柄销——摆动连接机构为绕动涡卷提供了径向和轴向依从运动的能力。摆动连接机构既能运用在双悬浮涡卷机构中也能运用于单悬浮涡卷结构中以改进涡卷装置，尤其在无油的环境下工作的效能。此外一个绕动双推力球轴承机构用以在带有摆动连接机构的悬浮涡卷中承受轴向推力。

Description

改进的具有全方位依从悬浮涡卷的涡卷流体位移装置

技术领域

本发明与涡卷型的容积式流体装置有关，更具体地说，本发明是一种具有全方位依从，即轴向和径向依从结构的悬浮式涡卷型流体装置。

背景技术

涡卷式的泵、压缩机和膨胀机是众所周知的机械。这种机械里，两个互相啮合的螺旋型或渐开线型的涡卷元件相互共轭，并分别固定在各自的端板上，分别形成被称为动涡卷和固定涡卷。这二个涡卷元件互相啮合在螺旋式涡卷元件之间，形成线接触。

由一对接触线和二个端板的表面形成了至少一个密封气室。当其中一个涡卷，即动涡卷，作相对于另一个涡卷作相对的轨道运动，即圆形的平动时，在螺旋元件的侧壁上的接触线就会沿着该侧壁移动从而改变该密封气室的容积。该密封气室的容积改变将膨胀或是压缩流体，这完全取决于轨道运动的方向。

美国专利6,758,659，展示了一种全依从的，即具有轴向和径向依从机构的，“悬浮”双涡卷装置。参阅图1，在双绕动涡卷的端板的相反两面各具有螺旋型直立侧壁。在悬浮涡卷里，绕动涡卷在径向和轴向上都在动力学意义上得到很好的平衡。涡卷能做全方位的即轴向和径向的依从运动以保持零件之间的最低限度的接触，这样达到了在高速运动下的良好的密封，较高的工作效率，较低的磨损和功率损耗。一个具有中央曲柄轴——滑动关节和/或周边悬臂曲柄销——周边滑动关节的机构为双绕动涡卷提供了径向依从运动的能力。该发明还引入了同步器，使各周边悬臂曲轴的方位保持同步以防止该机构在运转过程及启动时可能发生的卡死现象。

但是，在周边曲柄销和周边滑动关节之间存在着微小的相对滑动。此一微小滑动在无油润滑的工作环境下会引起较快的磨损。此外，在悬浮涡卷中，尤其在进、排气的压力差较大的情况下，由于轴向的推力所引起的磨损和能耗都需要进一步降低，以提高效率和耐用性。

授予William P.Hidden等人的美国专利4,160,629，展示了非传统型的推动球轴承以利用球珠的滚动效应以承受轴向推力并降低摩擦力。在这些非传统型的推动球轴承中，球珠在相当于涡卷绕动半径的小范围内滚动，因此该轴承不仅使用寿命受到限制，而且在制造技术上相当复杂，造价也高。

发明内容

本发明提供了一个改进的涡卷型流体位移装置，其具有中心驱动曲柄轴——滑动关节与周边曲柄销——摆动连接机构相结合的机构(CSPS结构)为绕动涡卷提供了轴向和径向作依从运动的能力。

在一个实例中，中心驱动曲柄轴的曲轴销中有一个轴向的孔以平衡曲柄销的离心力并可储藏润滑油脂。

在另一个实例中，中心驱动曲柄轴通过双径向球轴承结构来驱动绕动涡卷以保证其中每一个轴承只承受径向载荷以延长轴承寿命。

CSPS结构不仅适用于双悬浮涡卷结构，也适用于单悬浮涡卷结构。

在另一个实例中展示了一个悬浮涡卷装置中绕动双推力球轴承机构以进一步减小由轴向推力引起的磨损和能耗。

本发明提供的改进的具有全方位依从悬浮涡卷的涡卷流体位移装置，其摆动连接机构既能运用在双悬浮涡卷机构中也能运用于单悬浮涡卷结构中以改进涡卷装置，尤其在无油的环境下工作的效能。此外一个绕动双推力球轴承机构用以在带有摆动连接机构的悬浮涡卷中承受轴向推力。

附图说明

图1是背景技术中现存的具有双涡卷结构的全依从悬浮涡卷压缩机的纵剖面图；

图2是基于本发明的具有CSPS机构的双涡卷全依从悬浮涡卷压缩机纵剖面图；

图3是在图2中沿剖切线3-3所作的横剖面图以说明在绕动涡卷上的CSPS机构；

图3A是在图3里圆圈A中的细部放大图；

图4是在图2中沿剖切线4-4所作的横剖面图以说明在固定涡卷上的CSPS机构；

图4A是在图4里圆圈A中的细部放大图；

图5是在图2中沿剖切线5-5所作的放大了的横剖面图，以说明中心驱动曲柄轴——滑动关节机构；

图6是说明周边摆动连接机构的几何关系的示意图；

图7是在图2中沿剖切线7-7所作的横剖面图，以说明同步器，平衡块和背压腔；

图8是一个具有单涡卷结构的涡卷压缩机的实例的纵剖面图。该实例具有CSPS机构和作绕动的唇形密封机构的全依从的悬浮涡卷；

图9是另一个具有单涡卷结构的涡卷压缩机的实例的纵剖面图。该实例具有CSPS机构和作绕动的活塞密封机构的全依从的悬浮涡卷；

图10是再一个具有单涡卷结构的涡卷压缩机的实例的纵剖面图。该实例具有CSPS机构和非绕动的活塞密封机构的全依从的悬浮涡卷；

图11是一个具有单涡卷结构的涡卷膨胀机的实例的纵剖面图。该实例具有一个绕动双推力球轴承机构和准径向依从和全轴向依从的CSPS机构的浮动涡卷；

图12是在图11中沿剖切线12-12所作的放大了的横剖面图，以说明绕动双推力球轴承结构；

图12A是在图12中沿剖切线A-A所作的绕动双推力球轴承结构的横剖面图；

图13是在图11中沿剖切线13-13所作的横剖面图，以说明准径向依从机构；

图14是一个具有单涡卷结构的涡卷式空压机的实例纵剖面图。该实例具有多个绕动双推力球轴机构和准径向依从和准轴向依从的CSPS机构的浮动涡卷；

图15是在图14中沿剖切线15-15所作的横剖面的立体图，以说明多个绕动双推力球轴承结构；

图16是在图14中沿剖切线16-16所作的横剖面的立体图，以说明多个绕动双推力球轴承机构。

具体实施方式

参看图2，它描述了一个具有CSPS机构的全方位依从的悬浮双涡卷型空气压缩机。压缩机10包括了一个前机壳20和后机壳21。中央驱动曲柄轴40由中央轴41和曲轴销42组成。中央轴41由曲柄轴轴承33和34支持，在马达35驱动下绕轴线S1-S1转动。轴封22将在中心气室82中的高压气体密封，而与周围环境相分离。轴向孔43位于曲轴销42的中部，用于平衡曲轴销42当中心曲柄轴40绕轴心线S1-S1转动时所产生的离心力。轴向孔43还可以储藏润滑油脂。这些油脂可以通过小孔44a和44b逐渐释出以分别润滑曲轴销42的驱动面191及中央驱动关节64和64′的被驱动滑动面192和192′(191和192请参看图3和5，192′未画出)。堵头45将油脂封在轴向孔43内。前固定涡卷50(也称为第一固定涡卷)具有一个端板51，涡卷元件52由此端板延伸而出。在端板51的中部有一孔53，内装轴封22。中央驱动曲柄轴40由孔53中穿过，以驱动前绕动涡卷60(也称为第一绕动涡卷)和后绕动涡卷60′(也称为第二绕动涡卷)。

前、后绕动涡卷60和60′分别具有一个端板61和61′，涡卷元件62和62′分别由相应端板的相反方向延伸而出。上述端板61和61′的中央部分分别具有轴承座63和63′。轴承座63和63′中分别装有260和261以及260′和261′。前绕动涡卷由前端板61，前涡卷元件62和前轴承座63所组成，后绕动涡卷由后端板61′，后涡卷元件62′和后轴承座63′所组成。前后绕动涡卷背靠背安装，并被称为双涡卷结构。前后绕动涡卷一起作绕动运动，并能在运行中彼此作相对运动。

后固定涡卷70(也称为第二固定涡卷)具有端板71，涡卷元件72由其前端延伸而出。在运行中，涡卷元件52与62之间以及62′与72之间分别互相啮合，并保持180°的相位角位移和等于绕动半径Ror的径向位移。在涡卷元件52和62以及端板51和61之间至少形成一个密封气室。在涡卷元件62′和72以及端板61′和71之间也是同样。

工作流体由后机壳21上的进气口80和进气通道81和81′进入压缩机10。如图2所示进气通道81和81′形成于前机壳20、后机壳21和涡卷之间。前后绕动涡卷的中心气室82和82′通过轴承座63上的小孔65(见图3、4和5)和轴承座63′上的小孔65′(未画出)以及驱动关节64和64′与曲轴销42之间的通道和气压室83相互连通。工作流体进入进气通道81和81′后被吸入在涡卷之间所形成的压缩气室，并由于涡卷的轨道运动而被压缩，最后由通道82，83，82′和位于后固定涡卷的端板71的中部的排气口84排出。

图2至7图示了绕动涡卷60和60′运动至垂直方向的最高位置。

参看图2-5，中央驱动曲柄轴40的曲轴销42分别通过位于动涡卷60和60′中部的中央驱动关节64和64′，以及曲轴销轴承260，261，260′和261′，从而分别驱动动涡卷60和60′。

中央驱动关节64和64′的中心线S2-S2与中央驱动曲柄轴40的中心线S1-S1之间的距离就是绕动涡卷60和60′所作的轨道运动的绕动半径，Ror。每一个绕动涡卷使用二个径向球轴承把驱动关节的转动与绕动涡卷的轨道运动耦合起来。前绕动涡卷60使用轴承260和261，而后绕动涡卷60′则使用轴承260′和261′。这个双球轴承结构保证了每一个轴承，即260，261，260′和261′都只承受径向负载以提高轴承的寿命。参看图2和3，在绕动涡卷60和60′的周边，有三对均匀分布的周边延伸部。它们分别是由端板61延伸出的160a，160b和160c以及由端板61′延伸出的160′a，160′b和160′c(图2显示了160a和160′a，图3显示了160a，160b和160c)。参照图2和图4，在前后固定涡卷50和60的周边有三对均匀分布的从前后机壳20和21分别延伸出来的周边延伸部，即从前机壳20延伸出来的周边延伸部150a，150b和150c以及从后机壳21延伸出来的170a，170b和170c(图2显示了150a和170a，图4显示了150a，150b和150c)。

参看图2至7，下面将解释中心驱动轴——滑动关节结合周边曲柄销一摆动连接机构(即CSPS机构)的径向依从作用。为简洁起见，我们只对前后机壳20和21的三对周边延伸部之一的150a和170a以及前后绕动涡卷60和60′的三对周边延伸部之一的160a和160’a作详细说明。其余周边延伸部的作用与上述的是一样的，故不一一赘述。

参看图2和4，前后机壳20和21的周边延伸部150a和170a分别具有轴承孔151a和171a以分别装置前、后周边固定曲柄轴承152a和172a。堵头54和74分别将轴承孔151a和171a与外界密封。前后周边固定曲柄153a和173a分别固定在周边固定曲柄轴承152a和172a的内孔，并能绕轴心线S1a-S1a一齐旋转。周边曲柄销164a的前后端分别固定在前后周边固定曲柄153a和173a的偏心孔155a和175a内。

参看图2和3，前后绕动涡卷60和60′的周边延伸部160a和160′a分别具有轴承孔161a和161′a，其中分别装置有前、后绕动曲柄关节轴承162a和162′a。前、后绕动曲柄关节163a和163′a被分别固定在前、后绕动曲柄关节轴承162a和162′a的内孔里，并能绕轴心线S2a-S2a一齐转动。前、后绕动曲柄关节163a和163′a分别具有偏心孔165a和165′a，周边曲柄销164a可滑动地穿过这两个偏心孔。周边曲柄销164a与偏心孔165a和165′a具有滑动配合。图6则描述了周边固定曲柄153a和绕动曲柄关节163a以及它们偏心孔的几何关系。参看图5，当前、后绕动涡卷60和60′运动至其最高的垂直位置时，驱动关节64的被驱动滑动面192以及中心驱动曲轴销42的驱动面191相对于垂直线，即中央驱动曲柄轴中心(S1)和绕动涡卷60的中心(S2)的连线S1-S2形成一个斜劈角α，例如20°，驱动关节64中有一槽孔190。平衡块90和91分别固定在驱动关节64的两端(见图2和7)。平衡块90和91用以平衡前绕动涡卷60及其附着零件例如轴承，驱动关节等作绕动运动时所产生的离心力。回到图5，驱动曲轴销42位于槽孔190之内。槽孔190比曲轴销42略长也略宽。当曲轴销42如箭头B所示作反时针转动时，曲轴销42的驱动面191以推力Fn推动驱动关节64的被驱动滑动面192。法向力Fn垂直于被驱动滑动面192。切向力Ft平行于被驱动滑动面192。合力F，法向力Fn和切向力Ft有着下列的关系：

F = \sqrt{F_{t}^{2} + F_{n}^{2}}

F_t＝F_n·TAN(α)

参看图2至6，合力F推动绕动涡卷60向箭头B所指方向运动，而切向力Ft则通过驱动关节64，驱动轴承260和261以及涡卷轴承座63推动绕动涡卷60沿箭头C向滑向前固定涡卷50。当绕动涡卷60向箭头B向运动时，其周边延伸部160a，160b和160c通过相应的绕动曲柄关节轴承162a，162b和162c以推力Fa，Fb和Fc分别推动相应的绕动曲柄关节163a，163b和163c。绕动曲柄关节163a在推力Fa的作用下会绕周边曲柄销164a作顺时针方向摆动。同理，绕动曲柄关节163a，163b和163c能够一齐使前绕动涡卷60分别绕着周边曲柄销164a，164b和164c作顺时针的摆动，直至偏置涡卷，即前绕动涡卷60的螺旋侧壁与非偏置涡卷，即前固定涡卷50的螺旋侧壁相接触。以上的描述，也适用于后绕动涡卷60′及相关零件。这就是所谓的具有中心驱动曲柄轴——滑动关节结合周边曲柄销——摆动连接机构(CSPS机构)的径向依从作用。CSPS机构能使前、后绕动涡卷60和60′作非转动的轨道运动及径向依从运动。

参看图2和7，为了使绕动曲柄关节保持同步，同步器170通过同步器轴承171a，171b和171c与周边曲柄销164a，164b和164c相连。同步器170作与绕动涡卷相似的轨道运动，同时又将三个周边曲柄销保持一个三角形的位置关系，即保持同步，这样使得三条分别连接周边固定曲柄的旋转中心，S1a，S1b和S1c，与相应的绕动周边曲柄关节的旋转中心，S2a，S2b和S2c的连线，S1a-S2a(见图6)，S1b-S2b和S1c-S2c在任何时刻都保持平行。在运行中，连线S1a-S2a，S1b-S2b和S1c-S2c保持同步，同时前、后绕动涡卷60和60′相对于三个周边曲柄销作摆动直至前后绕动涡卷的涡卷元件62和62′的侧壁分别与前后固定涡卷的涡卷元件52和72的侧壁保持轻微的接触以得到压缩气室之间的切向密封。离心力的总体平衡是通过其他的平衡块来达到，其方法是传统性的因而不在此详述。

参看图2和7，CSPS机构的轴向依从作用将在下面叙述。一个压力气室83位于前后绕动涡卷60和60′的端板61和61′之间。压力气室的密封件68，例如唇形密封件，四方密封件及其他等等将压力气室83密封而与空气通道81和81′及其他吸气区域相隔开。

在启动时刻，压力室密封件68的弹性预紧力将前、后绕动涡卷推向各自相应的前后固定涡卷以得到配对涡卷的顶底面之间的轻微接触。压力气室83通过绕动涡卷的轴承座63上的通道65(见图3和5)以及驱动曲轴销42与驱动关节64上的槽孔190之间的通道而与中心气室82相连接。与之相似，压力气室83也与中心气室82′相连通。压力气室83的直径的大小，应使由处于排气压力的气体作用在压力气室83中绕动涡卷60和60′的背部的力，应分别大于被压缩气体作用在绕动涡卷正面的顶面和底面的气体的轴向分离力。

轴向的合力推动前、后绕动涡卷分别沿轴向移向相应的固定涡卷以达到6对相应的接触表面的轻微接触。其中两对是两个绕动涡卷的顶面与相应的固定涡卷的端板的底面相接触。另外两对则是前、后固定涡卷的顶面与相应的绕动涡卷端板的底面相接触。剩下的两对接触表面则分别是前、后机壳20和21的推力支承面59和79对前、后绕动涡卷的反推力支承面69和69′的接触。推力支承面59和79分别支承反推力支承面69和69′，以避免绕动涡卷在运行中可能的晃动。

上述的六对面接触在运行的早期阶段并不一定能同时都实现。但是，在一定的磨合期后，这六对轻微的面接触会同时保持。这个轴向的依从机构能使涡卷之间的压缩气室得到良好的径向密封并能使涡卷之间轴向磨损减至最小并能自动补偿。在过去的专利中所揭示的各种轴向依从机构中有不少可以引用至本发明中来。

CSPS机构也可以用于单悬浮涡卷的结构。图8展示了一个具有CSPS机构的单悬浮涡卷压缩机。在一个单悬浮涡卷结构中的CSPS机构可以看作是半个在双悬浮涡卷结构中的CSPS机构。所不同的是压力气室的密封件68(见图2)在双悬浮涡卷结构中是静力密封件而在单悬浮涡卷结构中被动力密封件所取代(图8中的密封件68)。

参看图8，压缩机10包括一个主机壳20，底座机壳70，全密封型的马达35，中央驱动曲柄轴40，固定涡卷50和绕动涡卷60。中央驱动曲柄轴40由中央轴41和曲柄轴42组成。中央轴41由轴承33和34所支承，当由全密封马达35驱动时可绕其轴心S1-S1转动。轴向孔43位于曲轴销42的中心，用于平衡曲轴销在绕轴心线S1-S1转动时所产生的离心力。孔43也可以储藏润滑油脂，逐渐释出以润滑曲轴销42和驱动关节的接触面。堵头45将油脂封在孔43内。

固定涡卷50具有端板51，涡卷元件52由此端板延伸而出。

绕动涡卷60具有一个圆形端板61，涡卷元件62固定其上并由此延伸而出，以及在端板61中心部分的绕动轴承座63。曲轴销轴承260和261位于轴承座63内，并能绕其中心线S2-S2作转动。在运行中涡卷元件52和62之间相互啮合并保持180°的角位移和等于绕动半径Ror的径向位移。这样在涡卷元件52和62以及涡卷端板51和61之间至少形成一个密封的气室。

工作流体，例如空气，由主机壳20上的吸气口(未画出)进入吸气通道81。吸气通道81位于主机壳20和涡卷之间。中央气室82位于绕动涡卷60和固定涡卷50的中部，并通过中央驱动关节64与曲轴销42之间的空气通道84，与位于绕动涡卷端板背面与底座机壳70之间的压力气室83相连通。进入吸气通道81的工作流体被吸入在涡卷之间形成的压力气室，并在动涡卷的绕动运动中被压缩，并最终到达中央气室82。然后通过位于固定涡卷50之端板51的中央部位的排气口85而排出。

中央驱动曲柄轴40的曲轴销42通过中央驱动关节64和曲轴销轴承260和261从而驱动绕动涡卷60。绕动涡卷60使用两个径向球轴承接260和261来把驱动关节64的转动与绕动涡卷的轨道运动耦合起来。在绕动涡卷的端板61的周边有近乎均布的三个周边部分160a，160b和160c(160b和160c未画出)。图8中展示的绕动涡卷60正处于垂直方向的最高位置。在底座机壳70的周边有分别与绕动涡卷底板61上周边部分160a，160b和160c相应的三个周边部分170a，170b和170c(170b和170c未画出)。在底座机壳周边部分170a，170b和170c上分别有轴承孔171a，171b和171c(171b和171c未画出)。为简明起见，下面只对160a和170a以及与之相关的零件作详细叙述。固定曲柄172a由轴承173a和174a支承并绕其中心线S1a-S1a转动。曲柄销175a固定在固定曲柄172a的偏心孔176a中。

在绕动涡卷的周边部分160a中有一个轴承孔161a，其中装有绕动曲柄关节轴承162a。绕动曲柄关节163a固定在绕动曲柄关节轴承162a的内孔之中并能绕其轴线S2a-S2a转动。绕动曲柄关节163a有一个偏心孔166a，周边曲柄销175a可滑动地穿过其中。固定曲柄和绕动曲柄关节及其偏心距的几何关系可以参看图6而帮助理解。在单悬浮涡卷结构中的CSPS机构提供径向依从作用的原理与其在双悬浮涡卷结构中是完全一样的，而后者已在上文作了详尽叙述。同步器177在单悬浮涡卷结构中的功能也与其在双悬浮涡卷结构中一样。

下文将对单悬浮涡卷结构具有唇形密封件机构的CSPS机构的轴向依从作用作一说明。密封元件68，例如唇形密封环，四方密封圈，或者其他密封件将压力气室83与进气通道81及吸气区域密封区隔。在起动的时候，密封件68的弹性预紧力将绕动涡卷60推向固定涡卷50以保持相啮合的涡卷的顶-底面之间的轻微的接触。在运行中，压力气室83充满了处于排气压力的高压气体。密封件68的直径尺寸的选定，要使在压力气室中的高压气体作用在绕动涡卷60的背面的力加上由密封件68所施加的预紧力会略微超过由被压缩气体在绕动涡卷顶面和底面施加的轴向分离力。此轴向的合力将绕动涡卷60沿轴向推向固定涡卷50以得到啮合涡卷的顶-底面的轻微接触。这一轴向依从机构使得压缩气室之间保持良好的径向密封，并使绕动涡卷和固定涡卷之间的磨损降到最低并能对磨损进行自动补偿。

单悬浮涡卷机构的第二和第三个实例基本上与第一实例是一样的。其区别在于压力气室83的密封机构。

参看图9，在第二实例中压力气室的密封机构包括一个绕动的移动活塞68，“O”型密封圈71和弹簧72。绕动的移动活塞68，被弹簧72推动，并受到压力气室中处于排气压力的空气的压力在与绕动涡卷60一起作轨道运动的同时能够沿轴向与底座机壳70的密封面73接触。这一机构能将压力气室83与吸气区域81密封隔开。绕动的移动活塞68能对磨损进行自动补偿从而延长了它的使用寿命。

图10展示了一个具有原地移动活塞机构的单悬浮的CSPS机构的第三实例。其压力气室的密封元件包括一个移动活塞71，“O”形密封圈72。移动活塞71是原地的而不是像第一和第二实例中那样跟绕动涡卷60一起作轨道运动。移动活塞71的密封面73被“O”形圈72所推动保持与绕动涡卷端板61的密封面65在运行中的轻微的密封接触。此一机构将压力气室83与吸气区域81密封隔开。活塞71能对磨损进行自动补偿，从而延长了密封机构的寿命。

悬浮涡卷装置中由轴向力引起的磨损及摩擦功率损失，特别在吸气和排气的压力差较大的情况下需要进一步降低以改进其能量效率和可靠性。单悬浮涡卷装置的第四个实例——一个膨胀机展示在图11中。该图展示了一个绕动双推力球轴承结构用以承受作用在一个具有准径向依从的CSPS机构的绕动涡卷上的轴向推力。

参看图11，膨胀机10具有一个主机壳20，尾机壳21，底座机壳70，中央驱动轴40，固定涡卷50和绕动涡卷60。中央驱动曲柄轴40由中央轴41和曲轴销42组成。中央轴41由轴承33和34所支承，并能绕其轴线S1-S1转动。固定涡卷50具有端板51及由其上延伸的涡卷元件52。绕动涡卷60具有圆形端板61，端板上固定及延伸出涡卷元件62，在端板61的中部固定并延伸出绕动轴承座63。绕动轴承座63中装有曲轴销轴承260和261。在运行中涡卷元件52和62相互啮合并保持180°角位移和等于绕动半径Ror的径向位移。在涡卷元件52和62及端板51和61之间形成了至少一个密封气室。

工作流体由尾机壳21上的进气口80进入膨胀机10，然后通过进气通道81，气室82，进气道83和84进入中央气室85。中央气室85位于涡卷元件52和62的中央部分。中央气室85与位于绕动端板61和底座机壳70之间的中央压力气室87a之间的连通是通过驱动关节64和曲轴销42之间的通道86来实现。进入中央气室85的工作流体在绕动涡卷作轨道运动时通过在涡卷之间形成的膨胀气室而逐步膨胀，最终到达排气区域88并通过在主机壳20上的排气口89而排出机外。

当工作流体逐步膨胀，绕动涡卷60通曲轴销轴承260和261以及驱动关64推动中央驱动曲柄轴40的曲轴销42作转动。驱动关节的中心轴线S2-S2对于中央驱动曲柄轴40的中心线是S1-S1有一个距离Ror。此一距离即是绕动涡卷作轨道运动时的绕动半径。在绕动涡卷的端板61上有三个近于均布的周边部分160a，160b和160c(160b和160c未画出)。

图11中展示了绕动涡卷60运动至垂直方向的最高点位置。在底座机壳70的周边有三个与绕动涡卷端板上的三个周边部分相对应的周边部分170a，170b和170c(170b和170c未画出)。三个固定曲柄销轴承孔171a，171b和171c(171b和171c未画出)分别位于三个周边部分170a，170b和170c。为简洁起见，这里只对160a和170a以及相关零件作详细描述。

在绕动周边部分160a中有一个绕动曲柄关节轴承孔161a，内装绕动曲柄关节轴承162a。固定曲柄销175a从固定曲柄173上延伸而出。固定曲柄轴承172a和174a装在固定曲柄轴承孔171a内。固定曲柄173a由固定曲柄轴承172a和174a支承并能旋转。固定曲柄销175a的中心轴线S2a-S2a与固定曲柄173a的中心轴线S1a-S1a之间有一个等于绕动半径Ror的距离。

图13是图11中沿剖切线13-13所作的横剖面的放大视图。参看图13，固定曲柄销175a与绕动曲柄关节轴承162a的内孔有一个较松的配合，其径向间隙为d。d的大小约在0.01-0.10毫米之间。间隙d，再加上绕动曲柄关节轴承162a的径向游隙就使得绕动涡卷60，在离心力以及由前面解释过的CSPS机构中曲轴销42的斜劈角在运行中产生的径向力的作用下能沿径向向定涡卷50移动直至涡卷的螺旋侧壁互相接触。当在运行中，涡卷的螺旋侧壁逐渐磨损，本发明中的准径向依从机构使得绕动涡卷60得以在径向移动以继续保持涡卷的螺旋侧壁之间的接触。绕动涡卷径向的最大移动量，或者说绕动半径的最大值是受到间隙d和绕动曲柄关节轴承162a的径向游隙的限制。因此这种带有限制的径向依从机构被叫做准径向依从机构。

回到图11，在绕动端板61的背后有三个唇形密封件68a，68b和68c，它们在绕动端板的背后和底座机壳之间分别形成了三个压力气室87a，87b和87c。压力气室87a通过通道86与处于进气压力的中央气室85相通。压力气室87b和87c分别通过通气孔69a和69b与其压力处于进气压力和排气压力之间的膨胀气室相通。在膨胀机启动阶段密封件68a，68b和68c的弹性力作为预紧力推动绕动涡卷60移向固定涡卷50以保持啮合的涡卷的顶、底面的轻微接触。密封件68a，68b和68c的直径之选择，也就是压力气室87a，87b和87c的受力面积之选择应能使各种压力作用在绕动涡卷背后的轴向密封合力Ft总是能超过在膨胀过程中气体作用在绕动涡卷的顶、底面的分离力的合力Fs。轴向密封合力Ft与轴向分离合力Fs之差就是轴向净推力Fnet。

参看图11，12和12A，下面来解释绕动双推力球轴承的工作原理。一个绕动双推力球轴承由绕动推力球轴承262和固定推力球轴承263所组成。它们二者都是熟知的普通推力球轴承。在此机构里，固定推力球轴承263的固定静圈263a固定在固定涡卷50的端板51上的轴承座53上。固定转动圈263b松弛地装在轴承座53内，并能自由地绕轴线S1-S1旋转。绕动推力球轴承262的静圈262a固定在绕动涡卷60的轴承座63上。绕动转动圈262b松弛地装在轴承座63内，并能自由地绕轴线S2-S2旋转。

在运行中当绕动涡卷60与绕动静圈262a及绕动转动圈262b一起围绕轴线S1-S1作轨道运动时，绕动转动圈262b以及固定转动圈263b分别绕轴线S2-S2和S1-S1就如同普通的推力球轴承那样作转动。轴向净推力Fnet就作用在绕动静圈262a，传到绕动转动圈262b，再传到固定转动圈263b最后传给固定静圈263a。但是在绕动转动圈262b和固定转动圈263b之间存在着微小的径向相对运动以适应绕动涡卷60在运行中的径向的微小运动。

如果需要的话，可以在转动圈262b和263b之间装有具有自润滑作用的垫圈264。垫圈264有二个功能：一是减小转动圈262b和263b作径向微小的相对运动时的磨擦力，二是调整绕动双推力球轴承机构的轴向尺寸。绕动推力球轴承262的润滑脂保持器265固定在绕动静圈262a内孔里，而与绕动转动圈262b有宽松的配合，能在运行中将润滑脂保持在绕动推力球轴承262里。固定推力球轴承263的润滑脂保持器266的结构和工作原理与上述润滑脂保持器265相同。润滑脂保持器可以有许多不同的型式，只要它们能达到把润滑脂在运行中保存在推力球轴承里就行。

在运行的最初一段时间里，推力球轴承262和263也许承受，也许不承受轴向的净推力Fnet。适当选择垫圈264以及双轴向推力球轴承的轴向尺寸使得在开始时，或涡卷的顶-底面磨合的一个短时间后，推力球轴承262和263能够承担起作用在绕动涡卷60上的轴向净推力Fnet以降低摩擦损失和磨损。

图14展示了用作空气压缩机的单悬浮涡卷装置作为第五个应用实例，该实例中具有多个绕动双推力球轴承机构以承受绕动涡卷的轴向负荷并具有准径向和准轴向依从的CSPS机构。

参看图14，空气压缩机10具有主机壳20，底座机壳21，尾机壳22，中央驱动曲柄轴40，固定涡卷50和绕动涡卷60。中央驱动曲柄轴40由中央轴41和曲轴销42组成。中央轴由轴承33和34支承并能绕其轴心线S1-S1转动。固定涡卷50具有端板51和由端板延伸而出的涡卷元件52。绕动涡卷60具有一个圆形端板61，固定在此端板上并由端板延伸而出的涡卷元件62，以及固定在端板中央部位并由端板延伸而出的绕动轴承座63。曲轴销轴承260固定在轴承座63内。在运行中，固定涡卷元件52及绕动涡卷元件62保持180°的角位移并在径向保持有一个距离即绕动半径Ror。在涡卷52和62及端板51和61之间至少形成了一个密封气室。

工作流体由主机壳20上的进气口(图上未画出)进入吸气通道81，然后通过在涡卷之间形成的压缩气室，在涡卷作轨道运动中受到压缩，然到达中央气室82，再通过排气孔83，舌簧阀84，排气室85，及后机壳22上的排气口86排出机外。滑动关节64，曲轴销轴承260，曲轴销42及周边曲柄销-摆动连接机构160a等，即所谓的CSPS机构，所起的准径向依从机构与我们在上述第四个应用实例(参看图11)所描述的是一样的。

我们要着重说明一下多组绕动双推力球轴承机构。参看图14，15和16，此一多组绕动双推力球轴承机构由6组双推力球轴承所组成。每一组绕动双推力球轴承包括有一个固定推力球轴承和一个绕动推力球轴承。固定推力球轴承包括有固定静圈，例如263a，固定转动圈，例如263b和一个球面垫圈263c。绕动推力球轴承包括有静圈，例如262a和转动圈，例如262b。每一组绕动双推力球轴承的工作原理与应用实例4中所描述的是完全一样的。使用多组绕动双推力球轴承的目的是平衡在绕动涡卷作轨道运动中可能产生的晃动。每一个推力球轴承都可具有一个润滑脂保持器，以便在运行时保持润滑脂。这样的多组绕动双推力球轴承机构可以使绕动涡卷在无油的工作环境下能承受较大的轴向推力而又降低摩擦损失。

以上所描述的是本发明的优先实例。那些在本行业素有训练者可能发现其他一些无论是在结构上、安排上、组成上或其他类似的变种，但其变化并没有脱离本发明的范畴。本发明应由下述的权利要求所定义。在下述权利要求的意义上引伸出来的所有装置以及(或是)方法，无论它们是在严格字面上的或是等价意义上的都应被包括在本发明中。

Claims

1.一种容积式流体位移装置，其特征在于，包括：

至少一个绕动涡卷，具有第一端板，在第一端板的基面上固定连接着第一螺旋型的侧壁，第一端板上有三个基本均布的周边部分；

至少一个固定涡卷，具有第二端板，在第二端板的基面上固定连接着第二螺旋型的侧壁，所述的第二螺旋型侧壁与所述的绕动涡卷的第一螺旋型侧壁互相啮合，当所述的绕动涡卷相对于所述的固定涡卷作轨道运动时，所述的互相啮合的螺旋型的侧壁与所述的第一端板及第二端板的基面形成了可移动的，能改变容积的气室及工作流体的高压和低压区域；

一个旋转驱动轴，能够驱动所述的绕动涡卷，使之作相对于所述的固定涡卷的轨道运动；

机壳，所述的机壳支持所述的固定涡卷，机壳的中央部分支承所述的旋转驱动轴，该机壳具有三个周边部分，与上述绕动涡卷的第一端板上的三个周边部分相对应；

三个基本均布的周边曲柄，各由所述的机壳的相应的三个周边部分之一支承，并能旋转；

径向依从的连接机构，通过一个滑动关节把所述的旋转驱动轴与所述的绕动涡卷连接，并通过摆动连接机构把所述的周边曲柄和所述的绕动涡卷的第一端板的周边部分相连，以保持预先设定的所述的各涡卷之间的角相位关系，并使上述绕动涡卷能沿径向摆动，以影响所述的螺旋侧壁之间的切向的密封性，使得所述的绕动涡卷在被驱动时，造成螺旋侧壁之间的移动的线接触。

2.如权利要求1所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的绕动涡卷的第一端板的背面形成至少一个压力气室，当此压力气室中引入压力流体时，所述绕动涡卷被推向上述的固定涡卷。

3.如权利要求1所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的机壳具有一个主机壳以支持上述的固定涡卷，一个底座机壳以支持上述的驱动轴并具有与上述绕动涡卷的第一端板的周边部分相对应的三个周边部分。

4.如权利要求1所述的容积式流体位移装置，其特征在于，其中：

所述的驱动轴在其一端延伸出一个曲轴销，所述的曲轴销具有一个轴向孔以平衡在上述驱动轴转动时，所述的曲轴销产生的离心力；

所述的绕动涡卷的上述的第一端板的中部具有一个轴承座；

所述的滑动关节由两个在所述的绕动涡卷的轴承座中的沿轴向布置的轴承所支持，所述的滑动关节由所述的驱动轴的曲轴销所驱动并随之旋转，所述的滑动关节能够同所述的轴承座和所述的两个轴承一起作相对于上述曲轴销的径向滑动，以影响所述的螺旋侧壁之间切向的密封性，使得所述的绕动涡卷在被驱动时造成螺旋侧壁之间的移动的线接触。

5.如权利要求1所述的容积式流体位移装置，其特征在于，其中：

在所述的每一个周边曲柄的端头有一个周边曲柄销；

所述的径向依从连接机构还具有三个曲柄关节分别可旋转地装在所述绕动涡卷的第一端板的三个周边部分，并被所述的曲柄销所驱动并随之一同旋转，所述的曲柄关节能够同所述的绕动涡卷的周边部分一齐做分别相对于曲柄销的径向的摆动，以影响所述的螺旋侧壁之间的移动的线接触。

6.如权利要求5所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的滑动关节和所述的曲柄关节能与所述的绕动涡卷一齐作分别相对于所述的驱动轴和曲柄销的轴向的滑动。

7.如权利要求1所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，具有一个同步器使所述的周边曲柄保持同步，这样就使在垂直于所述的驱动轴的平面内，分别通过周边曲柄的中心并与绕动涡卷的轨道运动方向相垂直的直线在运行中始终保持平行。

8.如权利要求2所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，在所述的绕动涡卷的第一端板上装置有一个密封件把上述的压力气室与不同的压力区密封地区分开来。

9.如权利要求8所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的密封件是带有密封唇边的密封环。

10.如权利要求8所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的密封件由一个可轴向移动的活塞和密封元件所组成把上述的压力气室与不同的压力区密封地区分开来。

11.如权利要求2所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的绕动涡卷的密封面与所述的机壳的密封面作滑动的接触，以将所述的压力气室与不同压力区密封性地分开。

12.如权利要求2所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的绕动涡卷的密封面与一个可移动地附着于所述的机壳的密封件的密封表面作滑动的接触，以将所述的压力气室与不同压力区密封性地分开。

13.如权利要求12所述的容积式流体位移装置中，其特征在于，所述的密封件由一个移动活塞和一个密封元件所组成，当所述的移动活塞的密封面与所述的绕动涡卷的密封面作滑动的接触，以实现将所述的压力气室与不同压力区密封性地分开。

14.一个绕动双推力球轴承机构，其由二个推力球轴承组成，其特征在于，包括：

一个固定推力球轴承，具有第一静圈，能绕自身轴线转动的第一转动圈，及位于上述第一静圈和第一转动圈之间的第一滚珠和第一滚珠保持器：

一个绕动推力球轴承，具有第二静圈，能绕自身轴线转动的第二转动圈，及位于上述第二静圈和第二转动圈之间的第二滚珠和第二滚珠保持器；

所述的第二静圈能相对于所述的第一静圈作轨道运动；

所述的第一和第二转动圈有背靠背的接触，并能彼此之间作相对滑动，以及

所述的固定推力球轴承和绕动推力球轴承能够承受轴向推力，此一推力可由上述的第二静圈传给上述的第二滚珠，再传给所述的第二转动圈，然后再传给所述的第一转动圈，然后再传给所述的第一滚珠，最终传给所述的第一静圈，也能完全调转方向传递轴向推力。

15.如权利要求14所述的绕动双推力球轴承机构，其特征在于，其包括一个固定在上述的固定推力球轴承上的固定润滑油脂保持器，和一个固定在上述的绕动推力球轴承上的绕动润滑油脂保持器。

16.如权利要求15所述的绕动双推力球轴承机构，其特征在于，所述的固定润滑油脂保持器是一个固定在所述的第一静圈内孔里的并与所述的第一转动圈的内孔有间隙的圆筒，以及所述的绕动润滑油脂保持器是一个固定在所述的第二静圈内孔里并与所述的第二转动圈的内孔有间隙的圆筒，所述的固定和绕动润滑油脂保持器能分别将润滑油脂保持在所述的固定和绕动推力球轴承内。

17.如权利要求14所述的绕动双推力球轴承机构，其特征在于，还包含一个位于所述的第一和第二转动圈之间的垫片，以减少上述第一和第二转动圈之间相对滑动时的摩擦力，并可调整上述绕动双推力球轴承机构的轴向尺寸。

18.一种容积式流体位移装置，其特征在于，包括：

机壳，所述的机壳支持所述的固定涡卷，机壳的中央部分支承所述的旋转驱动轴，该机壳具有三个周边部分，与所述的绕动涡卷的第一端板上的三个周边部分相对应；

至少一个绕动双推力球轴承机构，包括有一个固定推力球轴承和一个绕动推力球轴承；

所述的固定推力球轴承具有一个第一静圈，其与所述的流体位移装置的静止部分相固定连接，一个能够绕自身轴线转动的第一转动圈，及位于所述的第一静圈和第一转动圈之间的第一滚珠和第一滚珠保持器；

所述的绕动推力球轴承具有一个与所述的绕动涡卷相固定连接的第二静圈，一个能绕自身轴线转动的第二转动圈，及位于所述的第二静圈和第二转动圈之间的第二滚珠和第二滚珠保持器；

所述的固定推力球轴承和绕动推力球轴承能够承受轴向推力，此一推力可由所述的第二静圈传给所述的第二滚珠，再传给所述的第二转动圈，然后再传给所述的第一转动圈，接着再传给所述的第一滚珠，最终传给所述的第一静圈，也能完全调转方向传递推向推力。

19.如权利要求18所述的容积式流体位移装置，其特征在于，还包含：

3个曲柄，每一个所述的曲柄由相应的机壳的周边部分之一支承并能转动；

径向依从的连接机构，通过一个滑动关节把上述旋转驱动轴与所述的绕动涡卷连接，并通过摆动连接机构把所述的周边曲柄和所述的绕动涡卷的第一端板的周边部分相连，以保持预先设定的所述各涡卷之间的角相位关系，并使所述的绕动涡卷能沿径向摆动，以影响所述的螺旋侧壁之间的切向的密封性，使得所述的绕动涡卷在被驱动时，造成螺旋侧壁之间的移动的线接触。

20.如权利要求18所述的容积式流体位移装置，其特征在于，还包含多个所述的绕动双推力球轴承机构，共同承担作用在上述绕动涡卷的轴向推力并平衡使上述绕动涡卷晃动的力矩。