CN101294564B - 球墨铸铁涡旋压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡旋构件，具有基座和通常螺旋型涡旋齿，所述涡旋齿从基座延伸出从而限定出部分压缩腔。该涡旋构件由包括具有石墨球的微观结构的铸铁材料制成。

Description

球墨铸铁涡旋压缩机

技术领域

本申请涉及涡旋压缩机，更特别是涉及一种具有改进的强度和耐久性的涡旋压缩机构件。

背景技术

涡旋压缩机正变得广泛应用于制冷压缩系统。如同已知的，一对涡旋构件各自具有一基座和从基座延伸出通常螺旋型涡旋齿。典型地，一个涡旋体为非绕转的，另一个涡旋体相对于非绕转涡旋体绕转。绕转涡旋体接触非绕转涡旋体，以密封并限定出压缩腔。当制冷剂被压缩时，使得两个涡旋构件之一相对于另一个绕转，压缩腔的尺寸朝向排出口减小。

一个制冷剂压缩系统实例包括空气调节或者其他环境调节系统。如同已知的，压缩机压缩制冷剂并将制冷剂送至下游的热交换器，典型地为冷凝器。制冷剂从该冷凝器行进通过主膨胀装置，然后进入室内热交换器，典型地为蒸发器。制冷剂从该蒸发器返回压缩机。通常，该系统的性能和效率至少部分依赖于涡旋压缩机的容量和效率。因此，趋向于高容量和高效率的涡旋压缩机。

设计高容量的涡旋压缩机的关键为涡旋构件的强度和耐久性。高容量压缩机在愈加恶劣的条件下工作，比如涡旋构件之间较大的作用力和增加的磨损。使用现有的涡旋构件材料在许多压缩机中被证明可行，但是可能不适合于更加恶劣的工作条件。例如，在极限工作条件下，涡旋构件可能破裂或者过度磨损。因此，即使可以设计为较高容量，还需要更强固并且更耐用的涡旋构件材料以实现这样设计的容量优势。

相应地，希望提供能够承受更加恶劣条件的涡旋构件，从而提高压缩机的性能。

发明内容

涡旋压缩机的一个实施例包括具有基座和通常螺旋型涡旋齿的涡旋构件，所述涡旋齿从所述基座延伸出以至少限定压缩腔的一部分。涡旋构件由包括具有石墨球的微观结构的铸铁材料构成。

涡旋压缩机的一个实施例包括具有基座和通常螺旋型涡旋齿的涡旋构件，所述涡旋齿从基座延伸出以至少限定压缩腔的一部分。涡旋构件由具有石墨球形成剂的材料构成。

制造该涡旋压缩机的方法的一个实施例包括如下步骤：融化铸铁材料以产生熔融的材料，向熔融的材料中添加球形成剂，并将熔融的材料传送到具有涡旋压缩机构件形状的模具中。

在所公开的示例中，涡旋构件相对坚固和耐用。这允许涡旋压缩机结合高容量压缩机设计，能够承受更加恶劣的工作条件。

上述示例不作为限制。以下描述额外的示例。

通过下述说明和附图，能够最好地理解本发明的这些以及其他特征，其后为简要描述。

附图说明

图1为一个涡旋压缩机示例的剖视图。

图2为用于图1的涡旋压缩机的非绕转涡旋构件的透视图。

图3为用于图1的涡旋压缩机的绕转涡旋构件的透视图。

图4为用于制造该涡旋构件的铸铁材料的具有石墨球的微观结构的示意图。

图5示意性地示出了具有石墨球的微观结构的另一示例。

图6示意性地示出了铸造过程的一个示例。

具体实施方式

图1显示了涡旋压缩机20。如图所示，压缩机泵组22安装在密闭壳体24内。吸入腔26从管28接收吸入的制冷剂。可以理解的，该制冷剂能够在腔26内循环，并流过电动机28。该电动机28驱动限定了压缩机20的工作轴线A的轴30。该压缩机泵组22包括非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34。如同已知的，轴30驱动绕转涡旋体34相对于非绕转涡旋体32绕转。

图2显示了非绕转涡旋体32的透视图，图3显示了绕转涡旋体34的透视图。非绕转涡旋体32和绕转涡旋体各包括一基座部分44和从该基座部分44延伸出的通常螺旋型涡旋齿46。当组装时，螺旋型涡旋齿46互插装配以在非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间限定压缩腔36(图1)。

在图示的例子中，非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间具有径向和轴向(相对于轴A)柔性(compliance)。该柔性允许涡旋体32和34在某种情况下分离，从而允许微粒通过涡旋压缩机20。轴向的柔性使绕转涡旋体34的涡旋齿46保持与非绕转涡旋体32的基座部分44接触，以在正常工作条件下提供密封。塞子T使压缩后的制冷剂去塞流出至绕转涡旋体34的基座44后面的腔100。合成力使两个涡旋构件相接触。在其他的涡旋压缩机中，该腔可以在非绕转涡旋体的基座后面。径向的柔性使非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34的涡旋齿在正常工作状态下保持接触。

参见图4，非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之一或者两者由具有包括石墨球58的微观结构56的铸铁材料制成。在图示的例子中，石墨球在基体60内，例如珠光体基体。示例中的微观结构56为大约36倍的放大显示。铸铁材料经过已知方式的研磨和蚀刻以显示微观结构56。

微观结构56包括关联的成球率，其为基体60内的石墨球58与包括其它形式石墨的全部石墨的比值。在一个示例中，该成球率大于约80％并小于100％。在图4所示的例子中，成球率约为80％。在图5所示的另一个例子中，成球率约为99％。

石墨球58为非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34提供强度和耐久性。其它的铸铁微观结构，比如那些主要包括石墨片的，由于在石墨片的锐边处的缺口效应被削弱。然而，石墨球58的外形是球状的，因此没有削弱材料的锐边。通常，较高的成球率产生较高的强度和较高的刚性。在一个例子中，具有石墨球58的铸铁材料具有至少60kpsi的抗拉强度。例如，抗拉强度可以采用美国材料试验学会ASTM A395或者其他已知标准进行测试。高的强度和耐久性使得非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34相应地坚固和耐磨，这允许涡旋压缩机20被设计用于相对恶劣的工作条件和大容量的情况。在一个示例中，使用具石墨球58的铸铁材料允许涡旋齿46增加长度(即从基座44延伸出的长度)以增大压缩腔34的尺寸，从而增大涡旋压缩机20的容量。

在一个例子中，相对恶劣的工作条件至少部分由非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间的轴向和径向柔性造成。轴向和径向的柔性使得如上所述的非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34相接触。在涡旋压缩机20的运行过程中，该接触引起非绕转涡旋体32和绕转涡旋体34之间的磨损和应力。坚固和耐用的具有石墨球的铸铁材料适合于承受这种工作条件。

非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料包括一种石墨球成球剂，在铸造过程中促进石墨球59的形成。在一个例子中，铸铁材料的成分包括3.20wt％-4.10wt％的石墨，1.80wt％-3.00wt％的硅，0.10wt％-1.00wt％的锰，高达0.050w％的磷和一定量的石墨球形成剂。在另一个例子中，铸铁材料的成分包括大约3.60w％-3.80wt％的石墨。

在一个例子中，石墨球形成剂包括镁。镁以介于约0.02wt％至约0.08wt％的量存在于非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料中。在另一个例子中，镁以介于大约0.03wt％至大约0.06wt％的量存在。

在另一个例子中，石墨球形成剂为合金，比如镁合金。在一个例子中，该合金包括镁和镍。镁构成该合金的约4wt％到约18wt％，其余为镍和可能存在的微量的其他材料。

在另一个例子中，石墨球形成剂包括两者镁和铯。在一个例子中，镁以如上所述的量、铯以约0.0005wt％到约0.01wt％的量存在于非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸铁材料中。如上所述，镁和铯被加入到熔融的铸铁中。替代地，或者除了镁和铯以外，使用高达0.300wt％的量的稀土金属用于形成石墨球58。稀土金属包括例如镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪、钍和锆，尽管使用这些可能受到可获得性和/或成本的限制。

在另一个例子中，所述石墨球形成剂包括铈和镁。所述铈构成所述材料的约0.0005wt％到约0.01wt％，所述镁构成所述材料的约0.03wt％到约0.06wt％。

在制造涡旋压缩机的方法中，优选包括以下步骤：向熔融的材料中添加一定量的铈以适合于在涡旋压缩构件中产生约0.0005wt％到约0.01wt％残留的铈，并添加一定量的镁以适合于在涡旋压缩构件中产生约0.03wt％到约0.06wt％残留的镁。

在非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的铸造过程中，石墨球形成剂被加入到熔融的铸铁中。例如，加入的量适合于产生上述的成分范围。

加入到熔融的铸铁中的石墨球形成剂的量通常大于上述的成分范围。在一个例子中，加入了大约0.3wt％的石墨球形成剂。这提供了以下益处，即加入足够多的石墨球形成剂以促进石墨球58的形成，同时允许石墨球形成剂的消耗，比如经过挥发。本说明书假定，本领域的普通技术人员能够确定适当的加入到熔融的铸铁中的石墨球形成剂的量，以满足他们特定的需要。

石墨球形成剂的量控制微观结构56的成球率。例如，相对少的量导致低的成球率，相对多的量导致较高的成球率。如此，这里描述的石墨球形成剂的成分范围可以被用于调节非绕转涡旋体32和/或绕转涡旋体34的性能参数，比如强度、磨损和磨耗(galling)，以适应涡旋压缩机20的特定操作需要。

图6示意地显示了铸造过程的示例。铸模70限定了用于形成非绕转涡旋体32或者绕转涡旋体34的形状的模腔72。容器74，比如钢包，容纳将被倒入铸模70并凝固的熔融的铸铁材料76。在浇注前，石墨球形成剂78被加入到熔融的铸铁76中。可选地，从添加石墨球形成剂到将熔融的铸铁材料76注入铸模70之间经过了预先设定的时间间隔，以允许石墨球形成剂78在熔融的铸铁材料中分散。

虽然本发明的优选实施例已经公开，本领域普通技术工人应当承认某些修改将归入本发明的范围内。基于上述理由，应当研究以下的权利要求以决定本发明的真实范围和内容。

Claims (12)

1.一种涡旋压缩机，包括：

具有基座和螺旋型涡旋齿的第一涡旋构件，所述涡旋齿从所述基座延伸出以限定至少部分压缩腔，所述涡旋压缩机还包括具有基座和从其基座延伸出的螺旋型涡旋齿的第二涡旋构件，所述第二涡旋构件被驱动以相对于所述第一涡旋构件绕转，所述第一涡旋构件和第二涡旋构件的所述涡旋齿互插装配以限定所述压缩腔，其中所述第一涡旋构件和第二涡旋构件是轴向和径向柔性的，其中所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件包括具有石墨球的微观结构，所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件的铸铁材料包括3.20wt％-4.10wt％的石墨，1.80wt％-3.00wt％的硅，0.10wt％-1.00wt％的锰，高达0.050wt％的磷和一定量的石墨球形成剂，所述石墨球形成剂包括镁和铯，所述镁以0.02wt％到0.08wt％的量、铯以0.0005wt％到0.01wt％的量存在于所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件的铸铁材料中。

2.如权利要求1所述的涡旋压缩机，其中所述石墨球在铁素体-珠光体基体中。

3.如权利要求1所述的涡旋压缩机，其中所述微观结构具有大于80％并小于100％的成球率。

4.如权利要求1所述的涡旋压缩机，其中所述石墨球为球状的。

5.一种涡旋压缩机，包括：

具有基座和螺旋型涡旋齿的第一涡旋构件，所述涡旋齿从所述基座延伸出以限定至少部分压缩腔，所述涡旋压缩机还包括具有基座和从其基座延伸出的螺旋型涡旋齿的第二涡旋构件，所述第二涡旋构件被驱动以相对于所述第一涡旋构件绕转，所述第一涡旋构件和第二涡旋构件的所述涡旋齿互插装配以限定所述压缩腔，其中所述第一涡旋构件和第二涡旋构件是轴向和径向柔性的，其中所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件包括具有石墨球形成剂的铸铁材料，所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件的铸铁材料包括3.20wt％-4.10wt％的石墨，1.80wt％-3.00wt％的硅，0.10wt％-1.00wt％的锰，高达0.050wt％的磷和一定量的石墨球形成剂，所述石墨球形成剂包括镁和铯，所述镁以0.02wt％到0.08wt％的量、铯以0.0005wt％到0.01wt％的量存在于所述第一涡旋构件和/或第二涡旋构件的铸铁材料中。

6.如权利要求5所述的涡旋压缩机，其中所述镁构成所述铸铁材料的0.03wt％到0.06wt％。

7.如权利要求5所述的涡旋压缩机，其中所述石墨球形成剂包括一种稀土金属。

8.如权利要求7所述的涡旋压缩机，其中所述稀土金属构成所述铸铁材料的高达0.300wt％。

9.如权利要求7所述的涡旋压缩机，其中所述稀土金属选自镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、钇、钪、钍和锆。

10.如权利要求5所述的涡旋压缩机，其中所述铸铁材料具有大于60kpsi的抗拉强度。

11.一种制造涡旋压缩机的方法，包括：

(a)将铸铁材料融化为熔融的铸铁材料；

(b)在熔融的铸铁材料中加入石墨球形成剂；并

(c)将熔融的铸铁材料传送到具有形成涡旋压缩机构件的形状的模具，其中，涡旋压缩机构件的铸铁材料包括3.20wt％-4.10wt％的石墨，1.80wt％-3.00wt％的硅，0.10wt％-1.00wt％的锰，高达0.050wt％的磷和一定量的石墨球形成剂，所述石墨球形成剂包括镁和铯，所述镁以0.02wt％到0.08wt％的量、铯以0.0005wt％到0.01wt％的量存在于所述涡旋压缩机构件的铸铁材料中。

12.如权利要求11所述的方法，包括冷却熔融的铸铁材料以形成涡旋压缩机构件，所述涡旋压缩机构件包括基座和螺旋型涡旋齿，所述涡旋齿从基座延伸出以限定至少部分压缩腔。

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