CN102076972A - 用于旋转式压缩机的转子总成 - Google Patents

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达里尔·弗莱格
戴维·罗伯特·伊布斯
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Abstract

密封型的传统压缩机单元受到马达或压缩机的失效需要两者都被丢弃的影响。提供一种具有转子总成(3)的压缩机(1)，在该转子总成(3)内转子(24)在密封室(23)中的偏心轴(28)上旋转。提供通向该密封室(23)的两个或更多个进气口(32，33)并提供具有单向阀(38)的两个或更多个排气口(34，35)，以允许压缩气体离开该密封室(23)。该转子(24)和密封室(23)和偏心驱动(28)的几何形状使得当该转子(24)旋转时该转子(24)的顶点与该密封室(23)的周边壁(22)保持接触且在该转子(24)的该顶点上提供顶点密封件(36)以防止该转子(24)的该顶点周围的气体泄漏。在优选实施方式中，该转子(24)是在陀螺形室内沿轨道运行的多叶瓣转子。

Description

用于旋转式压缩机的转子总成
技术领域
本发明涉及用于旋转式压缩机单元的转子总成，特别是(但不限于)用于适于在小型制冷机和汽车空调器中使用的小型制冷单元的单元。这种单元必须是紧凑的、安静的、可靠的并且在制造和使用上是经济的。
背景技术
用于家用制冷机的压缩机单元通常是密封单元型的，其中压缩机和永久耦合于该压缩机的马达两者都位于外壳内，除了到该制冷装置的剩余部分的制冷剂连接以外该外壳是完全、永久密封的。这种单元的缺点在于马达或压缩机的失效需要两个都被丢弃，需要不同马达的电力供应需要不同的密封单元，即便压缩机完全相同，而且两个装置(它们都产生不想要的热)在同一外壳内热耦合起来。
已经知道，在用于汽车空调系统(其由引擎驱动，因此需要离合器机构)的压缩机单元中在皮带驱动的皮带轮和压缩机之间的电磁离合。
为了得到更平稳且更安静的压缩机，有时候在压缩型制冷机单元(可从Lennox，Copeland和EDPAC International得到)中采用涡旋型压缩机。
已经提出活塞压缩机的一种替代形式，是使用陀螺形室中的叶瓣状转子并与旋转活塞马达(比如汪克尔马达(Wankel engine))有些类似的旋转式活塞压缩机，尽管工作周期实质上不同而且该轴是由外部电源驱动而不是由该旋转式活塞驱动的。这种压缩机在美国专利3,656,875(Luck)；4,018,548(Berkowitz)；以及4,487,561(Eiermann)中例举过。
美国专利5,310,325(Gulyash)披露了一种在安装在旋转轴上的偏心器上在陀螺形室中移动并由与该偏心器以相同速率旋转的类似的偏心行星齿轮通过环形齿轮驱动的对称的叶瓣状活塞，该环形齿轮与该行星齿轮的齿轮比等于该转子上的叶瓣的数量，通常是三个。该叶瓣的顶点沿着与该陀螺形室壁相切的陀螺形路径，从而简化了密封。
美国专利6,520,754(Randolphi)披露了一种用于制冷机单元的压缩机，其具有在限定在密封壳体中的室中沿轨道运行(orbit)的三个叶瓣状转子并使用该外壳外的磁耦合旋转该转子。
发明内容
本发明涉及一种具有转子总成的压缩机，其中转子在密封室中的偏心轴上旋转。提供开通到该密封室的两个或多个进气口并提供具有单向阀的两个或多个排气口，以允许压缩气体离开该密封室。该转子和密封室以及偏心传动的几何形状使得当该转子旋转时该转子的顶点与该密封室的周边壁保持接触，且在该转子的顶点上提供顶点密封件以阻止该转子的顶点周围的气体泄漏。在优选实施方式中，该转子是在陀螺形室内沿轨道运行的多叶瓣转子。
从下面呈现的优选实施方式的描述中，本发明的特征将显而易见。
附图说明
图1是压缩机的正面立体示意图，其具有依照本发明的转子总成和在密封的外部壳体内的磁驱动总成；
图2是图1的压缩机沿直线2-2的剖面示意图，其具有外部磁驱动；
图3是用于图1的压缩机的转子总成的立体图；
图4和5是图3的转子总成在线4-4上的剖面，显示了其操作的不同阶段；
图6是图4的转子总成在线6-6上的剖面示意图；
图7是图4的转子总成在线7-7上的剖面示意图；
图8是图4的转子总成在线8-8上的剖面示意图；
图9是图3的转子壳体内容纳的挡板阀总成；
图10是图9中的挡板阀总成在线9-9上的剖面；
图11是压缩机的另一个实施方式的顶部俯视图，其具有依照本发明的转子总成，而没有图1中所示的磁驱动总成和密封外部壳体并以虚线显示了主要的内部元件；
图12是图9的压缩机穿过线12-12的剖面示意图；
图13是图9的压缩机穿过线13-13的剖面示意图。
图14是压缩机的另一个实施方式的立体图，其具有依照本发明的转子总成。
图15是图14的压缩机的俯视示意图，以透视方式显示了该总成；
图16是图14的压缩机的背部立体图，以透视方式显示了该总成。
具体实施方式
参考图1-8，压缩机(在图1&2中总体用1表示)包含密封外部壳体(总体用2表示)，其容纳依照本发明的一个实施方式的转子总成(总体用3表示)和内部磁驱动总成(总体用5表示)。在一种应用中压缩机1可以由入口90和出口91连接(如图2所示)到制冷单元的蒸发器和冷凝器。在所示的实施方式中，密封的外部壳体2具有罐形部分6及盖形部分7，罐形部分6保持转子总成3和内部磁驱动总成5而盖形部分7拟合在内部磁驱动总成5上并用一对O形环8、9拟合在罐形部分6上以密封该外部壳体。在所示实施方式中，罐形部分6具有圆柱形外壁10，圆柱形外壁10的一端由板形部分11闭合。周边法兰12从该圆柱形外壁10的顶部13向外伸出。与板形部分11相邻的第一部分14中的圆柱形外壁10的厚度大于第二部分15的厚度，第二部分15又比从圆柱形外壁10的顶部13延伸的第三部分16更厚。圆柱形外壁10的厚度的减小在其内表面4上形成一对凸缘17、18。
在图2-8中所示的实施方式中，转子总成3是由背部板19、转子壳体20和前部板21组成的。转子壳体20的内部周边壁22和背部板19和前部板21的内表面25、26限定了密封室23，转子24在该密封式23内旋转。转子24安装于其上的偏心轴28的一端27由容纳在背部板19内的轴承29中引导的轴颈(journal)。正时小齿轮(timing pinion)30固定于背部圆盘19的内表面25并与固定于转子24的环形齿轮31啮合。在所示实施方式中，正时小齿轮30是环形齿轮的直径的2/3。在背部板19中提供开通到密封室23的一对进气口32、33(参看图4、5&7)。在转子壳体20中提供一对排气口34、35(参看图6)。总体用38表示的单向阀(参看图9，显示为各图中的挡板阀)允许压缩气体离开密封室23但是不允许任何回流通过排气口34、35流入室23。
在所示实施方式中，转子24被安装在偏心轴28上以在室23内沿一路径做沿轨道移动。室23的轮廓是转子24的叶瓣A、B、C的末端所沿袭的路径的外形。环形齿轮31与偏心齿轮30(或正时小齿轮)的比等于转子24的叶瓣的数量(在此实例中是3个)。在图1到7中所示的实施方式中，偏心轴28的远离转子24的末端32被固定到内部磁驱动总成(总体用5表示)。内部磁驱动总成5具有固定到偏心轴28的内部磁驱动元件33，其中轴28从转子总成3的前部板21延伸。密封外部壳体2的盖形部分7的帽形部分37包围内部磁驱动总成5。外部磁驱动38固定于旋转源(未示)并围绕盖形部分7的帽形部分37旋转，提供了转动内部磁驱动元件33的匹配磁力。
图4显示了当偏心轴28、正时小齿轮30和环形齿轮31如图所示时转子24的位置。此示例中的旋转方向是顺时针的，而且该转子的叶瓣的顶点被标记为A、B和C以便于指示。转子24和室23以及该驱动的几何形状使得该顶点与密封室23的内壁25保持接触。转子24的顶点A、B和C将密封室23分割为三个部分，标记为D、E和F。气体通过进气口32、32A被引入该密封室23。随着转子24的旋转，室23的部分D、E和F中的气体随着转子24的旋转减小该室的部分D、E和F的尺寸和被压缩。图5显示了当偏心轴28、正时小齿轮30和环形齿轮31的位置如图中所示时，转子24从图4中的位置旋转到的位置。密封室23的部分F已被减小，从而压缩了那一段的气体。压缩后的气体通过排气口34被排出。随着该转子顺时针移动，气体通过进气口32、32A被吸收到室23的部分D、E和F中。该气体被压缩并通过排气口34、35经过挡板阀38被从室23中推出。
为了避免转子24旋转时压缩气体从室23的部分D、E或F进入室23的另一个部分D、E或F，在转子24的顶点A、B和C中的槽36A中提供顶点密封件36。在图1-8所示的实施方式中，转子24的后侧紧密拟合到背部板19的内表面25而润滑剂提供密封件。类似地，转子24的前侧紧密拟合在前部板21的内表面26而润滑剂提供密封件。作为依赖紧密拟合和润滑剂形成密封件的替代，可插入侧面密封件以阻止气体以及该转子的前侧和后侧周围泄漏。
图6描绘了图4的转子总成3在线6-6上的剖面。图中显示排气口34、35在转子壳体20中。图7描绘了图4的转子总成3在线7-7上的剖面。在此视图中，显示进气口32、32A在背部板19中，尽管它们在需要时可以位于前部板21中。图8描绘了图4的转子总成3在线8-8上的剖面。在此视图中，显示了转子24的顶点B上的顶点密封件36。顶点密封件36优选地是保持在转子24的狭槽37内的压力密封件。顶点密封件36在由转子壳体20限定的室23的周边壁22上运行并如前所述地阻止跨越转子24的末端的泄漏。顶点密封弹簧(未示)提供了使顶点密封件36和室23的轮廓保持接触的力。在所示实施方式中，该顶点密封弹簧是螺旋弹簧，但是也可以使用弹簧片或其它合适的设计。
图9和10示意性地描绘了排气口34、35中的单向挡板阀38，其允许压缩气体离开该压缩机然而不允许回流。挡板阀38具有连接于固定于塞子42的弹簧40的一端的圆盘。弹簧40使得圆盘39与排气口34或35的进口43保持密封啮合，直到压缩气体的压强足以按下圆盘39以打开进口43并允许压缩气体通过出口44离开。替代地，挡板阀设计可以不同。例如，该阀可以固定在一端上并伸缩以允许气体离开该压缩机。
图11-13描绘了依照本发明，具有转子总成的压缩机(适于在制冷机中使用，然而许多其他应用也是可能的)的另一实施方式，其具有直接轴驱动。该压缩机(在图11-13中总体用51表示)包含转子总成(总体用53表示)和矢量板总成(总体用55表示)。在所示实施方式中，矢量板总成55包含后部矢量板56和密封保持板57，它们固定于转子总成53。压强和吸入管线固定于该后部矢量板56，其转动螺栓于转子总成53的背部板59。通过吸入管线进入该压缩机的制冷剂气体被收集在由后部矢量板56和转子总成53的背部板59的啮合形成的内部孔穴58中。
转子总成53类似于图3、4和5中所示的转子总成3。它包含背部板59、转子壳体60和前部板61。转子壳体60的该内部周边壁62和背部板59和前部板61的内表面65、66限定密封室63，转子64在该密封室63内旋转。转子64安装于其上的偏心轴68的一端67枢接(journalled)于背部板59内容纳的轴承69中。正时小齿轮固定于背部板59的内表面65并与固定于转子64的环形齿轮71啮合。在所示实施方式中，正时小齿轮是环形齿轮71的直径的2/3。在背部板59中提供从空腔58出发并通向密封室63的进气口。在大模型中，制冷剂也可以从空腔58通过内部通道传到该压缩机的前部，然后通过前部板61中的进气口进入室63。在前部板61中提供进气口的情况下，用前部矢量板取代密封保持板57。在转子壳体60中提供一对排气口74、75(参见图13)。单向阀通常被表示为78(参看图13)，在该附图中显示为挡板阀，允许压缩气体离开密封室63但是不允许通过排气口74、75回流到室63。
在所示实施方式中，转子64被安装在偏心轴68上以沿着室63内的路径做环形移动。室63的轮廓是转子64的叶瓣的末端所沿袭的路径的外形。环形齿轮71与偏心齿轮或正时小齿轮的比等于转子64的叶瓣的数量(在此实例下是3个)。在图11到13所示的实施方式中，偏心轴68的远离转子64的末端82可以固定于直接驱动总成(未示)。密封保持板57当它穿过密封保持板57时保持围绕轴68的轴密封件81。
图11-13中转子64的操作与图3-5中相同。使用偏心轴68、正时小齿轮和环形齿轮71如同所述的，转子64的如此旋转而使得转子64的顶点保持与密封室63的内壁62的接触。转子64的顶点将该密封室63分为三个部分。气体通过该进气口被引入密封室63。随着转子64的旋转，在该转子的叶瓣之间的室63的每一部分的体积被连续改变。随着该室的体积的增加，制冷剂被吸入该压缩机，相反，随着体积的减小，现在被压缩的体积从该压缩机排出。室63的三个部分从来不是马上压缩的，每个都是在可称为2阶段周期的一个不同的阶段-吸入和排出。当密封室63的一部分的尺寸被减小时，那个区域中的气体被压缩。压缩后的气体通过排气口74被排出。随着转子顺时针移动，排出气体的室的那部分尺寸增加，而气体通过进气口被吸入室63的那部分。随着转子64继续旋转，该气体被再次压缩并被再次压缩并通过排气口75穿过挡板阀从室63排出。
为了避免转子24旋转时压缩气体从室63的一部分泄漏到室63的其它部分之一，如图12所示，在转子64的顶点上提供顶点密封件76。图12描绘了图11的压缩机51在线12-12上的剖面。图13描绘了图11的压缩机51在线13-13上的剖面。在此视图中，显示了转子壳体60中的排气口74、75。
图14-16描绘了具有依照本发明的转子总成的压缩机(适于用于汽车空调器中，尽管许多其它应用也是可能的)的另一个实施方式，该转子总成具有直接轴驱动。该压缩机(在图14-16中总体用101表示)包含转子总成和矢量板总成。在所示实施方式中，该矢量板总成包含固定于转子总成103的后部矢量板106和前部矢量板107。压强和吸入管线分别在吸入口104A和压强出口(pressure outlet)104B固定于后部矢量板106，其又转动螺栓到转子总成103的背部板109。通过吸入管线进入该压缩机的制冷剂气体在由后部矢量板106和转子总成103的背部板109的啮合形成的内部孔穴108中被收集起来。在此实施方式中，一个或更多个内部通道108A将由后部矢量板106和背部板109的啮合形成的内部孔穴108和由前部矢量板107和转子总成103的前部板111的啮合形成的内部孔穴108B连接起来。
转子总成103类似于图3、4和5中所示的转子总成3。它包含类似于在其它附图中所示的实施方式的背部板、转子壳体和前部板，尽管相对尺寸是不同的。该转子壳体的内部周边壁和背部板109和前部板111的内表面一起限定转子在其中旋转的密封室。该转子安装在上面的偏心轴118的一端被轴颈于在背部板109内容纳的轴承中。正时小齿轮固定于背部板109的内表面并与固定于转子的环形齿轮啮合。在所示实施方式中，该正时小齿轮是该环形齿轮的直径的2/3。在背部板109中提供从空腔108通向该密封室的进气口并在前部板111中提供从空腔108B通向该密封室的进气口。在该转子壳体中提供一对排气口。单向阀(优选为挡板阀)允许压缩过的气体在压强出口104B离开该密封室但是不允许通过该排气口进入该室的任何回流。
在所示实施方式中，该转子被安装在偏心轴118上以沿着室内的路径做环形移动。该室的轮廓是该转子的叶瓣的末端所沿袭的路径的外形。该环形齿轮与该偏心齿轮或正时小齿轮的比等于该转子的叶瓣的数量(在此实例中为3个)。在图14到16所示的实施方式中，偏心轴118远离该转子的末端132可固定于直接驱动总成(未示)。该前部矢量板107保持轴118在穿过前部矢量板107时轴118周围的轴密封件。
图14-16中的转子的操作与图3-5中相同。该转子的旋转使得该转子的顶点保持与该密封室的内壁的接触。转子的顶点将该密封室分为三个部分。气体通过该进气口被引入该密封室。在所示实施方式中，在该背部板109中提供有进气口且在前部板111中有附加的进气口。随着该转子的旋转，在该转子的叶瓣之间的室的每一部分的体积被连续改变。随着该室的一部分的体积的增加，制冷剂被吸收到该压缩机中，相反随着该体积的减小，现在压缩的气体被从该压缩机排出。室的三个部分永远不是同时全部都压缩的，每个在被认为是2阶段(吸入和排出)周期的不同阶段中被压缩。随着该密封室的一部分的尺寸被减小，那个区域中的气体被压缩。该压缩气体通过连接于压强出口104B的排气口被排出。当该转子顺时针方移动时，该室的已经排出压缩气体的那一部分尺寸增加而气体通过该进气口被吸入那部分室。当该转子继续旋转时，该气体被再次压缩并通过其他排气口经过挡板阀从该室排出到压强出口104B。
为了避免压缩气体从室的一部分泄漏到室的其它部分中的另一部分，当该转子旋转时，在转子的顶点上提供顶点密封件。
本发明的转子总成在各种应用(包括但不限于消费者家电、汽车空调器、工业的、便捷式的、可运输的、商业的、科学的、医学的、环境的和军用的)中的压缩机中是特别有用的。如果需要的话，依照本发明，可在压缩机中提供多个转子或多个转子总成。相对于传统的压缩机设计，本发明的许多优点如下：
(a)该压缩机中只有两个主要的活动部件
(b)轻量级的
(c)轴驱动转子与简化的齿轮减速驱动相结合
(d)该转子的顶点密封件防止了压缩损失
(e)可以使用变速驱动
(f)可以获得可变输出
本领域的技术人员可以理解，本讨论只是对示例性实施方式的描述，而不是用于限制本发明的更宽的方面。
尽管已经详细描述了本发明的各种优选实施方式，然而本领域的技术人员可以意识到，可以对其进行哪些变形而又不违背本发明的精神或所附权利要求的范围。

Claims (17)

1.一种具有转子总成的压缩机，在所述转子总成内转子在密封室中的偏心轴上旋转，提供通向所述密封室的两个或更多个进气口，提供具有单向阀的两个或更多个排气口，以允许压缩气体离开所述密封室，所述转子和密封室以及偏心驱动的几何形状使得当所述转子旋转时所述转子的顶点与所述密封室的周边壁保持接触且在所述转子的所述顶点上提供顶点密封件以防止所述转子的所述顶点周围的气体泄漏。
2.根据权利要求1所述的压缩机，其中所述转子是在陀螺形室内沿轨道运行的多叶瓣转子。
3.根据权利要求2所述的压缩机，其中所述转子是枢接于轴上并具有由正时小齿轮驱动的环形齿轮的三叶瓣转子，所述环形齿轮与所述正时小齿轮的齿轮比是三比一。
4.根据权利要求1、2或3中的任一项所述的压缩机，其中所述顶点密封件是压缩密封件，当所述转子旋转时所述压缩密封件与所述密封室的周边壁保持接触。
5.根据权利要求4所述的压缩机，其中所述顶点密封件具有顶点密封弹簧以在所述转子旋转时使所述顶点密封件与所述密封室的周边壁保持接触。
6.根据权利要求1到5中的任一项所述的压缩机，其中所述转子总成包含背部板、转子壳体和前部板，其中所述转子壳体的内部周边壁和所述背部板和前部板的内表面一起限定所述密封室，所述转子在所述密封室内在偏心轴上旋转。
7.根据权利要求6所述的压缩机，具有通向所述密封室的一对进气口和在所述转子壳体中的有单向阀的一对排气口，以允许当所述转子旋转时压缩气体离开所述密封室。
8.根据权利要求7所述的压缩机，其中所述一对进气口是在所述背部板中提供的。
9.根据权利要求7所述的压缩机，其中所述一对进气口是在所述前部板中提供的。
10.根据权利要求6所述的压缩机，具有在所述背部板中提供的一个或更多个进气口和在所述前部板中提供的一个或更多个进气口，所有的所述进气口通向所述密封室中且在所述转子壳体中提供具有单向阀的一对排气口，以允许当所述转子旋转时压缩气体离开所述密封室。
11.根据权利要求1到10中的任一项所述的压缩机，具有由所述密封壳体包围并使所述转子沿轨道运行的旋转驱动、与所述旋转驱动有传动关系并使所述转子沿轨道运行的磁耦合的被驱动元件，所述被驱动元件由所述密封壳体包围并包括至少一个磁体、与所述被驱动元件紧密临近的所述壳体外的所述磁耦合的驱动元件以及用于旋转所述驱动元件的布置。
12.根据权利要求11所述的压缩机，其中用于旋转所述驱动元件的布置包括电动马达。
13.根据权利要求12所述的压缩机，其中所述磁体包括多个电磁体。
14.根据权利要求13所述的压缩机，其中所述驱动元件包括多个电磁体。
15.根据权利要求1到10中的任一项所述的压缩机，具有盖在所述转子总成的背后的后部矢量板。
16.根据权利要求16所述的压缩机，具有密封保持板以盖住所述转子总成的前部并具有开口，所述轴通过所述开口延伸以允许所述轴的末端连接于直接驱动。
17.根据权利要求16所述的压缩机，具有围绕穿过所述密封保持板中的所述开口的所述轴的那部分的密封件。
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