CN102203423A - 具有改进的冷却系统的容积式涡卷装置 - Google Patents

Abstract

一个轴向冷却系统向容积式涡卷装置提供所需冷却。这个系统包含一个轴向风扇，离心泵和带散热片的主机体、基座和电机外壳内的冷却通路，这个冷却通道包括动涡卷内的通路，转轴中心孔以及定子槽和绕组内部的缝隙。热管安装在动涡卷和定涡卷的内部，把热量从装置的内部传递至热管的冷凝端，然后用冷却空气进行冷却。

Description

具有改进的冷却系统的容积式涡卷装置

技术领域

本专利涉及到一种容积式涡卷装置，主要是带改进的冷却系统的涡卷式装置。

背景技术

有一类设备被统称为涡卷泵、涡卷压缩机和涡卷膨胀机，其中两个相互配合的共轭螺旋线单元或渐开螺旋线单元并且分别固定于独立的端板，它们可能被称为绕动涡卷和定涡卷。而螺旋单元之间会形成线接触。

一对相邻的线接触和端面形成至少一个密封腔。当一个涡卷作相对的轨道运动，如绕动涡卷作相对于定涡卷的圆周平动，螺旋测面上的线接触沿着螺旋面移动会导致密封腔的体积变化。体积的变化将膨胀或者压缩腔体内的流体，而膨胀或者压缩则取决于转动的方向。

气体压缩产生热量。特别是当具有高比热容比Cp/Cv的空气和其他气体被压缩时，产生的热量是巨大的。为了获取清洁的压缩气体，无油压缩是不允许有油、水或者其他润滑剂以及冷却剂的。因此，如何有效地排除压缩过程中产生的热量是非常关键的。

Shuji Haga的美国专利5,842,843，6,109,897和6,186,755介绍了一种在转轴内部冷却装置。在压缩过程中产生的热量可以在压缩机的中部被排除。这个冷却装置包括直接将冷却空气吹在静止涡卷端板上的风扇。一些实施例中，这个冷却装置包括偏心安装在转轴中间的热管，而在另外一些实施例中，这个冷却设备包含一个在转轴中间并通过提供冷却空气来提高冷却效率的空气通道。

但是，这些设计具有一些缺陷。首先，直接吹冷风的风扇距离静止的涡卷端板太近，气流碰撞到端板会产生紊流和涡流，这就又会导致冷却空气不能吹到端面上所有需要冷却的位置。第二，在转轴的中间位置最多可安装两个热管，而且热管的冷凝端不能很好的通过冷却空气进行冷却，原因是热管安装在转轴内部，这导致热管散热效率很低。第三，转轴内部通道中的冷却空气由离心力驱动。这个离心力的大小取决于转轴外圆半径的大小，而这个半径比较小。风扇也是依靠前方自己形成的负压来驱动冷却空气。这种负压也是比较小的。换句话说，转轴内部通道中的冷却空气流量很小。此外，由涡卷内部产生的热量要克服涡卷和转轴之间的热阻传导给轴，然后通过对流的方式传递给转轴孔中的冷却空气。这导致从涡卷到冷却空气之间的散热效率是很低的。

在Tohru Satoh等人的美国专利6,905,320 B2中，空气冷却系统提供横向经过涡卷背面散热翅片的冷却空气来冷却绕动涡卷和定涡卷。这个冷却系统需要一个独立的冷却风扇在横向提供冷却空气，这样会增加横截面的尺寸。此外，这个冷却系统不给马达冷却，而马达通常需要一个独立的冷却系统。

在Masaru Tsuchiya等人的美国专利7,329,108，介绍了一种在马达和绕动涡卷之间的风扇。这些风机提供冷却空气给定涡卷的背面，曲柄和轴承。但同时，冷却风扇系统隔断了电机转轴和涡卷驱动轴之间的连接，这无疑增加了对中难度。此外，由于曲曲折折的冷却空气通道，冷却空气会有巨大的压力损失，这会明显降低冷却空气的流动速率。另外，在风扇的下游也有空气通道。此种管路布置对风扇产生了巨大的阻力，也降低了冷却空气的流动速率。

上述方法不能对涡卷、轴承以及电机提供足够的冷却。这就需要一种更强有力的冷却系统。

发明内容

描述了一种容积式涡卷装置带一个结构紧凑用来冷却涡卷、轴承和电机的轴向冷却系统。在这个冷却系统中，至少有一个轴流式冷却风扇从压缩机的前端抽走空气。冷却空气沿着压缩机轴向的空气通路流动，由在压缩机末端的风扇排出，使空气流量和强制性热传递达到最大。

还描述了一个热管结构。在这个结构中，定涡卷和绕动涡卷之间的多个热交换通路能使由零件内部传递给热管的冷凝端的热量达到最大。热管冷凝端直接暴露在冷却通路里的流动冷却空气中，这会更有效地将装置内部的热量传递到冷却空气中，以达到最大程度地散热。

此外，一个离心式风扇和一个轴流式风扇驱动冷却空气，沿着绕动涡卷端板里的径向空气管道，驱动轴的中心，电机定子和转子的间隙，到达压缩机内部甚至最热的中心位置，来直接冷却绕动涡卷，曲柄轴承，绕动涡卷驱动轴承，主轴轴承和定子、转子中需要冷却的位置。

所描述的还有一个自调机构。对于作绕动的双推力球轴承机构，这个自调机构能提高性能以及改进装配。

附图说明

图1是一运用现有技术的带轴向冷却系统的容积式涡卷装置的剖面视图；

图2是一个带有已改进的轴向冷却系统的全依从浮动涡卷压缩机的剖面视图。这个视图就是图4上所标的A-A剖视图。

图3是图2中3号圈中部分的放大图，旨在阐述作绕动推力球轴承的自调式机构。

图4就是图2图中A向视图，即从主机体20左侧看过来的视图；

图5是主机体20沿着图4中B-B向的剖视图；

图6是一个旨在阐述热管工作原理的热管截面放大视图，

图7是图2中绕动涡卷60的截面视图。为了阐述第三个冷却空气通道的细节，该截面的重点表达了安装热管的绕动涡卷，绕动热管以及驱动机构。

图8是动绕动涡卷和绕动热管沿着图7中的A-A线的剖面视图。

图9压缩机的剖面图，其动、定热管的冷凝端与空气通道1，2的轴线平行。

图10是一个从图9图中B向，即从主机体20左侧看过来的视图；

图11是图1中绕动涡卷60的截面视图，重点表达了安装绕动热管的绕动涡卷。绕动热管与在空气通路1和2轴线平行。

图12是安装绕动热管的绕动涡卷剖面视图。绕动热管与空气通路1，2的轴线平行。这是沿着图11图中A-A方向的剖面视图。

具体实施方式

图2和5展示了一个带有轴向冷却系统的全依从浮动式涡卷空气压缩机。空气压缩机10包括一个主机体20，基座21，电机外壳24，后端板36，曲轴40，定涡卷50和绕动涡卷60。曲轴40包括一个中心主杆41和一个曲柄42。中心主杆由轴承33和34作回转支撑，绕它的轴线S1-S2进行转动。定涡卷50是由端板51以及在端板51伸出的涡卷单元52组成。绕动涡卷60由一个圆形的端板61，固于端面61并且从其上伸出来的涡卷单元62，和基于端面61并且从端面61的中间部分延伸出来的绕动涡卷轴承座63组成的。曲柄轴承260安装在涡卷轴承座63内部。涡卷单元52和62相互错开180度角安装。运行时，两涡卷径向偏移一个绕动半径Ror。涡卷单元52和62，以及端板51和61之间会至少形成一个密封腔。

参考图2，3，4，5，工作流体通过进气口181进入压缩机10的吸气腔81，然后再由涡卷运动形成的压缩腔内被压缩，最后到中间腔体82，通过排气孔83，舌簧阀84，排气腔85和排气盖板22上的排气孔86排出。滑动驱动关节64，曲柄轴承260，曲柄42和外周摆动连接结构160a，160b和160c(由于160b和160c与160a相同，故不再标示)共同组成了被称为中心驱动轴滑动关节和外周曲柄摆动连接结构或者CSPS机构，用于执行径向半依从机构的功能，该机构由2006年1月26日提交的美国专利11/339,946公开。

美国专利11/339,946还介绍了用多对双推力球轴承组机构来克服浮动式绕动涡卷在转动中产生的轴向推力和倾覆力矩。在这个机构中，有多对绕动(如六对)双推力球轴承。每一对转动双推力球轴承的工作方式是相同的。为了简略，只对六对中的一对双推力球轴承和相关零件作详细描述。其余部分的功能类似，不再作详细阐述。安装时，必须保证这六对绕动双推力球轴承要能同时承受来自动涡卷使绕动涡卷、定涡卷单元顶面和与之对应的涡卷底板平面接触，使涡卷侧面接触的推力。参照图2和图3，下面将描述转动双推力轴承的自调机构

一对绕动双推力球轴承的机构包括一个固定的推力球轴承263a和一个绕动的球轴承236b。一个自调机构包括定位球263c，球座236d，垫板236e，和两个细牙螺纹的调节螺母263f和263g。定位球263c的直径是能够保证定推力球轴承263a通过调整其位置来保证定推力球轴承263a和绕动推力球轴承263b的动片能够有一个很好的面接触。调整螺母263f和263g能够精确调整双推力球轴承263a和263b的轴向位置来确保定涡卷和绕动涡卷有合适的轴向接触。

所阐述冷却系统中的三个空气通道，即通道1，通道2和通道3，能够利用让冷却空气通过冷却片和零件来冷却压缩机。

参照图2，4和5，第一个冷却空气的通道，即通道1，由导风盖板315上的进口320，315盖板和主机体20之间的空气通路322，主机体20和主壳体206之间的空气通路，基座21和基座壳体221之间的空气通路326，电机基座24和电机壳体223之间的空气通路328，后轴承盖板36上的空气通路330，风扇基座26上的通路332以及出口334所组成。风扇310从前进风口320抽入冷却空气。风扇310将经过通道1的冷却空气从出口334排出到周围环境。

通道1完全位于压缩机的内部，在压缩机部件和散热片之间以提高冷却效果。通路324是用散热片200连成一体的主机体20和主机体壳体206之间的内部通路。通路326是用散热片300连成一体的基座21和基座壳体221之间的内部通路。通路328是用散热片400连成一体的电机基座24和电机基座壳体223之间的内部通道。空气通路如324，326和328位于上述有很大散热片面积的零件中，并沿着一个方向相互连通，这种结构能够大幅降低冷却空气的压降，因此会促进冷却空气的对流热交换。另外一方面，主机体20、基座21和电机外壳24中由压缩过程和电机所产生的热传导至散热片200，300和400，通过热对流的方式由冷却空气冷却。

为了促进热对流传导，定涡卷端板51和主机体20的内部安装了多个热管202。这些热管固定于相应零件，称作固定式热管。

热管是能够传递热能的装置。如图6所示，它是一个封闭式结构，内有一种工作流体，例如水，将热量从称作蒸发端的吸热端传递到一个称作冷凝端的散热端。热量的传递是通过蒸发端中流体的蒸发，在核心区域的蒸汽流动，冷凝端中蒸汽的冷凝和冷凝水由于吸液芯的毛细作用返回到蒸发端中等一系列过程完成的。吸液芯可以是管路上的狭窄沟槽或者热管内管面上烧结的金属粉末。有一些热管是重力敏感型的，而其他则不是。固定式热管202的蒸发端被装在定涡卷端板51和主机体20中温度高的部位，而冷凝端则放在流经通道1的通路322和/或通路324的冷却空气中。为了促进从热管到冷却空气的散热，热管的冷凝末端装有散热片204

图2，4和5阐述了第二个冷却空气通道，例如通道2。通道2是平行于通道1的，由主机体20之间的通路340，基座中的通路342，电机机壳24和定子140之间的通路344，定子槽以及线圈中的间隙，定子140和转子142之间的间隙以及后轴承盖板36上的通路348组成。冷却空气从导风盖板315的进口320进入，然后流经通路340，342，之后并行流经通路344和定子槽和线圈之间的间隙，定子140和转子142的间隙，然后流经电机后轴承盖板上的通路348，最后由风扇310吸出并经出口334排到周围环境中。如图5，7和8所示，绕动热管402沿径向安装在绕动涡卷底板61中，其蒸发端固定在绕动涡卷底板61中，而冷凝端则放在流经通道1中的通路326和通道2中的通路342的冷空气中来进行冷却。为了最大的提高冷却效果，通过第二个空气通路直接冷却绕动涡卷60的背面，关节64，曲轴曲柄轴承260，转轴主轴承33以及电机定子和转子的内部。

还有第三个冷却通道，叫通道3。图2，5，7和8所示，通道3由通路350，即绕动涡卷底板61中的12个径向通路，通路364，即12个与径向通道相关的孔，和转动轴承座63中间的通路351，平行通路3A和3B，以及末端通道1的通路310组成。通路3A由通路352和曲轴40中间的通路354，靠近曲轴中心柱主杆41末端的孔356和离心泵358中的通路组成。通路3B由通路353(见图8)，即曲轴曲柄42和关节64之间的间隙，通路355(见图8和9)，即曲轴曲柄滚针轴承260内部的滚针362之间的间隙，空气通路357，即轴承33内部的间隙和通路359(见图5)，即基座21和电机外壳24之间中心区域的空间组成。通路3B连接第二个空气通道，即通道2，的通路334和332。

为了直接冷却绕动涡卷底板61，在通道3中，冷却空气从通路2的通路342，流入径向通路350，然后经过12个与之对应的孔364(见图5和8，图中只显示了一个孔)到绕动涡卷轴承座63的中间区域351。然后冷却空气流经两个通路3A和3B，最后到达通路332。风扇310将所有流经通道1，2和3的冷却空气经由排气口334排到周围环境中。

为了提高热管冷凝端依靠冷却空气的散热效果，如图9，10，11和12所示，与压缩机轴线平行将热管冷凝端放在冷却空气通道1和2中。

图9与图2相同。改进的地方是将固定热管202和绕动热管402的冷凝端蜿蜒向上，然后伸到冷却空气通道1和2中。这种布置使热管能够充分利用重力和冷却空气的热对流交换。定热管布置方式见图10，绕动热管的布置方式见图11和12。

当上述此项发明的具体形式得到推广，那些在这项技术方面有经验的人能明白在结构、布局和组成上所作的改进，以及属于此项发明的范畴内，与其他技术相同之处。附后的声明以及声明中能有用于定义此项发明的设计和/或方法，无论是以书面形式或与之相当的形式存在，都要包括在内。

Claims (7)

1.一种容积式装置，包括，

a)至少一个具有第一端板的绕动涡卷，其具有一第一涡卷单元在所述第一端板的底面，一绕动轴承座安装在所述第一端板上并位于所述第一涡卷单元的背面，而且，所述第一端板上具有三个均布的周边部分；

b)至少一个具有一第二端板的定涡卷，其具有一第二涡卷单元在所述定涡卷中所述第二端板的底面，所述第二涡卷单元与所述绕动涡卷的所述第一涡卷单元相啮合，当所述绕动涡卷关于所述定涡卷转动时，啮合的定涡卷单元侧壁和前述的动涡卷第一底板的端面和前述的定涡卷的第二底板的端面形成体积不同的移动腔以及流体压力高低不同的压力区域；

c)安装有一个能够驱动所述绕动涡卷的可转动的驱动轴，以此来实现关于定涡卷的绕动运动；

d)一用于支撑所述定涡卷的主机体；

e)一用于支撑所述驱动轴的基座，并且所述驱动轴位于所述基座的中央部分；

f)一用于支撑电机定子的电机基座；

g)所述主机体与所述主机体外壳通过散热片连接在一起，空气通道在所述主机体外壳，所述主机体和所述散热片之间形成；

h)所述基座与所述基座壳体外壳通过散热片连接在一起，空气通道在所述基座外壳，所述基座和所述散热片之间形成；

i)所述电机基座与所述电机壳体通过散热片连接在一起，空气通道在所述电机壳体，所述电机基座和所述散热片之间形成；

j)一第一冷却空气通道包括位于一个由所述主机体外壳中的所述空气通道与位于所述基座外壳和电极壳体中的所述空气通道依次连接而形成单向流动的轴向冷却空气通道；

k)以及一冷却风扇通从所述第一冷却空气通道抽取冷却气体。

2.根据权利要求1所述一种容积式装置，其特征在于，所述第二冷却空气通道被平行地设置在所述第一冷却空气通道上，所述第二冷却空气通道被安装在所述主机体，所述基座和所述电机基座的内部与所述第一冷却空气通道相连接，并且将冷却气体从所述第一冷却空气通道中输送至所述绕动涡卷的背面和所述电机基座的内部。

3.根据权利要求1所述一种容积式装置，其特征在于，绕动涡卷内部具有另一个径向冷却空气通道，以此来冷却气体输送至所述绕动轴承座的中央部分，还包括位于中央部分的轴向空气通道通过所述驱动轴来引导冷却气体从所述通道中输入至位于所述驱动轴末端的一离心泵上，以此通过泵来抽取。

4.根据权利要求2所述一种容积式装置，其特征在于，进一步还包括有至少一具有冷凝器的热管，其两端安装在与所述驱动轴平行的第一冷却空气通道或第二冷却空气通道内。

5.根据权利要求1所述一种容积式装置，其特征在于，

a)至少一绕动双推力球轴承装置，其包括一固定推力球轴承和一绕动推力球轴承；

b)所述固定推力球轴承有安装在所述装置固定部分的一第一静片，第一动片可转动地绕着轴线旋转，并且具有第一保持架的第一滚珠安装在所述第一静片和所述第一动片之间；

c)绕动推力球轴承装置有固定在绕动涡卷上的第二静片，能绕自己的轴旋转的第二动片，带保持架的第二滚珠被安放在第二静片和第二动片之间；

d)所述第一动片和所述第二动片背对背接触，并且相互滑动；

e)所述固定推力球轴承和所述绕动推力球轴承能够承受推力负荷，所述的负荷是从所述第二静片至所述第二滚珠，然后至所述第二动片，接着至所述第一动片，然后至所述第一滚珠，最后至所述第一静片，并且反之亦然；

f)一用于支撑所述第一静片的调节球，同时其能够维持所述第一动片和所述第二动片的背对背接触；

g)在所述定涡卷上至少有一螺母，其用于调节所述绕动双推力球轴承装置的轴向位置，使得所述定涡卷和绕动涡卷在轴向保持接触。

6.一种容积式装置，包括，

a)至少一个具有第一端板的绕动涡卷，其具有一第一涡卷单元在所述第一端板的底面，一绕动轴承座安装在所述第一端板上并位于所述第一涡卷单元的背面，而且，所述第一端板上具有三个均布的周边部分；

b)至少一个具有一第二端板的定涡卷，其具有一第二涡卷单元在所述定涡卷中所述第二端板的底面，所述第二涡卷单元与所述绕动涡卷的所述第一涡卷单元相啮合，当所述绕动涡卷关于所述定涡卷转动时，啮合的定涡卷单元侧壁和前述的动涡卷第一底板的端面和前述的定涡卷的第二底板的端面形成体积不同的移动腔以及流体压力高低不同的压力区域；

c)安装有一个能够驱动所述绕动涡卷的可转动的驱动轴，以此来实现关于定涡卷的绕动运动；

d)一用于支撑所述驱动轴的基座，并且所述驱动轴位于所述基座的中央部分；

e)一用于支撑电机定子的电机基座；

f)一用于支撑所述定涡卷的主机体；以及

g)至少一安装在一蒸发器上的热管，其两端固定安装在所述定涡卷内部，同时，冷凝器的两端暴露在冷却气体中，以此从所述定涡卷中将热排到冷却气体中。

7.根据权利要求6所述一种容积式装置，其特征在于，进一步包括有至少一安装在一蒸发器上的热管，其两端固定安装在所述绕动涡卷内部，同时，冷凝器的两端暴露在冷却气体中，以此从所述绕动涡卷中将热能排到冷却气体中。

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