CN102449306B - 用于压缩机的轻重量曲轴箱铸件 - Google Patents

Abstract

公开了一种压缩机（20）以及用于压缩机（20）的轻重量且高强度的铸件（22）。压缩机（20）可以是用于压缩诸如CO2的高压制冷剂的往复式压缩机（20），并且包括相比于现有技术铸件显著减小的壁厚（t）。通过使用跨越曲轴箱（34）的桥状部（70），压缩机（20）的侧壁（60、62）可被制造成这种减小的厚度（t）。这不仅允许相对的侧壁（60、62）由较薄的材料制造，而且可移除地安装到曲轴箱（34）的底盖（66）也可由较薄和较轻的材料制造。通过使用这种桥状部（70），所得到的压缩机（20）不仅能够满足当前的强度要求，而且也显著节省了重量、尺寸和成本。

Description

用于压缩机的轻重量曲轴箱铸件

相关申请的交叉引用

本申请是非临时专利申请，要求2009年5月28日提交的美国临时专利申请序列号61/181,922在35USC§119(e)下的优先权。

技术领域

本公开一般地涉及压缩机，并且更具体地涉及在压缩机中用于高压流体的曲轴箱铸件。

背景技术

压缩机是用于将各种流体压缩到更高密度的常用装置。压缩机具有多种形式，包括但不限于往复式、涡壳式和螺杆式压缩机。对于往复式压缩机，活塞在压缩机气缸中来回运动以压缩气缸中的工作流体，而对于涡壳式压缩机，交错的涡壳相对于彼此旋转以使得涡壳之间的流体加压。通常，涡壳之一是固定的，另一个涡壳绕着该固定涡壳离心地旋转，但是两个涡壳也可同时旋转，只要它们的旋转轴线是偏置的。类似地，螺杆式压缩机使用多个啮合的容积式螺旋螺杆来迫使流体进入较小的空间。

在与空调设备有关时，通常使用往复式压缩机。该压缩机用于压缩制冷剂，例如但不限于二氧化碳（CO₂）。通常，制冷剂被压缩到非常高的压力。这使得制冷剂的温度升高，从而当其随后前进到冷凝器并随后前进到蒸发器时，来自待冷却区域的热量可被提取并且耗散到外侧环境空气。

在常规的CO₂往复式压缩机中，制冷剂被压缩到非常高的压力，例如500-2000 psi。这种压缩在压缩机的曲轴箱中进行。因此，该曲轴箱不仅必须由能够承受高压流体的材料制成，而且美国、欧盟和其他国家的当前安全规章都要求曲轴箱能够承受制冷剂操作压力的至少五倍。这被称为是爆裂压力，并且由欧盟安全标准EN60335-2-34等来决定。其他可适用的标准是欧盟安全标准EN378，其要求曲轴箱能够承受压缩机低侧压力释放阀设置的两至五倍。

现有技术系统通过在铸造过程中制造所述曲轴箱来实现这一点，其中，铁被铸造成用于总体压缩机的壳体和曲轴箱的期望形状。为了满足爆裂强度和压力要求，这种铸件被制造成具有相对厚的壁。这导致压缩机相对重并且增加了该单元的总体成本。另外，球墨铸铁通常被要求满足该强度要求，但是由于这是可用的更昂贵铸造材料之一，这必然增加压缩机的费用。

因此，可以看出需要一种高压压缩机曲轴箱铸件，其轻于当前可用的那些曲轴箱铸件并且仍然能够提供必要的爆裂强度。

发明内容

根据本公开的一个方面，公开了一种压缩机，其包括：马达；压缩元件，所述压缩元件与所述马达操作关联；和壳体，所述壳体围绕所述马达和压缩元件，所述壳体包括至少一个桥状部，所述至少一个桥状部在所述壳体的相对侧之间延伸并且与所述壳体整体地铸造。

根据本公开的另一个方面，公开了一种与制冷剂压缩机一起使用的铸件，其包括：马达舱室，所述马达舱室适于容纳马达；曲轴箱舱室，所述曲轴箱舱室与所述马达舱室整体形成并且适于容纳至少一个运动的压缩元件；和桥状部，所述桥状部跨越所述曲轴箱舱室，其中，所述马达舱室、曲轴箱舱室和桥状部被铸造成一个整体零件。

当结合附图时，本公开的这些和其他方面和特征将通过阅读以下详细描述而变得更加明显。

附图说明

图1是根据本公开的教导而构造的压缩机的等距图；

图2是图1的压缩机的横向剖面图；

图3是图1的压缩机的纵向剖面图；

图4是根据本公开的教导而构造的铸件的等距图；

图5是图4的铸件沿图4的线5-5剖切的纵向剖面图；

图6是图4的铸件的横向剖面图；并且

图7是图4的铸件的底视图。

虽然本公开可能有各种修改和替代构造，但将会在下面详细地示出和描述本公开的一些示例性实施例。然而应当理解，并不意图限于所公开的特定实施例，而是相反，意图覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。

具体实施方式

现在参见附图，具体参见图1，一般地用附图标记20来指代根据本公开的教导而构造的压缩机。虽然以下详细描述和附图是针对往复式压缩机作出的，但应当理解的是，本公开的教导也可用于制造与许多种类型的压缩机一起使用的铸件，包括但不限于往复式、涡壳式和螺杆式压缩机。另外，虽然针对的是制冷剂的压缩，但是根据本公开的教导而构造的压缩机当然也可用于压缩任何类型的流体。

再次参见图1，所示的压缩机20包括壳体或铸件22，其具有动力端24和工作端26。如本文将进一步详细描述的，动力端和工作端被构造成将未压缩的流体吸入进口28并在排口30产生经压缩的流体。现在参见图2和图3，在横向和纵向剖面图中示出了压缩机20。首先开始看图3的纵向剖面图，马达32被示出安装在壳体22的马达舱室34中，而多个压缩元件36安装在曲轴箱舱室38中。如将要指出的，马达舱室34和曲轴箱舱室38通过金属铸造过程整体地形成在一起。

马达32可包括定子40，当被电感应时转子42在定子40内旋转。驱动轴44从转子42延伸并进入曲轴箱舱室38。如图2和图3所示，驱动轴44终止于远端46，具有一个或多个偏心轮（eccentric）48。如本领域普通技术人员将会理解的，偏心轮48被设置成相对于驱动轴以偏置的方式旋转。

因此，当每个偏心轮48被安装到连接杆50，而连接杆50进而被通过肘销54等连接活塞52时，随着驱动轴44旋转，活塞52被导致来回往复运动。多个压缩气缸56被铸造到曲轴箱舱室38中，该多个压缩气缸56的尺寸被设置成在其内紧密地接收活塞52并且允许活塞52的这种往复运动来压缩诸如制冷剂的工作流体（未示出），所述制冷剂例如是CO₂等。汽缸盖58可封住每个气缸56。

如图2中最佳示出的，曲轴箱舱室38可包括第一和第二大致相对的侧壁60、62，其由上壁或顶壁64连接。为了允许周期性地进入曲轴箱舱室38，可移除底盖66可通过一系列紧固件68（例如螺栓等）连接到曲轴箱舱室38。在这样做时，曲轴箱舱室38基本是密封的。这是重要的，因为由压缩机20压缩的CO₂制冷剂通常被压缩到500-1000 psi（～3.5-7 MPa）或更高的压力。这被称为工作流体的操作压力。另外，当前的安全规章要求壳体22尤其是曲轴箱舱室38被制造成具有至少五倍于该工作流体操作压力的爆裂压力。这等于5000 psi（～34 MPa）的爆裂压力。

通常，通过从非常厚的铸铁材料来制造相对的壁60、62、顶壁64和底盖66来实现这一点。这进而极大地增加了压缩机的总体尺寸、重量和成本，尤其是考虑到通常需要用到昂贵的球墨铸铁。然而，本公开阐述了一种压缩机，其可由显著少的材料制造并且具有显著薄的壁。作为示例，虽然实际壁厚（t）将取决于所容纳的压力，但是对于本文所述的压力范围，本公开允许壁60和62的最大壁厚为25毫米。取决于所容纳的压力，壁厚（t）的合适范围在16毫米和25毫米之间，所有这些均代表了相比于现有技术设计的显著降低的尺寸、重量和成本。

发明人实现这一点的一种方式是通过提供如图3、5、6和7最佳示出的桥状部70。桥状部70可与壁60和62整体地铸造并且在其之间延伸。更特别地，与现有技术装置所提供的曲轴箱舱室38在壳体壁60、62之间完全开放相反的是，本公开提供的桥状部70跨越在壁60和62之间。这进而使得壁60和62以及顶壁64和底盖66能够由相对薄的材料制造。

例如，通过有限元分析和其他创造性实验，发明人发现通过采用桥状部70，壁60和62的厚度（t）可降低多达百分之二十九（29）或更多。更特别地，通过采用桥状部70，一个受测试的壁的最大第一主应力在某个壁位置处为219 MPa，而没有桥状部情况下的相同厚度壁的最大第一主应力在相同壁位置处为283 MPa。比较这两个值，可以看到应力比为283/219或者1.29，从而说明本公开提供了至少百分之二十九的壁厚节省。

另一种衡量这种改进的方式关于壁变形。不仅爆裂压力是避免曲轴箱结构失效的重要安全要求，而且通过限制壁变形，压缩机的效率得以提高，因为可减少或避免盖66和铸件22之间的垫片泄漏。这里，发明人实现了更加有说服力的结果。再次采用有限元分析，发明人发现在没有桥状部的情况下，经受相同内部压力的壁变形约0.6 mm，而在具有桥状部的情况下，相同厚度的壁仅变形约0.17 mm。比较这两个值，这意味着对于没有桥状部的压缩机而言，为了具有相同的变形抵抗力，压缩机的壁必须厚0.6/0.17或3.52倍。

现在参见图6，桥状部70的形状被示出包括基本直线的底边缘72。因此，如图2所示，当底盖66被螺栓连接到壳体22上时，底边缘72与底盖66持续接合。因此，桥状部70不仅提供另外的强度来抵抗大致相对的侧壁60和62之间的翘曲，而且提供用于底盖60的中跨支撑以减小应力并允许使用更薄的底盖板66。桥状部70还包括与外壁60和62整体地铸造的第一和第二侧边缘74和76，以及曲线的顶边缘78。曲线顶边缘78的谷部80可设置在顶边缘78的中央内，顶边缘78的横向端部高于谷部80。这仅仅是示例性的，因为桥状部当然也可以具有其他形式和形状。

在进一步的实施例中，例如在图7中所示的，可设置多于一个桥状部。在图7的实施例中，设置了两个桥状部70，不过当然应当理解的是也可设置多于两个桥状部，这取决于压缩机10的总体尺寸和其内的压缩元件36的数量。

工业应用性

基于前述，可以看出本公开阐述了一种压缩机（20）和用于压缩机（2）的铸件（22），该铸件（22）显著轻于现有技术的铸件，但是仍然提供必要的强度和防护以满足压缩机（20）的爆裂要求。因此，在美国、欧洲和其他国家决定压缩机（20）具有某个爆裂强度的应用中，本公开阐述了一种满足这种要求的方式，然而却对于制造者和消费者而言成本较少。实际上，发明人通过有限元分析已经示出了所得到的压缩机（20）不仅能够提供这种爆裂强度，而且相比于根据现有技术构造的相当尺寸的压缩机，其还导致至少百分之二十九的壁厚（t）节省，从而导致重量的节省。另外，通过新颖地包括前述桥状部（70），铸件（22）可由较便宜且更轻重量的材料制成。例如，尽管现有技术压缩机（20）可能必须由球墨铸铁制造以提供所需要的强度，然而本公开允许使用其他材料，例如但不限于灰口铸铁。

尽管仅仅阐述了一些实施例，但本领域技术人员将会从以上描述明白替代形式和修改。这些和其他替代形式被认为是等同物并且在本公开和所附权利要求的精神和范围内。

Claims (18)

1.一种压缩机（20），包括：

马达（32）；

压缩元件（36），所述压缩元件（36）与所述马达（32）操作关联；和

壳体（22），所述壳体（22）围绕所述马达（32）和压缩元件（36），至少一个桥状部（70）在所述壳体（22）的相对的侧壁（60、62）之间延伸，邻近所述压缩元件（36），所述桥状部（70）与所述壳体（22）整体地铸造，所述桥状部(70)包括基本直线的底边缘(72)，侧边缘(74，76)与侧壁（60、62）以及曲线的顶边缘(78)整体地铸造。

2.如权利要求1所述的压缩机（20），其中，所述壳体（22）包括最大壁厚（t）为二十五毫米的侧壁（60、62）。

3.如权利要求1所述的压缩机（20），其中，所述压缩机（20）还包括待压缩的工作流体，所述工作流体是制冷剂。

4.如权利要求3所述的压缩机（20），其中，所述制冷剂是二氧化碳。

5.如权利要求3所述的压缩机（20），其中，所述制冷剂被压缩到至少500 psi的操作压力。

6.如权利要求5所述的压缩机（20），其中，所述壳体（22）具有至少五倍于所述操作压力的爆裂压力。

7.如权利要求1所述的压缩机（20），其中，所述壳体（22）包括曲轴箱（38）、在所述曲轴箱内运动的驱动轴（44）和连接杆（50），所述桥状部（70）延伸越过所述曲轴箱（38）。

8.如权利要求7所述的压缩机（20），还包括能从所述曲轴箱（38）移除的底盖（66），所述桥状部（70）延伸越过所述底盖（66）并且通过所述底边缘(72)与所述底盖（66）接触。

9.如权利要求1所述的压缩机（20），其中，所述压缩机（20）是往复式压缩机（20）。

10.如权利要求8所述的压缩机（20），其中，所述压缩元件（36）是活塞（52）。

11.如权利要求1所述的压缩机（20），其中，所述壳体（22）由灰口铸铁制成。

12.如权利要求2所述的压缩机（20），其中，所述侧壁（60、62）的壁厚（t）在十六和二十五毫米之间。

13.一种与制冷剂压缩机（20）一起使用的铸件（22），包括：

马达舱室（34），所述马达舱室（34）适于容纳马达（32）；

曲轴箱舱室（38），所述曲轴箱舱室（38）与所述马达舱室（34）整体形成并且适于容纳至少一个运动的压缩元件（36）；和

桥状部（70），所述桥状部（70）跨越所述曲轴箱舱室（38），所述马达舱室（34）、曲轴箱舱室（38）和桥状部（70）被铸造成一个整体零件，所述桥状部(70)包括基本直线的底边缘(72)，侧边缘(74，76)与所述曲轴箱舱室（38）的侧壁（60、62）以及曲线的顶边缘(78)整体地铸造。

14.如权利要求13所述的铸件（22），其中，所述曲轴箱舱室（38）被可移除盖（66）封闭，当所述可移除盖（66）附接到所述铸件（22）时，所述桥状部（70）延伸越过所述可移除盖（66）并且通过所述底边缘(72)与所述可移除盖（66）接触。

15.如权利要求13所述的铸件（22），其中，所述铸件（22）由灰口铸铁制成。

16.如权利要求13所述的铸件（22），其中，所述制冷剂压缩机（20）将制冷剂压缩到操作压力，所述铸件（22）具有至少五倍于所述操作压力的爆裂压力。

17.如权利要求13所述的铸件（22），其中，所述侧壁（60、62）包括二十五毫米的最大壁厚（t）。

18.如权利要求17所述的铸件（22），其中，所述侧壁（60、62）的壁厚（t）在十六和二十五毫米之间。