CN102695878B - 往复制冷压缩机油密封 - Google Patents

Abstract

一种压缩机（20）具有外壳（22）和曲轴（38）。外壳具有至少一个气缸（30 32）。对于每个气缸，压缩机包括活塞（34），其安装成用于至少部分地在气缸内往复运动。连接杆（36）将每个活塞联接到曲轴。外壳具有壁，曲轴延伸穿过该壁。外壳载有唇式密封件作为主密封件（97）。该唇式密封件接合曲轴的相邻部分（86）。该相邻部分载有涂层（140）。

Description

往复制冷压缩机油密封

相关申请的交叉引用

要求2010年1月14日提交的、名称为“ReciprocatingRefrigerationCompressorOilSealing”的美国专利申请序列号61/295,009的权益，该申请的全部公开内容通过引用并入本文中，如同已被详尽阐述。

技术领域

本公开涉及制冷压缩机。更具体地，本公开涉及压缩机轴密封。

背景技术

多种制冷压缩机构造是常用的。在这些构造中包括：螺杆压缩机、涡旋压缩机和往复活塞压缩机。一种特殊类型的制冷系统是运输制冷系统（例如卡车、拖车和货物集装箱制冷系统）。一种代表目前技术水平的运输制冷系统使用内燃发动机来直接或间接地驱动往复活塞压缩机。一种当前的运输制冷系统使用被驱动的柴油发动机来对往复活塞压缩机供能，该往复活塞压缩机使用R-404AHFC制冷剂。制冷剂压缩机也可用于对固定地点（例如超市）中的物品进行制冷，以及用于诸如商业建筑和住宅建筑的空气调节的应用（例如冷却和/或加热应用）。

最近，由于考虑到HFC的环境影响问题，已经提出将基于二氧化碳的制冷剂（例如R-744）用于运输应用。在上述制冷剂之外，其他制冷剂也可与那种类型的制冷剂压缩机一起使用，包括但不限于R-22、R410A、R134a、R410a。

在气密或半气密的压缩机中，电马达被容纳在压缩机的外壳中。在这种压缩机中，曲轴完全在外壳内并且不需要相对于外壳密封。在其他（开放式驱动）压缩机中，马达或发动机驱动在外壳的外部并且曲轴穿透外壳。曲轴的外部部分被机械地联接到马达或发动机。在这种情况下，曲轴的一部分穿透外壳并且必须被密封以防止制冷剂泄漏。Wright等人的US2004/0113369中公开了一种提议的密封系统。

发明内容

本公开的一个方面涉及一种压缩机，其具有外壳和曲轴。外壳具有入口、至少一个气缸、出口和曲轴箱舱。对于每个气缸，压缩机包括活塞，其安装成用于至少部分地在气缸内往复运动。连接杆将每个活塞联接到曲轴。外壳具有壁，曲轴延伸穿过该壁。外壳载有唇式密封件作为主密封件。该唇式密封件接合曲轴的相邻部分。该相邻部分载有涂层。

在各种实施方式中，压缩机可进一步包括一个或多个轴承，其安装在壁中并支撑曲轴。外壳可包括压盖板。唇式密封件可安装在压盖板中。轴承可安装在与压盖板相邻的壁中并支撑曲轴。

本公开的其他方面涉及包括这种压缩机的制冷或空调系统。该系统可包括穿过压缩机的再循环流径。第一换热器可沿着流径定位在压缩机下游。膨胀装置可沿着流径定位在第一换热器下游。第二换热器可沿着流径定位在膨胀装置下游。制冷剂装料可包括R-404A。该系统可以是制冷的运输系统。制冷的运输系统可进一步包括集装箱。第二换热器可定位成冷却集装箱的内部。该系统可以是固定地点的制冷或空调系统。固定的制冷系统可进一步包括多个制冷的或空调的空间。可以有多个所述第二换热器，每个定位成冷却相关联的这种制冷的或空调的空间。

本公开的其他方面涉及使用方法。

在附图和下面的描述中阐述了一个或多个实施例的细节。其他特征、目的和优点将从所述描述和附图以及从权利要求中变得明显。

附图说明

图1是压缩机的竖直纵向剖面图。

图2是图1的压缩机的密封舱的放大图。

图3是制冷系统的示意图。

图4是包括了图3系统的牵车拖车组合的局部示意图。

图5是固定位置系统的示意图。

在各图中，相同的参考数字和标记表示相同的元件。

具体实施方式

图1和2示出了示例性的压缩机20。压缩机20具有壳体（外壳）组件22。该示例性压缩机被发动机24（示意性示出）驱动。示例性外壳22具有抽吸端口（入口）26和排放端口（出口）28。该壳体限定了多个气缸30和32。每个气缸容纳相关联的活塞34，活塞34安装成用于至少部分地在气缸内往复运动。示例性多气缸构造包括：直列、V形（V字形）以及水平对置。该示例性压缩机基于由纽约Syracuse的Carrier公司制造的公知的05G型压缩机。

每个气缸包括抽吸位置和排放位置。例如，气缸可并行地联接，从而抽吸位置是由抽吸端口26供给的共享的/公共的抽吸压力间（plenum），并且排放位置是供给排放端口28的共享的/公共的排放压力间。在其他构造中，气缸可共享抽吸位置/条件，但是具有不同的排放位置/条件。在其他构造中，气缸可以是串联的。示例性的制冷剂是R-404A。

每个活塞34经由相关联的连接杆36联接到曲轴38。示例性的曲轴38被轴承保持在外壳中，以便绕轴线500旋转。每个活塞30、32经由相关联的肘销44联接到其相关联的连接杆36。示例性的外壳包括主构件50（例如壳体的铸件），其形成气缸体。主构件的下端被油盘板/盖52封住。一个或多个头部54可覆盖气缸。在前端（例如，“远”端指的是远离发动机），支承体56（最优地与油泵或其他系统集成）封住外壳并且支承轴承58，轴承58接合曲轴的前端部分60（对称地示出），曲轴的前端部分60邻近曲轴的前端61。外壳的后端被安装到主构件50的法兰62和压盖板64封住。法兰62和压盖板64沿着主构件的后壁66安装，后壁66在孔/舱70中支承/承载了轴承68。轴承68接合曲轴的第一中间部分72。曲轴的后端/第二端部分80（邻近曲轴的第二端81）在外壳的外面。第二端部分80可具有一些特征（例如花键或键槽82），以便联接到发动机（包括任何其间的结构）。图2示出了曲轴的第二中间部分86位于端部分80和第一中间部分72之间。

在曲轴穿透外壳的情况下，曲轴必须相对于外壳密封。示例性的密封系统被示作为Wright等人的US2004/0113369的压缩机的改型。在Wright等人的专利申请中，外壳的后端/近端壁由主构件的后壁66以及法兰/压盖板的组合形成。后壁66的内侧部分88限定了轴承舱70。在轴承舱70的外侧（轴向地）延伸，后壁66围绕密封件舱90的大部分，Wright等人的专利申请的主密封件可安装在密封件舱90中。压盖板64覆盖密封件舱90的端部并且具有孔径92，曲轴延伸穿过该孔径92。在孔径92的（轴向）内侧，压盖板具有环形舱94，次密封件95安装到环形舱94中。示例性的次密封件95可以是如Wright等人的专利申请中的唇式密封件。示例性的压盖板具有主密封件舱96，其在次密封件舱94内侧并容纳主密封件97。主密封件是“主要的”，因为其暴露于轴承外端处的内部压缩机压力。主密封件上的压力差（ΔP）可以是油盘和大气之间的压力差的大多数（例如这种压力差的50-100％，或更窄地，90-100％）。如果次密封件舱暴露于外界环境，例如如同泄漏的油被允许收集到油保持容器中，则次密封件舱中的压力可基本等于大气压力并且主密封件可经历基本100％的压力差。次密封件是“次的”，因为其是备份并且介于主密封件和外部环境之间。将密封件指定为“主要的”不要求有次密封件。示例性的主密封件舱和次密封件舱形成了更大的台阶舱，其具有分隔两个舱的台阶或肩部98。主密封件97也是唇式密封件并且可压配合其舱96。

示例性的主密封件97包括大致环形的弹性密封构件100，其具有一对环形唇101、102，用于与曲轴的相邻部分形成密封。环形唇101可通常用于密封压力差，而环形唇102（有时称为尘唇）可通常用于保护唇101，不让任何外来颗粒接触唇101。唇101可由一系列设计上相似的环形唇构成为单个环形唇101。示例性的主密封件97可具有径向弹簧104（例如，钢卷）以径向向内地偏压密封件（即，唇）。示例性的主密封件97包括任选的端板或支撑垫圈106，其在主密封件和次密封件之间纵向地支撑主密封件，从而阻止由于高的内部压力而爆裂，该高的内部压力在主密封件的内侧到达密封件舱90。主密封件97还可具有刚性的（例如金属的）芯部（未示出）以提供刚性并帮助允许其被压配合杂其舱中。

示例性的次密封件也可具有弹性构件110和径向弹簧114，弹性构件110具有一对唇111、112。预计示例性的次密封件将不会经历主密封件的压力差。次密封件的主要目的是防止主密封件被来自外侧环境的外来物质（例如灰尘颗粒）污染。主和次密封件之间的空间120可俘获泄漏通过主密封件的小量的油。任选的收集通道122（示意性示出）可与空间120连通以将这些油传递到任选的油收集瓶124。通道122和收集瓶124防止油移动越过次唇式密封件到达外侧环境。

与主唇式密封件上的压力差相关联的高压力可导致密封唇和曲轴之间的增大的接触力。在延性铁曲轴直接与唇式密封件接触的情况下，铁的微结构使得轴表面中的铁素体盖（ferritecaps）可分离，导致密封件磨损和泄漏。因此，沿着与主密封件接合的曲轴的至少一部分，轴载有平滑的硬涂层140，该硬涂层140被选择为刮擦弹性构件并且保持其自身的平滑性（光面光洁度），从而保持良好的密封并防止磨损。涂层140可在示例性的连续区域上延伸，该区域包括被次密封件接合的曲轴的一部分。

可通过首先对轴进行准备而将示例性涂层施加到轴。示例性的准备可包括沿着轴部分86磨出凹切部（undercut）142以接收涂层。示例性的凹切部可形成径向向外开口的环形沟槽，其具有圆柱形基底以及第一和第二径向延伸端壁。例如，当再设计或再制造基线轴（baselineshaft）时，凹切部可以是足够的，从而涂层恢复了最终的轴外径（OD）。在示例性的再制造中，在压缩机已经操作了一段时间后，涂层可被再抛光到其初始表面光洁度规格。如果涂层在操作期间发生了实质的磨损，则可向已经存在的涂层添加涂层，或者可全部剥去现存的涂层并重新引入（沉积）新的涂层替代旧涂层。轴的相邻部分可被掩盖以防止涂层沉积在其上。可经由原位累积工艺（例如等离子喷涂）来施加涂层。示例性的累积是达到25-3000微米或者更窄地300-1000微米的特征厚度（例如平均厚度或至少是唇处或附近的厚度）。示例性的涂层包括氧化铬、氧化铝－氧化钛、基于碳化钨的涂层、铬以及碳化铬镍铬铁合金涂层。在初始施加之后，涂层可被机加工/抛光以实现适当的表面光洁度特性。示例性的表面光洁度性质在如下范围内：Ra20μin、Rz25-150μin、Rpm10-80μin。通常，涂层可需要满足某些硬度要求。示例性的硬度性质是洛氏硬度C55或更大（例如55-70，更窄地，60-65）。

相对于更复杂的密封系统，主唇式密封件97的使用可降低制造成本。当与硬涂层140结合时，其可进一步改善总体可靠性。在维护情形中，法兰62和压盖板64可被移除，并且一个或两个唇式密封件可被抽出并用新的唇式密封件替换。涂层140的维修可以是任选的，这取决于特定的维护间隔和所存在的实际磨损。如果在涂层140上进行工作，则这可能从仅仅抛光涂层变化到移除涂层并重新涂敷。通过将涂层140累积在轴上，可实现比预成形硬套筒的情况下更好的密封完整性。例如，制冷剂趋向于穿过预成形套筒和轴衬底之间的界面而泄漏。

图3示出了示例性的制冷系统148，其包括压缩机20。系统148包括位于抽吸端口26处的系统抽吸位置/条件150。制冷剂主流径152从抽吸位置/条件150穿过压缩机气缸向下游前进以从排放端口28处的排放位置/条件154被排放。主流径152向下游前进穿过第一换热器（气体冷却器/冷凝器）156的入口以排出气体冷却器/冷凝器的出口。然后，主流径152向下游前进穿过膨胀装置162。然后，主流径152向下游前进穿过第二换热器（蒸发器）164以返回到抽吸条件/位置150。

在正常操作期间，制冷剂的再循环流沿着主流径152传递，在气缸中被压缩。经压缩的制冷剂在气体冷却器/冷凝器156中被冷却，在膨胀装置162中被膨胀，然后在蒸发器164中被加热。在示例性的实施方式中，气体冷却器/冷凝器156和蒸发器164是制冷剂－空气换热器，具有相关联的被风扇170、172推动的气流174、176。气体冷却器/冷凝器156可被循环液体（例如水）冷却，循环液体被泵送经过气体冷却器/冷凝器盘管。蒸发器164通常位于制冷的空间内。类似地，气体冷却器/冷凝器156或者其气流可在制冷的空间外面。

另外的系统部件和其他系统变型也是可能的（例如，多区/蒸发器构造、经节约的构造，等等）。示例性的系统包括制冷的运输单元和固定的商业制冷系统。

图4示出制冷拖车形式的制冷的运输单元（系统）220。拖车可被牵车222牵引。示例性的拖车包括集装箱/箱盒224，其限定了内部/舱226（制冷的空间）。被安装到箱盒224前部的设备壳体228可容纳发动机（例如柴油发动机）、压缩机和气体冷却器/冷凝器。蒸发器及其相关联的风扇可位于舱226内或者与舱226热连通。

示例性的固定商业空调系统250（图5）包括一个或多个中心压缩机20以及排热换热器156，其例如位于建筑255外面或位于其屋顶上，共同用于服务多个空调空间256（例如建筑中的房间258）。每个这种空间可具有其自身的吸热换热器164’和膨胀装置162’（或者可以有公共的膨胀装置）。

压缩机可通过常规制造技术之外的方式制造。

尽管上面已经详细地描述了一个实施例，但这种描述不意图限制本公开的范围。将会理解的是，在不偏离本公开的精神和范围的情况下可作出各种修改。例如，当在现有压缩机构造的再设计中实施时，现有构造的细节可影响或决定任何特定实施方式的细节。因此，其他实施例也在所附权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种压缩机（20），包括：

外壳（22），其具有：

入口；

至少一个气缸（30-32）；

曲轴箱舱（48）；和

出口；

曲轴（38），所述外壳具有壁，所述曲轴延伸穿过所述壁；

对于每个所述气缸：

活塞（34）安装成用于至少部分地在所述气缸内往复运动；

连接杆（36）将所述活塞联接到所述曲轴；并且

肘销（44）将所述连接杆联接到所述活塞；

其中：

所述外壳载有主密封件（97）和次密封件（95），所述主密封件和次密封件都是唇式密封件，其接合所述曲轴的相邻部分（86），其中，所述主密封件包括支撑垫圈，所述支撑垫圈在所述主密封件和次密封件之间纵向地支撑所述主密封件；并且

所述相邻部分载有涂层（140）。

2.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述外壳包括压盖板（64）；并且

所述主密封件（97）和次密封件（95）安装在所述压盖板中。

3.如权利要求2所述的压缩机，还包括：

轴承（68），其安装在与所述压盖板相邻的壁（66）中并支撑所述曲轴。

4.如权利要求2所述的压缩机，其中：

所述主密封件（97）压配合到所述压盖板中。

5.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述主密封件（97）暴露于曲轴箱压力。

6.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述主密封件上的压力差是所述曲轴箱舱和大气之间的压力差的大多数；并且

所述涂层是硬涂层。

7.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述涂层包括氧化铬。

8.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述涂层在与所述唇式密封件的接触位置处具有0.3-1.0mm的厚度。

9.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述涂层包括以下中的至少一个：

氧化铝－氧化钛、基于碳化钨的涂层、铬、碳化铬镍铬铁合金。

10.如权利要求9所述的压缩机，其中：

所述曲轴的所述相邻部分包括延性铁。

11.如权利要求1所述的压缩机，其中：

所述唇式密封件具有径向弹簧（104）。

12.一种制冷系统（48；250），包括：

如权利要求1所述的压缩机（20）；

内燃发动机，其机械地联接到所述曲轴；

制冷剂再循环流径（152），其穿过所述压缩机；

第一换热器（156），其沿着所述流径在所述压缩机下游；

膨胀装置（162；162’），其沿着所述流径在所述第一换热器下游；和

第二换热器（164；164’），其沿着所述流径在所述膨胀装置下游。

13.如权利要求12所述的系统，其中：

制冷剂装料包括R-404A。

14.如权利要求12所述的系统，其为制冷的运输系统，还包括：

集装箱（224），所述第二换热器定位成冷却所述集装箱的内部（226）。

15.如权利要求12所述的系统，其为固定的制冷系统，还包括：

多个空调空间（256）；和

多个所述第二换热器（164’），每个定位成冷却相关联的所述空调空间。