CN103032319A - 无油和微油涡卷流体位移装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无油和微油涡卷流体位移装置，包括，一固定涡卷和一绕动涡卷置于主壳体内部，所述绕动涡卷的涡卷元件与所述固定涡卷的涡卷元件之间的形成多个压力气室，其中，一所述固定涡卷上开设有至少一气道，所述气道能够在所述绕动涡卷与所述固定涡卷做相对运动过程中，连通所述压力气室和某一所述密封气室。使用无油和微油涡卷流体位移装置，通过调整绕动涡卷和固定涡卷相接触面的内部气室和外部边沿的压力梯度，加上适当的接触面的网格结构达到无油或微油润滑的效果，该装置的运动部件和承力部件都能够收到润滑油的润滑和冷却作用，减低摩擦功耗，增加了可靠性和寿命。

Description

无油和微油涡卷流体位移装置

技术领域

本发明涉及一种涡卷装置，尤其涉及一种无油和微油涡卷流体位移装置。

背景技术

通过两个互相啮合的螺旋型或渐开线型的涡卷元件相互共轭，并分别固定在各自的端板上，分别形成固定涡卷和绕动涡卷。这两个涡卷元件互相啮合在涡卷元件之间，形成线接触。工作时，一对线接触与端板表面之间至少形成一密封气室。当一个绕动涡卷相对于固定涡卷做轨道运动(圆形平动)时，在螺旋型侧壁上的接触线会沿着该侧壁移动，从而改变密封气室的大小。

美国专利US4861245提供了绕动涡卷相对于固定涡卷作轴向依从运动的浮动式涡卷压缩机。绕动和固定涡卷之间形成的压缩气室的压力气体被引入绕动涡卷背后的背压气室里，产生推动绕动涡卷克服轴向分离力向固定涡卷作依从运动的轴向偏力。

美国专利US4877382提供了固定涡卷相对于绕动涡卷作轴向依从运动的浮动式涡卷压缩机。绕动和固定涡卷之间形成的压缩气室的压力气体被引入固定涡卷背后的背压气室里，产生推动固定涡卷克服轴向分离力向绕动涡卷作依从运动的轴向偏力。

在实际应用中压缩机分成有油润滑和无油润滑两种。排出压缩机的被压缩气体含有大量的润滑油，需要经油气分离装置达到汽油重量比为1-3ppm的含油量的压缩机通常称之为有油压缩机。而在被压缩气体中完全不引入润滑油，排出的被压缩气体中的汽油重量比为0.001ppm以下的含油量的压缩机通常称之为无油压缩机。汽油重量比为0.001-0.1ppm的含油量的压缩机称之为微油(trace amount)压缩机。

美国专利6059540展示了一种有润滑油起润滑和冷却作用的涡卷式压缩机。在压缩机的吸气端和排气端之间引入了润滑油起到了对涡卷零件的润滑和被压缩气体的密封和冷却作用。在闭路系统，如空调系统的应用中，排出的被压缩气体的所含的油在系统中循环又回到压缩机。在开路系统中，排出的被压缩气体的所含的油经油气分离装置，分离出润滑油循环使用，而气体排出用于各种不同的应用。排出气体通常含有1-3ppm的润滑油会污染下游的应用环境。复杂的油气分离机构和污染是有油润滑压缩机的弊病。此外，压缩机的主要承力及摩擦部件如轴轴承，动涡卷推力轴承，驱动关节及其轴承，十字滑环(Oldham Ring)等都有油的润滑和冷却。减小了摩擦功率损失，增强了零部件的可靠性和寿命。这又是其优点。

美国专利6758659，展示了一种全依从的，即具有轴向和径向依从机构的，“悬浮”式双涡卷的无油压缩机。这种无油压缩机完全没有液态的润滑油存在。无论是工作流体，还是运动部件都没有油的润滑和冷却。滚动轴承用的是润滑脂。排出的气体是完全无油的“干净”的被压缩气体。其优点是能满足工业界对于干净压缩气体的需要又对环境没有污染。但是由于运动和承力部件没有用油润滑，因而其摩擦损失，发热和寿命都受到影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种改进的涡卷型流体位移装置，其运动部件和承力部件都受到润滑油的润滑和冷却作用，减低摩擦功耗，增加了可靠性和寿命，另一方面一个机械的密封机构加上气体负压力梯度的密封结构使得涡卷装置中的润滑油完全无法进入工作流体的“湿润区域(wet area)”使得排出的被压缩气体可以达到完全无油的程度。如果在某些应用，特别是闭路循环系统的应用中，宁愿在排出的被压缩气体中含有微量的，比如0.1ppm以下的油，则该密封系统可以通过调整密封系统的负压梯度来达到。

本发明一种涡卷流体位移装置，包括，一固定涡卷和一绕动涡卷置于一主壳体内部；所述绕动涡卷的上端板的涡卷元件与所述固定涡卷下端板的涡卷元件共轭接触，所述绕动涡卷和所述固定涡卷的所述涡卷元件呈螺旋状或渐开线型；相邻的所述绕动涡卷的涡卷元件与所述固定涡卷的涡卷元件之间接触和分离的部分，以及所述上端板和所述下端板，共同形成至少一密封气室；一主轴的上端部通过轴承连接绕动涡卷的下端板的中部，以带动所述绕动涡卷运动，主壳体开设有进气口，以将外部气体输送至所述密封气室；所述固定涡卷具有排气室，以将运动至所述固定涡卷中心的所述密封气室内的气体排出，其中，至少一压力气室设置在所述涡卷上，位于所述固定涡卷与所述绕动涡卷相接触面的边沿；所述压力气室中的气体压力高于其径向的外侧或内侧的气体压力，形成一个负压力梯度，所述固定涡卷上开设有至少一气道，所述气道能够在所述绕动涡卷与所述固定涡卷做相对运动过程中，连通所述压力气室和某一所述密封气室。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述固定涡卷内还设有一单向阀，该单向阀所处的通道与所述气道贯通，所述单向阀的阀头指向所述气道，所述阀头后部具有弹性元件，使得所述单向阀能够随与所述气道相连通的所述密封气室的压力的升高而打开。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述压力气室沿所述固定涡卷与所述绕动涡卷相接触面的外沿设置一周。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述绕动涡卷上端板与所述主壳体相接触部分上设置有一圈唇封槽。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述绕动涡卷的上端板，位于所述唇封槽与所述绕动涡卷的涡卷元件之间的部分为网格状。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述绕动涡卷的涡卷元件和/或所述固定涡卷的涡卷元件的上端面设置为网格状。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述网格的每个格的深度为0.05毫米到5毫米之间。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，网格的几何形状可以是正方形，圆形，矩形及其它任何形状，网格的线性尺寸的设计要与绕动涡卷的绕动半径相匹配，使得网格结构在绕动涡卷做绕动运动中，能扫过与其相应配合的平面上所有的面积，不会在与其相应配合的平面上留下任何一点不接触的表面，例如，绕动半径为1mm时，正方形网格的边长不得大于1mm，得网格的凹面不会在相应配合的平面上留下不接触的痕迹。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述网格的结构的线性尺寸不大于所述绕动涡卷的绕动半径。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述至少一气道的数量为一个，所述气道的两端呈孔状，一端对应所述压力气室，另一端位于所述绕动涡卷的涡卷元件和固定涡卷的涡卷元件之间的某密封气室。

在本发明涡卷流体位移装置的一实施例中，其中，所述压力气室为一绕所述绕动涡卷的涡卷元件一周的槽。

本发明提供的无油和微油涡卷流体位移装置，使之具有的积极效果是：

(1)该装置的运动部件和承力部件都能够收到润滑油的润滑和冷却作用，减低摩擦功耗，增加了可靠性和寿命。

(2)通过调整绕动涡卷和固定涡卷相接触面的内部气室和外部边沿的压力梯度，达到排出的压力气体无油或微油的效果。

附图说明

图1是本发明无油和微油涡卷流体位移装置的剖视图；

图2是图1中A处的放大结构图；、

图3是本发明无油和微油涡卷流体位移装置的绕动涡卷的俯视图；

图4是图3中C处的放大结构图。

具体实施方式

以下结合附图给出本发明一种具有稳定压力被压室的无油和微油涡卷流体位移装置的具体实施方式。

图1是本发明涡卷流体位移装置的剖视图，图2是图1中A处的放大结构图，如图1以及图2所示，本发明无油和微油涡卷流体位移装置的结构包括：一固定涡卷50和一绕动涡卷61置于装置的主壳体20内部，底座机壳70与主壳体20相连接，共同将固定涡卷50和绕动涡卷61以及其他各部件容置在内部；绕动涡卷61的上端板的涡卷元件62与固定涡卷50下端板的涡卷元件52相互共轭抵接，涡卷元件62和涡卷元件52呈螺旋状或渐开线型，本发明的实施例的涡卷元件62和涡卷元件52主要采用螺旋状；涡卷元件62与涡卷元件52之间接触和分离的部分，以及绕动涡卷61的上端板和固定涡卷50的下端板之间，共同形成至少一密封气室，如图1中的密封气室81；一主轴40的上部通过一驱动关节64连接轴承260，轴承260通过镶套270与绕动涡卷61固定联接，主轴40带动绕动涡卷61做绕动，主壳体20上开设有进气口80，该进气口80与位于涡卷元件52与涡卷元件62最外圈形成的密封气室连通，密封气室在工作过程中，通过涡卷元件52与涡卷元件62之间相对的轨道运动，亦可称之为圆形的平动或绕动，密封气室逐渐从外向内运动，且体积逐渐减小，因此密封气室内的气体被压缩，气压逐渐增大；固定涡卷50的中部具有排气室82，该排气室82的用处是将位于最内圈的密封气室内的高压气体排出，排气室82还与设置在固定涡卷50上方的排气阀100以及排气口110连通；如图2所示，在绕动涡卷61的上端板上设置有一环状压力气室624，且该压力气室位于固定涡卷50下端板与绕动涡卷61的上端板相接触面的边沿，固定涡卷50上开设有一气道56，该气道56通过气道564与压力气室624相通，另一端通过气道562与位于涡卷元件62与涡卷元件52之间，并且位于一个或多个密封气室运动的路径上，使得气道56能够在绕动涡卷61与固定涡卷50做相对运动过程中，连通压力气室624和某选定的具有恰当压力的密封气室。本实施例一中，压力气室624可以为一沿所述固定涡卷与绕动涡卷相接触面的外沿设置一周的凹槽。

如图2所示，绕动涡卷61的上端板与主壳体20相接触部分上设置有一圈唇封槽68，以放置唇封，本实施例中唇封槽68开设在绕动涡卷61的上端板上，当然亦可开设在主壳体20上，通过在唇封槽68的内部设置唇封，能够阻止位于唇封槽68外侧，绕动涡卷61与主壳体20之间的润滑油渗入唇封槽68内侧的无油区域，尤其是防止润滑油进入涡卷元件52与涡卷元件62中。实际中，即使增加了一圈唇封槽68，由于绕动涡卷61的上端板与主壳体20之间相对运动，亦会造成有部分润滑油渗入至唇封槽68的内部随被压缩气体排出。

因此，通过实施例一所述的涡卷流体位移装置，压力气室624位于涡卷元件52与涡卷元件62的外侧，由于压力气室624在绕动涡卷61的做绕动的过程中，与其中的密封气室连通，使得压力气室624的气压大于润滑油渗入方向的气压，使得润滑油无法渗入压力气室624内的涡卷元件52与涡卷元件62，也就保证了涡卷元件52与涡卷元件62的无油状态。

当然，在某些情况下，压缩机需要涡卷元件52与涡卷元件62具有微油，也就是在背景技术部分中所述的汽油比重为0.001-0.1ppm的含油量的压缩机，在这种情况下，可以不设置唇封，降低或甚至取消压力气室中的气体压力使得微油能够渗入压力气室624内的涡卷元件52与涡卷元件62。这样就形成了一种涡卷元件52与涡卷元件62含有微油的状态，满足了微油压缩机的要求。

同时，通过实施例一所述的涡卷流体位移装置，在绕动涡卷61相对于固定涡卷50做绕动的过程中，由于气道56能够连通压力气室624和一密封气室，由于密封气室中的气压较高，使得压力气室624的气压升高。因为压力气室624处于主壳体20、绕动涡卷61与固定涡卷50的结合处，绕动涡卷61进行绕动动作过程中，绕动涡卷61与固定涡卷50和主壳体20之间的摩擦力减少，这样就能够有效减少由于摩擦作用产生的大量热，达到了在无油或微油状态下对其它运动部件和承力部件进行润滑的效果。

图3是本发明涡卷流体位移装置的绕动涡卷的俯视图，如图3所示，涡卷元件62为螺旋状。位于唇封槽68与所述绕动涡卷的涡卷元件62之间的部分为网格状部分621和网格状部分623，网格状部分621和网格状部分623之间为压力气室624。

由于网格状部分621和网格状部分623的位于唇封槽68内侧，绕动涡卷61在做绕动运动的过程中，该部分应处于无油或微油状态。网格结构使得该部分既能起到平面密封作用，又能避免金属表面因摩擦而镕接。因此，本发明中，将此部分设置为网格状，能够减少由于摩擦产生的热量，且网格状部分621和网格状部分623总有一部分面积不长时间接触主壳体20和固定涡卷50的下端板，也就有利于热量的及时散出。

此外，绕动涡卷原件62和固定涡卷元件52的顶端也做成网格状。涡卷元件网格状的结构要使网格的边缘沿涡卷形线的螺旋状设置。其目的是阻断涡卷的密封气室之间横跨涡卷元件侧壁的气体通道。

网格的几何形状可以是正方形，圆形，矩形及其它任何形状，所述网格的每个格的深度以0.05毫米到5毫米之间既能达到网格的减少摩擦的功用，又便于制造，具体尺寸视应用而定。当然也不是不可以用其它尺寸。网格在与主轴垂直的平面上的线性尺寸的设计要与绕动涡卷的绕动半径相匹配，使得网格结构在绕动涡卷做绕动运动中，能扫过与其相应配合的平面上所有的面积，不会在与其相应配合的平面上留下任何一点不接触的表面。为此，网格结构的线性尺寸不大于扰动半径。例如，绕动半径为1mm时，正方形网格的边长不得大于1mm。使得网格的凹面不会在相应配合的平面上留下不接触的痕迹。

图4是图3中C处的放大结构图，如图4所示，在本发明的一个优选实施例中，网格部分621以及网格部分623的每一个格的的深度都较浅，例如，可以为0.5毫米，且相邻的格之间的间隔很窄，例如，可以为0.8毫米，这样，网格部分621以及网格部分623在与主壳体20以及固定涡卷50可以很快磨的比较光滑。当然，对于本领域技术人员来说，网格的深度以及间隔的长度可以根据具体情况灵活设置，而不仅仅限制于本实施例中所述的数字范围。

在不开设唇封槽的情况下，网格状部分亦621以及网格部分623亦可以设置在上述的部分，而仅将唇封槽68去掉即可，在此不多做赘述。

其中，结合图1以及图2所示，在上述各实施例中，固定涡卷50内还设有一单向阀120，该单向阀120所处的通道53与气道56贯通，单向阀120的阀头121指向气道562，阀头121的后部具有弹性元件，使得在气道56的气体压强小于气道562连通的某一压强区间--密封气室81时，阀头121打开，密封气室81的气体压力通过气道562，56和564被引入压力气室624。当在气道56，也就是气道564和压力气室624的气体压强大于气道562连通的某一压强区间--密封气室81时，该阀头121能够封堵气道56，564和压力气室624与气道562的连接。阀头121后部具有弹性元件，使得所述气道在不同的压强下，所述阀头121能够将所述气道能够导通或封闭。图1以及图2所示出的气道形式仅为说明本实施例，在实际中，气道56的结构和单向阀54的具体设置形式，本领域技术人员可以灵活进行选择。

本发明涡卷流体位移装置实施例，如图1以及图2所示，绕动涡卷61的下端板与一绕动推力板261接触，并形成至少一背压气室641。绕动推力板261通过轴承42连接主轴40的一个具有偏心距为绕动半径Ror的偏心轴部分，在主轴40转动时，绕动推力板261通过一固定的推力轴承板262支撑；绕动涡卷61内设有气道66，气道66能够在绕动涡卷61与固定涡卷50做相对运动过程中，通过单向阀头141，气道68连通背压气室641和某一密封气室626，绕动涡卷61内设有一单向阀140，该单向阀140所处的通道65与气道66贯通，所述单向阀140的阀头141指向气道，当气道65和66的气体压强小于密封气室626的压强，该阀头141能够封堵气道65。其中，实施例中的单向阀140与气道66之间的封堵结构可以与上述的单向阀120和气道56相似，故在此不多做赘述。单向阀140的作用是使气室641的压力保持基本恒定在一个高位，即密封气室626的最高压力减去单向阀120后背的弹性元件所产生的压力差。

其中，如图2所示，绕动涡卷的下端板与所述绕动推力板之间设置有密封元件641和密封元件643，以用于密封所述背压室641。

由于，在绕动涡卷61做绕动的过程中，背压气室641与密封气室626连通，而每个密封气室在从外向内的运动过程中，压力逐渐增加，而多个密封气室在运动过程中，分别与背压气室641连通，会造成背压气室641内压力突减，以及在某些情况下背压气室641内的气压过高的问题，而压缩机的轴向偏力通常需要保持一个比较稳定的值，而高低变化较大背压气室641中的压力以及相对稳定的总轴向负载力，会导致总轴向负载力与背压室中的压差过大，进而导致一个较大的轴向偏力，因此会造成压缩机较大的功耗甚至损坏，而本发明无油和微油涡卷流体位移装置通过设置一个单向阀140，并使得单向阀140在密封气室压力逐渐增大的过程中被推开，并在密封气室压力变小时封堵气道66，使得背压气室641内的压力保持稳定，也就使得压缩机的轴向偏力通常能够保持一个比较稳定的值。

其中，在上述实施例中，均以气道和气道为一条进行的叙述，实际上气道和气道均可以为多条，其形状亦不限于上述的情况。

综上所述，本发明提供的无油和微油涡卷流体位移装置，该装置的运动部件和承力部件都能够收到润滑油的润滑和冷却作用，减低摩擦功耗，增加了可靠性和寿命。同时，通过调整绕动涡卷和固定涡卷相接触面的内部气室和外部边沿的压力梯度，加上适当的接触面的网格结构达到无油或微油润滑的效果。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可以在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新新特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种无油和微油涡卷流体位移装置，包括，一固定涡卷和一绕动涡卷置于一主壳体内部；所述绕动涡卷的上端板的涡卷元件与所述固定涡卷下端板的涡卷元件共轭接触，所述绕动涡卷和所述固定涡卷的所述涡卷元件呈螺旋状或渐开线型；相邻的所述绕动涡卷的涡卷元件与所述固定涡卷的涡卷元件之间接触和分离的部分，以及所述上端板和所述下端板，共同形成至少一密封气室；一主轴的上端部通过轴承连接绕动涡卷的下端板的中部，以带动所述绕动涡卷运动，主壳体开设有进气口，以将外部气体输送至所述密封气室；所述固定涡卷具有排气室，以将运动至所述固定涡卷中心的所述密封气室内的气体排出，其特征在于，至少一压力气室设置在所述涡卷上，位于所述固定涡卷与所述绕动涡卷相接触面的边沿；所述压力气室中的气体压力高于其径向的外侧或内侧的气体压力，形成一个负压力梯度，所述固定涡卷上开设有至少一气道，所述至少一气道能够在所述绕动涡卷与所述固定涡卷做相对运动过程中，连通所述压力气室和所述密封气室。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定涡卷内还设有一单向阀，该单向阀所处的通道与所述气道贯通，所述单向阀的阀头指向所述气道，所述阀头后部具有弹性元件，使得所述单向阀能够随与所述气道相连通的所述密封气室的压力的升高而打开。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力气室沿所述固定涡卷与所述绕动涡卷相接触面的外沿设置一周。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绕动涡卷上端板与所述主壳体相接触部分上设置有一圈唇封槽。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述绕动涡卷的上端板，位于所述唇封槽与所述绕动涡卷的涡卷元件之间的部分为网格状。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述绕动涡卷的涡卷元件和/或所述固定涡卷的涡卷元件的上端面设置为网格状。

7.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述网格的每个格的深度为0.05毫米到5毫米之间。

8.根据权利要求5或6所述的装置，其特征在于，所述网格的结构的线性尺寸不大于所述绕动涡卷的绕动半径。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述至少一气道的数量为一个，所述气道的两端呈孔状，一端对应所述压力气室，另一端位于所述绕动涡卷的涡卷元件和固定涡卷的涡卷元件之间的某密封气室。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压力气室为一绕所述绕动涡卷的涡卷元件一周的槽。

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