CN103671122B - 合成树脂轴承以及具有该轴承的涡旋式压缩机 - Google Patents

Abstract

提供一种合成树脂轴承以及具有该合成树脂轴承的涡旋式压缩机。在该涡旋式压缩机中，合成树脂轴承作为轴颈轴承被固定至绕动涡盘或主框架，并绕旋转轴相对地旋转，轴颈轴承由PEEK材料制成，而且轴颈轴承的厚度t小于厚度t1；在该厚度t1下，在所述涡旋式压缩机的工作期间轴颈轴承与旋转轴的接触表面的温度对应于玻璃化转变温度。

Description

合成树脂轴承以及具有该轴承的涡旋式压缩机

技术领域

本发明涉及一种合成树脂轴承以及使用该合成树脂轴承的涡旋式压缩机，尤其涉及一种被插置在涡旋式压缩机的旋转轴与绕动涡盘之间以减少摩擦损耗的轴承，以及具有这种轴承的涡旋式压缩机。

背景技术

概括而言，涡旋式压缩机是一种通过改变由一对彼此面对的涡盘所形成的压缩室的容积来压缩制冷剂的压缩机。与往复式压缩机或旋转式压缩机相比，涡旋式压缩机的效率高、产生的振动和噪音较小、并且体积小而重量轻，因此，涡旋式压缩机被广泛地用在空调中。

图1是示意性地示出涡旋式压缩机的一个示例的剖视图。参照图1，涡旋式压缩机包括：主框架，被固定在涡旋式压缩机中的机壳（未示出）内；以及绕动涡盘20，被安装在主框架10之上，使得绕动涡盘20被旋转式地驱动。另外，绕动涡盘20之上设置有固定涡盘30，而用于旋转式地驱动绕动涡盘20的旋转轴40被安装在主框架10和绕动涡盘20内。

具体而言，旋转轴40穿过在主框架10中形成的轴插入孔12，并且在旋转轴的一端部被插入在绕动涡盘20的底部形成的轴套部（boss）22内的状态下被固定。此处，为使旋转轴能够平稳地旋转，呈套筒状的轴颈轴承被插入轴插入孔12和轴套部22内。

在现有技术的涡旋式压缩机中，已使用聚四氟乙烯（PTFE）基轴承和白合金基轴承作为轴颈轴承；聚四氟乙烯（PTFE）基轴承通过涂覆烧结颗粒或磁性润滑树脂而形成，以强化由钢材制成的支撑部表面上的润滑功能；而白合金基轴承的润滑特性通过在支撑部表面上层叠铝合金而得到强化。详细而言，在厚度约2mm的支撑部表面上，可形成有青铜烧结层以及含特氟龙（Teflon）的功能性表面，或者可层叠诸如铝之类的白合金，以满足硬度（刚度）、抗磨损性和润滑性能。

同时，人们试图减少压缩机的总体尺寸和重量。尤其是，在具有旋转轴的端部穿过绕动涡盘的盘部延伸至盘部的上部这种构造的涡旋式压缩机中，绕动涡盘和固定涡盘尺寸应被增大以获得足够的压缩比，因此，减小容积和重量的必要性变得更为重要。

发明内容

因此，本发明的一个方案在于提供一种合成树脂轴承，其能够减小压缩机尺寸，同时提供足够程度的润滑和抗磨损性能。

本发明的另一方案在于提供一种具有上述合成树脂轴承的涡旋式压缩机。

为取得上述的和其它的优点，并且依照本发明的目的，如本说明书具体化及宽泛地地描述的一种合成树脂轴承在涡旋式压缩机中作为轴颈轴承被固定至绕动涡盘或主框架，并绕旋转轴相对地旋转，其中，轴颈轴承由PEEK材料制成，而且该轴颈轴承的厚度t小于厚度t1；在该厚度t1下，在所述涡旋式压缩机的工作期间该轴颈轴承与旋转轴的接触表面的温度对应于玻璃化转变温度。

厚度t1可被设定成小于2mm，而且可满足关系式t<1mm。

轴颈轴承可被压配合至绕动涡盘或主框架以被固定，而且厚度t可被设定成大于轴颈轴承被压配合而无塑性变形的最小厚度t2。

若绕动涡盘或主框架由铁制成，则可满足关系式0.17mm<t。

轴颈轴承的厚度t可满足关系式0.17mm<t<1mm。

为实现上述的和其他的优点，并且依照本发明的目的，如本说明书宽泛地具体化描述的一种涡旋式压缩机包括：机壳；主框架，被固定至该机壳，该主框架中形成有轴插入孔；固定涡盘，被固定至机壳而且被设置在主框架之上；绕动涡盘，与固定涡盘一起形成压缩室，并且在绕动涡盘的下表面上形成有轴套部；旋转轴，被可旋转地驱动，并且在旋转轴被插入式地设置在轴插入孔中的状态下，该旋转轴的一端部被插入式地固定在该轴套部中；以及轴颈轴承，被固定式地压配合至轴插入孔和轴套部，并由PEEK材料制成，其中，当（轴颈轴承的）在所述涡旋式压缩机的工作期间旋转轴与轴颈轴承之间的接触表面的温度对应于玻璃化转变温度时的厚度为t1，并且轴颈轴承被压配合至轴插入孔或轴套部而无塑性变形的（轴颈轴承的）最小厚度为t2时，轴颈轴承的厚度t满足关系式t2<t<t1。

厚度t1可为1mm。

厚度t2可为0.17mm。

该轴套部可被设置成与绕动涡盘的绕动涡卷共面。

根据本发明的实施例，由于轴颈轴承由PEEK材料来形成，所以可确保抗磨损和润滑性能相当于或高于传统的具有支撑部的PTFE基轴承或白合金基轴承的磨损和润滑性能，而轴承的厚度却能够减小。因此，压缩机的尺寸能够被减小，并且能够提高设计自由度。尤其是，压缩比大于那种旋转轴被设置成与绕动涡卷共面的涡旋式压缩机的压缩比。

而且，在确定轴颈轴承的最大厚度时，由于最大厚度是在考虑到玻璃化转变温度的基础上确定的，所以能够有效地防止轴颈轴承因在所述涡旋式压缩机的工作期间产生的热量而变形或熔化。

另外，在确定轴颈轴承的最小厚度时，因为最小厚度是考虑到压配合操作期间的塑性变形的基础上确定的，所以轴颈轴承能够被容易地和牢固地联接。

本申请的进一步的应用范围将通过以下给出的详细描述而变得更加明显。然而应理解的是，这些详细描述和特定示例尽管表明了本发明的优选实施例，但却是仅仅以说明方式给出的，这是因为根据详细描述，各种落在本发明的精神和范围内的改变和更改对于本领域技术人员而言将会变得显而易见。

附图说明

本说明书包含附图以供进一步理解本发明，附图结合于说明书中并构成本说明书的一部分，这些附图示出多个示例性实施例并与文字描述一起用来说明本发明的原理。

在附图中：

图1为剖视图，其示意性地示出普通涡旋式压缩机的一部分。

图2为剖视图，其示出采用根据本发明的一实施例的合成树脂轴承的示例的涡旋式压缩机的一示例。

图3为曲线图，示出轴颈轴承的内部与外部之间的温差与轴承的厚度和负载的关系。

图4为曲线图，示出现有技术与本发明实施例的轴颈轴承的磨损量之间的比较结果。

图5为剖视图，示出采用根据本发明的一实施例的合成树脂轴承的示例的涡旋式压缩机的另一示例。

具体实施方式

以下将参照附图详细地描述根据本发明的多个实施例的合成树脂轴承以及使用这种合成树脂轴承的涡旋式压缩机。

图2为内部剖视图，其示出涡旋式压缩机的一示例，该涡旋式压缩机采用根据本发明的一实施例的合成树脂轴承的示例。在此，本发明的概念并非必须被局限于涡旋式压缩机，而是显然本发明的概念可应用于任何类型的利用轴承来减小旋转轴的摩擦阻力的压缩机。参照图2，在根据本发明的一实施例的涡旋式压缩机100中，主框架120和子框架130被安装在气密容器110内，作为电动单元的驱动电动机140被安装在主框架120与子框架130之间；而包括固定涡盘150和绕动涡盘160的压缩单元被安装在主框架120之上，并被联接至驱动电动机140以压缩制冷剂。

驱动电动机140包括：定子141，线圈围绕该定子而被绕制；转子142，被可旋转地插入定子141内；以及旋转轴143，被压配合至转子142的中心，以将旋转动力传送至压缩机构单元。旋转轴143具有驱动销部144，驱动销部144被形成为从旋转轴143的上端突出，使得驱动销部144相对于旋转轴的旋转中心偏心。

压缩机构单元包括：固定涡盘150，被固定至主框架120的上表面；绕动涡盘160被安装在主框架120的上表面上，使得绕动涡盘160与固定涡盘150接合；以及奥海姆环（Oldhamring，欧丹环）170，被设置在绕动涡盘160与主框架120之间，以防止绕动涡盘160旋转。

固定涡盘150包括固定涡卷151，固定涡卷151按螺旋方式盘绕，以与绕动涡卷161一起构造出压缩室P；而绕动涡盘160包括绕动涡卷161，绕动涡卷161按螺旋方式盘绕并与固定涡卷151接合以形成压缩室P。轴套部162从绕动涡盘160的下表面、亦即从绕动涡卷161的相对侧突出，并且联接至旋转轴143以接受由旋转轴143传送的转子动力。

第一轴承163联接至绕动涡盘160的轴套部162，使得轴套部162沿旋转轴143的驱动销部144的径向滑动。第一轴承163的外径大致等于绕动涡盘160的轴套部162的内径，而且第一轴承163用于减小旋转轴143与绕动涡盘160之间的摩擦接触。主框架120内还安装有第二轴承122，用以减小旋转轴143与主框架120之间的摩擦接触，而且子框架130内安装有第三轴承132。油被供给至第一轴承到第三轴承122、132、163，以允许进行平稳的润滑操作。

详细而言，在电力被供给至驱动电动机140而且旋转轴143旋转时，偏心地联接至旋转轴143的绕动涡盘160沿预定轨迹进行旋转运动（或绕动运动），而且随着在绕动涡盘160与固定涡盘150之间形成的压缩室P持续地向旋转运动的中心移动，压缩室P的容积减小，从而持续地吸入、压缩和排放制冷剂。

为了减小压缩单元中的各部件之间的摩擦接触，应将适当量的油供给至这些部件，而且在此情况下，这些油被注入和储存在气密容器110的底部112中。被注入油可通过油流路180被供给至压缩单元的内部以及第一到第三轴承。

附图标记“152”表示抽吸开口，附图标记“153”表示排放开口，附图标记“SP”表示抽吸管，而附图标记“DP”表示排放管。

此处，第一到第三轴承由PEEK材料制成并且呈环形，并分别具有对应于旋转轴143的外周面的内径。如上所述，随着储存在气密容器110的底部中的油被供给至第一到第三轴承，润滑和冷却操作被执行。供油量受到压缩机的操作条件和外部变量的影响，所以供油量不是被均匀地维持的。特别地，在没有供油的情况下，因旋转轴143与轴承之间的摩擦接触而产生的热被传导至主框架120、绕动涡盘160、或子框架130，所以主框架120、绕动涡盘160、或子框架130需要被冷却。

上述热传导受到轴承厚度的影响。也就是说，随着轴承的厚度增大，传热阻抗（热阻）会增大从而降低传热速率，从而增大轴承受热的影响并熔化于周围结构的可能性。图3为示出轴承的内部与外部之间的温差与轴承厚度的关系的曲线图，这是本申请的发明人通过实验获得的。如图所示，可看出当时施加至轴承的负载为4500N时，产生较大量的摩擦热，且温差因此减小。

在PEEK材料例如非晶质（amorphous）材料的情况下，材料具有玻璃化转变温度。若假定主框架的环境温度为室温，则轴承能够因向主框架120的热传导而被冷却的最低温度可被认为是25℃。因此，为了使相对于旋转轴143的摩擦表面处的温度被维持成低于152℃，温差被维持成低于127℃。

在压缩机的多个操作条件中的所谓“理想（Cheer）”条件下，施加大约2500N的负载。因此，根据图3的曲线，轴承的厚度应小于1mm。然而，这样的厚度是基于轴承的PEEK材料的传热系数为0.5W/mk的前提，因此，在使用具有更高传热系数的PEEK材料的情况下，该厚度的极限值可能增大。例如，在传热系数为1.8W/mk的情况下，轴承厚度的上限可增大至2mm。

研究结果表明，在PEEK材料的传热系数为0.9W/mk的情况下，这种材料的厚度的上限在理想条件下为0.9mm，在ARI条件下为0.7mm，而在过载条件（其中施加4500N的负载）下为0.5mm。

有鉴于此，轴承的厚度越小，则从防止热熔化的角度来看就越好，但是如果轴承的厚度过薄，则会在强度和压配合力等方面产生问题。轴承被压配合以固定至主框架120、子框架130以及绕动涡盘160。在此情况下，压配合长度为大约40μm。在轴承被压配合从而具有40μm的压配合长度时，鉴于主框架120、子框架130以及绕动涡盘160是由铁制成的，并考虑到PEEK材料的物理属性，则PEEK材料的最大变形可能为约33μm。

鉴于PEEK材料的延伸率最大为20%，33μm/0.2=0.17mm。因此，为了使轴承被压配合而无变形，就需要使厚度至少为0.17mm或更大。总之，第一轴承到第三轴承呈环形，由PEEK材料制成且被形成为具有介于0.17mm到2mm的厚度范围。当然，厚度的上限可根据如上所述的压缩机的操作条件而被设定为不同。

根据研究结果，根据本发明的一实施例的涡旋式压缩机100的第一到第三轴承被形成为具有1mm的厚度。所制成的轴承与通过在特氟龙材料上涂覆厚度为2mm的传统的铜基背钢（copper-basedbacksteel）的表面而制成的轴承、以及由铝（Al）材制成的轴承一起进行测试。

测试条件为负载3500N，压缩机重复地运行在60Hz的速度十秒钟并停止十秒钟。图4示出测试结果，从中可以看出，由特氟龙材料制成的轴承在经过约100小时后磨损约43μm，由铝制成的轴承在经过约100小时后磨损约10μm，而根据本发明实施例的轴承在经过约100小时后磨损约6μm。

在根据本发明实施例的轴承的情况下，尽管轴承的厚度仅为现有轴承的厚度的一半，但却具有优异的抗磨损特性。而且，考虑到磨损量与厚度的关系，如果能够确保冷却性能，本发明的轴承还能够具有更小的厚度。厚度的减小能够使涡旋式压缩机的尺寸减小，并使涡旋式压缩机能够被用于以相同的尺寸提供更高的压缩比。另外，在涡旋式压缩机的情况下，为了防止绕动涡盘因气体压力而后退，应向绕动涡盘的后表面施加背压。由于背压的施加，存在于压缩室中的部分量的被压缩气体被利用，而在使用传统轴承的况下，由于背压提供结构的原因，难以将轴承的尺寸增大至所希望的那样大，但在本发明实施例的情况下，能够消除这种设计上的约束。

而且，根据本发明实施例的轴承总体由相同材料制成，而不是以具有抗磨损特性的材料涂覆预定表面，因此，尽管这种轴承在长时期的使用中受到刮擦，但其润滑特性和抗磨损特性却能够被大体均匀地保持。

同时，根据本发明的一实施例的合成树脂轴承也可应用于所谓的“轴穿透”涡旋式压缩机，在这种螺旋式压缩机中，固定涡盘可兼作主框架，从而省略主框架。采用术语“轴穿透”是考虑到旋转轴被插入从而穿透固定涡盘的盘部的事实。图5示出采用根据本发明的一实施例的合成树脂轴承的示例的涡旋式压缩机的第二示例。

参照图5，根据本发明的第二实施例的涡旋式压缩机200包括上壳212、下壳214以及机壳210。上壳212和下壳214被焊接至机壳210，以与机壳210一起形成气密空间。

排放管216被安装在上壳212的上部上。排放管216是供压缩后的制冷剂排放至外部的通道，而且用于分离被排放的制冷剂中所混合的油的油分离器（未示出）可连接至排放管216。抽吸管218被安装在机壳210的后表面上。抽吸管218是供引入待压缩的制冷剂的通道。在图5中，抽吸管218位于机壳210与上壳212之间的边界表面中，但抽吸管218的位置可被任意地设定。另外，下壳214用作用于储存油的油室，该油被供给至（压缩机）以使压缩机能够平稳地运转。

作为驱动单元的电动机220被安装在机壳210内的大体中央部分中。电动机220包括：定子222，被固定至机壳210的内表面；以及转子224，位于定子222内，且根据与定子222的相互作用而旋转。旋转轴226被设置在转子224的中心，而且转子224与旋转轴226一起旋转。

油流路226a形成于旋转轴226的中央部分中，并沿旋转轴226的长度方向延伸；而且油泵226b被安装在旋转轴226的下端部中，以向上供给储存在下壳214中的油。油泵22b可被构造成具有在油流路内呈螺旋状的凹部。或者，油泵22b可包括叶轮，或者可装设正位移泵作为油泵。

大直径部226c被设置在旋转轴226的上端部中，使得大直径部226c被插入式地设置在固定涡盘中所形成的轴套部内，如下文所述。大直径部226c被形成为直径大于其余部分的直径，而且大直径部226c的端部中形成有销部226d。偏心轴承228被插入销部226d内。

固定涡盘230被安装在机壳210与上壳212之间的边界部分中。固定涡盘230被压配合从而以紧缩配合方式被固定在机壳210与上壳21之间，或者可通过焊接而与机壳210和上壳212联接在一起。

固定涡盘230的下表面上形成有轴套部232，旋转轴226被插入轴套部232中。轴套部232的上表面上（基于图5）形成有通孔，以使销部226d能够穿过该通孔。因此，销部226d通过上述通孔从固定涡盘230的盘部231向上突出。第一轴承234被安装在轴套部232的内表面上，第一轴承234用于减小与旋转轴226的摩擦接触。

固定涡卷236形成于盘部231的上表面上，且与如下所述的绕动涡卷咬合（或接合）从而形成压缩室。在盘部231的外周部分中形成有容置如下所述的绕动涡盘240的空间部，而且侧壁部38被形成为与机壳210的内周面邻近。

绕动涡盘240被安装在固定涡盘230之上。绕动涡盘240包括大体呈环形的盘部242以及与固定涡卷236咬合的绕动涡卷244。盘部242的中央部分中形成有大体呈环形的旋转轴联接部246，以使偏心轴承228能够被可旋转地插入并固定在旋转轴联接部246中。旋转轴联接部246的外周部分连接至绕动涡卷，因此绕动涡卷用于在压缩过程中与固定涡卷一起形成压缩室。

同时，由于偏心轴承228被插入旋转轴联接部246内，所以旋转轴226的端部被插入穿过固定涡盘230的盘部，而且绕动涡卷、固定涡卷以及偏心轴承228被安装成沿压缩机的横向重叠。在压缩操作期间，制冷剂的排斥力（repulsivepower）被施加至固定涡卷和绕动涡卷，而压缩力作为反作用力被施加在旋转轴支撑部与偏心轴承之间。在轴的一部分穿透盘部从而与涡卷重叠的情况下，制冷剂的排斥力和压缩力以盘部为基准被施加至同一侧，且因此被抵消。因此，能够防止绕动涡盘因压缩力和排斥力的作用而倾斜。

尽管图中未示出，但盘部242上可形成有排放孔，以允许压缩后的制冷剂被排放至机壳210内。排放孔的位置可考虑所需的排放压力之类的因素而被任意地设定。

奥海姆环250被安装在绕动涡盘240的上部，以便防止绕动涡盘240旋转。同时，下框架260被安装在机壳210的下部，用以可旋转地支撑旋转轴226的下侧；而上框架270被安装在绕动涡盘240的上部，以便支撑绕动涡盘240和奥海姆环250。上框架270的中心可形成有孔。该孔与绕动涡盘240的排放孔连通，以将压缩后的制冷剂排放至上壳212。

在如上所述地被构造的根据本发明第二实施例的涡旋式压缩机中，偏心轴承228和第一轴承234具有相同的形状，而且由与根据本发明的第一实施例的涡旋式压缩机相同的材料形成。特别地，在根据该第二实施例的涡旋式压缩机的情况下，由于旋转轴联接部被设置在绕动涡盘240的中央部分中，所以能够显著地减小将被用作绕动涡盘240的盘部中的压缩空间的空间容积。因此，一般来说，与其它类型的压缩机相比，为获得相同的压缩比，轴穿透型涡旋式压缩机的尺寸需要增大，但根据本发明的实施例，由于轴承的厚度被减小至现有技术的轴承厚度的一半或更小，所以能够使涡旋式压缩机的尺寸增量最小化。

前述的多个实施例和优点仅是示例性的，而不应被认为是对本发明的限定。本发明的原理能够容易地被应用于其它类型的设备。本说明书旨在进行说明，而不是限定本发明权利要求的范围。对于本领域技术人员而言，许多备选方案、修改和变例均是显而易见的。此处所描述的示例性实施例的特征、结构、方法以及其它特性可按照多种方式组合，以获得附加性的和/或替代性的示例性实施例。

由于本发明的特征可按照多种方式实施而不背离其特性，所以应理解的是，若非另有说明，上述实施例均不应被局限于以上描述的细节，反之，上述实施例应在所附权利要求书中限定的范围内被宽泛地解读，因此落入本发明权利要求的界限和边界内的所有改变和修改、或落入这些界限和边界内的等同方案均应被所附权利要求书所涵盖。

Claims (9)

1.一种合成树脂轴承，其在涡旋式压缩机中作为轴颈轴承被固定至绕动涡盘或主框架，并绕旋转轴相对地旋转；

其中，所述轴颈轴承由PEEK材料制成；而且

所述轴颈轴承的厚度t小于厚度t1；在所述厚度t1下，在所述涡旋式压缩机的工作期间所述轴颈轴承与所述旋转轴的接触表面的温度对应于玻璃化转变温度，

其中，所述轴颈轴承被压配合至所述绕动涡盘或所述主框架以被固定，而且所述轴颈轴承的厚度t大于所述轴颈轴承被压配合而无塑性变形的最小厚度t2。

2.如权利要求1所述的合成树脂轴承，其中，所述厚度t1小于2mm。

3.如权利要求2所述的合成树脂轴承，其中，所述轴颈轴承的厚度t满足关系式t<1mm。

4.如权利要求1所述的合成树脂轴承，其中，若所述绕动涡盘或所述主框架由铁制成，则所述轴颈轴承的厚度t满足关系式0.17mm<t。

5.如权利要求1所述的合成树脂轴承，其中，所述轴颈轴承的厚度t满足关系式0.17mm<t<1mm。

6.一种涡旋式压缩机，包括：

机壳；

主框架，被固定至所述机壳，而且所述主框架中形成有轴插入孔；

固定涡盘，被固定至所述机壳而且被设置在所述主框架之上；

绕动涡盘，与所述固定涡盘一起形成压缩室，并且在所述绕动涡盘的下表面上形成有轴套部；

旋转轴，被可旋转地驱动，并且在所述旋转轴被插入式地设置在所述轴插入孔中的状态下，所述旋转轴的一端部被插入式地固定在所述轴套部中；以及

轴颈轴承，被固定式地压配合至所述轴插入孔和所述轴套部，并由PEEK材料制成；

其中，当在所述涡旋式压缩机的工作期间所述旋转轴与所述轴颈轴承之间的接触表面的温度对应于玻璃化转变温度时所述轴颈轴承的厚度为t1，并且所述轴颈轴承被压配合至所述轴插入孔或所述轴套部而无塑性变形的最小厚度为t2；

所述轴颈轴承的厚度t满足关系式t2<t<t1。

7.如权利要求6所述的涡旋式压缩机，其中，所述厚度t1为1mm。

8.如权利要求6所述的涡旋式压缩机，其中，所述最小厚度t2为0.17mm。

9.如权利要求6所述的涡旋式压缩机，其中，所述轴套部被设置成与所述绕动涡盘的绕动涡卷共面。