CN1074276A - 涡旋型流体机械，涡旋部件及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡旋型流体机构，用极坐标形式γ＝a·θk (这里γ：动径，θ：偏角，a：系数，k：指数)表示的代数 螺线形成旋转方涡卷体2的旋转外侧曲线2a和旋 转内侧曲线2b中某一方曲线，使该曲线与固定方涡 卷体5的固定外侧曲线5a和固定内侧曲线5b中某 一方曲线有180°左右位相差，使旋转方和固定方的 涡卷壁厚度适当变化。旋转方和固定方的涡卷体材 质不同时，也能使两者等强度，并且能使尺寸小型化， 降低内部泄漏，提高性能。

Description

本发明涉及容积型流体机械之一的涡旋型流体机械，特别涉及用代数螺线形成涡卷体曲线的涡旋型流体机械、涡旋部件及其加工方法。
以往涡旋型流体机械由相互偏心组合而成的具有同一形状涡卷体的固定涡旋和旋转涡旋构成，涡卷形状一般使用涡卷节距、涡卷壁厚度为一定的渐开线。用渐开线作为涡卷曲线的优点可以列举出加工容易：由于涡卷的法线节距一定，所以可以用单一的刀具同时加工内侧和外侧的涡曲线。可是，由于涡卷壁厚度一定，所以承受最高压的涡卷体中央部应变高，容易产生强度问题。即，因为强度上受制约，设定了厚度，根据作为设计条件的运行压力比设定涡卷体的卷数，根据行程容积设定涡卷体高度和涡卷节距等，另外，受外形尺寸上制约，各尺寸被决定。这样一来，涡卷体一方的形状例如旋转涡旋一设定，那么由于旋转内侧曲线的内侧包络线被选定，因而与其啮合的固定涡旋的形状由固定内侧曲线而确定。另外，由于涡卷体中央部内部压力差大，所以存在因流体内部泄漏容易产生性能低下的缺点。进一步说，由于渐开线上涡卷节距是一定的，所以容积变化率也一定，在设定尺寸内，想使最外周的密封容积（行程容积）与最内周的密封容积的比，即内部容积比变大时，存在下列问题：若增大涡卷的卷数，则涡卷节距变小，因涡卷壁厚一定，旋转半径变小，行程容积也变小。
对于上述存在问题，美国专利第3802809号提出增厚涡卷体中央部附近的涡卷壁厚，以使其耐高压的公知技术。另外，美国专利第2324168号和特开平3-11102号公开了使涡卷节距变化、改变内部容积比的公知技术。
美国专利第3802809号中公开的结构由于增厚涡卷体的起卷部的涡卷壁厚，所以解决了强度问题，可是，涡卷壁厚度变厚的范围限定在起卷部分，所以降低通过涡卷体端面的流体的内部泄漏的效果差。并且，在起卷部外，涡卷壁厚度一定，因而不能与渐开线相同，在设定尺寸内使行程容积和内部容积比都变大。
美国专利第2324168号和特开平3-11102号中公开的涡旋型流体机械公开了使涡卷节距变化、改变内部容积比的结构，可是没有考虑强度问题，例如，从涡卷外周到中央使涡卷节距变小以使内部容积比变大时，在涡卷中央部（起卷处）涡卷壁厚度变薄。相反，由于涡卷外周的涡卷壁变厚，所以行程容积变小。这样，行程容积和内部容积比能一起变大的在相同的行程容积、内部容积比场合下比渐开线更可能使涡卷体小型化的涡曲线是不清楚的。并且，涡卷节距和涡卷壁厚度变化的涡卷体的几何理论即涡曲线和涡卷体的构成法等是不清楚的。
本发明就是鉴于上述现有技术所存在的缺点而提出来的，本发明的第1个目的在于提供一种涡旋流体机械其包含涡卷体厚度根据涡卷的卷角逐渐变化的涡卷体。
本发明的第二个目的在于提供一种既能能确保涡卷体强度、又比渐开线更能使涡卷体小型化，降低流体的内部泄漏、能提高其性能的涡旋流体机械。
本发明的第3个目的在于提供一种当固定涡旋和旋转涡旋材质不同时，也能确保两者强度相同的涡旋流体机械。
本发明第4个目的在于提供一种包括涡卷体的涡旋部件的加工方法，该涡卷体的厚度根据涡卷的卷角逐渐变化。
为了达到上述第1目的，本发明涉及的涡旋型流体机械为：端板和直立其上的涡卷体形成的二个涡旋部件以使涡卷体向内侧状态互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动;其特征在于，当以极座标形式用动径r、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k表示时，两涡旋的涡卷体的基本涡曲线用式（1）表示的代数螺线形成。
γ＝a·θK……（1）
并且，上述一方是设代数螺线指数k＜1.0的代数螺线，另一方代数螺线是上述一方代数螺线回转180°左右形成的。
为了达到上述第2目的，本发明涉及的涡旋型流体机械为：端板和直立其上的涡卷体形成的二个涡旋部件以使涡卷体向内侧状态互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动;其特征在于，当以极座标形式用动径γ、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k表示时，以指数k对应于偏角θ变化而变化的代数螺线形成两涡旋的涡卷体的基本涡曲线。
另外，在设有分别包括涡卷体的静止涡旋部件和旋转涡旋部件的涡旋型流体机械中，其特征在于，两涡卷体最内领域接触点间形成的间隙容积随着两涡卷体相对公转运动，实质上成为零，同时，各涡卷体具有以代数螺线作为基本涡曲线、涡卷壁厚度随着涡卷卷角逐渐变化的形状。
上述代数螺线指数k＞1.0，并且系数a设为定数，使上述代数螺线指数k作为偏角θ函数而变化。
为了达到上述第3目的，本发明的涡旋型流体机械中，上述一方的涡旋部件的代数螺线是以其原点为中心回转角度α形成的，另一方涡旋部件的代数螺线是以上述原点为中心回转角度（180°-α）形成的。
上述一方的涡旋部件是旋转涡旋部件，旋转涡旋部件的涡卷体厚度比另一方涡旋部部件的涡卷体厚。
另外，本发明涉及的涡旋型流体机械，端板和直立其上的涡卷体形成的二个涡旋部件以使涡卷体向内侧状态互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以旋转半径e作公转运动，其特征在于，半径e1、e2与上述旋转半径e有e＝e1+e2关系，两涡旋各自的涡卷体的外侧曲线是分别以半径e1、e2使两涡旋的代数螺线作旋转运动时的内侧包络线形成的，内侧曲线是分别以半径e1、e2使两端涡旋的代数螺线作旋转运动时的外侧包络线形成的。
为了达到上述第4目的，本发明涡旋部件加工方法的特征在于，涡旋部件的涡卷体外侧曲线和内侧曲线是由代数螺线或使该代数螺线作旋转运动时的包络线形成的，使刀具中心沿上述外侧曲线和内侧曲线移动，进行上述涡卷体加工。
在极座标形式下，设动径γ、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k，用代数螺线形成两涡旋的涡卷体的基本涡曲线，由于用代数螺线作为基本涡曲线，所以只须改变代数螺线指数k值就能简单地改变涡卷节距。指数k＞1.0时，随着涡卷的卷角（偏角θ）变大，涡卷节距变小。并且，涡旋的各涡卷体中，一方曲线以代数螺线形成，另一方曲线是使另一方涡旋的涡卷体的代数螺线以上述旋转半径作圆运动时所画出的两包络线之一形成，所以固定方涡卷体和旋转方涡卷体能从几何学上保证形成复数的密封容积的两涡卷间接触。
另外，在设有分别包括涡卷体的静止涡旋部件和旋转涡旋部件的涡旋型流体机械中，两涡卷体最内领域接触点间形成的间隙容积随着两涡卷体相对公转运动，实质上成为零，同时，各涡卷体具有以代数螺线作为基本涡曲线、涡卷壁厚度随着涡卷卷角逐渐变化的形状，所以齿顶间隙变小，再膨胀损失减小，能提高效率。
另外，使代数螺线指数k＜1.0或者系数a或指数k为偏角θ的函数，通过将这样的代数螺线作为涡卷体的基本涡曲线，能使涡卷壁厚度作适当变化。
上述一方的涡旋部件的代数螺线是以其原点为中心回转角度α，另一方涡旋部件的代数螺线是以上述原点为中心回转角度（180°-α），由于回转角度α，所以能够根据该角度α使两涡卷壁厚度变化，两涡卷体材质不同时也能确保涡卷体强度。
另外，根据本发明，半径e1、e2与上述旋转半径e有e＝e1+e2关系，两涡旋的各涡卷体的外侧曲线是分别以半径e1、e2使两涡旋的代数螺线作旋转运动时的内侧包络线形成的，而内侧曲线是分别以半径e1、e2使两涡旋的代数螺线作旋转运动时的外侧包络线形成的，通过改变半径e1、e2的大小关系，能使两涡卷壁厚度变化，两涡卷体材质不同时，也能确保涡卷体强度。并且，与渐开线相比，其能使涡卷体尺寸小型化，能提供降低流体内部泄漏、提高其性能的涡旋型流体机械。
涡旋部件的涡卷体外侧曲线和内侧曲线是代数螺线或使该代数螺线作旋转运动时包络线形成的，刀具中心沿上述外侧曲线和内侧曲线移动，进行涡卷加工，所以能连续加工，齿侧面等尺寸精度高，能提高加工效率。
下面参照附图，通过以实施例的描述来进一步说明本发明。
图1是装载作为实施例1的涡旋压缩机的空调设备结构图;
图2是本实施例的旋转涡旋结构图;
图3是图1的横截面图;
图4是表示本实施例的涡旋压缩机的动作原理的平面图;
图5是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图6是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图7是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图8是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图9是本实施例的涡旋起卷部形成的说明图;
图10是加工本实施例涡旋形状的刀具轨迹图;
图11是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图12是本实施例的涡旋形状形成法的说明图;
图13是本实施例涡旋起卷部形成的说明图;
图14是表示本实施例涡卷体中央部啮合状态的放大图;
图15是表示本发明实施例2的涡旋形状平面图;
图16是表示本实施例涡旋形状平面图;
图17是表示本实施例涡旋形状平面图;
图18是表示本实施例涡旋形状平面图;
图19是表示本发明实施例3的涡旋形状平面图;
图20是涡旋压缩机作用原理说明图;
图21是本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图22是本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图23是本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图24是本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图25是表示本实施例旋转涡旋起卷部结构的平面图;
图26是表示本实施例固定涡旋起卷部结构的平面图;
图27是表示设有角度α时涡旋形状变化的平面图;
图28是表示设有角度α时涡旋形状变化的平面图;
图29是表示设有角度α时涡旋形状变化的平面图;
图30是表示涡卷体中央部啮合状态平面图;
图31是表示涡卷体中央部啮合状态平面图;
图32是表示本发明实施例4涡旋形状平面图;
图33是表示本实施例起卷结构的平面图;
图34是表示本实施例起卷结构的平面图;
图35是表示本实施例起卷结构的平面图;
图36是表示本实施例5涡旋形状形成法说明图;
图37是表示本实施例涡旋形状形成法说明图;
图38是表示本实施例涡旋形状形成法说明图;
图39是表示本实施例涡旋形状形成法说明图;
图40是表示本实施例因角度α变化而引起的涡旋形状变化的平面图;
图41是表示本实施例因角度α变化而引起的涡旋形状变化的平面图;
图42是表示本实施例因角度α变化而引起的涡旋形状变化的平面图;
图43是表示本实施例中涡卷体中央部啮合状态平面图;
图44是表示本发明实施例5涡旋形状形成法说明图;
图45是表示本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图46是表示本实施例涡旋形状形成法的说明图;
图47是表示本实施例涡旋形状形成法的说明图;
下面，参照图1-图10说明本发明实施例1。图1是适用本实施例涡旋型压缩机的制冷循环构成图，图2表示涉及本实施例的涡旋型流体机械的涡旋形状的旋转涡旋的平面图，图3是图2的纵剖面图，图4表示作用原理，图5-图8是涡卷体形成方法说明图，图9是涡卷体起卷部形成法的说明图，图10是刀具轨迹说明图。
如图1所示，制冷循环由作为主件的涡旋型压缩机30、冷凝器31、膨胀阀32、蒸发器33构成。涡旋型压缩机30由旋转涡旋1、固定涡旋4、使旋转涡旋1回转的曲柄轴9、支承曲柄轴9的机架15、允许旋转涡旋1的公转运动防止自转运动的十字环16、驱动曲柄轴9的马达17、吸入管18及排出管19构成，旋转涡旋1和固定涡旋4分别有相同形状的涡卷体，涡卷体的厚度随着涡卷的卷角发生连续变化。
在这样构成的涡旋型压缩机中，通过向马达17通电，曲柄轴9回转，因十字环16旋转涡旋1作没有自转的公转运动，动作原理如图4所示，在两涡旋1、4间制冷剂发生压缩作用。被压缩的高温高压制冷剂如箭头所示从排出管19流入冷凝器31，进行热交换成液化，在膨胀阀32被节流，绝热膨胀成为低温低压，通过蒸发器33进行热交换被气化之后，经吸入管18被吸入涡旋型压缩机30。
如图2和图3所示，旋转涡旋1由旋转方涡卷体2和端板3形成。旋转方涡卷体2由旋转外侧曲线2a和旋转内侧曲线2b形成，旋转涡旋1的中心0是旋转外侧曲线2a和旋转内侧曲线2b的原点。在这里，旋转方涡卷体的旋转外侧曲线2a是用（1）式表示的代数螺线作为基本涡曲线，使代数螺线的指数k＜1.0。
γ＝a·θK……（1）
式中：a：代数螺线的系数
γ：动径（极座标形式）
θ：偏角（极座标形式）
并且，固定涡旋4的涡旋体5也与旋转涡旋1的涡卷体2一样形成。固定方涡卷体5由固定外侧曲线5a和固定内侧曲线5b构成，固定涡旋4的中心0′是固定外侧曲线5a、固定内侧曲线5b的原点，使以式（1）表示的代数螺线以原点0′为中心回转180°，形成固定外侧曲线5a作为基本涡曲线，代数螺线的系数a、指数k取与旋转外侧曲线2a相同的值。
压缩作用如下述那样进行。使固定方涡卷体5静止，使旋转方涡卷体2不绕固定涡旋中心0′自转，仅仅使其以旋转半径e（等于00′）绕中心0′作公转运动，如图5所示，在旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5间形成复数的月牙状密闭作用室6、6。如图4所示，从设在固定涡旋4外周侧的吸入口流体被吸入，图4（1）是吸入结束状态，随着公转进行到90°、180°、270°，作用室6、6的容积缩小分别成为图4（2）、（3）、（4）状态，进行流体压缩，并且被压缩的流体最后从排出口7排出。
通过使旋转方涡卷体2、固定方涡卷体5如此构成，涡卷体的涡卷壁厚度t从涡卷起始到涡卷结束能连续变化，能形成内部流体压力最高的涡卷体中央部厚、处于低压的涡卷尾部薄，涡卷体涡卷壁各部分能与作用压力相对应，成为同样强度。与涡卷壁厚度一定的渐开线等相比，能减少涡卷体容积，降低材料费、使轻量化成为可能。另外，从涡卷的起卷开始大约一卷范围，涡卷壁厚度比较厚能降低流体内部泄漏。
下面，参照图5、图6、图7、图8，说明本实施例中旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的构成法。在此，作为举例说明将涡卷体的外侧曲线取为基本涡曲线场合。
图5、图6分别表示旋转方和固定方的基本涡曲线，以及使该基本涡曲线以旋转半径e作圆运动时所描出的圆轨迹的包络线，图7、图8分别表示旋转方和固定方的涡曲线的构成。实线10是旋转方的基本涡曲线，是用（1）式表示的代数螺线。虚线11、12是基本螺曲线10的包络线，11为外侧包络线，12是内侧包络线。并且，实线20表示的固定方基本涡曲线20是使旋转方基本涡曲线10绕原点0回转180°所形成的。虚线21和22是基本涡曲线20的包络线，21是外侧包络线，22为内侧包络线。在此，涡卷体的外侧曲线设为基本涡曲线，所以旋转外侧曲线2a选择实线10，固定外侧曲线5a选择实线20。为了使形成复数的密封容积的两涡卷间保证几何接触，决定涡卷体的内侧曲线如下所述。为了和固定外侧曲线5a接触，选择固定方的基本涡曲线20的外侧包络线21作为旋转内侧曲线26，为了和旋转外侧曲线2a接触，选择固定方的基本涡曲线10的外侧包络线作为固定内侧曲线5b。上面虽然说明了涡卷壁厚度与涡卷的卷角相对应发生连续变化的涡卷体的基本涡曲线构成法，可是照这么做的话，在涡卷体起卷处，内侧曲线与外侧曲线是不一致的。起卷部的构成必须满足当旋转方涡卷体2以旋转半径e绕固定方涡卷体5作公转运动时两涡卷体不干涉的条件。因此，通过图9说明该起卷部的构成的一个例子。在图9中，点A是旋转外侧曲线2a的开始位置，点B表示旋转内侧曲线2b的开始位置。在此，点A的位置是根据上述当旋转方涡卷体2以旋转半径e绕固定方涡卷体5作公转运动时两涡卷不干涉的条件，在旋转外侧曲线2a上从原点0取旋转半径e的一半距离决定的。该点A在图5-图8中相当于与固定方的基本涡曲线20的外侧包络线21接触的旋转内侧曲线2b上的点B，以通过点A的旋转半径e为半径的圆弧在点B与旋转内侧曲线2b平滑地连接。并且，固定方涡卷相对的起卷部形状也与上述旋转方一样形成。
下面，说明这种涡卷体的制造方法。图10表示形成旋转方涡卷体时的刀具轨迹。例如，使用以旋转半径e为半径的刀具（主铣刀等），沿固定方涡卷体5的外侧曲线5a和内侧曲线5b使刀具的中心座标移动，连续加工旋转方涡卷体2，能提高涡卷体的尺寸精度进行高效加工。加工固定方涡卷体5时，与此相反，是使刀具中心沿旋转方涡卷体2的涡曲线移动，进行同样加工。
上面说明了将涡卷体的外侧曲线作为基本涡曲线时的涡卷体的形成法，下面，就将涡卷体的内侧曲线作为基本涡曲线时的涡卷体的形成法进行说明。图11、图12分别表示旋转方和固定方的涡曲线。这时，由于涡卷体的内侧曲线是基本涡线，所以选择图5中实线10为旋转内侧曲线2b，图6中实线20为固定内侧曲线5b。涡卷体的外侧曲线通过以下方法决定。旋转外侧曲线2a要与固定内侧曲线5b接触，因而选图5中固定方的基本涡曲线20的内侧包络线22，而固定外侧曲线5a要与旋转内侧曲线2b接触，因而选图5中固定方的基本涡曲线10的内侧包络线12，从几何学上保证两涡卷间接触以形成复数的密封容积。并且，这时涡卷体的起卷部与上述将涡卷体外侧曲线作为基本涡曲线场合（图9）不同，如图13那样形成。在图13中，点A表示形成旋转方涡卷体2的旋转外侧曲线2a的开始位置，点B表示的旋转内侧曲线2b的开始位置。点A和点B的位置是这样决定的：以原点0为中心、以旋转半径e的一半为半径所画的圆，通过该圆周上一点C，用与旋转外侧曲线2a和旋转内侧曲线2b平滑连接的直线连接。这时点C成为连接点A和点B的直线的中间点。以上所述虽然说明旋转方涡卷体的起卷部的形状，但是固定方涡卷体也与旋转侧一样形成。
上面说明了涡卷壁厚度随着涡卷的卷角发生连续变化的涡卷体的形成法，进一步说，在本实施例的涡卷体中，齿顶间隙容积为零，没有伴随齿顶间隙内流体再膨胀所带来的的损失，具有以往渐开线所没有的卓越特征。图4表示的是本实施例的涡旋型压缩机的作用原理图，图14是说明其中涡卷体中央部啮合状态的放大图。如图14所示，旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的最内侧接触点8、8′形成的最内室6a，从图可以知道，在本实施例中，旋转方涡卷体2以旋转半径e（等于00′）绕固定方涡卷体5作相对公转运动，那么按图14（1）、（2）、（3）、（4）顺序，接触点8、8′形成的最内室6a的容积减少，以往存在的齿顶间隙容积为零。因此，被压缩的流体不会发生徒劳的再膨胀，而是全部从排出口（没有图示）排出到外部。并且，在图14中已省略，实际上因为有必要在与最内室6a相通的位置形成排出口，所以该排出口部的容积成为齿顶间隙容积，与以往装置相比，该量非常小，实际上可以看作零。在此，虽然是就图9所示说明了涡卷体起卷部的形成，可是图13所示的起卷部形成也一样，尽管省略了说明，其齿顶间隙容积成为零。
这样形成的涡旋压缩机适用于制冷循环或冷气设备专用的循环，能降低涡卷体间流体的内部泄漏，齿顶间隙容积成为零，因而能大幅度提高压缩机效率。这样，能获得热效率优良，可靠性高的制冷、空调系统。
下面参照图15-图18来说明本发明实施例2。在实施例1中，虽然是将涡卷体的基本涡曲线设为用（1）式表示的代数螺线，代数螺线的指数k设为k＜1.0，代数螺线的系数a也设为任意的定数，可是，进一步说，通过用式（1）表示的、使代数螺线的系数a或代数螺线的指数k为偏角θ的函数那样的基本涡曲线，能使涡卷壁厚度作适当变化，一方面确保涡卷体强度，一方面能使涡卷体比渐开线小型化。这时，代数螺线的指数k并不限定为k＜1.0范围。参照图15、图16说明该实施例。
图15和图16表示涡卷形状，其是将涡卷体的基本涡曲线设为用（1）式表示的代数螺线，将代数螺线的指数k设为k＞1.0的定数，代数螺线的系数a也设为定数，图15表示旋转涡旋结构，图16表示作为压缩机使用时吸入结束（压缩开始）时的涡卷体的结构。图17和图18表示涡旋形状，其与图15和图16一样，代数螺线指数k设为k＞1.0，代数螺线系数a取与图14和图15一样的定数，可是其是指数k用偏角θ函数表示的代数螺线作为基本涡曲线场合下的涡旋形状。具体地说，指数k是偏角θ的一次函数，从起卷到终卷k值直线地减少。比较一下图14和图15就可以明白，在代数螺线的指数k设为k＞1.0定数的图15和图16中，涡卷壁的厚度在涡卷中央部（起卷）薄，容易发生强度问题，可是，能适用于压力差小的场合。与此相反，涡卷外周的涡卷壁厚度变厚，因而外形一定时，最外周的作用室6、6的容积（行程容积）变小。与此相反，在使用代数螺线指数k随涡卷卷角变化的图17和图18中，虽然指数k＞1.0，可是能确保起卷部的涡卷壁厚度的强度不成问题，涡卷外周与代数螺线指数k＜1.0场合相同，在卷尾部涡卷壁厚度变薄，行程容积增加。进行详细数值解析结果可以明白，外形（涡卷的径和高度）若设为一定，则图15和图16表示的涡卷体比图17和图18所示的涡卷体行程容积大约增加三成，内部容积比也从2.71上升到后者的2.80。因此，行程容积与内部容积比设为一定场合，涡卷体能小型化。在此，虽然是表示指数k是偏角θ的一次函数而变化的场合，但是指数k也可以是偏角θ的二次、三次函数或对数函数。或者即使指数k设为常数，代数螺线系数a以偏角θ函数变化也同时能使涡卷壁厚度作适宜变化，一方面确保涡卷体强度，一方面能使涡卷体比渐开线场合小型化，能获得降低流体内部泄漏、性能提高的涡旋型压缩机。
参照图19-图31说明本发明实施例3。图19是表示涡旋组合状态的平面图，图20是作用原理说明图，从图21到图24是涡旋形状形成方法说明图，图25是表示旋转涡旋起卷部结构的平面图，图26是表示固定涡旋起卷部结构的平面图，图27到图29是表示设有角度α时涡旋形状变化的平面图，图30是表示涡卷体中央部啮合状态平面图，图31是表示涡卷体中央啮合状态平面图。
本实施例的涡旋形状与实施例1所示的涡旋形状相同，可是在本实施例中，旋转涡旋和固定涡旋材质不同，例如，旋转涡旋是用铝合金等轻量低强度材料制成，固定涡旋用比旋转涡旋强度高的通常的铁系材料制成。如本实施例所示，由低强度材料构成的旋转方涡卷体2与强度更高的固定方涡卷体5相比，涡卷壁厚度全部变厚，设定为两者强度大致相等，旋转侧涡旋和固定侧涡旋的涡卷体的外侧曲线和内侧曲线、涡卷曲线的原点0、0′以及代数螺线的指数k与实施例1相同。
可是，旋转方涡卷体2构成时，为了使涡卷壁厚度更厚，如后所述那样仅使用（1）式表示的代数螺线以原点0为中心回转角度α，形成旋转外侧曲线2a作为基本涡曲线。这样，旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的涡卷壁厚度都从涡卷起卷到卷尾发生连续变化，内部流体压力最高的涡卷体中央部厚，处于低压的卷尾部变薄，与涡卷壁厚度一定的渐开线等相比，能够减少涡卷体容积，能降低材料费，实现轻量化，同时从涡卷大约一卷范围内涡卷壁厚度比较厚，能降低流体的内部泄漏。并且，由低强度材料构成的旋转方涡卷体2与强度更高的固定方涡卷体5相比，涡卷壁厚度体部增厚，两者强度大致相等。
作用原理与实施例1相同，如图20所示，固定方涡卷体5静止，旋转方涡卷体2绕固定涡旋中心0′不自转地而以旋转半径e（00′）作公转运动，两个涡卷体2、5间形成复数的月牙状密闭空间即作用室6、6，图20（1）为流体吸入结束状态，随着公转进行到90°、180°、270°分别成为（2）、（3）、（4）状态，作用室6、6容积随之缩小，进行流体压缩。
下面，详述实施例中旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的形成法，在此作为例子，举将涡卷体的外侧曲线作为基本涡曲线场合。图21、图22分别表示旋转方和固定方的基本涡曲线以及沿该基本涡曲线以旋转半径e作圆运动时所形成的圆轨迹的包络线，图23、图24分别表示旋转方和固定方的涡曲线的构成。实线10是旋转方的基本涡曲线，是使（1）式表示的代数螺线以原点0为中心仅仅回转角度α所形成的。虚线11和12是基本涡曲线10的包络线，11是外侧包络线，12是内侧包络线。并且，实线20是固定方的基本涡曲线，该曲线是将旋转方的基本涡曲线10绕原点0回转（180°-α）形成的。虚线21和22是基本涡曲线20的包络线，21是外侧包络线，22是内侧包络线。与实施例1相同，涡卷体的外侧曲线是基本涡曲线，所以选择实线10作为旋转外侧线2a，选择实线20，作为固定外侧曲线5a，涡卷体的内侧曲线通过下述方法决定，以便在几何学上保证形成复数的密封容积的两涡卷间的接触。另外，旋转内侧曲线2b由于与固定外侧曲线5a接触，所以选择固定方的基本涡曲线20的外侧包络线21，固定内侧曲线5b因与旋转外侧曲线2a接触，因而选择固定方的基本涡曲线10的外侧包络线11。
在此，用点划线表示的旋转外侧曲线2a′和固定内侧曲线5b′是角度α为0°场合，虽然与实施例1相当，可是在本实施例中，旋转方基本涡曲线10与固定方基本涡曲线20是同一形状，位相移动（180°-α），所以与位相差恰好为180°的实施例1所示的涡旋形状不同，能够在固定方和旋转方使涡卷壁厚度变化。并且，由于在涡卷体的起卷部内侧曲线与外侧曲线不一致，所以该起卷部与实施例1相同，作为一例如图25、图26所示决定。图25表示旋转方涡卷体2中作为基本涡曲线的旋转外侧曲线2a回转角度α时的起卷部的构成，图26表示与该旋转方涡卷体2啮合的固定方涡卷体5的起卷部的构成。图中涡曲线上，实线不回转时（α＝0°），虚线是实线表示的旋转外侧曲线2a以原点0为中心朝时针方向（下面作为正方向）回转α°，点划线是朝反时针方向（下面作为负方向）回转-α°。这样一来，通过使式（1）表示的代数螺线构成的旋转外侧曲线2a（实线）回转α°，旋转侧涡卷体2的涡卷壁厚度变厚，固定方涡卷体5的涡卷壁厚度变薄。与此相反，回转-α°时，旋转方涡卷体2的涡卷厚度变薄，固定方涡卷体5的涡卷壁厚度变厚。
起卷部的构成必须满足下列条件：使旋转方涡卷体2绕固定方涡卷体5以旋转半径e作公转运动时，两涡卷体不干涉。在本实施例中说明通过单一圆弧连接内侧曲线和外侧曲线的方法。图25所示的是旋转方涡卷体2，在旋转外侧曲线2a上有点A，其距原点0为e/2，用通过点A以旋转半径e为半径的圆弧平滑地连接旋转内侧曲线2b和旋转外侧曲线2a。图26表示固定方涡卷体5，在固定外侧曲线5a上有点B，其距原点0′为e/2，用通过点B以旋转半径e为半径的圆弧平滑地连接固定内侧曲线5b和固定外侧曲线5a。另外，这时圆弧中心位置根据回转角度α而变化，其座标分别相当于图22中点A、A′、A″。
图27到图29表示因回转角度α的变化而引起的涡旋形状的变化，参照图27-图29可以明白，根据角度α的值，旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的涡卷壁厚度发生变化，从图28和图29可以明白，角度α为同一数值方向（与回转方向相当）不同时，旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的形状恰好变换。并且，比较吸入结束时作用室6的面积也能明白，行程容积与图27所示α＝0°的不回转场合相比是同样面积，能根据使用材质使固定方和旋转方的涡卷壁厚度作适宜变化，同时，与实施例1相同，比起渐开线来更能使涡卷体小型化。这里虽是举了使旋转方涡卷体2的外侧曲线回转的例子，但是即使固定方涡卷体5回转也能实现同样结构。
另外，本实施例中涡卷体的形成也与实施例1相同。并且，如图30所示，其表示涡卷体中央部啮合状态的放大图，本实施例的涡卷体与实施例1相同，具有顶部间隙容积为零、没有伴随顶部间隙内流体的再膨胀所带来的损失的优点。即，在图30中，旋转方涡卷体2以旋转半径e（等于00′）绕固定方涡卷体5作相对公转运动，那么从图30就可以明白旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5最内侧接触点8、8′形成的最内室6a的容积将按图30（1）、（2）、（3）、（4）顺序减少，齿顶间隙容积为零。因此，被压缩流体不会发生徒劳的再膨胀，而从排出口（没有图示）全部被排到外部。另外，在图24中已经省略，但是实际上在与最内室6a相通的位置必须形成排出口，所以该排出口部的容积成为齿顶间隙容积，可是，该容积与行程容积相比是非常小的，实际上可看作零。
如上所述，在本实施例中，虽然仅仅就图25、图26所示内容说明涡卷体起卷部结构，但是后述的即使是上述结构以外的起卷部结构也同样可以将齿顶间隙容积视为零。
上面说明了涡卷体外侧曲线作为基本涡曲线时涡卷壁厚度不同的涡卷体构成法，以涡卷体内侧曲线作为基本涡曲线时也同样可以构成，其是使作为基本涡曲线的旋转方涡卷体2的旋转内侧曲线2b与固定侧涡卷体5的固定内方曲线5b的位相差为180°左右，使旋转内侧曲线26或固定内侧曲本5b变化适当角度α构成。例如图2b所示，以式（1）表示的代数螺线以原点0为中心回转α＝-30°，设为旋转内侧曲线2b（旋转方涡卷体2的基本涡曲线），表示的是固定内侧曲线5b（固定方涡卷体的基本涡曲线）与旋转内侧曲线2b位相差为（180°-α）时的涡旋形状。内侧曲线为基本涡曲线时，回转（角度α）影响与图31所示外侧曲线为基本涡曲线场合相反，α＝-30°时与图28α＝30°相同，旋转方涡卷体2的涡卷壁厚度变厚，固定方涡卷体5的涡卷壁厚度变薄。
由于这样的结构，所以即使在涡卷体材质不同的场合，也能使涡卷体各部分达到同样强度，通过小型化，降低了轴承载荷，提高了压缩机可靠性。
参照图32-图35说明本发明实施例4。实施例3中所述结构表示了旋转方涡卷体2和固定侧涡卷体5各自基本涡曲线回转基本上用同一数式表示，式（1）表示的代数螺线为基本，代数螺线指数k设为k＜1.0，代数螺线系数a也设定为任意定数，本发明并不限定为这些，下面如本实施例所示，例如，式（1）表示的代数螺线系数a或代数螺线指数k即使是偏角θ函数也能使涡卷壁厚度适当变化，一方面确保涡卷体强度，一方面能使涡卷体比渐开线时小型化。这时，代数螺线指数k不限定为k＜1.0范围。进一步说，也可以用不同曲线构成旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的各自的基本涡曲线。
如图32所示，涡卷体的外侧曲线设为基本涡曲线，旋转方涡卷体2的外侧曲线2a和固定方涡卷体5的外侧曲线5a两者在式（1）表示的代数螺线指数k和系数a上各自采用不同数值。这时，不需要使涡曲线回转，通过适当选定两条不同的基本涡曲线，能使构成的涡卷体成为与图19所示涡卷体相同的效果。图25和图26说明了以涡卷体外侧曲线为基本涡曲线时使单一圆弧为连接曲线的起卷部结构，可是本发明起卷部结构不局限于此，可以考虑除此之外的各种结构。图33、图34、图35说明这样构成的涡卷体起卷部的另外的构造。图33和图34表示以涡卷体外侧曲线为基本涡曲线场合，图35表示如图31所示那样以涡卷体内侧曲线为基本涡曲线场合。图33-35各图中旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5都用同一的x-y座标轴表示。图33是用两条圆弧构成起卷部连接曲线场合，虚线是图25和图26表示的单一圆弧场合。旋转方涡卷体2通过γ1和γ2两条圆弧连接外侧曲线2a和内侧曲线2b，固定方涡卷体5通过γ3和γ4两条圆弧连接外侧曲线5a和内侧曲线5b。圆弧间连接点A、B接到由原点0（或0′）以e/2为半径的圆上，圆弧γ1和γ4中心座标相同，圆弧γ2和γ3中心座标也相同。图34与图33不同，是通过圆弧和直线构成起卷部。圆弧半径γ对于旋转方和固定方来说是相同的（即γ＝e），与圆弧连接的直线在点A、B与以原点0（或0′）为中心以e/2为半径的圆接上，这点和图33相同。图35是图31所示涡卷体内侧曲线为基本涡曲线时的起卷部结构，内侧曲线2b，5b和外侧曲线2a、5a分别用直线连接。这时，虽然直线在点A、B与半径为e/2的圆接上，可是该圆中心c不在原点0（或0′）上。
根据上述可知，连接构成涡卷体起卷部的内侧曲线和外侧曲线的连接线的必要条件如下：至少与内侧曲线内接、用同一座标轴表示旋转侧涡卷体2和固定侧涡卷体5时，由以e/2为半径形成的圆内接在这些连接线之间的那样的任意曲线（也包括直线、圆弧）构成。通过这种起卷部结构，与图25相同，齿顶间隙容积为零，在此说明省略。
参照图36-图43说明本发明实施例5。图36是说明本实施例涡卷体构成法的平面图，在起卷部涡卷体内侧曲线和外侧曲线大致连接，因而上述那种连接曲线几乎不需要，使结构简单化。图36和图37分别表示旋转方和固定方的基本涡曲线以及及使该基本涡曲线以e/2为半径作圆运动时所形成的圆轨迹包络线，图38和图39分别表示旋转方和固定方涡曲线的构成。实线10是旋转方的基本涡曲线，是使式（1）表示的代数螺线以原点0为中心仅仅回转角度α形成的。虚线13和14是基本涡曲线10的包络线，13是外侧包络线，14为内侧包络线。并且，实线20是固定方的基本涡曲线，该曲线是使旋转方基本涡曲线10绕原点0回转（180°-α）形成的。虚线23和24是该基本涡曲线20的包络线，23是外侧包络线，24是内侧包络线。在此，为了从几何学上保证形成复数的密封容积的两涡卷间的接触，涡卷体如下述那样构成。选择旋转方基本涡曲线10的内侧包络线14为旋转外侧曲线2a，选择固定侧基本涡曲线20的内侧包络线24为固定外侧曲线5a。对于涡卷体内侧曲线而言，由于旋转内侧曲线2b和固定外侧曲线5a接触，所以选择固定方基本涡曲线20的外侧包络线23，固定内侧曲线56与旋转外侧曲线2a接触，所以选择旋转侧基本涡曲线10的外侧包络线13。这样，旋转方基本涡曲线10与固定方基本涡曲线20是同一形状、位相错开（180°-α）构成的，因而，可以使旋转方和固定方涡卷壁厚度变化，同时，构成各涡卷体的内侧曲线和外侧曲线大致在起卷部连接，所以两者间连接曲线几乎不需要，能使结构简单。由于上述结构，与前面记载的图25所示场合相同的各种曲线能适用作为基本涡曲线。并且角度α＝0°时，旋转方和固定方的涡卷体为同一形状。
图40-图43是表示图36-图39所示的涡曲线构成法中因基本涡曲线回转（角度α）而引起的涡旋形状变化图和涡卷体中央部啮合状态图（α＝30°场合）。从这些图可以明白，与图27-图30所示相同，根据角度α的值，可以使旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的涡卷壁厚度变化，同时，各涡卷体起卷部可由平滑曲线构成，使齿顶间隙容积为零。
参照图44-图47说明本发明实施例6。图44-图47是说明涡卷体构成法的平面图，与图36-图39所示实施例相同，在起卷部平滑地连接涡卷体的内侧曲线和外侧曲线，能够使结构简单化。在本实施例中，涡旋压缩机旋转半径设为e时，决定两条半径e1和e2，其满足e＝e1+e2，通过适当选定这些值，能使旋转方涡卷体2和固定方涡卷体5的涡卷壁厚度变化。图44和图45表示旋转方和固定方的基本涡曲线以及使该基本涡曲线以半径e1和e2作圆运动时所形成的圆轨迹的包络线，图46和图47分别表示旋转方和固定方的涡曲线的构成。实线10是旋转方的基本涡曲线，是式（1）表示的代数螺线。虚线34是使基本涡曲线10以半径e1作圆运动时的外侧包络线，虚线35是使基本涡曲线10以半径e2作圆运动时的内侧包络线。并且，实线20是固定方的基本涡曲线，该曲线是使旋转方的基本涡曲线10绕原点0回转180°形成的。虚线36是使该基本涡曲线20以半径e2作圆运动时的外侧包络线，虚线37是使基本涡曲线20以半径e1作圆运动时的内侧包络线。在此，涡卷体构成如下，以便从几何学上保证形成复数的密封容积的两涡卷间的接触。选择旋转方基本涡曲线10的内侧包络线35作为旋转外侧曲线2a，选择固定方的基本涡曲线20的内侧包络线37为固定外侧曲线5a。关于涡卷体内侧曲线，为了使旋转内侧曲线2b与固定外侧曲线5a（37）接触，所以选择与内侧包络线37仅仅隔开旋转半径e距离的固定方基本涡曲线20的外侧包络线36，同样，为使固定内侧曲线5b与旋转外侧曲2a（35）接触，选择与内侧包络线35仅仅隔开旋转半径e距离的旋转方基本涡曲线10的外侧包络线34。这样一来，考虑到在基本涡曲线10和基本涡曲线20上分别为e1和e2的两不同半径包络线，通过设e1＞e2，随着涡卷的卷角，涡卷壁厚度逐渐变化，同时，旋转侧涡卷体2与固定方涡卷体5相比，其涡卷壁厚度可以全部较厚。e1＜e2时，与此相反，固定方涡卷体5涡卷壁厚度能比旋转方涡卷体2的厚。
另外，在上述涡卷体构成法中，通常，涡卷体内侧曲线最小曲率半径可以比旋转半径e大，因而可以使形成涡卷体时的刀具直径变大，能提高涡卷体尺寸精度和加工性。
上面举了压缩机作为涡旋型流体机械例子，涡卷壁厚度随涡卷的卷角而发生连续变化，并且还述及一种当固定方和旋转方的涡卷壁厚度不同时涡卷体的基本的涡曲线构成法，但是本发明也能适用在上述以外的膨胀机和泵上。另外，本发明中，涡卷的运动形态设为一方涡旋固定、另一方涡旋以任意旋转半径不自转地进行公转运动的形式，可是对于采用与上述运动等价的运动形态-两回转式的涡旋型流体机械也能适用。另外，用式（1）表示的代数螺线作为涡卷体的基本涡曲线，但是本发明并不局限于此，在本发明明确的涡卷体构成法能适用于涡卷曲率连续变化的任意平滑的涡曲线。
如上所述，根据本发明，通过以代数螺线作为基本涡曲线，一方面能确保涡卷体起卷部强度，一方面能使涡卷体小型化，所以轴承载荷变小，能提供可靠性高的涡旋流体机械。并且，能使涡卷壁厚度逐渐变化，因而能降低涡卷体间流体的内部泄漏，能使齿顶间隙容积小或为零，因此能提高涡旋流体机械效率。另外，通过搭载该涡旋流体机械，能提供效率卓越、可靠性好的空调设备。
另外，当涡卷体的旋转方和固定方的材质不同时，采用一方面各自具有必需强度的涡卷壁厚度，一方面随着涡卷卷角变化涡卷壁厚度发生连续变化的涡卷体的构成法，同时通过以代数螺线作为基本涡曲线，一方面确保涡卷体起卷部强度，一方面能使涡卷比渐开线小型化。

Claims (14)

1、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，当以极座标形式设动径γ、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k时，用下式表示的代数螺线形成两涡旋的涡卷体的基本涡曲线：γ=a·θk。
2、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，当以极座标形式设动径γ、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k时，用代数螺线指数k对应于偏角θ变化而发生变化的代数螺线形成两涡旋的涡卷体的基本涡曲线。
3、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，两涡旋的各涡卷体，一方曲线以代数螺线形成，另一方曲线是当另一方涡旋的涡卷体的代数螺线以上述旋转半径作圆运动时所描出的两包络线中之一所形成。
4、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，上述两涡旋部件的涡卷体的外侧曲线用代数螺线形成，上述两涡旋部件的涡卷体的内侧曲线，对于旋转涡旋部件来说是由固定涡旋部件的代数螺线的外侧包络线形成，对于固定涡旋部件来说是由旋转涡旋部件的代数螺线的外侧包络线形成的。
5、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，上述两涡旋部件的涡卷体的外侧曲线用代数螺线形成，上述两涡旋部件的涡卷体的内侧曲线，对于旋转涡旋部件来说是由固定涡旋部件的代数螺线的外侧包络线形成，对于固定涡旋部件来说是由旋转涡旋部件的代数螺线的外侧包络线形成的。
6、一种涡旋型流体机械，端板与直立其上的涡卷体所形成的两涡旋部件在使涡卷体向内侧状态下互相啮合，一方涡旋部件相对另一方涡旋部件不自转地以设定的旋转半径作公转运动，其特征在于，半径e1、e2与上述旋转半径e存在e＝e1+e2关系，两涡旋的各涡卷体的外侧曲线是分别以半径e1、e2使两涡旋的代数螺线作旋转运动时的内侧包络线形成的，内侧曲线是分别以半径e1、e2使两涡旋的代数螺线作旋转运动时的外侧包络线形成的。
7、一种涡旋型流体机械，设置分别含有涡卷体的静止涡旋部件和旋转涡旋部件，其特征在于，两涡卷体最内领域接触点间形成的间隙容积随着两涡卷体相对公转运动实质上成为零，同时，各涡卷体以代数螺线作为基本涡曲线，涡卷壁厚度具有随涡卷的卷角逐渐变化的形状。
8、根据权利要求3中所述的涡旋型流体机械，其特征在于，当以极座标形式设动径r、偏角θ、代数螺线系数a、代数螺线指数k时，所说代数螺线是以式γ＝a·θk表示的代数螺线形成的。
9、根据权利要求1中所述的涡旋型流体机械，其特征在于，上述一方代数螺线指数k＜1.0，另一方代数螺线是将上述一方代数螺线回转180°左右形成的。
10、根据权利要求8中所述的涡旋型流体机械，其特征在于，上述代数螺线指数k＞1.0，并且系数a设为定数，使上述代数螺线指数k作为偏角θ的函数而变化。
11、根据权利要求3中所述的涡旋型流体机械，其特征在于，上述一方的涡旋部件的代数螺线以原点为中心，回转角度α，另一方涡旋部件的代数螺线是以上述原点为中心回转角度（180°-α）。
12、根据权利要求3中所述的涡旋型流体机械，其特征在于，上述一方的涡旋部件是旋转涡旋部件，旋转涡旋部件的涡卷体厚度比另一方的涡旋部件的涡卷体厚。
13、一种涡旋部件，其特征在于，涡旋部件的涡卷体的外侧曲线和内侧曲线由代数螺线或使该代数螺线作旋转运动时的包络线所形成。
14、一种涡旋部件的加工方法，其特征在于，涡旋部件的涡卷体的外侧曲线和内侧曲线由代数螺线或使该代数螺线作旋转运动时的包络线所形成，通过使刀具中心沿上述外侧曲线和内侧曲线移动，进行上述涡卷体加工。
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