CN1079915C - 带反转保护的涡卷机械 - Google Patents

Abstract

涡卷式压缩机包括一只将被压缩的冷却剂从出口室经过涡卷构件的液流堵住的排放阀门组件，在停机时液流的堵塞导致消除反向转动，排放阀组件包括一条泄漏通路，它使数量有限的致冷剂流过排放阀以消除受驱使的反向转动所形成的真空。在一个实施例中，位于泄漏通路上的阀门提供了时间延迟以优化排放阀组件的性能。

Description

带反转保护的涡卷机械

发明范围

本发明通常是关于涡卷机械。本发明特别是关于减少或消除涡卷机械中反转问题的设备，例如该设备用作压缩机去压缩致冷、空调和热泵系统中的致冷剂，以及空气压缩系统中所用的压缩机。

发明的背景和综述

涡卷机械主要由于其能够特别有效地运行越来越普遍地用在致冷和空调以及热泵的压缩机上。通常，这些机器包括一对互相啮合的涡圈，使其中一个绕另一个转动，这样当涡圈从外吸入口移向中央排放口时形成一个或多个体积不断减少的移动腔室。通常设一电机通过适当的驱动轴驱使涡卷构件转动。

由于涡卷式压缩机取决于连续的压缩腔室、吸入和排出方法，所以一般不需要入口阀和出口阀。然而，由于某种需要有意或者是由于断电非故意停运压缩机时，出口室的压缩气体有很强的回流趋势，以及由于压力室中的气体使转动涡卷构件及相应的驱动轴形成程度逐渐变弱的反向转动。反向转动经常产生有害的和不希望有的噪音或嗡嗡声。甚至，在采用单相驱动电机的机器中，如果出现瞬间断电，压缩机可能开始反转。反转可能会引起压缩机过热和/或系统使用上的麻烦。此外，有些时候，如阻流电容器风机，可能会使出口压力增加到足以停运驱动电机及出现反转，当转动涡卷构件反方向转动时，出口压力将减小到电机能重新克服压头且使涡卷构件沿正方向转动，然而，出口压力将重新增加到使驱动电机停机，该循环被重复。这种一直存在的循环是不希望有的。

本发明的一个主要目的在于提供一个非常简单且特殊的阀门，它和浮动密封一起能很容易地组装到常规的涡卷式气体压缩机中，而不是很大程度地修改整个压缩机的设计。它在压缩机停机时起作用以增加压缩机停机时浮动密封的效果，浮动密封在压缩机停机时移动使气体从出口压力区流向吸入口压力区，该流动平衡了出口气体和入口气体，因此防止了出口气体驱动压缩机反方向转动，因而消除了伴随反转出现的正常停机噪音。

为达到上述目的，本发明提供了一种涡卷机械，它包括：形成出口室的壳体；位于上述壳体中的第一个涡卷件，上述第一涡卷件设有从端板向外凸出的第一个涡形圈；位于上述壳体中的第二个涡卷件，上述第二个涡卷件设有从端板向外凸出的第二个涡形圈，上述第二个涡形圈与上述第一个涡形圈互相啮合；使上述涡卷件相对绕转的驱动构件，上述涡形圈在入口压力区和出口压力区之间产生容积不断变化的空腔，上述出口压力区与出口室流通连接；位于上述出口压力区和上述出口室之间的排放阀，上述排放阀可在开和关位置之间移动，开的位置使流体在上述出口压力区和上述出口室之间流动，关的位置抑制了在上述出口室和出口压力区之间的流动；位于上述出口室和上述出口压力区之间的流体通道，在排放阀处于上述关的位置时，该流体通道处于打开位置，位于上述流体通道内的控制阀，该控制阀可以在开的位置和关的位置之间移动，在开的位置允许流体流过上述流体通道，在关的位置抑制住流体流过该流体通道。

本发明的这些及另外的特点在下面的描述及所附的权利要求中将变得更加清楚，参见附图。

图形的简要描述

图中说明了目前意在实施本发明的最好方式。

图1是通过涡卷式压缩机中心的立面视图，该压缩机包括本发明的阀组件；

图2是图1中所示的压缩机顶视图，其中机罩和一部分隔板被移走，

图3是图1中说明的浮动式密封组件的放大视图，

图4是与图3类似的视图，但示出了根据本发明的另一个实施例。

优选实施例的描述

本发明适用于许多不同型式的涡卷机械，这里结合图1中说明的具有通用结构的涡卷式致冷压缩机，作为一个典型例子说明之。参考附图且特别是图1，所示的压缩机10包括普通的筒式密封壳体12，在壳体上部焊有机罩14，在机罩14上设有致冷剂排放接头18，在接头中可设置普通的排放阀(未示出)。连接到壳体上另外的主要元件包括进口接头20，沿周边焊接的与机罩14焊在壳体12上同在一处的横向延伸的隔板22，双段主轴承盒24和设有几个沿径向外伸的支腿的下部轴承盒26，每个支腿与壳体12适当地固定。下部轴承盒26在壳体12中定位且支撑双段主轴承盒24及电机28，电机包括电机定子30。

上端设有偏心曲轴销34的驱动轴或曲轴32的轴颈可转动地安装在主轴承盒24内的轴承36中，和下部轴承盒26内的第二个轴承38中。在曲轴32的下端有一个较大直径的同心孔40，它和位于径向外侧的小直径孔42相联通，小直径孔从这里一直向上延伸到曲轴32的顶部。搅拌器44位于孔40内。壳12内侧下部形成了一个装润滑油的油槽46。孔40用作一台泵，沿曲轴32向上泵送润滑油进入到孔42中，最后到达压缩机需要润滑的所有各个部件。

电机28驱动曲轴32转动，电机包括电机静子30，经过这里的线圈38和压装到曲轴32上的电机转子50以及各自的上平衡块52和下平衡块54。

双段轴承盒24的上表面设有一平推力轴承面56，转动涡卷构件58放置其上，该转动涡卷构件的上表面设有普通的涡叶或涡圈60。从转动涡卷构件58下表面向下凸出来的是一个筒毂，筒毂中有一轴颈轴承62，筒毂包在驱动套筒64上，套筒设有一内孔66，曲轴销34位于内孔中驱动。在曲轴销34的一个表面上设一平面，它和在孔66的一部分上形成的面(未示出)驱动啮合，提供了径向配合的驱动布局，如受让人的美国专利号4,877,382所示，这里作一说明作为参考。在转动涡卷构件58和轴承盒24之间的位置上还设有一十字联轴节68。十字联轴节68用键销到转动涡卷构件58和一只非转动涡卷构件70上，以防止转动涡卷构件58的转动。十字联轴节68最好是受让人的美国专利号No.5,320,506中的那种型式，这里说明一下作为参考。

非转动的涡卷构件70同样也设有涡圈72，其位置与转动涡卷构件58的涡圈啮合。非转动涡卷构件70的中央设有排出通道74，它与向上开口的凹槽76相联通，通过隔板22中的孔78再与机罩14和隔板22所形成的出口封闭室80流通。孔78的进口周围设有一环形座套82。非转动涡卷件70的表面处设有一环形槽84，槽84具有共轴平行的侧壁，槽中封入放置成能轴向移动的环形浮动密封组件86，浮动密封组件用来将凹槽84的底部与在88处出现的具有出口压力的气体和在90处具有入口压力的气体隔开，这样使用通道92可放置成与中间液流压力源相联通。非转动涡卷件70相对于转动涡卷件58同轴偏置，由排放压力产生的作用在涡卷件70中部的力以及中间液流压力产生的作用在凹槽84底部的力加强了涡圈末端的密封。通过密封组件86对座套82的作用，将凹槽76和孔78中的排出气体与壳体中的具有吸入压力的气体密封分开。这种轴向压力的偏压和浮动密封组件86的作用在申请人的转让人的美国专利号No.5,156,539中说明得更加详细，因此在这里作一说明作为参考。非转动涡卷构件70设计成以适当的方式安装到轴承盒24上，它为非转动涡卷构件70提供了有限的轴向移动(没有转动)。非转动涡卷构件70也可以上面提到的美国专利No.4,877,382或美国专利No.5,102,316中公开的那种方式安装，插入到这里作一说明以作参考。

该压缩机最好是“下侧”型，它允许从接头20进来的吸入气体中的一部分流入到壳体中，帮助冷却电机。只要有足够的吸入气体回流，电机将保持在希望的温度限内。然而，当该流体很大程度地减少或停止时，失去冷却将使电机保护器94跳闸且停运机器。

上面广泛描述的涡卷式压缩机，或者在先有技术中是已知的，或者是其它悬而未决的专利申请的题目或申请人的转让人的专利的题目。

本发明直接针对连接到浮动密封组件86中的机械阀门组件100，在压缩机10稳态运行期间，阀门组件100保持全开，只是在压缩机10停机时才关闭。一旦阀门组件100全关，由于压差浮动密封组件86将被推下来，使气体从出口侧流到压缩机10的吸入侧。

参见图2和图3，浮动密封组件86是共轴夹层结构，且包括环形底板102，底板上有几个相等距离的立着的整体的突出物104，每个突出物有加大的底部106。环形密封片组件108放在板102的上面，在组件108上设有几个等距离的孔它与底部106相配合。环形垫板110放在密封片组件108的顶部上面，在垫板110上也设有几个等距离的孔它也与底部106相配合。环形密封片组件112放在垫板110的顶部上面，它也具有几个等间距离的孔，与突出物104相配合。用环形上密封板114维持住密封组件86的装配，在上密封板114上也设有几个等距离的孔与突出物104相配且接收它。密封板114包括几个环形突出物116，它与垫板110上的几个孔配合且伸进去以稳定住密封组件86。密封板114还包括一个向上凸出的环形平面密封面118。通过顶住示为120处的突出物104的端部，将密封组件86固定到一起。

现在参见图3，密封组件86提供了三处不同的密封。第一是在两个接口122处的内径密封，第二是在两个接口124处的外径密封，以及在126处的顶部密封。密封122将凹槽84底部的中间压力下的流体与凹槽76中的流体隔开。密封124将凹槽84底部的中间压力下的流体与壳体12中的流体隔开。密封126是在密封凸缘18和环形座套82之间，密封126将具有吸入压力的流体与流过密封组件86顶部的出口压力下的流体隔开。

选择密封126的直径是为了当压缩机在正常运行条件下，如在正常压差下，在密封组件86上有正密封力。因此，当遇到不希望的压力条件时，密封组件86将被拉下来，因此允许流体从压缩机10的出口压力区流到压缩机10的入口压力区。如果该流量过大，引发的电机冷却吸入气体流量损失(由于漏入的出口气体的过高温度会更加恶化)将使电机保护器94跳闸，因而给电机28断电。密封126的宽度要选成能使密封凸缘118和座套82之间的部件压力大于正常遇到的出口压力，因此保证连续密封。

排放阀底板130位于密封凸缘118的内圈。排放阀底板130包括几个孔132，它使压缩气体从凹槽76流入封闭室80，将蘑菇形阀门挡板134用螺接或一些其他已知方法固定到位于阀门底板136内的中央孔136中去。环形阀瓣138位于阀门底板130和阀门挡板134之间，如图3中假想线所示，当阀瓣138座到阀门底板130上时，阀瓣138的直径足够大到覆盖住几个孔132。与阀瓣138相接触的阀门挡板134的上部直径选成小于阀瓣且与阀瓣138直径成希望的比例，在压缩机10运行和停运时控制作用在阀门上的力，挡板134的上部直径选在阀瓣138的直径的50％到100％之间。在优选的实施例中，挡板134的上部直径选成阀瓣138直径的95％左右。在压缩机10运行时，不希望阀瓣在流体脉动下变成动态的，这种脉动在极端的运行条件下，如高的压力比时会出现。阀瓣138和阀门挡板134之间适当的接触面积，以及被称为“静磨擦”的现象将防止阀瓣138变成动态。静磨擦是和暂时的时间相关的阀瓣138对阀门挡板134的附着力，它由位于其间的润滑油的表面张力产生。

阀门挡板134上设有中央通孔140，通孔的尺寸确定成当阀瓣138封住孔132时能使适当数量的出口气体流过阀门挡板134。经过阀门挡板134的气流限制了在压缩机10受驱动反转时产生的真空值。由于三相接线错误时这种受驱动的反转会出现，这还会出现在各种条件下如阻流电容器风机中，其出口压力累积到一定程度停运驱动电机28。如果孔140的直径选择太小，在反转时会出现过大的真空，如果孔140选得过大，将不足以防止在停机时压缩机10的反转。

在压缩机10正常运行时，如图3所示，阀瓣138维持在开的位置，带压致冷剂从排放通道74流到开口凹槽76，经过几个孔132，然后进入出口封闭室80。当压缩机10或者是由于满足一定需要有意地或者是由于断电非故意停机时，来自出口封闭室80的压缩冷却剂有很强的回流趋势，以及由于涡圈60和72所形成的压力空腔中的气体使转动涡形件58产生程度逐渐变弱的反向转动。由于上述静磨擦，阀瓣138最初保持在开的位置。当压缩机10停机时，由压缩致冷剂初始返流所产生的力，该返流要设计得比较小，以及由于重力，它们将逐渐克服与暂时的时间相关的“静磨擦”附着力，阀瓣138将掉回到阀门底板130上，且关住几个孔132，除允许流过孔140的量之外，这样就停止了压缩冷却剂流出出口封闭室80。这种经过孔140受到的限制的流量不足以防止浮动密封组件86掉下来，因此能破坏密封126，允许出口压力处的致冷剂流到压缩机10的吸入压力区，平衡了两者的压力，停止了转动涡形件58的反转。

因此，包括有阀门底板130，阀门挡板134和阀瓣138的浮动密封组件86，限制了在停机后允许回流经过压缩机10的带压致冷剂的数量。这种对致冷剂回流的限制能够控制停机噪音，而不会对压缩机10的性能有有害的影响。因此控制停机噪音通过简单和低成本的方式实现。

在有受驱动的回流时，孔140使足够的致冷剂回流以限制出现的真空，因此提供了足够体积的致冷剂保护涡卷件58和70，一直到保护器94跳闸且停止压缩机10为止。

图4说明了根据本发明另一个实施例的浮动密封组件286。消除反转和受驱动的反转保护互相之间有相互排斥的要求。消除反转要求阀瓣138尽快封闭孔132，这样尽可能不向涡卷构件58和70供应膨胀的带压气体，因而取消了反转的驱动力。受驱动的反转保护要求使来自封闭室80的气体反向流过涡卷件58和70，这样在由涡圈60和72所形成的压缩室内的真空被限制。限制真空将有助于防止涡卷件58和70之间的摩擦损坏。

上述图1到图3描述的实施例在功能上介于在受驱动反转时消除反转和提供保护之间。选择孔140的直径在驱动返流时能使适当数量的气体旁路阀瓣138，但在关机时能限制流量以大幅度减少涡卷件的反转量。浮动密封组件286调和了这些相反的要求，在受驱动反转时为致冷剂回流提供了时间延迟特性。排放压力区和吸入区之间的压力平衡在比较短的时间内出现。将旁路阀瓣的致冷剂回流延迟一段时间，该时间基本等于压力平衡时间，因此既能实现消除反转又能实现受驱动的反转保护。

浮动密封组件286包括在密封凸缘118内圆周内的排放阀底板130。排放阀底板130包括几个孔132，它使压缩气体从凹槽76流入封闭室80。将蘑菇形阀门挡板234用螺接或采用一些已知的其他方法固定到位于阀门底板130内的中央孔136中去。环形阀瓣138位于阀门挡板234和阀门底板130之间。如图4中假想线所示，当阀瓣138座到阀门底板130上时，阀瓣138的直径足够大到覆盖住几个孔132，与阀瓣138相接触的阀门挡板234的上部直径造成小于阀瓣且与阀瓣138直径成希望的比例，在压缩机10运行和停运时控制作用在阀门上的力，挡板234的上部直径选成在阀瓣138直径的50％到100％之间。在优选的实施例中，挡板234的上部直径选为阀瓣138直径的95％左右。阀门挡板234上设有一中央通孔240，通孔中滑装阀杆242。阀杆242包括轴244和阀头246。轴244和孔240之间的滑动磨擦为阀杆242的运动提供了阻尼效果。弹簧248位于由通孔240形成的孔肩250和延伸通过轴244端部的挡板252之间。弹簧248偏压阀杆242，这样阀头246压靠着阀门挡板234的端部。阀杆242形成一轴向延伸的孔254，它与径向延伸的小孔256配合，小孔256开成与孔240的下部相通。

在压缩机10正常运行时，阀瓣138维持在开的位置，如图4所示，带压致冷剂从排放通道74流到开口凹槽76，经过几个孔132，然后进入出口封闭室80。弹簧248偏压阀头246靠着阀门挡板234的端部以关闭孔240、254和256。当压缩机10因满足一定需要有意地、或由于断电非故意停机时，从出口封闭室80的压缩冷却剂有很强的回流趋势，以及由涡圈60和72所形成的压力腔中的气体使转动涡形件58产生程度逐渐变弱的反向转动。初始的被压缩的致冷剂流将使阀瓣138掉到阀门底板130上，关闭几个孔132。几个孔132的关闭和由于弹簧248的偏压使阀头246关闭孔240、254和256一起完全阻止了被压缩的致冷剂流出出口封闭室80进入涡卷件58和70中，因而消除了涡卷件58的反转。这种停止致冷剂的流动使浮动密封组件286掉下来，能够破坏密封126，允许具有出口压力的致冷剂流入压缩机10的入口压力区。该流动平衡了压力而且防止了涡卷件58的反向转动。这种压力平衡在约0.2秒内出现，它比阀头246由于轴244和孔240之间的磨擦阻尼效果引起的从阀门挡板234上打开所必须的时间要快。系统的惯性和弹簧248的偏压提供了所希望的时间延迟。

因此，浮动密封组件286包括阀门底板130、阀门挡板234、阀瓣138和阀杆242，该密封组件堵住了带压液流的流动，带压液流在停机一段时间足以出现压力平衡以后允许流过压缩机10。堵住致冷剂的回流控制了停机噪音，而对压缩机10的性能没有有害的影响。因此以简单和低成本的方式完成了对停机噪音的控制。

在单相电机暂时断电以后可能会出现的受驱动的返流期间，阀瓣138和阀头246将堵住致冷剂最初的回流。这种堵住致冷剂的流动将产生部分真空，该真空将阀头246从阀门挡板234上快速打开，使致冷剂流过小孔254和256，因而限制了正在形成的真空。对真空的限制提供了足够的致冷剂流量去保护涡卷件58和70，一直到电机保护器跳闸且停止压缩机10为止。与消除反转这明显的优点相比，由弹簧248保持阀头246与阀门挡板234接触，在轴244和孔240之间的摩擦阻尼，以及阀门系统的惯性引起的致冷剂回流的暂短延迟对受驱动的反转保护并不重要。在接线错误条件下，受驱动的反转保护可能会出现，或者由于各种条件，如阻流电容器风机中出口压力累积到一定程度时停止了驱动电机28，它也可能出现。

在上面详细叙述中描述了本发明优选的实施例的同时，应该理解的是，只要不背离所附权利要求中的范围和公正的含义，本发明容许有修改、变更和替换。

Claims (7)

1.一种涡卷机械包括：

形成出口室的壳体；

位于上述壳体中的第一个涡卷件，上述第一涡卷件设有从端板向外凸出的第一个涡形圈；

位于上述壳体中的第二个涡卷件，上述第二个涡卷件设有从端板向外凸出的第二个涡形圈，上述第二个涡形圈与上述第一个涡形圈互相啮合；

使上述涡卷件相对绕转的驱动构件，上述涡形圈在入口压力区和出口压力区之间产生容积不断变化的空腔，上述出口压力区与出口室流通连接；

位于上述出口压力区和上述出口室之间的排放阀，上述排放阀可在开和关位置之间移动，开的位置使流体在上述出口压力区和上述出口室之间流动，关的位置抑制了在上述出口室和出口压力区之间的流动；

位于上述出口室和上述出口压力区之间的流体通道，在排放阀处于上述关的位置时，该流体通道处于打开位置，

位于上述流体通道内的控制阀，该控制阀可以在开的位置和关的位置之间移动，在开的位置允许流体流过上述流体通道，在关的位置抑制住流体流过该流体通道。

2.根据权利要求1的涡卷机械，其中上述涡卷机械包括位于上述出口压力区和上述入口压力区之间的泄漏通路，由于带压流体的作用使该泄漏通路关闭。

3.根据权利要求1的涡卷机械，其中上述排放阀包括：

阀门底板，

固定到上述阀门底板上的阀门挡板，

以及位于上述阀门底板和阀门挡板之间的阀瓣。

4.根据权利要求3的涡卷机械，其中上述流体通道延伸通过上述阀门挡板。

5.根据权利要求1的涡卷机械，其中上述控制阀被偏压进入关闭位置。

6.根据权利要求3的涡卷机械，其中上述阀瓣是具有一定外径的环形阀瓣，上述阀门挡板包括与上述阀瓣配合的环形接触区，上述环形接触区的外径等于50％～100％的上述阀瓣的外径。

7.根据权利要求6的涡卷机械，其中上述环形接触区的外径是上述阀瓣外径的95％。

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