CN1082146C - 涡旋型流体机械 - Google Patents

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Abstract

提供一种加工容易、并且涡旋件涡卷的中央部顶端的强度高，最内侧的压缩室的容积变为零，压缩机效率不降低的高性能的涡旋型流体机械。各涡旋件螺旋状涡卷的中央部顶端形状形成为至少2层以上的台阶状，各层中螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓成为完全啮合的轮廓，同时，上述台阶状螺旋状涡卷在离开端面板的上层处涡卷厚度变薄。

Description

涡旋型流体机械
技术领域
本发明涉及一种有关涡旋型流体机械的涡旋件中央轮廓的结构，可以适用于涡旋型膨胀机械中。
背景技术
例如，涡旋型压缩机的涡旋件涡卷的中央部形状因为给涡旋件的可靠性和性能带来很大的影响，因此提出了现有的各种各样的形状。例如，在特开昭59-58187号中有一例展示的涡旋件如图8所示那样，当旋转涡旋件相对固定涡旋件周围按照(a)、(b)、(c)、(d)的顺序自转被阻止而作公转旋转的时候，在两涡卷的内端部中形成的压缩室的容积，最终同图(d)所示那样变成零，即所谓的完全啮合的轮廓由于性能上的要求而被广泛地采用。
但是，这种类型的涡旋件轮廓在涡旋件涡卷中央部顶端产生最大应力，因此经常导至破坏。对于此，从确保可靠性这点出发，降低最大发生应力的手段和增加材料的疲劳强度的手段被各种各样地提出来。
作为降低最大发生应力的手段，使形成中央部形状的曲线和由此外侧的渐开线曲线的接合点向着渐开线伸开角的增大方向移动，在特开平6-66273号展示的构造如图9所示那样，提出了在旋转涡旋件和固定涡旋件中，使必要强度大的一侧变厚，另一侧变薄等方案。
且，在实开昭61-171801号中，如图10的螺旋体的啮合部截面图所示那样，提出了涡卷截面为梯形的涡旋件，但是因为实际加工时有困难，故未供实用。
更进一步，作为增加材料的疲劳强度的手段，在实公平1-28315号(实开昭59-58791号)中，如图11所示那样，提出了在涡卷底部设置凸缘，在这种构造中涡卷底部的凸缘不成为压力舱壁。即，不可能构成完全啮合的轮廓，存在着因再压缩动力的增加而降低压缩机效率等问题。
图12是现有的涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的中心部附近的截面图。作为涡旋件压缩机的中心部轮廓形状，采用圆弧和正弦函数的完全啮合的轮廓被经常使用，图12表示出这个完全啮合的轮廓。图中，10为基圆，30是背侧渐开线曲线，31是腹侧渐开线曲线，27是背侧渐开线连接点，28是腹侧渐开线连接点，47是背侧渐开线连接角，48是腹侧渐开线连接角。
对于完全啮合的轮廓，背侧渐开线和中心部曲线的连接角47与腹侧渐开线和中心部曲线的连接角48相同，根据装配精度和工作精度，有时中心部压缩室的气体会泄漏到背侧压缩室和腹侧压缩室的某一个中。在这个场合，根据泄漏方向，产生性能的标准离差和噪音的标准离差。
为了消除上述的标准离差，根据切开完全啮合的一部分，多次设法使气体泄漏的方向一定，但因为这些使啮合脱离点的角度仅向着比连接角小的方向移动一点，故不能够确实地实现泄漏定时控制。
图13为现有涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的中心部附近的其他例子的截面图，(a)为固定侧的截面图，(b)为旋转侧的截面图。它表示了为消除前述的缺点而设想的办法。17、27为固定侧、旋转侧各自的背侧渐开线连接点，18、28为固定侧、旋转侧各自的腹侧渐开线连接点。在此例中，背侧渐开线曲线和中心部曲线的连接角47与背侧渐开线曲线和中心部曲线的连接角48不一样。根据此轮廓能准确地实现泄漏定时控制，对于连接角小的一侧的连接点27，在涡旋件涡卷顶端产生的应力较大，为形成具有可靠性的形状，在连接角小的一侧的连接点27，有必要设计成具有足够的强度。
对于图13表示的现有技术，对于连接角小的一侧的连接点27必须设计成具有足够的强度。在作了这样的设计的场合中，产生压缩机的排出量变小和因压缩比变小而效率下降等缺点。
本发明的目的是消除上述现有技术的缺点提供一种加工容易，而且涡旋件涡卷其中央部顶端的强度高，最内侧的压缩室的容积变为零，可以提供不降低压缩机效率的高性能的涡旋型流体机械。并且，这种机械可以提供能够确实地实现泄漏定时控制的轮廓。
为实现本发明的上述目的，本发明提供了具有如下特征的涡旋型流体机械的构造。
(1)一种涡旋型流体机械，使各自在端面板中立设着螺旋状涡卷的固定涡旋件和旋转涡旋件相互偏心，并且，使相位错开而啮合，以限制腹侧密闭空间和背侧密闭空间，由于前述旋转涡旋件被阻止自转而使其作公转旋转，使从吸气口取入到前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间内的气体压缩或膨胀再从排气口排出，其特征在于：各涡旋件的螺旋状涡卷的中央部顶端的截面形状形成为至少2层以上的台阶状，各层的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓作成在两涡旋件的啮合状态下，使前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间连成一体的最内侧的密闭空间的容积实际上变成零的完全啮合的轮廓，同时，上述台阶状螺旋状涡卷从离开端面板往上层，涡卷厚度变薄。
(2)按照上述第(1)项所记载的涡旋型流体机械，其螺旋状涡卷形成为渐开线曲线，决定其渐开线伸开角的渐开线起始点的中央部顶端侧至少连接2段曲线，同时，此渐开线起始点的中央部顶端侧的截面形状形成为前述的台阶状。
(3)按照上述第(1)项所记载的涡旋型流体机械，它是一个压缩机，其构造为：前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间位于最外侧的时候，从其吸气口中吸进气体，随着该腹侧密闭空间和背侧密闭空间移动到中央部，其容积减小，从设置在其固定涡旋件的端面板中央部处的排气口排出压缩气体。
(4)一种涡旋型流体机械，使各自在端面板中立设着螺旋状涡卷的固定涡旋件和旋转涡旋件相互偏心，并且，使相位错开而啮合，限制腹侧密闭空间和背侧密闭空间，由于前述旋转涡旋件被阻止自转而使其作公转旋转，使从吸气口吸入至前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间内的气体压缩或膨胀再从排气口排出，其特征在于，各涡旋件的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓形成为2层以上的多层的台阶状，使各层的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓成为在两涡旋件的啮合状态下，前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间连成一体的最内侧的密闭空间的容积实际上变成零的完全啮合的轮廓，同时，使上述多层中的1层以上的层的轮廓成为背侧渐开线曲线和中心部曲线间的接触角与腹侧渐开线曲线和中心部曲线间的接触角不相同的形状。成为完全啮合的轮廓，同时，上述多层中的1层以上的层的轮廓成为使背侧渐开线曲线和中心部曲线的接触角与腹侧渐开线曲线和中心部曲线的接触角不相同的形状。
(5)按照上述第(4)项中记载的涡旋型流体机械，前述固定涡旋件、前述旋转涡旋件共同地，前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线的前述接触角，在靠近立设着前述螺旋状涡卷的前述端面板处的下层侧最小，随着成为远离前述端面板的上层而变大，另一方面，前述腹侧渐开线曲线和前述中心部曲线的前述接触角，在下层侧最大，随着成为上层而变小。
(6)按照上述第(5)项中记载的涡旋型流体机械，前述旋转涡旋件的螺旋状涡卷的前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线的前述接触角的最小值，比前述固定涡旋件的螺旋状涡卷的前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角的最小值要小。
(7)按照上述第(6)项中记载的涡旋型流体机械，其特征在于：前述旋转涡旋件侧不仅作成使前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角最小的最下层的轮廓完全啮合的形状，而且在连接点避开啮合成为与邻接外周侧的压缩室可气体连通的形状；前述固定涡旋件侧不仅作成使前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角最大的最上层的轮廓完全啮合的形状，而且在连接点避开啮合成为与邻接外周侧的压缩室可气体连通的形状。
附图的简单说明
图1为表示有关本发明的第1实施例的固定涡旋件的中央部的部分斜视图。
图2为图1的总体平面图。
图3为表示图2有固定涡旋件和与此对应的旋转涡旋件间的啮合状态的变化的说明图。
图4为表示上述实施例的其他形状的固定涡旋件的总体平面图。
图5(a)为图4的涡卷的V-V截面图，(b)为惯用的涡卷的截面图。
图6是有关本发明的第2实施例的涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的中心部分的截面图，(a)为固定涡旋件的部分截面图，(b)为旋转涡旋件的部分截面图。
图7是图6(a)的涡旋状涡卷的部分斜视图。
图8是特开昭59-58187号中记载的涡旋型压缩机的旋转涡旋件的、无自转而作公转旋转的动作的说明图。
图9是特开平6-66273号中记载的涡旋型压缩机的旋转涡旋件的、无自转而作公转旋转的动作的说明图。
图10是表示实开昭61-171801号中记载的涡旋件以及其螺旋体的截面图。
图11为表示实公平1-28315号(实开昭59-58791号)中记载的涡旋件的斜视图。
图12为现有的涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的中心部附近的平面图。
图13为现有的涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的其他例子的中心部附近的平面图，(a)为固定涡旋件的部分平面图，(b)为旋转涡旋件的部分平面图。
具体实施方式
图1为表示有关本发明第1实施例的涡旋件涡卷的中央部的斜视图，图2为图1的平面图，图3为表示图1的涡旋件的啮合状态的总体平面图，图4为表示上述实施例的其他形状的涡旋件的中央顶端部的平面图，图5为图4的涡卷的V-V截面和现有的涡卷的截面之间的比较图。
有关本发明的固定涡旋件涡卷1的内端面部，形成为如图1-图2所示的形状，其截面为台阶状的。旋转涡旋件涡卷也具有同样的形状。图3表示出两涡旋件涡卷的啮合状态。在图中，1是固定涡旋件，1A是固定涡旋件的上层涡卷，1B是固定涡旋件的下层涡卷，2是旋转涡旋件，2A是旋转涡旋件的上层涡卷，2B是旋转涡旋件的下层涡卷，3是压缩室。各自包含有象这样的内端面部形状的固定涡旋件1和旋转涡旋件2，如图3所示那样，固定涡旋件上层涡卷1A和旋转涡旋件下层涡卷2B，另外，固定涡旋件下层涡卷1B和旋转涡旋件上层涡卷2A相互间作完全啮合，旋转涡旋件2按图(a)、(b)、(c)的顺序绕固定涡旋件1的周围作无自转的公转旋转。此时，同图(b)中所示的最内侧的压缩室3的容积，如图(c)所示那样变成为零。
图4表示在图2的固定涡旋件上层涡卷1A和下层涡卷1B中极端地改变厚度后的涡旋件轮廓的例子。对于这种轮廓也可达到完全啮合，故可认为是具有极高的设计自由度的轮廓。此外，虽然上述各实施例的涡卷均为2层的变化，但这即使成为3层以上的多层，本发明很明显也成立。
更进一步，图中省略了，即设有所谓旋转涡旋件和固定涡旋件的中央部轮廓为相同形状的限制，也有可能需要强度的涡旋件侧的下层涡卷比另一侧的下层涡卷要厚。
本发明的上述实施例的特征是，如图5所示那样，为了提高螺旋体中央部的强度，在涡卷顶端的齿厚减薄到(t-δ)的同时，相当厚薄涡卷的底部侧的板厚呈台阶状加厚至(t+δ)。象这样使各涡卷的外侧面成为轴方向的曲面的同时，因为使其内侧面成为从底部向着顶端厚度呈台阶式减小的台阶状，所以可得到加工容易、内端面部强度高的涡卷。
顺便地，如图5所示那样，如果让弯矩为M、截面系数为Z、弯曲应力为σ，那么应力σ可以公式σ＝M/Z表示。就是说，若板厚t变大，则Z变大，σ变小，并且，这能够适用于完全啮合的涡旋件中。图5(b)是表示常用的螺旋体中央部的截面图。
若按照上述实施例，因为能够厚厚地形成涡旋件涡卷的底部，因此涡卷刚性提高，能够较低地抑制顶端点处的发生应力。并且，因为在固定涡旋件和旋转涡旋件处对应的台阶高差部为完全啮合，所以最内侧的压缩室的容积变成零，能够防止因再膨胀而发生的动力损失。因为所有的层均变化成台阶状，所以可以用现有的加工机器进行容易的加工，能够廉价地提供高性能、高强度的涡旋件涡卷。
图6是有关本发明第二实施例的涡旋件压缩机的涡旋状涡卷的中心部附近的截面图。(a)为固定涡旋件的涡旋状涡卷的轮廓，(b)为旋转涡旋件的涡旋状涡卷的轮郭。图7是图6(a)的部分斜视图。上述各涡卷的中心部由包含有不同轮廓的二层构成。图中10为基圆，30为背侧渐开线曲线，31为腹侧渐开线曲线。这些在固定侧和旋转侧中为相同的形状。
在同图(a)中，11为下层轮廓曲线，12为上层轮廓曲线。13为下层背侧、14为上层背侧、15为下层腹侧、16为上层腹侧的渐开线连接点。53为下层背侧、54为上层背侧、55为下层腹侧、56为上层腹侧的渐开线曲线和中心部曲线间的连接角。这些均为旋转涡旋件侧的东西。
在同图(b)中，21为下层轮廓曲线，22为上层轮廓曲线。23为下层背侧、24为上层背侧、25为下层腹侧、26为下层腹侧的渐开线连接点。63为下层背侧、64为上层背侧、65为下层腹侧、66为上层腹侧的渐开线曲线和中心部曲线间的连接角。这些均是固定涡旋件侧上的东西。
在本实施例中，对于图6(a)的固定涡旋件的轮廓，其渐开线连接角如表1所示那样选定。
[表1]
在固定涡旋件的轮廓中的渐开线连接角
渐开线连接角(符号)   大小关系     角度例子   备注
  上层背侧(54)     大     170°   相等
  下层背侧(53)     中     150°
  下层腹侧(55)     中     150°
  上层腹侧(56)     小     130°
此外，对于图6(b)的旋转涡旋件的轮廓，其渐开线连接角如表2所示那样选定。
[表2]
在旋转涡旋件的轮廓中的渐开线连接角
渐开线连接角(符号)   大小关系     角度例子   备注
  上层背侧(64)     中     150°   相等
  下层背侧(63)     小     130°
  下层腹侧(65)     大     170°
  上层腹侧(66)     中     150°
若按照本实施例，因为和背侧、腹侧的渐开线曲线的连接角不同，所以能够不依靠工作精度和装配精度而准确地控制泄漏的角度、方向。
一般地，涡旋状涡卷的中央部形成将包含有不同形状的轮廓的2层以上的多层在高度方向上堆积的形状，同时，固定涡旋件和旋转涡旋件啮合时对置层的轮廓相互成为最终压缩容积变为零的所谓完全啮合的轮廓，并且由于将各层中的1层以上的层的轮廓构成背侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角与腹侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角不相同的形状，故能够确实地控制气体的泄漏方向和作定时控制。
此外，对于上述涡旋型流体机械。固定涡旋件、旋转涡旋件共同地，背侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角，在靠近立设着涡旋状涡卷的端面板处的下层侧最小，随着成为远离端面板的上层而变大，另一方面，腹侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角，在下层侧最大，随着成为上层而变小，因为具有这样的构成，在愈靠近端面板涡卷幅度愈变厚强度增加，同时，切削加工也变得容易。
更进一步，旋转涡旋件涡卷的背侧渐开线和中心部曲线间的连接角的最小值，要比固定涡旋件涡卷的背侧渐开线和中心部曲线间的连接角的最小值小，因为是象这样的构成，所以固定涡旋件的背侧压缩室和中心部压缩室间的气体连通，要比腹侧压缩室和中心部压缩室间的连通早，从而能够减少因现有容易发生的背侧压缩室的过分压缩而导致的动力损失。
并且，旋转涡旋件侧不仅只有背侧渐开线和中心部曲线间的接触角最小的最下层的轮廓是完全啮合的形状，在连接点，避开啮合成为与在外周侧处郐接的压缩室有气体连通可能的形状，固定涡旋件侧不仅只有背侧渐开线和中心部曲线间的接触角最大的最上层的轮廓是完全啮合的形状，在连接点，避开啮合成为与在外周侧处邻接的压缩室有气体连通可能的形状，根据象这样的构成，能够对于想控制的角度准确地进行气体连通。
对于本发明，能得到下述的效果：
(1)根据使涡旋件的涡卷的截面形状为至少2层以上的台阶状，能够将旋转涡旋件和固定涡旋件的底部变厚，因此涡卷的刚性提高，在顶端点处的发生应力变小。在离开端面板的台阶状的部位，虽然涡卷厚度变薄，该部分的底部成为应力集中点，但因涡卷高度低应力以涡卷高度的自乘的比率降低，所以没有强度上的问题。此外，因为使各涡旋件的对置的各层的涡卷为完全啮合的轮廓，因此压缩能够继续到中心部容积变成零的程度。据此，因此没有了再膨胀气体，得到了效率高的轮廓。
(2)涡旋状涡卷的中央部，形成为包含有不同形状的轮廓的2层以上的多层的台阶状，同时，固定涡旋件和旋转涡旋件啮合时使对置层的轮廓之间成为最终压缩容积变为零的所谓完全啮合的轮廓，并且将各层中的1层以上的层的轮廓，构成背侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角与腹侧渐开线曲线和中心部曲线间的连接角不相同的形状，故得到充分的涡卷强度，同时，不会损失效率，能够准确地控制气体的泄漏方向和作定时控制。

Claims (7)

1．一种涡旋型流体机械，使各自在端面板中立设着螺旋状涡卷的固定涡旋件和旋转涡旋件相互偏心，并且，使相位错开而啮合，以限制腹侧密闭空间和背侧密闭空间，由于前述旋转涡旋件被阻止自转而使其作公转旋转，使从吸气口取入到前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间内的气体压缩或膨胀再从排气口排出，其特征在于：各涡旋件的螺旋状涡卷的中央部顶端的截面形状形成为至少2层以上的台阶状，各层的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓作成在两涡旋件的啮合状态下，使前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间连成一体的最内侧的密闭空间的容积实际上变成零的完全啮合的轮廓，同时，上述台阶状螺旋状涡卷从离开端面板往上层，涡卷厚度变薄。
2．如权利要求1所述的涡旋型流体机械，其特征在于：其螺旋状涡卷形成为渐开线曲线，由其渐开线伸开角决定的渐开线起始点的中央部顶端侧至少由2段曲线连接，同时，此渐开线起始点的中央部顶端侧的截面形状形成为前述的台阶状。
3．如权利要求1所述的涡旋型流体机械，其特征在于：它是一个压缩机，其构造为：前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间位于最外侧的时候，从其吸气口中吸进气体，随着该腹侧密闭空间和背侧密闭空间移动到中央部，其容积减小，从设置在其固定涡旋件的端面板中央部处的排气口排出压缩气体。
4．一种涡旋型流体机械，使各自在端面板中立设着螺旋状涡卷的固定涡旋件和旋转涡旋件相互偏心，并且，使相位错开而啮合，限制腹侧密闭空间和背侧密闭空间，由于前述旋转涡旋件被阻止自转而使其作公转旋转，使从吸气口吸入至前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间内的气体压缩或膨胀再从排气口排出，其特征在于，各涡旋件的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓形成为2层以上的多层的台阶状，使各层的螺旋状涡卷的中央部顶端轮廓成为在两涡旋件的啮合状态下，前述腹侧密闭空间和背侧密闭空间连成一体的最内侧的密闭空间的容积实际上变成零的完全啮合的轮廓，同时，使上述多层中的1层以上的层的轮廓成为背侧渐开线曲线和中心部曲线间的接触角与腹侧渐开线曲线和中心部曲线间的接触角不相同的形状。
5．如权利要求4所述的涡旋型流体机械，其特征在于：前述固定涡旋件、前述旋转涡旋件共同地，前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角，在靠近立设着的前述螺旋状涡卷的前述端面板处的下层侧最小，随着成为远离前述端面板的上层而变大，另一方面，前述腹侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角，在下层侧最大，随着成为上层而变小。
6．如权利要求5所述的涡旋型流体机械，其特征在于：使前述旋转涡旋件的螺旋状涡卷的前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角的最小值，比前述固定涡旋件的螺旋状涡卷的前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角的最小值要小。
7．如权利要求6所述的涡旋型流体机械，其特征在于：前述旋转涡旋件侧不仅作成使前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角最小的最下层的轮廓完全啮合的形状，而且在连接点避开啮合成为与邻接外周侧的压缩室可气体连通的形状；前述固定涡旋件侧不仅作成使前述背侧渐开线曲线和前述中心部曲线间的前述接触角最大的最上层的轮廓完全啮合的形状，而且在连接点避开啮合成为与邻接外周侧的压缩室可气体连通的形状。
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