CN1087401C - 流体压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体压缩机，它具有螺旋叶片型压缩机构，该压缩机包括：一气缸；一布置在该气缸内的转动元件；以及设置在转动元件和气缸之间的螺旋叶片，所述叶片、所述转动元件和所述气缸是用这样的材料制成的，其热膨胀系数满足下列关系：叶片＞转动元件＞气缸。根据本发明，当处于启动时的液流回流和低温情况下，可以很容易地释放压力。此外，可以改善高温工作情况下的压缩性能。

Description

流体压缩机
技术领域
本发明涉及一种制冷循环设备中使用的流体压缩机，该压缩机具有一螺旋叶片型的压缩机构，并且是为压缩制冷剂气体(即，被压缩气体)而设计的。
背景技术
近年来，已经有人提出了被称为螺旋叶片型压缩机的流体压缩机。在这种压缩机中，一气缸布置在一密封壳体内，在该气缸内偏心地布置了一个充当转动元件的转子。在气缸内，转子绕其自身轴线旋转，或绕某一给定轴线旋转。
在转子的周面与气缸内周面之间夹设了一叶片，该叶片限定了多个压缩腔。制冷剂气体(即，需在制冷循环中压缩的气体)被吸入各压缩腔的一个端部区域。制冷剂在受到压缩的同时逐渐向另一个端部区域移动。
与传统的往复式或旋转式压缩机不同，此类压缩机的结构虽然简单，但其密封性能非常可靠。此外，它可以高效地压缩，并能利用易于制造的零部件很方便地进行组装。
构成压缩部的大多数零部件都是用铁基材料制成。由于压缩部的各部件彼此相对滑动，所以需要可靠的耐磨性能。因此，它们通常是用铸铁或烧结金属制成。
这些部件一起形成了一个压缩腔，从而具有密封气体的功能。如果各部件是用相同的铁基材料制成，则它们具有相同的热膨胀系数，从而使它们之间的间隙保持不变，不会受到温度变化的影响。因此，采用相同的铁基材料可以使间隙尽可能小，有助于改善压缩性能。
然而，在各部件之间的间隙非常小的情况下，随着液体流回压缩腔，压缩腔内的压力迅速上升，从而使气体不能很容易地从所述间隙中逸出。必须设置一个压力释放机构来对付上述情况，但是这样又会使结构变得复杂。
另外，在此类压缩机中，叶片与转子之间以及转子与轴承之间的周向相对速度非常低。由于压缩机的这些部分在压缩机驱动时很容易被设定成边界润滑的状态，所以转子主要是用比重相对较大的耐磨材料制成，就像铸铁。采用这样的材料，即使在边界润滑的状态下也可以确保较佳的可靠性(改善的耐磨性)。
然而，当压缩机被驱动时，比重较大的铸铁转子具有较大的惯性重量，不利于抑制振动。因此，希望转子是用尽可能轻的材料制成，以便消除振动和噪声，从而提高其性能。
上述的叶片是用氟塑料制成，例如聚四氟乙烯树脂(下文中将称作PTFE树脂)或全氟环氧基树脂(下文中将称作PFA树脂)，这是因为采用这样的材料在塑性、密封性、滑动性以及环境适应性(温度、油和制冷剂)方面是非常有利的。
为了改善耐磨性，通常采用复合材料来制造叶片。也就是说，在叶片材料内包含无机纤维(例如玻璃纤维和碳纤维)、固态润滑剂和无机填料。
由于氟塑料受热膨胀时尺寸会发生很大变化，因此，考虑到压缩效率以及因热膨胀而导致的叶片D的尺寸变化，可以将叶片D与螺旋槽H的壁之间所限定的间隙a和b的值设定为在温度最高时(在压缩运行期间)最小，所述螺旋槽形成在布置于气缸C内的活塞P上。
然而，如果以这种方式来设定或确定间隙，则当压缩作业刚开始时，或在其它的低温场合下，这些间隙会显得太大。如果发生这种情况，会导致各构件之间的密封性能下降，并且不能获得所需的压缩性能。
应注意的是，氟塑料制的叶片D是比较软的，它会由于压力差的缘故而弯曲。另外，如图14所示，叶片D的一侧可能会与螺旋槽H的边缘部分Z发生摩擦。还应该注意，由于热膨胀的缘故，叶片的弹性模量会减小，因而可能在高压状况下发生永久的变形。
对发明的揭示
本发明的第一目的在于，提供一种流体压缩机，当液体流回压缩腔或者在最初启动的低压状况下，它能够很方便地释放压力，从而在高温工作状态下改善其压缩性能。
本发明的第二目的在于，提供一种流体压缩机，其中的转子(转动元件)是用预选的材料制成，因而其重量轻、耐磨性好，从而可以抑制振动和噪声，并改善其压缩性能。
本发明的第三目的在于，提供一种流体压缩机，通过用预选的材料来制造螺旋叶片，可以抑制螺旋叶片的热膨胀和压力状况，从而改善压缩性能。
为实现上述的第一目的而构思的本发明第一方面如权利要求1所述。该种如权利要求1所述的流体压缩机，具有螺旋叶片型压缩机构，该压缩机包括：一气缸；一布置在该气缸内的转动元件；以及设置在转动元件和气缸之间的螺旋叶片，所述叶片、所述转动元件和所述气缸是用这样的材料制成的，它们的热膨胀系数满足下列关系：
叶片＞转动元件＞气缸。
为实现本发明的第二目的而构思的本发明第二方面如权利要求3所述。该流体压缩机是在上述压缩机的基础上做成的，其特殊之处在于，转动元件是用铝合金材料制成。
为实现上述第三目的而构思的本发明第三方面如权利要求12所述。该流体压缩机是在上述压缩机的基础上做成的，其特殊之处在于，所述叶片是用选自下列材料组的材料制成，它们是：PEEK(聚醚醚酮)树脂材料、PES(聚醚砜)树脂材料、PEI(聚醚酰亚胺)树脂材料、PAI(聚酰胺酰亚胺)树脂材料、TPI(热塑性聚酰亚胺)树脂材料、LCP(液晶聚合物)树脂材料、以及PPS(聚苯硫醚)树脂材料。
根据本发明的第一方面，当处于启动时的液流回流和低温情况下，可以很容易地释放压力。此外，可以改善高温工作情况下的压缩性能。
根据本发明的第二方面，转子(即一转动元件)是用预选的材料制成，因而其重量较轻，并非常耐磨。于是可以减少振动和噪声，并提高压缩性能。
本发明的第三目的是，通过用预选的材料来制造螺旋叶片，可以抑制螺旋叶片的热膨胀和压力状况，从而改善压缩性能。
附图简要说明
图1是根据本发明第一实施例的螺旋叶片型压缩机的剖视图；
图2A和2B是表示第一实施例中的间隙的示意图；
图3A和3B是形成在该实施例的转子表面的一化学镀层的示意图；
图4是该实施例中的转子的螺旋槽磨损量相对于工作时间的曲线图；
图5是该实施例中的转子的欧氏(Oldham’s)机构滑动部的磨损量相对于工作时间的曲线图；
图6示出了另一个实施例的压缩机构所采用的叶片的中空结构；
图7A-7C示出了该实施例中采用的叶片结构；
图8A是气体辅助成形方法的一个例子的示意图；
图8B是气体辅助成形方法的另一个例子的示意图；
图8C是气体辅助成形方法的又一个例子的示意图；
图9是将根据该实施例的气体辅助成形方法的效果与根据另一对照例的气体辅助成形方法的效果作比较的曲线图；
图10A和10B示出了当制造该实施例所采用的叶片时可能发生的收缩痕迹；
图11A和11B示出了按照所述对照例在叶片横截面上形成的中空部的大小；
图12A和12B示出了根据所述实施例在叶片横截面上形成的中空部的大小；
图13示出了已有技术的各构件之间的间隙；
图14示出了已有技术叶片的变形状态。
实施本发明的最佳方式
下面将结合附图来描述本发明的实施例。
所揭示的螺旋叶片型压缩机例如可用于空调的制冷循环。被压缩的流体是制冷剂气体。
如图1所示，密封壳体1是由下列构件组成：一主壳体1a，其轴线沿垂直方向延伸，并具有两个敞口端；一上盖1b，用于封闭主壳体1a的上敞口端；一下盖1c，用于封闭主壳体1a的下敞口端。
一螺旋叶片型压缩机构部分3和一电动机部分4布置在密封壳体1内。在图1中，压缩机构部分3和电动机部分4分别位于密封壳体1内的下部区域和上部区域，两者的交界部基本位于壳体1的轴线中心。
压缩机构部分3包括一气缸5，它是一中空缸体，在其两端的外周壁上具有一对凸缘5a和5b。气缸5是用铁基材料制成。凸缘5a和5b被强制插入壳体1的主壳体1a，从而使气缸5定位。
一主轴承6借助固定件7固定于气缸5的上端面，从而封闭气缸的上敞口端。一辅助轴承借助固定件7固定于气缸5的下端面，从而封闭气缸的下敞口端。
一曲轴9插设在主轴承6和辅助轴承8之间，并沿轴承6和8的轴线方向延伸。曲轴9是可转动支承的。如图1所示，曲轴9不但穿过主轴承6和辅助轴承8之间的气缸5，而且从主轴承向上伸出。曲轴9向上伸出的部分构成了电动机部分4的转轴9z。
在主轴承6和辅助轴承8之间设置了一与曲轴9形成一体的曲拐9a。曲拐9a的轴线与曲轴9的轴线偏离一个预定距离。
在曲拐9a的上侧和下侧设置了与曲轴9形成一体的第一平衡块9b和第二平衡块9c。平衡块9b和9c的轴线朝着与曲轴9a相反的方向偏移。
在曲轴9和气缸5之间设置了一由铝合金(即，铝基材料)制成的转子11(转动元件)。转子11是两端敞开的圆柱体。转子11的轴向长度等于气缸5的轴向长度。
进一步地描述转子11，与曲轴9的曲拐9a相对的转子11的内周壁部分形成了一个偏心孔段11a。偏心孔段11a的宽度等于曲轴9a，并且是可转动的，或与曲轴9a的外周壁滑动接触。
将一由铁基材料制成的薄套筒12强制地插入，使之与偏心孔段11a的内周壁接触。套筒12被支承为可与曲轴9的曲拐9a滑动接触。
在这种结构下，转子11与曲拐9a同轴，转子11的轴向偏离气缸轴向的距离等于曲拐9a偏离的距离。转子11的外周壁与气缸5的内周壁部分滚动接触，接触部沿轴向延伸。
转子11的下部由辅助轴承8支承，转子11的下端面可充当一止推面。在辅助轴承8和转子的下端之间设置一个用来限制转子轴向转动的欧氏机构13。
当曲轴9转动时，曲轴9a以偏心方式转动，由曲拐9a外圆周壁支承的转子11绕曲轴9的轴线以偏心方式回转。随着转子11的转动，转子的外周面与气缸5的内周面之间的滚动接触部分将沿着气缸5的周向逐渐移动。
在转子11的外周壁上形成有一螺旋槽14，其螺距从固定于辅助轴承8的端部朝着固定于主轴承6的那一端逐渐变小。沿着螺旋槽布置了一螺旋叶片15，该叶片可进出所述螺旋槽。
叶片15是用氟塑料制成，其内径大于转子11的外径。更具体地说，叶片15随着其直径被强迫减小而被插设在螺旋槽14内。因此，当把转子11组装到气缸5内时，叶片15胀开，其外周面总是与气缸的内周面保持接触。
如上所述，转子11相对于气缸5的滚动接触位置是随着转子11的回转而移动的。当该滚动接触位置比较靠近叶片15时，叶片15逐渐进入螺旋槽14。当滚动接触位置在叶片15上时，其外周面与转子的外周壁完全齐平。
当滚动接触位置已经过叶片15之后，叶片15逐渐从螺旋槽14中伸出，其伸出的距离等于叶片15离开滚动接触位置的距离。当叶片15离开滚动接触位置180°时，其凸伸的长度最大。随后，叶片15重新朝滚动接触位置移动，重复上述工作过程。
当从沿径向截取的横截面来看气缸5和转子11时，应该理解，气缸5相对于转子11是偏心的，转子的外周面与气缸部分地接触。这意味着在气缸和转子之间限定了一个月牙形的空间。
如果从轴向来看该空间，应该理解，转子11和气缸5之间的区域被叶片15分成多个小空间，这是因为叶片15是沿着转子11的螺旋槽14布置的，并且叶片15的外周与气缸5的内周面滚动接触。
分隔的空间被称作压缩腔16。由于螺旋槽14的特殊形成方式，各压缩腔16的体积从固定于辅助轴承8的端部朝着固定于主轴承6的那一端逐渐变小。此外，由于螺旋槽14的螺距是变化的，所以下端的压缩腔16可作为入口部A，而上端的压缩腔16可作为出口部B。
一连通于蓄积器Q的吸入管17从密封壳体1的下盖1c的侧壁伸出。在密封壳体内，吸入管17连接于设置在气缸5下凸缘5b外周面上的一气体吸入口。蓄积器Q连通于一构成制冷循环一部分的蒸发器(未示)。
气体吸入口18是一直延伸到气缸内周面上的一个开口，并且相对于转子11外周面开放。气体吸入口18吸入制冷剂气体，并将其引入限定在转子11和气缸5之间的压缩腔16内。
气体吸入口18位于气缸5的下端，并连通于压缩腔16的一端。主轴承6上设有一平行于轴向延伸的排放孔20，在压缩腔16内受到压缩的高压气体从该排放孔排出并进入密封壳体1内。一排放管21连接在密封壳体1的上盖1b，该排放管21连通于一构成制冷循环的冷凝器(未示)。
电动机部分4包括：一转子30，其中插设了从主轴承6伸出的曲轴9的转轴9z；以及一定子31，它附连于主壳体1a的内周面，定子31与转子30的外端面之间有一预定间隙。
在上述的螺旋叶片型流体压缩机中，电动机部分4提供动力，以使曲轴9与转子30一起转动。曲轴9的转矩通过曲拐9a传递至转子11。
由于曲拐9a是偏心的，并与转子11的偏心孔段11a转动配合，所以转子11可由曲拐9a推动。此外，设置在转子11和辅助轴承8之间的欧氏机构13可限制转子11绕其自身轴线旋转。于是，转子11可绕给定的轴线回转。
通过吸入管17将低压制冷剂气体从蓄积器Q吸入。在气体吸入口18将被吸入的气体引入作为入口部A的压缩腔16。由于转子11绕给定轴线回转，所以转子与气缸5内周面接触的滚动位置逐渐沿着周向移动。叶片15进入或伸出螺旋槽14。换言之，叶片15被插入螺旋槽14，随后再从中伸出，这些都是沿转子的径向进行的。
随着转子11的回转，被引入作为入口部的压缩腔16的制冷剂气体逐渐流向作为出口部的压缩腔。
叶片15的螺距从入口部A朝出口部B逐渐变小，因而由叶片15分隔的各压缩腔16也沿着同一个方向变小。因此，当制冷剂相继流过各压缩腔时，逐渐受到压缩。当制冷剂气体到达作为出口部10的压缩腔时，将处于受压状态；这时的压力取预定的大值。
高压气体从出口部B的压缩腔16排出，并通过主轴承6的排放孔20进入电动机部分4，即密封壳体1内空间的上部区域。之后，从设置在密封壳体1上端的排放管21将高压气体引入冷凝器。
在上述实施例中，气缸5是用铁基材料制成，转子11是用铝合金材料制成，而螺旋叶片是用氟塑料制成。这些材料的热膨胀系数满足下列关系式：
(叶片15)＞(转子11)＞(气缸5)
换言之，叶片15、转子11和气缸5的材料必须选择为能满足上述关系。
各压缩腔16是由气缸5、转子11和叶片15限定的，这些结构元件之间的间隙对压缩性能和气体特性有很大影响。
图2A和2B示出了间隙的形成情况。
参见图2A，其中，进出转子11之螺旋槽14的螺旋叶片15的材料的热膨胀系数大于转子11的材料的热膨胀系数，这两者之间的间隙c在低温状态下较大，在高温状态下较小。
参见图2B，其中，转子11的材料的热膨胀系数大于气缸5的材料的热膨胀系数，这两者之间的间隙d在低温状态下较大，在高温状态下较小。
在压缩工作过程中，间隙应该尽可能的小，以便加强压缩性能。当压缩机刚刚启动或正处于低温状态时，很可能发生液体回流现象，从而使压缩腔16内的压力因液体的压缩作用而快速升高。为了使叶片15在压力快速升高的情况下免遭损坏，应该使一定量的制冷剂从压缩腔16中泄漏出来。
如上所述，叶片15的材料的热膨胀系数大于转子11的材料的热膨胀系数。因此，叶片15与转子螺旋槽14之间的间隙在高温时较小，而在低温时较大。因此，可以实现上述的工况。
此外，转子11的材料的热膨胀系数大于气缸5的材料的热膨胀系数。因此，辊子11与气缸5之间的间隙在高温时较小，而在低温时较大。因此，可实现上述工况。另外，由于辊子11是用铝合金制成，故其重量比传统的铸铁转子轻。因此，可以抑制工作时的振动和噪声。
转子11和曲轴9之间的滑动部分对压缩腔16的压缩性能毫无作用。因此，理想的是，无论温度如何变化，总是能维持转子11和曲轴9之间的间隙保持不变。由于转子11和曲轴9因气体载荷的缘故而受到一个比较大的力，所以该两构件之间的间隙显得特别重要。
然而，转子11是用铝合金制成，曲轴9是用铁基材料制成。由于它们是用种类完全不同的材料制成，所以其热膨胀系数有很大差别。由于间隙的变化很大，所以很可能发生磨损。
本发明已经解决了这个问题，即，采用一个用与曲轴9相同的材料制成的套筒12，并将该套筒12仅布置在转子11与曲轴9滑动接触的区域。
套筒12是用与曲轴9相同的铁基材料制成，并被强制插入，从而与偏心孔段11a的内周壁接触。因此，转子11和曲轴9之间的间隙便可保持恒定，不会随温度变化。
在由铝合金制成的转子11上可以覆盖一层Ni的化学镀层，以便改善其耐磨性。
更具体地说，制成转子11的铝合金是含Si(硅)3％(质量百分比)或更多的Al-Si合金，初晶Si的沉淀面积比是20％或更小，初晶Si颗粒的平均颗粒直径是30μm或更小(该平均颗粒直径是按照一个相应的范围来测量的)，该化合物的硬度是HRB60或更大。
如图3A所示，由铝合金制成的转子11表面上的化学镀层M是形成在一个置换镀层t上。其薄膜硬度是Hmv 500或更大，并且至少是形成在螺旋槽14内，而且在与欧氏机构13相对的那个部分上，该层的厚度是在5至30μm之间。薄膜厚度的偏差范围是平均厚度±20％。
更具体地说，化学镀层可以是形成在位于转子11表面之上的置换镀层t上的合金镀层或弥散(复合物)镀层1，它包含80％(质量百分比)或更多的Ni。
或者，如图3B所示，可以设置一个双层的化学镀层MA，它是由一基底镀层ma和一上镀层mb组成。在这种情况下，基底镀层ma是形成在位于铝合金基底材料11表面之上的置换镀层t上，并包含80％(质量百分比)或更多的Ni。
化学镀层可以由基于(Ni-P)、(Ni-B)或(Ni-P-B)的三合金材料制成。
还有，该化学镀层可以由这些部分组成：由(Ni-P)、(Ni-B)或(Ni-P-B)的三合金材料形成的基体；或其中弥散分布有20％(质量百分比)或更少量的SiN、SiC和BN硬颗粒的镀层；或其中弥散分布有20％(质量百分比)或更少量的硬颗粒、半润滑材料(例如C、PTFE、云母和MoS2)的镀层。
可以将上述的双层式镀层MA改进为包括一由Ni-P制成的基底镀层和一在该基底镀层上连续形成的上镀层，所述上镀层可以是下列情形之一：一由Ni-B或Ni-P-B合金材料形成的层；一其中弥散分布有20％(质量百分比)或更少量的SiN、SiC和BN硬颗粒的层；一其中弥散分布有20％(质量百分比)或更少量的半润滑材料(例如C、PTFE、云母和MoS2)的层。
就双层的化学镀层MA而言，最好是上层mb相对于下层ma的厚度比是9/1至2/1。
图4和图5示出了螺旋槽14的磨损量相对于工作时间的曲线图。该曲线图中的数据是通过对不同材料的转子进行耐久性测试后获得的。表1中示出了实施例1、实施例1和对照例1的特性。
                           表1
    实施例1      实施例2     对照例1
    制冷剂     R410A       R410A     R410A
    润滑剂     酯化油       酯化油     酯化油
转子 表面处理     Ni-P-B/Ni-P       Ni-B
薄膜厚度     15/5       20     -
基础材料     AL-10％Si-2Cu       AL-10％Si-2Cu     AL-10％Si-2Cu
    叶片     PTFE(10％GF)       PTFE(10％GF)     PTFE(10％GF)
    欧氏环     铸铝       烧结合金     烧结合金
在表1中，“PTFE(10％GF)”表示添加有10％的加强用玻璃纤维的聚四氟乙烯。“铸铝”相应于JIS ACSC，“烧结合金”相应于JIS SMF4。
在实施例1和2中，转子11的表面上覆有一层用化学镀敷方法形成的镀层，在运转开始时最初发生的磨损之后，转子11和欧式环13的磨损量并没有显著增大。因此，在该两实施例中，压缩机可以长时间地稳定运行。
相反，在对照例1中，在转子11的表面上没有形成化学镀层，转子11的磨损量随着工作时间的延长保持增长。在短时期内不能稳定地工作。
在上述的结构下，可获得如下优点：
(1)通过对作为转子11的基础材料的铝合金的结构(初晶Si所占的面积比以及沉淀的Si颗粒的直径)进行优化地选择，可以提高机加工性能(切削特性＝刀具寿命)。
(2)通过在转子11的表面上形成一个具有小摩擦系数的化学镀层，可以获得一个均匀的薄膜厚度，因而可将随后的加工减至最少，进而降低成本。
(3)虽然转子11的基础材料是铝合金，但转子11本身的磨损以及转子与之滑动接触的构件的磨损可减至最小。这是因为形成在转子11表面上的化学镀层非常硬，并具有较小的摩擦系数。
由于这种高硬度的关系，对叶片15的原料以及添加到该原料中以便加强叶片15的添加剂而言，其选择的自由度非常大。由于这种高硬度和小摩擦系数的缘故，像转子11一样的回转构件，即欧氏机构13可以用轻型铝合金材料制成。因此，可以提高压缩机的性能。
(4)当转子11表面上的化学镀层是双层结构的情况下，Ni-P的基底镀层具有较高的抗冲击性。因此，可以防止该化学镀层的上层开裂。
(5)由于有上述(3)和(4)的优点，不但在采用HFC(典型的例子是R22)和矿物油的情况下，而且在采用HFC制冷剂(典型的例子是R410A，它不包含氯原子，因而在耐磨性方面有所下降)和合成流体(例如酯化油和聚醚油)的情况下，都能获得很高的可靠性。
下面将描述对叶片15的材料进行选择的情况。
叶片15是用所谓超级工程塑料(下文中将称作SEP材料)制成，这是一种在耐热性、耐油性和耐制冷剂方面有所改进的热塑性树脂，它能将由于热膨胀和压力工况而造成的不利影响降至最低限度，从而提高了压缩性能和可靠性。
下面将描述本发明的一种特殊方式。
为了确保在将SEP材料应用于叶片15时能获得上述优点，实际上是利用PEEK树脂(可以是从Sumitomo化学株式会社买到的Victrex 450G[商品名])来进行注射模制而形成一叶片，并且借助该叶片来测试压缩性能。最为一对照例，利用密度为2.1g/cm3的PTFE树脂材料(可以是从Dupont-Mitsui氟化学株式会社买到的7-J产品)来形成叶片，并在同样的条件下进行压缩性能的测试。
为了检查材料的弹性模量和热膨胀可能给压缩性能带来的影响，在压缩机刚刚组装完毕之后和工作了100小时之后，并且在壳体温度为80℃、100℃和120℃的条件下，测试压缩机的特性系数(COP)。毋需赘言，叶片15和螺旋槽14之间的间隙需要这样来确定，即，考虑到密封壳体1的最高温度(＝120℃)时的热膨胀。
表2示出了该实施例的测试结果，测试结果是这样表示的，即，将紧接在该实施例的压缩机组装之后以及当温度是120℃时测量到的特性系数表示为100％。该表中还示出了在工作了100小时之后测量到的叶片磨损量。
                       表2
    叶片                实施例                对照例
    温度   80℃   100℃   120℃   80℃   100℃   120℃
在组装之后马上测量到的特性系数   97   99   100   75   89   100
在工作了100小时之后测量到的特性系数   105   106   108   85   87   88
工作了100小时后的磨损量   3μm   3μm   4μm   25μm   40μm   55μm
如表2所示，本实施例中由PEEK树脂材料制成的叶片15在刚组装完毕之后和工作了100小时之后的测试值没有显著的差别。长时间之后可以观察到，其在性能上有显著提高，有助于装配在两个滑动表面之间。另外，壳体温度的升高对性能没有很大影响。
然而，对由PTFE材料制成的传统叶片而言，可以观察到，在组装之后立即测试的压缩特性系数受温度的影响非常大。在工作了100小时之后，与采用PEEK树脂材料的情况一样，可以观察到压缩性能的改善，这种改善有助于滑动表面之间的装配。然而，压缩性能还是随着壳体温度的升高而下降。
上述结果表明，从表中叶片磨损的数据可以看出，在采用传统的PTFE树脂材料的情况下磨损量较大，而在采用PEEK树脂材料的情况下磨损量较小。随着壳体温度的升高，叶片的磨损量增大，从而降低压缩性能。
在采用传统的PTFE树脂材料的情况下，热膨胀系数较大。当要考虑压缩机在其温度上限的间隙来确定初始间隙时，如果压缩机的温度相对较低，则该间隙不必太大。这样会使压缩性能变差。在高温时，PTFE树脂材料的柔软度及其弹性模量都会进一步降低。在这种情况下，叶片很容易如图14所示的那样发生变形，并且磨损量增大。
当叶片是利用PEEK树脂材料注射模制而成并且其螺距和螺旋槽14的非等距螺距相一致时，叶片相对于螺旋槽的移动不会受到阻止或限制。与PTFE树脂材料相比，PEEK树脂材料不会因受热而发生很大的膨胀。因此，即使当要考虑压缩机在其温度上限的间隙来确定初始间隙时，低温时的间隙也会比较适当。这样就不会使压缩机的性能显著下降。此外，由于高温时的弹性模量比较大，因而可以在一个很宽的温度范围内保持令人满意的压缩性能。
如上所述，对叶片15采用SEP材料可以满足压缩机在使用环境方面的条件，例如耐热性、耐油性和耐制冷剂性能。此外，SEP材料的弹性模量比氟塑料的弹性模量大4到10倍，其线膨胀系数是氟塑料的1/3或更小。因此，采用该材料可获得同样的优点。
为了使叶片15相对于螺旋槽平滑地移动，在叶片15内设置了一个中空区域。这种结构的优点在于，即使当采用SEP材料时，也能保持不变。
如图6和7所示，该螺旋叶片型压缩机是这样一种压缩机，其转子11A布置在气缸5A内的一个偏心位置上，并与气缸5A一起旋转。叶片15A内的中空区域15x是这样形成的，即，它从入口部A(即低压端)延伸至出口部B(即高压端)。该中空区域在出口部封闭，因而不与压缩腔连通。
采用一种PEEK树脂(可以是从Sumitomo化学株式会社买到的Victrex450G[商品名])来作为叶片15A的材料。作为一种对照例，利用相同的材料制造了一个没有该中空区域的叶片，并在相同的条件下对压缩性能进行测试。
当测试压缩性能时，保持低温(室温保持较低状态)并使压缩机低速运转，从而将液态的制冷剂吸入压缩机。测试结果如表3所示，其中，将由PEEK树脂材料制成并且没有中空区域的叶片的特性系数(COP)当作对照例参数100。该表中还示出了测试之后的叶片磨损量。
                        表3
叶片     实施例     对照例
    PEEK树脂     PEEK树脂
    具有中空区域     没有中空区域
    压缩机的特性系数     115     100
    磨损量     3μm     25μm
如表3所示，由PEEK树脂形成并且没有中空区域的叶片的压缩性能较差，并且叶片磨损量较大(25μm)。这可能是因为由于制冷剂的液体压力而施加在叶片上的载荷增大而造成的。
根据该实施例的叶片15A也是由PEEK树脂材料制成，但它有一个从低压端延伸至高压端的中空区域。尽管采用了相同的材料，但利用该叶片的压缩机的压缩性能高达115％。另外，叶片磨损量较小(3μm)。这可能是因为中空区域15x可以作为一个临时储存液态制冷剂的液体容器因而可以抑制液体压缩作用而造成的。
然而，如果将中空区域15x应用于用柔软的氟塑料制成的叶片以对付液体压力(额外的压力)，则会有低压制冷剂进入中空区域15x，从而在叶片15A的高压端产生一较大压力差。由于这种压力差的缘故，叶片15A将变形。因此，由于密封性能变差，在稳态工作条件下的压缩性能较低。
如上所述，可用SEP材料来形成叶片15A，该材料具有较小的热膨胀系数和高温下较大的弹性模量，在叶片15A内设置了中空区域15x。利用这样的叶片15A，压缩机可以在各种工作条件下均保持高压缩性能和高可靠性，即使在吸入液态制冷剂的瞬态情况下也行。叶片15A内的中空区域15x可以借助气体辅助成形法来很方便地形成。
图8A-8C示出了利用气体辅助成形法来形成叶片的一个例子(Asahi化学工业株式会社的AGI方法)。
图8A示出了一个双浇口型模具35，气体从注射模制机器的喷嘴36注入。标号37表示一模芯，标号38表示一气缸，标号39表示一螺杆，标号40表示气体注射，标号15A表示一叶片。
图8B示出了利用一单浇口模具35A的成形方法，其中气体是从在固定模上的叶片端部注入，如标号40所示。注射模制机的其它部分类似于上述机器。
图8C示出了采用一单浇口模具35B的成形方法，其中气体是从在可动模上的叶片的中间内周部分注入，如标号40所示。注射模制机的其它部分类似于上述机器。
如上所述，根据这种气体辅助方法，一模制单元连接于一普通型注射模制机。处于压力状态的高压氮气被注入如图8A-8C所示的成形喷嘴38和模具35-35B的内部。
为了检查该气体辅助方法中采用的树脂材料对尺寸精度的影响，叶片15A实际上是利用下面结合图8B所述的气体辅助方法来制造的，其中充填用树脂是从叶片的一端送入。
采用一种PEI树脂材料(可以从GE塑料有限公司买到的Ultem 1000)作为原料，并将一种氟塑料(可以从Dupont-Mitsui氟化学株式会社买到的PFA340-J)作为对照物。对两者加以比较，在9个位置上测量叶片的尺寸，叶片的浇口部是No.1，与该浇口部相对的叶片端部是No.9。图9中示出了叶片收缩痕迹(即，叶片横截面中心部的尺寸变化)。
如图9所示，在采用PEI树脂材料的情况下，很难观察到叶片相对于壳体的收缩痕迹，而当采用PFA树脂材料时可以在叶片端部观察到收缩痕迹。
图10A示出了叶片收缩痕迹是如何发生的。如图所示，叶片15的表面层41在叶片15成形之后的一段预定时间之后冷却和硬化。然而，此时，叶片15的内部42仍为熔融状态。
过了一段时间之后，叶片15冷却和硬化。由于叶片的体积缩小，叶片的表面被拉往叶片中心部，从而形成叶片收缩痕迹，如箭头y所示。
叶片收缩痕迹是在氟塑料的情况下形成的，因为该材料的模制收缩率较大。叶片15的所有表面都是密封面。令树脂注入的浇口不应该设置在螺旋结构的中部，因为将浇口设在这个位置会对表面的平滑度造成不利影响。必须将浇口设置在叶片的一端。然而，这种结构的问题在于，树脂必须流动很长的距离，注射树脂用的压力传递到末端时就不够大了。因此，叶片收缩痕迹在与浇口相对的位置上非常明显。
相反，按照所述的气体辅助成形法，将高压气体注入叶片15A的内部。由于叶片15A可以借助叶片内部的承压气体而冷却和保持，所以可以显著地抑制叶片收缩。此外，施加于螺旋结构的压力在任何位置上都是均匀的，可以进行低压成形。
由于PFA树脂材料的流动性较差(即，粘度较高)，气体的流动阻力较大。位于叶片端部的No.9测量位置的中空区域15n(图11B中所示的中空区域15n)的尺寸小于处在气体入口部(图11A所示的中空区域15m)的No.9测量位置的中空区域15m。
如图9中的对照例所示，叶片15端部的收缩痕迹更为明显。另外，由于PFA树脂材料的模制收缩率大于PEI树脂材料，所以在中空部分较小的叶片端部的收缩痕迹非常明显。
由于PEI树脂的流动性较佳，所以即使在不同的位置上进行测量，中空区域15x也不会呈现较大的尺寸差异，如图12A和12B所示。PEI树脂材料仅仅是一个例子，任何种类的SEP材料在流动性方面都有所改进。另外，SEP材料的模制收缩率小于氟树脂材料的1/2，因而当选用SEP材料并通过气体辅助成形法来制造叶片15A时，可以提高尺寸精度。此外，采用SEP材料可以确保提高密封性能，从而提高压缩性能。
另外，中空区域15x可以形成为从低压入口部延伸至高压出口部。从横截面上测量，气体辅助成形法可以提高冷却速率，并缩短成形周期。因此，可以提高产量和生产率。
鉴于存在PEEK树脂材料和PES树脂材料的混合物，故可将SEP材料与其它任何种类的SEP材料混合，只要其原始特性不会受到不利影响即可。还已知一种包含填料以提高滑动性的复合材料。填料的例子包括无机纤维和固体润滑剂。
更具体地说，元机纤维的例子包括：玻璃纤维、碳纤维(PAN、沥青)、石墨纤维、铝纤维、硅灰石、钛酸钾细丝、碳细丝、碳化硅细丝等。固体润滑剂的例子包括：二硫化钼、石墨、碳、氮化硼、青铜、氟树脂等。
涡旋型压缩机的端部密封件和最近刚提出的三维涡旋型压缩机的端部密封件可以对上述的螺旋叶片型压缩机起到类似作用。
与螺旋线压缩机的叶片不同，所述的结构元件没有进出螺旋槽的运动。然而，它们是可以滑动的滑动构件，并且需要很大的密封长度。它们与所述的螺旋叶片的类似之处是，需要很高的精度。因此，如果它们是用SEP材料并通过气体辅助成形法来制造，则可以获得与上述相同的效果。

Claims (8)

1.一种流体压缩机，具有螺旋叶片型压缩机构，该压缩机包括：一气缸；一布置在该气缸内的转动元件；以及设置在转动元件和气缸之间的螺旋叶片，
所述转动元件是用铝合金材料制成，所述转动元件是一具有一偏心孔段的转子，在偏心孔段的内周壁上设置了一个用铁基材料制成的套筒。
2.如权利要求1所述的流体压缩机，其特征在于，所述转动元件的铝合金材料是含有质量百分比为3％或更多的Si的Al-Si合金，初晶硅的沉淀面积比为20％或更小，初晶硅的平均颗粒直径是30μm或更小，该平均颗粒直径是某一相应范围内的测量到的直径，该化合物的硬度是HRB60或更高。
3.如权利要求1所述的流体压缩机，其特征在于，所述转动元件是一转子，其表面涂覆有主要由镍形成的化学镀层。
4.如权利要求3所述的流体压缩机，其特征在于，所述化学镀层是形成在一置换镀层上，薄膜的硬度是Hmv 500或更大，并至少位于螺旋槽内侧以及与一欧氏机构相对的滑动部分上，其厚度是5至30μm，所述化学镀层的薄膜厚度的偏差范围是平均厚度±20％。
5.如权利要求3所述的流体压缩机，其特征在于，位于转动元件外周面并主要由镍形成的化学镀层是一单层结构或一双层结构，所述化学镀层是用含有质量百分比为80％或更多的Ni的Ni-P、Ni-B和Ni-P-B等材料之一形成的。
6.如权利要求5所述的流体压缩机，其特征在于，在所述转动元件的外周面上设置了一化学镀敷层，所述化学镀敷层采用所述化学镀层作为基体，并包括下列材料之一：弥散分布有质量百分比为20％或更少量的SiN、SiC和BN等硬颗粒的镀层；弥散分布有质量百分比为20％或更少量的C、PTFE、云母和MoS2等自润滑材料的镀层。
7.如权利要求5所述的流体压缩机，其特征在于，所述双层结构的化学镀层包括一由Ni-P形成的基底镀层和一连续形成在该基底镀层上的上层，该上层是下列情况之一：一由Ni-B或Ni-P-B合金材料形成的层；一弥散分布有质量百分比为20％或更少量的SiN、SiC和BN等刚性颗粒的层；一弥散分布有质量百分比为20％或更少量的C、PTFE、云母和MoS2等自润滑材料的层。
8.如权利要求5所述的流体压缩机，其特征在于，所述围绕转动元件外周设置的双层结构的化学镀层是形成为这样，即，上层相对于底层的厚度比为9/1到2/1。
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