CN1090292C - 涡旋式流体容积装置 - Google Patents

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Abstract

一种涡旋式流体容积装置，它带有一对涡旋件，这两个涡旋件都有一环形端板和一从该端板延伸出的螺旋形涡卷。这对涡旋件之间保持一个角度和径向偏移量，在它们的螺旋曲面处形成一定量的接触线，从而形成流体腔。和一涡旋件相连的一驱动装置，引起相对于另一涡旋件的公转运动，从而改变流体腔的体积。每一涡旋件的螺旋件都有一台阶状截面。因此，增加了涡旋件上的螺旋件的机械强度，提高了流体容积装置的寿命和效率。

Description

涡旋式流体容积装置
技术领域
本发明涉及一种涡旋式流体容积装置，特别是涉及一种在其涡旋件上设有改进的螺旋件的涡旋式流体压缩机。
背景技术
现有技术中已有的涡旋式流体容积装置，如由Hiranoetal.申请的美国专利第4,678,415号中，公开了带有两个涡旋件的流体容积装置的基本结构，这两个涡旋件都有一端板和从端板延伸出的一螺旋或渐开螺旋件。这两个涡旋件之间保持一个角度和径向偏移量，以便它们相互配合并在它们的螺旋曲面处形成一定量的接触线，从而至少密封并形成一对流体腔。这两个涡旋件的相对公转运动使该接触线沿着螺旋曲面移动，因而改变了流体腔中的容积。根据公转运动的方向，流体腔的容积增加或减少。这样，一个涡旋式装置可以压缩、膨胀或泵送流体。
涡旋式流体容积装置适宜用于冰箱压缩机。当用作冰箱压缩机时，希望涡旋件有足够的机械强度，以在高压下压缩流体。现有技术中已有的涡旋件，端板和相连的螺旋件集成在一起。在这种涡旋式流体压缩机中，相互配合的涡旋件通常由重量轻的合金，如铝合金等构成，以承受当流体流到压缩机中心处时，压力增加、体积减少时造成的各种温度变化。最高的温度位于压缩机中心处，因为容器在这里具有最小的容积和最高的压力。这使得涡旋件的中心处的热膨胀比其它任何处都大。但是，涡旋件的底部或末端，即和端板相连的部位，尤其是内端部或边缘，承受的应力大于径向外部的压力。因此，应力导致的疲劳和损耗使螺旋件内部的强度和刚度显著地降低了。所以，涡旋件的中心处易遭受损害和失效。
另外，这种涡旋式压缩机也很适宜用于需小尺寸的汽车空调。但是，如不增加螺旋件的整体直径，只通过增加它的高度来增大压缩机的容积量，涡旋内的应力也就增大了。从而加剧了前面所述的各个螺旋件的径向内部处的损耗。
在美国专利No.4,547,137(日本专利平-3-72839)中给出了对这些问题的一个解决方法。涡卷的外侧壁面和内侧壁面都呈渐开线形。渐开线形外侧壁面起始于一任意渐开线角度，渐开线形内壁面起始于从上述任意渐开线角度起转过180°渐开线角度处。这两个渐开线侧壁面的起始点通过至少包括两个弓形表面的内端面相互连接，形成涡卷的一较厚端部。该螺旋形涡卷的内外端部，即内外渐开线起始点处，在密封过程中因这些部位和相对的涡卷相接触而承受很大的应力，并在工作中承受很高的流体压力。
美国专利No.4,594,061(日本实用新型专利平-1-26315)给出了另一个解决方法，该专利公开了一种在每一螺旋形涡卷的内端部或相近部位带有延伸部分，比如加强肋的涡卷。该加强肋增加了螺旋形涡卷的底部或相近部位的横截面积，使其大于涡卷的上部或端部的横截面积。因此，较大地增加了涡卷内端的底部强度，显著减轻了由于大应力、高温所造成的涡卷破损。但是，在涡旋式压缩机中必须保证流体腔的径向密封，以保证高效率的工作，但是在这种配置中，不可能实现螺旋形涡卷的完全结合。所以，压缩机的效率较低。
发明内容
后面的最佳实施例对现有技术中的流体容积装置的这些和其他问题提出了改进方案。
本发明的一个目的是提供一个寿命长、效率高的流体容积装置。
本发明的另一个目的是提供一个流体容积装置，该装置的涡旋件的螺旋形元件的机械强度增强了。
依据本发明，涡旋型流体容积装置包含一对涡旋件，每一涡旋件有一环形端板和一从该环形端板的轴向端表面延伸出的螺旋形涡卷。这对涡旋件保持一个角度和径向的偏移量，在其螺旋曲面间形成一定量的接触线，接触线形成了流体腔。通过与一涡旋件相连的动力机械装置的工作，可使之相对于另一涡旋件进行公转运动，从而改变流体腔的体积。
每个涡旋件的螺旋件的内部末端的轴向横截面积沿螺旋件成比例的增加。每个涡旋件的螺旋形涡卷的内部末端在其相近部位设置有一延伸部分。
下面参照附图详细讲述本发明的最佳实施例，本发明的其他目的、特征和方面将从中得以理解。
附图说明
图1是依据本发明的第一实施例的涡旋型冰箱压缩机的垂直纵向截面图。
图2是依据本发明的第一实施例的涡旋型冰箱压缩机上一固定涡旋件的局部放大图。
图3是表示依据本发明的第一种实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件结构的正视纵剖示意图。
图4是图3中所示螺旋件的另一改进结构的正视图。
图5是表示依据本发明的第一实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件的相互配合的螺旋件的相对运动的放大示意图。
图6是相互配合的螺旋件沿图5中I-I方向的放大截面图。
图7是表示依据本发明的第二实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件的相互配合的螺旋件的相对运动放大示意图。
图8是相互配合的螺旋件沿图7中II-II方向的放大截面图。
图9是表示依据本发明的第三实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件轮廓的正视纵剖示意图。
图10是表示依据本发明的第三实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件的相互配合的螺旋件的相对运动放大示意图。
图11是相互配合的螺旋件图10中沿III-III方向的放大截面图。
图12是表示依据本发明的第四实施例的涡旋型冰箱压缩机的涡旋件的相互配合的螺旋件的相对运动放大示意图。
图13是相互配合的螺旋件沿图12中IV-IV方向的放大截面图。
具体实施方式
参见图1，一依据本发明的流体容积装置以一涡旋型冰箱压缩机100的形式显示。压缩机装置100包括一前端板11安装在杯形外壳12上的压缩机壳体10。
开口111位于前端板11的中心部，驱动轴14从此处穿过。一个环形凸台112位于前端板11的后端面。环形凸台112面向杯形外壳12，并与开口111同轴。环形凸台112的外缘面伸入杯形外壳12开口的内壁中，使得杯形外壳12的开口被前端板11遮盖。一个O形环114位于环形凸台112的外缘面和杯形外壳12开口的内壁之间，用来密封前端板11和杯形外壳12间的配合面。
环形套筒15从前端板11前端面伸出，环绕着驱动轴14。
环形套筒15形成一个轴密封腔。在图1所示的实施例中，套筒15与前端板11制成一体。套筒15也可以独立于前端板11。
套筒15通过位于其前端处的轴承30可旋转地支撑着驱动轴14。驱动轴14的内端有一圆盘20。圆盘20由前端板11通过位于其开口111处的轴承13可旋转地支撑着。与驱动轴相配的轴密封组件16位于套筒15的轴密封腔内。
皮带轮132由轴承133可旋转地支撑，它套在套筒15的外表面上。电磁线圈134通过支撑板135固定于套筒15的外表面，并位于皮带轮132的环形腔内。衔铁板136支撑在驱动轴14的外部末端处。皮带轮132、磁线圈134和衔铁板136组成了一个磁式离合器。在工作中，由诸如汽车发动机等的外部动力源通过磁式离合器等旋转传输装置带动驱动轴14。
固定涡旋件17、公转涡旋件18、涡旋件18的驱动机构，以及公转涡旋件18的防止旋转/止推轴承装置50等几个元件位于杯形外壳12的内腔中，杯形外壳12的内腔形成于杯形外壳12的内壁和前端板11的后端面之间。
固定涡旋件17包含一个环形端板171，一个涡卷或螺旋件172固定于或突出于环形端板171的一侧面，一个内螺纹凸台173沿轴向地突出于环形端板171的另一侧面。凸台173的轴向端面安装于杯形外壳12的底板部分120的内表面上，并通过拧入凸台173的螺栓21固定。这样，固定涡旋件17固定于杯形外壳12的内腔。固定涡旋件17的环形端板171将杯形外壳12的内隔腔分成前腔23和后腔24。密封圈22位于环形端板171的圆周槽内，在杯形外壳12的内壁和环形端板171的外表面间进行密封。固定涡旋件17的螺旋件172位于前腔23内。
杯形外壳12有一流体出口和流体入口(未显示)，它们分别与前腔23和后腔24相通。排出口174通过靠近螺旋件172中心处的环形端板171而形成。一个针阀38关闭排出口174。
位于前腔23内的公转涡旋件18包括一个环形端板181和一个固定于或突出于环形端板181的一侧面的涡卷或螺旋件182。螺旋件172和182以180°的偏移角和一预定径向偏移量相互配合。螺旋件172和182在它们的配合面之间形成了至少一对密封流体腔。公转涡旋件18通过轴承34由轴套19可旋转地支撑，轴承34位于轴套19的外缘面和轴向突出于公转涡旋件18的环形端板181端面的环形凸台183之间。轴套19和圆盘20的内端在相对驱动轴一径向偏移点或偏心点处相接触。
防止旋转/旋转止推轴承装置50位于前端板11的内端面和环形端板181的端面之间。防止旋转/旋转止推轴承装置50包括一与前端板11的内端面相接触的固定环51，与环形端板181的端面相接触的公转环52和位于环51和环52形成的区域内的滚珠等一些轴承元件53。前端板11通过滚珠53承受公转涡旋件18产生的轴向推力。
螺旋件172和182带有一位于轴向端面上的槽41。密封元件40置于槽41内，在环形端板171、181的端面和密封元件40的轴端面间进行密封。
参见图2，它表示了涡旋元件，尤其是螺旋形涡卷的结构。两个螺旋形涡卷172和182彼此基本上呈镜像设置。螺旋形涡卷172有一形成于轴向中心处的阶梯状部分201。阶梯状部分201实际上将螺旋形涡卷172分成底部202和顶部203。阶梯状部分201的构造做成从底部202到顶部203的横截面积逐渐减少的形式。
参见图3，它显示了螺旋形涡卷172的顶部203的轮廓。螺旋形涡卷172的外侧壁204通常由一渐开线曲面形成。该形成螺旋形涡卷172的外侧壁204的渐开线曲面起始于点A。点A位于该渐开线和渐开线发生圆上过点P的切线相交处。
第一内侧壁205起始于点D，点D位于该渐开线和渐开线发生圆上过点Q的切线相交处。角α是一任意渐开线角度。点P位于渐开线发生圆上角度为渐开线角α处。点Q位于渐开线发生圆上角度为渐开线角α+180°处。
一任意点O3位于切线P-A上，半径为R3的第一连接弧205a(A-E)环绕着点O3。一任意点O1位于切线Q-D上，半径为R1的第一曲线205b(A-E)环绕着点O1。而且，点A是外侧壁204和第一连接弧205a间的分界点，它们在该处具有一公切线，位于直线E-F两端的点E和点F，是第一曲线205b和第一连接弧205a间的分界点。另外，点D是第一曲线205b渐开曲线D-H间的分界点，它们在该处具有一公切线。点H位于内侧壁205外侧的充分远处。
图3也显示了螺旋形涡卷172底部202的轮廓。两个螺旋形涡卷172和182彼此基本上呈镜像设置。第二内侧壁208起始于点D。一任意点O4位于切线P-A上，半径为R4的第二连接弧208a(A-B)环绕着点O4。一任意点O2位于切线Q-D上，半径为R2的第二曲线208b(C-D)环绕着点O2。而且，点A是外侧壁204和第二连接弧208a间的分界点，它们在该处具有一公切线，位于直线B-C两端的点B和点C，是第二曲线208b和第二连接弧208a间的分界点。
这样，直线B-C平行于直线E-F，半径R1大于半径R2，半径R4大于半径R3。当半径R0是公转螺旋件的公转半径时，这种结构的半径R1和R2由下列公式表述：
R1＝R3+R0(1)
R2＝R4+R0(2)
另外，T(线G-D)是螺旋形涡卷172在D处的厚度。L1是点P和点A之间的距离，L2是点Q和点D之间的距离。当Rg是渐开线发生圆的半径时，距离L1可由下列式表述：
L1＝L2+T-πRg(3)
这样，角度参数α代表通过原点0的直线和X-轴的负象限轴间的角度。通过渐开线基圆圆且角度为α的直线与基圆的两个相交点Q和P，分别位于直线D-O和A-O的延长线上。而且D-O和A-O彼此平行。
所以，由两条弧和四条直线组成的第一和第二内侧壁205和208以及由一个渐开线构成的外侧壁204共同形成了螺旋形涡卷172和182的轮廓。
在压缩机的组装过程中可能发生的两螺旋形涡卷间角度关系偏差，或在制造过程中可能发生的尺寸偏差，都将使加大了的螺旋形涡卷内端部相互干扰。参见图4，为了避免这种可能性，第一曲线205b的半径R1可以略微增加一个ΔR1，第二曲线208b的半径R2可以略微增加一个ΔR2。图3所示的轮廓以虚线显示在其中，以进行比较。
图5和图6显示了带有圆角501和502的相互配合的螺旋形涡卷间的相对运动。圆角501和502分别位于底板171、181和螺旋形涡卷172、182的底部或相近部位相连处。在螺旋形涡卷172、182的横截面上，圆角501和502有一预定的曲率半径。这样，圆角501和502可以在涡旋件的形成过程中，同时铸造出来，也可以在后续加工中端铣形成。于是，螺旋形涡卷的外表面和相对涡卷的内表面相接触，以保持流体腔503的密封。
参见图6，螺旋形涡卷172具有代表压缩机高度的实际高度H以及底板171的内表面与螺旋形涡卷172的台阶201间的高度h1。类似地，螺旋形涡卷182也具有实际高度H′以及顶板的内表面与台阶201间的高度h2。螺旋形涡卷172和182的台阶201表面间的间隙C1按下述关系形成：
C1≥H-(h1+h2)    (3)
C1≥H′-(h1+h2)  (4)
另外，高度h1和h2的值根据螺旋形涡卷的扩张率或刚度等特征进行设计。
在上述实施例中，从外部流体回路流出的流体通过一进口(未显示)被引入压缩机中的流体腔中。该流体腔包含有一形成于涡旋件172和182之间的开口区域。当公转涡旋件18公转时，流体腔中的流体流动到涡旋件的中部并被压缩。形成于螺旋形涡卷172和182之间的接触线用于形成该流体腔，该接触线沿着渐开线向相互配合的螺旋形涡卷的内部移。然后，接触线沿着公切线E-F和C-B变换为一直线。这时，中部高压区503的体积接近0，被压缩的流体通过排出孔174，从流体腔流出到后部腔24。被压缩流体接着通过出口(未显示)流出到外部流体回路。
所以，各个螺旋形涡卷的内端部的厚度增加了，从而提高了涡卷的强度，同时减少了流体体积的再膨胀量。
在图7-13中，相同标号和字母用来代表图1-6中描述的相应元件，下面主要来讲述两个实施例间的区别。图7和图8显示了本发明的第二实施例，其中的涡旋件17和18的螺旋形涡卷172和182具有一改进外形。这两个螺旋形涡卷与上述螺旋形涡卷相似。但是，也存在一些差别。
圆角701和702分别位于台阶201与螺信型涡卷172、182的端部203相连处，如图7所示，以完全沿着第一内侧壁205延伸。在螺旋形涡卷172、182的横截面上，圆角701和702也有一定的曲率半径。除了第一实施例的公式(3)和(4)，形成于螺旋形涡卷172、182的台阶面201间的间隙C2设计成大于圆角501和701的形式，如图8中所示。
图9、图10和图11显示了本发明的第三实施例，其中的涡旋件17和18的螺旋形涡卷172和182具有一改进外形。这两个螺旋形涡卷与上述螺旋形涡卷172和182相似。但是，也存在一些差别。
通过增加螺旋形涡卷的径向厚度以加强螺旋形涡卷。但是也可以通过减少第二曲线208b的半径R2来加强螺旋形涡卷。端铣刀必须具有一等于或小于第二曲线208b的半径R2的半径。
一个凹进部位211沿着螺旋形涡卷172底部202的第二曲线208b形成，以方便铣削加工。任意点05位于切线P-A上，半径R5凹进部位211(D-I)环绕着点05，如图9所示。
图12和图13显示了本发明的第四实施例，其中的涡旋件17和18的螺旋形涡卷172和182具有一改进外形。这两个螺旋形涡卷与上述螺旋形涡卷相似。但是，也存在一些差别。
从底板171和181到螺旋形涡卷172和182的上表面，每一螺旋形涡卷172和182的横截面积逐渐减少，呈圆锥状。另外，圆角501和502分别形成于底板171、181与螺旋形涡卷172、182的底部或相近部位202相连处，类似于图5和图6。
基本上，所有实施例的相似优点都是相近的，因此，不再详细重复优点了。
尽管联系最佳实施例讲述了本发明，但本发明不仅仅局限于此。对于本领域普通技术人员而言，利用在本发明附属的权利要求的范围内，容易理解到可以对本发明做出多种变型和改进。

Claims (9)

1.一个涡旋式流体容积装置包括：
一个带有流体进口和流体出口的壳体；
固定涡旋件和公转涡旋件，这两个涡旋件都有一端板和从端板一侧延伸出的一螺旋件，相互配合的螺旋件之间保持一个角度和径向偏移量，以便形成一定量的接触线，从而至少形成一对密封的流体腔；
一带有由上述壳体可旋转地支撑着的驱动旋转轴的驱动装置，通过驱动轴的旋转，引起公转涡旋件的公转运动，从而改变流体腔的体积，包括：
每一涡旋件的螺旋件内端部，其轴向横截面积从其底部到其顶部发生变化，还在从所述底部到所述端板的过渡区包括有一延伸部分。
2.如权利要求1中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，所述延伸部分是一圆角。
3.如权利要求1中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，所述涡旋件的螺旋件内端部轴向横截面积从所述螺旋件的底部到顶部逐渐减小。
4.如权利要求1中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，所述每一涡旋件的螺旋件内端部有一外侧壁和一内侧壁，外侧壁由起始于一任意渐开线角度渐开线形成，内侧壁由一起始于比该任意渐开线角度大180°的渐开线角度的渐开线形成，至少有一曲面壁与外侧壁和内侧壁相连接。
5.如权利要求4中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，所述内侧壁还包括第一内侧壁，轴向偏离第一内侧壁的第二内侧壁和至少连接第一内侧壁和第二内侧壁的一个台阶状凸起。
6.如权利要求5中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，一个延伸部分形成于第二内侧壁和台阶状凸起之间。
7.如权利要求5中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，内侧壁的第一内侧壁和第内侧二壁都包含有一第一弧和第二弧，第二弧的半径大于第一弧的半径。
8.如权利要求7中所述的涡旋式流体容积装置，其特征在于，所述第一内侧壁和第二内侧壁还都分别包含有一连接第一弧和第二弧的直线。
9.权利要求8中所述涡旋式流体容积装置，第一内侧壁和第二内侧壁的直线相互平行。
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