CN111630277B - 共旋式涡旋机 - Google Patents

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Abstract

一种共旋式涡旋机，可作为压缩机或膨胀机工作，包括用于第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)的传动和引导机构(9、10)，传动和引导机构具有围绕涡旋盘并靠近周边均匀分布的三个传动和引导单元(9、10)。每个传动和引导单元包括安装在涡旋盘之一上的阳式元件(9)和安装在面对的涡旋盘上的面对的阴式元件(10)。每个传动和引导单元(9、10)包括安装成用于在阴式元件(10)的开口中角位移的内环(11)，内环中具有狭缝(18)，传动和引导单元的阳式元件(9)在狭缝中滑动。三个传动和引导单元(9、10)的阳式元件(9)在共同的外部引导环(11)上由相应的支撑元件(13)支撑和引导。一种液体喷射系统，包括与泄放孔(21)连接的液体通道(20)。

Description

共旋式涡旋机
技术领域
本发明涉及可作为压缩机或膨胀机工作的共旋式涡旋机，尤其是涉及用于连接两个共旋式或轨道式运动的涡旋构件并允许通过径向顺应系统操作的非超静定传动/引导机构。
背景技术
共旋式涡旋概念的工作原理基于在相同方向上以相同转子速度以偏移旋转中心旋转的两个涡旋渐开线。与轨道式概念相反，两个涡旋均进行纯旋转运动，因此提供了实现与轨道式概念相比非常低水平机械振动和噪声的可能性。共旋式涡旋技术在例如美国专利5,713,731A中有例示。
共旋式技术的主要挑战是要求两个涡旋的精确机械同步性，因为任何角偏差都可能阻碍或损坏机器。在文献中找到过一些寻求合适传动机构的若干尝试。这些尝试主要是根据旋转运动的应用场合(要么通过外部传动元件(例如两个皮带、两个齿轮或两个同步性很好的马达)，要么通过保持两个涡旋之间相对运动的内部传动系统)进行分类。
通过使用外部传动元件，发现了与适当的同步性、成本和尺寸相关的不同挑战。这在Mendoza LC,Lemofouet-Gatsi S,Schiffmann J.，Appl Energy 2016的论文“Testingand modelling of a novel oil-free co-rotating scroll machine with waterinjection”中进行了描述。通过使用设置有可行且有竞争力共旋式机器的内部传动系统，可以最大程度减少或消除外部传动元件的上述缺点。
已经提出了用于共旋式机器的不同类型内部传动系统。它们基于Oldham技术(美国专利5,037,280A，在各旋转涡旋之间具有联接的涡旋流体机械)、曲轴(美国专利4,954,056 A，具有销联接的涡旋机械)、内齿轮(美国专利4,911,621 A，使用柔性齿环同步器的涡旋流体装置)或多个叉指式叶片(美国专利5,199,280 A，共旋式涡旋压缩机机械增压器装置)。然而，离心力、超静定和两相压缩/膨胀容限的内在挑战仍然没有解决。这些挑战会导致机器故障。
美国专利5447420 A：液体喷射式涡旋压缩机，公开了在轨道式涡旋机中的内部液体喷射。通过使第一中间室与制冷剂源连通的泄放孔把加压液体注入定螺旋中。在共旋式机器中，两个螺旋都是旋转的，因此液体通过泄放孔仅注入一个螺旋中。该螺旋与液体高压源连通，液体高压源通过内部管道泵送到螺旋盘内。
美国专利2012288393A1：螺旋压缩机，公开了在各涡旋盘之间具有积极引导装置的共旋式涡旋机。积极引导装置包括优选地彼此角偏移120°的支撑辊，支撑辊接合在压缩冠(阴式元件)的圆筒孔中并受约束地滚动。通过这些措施，由于彼此轴线偏移并且在围绕孔内周滚动的支撑辊所提供的引导下，两个螺旋相对于彼此进行轨道式运动。然而，所提出的此传动/引导系统不允许两个涡旋之间在径向上的自由度，即，阳式元件/销在阴式元件中无游隙地接合。
美国专利公开20020182094 A1公开了在驱动涡旋与从动涡旋之间具有传动单元的共旋式涡旋机。该机构包括彼此间隔90°的四个销，这四个销都永久性接合在可旋转的环中。
DE19528071公开了螺旋压缩机，在一个涡旋盘的背面具有凸轮从动件，通过在对应孔中延伸的辊提供仅引导功能。
FR55178E公开了旋转涡旋式机器，一个涡旋上的销无游隙地接合在另一涡旋的孔中。
KR100699226 B1公开了旋转涡旋机，无疑是属于权利要求1前序部分所涵盖的类型，一个涡旋上的导销接合在另一涡旋的狭缝中。
发明内容
因此，提出了一种新的传动/引导系统，允许连接共旋式或轨道式运动的两个涡旋构件，能够应对离心力、超静定，并且允许径向顺应自由度。
本发明的目的是提供一种具有传动/引导系统的共旋式涡旋机，允许两个涡旋在有/无润滑的情况下在相同方向上以相同转子速度围绕彼此偏移的轴线旋转，并且即使在高转子速度或高扭矩下也确保两个涡旋的同步性。此外，对于所提出的传动/引导系统，由于没有摩擦接合或啮合从而减小了不同部件的磨损。通过传动装置的自由接合解决了涡旋盘不平衡、部件未对准和制造错误。这种自由接合避免了机器中的超静定。通过本发明，克服了存在于现有技术中的缺点并实现了额外的优点。
本发明设想用于共旋式涡旋压缩机/膨胀机，但是也可以用于涡旋轨道式机器中，因为相对运动在两种技术中是相同的。机器由壳体、支撑在壳体中的两对轴承以及具有径向偏移轴线的第一主轴和第二主轴构成。第一主轴通过涡旋盘驱动第二主轴，涡旋盘保持三个第一传动元件，三个第一传动元件接合到第二涡旋盘中的三个第二传动元件。
更精确地，根据本发明，提供了一种可作为压缩机或膨胀机工作的共旋式涡旋机，包括：壳体；支撑在壳体的两个在横向上彼此偏移的相对部分中的轴承；可旋转地由轴承支撑并彼此平行的第一主轴和第二主轴，第一主轴和第二主轴在壳体内部延伸到相应内端，内端彼此在轴向上间隔开并且彼此相邻但在横向上彼此偏移；面对叠置的第一涡旋盘和第二涡旋盘，在第一涡旋盘和第二涡旋盘中心附近但与中心间隔开的位置处横截地安装在第一主轴和第二主轴的相应内端上；以及用于第一涡旋盘和第二涡旋盘的传动和引导机构。
传动和引导机构包括围绕涡旋盘靠近涡旋盘周边均匀分布的三个传动和引导单元。每个传动和引导单元包括安装在涡旋盘之一上的阳式元件和安装在面对的另一涡旋盘上的面对的阴式元件，其中，从每个涡旋盘的中心到每个传动和引导单元的中心的径向距离是等距的。此外，每个传动和引导单元的阳式元件有游隙地接收在对应阴式元件的开口中，从而允许响应于涡旋盘之一通过主轴之一旋转而以从0到最大偏心距δmax的偏心值使两个涡旋盘相对旋转运动。
每个传动和引导单元包括内环，安装成用于在阴式元件的开口中角位移，内环中包括开口，通常是狭缝，并且传动和引导单元的阳式元件接合在内环的开口中，用于在可角位移的内环的开口中/沿狭缝受限运动。当内环的开口是狭缝时，引导环的阳式元件大体上接合在内环的狭缝的一个末端中。
根据本发明，三个传动和引导单元的三个阳式元件由三个相应的支撑元件支撑和引导，三个支撑元件彼此间隔开地定位在共同的可旋转的引导环上，引导环安装在涡旋盘外部以与涡旋盘一起绕旋转轴线旋转，旋转轴线平行于第一主轴和第二主轴并且以最大涡旋偏心距在径向上偏移。以这种方式，在阳式元件在可角度位移的内环的开口中受限运动期间，三个传动和引导单元的每个阳式元件由引导环上的支撑元件支撑和引导。
通常，三个支撑元件位于从可旋转的引导环沿径向向外延伸并且与三个传动和引导单元相对应地设置的三个相等的臂的外端处。在这种情况下，三个支撑元件可以是从三个臂的外端突出并且平行于旋转轴线设置的伸长构件的末端部分。
有利地，每个传动和引导单元的阳式元件包括安装在伸长构件端部上的辊。
简单来说，可旋转的引导环具有三个臂/腿，并且出于引导的目的在臂/腿的顶端上设置三个凸轮从动件。引导环支撑在底盘中，但以最大涡旋偏心距(δmax)沿径向偏移。
因此，引导环用于保证三个内环之间的平行度。定位在引导环的臂顶端上的凸轮从动件可以插入内环中。引导环通常支撑在旋转轴承上，旋转轴承偏离最近的涡旋盘的旋转中心。
通常，三对传动单元(阳式元件、阴式元件彼此成120°均匀分布(如美国专利6,062,833A)，从涡旋盘的中心到每个单元的中心的径向距离是等距的。三个传动单元与共同的外部引导环相关联。
传动和引导单元可以部分地位于从大体圆形涡旋盘周边突出的对应突起部中(类似于凸耳)。
优选地，每个传动和引导单元的阴式元件包括附接到一个涡旋盘上的圆筒形外壳，在圆筒形外壳中内环安装成用于相对于圆筒形外壳内圆筒形表面角位移。内环可以通过轴承(例如滚柱轴承或滚珠轴承)安装在圆筒形外壳中。
内环优选地制成多孔的，以使内环轻质并加强内环。
该内环例如可以包括从外周边延伸到内环内部并在内环宽度的一部分上延伸的径向向内指向的狭缝，该径向向内指向的狭缝由与内环一体的边界壁包围，内环还包括占据内环内周边与径向向内指向的狭缝的边界壁之间的空间的多孔加强结构。
优选地，第一涡旋盘和第二涡旋盘的中心距与阳式元件在阴式元件的内环的狭缝中的位移相协调，以便把内环保持成使得在涡旋盘旋转期间内环的各狭缝都保持彼此平行。
还优选地是，传动和引导单元的阳式元件包括以一个旋转自由度安装的辊，辊构成了接合在阴式元件内的内环的狭缝中的可旋转的凸轮从动件。
每个阳式传动元件优选地由凸轮从动件和从动件壳套构成。
此外，当机器以非恒定的中心差(Δδ)运行时，引导环确保在涡旋盘旋转期间各狭缝保持彼此平行。
如前所述，每个阴式传动元件优选地具有轻质(尤其是多孔)的内环，以克服离心力，并且该内环可以由旋转轴承保持，旋转轴承支撑在传动单元的外壳上。
配重优选地设置在涡旋盘的背侧上，以使质量平衡和相称。
涡旋盘内的内部管道用于通过泄放孔注入液体。液体注入到中间室中。在这种布置中，一个涡旋盘构造成不具有排出口但具有内部通道，内部通道一方面连接到主轴的轴杆，另一方面连接到若干泄放孔，泄放孔通向限定在各涡旋盘之间的压缩室/膨胀室，这种布置使得在压缩和膨胀操作期间可控地将加压液体流注入压缩室/膨胀室内，以执行两相的、几乎等温的压缩/膨胀过程。
附图说明
在附图中：
图1示出共旋式涡旋机的工作原理；
图2是其他方面为常规的共旋式涡旋机中本发明实施例的局部剖视图；
图3示出三个视图：具有传动和引导单元以及引导环的涡旋盘的前视图；沿前视图的线A-A的剖视图；以及沿前视图的线B-B的剖视图；
图4示出在一整转过程中彼此成90°间隔的传动和引导单元以及涡旋盘的位置；
图5以前视图和透视图示出引导环；
图6以前视图和透视图示出具有阳式传动元件的涡旋盘；
图7以前视图和透视图示出具有阴式传动元件的涡旋盘；
图8是阴式传动元件的透视图和示意性剖视图，以及轻质内环的实施例的细节；
图9是沿图8的线C-C剖切的轻质内环一部分的局部图，示出了如何将力/反作用力传递至凸轮从动件；
图10是示出凸轮从动件与轻质内环接合方式的局部透视图；
图11示出在最大和较小标称中心差(δvar<δmax)下阳式传动元件和引导环的凸轮从动件的位置；并且
图12是注水操作的本发明实施例的局部剖视图。
具体实施方式
图1示意性地示出共旋式涡旋机的工作原理。两个涡旋渐开线1、2示出为在三个位置a、b和c中。涡旋渐开线1、2在相同旋转方向上以相同转子速度以偏移的旋转中心旋转。作为膨胀机运行时：蒸气通过在螺旋中心处的吸入口进入，并且充满吸入室(位置a)。之后，两个螺旋旋转并增大吸入室的容积(位置b)，并且产生膨胀室。最终，流体膨胀直到由两个螺旋产生最大容积为止(位置c)，并且流体排出。用作压缩机时的操作与用作膨胀机时的操作相同，但处于颠倒模式。
图2示出根据本发明的涡旋机的实施例。如图所示，两个偏移的主轴(3、4)支撑在两对旋转轴承(5)上，旋转轴承保持在底盘(6)的横向偏移的两个相对部分中。一个涡旋盘(8)固定到驱动主轴(4)上，并且通过三对阴式传动子系统(10)和阳式传动子系统(9)将运动传递到偏移涡旋盘(7)。引导环(11)支撑在旋转轴承(12)上，图2示出引导环的一个臂(11A)和一个突出杆(11B)。引导环(11)支撑三个径向臂(11A)，每个径向臂具有轴向突出杆(11B)(另见图5)。
如通常那样，彼此叠置并同等延伸的涡旋盘(7、8)在它们彼此相对的表面上具有可以是渐开线或阿基米德螺旋的涡旋(7’、8’)(图3)。如已知的那样，在涡旋盘(7、8)的共同旋转期间，涡旋的相对运动形成了多个运动流体压缩空间或膨胀空间，用于使流体压缩或膨胀，如结合图1和图4所解释的那样。
图4示出在一整转过程中传动和引导单元以及涡旋的成90°间隔的各位置，即，一个传动单元10示出处于0°、90°、180°和270°，涡旋示出在对应位置处。可以看出，在旋转期间，阴式引导单元10的内环中的三个狭缝(18)始终保持平行。这是由于由引导环(11)的三个凸轮从动件施加的约束导致的，如下所述。该特征允许在径向位置上独立地将运动传递到偏移涡旋盘。
图5示出用于彼此以120°定位的三个传动和引导单元(9、10)的引导环11。为此，引导环(11)具有分别在120°处的三个向外突出的臂11A。引导环(11)的中心是打开的，并且直径对应于轴承(12)的直径(图1)。在安装时，引导环(11)的中心偏移了最大涡旋偏心距(δmax)。为此，支撑环(11)相对于最近涡旋盘(即涡旋盘(8))的偏移量对应于另一个涡旋盘(即涡旋盘(7))的最大偏心距(δmax)。在臂(11A)的外端处有平行于旋转轴线突出的三个伸长杆(11B)。这些突出杆(11B)的末端具有支撑元件(13)，支撑元件可以是辊(14)的形式，构成了凸轮从动件，用于接合在阴式引导元件(10)中的狭缝(18)中。
如图6至图7所示，传动和引导单元(9、10)部分地位于从大体圆形涡旋盘(7、8)的周边突出的三个对应突起部中(类似于凸耳)。
传动子系统(阳式(9)、阴式(10))和引导环(11)定位在距涡旋盘(7、8)的中心为给定的径向距离(r，如图5至图7所示)处，并且它们相对于彼此分开120°。给定的径向距离(r)是阴式传动子系统(10)的外半径和最大涡旋顶端轨迹(Rscroll)的函数(图7)。
阳式传动子系统(9/14)插入到阴式传动子系统(10)的狭缝(18)(图8、图9和图10)中。这种接合允许凸轮从动件(14)(图8)和内部轻质环(17)(图9和图10)绕它们的轴线旋转。该旋转允许两个涡旋盘的偏移旋转运动，并且导致两个涡旋盘(7、8)之间的轨道式相对运动。
狭缝(18)的宽度和凸轮从动件(14)的直径是相同的，参见图9和图10。狭缝(18)的长度由涡旋盘(7、8)的中心差(δmax)(图11)和凸轮从动件(14)的半径确定。
引导环(11)和狭缝(18)通过凸轮从动件(14)实现的接合固定了在涡旋盘旋转过程中轻质内环(17)的位置，并且维持了在三个狭缝(18)之间的平行度(图4)。
图8示出阴式传动子系统(10)的实施例。圆筒形外壳(15)保持着旋转轴承(16)，轻质内环(17)以一个旋转自由度支撑在旋转轴承(16)中。外壳(15)从涡旋盘(8)的背面插入。
如图8所示，轻质盘状内环(17)包含有设置在其中央的狭缝(18)。该径向向内指向的狭缝(18)从环的外周边延伸到环(17)内，并且在环(17)的宽度的大部分上延伸。该径向向内指向的狭缝(18)由与内环(17)一体的边界壁包围。
图9和图10示出内环(17)与其凸轮从动件(14)之间的自由连接。这种自由连接是通过具有下部曲线部(19)的狭缝(18)接收凸轮从动件(14)来实现。
在传动装置如图11所示以较小中心差工作的情况下，引导环(11)通过凸轮从动件(14)约束了三个内环(17)之间的平行度。凸轮从动件(14)以最大偏心距插入三个狭缝(18)的顶部。
图11示出两个涡旋的剖视图以及传动子系统的接合。传动子系统以最大偏心距(δmax)由引导环的凸轮从动件(13)接合，并且涡旋盘(7)的凸轮从动件(14)插入狭缝中。传动力(F)仅在凸轮从动件与内环之间的一点径向传递。
图12示出内部注水式涡旋机的实施例。水仅通过构造成不具有排出口的一个涡旋盘(7)(作为压缩机时)注入。涡旋盘(7)内的内部通道(20)将主轴(3)的轴杆与多个泄放孔(21)连接。经由主轴(3)的轴杆递送的加压液体流穿过内部通道(20)和由间隔件(22)提供的间隙，然后从此由泄放孔(21)排出。为了设定注入每个室中的液体流量，确定泄放孔(21)的直径以达到扼流条件。在压缩机模式下，干燥蒸气经由涡旋周边进入，然后蒸气和液体由两个涡旋加压，最后由从动主轴(4)排出。在压缩模式下，干燥蒸气与液体之间的传热过程遵循逆流路径。在膨胀模式下，干燥蒸气通过从动主轴(4)进入，蒸气膨胀到周边，最后排出到壳体。干燥蒸气在膨胀期间与注入不同室中的液体进行传热。
当然，对于所描述的共旋式涡旋机，可以将主轴(4)用作驱动主轴，而不是将主轴(3)用作驱动主轴。

Claims (13)

1.一种共旋式涡旋机，能够作为压缩机或膨胀机工作，该共旋式涡旋机包括：
壳体(6)；
轴承(5)，支撑在壳体的两个在横向上彼此偏移的相对部分中，
可旋转地由轴承支撑且彼此平行的第一主轴和第二主轴(3、4)，第一主轴和第二主轴在壳体内部延伸到各自的内端，第一主轴和第二主轴的内端彼此轴向间隔开并且彼此相邻但在横向上彼此偏移；
彼此面对叠置的第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)，在第一涡旋盘和第二涡旋盘各自中心附近但与各自中心间隔开的位置处第一涡旋盘和第二涡旋盘横截地安装在第一主轴和第二主轴各自的内端上；以及
用于第一涡旋盘和第二涡旋盘的传动和引导机构(9、10、11)；
其中，传动和引导机构包括围绕第一涡旋盘和第二涡旋盘并靠近涡旋盘周边均匀地分布的三个传动和引导单元(9、10)，
每个传动和引导单元包括安装在第一涡旋盘和第二涡旋盘中的一个涡旋盘上的阳式元件(9)和安装在面对的另一涡旋盘上的面对的阴式元件(10)，其中，从每个涡旋盘(7、8)的中心到每个传动和引导单元(9、10)的中心的径向距离是等距的；
每个传动和引导单元(9、10)的阳式元件(9)接收在对应阴式元件(10)的开口中，带有游隙，从而允许两个涡旋盘(7、8)以从0到最大偏心距δmax的偏心值进行相对旋转运动，
其中，每个传动和引导单元(9、10)包括内环(17)，内环安装成用于在阴式元件(10)的开口中进行角位移，内环中包括开口，并且传动和引导单元(9、10)的阳式元件(9)接合在内环的开口中，以用于在可角位移的内环(17)的开口中受限运动，
通过泄放孔(21)进行内部液体注入；
其特征在于，
三个传动和引导单元(9、10)的三个阳式元件(9)由三个相应的支撑元件(13)支撑和引导，三个支撑元件彼此间隔开地定位在共同的可旋转的引导环(11)上，引导环安装在第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)的外部以绕旋转轴线与第一涡旋盘和第二涡旋盘一起旋转，所述旋转轴线平行于第一主轴和第二主轴(3、4)并且以最大涡旋偏心距在径向上偏移，从而在阳式元件(9)在可角位移的内环(17)的开口中受限运动期间，三个传动和引导单元(9、10)的每个阳式元件(9)由引导环(11)上的支撑元件(13)支撑和引导。
2.根据权利要求1所述的共旋式涡旋机，其中，三个支撑元件(13)位于从可旋转的引导环(11)沿径向向外延伸并且与三个传动和引导单元(9、10)相对应地设置的三个相等的臂(11A)的外端处。
3.根据权利要求2所述的共旋式涡旋机，其中，三个支撑元件(13)是从三个臂(11A)的外端突出并且平行于所述旋转轴线设置的伸长构件(11B)的末端部分。
4.根据权利要求3所述的共旋式涡旋机，其中，每个传动和引导单元(9、10)的阳式元件(9)包括安装在伸长构件(11B)的端部上的辊(14)。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，具有围绕第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)和引导环(11)靠近第一涡旋盘和第二涡旋盘周边相对于彼此以120°均匀地分布的三个传动和引导单元(9、10)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，传动和引导单元(9、10)部分地位于从大致圆形第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)的周边突出的对应突起部中。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，每个传动和引导单元的阴式元件(10)包括附接到所述面对的另一涡旋盘(8)上的圆筒形外壳(15)，在阴式元件(10)的圆筒形外壳(15)中内环(17)安装成在阴式元件(10)的圆筒形外壳(15)的内圆筒形表面上进行角位移。
8.根据权利要求7所述的共旋式涡旋机，其中，内环(17)通过旋转轴承(16)而安装在圆筒形外壳(15)中。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，内环(17)制成为多孔的以便轻质。
10.根据权利要求9所述的共旋式涡旋机，其中，内环(17)中的开口是从内环外周边延伸到内环内部并在内环一部分宽度上或大致整个宽度上延伸的径向向内指向的狭缝(18)，径向向内指向的狭缝(18)由与内环一体的边界壁包围，内环(17)还包括占据内环内周边与径向向内指向的狭缝(18)的边界壁之间的空间的多孔加强结构。
11.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，内环(17)中的开口是狭缝(18)，并且第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)的中心距与阳式元件(9)在阴式元件(10)中内环(17)的狭缝(18)中的位移相协调，以把内环保持成使得在引导环(11)作用下在第一涡旋盘和第二涡旋盘旋转期间内环的各狭缝(18)都保持彼此平行。
12.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，传动和引导单元的阳式元件(9)包括可旋转地安装的辊，辊构成了接合在阴式元件(10)中内环(17)的开口中的可旋转的凸轮从动件(14)。
13.根据权利要求1-4中任一项所述的共旋式涡旋机，其中，第一涡旋盘和第二涡旋盘中的所述一个涡旋盘(7)构造成不具有排出口但具有内部通道(20)，内部通道一方面连接到主轴(3)的轴杆，另一方面连接到多个泄放孔(21)，泄放孔通向限定在第一涡旋盘和第二涡旋盘(7、8)之间的压缩室/膨胀室，这种布置使得在压缩和膨胀操作期间可控地将加压液体流注入压缩室/膨胀室内，以执行两相的、几乎等温的压缩/膨胀过程。
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