CN1123696C - 增强油膜扩展以降低压缩机吸入阀应力的结构改进 - Google Patents

Abstract

改变一往复式压缩机(10)的一吸入阀(20)的阀座(30-1)，以限制在阀与阀座之间建立的环状油膜(60)的面积。阀座构造成把油膜限制在总的输入口开口的3%至33%。在一改变的实施例中，处于排出压力的气体在排出冲程结束时将一打开偏置力作用于吸入阀上。

Description

增强油膜扩展以降低压缩机吸入阀应力的结构改进

在采用吸入和排放阀的变容压缩机中，该两种类型的阀具有相似和不同之处。通常它们都是相同类型的。在平时，两种阀都是关着的，只有在打开的方向上阀具有压力差时才会打开。阀可以是一种弹簧材料，从而使它自己具有阀座偏置力(或阀座位的偏置力(seating bias))，或者也可以采用另外分开的弹簧。由于吸入阀通向压缩腔/缸筒，它们基本上没有阀衬垫，以便使间隙容积达到最小，这样使阀的挠曲不会受到限制。而排放阀通常具有某种类型的阀衬垫，以避免排放阀的过度运动/弯曲。如果忽略不计间隙容积、渗漏等等的影响，气体被吸入到压缩腔中的量和从后者排出的量是相等的。但是，吸入冲程名义上组成半个循环，而压缩和排出冲程一起才是半个循环。在吸入冲程时，一旦作用于吸入阀的压力差能使它移位，吸入阀就打开。一般而言，打开吸入阀所需的压力差是名义吸入压力的15-35％左右。在压缩冲程时，随着容积的减少/气体密度的增加，压缩继续一直到压缩气体的压力足以克服作用在排放阀上的加上阀件的弹簧偏置力和/或分开的弹簧的偏置力所形成的组合系统压力为止。一般而言，打开排放阀所需的压力差是名义排放压力的20-40％左右。因此，在排放冲程的过程中，质量流率要大得多。

经过设计，吸入阀的阀座偏置力比排放阀的小得多。阀座偏置力之所以较低主要是由于阀是由作用于阀的压力差产生的力所驱动的。对于吸入阀，出现打开的压力要比排放阀出现打开的压力低得多。

因此，相对于排放阀的压力差和打开力，吸入阀只产生小的压力差，也就是只产生小的打开力。甚至作用于吸入阀的压力差的少量增加会导致该作用于阀的压力差增加一个大的百分比。相反，由于名义工作压力要高得多，同样大小的压力差如果作用于排放阀，只能使压力差增加一个相当小的百分比。

作用于阀的打开力F由下面的等式给出：

            F＝P·A

其中P是作用于阀的压力差，A是受到P作用的阀的面积。应该指出的是，在一个循环过程中，压力差作用的方向是变化的，因此在循环的一部分过程中，压力差提供一阀座偏置力。当A保持不变时，显然F的变化与P的变化成正比，或更具体地说，F的百分比变化与P的百分比变化成正比。例如，假定吸入压力为20psia，排出压力为300psia，当过压值为35％时，排放阀打开之前缸筒的压力将上升到405psia，相反，当欠压值为30％时，缸筒的压力在吸入阀打开之前将下降到14psia。如果打开两阀所需的压力差增加10psia，排出过压值从35％增加到38％，而吸入欠压值从30％增加到80％。因此，我们可以预计到吸入阀的打开力将增加167％。

尤其是由于间隙容积的作用，作用在吸入阀的压力差的变化不会迅速增加，因为装置在最初是由来自间隙容量的压缩气体加载的、随后才作为一个真空泵运行一直到吸入阀打开。具体地说，气体流入缸筒一般被设计成在组合膨胀和吸入冲程的最后的95％的过程中发生。相反，当压缩冲程完成时，压缩腔的压力迅速上升，如果退出缸筒的容积流的速度与压缩腔容积减少的速少的速度不匹配，在排出冲程过程中，压力继续上升。一般而言，气体从缸筒的流出发生在组合压缩和排出冲程的最后的40％的过程中。这些关系的一个或多个的较大的变化对于阀来说都可能导致操作上的问题。

另一个复杂的因素是在一般的操作条件下，润滑液(油)涂覆于压缩机的所有内表面，包括吸入阀、排放阀和阀座(valve seat)的内表面。美国专利No.4,580,604提出了关于改进排放阀的排出效率的有关问题。对于排放阀，缸筒压力必须克服作用在排放阀上的、阀的弹簧偏置力和阀与阀座之间的粘结力组成的系统压力。因此，排放阀与阀座之间的粘结是一个过压力或超压力，所以是一种功效的损失。

一普通的往复式压缩机有一带一体的吸入口和吸入阀座的阀板。在关闭位置时，在吸入阀与其阀座之间的油膜很薄，约为几个分子直径的数量级。这部分是由于压缩腔压力作用在吸入阀上并为吸入阀提供一阀座偏置力。在正常的操作中，作用于吸入阀两端的打开力是由阀的压力差提供的，该压力差是在吸入冲程的过程中活塞离开该阀时产生的。一般而言，打开力需要大到足以克服由阀的质量(惯性)和任何弹簧或其它偏置力所造成的打开阻力。该力还需要大到足以扩展和剪切夹在阀与阀座之间的油膜。影响扩展和剪切润滑剂膜的因素包括：润滑剂膜的粘度、油膜的厚度、润滑剂分子之间的内分子引力、吸入阀和/或阀座结构的材料以及制冷剂脱气的速率。

在使用矿物(MO)或烷基苯(AB)(alkylbenzene)润滑剂的传统往复式压缩机的应用中，由于阀初始打开所需的压力差相当小，所以润滑剂引起的打开阻力是可以忽略的。这大部分是由于MO和AB润滑剂在整个操作范围内具有相当低的粘度、较小的内分子引力和良好的与制冷剂的可溶性。

较新的臭氧问题不大的制冷剂压缩机应用采用聚酯(POE)润滑剂。与MO或AB润滑剂相比，POE润滑剂具有极高润滑剂粘度和极差的与诸如R134a、R404A、和R507等的HFC制冷剂的可溶性，尤其是在低操作压力和/或低温度下更是如此。POE的相当高的粘度使扩展和剪切夹在阀与阀座之间的油膜所需的力有较大的增加。此外，POE润滑剂是极性很强的材料，因此对一般用于制造阀和阀座的极性铁基材料具有强的分子引力。结构材料与POE之间的相互吸引进一步增加了把阀与阀座分开所需的力。

为了增加把吸入阀与其阀座分开的力，就必须增加作用在该阀上的压力差，这样，伴随而来的是阀打开时间的延迟。当吸入阀最终打开时，打开的速度很快。此外，由于吸入阀打开时间的延迟，进入缸筒的吸入气体的容积流速增加，这就使问题更加复杂。吸入气体容积流速的增加使吸入气体的速度增加，这又使必需的、作用于吸入阀的打开力增加，从而进一步增加了阀打开的速度。由于延迟打开造成的阀上的一较高压力差以及撞击吸入阀的流体的较高容积流速的组合作用而引起吸入阀打开速度的增加，使吸入阀弯曲进入缸筒内径比预期的要远。如果没有象排放阀那样使用的那种阀衬垫，由于阀弯曲的增加，阀的操作应力必然增加。如果操作应力超过阀的视在疲劳强度(apparent fatigue strength)，阀将损坏。

本发明通过促进夹在吸入阀与该阀座之间的油膜的扩展来减少打开该吸入阀所需的压力。以这种方式，就可避免与较高的阀打开速度、较高的容积流速、较高的吸入气体速度和较高的阀应力有关的一连串的问题。通过有效减少阀与阀座之间的接触面积，就可使打开阀所需的压力得到有利的降低，连同随后的操作应力也得到了有利的减少。

实验显示，把阀座面积与阀口面积之比保持在3％至33％的范围是非常关键的，下限值为0.003英寸(物理量纲)。这里的阀座面积是指实际接触面积加上部件靠得很近从而有油膜留存在它们的之间的那部分的面积。因此，一平的阀部件与圆的阀座之间的线性接触将被认为由于线性接触附近油膜的存在而产生了要考虑进去的面积。接触面积的最小值必须保持以提供足够的密封面积，从而，通过在压缩冲程过程中防止气体经吸入阀渗漏来保持压缩的效率。阀座面积与阀口面积之比的下限的保持对防止阀与阀座之间的界面的过分磨损也是必要的。对于一般压缩机所预计的操作条件的范围，据此可确定阀座上每单位面积上的最大力。阀座面积与阀口面积之比要求该上限值以限制阀与阀座之间的界面的接触面积。再者，实验显示，如果比率超过33％，打开阀所需的压力就会导致阀的速度和随后的应力超过阀材料的视在疲劳强度。因此，阀座面积与阀口面积之比超过上限值时，阀就可能损坏。

阀座的内侧直径和外侧直径的边缘几何形状对打开阀所需的应力的影响极小。换句话说，边缘几何形状是由一圆的、斜切的还是正方形凸肩所组成的是无关紧要的。但是，实验显示，最好为阀座的内侧直径和外侧直径提供一圆的或边缘斜切的几何形状。当阀关闭时，这样的几何形状构造会为它提供较大的有效接触面积，由此减少每单位面积上的撞击力和阀与阀座之间的界面磨损。因此，较佳的是从密封(平的)表面采用一边缘倒圆或斜切来平滑过渡。

本发明的一个目的是降低吸入阀与该阀座之间的粘结。

本发明的另一个目的是减少吸入阀上的操作应力。

本发明的再一个目的是促进吸入阀的打开。这些目的和将在以后变得更为清楚的其它的目的是本发明来实现的。

本发明提出一往复式压缩机，有一其内具有一活塞的缸筒、一吸入阀和一具有一形成一体的吸入阀座的阀板，并被在所述吸入阀与所述阀座之间形成一油膜的POE油所润滑，其特征在于：所述阀座形成一周围的壁，它是一吸入通道的延伸，它减少了在吸入流方向的截面厚度，使得所述壁在与所述阀接触的部位具有其最小的厚度；所述油膜的至少一个部分形成在所述阀座与所述阀之间并具有最大横截面为所述油膜内边缘或边界构成的区域的3％至33％之间。

基本上，本发明的吸入阀的阀座通过弄圆或斜切以减少接触面积和相关的在阀与阀座之间的油膜而构造成的。在一经过改变的实施例中，一液体窝通过一受限通道与压缩腔相连通，使得名义上为排出压力的压缩气体在吸入冲程的开始时在该流体窝中，并为阀提供一打开偏置力。

图1是采用本发明的一部分往复式压缩机的剖视图；

图2是沿图1的2-2部分截取的部分零件去掉的视图；

图3是图1中一部分剖视图，它示出了吸入阀结构；

图4是第一个经过改变的吸入阀结构的剖视图；

图5是第二个经过改进的吸入阀结果的剖视图；

图6是图5底座结构的轴向视图。

在图1和2中，标号10总的表示一往复式压缩机。和传统的压缩机一样，本发明的压缩机10有图中示为簧片阀的一吸入阀20和一排放阀50，以及一位于缸筒40-3内的活塞42。排放阀50有衬垫(backer)51，它限制阀50运动，通常构造成在排放阀整个打开运动中消散(dissipate)作用于阀50的打开力。对于吸入阀20，它的顶部20-1接触由曲柄轴箱40的凹部40-2中的凸壁40-1所构成的阀止动件。为了使余隙容积最小，在打开运动0.1英寸左右之后，凸壁40-1被接触，此时阀20弯曲而具有如图1中的双点划线所示的进一步的打开运动。具体地说，在顶部20-1接触凸壁40-1之前，阀20的初始运动像一悬臂梁，然后以两端部被支撑的梁的形式弯曲。如图1中双点划线所示，阀20运动到缸筒40-3之内。

如上所述，POE润滑剂会在阀20与形成在阀板30中的底座30-1之间引起粘结。如果没有本发明的使粘结减少的措施，阀20将在一较大的压力差下打开，并会以一较高的速度冲击凸壁或止动件40-1，以促使阀弯曲到缸筒40-3中，当加上来自吸入通道30-2的撞击流时，会使阀20的弯曲超过其屈服强度和/或驱动阀进入缸筒40-3太远，以致顶部20-1滑离凸壁或止动件40-1。

下面翻到图3，要指出的是，底座30-1是这样构造的：在不形成接触的区域阀座被去掉一部分。如图所示，底座30-1呈一球形表面，但它可有一小部分平的区域或有一梯形横截面。之所以这样做主要是考虑限制油膜60的位置和宽度。具体地说，底座30-1的碰到或很靠近阀20的、使一油膜60保留在它们之间的那部分的横截面必需是由油膜60的内边缘或边界构成的区域的3％至33％，该点30-4可以是一平的边缘。3％至33％比率是极限范围，在磨损与粘结力之间作折衷考虑，最好把较佳范围置于13％至25％。显而易见的是，油膜越小，油膜的破裂越容易，其结果是在一较低的压力差、一较平和的打开和较缓慢的流动下，在吸入冲程中吸入阀可以较早地打开。

图4示出一经过变化的阀座130-1，由于该阀座130-1的弯曲部分仅仅延伸了90°，部分阀座是平的，所以该阀座有一较大的油膜。当油膜160的面积与吸入通道130-2与油膜160相遇处的面积的面积之比，即点130-4，在3％至33％的范围之内时，阀120将如上操作。

下面参阅图5和6，要指出的是，阀座呈两个径向分开的环状座230-1a和230-1b的形式。这样，环状座230-1a和230-1b和阀220形成一环状腔232。在压缩冲程和排出冲程的过程中，可通过一个或多个径向通道233在腔232与缸筒径240-3之间形成有限连通。径向通道233的尺寸是这样定的：油膜不会桥接或堵塞它们，但在排出冲程与吸入冲程之间的过渡中限制流量使得腔232中流体压力作用在阀220上，从而使它在吸入冲程开始时有离开阀座趋势。

Claims (7)

1.一往复式压缩机(10)，有一其内具有一活塞(42)的缸筒(40-3)、一吸入阀(20)和一具有一形成一体的吸入阀座(30-1；230-1a)的阀板(30)，并被在所述吸入阀与所述阀座之间形成一油膜(60)的POE油所润滑，其特征在于：

所述阀座形成一周围的壁，它是一吸入通道的延伸，它减少了在吸入流方向的截面厚度，使得所述壁在与所述阀接触的部位具有其最小的厚度；

所述油膜的至少一个部分形成在所述阀座与所述阀之间并具有最大横截面为所述油膜内边缘或边界构成的区域的3％至33％之间。

2.如权利要求1所述的复式压缩机，其特征在于，所述压缩机压缩的是HFC制冷剂。

3.如权利要求2所述的复式压缩机，其特征在于，所述HFC制冷剂是R134a、R404A和R507中的一种。

4.如权利要求1所述的复式压缩机，其特征在于，所述阀座具有一与所述阀接触的圆的表面。

5.如权利要求1所述的复式压缩机，其特征在于，还包括一第二阀座(230-1b)，该阀座包围形成所述吸入通道的延伸部分的所述阀座并与之径向分开，使得当所述阀座落在形成所述吸入通道的延伸部分的所述阀座和所述第二阀座上时，在它们之间形成一腔室(232)。

6.如权利要求5所述的复式压缩机，其特征在于，还包括：

形成在所述第二阀座内的流体通道装置(233)，该流体通道装置在所述压缩机的压缩和排出冲程过程中，在所述缸筒与所述环状腔室之间提供有限制的流体连通。

7.如权利要求5所述的复式压缩机，其特征在于，所述阀座中的至少一个阀座与所述阀接触的表面是圆表面。

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