CN1138926C - 涡卷的端板比其螺旋凸起的高度厚的涡卷式压缩机 - Google Patents

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Abstract

一种涡卷式压缩机,包括一壳体;一固定涡卷,设置在壳体内,包括一端板和一设置在端板一面的螺旋凸起;以及一回转涡卷,设置在壳体内,包括一端板和一设置在端板一面的螺旋凸起;每个涡卷的螺旋凸起与另一个涡卷的螺旋凸起啮合,形成螺旋压缩室。假设固定涡卷的端板的厚度为T1,回转涡卷的端板的厚度为T2,固定涡卷的螺旋凸起的高度为H1,回转涡卷的螺旋凸起的高度为H2,满足以下条件:T1>0.9H1,而T2>0.9H2

Description

涡卷的端板比其螺旋凸起的高度厚的涡卷式压缩机
技术领域
本发明涉及一种涡卷式压缩机,特别是涉及一种可在蒸气压缩致冷循环中工作的涡卷式压缩机,其使用致冷剂例如CO2的超临界区域工作。
背景技术
传统的涡卷式压缩机通常包括:一壳体;在壳体中的一固定涡卷和一回转涡卷,每个涡卷包括一端板和位于端板内表面的一螺旋凸起;所述内表面面对另一端板,以使每个涡卷的凸起啮合,形成螺旋压缩室。在这样的结构中,引入的工作气体在压缩室中被压缩,根据回转涡卷的回转操作而排出。为了保证压缩室足够大的空间,每个固定涡卷和回转涡卷的螺旋凸起的高度大于每个端板的高度。
对于蒸气压缩致冷循环,为了保护环境避免使用氟利昂(Freon,一种致冷剂),最近建议采用CO2为工作气体(即致冷气体)的致冷循环。以下该循环称为“CO2循环”。其一个例子公开在日本已审查专利申请第二次公开,平7-18602。CO2循环的工作类似于传统的使用氟利昂的蒸气压缩致冷循环。即如图5所示的A→B→C→D→A(其示出了CO2莫利尔图),使用压缩机压缩气相CO2(A→B),该气相的热的和压缩的CO2使用气体冷却器冷却(B→C)。该冷却的气体进一步使用减压器减压(C→D),气液相的CO2随后蒸发(D→A),这样从外界流体例如空气中获得蒸发潜热,从而冷却外界流体。
CO2的临界温度为约31℃,即低于传统的致冷剂氟利昂。因此当外界空气的温度在夏季等情况下较高时,气体冷却器侧的CO2的温度高于CO2的临界温度。因此,这时CO2在气体冷却器出口侧不冷凝(即图3中的B-C段不与饱和液相线SL交叉)。另外,气体冷却器出口侧的状况(对应于图3的C点)依赖于压缩机的排出压力和气体冷却器出口侧的CO2的温度,出口侧的CO2的温度依赖于冷却器的排出能力和外界温度(其不能控制)。因此,气体冷却器的出口侧的CO2的温度不能控制。相应地,气体冷却器出口侧的状况(即点C)可通过控制压缩机的排出压力(即气体冷却器出口侧的压力)来控制。即,在夏季等情况下外界温度较高时为了保持足够冷却能力(即焓差)在气体冷却器的出口侧需要较高的压力,如图3的循环E→F→G→H→E所示。为了满足该条件,压缩机的工作压力必须比传统的使用氟利昂的致冷循环要高。在车辆用的空调器的例子中,压缩机的工作压力在使用R134(即传统的氟利昂)的时候为3kg/cm2,在使用CO2的情况下为40kg/cm2。另外,在该例子中的压缩机工作停止压力,在使用R134时为15kg/cm2,而在使用CO2时为100kg/cm2
在使用CO2作为工作气体和具有高工作压力的这样的涡卷式压缩机中,如果每个固定涡卷和回转涡卷的端板的厚度小于每个固定涡卷和回转涡卷的螺旋凸起的高度,由于在压缩工作中产生的负荷,每个端板会弯曲和变形,使得压缩室的密封性能变差。结果,由于工作气体从压缩室泄漏,排出量减少,或排出气体的温度由于泄漏气体的减压而上升,使得压缩机的性能不可避免地降低。
发明内容
考虑上述情况,本发明的目的是提供一种涡卷式压缩机,其不会有工作气体从压缩室泄漏,每个固定涡卷和回转涡卷的端板的变形可避免。
因此,本发明提供一种涡卷式压缩机,包括:
一壳体;
一固定涡卷,设置在壳体内,包括一端板和一设置在端板一面的螺旋凸起;以及
一回转涡卷,设置在壳体内,包括一端板和一设置在端板一面的螺旋凸起;每个涡卷的螺旋凸起与另一个啮合,形成螺旋压缩室;其中:
引入壳体中的一工作气体在压缩室中压缩,然后根据回转涡卷的回转操作而排出;
假定固定涡卷的端板的厚度为T1,回转涡卷的端板的厚度为T2,固定涡卷的螺旋凸起的高度为H1,回转涡卷的螺旋凸起的高度为H2,满足以下条件:
T1>0.9H1
T2>0.9H2
根据以上所述的涡卷式压缩机,即使在较高的工作压力下的涡卷式压缩机中,当固定涡卷和回转涡卷的端板受到压缩工作中的负荷时,其也不容易变形,因此压缩室的密封性能不会变差。结果,不会由于工作气体从压缩室泄漏而造成的排出量的降低,排出气体的温度不会由于泄漏气体的再压缩而上升,从而压缩机的性能提高。
优选地,加强固定涡卷和回转涡卷的加强肋分别设置在每个涡卷的后面侧。因此,即使端板的厚度小于螺旋凸起的高度,即小于通常设定的尺寸,也可获得具有原始设定的尺寸的结构的刚度。因此,压缩机的性能进一步提高。
优选地,工作气体为二氧化碳。此时,本发明可有效地应用于使用以CO2为工作气体的致冷循环的涡卷式压缩机中,其具有高的工作压力。
附图说明
图1是根据本发明的涡卷式压缩机的实施例的纵向的截面图;
图2A和2B是回转涡卷的结构的一个例子,其中图2A是该回转涡卷的平面图,图2B为从图2A所示结构的下侧观察的视图;图2C和图2D是回转涡卷的结构的另一个例子,其中图2C是该回转涡卷的平面图,图2D为从图2C所示结构的下侧观察的视图;
图3为显示固定涡卷和回转涡卷的端板的厚度T1(=T2)和指示效率ηi之间的关系的试验结果图;
图4为显示蒸气压缩致冷循环的图;
图5是CO2莫利尔图。
具体实施方式
下面参照附图详细描述本发明的涡卷式压缩机的实施例。
首先,参照图4描述包括本发明的压缩机的CO2循环(结构)。图4的CO2循环S例如应用于车辆的空调器中。参考标号1表示压缩气相CO2的涡卷式压缩机。该涡卷式压缩机1从例如一发动机的驱动源(未示出)接受驱动力。参考标号1a表示将在涡卷式压缩机1中压缩的CO2和外界空气等进行热交换的气体冷却器,以便冷却CO2。参考标号1b表示压力控制阀,根据气体冷却器1a的出口侧的CO2温度控制气体冷却器1a出口侧的压力。CO2被压力控制阀1b和节流器1c减压,CO2进入气液相(即两相状态)。参考标号1d表示蒸发器(即热吸收器)作为车辆的轿厢中的空气冷却装置。当在蒸发器1d中处于气液两相状态的CO2蒸发时,CO2从轿厢中吸收空气的热量(对应于CO2的潜热),使得轿厢冷却。参考标号1e表示暂时存储气相的CO2的收集器。涡卷式压缩机1、气体冷却器1a、压力控制阀1b、节流器1c、蒸发器1d和收集器1e通过管道1f相连,形成循环回路。
下面参照图1描述涡卷式压缩机1的实施例。
涡卷式压缩机1的壳体1A包括杯形的主体2和通过螺栓3固定在主体2上的前壳(即曲轴箱)4。参考标号5表示一曲轴,其穿过前壳4,通过主轴承6和辅助轴承7可旋转地支承在前壳4上。车辆的发动机(未示出)的旋转通过已知的电磁离合器32传递到曲轴5。参考标号32a和32b分别表示电磁离合器32的线圈和皮带轮。
在壳体1A中设置有固定涡卷8和回转涡卷9。固定涡卷8和回转涡卷9例如由铝基或铸铁基材料制成。
固定涡卷8包括端板10和设置在端板10的表面的螺旋凸起(即卷)11,该表面面对下面将说明的端板17。一环形背压块13使用多个螺栓12作为紧固件可拆卸地固定在端板10的背面。O形圈14a和14b设置(即埋置)在背压块13的内周面和外周面。O形圈14a和14b紧密接触壳体的主体2的内周面,壳体的主体2中的高压室16(排出室,下面将说明)与低压室15(抽吸室)分开。高压室16由被背压块13的小直径面13a围绕的空间,被背压块13的大直径面13b围绕的空间(该空间与上述的面13a围成的空间连续),以及固定涡卷8的端板10的背面形成的凹部10a围绕的空间构成(该空间与面13b围成的空间连续)。在固定涡卷18的端板10中,排出口34(即顶部间隙)开口,打开/关闭该排出口34的排出阀35设定在凹部10a中。
回转涡卷9包括端板17和设置在端板17的表面上的螺旋凸起18(即卷),该表面面对另一端板10。螺旋凸起18的形状大致与固定涡卷8的螺旋凸起11相同。
本实施例的一个区别特征是固定涡卷8的端板10的厚度T1大于螺旋凸起11的高度H1的0.9倍,具体说,为H1的1.7倍。类似地,回转涡卷9的端板17的厚度T2(=T1)大于螺旋凸起18的高度H2(=H1)的0.9倍,具体说,为H2的1.7倍。
环形片簧20a设置在固定涡卷8和壳体的主体2之间。多个板簧20a的预定位置通过螺栓20b依次固定在固定涡卷8和主体2上。根据该结构,固定涡卷8仅可通过板簧20a在轴向的最大变形量在轴向移动(即浮动结构)。上述的环形板簧20a和螺栓20b形成固定涡卷支承装置20。在从背压块13的背面凸起的部分和壳体1A之间有间隙C,使得背压块13可在上述轴向移动。固定涡卷8和回转涡卷9这样啮合,即这些涡卷的轴线沿回转半径彼此偏离(即形成偏心结构),这些涡卷的相位相差180°(参见图1)。另外,埋置在螺旋凸起11的顶表面上的顶部密封(未示出)紧密接触端板17的内表面(面对端板10),埋置在螺旋凸起18的顶表面上的顶部密封(未示出)紧密接触端板10的内表面(面对端板17)。另外,螺旋凸起11和18的侧面彼此在某些位置接触,使得封闭空间21a和21b在相对于螺旋的中心对称的点位处形成。另外,允许回转涡卷9回转但禁止涡卷9旋转的防止旋转环27(即十字联轴节)设置在固定涡卷8和回转涡卷9之间。
一凸起22设置在(或突出于)端板17外表面的中心区上。可自由旋转的驱动套筒23通过回转轴承24(或称驱动轴承)插入凸起22中,该轴承也作为径向轴承。另外,一从曲轴5的内侧端伸出的可自由旋转的偏心轴26插入驱动套筒23内的通孔25中。另外,止推球轴承19支承回转涡卷9,其设置在端板17的外表面的外周端和前壳4之间。
一已知的机械密封28(即轴密封)用于密封一轴,围绕曲轴5设置,其包括固定在前壳4上的座环28a和与曲轴5一起旋转的从动环28b。该从动环28b被施力件28c向座环28a推,紧密接触座环28a,使得从动环28b根据曲轴5的转动在座环28a上旋转滑动。
本实施例的涡卷式压缩机1的另一个区别特征是,如图2A和2B所示,起加强作用的多个(例如6个)肋50以径向方式设置在回转涡卷9的端板17的背面侧。在端板17的背面,突出肋50设置在一环形区,其围绕凸起22具有预定的宽度,而具有预定宽度的滑动面(其上无肋50)保留在端板17的外周边侧。根据上述结构,在回转涡卷9上设置肋50,即使端板17的厚度小于螺旋凸起18的高度,即小于通常设定的尺寸,也能获得具有原始设定的尺寸的结构所达到的刚度。肋的结构不限于图2A和2B的上述结构,可以是图2C和2D的结构,其中多个肋52以径向方式设置在回转涡卷9的端板17的背面侧。这时,肋通过在围绕凸起22具有预定宽度的环形区内设置多个凹部51而形成,具有预定宽度的滑动面(其上没有凹部51)保留在端板17的外周边侧。即,肋52形成在端板17中。类似地,起加强作用的加强肋以径向方式设置在固定涡卷8上。
下面解释涡卷式压缩机1的工作。
当车辆发动机的旋转通过驱动电磁离合器32的线圈32a而传递到曲轴5时,通过由偏心轴26、通孔25、驱动套筒23、回转轴承24和凸起22构成的回转驱动机构,回转涡卷9被曲轴5的旋转驱动。回转涡卷9沿具有回转半径的圆形轨迹回转,而涡卷9的旋转被防止旋转环27禁止。
这样,在螺旋凸起11和18的侧面的线接触部分逐渐向“涡旋”的中心移动,因此,封闭空间(即压缩室)21a和21b也向涡旋的中心移动,而各个室的体积逐渐变小。
因此,通过抽吸入口(未示出)流入抽吸室15的工作气体(参见箭头A)从螺旋凸起11和18的顶部的一个开口进入封闭空间21a,达到中心区21c时气体被压缩。压缩气体然后通过设置在固定涡卷8的端板10上的排出口34,打开排出阀35,气体被排出到高压室16中。通过排出出口38气体进一步排出到外界。这样,随着回转涡卷9的回转,从抽吸室15引入的流体在封闭空间21a和21b中被压缩,然后该压缩气体被排出。
当停止驱动电磁离合器32的线圈32a的过程,从而停止传递旋转力给曲轴5时,涡卷式压缩机1的工作停止。当电磁离合器32的线圈32a再次被驱动时,涡卷式压缩机1再次被致动。
在上述的涡卷式压缩机1的结构中,固定涡卷8和回转涡卷9的端板10和17的厚度T1(=T2)比螺旋凸起11和18的高度H1(=H2)的0.9倍大。因此,即使在具有较高工作压力的涡卷式压缩机中,在端板受到压缩工作的负荷时,固定涡卷8和回转涡卷9的端板10和17也不容易变形,因此压缩室20的密封性能不降低。结果,排出量不会因为工作气体从压缩室20泄漏而减少,排出气体温度不会因为泄漏气体的再压缩而上升,从而改善压缩机的性能。
图3是显示厚度T1(=T2)和指示效率ηi之间的关系的试验结果图,其中,ηi为理论功率与理论功率和指示功率损耗(工作气体泄漏引起的功率损耗)的和的比值。如图所示,如果T1为0.9H1或更低,指示效率ηi显著下降。因此,在本实施例中,厚度T1设定为大于0.9H1,类似地,T2设定为大于0.9H2
特别地,车辆空调器要求较小的涡卷式压缩机;因此,固定涡卷和回转涡卷的每个端板的高度(即厚度)受到限制,最好T1(=T2)<3H1(=H2)。
在上述的实施例中,涡卷式压缩机用于使用CO2作为工作气体的CO2循环中;但是,其不限于上述应用,根据本发明的压缩机可应用于使用传统的工作气体如氟利昂的蒸气-压缩式致冷循环中。

Claims (6)

1.一种涡卷式压缩机,包括:
一壳体(1);
一固定涡卷(8),设置在壳体内,包括一端板(10)和一设置在端板(10)一面的螺旋凸起;以及
回转涡卷(9),设置在壳体内,包括一端板(17)和一设置在端板一面的螺旋凸起;其每个涡卷的螺旋凸起与另一个啮合,形成螺旋压缩室;其中:
引入壳体中的一工作气体在压缩室中压缩,然后随着回转涡卷的回转动作而排出;
假定固定涡卷的端板的厚度为T1,回转涡卷的端板的厚度为T2,固定涡卷的螺旋凸起的高度为H1,回转涡卷的螺旋凸起的高度为H2,满足以下条件:
T1>0.9H1
T2>0.9H2
2.按照权利要求1所述的涡卷式压缩机,其特征在于,加强固定涡卷和回转涡卷的加强肋分别设置在每个涡卷的背面。
3.按照权利要求2所述的涡卷式压缩机,其特征在于,在每个端板的背面,一个或多个加强每个涡卷的突出肋(50)设置在具有预定宽度的环形区域内,其上没有加强肋的具有预定宽度的滑动面保留在端板的外周边侧。
4.按照权利要求2所述的涡卷式压缩机,其特征在于,在每个端板的背面,一个或多个肋(52)通过在具有预定宽度的环形区域内设置多个凹部(51)而形成,其上没有凹部的具有预定宽度的一滑动面保留在端板的外周边侧。
5.按照权利要求1所述的涡卷式压缩机,其特征在于,固定涡卷和回转涡卷由铝基材料和铸铁基材料中的一种制成。
6.按照权利要求1所述的涡卷式压缩机,其特征在于,工作气体是二氧化碳。
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