CN1166869A

CN1166869A - 多转子螺旋压缩机

Info

Publication number: CN1166869A
Application number: CN96191315.0A
Authority: CN
Inventors: 大卫·N·肖
Original assignee: DAVID N SHAW
Current assignee: DAVID N SHAW
Priority date: 1995-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 1997-12-03
Also published as: WO1997016645A1; EP0805923A1; US5642992A; US5807091A; AU7600696A; EP0805923A4

Abstract

一压缩机包括一与两个凹形转子轴向对齐和相配合的凸形转子。凸形转子是由电动机驱动的主动转子，它包括其上安装复合材料外环的圆柱形内金属轴。环包括若干一体地从其伸出的与各凹形转子上的多个齿槽啮合的凸形转子凸齿。这凸齿使得凹形转子与凸形转子之间的定位有一小间隙。该间隙小到足以使液体制冷剂自己提供足够的密封、冷却和润滑。凹形转子定位在凸形转子的相对两侧可平衡凸形转子上的径向负载，因此使径向支承负载达到最小。

Description

多转子螺旋压缩机

发明背景

本发明涉及螺旋型压缩机。更具体地说，本发明涉及一种具有例如一个凸形转子和至少两个凹形转子的多螺旋压缩机。

螺旋型压缩机在本领域中是广为了解的。一个这样的螺旋压缩机采用一个凸形转子与一个凹形转子轴向对齐并相配合。凹形转子的节圆直径大于凸形转子的节圆直径。凸形转子一般是主动转子，但已制造的压缩机所使用的凹形转子为主动转子。在压缩机中一个凸形转子与一个凹形转子的配合通常称作双螺旋或双转子，这在本领域中是众所周知的，并且工业上已使用了数十年。在此标记已有技术的图1示出一个通常在HVAC(加热、通风和空气调节)工业中的压缩机所采用的这种双转子的例子。参阅图1，图中所示的是驱动一轴向对齐的凹形转子12的凸形转子10的剖面图。如所知道的那样凸形转子10由一未示出的电动机驱动。凸形转子10有四个包角(wrap)为300°的凸齿14-17，凹形转子12有六个包角为200°的齿槽(flute)18-23。因此，对于凸形转子10，轴向扫除(sweep)的压缩排放阶段占据每一圈旋转的300°，而封闭的排放口与封闭的吸入口之间的工作时间占据旋转的其余60°。凸形转子与凹形转子之间的总间隙要求把油引入压缩区域以作密封，但是众所周知，油还提供冷却和润滑。然而，这种油的引入需要使用一油分离装置，以使油从在HVAC压缩机中压缩的制冷剂中分离出来。双转子结构的主要好处在于在运行过程中凸形转子与凹形转子之间的低界面速度。但是，双转子结构是不平衡的，因此而受到大的径向支承负载和推力负载。减轻支承负载问题的显而易见的解决方案是安装大尺寸的轴承。但这不是一个合理的方案，因为实际上转子较大的直径使转子相互间靠得太近，以致无法安装大尺寸轴承。

已有技术引入了采用所谓的单螺旋技术的压缩机来致力于解决这个问题。在此参阅标记已有技术的图2和3，图中示出一主动转子24与两个相对的轴向垂直的门式转子26和28。如所知道的那样转子24由一未示出的电动机驱动。转子24有六个槽30，每个门式转子26、28分别有十一个与槽30啮合的齿32、34。门式转子26和28总的由复合材料组成，使门式转子与主动转子之间的定位有一小间隙。这个间隙小到足以使液体制冷剂自己提供足够的密封，该制冷剂还提供冷却和润滑。门式转子26和28的后面定位和在主动转子24相对两侧的定位：(1)使转子24两端的吸入压力相等，由此实际上消除了在上述双螺旋系统中所受到的推力负载，(2)平衡了转子24上的径向负载，由此使径向支承负载达到最小。但是，门式转子与主动转子之间的界面速度很高。因此，该系统的一个普遍问题是当转子失去润滑时，由于转子的高界面速度使它们遭受到大范围的破坏。

发明概要

用本发明的多转子压缩机就可克服或减轻已有技术中上述讨论的和其它的缺点和缺陷。根据本发明，压缩机包括一凸形转子，该凸形转子至少与两个凹形转子轴向对齐和相配合。凸形转子由一电动机驱动，换句话讲，凸形转子是主动转子。凸形转子有多个与各凹形转子上的多个齿槽啮合的凸齿。凹形转子的节圆直径小于凸形转子的节圆直径。

凸形转子包括一其上安装一复合材料外环的圆柱形内金属轴。环包括若干一体地从其伸出的凸形转子凸齿。这些由复合材料组成的凸形转子凸齿使得凹形转子与凸形主动转子之间的定位有一小间隙。这个间隙小到足以使液体制冷剂自己提供足够的密封，但制冷剂还提供冷却和润滑。

把凹形转子定位在凸形转子的相对两侧可平衡凸形转子上的径向负载，因此使径向支承负载达到最小。另外，由于凸形传动转子的直径比已有技术的双螺旋压缩机中的凸形传动转子直径大，因此，可以用尺寸相对大的轴承使转子之间的附加距离、任何凹形转子的径向支承负载达到最小。还应予以理解的是，在运行过程中，凸形与凹形转子之间的界面速度很低，因而，由于转子的高界面速度而使已有技术的单螺旋压缩机在失去润滑时会受到的大面积破坏有所减少。

压缩机包括一有一入口外壳部的外壳、一主外壳部和一排放外壳部。一引入侧板和一排放侧板安装在凸形转子上。引入板的外径与凸形转子的齿根圆直径相等。而排放板的外径与凸形转子的齿顶圆直径相等。这些板起两个作用，一是固定凸形转子的部件，一是使凸形转子两端的吸入压力相等，因此，已有技术的双螺旋压缩机所遇到的那种推力负载实际上消除了。排放口被限定在其中具有截留穴释放部的排放外壳部中。

本领域的熟练技术人员根据下面的详细描述和附图，将能了解和明白本发明的上述讨论的和其它的特征和优点。

附图简要说明

下面参阅附图，在附图中类似的部件用类似的数字编号：

图1是已有技术的双螺旋或双转子结构的剖面示意图；

图2是已有技术的单螺旋结构的俯视示意图；

图3是图2的单螺旋结构的侧面示意图；

图4是本发明的一三转子结构的剖面示意图；

图5A是图1的已有技术双螺旋或双转子结构的未包绕节线的图示分析；

图5B是图4的三转子结构的未包绕节线的图示分析；

图6是采用图4的多转子结构的一压缩机的侧向剖面示意图；

图7是沿图6的线7-7截取的视图，为清晰起见图中去掉了排放板；

图8是本发明另一实施例的多转子结构的剖面示意图；

图9是图6压缩机的引入端视图；

图10是沿图6的线10-10截取的视图；

图11是沿图6的线11-11截取的视图；

图12是图6压缩机的排放端视图；以及

图12A是沿图12的线12A-12A截取的视图。

较佳实施例的说明

参阅图4，图中总的以40示出一用于本发明压缩机中的一转子结构的剖面图。一凸形转子42与凹形转子44和46轴向对齐并相连。凸形转子42由一电动机驱动，这将在以后说明。在此例子中，凸形转子42有八个包角为150°的凸齿48-55，凹形转子44有六个包角为200°的齿槽56-61，凹形转子46也有六个包角为200°的齿槽62-67。凹形转子44、46的节圆直径68、70比凸形转子42的节圆直径72小。因此，对于凸形转子42，轴向扫除的压缩阶段占每一圈旋转的150°，而封闭排放口与封闭吸入口之间的工作时间占旋转的其余30°。两个过程同时发生在凸形转子的顶部和底部。

凸形转子42包括一其上安装一复合材料的外环84的圆柱形内金属轴82。轴82最好由钢、球墨铸铁或其它类似强度的材料组成，以支承转子。环84包括一体突出于其的凸齿48-55。环84最好由热塑或其它用于压缩机即适用于高压场合的合适材料所组成。与已有技术的双螺旋压缩机中的凸形传动转子相比，大直径凸形传动转子考虑了上述的两个结构。在已有技术的双螺旋压缩机中的小直径凸形传动转子不能构造成上述结构，因为小直径内轴的强度不足以适当支承转子。已有技术的中压双螺旋压缩机中的凸形传动转子由实心的整体金属零件所组成。由复合材料组成的凸齿48-55的重要性在于，使凹形转子44和46与凸形传动转子42之间的定位有一小间隙。这个间隙小到足以使液体制冷剂自己提供足够的密封，但是制冷剂还提供冷却和润滑。因此，如在已有技术的双螺旋压缩机中要将油引入压缩区域用以密封、冷却和润滑的需求可以省掉，那是因为复合材料可用液体制冷剂来润滑。此外，把凹形转子44和46定位在凸形转子42的相对两侧可平衡凸形转子上的径向负载，因此使径向支承负载达到最小。另外，由于凸形传动转子的直径比已有技术的双螺旋压缩机中的凸形传动转子的大，因此，可以用尺寸相对大的轴承使转子之间的附加距离、任何径向支承负载达到最小。还应予以理解的是，在运行过程中，凸形与凹形转子之间的界面速度很低，因而，由于转子的高界面速度而使已有技术的单螺旋压缩机在失去润滑时会受到的大面积破坏有所减少。低界面速度使转子节圆界面上的滑动作用达到最小。

参阅图5A和5B，这些图提供了展开了的节线的图解分析。图5A是图1的已有技术双转子的展开节线分析，图5B是图4的转子结构40的展开节线分析。

参阅图6和7，图中总的用90示出了本发明的采用转子结构40的压缩机。压缩机90包括一有一传动轴94的气密电动机92，该传动轴92与凸形转子42的轴82是一体的以便驱动轴82。如上所述，一轴承96安装在电动机92与转子42之间的轴82上，另一轴承98安装在轴82的一端上以吸收任何剩余径向支承负载。所示的轴承96为短圆柱滚子轴承，轴承98为双列向心推力球轴承。压缩机90还包括一有一入口的外壳或引入外壳部、一主外壳部102和一排放外壳部104。用多个销钉110和螺栓把一引入侧板106和一排放侧板108安装在凸形转子42上。图9示出了外壳部100处的引入，图10示出了引入侧板106处的引入。销钉的中心线在环84与轴82的交界处，由此在轴82的外表面和环84的内表面上形成相互配合的半圆纵向槽以接纳销钉。板106的外径与凸形转子42的齿根圆直径相等。而板108的外径与凸形转子42的齿顶圆直径相等。板106和108起两个作用，一是把环84固定在轴82上，一是使凸形转子42两端的吸入压力相等，因此，已有技术的双螺旋压缩机所遇到的那种推力负载实际上消除了。要知道的是板108堵塞了凸形转子42的轴向口区域，但是可以相信，消除推力负载(上述)所带来的好处超过总排放口区域有所减少所带来的好处。应该指出的是，凸形转子42的轴向口区域的重要部分被转子的一凸齿所占据。此外，外径等于凸形转子42齿顶圆直径的板108不会堵塞凸形转子42的径向排放口区域或凹形转子44和46的轴向排放口区域。

排放口被限定在具有截留穴释放部的外壳104中。截留穴的问题在压缩机领域是众所周知的。更具体地说，截留穴是在一凸齿减少两齿槽之间的区域时产生的，凸齿与其中一个齿槽之间的小空隙截留被压缩的制冷剂穴。必须释放该被截留的制冷剂穴，否则由截留的制冷剂穴所产生的阻力会破坏压缩机。

外壳104包括一容纳板108的内圆周表面111。在板108的外圆周与外壳104的内圆周表面111之间有一间隙。一朝内的埋头孔表面112伸出表面111，使得板108与表面111之间的间隙可以用液体制冷剂来密封，因此，使返回到压缩机下侧的泄漏达到最小。此外，凸形转子42的由于板108而与其高压侧脱离密封的排放侧使凸形转子42两端的压力变得相等，因此消除了凸形转子上的推力负载。埋头孔表面112终止在放置凸形转子42的轴的开口或孔114。还设置了开口或孔116和118以分别容纳凹形转子44和46的轴。压缩和排放侧74(即凸形转子42的相应的径向排放区域和凹形转子44的轴向排放口区域)与排放口120相配合，压缩和排放侧76(即凸形转子42的相应的径向排放区域和凹形转子46的轴向排放口区域)与排放口122相配合。图11示出在排放板108的排放，图12和12A示出在外壳部104的排放。由于排放口120的运行与排放口122相同，所以下面将只详细描述排放口120。

排放口120包括一第一向下阶梯部124，该第一向下阶梯部124由一表示表面124与内圆周表面111相交时所围的圆周长的线126、一沿凹形转子44的齿根圆直径的边缘128以及一与其余径向和轴向口区域的周边配合的弯曲边缘130所限定，这种区域在本领域中是众所周知的并有定义。由于这种区域与第一向下阶梯部124对齐，所以该第一向下阶梯部124在前述的截留穴的凹形转子侧形成释放区。又一个第二向下阶梯部132伸出向下阶梯部124，并且总的与凹形转子44的轴向口区域对齐。两阶梯部124和132引入一总的与径向流动区域对齐的排放孔134。来自排放口120和122的排放孔组合在一起并成形成压缩机的单个排放出口。

尽管所描述的上述实施例有一具有八个凸齿的凸形转子，由此凸形转子每旋转一圈对每一凹形转子产生八个排放脉冲，每转产生的总脉冲是十六个，但较佳的是采用具有九个凸齿(即奇数个)的凸形转子。每转十六个脉冲实际上所产生的仅仅是每转八个脉冲，那是因为每两个脉冲是同时出现的，即每一凹形转子出现一个。对于具有九个凸齿的凸形转子，每转产生十八个脉冲，即对于每一个凹形转子来讲是每转九个脉冲。但是，十八个脉冲的任一个出现时其它的脉冲都不会出现，因而形成一个更均匀或平稳的排放流动，即无噪声。

此外，所描述的上述实施例只有两个凹形转子，但采用两个或两个以上的凹形转子和单个凸形转子也在本发明的范围之内。参阅图8，一凸形转子140与三个等间距的凹形转子142、144和146轴向对齐并相配合。凸形转子140如上所述那样由一电动机驱动。在该实施例中，凸形转子140的凸齿在九到十三个之间(例如包角为100°的十二个凸齿)，凹形转子142的齿槽在四到七个之间(例如包角为200°的六个齿槽)，凹形转子146的齿槽也在四到七个之间(例如包角为200°的六个齿槽)。包角由下列公式确定：凸形转子包角＝凹形转子包角(每转子的凹形转子齿槽数/每转子的凸形转子的凸齿数)。另外，凹形转子142、144、146的节圆直径小于凸形转子140的节圆直径。

还有，虽然上述例子是针对用于HVAC的压缩机的，但本发明的多转子结构可等同地用于其它螺旋型压缩机，例如采用诸如氦、空气和氨的工作流体的压缩机。另外，本发明的多转子压缩机特别适合于无油空气压缩。

虽然已示出和描述的较佳实施例，但在不脱离本发明的基本精神和范围的情况下，可对它们进行多种改变和替换。因此，应予以理解的是，举例说明仅仅是用来说明本发明而不是用来限制本发明。

Claims

1.一种螺旋转子压缩机，它包括：

一第一转子；以及

至少两个与所述第一转子轴向对齐的第二转子，所述第一转子与所述第二转子相配合，由此所述第一转子驱动所述第二转子，所述第二转子绕所述第一转子等间距分布。

2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，

所述第一转子包括一具有多个有一定包角度的凸齿的凸形转子；以及

所述至少两个第二转子包括至少包括两个凹形转子，所述每一凹形转子具有多个有一定包角度的齿槽。

3.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述凸形转子包括：

一总的为圆柱形的金属轴；以及

一具有所述一体地凸出于该轴的环，所述环设置在所述轴上并与所述轴一起旋转，所述环由复合材料所组成。

4.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述至少两个凹形转子包括两个转子。

5.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述至少两个凹形转子包括三个凹形转子。

6.一种螺旋转子压缩机，它包括：

一压缩机外壳；

一设置在所述压缩机外壳中的驱动电动机；

一设置在所述压缩机外壳中的并与所述驱动电动机配合的第一转子，由此所述驱动电动机驱动所述第一转子；以及

至少两个与所述第一转子轴向对齐的第二转子，所述第一转子与所述第二转子相配合，由此所述第一转子驱动所述第二转子，所述第二转子总的绕所述第一转子等间距分布。

7.如权利要求6所述的压缩机，其特征在于，

所述至少两个第二转子包括至少两个凹形转子，所述每一凹形转子具有多个有一定包角度的齿槽。

8.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述凸形转子包括：

一总的为圆柱形的与所述驱动电动机配合的金属轴；以及

9.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于还包括：

一设置在所述凸形转子的引入端的引入侧板，所述引入侧板基本上为圆形，其外径约与所述凸形转子的节圆直径相同；以及

一设置在所述凸形转子的排放端的排放侧板，所述排放侧板基本上为圆形，其外径约与所述凸形转子的齿根圆直径相同。

10.如权利要求9所述的压缩机，其特征在于所述压缩机外壳包括：

一引入外壳部；

一主外壳部；以及

一排放外壳部，所述排放外壳部包括：

一容纳所述排放侧板的内圆周表面，在所述内圆周表面与所述排放侧板的外圆周表面之间构成一间隙，

一从所述内圆周表面伸出并终止在开口的埋头孔表面，伸出所述内圆周表面的所述埋头孔表面使所述间隙被所述压缩机中的液体所密封，以及

至少两个排放口，每一个定位成与所述凸形转子的排放口区域配合，并与所述凹形转子对应。

11.如权利要求10所述的压缩机，其特征在于，所述每个排放口包括：

一第一向下阶梯部，该第一向下阶梯部由一所述埋头孔表面与所述内圆周表面的交界一沿对应的凹形转子的齿根圆直径的边缘以及一与所述凸形转子和所述对应的凹形转子的其余排放口区域的周边配合的弯曲边缘所限定，由此所述第一向下阶梯部提供截留穴释放部；

一个伸出所述第一向下阶梯部的第二向下阶梯部，所述第二向下阶梯部总的与所述对应的凹形转子的轴向排放口区域对齐；以及

其中所述第一和第二阶梯部引入一总的与所述凸形转子和所述对应的凹形转子的一径向排放区域对齐的排放孔。

12.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于还包括：

一设置在所述凸形转子的引入端的引入侧板，所述引入侧板基本上为圆形，其外径约与所述凸形转子的齿根圆直径相同；

一设置在所述凸形转子的排放端的排放侧板，所述排放侧板基本上为圆形，其外径约与所述凸形转子的齿顶圆直径相同；以及

多个连接于所述引入侧和排放侧板以把所述环固定在所述轴上的销钉。

13.如权利要求12所述的压缩机，其特征在于，

所述销钉设置在形成于所述轴的外表面和所述环的内表面的相互配合的槽中。

14.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述至少两个凹形转子包括两个凹形转子。

15.如权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述至少两个凹形转子包括三个凹形转子。