CN1227893A - 用于减少压缩机吸入阀应力的油膜膨胀 - Google Patents

Abstract

对一往复式压缩机的吸入阀的阀座加以改进，以对径向尺寸、从而是能在阀与阀座之间建立一环形油膜的区域进行限定。支承表面的较佳径向尺寸为0.014至0.018英寸，吸入阀座面积与穿过通道的较佳比例在13%至25%范围中。

Description

用于减少压缩机吸入阀应力的油膜膨胀

在采用吸入阀和排出阀的容积式压缩机中，两种阀之间存在相似的地方和不同的地方。这些阀通常是同样的通用类型。每个阀通常均为关闭，并由于一沿开启方向跨越该阀的压力差而打开。阀可由弹性材料制成并提供其自己的支持偏移，也可采用分离弹簧。由于吸入阀通到压缩腔/气缸内，它们通常不带有阀垫以减少间隙容积，从而阀的偏转在实际上不受限制。排出阀通常具有一些种类的阀垫，以避免该排出阀的过度运动/挠曲。略去泄漏的影响，则抽入该压缩腔与由此排出的气体是等量的。然而，吸入行程通常进行半个循环，而压缩和排出行程一起通常为半个循环。在吸入行程的情况下，一旦跨越吸入阀的压力差能使它打开时，该吸入阀即打开。打开吸入阀所需的压力差通常为标称吸入压力的15-35％。在压缩行程的情况下，压缩伴随着被压缩气体容积减少/密度增加而继续，直至压缩气体的压力足以克服与阀件和/或分离弹簧的弹簧偏移一起作用在排出阀上的组合系统压力。打开排出阀所需的压力差通常为标称排出压力的20-40％。相应地，质量流量速率在排出行程过程中大得多。

吸入阀的支持偏移设计成比排出阀低得多。由于阀的动作是由跨越该阀的压力差引起的力起动的这一事实，故低的支持偏移是很重要的。在吸入阀的情况下，发生开启的压力通常比在排出阀情况下低得多。因此，相对于用于排出阀的潜在压力差和打开力来说，对于吸入阀只能产生小的压力差和小的打开力。跨越吸入阀的压力差即使很小的增加也将引起跨越该阀的压力差很大的百分比增加。相反，由于标称工作压力高得多，跨越排出阀的压力差的相同的增加引起压力差小得多的百分比增加。

阀上的打开力F由下式给出：

F＝P·A

式中，P为跨越阀的压力差，A为P作用的阀面积。应注意，压力差作用的方向在一完整循环过程中变化，故压力差在循环过程的某一部分中提供一阀支持偏移。当A保持恒定时，显然F与P成正比，或者具体地说，F的百分比变化与P的百分比变化成正比。例如，假定一运转状态，其中吸入压力为20磅/平方英寸，排出压力为300磅/平方英寸，在35％的典型高出压力值处，气缸在该排出阀打开前将增加到405磅/平方英寸。相反，在30％的典型降压值处，气缸在该吸入阀打开前将下降到14磅/平方英寸。如果为打开该两个阀所需的压力差增加10磅/平方英寸，则排出高出压力值将从35％增加到38％，而吸入降压值则从30％增加到80％。因此，我们能预计吸入阀上的打开力增加167％。

尤其是因为间隙容积的作用，跨越吸入阀的压力差的变化不会很快增加，这是由于该装置因从间隙容积来的压缩空气而在一开始加载，然后像一真空泵一样工作，直至吸入阀打开。具体地说，至气缸的空气流入通常被设计为出现在膨胀和吸入的组合行程的后95％期间。相反，如果流出气缸的容积流量与压缩腔容积的减少速率并不匹配，则当压缩行程完成时，压缩腔的压力迅速提高，并且该压力在排出行程期间继续提高。从气缸的空气流出通常出现在压缩和排出的组合行程的后40％期间。这些关系的一个或多个中的任何实质性改变均将引起与阀的运转问题。

在典型的运转状态下，润滑流体(油)罩复包括吸入阀、排出阀和阀座的压缩机的所有内表面，由这一事实引出另一个复杂因素。有关改进排出阀的排出效率的相关问题记载于美国专利号4580604。在排出阀的情况下，气缸压力必须克服作用在该排出阀上的系统压力、该阀上的弹簧偏移以及该阀对于阀座的任何粘着力。所以，排出阀对于阀座的粘着力表示一种高出的压力，因此是一种效率损失。

一典型的往复式压缩机具有一带有一体吸入口的阀板和吸入阀座。在关闭位置时，在吸入阀与其阀座之间出现的油膜非常薄，在几个分子直径的数量级。这部分是由于在压缩和排出行程期间压缩腔压力作用并提供一用于吸入阀的支持偏移。在正常运转中，施加到吸入阀上的打开力是当活塞在吸入行程期间从该阀移开时由跨越该阀的压力差提供的。典型地，该打开力须大到足以克服由阀的质量(惯性)引起的打开阻力和任何弹簧或其它偏移力。该力并须大到足以张大夹在阀与阀座之间的油膜并进行剪切。影响张大和剪切润滑油膜的因素包括：润滑剂膜的粘度，油膜厚度，润滑剂分子之间的分子间吸引力，吸入阀和/或阀座的结构材料，以及致冷剂除气率。

在采用矿基(MO)或烷基苯(AB)润滑剂的传统致冷剂-压缩机应用中，由于为起动阀的开启所需的压力差相当小，故由润滑剂产生的对于开启的阻力略去不计。这大部分是由于MO和AB润滑剂在整个运转状态的范围上具有低粘度、低的分子间力以及对于致冷剂的良好可溶性。

近年来，对臭氧友好的致冷剂-压缩机应用场合均采用多元醇酯(POE)润滑剂。与MO或AB润滑剂相比，POE润滑剂具有极高的润滑剂粘度，且在HFC致冷剂例如R134a、R404A和R507中可溶性很差，特别是在运转压力和/或温度很低时。POE润滑剂的温度较高会引起对夹在阀与阀座之间的油膜进行张大并剪切的力实质性增加。此外，POE润滑剂是极性很强的材料，故对于通常用于制造阀和阀座的铁基极性材料具有很强的分子吸引力。结构材料与POE的相互吸引使将阀与阀座分开所需的力进一步增加。

为了产生在将吸入阀与其阀座分开所需的力方面的增加，必须增加跨越阀的压力差，同时延迟阀的打开时间。当吸入阀最终打开时，其打开的速度非常快。而吸入阀延迟打开所引起的进入气缸的吸入空气的容积流量速率的增加又使这种状态进一步恶化。吸入空气的容积流量速率的增加引起吸入空气速度的增加，又反过来使施加到吸入阀上的打开力并从而使阀打开的速度增加。由因延迟打开和冲击吸入阀流动的较高的容积流量速率引起的阀上较高的压力差的组合影响引起的吸入阀打开速度的增加使该吸入阀比期望的进一步偏移而进入气缸孔。由于没有如排出阀中出现的阀垫的好处，作为阀偏移增加的结果，阀的运转应力必然增加。如果运转应力明显超过阀的疲劳强度，则阀将出现损坏。

本发明通过促使张大夹在阀与阀座之间的油膜而减少为打开吸入阀所需的压力。以这种方式避免了高的阀的速度、高的容积流量速率、高的吸入空气速度以及高的阀应力有关的相应问题。在效果方面，通过减少阀与阀座的接触面积，可有利地减少为打开阀所需的压力并因此而减少运转应力。

吸入阀的径向尺寸或宽度(w)的值必须仔细控制在一特定范围，以使阀座面积与阀口面积的比例在3％至33％范围，最好在13％至25％范围。吸入阀座的实际径向尺寸最好在0.014英寸至0.018英寸范围，最大可接受宽度为0.02英寸。这个范围代表了在易磨损的刀口支座的最小粘附力与在宽度增加的同时耐用度和粘附力的增加之间的一种折衷。吸入阀座基本上是一从阀板延伸的圆形薄壁圆柱部。

本发明的一个目的在于减少吸入阀对于阀座的粘附力。

本发明的另一目的在于减少吸入阀上的运转应力。

本发明的再一目的在于便于在吸入行程中较早地将吸入阀从阀座上释放。这些和将在以后变得显而易见的其它目的将通过本发明加以实现。

基本上是对吸入阀的阀座进行设计以减少接触面积以及阀与阀座之间的相关油膜。

图1为采用本发明的往复式压缩机一部分的剖视图；

图2为沿图1的2-2线的局部剖视图；

图3为示出吸入阀结构的图1的一部分的剖视图。

在图1和2中，标号10总的表示一往复式压缩机。如传统压缩机一样，压缩机10具有示出为簧片阀的一吸入阀20和一排出阀50，以及一位于孔或气缸40-3中的活塞42。排出阀50具有一阀垫51，该阀垫对阀50的运动进行限定，并通常设计成将施加到阀50上的打开力经排出通道30-5消散到其整个打开运动上。在吸入阀20的情况下，其阀尖20-1与起阀挡块作用的曲轴箱40中的凹槽40-2中的凸缘40-1接合。凸缘40-1在0.1英寸的打开运动后接合，以减少间隙容积，并通过阀20的挠曲作进一步的打开运动，如图1中虚线所示。具体地说，阀20的起始运动如一悬臂梁，直至阀尖20-1与凸缘40-1接合，然后并以一支承在两端的梁的形式弯曲。如图1中虚线所示，阀20运动到孔40-3内。

如上所述，POE润滑剂倾向于在阀20与阀板30中形成的阀座30-1之间引起粘附力。没有本发明的粘附力减少，阀20将以一更高的压力差打开，并以一更高的速度冲击凸缘或挡块40-1而便于弯曲到孔40-3内，当与从吸入通道30-2来的冲击流动结合时，这能使阀20弯曲到超过其屈服强度和/或将阀驱动至进入孔40-3内而使阀尖20-1从凸缘或挡块40-1上滑落。

现参见图3，应注意，阀座30-1基本上是一具有一平的环形支承表面30-1a的薄壁圆柱，该支承表面的阀座面积与阀口面积之比在3％至33％范围，最好为13％至25％范围。此外，支承表面30-1a的较佳的径向尺寸或宽度w为0.014英寸至0.018英寸。为有助于保持所需宽度，提供有精密平衡孔30-2a并通过肩部30-2b与吸入通道30-2分开。阀座30-1的外圆柱表面30-1b相对于精密平衡孔30-2a精密加工，以能保持支承表面30-1a的径向宽度w的公差。限定表面30-1b的肩部30-4和肩部30-2b能与支承表面30-1a垂直，从而简化制造工艺。在由肩部限定的过渡处具有倒角或倒圆也是可接受的，或许是较佳的。这个倒角可在制造过程中消除毛刺的产生，并可便于剪切夹在阀50与支承表面30-1a之间的油膜。

主要的考虑是对油膜60的位置和宽度进行限定。具体地说，是对接触或紧密靠近阀20以在其间保持油膜60的阀座30-1部进行限定。显而易见，油膜越小，它越容易因在吸入行程中在压力差较低、打开较缓和和流动较慢的情况下较早地打开而破裂。

Claims (4)

1.在一具有一其中带有一活塞的气缸(40-3)、一吸入阀(20)以及一带有一整体吸入阀座(30-1)并由油加以润滑的阀板(30)的压缩机(10)中，该油在所述吸入阀与所述阀座之间形成一油膜，至少一部分所述油膜的厚度不超过几个分子的直径，改进之处包括：

所述阀座形成一吸入通道延伸部的环形包围壁，其中所述吸入阀座的面积与所述吸入通道的延伸部的比例在3％至33％的范围。

2.如权利要求1所述的改进，其特征在于，通过所述压缩机对HFC致冷剂加以压缩。

3.如权利要求2所述的改进，其特征在于，所述HFC致冷剂是R134a、R404A和R507的一种。

4.如权利要求1所述的改进，其特征在于，所述阀座具有一带有一径向尺寸不大于0,02英寸的环形支承表面。

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