CN1240943C - 涡旋压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涡旋压缩机，其包括：固定到位并具有在端板一个侧表面上设置的螺旋壁体的固定涡壳；以及具有在端板(13a)一个侧表面上设置的螺旋壁体(13b)的环绕涡壳(13)，该涡壳通过各壁体的接合而得以支撑，从而围绕固定涡壳环绕并回转，而不旋转。当比设置在端板(13a)上的台阶部分(43)更向外的壁体(13b)的长度由H表示，且台阶部分(43)的高差由L表示时，L/H为0.2或更小。

Description

涡旋压缩机

                      技术领域

本发明涉及一种安装在空调、冰箱等之内的涡旋压缩机。

                      背景技术

在传统的涡旋压缩机中，固定涡壳和环绕涡壳通过将它们的螺旋壁体接合得以设置，而在壁体之间形成的压缩室内的流体由于压缩室的容积随着环绕涡壳围绕着固定涡壳回转逐渐减小而被压缩。

在涡旋压缩机设计中的压缩比为压缩室的最大容积(在压缩室由各壁体啮合而形成时的容积)与压缩室的最小容积(恰好在各壁体脱离啮合且压缩室消失之前的容积)之比，并由以下的方程式(I)表示：

V_i＝{A(θ_suc)·L}/{A(θ_top)·L}＝A(θ_suc)/A(θ_top)  ...........(I)

在方程式(I)中，A(θ)是表示平行于压缩室旋转面的横截面面积的函数，其中，压缩室根据环绕涡壳的旋转角θ而改变容积；θ_suc是压缩室达到其最大容积时环绕涡壳的旋转角度；θ_top是压缩室达到其最小容积时环绕涡壳的旋转角度；L是各壁体的重叠(叠加)长度。

传统上，为了增大涡旋压缩机的压缩比V_i，增加两个涡壳的壁体的环绕数，以增大压缩室最大容积处的横截面面积A(θ)。然而，在增大壁体环绕数的传统方法中，涡壳的外形被放大，而增大了压缩机的尺寸；为此原因，难于在具有严格尺寸限制的汽车空调等之内利用这种方法。

为了试图解决上述问题，日本已审查的专利申请，二次公开文本第Sho60-17956号(日本未实审专利申请，初次公开文本第Sho-30494)提出了以下技术。

图9A示出上述申请的固定涡壳50，其包括一端板50a和设置在端板50a侧表面上的螺旋壁体50b。图9B示出环绕涡壳51，其同样包括端板51a和设置在端板51a侧表面上的螺旋壁体51b。

台阶部分52设置在固定涡壳50的端板50a侧表面上。台阶部分52具有两个部分，其中一部分在端板50a侧表面中心处较高，而另一部分在端板50a的外端较低。此外，对应于端板50a的台阶部分52，台阶部分53设置在固定涡壳50的壁体50b的螺旋上边缘。台阶部分53具有两个部分，其中一部分在螺旋上边缘的中心处较高，而另一部分在螺旋上边缘外端较低。类似地，台阶部分52设置在环绕涡壳51的端板51a侧表面上。台阶部分52具有两个部分，其中一部分在端板51a侧表面中心处较高，而另一部分在端板51a外端较低。此外，对应于台阶部分52的端板51a，台阶部分53设置在环绕涡壳51的壁体51b的螺旋上边缘上。台阶部分53具有两个部分，其中，一部分在螺旋上边缘中心处较高，而另一部分在螺旋上边缘的外端较低。

图10A为环绕涡壳的平面图，而图10B是沿图10A中的线I-I截取的横截面图。比台阶部分52更向外的壁体的垂直长度(重叠长度)由H表示。台阶部分52的高差由L表示。比台阶部分52更向内的壁体的垂直长度(重叠长度)由H2表示。

如图10B所示，比台阶部分52更向外的壁体的重叠长度H长于比台阶部分52更向内的壁体的重叠长度H2。与具有一致重叠长度的压缩室的最大容积相比，压缩室P的最大容积随着比台阶部分52更向外的壁体的重叠长度变得更大而增大。结果，设计中的压缩比V_i可以增大，而不需增加壁体的环绕数。此外，由于每个台阶部分的重叠长度较短，可以避免应力集中。

然而，当压缩比V_i如上所述增大时，会产生以下问题。如图11所示，随着压缩比V_i增大，压力根据旋转角度而快速增加。此外，由于加工公差等，在台阶部分52和53之间的接合部分处趋于保持一间隙。如果长度L较大，从压缩室泄漏的致冷剂量增大。

换句话说，当为了增加压缩比V_i而增大L/H时，理论效率增大；然而，实际上，致冷剂经由台阶部分52和53之间的按合部分而从压缩室泄漏的量由于高压和高度L增大而增大。因此，存在涡旋压缩机的压缩效率由于泄漏而下降的问题。

                        发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种增大压缩效率的涡旋压缩机。

本发明的一个方面为提供一种涡旋压缩机，其包括：固定到位并具有在端板一个侧表面上设置的螺旋壁体的固定涡壳；具有在端板一个侧表面上设置的螺旋壁体的环绕涡壳，其通过各壁体的接合而得以支撑，从而围绕固定涡壳环绕并回转(revolve)，而不旋转(rotation)；设置在固定涡壳和环绕涡壳之一的端板上的第一台阶部分，其沿着端板一个侧表面上的螺旋壁体在中心侧处于较高平面，而在外端侧处于较低平面；以及通过将上边缘分成多个部分而设置在固定涡壳和环绕涡壳中另一个的壁体上边缘上的第二台阶部分，第二台阶部分对应于第一台阶部分而从外端到中心为从较高平面到较低平面，其中，当在一个涡壳内的第一台阶部分外侧的壁体长度由H表示，且台阶部分的高差由L表示时，L/H为0.2或更小。

如上所述，由于随着L/H增大而泄漏量增大，压缩效率降低。图12是示出L/H和压缩效率关系的曲线。如图12所示，如果L/H为0.2或更小，通过防止压缩效率的降低并避免应力集中而实现高性能的涡旋压缩机。此外，通过避免致冷剂泄漏而使涡旋压缩机具有满意的压缩效率。

                       附图说明

图1是根据本发明的涡旋压缩机实施例的侧向横截面图；

图2是在根据本发明的涡旋压缩机中设置的固定涡壳的透视图；

图3是在根据本发明的涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的透视图；

图4A是在根据本发明的涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的平面图；

图4B是在根据本发明的涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的侧向横截面图；

图5是说明驱动涡旋压缩机时压缩流体过程的示意图；

图6是说明驱动涡旋压缩机时压缩流体过程的另一示意图；

图7是说明驱动涡旋压缩机时压缩流体过程的另一示意图；

图8是说明驱动涡旋压缩机时压缩流体过程的另一示意图；

图9A是在传统涡旋压缩机中设置的固定涡壳的透视图；

图9B是在传统涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的透视图；

图10A是在传统涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的平面图；

图10B是在传统涡旋压缩机中设置的环绕涡壳的侧向横截面图；

图11是利用V_i示出旋转角和压缩室内压力之间的关系的曲线；

图12是示出L/H与压缩效率之间关系的曲线。

                     具体实施方式

参照附图1到8，将解释根据本发明的涡旋压缩机的实施例。

图1示出作为本发明实施例的背压涡旋压缩机的结构。涡旋压缩机包括气密壳体1、将壳体1分隔成高压室(HR)和低压室(LR)的排放罩2、框架5、吸入管6、排放管7、电机8、旋转轴9和防旋转机构10。

此外，涡旋压缩机具有固定涡壳12和与固定涡壳12啮合的环绕涡壳13。如图2所示，固定涡壳12包括设置在端板12a侧表面上的螺旋壁体12b。环绕涡壳13同样包括设置在端板13a侧表面上的螺旋壁体13b，尤其是，壁体13b形状与固定涡壳12的壁体12b类似。环绕涡壳13由回转半径抵靠固定涡壳12而同心设置，并通过接合壁体12b和13b而以180度相移与固定涡壳12啮合。

在这种背压涡旋压缩机中，固定涡壳12未完全用螺栓等固定到框架5上，因此，固定涡壳12在预定区域内可移动。

圆柱形凸台A设置在环绕涡壳13的端板13a的另一侧表面上(同时，壁体13b设置在端板13a的一侧表面上)。设置在电机4驱动的旋转轴9上端的同心部分9a容放在凸台A内，以便在其内自由旋转。从而，环绕涡壳13环绕固定涡壳12，并且其旋转由防旋转装置10加以阻止。

另一方面，固定涡壳12经由压缩弹簧(弹性体)支撑在框架5上，从而可自由移动并被压向环绕涡壳13。在端板12a背面中心处，设置了用于排出压缩流体的排放口15。在排放口15的圆周上，设置了从固定涡壳12端板12a的背侧表面伸出的圆柱形凸缘16，并且该凸缘16与设置在排放罩2上的圆柱形凸缘17接合。圆柱形凸缘16和17的接合部分具有由密封元件18形成的密封结构，从而，腔室被分隔成高压室(HR)和低压室(LR)，而固定涡壳12需要通过向固定涡壳背侧表面施加高压(背压)而向下推压。密封元件18横截面为U形；高压室(HR)还作用为在固定涡壳12的背侧表面提供较高的排放压力的背压室。

如图2所示，固定涡壳12的端板12a包括在设置了壁体12b的一个侧表面上设置的台阶部分42，从而，台阶部分42具有两个部分，其中一部分在螺旋壁体12b上边缘中心侧较高，而另一部分在螺旋壁体12b的上边缘外端侧较低。

如图3所示，环绕涡壳13的端板13a类似地包括在设置了壁体13b的一侧侧表面上设置的台阶部分43，从而，台阶部分43具有两个部分，其中一部分在螺旋壁体13b上边缘的中心侧较高，而另一部分在螺旋壁体13b上边缘的外端侧较低。

端板12a的底面被分成两个底面部分12f和12g，底面12f在壁体上边缘与其之间具有较短的长度，而底面12g在壁体上边缘与其之间具有较长的长度。底面12f设置在螺旋壁体12b的中心侧，而底面12g设置在螺旋壁体12b的外端侧。台阶部分42设置在相邻的底面12f和12g之间，而连接底面12f和12g的连接壁表面12h设置成垂直于底面12f和12g。端板13a的底面类似地也分成两个底面部分13f和13g，底面13f在壁体上边缘与其之间具有较短的长度，而底面13g在壁体上边缘与其之间具有较长的长度。底面13f设置在螺旋壁体13b的中心侧，而底面13g设置在螺旋壁体13b的外端侧。台阶部分43设置在相邻的底面13f和13g之间，而连接底面13f和13g的连接壁表面13h设置成垂直于底面13f和13g。

图4A为环绕涡壳13的平面图，而图4B为沿图4A中的线II-II截取的横截面图。环绕涡壳13将在下文说明。固定涡壳12具有与环绕涡壳13类似的元件。

如图4A和4B所示，在环绕涡壳13中，比台阶部分43更向外的螺旋壁体13b的垂直长度由H表示，比台阶部分43更向内的螺旋壁体13b的垂直长度由H2表示。此外，台阶部分的高差，即，连接壁表面13h的垂直长度由L表示。

H和L在以下范围内预先确定。

图12为通过分析L/H和压缩效率之间关系获得的曲线。如图12所示，如果L/H太大，致冷剂通过台阶部分43的泄漏量增大，因而压缩效率下降。为了避免压缩效率下降，本发明中的H和L预定为L/H≤0.2。

固定涡壳12的壁体12b螺旋上边缘分成对应于环绕涡壳13的台阶部分43的两个部分，并在中心侧较低，而在外侧较高，从而，获得台阶部分44。环绕涡壳壁体13b的螺旋上边缘类似地分成对应于固定涡壳12的台阶部分42的两个部分，并在中心侧较低，而在外侧较高，从而获得台阶部分45。

例如，壁体12b的上边缘分成两个部分，即，设置在螺旋壁体12b中心侧的下部上边缘12c，和设置在螺旋壁体12b外侧的上部上边缘12d。连接相邻上边缘12c和12d的连接边缘12e设置在二者之间，从而垂直于旋转表面。此外，壁体13b的上边缘类似地分成两个部分，即，设置在螺旋壁体13b中心侧的下部上边缘13d和设置在螺旋壁体13b外侧的上部上边缘13d。连接相邻上边缘13c和13d的连接边缘13e设置在二者之间，从而垂直于旋转表面。

当从环绕涡壳13的方向看壁体12b时，连接边缘12e平滑地连接到壁体12b的内侧表面和外侧表面，并为直径与壁体12b厚度相等的半圆。类似地，当从固定涡壳12的方向看壁体13b时，连接边缘13e平滑地连接到壁体13b的内侧表面和外侧表面，并为直径与壁体13b厚度相等的半圆。

当从旋转轴方向看端板12a时，连接壁表面12h的形状为圆弧，该圆弧与连接边缘13e随着环绕涡壳13环绕所绘出的包络曲线匹配。连接壁表面13h的形状同样为圆弧，该圆弧与连接边缘12e所绘出的包络曲线匹配。

在固定涡壳12壁体12b和环绕涡壳13的壁体13b的上边缘上未设置尖端密封(tip seal)。压缩室C(后面说明)的气密性通过用端板12a和13a压缩壁体12b和13b的各端面而维持。

当环绕涡壳13连接到固定涡壳12上时，下部上边缘13c直接接触较浅的底面12f上，而上部上边缘13d直接接触较深的底面12g上。同时，下部上边缘12c直接接触较浅的底面13f，而上部上边缘12d直接接触较深的底面13g。结果，压缩室C由在两个涡壳之间彼此面对的端板12a和13a以及壁体12b和13b在压缩机中分隔出的空间而形成。

压缩室C随着环绕涡壳13旋转从外端向中心移动。在壁体12b和13b的接触点比连接边缘12e更靠近外端的同时，连接边缘12e抵靠连接壁表面13h滑动，从而在各压缩室C(其中之一不是气密的)之间没有流体泄漏，其中各压缩室C通过其间的壁体12彼此相邻。在壁体12b和13b的接触点并不比连接边缘12e靠近外端时，连接边缘12e并不抵靠连接壁表面13h滑动，从而，在各压缩室C(两个压缩室都是气密的)之间维持相等的压力，其中各压缩室通过其间的壁体12而彼此相邻。

类似地，在壁体12b和13b的接触点比连接边缘13e更靠近外端时，连接边缘13e抵靠连接壁表面12h滑动，从而在各压缩室C(其中之一不是气密的)之间没有流体泄漏，其中各压缩室C通过其间的壁体13彼此相邻。在壁体12b和13b的接触点并不比连接边缘13e靠近外端时，连接边缘13e并不抵靠连接壁表面12h滑动，从而，在各压缩室C(两个压缩室都是气密的)之间维持相等的压力，其中各压缩室通过其间的壁体13而彼此相邻。另外，在环绕涡壳13的半个活动范围期间，在连接边缘13e抵靠连接壁表面12h滑动的同时，连接边缘12e抵靠连接壁表面13h滑动。

将参照图5到图8以图中的顺序说明具有上述结构的涡旋压缩机工作期间压缩流体的过程。

在图5所示的状态中，壁体12b的外端直接接触壁体13b的外侧表面，而壁体13b的外端直接接触壁体12b的外侧表面；流体注入端板12a和13a与壁体12b和13b之间，后者在涡旋压缩机机构的中心两侧上精确相对的位置处形成两个较大容积的压缩室C。同时，连接边缘12e抵靠连接壁表面13h滑动，而连接边缘13e抵靠连接壁表面12h滑动，而此后，该滑动立即停止。

图6示出环绕涡壳13从图5所示的状态环绕过π/2时的状态。在该过程中，压缩室C以保持气密度不变的状态向中心移动，同时通过其容积的逐渐减小而压缩流体；在压缩室C之前的压缩室C0也以保持其气密度不变的状态向中心移动，同时通过逐渐减小其容积而连续压缩流体。连接边缘12e和连接壁表面13h之间的滑动接触，及连接边缘13e与连接壁表面12h之间的滑动接触在这个过程中终止，而彼此相邻的两个压缩室C以相等的压力连接在一起。

图7示出环绕涡壳13从图6所示的状态环绕过π/2的状态。在这个过程中，压缩室C以保持其气密度不变的状态向中心移动，同时通过其容积的逐渐减小而压缩流体；在压缩室C之前的压缩室C0也以保持其气密度不变的状态向中心移动，同时通过其容积的逐渐减小而连续压缩流体。在这个过程中，连接边缘12e开始抵靠连接壁表面13h滑动，而连接边缘13e开始抵靠连接壁表面12h滑动。

在图7所示的状态中，空间C1在壁体12b的内侧表面和壁体13b的外侧表面之间形成，其中壁体12b的内侧表面靠近外圆周端，而壁体13b的外侧表面定位在壁体12b的内侧表面的内侧；这个空间C1变成后来的压缩室。类似地，空间C1在壁体13b的内侧表面和壁体12b的外侧表面之间形成，其中壁体13b的内侧表面靠近外圆周端，而壁体12b的外侧表面定位在壁体13b内侧表面的内侧；空间C1也变成后来的压缩室。低压流体从低压室(LR)送入空间C1。

图8示出环绕涡壳13从图7所示的状态环绕过π/2的状态。在这个过程中，空间C1的尺寸随着向涡旋压缩机机构的中心移动而增大；在压缩室C1之前的压缩室C也向中心移动，同时通过其容积的逐渐减小而压缩流体。

图5示出环绕涡壳13从图8所示状态环绕过π/2的状态。在这个过程中，空间C1随着向涡旋压缩机机构的中心移动而尺寸上进一步增大；在压缩室C1之前的压缩室C也以保持其气密度不变的状态向中心移动，同时通过其容积的逐渐减小而压缩流体。当达到图5所示的状态时，图5所示的压缩室C0变得与图8所示的压缩室C相等，而图8所示的空间C1变得与图5所示的空间C相等。

结果，在保持压缩的同时，压缩室达到其最大容积，而流体从压缩室C排出。

被排出的流体被引入高压室(HR)。以较高的背压将固定涡壳12推压向环绕涡壳13。密封元件15由于将高压流体引入到U形部分内产生的压差而拓宽。高压室(HR)和低压室(LR)通过将密封元件15的表面压向圆柱形凸缘16和17的圆周表面而得以密封。

如上所述，由于比台阶部分设置得更向外的外侧壁体的高度H预先确定为L/H≤0.2，则防止了由流体泄漏导致的损失，而因此，可以以优良的压缩效率进行压缩。

此外，在上述的涡旋压缩机中，压缩室的体积变化不仅仅由平行于涡壳环绕面的横截面面积的减小而引起，而是该变化由压缩室在环绕轴方向上的宽度的减小以及横截面面积的减小协同引起的。

在比台阶部分更向外的外端侧处的每个壁体12b和13b的重叠长度，以及在比台阶部分更向内的中心侧处的每个壁体12b和13b的重叠长度之间存在差异，从而，压缩室C的最大容积增大，而压缩室C的最小容积减小。结果，与具有一致壁体重叠长度的传统涡旋压缩机的压缩比相比，本发明的涡旋压缩机的压缩比得以提高，避免了应力集中，从而，实现了优良性能的涡旋压缩机。

背压涡旋压缩机作为一个实施例加以描述，但是，本发明不限于上述实施例，而是可以采用任何涡旋压缩机，只要该涡旋压缩机在涡壳内具有台阶部分即可。此外，考虑到重叠长度(叠加应力)，由此可确定H和L。

工业应用性

在第一台阶部分外侧处的壁体垂直长度由H表示，一个涡壳中的台阶部分高差由L表示时，L/H被确定为0.2或更小。结果，由于防止压缩效率减小并避免了应力集中而实现性能优良的涡旋压缩机。此外，通过避免致冷剂泄漏而使涡旋压缩机具有满意的压缩效率。

Claims (1)

1.一种涡旋压缩机，包括：

固定涡壳(12)，其固定到位并具有在端板一个侧表面上设置的螺旋壁体；

环绕涡壳(13)，其具有在端板(13a)一个侧表面上设置的螺旋壁体(13b)，并通过各壁体的接合而得以支撑，从而围绕固定涡壳环绕并回转，而不旋转；

第一台阶部分(42、43)，它们设置在固定涡壳和环绕涡壳之一的端板上，并沿着端板一个侧表面上的螺旋壁体在中心侧处于较高平面，而在外端侧处于较低平面；以及

第二台阶部分(44、45)，通过将上边缘分成多个部分而设置在固定涡壳和环绕涡壳中另一个的壁体上边缘上，对应于第一台阶部分，该第二台阶部分从外端到中心为从较高平面到较低平面，

其中，当在一个涡壳内的第一台阶部分(43)外侧的壁体(13b)的长度由H表示，且第一台阶部分(43)的高差由L表示时，L/H为0.2或更小。

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