專利名稱：容積式渦旋流體壓縮裝置的楔形曲柄軸的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與容積式流體裝置有關(guān)。更具體地說(shuō)，本發(fā)明與容積式渦旋流體壓縮裝置中的楔形曲柄軸有關(guān)。
容積式渦旋流體壓縮裝置的技術(shù)是眾所周知的，例如授與Creux的美國(guó)專利802.182揭示了一種渦旋型裝置。該裝置包括兩個(gè)渦旋元件，每個(gè)渦旋元件有一個(gè)端板和一個(gè)螺旋形的渦卷。這兩個(gè)渦卷具有相同的幾何形狀，彼此相互嚙合且保持一定的角度和徑向偏移，以在它們螺旋形的曲面之間造成多處線接觸。如此，相互嚙合的渦卷形成了至少一對(duì)被密封住的氣室。當(dāng)一個(gè)渦卷相對(duì)于另一個(gè)渦卷作軌跡為圓的平動(dòng)(這里稱之為公轉(zhuǎn))，上述接觸線就沿著螺旋曲面移動(dòng)，因而密封氣室容積隨之改變。容積之增加或減小取決于兩渦卷之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，這樣，該裝置可以用來(lái)壓縮或膨脹流體。
下面參照

圖1a-1d所示的傳統(tǒng)的渦旋式壓縮機(jī)的一般運(yùn)行原理作一些說(shuō)明。圖1a-1d示意性地示出了相互嚙合的螺旋形的渦卷1和2作相對(duì)運(yùn)動(dòng)以壓縮流體。渦卷1和2相互嚙合并在相互之間保持一定的角度偏移和徑向偏移。圖1a顯示了每個(gè)渦卷的外端與另一渦卷相接觸，也就是吸入階段剛好完成，一對(duì)對(duì)稱的密封氣室A1和A2剛好形成。
圖1b-1d依次顯示了曲柄軸旋轉(zhuǎn)了一定角度后渦卷的位置，當(dāng)曲柄軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封氣室A1和A2以徑向和一定的角度逐漸向嚙合渦卷的中心移動(dòng)，同時(shí)A1和A2的容積逐步減小。當(dāng)曲柄軸的角度從圖1c所示的狀態(tài)到達(dá)1d所示的狀態(tài)時(shí)，密封氣室A1和A2在中心部位A處合并在一起，當(dāng)曲柄軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)，上述合并后的氣室進(jìn)一步減少它的容積。在渦卷作相對(duì)的、軌跡為圓的平動(dòng)時(shí)，圖1b一1d所示的外部空間逐步變化以形成新的密封氣室，其中封閉著將被壓縮的下一個(gè)流體的容積(如同圖1c和1a所示的狀態(tài))。
圖2a和2b為授與Caillat等人的美國(guó)專利4,767,293所示的垂直驅(qū)動(dòng)面徑向隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，標(biāo)號(hào)1為主軸，標(biāo)號(hào)2為關(guān)節(jié)，標(biāo)號(hào)3為與主軸固接的曲柄銷，標(biāo)號(hào)4為曲柄銷驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)面。此時(shí)關(guān)節(jié)2的運(yùn)動(dòng)方向是X方向，它與兩渦卷螺旋線在接觸點(diǎn)的公法線方向垂直。機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)面4與動(dòng)渦卷的運(yùn)動(dòng)方向是垂直的。該機(jī)構(gòu)運(yùn)行中，動(dòng)渦卷和關(guān)節(jié)等零件的離心力需克服氣室中流體的壓力，使動(dòng)渦卷緊緊與另一渦卷相接觸，達(dá)到密封的目的。由于種種因素，例如渦卷制造上不可避免的誤差，以及當(dāng)氣室中混入雜物和不可壓縮的液體時(shí)，關(guān)節(jié)受到很大的徑向分離力，當(dāng)分離力大于離心力時(shí)，動(dòng)渦卷和關(guān)節(jié)沿y方向退讓。這就是目前廣泛采用的徑向隨動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在某些應(yīng)用中，例如汽車空調(diào)壓縮機(jī)和應(yīng)用變頻技術(shù)的可變速的空調(diào)壓縮機(jī)，壓縮機(jī)需要在較大的速度變化范圍內(nèi)工作。尤其是在汽車渦旋空調(diào)壓縮機(jī)應(yīng)用中，壓縮機(jī)要在800-6000轉(zhuǎn)/分的范圍內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，因而公轉(zhuǎn)渦旋元件的離心力變化較大。同時(shí)，汽車空調(diào)的工作條件，即冷凝溫度和蒸發(fā)溫度的變化范圍也較大，使得徑向分離力和驅(qū)動(dòng)力變化范圍較大。這種情況給公轉(zhuǎn)渦旋元件徑向隨動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。
圖3a和3b為日本Saden公司的擺桿裝置的示意圖。標(biāo)號(hào)1為主軸，標(biāo)號(hào)3為固接在主軸上的曲柄銷，標(biāo)號(hào)2為關(guān)節(jié)。O1為主軸的回轉(zhuǎn)中心，O2為關(guān)節(jié)的幾何中心，O3為曲柄銷的幾何中心。如果忽略該機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的慣性力和磨擦力，其曲柄銷3對(duì)關(guān)節(jié)2的驅(qū)動(dòng)力F將作用在O2和O3的連線上。該力可分解為切向驅(qū)動(dòng)力Ft和徑向驅(qū)動(dòng)力Fr。兩力的比為定值tgα。由于該結(jié)構(gòu)的曲柄銷中心O3到主軸中心O1的距離大于第二渦卷公轉(zhuǎn)半徑(即O2至O1的距離)。因此，該結(jié)構(gòu)的主軸的直徑較大，相應(yīng)其關(guān)節(jié)的直徑也較大，這樣會(huì)占用推力軸承的一部分位置，減小推力軸承的有效承載面積，給設(shè)計(jì)與制造都帶來(lái)一定的困難。
本發(fā)明的目的是提供一個(gè)容積式渦旋流體壓縮裝置的楔形曲柄軸，它能克服動(dòng)渦卷所受到的徑向的流體分離力，從而提供一個(gè)有效的徑向依從機(jī)構(gòu)。
為了實(shí)現(xiàn)上述及其它的目的，本發(fā)明提供一種容積式渦旋流體壓縮裝置的楔形曲柄軸，其中，所述壓縮裝置主要包括一個(gè)具有流體進(jìn)出口的殼體；一個(gè)第一渦旋元件，它固定在殼體內(nèi)，具有一個(gè)第一端板和從它平面垂直延伸出來(lái)的第一渦卷；一個(gè)第二渦旋元件，它具有一個(gè)第二端板和從它平面垂直延伸出來(lái)的第二渦卷；上述兩個(gè)渦卷彼此相嚙合，形成密封氣室；一曲柄軸，它由一主軸和一從該主軸尾端伸出的驅(qū)動(dòng)曲柄銷構(gòu)成，所述驅(qū)動(dòng)曲柄銷具有一驅(qū)動(dòng)面，驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面通過(guò)一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)再通過(guò)一驅(qū)動(dòng)軸承驅(qū)動(dòng)上述第二渦旋元件相對(duì)于上述第一渦旋元件作軌跡為圓的平動(dòng)；其中，上述驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面是一個(gè)楔形斜面，上述驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的被驅(qū)動(dòng)面是一個(gè)與驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面配合的楔形斜面；驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)楔面與上述第二渦卷的運(yùn)動(dòng)方向成一不等于90度的夾角。
在所述的裝置中，上述第二渦旋元件沿上述驅(qū)動(dòng)曲柄銷驅(qū)動(dòng)楔面向上述第一渦旋元件的分離運(yùn)動(dòng)方向與上述第二渦旋元件的運(yùn)動(dòng)方向的夾角在45度至85度之間。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，主軸上的驅(qū)動(dòng)曲柄銷通過(guò)一個(gè)楔形斜面推動(dòng)關(guān)節(jié)的楔形斜面，這樣，驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)力有一個(gè)徑向分力，該徑向分力通過(guò)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的軸承傳給動(dòng)渦旋元件，使動(dòng)渦旋元件能克服在壓縮流體過(guò)程中所承受的徑向分離力，達(dá)到使動(dòng)、靜渦卷之間所形成的密封氣室在切向密封。
參照附圖閱讀下文的詳細(xì)說(shuō)明，本發(fā)明將較容易地被理解。
圖1a-1d示出了已有技術(shù)中的渦旋式壓縮機(jī)中的渦卷作軌跡為圓的平動(dòng)之情況；圖2a-2b示出了已有技術(shù)中的垂直驅(qū)動(dòng)面徑向隨動(dòng)機(jī)構(gòu)；圖3a-3b示出了已有技術(shù)中的擺桿驅(qū)動(dòng)裝置；圖4示出了根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的容積式渦旋壓縮機(jī)的剖面圖；圖5a-5b示出了根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的具有楔形驅(qū)動(dòng)面的曲柄軸的結(jié)構(gòu)圖以及其受力情況分析圖；圖6a-6b示出了根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的受力情況分析圖及其縱剖視圖；圖7示出了曲柄軸與驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)之間的受力情況分析圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的一個(gè)渦旋型空調(diào)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)10包括主機(jī)架20，壓縮機(jī)前殼21，電磁離合器22和第一渦旋元件(或叫做靜渦旋元件)60。主機(jī)架上裝有主徑向軸承32。主軸40由主軸承32和裝在前殼21上的軸承34所支承，并可繞其軸線S1在電磁離合器22的驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)。
一驅(qū)動(dòng)曲柄銷42由主軸40的尾端伸出，主軸40和驅(qū)動(dòng)曲柄銷構(gòu)成所謂的“曲柄軸”。該驅(qū)動(dòng)曲柄銷中心軸線S2與主軸的中心軸線S1彼此之間有一偏移。該偏移距離等于第二渦旋元件的公轉(zhuǎn)半徑Ror。所謂公轉(zhuǎn)半徑是第二渦旋元件(或叫動(dòng)渦旋元件)50相對(duì)于第一渦旋元件60作軌跡為圓的平動(dòng)的軌跡半徑。
第一渦旋元件60具有一個(gè)端板61，第一渦卷62從其平面垂直延伸。第一渦旋元件60與軸線S1相垂直并固定在主機(jī)架20的一個(gè)平面64上。這樣在一個(gè)渦旋元件的渦卷的前端和另一個(gè)渦旋元件的端板的底部之間就保持了恰當(dāng)?shù)拈g隙。
這種間隙必須足夠大，以便即使在制造上有容差以及在正常運(yùn)行下有熱膨脹存在時(shí)仍能避免一渦卷的前端和另一端板的底部之間的互相接觸。另一方面，這種間隙又必須足夠小，以保證在壓縮氣室之間的徑向泄漏能被位于渦卷前端的螺旋槽內(nèi)的前端密封磨擦片66所密封。
第二渦旋元件50包括有一端板51，第二渦卷52從其平面垂直延伸，而自端板后表面延伸出軸承座53。
渦卷52和62互相嚙合，并在角度上保持180度的相位差，而在徑向則保持公轉(zhuǎn)半徑Ror的位移。如此，渦卷52和62以及端板51和61之間至少形成一對(duì)密封氣室。第二渦旋元件50通過(guò)驅(qū)動(dòng)曲柄軸承43和驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)41與驅(qū)動(dòng)曲柄銷42連接，歐丹環(huán)45的作用是防止第二渦旋元件50轉(zhuǎn)動(dòng)。在主軸40的驅(qū)動(dòng)下，第二渦旋元件50以公轉(zhuǎn)半徑Ror相對(duì)于第一渦旋元件60作軌道運(yùn)動(dòng)以壓縮氣體。工作氣體從入口91經(jīng)通道93進(jìn)入由渦旋元件50，60所形成的吸氣室95，然后被渦卷所壓縮，最后由排氣孔70，經(jīng)過(guò)排氣閥71和排氣通道72排出。
圖5a-5b示出了根據(jù)本發(fā)明所建的曲柄軸，它的驅(qū)動(dòng)曲柄銷42具有呈楔形斜面的驅(qū)動(dòng)面140，主軸40在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)面140推動(dòng)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)41的被驅(qū)動(dòng)面142(圖6a-6b)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)41的被驅(qū)動(dòng)面142也呈與驅(qū)動(dòng)曲柄銷42的驅(qū)動(dòng)面140相配合的楔形斜面。如圖7所示，與主軸40固接的曲柄銷42，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)41，帶動(dòng)動(dòng)渦卷做軌跡為圓的平動(dòng)。驅(qū)動(dòng)面與此時(shí)作軌跡為圓的平動(dòng)的動(dòng)渦卷之運(yùn)動(dòng)方向(圖示的X方向)成一小于90度的夾角α。需要指出的是，確切地說(shuō)，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向是與兩渦旋形線接觸點(diǎn)的公法線垂直，也就是與主軸和關(guān)節(jié)的兩中心連線垂直。因此，當(dāng)關(guān)節(jié)沿驅(qū)動(dòng)面方向移動(dòng)(即產(chǎn)生隨動(dòng))時(shí)，夾角α有變化。但這種隨動(dòng)是微小的，因此該夾角可以認(rèn)為是一定值。后面我們稱角α為楔形曲柄軸的楔形角。楔形曲柄軸和關(guān)節(jié)間的接觸面應(yīng)是光滑的，而且有良好的潤(rùn)滑。因此，曲柄軸對(duì)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力只能在圖7所示的F1和F2之間的范圍之內(nèi)。F1與F2形成角的角分線與驅(qū)動(dòng)面垂直，其角度為2Φ。Φ為接觸面的摩擦角，如圖所示，一部分驅(qū)動(dòng)力轉(zhuǎn)化為徑向推力，使得動(dòng)渦卷所受到的徑向推力與徑向分離力成正比，以達(dá)到良好的徑向隨動(dòng)結(jié)構(gòu)的目的。楔形曲柄軸的楔角α在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩個(gè)狀態(tài)第一個(gè)狀態(tài)是，當(dāng)壓縮裝置正常運(yùn)行時(shí)，第二渦卷應(yīng)在徑向靠緊第一渦卷，以形成密封的氣室。此時(shí)，由于摩擦力的作用，曲柄軸對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力為F2。因此有tg(α＋Φ)＝Ft/Fr2(1)(見圖7)Fr2＞Fs－Fc (2)其中Φ為驅(qū)動(dòng)曲柄銷42與驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)41間摩擦角，F(xiàn)s是冷媒氣體在被壓縮過(guò)程中施于第二渦旋元件的徑向分離力，F(xiàn)c是第二渦旋元件及驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)在公轉(zhuǎn)中所產(chǎn)生的離心力。第二個(gè)狀態(tài)是，渦旋形線的制造誤差或氣室中混入了某些雜物，第二渦旋元件不能按理論軌跡運(yùn)行而需要退讓時(shí)。此時(shí)，曲柄軸對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力為F1(見圖7)。因此有tg(α－Φ)＝Ft/Fr (3)Fr＜＝Fs－Fc＋Fd (4)其中Fd為兩渦卷側(cè)壁所能經(jīng)受的最大壓力。綜合以上四式可得到，曲柄軸楔角α的設(shè)計(jì)原則arctg(Ft/(Fs－Fc＋Fd))＋Φ＜＝α＜＝arctg(Ft/(Fs－Fc))－Φ(5)當(dāng)(5)式得到滿足時(shí)，就能達(dá)到兩渦卷間的徑向密封和安全退讓。
另外，從本發(fā)明的驅(qū)動(dòng)曲柄銷42幾何中心到主軸40中心的距離等于第二渦卷的公轉(zhuǎn)半徑，因此其結(jié)構(gòu)緊湊，可縮小驅(qū)動(dòng)裝置的體積。從而增加推力軸承的有效承載面積。
上面所描述的，雖然是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員將能據(jù)此而作出屬于本發(fā)明范圍內(nèi)的對(duì)結(jié)構(gòu)，布局，零件的改變或變化。本發(fā)明由所附的權(quán)利要求書所限定。權(quán)利要求書要求保護(hù)的范圍將包括與權(quán)項(xiàng)在意義或結(jié)構(gòu)相等效的一切裝置。
權(quán)利要求
1.一種容積式渦旋流體壓縮裝置的楔形曲柄軸，其中，所述壓縮裝置主要包括一個(gè)具有流體進(jìn)出口的殼體；一個(gè)第一渦旋元件，它固定在殼體內(nèi)，具有一個(gè)第一端板和從它平面垂直延伸出來(lái)的第一渦卷；一個(gè)第二渦旋元件，它具有一個(gè)第二端板和從它平面垂直延伸出來(lái)的第二渦卷；上述兩個(gè)渦卷彼此相嚙合，形成密封氣室；一曲柄軸，它由一主軸和一從該主軸尾端伸出的驅(qū)動(dòng)曲柄銷構(gòu)成，所述驅(qū)動(dòng)曲柄銷具有一驅(qū)動(dòng)面，驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面通過(guò)一驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)再通過(guò)一驅(qū)動(dòng)軸承驅(qū)動(dòng)上述第二渦旋元件相對(duì)于上述第一渦旋元件作軌跡為圓的平動(dòng)；其特征在于，上述驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面是一個(gè)楔形斜面，上述驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的被驅(qū)動(dòng)面是一個(gè)與驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)面配合的楔形斜面；驅(qū)動(dòng)曲柄銷的驅(qū)動(dòng)楔面與上述第二渦卷的運(yùn)動(dòng)方向成一不等于90度的夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，上述第二渦旋元件沿上述驅(qū)動(dòng)曲柄銷驅(qū)動(dòng)楔面向上述第一渦旋元件的分離運(yùn)動(dòng)方向與上述第二渦旋元件的運(yùn)動(dòng)方向的夾角在45度至85度之間。
全文摘要
一種容積式渦旋流體壓縮裝置的楔形曲柄軸，其由一主軸和從該主軸尾端伸出的驅(qū)動(dòng)曲柄銷構(gòu)成，所述驅(qū)動(dòng)曲柄銷具有一呈楔形斜面的驅(qū)動(dòng)面，而由其帶動(dòng)的驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)也有一與其配合的呈楔形斜面的被驅(qū)動(dòng)面。曲柄銷的楔形驅(qū)動(dòng)面與壓縮裝置中的動(dòng)渦旋元件的運(yùn)動(dòng)方向成一小于90度的夾角，使驅(qū)動(dòng)力產(chǎn)生一個(gè)徑向分力，克服作用在動(dòng)渦旋元件上的徑向分離力并正比于被壓縮流體的壓力，達(dá)到徑向隨動(dòng)的目的。
文檔編號(hào)F04C18/02GK1152674SQ9512132
公開日1997年6月25日 申請(qǐng)日期1995年12月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年12月18日
發(fā)明者柯恩九 申請(qǐng)人:柯恩九