專利名稱：容積式渦旋流體壓縮裝置的分段式前端密封裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與容積式渦旋流體裝置有關(guān)；更具體地說，本發(fā)明與容積式渦旋流體壓縮裝置中的分段式前端密封裝置有關(guān)。
容積式渦旋流體壓縮裝置的技術(shù)是眾所周知的，例如授予Creux的美國專利第802,182號揭示了一種渦旋型裝置。該裝置包括兩個渦旋元件，每個渦旋元件有一塊端板和一個螺旋形的渦卷。這兩個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被密封住的流體氣室。當(dāng)一個渦卷相對于另一個渦卷作軌道運(yùn)動時，上述接觸線就沿著螺旋曲面移動，因而流體氣室容積隨之改變。容積之增加或減小取決于兩渦卷之間相對運(yùn)動的方向，這樣，該裝置可以用來壓縮或膨脹流體。
下面參照

圖1a-1d所示的傳統(tǒng)的容積式渦旋壓縮機(jī)，對其一般運(yùn)行原理作一些說明。圖1a-1d示意性地示出了相互嚙合的螺旋形的渦卷1和2作相對運(yùn)動以壓縮流體，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顯示了每個渦卷的外端與另一渦卷相接觸，也就是吸氣階段剛好完成，一對對稱的流體氣室A1和A2剛好形成。
圖1b-1d依次顯示了驅(qū)動軸曲柄旋轉(zhuǎn)了一定角度后的兩渦卷的位置。當(dāng)曲柄旋轉(zhuǎn)時，流體氣室A1和A2沿徑向和圓周方向逐漸向嚙合渦卷的中心移動，同時A1和A2的容積逐步減小。當(dāng)曲柄的轉(zhuǎn)動使兩渦卷從圖1c所示的狀態(tài)到達(dá)圖1d所示的狀態(tài)時，流體氣室A1和A2在中心部份A處合并。當(dāng)驅(qū)動軸繼續(xù)旋轉(zhuǎn)時，上述合并后的氣室進(jìn)一步減少它的容積。在渦卷作相對的軌道運(yùn)動時，圖1b和1d所示的外部空間逐步變化以形成新的密封氣室，其中封閉著下一次將被壓縮的流體(如同圖1c和1a所示的狀態(tài))。
在早期裝置中，動、靜渦卷之間的位置關(guān)系采用的是固定間隙法，例如授予Creux的美國專利第802,182號就是采用這個方法。在這一方法中，渦旋元件之間軸向的相互位置關(guān)系在裝配完成之后，就不能再變動。其中，一個渦旋元件的渦旋在軸向的前端和另一渦旋元件的端板的底部之間在通常情況下互不接觸。為了保持渦旋元件之間在運(yùn)行時在軸向具有恰當(dāng)?shù)拈g隙，同時又保持高的壓縮效率，就要求極高的機(jī)械加工精度。另一個較為嚴(yán)重的問題是這一種結(jié)構(gòu)無法對付異常情況，例如渦卷中存在雜物顆粒或不可壓縮的液體，或者一渦卷的前端與另一端板的底部之間由于熱膨脹而互相接觸。在這些異常情況下，渦旋元件會由于咬住而導(dǎo)致毀壞。
為了克服固定間隙法的弱點(diǎn)，開發(fā)出了種種軸向隨動結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)可以分成兩大類″機(jī)械前端密封″和″完全軸向隨動″。
前端密封的一個例子可參見授予McCullough的美國專利第3，994,636號。如圖2所示，在渦卷503和504的前端的中部各開有一條槽501和502。密封件505和506可移動地分別嵌入槽501和502，并被機(jī)械或流體壓力(圖中未畫出)推動而分別與另一渦旋元件的端板的底部507和508接觸。這樣就可以防止流體通過渦卷503和504前端和底面之間的軸向間隙而產(chǎn)生徑向泄漏。前端密封的專利已經(jīng)有很多。按密封件所受的驅(qū)動力大體可分為三類，在第一類中，位于一個渦卷前端面的溝槽中的前端密封件由于機(jī)械彈性力所驅(qū)動而與另一渦旋元件的端板的底部相接觸，在第二類中，密封件本身不受驅(qū)動力，而通過控制密封件的厚度尺寸以達(dá)到密封的目的。在第三類中，驅(qū)動力是流體的壓力。
值得一提的是授予Kiyoshi Terauchi等人的美國專利第4，437,820號。該專利屬于上述第三類型。在該專利中，敘述了用流體的壓力來驅(qū)動前端密封件以達(dá)到徑向密封的方法。在這一方法中，在每一個渦卷的軸向前端面開有螺旋形的溝槽。該溝槽的螺旋形縱軸方向在接近渦卷中心部分(也就是在外部氣室與中心氣室相匯合的部分)和外部處都是封閉的，以防止槽內(nèi)壓力流體泄漏及防止在中心氣室的背壓變化時密封件的過度磨損。盡管如此，美國專利第4,437,820號的方法至少存在著下列三個缺點(diǎn)(1)在渦卷的前端面開有一條螺旋槽，而沿著螺旋形的渦卷側(cè)壁，氣體的壓力變化很大。以家用空調(diào)壓縮機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)工況為例，在渦卷中心部分表壓力為20Kg/cm2(約310PsiA)，在渦卷外部接近吸氣端的部位，表壓力約為6Kg/cm2(約為90PsiA)。如果將處于排氣壓力的流體引入渦卷前端溝槽內(nèi)，那么在低壓端，前端密封件受到氣體壓力差為14Kg/cm2。對一個典型的制冷量為9000Kcal的渦旋壓縮機(jī)，整個前端密封件的長度約為600mm，密封件的寬度為3mm，則密封件將受到的作用力為F＝1/2×14Kg/cm2×0.3×60＝126Kg這個力將加速前端密封件的磨損，并增加了能量的消耗。
(2)美國專利第4,437,820號要求前端密封件以松動配合位于溝槽中，這樣，作用在前端密封件背后的高壓流體得以從該密封件和溝槽之間的間隙泄漏到壓縮氣腔去，經(jīng)受重復(fù)壓縮。從而降低了壓縮機(jī)的效率。
(3)前端密封件的長度較大，壓縮機(jī)內(nèi)渦旋元件的溫度在停機(jī)時和正常工作時相差可達(dá)150℃。因此，前端密封件在縱向的線性熱脹冷縮可達(dá)數(shù)毫米，以致前端密封件的兩端無法將作用于其背后之高壓流體密封于槽內(nèi)。該高壓流體會泄漏到壓縮氣腔，既降低了壓縮機(jī)的效率，又失去了作用于前端密封件的背壓，使前端密封失效。
本發(fā)明的目的是提供一種容積式渦旋流體裝置中的分段式前端密封裝置，它能使其中的前端密封件工作在較低的正壓力之下，從而能使前端密封件的使用壽命延長，并減低了由摩擦而產(chǎn)生的能量損失。它還能使前端密封件與溝槽在任何溫度條件下始終保持良好密封接觸，以消除前端密封件的熱脹冷縮可能引起的泄漏。
為了實(shí)現(xiàn)上述及其它的目的，本發(fā)明提供了一種用于容積式渦旋流體壓縮裝置的分段式前端密封裝置，其中，壓縮裝置主要包括一個第一渦旋元件，它具有一個第一端板和從它平面垂直延伸出來的第一渦卷；一個第二渦旋元件，它具有一個第二端板和從它平面垂直延伸出來的第二渦卷，它與上述第一渦卷彼此相嚙合，且各渦卷的前端與另一端板的底部相鄰；以及一個使第二渦旋元件繞一軸線相對于第一渦旋元件作軌道運(yùn)動、以使這兩個渦旋元件的渦卷產(chǎn)生體積逐漸變化的密封氣室的裝置；而所述分段式前端密封裝置包括各渦卷前端的溝槽，以及安裝在溝槽內(nèi)的密封件。其中，該溝槽沿螺旋線縱向分為至少兩段，每段在其兩個縱向端頭封閉；在每段溝槽內(nèi)在其高壓一端的封閉端近旁有至少一個小孔，該小孔將溝槽與該溝槽所鄰接的高壓側(cè)的壓力氣室相連通；在每段溝槽內(nèi)裝有一將通過小孔進(jìn)來的高壓流體密封在溝槽里的密封件；該密封件在此高壓流體作用下，與另一端板的底部相接觸。
在所述的裝置中，在每段溝槽的底部接近溝槽的縱向封閉端頭有使密封件與溝槽的封閉端頭保持密封的緊固裝置。
在所述的裝置中，該緊固裝置包括位于各溝槽的底部接近溝槽的兩縱向封閉端的銷子孔，以及位于該銷子孔內(nèi)、使密封件與溝槽的封閉端保持緊密接觸的銷子。
在所述的裝置中，所述密封件包括一密封條和在其上的一摩擦片，該摩擦片位于溝槽內(nèi)，并與溝槽有良好的滑動配合，該摩擦片在該密封條的推動下與另一端板的底部相接觸。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，由于分段的結(jié)果，各段中作用在前端密封件的軸向壓力差大大減低，減少了前端摩擦件的磨損和摩擦功率損耗。此外，由于在溝槽的兩端的底部打有銷子孔，并插入銷子，從而使前端密封件緊密地與溝槽兩密封端接觸。這樣，在溫度變化時前端密封件的縱向兩端始終與溝槽的縱向兩端保持密封。
參照附圖閱讀下文的詳細(xì)說明，本發(fā)明將較容易地被理解。
圖1a-1d示出了已有技術(shù)中的渦旋壓縮機(jī)中渦卷作相對軌道運(yùn)動的情況；圖2示出了已有技術(shù)中的一個典型的前端密封的結(jié)構(gòu)；圖3示出了一種容積式渦旋空調(diào)壓縮機(jī)的縱切面圖；圖4a-4c示出了根據(jù)本發(fā)明的一渦旋元件的視圖；圖5a-5c示出了本發(fā)明第一實(shí)施例中的渦卷前端溝槽及在渦卷前端溝槽內(nèi)保持前端密封件縱向兩端密封的銷子孔的細(xì)節(jié)剖面圖；圖6a-6c示出了前端密封件的視圖；圖7a-7c示出了前端密封件的剖視圖；圖8a-8b示出了前端密封件在縱向兩端的密封結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)視圖；圖9a-9b示出了本發(fā)明第二實(shí)施例中的前端密封條和前端摩擦片在縱向兩端密封結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)視圖。
請參閱圖3，它示出了一個容積式渦旋空調(diào)壓縮機(jī)。壓縮機(jī)10包括主機(jī)架20，壓縮機(jī)外殼21和底盤22。底盤22以已知的方法(例如焊接)與外殼21相連。在主機(jī)架20上裝有主徑向軸承30，主軸40由軸承29及30支承，并可在馬達(dá)驅(qū)動下繞其軸線S1旋轉(zhuǎn)。
一驅(qū)動柱銷42從主軸40尾端伸出。該驅(qū)動柱銷中心軸線S2與主軸的中心軸線S1之間有一偏移。該偏移距離等于第二渦旋元件50繞軌道運(yùn)動的半徑Ror。所謂繞軌道運(yùn)動半徑是第二渦旋元件50相對于第一渦旋元件60作非旋轉(zhuǎn)性軌道運(yùn)動時的軌道半徑。
第一渦旋元件60具有一塊端板61，渦卷62從該端板平面垂直延伸。第一渦旋元件60固定在主機(jī)架20上。第一渦旋元件60與軸線S1相垂直并固定在主機(jī)架20上，并使得一個渦旋元件的渦卷的前端和另一渦旋元件的端板的底部之間保持恰當(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)行下有熱膨脹存在而仍能避免渦旋元件的前端和底部之間的互相接觸。另一方面，這種間隙又必須足夠小，以保證在密封氣室之間的徑向泄漏能被位于渦卷前端的螺旋形溝槽內(nèi)的前端密封摩擦片23所密封。這種前端密封結(jié)構(gòu)，將在下文中詳細(xì)討論。
第二渦旋元件50包括一塊端板51，一固定在端板51上并且自端板后表面垂直延伸的渦卷52，以及固定在端板51的前表面并自該表面垂直延伸的繞軌道運(yùn)動的軸承座53。渦卷52和62互相嚙合，并在角度上保持180度的相位差，而在徑向則保持繞軌道運(yùn)動半徑Ror的位移。如此，渦卷52和62以及端板51和61之間至少形成一對密封氣室。第二渦旋元件50通過驅(qū)動柱銷軸承43、驅(qū)動關(guān)節(jié)27和驅(qū)動柱銷42連接。
歐丹環(huán)45的作用是防止第二渦旋元件50轉(zhuǎn)動。在主軸40的驅(qū)動下，第二渦旋元件50以轉(zhuǎn)動半徑Ror相對于第一渦旋元件60作軌道運(yùn)動以壓縮流體。工作流體從入口91經(jīng)通氣室92、通道93進(jìn)入由渦旋元件50和60所形成的吸氣室95，然后被渦旋元件壓縮，最后由排氣孔70經(jīng)過排氣通道71和72而排出。
平衡重物97和98用以平衡作用在第二渦旋元件50上的、由于它作軌道運(yùn)動而產(chǎn)生的離心力。
現(xiàn)請參看圖4a-4c，其中，圖4a為第一渦旋元件50的正視圖，圖4b是沿圖4a中的A-A線的剖視圖，圖4c是圖4a所示結(jié)構(gòu)的局部放大圖。渦卷52的前端部有一條溝槽36，該溝槽36沿著螺旋形的渦卷52的部分長度或全部長度延伸。在本文中，我們將沿著溝槽36的螺旋方向稱之為溝槽的縱向。溝槽36可以分為幾段，在本發(fā)明的實(shí)施例中溝槽36分為溝槽36a，36b和36c三段。在圖4b中，標(biāo)號54所示為渦卷的前端，而標(biāo)號55所示為渦旋元件的端板的底部。溝槽36a，36b和36c的結(jié)構(gòu)基本上是一樣的，所不同的是長度和曲率。以下對溝槽36a的描述也適用于溝槽36b和36c。為描述方便起見，我們把溝槽在縱向靠近螺旋線中心的一端，也就是靠近壓力較高氣體的一端稱為溝槽的前端；而把溝槽在縱向遠(yuǎn)離螺旋線中心的一端，也就是靠近壓力較低氣體的一端稱為溝槽的后端。溝槽36a的縱剖面分別展示在圖5a-5c中，圖5a-5c分別是沿圖4a中的5A-5A線，5B-5B線和5C-5C線的剖視圖。如圖4a所示，在溝槽36a靠近縱向前后端處各有一個銷子孔131和132。在各段溝槽的前端各有一個導(dǎo)流小孔141、142和143，該小孔位于溝槽底并與渦卷高壓的一側(cè)相通。在渦旋裝置用作壓縮機(jī)時，渦卷高壓側(cè)是其內(nèi)側(cè)，也就是曲面呈凹型的一側(cè)。在正常工作時，這三個小孔把高壓氣體導(dǎo)入溝槽，該高壓氣體是能夠把一渦卷的前端密封件推向另一渦旋元件的端板的底部的最小壓力。由于不同段的溝槽引入了不同的高壓氣體，從而降低了各段前端密封件所承受的背壓，減少了前端密封件與渦旋元件的端板的底面的摩擦。溝槽36a的前部的細(xì)節(jié)放大圖顯示在圖4c中。三個前端密封件分別與三個溝槽36a，36b和36c有良好的配合。其中一個前端密封件37a顯示在圖6a-6c中，另兩個前端密封件與密封件37a基本結(jié)構(gòu)是一樣的，所不同的是它們的長度和曲率。以下對前端密封件37a的描述，也同樣適用于另兩個前端密封件。
如同圖6a-6c所示，其中，圖6a是前端密封件37a的正視圖，圖6b是其側(cè)視圖，圖6c是其后視圖。前端密封件37a是一呈螺旋形的密封件，它沿圖6a中的線7A-7A，7B-7B和7C-7C的剖面分別顯示在圖7a-7c中。圖7a顯示了前端密封件的橫截面呈л形。前端密封件的厚度與溝槽的深度相配合，以不妨礙兩渦旋元件作相對平動。前端密封件的材料要求具有良好的自潤滑性能，較低的摩擦系數(shù)，較長的摩擦壽命，以及一定的彈性。當(dāng)高壓氣體自導(dǎo)流小孔141被引入前端密封件的底部氣腔147時，氣體使得前端密封件37a的側(cè)唇邊143和144貼向溝槽36a的兩側(cè)，并使密封件37a兩端的唇邊145和146貼向溝槽36a的前后端，從而把高壓氣體封閉在前端密封件和溝槽形成的氣腔147(圖8a，8b)內(nèi)。高壓氣體對前端密封件37a的合力把它向上推向第一渦旋元件60的底部，從而達(dá)到徑向防止泄漏的目的。
前端密封件37a由于熱脹冷縮會改變長度，為了使其不致因此而在溝槽36a的前后兩端形成間隙，在溝槽36a的前后兩端接近端頭處開有銷子孔131和132(圖4a)。銷子孔131和132，銷子151和152與前端密封件的裝配關(guān)系顯示在圖8a和8b中。在圖8a和圖8b中顯示了銷子151和152分別插入銷子孔131和132中，上述銷子使前端密封件保持與溝槽前后端密切相貼，但是仍使密封件37a在封閉于氣腔147中的高壓氣體的作用下能被壓向第一渦旋元件60的底部，起到徑向密封作用。第一渦旋元件60的前端也開有分段溝槽。其溝槽以及前端密封件的結(jié)構(gòu)與第二渦旋元件50一樣。只不過兩者的前端密封件具有不同的旋向。
上面所描述的是本發(fā)明的第一實(shí)施例，只有一件前端密封件位于溝槽內(nèi)。
本發(fā)明的第二實(shí)施例如圖9a和9b所示。第二實(shí)施例的基本原理同第一實(shí)施例是一樣的，所不同的是，在第二實(shí)施例中，前端密封件由兩個另件組成。其中一個是前端密封條，在其之上還有一片前端密封摩擦片。圖9a和9b顯示了前端密封摩擦片38a和38b，它們可以是分段的，也可以連成一條。前端密封條37a’和37b’的結(jié)構(gòu)與上述第一實(shí)例的前端密封件37a和37b相同，只是對其材料并不要求有良好的自潤滑性能。前端密封摩擦片位于前端密封條之上，同時也位于渦卷前端的溝槽內(nèi)。該摩擦片應(yīng)有良好的自潤滑性能和較低的摩擦系數(shù)。該摩擦片的厚度與前端密封條厚度之和應(yīng)不妨礙兩渦卷作相對平動，并能達(dá)到徑向密封作用。
在本發(fā)明中，作用于前端密封件背后的壓力是流體壓力。特別是在本發(fā)明的實(shí)施例中，作用于溝槽中前端密封件背后的流體引自該溝槽所鄰接的密封氣室的最高壓力。但為了降低密封件所受的正壓力，從而降低摩擦損失，該流體背壓力也可以引自鄰接的密封氣室的較高壓力。為了使前端密封件工作可靠起見，在本發(fā)明的應(yīng)用實(shí)例中可在溝槽中設(shè)置若干機(jī)械式彈簧，以提供作用在前端密封件背后的機(jī)械彈簧力，這是可取的。
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)明范圍之內(nèi)的對結(jié)構(gòu)、布局和零件的改變或變化。本發(fā)明范圍由所附的權(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)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分段式前端密封裝置，其中，壓縮裝置主要包括一個第一渦旋元件，它具有一個第一端板和從它平面垂直延伸出來的第一渦卷；一個第二渦旋元件，它具有一個第二端板和從它平面垂直延伸出來的第二渦卷，它與上述第一渦卷彼此相嚙合，且各渦卷的前端與另一端板的底部相鄰；以及一個使第二渦旋元件繞一軸線相對于第一渦旋元件作軌道運(yùn)動、以使這兩個渦旋元件的渦卷產(chǎn)生體積逐漸變化的密封氣室的裝置；而所述分段式前端密封裝置包括各渦卷前端的溝槽，以及安裝在溝槽內(nèi)的密封件；其特征在于，該溝槽沿螺旋線縱向分為至少兩段，每段在其兩個縱向端頭封閉；在每段溝槽內(nèi)在其高壓一端的封閉端近旁有至少一個小孔，該小孔將溝槽與該溝槽所鄰接的高壓側(cè)的壓力氣室相連通；在每段溝槽內(nèi)裝有一將通過小孔進(jìn)來的高壓流體密封在溝槽里的密封件；該密封件在此高壓流體作用下，與另一渦卷的底部相接觸。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，在每段溝槽的底部接近溝槽的縱向封閉端頭有使密封件與溝槽的封閉端頭保持密封的緊固裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，該緊固裝置包括位于各溝槽的底部接近溝槽的兩縱向封閉端的銷子孔，以及位于該銷子孔內(nèi)、使密封件與溝槽的封閉端保持緊密接觸的銷子。
4.如權(quán)利要求1至3之一所述的裝置，其特征在于，該密封件包括一密封條和在其上的一摩擦片，該摩擦片位于溝槽內(nèi)，并與溝槽有良好的滑動配合，該摩擦片在該密封條的推動下與另一端板的底部相接觸。
全文摘要
一種容積式渦旋流體壓縮裝置中的分段前端密封裝置，該壓縮裝置具有兩個相互嚙合的螺旋形渦旋元件，分段式前端密封裝置包括在渦卷前端開有多段的、而且每段的縱向前后端頭是封閉的溝槽，在溝槽中裝有前端密封件。該前端密封件將高壓氣體密封在溝槽內(nèi)不予泄漏，緊固裝置使前端密封件與溝槽在縱向兩端保持密封。該密封件在溝槽中高壓氣體作用下，與另一端板底部接觸，以達(dá)到徑向密封。
文檔編號F04C18/02GK1148672SQ9511901
公開日1997年4月30日 申請日期1995年10月26日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月26日
發(fā)明者倪詩茂 申請人:倪詩茂