专利名称：一种适应变工况的球形膨胀压缩机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种球形膨胀压縮机，特别是一种适应变工况的球形膨胀压縮机。
背景技术：
在中国专利号是ZL200610104569.8，专利名称是《能实现多级压縮的球形压縮机》，中国专利号是ZL200620079799.9，专利名称是《二氧化碳球形膨胀压縮机》，和中国专利号是ZL200820028592.8，专利名称是《组合式二氧化碳膨胀压縮机》中公开了一种新型的球形膨胀压縮机，较其它已知的膨胀压縮机有许多优点，如结构紧凑、零件少、密封可靠、抗"液击"能力强、振动小、效率高等，可广泛用于制冷空调和其它相关领域。 但以上都是定容积比压縮机，在工况发生较大变化时无法适应；通过进一步的研究发现，对于上述提到的球形膨胀压縮机还可以进行更优化的设计，使其在综合性能上得以提高，同时可以适应变工况下压縮机的要求。
发明内容
本发明的目的就是在中国专利ZL200610104569.8、中国专利ZL200620079799.9和中国专利ZL200820028592.8的基础上，进行创新设计，从而提高球形膨胀压縮机的综合性能，同时可以使球形膨胀压縮机可以适应变工况的要求。
—种适应变工况的球形膨胀压縮机，它包括
缸体，该缸体上设置有主轴孔； 缸盖，该缸盖与所述缸体连接在一起形成球形内腔，在该缸盖上设置有与活塞轴相配的轴孔； 活塞，该活塞具有球形顶面、从该球形顶面中央伸出的活塞轴、和在活塞下部的活塞销座，所述活塞可绕活塞轴在缸盖轴孔中自由转动，所述活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合；所述活塞销座是在所述活塞下端面形成的向内凹陷的半圆柱孔，在该半圆柱孔的内圆周上沿半圆柱孔的轴线方向有凹入的扇形空腔，该扇形空腔沿半圆柱孔的轴向贯通并且在与半圆柱孔轴线垂直的截面上呈扇形；
转盘，该转盘具有从转盘的下端面中心伸出的转盘轴、在转盘上部与活塞销座相对应的转盘销座；该转盘上部和下端面之间的外周面为转盘球面，转盘球面与球形内腔具有相同的球心并紧贴球形内腔形成密封动配合；所述转盘销座是在转盘上部突起的圆环体，圆环体的轴线与上述活塞半圆柱孔的轴线为同一轴线，该轴线与转盘轴和活塞轴垂直并通过球形内腔的球心；所述转盘销座圆环体的外圆周上沿圆环体的轴线方向形成有凸起的扇形凸块，该扇形凸块沿圆环体轴向贯通，在圆环面上呈扇形，与所述活塞销座扇形空腔相配且扇形圆心相同； 主轴，主轴位于缸体内的一端带有偏心轴孔，该偏心轴孔与转盘轴相配形成柱面滑动轴承配合，主轴的另一端与动力机构相连，为压縮机变容提供动力；
活塞铰链支撑，该活塞铰链支撑的一端为平端面并且另一端为球形端面，该球 形端面与所述球形内腔球面相配，所述活塞铰链支撑的平端面及侧面形状与所述活塞销 座两端和所述转盘销座两端结构相配，所述活塞铰链支撑固定在所述活塞销座的半圆柱 孔的两端，在所述活塞销座和所述转盘销座的两外端形成与球形内腔相配的球面；在所 述活塞铰链支撑上具有与活塞销座半圆柱孔同轴线的销孔，该销孔是设置在活塞铰链支 撑平端面中央的盲孔； 中心销，该中心销插入所述活塞铰链支撑的销孔和所述转盘销座的圆环体的内 孔中，使活塞和转盘形成柱面铰链连接； 滚动转子式压縮机，是在所述主轴上有一偏心结构，该偏心结构作为滚动转子 式压縮机的转子，滚动转子式压縮机的转子缸体位于上述缸体与主轴支架之间，转子缸 体上设有进气孔，排气孔设在主轴支架上，并装有滑片和滑片弹簧；在排气孔上设有排 气阀，在进气孔上装有压控进气阀；滚动转子式压縮机作为球形膨胀压縮机的第一级压 縮； 储气罐，其进气端与滚动转子式压縮机的排气阀连通，其排气端与球形膨胀压 縮机的第二级进气端连通，为球形膨胀压縮机的第二级压縮吸气提供压力恒定的气源；
压力控制回路，其一端与压控进气阀连通，另一端与储气罐连通，当储气罐的 压力超过设定值时通过压力控制回路关闭压控进气阀，当储气罐的压力恢复到设定值 时，压控进气阀打开，滚动转子式压縮机正常工作，从而适应变工况工作条件；
其中，所述活塞轴和转盘轴的轴线与主轴的轴线形成相同的夹角a， a最佳取 值范围为5。
-15° ; 其中，活塞绕活塞轴线的转动惯量与转盘绕转盘轴线转动的转动惯量接近或相 等. 其中，通过所述活塞和所述转盘绕所述中心销进行的相对摆动，所述转盘的上 端面、所述活塞的下端面、所述活塞铰链支撑的平端面与所述球形内腔之间形成容积交 替变化的工作室V7和工作室V8，同时，通过所述转盘销座的圆环体的扇形凸块在所述 活塞销座的半圆柱孔的扇形空腔中进行的摆动，在所述扇形凸块的侧面、所述扇形空腔 的侧面与活塞铰链支撑平端面间形成容积交替变化的工作室V5和工作室V6 ;
其中，工作室V5和工作室V6都对应相应的气道和进排气通道；气道设置在活 塞上；进排气通道设置在缸盖的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间 内并连通缸外；通过活塞的转动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所 述工作室的气道与相应的进排气通道连通； 主轴的转向为从缸盖沿主轴方向看，主轴作顺时针转动。
根据使用情况不同，本发明有以下两种结构形式 第一种结构还包括一滑块，在转盘销座圆环体的下部有一扇形滑道，扇形滑 道在圆环体的轴向开通，扇形滑道的轴线与圆环体的轴线平行，滑块的形状与扇形滑道 的形状相适配，滑块的上下圆弧面与滑道的上下圆弧面相贴合并形成密封动配合，滑块 的两端面与活塞铰链支撑相贴合并通过定位螺栓固定连接；活塞与转盘相对摆动时，滑 块的侧面、滑道的侧面及活塞铰链支撑平端面之间形成容积交替变化的工作室V3和工作 室V4;工作室V3和工作室V4都对应于一个气道和进排气通道；气道设置在活塞铰链支撑上；进排气通道设置在缸体的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间 内并连通缸外；通过活塞的转动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所 述工作室的气道与相应的进排气通道连通； 在转盘上设置一窜通孔道，连通工作室V7和工作室V8，使工作室V7和工作室 V8不具备压縮功能，形成无压縮容积；在缸盖上设置缸盖排泄孔，用于排除无压縮容积 可能积存的润滑油等物质； 滚动转子式压縮机作为第一级压縮，工作室V3和工作室V4作为第二级压縮， 工作室V5和工作室V6作为膨胀，形成适应于变工况下的二级压縮一级膨胀压縮机；
第二种结构还包括一支撑套，在转盘销座圆环体的下部有一弧形开口，弧形 开口在圆环体的轴向开通，弧形开口的轴线与圆环体的轴线平行，支撑套是一圆柱体， 其上有螺栓过孔，该支撑套可在弧形开口中移动，支撑套圆柱的两端面与活塞铰链支撑 的平端面相贴并通过定位螺栓固定连接；在转盘上设置有转盘排泄孔，连通弧形开口的 下部和转盘球面下端根部，排除弧形开口内腔内可能积存的液体，防止液击；
工作室V7和工作室V8都对应于一个气道和进排气通道；工作室V7和工作室 V8的气道设置在活塞的内部，气道的一端在活塞球形表面上，另一端在活塞的下端平面 上并且与设置在该下端面上靠近球形表面的导槽连通；工作室V7和工作室V8的进排 气通道设置在缸盖的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间内并连通缸 外；通过活塞的转动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所述工作室的 气道与相应的进排气通道连通； 滚动转子式压縮机作为第一级压縮，工作室V7和工作室V8作为第二级压縮， 工作室V5和工作室V6作为膨胀，形成适应于变工况下的二级压縮一级膨胀的膨胀压縮 机。 选择一对容积作压縮还是做膨胀是可以变动的，只要配合相应的气口设计就可 以实现。 本发明的优点 (l)密封性能提高密封面宽度增加，减小泄漏，同时活塞组件中的定位螺钉改 为螺栓连接减小了滑块变形，增加了组件刚度，提高了密封能力； (2)具备变工况适应能力由于利用了滚动转子式压縮机压力恒定的特点，配以 调控系统，使整机具备了变工况能力； (3)优化了结构提出了最佳的a角取值范围，对活塞和转盘的结构按转动惯量 相等或接近选取，对结构优化具有重要意义； (4)降低了成本去掉了球面轴承，在不影响运转的情况下简化结构，降低成 本。
图1 :第一个实施例结构剖面图；
图2 :图1中A-A剖面图；
图3 :第一个实施例机壳剖面图；
图4 :图3中E-E剖面图；CN 101691864A说明书4/11页图5:图3中G-G剖面图；图6 :图3中F-F剖面图；图7:第一个实施例中活塞主视图；图8 :图7所示的第一个实施例中活塞左视图；图9 :第一个实施例中活塞铰链支撑主视图；图10图9所示的第一个实施例中活塞铰链支撑左视图；图11滑块主视图；图12图ll所示的滑块左视图；图13第一个实施例中活塞与活塞铰链支撑组合主视图；图14图13所示的第一个实施例中活塞与活塞铰链支撑组合左视15第一个实施例中转盘主视图；图16图15所示的第一个实施例中转盘左视图；图17图15所示的第一个实施例中转盘俯视图；图18主轴主视图；图19转子缸体主视图；图20图19中M向视图；图21图19中N向视图；图22实现变工况调节结构框图；图23第二个实施例结构剖面图；图24第二个实施例中机壳剖面图；图25图24中H-H剖面图；图26图24中K-K剖面图；图27第二个实施例中活塞主视图；图28图27所示的第一个实施例中活塞左视图；图29第二个实施例中活塞铰链支撑主视图；图30图29所示的第二个实施例中活塞铰链支撑左视图；图31第二个实施例中活塞与活塞铰链支撑组合主视图；图32图31所示的第二个实施例中活塞与活塞铰链支撑组合左视33第二个实施例中转盘主视图；图34图33所示的第二个实施例中转盘左视图；图中1-缸体；2-缸盖；3-活塞；4-中心销；5-转盘；6-定位螺栓；7-主轴支架；8-主轴9-连接螺钉；10-活塞铰链支撑；ll-窜通孔道；12-滑块；13-转子缸
体；14-滑片；15-滑片弹簧；16-排气阀；17-阀片限位块；18-气阀螺钉；19-机罩壳；20-缸盖排泄孔;21-螺母；22-缸体II; 23-缸盖II ; 24-活塞II ; 25-转盘II;26-活塞
铰链支撑II; 27-导槽；28-支撑套；29-转盘排泄孔；100-滚动转子式进气孔；101-滚动转子式排气孔；102-工作室V3、工作室V4
的进排气通道；103-工作室V5、工作室V6的进排气通道；104-工作室V7、工作室V8
的进排气通道； 201-进气室VI ; 202-排气室V2 ; 203-工作室V3 ; 204-工作室V4 ; 205-工作-工作室V7 ; 208-工作室V8 ;
301-A气道；302-B气道；303-C气道。
具体实施例方式
—、第一个实施例 第一个实施例采用为本发明的第一种结构形式。图1为本发明的第一个实施例主要结构剖面图，图22是实现变工况调节结构框示意图。在图l中可以看出，该压縮机包括缸盖2、缸体l、活塞3、转盘5、中心销4、主轴8、主轴支架7等零件，缸体l和缸盖2通过连接螺钉9相连形成球形内腔，活塞3具有球形顶面，在球形顶面中央突出一活塞轴，活塞3的下部有一活塞销座，缸盖2上对应活塞轴有一活塞轴孔，活塞3装入活塞轴孔中可自由转动，活塞3的球形顶面和上述球形内腔相贴合；转盘5的上部与活塞销座相对应有一转盘销座，转盘5的下端面中央向下突出一转盘轴，转盘5的球形面与所述球形内腔相贴合；活塞铰链支撑10与活塞销座通过定位螺栓6和螺母21连为一体(见图14)，与转盘销座组合形成柱面铰链副，中心销4插入销孔形成圆柱铰链；
如图l、图2、图3、图19、图20、图21所示，滚动转子式压縮机的转子缸体13置于缸体1和主轴支架7之间，通过连接螺钉9把主轴支架7和转子缸体13连接在缸体1的下端；转子缸体13上设有进气孔100和排气孔101，并装有滑片14和滑片弹簧15，进气孔100在圆环壁上直接开通，排气孔101开通设置在主轴支架上，排气孔101上装有排气阀16和阀片限位块17，排气阀16和阀片限位块17通过气阀螺钉18固定在主轴支架7的下部；把排气孔101设置在主轴支架7上，运行过程中不容易引起缸体l变形，增加密封性；主轴支架7、缸体1上的主轴孔和转子缸体13为主轴8的旋转提供支撑；机壳罩19为圆筒状，结构形状与转子缸体13、缸体1的法兰、主轴支架7的外形相适配；主轴8在与缸体1上的主轴孔配合处的圆中心线与主轴中心线重合，主轴8与转子缸体13相对应的部分的轴线与转子缸体13的圆环中心线不重合，在主轴8上形成一偏心圆柱，偏心圆柱的中心线与主轴8的中心线平行，偏心圆柱与转子缸体13内圆环相切，滑片14通过滑片弹簧15始终贴合在主轴偏心圆柱的外圆上，带偏心圆柱的主轴8作为滚动转子式压縮机的转子，在主轴支架7和缸体1之间形成滚动转子式压縮机，主轴8旋转时在转子缸体13和主轴8之间形成滚动转子压縮机的进气室VI 201和排气室V2 202。
主轴8位于缸体1内的一端带有偏心轴孔，该偏心轴孔与转盘轴相配形成柱面滑动轴承配合，另一端与动力机构相连，为膨胀压縮机变容提供动力；活塞3的下端和转盘5的上端形状相配、活塞销座与转盘销座相配，主轴8转动时，活塞3相对转盘5摆动，活塞铰链支撑球面、转盘球面、活塞球形顶面分别与所述球形内腔形成密封动配合，活塞3和转盘5通过柱面铰链连接形成密封动配合； 活塞3和转盘5绕中心销4相对摆动时，转盘5的上端面、活塞3的下端面、活塞铰链支撑10的平端面与球形内腔之间形成容积交替变化的工作室V7 207和工作室V8208，但由于在转盘上设置一窜通孔道11，连通工作室V7和工作室V8，使工作室V7和工作室V8不具备压縮功能，形成无压縮容积；滑块12的侧面、扇形滑道的侧面及活塞铰链支撑10的平端面之间形成容积交替变化的工作室V3 203和工作室V4 204 ;转盘销座圆环体的扇形凸块在活塞销座半圆柱孔的扇形空腔中摆动，在扇形凸块的侧面、扇形空
9腔的侧面与活塞铰链支撑10的平端面间形成容积交替变化的工作室V5 205和V6 206。
如图3所示，在缸体1和缸盖2形成的球形内腔上分别设有各个工作室的进排气 通道，进排气通道设在缸体1和缸盖2的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环 形空间内并连通缸外，图4-图6分别是图2中E-E、 G-G、 F-F剖面图，F-F剖面为无压 縮的工作室V7 207、无压縮工作室V8 208的排泄孔20的结构示意图，本实施例中，工作 室V7和工作室V8由于为无压縮容积，故没有进排气通道，只是在相应的位置设置缸盖 排泄孔20，用于排除无压縮容积可能积存的润滑油等物质；E-E剖面为工作室V5 205、 工作室V6 206的进排气通道103的结构示意图，G-G剖面为工作室V3 203、工作室V4 204的进排气通道102的结构示意图。 活塞3具有球形顶面，在球形顶面的中央突出一活塞轴，活塞3的下部有一活塞 销座，活塞销座为一在活塞下端面形成的开口向下的半圆柱孔，在半圆柱孔的内圆周的 顶部沿半圆柱孔的轴线方向有一凹入的扇形空腔，该扇形空腔沿半圆柱孔的轴向贯通， 在与半圆柱孔的轴线垂直的截面上呈扇形；半圆环体的轴线垂直于活塞轴并通过球形内 腔的中心；半圆环体的两端面为相互平行的平面；活塞的下端面为平面；如图7、图8 所示，图7为活塞主视图；图8为图7所示的活塞左视图。 活塞铰链支撑10的一端为平面，另一端为球面，球面与所述球形内腔球面相 配，活塞铰链支撑10的平端面及侧面形状与活塞销座两端和转盘销座两端结构相配，球 面中央有一与活塞销座半圆柱孔同轴线的圆柱销孔，该销孔是设置在活塞铰链支撑平端 面中央的盲孔，圆柱销孔的尺寸与中心销4相配；如图9、图10所示，图9为活塞铰链 支撑主视图；图10为图9所示的活塞铰链支撑左视图。 在活塞3上有螺栓过孔，活塞3与活塞铰链支撑10通过定位螺栓6和螺母21固 定相连，在活塞销座和转盘销座的两外端形成与球形内腔相配的球面，图13为活塞与活 塞铰链支撑组合主视图；图14为图13所示的活塞与活塞铰链支撑组合左视图；
图15为转盘主视图，图16为图15所示的转盘左视图；图17为图15所示的转盘 俯视图。转盘5的下端面中央向下突出一转盘轴，上端与活塞销座相适应向上突出一转 盘销座，转盘销座为一圆环体，圆环体的轴线与上述活塞半圆柱孔的轴线为同一轴线， 在转盘销座圆环体的的外圆周上沿圆环轴线向外形成扇形凸块，该扇形凸块在转盘销座 轴向贯通，在圆周面上呈扇形，与活塞销座扇形空腔相配且扇形圆心相同；转盘销座圆 环体的外圆与活塞销座半圆柱孔的内圆相配，形成密封动配合；转盘销座圆环体的内圆 与中心销4相配达到密封动配合，转盘球面与球形空腔相贴合并具有相同的球心；转盘5 的上端面为平面，活塞3的下部形状与转盘5的上部形状相适配；在转盘上设置有窜通孔 道ll，窜通孔道11的进出口分别位于转盘5的上端面上转盘销座两侧，在转盘5内部开 通；在转盘销座圆环体的下部有一扇形滑道，扇形滑道在圆环体的轴向开通，扇形滑道 的轴线与圆环体的轴线平行，滑块12的形状与扇形滑道的形状相适配，滑块12可以在滑 道中自由滑动，滑块12的两端面与活塞铰链支撑10的平端面相贴合并通过定位螺栓6固 定连接；如图11-图12所示为滑块结构示意图，图ll为滑块主视图，图12为图11所示 的滑块左视图，滑块12的截面为扇形，其上具有螺栓过孔。 活塞铰链支撑10与活塞销座和转盘销座两端的形状相适配；活塞铰链支撑10与 球形内腔和转盘销座之间形成密封动配合；
如图7、图9、图10和图13所示，工作室V7 207和工作室V8 208在本实施例 中由于开通有窜通孔道ll，为无压縮容积，所以没有气道；工作室V3 203和工作室V4 204的气道为B气道302， B气道302设在活塞铰链支撑10上，工作室V5 205和工作室 V6 206的气道为C气道303， C气道303设在活塞3上。 如图22所示，滚动转子式压縮机的进气口连接一压控进气阀，压縮工质(如二 氧化碳气体)经压控进气阀进入滚动转子式压縮机的进气室VI 201，经压縮后排气室V2 202把经过一级压縮后的工质输送到储气罐，由于设计时滚动转子式压縮机排量按最恶 劣的偏离工况考虑，所以当实际工况偏离设计工况时，滚动转子式压縮机不断给储气罐 输送超量气体，罐内压力就会上升，在储气罐和压控进气阀之间设置压力控制回路，当 工况变化储气罐压力超过设计值时，设置一微小压差，利用这一压差控制压控进气阀， 使其关闭，此时滚动转子式压縮机空转(不浪费压縮功)，待储气罐压力下降到正常值， 再重新打开压控进气阀，正常进气，从而使储气罐压力达到基本恒定值，实现变工况应 用。 滚动转子式压縮机通过其进气室VI 201和排气室V2 202作为第一级压縮，工 作室V3203、工作室V4 204作为第二级压縮，工作室V5 205、工作室V6 206作为膨胀 用，第一级压縮后的工质进入储气罐，通过压力控制回路调控，使储气罐中的压力基本 恒定，该具有恒定压力的工质再进入第二级压縮后，即可用作适用于变工况下的CC^循 环的二级压縮一级膨胀的球形膨胀压縮机。
二、第二个实施例 第二个实施例采用为本发明的第二种结构形式。第二个实施例与第一个实施例 不同之处在于第二个实施例中在转盘销座圆环体的下部没有扇形滑道，没有形成滑块 结构，不是由滑块与扇形滑道构成工作室，而是支撑套与转盘圆环体下部的弧形开口不 接触，在活塞铰链支撑上没有B气道302，在缸体上没有相应的进排气通道102，在转盘 上设置有转盘排泄孔；转盘上没有设置连通工作室V7 207和工作室V8 208的窜通孔道 11，工作室V7 207和工作室V8 208形成一对可压縮的空间，在活塞上设置工作室V7 207 和工作室V8 208的气道和导槽，在缸盖上设置其进排气通道；活塞的下端面位于活塞上 球形表面球心以下的位置，转盘销座的两侧形成与活塞下端面相适配的平面；在第二个 实施例中，除缸盖、缸体、活塞、转盘与第一个实施例中结构有变化外，其它零件和各 零件的连接形式与第一个实施例相同，为了与第一个实施例中零件名称区别，第二个实 施例中称缸盖、缸体和转盘分别为缸盖II、缸体II、活塞II、转盘II和活塞铰链支撑II。
图23为第二个实施例结构剖面图，该压縮机包括缸盖I123、缸体1122、活塞II 24、转盘1125、中心销4、主轴8、主轴支架7等零件，缸体II 22和缸盖II 23通过连接 螺钉9相连形成球形内腔，活塞II24具有球形顶面，在球形顶面中央突出一活塞轴，活塞 1124的下部有一活塞销座，缸盖II 23上对应活塞轴有一活塞轴孔，活塞II 24装入活塞轴 孔中可自由转动，活塞II24的球形顶面和上述球形内腔相贴合；转盘II25的上部与活塞 销座相对应有一转盘销座，转盘II25的下端面中央向下突出一转盘轴，转盘II25的球形 面与所述球形内腔相贴合；活塞铰链支撑1126与活塞销座通过定位螺栓6和螺母21连为 一体(见图32)，与转盘销座组合形成柱面铰链副，中心销4插入销孔形成两端具有球形 端面的圆柱铰链；
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滚动转子式压縮机与第一个实施例相同，实施例如图23、图2、图3、图19、图 20、图21所示。滚动转子式压縮机的转子缸体13置于缸体II22和主轴支架7之间，通 过连接螺钉9把主轴支架7和转子缸体13连接在缸体II22的下端；转子缸体13上设有进 气孔100和排气孔101，并装有滑片14和滑片弹簧15，进气孔100在圆环壁上直接开通， 排气孔101开通设置在主轴支架7上，排气孔101上装有排气阀16和阀片限位块17，排 气阀16和阀片限位块17通过气阀螺钉18固定在主轴支架7的下部；把排气孔101设置 在主轴支架7上，运行过程中不容易引起缸体II22变形，增加密封性；主轴支架7、缸体 1122上的主轴孔和转子缸体13为主轴8的旋转提供支撑；机壳罩19为圆筒状，结构形 状与转子缸体13、缸体1的法兰、主轴支架7的外形相适配；主轴8在与缸体II22上的 主轴孔配合处的圆中心线与主轴中心线重合，主轴8与转子缸体13相对应的部分的轴线 与转子缸体13的圆环中心线不重合，在主轴8上形成一偏心圆柱，偏心圆柱的中心线与 主轴8的中心线平行，偏心圆柱与转子缸体13内圆环相切，滑片14通过滑片弹簧15始 终贴合在主轴偏心圆柱的外圆上，带偏心圆柱的主轴8作为滚动转子式压縮机的转子， 在主轴支架7和缸体II 22之间形成滚动转子式压縮机，主轴8旋转时在转子缸体13和主 轴8之间形成滚动转子压縮机的进气室VI 201和排气室V2 202。 主轴8位于缸体II 22内的一端带有偏心轴孔，该偏心轴孔与转盘轴相配形成柱 面滑动轴承配合，另一端与动力机构相连，为膨胀压縮机变容提供动力；活塞II24的下 端和转盘I125的上端形状相配、活塞销座与转盘销座相配，主轴8转动时，活塞II24相 对转盘II25摆动，柱面铰链两端面、转盘球面、活塞球形顶面分别与所述球形内腔形成 密封动配合，活塞II 24和转盘II 25通过柱面铰链连接形成密封动配合；
活塞II24和转盘II25绕中心销4相对摆动时，转盘II25的上端面、活塞II24的 下端面、活塞铰链支撑II 26的平端面与球形内腔之间形成容积交替变化的工作室V7 207 和工作室V8208 ;转盘销座圆环体的扇形凸块在活塞销座半圆柱孔的扇形空腔中摆动， 在扇形凸块的侧面、扇形空腔的侧面与活塞铰链支撑II 26的平端面间形成容积交替变化 的工作室V5 205和工作室V6 206。 工作室V7 207、工作室V8 208的进排气通道104及工作室V5 205、工作室V6 206的进排气通道103设置在缸体II 22和缸盖II 24形成的球形内腔内表面上，布置在垂 直于活塞轴线的环形空间内并连通缸外，如图24、图26、图25， K-K剖面为工作室V7 207、工作室V8 208的进排气通道104的结构示意图，H-H剖面为工作室V5 205、工作 室V6 206的进排气通道103的结构示意图。 第二个实施例中活塞的结构可以参照图27、图28，图27为活塞主视图；图28 为图7所示的活塞左视图。活塞II24具有球形顶面，在球形顶面的中央突出一活塞轴，活 塞1124的下部有一活塞销座，活塞销座为一在活塞下端面形成的开口向下的半圆柱孔， 在半圆柱孔的内圆周的顶部沿半圆柱孔的轴线方向有一凹入的扇形空腔，该扇形空腔沿 半圆柱孔的轴向贯通，在与半圆柱孔的轴线垂直的截面上呈扇形；半圆环体的轴线垂直 于活塞轴并通过球形内腔的中心；半圆环体的两端面为相互平行的平面；活塞的下端面 为平面，该平面位于活塞上球形表面球心以下的位置；工作室V7 207和工作室V8 208的 气道设置在活塞II24的内部，气道的一端在活塞球形表面上，另 端在活塞的下端平面 上并且与设置在该下端面上靠近球形表面的导槽27连通；导槽27的作用是防止液击。
第二个实施例中活塞铰链支撑的结构参照图29、图30，图29为活塞铰链支撑主视图；图30为图9所示的活塞铰链支撑左视图。活塞铰链支撑II26的一端为平面，另一端为球面，球面与所述球形内腔球面相配，活塞铰链支撑II26的平端面及侧面形状与活塞销座两端和转盘销座两端结构相配，球面中央有一与活塞销座半圆柱孔同轴线的圆柱销孔，该销孔是设置在活塞铰链支撑平端面中央的盲孔，圆柱销孔的尺寸与中心销4相配。与第一个实施例相比，本实施例中活塞铰链支撑II26上没有302气道，定位螺栓6的螺栓过孔的位置变化，并且不再是均布。 活塞II24与活塞铰链支撑I126、通过定位螺栓6和螺母21固定相连，支撑套28支撑在两个活塞铰链支撑II26之间，通过定位螺栓6和螺母21连接固定，图31为活塞与活塞铰链支撑组合主视图；图32为图31所示的活塞与活塞铰链支撑组合左视图。
图33为转盘主视图，图34为图33所示的转盘左视图；转盘1125的下端面中央向下突出一转盘轴，上端与活塞销座相适应向上突出一转盘销座，转盘销座为一圆环体，圆环体的轴线与上述活塞半圆柱孔的轴线为同一轴线，在转盘销座圆环体的的外圆周上沿圆环轴线向外形成扇形凸块，该扇形凸块在转盘销座轴向贯通，在圆周面上呈扇形，与活塞销座扇形空腔相配且扇形圆心相同；转盘销座圆环体的外圆与活塞销座半圆柱孔的内圆相配，形成密封动配合；转盘销座圆环体的内圆与中心销4相配达到密封动配合，转盘球面与球形空腔相贴合并具有相同的球心；转盘II25的上端面为平面，转盘销座的两侧形成与活塞II24下端面相适配的平面；在转盘II25的转盘销座圆环体的下部有一弧形开口，弧形开口的上下弧为同心圆弧，两侧为半圆形，弧形开口沿转盘II25转盘销座圆环体的轴向开通；支撑套28是一圆柱体，中央有螺栓过孔，支撑套28可在弧形开口中移动，支撑套28的圆柱的两端面与活塞铰链支撑II26的平端面相贴并通过定位螺栓6和螺母固定连接；活塞II 24绕中心销4相对转盘I1 25摆动时，支撑套28在弧形开口中移动，加强活塞II24和活塞铰链支撑II26的连接刚性，加强密封效果；在转盘I124上设置有转盘排泄孔29，连通弧形开口的下部和转盘球面下端根部，排除弧形开口内腔内可能积存的液体，防止液击； 工作室V7 207和工作室V8 208的气道为A气道301，工作室V5 205和V6 206的气道为C气道303， A气道301和C气道303均设置在活塞II 24上。
第二个实施例滚动转子式压縮机实现变工况调节的结构与第一个实施例相同，如图22所示。 滚动转子式压縮机通过其进气室VI 201和排气室V2 202作为第一级压縮，工作室V7207、工作室V8 208作为第二级压縮，工作室V5 205、工作室V6 206作为膨胀用，第一级压縮后的工质进入储气罐，通过压力控制回路调控，使储气罐中的压力基本恒定，该具有恒定压力的工质再进入第二级压縮后，再通过膨胀级膨胀，即可用作适用于变工况下的C02循环的二级压縮一级膨胀的球形膨胀压縮机。
上述两个实施例每个实施例还具有以下共同点( — )工作室V7 207、工作室V3 203、工作室V5 205在第一个实施例结构剖面图中为最大极限容积状态，工作室V8 208、工作室V4 204、工作室V6 206在实施例结构剖面图中为最小极限容积状态； ( 二 )活塞轴和转盘轴及主轴8的轴线都通过球形内腔的球心，并且活塞轴和转盘轴的轴线与主轴8的轴线形成相同的夹角a ; a最佳取值范围为5。
-15° ;(三)活塞绕活塞轴线的转动惯量与转盘绕转盘轴线转动的转动惯量接近或相
等；经深入研究发现，球形压縮机中如果主轴做匀速转动，那么活塞和转盘绕自身转动
的速度不是匀速的，这种不匀速转动会带来惯性力矩的问题，这种惯性力矩最终会传递
到主轴上，在主轴上产生扭矩波动，严重时会引起扭振、噪音和导致电机效率下降。本
发明的发明人推导出了活塞和转盘不匀速转动而产生的惯性力矩作用到主轴上的合成结
果计算公式
a, cos * sin* sin 3 ft^『r f i M="^ ^ ^ ^~^ 、，2 'Hlf -Jj J
cos cr(l + cos0j + (l —cosS)
式中M——惯性力矩作用到主轴的合成扭矩 " e---主轴作匀速运动时的的转速 a ---活塞和转盘轴线与主轴轴线的夹角 e —主轴转角 JH---活塞绕其轴线的转动惯量 Jp…转盘绕其轴线的转动惯量 由公式可以看到Ju与Jp值越接近，M的值就越小，当^与Jp值相等时M为零。由此可以得出一个重要结论在设计活塞和转盘的结构时要考虑活塞和转盘的转动惯量应该接近或相等，这样可以减小惯性力矩对主轴的影响，防止扭振、降低噪音、提高电机效率，并非常有利于高速变频工况。(四)将缸盖与缸体的分型面放在与活塞轴垂直的通过球形内腔球心的平面上，方便加工和装配；(五)主轴8的转向为从缸盖沿主轴8方向看，主轴8作顺时针转动；
(六)柱面铰链的安装顺序为，先用中心销4连接活塞销座和转盘销座，装入滑块或支撑套后，再用定位螺栓6和螺母21在活塞销座的两端连接活塞铰链支撑；活塞与活塞铰链支撑组合完毕装进球形缸后，定位螺栓6的内六方头部、连接螺母21与活塞铰链支撑上的相应过孔以及球形缸内表面之间形成了空隙容积，这一空隙容积的存在会积存工质和润滑油。所以必须在组合完成后还未装进球形缸前设置专门的工艺，用合适的材料将这一空隙容积填充，也可以加工专用的堵块填充。同时要求当压縮机工作时这些填充物和堵块不能与球形缸内表面产生大的摩擦功耗。(七)实施例中，润滑油路的循环可以是从主轴引入，从活塞轴出，也可以是从活塞轴引入，从主轴端出。(八)从密封、振动、机械摩擦和工作能力综合考虑，本发明的球形内腔的最佳缸径为40-150毫米。 与中国专利ZL200610104569.8、 中国专利ZL200620079799.9和中国专利ZL200820028592.8相比，本专利在结构上有以下突出的实质性特点和显著进步[Cms]( — )本发明对活塞和转盘轴与主轴轴线的夹角a确定了最佳取值范围为5° -15° ，因为a角的大小关系着球形膨胀压縮机的排气量、振动和密封效果，a角取值越大排气量增加但密封效果及振动形变差，反之则是排气量减小，造成结构浪费，经
14过深入研究，本发明给出了 a角的最佳取值范围，在此范围内球形膨胀压縮机能获得排气量、密封、振动等指标的综合优化，为整机性能打下基础。 ( 二 )在中国专利ZL200610104569.8、中国专利ZL200620079799.9和中国专利ZL200820028592.8转盘轴与主轴的连接方式是通过一球面轴承连接，这种结构利用其轴线可以摆动的优点，对机加工误差的适应性好，机构抗干扰性强，缺点是增加了制造成本。经分析研究后发现，在目前制造精度已普遍达到微米级的条件下，这一球面轴承的作用已经不大，所以本发明提出的结构是去掉球面轴承，此时转盘轴与主轴8直接以轴孔配合形式连接，形成柱面滑动轴承的配合方式，简化了结构，降低了成本，特别是在压縮机这种大批量大规模生产的条件下，这种改进尤为重要。(三)活塞铰链支撑的销孔由原来的通孔变为盲孔，有利于加强密封；密封面宽度增加，减小泄漏，同时活塞组件中的定位螺钉改为定位螺栓连接减小了滑块变形，增加了组件刚度，提高了密封能力；(四)实现变工况下的C02工质的二级压縮一级膨胀功能由于利用了滚动转子式压縮机压力恒定的特点，配以调控系统，使整机具备了变工况能力；
(五)经深入研究发现，球形压縮机中如果主轴做匀速转动，那么活塞和转盘绕自身转动的速度不是匀速的，这种不匀速转动会带来惯性力矩的问题，这种惯性力矩最终会传递到主轴上，在主轴上产生扭矩波动，严重时会引起扭振、噪音和导致点击效率下降。在设计活塞和转盘的结构时要考虑活塞和转盘的转动惯量应该接近或相等，这样可以减小惯性力矩对主轴的影响，防止扭振、降低噪音、提高电机效率，并非常有利于高速变频工况。(六)在第二个实施例中，活塞的作用十分重要，但在中国专利ZL200610104569.8、中国专利ZL200620079799.9和中国专利ZL200820028592.8中没有涉及活塞下端面具体形状的设计要求，经深入研究发现，活塞II24下端面的结构形式对工作室V7 207和工作室V8 208的影响很大，本发明提出的活塞II下端面结构形式是活塞II 24的下端面为平面，该平面位于活塞II 24上球形表面球心以下的位置，距离球心的最小距离为h， h的值至少大于l毫米，转盘II25上端面设计时以活塞下端面为基准，并与之相适配，确保完成压縮功能，这种结构的优点是使缸体II22和缸盖II23的分形面接缝不在工作室V7 207和工作室V8 208的工作室内，减少因分形面接缝间隙而带来的泄漏。
(七)在第二个实施例中，工作室V7 207和工作室V8 208的气道301设置在活塞的内部，气道的一端在活塞球形表面上，另一端在活塞的下端平面上并且与设置在该下端面上靠近工作室外边缘的导槽27连通；为了减小泄漏，将气道301不开在活塞表面，而是采用嵌入式并且在工作室端设置一导槽27。设置导槽的作用是活塞转动时，如果工作室内有液体(例如润滑油)，离心力的作用使液体积存在工作室的外边缘，如果没有导槽，液体不易排出，产生"液击"，所以要加导槽，导槽与气道连接，使液体顺利排出。上述几个专利的中相应的气道301暴露在球面的分形面中，高压时容易引起泄漏。
(八)在第一个实施例中，把工作室V7 207和工作室V8 208通过窜通孔道连接起来，使其不具备压縮功能，形成无压縮容积，由于减少一级压縮，使布置在球形内腔表面的进排气通道只有两组，有更多的空间布置，从而提高进排气通道的密封面宽度，减少泄漏增强了密封。
权利要求
一种适应变工况的球形膨胀压缩机，它包括缸体，该缸体上设置有主轴孔；缸盖，该缸盖与所述缸体连接在一起形成球形内腔，在该缸盖上设置有与活塞轴相配的轴孔；活塞，该活塞具有球形顶面、从该球形顶面中央伸出的活塞轴、和在活塞下部的活塞销座，所述活塞可绕活塞轴在缸盖轴孔中自由转动，所述活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合；所述活塞销座是在所述活塞下端面形成的向内凹陷的半圆柱孔，在该半圆柱孔的内圆周上沿半圆柱孔的轴线方向有凹入的扇形空腔，该扇形空腔沿半圆柱孔的轴向贯通并且在与半圆柱孔轴线垂直的截面上呈扇形；转盘，该转盘具有从其下端面中心伸出的转盘轴、在转盘上部与活塞销座相对应的转盘销座；该转盘上部和下端面之间的外周面为转盘球面，转盘球面与球形内腔具有相同的球心并紧贴球形内腔形成密封动配合；所述转盘销座是在转盘上部突起的圆环体，圆环体的轴线与上述活塞半圆柱孔的轴线为同一轴线，该轴线与转盘轴和活塞轴垂直并通过球形内腔的球心；所述转盘销座圆环体的外圆周上沿圆环体的轴线方向形成有凸起的扇形凸块，该扇形凸块沿圆环体轴向贯通，在圆环面上呈扇形，与所述活塞销座扇形空腔相配且扇形圆心相同；主轴，主轴位于缸体内的一端带有偏心轴孔，该偏心轴孔与转盘轴相配形成柱面滑动轴承配合，主轴的另一端与动力机构相连，为压缩机变容提供动力；活塞铰链支撑，该活塞铰链支撑的一端为平端面并且另一端为球形端面，该球形端面与所述球形内腔球面相配，所述活塞铰链支撑的平端面及侧面形状与所述活塞销座两端和所述转盘销座两端结构相配，所述活塞铰链支撑固定在所述活塞销座的半圆柱孔的两端，在所述活塞销座和所述转盘销座的两外端形成与球形内腔相配的球面；在所述活塞铰链支撑上具有与活塞销座半圆柱孔同轴线的销孔，该销孔是设置在活塞铰链支撑平端面中央的盲孔；中心销，该中心销插入所述活塞铰链支撑的销孔和所述转盘销座的圆环体的内孔中，使活塞和转盘形成柱面铰链连接；滚动转子式压缩机，是在所述主轴上有一偏心结构，该偏心结构作为滚动转子式压缩机的转子，滚动转子式压缩机的转子缸体位于上述缸体与主轴支架之间，转子缸体上设有进气孔，排气孔设在主轴支架上，并装有滑片和滑片弹簧；在排气孔上设有排气阀，在进气孔上装有压控进气阀；滚动转子式压缩机作为球形膨胀压缩机的第一级压缩；储气罐，其进气端与滚动转子式压缩机的排气阀连通，其排气端与球形压缩机的第二级压缩的进气端连通，为球形膨胀压缩机的第二级压缩吸气提供压力恒定的气源；压力控制回路，其一端与压控进气阀连通，另一端与储气罐连通，当储气罐的压力超过设定值时通过压力控制回路关闭压控进气阀，当储气罐的压力恢复到设定值时，压控进气阀打开，滚动转子式压缩机正常工作，从而适应变工况工作条件；其中，所述活塞轴和转盘轴的轴线与主轴的轴线形成相同的夹角α，α最佳取值范围为5°-15°；其中，活塞绕活塞轴线的转动惯量与转盘绕转盘轴线转动的转动惯量接近或相等；其中，通过所述活塞和所述转盘绕所述中心销进行的相对摆动，所述转盘的上端面、所述活塞的下端面、所述活塞铰链支撑的平端面与所述球形内腔之间形成容积交替变化的工作室V7和工作室V8，同时，通过所述转盘销座的圆环体的扇形凸块在所述活塞销座的半圆柱孔的扇形空腔中进行的摆动，在所述扇形凸块的侧面、所述扇形空腔的侧面与活塞铰链支撑平端面间形成容积交替变化的工作室V5和工作室V6；其中，工作室V5和工作室V6都对应相应的气道和进排气通道；气道设置在活塞上；进排气通道设置在缸盖的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间内并连通缸外；通过活塞的转动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所述工作室的气道与相应的进排气通道连通；主轴的转向为从缸盖沿主轴方向看，主轴作顺时针转动。
2. 根据权利要求1所述的一种适应变工况的球形膨胀压縮机，其特征是还包括一 滑块，在转盘销座圆环体的下部有一扇形滑道，扇形滑道在圆环体的轴向开通，扇形滑 道的轴线与圆环体的轴线平行，滑块的形状与扇形滑道的形状相适配，滑块的上下圆弧 面与滑道的上下圆弧面相贴合并形成密封动配合，滑块的两端面与活塞铰链支撑相贴合 并通过定位螺栓固定连接；活塞与转盘相对摆动时，滑块的侧面、滑道的侧面及活塞铰 链支撑平端面之间形成容积交替变化的工作室V3和工作室V4 ;工作室V3和工作室V4 都对应于一个气道和进排气通道；气道设置在活塞铰链支撑上；进排气通道设置在缸体 的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间内并连通缸外；通过活塞的转 动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所述工作室的气道与相应的进排 气通道连通；在转盘上设置一窜通孔道，连通工作室V7和工作室V8，使工作室V7和工作室V8 不具备压縮功能，形成无压縮容积；在缸盖上设置缸盖排泄孔，用于排除无压縮容积可 能积存的润滑油等物质；滚动转子式压縮机作为第一级压縮，工作室V3和工作室V4作为第二级压縮，工作 室V5和工作室V6作为膨胀，形成适应于变工况下的二级压縮一级膨胀压縮机。
3. 根据权利要求1所述的一种适应变工况的球形膨胀压縮机，其特征是还包括一 支撑套，在转盘销座圆环体的下部有一弧形开口，弧形开口在圆环体的轴向开通，弧形 开口的轴线与圆环体的轴线平行，支撑套是一圆柱体，其上有螺栓过孔，该支撑套可在 弧形开口中移动，支撑套圆柱的两端面与活塞铰链支撑的平端面相贴并通过定位螺栓固 定连接；在转盘上设置有转盘排泄孔，连通弧形开口的下部和转盘球面下端根部，排除 弧形开口内腔内可能积存的液体，防止液击；工作室V7和工作室V8都对应于一个气道和进排气通道；工作室V7和工作室V8的 气道设置在活塞的内部，气道的一端在活塞球形表面上，另一端在活塞的下端平面上并 且与设置在该下端面上靠近球形表面的导槽连通；工作室V7和工作室V8的进排气通道 设置在缸盖的球形内腔内表面上，布置在垂直于活塞轴线的环形空间内并连通缸外；通 过活塞的转动来实现进排气控制，在各工作室需要排气或进气时，所述工作室的气道与 相应的进排气通道连通；滚动转子式压縮机作为第一级压縮，工作室V7和工作室V8作为第二级压縮，工作 室V5和工作室V6作为膨胀，形成适应于变工况下的二级压縮一级膨胀的膨胀压縮机。
4. 根据权利要求1所述的一种适应变工况的球形膨胀压缩机，其特征是球形内腔 的最佳缸径为40-150毫米。
5. 根据权利要求1所述的一种适应变工况的球形膨胀压縮机，其特征是缸盖与缸 体的分型面设置在与活塞轴垂直的通过球形内腔球心的平面上。
全文摘要
本发明是在中国专利ZL200610104569.8、ZL200620079799.9和ZL200820028592.8的基础上，对球形压缩机和滚动转子式压缩机进行一体化设计，使整机具备了密封性能增强、结构简化、具备变工况适应能力等优点；对活塞、转盘、活塞铰链支撑和主轴等主要零件的结构进行了改进，对活塞和转盘轴与主轴轴线的夹角α确定了最佳取值范围为5°-15°；主轴与转盘轴去掉了球面轴承的连接方式；滚动转子式压缩机的排气口设置在主轴支架上等。滚动转子式压缩机作为第一级压缩，第一级压缩后的工质进入储气罐，通过压力控制回路调控，使储气罐中的压力基本恒定，该具有恒定压力的工质再进入第二级压缩，即可用作适用于变工况下的CO2循环的二级压缩一级膨胀的球形膨胀压缩机。
文档编号F04C23/00GK101691864SQ200910024200
公开日2010年4月7日 申请日期2009年9月30日 优先权日2009年9月30日
发明者夏楠, 王陆一 申请人:马丽莉