具有改性的梢端设计的粉末金属涡旋件的制作方法
【专利说明】具有改性的梢端设计的粉末金属涡旋件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2014年9月26日提交的美国发明专利申请N0.14/498，316的优先权，并且还要求于2013年9月30日提交的美国临时申请N0.61/884,462的权益。上述申请的全部公开内容通过参引并入本文中。
技术领域
[0003]本公开总体上涉及压缩机，并且更具体地涉及压缩机的具有一体形成的梢端密封部的涡旋部件以及用于制造这种压缩机的方法。
【背景技术】
[0004]有若干因素影响涡旋压缩机的性能。这些因素中的一个因素是在操作期间在压缩机构(或涡旋件)中发生的泄漏量。涡旋压缩机通常具有各自限定渐开线涡旋部的两个涡旋构件，所述两个渐开线涡旋部相互啮合在一起以限定密封腔。涡旋件自身遵循这样的运动路径，该运动路径允许涡旋件的渐开线部从渐开线涡旋部的外部区域(或入口)捕获密封腔并且将该密封腔传递至渐开线涡旋部的中央区域(或出口)。这些流体腔在其从入口传递至出口时尺寸减小并压缩。一旦腔到达渐开线的毂(出口)，流体腔就将处于其体积最小且压力最大的状态，并且因此，流体腔会被排出至输送系统。
[0005]然而，压缩腔中的压缩制冷剂的压力以及部件部分的制造公差会引起涡旋构件的轻微的径向分离并导致前述泄漏。对抵消在压缩机操作期间施加至涡旋构件的分开力并且因此使这种可能的泄漏最小化进行的努力已导致若干不同类型的压缩机设计的发展用来提高柔顺性(compliance)。涡旋压缩机中的涡旋构件可以朝向彼此轴向地预加载或以其他方式承受足以抵抗动态分开力的力，以有利于轴向柔顺性并使分离最小化。例如，一些压缩机可以具有加压的“高侧部”，使得在一个或两个涡旋构件的背侧部上利用排出压力来产生与分离力相反的力。在其他常规的压缩机设计中，相应的定涡旋构件和动涡旋构件两者都能够轴向移动或“浮动”并通过偏置装置朝向彼此偏置，例如使涡旋部件的一个或两个背表面承受排出压力和吸入压力的组合。
[0006]然而，即使有这种常规的偏置机构，压缩机腔中的泄漏仍有可能发生。这种泄漏不期望地导致压缩机所做的功增加。因此，可以通过借助于改进两个相互啮合的渐开线之间的腔密封和/或涡旋压缩机中的其他密封界面处的腔密封使这种可能泄漏最小化或消除这种可能泄漏来提高压缩机的性能。
[0007]本部分中的陈述仅提供与本公开有关的背景信息，并且本部分中的陈述可以不构成现有技术。更多应用领域将从本文中所提供的描述中变得明显。应当理解的是，尽管描述和具体示例指示本教导的优选实施方案，但是这些描述和具体示例仅意在说明的目的而不意在限制本公开的范围。
【发明内容】
[0008]本部分提供本公开的总体概述，本部分不是本公开的全部范围或本公开的所有特征的全面公开。
[0009]在各个方面中，本公开提供了用于涡旋压缩机的改进的涡旋构件以及用于制造这种改进的涡旋构件的方法。在某些方面中，本公开提供了一种涡旋构件，该涡旋构件包括渐开线涡旋部和基板部。涡旋构件包含烧结的粉末金属材料。渐开线涡旋部限定包括烧结态的耦接特征的末端端部区域。渐开线涡旋部的末端端部区域包括形成用于在压缩机操作期间接触对置涡旋构件的接触表面的梢端部件。梢端部件可以包括形成用于在压缩机操作期间接触对置涡旋构件的接触表面的梢端密封部件或梢端帽部件(或者梢端密封部件和梢端帽部件两者)。渐开线涡旋部的这种改性的末端端部区域能够在提供优良的轴向密封的同时承受严格的压缩机操作条件期间的磨损。
[0010]在其他变型中，提供了一种涡旋构件，该涡旋构件包括渐开线涡旋部和基板部。涡旋构件包含第一烧结的粉末金属材料。此外，渐开线涡旋部限定包含第二材料的改性的末端端部区域，该第二材料包含至少一种摩擦学材料。该第二材料形成能够在压缩机操作期间接触对置涡旋构件的对置表面并承受磨损的接触表面。同样地，渐开线涡旋部的这种改性的末端端部区域能够在提供较少的磨损和摩擦损耗的优良的轴向密封的同时承受严格的压缩机操作条件期间的磨损。
[0011]在另一些其他变型中，用于形成涡旋构件的方法包括将包含铁合金的金属粉末金属材料引入到限定具有下述形状的腔的模具中，所述形状限定涡旋构件的渐开线涡旋部。该方法还包括将混合物压制到模具中以形成渐开线涡旋构件生坯，渐开线涡旋构件生坯包括渐开线涡旋部，渐开线涡旋部限定具有耦接表面特征的末端端部。在某些方面中，耦接特征能够接纳形成用于在压缩机操作期间接触对置涡旋构件的接触表面的梢端部件。在某些变形中，梢端部件可以是梢端密封部件或梢端帽部件。接下来，将渐开线涡旋构件生坯从模具移除。随后对渐开线涡旋构件生坯进行烧结以形成包括烧结态的耦接特征的渐开线涡旋部。
[0012]在另一些其他方面中，本公开提供了制造涡旋构件的其他方法，该方法包括通过在限定具有限定渐开线涡旋部和基板部的形状的模具中对第一粉末金属材料进行烧结来形成限定渐开线涡旋部和基板部的涡旋构件。涡旋构件包含第一烧结的粉末金属材料。涡旋构件的渐开线涡旋部限定末端端部区域，该末端端部区域还包括含有摩擦学材料的第二材料，该第二材料形成用于在压缩机操作期间接触对置涡旋构件的接触表面。
[0013]更多应用领域将从本文中提供的描述中变得明显。本概述中的描述和具体示例仅意在说明的目的而不意在限制本公开的范围。
【附图说明】
[0014]本文中描述的附图仅用于说明的目的而不意在以任何方式限制本公开的范围。
[0015]图1表示形成在一对渐开线涡旋构件之间的流体腔的密封关系；
[0016]图2表示根据本公开的教导的涡旋构件的立体图；
[0017]图3表示图2中示出的涡旋部件的俯视图；
[0018]图4表示图2和图3中示出的祸旋部件的截面图；
[0019]图5A至图5F示出了根据本教示的一些原则制备的用于涡旋压缩机部件的各种梢端部件的改型。图5A至图5C的实施方案表示包括图4中示出的涡旋部件的渐开线涡旋部的梢端密封部的可选的梢端部件设计，而图5D至图5F表示包括位于根据本教导的一些原则制备的涡旋部件的渐开线涡旋部上的梢端帽的末端梢端部件的替代性实施方式；
[0020]图6表示根据本公开的教导的替代性涡旋部件的结构的立体图；以及
[0021]图7表示涡旋压缩机中的如图1中示出的所述一对渐开线涡旋构件那样的定涡旋构件和动涡旋构件的组合件的截面图。
具体实施方案
[0022]以下描述在本质上仅为示例性的而不意在限制本公开、应用或用途。应当理解的是，在整个附图中，对应的附图标记表示相似的或对应的部分和特征。
[0023]“一”、“一个”、“该”、“至少一个”和“一个或更多个”可互换地用来指示:项目中的至少一个项目存在，多个这种项目都可以存在。术语“包括”、“包含”、“含有”和“具有”是开放性的并因此特指所述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、步骤、元件、部件和/或它们的组的存在或增加。还理解的是，可以采用额外的或替代性的方法步骤。贯穿本公开，数值表示近似的测量值或范围的极限，以包括与给定值的微小偏差和近似具有所述值的实施方案以及那些确切具有所述值的实施方案。本说明书中、包括所附权利要求的参数(例如，数量或条件)的所有数值均理解为在所有情况下都由术语“约”来修饰，无论“约”是否实际地存在于该数值之前。“约”表明所述数值允许一些轻微的不精确(在某种程度上逼近准确的值;大致地或理性地接近该值;近似地)。如果由“约”提供的不精确在本领域中不以该一般意义来理解，则如本文中使用的“约”至少表示因测量和使用这些参数的常规方法而可能引起的变化。另外，范围的公开包括所有值的公开以及整个范围内的进一步划分的范围的公开，包括给出的所述范围的端点。
[0024]图2至图4表示根据本公开的教导的某些方面的涡旋构件。渐开线涡旋构件10包括渐开线涡旋部11和压板或基板部12。渐开线涡旋部11沿着基板部12的第一侧13设置。例如在渐开线涡旋构件10为动涡旋件的某些实施方案中，基板部12的第二相反侧14限定毂16或耦接至毂16，该毂16接纳驱动轴(未示出)以将运动传递至渐开线涡旋构件10。
[0025]图1示出了示例性涡旋压缩机30的两个相互啮合的渐开线涡旋构件的俯视截面图。图7示出了相同的相互啮合的渐开线涡旋部件的截面图。压缩机30具有第一定渐开线涡旋构件32和第二动渐开线涡旋构件34，第一定渐开线涡旋构件32限定第一渐开线涡旋部33，第二动渐开线涡旋构件34限定第二渐开线涡旋部35。第一渐开线涡旋构件32静止，而第二动渐开线涡旋构件34相对于第一渐开线涡旋构件32绕动。第一渐开线涡旋部33和第二渐开线涡旋部35相互啮合在一起以限定密封的流体腔37。第二动渐开线涡旋构件34遵循下述运动路径:该运动路径使得第一渐开线涡旋部33和第二渐开线涡旋部35能够从外部(或入口 36)捕获密封腔37并且将该密封腔传递至对应于定涡旋构件32的第一渐开线涡旋部33的出口或排出通道38的中央区域。
[0026]第一渐开线涡旋部33和第二渐开线涡旋部35中的每一者均是具有形成在定渐开线涡旋构件32和动渐开线涡旋构件34上的末端区域的螺旋形叶片或渐开线叶片。例如，在图7中，定涡旋构件32的第一渐开线涡旋部33限定第一末端区域39。图7中以及图2和图4中可以观察到第二动渐开线涡旋构件34的第二渐开线涡旋部35的末端区域40。在各个方面，形成涡旋部件的材料应当能够承受接触压力下的滑动运动并足够强以处理涡旋压缩机在极端操作条件下的机械载荷。材料的机械加工性还会影响表面特性，表面特性可能会影响密封。例如，目前很多涡旋件都由灰铸铁形成。灰铸铁具有使其能够被加工并在典型的前述极端操作条件下操作的某些特性，然而，很多材料都不适于这些目的。根据本公开，涡旋构件的包括渐开线涡旋部的部分由金属粉末材料制造。
[0027]如本文中所使用的，术语“金属粉末”材料指的是由许多金属颗粒一一例如以下将更详细地描述的金属粉末一一形成的材料。金属粉末材料包括中间处理形式(例如，“生还”形式一一意味着在压缩/压制之后但在烧结之前、以及仍包含粘合剂的这些形式)以及最终产品如烧结的粉末金属材料。这些金属粉末材料任选地通过常规的粉末冶金工艺如常规的压制粉末金属工艺或金属注射模制工艺形成，如以下将更详细地描述的。在各个方面中，本公开提供了一种由烧结的金属粉末形成的涡旋构件，其使得由烧结的粉末金属材料形成的并任选地进入对置的涡旋基部区域的渐开线涡旋部的末端端部区域能够实现期望的材料特性和某些优势。
[0028]图4中示出了第二动渐开线涡旋构件34的渐开线涡旋部35、基板部44与驱动毂66之间的关系。毂66和渐开线涡旋部35任选地与基板部44由例如烧结的粉末金属材料一体地形成。在替代性实施方案中，毂66和/或渐开线涡旋部35可以与基板部44分开地形成并随后附接并耦接至基板部44。
[0029]如本领域技术人员所理解的，对两个相互啮合的渐开线涡旋部(例如，渐开线涡旋部33、35)之间进行密封来保持流体腔37对压缩机操作和效率而言是重要的。因此，保持密封并使沿着涡旋构件的渐开线涡旋部的可能泄漏最小化改善了压缩机操作。在本教示的某些方面中，这种粉末金属材料允许调整涡旋构件中的一个或更多个密封表面的摩擦学特性以进一步改进密封并且因此改进压缩机操作。例如，一个密封部为在第一渐开线涡旋部33的面与第二渐开线涡旋部35的面之间的接触线(该接触线延伸离开由图1或图7中的页面限定的平面)处形成的径向密封部，在图1和图7中，第一渐开线涡旋部33的面与第二渐开线涡旋部35的面在该接触线处(在41处)彼此接触并触碰。其他密封部50(轴向密封部)在渐开线涡旋部叶片的与这些末端端部区域(例如，图7的末端端部区域39、40)对应的梢端的平面表面与相对的涡旋件的基板部的接触表面相接时在平面表面处形成。例如，第一接触表面43由定涡旋构件32的基板部44限定，并且第二接触表面45由第二动渐开线涡旋构件34的基板部46限定。
[0030]腔的密封有效性与渐开线接触表面处的间隙(该间隙例如位于第一末端区域39与第二接触表面45相接处或第二末端区域40与第一接触表面43相接处的轴向密封部50处)有关，因此，在制造压缩机期间，优选的是使该间隙保持尽可能地小。在渐开线梢端或末端端部区域39、40的平面表面与对置涡旋构件的基板部的表面(例如，第一接触表面43或第二接触表面45)之间形成的轴向密封部50的长度大于由渐开线涡旋部33、35的面的接触区域41