等温淬火灰铁涡旋件、涡旋压缩机的涡旋构件、涡旋压缩机及一种供暖、通风和空调系统的制作方法

本申请所揭示的各实施例总体涉及涡旋压缩机。具体地，本申请所揭示的各实施例涉及等温淬火(austempered)灰铁涡旋构件及制造该等温淬火灰铁涡旋构件的方法。

背景技术：

涡旋压缩机是对例如制冷剂、气体或空气等流体进行泵送、压缩和加压的装置。涡旋压缩机也被称为螺旋压缩机、涡旋泵或涡旋真空泵。

涡旋压缩机可以用于蒸汽压缩系统，例如采用制冷剂作为工作流体的空调。涡旋压缩机包括两个相互啮合的涡旋构件：动涡旋构件和静涡旋构件。涡旋构件的叶片几何形状可以是渐伸线(involute)、阿基米德螺线或混合曲线。静涡旋构件固定在压缩机体上。动涡旋构件联接到驱动轴。动涡旋构件并不自转而是在静涡旋构件所限定的路径上偏心地绕轨运行。该绕轨运行产生月牙形腔，该月牙形腔在两个涡旋构件之间行进并且其容积越来越小。在两个相互啮合的涡旋构件外部，该月牙形腔捕获制冷剂气体并将该制冷剂气体朝向相互啮合的涡旋构件中心移动，在相互啮合的涡旋构件中心，该制冷剂气体被排出。随着该制冷剂气体移向相互啮合的涡旋构件中心，该腔变得越来越小，从而使该制冷剂被压缩和加压并伴随温度升高。在涡旋压缩机运行期间，涡旋构件持续地抵抗高压、高磨损和高温。

技术实现要素：

本申请的各实施例总体上涉及涡旋压缩机。具体地，本申请的各实施例涉及等温淬火处理过的灰铁涡旋构件及制造该等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的方法。

在某些实施例中，一种涡旋压缩机的涡旋件包括等温淬火处理过的灰铁涡旋盘齿。

在某些实施例中，一种涡旋压缩机包括等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件和等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件。

在某些实施例中，一种供暖、通风和空调(HVAC)系统包括具有等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件和等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件的涡旋压缩机。

在某些实施例中，一种制备等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的方法包括在大约600℃至大约1000℃的温度对灰铁涡旋铸件进行奥氏体化以获得奥氏体化灰铁涡旋件，之后在大约250℃-大约471℃的温度进行等温淬火约 30分钟-约4小时，其中奥氏体化灰铁被转变以形成具有包括高碳残留奥氏体和针状铁素体的基体结构的奥铁体。

在某些实施例中，一种制备等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的方法包括在大约600℃-大约1000℃的温度对灰铁进行奥氏体化以获得奥氏体化灰铁以及在大约250℃-大约471℃的温度对奥氏体化灰铁进行等温淬火约30 分钟-约4小时以获得等温淬火处理过的灰铁。

附图说明

对附图的描述构成本申请的一部分，其示出了本申请的装置、系统和方法的各实施例的可实施性。

图1A、1B示出了根据一个实施例的含有等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的涡旋压缩机。图1A示意性地示出了涡旋压缩机的剖视图。图1B示意性地示出了图1A中涡旋压缩机沿线1B-1B的涡旋盘齿的剖视图。

图2示出了根据一个实施例的对灰铁涡旋构件的铸件的等温淬火过程。

具体实施方式

涡旋压缩机的效率、容量和耐久性在很大程度上取决于其涡旋构件的材料。涡旋构件可以由在铸模中易铸造的石墨铸铁制成。石墨铸铁是坚硬的、相对脆性的合金，主要由铁和碳组成。

石墨铸铁通常含有2.0-4.3wt％的碳分散在金属基体中。虽然金属基体对石墨铸铁的基本强度和硬度有影响，包括形态、尺寸和分布的碳的性质也会对石墨铸铁的性质例如刚度、强度、韧度、机械加工性等具有很大影响。根据碳的形态，石墨铸铁一般可以分为灰铁、延性铸铁和致密石墨铸铁。

灰铁也被称为灰铸铁(GCI)。除了锰、硫和磷之外，灰铁通常含有 1.5-4.3wt％碳和0.3-5wt％硅。灰铁中的大部分碳含量以石墨形式存在，显现为分散在铁硅基体中的薄片。灰铁因石墨片的存在显示出灰色断面。石墨片对强度或硬度贡献不大。石墨片的尖端作为预先存在的缺口，因而灰铁在拉伸上相对脆弱。灰铁的物理性质受到石墨的容积百分比、薄片的长度和石墨在铁硅基体中的分布的影响。石墨片降低了金属基本的拉伸强度、硬度和延展性。因此，灰铁的抗冲击性和抗震性相对较低。在另一方面，灰铁中的石墨片呈现出有用于制造可负担的、高性能的涡旋构件的几种理想物理性质。例如，由于低浇注温度和有利的液固相膨胀，灰铁具有优良的可铸造性。石墨片和硫的存在增强了机械加工性。由于石墨片自润滑并提供保持油的空隙，灰铁还具有良好的耐磨性。此外，灰铁具有良好的阻尼性和导热性，并具有有利的弹性模量。这些物理性质对改善涡旋构件的性能特别有用。

在美国，灰铁常常按其最小拉伸强度进行分级；例如标称位伸强度分别为20,000psi、30,000psi和40,000psi的20级、30级和40级灰铁。较高拉伸强度的灰铁具有较低比例的碳含量。例如，20级包含高比例的碳含量，35 级灰铁或更高级灰铁含有低比例的碳含量。低碳灰铁是指含有低碳含量的灰铁。

延性铸铁也被称为球墨铸铁或球状石墨铸铁。延性铸铁中的石墨显现为球体而不是灰铁中的单片。这是因为添加了镁以使熔融石墨铁脱硫，导致石墨凝固为球形块(nodule)而不是片状。延性铸铁显示出线性应力－应变关系、相当大范围的屈服强度以及如其名的拉伸延展性。相比于灰铁，延性铸铁具有较高的延展性、弹性模量、拉伸强度和疲劳强度，但是延性铸铁具有较差的摩擦磨损性能、较小的阻尼性、较差的机械加工性以及较低的可铸造性。延性铸铁的刚度(模量)增加会通过阻止一致性而损害涡旋构件的效率。较小的阻尼性与增加的声音相关联。较差的机械加工性和较低的可铸造性会导致涡旋构件的制造成本更高。

致密石墨铸铁也被称为蠕虫状石墨铸铁。致密石墨铸铁中的石墨显现为钝片(blunt flake),比灰铁中的那些石墨更短和更厚。钝片通常相互连接。该石墨形态和致密石墨铸铁的物理性质介于灰铁与延性铸铁中间。然而，致密石墨铸铁难以以低成本和高一致性进行生产。

相比于延性铸铁和致密石墨铸铁，灰铁可以成为制造涡旋构件的具有吸引力的材料。由于模量较低，由灰铁制成的涡旋构件可以相互配合以达到良好的密封。由灰铁制成的涡旋构件可以自润滑并具有良好的耐磨性。由灰铁制成的涡旋构件可以具有有益的阻尼性和导热性。此外，可以以低成本容易地将涡旋构件铸造成复杂的渐伸线形状。灰铁可以潜在地用来制造低成本、高性能的涡旋构件。然而，灰铁涡旋构件会具有有限的疲劳强度和耐磨性(接触压力)，因而在极端的运行条件下，涡旋构件可能会破裂或过度磨损。

理想的是，涡旋构件可以由结合了包括可铸造性、机械加工性、减振性、低弹性模量以及摩擦学性的灰铁的有益特性和符合要求的弯曲疲劳强度和耐磨性以承受增加的气体压力(渐伸线弯曲负载和尖端接触压力)的材料制成。

本申请所揭示的对灰铁的物理性质的改进是用于使压缩机的涡旋构件在容量、耐久性和效率上具有高性能。本申请所揭示的各实施例总体上涉及涡旋压缩机。具体地，本申请所揭示的各实施例涉及等温淬火处理过的灰铁涡旋构件及制造该等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的方法。

本申请所揭示的等温淬火处理过的灰铁涡旋构件相对于标准铸态灰铁涡旋铸造材料具有显著改善的机械强度、硬度和耐久性。等温淬火处理过的灰铁(AGI)保持灰铁的有利物理性质，例如良好的可铸造性、机械加工性、自润滑、良好的阻尼性、导热性和有利的弹性模量。在一个实施例中，40 级灰铁的拉伸强度可以通过高温(大约371℃)等温淬火处理提高大约30％。由于灰铁的弯曲疲劳强度与拉伸强度正相关，该弯曲疲劳强度也可以提高类似程度。目前，涡旋渐伸线弯曲疲劳负载被限制在～13ksi以确保足够的可靠性。本申请所描述的等温淬火处理具有将弯曲疲劳强度增加到大约17ksi 同时保持适当的机械加工性的能力。此外，由于等温淬火基体的亚稳奥氏体组分和在磨损界面处转变成硬马氏体，等温淬火铁的耐磨性可以与弯曲疲劳强度的增加不成比例地增加。因此，等温淬火灰铁涡旋构件可以在涡旋压缩机的长时间运行期间承受较高的压力、拉伸力和温度而不会磨损和破裂，这转而提高了涡旋压缩机的耐久性。此外，等温淬火灰铁涡旋构件的几何形状例如高度、宽度、盘齿曲率、根部(root)半径等可以根据所需的疲劳强度进行设计以满足涡旋压缩机的运行条件。在某些实施例中，等温淬火灰铁涡旋构件的涡旋盘齿可以制得更薄和更高，从而增加涡旋压缩机的容量和效率。在某些实施例中，等温淬火灰铁涡旋构件的涡旋盘齿曲率可以更锐利 (sharper)。在某些实施例中，等温淬火灰铁涡旋构件的根部半径可以更小。在某些实施例中，等温淬火灰铁涡旋构件的几何形状相比于不由等温淬火灰铁制成的传统涡旋构件可以被减小。具有等温淬火灰铁涡旋构件的涡旋压缩机可以显示出优异的效率、容量和耐久性的组合。

在一个实施例中，本申请所揭示的用于制造等温淬火灰铁涡旋构件的方法包括等温淬火过程。等温淬火是应用于高碳钢或铁铸件的等温热处理。本申请所揭示的等温淬火过程可以显著改善灰铁的例如硬率、疲劳强度、耐磨性、拉伸强度等的某些机械性质，同时保持其有利性质例如机械加工性、阻尼性、耐磨性和导热性。因此，本申请所揭示的等温淬火过程可以以相对低的成本来改善涡旋压缩机的性能。

参考以下描述和附图，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的优点变得更显而易见。参考形成本申请一部分的附图，并且在其中通过图示的方式示出可以实施本申请所描述的装置、系统和方法的各实施例。

图1A示意性地示出了根据一个实施例的涡旋压缩机10的剖视图，涡旋压缩机10具有等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35。

参照图1A，涡旋压缩机10包括对运行机构进行密封的壳体11。在一个实施例中，涡旋压缩机10是制冷剂流体压缩机。然而，可以理解，涡旋压缩机10也可以用于对除制冷剂之外的流体进行压缩、加压或泵送。电动机15连接并驱动驱动轴27。曲轴销28通过轴承29将驱动轴27连接到等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件32。驱动轴27和曲轴销28的旋转使该等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件32绕轨运行。制冷剂通过壳体11中的入口端口41进入压缩机10并流过电动机15。等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件32只能相对于等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35绕轨运行。等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件32相对于等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35的轨道运动产生腔，该腔捕获等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35外部的制冷剂气体。压缩的制冷剂在等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35的中心处达到最高压力和温度，然后通过排出端口60被排出，排出端口60与等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35的中心流体连通。在一个实施例中，排出端口60设置有止回阀。如果压力达到预定值，压缩的制冷剂气体将该止回阀推开并流到出口端口42。

图1B示意性地示出了图1A中等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35 沿线1B-1B的涡旋盘齿的剖视图。

参照图1B，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35分别具有等温淬火处理过的灰铁涡旋盘齿30和40。随着等温淬火处理过的灰铁动涡旋构件 32相对于等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35绕轨道运行，移动腔50、51 和52通过移动线接触而形成。涡旋压缩机10的容量在很大程度上由移动腔 50、51和52的尺寸来决定。移动腔50、51和52的尺寸可以通过减少等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35的涡旋盘齿30和40的厚度和增加等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35的涡旋盘齿30和40的高度来增加。这将允许捕获更大量的制冷剂气体。

腔50的容积随着其移向等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的中心而减少，以对制冷剂进行压缩。涡旋压缩机10的性能部分依赖于在移向等温淬火处理过的灰铁静涡旋构件35的中心时腔50的密封程度，涡旋压缩机10 的耐久性部分依赖于等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35的机械性质。相比于没有进行等温淬火处理的灰铁涡旋构件，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35具有均匀的和一致的硬度、抗磨损并具有较高的冲击和疲劳强度。在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35具有比灰铁涡旋构件高约1.75倍的拉伸强度、高约1.5倍的冲击强度、高约1.76倍的伸长率、高约1.71倍的硬度、以及高约1.83倍的内部阻尼性。在某些实施例中，等温淬火处理过的涡旋构件32和35由包括40级等的低碳灰铁制成。在一个实施例中，低碳灰铁可以具有最大值为3.25wt.％的碳含量、不超过 0.7wt.％的铜含量、不超过0.20wt.％的铬含量、不超过0.05wt.％的钼含量、不超过0.05wt.％的锡含量，以及不超过0.015wt.％的锑。在某些实施例中，等温淬火处理过的涡旋构件32和35由35级灰铁等制成。在某些实施例中，等温淬火处理过的涡旋构件32和35由30级灰铁等制成。在一个实施例中，由40级灰铁制成的等温淬火(371℃)处理过的涡旋构件32和35可以实现大约56ksi的拉伸强度、大约5ft-lbs的冲击强度、大约0.8％的伸长率以及中等～282的布氏(Brinell)硬度以保持合适的机械加工性。较高的拉伸强度和硬度与等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35的改善的疲劳强度相关联。在一个实施例中，由40级灰铁制成的等温淬火处理过的涡旋构件32和 35可以将共振频率从大约33,500Hz降低至大约29,500Hz并将内部阻尼从大约3增加至大约9。在一个实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32 和35具有各性质的独特组合，各性质包括相对高的强度和耐磨性以及非常高的阻尼性，因而等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35更好地彼此配合，从而更好地改善移动腔50、51和52的密封。在一个实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35的拉伸强度和弯曲疲劳强度提高了～30％。疲劳强度的增加可以使得等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35能够忍受更高的压力，从而扩大了涡旋压缩机10的工作条件范围。由于涡旋构件的几何形状例如高度、宽度、盘齿曲率、根部半径等常常设计为低于制造涡旋构件的材料的最大疲劳强度，疲劳强度的增加还可以使得几何形状能够根据所需要的疲劳强度进行设计以满足涡旋压缩机的工作条件。在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35可以制得更薄和更高，从而增加压缩机10的容量。在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的涡旋盘齿曲率可以设计为更锐利。在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的根部半径可以设计为更小。在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件的几何形状相比于不由等温淬火处理过的灰铁制成的传统涡旋构件可以被减小。

在一个实施例中，涡旋压缩机10被包括在制冷系统中以改善制冷系统的效率、耐久性和容量。例如，根据一个实施例，涡旋压缩机10被包括在 HVAC系统的室外压缩机中。该室外压缩机从室内空气处理单元接收蒸发的制冷剂并对其进行压缩。压缩的制冷剂流过热交换器，然后循环回到室内空气处理单元进行空气调节。

可以理解，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35可以部分由灰铁制成。在某些实施例中，涡旋压缩机10的涡旋构件的涡旋盘齿由等温淬火处理过的灰铁制成的。

等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35通过包括等温淬火热处理过程的过程来制备。在一个实施例中，等温淬火过程在灰铁涡旋构件的铸造过程中实施，不修改现有铸造化学品、模具或工具(几何形状)。在一个实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35通过对铸造的灰铁涡旋件进行等温淬火而制成。在一个实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和 35直接由等温淬火处理过的灰铁制成。

图2示意性地示出了根据一个实施例的制备等温淬火灰铁涡旋构件的等温淬火过程。在一个实施例中，等温淬火过程在灰铁涡旋构件的铸造过程中实施。在另一个实施例中，等温淬火过程用于对铸造的灰铁涡旋构件进行处理。在又一个实施例中，等温淬火过程用于对灰铁进行处理。

参照图2，在步骤300中，将灰铁涡旋构件的铸件加热到奥氏体化温度 Tγ。奥氏体化温度Tγ可以是大约600℃-大约1000℃。根据灰铁的具体化学成分和所需的最终性质，进行奥氏体化的温度范围的上限包括但不限于 1000℃、950℃、900℃、850℃、800℃和750℃，进行奥氏体化的温度范围的下限包括但不限于600℃、650℃、700℃、750℃和800℃。较高的奥氏体化温度可以增加基体碳含量并在最终基体中产生更高的残留奥氏体。在某些实施例中，灰铁涡旋构件的铸件由20级、30级或40级灰铁制成，奥氏体化温度Tγ可以是大约871℃。在某些实施例中，灰铁涡旋构件的铸件由20 级、30级或40级灰铁制成，奥氏体化温度Tγ可以是大约927℃。

在步骤400中，根据铸件的尺寸，灰铁涡旋构件的铸件被保持于奥氏体化温度约1-约4小时。在一个实施例中，灰铁涡旋构件的铸件被保持于奥氏体化温度约2小时。

在步骤500中，将灰铁涡旋构件的铸件快速退火至等温淬火温度TA。等温淬火温度TA可以是约250℃-约471℃。根据灰铁的具体化学成分和所需的最终性质组合，等温淬火温度范围的上限包括但不限于471℃、421℃、 371℃和321℃，等温淬火温度范围的下限包括但不限于250℃、275℃、 300℃、325℃和350℃。在一个实施例中，等温淬火温度TA是大约260℃。在一个实施例中，等温淬火温度TA是大约316℃。在一个实施例中，等温淬火温度TA是大约371℃，从而可以使疲劳强度有意义地增加，同时保持符合要求的机械加工性(中等硬度)和可接受的尺度稳定性。

在步骤600中，灰铁涡旋构件的铸件被保持在等温淬火温度和熔盐浴中以等温转变成奥铁体(ausferrite)约0.5-约4小时。熔盐浴的温度必须严格控制。根据灰铁的具体化学成分，还对等温淬火步骤进行精确时间控制以避免过度加工或加工不足。在一个实施例中，灰铁涡旋构件的铸件的等温淬火时间可以是大约60分钟。在一个实施例中，等温淬火时间可以是大约120 分钟。在一个实施例中，等温淬火时间可以是大约180分钟。

在一个实施例中，在大约371℃对灰铁涡旋构件的铸件进行等温淬火约 60分钟产生大约25％的拉伸强度增加(与疲劳强度相关)。此外，夏比 (Charpy)冲击能量增加约10％，硬度增加～30HBW 10/3000。在该等温淬火条件下处理的灰铁涡旋构件的铸件仍保持良好的机械加工性和阻尼性。

在某些实施例中，等温淬火处理过的灰铁涡旋构件32和35还可以由包括获得等温淬火处理过的灰铁，并将灰铁铸造成静涡旋构件或动涡旋构件中的过程制成。等温淬火处理过的灰铁以类似于以上关于图2描述的过程进行制备。

虽然本申请已在典型实施例中进行了说明和描述，但是其不意欲限制为所示的细节，因为在以任何方式不偏离本申请的精神的情况下可以作出各种修改和替换。因此，本领域技术人员可以在不超出常规实验的情况下发现本申请所公开内容的其他修改和等同物，所有这些修改和等同物被视为在以下权利要求书限定的公开内容的精神和范围内。