用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置的制作方法

专利名称：用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卡洛尔流体机械，特别涉及用于卡洛尔流体机械的缸体动密封 装置。
背景技术：
一九七三年出版的加拿大杂志《Design Engineering》第四期中 『Compressor Uses New Rotary Principle文献1』 一文在世界上首次介绍 了一种新型压縮机，这种新型压缩机由牛津大学毕业的Robert Karol提出， 后由英国著名旋转机械专家Richard Ansdale作了进一步开发，并由英国 Well-worthy公司制造了样机。这种新型压縮机主要由一个具有球形外周回转 面的旋转气缸体、 一个与之相配的具有球形内表面的上下可剖分壳体、两个具 有球形端面的圆柱形活塞、 一根带有两个偏心轮的主轴，及两侧端盖和轴承等 组成；旋转气缸体上在垂直于其旋转轴线的对称平面内有两个轴线相互垂直的 贯通气缸孔，由主轴偏心轮驱动的两个活塞分别置于其中；旋转气缸体轴线与 主轴中心存在一个偏心距，其值等于主轴偏心轮回转半径；主轴驱动活塞旋转 时，活塞带动缸体以主轴转速之半同步旋转，因而活塞在缸体气缸孔内以4r 为行程相对于气缸孔做往复运动，实现压縮机的基本功能。
这种新型压縮机采用的基本机构学原理是"转动导杆机构"，见附图l，比 较早期的文献『C. H. KO)KEBHMKB. TEOPM只 MEXAHM3MOB M M AII[M HA' M ALL|r M 3 . 1945. P130- 13文 献2』介绍了该机构的运动学转换方式。"转动导杆机构"包括一个旋转的曲 柄、 一个由曲柄驱动并沿导杆滑动的滑块、 一个绕自身旋转中心旋转的导杆；导杆旋转中心与曲柄旋转中心存在一个偏心矩e，其值刚好等于曲柄回转半径
r，所以曲柄驱动滑块旋转时，滑块带动导杆以曲柄旋转速度之半同步转动；
曲柄每旋转一周，滑块沿导杆走过的行程为4r。将滑块视为活塞，导杆视为气 缸孔，用与导杆旋转轴同轴的固定回转面构成气缸孔端面，则具备了压縮机的 基本构造和功能。"转动导杆机构"在曲柄转角为180°时，曲柄与导杆垂直， 导杆的旋转方向存在不确定性，所以用该机构构造的压縮机需要另加一个约束 条件来保证导杆做单方向旋转，文献1所报导的新型压縮机采用了 180°设 置的两个曲柄配合相互垂直的两个导杆(气缸孔)解决了这一约束死点问题。 国外文献多将这种以"转动导杆机构"为基本原理构造的压缩机称为Karol (中译名为"卡洛尔")压縮机，相应压縮机和液泵共同称为"卡洛尔流体机
械"。国内文献对基于"转动导杆机构"形成的压縮机有多种称呼，主要有
行星活塞压縮机、放射型转子压縮机、旋转气缸压縮机、旋转活塞压縮机、转 子活塞压縮机等。本发明根据原始文献，将相应压縮机统称为"卡洛尔压縮机"， 将相应压縮机和液泵统称为"卡洛尔流体机械"。
文献1所报导的"卡洛尔压縮机"缸体与壳体的配合回转面及活塞顶 面均为球面，因而制造困难，没有在商业领域得到应用。后来的研究人员将旋
转气缸体外周、壳体内孔、活塞顶面改为圆柱面『Methodof and Apparatus for Effecting Volume Control of Compressor. United States Patent Number 4723895， Feb 9， 1988， Isao Hayase， Katsuta; Hitachi, Japan文献3』， 其基本结构见图2，使这种压縮机的结构大大简化，其低成本制造问题得到了 解决。本发明即针对这种具有圆柱回转面的"卡洛尔流体机械"，后文仍简称 "卡洛尔流体机械"。具有圆柱回转面的"卡洛尔流体机械"因为结构远比活 塞式压縮机简单，并具有较双螺杆、单螺杆、涡旋等回转式压縮机易于加工的优点，因而有望在气体压缩和液体输送领域获得商业性应用，故此受到研究人 员的重视。
目前的卡洛尔流体机械，旋转气缸体与壳体内孔之间要留有较大的径向间 隙，以保证二者的相对运动灵活，但此处较大的间隙造成了气缸工作腔内被输 送流体介质通过气缸孔端部沿此间隙的严重周向泄漏，导致整机的容积效率和 热效率大幅度降低。如果采用减小此处间隙值的办法来降低泄漏量，则会造成 旋转气缸体外圆柱面与壳体内孔之间机械摩擦损失的严重增加，造成压縮机和 液泵的机械效率下降，并容易造成机器运行中旋转气缸体因摩擦热变形较大而 与外壳卡住。目前来看，这一泄漏问题是制约卡洛尔流体机械容积效率和热效 率提高的关键技术障碍之一。如果工作腔泄漏问题不能良好解决，这种流体机 械将因为在容积效率和热效率两个关键技术指标方面无法与成熟的活塞、螺杆 等往复式及回转式流体输送机械相比，而难于取得商业性应用。

发明内容
本发明的目的在于提供一种用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，解决 现有卡洛尔流体机械气缸工作腔端部通过旋转气缸体与壳体配合间隙周向泄 漏的密封问题。它能有效减少气缸工作腔内被输送介质在工作腔端部通过该部 位间隙产生的周向泄漏，在提高卡洛尔流体机械容积效率和热效率的同时，又 不会导致零部件摩擦热变形严重而卡死，以及带来摩擦加剧而导致机械效率降 低等问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下用于卡洛尔流体机械的 缸体动密封装置，包括设置在与壳体内孔配合的旋转气缸体外圆柱面上的环 槽、以及置于所述环槽内的密封环，其特征在于，所述环槽围绕气缸孔口外周 就近设置，该环槽与旋转气缸体外圆柱面相交形成的空间轮廓线与相应气缸孔同旋转气缸体外圆柱面的相贯线具有相近似的空间形状，所述密封环与所述环 槽具有相同的空间形状，二者在所述环槽的深度方向成滑动配合关系。
本发明的进一步改进在于所述密封环的暴露在所述环槽外部的空间轮廓 表面与壳体的内孔表面形状相同；所述密封环在径向设置有切口；所述切口可 以是直切口、斜切口、搭切口。
本发明的一种改进在于所述环槽内设置有多条密封环，多条密封环沿环 槽内周向外依次叠置；所述多条密封环在径向设置有切口，各环切口周向相互 错置；所述切口可以是直切口、斜切口、搭切口。
本发明的另一种改进在于旋转气缸体圆柱面上围绕气缸孔口设置有多道 环槽，相应的也有多条密封环；所述多条密封环在径向设置切口，各环切口周 向相互错置；所述切口可以是直切口、斜切口、搭切口。
本发明的其他技术特点在于所述密封环采用非金属自润滑材料或耐磨金 属材料制造而成；所述非金属自润滑材料为填充聚四氟乙烯或填充聚醚醚酮； 所述耐磨金属材料为灰铸铁，或球墨铸铁，或合金铸铁，或铜合金。
本发明具有突出的有益效果。当卡洛尔流体机械气缸工作腔内建立压力而 正常运转时，本发明的所述密封环在气缸工作腔内被输送介质的压力作用下， 会沿径向向外扩张进而贴紧于环槽周向外表面，阻断工作腔通过密封环与环槽 外周贴合面间隙的泄漏通道，减少工作腔内介质的泄漏。同时，气缸工作腔内 被输送介质在压力作用下会渗透到所述缸体环槽内所述密封环的底部，从而将 环槽内的密封环浮起而紧贴于壳体内孔表面，因密封环与壳体内孔贴合面的形 状和直径尺寸相同，故可很好阻断工作腔通过旋转气缸体与壳体径向配合间隙 的泄漏通道，减少工作腔内介质的泄漏。在缸体外圆柱面上每个气缸孔口外围 设置一道环槽，并在其内放置一条密封环便能满足绝大多数压力工况的密封要求，数学建模及实验研究的结果表明，这一技术手段的采用会使卡洛尔流体机
械在常用压力工况下的容积效率提高约5 10%，绝热指示效率提高约3 8%。
如果在缸体外圆柱面的一道环槽中沿环槽内周向外依次叠置多条密封环，
并将各环切口错置；或在每个气缸孔口外围设置多道环槽，相应每道环槽内设
置一条密封环，并且各环切口错置。则因为多条密封环的反复阻塞，以及多个 错置密封环切口的多次节流效应，气缸工作腔内的介质向缸体与壳体配合圆周 间隙中的泄漏更加困难，故而能够达到更好的密封效果，或密封更大的气缸工 作腔压差。同样采用数学建模及实验的研究结果表明，相同工作压力下，这一
技术手段较前述基本密封手段又可提高容积效率约2 4%。
相比于传统的卡洛尔流体机械，采用本发明的相应技术手段，能够大幅度 减少压縮机或泵工作过程中气缸工作腔内被输送介质在气缸端部通过旋转气 缸体与壳体配合间隙部位的周向泄漏，因而不必采用努力减小运动副配合间隙
的手段来控制泄漏量，也不会产生由于运动间隙减小摩擦加剧而致的运动机构
卡死和机械效率降低问题。


图1是转动导杆机构运动转换关系原理示意图； 图2是传统的卡洛尔流体机械主要零部件结构关系轴测示意图； 图3是本发明的动密封装置结构及其在卡洛尔流体机械中的位置和安装方 式轴测示意图4是本发明的动密封环的结构平面投影三视图(主视图、俯视图、左视
图)；
图5是图3中安装有本发明动密封装置的卡洛尔流体机械主体部分的结构 剖视图，剖切平面同时通过图3中的轴线Ll和L2;图6a是本发明针对气缸工作腔孔口部位缸体与壳体配合间隙的动密封装
置实施例(缸体与密封环装配体)结构之二，缸体设一槽多环方案的轴测图6b是本发明针对气缸工作腔孔口部位缸体与壳体配合间隙的动密封装 置实施例(缸体与密封环装配体)结构之三，缸体设多槽多环方案的轴测图7a是图6a的旋转气缸与密封环装配体剖视图，展示密封环在气缸体环 槽内的装配关系，剖切平面同时通过图6a中的轴线Ll和L2;
图7b是图6b的旋转气缸与密封环装配体剖视图，展示密封环在气缸体环 槽内的装配关系，剖切平面同时通过图6b中的轴线Ll和L2;
图8是本发明中与密封环配套使用的壳体上格栅状进气孔口组及单个孔口 形状和位置关系示意图。
图1中，各符号代表的意义如下A-曲柄；B-滑块(相当于活塞)；O导
杆(相当于气缸孔，也即旋转气缸体)；01-曲柄(即主轴)旋转中心；02-导 杆(即缸体)旋转中心(也即外壳内孔回转面中心)；6-曲柄(即主轴)转角； 导杆(即旋转气缸体)转角；C0-曲柄(即主轴)旋转角速度；CO'-导杆(即 旋转气缸体)角速度；r-曲柄回转半径；e-主轴(即曲柄)旋转中心01与导 杆(即缸体)旋转中心02之间的偏心距离。
图2 图8中，各零部件代号和名称如下l-壳体；2-旋转气缸体；3_活 塞；4-密封环；41-第一密封环；42-第二密封环；5-主轴；6-端盖；7-主轴轴 承；8-缸体轴承。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式
做进一步的详细描述 图1是本发明所针对的卡洛尔流体机械的机构运动转换关系原理图。图中 的滑块相当于活塞，导杆相当于气缸孔，缸体(即导杆)与主轴(即曲柄)中心的距离e刚好等于曲柄回转半径r。曲柄驱动滑块旋转时，滑块沿导杆滑动，
并带动导杆以曲柄旋转速度之半同步转动。曲柄每旋转一周，滑块沿导杆走过
的行程为4r。只有一个滑块及导杆的该机构在曲柄转角为180°时，导杆的旋 转方向存在不确定性。
图2是传统的卡洛尔流体机械主要零部件结构关系示意图。旋转气缸体与 壳体配合的回转面为圆柱面，旋转气缸体上至少有两个相互垂直的气缸孔，每 个气缸孔内有一个活塞，活塞端面是与缸体外周具有相同直径的圆柱面。每个 活塞对应主轴上的一个驱动曲柄，各曲柄错角为180°。缸体与壳体配合的圆柱 面、活塞与气缸孔配合的圆柱面均留有较大的径向间隙，以保证运动副的相对 运动灵活。
图3是本发明针对这一密封问题的主体解决方案。在旋转气缸体2与壳体 1内孔lb配合的圆柱形外周2b上围绕气缸孔口就近整周设置有空间环槽2a, 在环槽2a内设置与其具有相同空间形状的密封环4，密封环4与壳体1内孔 lb的贴合面4b同壳体内孔表面lb形状及直径尺寸相同，因而二者能良好贴合。 环槽2a与密封环4在所述环槽2a的深度方向成滑动配合关系，压縮机或泵工 作时，密封环4被气缸工作腔内所输送介质的压力托起而紧贴于壳体内孔表面 lb，从而密封气缸工作腔孔口部位通过气缸体2与壳体1配合间隙处的泄漏。 此外，密封环4还被气缸工作腔内介质压力胀开，而贴紧于环槽周向外表面， 阻断工作腔内介质绕过环槽底部向缸体与壳体径向配合间隙中的泄漏。旋转气 缸体环槽2a与旋转气缸体2外圆柱面2b相交形成的空间轮廓线2d与相应气 缸孔同旋转气缸体2外圆柱面2b的相贯线2c具有相近的空间形状，并尽可能 靠近气缸孔口设置，以使机器结构紧凑，也便于使用铣削手段加工。密封环4 也可在径向开设切口4a，以便安装，并改善其在环槽2a内与环槽2a侧壁的贴合密封效果。在一般工作压力下，只需在缸体2上的气缸孔口周围设置一道环
槽2a，并在其中放置一条密封环4即可满足该部位的密封要求，此时密封环4 与缸体环槽2a具有相同的基本尺寸。
图4是本发明中密封环4的结构平面投影三视图(主视图、俯视图、左视 图)，整体上看接近空间扭曲的圆环形。密封环4的轮廓表面4b是与壳体l内 孔lb具有相同直径尺寸的圆柱面，以便两者良好贴合。在密封环4周向的任 意部位可设置切口，以便于向缸体环槽内安装；切口可为常用的直切口、斜切 口、搭切口。密封环4的断面多为矩形，沿圆周方向的各断面形状及尺寸可相 同，也可不同。
图5是图3中安装有本发明密封装置的卡洛尔流体机械主体部分的结构剖 视图，剖切平面同时通过图3中的轴线L1和L2。由图可见，缸体2的外圆柱 面2b上，每个气缸孔口外周均设有一道环槽2a，其内设有一条密封环4，用 以阻断气缸工作腔内被输送流体介质向缸体与壳体配合圆柱面间隙中的泄漏。
图6a、 7a是本发明针对这一密封问题的解决方案第二实施例。当被密封 流体介质的压力较高或密封的要求较高时，可在围绕每个气缸孔口设置的一道 环槽2a内放置多个径向尺寸不同的密封环，例如第一密封环41、第二密封环 42、……，它们在径向的内外轮廓面依次贴合，并且最内环和最外环的内、外 轮廓面又分别与环槽2a的内、外轮廓面贴合，各密封环41、 42、……的径向 切口41a、 42a、……在周向相互错开安装，从而可提高密封效果。
图6b、 7b是本发明针对这一密封问题的解决方案第三实施例。当被密封 气体介质的压力较高或密封的要求较高时，还可围绕每个气缸孔口设置多个径 向尺寸不同的环槽，例如第一环槽3al、第二环槽3a2、……，每道环槽内放 置一道与其基本尺寸相同的密封环，例如第一密封环41、第二密封环42、……，各密封环41、 42、……的径向切口 41a、 42a、……在周向相互错开安装，从 而提高密封效果。
图8是与本发明中密封环4配套使用的壳体1上的进气孔口组la的开设 形状，由若干大小不等的格栅状孔ld共同组成进气孔口组la;这些格栅状孔 ld沿壳体l轴线方向排列，孔口组la位于壳体l长度方向的中间位置，左右 对称于壳体1长度方向的左右中面A-A，上下对称于壳体1径向的上下中面B-B; 单个孔口 ld为长圆形，其长轴对称面C-C平行于壳体左右中面A-A;各长圆形 孔口 ld对称分设在壳体左右中面A-A的两侧，孔的长度从中间向两边逐渐縮 短。传统的进气孔口为整体形状的大孔，这会导致本发明中的密封环在越过进 气孔口位置时从缸体2的环槽2a内脱出。本发明将其设置成断续的格栅状， 则在基本不影响气缸工作腔进气的同时，靠缸体1在该部位的格栅状连续内表 面lb挡住密封环4不脱离旋转气缸体2外周2b上的环槽2a。
本发明所述的密封环制造材料主要有两大类 一类是非金属自润滑材料， 常用的有填充聚四氟乙烯、填充聚醚醚酮等；另一类是耐磨金属材料，常用的 有灰铸铁、球墨铸铁、合金铸铁、铜合金等；第三类应用较少的是金属与非金 属的复合材料，主要是多孔烧结金属浸渍聚四氟乙烯等具有自润滑性能的非金 属成分。所述密封环的制造方法主要有模压成型、粉末冶金、铸造、机加工等。
上面结合附图所描述的本发明优选具体实施例仅用于说明本发明的实施 方式，而不是作为对前述发明目的和所附权利要求书内容和范围的限制，凡是 依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰， 均仍属本发明技术和权利保护范畴。
权利要求
1. 用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，包括设置在与壳体(1)内孔(1b)配合的旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)上的环槽(2a)、以及置于所述环槽(2a)内的密封环(4)，其特征在于，所述环槽(2a)围绕气缸孔口外周就近设置，该环槽(2a)与旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)相交形成的空间轮廓线(2d)与相应气缸孔同旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)的相贯线(2c)具有相近似的空间形状，所述密封环(4)与所述环槽(2a)具有相同的空间形状，二者在所述环槽(2a)的深度方向成滑动配合关系。
2、 根据权利要求1所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述密封环(4)的暴露在所述环槽(2a)外部的空间轮廓表面(4b)与壳体 (l)的内孔表面(lb)形状相同。
3、 根据权利要求1所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述密封环(4)在径向设置有切口(4a)。
4、 根据权利要求1所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述环槽(2a)内设置有多条密封环(41、 42)，多条密封环(41、 42)沿环 槽(2a)内周向外依次叠置。
5、 根据权利要求4所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述多条密封环(41、 42)在径向设置有切口(41a、 42a)，各环切口(41a、 42a)周向相互错置。
6、 根据权利要求1所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)上围绕气缸孔口设置有多道环槽(2al、 2a2)，相应地也有多条密封环(41、 42)。
7、 根据权利要求6所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述多条密封环(41、 42)在径向设置有切口(41a、 42a)，各环切口(41a、42a)周向相互错置。
8、 根据权利要求1所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述密封环(4)采用非金属自润滑材料或耐磨金属材料制造而成。
9、 根据权利要求8所述用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，其特征 在于，所述非金属自润滑材料为填充聚四氟乙烯或填充聚醚醚酮。
10、 根据权利要求8所述用于卡洛尔流体机械的活塞动密封装置，其特征 在于，所述耐磨金属材料为灰铸铁，或球墨铸铁，或合金铸铁，或铜合金。
全文摘要
本发明涉及卡洛尔流体机械，特别公开了一种用于卡洛尔流体机械的缸体动密封装置，它包括设置在与壳体(1)内孔(1b)配合的旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)上的环槽(2a)、以及置于所述环槽(2a)内的密封环(4)，其特征在于，所述环槽(2a)围绕气缸孔口外周就近设置，该环槽(2a)与旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)相交形成的空间轮廓线(2d)与相应气缸孔同旋转气缸体(2)外圆柱面(2b)的相贯线(2c)具有相近似的空间形状，所述密封环(4)与所述环槽(2a)具有相同的空间形状，二者在所述环槽(2a)的深度方向成滑动配合关系。相比于传统的卡洛尔流体机械，本发明能够大幅度减少工作腔内被输送介质在气缸孔口部位通过旋转气缸体与壳体配合间隙的周向泄漏，从而提高这种流体机械的容积效率和热效率。
文档编号F04B39/00GK101280775SQ20081001800
公开日2008年10月8日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者冯诗愚, 郁永章, 顾兆林, 高秀峰, 魏进家 申请人:西安交通大学