专利名称：容积式涡旋流体压缩装置的分段式前端密封装置的制作方法
技术领域：
本发明与容积式涡旋流体装置有关；更具体地说，本发明与容积式涡旋流体压缩装置中的分段式前端密封装置有关。
容积式涡旋流体压缩装置的技术是众所周知的，例如授予Creux的美国专利第802,182号揭示了一种涡旋型装置。该装置包括两个涡旋元件，每个涡旋元件有一块端板和一个螺旋形的涡卷。这两个涡卷具有相同的几何形状，彼此相互啮合且保持一定的角度和径向偏移，以在它们螺旋形的曲面之间造成多处线接触。如此，相互啮合的涡卷形成了至少一对被密封住的流体气室。当一个涡卷相对于另一个涡卷作轨道运动时，上述接触线就沿着螺旋曲面移动，因而流体气室容积随之改变。容积之增加或减小取决于两涡卷之间相对运动的方向，这样，该装置可以用来压缩或膨胀流体。
下面参照
图1a-1d所示的传统的容积式涡旋压缩机，对其一般运行原理作一些说明。图1a-1d示意性地示出了相互啮合的螺旋形的涡卷1和2作相对运动以压缩流体，涡卷1和2相互啮合并在相互之间保持一定的角度偏移和径向偏移。图1a显示了每个涡卷的外端与另一涡卷相接触，也就是吸气阶段刚好完成，一对对称的流体气室A1和A2刚好形成。
图1b-1d依次显示了驱动轴曲柄旋转了一定角度后的两涡卷的位置。当曲柄旋转时，流体气室A1和A2沿径向和圆周方向逐渐向啮合涡卷的中心移动，同时A1和A2的容积逐步减小。当曲柄的转动使两涡卷从图1c所示的状态到达图1d所示的状态时，流体气室A1和A2在中心部份A处合并。当驱动轴继续旋转时，上述合并后的气室进一步减少它的容积。在涡卷作相对的轨道运动时，图1b和1d所示的外部空间逐步变化以形成新的密封气室，其中封闭着下一次将被压缩的流体(如同图1c和1a所示的状态)。
在早期装置中，动、静涡卷之间的位置关系采用的是固定间隙法，例如授予Creux的美国专利第802,182号就是采用这个方法。在这一方法中，涡旋元件之间轴向的相互位置关系在装配完成之后，就不能再变动。其中，一个涡旋元件的涡旋在轴向的前端和另一涡旋元件的端板的底部之间在通常情况下互不接触。为了保持涡旋元件之间在运行时在轴向具有恰当的间隙，同时又保持高的压缩效率，就要求极高的机械加工精度。另一个较为严重的问题是这一种结构无法对付异常情况，例如涡卷中存在杂物颗粒或不可压缩的液体，或者一涡卷的前端与另一端板的底部之间由于热膨胀而互相接触。在这些异常情况下，涡旋元件会由于咬住而导致毁坏。
为了克服固定间隙法的弱点，开发出了种种轴向随动结构。这些结构可以分成两大类″机械前端密封″和″完全轴向随动″。
前端密封的一个例子可参见授予McCullough的美国专利第3，994,636号。如图2所示，在涡卷503和504的前端的中部各开有一条槽501和502。密封件505和506可移动地分别嵌入槽501和502，并被机械或流体压力(图中未画出)推动而分别与另一涡旋元件的端板的底部507和508接触。这样就可以防止流体通过涡卷503和504前端和底面之间的轴向间隙而产生径向泄漏。前端密封的专利已经有很多。按密封件所受的驱动力大体可分为三类，在第一类中，位于一个涡卷前端面的沟槽中的前端密封件由于机械弹性力所驱动而与另一涡旋元件的端板的底部相接触，在第二类中，密封件本身不受驱动力，而通过控制密封件的厚度尺寸以达到密封的目的。在第三类中，驱动力是流体的压力。
值得一提的是授予Kiyoshi Terauchi等人的美国专利第4，437,820号。该专利属于上述第三类型。在该专利中，叙述了用流体的压力来驱动前端密封件以达到径向密封的方法。在这一方法中，在每一个涡卷的轴向前端面开有螺旋形的沟槽。该沟槽的螺旋形纵轴方向在接近涡卷中心部分(也就是在外部气室与中心气室相汇合的部分)和外部处都是封闭的，以防止槽内压力流体泄漏及防止在中心气室的背压变化时密封件的过度磨损。尽管如此，美国专利第4,437,820号的方法至少存在着下列三个缺点(1)在涡卷的前端面开有一条螺旋槽，而沿着螺旋形的涡卷侧壁，气体的压力变化很大。以家用空调压缩机的标准工况为例，在涡卷中心部分表压力为20Kg/cm2(约310PsiA)，在涡卷外部接近吸气端的部位，表压力约为6Kg/cm2(约为90PsiA)。如果将处于排气压力的流体引入涡卷前端沟槽内，那么在低压端，前端密封件受到气体压力差为14Kg/cm2。对一个典型的制冷量为9000Kcal的涡旋压缩机，整个前端密封件的长度约为600mm，密封件的宽度为3mm，则密封件将受到的作用力为F＝1/2×14Kg/cm2×0.3×60＝126Kg这个力将加速前端密封件的磨损，并增加了能量的消耗。
(2)美国专利第4,437,820号要求前端密封件以松动配合位于沟槽中，这样，作用在前端密封件背后的高压流体得以从该密封件和沟槽之间的间隙泄漏到压缩气腔去，经受重复压缩。从而降低了压缩机的效率。
(3)前端密封件的长度较大，压缩机内涡旋元件的温度在停机时和正常工作时相差可达150℃。因此，前端密封件在纵向的线性热胀冷缩可达数毫米，以致前端密封件的两端无法将作用于其背后之高压流体密封于槽内。该高压流体会泄漏到压缩气腔，既降低了压缩机的效率，又失去了作用于前端密封件的背压，使前端密封失效。
本发明的目的是提供一种容积式涡旋流体装置中的分段式前端密封装置，它能使其中的前端密封件工作在较低的正压力之下，从而能使前端密封件的使用寿命延长，并减低了由摩擦而产生的能量损失。它还能使前端密封件与沟槽在任何温度条件下始终保持良好密封接触，以消除前端密封件的热胀冷缩可能引起的泄漏。
为了实现上述及其它的目的，本发明提供了一种用于容积式涡旋流体压缩装置的分段式前端密封装置，其中，压缩装置主要包括一个第一涡旋元件，它具有一个第一端板和从它平面垂直延伸出来的第一涡卷；一个第二涡旋元件，它具有一个第二端板和从它平面垂直延伸出来的第二涡卷，它与上述第一涡卷彼此相啮合，且各涡卷的前端与另一端板的底部相邻；以及一个使第二涡旋元件绕一轴线相对于第一涡旋元件作轨道运动、以使这两个涡旋元件的涡卷产生体积逐渐变化的密封气室的装置；而所述分段式前端密封装置包括各涡卷前端的沟槽，以及安装在沟槽内的密封件。其中，该沟槽沿螺旋线纵向分为至少两段，每段在其两个纵向端头封闭；在每段沟槽内在其高压一端的封闭端近旁有至少一个小孔，该小孔将沟槽与该沟槽所邻接的高压侧的压力气室相连通；在每段沟槽内装有一将通过小孔进来的高压流体密封在沟槽里的密封件；该密封件在此高压流体作用下，与另一端板的底部相接触。
在所述的装置中，在每段沟槽的底部接近沟槽的纵向封闭端头有使密封件与沟槽的封闭端头保持密封的紧固装置。
在所述的装置中，该紧固装置包括位于各沟槽的底部接近沟槽的两纵向封闭端的销子孔，以及位于该销子孔内、使密封件与沟槽的封闭端保持紧密接触的销子。
在所述的装置中，所述密封件包括一密封条和在其上的一摩擦片，该摩擦片位于沟槽内，并与沟槽有良好的滑动配合，该摩擦片在该密封条的推动下与另一端板的底部相接触。
本发明的优点是，由于分段的结果，各段中作用在前端密封件的轴向压力差大大减低，减少了前端摩擦件的磨损和摩擦功率损耗。此外，由于在沟槽的两端的底部打有销子孔，并插入销子，从而使前端密封件紧密地与沟槽两密封端接触。这样，在温度变化时前端密封件的纵向两端始终与沟槽的纵向两端保持密封。
参照附图阅读下文的详细说明，本发明将较容易地被理解。
图1a-1d示出了已有技术中的涡旋压缩机中涡卷作相对轨道运动的情况；图2示出了已有技术中的一个典型的前端密封的结构；图3示出了一种容积式涡旋空调压缩机的纵切面图；图4a-4c示出了根据本发明的一涡旋元件的视图；图5a-5c示出了本发明第一实施例中的涡卷前端沟槽及在涡卷前端沟槽内保持前端密封件纵向两端密封的销子孔的细节剖面图；图6a-6c示出了前端密封件的视图；图7a-7c示出了前端密封件的剖视图；图8a-8b示出了前端密封件在纵向两端的密封结构细节视图；图9a-9b示出了本发明第二实施例中的前端密封条和前端摩擦片在纵向两端密封结构的细节视图。
请参阅图3，它示出了一个容积式涡旋空调压缩机。压缩机10包括主机架20，压缩机外壳21和底盘22。底盘22以已知的方法(例如焊接)与外壳21相连。在主机架20上装有主径向轴承30，主轴40由轴承29及30支承，并可在马达驱动下绕其轴线S1旋转。
一驱动柱销42从主轴40尾端伸出。该驱动柱销中心轴线S2与主轴的中心轴线S1之间有一偏移。该偏移距离等于第二涡旋元件50绕轨道运动的半径Ror。所谓绕轨道运动半径是第二涡旋元件50相对于第一涡旋元件60作非旋转性轨道运动时的轨道半径。
第一涡旋元件60具有一块端板61，涡卷62从该端板平面垂直延伸。第一涡旋元件60固定在主机架20上。第一涡旋元件60与轴线S1相垂直并固定在主机架20上，并使得一个涡旋元件的涡卷的前端和另一涡旋元件的端板的底部之间保持恰当的间隙。
这种间隙必须足够大，以便即使在制造上有容差以及在正常运行下有热膨胀存在而仍能避免涡旋元件的前端和底部之间的互相接触。另一方面，这种间隙又必须足够小，以保证在密封气室之间的径向泄漏能被位于涡卷前端的螺旋形沟槽内的前端密封摩擦片23所密封。这种前端密封结构，将在下文中详细讨论。
第二涡旋元件50包括一块端板51，一固定在端板51上并且自端板后表面垂直延伸的涡卷52，以及固定在端板51的前表面并自该表面垂直延伸的绕轨道运动的轴承座53。涡卷52和62互相啮合，并在角度上保持180度的相位差，而在径向则保持绕轨道运动半径Ror的位移。如此，涡卷52和62以及端板51和61之间至少形成一对密封气室。第二涡旋元件50通过驱动柱销轴承43、驱动关节27和驱动柱销42连接。
欧丹环45的作用是防止第二涡旋元件50转动。在主轴40的驱动下，第二涡旋元件50以转动半径Ror相对于第一涡旋元件60作轨道运动以压缩流体。工作流体从入口91经通气室92、通道93进入由涡旋元件50和60所形成的吸气室95，然后被涡旋元件压缩，最后由排气孔70经过排气通道71和72而排出。
平衡重物97和98用以平衡作用在第二涡旋元件50上的、由于它作轨道运动而产生的离心力。
现请参看图4a-4c，其中，图4a为第一涡旋元件50的正视图，图4b是沿图4a中的A-A线的剖视图，图4c是图4a所示结构的局部放大图。涡卷52的前端部有一条沟槽36，该沟槽36沿着螺旋形的涡卷52的部分长度或全部长度延伸。在本文中，我们将沿着沟槽36的螺旋方向称之为沟槽的纵向。沟槽36可以分为几段，在本发明的实施例中沟槽36分为沟槽36a，36b和36c三段。在图4b中，标号54所示为涡卷的前端，而标号55所示为涡旋元件的端板的底部。沟槽36a，36b和36c的结构基本上是一样的，所不同的是长度和曲率。以下对沟槽36a的描述也适用于沟槽36b和36c。为描述方便起见，我们把沟槽在纵向靠近螺旋线中心的一端，也就是靠近压力较高气体的一端称为沟槽的前端；而把沟槽在纵向远离螺旋线中心的一端，也就是靠近压力较低气体的一端称为沟槽的后端。沟槽36a的纵剖面分别展示在图5a-5c中，图5a-5c分别是沿图4a中的5A-5A线，5B-5B线和5C-5C线的剖视图。如图4a所示，在沟槽36a靠近纵向前后端处各有一个销子孔131和132。在各段沟槽的前端各有一个导流小孔141、142和143，该小孔位于沟槽底并与涡卷高压的一侧相通。在涡旋装置用作压缩机时，涡卷高压侧是其内侧，也就是曲面呈凹型的一侧。在正常工作时，这三个小孔把高压气体导入沟槽，该高压气体是能够把一涡卷的前端密封件推向另一涡旋元件的端板的底部的最小压力。由于不同段的沟槽引入了不同的高压气体，从而降低了各段前端密封件所承受的背压，减少了前端密封件与涡旋元件的端板的底面的摩擦。沟槽36a的前部的细节放大图显示在图4c中。三个前端密封件分别与三个沟槽36a，36b和36c有良好的配合。其中一个前端密封件37a显示在图6a-6c中，另两个前端密封件与密封件37a基本结构是一样的，所不同的是它们的长度和曲率。以下对前端密封件37a的描述，也同样适用于另两个前端密封件。
如同图6a-6c所示，其中，图6a是前端密封件37a的正视图，图6b是其侧视图，图6c是其后视图。前端密封件37a是一呈螺旋形的密封件，它沿图6a中的线7A-7A，7B-7B和7C-7C的剖面分别显示在图7a-7c中。图7a显示了前端密封件的横截面呈л形。前端密封件的厚度与沟槽的深度相配合，以不妨碍两涡旋元件作相对平动。前端密封件的材料要求具有良好的自润滑性能，较低的摩擦系数，较长的摩擦寿命，以及一定的弹性。当高压气体自导流小孔141被引入前端密封件的底部气腔147时，气体使得前端密封件37a的侧唇边143和144贴向沟槽36a的两侧，并使密封件37a两端的唇边145和146贴向沟槽36a的前后端，从而把高压气体封闭在前端密封件和沟槽形成的气腔147(图8a，8b)内。高压气体对前端密封件37a的合力把它向上推向第一涡旋元件60的底部，从而达到径向防止泄漏的目的。
前端密封件37a由于热胀冷缩会改变长度，为了使其不致因此而在沟槽36a的前后两端形成间隙，在沟槽36a的前后两端接近端头处开有销子孔131和132(图4a)。销子孔131和132，销子151和152与前端密封件的装配关系显示在图8a和8b中。在图8a和图8b中显示了销子151和152分别插入销子孔131和132中，上述销子使前端密封件保持与沟槽前后端密切相贴，但是仍使密封件37a在封闭于气腔147中的高压气体的作用下能被压向第一涡旋元件60的底部，起到径向密封作用。第一涡旋元件60的前端也开有分段沟槽。其沟槽以及前端密封件的结构与第二涡旋元件50一样。只不过两者的前端密封件具有不同的旋向。
上面所描述的是本发明的第一实施例，只有一件前端密封件位于沟槽内。
本发明的第二实施例如图9a和9b所示。第二实施例的基本原理同第一实施例是一样的，所不同的是，在第二实施例中，前端密封件由两个另件组成。其中一个是前端密封条，在其之上还有一片前端密封摩擦片。图9a和9b显示了前端密封摩擦片38a和38b，它们可以是分段的，也可以连成一条。前端密封条37a’和37b’的结构与上述第一实例的前端密封件37a和37b相同，只是对其材料并不要求有良好的自润滑性能。前端密封摩擦片位于前端密封条之上，同时也位于涡卷前端的沟槽内。该摩擦片应有良好的自润滑性能和较低的摩擦系数。该摩擦片的厚度与前端密封条厚度之和应不妨碍两涡卷作相对平动，并能达到径向密封作用。
在本发明中，作用于前端密封件背后的压力是流体压力。特别是在本发明的实施例中，作用于沟槽中前端密封件背后的流体引自该沟槽所邻接的密封气室的最高压力。但为了降低密封件所受的正压力，从而降低摩擦损失，该流体背压力也可以引自邻接的密封气室的较高压力。为了使前端密封件工作可靠起见，在本发明的应用实例中可在沟槽中设置若干机械式弹簧，以提供作用在前端密封件背后的机械弹簧力，这是可取的。
上面所描述的虽然是本发明的较佳实施例，但本技术领域中的熟练人员将能据此而作出属于本发明范围之内的对结构、布局和零件的改变或变化。本发明范围由所附的权利要求书所限定。权利要求书要求保护的范围将包括与权项相等效的一切装置。
权利要求
1.一种容积式涡旋流体压缩装置的分段式前端密封装置，其中，压缩装置主要包括一个第一涡旋元件，它具有一个第一端板和从它平面垂直延伸出来的第一涡卷；一个第二涡旋元件，它具有一个第二端板和从它平面垂直延伸出来的第二涡卷，它与上述第一涡卷彼此相啮合，且各涡卷的前端与另一端板的底部相邻；以及一个使第二涡旋元件绕一轴线相对于第一涡旋元件作轨道运动、以使这两个涡旋元件的涡卷产生体积逐渐变化的密封气室的装置；而所述分段式前端密封装置包括各涡卷前端的沟槽，以及安装在沟槽内的密封件；其特征在于，该沟槽沿螺旋线纵向分为至少两段，每段在其两个纵向端头封闭；在每段沟槽内在其高压一端的封闭端近旁有至少一个小孔，该小孔将沟槽与该沟槽所邻接的高压侧的压力气室相连通；在每段沟槽内装有一将通过小孔进来的高压流体密封在沟槽里的密封件；该密封件在此高压流体作用下，与另一涡卷的底部相接触。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在每段沟槽的底部接近沟槽的纵向封闭端头有使密封件与沟槽的封闭端头保持密封的紧固装置。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该紧固装置包括位于各沟槽的底部接近沟槽的两纵向封闭端的销子孔，以及位于该销子孔内、使密封件与沟槽的封闭端保持紧密接触的销子。
4.如权利要求1至3之一所述的装置，其特征在于，该密封件包括一密封条和在其上的一摩擦片，该摩擦片位于沟槽内，并与沟槽有良好的滑动配合，该摩擦片在该密封条的推动下与另一端板的底部相接触。
全文摘要
一种容积式涡旋流体压缩装置中的分段前端密封装置，该压缩装置具有两个相互啮合的螺旋形涡旋元件，分段式前端密封装置包括在涡卷前端开有多段的、而且每段的纵向前后端头是封闭的沟槽，在沟槽中装有前端密封件。该前端密封件将高压气体密封在沟槽内不予泄漏，紧固装置使前端密封件与沟槽在纵向两端保持密封。该密封件在沟槽中高压气体作用下，与另一端板底部接触，以达到径向密封。
文档编号F04C18/02GK1148672SQ9511901
公开日1997年4月30日 申请日期1995年10月26日 优先权日1995年10月26日
发明者倪诗茂 申请人:倪诗茂