专利名称：小直径涡旋组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如用于涡旋压缩机的涡旋组件的设计。
传统的涡旋压缩机设计成圆的环绕渐开线。这种设计是固有的偏心形状，由于随着涡卷的中心画出的外围直径在外周上必须包括一些无用的空间，因而带来了在压缩机尺寸小型化方面存在缺点。公布于1994年6月7日的美国专利NO.5318424，提出了一种涡旋组件的设计，它提出的外部涡卷的几何形状优于传统的圆渐开线，能增加涡旋压缩机的容量。该专利的这种特殊的方法提出了，在最外部圆周上使用圆弧结构，通过高次曲线与内部涡卷中的圆涡旋形式的渐开线相混合。而且，已经发现，这种设计是十分有效的，另外，涡旋的设计能使涡旋组件的外部尺寸小型化，同时实现压缩体积的增大。
按照本发明，提供了一种用于涡旋机的涡旋组件，具有从外部点延伸到内部点的涡卷表面，包括涡卷表面的至少外部的生成半径的低值和至少在涡卷表面的内部的生成半径的高值，没有按顺序从外部到内部使用圆的一部分、高次曲线和渐开线。
根据本发明的另一方面，低生成半径值可以是绝对值或平均值，而高生成半径值也可以是绝对值或平均值。本发明的一个目的是，限定一般的满足提高涡旋压缩机容量的要求，使其优于传统的或偏心的涡卷，并且不会给这些设计带来困难。
根据本发明的再一方面，双腔涡旋机的第一腔设计成有从外部点延伸到内部点的涡卷表面，包括至少在涡卷表面的外部的生成半径的低值和至少在涡卷表面的内部的生成半径的高值。根据本发明的再一方面，双腔涡旋机的两个腔都用这种方式形成。
为了更全面地理解本发明，下面结合附图对本发明进行详细说明，附图中
图1是涡旋组件的生成矢量(或母矢量)的示意图。
图2是表示用传统的圆渐开线曲线形成的第一及第二涡旋组件的剖面图。
图3是圆渐开线涡旋的生成半径的曲线图。
图4是表示如美国专利NO.5318242所揭示的具有混合涡卷的第一及第二涡旋组件的剖面图。
图5是图4所示涡旋组件的第一腔的生成半径的曲线图。
图6是图4所示涡旋组件的第二腔的生成半径的曲线图。
图7是表示带有偏心圆渐开线涡旋的第一及第二涡旋组件的剖面图。
图8表示了偏心圆渐开线涡旋的生成矢量的示意图。
图9是偏心圆渐开线涡旋的第一腔的生成半径的曲线图。
图10是偏心圆渐开线涡旋的第二腔的生成半径的曲线图。
图11是由圆弧形成的涡旋的生成半径的曲线图。
图12是涡旋几何术语的曲线图。
结合作为本发明对比文件的、1994年6月7日公布的美国专利NO.5318424揭示了一种优于传统的圆渐开线的能增加了涡旋压缩机容量的外涡卷的几何形状。美国专利NO.5318424号中公开的这种特殊设计方案是在最外部的圆周上的圆弧结构通过高次曲线与涡旋内部涡卷中的圆涡旋形式的渐开线相混合。这是很有效的结构。但这是所有涡卷类的形状的特殊结构，这种形状优于现有技术中所使用的形状。这类涡卷的特点可以用数学术语来描述并例如表示公知的偏心圆渐开线如何与这类曲线相配合。尽管发现偏心圆渐开线在这类涡卷中占有一定范围，但更多有效的涡旋形式处在这个范围之外。甚至可以形成包括在这个范围内的更复杂的、和具有偏心涡卷的容量大的优点、而排除了随偏心涡卷所产生的工作负载的一些缺点的形式。
在涡卷的数学式中，所有共轭面通过两个定位矢量绕一个几何中心转动而形成。参照图1，该表面可用从中心X开始的给定的共轭点耦形成。第一矢量是Rg，代表生成半径，处在平行于共轭面12和14的点耦处的切线10的方向上。第二矢量Rs是旋转半径，垂直于共轭面12和14的切线10。Rg的尺寸即长度确定了螺旋节距、确定向内或向外的螺旋形的变化率或陡度。Rg和Rs的关系由下述方程式给出dRsdθ=Rg]]>式中θ是表面的包覆角，保证两个面的共轭。参照图12，该图示出了的矢量和变量通常的含义。在传统的圆周渐开线中，Rg是常量，如图2及图3所示，而渐开线的螺旋线常常在给定的角度下沿螺旋线以相同距离移进或移出。圆渐开线产生的涡旋压缩机如图2所示，具有固定涡卷16和绕轨道转动的涡卷18。参照图3，最大角代表图右手侧的涡卷的最外边部分。当随着涡旋向内观察时，角θ减小并移向图的左边。最后，在涡卷的最里边，角θ变为0度。在整个角度的范围内，生成半径Rg如图3所示，作为标准的无量纲半径，是恒定的。
美国专利NO.5318424揭示了一种带有变化的Rg的特殊的复合渐开线形式。术语“复合”通常用于阐释由两个或多个连接在一起的单独曲线构成的涡旋形式。对于这些涡旋来说，螺旋线半径的陡度或变化率相对于给定的涡卷角度而变化。这种特征的第一优点是，尽可能地阻止第一涡卷向内运动，以增大容量体积，第二优点是，可以在最内侧点开始快速拉出涡卷，防止涡卷与涡卷的外部始点干涉。图4是依据美国专利NO.5318242设计的混合涡卷涡旋装置20的示意图。涡旋装置20具有作为圆的一部分的第一部分22、作为高次曲线24的第二部分以及最里面的第三部分，该第三部分即传统的渐开线26。
图5是涡卷角(在该例子中)大约在415和775+度之间的涡旋装置20的第一吸入腔28的生成半径曲线图。值得注意的是，腔的外圆部分22的生成半径是零。所以，当把吸入腔快速向里拉完成第一涡卷时，生成半径上升，在高次曲线24这一段，生成半径上升到相应于瞬间陡峭的节距的很高的值。接着，生成半径降到与图5所示的最里侧涡卷部分的里面的渐开线部分26的恒定节距值相匹配的程度。
图6是涡卷角约在440和800度(在该例子中)之间的复合涡卷涡旋装置20的另一吸入腔30的生成半径Rg的曲线图。由于吸入腔30必须与第一吸入腔28嵌套在一起，所以至少涡卷的外部保持在生成半径的零值上，并且其内部大部分处于渐开线曲线的常数值上。即使如此，该吸入腔还具有相同特征的较低的外部生成半径值、瞬间中间峰值及最终的适中值。
虽然这是一种有效的设计，仅要求最终的适中值用于把涡旋形式的余量与外部涡卷结合起来。在一个最根本的设计的整体形式中外部涡卷能省略内部适中值。这种设计的本质是绝对基础上或平均基础上的低外部值和较高的内部值，所谓平均是通过自涡卷的外端部向内端部对生成半径求积分而计算的。
一般，涡旋吸入腔在最大容量时的有效性的特征体现在生成半径Rg的性能上。在其外部区域具有生成半径Rg的低值而在其内部区域具有生成半径Rg的高值的腔，类似于图4～6所示的复合涡卷，已完成径向向外的移动，和有相应多的容量。在外部具有生成半径Rg的高值而在其内部具有生成半径Rg的低值的任何涡卷在径向上拉进时，可能会导致甚至比传统的圆渐开线更小的容量。
这种方法可以用于评价其它涡卷形式和这些涡卷形式提供容量体积的有效性。两种可能的选择的结构是过去用于增加吸入体积的偏心圆渐开线涡卷以及圆弧涡卷，这种圆弧涡卷几乎不使用但是是公知的涡旋形式，类似于美国专利NO.5318424所公开的复合涡卷，在吸入腔的外部使用圆弧，但整个涡旋形式也可以使用圆弧。
偏心圆渐开线虽然不使用复合涡卷20的曲线顺序，但是仍能获得某种程度的容量增加。圆弧涡卷以圆的一部分弧开始，多少类似于复合涡卷，并与其它曲线(也可以是圆弧)拼接，但半径是变化的。可是，这些变化的生成半径特征的分析证明了这类曲线和构成本发明的用在美国专利NO.5318424的复合涡卷中的曲线是根本不同的。圆弧涡旋也可以是复合涡卷，由几种拼接在一起的不同的曲线构成。
图7是偏心圆渐开线涡旋装置32的示意图。偏心圆涡旋装置32与图2所示的中心渐开线涡旋装置具有基本相同的几何形状，但有如图8所示的偏离原始中心34的新的偏置的几何中心38。由于涡旋装置32中的第一外部吸入腔36与图2所示的中心渐开线涡旋装置的相应的外部吸入腔相比，占据了更多的外圆周，因此，第一外部吸入腔36与复合涡旋装置20的外部吸入腔类似。似乎在不真正改变生成半径Rg的前提下，可以获得有效容量的提高。然而，事实并非如此。
为了估算在给定的空间中涡旋装置32的有效容量，必须相对于该给定空间的中心38而不是相对于某些任意的涡旋几何中心34来计算涡旋的几何形状。生成半径和旋转半径的新的值可以相对于任何任意的转换中心得出。参照图8，原始几何中心34和新的几何中心38之间的偏心距40，可以通过参照原始生成半径46和原始旋转半径48分别确定带有偏心的生成半径42和带有偏心的旋转半径44来计算。原始生成半径46的生成圆50可以简单地从以原始几何中心34为中心转化到偏离新的几何中心38。
图9示出了第一腔36的偏心圆渐开线的生成半径。曲线标准化为传统的渐开线涡旋装置的给定任意值为1的生成半径。由于新的几何中心38距离原始几何中心34的距离是恒定的，因此，生成半径相对于新的几何中心38因偏心而以正弦曲线形式变化。图9的虚线是生成半径相对于涡卷外沿区域的平均值。类似于复合涡卷20，在接近外侧的涡卷始点，生成半径的瞬间值和平均值较低，而在涡卷的内部这两个值较高。虽然生成半径的局部变化意味着偏心涡卷不能象复合涡卷20那样获得更大的容量，但这种结构比传统的中心圆渐开线更好。
可是，参照图10，以新的几何中心38为参照物，第二腔52不能作成有益于最佳容量的形状。由于涡旋装置32是对称的涡旋结构，也就是说，两个涡旋装置的几何形状相同，生成半径偏心的特征是图9所示的第一腔的镜像。与复合涡卷20或偏心渐开线涡旋装置32的第一腔36不一样，生成半径在涡卷的始点比较大，在接近涡卷的外部比较小，可以认为，这标志着偏心涡旋装置在其容量方面相对于复合涡卷的涡旋装置受到了限制。另外，偏心涡旋装置的腔表面不直接形成或近似于包围外壳的外径。
值得注意的是，两个偏心腔36和52的生成半径的积分值以相同的值结束，通常，对于对称涡卷来说，不管该涡卷是否使用特殊的涡卷或几何形状，整个外部涡卷的生成半径的平均值或积分值基本相同。该积分值表示指向垂直于涡卷表面的方向的旋转半径矢量的变化。换句话说，在一个涡卷或渐开线之后，渐开线必须足够地拉进或拉出，使其不与下一个开始的涡卷发生干涉。按这样规则的任何变化只标志着涡旋壁在涡旋开始下一个涡卷的点处的厚度的变化。生成半径的特征值可用下式确定，Rgc≈Ror+tπ]]>其中Rgc等于生成半径的特征值，Ror是涡旋的固定绕轨道转动半径，t是在涡旋开始下一涡卷的点处的涡旋的壁厚，π是常数3.14159……。对于任何简单的、复杂的或复合曲线结构来说，乘以2π的参考生成半径值Rgc是特征节距Pc，和是整个外部涡卷的生成半径的积分值。
图11示出了圆弧涡旋装置的生成半径。圆弧涡旋装置是公知的，但通常并不使用，由拼接在一起的半径变化的圆弧组成，其特征是，规则多边形渐开线，其极限是一圆，具有实际无限的边(如图2所示)。最简单的规则多边形渐开线可能是一部分直线的渐开线或具有各延伸180度的圆弧的两边多边形的渐开线，这种情况的生成半径在图11中示出。尽管生成半径在零值开始，但仅在半个涡卷中就增加到最大值，然后下降返回到零值。这种形式在整个涡旋装置中重复，吸入腔的第一部分的生成半径与第二部分的生成半径没有太大区别。与传统的圆弧渐开线相比，实际上也并不有益于提高容量。
值得注意的是，首先生成半径的平均值迅速变化，然后开始接近等于圆渐开线的稳定状态值。规则多边形和圆的渐开线属于恒定节距渐开线的同一类。在几个涡卷的整个过程中，生成半径的平均值会接近代表螺旋线节距的某种恒定值。圆弧的角度值和生成半径的平均值接近特征值的点处的速度，相对于下表所示的边的数目来说有相反的关系。
恒定节距的涡旋形式
当圆弧涡旋包含如复合涡卷涡旋中的圆弧时，该圆弧涡旋以与圆弧涡旋的渐开线相同的方式表现，和没有太大的优点。
涡卷最大容量级的基本特征可概括为，具有两个吸入腔，这两个吸入腔特点是，在外部区域的生成半径Rg的平均值比较低(理想的但不是必须为零)，而在内部区域过渡成比较高的平均值。外部区域和内部区域处在涡卷的第一个360度内。低值和高值是相对于涡旋装置的特征值来考虑的，特征值实质上是圆渐开线的生成半径Rg的值，该圆使每一腔把有相同的绕轨道转动半径的前一腔嵌套在里面，和允许两者之间有合理的壁厚。内部吸入腔的内部区域过渡成高值的相位相应于外部吸入腔，这样内部吸入腔可嵌套在外部吸入腔的圆周内。低值或额定值紧随高值，允许过渡到涡卷的下一部分。接近这一特征的唯一的其它涡旋形式是偏心涡旋，当定位于新的涡旋中心时，该偏心涡旋中的第一吸入腔带有这些特性。可是，由于第二吸入腔的几何形状类似于第一吸入腔，所以，当定位于新的涡旋中心时，该第二吸入腔具有确定的相反的特性。这是偏心涡旋获得最大容量的极限的指示。
圆弧涡旋可以从生成半径Rg为零值开始，但它的特征在涡卷旋转每一个180度或更小的范围内重复，而且整个吸入腔的外部的生成半径的平均值与内部相同。
涡卷最大容量的希望有的特征包括使用不连续的复合曲线，不连续的复合曲线是形成涡卷最大容量的最直接的手段。用例如指数阶跃函数的高级方程式也可以完成带有连续曲线的对象。为了获得最大容量的提高，涡卷的两组腔或工作表面典型地具有不等的开始角，以便保持体积的平衡。可以选择相等的开始点，但是要考虑容量减少或腔体积不平衡的牺牲。
生成半径的分析可以完全集中到固定涡卷轮廓的面朝外的表面上来进行。对于例如复合涡卷或偏心圆渐开线涡旋装置回到中心的涡卷形式，固定涡卷轮廓的面朝内的表面并不控制泵装置的整个尺寸。固定涡卷轮廓的面朝内的表面的外端可以进一步更多地延伸到增加两腔的容量，但是，这会导致几对腔不平衡的缺点。固定涡旋的面朝外的涡卷轮廓控制了整个泵的支架的直径。固定涡旋的面朝内的涡卷轮廓仅仅是固定涡旋的面朝外的涡卷轮廓能获得本身的极限空间的一个结果。可是，与图5相比，如果面朝内的涡卷轮廓具有类似于例如图6所示的尽管是有角度偏移的生成半径的特征，但它的体积和因此这种涡旋体积可以达到最大。
观察美国专利NO.5318424的固定涡旋的复合涡卷的面朝外的涡卷轮廓，如图5所示，生成半径对外部360度的涡卷角作图表明只要将生成半径的值尽可能地保持为低值，并在随后的过渡区域得到生成半径的高值的特征，而曲线的最后是内部的生成半径的额定值。在图9所示的偏心涡卷的情况下，生成半径对面朝外的涡卷轮廓的涡卷角度作的曲线示出了相同的外腔的总形状。当然，生成半径没有峰值或其它在复合涡卷中可看到的特殊性能。在外部180度，通常生成半径的值比较低，随后，在外部360度的第二个一半进一步得到基本高的值。偏心涡卷有比较低的生成半径的区域仅在整个外部180度的范围，这是对其优点的一个限制。相比之下，复合涡卷在面朝外的涡卷轮廓的外部360度之外的更长的区域，保持其生成半径的比较低的值，因此，能获得更多的益处。
涡卷轮廓的生成半径应该在大于180度范围停在比较低的值。如果这样，就排除了偏心涡卷。
下面是几个可以使用的复合曲线的例子。
实例1复合曲线外部用带有小节距(低生成半径值)的圆渐开线制成。例如节距大约为整个轮廓的平均节距的10％或20％，这种结构可以延伸半个涡卷或在与例如圆弧或偏心渐开线混合之前的更长的范围，该偏心圆渐开线具有能够增加局部节距(增大生成半径)的相当小的曲率半径。这种结构也可以延伸在第一涡卷的剩余部分。在从外部开始的360度范围，可以向内用特征节距置换轮廓曲线，将轮廓曲线与任何使用到涡卷其余部分的曲线形式相连接。
通常，实例1的原理用到两部分或更多的部分。外部涡卷的外面部分可选择的曲线包括1、美国专利NO.5318424所揭示的圆弧；2、小节距渐开线；
3、生成半径逐渐增加的高次曲线；4、生成半径抛物线性(或类似地)变化。
在涡卷的外部与内部之间，过渡部分的可选择的曲线包括1、三次(或高次)渐开线，其中一个例子公开在美国专利NO.5318424中；2、偏心圆；3、偏心渐开线；4、二次(第二次)渐开线；5、复合曲线，例如半径变化的一系列圆弧。
上面紧挨着的选择方案2、3和4与最佳方案1相比，其柔度方面受到了限制，需要在外部和内部曲线进行一些折衷的调整，以适于这些方案。选择方案5通过将一系列低次曲线连接在一起而克服了这些困难，取得了单个高次曲线的柔度。选择方案5实际是不规则多边形的渐开线，它是更受到限制的普通的情况和圆弧涡旋的非挠性情况，被限定为规则多边形的渐开线。
实例2单一的高次曲线单一的高次曲线可以用方程表示为代替例如由美国专利NO.5318424公开的圆弧和高次曲线部分的复合曲线。在5次和7次之间的曲线，对于接近外部圆形涡卷部分和高次过渡到内部涡卷的部分来说，具有足够的柔度。为了用方程式表示这种曲线，需要定义一系列边界条件。而高次曲线则需要简单地有足够的自由度，以满足这些条件。
如果基本要求是在3个点(外部始点、过渡到内涡卷的点、两者之间的点)处的生成半径与旋转半径的特性，则用5次多项式可以满足最终的6个边界条件。可以发现，这些基本要求必须加到在外部两点中的一个或两个点的位置的生成半径的斜率，以便更好地接近圆弧部分。
所述的所有选择方案都拥有在外部涡卷的最外部具有比较低的平均生成半径值并在最外部涡卷的内部具有比较高的生成半径值的特性。利用许多简单曲线或单个的比较复杂的曲线，可把由例如美国专利NO.5318424公开的装置所得到的益处，在大范围内翻倍。有几组简单曲线可用来实现这一目的，但见效很少或是某种折衷方案，或增加了内部涡卷几何形状的复杂性。然而，即使是这几种简单的曲线也能容易地超过如图7所示的偏心涡卷的好处。
尽管已经解释并描述了本发明的最佳实施例，但是，对于本领域的专业技术人员来说，可以作出其它变更。因此，本申请仅通过权利要求书的范围来限定。
权利要求
1.一种涡旋机的涡旋组件，其特征是，所述涡旋组件具有面朝外的涡卷表面和面朝内的涡卷表面，面朝外的涡卷表面从外部点延伸到内部点，面朝外的涡卷表面具有从外部点向内延伸的外部涡卷，该外部涡卷具有特征生成半径Rgc，该特征生成半径Rgc由下列方程式确定Rgc≈Ror+tπ]]>其中，Rgc是特征生成半径，Ror是涡旋组件的固定绕轨道转动半径，t是在涡旋组件外部360度的内端处的面朝外的涡卷表面与面朝内的涡卷表面之间的壁厚，π是常数3.14159……；面朝外的涡卷表面还部分由生成半径确定，该生成半径的值在外部涡卷的整个范围内是变化的，变化的生成半径具有以下特性(a)在大于涡卷表面的最外部的180度的范围，具有低于特征生成半径的平均值；(b)在外部涡卷表面的内部的剩余部分的小于180度的范围具有高于特征生成半径的平均值，但是，其中面朝外的涡旋表面并不按照从外部点到内部点的顺序使用圆、高次曲线和渐开线。
2.根据权利要求1所述的涡旋组件，其特征是，外部涡卷的整个360度的变化的生成半径的积分近似地等于特征生成半径乘以2π，并由下列方程式给出∫θend-2πθendRgdθ≈2πRgc]]>式中，θend等于在面朝外的涡卷表面的外部点的弧度中的最终涡卷角。
3.根据权利要求1所述的涡旋组件，其特征是，涡旋组件是固定涡旋件。
4.根据权利要求1所述的涡旋组件，其特征是，所述涡旋机具有两个腔，并且生成半径的专门特点用于第一个所述的腔。
5.根据权利要求4所述的涡旋组件，其特征是，第二个所述的腔具有变化的生成半径，具有类似于第一个所述腔的特征。
6.一种用于涡旋机的涡旋组件的设计方法，其特征是，所述涡旋组件具有从外部点延伸到内部点的涡卷表面，该涡卷表面部分由生成半径限定，包括如下步骤选择形状，使得在大于180度的范围，至少在涡卷表面的外部点，形成比较小的生成半径，该值任何时候在外部都不会是常数零。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征是，选择涡卷表面形状的步骤还包括选择能形成比较小的平均生成半径的形状的步骤，所述的平均是指从涡卷表面的外部点求积分。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征是，选择涡卷表面形状的步骤包括形成生成半径的比较低的绝对值的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，其特征是，选择涡卷表面形状的步骤还包括选择固定涡旋件的面朝外的表面形状的步骤。
10.根据权利要求6所述的方法，其特征是，所述的涡旋机具有两个腔，选择涡卷表面形状以便形成比较小的生成半径的步骤包括选择形状以形成第一个所述腔的比较小的生成半径的步骤。
11.根据权利要求6所述的方法，其特征是，涡旋机具有两个腔，选择形状以便形成比较小的生成半径的步骤还包括选择形状以形成两个腔都比较小的生成半径。
12.一种涡旋机的涡旋组件，其特征是，所述涡旋组件具有从外部点延伸到内部点的涡卷表面，该涡卷表面部分由生成半径限定，涡卷表面具有至少从外部点延伸超过180度的涡卷表面外部点的小生成半径和至少在涡卷表面的内部的大的生成半径，生成半径从外部点延伸360度都不是常数零值。
13.根据权利要求12所述的涡旋组件，其特征是，生成半径是绝对值。
14.根据权利要求12所述的涡旋组件，其特征是，生成半径是从涡卷表面的外部点求积分的平均生成半径。
15.根据权利要求12所述的涡旋组件，其特征是，涡卷表面是固定涡卷的面朝外的表面。
16.根据权利要求12所述的涡旋组件，其特征是，所述涡旋机具有两个腔，仅对于第一个所述腔，至少在涡卷表面的外部涡卷表面具有小的生成半径，至少在涡卷表面的内部具有大的生成半径。
17.根据权利要求12所述的涡旋组件，其特征是，所述涡旋机具有两个腔，对于两个腔来说，至少在涡卷表面的外部涡卷表面具有小的生成半径，至少在涡卷表面的内部具有大的生成半径。
全文摘要
一种可广泛应用的技术,能将涡旋压缩机内的气体容量增加到最大值,该涡旋压缩机具有涡旋组件(20、32),涡旋组件(20、32)包括固定涡卷和作绕轨道转动的涡卷。涡卷设计成使至少涡卷(22)外部的生成半径很小,至少涡卷(24)内部的生成半径比较大。生成半径可以用绝对值或用平均值来计算,平均值是从内部涡卷的外部极限所求得的积分。
文档编号F04C18/02GK1271402SQ98809456
公开日2000年10月25日 申请日期1998年9月23日 优先权日1997年9月25日
发明者詹姆斯·W·布什, 韦恩·P·比格勒, 马克·E·豪斯曼 申请人:蜗卷技术公司