渦旋壓縮機以及用於渦旋壓縮機的驅動軸和卸載襯套的製作方法

2023-05-29 05:50:06 2

本發明涉及一種渦旋壓縮機以及用於渦旋壓縮機的驅動軸和卸載襯套。

背景技術：

本部分的內容僅提供了與本公開相關的背景信息，其可能並不構成現有技術。

渦旋壓縮機通常具有包括定渦旋部件和動渦旋部件的對工作流體(例如，製冷劑)進行壓縮的壓縮機構。該壓縮機構由驅動軸的偏心曲柄銷來驅動。在偏心曲柄銷與壓縮機構之間設置有卸載襯套。卸載襯套設置成可以由偏心曲柄銷驅動且能夠相對於偏心曲柄銷發生相對位移，由此可以實現定渦旋部件和動渦旋部件的葉片之間的徑向柔性。

然而，卸載襯套與偏心曲柄銷之間的相對移動使得它們的接觸面會被快速磨損，由此影響了壓縮機徑向柔性的性能且縮短了卸載襯套與偏心曲柄銷的使用壽命。

因此，需要一種用於渦旋壓縮機中的耐磨的卸載襯套與偏心曲柄銷。

技術實現要素：

本發明的一個目的在於提供一種具有耐磨卸載襯套和/或偏心曲柄銷的渦旋壓縮機。

本發明的另一個目的在於提供一種使用壽命長的渦旋壓縮機。

本發明的另一個目的在於提供一種耐磨的卸載襯套。

本發明的另一個目的在於提供一種具有耐磨的偏心曲柄銷的驅動軸。

根據本發明的一個方面，提供了一種渦旋壓縮機，包括：構造成對 工作流體進行壓縮的壓縮機構以及構造成能夠驅動壓縮機構的驅動軸。驅動軸包括偏心曲柄銷，在壓縮機構與偏心曲柄銷之間設置有卸載襯套，使得偏心曲柄銷經由卸載襯套驅動壓縮機構以實現壓縮機構的徑向柔性。偏心曲柄銷包括與卸載襯套接觸並相對位移的偏心曲柄銷配合部，卸載襯套包括與偏心曲柄銷接觸並相對位移的卸載襯套配合部。偏心曲柄銷配合部與卸載襯套配合部中的至少一者的至少一部分上設置有耐磨層。

在上述渦旋壓縮機中，由於偏心曲柄銷或卸載襯套的配合部上設置有耐磨層，因此提高了偏心曲柄銷或卸載襯套的耐磨性，延長了偏心曲柄銷或卸載襯套的使用壽命。其結果是，具有該偏心曲柄銷和卸載襯套的渦旋壓縮機的使用壽命得以延長。

優選地，偏心曲柄銷包括平行於驅動軸的旋轉軸線延伸的驅動面，偏心曲柄銷配合部包括驅動面的至少一部分。

優選地，至少在位於驅動面的大致中央處且向外凸出的部分上設置有耐磨層。

優選地，卸載襯套可以包括能夠容納偏心曲柄銷的孔，孔具有與偏心曲柄銷的驅動面配合的從動面，卸載襯套配合部包括從動面的至少一部分。

優選地，至少在從動面的大致中央的部分上設置有耐磨層。

優選地，耐磨層為表面硬度在1500HV至3000HV的範圍內的硬化層。

優選地，耐磨層的厚度在0.1微米至4.5微米的範圍內。

優選地，耐磨層通過下列方法之一形成：物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體氣相沉積、電鍍、化學鍍、滲碳、滲氮、碳氮共滲、噴丸以及表面淬火熱處理。

優選地，耐磨層由下列材料之一形成：金屬層、類金剛石、碳化物、氮化物、矽化物、硼化物以及氧化物。可選地，耐磨層由氮化鉻形成。

根據本發明的另一個方面，還涉及一種用於渦旋壓縮機的驅動軸，其中，驅動軸包括設置在其一端處的用於驅動渦旋壓縮機的壓縮機構的偏心曲柄銷，偏心曲柄銷包括平行於驅動軸的旋轉軸線延伸的驅動面。至少在 驅動面的大致中央且向外凸出的部分上設置有耐磨層，耐磨層為通過物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體氣相沉積、電鍍、化學鍍、滲碳、滲氮、碳氮共滲、噴丸或表面淬火熱處理形成的包含金屬層、類金剛石、碳化物、氮化物、矽化物、硼化物或氧化物的硬化層。

根據本發明的另一個方面，還涉及一種用於渦旋壓縮機的卸載襯套，其中，卸載襯套包括呈大致D形的孔，孔具有與渦旋壓縮機的偏心曲柄銷的驅動面配合的從動面。至少在從動面的大致中央的部分上設置有耐磨層，耐磨層為通過物理氣相沉積、化學氣相沉積、等離子體氣相沉積、電鍍、化學鍍、滲碳、滲氮、碳氮共滲、噴丸或表面淬火熱處理形成的包含金屬層、類金剛石、碳化物、氮化物、矽化物、硼化物或氧化物的硬化層。

附圖說明

通過以下參照附圖的描述，本發明的一個或幾個實施方式的特徵和優點將變得更加容易理解，其中：

圖1是渦旋壓縮機的縱剖視圖；

圖2是圖1中的渦旋壓縮機的驅動軸的偏心曲柄銷與卸載襯套的組裝示意圖；

圖3示出了圖2的驅動軸的偏心曲柄銷的立體示意圖；

圖4示出了圖2的卸載襯套的立體示意圖；

圖5示意性地示出了根據本發明第一實施方式的形成耐磨層的方法；以及

圖6是耐磨層的示意圖。

具體實施方式

下面對優選實施方式的描述僅僅是示範性的，而絕不是對本發明及其應用或用法的限制。在各個附圖中採用相同的附圖標記來表示相同的部件，因此相同部件的構造將不再重複描述。

首先將參照圖1描述渦旋壓縮機的總體構造和運行原理。圖1示出的是高壓側壓縮機，然而，應理解的是，圖1中的高壓側壓縮機僅僅出於說明的目的，而非限制本發明。本發明可以適於任何類型的壓縮機，包括低 壓側壓縮機，立式壓縮機、臥式壓縮機等。

如圖1所示，渦旋壓縮機100(下文中有時也會稱為壓縮機)一般包括殼體110、設置在殼體110一端的頂蓋112以及設置在殼體110另一端的底蓋114。殼體110中設置有由定子122和轉子124構成的馬達20。轉子124中設置有驅動軸30以驅動由定渦旋部件150和動渦旋部件160構成的壓縮機構10。動渦旋部件160包括端板164、形成在端板一側的轂部162和形成在端板另一側的螺旋狀的葉片166。定渦旋部件150包括端板154、形成在端板一側的螺旋狀的葉片156和形成在端板的大致中央位置處的排氣口152。在定渦旋部件150的螺旋葉片156和動渦旋部件160的螺旋葉片166之間形成一系列體積在從徑向外側向徑向內側逐漸減小的壓縮腔。其中，徑向最外側的壓縮腔處於吸氣壓力，徑向最內側的壓縮腔處於排氣壓力。中間的壓縮腔處於吸氣壓力和排氣壓力之間，從而也被稱之為中壓腔。

動渦旋部件160的一側由主軸承座140的上部(其構成止推表面)支撐，驅動軸30的一部分由設置在主軸承座140中的主軸承支撐。驅動軸30的一端設置有偏心曲柄銷32，在偏心曲柄銷32和動渦旋部件160的轂部162之間設置有卸載襯套42。通過馬達20的驅動，動渦旋部件160將相對於定渦旋部件150平動轉動(即，動渦旋部件160的中心軸線繞定渦旋部件150的中心軸線旋轉，但是動渦旋部件160本身不會繞本身的中心軸線旋轉)以實現流體的壓縮。上述平動轉動通過定渦旋部件150和動渦旋部件160之間設置的十字滑環來實現。

在圖1所示的渦旋壓縮機的示例中，在壓縮機殼體的底部存儲有潤滑劑。相應地，在驅動軸30中形成有大致沿其軸向延伸的通道，即形成在驅動軸30下端的中心孔136和從中心孔136向上延伸到偏心曲柄銷32端面的偏心孔134。中心孔136的端部浸沒在壓縮機殼體底部的潤滑劑中或者以其他方式被供給有潤滑劑。在壓縮機的運轉過程中，中心孔136的一端被潤滑劑供給裝置供給有潤滑劑，進入中心孔136的潤滑劑在驅動軸30旋轉過程中受到離心力的作用而被泵送或甩到偏心孔134中並且沿著偏心孔134向上流動一直到達偏心曲柄銷32的端面。從偏心曲柄銷32的端面排出的潤滑劑沿著卸載襯套42與偏心曲柄銷32之間的間隙以及卸載襯套42與轂部162之間的間隙向下流動到達主軸承座140的凹部中。聚集在凹部中的一部分潤滑劑流動穿過主軸承向下流動，一部分潤滑劑被轂部162攪動而向上運動到達動渦旋部件160的端板164的下側並隨著動渦旋部件 160的平動轉動而遍布動渦旋部件160和主軸承座140的止推表面。在壓縮機的運轉過程中，供給到壓縮機中的各種活動部件上的潤滑劑被甩出和飛濺以形成液滴或霧。

在圖1所示的渦旋壓縮機中，為了實現流體的壓縮，定渦旋部件150和動渦旋部件160之間必須有效密封。一方面，定渦旋部件150的螺旋葉片156的頂端與動渦旋部件160的端板164之間以及動渦旋部件160的螺旋葉片166的頂端與定渦旋部件150的端板154之間需要軸向密封。渦旋壓縮機的軸向柔性為本領域技術人員熟知，因此本文不再對其進行詳細描述。

另一方面，定渦旋部件150的螺旋葉片156的側表面與動渦旋部件160的螺旋葉片166的側表面之間也需要徑向密封。二者之間的這種徑向密封通常藉助於偏心曲柄銷32與卸載襯套42之間的相對位移來實現。具體地，在運轉過程中，通過馬達20的驅動，動渦旋部件160將相對於定渦旋部件150平動轉動，從而動渦旋部件160將產生離心力。另一方面，驅動軸30的偏心曲柄銷32在旋轉過程中也會產生有助於實現定渦旋部件150和動渦旋部件160的徑向密封的驅動力分量。動渦旋部件160的螺旋葉片166將藉助於上述離心力和驅動力分量貼靠在定渦旋部件150的螺旋葉片156上，從而實現二者之間的徑向密封。當不可壓縮物質(諸如固體雜質、潤滑油以及液態製冷劑)進入壓縮腔中而卡在螺旋葉片156和螺旋葉片166之間時，螺旋葉片156和螺旋葉片166能夠暫時沿徑向彼此分開以允許異物通過，即，在偏心曲柄銷32與卸載襯套42之間產生了相對位移，因此防止了螺旋葉片156或166損壞。這種能夠徑向分開的能力為渦旋壓縮機提供了徑向柔性，提高了壓縮機的可靠性。

然而，偏心曲柄銷32與卸載襯套42之間的相對位移使得它們被過快、過度磨損。為了解決該問題，在本發明中，對偏心曲柄銷32和/或卸載襯套42的易磨損部分塗覆耐磨層以提高其硬度和耐磨性。

下面參照圖2至圖4對偏心曲柄銷和卸載襯套進行詳細描述。

如圖3所示，其示出了驅動軸的偏心曲柄銷的立體示意圖。驅動軸30的一端包括偏心曲柄銷32。驅動軸30中形成有大致沿與驅動軸30的旋轉軸線平行的第一方向(縱向方向)的偏心孔134以向偏心曲柄銷32的端部供給潤滑劑。驅動軸30的偏心曲柄銷32經由卸載襯套42配 合在動渦旋部件160的轂部162中，如圖1所示。偏心曲柄銷32包括平行於驅動軸30的旋轉軸線延伸的驅動面321。相應地，卸載襯套42的供偏心曲柄銷32穿過的大致D形的孔包括能夠與偏心曲柄銷32的驅動面321配合的從動面143。在將卸載襯套42與偏心曲柄銷32裝配至壓縮機100之後，卸載襯套42中的大致D形的孔的尺寸大於偏心曲柄銷32的尺寸以確保動渦旋部件160和定渦旋部件150之間的徑向柔性。

如圖2所示，其示出了卸載襯套與偏心曲柄銷的組裝示意圖。當卸載襯套42安裝至偏心曲柄銷32上時，偏心曲柄銷32容置在卸載襯套42的D形孔中，同時，偏心曲柄銷32的驅動面321與卸載襯套42的從動面143配合。通過該結構，偏心曲柄銷32旋轉時，由於偏心曲柄銷32的驅動面321與卸載襯套42的從動面143配合，因此偏心曲柄銷32可以驅動卸載襯套42旋轉。另外，偏心曲柄銷32的驅動面321的寬度(即，垂直於驅動軸的軸線方向的尺寸)小於卸載襯套42的從動面143的寬度(即，垂直於驅動軸的軸線方向的尺寸)。這樣，偏心曲柄銷32的驅動面321可以相對於卸載襯套42的從動面143發生相對運動。

在壓縮機的理想工況及其理想設計和製造尺寸(即，無製造和安裝誤差)的情況下，當壓縮機運行時，定渦旋部件和動渦旋部件的螺旋葉片可以緊密地貼合在一起。此時，卸載襯套的中心與驅動軸的中心之間的距離最大且基本恆定。

然而，發明人發現，由於製造和安裝誤差而導致定渦旋部件和動渦旋部件的中心距不是一致的，因此，在壓縮機運行一段時間之後，卸載襯套與偏心曲柄銷之間會產生相對位移(其對應於製造和安裝誤差)，具體地，卸載襯套的平坦。另外，發明人還發現，在實際工況下，當遇到雜質或液體製冷劑進入時，由於卸載襯套相對於偏心曲柄銷發生相對運動，使得動渦旋部件的中心可以向驅動軸的中心偏移，因此定渦旋部件和動渦旋部件的螺旋葉片短暫地分離，防止其損壞。

在壓縮機的實際運行期間，卸載襯套42的從動面143與偏心曲柄銷32的驅動面321均受到法向載荷，且兩個從動面143、321之間存在相對運動。因此，在卸載襯套42的從動面143與偏心曲柄銷32的驅動面321產生了嚴重的磨損，由此縮短了其使用壽命，影響了壓縮機的工作效率。

為此，根據本發明可以在卸載襯套42的從動面143和/或偏心曲柄銷32的驅動面321上設置有耐磨層(也可以稱為「硬化塗層」或「硬化薄膜」) 50以提高其耐磨性。

下面參見圖5和圖6對根據本發明的耐磨層及其工藝工程的示例進行描述。

如圖5所示，將待塗覆塗層的基材S(例如為本文中的卸載襯套42的從動面143和/或偏心曲柄銷32的驅動面321)容置於腔室中並且將其接地或者連接至負極電源，同時將靶材T(例如，鉻靶材)也容置於腔室中並且將其連接至正極電源。對腔室抽真空，同時向其內填充氮氣。靶材物質與氮氣在低電壓、大電流產生的電弧作用下發生電離，並被電場加速，撞擊工件形成氮化鉻薄膜層附著在基材表面上。

上述工藝過程僅僅是物理氣相沉積的一個示例，並非意在限制本發明。本發明的耐磨層50可以通過本領域中已知的其他工藝過程而形成，例如，化學氣相沉積、等離子體氣相沉積、電鍍、化學鍍、滲碳、滲氮、碳氮共滲、噴丸、表面淬火熱處理等。根據各種工藝過程，耐磨層50可以由金屬層、類金剛石、碳化物、氮化物、矽化物、硼化物或氧化物等形成，例如，耐磨層50可以由氮化鉻形成。

在本發明中，偏心曲柄銷32和/或卸載襯套42可以由粉末冶金材料製成，其表面硬度大致在600HV至800HV的範圍內。當根據圖5和圖6所示的工藝過程在偏心曲柄銷32和/或卸載襯套42上(例如，在偏心曲柄銷32的驅動面321和/或卸載襯套42的從動面143上)塗覆有大致2至4微米厚的氮化鉻耐磨層50時，該氮化鉻耐磨層50的表面硬度可以達到1500HV至3000HV的範圍，可選地達到1700HV至2700HV的範圍。由此，可以明顯提高偏心曲柄銷32的驅動面和/或卸載襯套42的從動面的表面硬度，並且可以大大增強其耐磨損性能。另外，耐磨層50的厚度可以在0.1微米至4.5微米的範圍內。

發明人對上述塗覆有氮化鉻耐磨層50的偏心曲柄銷32和卸載襯套42進行了可靠性試驗。具體地，將該偏心曲柄銷32和卸載襯套42安裝至壓縮機，使壓縮機在高速重載工況下運行500小時，發現偏心曲柄銷32的驅動面和卸載襯套42的從動面幾乎沒有發生磨損。

上述試驗表明：通過在偏心曲柄銷32的驅動面和/或卸載襯套42的從動面上塗覆耐磨層50之後，耐磨層50可以阻止偏心曲柄銷32和卸載襯套42的粉末冶金材料直接接觸，從而可以防止粉末冶金材料脫落。因此，耐磨層50大大提高了偏心曲柄銷32和/或卸載襯套42的耐磨性能。

此外，在某些情況下，為了使偏心曲柄銷32與卸載襯套42根據其運動形式可以良好配合，偏心曲柄銷32的驅動面321可以具有大致位於中央處的略微凸起的部分。耐磨層50可以僅設置在驅動面321的大致中央處的略微凸起的部分上或者從動面143的大致中央處。或者，可以設置在整個驅動面321和/或從動面143上。另外，除了驅動面321和/或從動面143之外，也可以對偏心曲柄銷32和/或卸載襯套42的經受磨損的其他部分塗覆耐磨層。

應理解的是，耐磨層50的外形輪廓和/或設置位置可以根據實際需要而成形。

上文已經具體描述了本發明的各種實施方式和變型，但是本領域技術人員應該理解，本發明並不局限於上述具體的實施方式和變型而是可以包括其他各種可能的組合和結合。

儘管在此已詳細描述本發明的各種實施方式，但是應該理解本發明並不局限於這裡詳細描述和示出的具體實施方式，在不偏離本發明的實質和範圍的情況下可由本領域的技術人員實現其它的變型和變體。所有這些變型和變體都落入本發明的範圍內。而且，所有在此描述的構件都可以由其他技術性上等同的構件來代替。