專利名稱：螺桿機的制作方法
背景技術：
在一種傳統的螺桿機中，一個凸轉子和一個凹轉子分別平行地位于限定在一個轉子殼體內的部分重疊的孔中，共同作用以聚集和壓縮氣體容積。雖然兩個轉子是最通常的設計，但三個或更多的轉子可以共同成對作用。凸轉子和凹轉子的齒廓以及齒和齒槽的數目不同。例如，凹轉子可以具有由六個齒槽分開的六個齒，而與之共軛的凸轉子可以具有由五個齒槽分開的五個齒。相應的，齒和齒槽的每種可能的組合在轉子間的共同作用是發生在一個基圓上的。共軛轉子對之間的共同作用是滑動和滾動接觸的組合，這產生不同的磨損率。除了成對共同作用之外，轉子還與殼體共同作用。因為轉子接觸的所有組合都發生在共軛對之間，不同結合之間的密封/泄漏可能會由于加工公差和磨損情況而不同。盡管加工公差由于附帶的加工成本而被精密的把握，并且提供了足夠的潤滑和其它的液體噴射來進行密封，但還可能出現上述情況。
螺旋轉子的共軛對的輪廓設計必須在大部分的部段內設有余隙。大量因素導致設置余隙的需要，這些因素包括由于氣體在壓縮過程中被加熱而導致轉子的熱膨脹；轉子由于來自壓縮過程的壓力負載而產生的偏差；支撐軸承結構的公差和轉子的機加工公差有時可能傾向于使轉子彼此靠得太近，這將導致干擾；并且轉子輪廓上的機加工公差本身就可導致干擾。疊加在上述因素上的是從吸氣到排氣的過程中伴隨壓力和溫度的增加的壓力和溫度梯度。
壓力梯度在操作中通常是沿一個方向的，從而流體壓力傾向于迫使轉子向吸氣側運動。轉子通常在每一端安裝于軸承上，從而同時提供了徑向和軸向約束。轉子在排氣側的端隙對于密封是關鍵的，流體壓力傾向于打開該端隙。
在轉子上有某些部段，例如接觸帶，在該處轉子之間保持零余隙。轉子限定接觸帶的部段是在轉子間傳遞所需轉矩的區域。轉子之間的負載對于凸轉子驅動和對于凹轉子驅動是不同的。在凸轉子驅動中，轉子之間的負載可以等于整個壓縮機轉矩的大約10％，而在凹轉子驅動的情況中，轉子之間的負載可以等于整個壓縮機轉矩的大約90％。這些部段通常位于轉子的節圓附近，該位置是在轉子上導致滾動接觸的等轉速位置，從而減小了或者就沒有滑動接觸，并因此減少了磨損。
大量的端運行余隙必須被保持在螺桿壓縮機的排氣端，以防止由于轉子咬粘而引起的失效。咬粘可能由于轉子的熱膨脹引起，或者由于壓縮過程中因壓力脈動在轉子和端殼之間產生的斷續接觸引起。
發明內容
本發明的一個目的是減小螺桿機中的泄漏。
本發明的另一個目的是在不增加泄漏的情況下，放寬機加工公差。
本發明的再一個目的是減少螺桿機中所需的油密封。
本發明的另外的目的是使由于摩擦造成的功率損耗最小，并防止磨損。通過本發明的完成，這些目的和其它的目的都將變得清楚。
按本發明，一涂層被涂敷到螺旋轉子和/或殼體的內孔表面的一個或多個部分上。
在本發明的一方面中，一低摩擦的耐磨材料可位于轉子齒尖，在這里轉子可具有與殼體的正常接觸以及相互的正常接觸。這些轉子彼此成對共同作用，也與殼體共同作用。而精密的機加工公差減少了由于轉子自身之間以及與殼體之間的共同作用而造成的泄漏，通過結合精密公差或者按照精密公差也可以完成其它的事情。合適的低摩擦的耐磨材料的實例包括多層的金剛石狀碳(DLC)涂層、氮化鈦和其它的單一材料，單一的氮化物涂層以及硬質合金和陶瓷涂層，它們具有高的耐磨性和低的摩擦系數。
在本發明的另一方面中，合適的涂層可位于殼體的內孔表面和/或轉子齒槽上。合適的涂層的實例包括例如磷酸鐵涂層、磷酸鎂涂層、鎳汞聚合物和其它材料，它們在施加力時產生彈性。合適的涂層在殼體的內孔表面和/或轉子齒槽上位置可以減少泄漏和油密封的需要，而卻放寬了加工公差。
一涂敷有低摩擦的耐磨材料的表面或者通過等同處理的表面比一個未處理的表面更能容忍滑動接觸。這存在一種與這樣的處理有關的協同效果，即該被涂敷的表面對于滑動接觸具有更大的耐受度。按本發明的又一方面，這允許接觸帶從節圓更遠離地運動開，從而進一步減小了接觸力并減小了在帶有再定位的接觸帶的被處理的轉子上的全部磨損的可能。在傳統實踐中，是將接觸帶靠近轉子的節圓設置，如所指出的，這體現了接近純滾動接觸的需要。
接觸帶的位置是一個設計特征，并可從節圓或者是你想設置的位置處去除。通過從節圓處移走接觸帶，轉子之間的負載便可被減小，這對于凹轉子驅動而言特別重要的。隨著接觸開始從節圓移開，這里就有更多的滑動接觸，而不是純滾動接觸。如果相應的節圓與凸轉子的齒根圓和凹轉子的齒頂圓一致，則涉及由嚙合的轉子齒尖和螺桿機相鄰孔之間的交點的邊緣所限定的泄漏區的氣穴區只可被減小到零。這必定需要接觸帶要遠離節圓設置，以響應傳動角、接觸壓力、凸轉子的齒根半徑的切削性和將發生的滑動量之間的協調。
維持這種大的端齒側隙的代價是增加了從高壓區向低壓區的泄漏。按本發明的另一方面，通過在轉子的端表面上或在端殼的表面上涂敷一層具有低摩擦系數的耐磨涂層，或者通過在轉子端部和端殼之間插入一被涂敷了的構件，上述端齒側隙至少可被減少50％。由于排氣端的減少的泄漏，改善了壓縮機的性能。
為了更完整地理解本發明，現在請參見下文結構附圖對各種實施例進行的詳細說明，附圖所示為圖1是通過一個螺桿機的橫截面圖；圖2是圖1螺桿機的部分截面圖；圖3是圖1螺桿機的排氣端的一部分的放大視圖；圖4是圖1的帶有本發明所示的各種涂層的放大部分；圖5是部分截面圖，表示了涂敷在轉子端部上的DLC；圖6是部分截面圖，表示了涂敷在排氣端殼上的DLC；和圖7是部分截面圖，表示了一個DLC涂層盤；圖8是DLC涂層的放大視圖；和圖9是圖1的轉子對的軸向段的透視圖。
具體實施例方式
在圖1中示出了一個螺桿機10，例如一個螺桿壓縮機，其具有一個轉子殼體或殼12，部分重疊的孔12-1和12-2位于該殼體中。具有一個節圓PF的凹轉子14位于孔12-1中。具有一個節圓PM的凸轉子16位于孔12-2中。由點A和B所示的平行軸線垂直于圖1的平面，并相隔一個等于凹轉子14的節圓PF的半徑RF和凸轉子16的節圓PM的半徑RM之和的距離。由點A所示的軸線是凹轉子14的轉軸并通常為孔12-1的中心，孔12-1的直徑通常與凹轉子14的齒頂圓TF的直徑相一致。同樣，由點B所示的軸線是凸轉子16的轉軸并通常為孔12-2的中心，孔12-2的直徑通常與凸轉子16的齒頂圓TM的直徑相一致。典型的情況為，轉子和孔的中心線錯開一個非常小的量，以補償余隙和偏差。忽略操作余隙，孔12-1的經過與孔12-2部分重疊的部分的延伸部在與凸轉子16的齒根圓RMR切點處與線A-相交。同樣，孔12-2的經過與孔12-1部分重疊的部分的延伸部在與凹轉子14的齒根圓RFR的切點處與線A-B相交。該共同點由F1、M1標出，其中F1是相對于凹轉子14的，M1是相對于凸轉子16的。
在所示實施例中，凹轉子14具有六個由六個凹齒槽或齒槽14-2分開的齒刃或齒尖14-1，而凸轉子16具有五個由五個凹齒槽或齒槽16-2分開的齒刃或齒尖16-1。相應的，轉子16的轉速是轉子14的轉速的6/5或120％。或者是凹轉子14，或者是凸轉子16，都可以被連接到一個原動力(未示出)上，并作為驅動轉子。也可以使用其它個數的凹和凸齒刃和齒槽的結合。
現在參見圖2和3，轉子14具有一個軸部14-3，其帶有一個在軸部14-3和轉子14之間形成的軸肩14-4。轉子14的軸部14-3在出口或排氣殼13中被支承在一個或多個軸承30上。同樣，轉子16具有一個軸部16-3，其帶有一個在軸部16-3和轉子16之間形成的軸肩16-4。轉子16的軸部16-3在出口或排氣殼13中被支承在一個或多個軸承31上。轉子14和16的吸氣側軸部14-5和16-5各由滾柱軸承32和33分別支撐容納在轉子殼12中。
在操作中，作為一個致冷壓縮機，假設凸轉子16作為驅動轉子，轉子16轉動嚙合的轉子14，并使其轉動。位于相應的孔12-1和12-2中的轉動轉子16和14的共同作用通過吸入口18將致冷氣體吸入轉子16和14的齒槽中，轉子16和14相互嚙合以聚集和壓縮氣體容積，并將熱的壓縮氣體輸送到排氣口19。該作用于轉子14和16上的被聚集的氣體是可運動的，傾向于從出口殼表面13-1分開排氣端14-4，以產生/增加泄漏通道。轉子14和16從出口殼表面13-1離開的運動導致轉子14和16分別通過軸肩14-6和16-6朝向或進入與轉子殼12的表面12-3的嚙合。除了轉子軸肩14-4、16-4和出口殼表面13-1之間的泄漏路徑之外，泄漏也可以橫貫轉子14和16之間的線接觸以及齒刃尖部14-1和16-1與孔12-1和12-2之間的線接觸發生。橫貫齒刃/線接觸的泄漏可通過使用密封油減少，但是油會在運動部件之間產生粘滯曳力損失，并必須從排出的氣體中去除。
如本文所指出的，接觸帶由零余隙限定，而不是由位置限定。圖4示出了圖1的一個放大部分，以便表示按本發明的一方面的接觸帶的再定位。該接觸帶位于凹齒尖14-1的區域中的凹轉子14的節圓PF的內側和凸齒根16-2的區域中的凸轉子16的節圓PM的外側。
對于無油潤滑壓縮機，轉子齒尖必須盡可能地靠近轉子殼孔12-1和12-2，以便減少由于沒有使用油進行密封而產生的泄漏。如果在轉子和殼體之間發生接觸的話，則由于轉子齒尖和殼體之間的摩擦而造成的摩損和功率損耗將是很大的。即使轉子被潤滑，也會有橫貫油密封的泄漏，并且必須將油從致冷劑中去除，以使它經過致冷系統惡化傳熱效率的循環最小，以及保留所需的油來潤滑壓縮機。
按本發明的一方面，分別在轉子14和16的齒尖或齒槽14-1和16-1上涂敷了一層低摩擦的耐磨的涂層。一種合適的低摩擦的耐磨涂層是低摩擦金剛石狀的碳(DLC)涂層，這類涂層被局部地用于在共同轉讓的US專利5672054中公開的回轉式壓縮機的葉片的尖部表面上。這樣一種DLC涂層用于克服與使用新的油和致冷劑結合有關的潤滑困難。DLC涂層既是潤滑的，又是耐磨涂層的，因為如在US專利5672054中詳細說明的那樣，它由一層硬的材料，例如碳化鎢和非晶碳構成，在此該專利的完整公開被并入作為參考。
其它合適的低摩擦的耐磨涂層的實例包括氮化鈦和其它的單一材料、單一的氮化物涂層以及硬質合金和陶瓷涂層，它們既具有高的耐磨性又具有低的摩擦系數。低摩擦的耐磨涂層在各轉子的齒尖或齒刃齒槽中的出現提供了數種優點。第一，在沒有過度磨損或摩擦的情況下，相對于轉子可以不使用潤滑油或減少潤滑油的操作。第二，由于可以容忍與轉子孔的一定程度的接觸，機加工公差便可放寬。第三，因為可以以轉子齒尖或齒刃14-1和16-1分別與轉子孔12-1和12-2之間的較少的余隙運行，轉子和轉子孔之間的油密封需要便可以被減小或者被消除。
因為凹轉子14上的接觸帶是靠近齒尖設置的，故可以視轉子輪廓而使用單一的DLC涂層來覆蓋凹轉子上的兩個重要區域，這是由于它們的較窄的空間或部分重疊的緣故，凹轉子上的單一DLC涂層40優選是便于安裝的，如圖4所示。涂層40的部分40-1相應于接觸帶，部分40-2相應于將最接近于孔12-1的的齒尖或齒槽部分14-2。凸轉子16上的相應涂層DLC被涂層60和涂層61分開得更寬，其中涂層60位于轉子齒尖上，涂層61靠近相應于接觸帶的齒根部分設置。
與轉子齒尖一樣，轉子端部以一個構成泄漏路徑的余隙走向。按本發明的另一方面，DLC涂層可以涂敷到轉子的排氣端表面上，該表面面對排氣端殼13的表面，或者涂敷到位于轉子和排氣端殼13之間的被涂敷的襯墊上，從而減小齒側隙，并由此減小泄漏路徑。現在參見圖5，DLC涂層被涂敷到轉子14和16的排氣端上。具體而言，DLC涂層42被涂敷到凹轉子14的排氣端上，DLC涂層62被涂敷到凸轉子16的排氣端上。因為DLC涂層42和62可以調節與出口殼表面31的一定程度的接觸，故可以使用帶減小泄漏的減小的端部齒側隙。現在參見圖6，DLC涂層82被涂敷到端殼表面13-1，而不是如圖5的實施例那樣被涂敷到轉子14和16的排氣端上。在圖7的實施例中，一個分隔件90位于轉子14和16的端部和端殼表面13-1之間。因為分隔件90與孔12-1和12-2的橫截面相一致，故在分隔件90和轉子14和16的排氣端之間不會有旋轉運動和相對運動。相應地，只有面對轉子14和16的分隔件90的表面需要設置DLC涂層92。在圖5-7中的實施例中，DLC涂層位于轉子14和16的端部和表面13-1之間，從而該涂層的潤滑性將保護轉子和殼在偶然的接觸中免受磨損，從而允許接近的端齒側隙和窄的泄漏路徑。
現在參見圖8，其表示了典型涂層40、42、60、61、82和92的較為夸張的橫截面，盡管在此處它僅以40標明。DLC涂層40由硬的雙分子層40′和潤滑的雙分子層40″構成。雙分子層的厚度范圍為1-20nm，優選的范圍為5-10nm之間。
按本發明的另一方面，一種可研磨或擠壓成型的適合的涂層可以被涂敷到轉子14和16上和/或孔12-1和12-2上。而整個轉子和孔可以被涂敷，如圖9所示，轉子齒槽或槽14-2和16-2中的各局部涂層實質上提供了相對于轉子之間的共同作用的所有益處。雖然接觸帶是一個無余隙區域并需要精確的機加工，但公差可以相對于轉子葉片輪廓的剩余部分之間的共同作用放寬。另外，孔12-1和12-2的合適的涂層調節了轉子14和16在真正的操作中的撓曲，從而保持了密封功能。參見圖4和9，凹轉子槽可以設有合適的涂層44，凸轉子槽可以設有合適的涂層64。另外，孔12-1和12-2可以設有合適的涂層84。
也可以使用各種塑性的合適的涂層，其包括例如磷酸鐵、磷酸鎂、鎳汞聚合物、鎳鋅合金、帶聚酯的鋁硅合金和帶聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的鋁硅合金。當然，傳統的涂敷方式，包括例如熱噴涂、物理蒸汽沉積(PVD)、化學蒸汽沉積(CVD)或者任何合適的水沉積，都可以被用于處理本發明的螺桿機的表面。
雖然本發明已以雙聯式轉子螺桿機的形式被具體地示出和說明，但它也可以應用于使用三個或更多轉子的螺桿機。因此，旨在指出的是，本發明僅由附后的權利要求書的范圍限定。
權利要求
1.一種螺桿機，其包括一個具有一對平行的部分重疊的孔的轉子殼；一對位于所述孔中的共軛的互相嚙合轉子，所述轉子中的每一個都具有螺旋形的齒和介于其間的齒槽；一個位于所述轉子殼的排氣端的出口端殼，所述轉子中的每一個都具有一個面對所述出口端殼的排氣端；其特征在于，一耐磨涂層位于所述轉子的所述排氣端和所述出口端殼之間。
2.按權利要求1所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括一位于所述轉子的所述排氣端上的耐磨涂層。
3.按權利要求2所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括金剛石狀的碳涂層，該涂層包括一系列可選擇的硬的和潤滑的層。
4.按權利要求1所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括一位于所述出口端殼上的耐磨涂層。
5.按權利要求4所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括金剛石狀的碳涂層，該涂層包括一系列可選擇的硬的和潤滑的層。
6.按權利要求1所述的螺桿機，其特征還在于，一個構件位于所述轉子的所述排氣端和所述出口端殼之間，所述構件具有一個面對所述轉子的所述排氣端的表面，所述耐磨涂層包括一位于所構件上的耐磨涂層。
7.按權利要求6所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括金剛石狀的碳涂層，該涂層包括一系列可選擇的硬的和潤滑的層。
8.一種螺桿機，其包括一個具有一對平行的部分重疊的孔的轉子殼；一對位于所述孔中的共軛的相互嚙合轉子，所述轉子中的每一個都具有螺旋形的齒和介于其間的齒槽；一個位于所述轉子殼的排氣端的出口端殼，所述轉子中的每一個都具有一個面對所述出口端殼的排氣端；其特征在于，一適合的涂層位于所述轉子的所述排氣端和所述出口端殼之間。
9.按權利要求8所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括一位于所述轉子的所述排氣端上的耐磨涂層。
10.按權利要求8所述的螺桿機，其特征在于，所述耐磨涂層包括一位于所述出口端殼上的耐磨涂層。
11.按權利要求8所述的螺桿機，其特征還在于，一個構件位于所述轉子的所述排氣端和所述出口端殼之間，所述構件具有一個面對所述轉子的所述排氣端的表面，所述適合的涂層包括一位于所構件上的耐磨涂層。
全文摘要
一螺機(10)，其具有一個限定部分重疊的孔(12－1、12－2)的轉子殼(12)。凹轉子(14)位于孔(12－1)中，凸轉子(16)位于孔(12－2)中。在這些轉子的齒尖(14－1、16－1)上沉積有耐磨涂層。在這些轉子的齒根(14－2、6－2)上沉積有適合的涂層。在上述孔與轉子共同起作用的表面上沉積有適合的涂層。
文檔編號B05D3/12GK1690428SQ20051007402
公開日2005年11月2日 申請日期2000年12月21日 優先權日2000年6月30日
發明者J·W·布斯, C·V·庫珀, R·T·德羅斯特, H·杜, H·E·伊頓, H·E·卡利法, K·B·庫馬, R·R·林, P·H·麥克盧斯基, R·德布洛伊斯 申請人:開利公司