專利名稱：輕型渦旋構件及其制造方法
在諸如泵、壓縮機或膨脹機之類的渦旋機械中，渦旋構件之間有一基本的相互作用，即，一個渦旋件一定圍繞著另一個相對地作沿軌道的旋轉。在壓縮機的情況下，被壓縮的氣體對渦旋構件施加一作用力，該作用力有使得這兩個渦旋構件軸向分開以及使得渦旋構件的渦卷(wrap)在徑向分開的趨勢。為了讓壓縮機有必要的密封，就需要在軸向和徑向有一定的順從或柔量。軸向的順從可以用這樣一種形式，即，利用作用在沿軌道旋轉的渦旋件的底板上的排放壓力或中間壓力，使得該旋轉渦旋件的渦卷端部受到偏置而與固定渦旋件的底面相接合。另一種形式的軸向順從是利用位于渦卷端部槽內的端部密封件來達到密封的目的。端部密封件還可以用來防止一渦旋構件的渦卷的端部與面對的渦旋構件底面之間的接觸。
出于慣性考慮，有時要求沿軌道旋轉的渦旋件越輕越好。考慮到減輕重量，鋁是一種制造沿軌道旋轉渦旋件的較理想的材料。由于鋁較易磨損，所以必須使用一端部密封件來防止渦卷端部的磨損，同時也用以防止卡住的現象。但是由于設置端部密封件就需要機加工出設置密封件的槽，而且在使用端部密封件時還存在泄漏問題，所以通常盡量避免使用端部密封件。然而，在已有技術中，不使用端部密封件的鋁制渦旋構件在使用上還不能令人滿意。
本發明用諸如壓鑄或擠壓鑄造之類的壓力鑄造方法先生產出一種接近所需形狀、由陶瓷微粒強化的鋁基復合材料制成的部件。在壓鑄之后，該部件再被機加工至其最終的形狀。所加入的陶瓷微粒使得渦旋件的性能大為增強，這是因為它增強了渦旋件的硬度，增加了耐磨性，以及當配對的渦旋件是由鑄鐵制成的情況下，該種材料制成的渦旋件還提供了與鑄鐵十分接近的熱膨脹性。在固定渦旋件和沿軌道旋轉的渦旋件兩者均由經陶瓷微粒強化的鋁基合金材料制成時，上述的這些性質完全一樣，如果使用不同的合金制成時特性也非常接近。如果固定渦旋件也用鋁基復合材料制成則除了上述所有的好處之外還可以使得固定渦旋件的重量進一步減輕。此外，使用這種經陶瓷微粒強化的鋁還可以不用端部密封件和軸承襯套。
本發明的一個目的在于，提供一種鋁基復合材料制成的沿軌道旋轉的渦旋件，它與另一由鋁基金屬復合材料或鑄鐵制成的固定渦旋件配合使用，使用時可以不用端部密封件。
本發明的另一目的在于，通過降低沿軌道旋轉渦旋件的慣性負荷，來增加其速度范圍以適應需要變速的應用場合。
本發明的又一目的在于，提高其初始磨合時間并減少其泄漏通道。
本發明還有一目的在于提供一種由鋁基復合材料制成的沿軌道旋轉的渦旋件，它具有與鑄鐵件十分相近的熱膨脹系數和彈性模量。這些和其它一些在下文中行將變得更為明顯的目的將由本發明來完成。
基本上，本發明提供一種由碳化硅陶瓷微粒強化的鋁基復合材料制成的沿軌道旋轉的渦旋件，使該渦旋件具有接近鑄鐵或能與鑄鐵匹配的較理想的物理性質，同時，使它可以與鑄鐵件或鋁基復合材料制成的固定渦旋件一起使用。
圖1是使用本發明的一密封渦旋壓縮機的部份垂直剖視圖;以及圖2示出了沿軌道旋轉的渦旋件的制作過程的流程圖。
圖1中，編號100總的表示一密封渦旋壓縮機。受壓的流體，一般是排放壓和中壓的混合物，經過排放孔28和29進入到環形腔室40中，該環形腔室是由沿軌道旋轉的渦旋件的背面、環形密封件32和34以及曲軸箱36所形成的。在腔室40中的受壓流體所起的作用是如所述的那樣保持沿軌道旋轉的渦旋件21和固定渦旋件20之間的配合。與沿軌道旋轉的渦旋件的背面相配合的腔室40的面積以及腔室40中的壓力決定了施加到沿軌道旋轉的渦旋件上的順從力的大小。更具體地說，渦卷22和23的末端將分別直接與面對的渦旋件21和20的底面相配合，沿軌道旋轉的渦旋件21的底面或底板110的外部則由于腔室40中的壓力的偏置作用而與固定渦旋件20的外表面27相配合。與傳統技術一樣，渦旋件21通過歐氏聯軸節50來保持其沿軌道的旋轉運動。沿軌道作旋轉的渦旋件21的一個轂件26設置于一滑塊52中，無需軸承襯套，它由與一電動機(未畫出)的轉子相連的曲軸60驅動。滑塊52可以相對曲軸60作往復運動，因而可使渦旋件21作徑向順從以使得渦卷22和23的側面不管流體的撞擊或其他類似情況仍能保持密封接觸。曲軸60繞著軸Y-Y旋轉，該軸同時也是固定渦旋件20的中心軸，而具有中心軸Z-Z的渦旋件20則環繞Y-Y軸作沿軌道的圓周運動。壓縮空氣經過排氣口25進入殼內，隨即被排入制冷或空調系統內(未畫出)。
繞軌道作圓周運動的渦旋件21與已有技術的渦旋件的區別在于，它由一種通過碳化硅微粒加強的鋁基復合材料制成，該渦旋件在使用時與一鑄鐵制成的固定渦旋件相配合，用不著端部密封件或耐磨板。固定渦旋件也同樣可以由通過碳化硅微粒強化的鋁基復合材料制成。另外，在轂件26和滑塊52之間無需單獨的軸承。
通過陶瓷微粒強化的鋁基復合材料中含有體積百分比為10%-25%的碳化硅微粒。對380鋁，最好混以體積百分比為20%的碳化硅微粒。在這種混合比的情況下，彈性模量(單位106磅/平方英吋)為16.5，鑄鐵則為15.5。類似地，其熱膨脹系數(單位×10-6/F)為9.2，而鑄鐵則為6.0。如方框200所示，所述的混合物被加熱以形成熔融金屬。再對熔融的金屬進行壓鑄，如方框210所示的那樣，通過壓鑄來生產出接近所需形狀的沿軌道旋轉的渦旋件。由于該鋁基復合材料制件的耐磨性好，給機加工帶來了較大的困難，因而用壓鑄來獲得接近所需的形狀使要用機加工去掉的金屬量降為最低是很重要的。鑄造之后，所述部件如方框220所示那樣被機加工至最終形狀。此時就可以將該部件裝配到壓縮機100中去。
雖然本發明是針對一沿軌道旋轉的渦旋件進行描述的，但同樣也可以應用到其它一些場合，即鋁是一種較好的原料，但它必需和鑄鐵的特性相匹配和/或需具有耐磨性的應用場合。而且，雖然上面陶瓷微粒用的是碳化硅，但也可以用其它一些原料，如碳化鈦、氧化鋁、鈦、氮化鋁或其它一些微粒材料。這些可以根據特定的需要來進行選擇。所以，本發明的保護范圍只受所附權利要求的限制。
權利要求
1.一種渦旋機械(100)，包括一由經陶瓷微粒強化的鋁基復合材料制成的第一渦旋裝置(21)，它包括一渦卷(22)以及一底部，所述渦卷具有側面和一末端；一第二渦旋裝置(20)，它包括一渦卷和一底部，所述第二渦旋裝置的渦卷具有側面和一末端；用來驅動所述第一渦旋裝置的裝置(60)，用以使所述第一和第二渦旋裝置的側面密封地相接觸；軸向的順從裝置(28，40)，它們使得所述第一渦旋裝置的所述末端與第二渦旋裝置的所述底部直接密封接觸，以及，使得所述第二渦旋裝置的所述末端與所述第一渦旋裝置的所述底部直接密封接觸。
2.如權利要求1所述的渦旋機械裝置，其特征在于，所述經陶瓷微粒強化的鋁基復合材料包含體積百分比為10-25%的碳化硅微粒。
3.如權利要求1所述的渦旋機械裝置，其特征在于，所述第二渦旋裝置由鑄鐵制成。
4.如權利要求1所述的渦旋機械裝置，其特征在于，所述第二渦旋裝置由鋁基復合材料制成。
5.一種制造經陶瓷微粒強化的鋁基復合材料構件的方法，包括以下步驟加熱體積百分比為10-25%的碳化硅微粒和鋁的混合物，直至其熔化;壓鑄熔融金屬混合物以生產出接近其所需形狀的鑄件;以及對鑄件進行機加工，以達到最終所需的形狀。
全文摘要
一沿軌道旋轉的渦旋件，由經陶瓷微粒強化的鋁基復合材料制成。所制成的部件具有很好的耐磨性和與鑄鐵相匹配的熱膨脹性，在使用時可以不用端部密封，并且還能使質量減輕。在生產制造這種部件時，先用壓鑄生產出一接近所需的形狀，再用機加工最終達到所需的形狀。
文檔編號F04C18/02GK1112988SQ9510035
公開日1995年12月6日 申請日期1995年2月17日 優先權日1994年2月22日
發明者文森特·C·納爾多內, 卡爾·M·普魯沃, 詹姆斯·R·斯特里夫 申請人:運載器有限公司