微型球形压缩机

微型球形压缩机,11微型球形压缩机王陆一摘要：介绍了新发明的球形压缩机的原理及结构特点，分析了其用于微型制冷系统中的优势，分析了球形压缩机密封性可靠效率高的特点。关键词：微型制冷球形压缩机效率密封泄漏MiniatureSphericalCompressorWangLuyiAbstract:Theprinciplesandadvantagesofnewtypeofsphericalcompressorareintroduced.Thesuperiorityofapplyingthesphericalcompressorintominiaturerefrigerationsystemisanalyzed.Theadvantagesofreliablesealingandhighefficiencyareanalyzed.Keywords:MiniaturerefrigerationSphericalcompressorEfficiencySealLeakage集成电路芯片发展迅速，随着运算速度和集成度的提高其散热问题已成为难题，而微型压缩机制冷系统是有效的解决方案。另外，微型制冷系统可广泛应用于特种防护服、便携式制冷空调设备等。这一领域的研究的关键是微型压缩机的开发，如何开发体积小、重量轻、工作平稳、效率高的微型制冷压缩机是一个世界性的前沿课题。目前所开发的这类压缩机大都是采用传统的经典机型，例如滚动活塞式、三角转子式、线性往复活塞式等。但滚动活塞式和三角转子式有一个共同的特点就是在用于微型机时其密封性差泄漏大效率低，造成这种结果的原因就是他们的机构原理决定了其密封的薄弱环节太多，都具有线密封的特征。线性往复活塞式虽然密封性好但振动大，同时由于有进气阀和排气阀的存在使其缸径不能过小，因为过小的缸径将使气阀无法安装并且过小的气阀会导致效率和可靠性大幅下降。微型球形制冷压缩机是新发明的空间机构（三维机构）形式的压缩机，其主要目标是解决其它形式的微型压缩机泄漏大、效率低、振动大、不能超微型化的问题。已经设计制造了原理验证样机，参见后附照片。专利情况介绍：获中国发明专利1项：一种用于压缩机的变容式机构；专利号：ZL03114505.1获中国实用新型专利1项：一种用于球形压缩机的铰链密封间隙自动补偿装置；专利号：ZL201020506617.8；正在申请中国发明专利1项：一种用于球形压缩机的铰链密封隙自动补偿机构；专利申请号：ZL201010264211.8；正在申请国际发明专利1项：一种用于球形压缩机铰链密封间隙自动补偿机构；国际申请号：PCT/CN2011/0773601结构及特点介绍1.1结构介绍1.1.1特别说明：在以下的视图中，图1到图11表示的是基本型的微型球形压缩机；图12表示的是经过特殊设计的超微型球形压缩机；这两种形式的球形压缩机在球形缸内的另件结构形式相同，区别只是缸盖的外沿发兰结构和与缸体的连接方式不同，超微型球形压缩机缸盖与缸体的连接没有采用螺钉。在以下的结构介绍和性能分析中，是以基本型的微型球形压缩机为基础。1.1.2附图说明微型球形压缩机,22图1：结构剖面图；图2：机壳剖面图；图3：图2中A-A剖面图；图4：组合式活塞主视图；图5：图4所示的组合式活塞左视图；图6：组合式活塞本体主视图；图7：图6所示的组合式活塞本体左视图；图8：带缸盖的转子爆炸图；图9：活塞立体图；图10：转盘立体图；图11：组合式活塞立体图及其镶块立体图；图12：新设计的超微型机结构示意图。图中：1-旋转活塞；2-缸盖；3-气道；4-工作容积V1；5-连接螺钉；6-主轴；7-主轴支架；8-转盘；9-缸体；10-中心销；11-工作容积V2；12-排气通道；13-进气通道；14-组合式活塞本体；15-组合式活塞镶块；00-外壳；000-电机。1.1.3结构说明缸体和缸盖相连形成一个球形内腔，活塞具有球形顶面、从球形顶面中央伸出一活塞轴、活塞下部有一活塞销座；缸盖上设有与活塞轴相配的轴孔，活塞可绕活塞轴在轴孔中自由转动，活塞球形顶面与球形内腔具有相同的球心并形成密封动配合；转盘的下端面中心伸出一转盘轴，转盘上部和下端面之间的外周面为转盘球面，转盘球面与球形内腔具有相同的球心并紧贴球形内腔形成密封动配合；在转盘上部与活塞销座相对应有一转盘销座；中心销插入活塞销座和转盘销座，主轴支架与缸体相连，为主轴的旋转提供支撑，主轴的一端为偏心斜孔，偏心斜孔位于缸体内与转盘轴相连，另一端与动力机构相连，为压缩机变容提供动力；上述活塞轴和转盘轴及主轴的轴线都通过球形内腔的球心，并且活塞轴和转盘轴的轴线与主轴的轴线形成相同的夹角α（称为特征角），以上结构形成对称的2个工作腔V1和V2。1.1.4工作过程简介工作过程如下：主轴转动时驱动转盘，转盘带动活塞运动（图中主轴的转向是从缸盖看主轴作顺时针转动）；活塞的运动是唯一的绕自身轴线的转动；转盘的运动是有两种运动的合成：一是绕自身轴线的转动，另一是其轴线始终通过球形缸的球心，并在以球形缸的球心为顶点，锥角为2α、轴线与主轴轴线重合的虚拟锥体表面周向移动（即转盘的轴线扫过上述锥体的锥面），移动的周期与主轴旋转的周期同步。以上空间机构的运动都是旋转性质的运动，故没有高振动运动件，这种空间运动的合成结果为：活塞和转盘有一周期性的相对摆动，摆动的周期为主轴旋转周期的一倍，摆动的幅度为4α；利用这种相对摆动作为容积变化的基本运动要素，利用活塞的旋转以及活塞体上球形表面与球形缸内表面的配合，作为所有进排气口打开、关闭的基本运动要素。1.2运动及动力分析设定：——主轴转角；——活塞绕其轴线的转角；1——转盘绕其轴线的转角；ω=dtd——主轴转速；ω=dtd----------活塞绕其轴线的转速；=dtd——活塞角加速度；ω1=dtd1——转盘绕其轴线的转速；微型球形压缩机,33-图1图2-图3图4图5图7图6微型球形压缩机,44图8图12图9图10图11微型球形压缩机,551=dtd1——转盘角加速度；——活塞轴线和转盘轴线与主轴轴线的夹角；V——工作容积（对称两个工作腔，容积变化周期720°，相位差为360°）；由空间机构运动、动力分析得：=arctgcossincos1(1)ω=)cos1()cos1(coscos2（2）=222cos1cos1cossinsincos2（3）1（4）V=K22(5)在（5）式中，K为结构常数，结构尺寸确定后K为定值。321arccosyyysinsinsin1ycoscossin2ycoscossincos3y图A中为分别为5、10、20时的曲线图：图A：φ=f（θ）曲线0π2π3π4πθν图B：V=f（θ）曲线1.3球形压缩机的优点1.3.1密封可靠：任何需要防止工质泄漏的动密封处，都能设计成具有相当宽度的面配合动密封，避免了线密封结构，使其达到可靠的密封效果；1.3.2无进排气阀：不需要设置进排气阀，减少能耗减低噪音，成本低，可靠性好；1.3.3结构紧凑、零件少：只有三个运动件，空间占用小。1.3.4运转平稳，高速变频性能好：由于无气阀，零件受力润滑好，无往复运动件和能引起高振动的运动件，运转平稳，高速变频性能好；1.3.5机械摩擦损失小：由于活塞与转盘的转速只有主轴的一半，所以机械摩擦损失小；1.3.6能耗低：由于无气阀、密封可靠、机械摩擦损失小等特点，所以效率高；1.3.7制造成本低：由于零件基本为球面、圆柱面、平面，并且数量少，所以易于制造而且制造成本低。2制造可行性由附图1可知，这种结构中的活塞没有镶块,所以加工非常难，主要困难是位于中间的凹形半圆柱面工艺性太差。为了改善工艺性，将活塞改为带镶块的组合式活塞，见图4、图5、图8、图11。图6中双点画线表示切削刀具的位置，由此可看到，通过结构的变化改善了加工的工艺性。球形压缩机的特点是：主要零件需加工表面都为规整的平面、球面或圆柱面，这非常有利于制造。个别局部有不能采用旋转切削加工的部位，可以采用拉削加工或其他现有工艺方式确保加工精度和大批量生产的效率。球形压缩机零件少，无气阀，因此球形压缩机的制造成本将不会是广泛应用的障碍，相反在许多应用领域球形压缩机还具有综合造价低的优势。3结束语微型球形压缩机,66以上简要介绍了球形压缩机用于微型制冷系统的优势，通过分析可知其主要特点是密封性好效率高而且振动小，可设计成外径只有十几毫米的超微型产品，以满足大量的便携式电脑及仪器设备的需求。这一技术目前还处于理论研究为主的阶段，希望能得到更多各方人士的指导与支持，希望合作将其推向实际应用。球形压缩机原理验证样机照片作者简介：王陆一，男，1961年生，高级工程师，“陕西省首届十大发明人”，拥有专利技术40余项（其中40%实施应用）,通讯地址：陕西省西安市东开发区火炬路13号楼164室，邮编710043，e-mail：[e-mail]