[发明专利]容积可调且压缩比优化的涡卷容积式流体压缩装置

说明书

本专利申请系1992年8月17日所呈正在审查中之系列号为US.serial No.07/931,011的专利的继续，而上述专利又为1992年8月14日所呈正在审查之系列号为U.S.serial No.07/930,758的专利的继续。上述两项专利申请援引在此以供本案之参考。

本发明总的涉及容积式流体压缩装置。更具体地说，本发明系一改进的涡卷容积式流体压缩装置，它能依据负荷之需要调节流体工作或压缩，同时又能够在一宽广的运行范围保持最优的压缩比。

涡卷容积式流体压缩装置的技术是众所周知的，例如授与Creux的美国专利802,182揭示了一种涡卷装置。该装置包括两个涡卷件，每个涡卷件有一个端面平盘和一个螺旋形或渐开线形的涡卷。这两个涡卷具有相同的几何形状彼此相互啮合且保持一定的角度和径向偏移以在它们螺旋形的曲面之间形成多处线接触。如此，相互啮合的涡卷形成至少一对被密封住的流体气室。当一个涡卷相对于另一个涡卷作轨道运动时，上述接触线就沿着螺旋曲面移动，因而流体气室容积随之改变。容积之增加或减小取决于涡卷之间相对轨道运动的方向，这样该装置可以用来压缩或膨胀流体。

下面参照图1a-1d对传统的涡卷压缩机的一般运行原理作一些说明。图1a-1d示意性地示出了相互啮合的螺旋形的涡卷1和2作相对运动以压缩流体的情况，涡卷1和2相互啮合并在相互之间保持一定的角度偏移和径向偏移。图1a显示了每个涡卷的外端与另一涡卷相接触，也就是吸气阶段刚好完成，一对对称的流体气室A₁和A₂刚好形成。

图1b-1d依次显示了驱动轴曲柄旋转了一定角度后的涡卷位置。当曲轴旋转时，气室A₁、A₂以径向和角度地逐渐向啮合涡卷的中心移动，同时A₁和A₂的容积逐步减少。流体气室A₁和A₂当曲轴的角度越从图1c所示的状态到达1d所示的状态时在中心部分A处合并在一起。当主轴继续旋转时，上述合并后的气室进一步减少它的容积。在涡卷作相对的轨道运动时，图1b和1d所示的形成在每一涡卷端部附近的外部空间逐步变化以形成新的密封气室，其中封闭着行将被压缩的下一个流体的容积(如同图1c和1a所示)。图2示意性地示出了在气室中的一个，A₁或A₂汇向中心容积A时其中所发生的压缩循环。同时，图2也示出了气室中流体压力和容积之间的关系。

当气室被密封时，压缩循环开始(图1a)。在图1a中，吸气相刚刚结束，在吸气相中气室中的一个的流体压力示于图2中的H点。

在H点，气室的容积是V_H，当涡卷旋转到某一曲轴角度时气室的容积连续地被减小，流体连续地被压缩，这种情况示于图2的L点。在状态L时，气室的容积V_L被定义为是最终的压缩气室容积。

在经过L点之后，气室A₁及A₂彼此相连并同时与中心容积A相连，在中心容积中充满着未排放的高压流体。吸气室容积V_H和最终压缩气室容积V_L之比被定义为装置内设的容积比R_V。在状态L的压力P_L和状态H下的压力P_H之比被定义为压力比。

再请参看图2，当曲轴角超过状态L时，相连的气室中的流体，即中心容积A，将经受下列三个过程之一：(1)理想压缩过程：当流体在中心容积A的压力(Pd₁)等于最终压缩气室中的流体压力时，压缩过程称为理想压缩过程。如图2中线L-L所示，此时流体在排气过程中不经历任何压力变化。在此过程中，涡卷件的内设容积比完全同运转条件相符合。因此压缩过程的能量效率最高。

(2)过压缩过程：在此一过程中，在点L处最终压缩气室中的压力(P_L)高于在中心容积的流体压力(Pd₂)。当主轴旋转角超过点L时，最终压缩气室中的流体突然向中心容积膨胀，并且降低其压力直至等于(Pd₂)，如同图2中M点所示。图中阴影三角形LMO表示由于过压缩过程所引起的能量损失。