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CN108291549B - 具有动涡旋滚动支承构件的涡旋流体机械 - Google Patents

具有动涡旋滚动支承构件的涡旋流体机械 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种涡旋流体机械，包括：静涡旋单元(100)；动涡旋单元(200)；主框架(300)，该主框架具有三个轴承(312)(322)(332)，所述三个轴承安装成与动涡旋单元(200)的轴承(221a)(221b)(221c)相对应并联接以面对动涡旋单元(200)的基板的外表面；以及彼此面对的一对防旋转轴(320)(330)。该涡旋流体机械还包括：包括板状保持架(410)的动涡旋滚动支承构件(400)，该板状保持架(410)上形成有和分布有多个容纳孔(430)以及多个刚性滚珠(420)，所述多个刚性滚珠(420)容纳在板状保持架(410)的容纳孔(430)中以能够自由地旋转，动涡旋滚动支承构件(400)布置在动涡旋单元(200)与主框架(300)之间；以及用于对动涡旋滚动支承构件(400)的滚动进行引导的装置。因此，减小动涡旋单元的外表面和主框架的前表面的磨损；降低了由流体压力导致的动涡旋单元的变形；通过延长使用寿命提高经济价值；不需要通过单独的处理来进行防腐蚀处理，否则通过单独的处理而进行的该防腐蚀处理会增加几何公差；并且通过使用具有低传热系数的不锈钢制造涡旋流体机械，可以提高热效率。

Description

具有动涡旋滚动支承构件的涡旋流体机械
技术领域
本发明涉及使用在制冷剂压缩机、空气压缩机、涡轮膨胀机等中的涡旋流体机械，并且更具体地，本发明涉及由动涡旋单元和动涡旋单元所附接至其的主框架构成的涡旋流体机械，并且该涡旋流体机械为动涡旋单元设置有滚动支承装置，该滚动支承装置具有板状保持架，并且该板状保持架具有由硬质材料制成的滚珠，并且该滚动支承装置以可滚动的方式布置在主框架的将动涡旋单元支承抵靠在静涡旋单元上的前表面与主框架的前表面之间，该滚动支承装置设计成减小滚动支承装置与动涡旋单元之间的摩擦阻力和滚动支承装置与主框架之间的摩擦阻力，由此减小动涡旋单元和与滚动支承装置接触的主框架的表面磨损，从而抑制由工作流体的压力所引起的动涡旋单元的变形，并延长涡旋流体机械的使用寿命以提供许多经济优势。
背景技术
如图1所示，常规的涡旋流体机械从流体的膨胀获得动力或借助于动力来压缩流体，所述常规的涡旋流体机械包括具有静涡卷部的静涡旋单元11和具有动涡卷部的动涡旋单元12，动涡卷部的形状与静涡旋单元11的静涡卷部的形状相对应并且以彼此相差180°的相位差与该静涡旋单元11接合地联接。因此，通过静涡旋单元11和动涡旋单元12形成具有月牙形横截面形状的多个密封空间，并且所述密封空间通过动涡旋单元的位置变化而扩大或收缩，由此使得容纳在密封空间中的工作流体被膨胀或压缩。此外，动涡旋单元12与具有十字滑环或偏心轴结构的旋转防止部件接合，并且因此，即使动涡旋单元12旋转，动涡旋单元12也能够维持与静涡旋单元11的联接状态。
因此，在压缩式涡旋流体机械中，动涡旋单元12沿顺时针方向旋转，并且通过形成在静涡旋单元的基板周缘上的入口引入的流体随着具有容纳有流体的月牙形横截面形状的密封空间收缩而被压缩并被排放。与此相反，在膨胀型涡旋流体机械中，动涡旋单元12沿逆时针方向旋转，并且通过形成在静涡旋单元11的替代物的中心处的入口引入的流体随着容纳有流体的具有月牙形横截面形状的密封空间扩大而变得膨胀并被排放到外面。
也就是说，在涡旋流体机械中，形成在静涡旋单元11的静涡卷部与动涡旋单元12的动涡卷部之间具有月牙形横截面形状的密封空间根据动涡旋单元12的旋转方向收缩或扩大，并且因此，涡旋流体机械被应用于空气压缩机或制冷剂压缩机和涡轮膨胀机。这种涡旋流体机械能够同时执行工作流体的引入或吸入的冲程、膨胀或压缩的冲程以及排放，因此，扭矩变化在动力传递轴旋转时相对较小，由此产生低噪声和低振动。此外，涡旋流体机械比往复式压缩机具有相对较简单的构型，由此需要少量的部件以提供许多经济优势并由此使得在结构方面体积较小和在重量方面较轻。
另一方面，如从表示其示例的图2可以看出，常规的涡旋流体机械具有如下构型：其中，动涡旋单元22绕与静涡旋单元21的中心偏心的中心点在静涡旋单元21的静涡卷部21a接合地联接至动涡旋单元22的动涡卷部22a的状态下旋转，由此使动涡卷部的位置和形成在静涡旋单元21与动涡旋单元22之间的具有月牙形横截面形状的空间的容积变化。当涡旋流体机械运行时，抵靠在静涡卷部21a的基板21c和动涡卷部22a的基板22c的中央部分上的工作流体的压力变高，而静涡卷部21a的基板21c和动涡卷部22a的基板22c的周缘上的工作流体的压力下降。另外，设置在动涡旋单元22的基板22c的周缘上的凸起22b中嵌入有轴承24，以对动力传递轴23进行保持。在这种结构中，凸起22b也随着动涡旋单元22旋转而进行旋转。在主框架25的前表面上提供有空间以使凸起22b可以在该空间中旋转，并且被支承抵靠在主框架25上的动涡旋单元22通过由外部驱动力旋转的动力传递轴23进行旋转，使得工作流体被压缩并随后作为高压力工作流体供应。此外，动涡旋单元22通过从外部引入的高压力工作流体进行绕动运动，并因而使动力传递轴23旋转，从而使得外部旋转装置被驱动并且使得已膨胀的工作流体被排放。这些结构在本领域中是已知的。
在常规的涡旋流体机械中，如图3a和图3b所示，由于静涡旋单元21和动涡旋单元22处于工作流体的压力下，则动涡旋单元22特别是基板22c被迫变形，从而使静涡旋单元21与动涡旋单元22之间的间隙和静涡卷部21a与动涡卷部22a之间的间隙变宽。由于工作流体通过涡旋流体机械的操作被压缩或膨胀，则如上所述变宽的间隙将导致工作流体的泄漏超过容许值，由此不期望地降低了涡旋流体机械的效率。
此外，与主框架25紧密接触的动涡旋单元22的基板22c的周缘将抵靠主框架25而摩擦地滑动，由此导致动涡旋单元22的基板22c的外表面的周缘和主框架25的相对的前表面的不期望的磨损。
为了解决上文提到的问题已经使用了各种减少磨损的方法，其中，将动涡旋单元22的基板22c的外表面和主框架25的前表面的形状改变，并且采用新材料用以制造动涡旋单元22和主框架25。
如图4a中所示的韩国专利申请公开No.10-2014-0104296(2014年8月28日)的涡旋膨胀机不具有用于减小动涡旋件41a与壳体42a之间的摩擦阻力的任何装置，而具有使用如图4b中所示的韩国专利No.10-1314525(2013年10月4日)的生物燃料的热源的涡旋膨胀机的发电系统使用润滑脂作为用于减小动涡旋件41b与主框架42b之间的摩擦阻力的装置。
在包括上述两个发明的常规的涡旋机械中，动涡旋件41a与壳体42a之间或动涡旋件41b与主框架42b之间布置有润滑油供应装置以减小动涡旋件41a与壳体42a之间或动涡旋件41b与主框架42b之间的摩擦阻力，但是在施加高压力工作流体的情况下使涡旋机械运行一段时间，润滑油可能不能根据需要很好地起作用，由此降低涡旋流体机械的效率。
与如图4a和图4b中所示的上述两种现有技术中其中动能由高压力流体产生的涡旋膨胀机不同，用于借助于电力压缩空气的涡旋压缩机涡旋公开在韩国专利No.10-0202624(1999年6月15日)中，该涡旋压缩机具有如下构型：其中，如图5a中所示，与静涡旋件(未示出)相对应的动涡旋件51安置在上框架52上并且配装至上框架52的通孔52a的曲轴53联接至动涡旋件51的压缩机凸起51a，使得通过穿过曲轴53的油路53a所引入的油可以流过凸起空间部S和油引导部分52b，以减小上框架52与相对于上框架52绕动运动的动涡旋件之间的摩擦。
此外，如图5b中所示的公开在韩国专利No.10-0296696(2001年10月24日)中的涡旋压缩机的另一示例被构造成具有：安置在壳体25上的具有基板21a和静涡卷部21b的静涡旋件21以及具有基板22a和动涡卷部22b的动涡旋件22；曲轴29，该曲轴29借助于连接至动涡旋件22下端部分的轴承28与驱动轴接合，其中，当动涡旋件22在曲轴29旋转时一起旋转时，通过吸入孔23所吸入的流体被压缩并通过排放口24排放，并且所述流体包括另外的包含锡化合物的膜，所述锡化合物的膜是不容易剥离的并且形成在动涡卷部22b与静涡卷部21b之间的滑动表面上以降低两个相对的涡卷部之间的摩擦阻力并提高涡旋压缩机的效率。
如上文所描述的涡旋压缩机的润滑油或锡化合物的膜可以减小如图5a中所示的上框架52与动涡旋件51之间的滑动表面上的摩擦阻力或者减小如图5b中所示的静涡旋件21与动涡旋件22之间的摩擦阻力，但是由于工作流体的压力非常高，因此在防止涡旋压缩机的滑动表面的磨损方面和动涡旋件51或22的变形方面存在限制。
特别地，被操作成用于产生动力的膨胀气体的涡旋膨胀机应当保持比涡旋压缩机操作更长的时间段，从而导致如图4a中所示的壳体42a与动涡旋件41a之间和如图4b所示的主框架42b与动涡旋件41b之间的滑动表面的磨损增加。
此外，涡旋单元通常由具有良好机械加工性的铝制成，并且在压缩型涡旋流体机械的情况下，铝在工作流体的多变压缩的过程中的高的热扩散有助于增强压缩工作流体的效率。相反地，在膨胀型涡旋流体机械的情况下，铝材料存在问题，例如，由于铝的高热扩散导致的在工作流体的多变压缩的过程中的热损失的增加产生了不利影响并且降低了工作流体的膨胀效率，并且在不影响铝的精确精度的情况下难以进行用于赋予耐腐蚀性的铝的二次加工。
发明内容
本发明是鉴于现有技术存在的上述问题而作出的，并且本发明的目的是提供一种涡旋流体机械，该涡旋流体机械包括具有其涡卷部的静涡旋单元、具有其涡卷部的动涡卷部以及主框架，其中，动涡旋单元的变形将由工作流体的压力的不平衡分布引起，即，可以防止施加在动涡旋单元的中央部分上的高压力和施加在在动涡旋单元的外周缘上的低压力，并且因而可以防止静涡旋单元与动涡旋单元的两个相对的涡旋部的接触部分之间、绕动涡旋单元的涡卷部的边缘和静涡旋单元的底部之间以及静涡旋单元的涡卷部的边缘和动涡旋单元的底部之间的微小间隙被加宽或增大，因此，防止了工作流体通过如上所述的微小间隙的泄漏增加。这个目的可以通过采用布置在主框架与动涡旋单元之间的用于动涡旋单元的滚动支承装置来实现。用于动涡旋单元的滚动支承装置还用于减小主框架与动涡旋单元之间的摩擦，由此延长涡旋流体机械的使用寿命，从而提高了涡旋流体机械的效率，该涡旋流体机械具有附带有这种改进的许多经济优势。
本发明的另一个目的是提供一种膨胀型涡旋流体机械，通过该膨胀型涡旋流体机械，通过由不锈钢比如SUS 303F、SUS 430F等制造比如该膨胀型涡旋流体机械的静涡旋单元、动涡旋单元和主框架的这些部件可以避在提高工作效率的情况下的一些问题：比如该膨胀型涡旋流体机械的静涡旋单元、动涡旋单元和主框架的几何公差的增加以及在工作流体的多变膨胀过程中的热损失。
【技术解决方案】
为实现上文所描述的目的而创建的本发明提供了一种涡旋流体机械，该涡旋流体机械包括：静涡旋单元，该静涡旋单元具有用于工作流体的入口端口和出口端口以及静涡卷部，该静涡卷部形成在该静涡旋单元的基板的一个表面上；动涡旋单元，该动涡旋单元具有形成在其基板的一个表面的中央部分上的动涡卷部，该动涡卷部的形状与静涡卷部的形状相对应以相对于静涡卷部180°的相位差与静涡卷部相面对地接合，并且该动涡旋单元具有三个突出翼部，所述突出翼部具有其中具有轴承的相应的轴承壳体即两个相对的轴承壳体和中间轴承壳体；主框架，该主框架的前表面联接至动涡旋单元的基板的另一个或外表面，并且该主框架具有布置成与动涡旋单元的三个轴承相对应的两个相对的轴承和一个中间轴承；动力传递轴，该动力传递轴具有以可旋转的方式联接至动涡旋单元的中间轴承的偏心销端部和以可旋转的方式联接至主框架的中间轴承的本体；以及两个防旋转轴，所述两个防旋转轴具有以可旋转的方式联接至动涡旋单元的两个相对轴承中的一个轴承的偏心销端部和以可旋转的方式联接至主框架的两个相对轴承中的一个轴承的本体；该漩涡式流体机械还包括：用于动涡旋单元的滚动支承装置，该滚动支承装置具有板状保持架，该保持架上分布地形成有多个容纳孔和由硬质材料构成的多个滚珠，该滚珠能够滚动地容纳在该板状保持架的容纳孔中，并且该滚动支承装置布置在动涡旋单元与主框架之间；以及用于引导或导引滚珠在布置于动涡旋单元与主框架之间的滚动支承装置中进行滚动的引导装置。
根据本发明的一方面，涡旋流体机械可以是膨胀型涡旋流体机械，该膨胀型涡旋流体机械的静涡旋单元、动涡旋单元和主框架由适于铸造上述部件的不锈钢比如SUS303F、SUS 430F等制成并具有低传热系数，但不要求耐腐蚀处理，这可能引起已处理的材料的几何公差的增加。
根据本发明的另一方面，该涡旋流体机械还可以包括布置在滚动支承装置与动涡旋单元之间和滚动支承装置与主框架之间的一对圆形镜面空转板。
根据本发明的另一方面，该涡旋流体机械可以进一步包括多个拉伸弹簧，所述拉伸弹簧的两个端部固定至动涡旋单元的基板的外周侧和主框架的前表面，从而将动涡旋单元和主框架紧密地固定在一起。
根据本发明的又一方面，每个拉伸弹簧的两个端部分别被固定至弹簧钩支架和固定至弹簧钩螺栓，其中，该弹簧钩支架形成在动涡旋单元的基板的外周侧上，该弹簧钩螺栓紧固至形成在主框架的面对滚动支承装置的前表面上的螺栓孔。
根据本发明的又一方面，用于引导或导引滚动支承装置的滚珠的滚动的装置(以下称为“滚动引导装置”)可以包括：四个引导部，所述四个引导部具有引导凹槽，所述引导凹槽沿着板状保持架的外圆周形成为具有在板状保持架的直径方向上相对于相邻引导部成直角；四个引导突出部，所述四个引导突出部沿着动涡旋单元的外圆周形成并且具有通孔，所述通孔分别形成在与引导凹槽垂直的方向上与引导凹槽相对应的位置处，引导突出部插入到四个引导部的引导凹槽中以从板状保持架的中央朝向板状保持架的外圆周进行往复运动；四根杆，所述四根杆插入到四个引导突出部的通孔中；以及八个支承件，所述八个支承件布置在主框架的前表面上以对四根杆中的每根杆的两个端部进行支承。
根据本发明的又一方面，在作为十字滚动引导装置的上述滚动引导装置中，沿着板状保持架的外圆周形成的四个引导突出部中的每个引导突出部均可以布置成：使两个螺旋弹簧配装至杆的外表面以使杆的两个端部与引导突出部和支承件的任一侧相遇并相接触，从而形成引导突出部和弹簧的相交部。
根据本发明的又一方面，滚动引导装置可以是偏心轴型引导装置，该引导装置包括从板状保持架的外圆周突出的两个引导部并且具有轴承壳体以及两个引导轴，其中，轴承壳体中布置有轴承，并且两个引导轴形成在本体与防旋转轴的偏心销之间并联接至两个引导部的轴承壳体的轴承，从而使滚动支承装置绕动运动，而滚动支承装置的旋转被防旋转轴阻止。
根据本发明的又一方面，滚动支承装置的板状保持架可以包括彼此固定地附接的两个薄板，两个薄板中的每个薄板设置有多个单独容纳孔，所述多个单独容纳孔通过由冲压加工或注塑成型来形成的彼此面对的成对的弧状滚珠脚轮壳体半部形成。此外，滚动支承装置的板状保持架可以具有一对彼此固定地附接的两个厚板以提供多个单独容纳孔，所述多个单独容纳孔由通过其切割操作形成的成对的弧状滚珠脚轮壳体半部形成。替代性地，滚动支承装置的板状保持架可以包括一个单个板，该单个板设置有多个单独容纳孔并具有沿相反方向向外和向下延伸的相反的成对叉形件。另外，滚动支承装置的板状保持架可以被构造成包括一个单个板，其中，该单个板设置有多个开口和多对保持帽，所述多个开口形成有彼此面对的弧形凹部；并且所述多对保持帽以可滚动的方式对位于所述多对保持帽之间的陶瓷滚珠进行保持，并且所述多对保持帽中的每个保持帽插入并固定在相应的开口中。
根据本发明的又一方面，滚动支承装置的板状保持架保持架可以在板状保持架的中央部分中具有非接触部分，其中，不具有任何容纳孔或在其上形成有圆形或多边形的穿孔，使得该部分不与主框架和动涡旋单元相接触。
【发明效果】
本发明可以提供一种涡旋流体机械，其中，通过该涡旋流体机械，可以防止由工作流体的压力的不平衡分布即施加在动涡旋单元的中央部分上的压力较高和施加在其外周上的压力较低而引起的动涡旋单元的变形，并且可以防止静涡旋单元和动涡旋单元的两个相对的涡卷部的接触部分之间、动涡旋单元的涡卷部的边缘与静涡旋单元的基板的底部之间、以及静涡旋单元的涡卷部的边缘与动涡旋单元的基板的底部之间的微小间隙的可能增长和增大，由此减小主框架与动涡旋单元之间的摩擦，抑制了工作流体通过间隙泄漏的可能增加，提高涡旋流体机械的效率，并且延长了涡旋流体机械的使用寿命而具有许多经济优势。
本发明还可以提供更高效的膨胀型涡旋流体机械，该膨胀型涡旋流体机械具有由不锈钢比如SUS 303F、SUS 430F等制成的其静涡旋单元、动涡旋单元和主框架，解决了由铝制成的常规的旋式流体机械的问题例如难以对由铝制成的涡旋单元和主框架的精度要求进行维持和控制、由铝制成的涡旋单元和主框架应该经受作为其二次加工的耐腐蚀处理以及在工作流体与铝材料接触的多变膨胀过程中的热损失。
附图说明
图1为示出了典型的涡旋流体机械的操作原理的示意图。
图2为示出了常规的涡旋流体机械的截面图。
图3a和图3b为示出了将流体压力施加至图2的涡旋流体机械的静涡旋单元和动涡旋单元下的状态和动涡旋单元由于流体压力的不平衡施加的变形状态。
图4a和图4b为示出了常规的涡旋膨胀机的截面图。
图5a和图5b为示出了常规的涡旋压缩机的截面图。
图6为示出了根据本发明的实施方式的具有用于动涡旋单元的滚动支承装置的膨胀型涡旋流体机械的分解立体图。
图7为示出了图6的膨胀型涡旋流体机械的主要部分的截面图。
图8为示出了用于将图6的膨胀型涡旋流体机械的动涡旋单元和主框架紧紧固定的拉伸弹簧的局部放大立体图。
图9和图10分别示出了十字型滚动引导装置的侧视图和用于引导图6的滚动支承装置的滚珠滚动的偏心轴型滚动引导装置的分解立体图。
图11和图12示出了图6的膨胀型涡旋流体机械的两个十字滑环型滚动支承装置的分解立体图。
图13和图14为图6的膨胀型涡旋流体机械的滚动支承装置的两个变型的截面图。
图15和图16为示出了图6的膨胀型涡旋流体机械的滚动支承装置的另一些变型的截面图。
图17至图20为示出了根据本发明的膨胀型涡旋流体机械的操作步骤的侧视图。
具体实施方式
以下，参照附图对包括根据本发明的滚动支承装置的涡旋流体机械进行详细地描述。
图6为示出了根据本发明实施方式的具有用于动涡旋单元的滚动支承装置的膨胀型涡旋流体机械的分解立体图，图7为示出了图6的膨胀型涡旋流体机械的主要部件的截面图，并且图8为用于将图6的膨胀型涡旋流体机械的动涡旋单元和主框架紧紧固定的拉伸弹簧的局部放大立体图。
如图6至图8所示，根据本发明实施方式的膨胀型涡旋流体机械包括：静涡旋单元100，该静涡旋单元100具有形成在基板110的一个表面上的静涡卷部120；动涡旋单元200，该动涡旋单元200具有动涡卷部220，该动涡卷部220的形状与静涡卷部120的形状相对应，以相对于静涡卷部120以180°的相位差与静涡卷部120接合从而形成月牙形横截面形状的空间；主框架300；动力传递轴310；一对防旋转轴320、330；以及用于动涡旋单元的滚动支承装置400，其中，这些部件除了滚动支承装置400以外在现有技术中是已知的。
静涡旋单元100具有入口端口111和出口端口112以及静涡卷部120，其中，入口端口111和出口端口112用于使高压力工作流体穿过其引入和排放，并且静涡卷部120形成在静涡旋单元100的基板的一个表面上以形成用于容纳动涡旋单元200的动涡卷部220的内部空间。引入高压力工作流体的入口端口111形成在静涡旋单元100的基板110的中央部分上以与外部流体供应源流体连通，并且排放经膨胀的工作流体的出口端口112形成在静涡旋单元100的基板110的外周缘上以与外部流体连通。
动涡旋单元200具有动涡卷部220以及三个突出翼部，动涡卷部220形成在动涡旋单元200的基板210的一个表面的中央部分上，以便相对于静涡卷部120以180°的相位差与静涡卷部120面对地接合，并且其中，三个突出翼部即为两个相反的轴承壳体220b和220c以及中间轴承壳体220a，其中，相应的轴承221b、221c和221a保持在相应的轴承壳体220b、220c和220a中，使得由通过静涡旋单元100的入口端口111引入的高压力工作流体的压力使动涡旋单元200被迫与动力传递轴310一起绕动运动，从而使工作流体被膨胀并被排放。
突出翼部220a、220b和220c设置在具有动涡卷部220的动涡旋单元200的基板210的外圆周上并且布置成允许两个相反的突出翼部220b和220c和中间突出翼部220a相对于旋转中心彼此成直角。
主框架300在其前表面上在与动涡旋单元200的三个轴承221a、221b和221c相对应的位置处设置有三个轴承312、322和332，以对位于其中的动力传递轴310的本体313以及两个防旋转轴320和330的相应本体323和333进行保持，使得动力传递轴310的本体313以可旋转的方式配装至轴承312，而两个防旋转轴320和330的本体323和333以可旋转的方式联接至两个轴承322和332，其中，动力传递轴310的本体313在其前端部形成有偏心销311以便以可旋转的方式固定至动涡旋单元200的轴承221a，并且两个防旋转轴320和330的本体323和333在其前端部形成有偏心销321和331以便以可旋转的方式固定至动涡旋单元200的轴承221b和221c。
在上述三个偏心销311、321和331与动力传递轴310以及两个防旋转轴320和330的本体313、323和333一体地形成的结构中，由通过入口端口111引入的工作流体的压力引起的矢量力被施加至动涡卷部220，并且矢量力的总和经由图形中心以力F kgf被施加至动涡旋单元200的偏心中心。因此，动涡旋单元200相对于动力传递轴310和防旋转轴320和330的本体313、323和333的中心进行绕动运动，由此使动力传递轴310在通过绕动运动所产生的旋转扭矩T＝R cm×F kgf(其中，R cm＝每个偏心销的偏心度)下进行旋转以驱动外部旋转装置(发电机等)，同时偏心销320和330被两个防旋转轴320和330阻止以避免正在绕动运动的动涡卷部220与静涡卷部120之间的碰撞。
用于动涡旋单元200的滚动支承装置400包括板状保持架410，该板状保持架410由铝制成并且具有多个容纳孔430以及多个陶瓷滚珠420，其中，所述多个容纳孔430彼此间隔开的，并且所述多个陶瓷滚珠420与多个容纳孔430相对应并以可滚动的方式容纳在板状保持架410的容纳孔430中。滚动支承装置400布置在动涡旋单元200的基板210的外表面与主框架300的前表面之间。所述多个滚动陶瓷滚珠420始终与动涡旋单元200的基板210的外表面和主框架300的前表面紧密接触，使得动涡旋单元200进行绕动运动，从而使基板210的外表面被支承抵靠在以可滚动的方式容纳在板状保持架420中的多个滚动陶瓷滚珠420上，并且因此，借助于设置有陶瓷滚珠420的滚动支承装置400的滚动支承作用几乎不会在动涡旋单元200的基板210的外表面与主框架300的前表面之间产生摩擦阻力。此外，当工作流体的压力被施加至动涡旋单元200时，所述多个陶瓷滚珠420根据所述多个陶瓷滚珠420在板状保持架410上的位置以工作流体的不同程度的压力对动涡旋单元200的基板210的抵靠在主框架300上的外表面提供多点支承，由此防止动涡旋单元200的基板210由于工作流体的高压力而变形。
滚动支承装置400借助于螺栓510被紧固至多个紧固孔160和360，其中，紧固孔160和紧固孔360在静涡旋单元100和主框架300彼此联接的方向上分别沿着静涡旋单元100的基板110的外周表面和沿着主框架300的前表面的外周缘线性地形成，并且静涡旋单元100和主框架300彼此联接，以这种方式使得允许静涡旋单元100的基板110的外周表面与主框架300的前表面的周缘进行接触。
本发明的上述实施方式还包括一对镜表面圆形空转板270和370，所述一对镜表面圆形空转板270和370由具有对陶瓷滚珠420的滚动高度耐磨的钢或碳化钨制成，并且所述一对镜表面圆形空转板270和370布置在滚动支承装置400的一个表面与动涡旋单元200的基板210的外表面之间和布置在滚动支承装置400的另一表面与主框架300的前表面之间并且被固定至动涡旋单元200的基板210的外表面和被固定至主框架300的前表面，由此使可能由与滚动支承装置40的表面摩擦引起的动涡旋单元200的基板210的外表面和主框架300的前表面的磨损减小。
在本发明的上述实施方式中，动涡旋单元200借助于多个拉伸弹簧500被迫与主框架300紧密接触并被弹性地支承抵靠在主框架300上，所述多个拉伸弹簧500布置成使得每个弹簧500的两个端部被固定至动涡旋单元200的基板210的外表面和主框架300的前表面。因此，即使用于使动涡旋单元200绕动运动的高压力工作流体被施加于静涡卷部120与动涡卷部220之间的空间中，也能维持动涡旋单元200的基板210的外表面与主框架300的前表面紧地密接触，由此减小了由滚动支承装置400的振动引起的噪声并且使涡旋流体机械以低噪声执行安静且平稳的操作。
每个拉伸弹簧500的两个端部被固定至弹簧钩支架250和固定至弹簧钩螺栓350，其中，弹簧钩支架250形成在动涡旋单元200的基板210的外表面上，并且弹簧钩螺栓350紧固至主框架300的面对滚动支承装置400的前表面上的螺栓孔。
在涡旋流体机械是压缩型的情况下，根据本发明的涡旋流体机械可以由典型的材料如铝制成，但是在根据本发明的膨胀型涡旋流体机械的情况下，膨胀型涡旋流体机械的静涡旋单元100、动涡旋单元200和主框架300优选地由适于铸造这些部件的不锈钢比如SUS303F、SUS 430F等制成，由此能够抑制在工作流体的多变膨胀中的热损失以及减小在执行膨胀型涡旋流体机械的二次耐腐蚀处理的过程中在运输过程中以及处理和管理铝材料的表面精确精度降低程度过程中所发生的成本。
根据本发明的涡旋流体机械还包括十字滚动引导装置，所述十字滚动引导装置用于对滚动支承装置400的滚珠的滚动进行引导，并且如图6和图9中所示，所述十字滚动引导装置包括：四个引导部411，所述四个引导部411沿着板状保持架410的外圆周形成并且具有在板状保持架410的直径方向上形成的引导凹槽411a；四个引导突出部251，所述四个引导突出部251沿着动涡旋单元200的外圆周形成以插入到四个引导部411的引导凹槽411a中，以这种方式使四个引导突出部251从板状保持架410的中央朝向板状保持架410的外圆周进行往复运动，并且所述四个引导突出部251具有通孔251a，所述通孔251a形成在与引导凹槽411a垂直的方向上与引导凹槽相对应的位置处；四根杆252，所述四根杆252插入到引导突出部251的通孔251a中；以及八个支承件253，所述八个支承件253布置在主框架300的前表面上以对杆252的两个端部进行支承，由此十字滚动引导装置可以提供滚动支承装置400在动涡旋单元200和主框架300上的稳定滚动。
四个引导部411沿着板状保持架410的外圆周布置，从而通过将连接相反的引导部的两条直线形成十字以形成十字机构，其中，当动涡旋单元200绕动运动时，动涡旋单元200的圆周运动被分成在X轴方向和在Y轴方向上的运动，由此引起滚动支承装置400的稳定的滚动和绕动运动。此外，每个杆252的外周表面都装配有两个螺旋弹簧254，以使螺旋弹簧254的两个端部与引导突出部251和支承件253相接触，从而在恢复力下提供引导突出部251与滚动支承装置400一起移动以返回到其原始位置。
此外，引导部411可以被制成为单独的部件并借助于接头或焊接被固定至板状保持架410，而不是形成为板状保持架410的整体部分。因此，可以根据板状保持架410的厚度或材料适当地选择用于在板状保持架410上形成引导部411的方法。
另一方面，用于对滚动支承装置400的滚动进行引导的滚动引导装置可以是偏心轴型，如图10所示，该滚动引导装置包括：两个引导部411，所述两个引导部411从板状保持架410的外圆周突出以彼此面对并且具有相应的轴承411c；以及引导轴321a和331a，其中，引导轴321a形成在防旋转轴320的偏心销321与本体323之间而具有偏心销321与本体323之间的中间尺寸，并且引导轴331a形成在防旋转轴330的偏心销331与本体333之间而具有偏心销331与本体333之间的中间尺寸，从而使偏心轴型滚动引导装置可以对滚动支承装置400的滚动进行引导。
如图11和图13中所示，根据本发明上述实施方式的涡旋流体机械的滚动支承装置400被构造成包括两个薄板，所述两个薄板彼此固定地附接以形成板状保持架410。两个薄板具有多个单独圆形容纳孔430，所述多个单独圆形容纳孔430通过彼此面对成对的弧形滚珠脚轮壳体半部431形成，使得多个单独圆形容纳孔430可以彼此间隔开，其中，弧形滚珠脚轮壳体半部431通过冲压加工或注塑成型形成。
图12和图14示出了滚动支承装置400的另一示例，其中，该滚动支承装置400包括彼此附接以形成板状保持架410的两个厚板。通过切割两个厚板形成彼此面对的成对的半圆顶半部432来形成容纳孔430。此外，图15示出了滚动支承装置400的又一示例，其中，该滚动支承装置400包括板状保持架410，该板状保持架410被构造成包括多个单独容纳孔430，该多个单独容纳孔430用于将陶瓷滚珠420接纳在其中并具有相对的成对的叉形件433，该成对的叉形件433通过切割保持架的板形成为沿相反的方向向外和向下延伸。
图16示出了包括板状保持架410的滚动支承装置400的替代性示例，该板状保持架410包括一个单个板，该单个板设置有多个开口434和多对保持帽435，所述多个开口434形成有彼此面对的弧形凹部，并且所述多对保持帽435以可滚动的方式对位于所述多对保持帽435之间的陶瓷滚珠420进行保持，其中，所述多对保持帽435中的每个保持帽被插入并被固定在相应的孔中。换句话说，上述开口和固定在开口上的一对保持帽形成容纳孔430。
与图6、图11和图12的示例不同，如图13至图16中所示的滚动支承装置400的板状保持架410可以在其中央区域具有非接触部分440，该非接触部分440上形成有穿孔但不形成有任何容纳孔430，使得该部分可以不与主框架300和动涡旋单元200接触，从而防止由可能位于板状保持架410的中央部分的陶瓷滚珠的过度热膨胀导致的损坏，陶瓷滚珠的过度热膨胀可能是由高温度和高压力工作流体导致的。
图17至图20为示出了根据本发明的膨胀型涡旋流体机械的操作状态的侧视图。
如图17至图20中所示，当涡旋单元200、动力传递轴310和防旋转轴320和330的三个偏心轴311、321和331沿逆时针方向旋转0°、90°、180°和270°时，滚动支承装置400的各个位置和滚动支承装置400的引导部411与动涡旋单元200的引导突出部251之间的联接状态被改变，从而允许根据本发明的具有滚动支承装置400的膨胀型涡旋流体机械被平缓地且平稳地操作，并且此外，滚动支承构件400执行其自身的功能并且实现其操作效果。
尽管已经参照特定的说明性实施方式描述了本发明，但是本发明不被实施方式限制，而仅被所附权利要求书限制。应当理解的是，本领域中的技术人员可以在不脱离本发明的范围和精神的情况下改变或修改实施方式。除铝之外，例如，滚动支承构件的板状保持架可以由金属材料比如不锈钢、塑料材料、陶瓷等制成，并且还可以采用由硬材料制成的各种滚珠来替代陶瓷滚珠。也就是说，可以使用任何种类的典型用于承载的滚珠，而不具有任何限制。
尽管本发明已经针对膨胀型涡旋流体机械的实施方式进行描述，但是本发明的上述描述适用于压缩型涡旋流体机械，不同之处在于，静涡旋单元100的入口端口111和出口端口112分别变为出口端口和入口端口，并且动力传递轴变成由外部旋转力驱动的驱动轴。因此，根据本发明的涡旋流体机械可以应用于使用压缩的工作流体的制冷机。
已经出于说明的目的呈现了本发明的实施方式的以上描述；这并非旨在是穷举的或将本发明限制于所公开的实施方式或示例。相关领域中的技术人员可以理解的是，在本发明的范围内根据上述教导的许多修改和变型是可能的。特别地，这意味着包括具有板状保持架和由硬质材料制成的滚珠(包括其替代物和等同物)的滚动支承装置的涡旋流体机械在本发明的范围内。因此，可以理解的是，本发明的范围不被详细描述限制，而被所附权利要求限制。

Claims (29)

1.一种涡旋流体机械，所述涡旋流体机械具有用于动涡旋单元的滚动支承装置，所述涡旋流体机械包括：
静涡旋单元(100)，所述静涡旋单元(100)具有用于工作流体的入口端口(111)和出口端口(112)以及静涡卷部(120)，所述静涡卷部(120)形成在所述静涡旋单元(100)的基板的一个表面上；
动涡旋单元(200)，所述动涡旋单元(200)包括动涡卷部(210)以及三个突出翼部(220a、220b、220c)，所述动涡卷部(210)形成在所述动涡旋单元(200)的基板的一个表面的中央部分上，所述动涡卷部(210)相对于所述静涡卷部(120)以180°的相位差与所述静涡卷部(120)面对地接合，所述三个突出翼部(220a、220b、220c)中的第一突出翼部(220b)具有在其中具有第一轴承(221b)的第一轴承壳体，所述三个突出翼部(220a、220b、220c)中的第二突出翼部(220c)具有在其中具有第二轴承(221c)的第二轴承壳体，所述三个突出翼部(220a、220b、220c)中的第三突出翼部(220a)具有在其中具有第三轴承(221a)的中间的第三轴承壳体，所述第一轴承壳体与所述第二轴承壳体相反；
主框架(300)，所述主框架(300)具有布置成与所述动涡旋单元(200)的三个轴承(221b、221c、221a)相对应的第四轴承(322)、第五轴承(332)和一个中间的第六轴承(312)，其中，所述第四轴承(322)与所述第五轴承(332)相反，所述主框架的前表面联接至所述动涡旋单元(200)的所述基板的另一表面；
动力传递轴(310)，所述动力传递轴(310)具有前端部的偏心销(311)和本体(313)，所述偏心销(311)以可旋转的方式联接至所述动涡旋单元(200)的中间的所述第三轴承(221a)，并且所述本体(313)以可旋转的方式联接至所述主框架(300)的中间的所述第六轴承(312)；以及
两个防旋转轴(320、330)，所述两个防旋转轴(320、330)各自具有前端部的偏心销(321、331)和本体(323、333)，所述两个防旋转轴(320、330)的所述偏心销(321、331)以可旋转的方式联接至所述动涡旋单元(200)的第一轴承(221b)和第二轴承(221c)中的一者，并且所述防旋转轴的本体(323、333)以可旋转的方式联接至所述主框架(300)的第四轴承(322)和第五轴承(332)中的一者，其中，所述第一轴承(221b)和所述第二轴承(221c)相反；
所述涡旋流体机械还包括：
用于所述动涡旋单元(200)的滚动支承装置(400)，所述滚动支承装置(400)包括板状保持架(410)，所述板状保持架(410)具有多个容纳孔(430)和多个滚珠(420)，多个所述容纳孔(430)分布地形成在板状保持架(410)上，并且多个所述滚珠(420)由硬质材料制成并以可滚动的方式容纳在所述板状保持架(410)的所述容纳孔(430)中，以及
引导装置，所述引导装置用于对布置在所述动涡旋单元(200)与所述主框架(300)之间的所述滚动支承装置(400)的所述滚珠的滚动进行引导。
2.根据权利要求1所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述滚动支承装置(400)的所述板状保持架(410)包括彼此固定地附接的两个板，成对的弧形滚珠脚轮壳体半部(431)通过对所述板的每个板进行冲压加工或注射成型形成为彼此面对，并且两个附接的所述板设置有多个容纳孔(430)，所述多个容纳孔(430)由对准且相对的成对的弧形滚珠脚轮壳体半部(431)形成。
3.根据权利要求1所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述滚动支承装置(400)的所述板状保持架(410)包括彼此固定地附接的两个板，成对的半圆顶半部(432)通过对所述板的每个板进行切割处理形成为彼此面对，并且两个附接的所述板设置有多个容纳孔(430)，所述多个容纳孔(430)由对准且相对的成对的半圆顶半部(432)形成。
4.根据权利要求1所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述滚动支承装置(400)的所述板状保持架(410)包括板，所述板设置有具有相对的成对的叉形件(433)的多个单独容纳孔(430)，所述成对的叉形件(433)通过切割并弯曲所述板形成为沿相反的方向向外和向下延伸。
5.根据权利要求1所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述滚动支承装置(400)的所述板状保持架(410)包括板，所述板设置有由多个开口(434)和多对保持帽(435)形成的多个单独容纳孔(430)，多个所述开口(434)具有彼此面对的弧形凹部，并且所述多对保持帽(435)配装至所述开口(434)的所述凹部。
6.根据权利要求1所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述滚动支承装置(400)的所述板状保持架(410)的中央部分具有非接触部分(440)，所述非接触部分(440)上未形成有容纳孔或所述非接触部分(440)上形成有穿孔。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
用于对所述滚动支承装置(400)的所述滚珠的滚动进行引导的所述引导装置包括：四个引导部(411)，所述四个引导部(411)各自具有引导凹槽(411a)，所述引导凹槽(411a)沿着所述板状保持架(410)的外圆周在所述板状保持架(410)的直径方向上形成；四个引导突出部(251)，所述四个引导突出部(251)沿着所述动涡旋单元(200)的外圆周形成，并且所述四个引导突出部(251)各自具有通孔(251a)，所述通孔(251a)分别形成在与所述引导凹槽(411a)相对应的位置处并且与所对应的引导凹槽(411a)垂直，所述引导突出部插入到所述四个引导部(411)的所述引导凹槽(411a)中以从所述板状保持架(410)的中央朝向所述板状保持架(410)的外圆周进行往复运动；四根杆(252)，所述四根杆(252)各自插入到所述引导突出部(251)的所述通孔(251a)中；以及八个支承件(253)，所述八个支承件(253)布置在所述主框架(300)的所述前表面上以对所述四个杆(252)中的每个杆的两个端部进行支承。
8.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述四个引导部(411)布置成朝向所述板状保持架(410)的中央彼此成直角，从而将连接相反的所述引导部的两条直线形成十字。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
用于对所述滚动支承装置(400)的所述滚珠的滚动进行引导的所述引导装置包括：两个相反的引导部(411)，所述两个相反的引导部(411)从所述板状保持架(410)的外圆周突出并且在所述引导部(411)中具有第七轴承(411c)；引导轴(321a、331a)，所述引导轴(321a、331a)形成在防旋转轴(320、330)的偏心销(321、331)与本体(323、333)之间，所述防旋转轴(320、330)被轴向地配装至所述引导部(411)的所述第七轴承(411c)。
10.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述动涡旋单元(200)的所述第一轴承(221b)和第二轴承(221c)被布置成相对于将所述动涡旋单元的绕动中心与所述第三轴承(221a)的中心连接的直线成直角。
11.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述动涡旋单元(200)的所述第一轴承(221b)和第二轴承(221c)被布置成相对于将所述动涡旋单元的绕动中心与所述第三轴承(221a)的中心连接的直线成直角。
12.根据权利要求9所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述动涡旋单元(200)的所述第一轴承(221b)和第二轴承(221c)被布置成相对于将所述动涡旋单元的绕动中心与所述第三轴承(221a)的中心连接的直线成直角。
13.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械是膨胀型涡旋流体机械，其中，所述膨胀型涡旋流体机械的所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)由适于铸造所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)的不锈钢制成。
14.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械是膨胀型涡旋流体机械，其中，所述膨胀型涡旋流体机械的所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)由适于铸造所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)的不锈钢制成。
15.根据权利要求9所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械是膨胀型涡旋流体机械，其中，所述膨胀型涡旋流体机械的所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)由适于铸造所述静涡旋单元(100)、所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)的不锈钢制成。
16.根据权利要求1至6中任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括布置在所述滚动支承装置(400)与所述动涡旋单元(200)之间的一个圆形镜面空转板(270)和布置在所述滚动支承装置(400)与所述主框架(300)之间的一个圆形镜面空转板(370)。
17.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括布置在所述滚动支承装置(400)与所述动涡旋单元(200)之间的一个圆形镜面空转板(270)和布置在所述滚动支承装置(400)与所述主框架(300)之间的一个圆形镜面空转板(370)。
18.根据权利要求9所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括布置在所述滚动支承装置(400)与所述动涡旋单元(200)之间的一个圆形镜面空转板(270)和所述滚动支承装置(400)与所述主框架(300)之间的一个圆形镜面空转板(370)。
19.根据权利要求1至6中的任一项所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括多个拉伸弹簧(500)，其中，所述拉伸弹簧(500)的两个端部分别固定至所述主框架(300)和所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周，从而将所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)紧紧地彼此固定。
20.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括多个拉伸弹簧(500)，其中，所述拉伸弹簧(500)的两个端部分别固定至所述主框架(300)和所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周，从而将所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)紧紧地彼此固定。
21.根据权利要求9所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述涡旋流体机械还包括多个拉伸弹簧(500)，其中，所述拉伸弹簧(500)的两个端部分别固定至所述主框架(300)和所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周，从而将所述动涡旋单元(200)和所述主框架(300)紧紧地彼此固定。
22.根据权利要求19所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述拉伸弹簧(500)的每个拉伸弹簧的两个端部分别被固定至弹簧钩支架(250)和弹簧钩螺栓(350)，其中，所述弹簧钩支架(250)形成在所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周上，并且所述弹簧钩螺栓(350)紧固至形成在所述主框架(30)上的且面对所述滚动支承装置(400)的螺栓孔。
23.根据权利要求20所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述拉伸弹簧(500)的每个拉伸弹簧的两个端部分别被固定至弹簧钩支架(250)和弹簧钩螺栓(350)，其中，所述弹簧钩支架(250)形成在所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周上，并且所述弹簧钩螺栓(350)紧固至形成在所述主框架(30)上的且面对所述滚动支承装置(400)的螺栓孔。
24.根据权利要求21所述的涡旋流体机械，其特征在于：
所述拉伸弹簧(500)的每个拉伸弹簧的两个端部分别被固定至弹簧钩支架(250)和弹簧钩螺栓(350)，其中，所述弹簧钩支架(250)形成在所述动涡旋单元(200)的所述基板的外圆周上，并且所述弹簧钩螺栓(350)紧固至形成在所述主框架(30)上的且面对所述滚动支承装置(400)的螺栓孔。
25.根据权利要求7所述的涡旋流体机械，其特征在于：
两个螺旋弹簧(254)被配装至每个杆(252)的外表面，以使所述杆(252)的两个端部分别与所述引导突出部(251)和所述支承件(253)相接触。
26.根据权利要求8所述的涡旋流体机械，其特征在于：
两个螺旋弹簧(254)被配装至每个杆(252)的外表面，以使所述杆(252)的两个端部分别与所述引导突出部(251)和所述支承件(253)相接触。
27.根据权利要求11所述的涡旋流体机械，其特征在于：
两个螺旋弹簧(254)被配装至每个杆(252)的外表面，以使所述杆(252)的两个端部分别与所述引导突出部(251)和所述支承件(253)相接触。
28.根据权利要求13所述的涡旋流体机械，其特征在于：所述不锈钢为SUS 303F、SUS430F。
29.根据权利要求14或15所述的涡旋流体机械，其特征在于：所述不锈钢为SUS 303F、SUS 430F。
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