專利名稱：用于減少壓縮機(jī)吸入閥應(yīng)力的油膜膨脹的制作方法
在采用吸入閥和排出閥的容積式壓縮機(jī)中，兩種閥之間存在相似的地方和不同的地方。這些閥通常是同樣的通用類型。每個(gè)閥通常均為關(guān)閉，并由于一沿開啟方向跨越該閥的壓力差而打開。閥可由彈性材料制成并提供其自己的支持偏移，也可采用分離彈簧。由于吸入閥通到壓縮腔/氣缸內(nèi)，它們通常不帶有閥墊以減少間隙容積，從而閥的偏轉(zhuǎn)在實(shí)際上不受限制。排出閥通常具有一些種類的閥墊，以避免該排出閥的過度運(yùn)動(dòng)/撓曲。略去泄漏的影響，則抽入該壓縮腔與由此排出的氣體是等量的。然而，吸入行程通常進(jìn)行半個(gè)循環(huán)，而壓縮和排出行程一起通常為半個(gè)循環(huán)。在吸入行程的情況下，一旦跨越吸入閥的壓力差能使它打開時(shí)，該吸入閥即打開。打開吸入閥所需的壓力差通常為標(biāo)稱吸入壓力的15-35％。在壓縮行程的情況下，壓縮伴隨著被壓縮氣體容積減少/密度增加而繼續(xù)，直至壓縮氣體的壓力足以克服與閥件和/或分離彈簧的彈簧偏移一起作用在排出閥上的組合系統(tǒng)壓力。打開排出閥所需的壓力差通常為標(biāo)稱排出壓力的20-40％。相應(yīng)地，質(zhì)量流量速率在排出行程過程中大得多。
吸入閥的支持偏移設(shè)計(jì)成比排出閥低得多。由于閥的動(dòng)作是由跨越該閥的壓力差引起的力起動(dòng)的這一事實(shí)，故低的支持偏移是很重要的。在吸入閥的情況下，發(fā)生開啟的壓力通常比在排出閥情況下低得多。因此，相對(duì)于用于排出閥的潛在壓力差和打開力來說，對(duì)于吸入閥只能產(chǎn)生小的壓力差和小的打開力。跨越吸入閥的壓力差即使很小的增加也將引起跨越該閥的壓力差很大的百分比增加。相反，由于標(biāo)稱工作壓力高得多，跨越排出閥的壓力差的相同的增加引起壓力差小得多的百分比增加。
閥上的打開力F由下式給出F＝P·A式中，P為跨越閥的壓力差，A為P作用的閥面積。應(yīng)注意，壓力差作用的方向在一完整循環(huán)過程中變化，故壓力差在循環(huán)過程的某一部分中提供一閥支持偏移。當(dāng)A保持恒定時(shí)，顯然F與P成正比，或者具體地說，F(xiàn)的百分比變化與P的百分比變化成正比。例如，假定一運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其中吸入壓力為20磅/平方英寸，排出壓力為300磅/平方英寸，在35％的典型高出壓力值處，氣缸在該排出閥打開前將增加到405磅/平方英寸。相反，在30％的典型降壓值處，氣缸在該吸入閥打開前將下降到14磅/平方英寸。如果為打開該兩個(gè)閥所需的壓力差增加10磅/平方英寸，則排出高出壓力值將從35％增加到38％，而吸入降壓值則從30％增加到80％。因此，我們能預(yù)計(jì)吸入閥上的打開力增加167％。
尤其是因?yàn)殚g隙容積的作用，跨越吸入閥的壓力差的變化不會(huì)很快增加，這是由于該裝置因從間隙容積來的壓縮空氣而在一開始加載，然后像一真空泵一樣工作，直至吸入閥打開。具體地說，至氣缸的空氣流入通常被設(shè)計(jì)為出現(xiàn)在膨脹和吸入的組合行程的后95％期間。相反，如果流出氣缸的容積流量與壓縮腔容積的減少速率并不匹配，則當(dāng)壓縮行程完成時(shí)，壓縮腔的壓力迅速提高，并且該壓力在排出行程期間繼續(xù)提高。從氣缸的空氣流出通常出現(xiàn)在壓縮和排出的組合行程的后40％期間。這些關(guān)系的一個(gè)或多個(gè)中的任何實(shí)質(zhì)性改變均將引起與閥的運(yùn)轉(zhuǎn)問題。
在典型的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，潤滑流體(油)罩復(fù)包括吸入閥、排出閥和閥座的壓縮機(jī)的所有內(nèi)表面，由這一事實(shí)引出另一個(gè)復(fù)雜因素。有關(guān)改進(jìn)排出閥的排出效率的相關(guān)問題記載于美國專利號(hào)4580604。在排出閥的情況下，氣缸壓力必須克服作用在該排出閥上的系統(tǒng)壓力、該閥上的彈簧偏移以及該閥對(duì)于閥座的任何粘著力。所以，排出閥對(duì)于閥座的粘著力表示一種高出的壓力，因此是一種效率損失。
一典型的往復(fù)式壓縮機(jī)具有一帶有一體吸入口的閥板和吸入閥座。在關(guān)閉位置時(shí)，在吸入閥與其閥座之間出現(xiàn)的油膜非常薄，在幾個(gè)分子直徑的數(shù)量級(jí)。這部分是由于在壓縮和排出行程期間壓縮腔壓力作用并提供一用于吸入閥的支持偏移。在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，施加到吸入閥上的打開力是當(dāng)活塞在吸入行程期間從該閥移開時(shí)由跨越該閥的壓力差提供的。典型地，該打開力須大到足以克服由閥的質(zhì)量(慣性)引起的打開阻力和任何彈簧或其它偏移力。該力并須大到足以張大夾在閥與閥座之間的油膜并進(jìn)行剪切。影響張大和剪切潤滑油膜的因素包括潤滑劑膜的粘度，油膜厚度，潤滑劑分子之間的分子間吸引力，吸入閥和/或閥座的結(jié)構(gòu)材料，以及致冷劑除氣率。
在采用礦基(MO)或烷基苯(AB)潤滑劑的傳統(tǒng)致冷劑-壓縮機(jī)應(yīng)用中，由于為起動(dòng)閥的開啟所需的壓力差相當(dāng)小，故由潤滑劑產(chǎn)生的對(duì)于開啟的阻力略去不計(jì)。這大部分是由于MO和AB潤滑劑在整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的范圍上具有低粘度、低的分子間力以及對(duì)于致冷劑的良好可溶性。
近年來，對(duì)臭氧友好的致冷劑-壓縮機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合均采用多元醇酯(POE)潤滑劑。與MO或AB潤滑劑相比，POE潤滑劑具有極高的潤滑劑粘度，且在HFC致冷劑例如R134a、R404A和R507中可溶性很差，特別是在運(yùn)轉(zhuǎn)壓力和/或溫度很低時(shí)。POE潤滑劑的溫度較高會(huì)引起對(duì)夾在閥與閥座之間的油膜進(jìn)行張大并剪切的力實(shí)質(zhì)性增加。此外，POE潤滑劑是極性很強(qiáng)的材料，故對(duì)于通常用于制造閥和閥座的鐵基極性材料具有很強(qiáng)的分子吸引力。結(jié)構(gòu)材料與POE的相互吸引使將閥與閥座分開所需的力進(jìn)一步增加。
為了產(chǎn)生在將吸入閥與其閥座分開所需的力方面的增加，必須增加跨越閥的壓力差，同時(shí)延遲閥的打開時(shí)間。當(dāng)吸入閥最終打開時(shí)，其打開的速度非常快。而吸入閥延遲打開所引起的進(jìn)入氣缸的吸入空氣的容積流量速率的增加又使這種狀態(tài)進(jìn)一步惡化。吸入空氣的容積流量速率的增加引起吸入空氣速度的增加，又反過來使施加到吸入閥上的打開力并從而使閥打開的速度增加。由因延遲打開和沖擊吸入閥流動(dòng)的較高的容積流量速率引起的閥上較高的壓力差的組合影響引起的吸入閥打開速度的增加使該吸入閥比期望的進(jìn)一步偏移而進(jìn)入氣缸孔。由于沒有如排出閥中出現(xiàn)的閥墊的好處，作為閥偏移增加的結(jié)果，閥的運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力必然增加。如果運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力明顯超過閥的疲勞強(qiáng)度，則閥將出現(xiàn)損壞。
本發(fā)明通過促使張大夾在閥與閥座之間的油膜而減少為打開吸入閥所需的壓力。以這種方式避免了高的閥的速度、高的容積流量速率、高的吸入空氣速度以及高的閥應(yīng)力有關(guān)的相應(yīng)問題。在效果方面，通過減少閥與閥座的接觸面積，可有利地減少為打開閥所需的壓力并因此而減少運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力。
吸入閥的徑向尺寸或?qū)挾?w)的值必須仔細(xì)控制在一特定范圍，以使閥座面積與閥口面積的比例在3％至33％范圍，最好在13％至25％范圍。吸入閥座的實(shí)際徑向尺寸最好在0.014英寸至0.018英寸范圍，最大可接受寬度為0.02英寸。這個(gè)范圍代表了在易磨損的刀口支座的最小粘附力與在寬度增加的同時(shí)耐用度和粘附力的增加之間的一種折衷。吸入閥座基本上是一從閥板延伸的圓形薄壁圓柱部。
本發(fā)明的一個(gè)目的在于減少吸入閥對(duì)于閥座的粘附力。
本發(fā)明的另一目的在于減少吸入閥上的運(yùn)轉(zhuǎn)應(yīng)力。
本發(fā)明的再一目的在于便于在吸入行程中較早地將吸入閥從閥座上釋放。這些和將在以后變得顯而易見的其它目的將通過本發(fā)明加以實(shí)現(xiàn)。
基本上是對(duì)吸入閥的閥座進(jìn)行設(shè)計(jì)以減少接觸面積以及閥與閥座之間的相關(guān)油膜。


圖1為采用本發(fā)明的往復(fù)式壓縮機(jī)一部分的剖視圖；圖2為沿圖1的2-2線的局部剖視圖；圖3為示出吸入閥結(jié)構(gòu)的圖1的一部分的剖視圖。
在圖1和2中，標(biāo)號(hào)10總的表示一往復(fù)式壓縮機(jī)。如傳統(tǒng)壓縮機(jī)一樣，壓縮機(jī)10具有示出為簧片閥的一吸入閥20和一排出閥50，以及一位于孔或氣缸40-3中的活塞42。排出閥50具有一閥墊51，該閥墊對(duì)閥50的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行限定，并通常設(shè)計(jì)成將施加到閥50上的打開力經(jīng)排出通道30-5消散到其整個(gè)打開運(yùn)動(dòng)上。在吸入閥20的情況下，其閥尖20-1與起閥擋塊作用的曲軸箱40中的凹槽40-2中的凸緣40-1接合。凸緣40-1在0.1英寸的打開運(yùn)動(dòng)后接合，以減少間隙容積，并通過閥20的撓曲作進(jìn)一步的打開運(yùn)動(dòng)，如圖1中虛線所示。具體地說，閥20的起始運(yùn)動(dòng)如一懸臂梁，直至閥尖20-1與凸緣40-1接合，然后并以一支承在兩端的梁的形式彎曲。如圖1中虛線所示，閥20運(yùn)動(dòng)到孔40-3內(nèi)。
如上所述，POE潤滑劑傾向于在閥20與閥板30中形成的閥座30-1之間引起粘附力。沒有本發(fā)明的粘附力減少，閥20將以一更高的壓力差打開，并以一更高的速度沖擊凸緣或擋塊40-1而便于彎曲到孔40-3內(nèi)，當(dāng)與從吸入通道30-2來的沖擊流動(dòng)結(jié)合時(shí)，這能使閥20彎曲到超過其屈服強(qiáng)度和/或?qū)㈤y驅(qū)動(dòng)至進(jìn)入孔40-3內(nèi)而使閥尖20-1從凸緣或擋塊40-1上滑落。
現(xiàn)參見圖3，應(yīng)注意，閥座30-1基本上是一具有一平的環(huán)形支承表面30-1a的薄壁圓柱，該支承表面的閥座面積與閥口面積之比在3％至33％范圍，最好為13％至25％范圍。此外，支承表面30-1a的較佳的徑向尺寸或?qū)挾葁為0.014英寸至0.018英寸。為有助于保持所需寬度，提供有精密平衡孔30-2a并通過肩部30-2b與吸入通道30-2分開。閥座30-1的外圓柱表面30-1b相對(duì)于精密平衡孔30-2a精密加工，以能保持支承表面30-1a的徑向?qū)挾葁的公差。限定表面30-1b的肩部30-4和肩部30-2b能與支承表面30-1a垂直，從而簡化制造工藝。在由肩部限定的過渡處具有倒角或倒圓也是可接受的，或許是較佳的。這個(gè)倒角可在制造過程中消除毛刺的產(chǎn)生，并可便于剪切夾在閥50與支承表面30-1a之間的油膜。
主要的考慮是對(duì)油膜60的位置和寬度進(jìn)行限定。具體地說，是對(duì)接觸或緊密靠近閥20以在其間保持油膜60的閥座30-1部進(jìn)行限定。顯而易見，油膜越小，它越容易因在吸入行程中在壓力差較低、打開較緩和和流動(dòng)較慢的情況下較早地打開而破裂。
權(quán)利要求
1.在一具有一其中帶有一活塞的氣缸(40-3)、一吸入閥(20)以及一帶有一整體吸入閥座(30-1)并由油加以潤滑的閥板(30)的壓縮機(jī)(10)中，該油在所述吸入閥與所述閥座之間形成一油膜，至少一部分所述油膜的厚度不超過幾個(gè)分子的直徑，改進(jìn)之處包括所述閥座形成一吸入通道延伸部的環(huán)形包圍壁，其中所述吸入閥座的面積與所述吸入通道的延伸部的比例在3％至33％的范圍。
2.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)，其特征在于，通過所述壓縮機(jī)對(duì)HFC致冷劑加以壓縮。
3.如權(quán)利要求2所述的改進(jìn)，其特征在于，所述HFC致冷劑是R134a、R404A和R507的一種。
4.如權(quán)利要求1所述的改進(jìn)，其特征在于，所述閥座具有一帶有一徑向尺寸不大于0,02英寸的環(huán)形支承表面。
全文摘要
對(duì)一往復(fù)式壓縮機(jī)的吸入閥的閥座加以改進(jìn)，以對(duì)徑向尺寸、從而是能在閥與閥座之間建立一環(huán)形油膜的區(qū)域進(jìn)行限定。支承表面的較佳徑向尺寸為0.014至0.018英寸，吸入閥座面積與穿過通道的較佳比例在13%至25%范圍中。
文檔編號(hào)F04B39/10GK1227893SQ99102500
公開日1999年9月8日 申請(qǐng)日期1999年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月2日
發(fā)明者M·J·多默, B·A·弗雷澤, W·P·比格爾, P·F·凱多, K·D·韋塞爾斯 申請(qǐng)人:運(yùn)載器有限公司