用于制冷剂压缩机的阶梯式密封件的制作方法

用于制冷剂压缩机的阶梯式密封件
1.本技术要求于2021年1月4日提交的第63/133,471号美国临时申请的权益，并且还要求于2021年7月22日提交的第63/224,479号美国临时申请的权益。第63/133,471号和第63/224,479号申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开涉及制冷剂压缩机的技术领域。


背景技术：

3.制冷剂压缩机用于通过制冷剂回路在制冷机中循环制冷剂。已知了制冷剂回路包括冷凝器、膨胀装置和蒸发器。压缩机压缩流体，流体然后行进到冷凝器，冷凝器进而冷却和冷凝流体。之后制冷剂进入降低流体的压力的膨胀装置，然后抵达蒸发器，流体在所述蒸发器处蒸发，从而完成制冷循环。
4.许多制冷剂压缩机是离心式压缩机并且具有驱动至少一个叶轮以压缩制冷剂的电机。然后流体被引导到下游用于制冷机系统。已知的制冷剂压缩机具有密封件。


技术实现要素：

5.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其包括：定子；转子，所述转子被构造为相对于定子旋转；位于转子与定子之间的至少一个阶梯式密封件，其中阶梯式密封件包括从转子朝向定子延伸的第一齿和第二齿，其中第一齿的下游表面和第二齿的上游表面相对于彼此成一角度布置，其中该角度小于90
°
。
6.在一些方面中，本文描述的技术涉及如前文所述的制冷剂压缩机，其中第一齿和第二齿构成一对齿，并且阶梯式密封件包括多对齿，其中每对齿以阶梯式布置提供。
7.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中第一齿和第二齿形成在转子中并且轴向齿形成在定子中，并且其中轴向齿沿着大体轴向方向从第一齿和第二齿径向向外延伸。
8.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中第一齿具有第一点而第二齿具有第二点，并且其中第一点和第二点布置在共同的径向位置处。
9.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中下游表面和上游表面在曲面处会合以形成曲面腔。
10.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中径向内腔壁布置在第二齿的下游，以形成位于曲面腔下游的第二腔。
11.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中第二腔是曲面腔。
12.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中第二腔是方形腔。
13.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中定子具有耐磨部分，并且其中第一齿和第二齿朝向耐磨部分延伸。
14.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中第一齿和第二齿被构造
为接触耐磨部分并且随着时间的推移在耐磨部分中刻出轨迹。
15.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中制冷剂压缩机在加热、通风和空调(hvac)制冷机系统中使用。
16.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷剂压缩机，其中定子腔布置在定子中，定子腔轴向布置在第一齿和第二齿之间。
17.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其包括：冷凝器；蒸发器；膨胀装置；和压缩机，其中压缩机包括定子、构造成相对于定子旋转的转子、以及位于转子和定子之间的至少一个阶梯式密封件，其中阶梯式密封件包括从转子朝向定子延伸的第一齿和第二齿，其中第一齿的下游表面和第二齿的上游表面相对于彼此成一角度布置，其中该角度小于90
°
。
18.在一些方面中，本文描述的技术涉及如前文所述的制冷系统，其中第一齿和第二齿构成一对齿，并且阶梯式密封件包括多对齿，每对齿以阶梯式布置提供。
19.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中第一齿具有第一点而第二齿具有第二点，并且其中第一点和第二点布置在共同的径向位置处。
20.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中下游表面和上游表面在曲面处会合以形成曲面腔。
21.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中径向内腔壁布置在第二齿的下游，以形成位于曲面腔下游的第二腔。
22.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中第二腔是曲面腔。
23.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中第二腔是方形腔。
24.在一些方面中，本文描述的技术涉及制冷系统，其中定子具有耐磨部分，其中第一齿和第二齿朝向耐磨部分延伸，并且其中第一齿和第二齿被构造为接触耐磨部分并随着时间的推移在耐磨部分中刻出轨迹。
附图说明
25.图1是制冷剂回路的示意图。
26.图2示出了制冷剂压缩机的示意图。
27.图3示出了示例性阶梯式密封布置的示意图。
28.图4a示出了示例性阶梯式密封布置。
29.图4b示出了图4a的示例性阶梯式密封布置。
30.图5a示出了另一个示例性阶梯式密封布置。
31.图5b示出了图5a的示例性阶梯式密封布置。
32.图6a示出了另一个示例性阶梯式密封布置。
33.图6b示出了图6a的示例性阶梯式密封布置。
34.图7示出了另一个示例性阶梯式密封布置的示意图。
35.图8a示出了示例性阶梯式密封布置。
36.图8b示出了图8a的示例性阶梯式密封布置。
具体实施方式
37.图1示出了一种制冷剂系统，其包括布置在主制冷剂回路或环路17中的压缩机10、冷凝器11、蒸发器13和膨胀装置15。该制冷剂系统可用于例如制冷机。在该示例中，冷却塔可以与冷凝器11流体连通。虽然示出了制冷剂系统的特定示例，但是该应用扩展到其他制冷剂系统构造，包括不包含制冷机的构造。例如，主制冷剂回路17可以包括位于冷凝器11下游和膨胀装置15上游的节能器。制冷剂系统可以是例如加热、通风和空调(hvac)制冷机系统的一部分。
38.图2更详细地示出了来自图1的压缩机10的一部分，其在该示例中是制冷剂压缩机10(“压缩机10”)。压缩机10包括壳体12，该壳体12包围电机14。壳体12可以包括一个或多个部件。电机14围绕轴线a旋转驱动至少一个叶轮以压缩制冷剂。示例制冷剂包括化学制冷剂，例如r-134a等。电机14可由变频驱动器驱动。压缩机10包括第一叶轮16和第二叶轮18，每个叶轮都通过轴19连接到电机14。在所示示例中，叶轮16、18是离心叶轮。虽然图示了两个叶轮，但本公开扩展到具有一个或多个叶轮的压缩机。在一些实施例中，压缩机10可具有两个轴向压缩级，或可具有混合级(即，具有径向和轴向分量的级)和轴向压缩级。
39.壳体12建立主制冷剂流动路径f。特别地，壳体12建立主制冷剂流动路径f的外边界。第一或主要的制冷剂流被构造为沿着主制冷剂流动路径f在压缩机入口20和压缩机出口22之间流动。在所示示例中，没有提供设置在压缩机入口20处的入口导向叶片。入口导向叶片的缺失减少了压缩机10中的机械部件的数量。在其他示例中，入口导向叶片可以布置在入口20附近。
40.在图2中从左到右，主制冷剂流动路径f从压缩机入口20开始，在所述压缩机入口20处制冷剂被朝向第一叶轮16抽吸。第一叶轮16设置在主制冷剂流动路径f中，并且相对于主制冷剂流动路径f布置在第二叶轮18的上游。第一叶轮16包括：轴向布置的入口16i，该入口16i大体平行于轴线a；以及径向布置的出口16o，该出口16o大体垂直于轴线a。
41.在该示例中，紧邻出口16o的下游是第一带叶片的扩散器24。主制冷剂流动路径f在大致径向远离轴线a的方向上延伸穿过扩散器24。接下来，主制冷剂流动路径f在跨管弯头(cross-over bend)25中转向180
°
，并通过返回通道27径向向内流向第二叶轮18。与第一叶轮16一样，第二叶轮18包括轴向定向的入口18i和径向定向的出口18o。
42.压缩机10具有多个密封件30a﹣30f。密封件30a﹣30f防止主制冷剂从流动路径f逸出。密封件30a位于第一叶轮16的外径和壳体12之间并靠近入口16i处。密封件30b在第一叶轮16和第二叶轮18之间位于轴19和壳体12之间。密封件30c位于第二叶轮18的外径和壳体12之间并靠近入口18i处。密封件30d位于第二叶轮18的内径和电机14处。密封件30a﹣30d中的至少一个是阶梯式密封件。在一个特定实施例中，所有密封件30a﹣30d都是阶梯式密封件。
43.阶梯式密封件在涡轮机械中使用，以限制或防止流体(例如液体或气体)在具有不同压力的相邻内部隔室之间流动。阶梯式密封件防止流体从高压位置流向低压位置。阶梯式密封件通常可以包括多个翅片或齿，所述多个翅片或齿限定了多个腔。腔捕集在运动部件和固定部件之间的工作流体。因此，被捕集的流体形成将机器内的高压区域与低压区域隔离开的屏障。在一个示例中，固定部件和运动部件是定子和转子，例如叶轮。在另一个示例中，固定部件可由压缩机壳体内的插入件提供。
44.图3示意性地示出了示例性阶梯式密封件30，其代表密封件30a﹣30d中的任一个。密封流动路径32形成在定子38和转子40之间。在图示的实施例中，多个齿42从转子40沿朝向定子38的方向大致径向向外延伸(即，沿垂直于轴线a的方向)，以便沿流动路径32在齿42之间限定多个腔48、50。在另一个实施例中，多个齿42从定子38向外延伸。
45.转子40上的齿42以阶梯状布置，这意味着一些齿布置在与其他齿不同的径向位置处。特别地，在图3中，齿42由阶梯44a径向间隔开。在所示示例中，阶梯44a形成为使得齿布置成对60。每个对60均具有第一齿42a和第二齿42b。每个对60中的齿42a、42b在相对于转子40的旋转轴线(即轴线a)的径向方向上处于相同位置。在一个示例中，使用已知的制造技术从转子40上切下阶梯44a和齿42。类似的阶梯44b也被切入定子38以与转子40对准。阶梯44b例如可由壳体内的插入件形成。插入件可以是金属的。在所示示例中，阶梯44a、44b中的每一者都有七个。在其他示例中，阶梯44a、44b中的每一者均可以有至少五个。在另一个示例中，阶梯44a、44b中的每一者均可以有十个或更少。齿42和阶梯44a、44b引入逆流，这拖延了制冷剂流(例如腔48、50中的捕集流)，并有助于减少总泄漏。
46.图4a示出了阶梯式密封件30的更多细节。齿42a、42b的对60形成两个不同形状的腔48、50。腔50具有方形形状，而腔48具有圆形形状。第一齿42a具有上游表面62和下游表面64。第二齿42b具有上游表面66和下游表面68。在该示例中，第一齿42a的上游表面62和第二齿42b的下游表面68形成每个腔50的壁。腔50具有径向内腔壁51。腔壁51基本上平行于轴线a。上游表面62和下游表面68各自以大约直角从腔壁51径向向外延伸。换言之，腔50具有方形底部。
47.齿42a的下游表面64和齿42b的上游表面66相对于径向方向成一角度。表面64、66在弯曲的内壁47处接合以形成腔48。腔48是曲面腔，而腔50是方形腔。表面64、66相对于彼此以角度θ布置。角度θ小于90
°
。在另一个示例中，角度θ在45
°
和90
°
之间。
48.第一齿42a的上游表面62和下游表面64在点72a处会合。第二齿42b的上游表面66和下游表面68在点72b处会合。点72a、72b是转子40在每个阶梯中的径向最外部分。在该示例中，每个对60内的点72a、72b沿径向方向延伸到相同位置。径向间隙80限定在点72a、72b和定子38之间。在一个示例中，径向间隙80至少为0.15mm。轴向间隙82限定在第二齿42b的下游表面68和相邻的一对齿60的上游表面62之间。在一个示例中，轴向间隙至少为0.7mm。轴向延伸的齿70从定子38沿大致轴向方向延伸。轴向齿70从阶梯44b延伸到流动路径中。轴向齿70可具有内表面74和外表面76。在一个示例中，内表面74基本上平行于旋转轴线a。内表面74和外表面76相对于彼此以角度ψ布置。例如，角度ψ小于60
°
。内表面和外表面74、76在上游方向上延伸并在点78处会合。在一个示例中，点78在轴向方向上与点72a对齐。
49.图4b示出了通过阶梯式密封件30的流体流动。如图所示，径向齿42和轴向齿70在流体中产生涡流，从而将流体捕集在腔48、50中。虽然示出了示例性密封件30，但特定形状和尺寸可以根据特定的压缩机尺寸、速度和制冷剂进行定制。腔48、50在制冷剂泄漏路径内提供再循环区域，以帮助减少泄漏。三个锋利的齿42a、42b、70在流场中产生涡流90、92、94。这种齿布置为每个阶梯提供三个再循环区域91、93、95以帮助被动地控制流动，从而减少总泄漏并提高效率。
50.图5a图示了另一个示例阶梯式密封件130。在没有另外描述或示出的范围内，阶梯式密封件130对应于图3、4a和4b的阶梯式密封件30，其中，类似的部件具有在前面附加有“1”的附图标记。在该示例中，每个对160中的两个齿142a、142b形成两个成角度的腔148、150。第一齿142a的上游表面162以小于90
°
的角度α从径向内腔壁151延伸。第二齿142b的下游表面168以基本直角或垂直于轴线a从腔壁151延伸。因此，在相邻的齿对60之间形成的腔150具有成角度的形状。第一齿142a的下游表面164和第二齿142b的上游表面166在限定角度θ的点处会合。例如，角度θ可以小于90
°
。
51.第一齿142a的上游表面162和下游表面164在点172a处会合。第二齿142b的上游表面166和下游表面168在点172b处会合。每个对160内的点172a、172b沿径向方向延伸至相同位置。换言之，点172a、172b触及转子140和定子138之间的径向间隙的部位。
52.轴向延伸的齿170从定子138沿大致轴向方向延伸。轴向齿170从阶梯144b延伸到流动路径中。轴向齿170的内表面74基本上平行于旋转轴线a。轴向齿170的内表面174和外表面176相对于彼此以角度ψ布置。例如，角度ψ小于60
°
。内表面174和外表面176在上游方向上延伸并在点178处会合。在一个示例中，点178在第一齿142a的上游延伸。在另一个示例中，点178在轴向方向上与第一齿142a基本对准。
53.图5b示出了通过阶梯式密封件130的流体流动。该齿布置为每个阶梯提供三个再循环区域191、193、195。三个锋利的齿142a、142b、170在流场中产生涡流190、192、194。在一些示例中，这种布置被动地控制流动以减少总泄漏，并且与已知的常规密封件相比可以将泄漏减少40﹣80％。
54.图6a图示了另一个示例性阶梯式密封件230。在没有另外描述或示出的范围内，阶梯式密封件230对应于图3、4a和4b的阶梯式密封件30，其中，相似的部件具有在前面附加有“2”的附图标记。在该示例中，阶梯式密封件230通过使用阶梯式布置和在阶梯式密封件中使用耐磨材料来减少泄漏流量。密封件230的性能取决于阶梯式设计和在齿242的尖端处的径向间隙。在一些已知的阶梯式密封件中，可能难以控制径向间隙的量，这是因为热梯度、离心力和气体压力和轴弯曲等可能会导致部件之间的变形。定子238包括由耐磨材料形成的耐磨部分246。在一些示例中，耐磨部分246是布置在压缩机壳体内的插入件。耐磨部分246有助于使齿242的尖端和定子238之间的间隙最小化。耐磨部分246开始时与转子240和齿242的间隙非常接近，并随着齿242与耐磨部分246接触而随着时间的推移逐渐磨损掉。
55.如图6a所示，耐磨部分246随着压缩机10运行而随着时间的推移磨损掉。轨迹249被刻入每个齿242径向向外的耐磨部分246中。每个齿242均具有形成轨迹249的平坦尖端272。当转子240旋转时，齿242接触耐磨部分246并且在齿242与耐磨部分246接触的轨迹249中磨掉一些耐磨部分246。轨迹249在齿242和定子238之间提供非常小的间隙。换言之，一旦轨迹249由齿242形成，耐磨材料的一部分253在轨迹249之间从轨迹249径向向内延伸。由于叶轮16、18的轴向运动，轨迹249在轴向方向上可以比齿242的尖端272更宽。
56.在该布置中，第一齿242a的上游表面262和第二齿242b的下游表面268基本上垂直于径向内腔壁251。表面262、268在圆形边缘处与腔壁251会合，以形成曲面腔250。第一齿242a的下游表面264在曲面247处与第二齿242b的上游表面266会合以形成第二曲面腔248。表面264、266相互布置成角度θ。在一个示例中，角度θ可以小于90
°
。在另一个示例中，角度θ在45
°
和90
°
之间。例如，可以基于特定的压缩机尺寸和速度来选择特定的齿布置。
57.耐磨部分246由耐磨材料形成。示例耐磨材料可以包括聚四氟乙烯(“ptfe”)、聚酰胺、和其他低强度合金。转子240和齿242通常由可以磨损掉耐磨部分246的硬质材料形成，
例如铝合金、不锈钢、碳钢、镍合金(例如因科镍合金)等。耐磨部分246和随着时间的推移形成的轨迹249允许最小的间隙尺寸，这使得流动更难继续，从而提高密封件230的密封能力。
58.当耐磨部分被磨损掉时，使用耐磨材料可能会产生碎屑。尽管磨损量可能很小，但系统可能包括高精度零件。例如，系统内的轴承、传感器和电力电子设备不能有碎屑侵入。在一些示例中，碎屑捕集器可以布置在齿242的下游，以在耐磨部分246被磨损时捕获来自耐磨部分246的任何碎屑。碎片捕集器可以布置在排放路径上，以将碎片重新引导远离密封件230下游的任何敏感部件。
59.图6b示出了通过阶梯式密封件230的流体流动。与具有硬质材料的布置相比，耐磨材料可以提供明显更小的径向间隙，这可以进一步减少泄漏。两个齿242a、242b后跟圆化的矩形腔250的组合提供了具有两个涡流290、294和两个再循环区域291、295的特定流动模式。这种再循环布置可以减少总泄漏流量。在一些示例中，这种布置被动地控制流量以减少总泄漏，并且与已知的常规密封件相比可以将泄漏减少40﹣80％。
60.图7图示了另一个示例性阶梯式密封件330。在没有另外描述或示出的范围内，阶梯式密封件330对应于图3、4a和4b的阶梯式密封件30，其中，相似的部件具有在前面附加有“3”的附图标记。在该示例中，转子340上的齿342通过阶梯344a径向间隔开。在所示示例中，阶梯344a形成为使得齿布置成对360。每个对360均具有第一齿342a和第二齿342b。每个对360中的齿342a、342b在径向方向上相对于转子340的旋转轴线(即轴线a)处于相同位置。腔350形成在每对齿360之间，并且腔348形成在每个对360内的齿342a、342b之间。
61.阶梯344a、齿342和腔350使用已知的制造技术从转子40上切出。类似的阶梯344b也被切入定子338以与转子340对准。在该示例中，腔371形成在阶梯344b之间的定子338中。在一些示例中，腔371在定子338中形成朝向转子340延伸的齿359。齿359可以具有与齿342a基本相似的尺寸和形状。齿342、359和阶梯344a、344b引入逆流，这拖延了制冷剂流(例如腔348、350、371中的捕集流)，并有助于减少总泄漏。
62.图8a示出了图7的示例性阶梯密封布置。在该示例中，每个对360中的两个齿342a、342b形成两个腔348、350。腔350形成在第一齿的上游表面362和第二齿342b的下游表面368之间。在该示例中，腔壁351在径向最内侧部分处被圆化。例如，腔壁351可以具有半圆形或半径。例如，与腔壁351的圆化的端部相对的壁355可以基本上平行于轴线a。例如，腔350具有带有圆化的端部的矩形形状。表面362、368可以相对于轴线a基本垂直地延伸。在一些示例中，齿359可以在圆角357处与壁355会合。
63.在一对齿360内的齿342a、342b之间形成的腔348具有成角度的形状。第一齿342a的下游表面364和第二齿342b的上游表面366相对于轴线a成角度。第一齿342a的下游表面364和第二齿342b的上游表面366相对于彼此以角度θ布置。例如，角度θ可以是大约90
°
。在其他示例中，角度θ可以小于90
°
。腔371形成在定子338中且与腔348相对。腔371可以具有与腔348相似的形状并且基本上与腔348对齐。在一个示例中，腔371是腔348相对于平行于轴向方向并且径向布置在腔348、371之间的平面的镜像。
64.第一齿342a的上游表面362和下游表面364在端面372a处会合。第二齿342b的上游表面366和下游表面368在端面372b处会合。每个对360内的端面372a、372b沿径向方向延伸至相同位置。流动路径的几何形状改变了流体流动的速度和轨迹，这可以减少通过密封件的泄漏。
65.图8b示出了通过阶梯式密封件330的流体流动。在该示例中，当流体从左到右流动时，齿和腔的布置为每个阶梯提供三个再循环区域391、393、395。齿342和腔348、350、371的布置在流场中产生涡流390、392、394。在一些示例中，这种布置被动地控制流动以减少总泄漏。
66.任何上述阶梯式密封件30、130、230、330均可用于密封位置30a﹣30d中的任何一个。在一些示例中，不同类型的阶梯式密封件30、130、230、330可用于同一压缩机10内的不同密封位置30a﹣30d。
67.尽管不同示例具有图示中所示的特定部件，但是本公开的实施例不限于那些特定组合。可以将来自示例中的一个示例的一些部件或特征与来自示例中的另一个示例的特征或部件结合使用。此外，伴随本公开的各种图不一定按比例绘制，并且一些特征可能被扩大或最小化以显示特定部件或布置的某些细节。
68.本领域普通技术人员将理解，上述实施例是示例性的而非限制性的。即，对本公开的修改将落入权利要求的范围内。因此，应研究以下权利要求以确定其真实范围和内容。