[发明专利]一种卡洛尔流体机械

说明书

技术领域

本发明涉及压缩机械领域，特别涉及一种卡洛尔流体机械。

背景技术

一九七三年出版的加拿大杂志《Design Engineering》第四期中「Compressor Uses NewRotary Principle【文献1】」一文在世界上首次介绍了一种新型压缩机，这种新型压缩机由牛津大学毕业的Robert Karol提出，后由英国著名旋转机械专家Richard Ansdale作了进一步开发，并由英国Well-worthy公司制造了样机。这种新型压缩机主要由一个具有球形外周回转面的旋转气缸体、一个与之相配的具有球形内表面的上下可剖分壳体、两个具有球形端面的圆柱形活塞、一根带有两个偏心轮的主轴，及两侧端盖和轴承等组成；旋转气缸体上在垂直于其旋转轴线的对称平面内有两个轴线相互垂直的贯通气缸孔，由主轴偏心轮驱动的两个活塞分别置于其中；旋转气缸体轴线与主轴中心存在一个偏心距，其值等于主轴偏心轮回转半径；主轴驱动活塞旋转时，活塞带动缸体以主轴转速之半同步旋转，因而活塞在缸体气缸孔内以4r为行程相对于气缸孔做往复运动，实现压缩机的基本功能。

这种新型压缩机采用的基本机构学原理是“转动导杆机构”(附图1)，比较早期的文献「C.Н.КОЖЕВНИКВ.ТЕОРИЯ МЕХАНИ3МОВ И МАЩИНА，МАЩГИЗ.1945.P130-133【文献2】」介绍了该机构的运动学转换方式。“转动导杆机构”包括一个旋转的曲柄、一个由曲柄驱动并沿导杆滑动的滑块、一个绕自身旋转中心旋转的导杆；导杆旋转中心与曲柄旋转中心存在一个偏心矩e，其值刚好等于曲柄回转半径r，所以曲柄驱动滑块旋转时，滑块带动导杆以曲柄旋转速度之半同步转动；曲柄每旋转一周，滑块沿导杆走过的行程为4r。将滑块视为活塞，导杆视为气缸孔，用与导杆旋转轴同轴的固定回转面构成气缸孔端面，则具备了压缩机或液体泵的基本构造和功能。改机构在曲柄转角为180°时，曲柄与导杆垂直，导杆的旋转方向存在不确定性，所以用该机构构造的压缩机或泵需要另加一个约束条件，以保证导杆做单方向旋转，【文献1】所报导的新型压缩机采用了180°设置的两个曲柄配合相互垂直的两个导杆(气缸孔)解决了这一约束死点问题。

国外文献多将这种以“转动导杆机构”为基本原理构造的压缩机称为Karol(中译名为“卡洛尔”)压缩机，相应压缩机和液泵共同称为“卡洛尔流体机械”。国内文献对基于“转动导杆机构”形成的压缩机有多种称呼，主要有：行星活塞压缩机、放射型转子压缩机、旋转气缸压缩机、旋转活塞压缩机、转子活塞压缩机等。本发明根据原始文献，将相应压缩机统称为“卡洛尔压缩机”，将相应压缩机和液泵统称为“卡洛尔流体机械”。

【文献1】所报导的“卡洛尔压缩机”缸体与壳体的配合回转面及活塞顶面均为球面，因而制造困难，没有在商业领域得到应用。后来的研究人员将旋转气缸体外周、壳体内孔、活塞顶面改为圆柱面「Method of and Apparatus for Effecting Volume Control of Compressor.United States Patent Number 4723895，Feb9，1988，Isao Hayase，Katsuta；Hitachi，Japan【文献3】」，使这种压缩机的结构大大简化，其低成本制造问题得到了解决。本发明即针对这种“具有圆柱回转面的卡洛尔流体机械”，后文仍简称“卡洛尔流体机械”。具有圆柱回转面的“卡洛尔流体机械”因为结构远比活塞式流体机械简单，并具有较双螺杆、单螺杆、涡旋等回转式流体机械易于加工的优点，因而有望在气体压缩和液体输送领域获得商业性应用，故此受到研究人员的重视。

卡洛尔流体机械属于有内压缩过程的回转式流体机械，因而需要在气缸工作腔扫过的壳体上的适当位置开设特定形状和尺寸的介质吸入口和介质排出口，以满足介质的吸入和排出使用要求；尤其是作为压缩机使用时，需要依靠介质排出口的合理设置实现要求的内容积比和内部压缩过程。目前的卡洛尔流体机械的壳体上设有介质吸入腔和介质排出腔，相应介质吸入腔和介质排出腔内设有形状复杂的介质吸入口和介质排出口；尤其是做压缩机使用时，介质吸入口大致呈曲边等腰梯形(本发明将其称为类等腰梯形)、或对称设置的曲边直角梯形(本发明将其称为类直角梯形)等形状，介质排出口大致呈曲边等腰三角形(本发明将其称为类等腰三角形)，沿壳体轴线方向每个气缸工作腔在两侧各对应一个排出口，压缩机的内容积比越小，排出口越大，反之，内容积比越小，排出口越小。这种直接设置在壳体上的介质吸入口和介质排出口的卡洛尔流体机械，主要有如下缺点：