具体实施方式

本发明中提供的涡旋式泵能够满足泵的需要，该泵能够处理最小程度过冷的液态制冷剂和类似的传热流体。涡旋机械，特别是涡旋制冷剂压缩机，在容易处理两相流方面有着良好的历史记录，例如，以液态制冷剂的段塞(slug)形式吸入涡旋制冷剂压缩机。它们无害地通过涡旋元件。本文提供的涡旋泵利用了以轨道运动方式运动的一对啮合的涡旋之间的相对运动，其中一个涡旋相对于另一个涡旋以小圆周、低速沿轨道运动。在这些较低的相对速度下，发现因气穴导致损伤的可能最小。

此处提供的涡旋式泵的基本优点包括入口和出口处的自端口，因此不需要进气阀和排气阀。此外，可以动态平衡运动的涡旋的圆形轨道运动。泵能够提供连续的流体流。在所提供的泵内，由涡旋形成的流体腔形成尾部流体动力楔，提供稳固的流体动力润滑，尽管所提供的泵设计通常使用低粘度的液体。此外，在所提供的泵方面使用的涡旋机械可在广泛的流量范围内扩展，因此为此目的开发的涡旋泵系列将能够满足广泛的需求。

本发明中提供的涡旋式泵设计能够在上述条件下可靠运行并具有较长的使用寿命。所公开的涡旋式泵能够以最小的过冷度(NPSH)泵送流体。在原型试验中，随着氟碳化合物流体R-134a的入口过冷度从20°F降低到2°F，流体流量没有减少。即使只有1°F过冷，泵的流量也只减少了20％。

机械设计挑战的实质是以一种方式驱动沿轨道运动的涡旋部件的轨道运动，该方式保持两个涡旋元件的主动流体泵送表面之间的紧密间隙，同时避免或最小化导致摩擦和磨损的接触。根据某些方面，在涡旋泵送装置内有五组具有机械加载的相对运动的表面：

·涡旋元件的轴向面对的表面(涉及较大的流体压力)

·涡旋侧壁(即侧面)之间的径向接触(涉及适度压力和惯性力)

·假设使用欧氏联轴节保持一个涡旋相对于另一个涡旋的正确角向对齐，欧氏联轴节的键和槽之间的滑动接触(涉及适度压力和惯性力)

·将驱动轴的旋转运动转化为沿轨道运动的涡旋部件的轨道运动的旋转轴承(“涡旋驱动轴承”，重载)

·支承驱动轴的旋转轴承(重载)

通过向包含轨道驱动机构的空间施加泵排放压力，导致相同的压力施加在沿轨道运动的涡旋部件的背面，将其推向固定涡旋部件，使两个涡旋元件之间的轴向(顶端)间隙最小。然后，顶端间隙减小到已制造的两个涡旋轴向面对的表面的尺寸公差所产生的间隙。但是，这会导致两个涡旋元件之间产生较大的接触力，从而导致过度的摩擦损失和磨损。通过在两个涡旋构件上结合第二对涡旋元件来提供被泵送液体的薄膜，第二对涡旋元件的唯一目的是将足够的流体泵送到两个涡旋构件的止推轴承区域以提供所述薄膜。流体膜厚度通常小于0.001英寸(25微米)，两个泵送涡旋之间的平均轴向间隙相似。

两个涡旋之间适度的径向接触力由上述存在于两个涡旋之间的每个侧面接触点的流体动力楔控制。

滑动运动和负载反转产生的流体膜足以处理欧氏键上的适度负载。

轴承和涡旋驱动轴承负载较重。在轨道驱动机构的非润滑、低粘度流体环境中，使用了带有硬化钢座圈和氮化硅陶瓷滚珠的陶瓷滚珠轴承。标准非润滑轴承中的金属滚珠往往会因磨损发生时碎屑从滚珠上脱落并焊接到座圈而失效，而氮化硅陶瓷滚珠则没有这种失效机制。

为了尽量减少流体膜偶尔破裂的破坏，关键构件可选择地具有耐磨层，可选为自润滑涂层或表面处理。可选地，两个涡旋元件和欧氏环由铝合金制成，表面经过硬质阳极氧化并用聚四氟乙烯(PTFE)浸渍。

图1显示了沿轨道运动的涡旋部件1的平面图，包括内泵送涡旋2和外止推轴承涡旋3。沿轨道运动的涡旋2和3从基面4伸出，基面4也充当流体膜止推轴承的一个表面。通孔5在被泵送的液体和包围轨道驱动机构的空间之间提供流体连通(图5)。

图2显示了固定涡旋部件11的平面图，包括内泵送涡旋12和外止推轴承涡旋13。涡旋12和13的顶端彼此共面并与止推轴承表面14共面。孔(入口)15为液体进口，孔(出口)16为液体出口。槽17将加压流体均匀地分布在止推轴承表面14上。

参考图1和2，内泵送涡旋组包括沿轨道运动的涡旋部件1(图1)的内泵送涡旋2和固定涡旋部件11(图2)的内泵送涡旋12，外止推轴承涡旋组包括沿轨道运动的涡旋部件1(图1)的外止推轴承涡旋3和固定涡旋部件11(图2)的外止推轴承涡旋13。沿轨道运动的涡旋部件1(图1)的内泵送涡旋2和/或外止推轴承涡旋3可选地为一圈长。配合的固定涡旋部件11的内泵送涡旋12和/或外止推轴承涡旋13可选地为2圈长。沿轨道运动的涡旋部件1的内泵送涡旋2和/或外止推轴承涡旋3通常被称为“一个或多个沿轨道运动的涡旋”。同样，固定涡旋部件11的内泵送涡旋12和/或外止推轴承涡旋13通常被称为“一个或多个固定涡旋”。

这种非对称配置使得轨道位置的流量变化最小，止推轴承承受的轴向压力变化最小。在某些方面，沿轨道运动的涡旋部件1(图1)的内泵送涡旋2和/或外止推轴承涡旋3的环绕长度为0.75圈到1.25圈长，固定涡旋部件11(图2)的内泵送涡旋12和/或外止推轴承涡旋13的环绕长度为1.75圈到2.25圈长。

图3示出了与固定涡旋部件11(图2)组装在一个示例性代表性轨道位置的沿轨道运动涡旋部件1(图1)的平面截面。沿轨道运动涡旋部件1(未在图3中示出)沿逆时针方向进行轨道运动。内泵送涡旋2——其响应于沿轨道运动涡旋部件1的运动而运动——在固定涡旋部件11的内泵送涡旋12内的这种轨道运动将流体从入口15输送到出口16。沿轨道运动涡旋部件1(图1)的外轨道运动涡旋3在固定涡旋部件11的外止推轴承涡旋13内的一致的轨道运动导致流体被泵送到止推轴承表面14(图2)，提供薄流体膜，从而将沿轨道运动涡旋部件1(图1)的基面4(图1)和固定涡旋表面14隔开约0.0005英寸(12微米)，防止磨损并使摩擦最小化。

图4示出了如图1所示的沿轨道运动涡旋部件1的横截面图。图4中的说明描绘了根据本文所提供的一些方面的在沿轨道运动涡旋部件1上产生的轴向压力平衡。通过作用在朝向轨道驱动机构的第一侧51和朝向涡旋泵送元件的第二侧52上的流体压力的净效应来定位沿轨道运动涡旋部件1。泵出口压力通过孔5(图1)进入轨道驱动单元，并作用于侧51的所有部分。力线110描绘了由于泵出口压力而作用在沿轨道运动涡旋部件1的第一侧51上而产生的力。在沿轨道运动涡旋部件1的侧52上，由包括沿轨道运动涡旋部件1的内泵送涡旋2和固定涡旋部件11的内泵送涡旋12的内泵送涡旋组形成的流体泵送区域(图2和5)产生由力线103描绘的、作用于沿轨道运动涡旋部件1的一部分的泵进口压力，泵出口压力作用于由力线103限定的剩余区域。在泵送涡旋外部，外止推轴承涡旋组包括沿轨道运动涡旋部件1的外止推轴承涡旋3和固定涡旋部件11的外止推轴承涡旋13(图2和5)，外止推轴承涡旋组将足够的流体泵入基面4(图1)表面和止推轴承表面14(图2)之间的止推轴承间隙，以产生足以平衡作用在侧51上的出口压力110的压力(即，由力线102和104描绘的压力)。

图5示出了根据本文提供的一些方面的泵30的水平截面。泵30被配置为泵送液体，例如但不限于低粘度、非润滑液体，诸如氟碳化合物制冷剂。泵30不限于泵送制冷剂。在一些实施例中，泵30可以通过三个通用部件来描述：涡旋泵送元件、轨道驱动机构和电驱动马达。每个部件、涡旋泵送元件、轨道驱动机构和电驱动马达彼此机械地、旋转地和/或流体地连接。

涡旋泵送元件与入口15和出口16连接，入口15和出口16由涡旋端盖33形成。涡旋泵送元件进一步连接到轨道驱动壳体31。轨道驱动壳体31可以被配置为连接到涡旋端盖33和固定涡旋部件11的耐压壳体。涡旋泵送元件包括用于泵送流体的固定涡旋部件11和沿轨道运动涡旋部件1。固定涡旋部件11和沿轨道运动涡旋部件1被布置成能够向止推轴承提供加压流体并且防止固定涡旋部件11和沿轨道运动涡旋部件1的表面之间的接触。在一些实施例中，沿轨道运动涡旋部件1和固定涡旋部件11布置在包括轨道驱动壳体31、马达壳体32、涡旋端盖33和马达端盖34的液体密封壳体内。第二出口35——其例如利用马达端盖34配置——提供用于部分泵送液体流绕过马达定子41并穿过马达定子41和马达转子42之间的间隙的装置，从而冷却电驱动马达。

轨道驱动机构与涡旋泵送元件的出口16流体连通。轨道驱动机构包括驱动轴21、支承驱动轴21的一个或多个驱动轴轴承25和26。轨道驱动机构还可以包括径向顺应曲柄机构23，该曲柄机构23通过枢轴销27连接到驱动轴21，曲柄机构23又通过轨道涡旋轴承24驱动沿轨道运动涡旋部件1的轨道运动。轨道驱动机构中还可以包括欧氏联轴节22。欧氏联轴节22保持沿轨道运动涡旋部件1相对于固定涡旋部件11的正确角向对准。

如上所述，欧氏联轴节可具有耐磨涂层，例如硬质阳极氧化铝。此外，驱动轴轴承25和26和/或轨道涡旋轴承24可以是径向滚珠轴承。径向滚珠轴承可以是陶瓷滚珠，例如氮化硅陶瓷滚珠，或配置在硬化钢座圈内的类似物。在一些实施例中，固定涡旋部件11和/或沿轨道运动涡旋部件1可各自具有耐磨表面。耐磨表面可包括硬质阳极氧化铝。

仍然参考图5中的泵，电驱动马达包括马达定子41和马达转子42。马达转子42可以连接到驱动轴21。也就是说，当马达定子41感应产生电磁场时，马达转子42被驱动旋转，从而使驱动轴21旋转。电驱动马达与轨道驱动机构机械连接。在一些实施例中，马达壳体与轨道驱动机构和/或涡旋泵送元件流体连接。例如，电驱动马达可以用流体空间密封地封闭。第二出口35可以从轨道驱动机构和/或涡旋泵送元件分配(即，输出)流经马达壳体32和/或电驱动马达的流体。这可以为电驱动马达和马达壳体32内的部件提供冷却。

现在应当理解，本发明涉及能够满足对泵的需求的涡旋式泵，该泵能够处理最小过冷的液态制冷剂和类似的传热流体。本文提供的涡旋泵利用了一对啮合的涡旋之间的相对运动，这对涡旋以轨道方式运动，其中一个涡旋相对于另一个涡旋以小圆周、低速沿轨道运动。例如，但不限于此，本发明的液体泵包括耐压壳体、入口、出口、涡旋泵送元件和轨道驱动机构。涡旋泵送元件包括具有一个或多个固定涡旋的固定涡旋部件和具有用于泵送流体的一个或多个沿轨道运动的涡旋的沿轨道运动涡旋部件。固定涡旋部件和沿轨道运动涡旋部件被布置成能够向止推轴承提供加压流体并且防止固定涡旋部件和沿轨道运动涡旋部件之间的接触，其中轨道驱动机构与出口流体连通。

公开的实施例可以以许多不同的形式实施，并且本公开不应被解释为限于本文所述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达本发明的范围。相同的附图标记始终指代相同的元件。

应当理解，尽管这里可以使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些元件、部件、区域、层和/或部分不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件、部件、区域、层或部分与另一个元件、部件、区域、层或部分。因此，下文讨论的“第一元件”、“部件”、“区域”、“层”或“部分”可被称为第二元件、部件、区域、层或部分而不脱离本文的教导。

本文中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不旨在限制。如本文所使用的，单数形式“一”、“一种”和“所述”旨在包括复数形式，包括“至少一个”，除非内容另有明确指示。“或”是指“和/或”。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出项目的任意和所有组合。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包含”或者“包括”规定了所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。将进一步理解，术语——诸如在常用词典中定义的那些术语——应被解释为具有与其在相关领域和本公开的上下文中的含义一致的含义，并且除非在此明确地这样限定，否则将不以理想化或过于正式的意义来解释。

虽然本发明已参照示例性实施例进行了描述，但本领域技术人员应理解，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种更改，并且可以用等同物替代其元件。此外，可做出许多修改以使特定情况或材料适应本发明的教导而不脱离本发明的基本范围。因此，应注意，本发明不限于作为实施本发明的最佳模式而公开的特定实施例。