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PERFECTIONNEMENTS AUX COMPRESSEURS ET ANALOGUES
La présente invention est relative à des compresseurs ou pompes à air ou autre fluide du type ayant une pluralité de pistons disposés de manière à travailler dans un cylindre commun ou enveloppe et qui sont rapprochés l'un de l'autre pendant qu'ils se meuvent dans la même direction pendant la course de travail effectif ou compression.
Suivant une proposition antérieure, un mécanisme du type ci-dessus a été appliqué dans un compresseur à air dans lequel deux pistons adaptés à comprimer de l'air entreux étaient reliés à des points espacés sur un élément pivotant de telle manière qu'à la fin de la course de compression les pistons prenaient une position verrouillée ou parfaitement balancée, par le fait que les bras de l'élément pivotant avaient des leviers égaux.
L'invention consiste en un compresseur ou pompe à air
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ou autre fluide, dans lequel une paire de pistons ayant des courses différentes sont animés d'un mouvement alternatif dans un cylindre pour comprimer le fluide entre eux, et caractérisé par la disposition de deux étages de compression dans un seul cylindre, en effectuant une compression préalable entre l'un des pistons et un couvercle d'extrémité du cylindre, tandis que le second étage de la compression est réalisé entre deux pistons qui àe plus sont reliés à un élément moteur ou à des éléments moteurs de telle manière que les pistons sont ramenés substantiellement,, mais de préférence d'une manière non complète, en équilibre à l'extrémité de la course.
Un élément moteur os- cillant ou rotatif commun peut être disposé pour les pistons, et arrapgé de manière à former des bras de levier inégaux ou déterminés d'avance lorsque les deux pistons sont à l'extrémité de leurs courses.
Suivant un autre trait de l'invention deux pistons sont reliés à des points espacés sur un élément moteur commun oscillant ou rotatif, la distance de l'un des dits points de connexion espacés de son pivot fixe sur l'élément moteur étant variable pendant la course. Ceci peut être effectué au moyen d'un bloc mobile dans des guides, tels qu'une encoche, sur l'élément moteur, le dit bloc étant relié par une bielle à l'un des pistons et par une deuxième bielle à un pivot fixe.
Les deux extrémités du cylindre peuvent être fermées par des couvercles et de l'air comprimé dans une des chambres ainsi formées peut être délivré par une soupape actionnée par ressort du coté aspiration de l'autre piston pour donner un effet de surcharge, ou bien l'air comprimé dans une telle cham- bre peut être utilisé pour une partie du premier étage de compression et dans ce cas l'air est conduit à la chambre inter- médiaire de refroidissement avant d'entrer dans la deuxième partie d'étage du cylindre.
Une soupape contrôlable suivant la pression d'alimen- tatior, peut être disposée, cette soupape étant adaptée à
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admettre de l'air atmosphérique directement dans l'espace entre les pistons, en interrompant ainsi le premier étage de compres- sion lorsque la demande tombe en dessous d'une valeur déterminée.
En se reportant aux dessins ci-joints
Fig. 1 est une élévation sectionnelle d'un compresseur à air à deux étages construit suivant l'invention ; Fig. 2 est une élévation sectionnelle schématique montrant une forme modifiée de mécanisme d'actionnement des pistons ;
Fig. 3 est une élévation sectionnelle fragmentaire montrant le dispositif de surcharge.
En réalisant l'invention dans la pratique, par exemple à un compresseur à, air à deux étages, un cylindre 1 est supporté par un châssis convenable 2 et est muni de deux pistons 3 et 4 entre lesquels de l'air peut être comprimé. Le mouvement est donné aux pistons au moyen d'un élément moteur oscillant qui com- prend une paire de bras 5 et 6 fixés à un moyeu oscillant autour d'un arbre 7 sur un tourillon à billes ou à rouleaux 8. Dans cet exemple les bras font un angle au sommet d'environ 63 ,mais cet angle peut être varie* si on le désire. Le bras le plus long 5 est relié au moyen d'une bielle courte 9 à la cheville 10 d'une crosse 11 qui glisse dans des guides 12, la crosse ayant de préférence la forme d'un piston et étant connectée au moyen d'une tige de piston 13 au piston inférieur 4.
Le bras plus court 6 est relié au moyen d'une bielle longue 14 au piston supérieur 3, dont la.cheville 15 se prolonge latéralement par une encoche convena- ble 16 dans les parois du cylindre. Les divers bras et bielles sont dédoublés de préférence pour donner des réactions symétri- ques. Avec les parties dans la position montrée, les deux pistons étant à l'extrémité de leur course ascendante, la bras 5 fait un angle d'environ 30 avec l'horizontale. Lorsque les pistons sont espacés de la distance maxima, c'est-à-dire au commencement de la course de travail effectif, le bras plus court 6 se trouve à
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quelques degrés au-delà de la verticale comme indiqué par le point 17 dans la Fig.l.
De l'énergie produite par une source con- venable quelconque, telle qu'un moteur électrique par exemple, est appliquée au compresseur par un arbre 18 et manivelle 19 qui est reliée à la crosse 11 par une bielle 20, et l'on verra que lorsque le piston 4 se trouve dans la position la plus basse, une rotation de la manivelle 19 fera les pistons 3 et 4 se mouvoir dans la même direction mais à des vitesses différentes, le piston 4 dépassant le piston supérieur 3 jusqu'à ce que les diverses parties atteignent la position dans laquelle elles sont montrées dans la figure. Dans cette position ou près de cette position les bielles 9 et 14 tireront dans des directions opposées sur les extrémités des bras de manivelle 5 et 6 à cause de la pression de l'air ou autre fluide comprimé entre les pistons.
Puisque les bras ont des longueurs inégales la force exercée par le fluide comprimé sera équilibrée en partie mais une petite force non balancée restera, dont le but sera expliqué ci-après.
L'extrémité inférieure du cylindre 1 est fermée par un couvercle 21 qui peut être muni d'un bourrage convenable pour la tige de piston 13. Le cylindre et le couvercle sont à refroi- dissement d'eau, comme montré.
De l'air est de préférence admis pendant la course (as- pirante) ascendante du piston 4 en 22 et passe par une soupape d'entrée (non montrée) dont le siège est en 23 et une lumière d'entrée 24 à l'extrémité inférieure du cylindre. Pendant la course descendante du piston l'air est déchargé par 24 à une soupape de décharge dont le siège est en 25 et passe de là par un passage 28 qui est à refroidissement d'eau et est utilisé comme chambre de refroidissement intermédiaire, et peut être munie de tubes de refroidissement si on le désire, et passe ensuite par une deuxième soupape d'admission au deuxième étage dont le siège est en 27, dans l'espace entre les pistons au moyen de la lumière
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28.
Dans la aourse suivante ascendante du piston 4 un étage final de compression est réalisé entre les deux pistons, et l'air com- primé est déchargé par une soupape dont le siège est en 29 à une aonnexion de décharge convenable 30. Les soupapes ne sont pas montrées dans les dessins, niais il est bien entendu qu'on peut employer un type convenable de soupape. Des couvercles amovibles 31 et 32 permettent une inspection et enlèvement faciles des soupapes.
L'on verra de la description qui précède que deux étages de compression sont obtenus en un seul cylindre, et que tandis que les pistons sont en équilibre partiel à l'extrémité de la aourse de compression finale, en réduisant ainsi fortement l'effort maximum requis pour la compression, il reste une petite force non équilibrée en ce point, qui peut être utilisée pour résister à l'inertie des masses qui se meuvent et aider leur renversement de direction et retour. L'on trouve qu'en fournissant de cette manière un léger équilibre différentiel, le rendement et marche générale du compresseur sont fortement améliorés.
De plus, l'incli- naison particulière choisie pour les bras donne un arrêt ou période de presqu'arrêt pour le piston 4 lorsque le bras 6 est dans le voisinage du point 17 et cet arrangement permet de réduire la longueur totale du cylindre. L'on verra facilement qu'en faisant varier l'angle des bras de manivelle b et 6, il est possible d'ob- tenir des rapports différents entre les volumes du cylindre pour le premier et le second étage, en obtenant ainsi un effort de mani- velle pratiquement uniforme pour tout le cycle des opérations.
Suivant une forme modifiée de construction, un double effet peut être obtenu en formant deux pistons à longue course, semblables au piston 4, travaillant des côtés opposés d'un piston d'équilibre 3, les connexions aux manivelles étant faites d'une manière semblable à celle déjà décrite. Egalement lorsqu'on le désire, un double effet peut être obtenu en renversant les connexions
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des pistons aux leviers de manivelle décrits ci-dessus, et en formant un piston à longue course travaillant entre deux pistons d'équilibre à petite course,,
Une forme modifiée de mécanisme d'actionnèrent peur un compresseur du type général décrit ci-dessus est montré schéma- tiquement dans la Fig 2,
dans laquelle 40 et 41 sont deux pis- tons travaillant dans un cylindre commun et adaptés à comprimer de l'air ou un autre fluide, entr'eux. Le piston 41 porte une tige 42 fixée à une crosse 43 dans laquelle est fixée une chevil- le 44. Un bras rainuré 45 fixé à pivotement en 46 au châssis du compresseur, engage la cheville 44. Le bras. 45 est fixé rigide- ment à un second bras 47 muni d'une longue encoche 48, l'angle entre les deux bras étant dans ce cas d'environ 30 .
Le piston supérieur 40 est connecté par une manivelle, ou des manivelles à un bloc 39 glissant dans l'encoche 48 et ce bloc est également relié par une bielle 49 à un pivot fixe 50 sur le châssiso
L'arrangement des divers éléments est tel que lorsque les deux pistons sont ensemble, c'est-à-dire dans la position montrée dans la figure et qui est le point ce compression maxima, les deux bras de manivelle se trouvent de préférence au-dessus d'un plan horizontal passant par le pivot fixe 50. L'actionnement de la crosse 43 peut se faire de toute manière convenable, et l'on verra que par une rotation partielle de la manivelle à double bras 45, 47, le piston inférieur 41 sera déplacé d'une distance déterminée par le rayon du bras 45.
Le bras 47 se déplacera du même angle, mais par le fait que le bloc 39 est sous la dépen- dance de la manivelle 49, il traversera l'encoche 48 et de cette manière le piston 40 sera actionné par un bras de rayon progres- sivement décroissant avec ce résultat que le piston supérieur ne se déplacera pas aussi loin que le piston inférieur. Pendant la course de compression ces mouvements auront lieu dans l'ordre inverse et l'air sera comprima entre les deux pistons, et il y
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aura un équilibre partiel au moins lorsque le point de compres- sion maxima a été atteint.
La variation dans la longueur effective d'un des bras de levier pendant la course par les moyens décrits ci-dessus permet d'obtenir une série relativement grande de rapports de compression. D'une manière semblable elle permet d'obtenir une quantité variable de mouvement entre les deux pistons et d'amener les forces actionnant chaque piston en équilibre à toute partie désirée de la course en faisant varier convenablement la position du pivot fixe 30.
Dans les exemples décrits ci-dessus l'extrémité supé- rieure du cylindre a. été supposée ouverte à l'atmosphère, maie suivant la modification illustrée dans la Fig. 3, cette extrémité du cylindre est fermée et peut être employée à effectuer une compression préalable de l'air pour surcharger ou lorsqu'on désire réaliser une compression de premier étage semblable à celle obte- nue du coté inférieur du piston inférieur. Dans le premier cas, dans sa forme la plus simple le piston supérieur présente un enfoncement qui est fermé par une plaque 52.
Un couvercle 53 est prévu à l'extrémité supérieure du cylindre et est muni d'une soupape d'admission légère 54 mise sous l'action d'un ressort et une connexion à tuyau 55 menant à la chambre de cylindre inférieure par une soupape de retenue 57 qui est actionnée par ressort pour s'ouvrir à une pression déterminée. Les pistons peuvent être actionnés par n'importe lequel des moyens décrits ci-dessus.
Pendant la course descendante du piston 51 de l'air est aspiré par la soupape 54 et pendant la course de retour du piston, lors- que le piston inférieur fait aspirer de l'air dans l'espace 56, 1 air dans l'espace supérieur est comprimé et à un mouvement déterminé pendant la course, est déchargé sous pression par la soupape 57 pour compléter l'air déjà aspiré dans l'espace 56. De cette manière le rendement volumétrique du compresseur est
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amélioré et de plus un effet amortisseur est obtenu à la fin de la course de travail. Lorsqu'on utilise la surcharge, on prévoit de préférence un réservoir d'air intermédiaire ou refroidisseur,dans lequel l'air de surcharge est reçu avant d'être admis dans le cylindre au point désiré.
Dans les cas où lair est comprimé à la pression du pre- mier étage l'air est admis d'abord dans l'espace intermédiaire de refroidissement et ensuite dans 1'espace du second étage du cylindre du compresseur.
Suivant un autre trait caractéristique de l'invention un compresseur à deux étages, tel que celui montré dans la Fig.l peut-être muni d'un dispositif pour couper automatiquement l'un des étages de la compression lorsque la demande d'air tombe en- dessous d'une valeur déterminée. Cet effet peut être produit par une soupape d'admission supplémentaire disposée à s'ouvrir direc- tement dans le passage 26. Cette soupape peut être contrôlée par un relai qui dépend des conditions d'alimentation lequel, lors- qu'il est ouvert, admet de l'air directement dans l'espace entre les pistons de sorte que le compresseur travaille alors seulement avec un seul étage.
Le relai fonctionne lorsque la pression dans la conduite principale d'alimentation ou réservoir s'élève à un maximum déterminé, et inversement il ouvre l'admission dans la conduite principale 22 lorsque la pression tombe à un minimum déterminé.
Alternativement, des moyens peuvent être prévus pour décharger le compresseur en tenant ouverte la soupape d'aspira- tion de premier étage lorsque la pression dans le réservoir atteint une valeur maxima. De tels moyens peuvent également être employés pour faciliter le démarrage.
Il est bien entendu que l'invention n'est pas limitée aux compresseurs ou pompes ayant seulement deux étages de com- pression, mais qu'en ajoutant d'autres pistons ou cylindres le nombre d'étages peut être augmenté suivant les besoins.
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L'invention peut également être appliquée au type semi-rotatif de pompe, soit à simple, soit à double-effet.
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IMPROVEMENTS TO COMPRESSORS AND ANALOGUES
The present invention relates to compressors or pumps for air or other fluid of the type having a plurality of pistons arranged to work in a common cylinder or casing and which are brought together as they move. in the same direction during the actual working stroke or compression.
According to an earlier proposal, a mechanism of the above type has been applied in an air compressor in which two pistons adapted to compress incoming air were connected at spaced points on a pivoting member such that at the end from the compression stroke the pistons assumed a locked or perfectly balanced position, by the fact that the arms of the pivoting member had equal levers.
The invention consists of a compressor or air pump
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or other fluid, in which a pair of pistons having different strokes are reciprocated in a cylinder to compress the fluid between them, and characterized by providing two compression stages in a single cylinder, effecting compression between one of the pistons and an end cover of the cylinder, while the second stage of compression is carried out between two pistons which are moreover connected to a driving element or to driving elements in such a way that the pistons are brought back substantially, but preferably not completely, in equilibrium at the end of the stroke.
A common oscillating or rotating driving element may be arranged for the pistons, and tilted so as to form unequal or predetermined lever arms when the two pistons are at the end of their strokes.
According to another feature of the invention two pistons are connected at spaced points on a common oscillating or rotating motor element, the distance from one of said spaced connection points from its fixed pivot on the motor element being variable during the race. This can be done by means of a movable block in guides, such as a notch, on the driving element, said block being connected by a connecting rod to one of the pistons and by a second connecting rod to a fixed pivot. .
Both ends of the cylinder can be closed with lids and compressed air in one of the chambers thus formed can be delivered by a spring-actuated valve on the suction side of the other piston to give an overload effect, or else l Compressed air in such a chamber can be used for part of the first stage of compression and in this case the air is led to the intermediate cooling chamber before entering the second part of the cylinder stage. .
A valve which can be controlled according to the supply pressure, can be arranged, this valve being adapted to
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admit atmospheric air directly into the space between the pistons, thus interrupting the first compression stage when the demand falls below a determined value.
Referring to the attached drawings
Fig. 1 is a sectional elevation of a two-stage air compressor constructed in accordance with the invention; Fig. 2 is a schematic sectional elevation showing a modified form of piston actuation mechanism;
Fig. 3 is a fragmentary sectional elevation showing the overload device.
By realizing the invention in practice, for example to a two-stage air compressor, a cylinder 1 is supported by a suitable frame 2 and is provided with two pistons 3 and 4 between which air can be compressed. The movement is given to the pistons by means of an oscillating drive element which comprises a pair of arms 5 and 6 attached to a hub oscillating around a shaft 7 on a ball or roller journal 8. In this example the arms make an angle at the top of about 63, but this angle can be varied * if desired. The longer arm 5 is connected by means of a short connecting rod 9 to the pin 10 of a butt 11 which slides in guides 12, the butt preferably having the shape of a piston and being connected by means of a piston rod 13 to the lower piston 4.
The shorter arm 6 is connected by means of a long connecting rod 14 to the upper piston 3, the pin 15 of which extends laterally through a suitable notch 16 in the walls of the cylinder. The various arms and connecting rods are preferably split in order to give symmetrical reactions. With the parts in the position shown, with both pistons at the end of their upstroke, arm 5 makes an angle of about 30 with the horizontal. When the pistons are spaced the maximum distance apart, that is to say at the beginning of the effective working stroke, the shorter arm 6 is at
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a few degrees beyond the vertical as indicated by point 17 in Fig.l.
Energy produced by any suitable source, such as an electric motor for example, is applied to the compressor by a shaft 18 and crank 19 which is connected to the cross member 11 by a connecting rod 20, and we will see that when the piston 4 is in the lowest position, a rotation of the crank 19 will cause the pistons 3 and 4 to move in the same direction but at different speeds, the piston 4 exceeding the upper piston 3 until that the various parts reach the position in which they are shown in the figure. In or near this position the connecting rods 9 and 14 will pull in opposite directions on the ends of the crank arms 5 and 6 due to the pressure of air or other compressed fluid between the pistons.
Since the arms have unequal lengths the force exerted by the compressed fluid will be partially balanced but a small unbalanced force will remain, the purpose of which will be explained below.
The lower end of cylinder 1 is closed by a cover 21 which may be provided with a suitable packing for the piston rod 13. The cylinder and cover are water cooled, as shown.
Air is preferably admitted during the upward (suction) stroke of the piston 4 at 22 and passes through an inlet valve (not shown) whose seat is at 23 and an inlet lumen 24 at the bottom. lower end of the cylinder. During the downward stroke of the piston the air is discharged through 24 to a relief valve, the seat of which is at 25 and passes from there through a passage 28 which is water-cooled and is used as an intermediate cooling chamber, and can be fitted with cooling tubes if desired, and then pass through a second inlet valve on the second stage whose seat is at 27, in the space between the pistons by means of the lumen
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28.
In the next upward stroke of the piston 4 a final compression stage is produced between the two pistons, and the compressed air is discharged through a valve whose seat is at 29 to a suitable discharge connection 30. The valves are not not shown in the drawings, but it is understood that a suitable type of valve can be used. Removable covers 31 and 32 allow easy inspection and removal of the valves.
It will be seen from the above description that two compression stages are obtained in a single cylinder, and that while the pistons are in partial equilibrium at the end of the final compression stroke, thus greatly reducing the maximum force required for compression, a small unbalanced force remains at this point, which can be used to resist the inertia of the moving masses and assist their direction reversal and return. It is found that by providing a slight differential balance in this manner, the efficiency and general operation of the compressor are greatly improved.
In addition, the particular inclination chosen for the arms gives a stop or near-stop period for the piston 4 when the arm 6 is in the vicinity of the point 17 and this arrangement makes it possible to reduce the total length of the cylinder. It will easily be seen that by varying the angle of the crank arms b and 6, it is possible to obtain different ratios between the volumes of the cylinder for the first and the second stage, thus obtaining a force practically uniform handle for the entire cycle of operations.
In a modified form of construction, a double effect can be achieved by forming two long stroke pistons, similar to piston 4, working on opposite sides of a balance piston 3, the connections to the cranks being made in a similar manner. to that already described. Also when desired, a double effect can be obtained by reversing the connections.
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pistons to the crank levers described above, and forming a long stroke piston working between two short stroke balance pistons ,,
A modified form of mechanism to operate a compressor of the general type described above is shown schematically in Fig 2,
wherein 40 and 41 are two pistons working in a common cylinder and adapted to compress air or other fluid therebetween. The piston 41 carries a rod 42 fixed to a stick 43 in which is fixed a pin 44. A grooved arm 45 pivotally fixed at 46 to the frame of the compressor engages the pin 44. The arm. 45 is rigidly attached to a second arm 47 provided with a long notch 48, the angle between the two arms being in this case about 30.
The upper piston 40 is connected by a crank, or cranks to a block 39 sliding in the notch 48 and this block is also connected by a connecting rod 49 to a fixed pivot 50 on the chassis.
The arrangement of the various elements is such that when the two pistons are together, that is to say in the position shown in the figure and which is the point of this maximum compression, the two crank arms are preferably located at- above a horizontal plane passing through the fixed pivot 50. The actuation of the stick 43 can be done in any suitable manner, and it will be seen that by a partial rotation of the double-arm crank 45, 47, the piston lower 41 will be moved a distance determined by the radius of arm 45.
The arm 47 will move at the same angle, but by the fact that the block 39 is under the dependence of the crank 49, it will pass through the notch 48 and in this way the piston 40 will be actuated by an arm of progressing radius. sively decreasing with the result that the upper piston will not move as far as the lower piston. During the compression stroke these movements will take place in the reverse order and the air will be compressed between the two pistons, and there
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will have partial equilibrium at least when the maximum compression point has been reached.
The variation in the effective length of one of the lever arms during the stroke by the means described above makes it possible to obtain a relatively large series of compression ratios. In a similar manner it allows for a variable amount of movement between the two pistons and to bring the forces operating each piston into equilibrium at any desired part of the stroke by suitably varying the position of the fixed pivot 30.
In the examples described above, the upper end of cylinder a. was assumed to be open to the atmosphere, but following the modification illustrated in FIG. 3, this end of the cylinder is closed and can be used to pre-compress the air to overload or when it is desired to achieve a first stage compression similar to that obtained from the lower side of the lower piston. In the first case, in its simplest form the upper piston has a recess which is closed by a plate 52.
A cover 53 is provided at the upper end of the cylinder and is provided with a light, spring-loaded inlet valve 54 and a pipe connection 55 leading to the lower cylinder chamber through a relief valve. retainer 57 which is spring-actuated to open at a determined pressure. The pistons can be actuated by any of the means described above.
During the downward stroke of the piston 51 air is sucked in by the valve 54 and during the return stroke of the piston, when the lower piston draws air into the space 56, 1 air into the space higher is compressed and at a determined movement during the stroke, is released under pressure by the valve 57 to complete the air already drawn into the space 56. In this way the volumetric efficiency of the compressor is
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improved and more a damping effect is obtained at the end of the working stroke. When using the overload, there is preferably provided an intermediate air tank or cooler, into which the overload air is received before being admitted into the cylinder at the desired point.
In cases where the air is compressed to the first stage pressure the air is admitted first to the intermediate cooling space and then to the second stage space of the compressor cylinder.
According to another characteristic feature of the invention a two-stage compressor, such as that shown in Fig. 1, may be provided with a device for automatically cutting off one of the compression stages when the demand for air falls. below a determined value. This effect can be produced by an additional inlet valve arranged to open directly into passage 26. This valve can be controlled by a relay which depends on the supply conditions which, when opened, admits air directly into the space between the pistons so that the compressor then works only with one stage.
The relay operates when the pressure in the main supply line or reservoir rises to a determined maximum, and conversely it opens the inlet in the main line 22 when the pressure drops to a determined minimum.
Alternatively, means may be provided for unloading the compressor by keeping the first stage suction valve open when the pressure in the reservoir reaches a maximum value. Such means can also be employed to facilitate starting.
It is understood that the invention is not limited to compressors or pumps having only two compression stages, but that by adding other pistons or cylinders the number of stages can be increased as required.
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The invention can also be applied to the semi-rotary type of pump, either single-acting or double-acting.