CN100387837C - 活塞行程与电机功率无关的高压缩比型活塞式压缩机 - Google Patents

Abstract

一种活塞行程与电机功率无关的超高压缩比型活塞式压缩机，是在CN 86104569A技术基础上经改进后实现的：以直线电机为动力；允许活塞冲出气缸的行程控制方式；由活塞两端的压力差做无电力换向启动功的方式；其特征是：还采用了余隙容积等于零的设计方案和采用了水冷式散热设计方案；本机型的电机功率只与涉及出力大小的活塞直径有关，而与涉及排气量的活塞行程无关。可以变多级压缩系统为单级压缩系统就是本发明典型的工程应用实例。

Description

活塞行程与电机功率无关的高压缩比型活塞式压缩机

技术领域：

本发明涉及超长行程低往复频率的特种压缩机技术。

背景技术：

现有的活塞式压缩机的驱动方式主要由旋转电机或直线电机来完成的。

CN 86104569A公布了一种由直线电机驱动的，处于超长行程和低频率运行的电机功率与活塞行程无关的高压缩比机型，这是由于它突破了常规压缩式机型存在的：活塞直径、活塞行程和电机功率三者之间存在着“最佳联锁关系”的缘故，即：当涉及出力大小的活塞直径和电机功率确定后，活塞行程就不能再加长了的缘故。其不足之处是：

1.它采用的空气自然冷却式散热设计方案结构虽然简单，但其散热效果不理想。

2.它通过依靠超长的活塞行程大幅度地提高了它的容积余隙效率，形成了超高工作压缩比的工作状态，然而，还没有充分利用这种机型的活塞可以顶着排气阀冲出汽缸的特点和有利条件，通过在其结构配合形状上实现更进一步缩小其余隙容积，更大幅度地充分发挥其提高工作压缩比的可能性。因为，现有的机加工条件往往是制约汽缸超长尺寸设计的主要原因。

发明内容：

本发明之目的：针对CN 86104569A技术的上述二点不足而提出的整体改进设计方案。

为了实现本发明之目的，拟采用以下的技术：

其设计方案的特点：

A.采用直线电机中动子部件驱动活塞做直线往复运动；

B.外设散热装置的气缸的排气端口部位对活塞采用不封顶而完全敞开的设计；

C.控制直线电机往复运行的电源转换开关装置的工作过程设计：当活塞做压缩和吸气功时，它持续供电做电力功，当活塞换向启动时，它停止供电避免电力做功；

D.采用当活塞直径和电机功率确定后，气缸中的活塞行程是其直径的1.8倍以上；

E.允许活塞冲出气缸大幅度降低行程控制要求的设计：此时活塞依靠自身的惯性顶着排气阀片冲出气缸，之后又依靠气缸端部至少是已形成的高压压力来约束其行程变化的范围，在此约束活塞继续行进的过程中，由压差力直接做功，而电力不做功；

F.当活塞换向启动时的无需电力做启动功的设计：此时，依靠在二个活塞端部已经形成的高低压力差来驱动它们换向并反向加速到速度V，在此过程中，仍然由压差力直接做功，而电力不做功。只有当活塞反向加速到V之后，电力才开始恢复做功，重新驱动二个活塞做压缩和吸气功；

对于上述高压缩比机型设计方案的改进之处在于：

G.气缸外侧采用的是水冷散热装置，并且，它由导流兼散热的螺旋导流体构成；

H.当气缸的缸口和活塞的顶部，二者同时与排气阀片接触时，它们三者之间不会形成任何立体几何形状的余隙空间。

本发明与现有技术比较的特点：

1.由于本发明的电机功率只与涉及出力大小的活塞行程有关，而与涉及容积余隙效率的活塞行程无关，根据需要和可能，可以在电机功率和活塞直径不变的前提下，通过活塞行程的尽量加长(缩小余隙比列)来大幅度提高本发明的工作压缩比或排气效率创造了条件；

2.由于本发明的活塞正常运行时的换向启动功，是依靠压差力来完成的，并同时能避免电力参与做活塞这个换向启动功，这就为使得直线电机应用于活塞往复式压缩机这类往复型机械装置创造了条件；

3.由于本发明运行状态(长行程和低频率)所决定，它的直线电机动子和定子之间的气隙可以做得极小，使得直线电机应用在本发明时可以发挥出最大的电效率创造了条件；

4.采用对活塞实施水冷的设计效果肯定好于空气自然冷却的设计效果，这为实施本发明的超高工作压缩比创造了有利的“冷却”条件；

5.采用对活塞、气缸和排气阀片三者构成了无气隙型的排气方案设计，这为本发明不涉及余隙效率问题(余隙为“零”)，更大幅度地提高其工作压缩比又创造了条件。

附图说明：

图1示意了本发明的一个实施例的结构原理图。

图2是实施例中的供电原理图。

1：气缸盖；2：水冷散热装置；3：限位弹簧；4：吸气阀；5：活塞；6：定子绕组；7：动子部件；8：低压气室；9：轴承；10：气缸；11：排气阀片；12：联杆；13：电源转换开关装置；14：底座；15：万向节；16：导流兼散热的螺旋导流体；17：高压气室；T：电力做功的时间段；t：避免电力做功的时间段。

具体实施方式：

由图1所示：

本发明中的定子绕组6和动子部件7组成了交流直线电机驱动机构，交流电是通过在定子绕组6上产生的横向水平移动磁场，来驱动动子部件7作横向水平运动的。而动子部件7又是通过联杆12两端的万向节15来促使它们两端的活塞5分别做压缩功和吸气功的。限位弹簧3的主要功能是使排气阀片11定位。高压气室17由气缸10的端部位置与气缸盖1构成。

两端的活塞5正在右行时：在左侧气缸10中的活塞5，通过它中间开启的吸气阀4，正从低压气室8中吸气(吸气方法为顺流式)，而在右侧气缸10中的活塞5，正顶着排气阀片11冲出气缸10。此时，已将在右侧气缸10中被压缩成的高压气体，全部从气缸10中排出。

由于允许活塞5冲出气缸10，就可以大幅度地降低对活塞5行程控制的要求，这是本发明之所以能够成立的一个重要的技术保证。

当活塞5冲出气缸10开始，电源转换开关装置13即停止供电，由于左右二个活塞5两端主要是高低压差力的作用，很快会迫使活塞5停止右行，并立即反方向开始左行。当左行的活塞5又被那个高低压差力加速到具有最高的速度V时(之后若再无电力做功就会开始减速)，电源转换开关装置13才开始恢复供电(相反极性供电)，定子绕组6和动子部件7之间促使相互位移的电动力产生，让左侧的活塞5开始做压缩功，而右侧的活塞5做吸气功，直到左侧的活塞5在顶着排气阀片11冲出气缸10时，电源转换开关装置13才停止供电，又开始重复主要由高低压差力趋动的活塞5换向启动的过程。

上述活塞5左右运行过程中的这个开始停止供电的时刻，可以选择在活塞5在顶着排气阀片11冲出气缸10时的稍前或稍后的时间段内调制。

确保电力避免参与做活塞5正常运行时的周期性“换向启动功”，是本发明之所以能够成立的另一个重要的技术保证。

当然，只有当压缩机刚开始工作，并且，其机体内部的高低压差(工作压缩比)尚未到达额定值之前，活塞5的这个“初始”的“换向启动功”才完全由电力做功来完成。

由图2所示：

当一端的活塞5做压缩功和之后的排气功，而另一端的活塞5做吸气功时的行程段内，是电力做功的时间段T。

当一端的活塞5做纯排气功而另一端的活塞5仍在做吸气时，即：活塞5顶着排气阀片11冲出气缸10时的过程时间段内，以及在此之后的活塞5，被两端压力整驱动做“换向启动功”而另一端的活塞5已开始做初期压缩功时的过程时间段内，是避免电力做功的时间段t。

电源转换开关装置13需自动变换供电极性，才能趋使活塞5做换向启动功。

本发明的关键在于以下的设计改进问题：

1.由于本发明中驱动活塞5运行的动子部件7是处于低频且低速状态下运行的，因此，定子绕组6和动子部件7之间的气隙可以做得极小，甚至小于同量级的旋转电机的水平，这样处理后的电磁效率将会得到很大的提高，于提高直线电机的电效率是极其有利的，这可以弥补直线电机存在着边端效应问题所造成的不利。

2.由于本发明是一种在工程上，能够将现有的需要多级压缩过程的压缩系统简化为单级压缩系统的机型，因此，在超高压缩比的工况下，其冷却系统应该采用效果较好的水冷散热装置2，为了再提高其冷却效果，还可以进而提高冷却水的流速和降低冷却水的水温。

3.由于本发明的活塞5可以顶着排气阀片11出进气缸10，这就为实现它们三者之间的无余隙空间的设计创造了条件，这一点改进，对于不涉及到余隙问题的本发明，在确保本发明机型实际制造时由于现有机加工条件的限制，即：无法制造出超长尺寸的气缸10时，在维持大幅度提高其工作压缩比的问题上，有着极其重要的现实意义。------现有的常规活塞往复式压缩机是无法做到无余隙空间的设计。

Claims (1)

1.一种活塞行程与电机功率无关的 高压缩比型活塞式压缩机，

A.采用直线电机中动子部件(7)驱动活塞(5)做直线往复运动；

B.外设散热装置的气缸(10)的排气端口部位对活塞(5)采用不封顶而完全敞开的设计；

C.控制直线电机往复运行的电源转换开关装置(13)的工作过程设计：

当活塞(5)做压缩和吸气功时，它持续供电做电力功，当活塞(5)换向启动时，它停止供电避免电力做功；

D.采用当活塞(5)直径和电机功率确定后，气缸(10)中的活塞(5)行程是其直径的1.8倍以上；

E.允许活塞冲出气缸大幅度降低行程控制要求的设计：

此时活塞(5)依靠自身的惯性顶着排气阀片(11)将冲出气缸(10)，之后又依靠气缸(10)端部至少是已经形成的高压压力来约束其行程变化的范围，在此过程中，由压差力直接做功，而电力不做功；

F.当活塞(5)换向启动时的无需电力做启动功的设计：

此时活塞(5)依靠在二个活塞(5)端部已经形成的高低压力差来驱动它们换向并反向加速到速度V，在此过程中，仍然由压差力直接做功，而电力不做功。只有当活塞(5)反向加速到V之后，电力才开始恢复做功，重新驱动二个活塞(5)做压缩和吸气功；

其特征是：

G.气缸(10)外侧采用的是水冷散热装置(2)，并且，它由导流兼散热的螺旋导流体(16)构成；

H.当气缸(10)的缸口和活塞(5)的顶部，二者同时与排气阀片(11)接触时，它们三者之间不会形成任何立体几何形状的余隙空间。

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