CN101287891A - 凸轮驱动活塞式压缩机 - Google Patents

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Abstract

凸轮驱动活塞式压缩机包括：由电机驱动的一个或多个凸轮，该凸轮适于旋转360度；以及一个或多个凸轮从动件，它们中的每一个与一个凸轮接触。该压缩机还包括：一个或多个活塞，其中每个活塞加装到一个凸轮从动件；一个或多个汽缸，其中每个汽缸环绕着一个活塞；以及与汽缸接触的压缩机端盖。

Description

凸轮驱动活塞式压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机，尤其涉及电力驱动的轴向压缩机。
背景技术
电力驱动的压缩机必须将电机的旋转运动转换为线性运动，以致动一个活塞或一系列活塞产生压缩气体。大多数压缩机借助于曲轴和连杆组件实现此任务，这与内燃机中的情况相类似。这种设计的优点是，具有得到证实的可靠性和高的运行效率。一个主要不足是，在整个循环中连杆需要空间。在用于将气体压缩成通常大于1000psi的高压的多级压缩机中，该不足变得特别明显。通常，用于这些压缩机的较高级中的活塞和汽缸不够大而不能容纳连杆和和它所占据的动态空间。因此，许多设计将活塞行程限制成低于0.5英寸，且在较高压级中使用差动活塞(stepped piston)。这些措施会降低压缩机效率和增加组件的构件数。
压缩机的其他设计利用盘旋头(nutating head)来将旋转运动转换为线性运动。在这些设计中，活塞行进路径与旋转轴线平行。汽车空调压缩机通常使用这种类型的压缩机。此类压缩机的优点在于，它需要较少的匹配空间。此外，连杆，如果有，铰接程度小于与曲轴一起使用的连杆。这使得小直径的活塞比采用曲轴设计具有更大行程。此类型压缩机的一个不足是，活塞往复运动主要依赖滑动，而不是滚动。这增加了系统中的摩擦量，且降低了压缩机总效率。
本发明的一个主要目的是将曲轴驱动压缩机的滚动与盘旋头压缩机中的高活塞行程组合起来。
发明内容
简要的说，本发明的凸轮驱动活塞式压缩机包括由电机驱动的一个或多个凸轮，该凸轮适于旋转360度；以及一个或多个凸轮从动件，它们中的每一个与一个凸轮接触。该压缩机还包括一个或多个活塞，其中，每一个活塞加装到一个凸轮从动件；一个或多个汽缸，其中每个汽缸环绕着一个活塞；以及与汽缸接触的压缩机端盖。
附图说明
下面，通过参看结合附图所作的详细描述，本发明的上述和其他特征和优点、以及它们的实现方式将得到认识和更易于理解，附图包括：
图1是根据本发明的一个实施例的凸轮驱动活塞式压缩机的透视图；
图2是图1的一部分的分解图；
图3是图2中所示的轴向凸轮和一个凸轮从动件的透视图；
图4是具有图2中所示的一个凸轮从动件的一部分的上壳体内部的透视图；
图5是图2中所示的凸轮的透视图；
图6是图2中所示凸轮的上表面高度曲线的曲线图；
图7是图1的一部分的横截面；
图8是根据本发明的第二实施例的凸轮驱动活塞式压缩机的透视图；
图9是图8中所示的凸轮驱动活塞式压缩机的分解图；
图10是图9中所示的凸轮和凸轮从动件的透视图；
图11是压缩机壳体的一部分和图9所示的一个凸轮从动件的局部分解图；
图12是图9中所示的一个活塞的透视图；以及
图13是图9所示的凸轮轴的端部剖视图。
可以理解，为了清楚和适合目的，在附图中已经重复的附图标记表示相应的特征，且在附图中不同的元件不必按比例绘制，以便更好地示出本发明的特征。
具体实施方式
参见图1，根据本发明的凸轮驱动活塞式压缩机10包括电机和变速箱12，下壳体14，上壳体16，三个汽缸18、20和22(在图2中示出)，压缩机端盖24和三个端盖螺钉26。在图1中还示出了形成在上壳体16中的机加工导槽30，通过该导槽30可以看见凸轮从动件32。凸轮从动件外导向轴承34和带肩螺钉36加装到凸轮从动件32。
图2是轴向凸轮压缩机10的一部分的分解图。在图2中示出了下壳体14，推力轴承38，轴向凸轮40，以及跨骑在凸轮40的上唇部46上的三个凸轮从动件32、42和44。每个凸轮从动件32、42和44分别具有相应的活塞杆48、50和52，所述活塞杆48、50和52分别相应地连接到活塞54、56和58、且分别相应地装配在活塞缸18、20和22内，所述活塞缸18、20和22通过端盖螺钉26紧紧地固定到压缩机端盖24上。每个凸轮从动件32、42和44保持着5个轴承：外轴承34、内导向轴承62、与凸轮40的唇部46的上表面接触的两个上凸轮从动件凸轮轴承64、和与凸轮40的唇部46的下表面接触的下凸轮从动件凸轮轴承66。
图3是凸轮40、凸轮从动件44和活塞56的透视图。
图4是凸轮从动件32、42或44中的一个保持在位的上壳体16的内部的透视图。上壳体16包括中心定位的内管部分68，该内管部分68中形成有三个机加工凹槽或导槽70。凸轮从动件32、42和44的内导向轴承62在凹槽70内移动。
在运行过程中，轴向凸轮40将电机和变速箱12的旋转运动转换成用于驱动三个活塞54、56和58的线性运动。当凸轮40旋转时，凸轮从动件32、42和44借助于轴承64和66被使得进行往复运动，所述轴承64和66加装到凸轮从动件上、且分别相应地跨骑在凸轮40的唇部46的上表面和下表面上。凸轮从动件32、42和44借助于分别跨骑在导槽70和30中的内导向轴承62和外导向轴承34被限制成仅仅线性移动，该导槽70和30被加工在上壳体16中。由于凸轮从动件运动是纯粹线性的，因此甚至小直径活塞也可被在大的距离内致动，而没有凸轮从动件接触汽缸壁的危险。虽然来自未被排出汽缸的少量气体的气体压力用于启动活塞的缩回，但当进气压力存在时，它作为主要的缩回力。对于第一级(活塞54和汽缸18)，这是进入压缩机的气体压力，但对于后级(活塞56和汽缸20，活塞58和汽缸22)，其是来自前一级的加压气体(例如，当级1完成它的压缩循环时，从级1流出的气体将使得级2活塞充分缩回)。此效果要求正确的凸轮正时，以高效工作。在进入级1的压力不足的情况下，在图1和8中所示的压缩机10和100分别包括用于辅助第一级活塞缩回的装置。对于压缩机10，凸轮从动件32、42和44在凸轮40的唇部46的下侧具有下凸轮从动件凸轮轴承66，以确保活塞正确地缩回。
图5是凸轮40的透视图，图6是唇部46的上表面72的高度74相对于凸轮40的基部76的圆周76的变化曲线。该曲线具有初始向上倾斜的区域78，紧跟着是较平缓的向上倾斜区域80，然后该区域80之后是向下倾斜区域82。当在汽缸中的气体开始压缩时，需要由电机提供的转矩最小，然后该转矩随着活塞在汽缸中进一步的行进而增加。因此，在区域78中的初始斜率大于在区域80中的斜率，以便与区域78和80具有相同斜率的情况相比，需要电机具有更恒定的转矩。
图7是下壳体14、上壳体16、汽缸18和压缩机端盖24的横截面视图。在图中还示出了凸轮40、凸轮从动件32、以及从来自电机和变速箱12的驱动轴84的横截面。
图8是根据本发明的第二实施例的凸轮驱动活塞式压缩机100的透视图，图9是在图8所示的凸轮驱动活塞式压缩机100的分解图。该凸轮驱动活塞式压缩机包括压缩机端盖组件102，其中插入有三个汽缸：较小直径汽缸104、中等尺寸汽缸106和较大直径汽缸108。这三个汽缸104、106和108分别相应地保持着活塞110、112和114。该活塞110、112和114分别相应地加装到三个连杆116、118和120，这三个连杆分别是三个凸轮从动件122、124和126的一部分。凸轮从动件122-126位于压缩机壳体128的三个孔内。在压缩机100的运行过程中，凸轮从动件122、124和126由作为凸轮轴136的一部分的三个凸轮130、132和134向上推动，该凸轮轴136由两个轴承座138和140支撑。该凸轮轴136由电机和皮带传动组件142驱动。环绕连杆120设置的盘簧144将凸轮从动件126挤压在凸轮134上，从而使得凸轮从动件126和活塞114跟随凸轮134的轮廓运动。如上所述，其他凸轮从动件122和124通过作用在活塞110和112上的气体压力被挤压在凸轮130和132上。在图9所示的实施例中，至压缩机端盖组件的气体接头设置成使气体压力通过活塞110-114中的每个活塞逐渐增大。在可选择的实施例中，其中流过三个汽缸108-112的每个汽缸的气流彼此分离，可为所有三个凸轮从动件122-126使用弹簧诸如弹簧142。
如图9、10和11所示，凸轮从动件122-126中的每个凸轮从动件通过两个凸轮从动件导环146和148被侧向稳定，该两个凸轮从动件导环146和148挤压在压缩机壳体128的内孔上。
如图10和11最佳示出，该凸轮从动件122-126具有接触凸轮130-134的凸轮从动件轴承150。该凸轮从动件轴承150通过销钉152被保持在位。
图12示出了活塞108的放大视图。活塞108和另两个活塞104和106具有活塞导环154，以防止活塞在汽缸内侧向运动。活塞108-112还具有活塞密封件156。
在图8所示的实施例中，三个凸轮130-134具有相同的尺寸和形状，且如图13所示以120°的偏移量被定向在凸轮轴的轴线上。三个凸轮130-134沿箭头158所示的方向旋转。
凸轮130-134的个体形状和偏移量、以及汽缸104和108的相对直径决定了电机和皮带传动组件142的转矩变化幅度。本领域技术人员将理解，如果转矩变化被最小化，则相对于转矩变化较大的情况，较低转矩的电机可用于压缩机。
这些设计相对于现有技术具有几个优点。首先，凸轮可以以这种方式被成形出，以使更多的旋转运动用于活塞伸展而不是活塞缩回。在两个实施例中，大约240度的输入旋转用于伸展活塞，120度用于缩回活塞。由于需要更多作用力伸展活塞，因此，以较大旋转运动量传递力有助于减轻对驱动电机的转矩要求。在曲轴驱动或盘旋头压缩机上，此选择是不可利用的。
这种设计的第二优点在于，所述的第一实施例中的壳体导槽和凸轮从动件轴承、以及所述的第二实施例中的导环组合，以将凸轮从动件限制成作纯粹的线性运动。对于所述的第一实施例，内和外导槽有助于平衡作用在凸轮从动件上的作用力。因为在凸轮从动件上所有的非轴向力通过滚动轴承传递，因此摩擦损失被最小化。此外，该滚动接触有助于降低热生成、降低构件的磨损率、且降低对润滑的需要。
这种设计的第三优点在于，通过凸轮轮廓与凸轮从动件的线性运动的组合使得长活塞冲程成为可能。在优选实施例中，活塞行程大约是1.5英寸，比相当的曲轴驱动压缩机长三倍。通过最小化汽缸中的死体积的作用，该长的活塞行程有助于提高压缩机的效率。它还使得压缩机可较慢运行，这有助于降低压缩机的工作温度，从而延长了密封件的寿命。
第四优点在于，此设计可适用于满足不同应用的需求。相同的电机和驱动部分可用于驱动采用不同配置的多种活塞式压缩机。在优选实施例中，压缩机利用三个串联的活塞，第一级是大约直径为2英寸，第二级是直径大约为1英寸，第三级是直径大约为半英寸。然而，压缩机可以轻易地适于利用平行作用的三个相同直径的活塞，而不需要改变该驱动部分。其他的选择可能包括利用具有不同尺寸的串联或并联作用的2个到6个活塞。本领域技术人员将理解，这些选择中的至少一些选择有利地使用具有与图6所示的凸轮轮廓不同的凸轮轮廓的凸轮，以优化压缩机的性能。
选择所述实施例是用于提供对本发明的原理和其实际应用的说明，从而使得本领域技术人员可以以各种不同的实施例实施本发明并做出适应于所期望的实际应用的修改。因此，上面描述认为是示例性的，而不用于限制，本发明的实际范围描述于权利要求书中。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种凸轮驱动活塞式压缩机，包括：
a)连接到电机的轴、由所述电机提供动力且适于旋转360度的至少一个凸轮，所述凸轮具有被成型出的上唇部，所述上唇部包括相对于所述凸轮的基部的圆周以变化的高度设置的上表面，所述基部位于与所述轴垂直的平面上，其中，在绕着所述基部行进的过程中，所述被成型出的上唇部的所述上表面相对于所述基部的圆周的所述变化高度以大致3种不同的速率变化；
b)与所述至少一个凸轮中的一个凸轮接触的至少一个凸轮从动件；
c)至少一个活塞，其中所述至少一个活塞中的每一个活塞加装到所述至少一个凸轮从动件中的一个凸轮从动件；
d)至少一个汽缸，其中所述至少一个汽缸中的每一个汽缸环绕着所述至少一个活塞中的一个活塞；以及
e)与所述至少一个汽缸中的每一个汽缸接触的压缩机端盖。
2.如权利要求1所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述成型上唇部的所述上表面的所述变化高度包括向上倾斜的第一区域，所述第一区域之后是坡度小于所述第一区域的向上倾斜的第二区域、和向下倾斜的第三区域。
3.如权利要求1所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个凸轮从动件是多个凸轮从动件，所述多个凸轮从动件中的每一个凸轮从动件包括：
a)定位成与所述成型上唇部的下表面接触的下唇部轴承；
b)定位成与所述成型上唇部的上表面接触的至少一个上唇部轴承；
c)定位在所述轴向凸轮压缩机的壳体中的第一槽中的外轴承；以及
d)定位在所述壳体中的第二槽中的内轴承。
4.如权利要求1所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个活塞是多个活塞，且所述至少一个汽缸是多个汽缸；以及
所述多个活塞和汽缸具有相同数目。
5.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述汽缸中的至少两个汽缸具有不同的直径。
6.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同数目为3。
7.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，同时压缩气体的汽缸的数目等于或大于未压缩气体的汽缸的数目。
8.一种凸轮驱动活塞式压缩机，包括：
a)安装在电机的凸轮轴上、由所述电机提供动力且适于在平行平面上转动的多个凸轮；
b)与每个所述凸轮接触的凸轮从动件；
c)加装到每个凸轮从动件的活塞；
d)环绕着每个活塞的汽缸；以及
e)与每个汽缸接触的压缩机端盖。
9.如权利要求8所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，它还包括多个凸轮从动件、多个活塞、和多个汽缸；以及
所述多个凸轮从动件、活塞和汽缸具有相同数目。
10.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述汽缸中的至少两个汽缸具有不同的直径。
11.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同数目是3。
12.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，同时压缩气体的汽缸的数目等于或大于未压缩气体的汽缸的数目。
13.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述多个凸轮从动件中的每一个凸轮从动件包括与所述多个凸轮中的相应的一个凸轮接触的可旋转轴承。
14.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，它还包括与至少一个凸轮从动件接触的至少一个弹簧，用于将所述凸轮从动件挤压在所述多个凸轮中的相应的一个凸轮上。
15.如权利要求14所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个弹簧包括三个弹簧。
16. 如权利要求8所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述多个凸轮均具有相同的尺寸和形状。
17.如权利要求16所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述多个凸轮包括彼此成120°的角度地被定向在所述凸轮轴上的三个凸轮。

Claims (15)

1.一种凸轮驱动活塞式压缩机，包括：
a)由电机驱动的至少一个凸轮，所述凸轮适于旋转360度；
b)与所述至少一个凸轮中的一个凸轮接触的至少一个凸轮从动件；
c)至少一个活塞，其中所述至少一个活塞中的每一个活塞加装到所述至少一个凸轮从动件中的一个凸轮从动件；
d)至少一个汽缸，其中所述至少一个汽缸中的每一个汽缸环绕着所述至少一个活塞中的一个活塞；以及
e)与所述至少一个汽缸中的每一个汽缸接触的压缩机端盖。
2.如权利要求1所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个凸轮是连接到所述电机的轴的轴向凸轮，所述凸轮具有相对于所述凸轮的基部被成型出的上唇部，所述凸轮的基部位于与所述轴垂直的平面上。
3.如权利要求2所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个凸轮从动件是多个凸轮从动件，所述多个凸轮从动件中的每一个凸轮从动件包括：
a)定位成与所述唇部的下表面接触的下唇部轴承；
b)定位成与所述唇部的上表面接触的至少一个上唇部轴承；
c)定位在所述轴向凸轮压缩机的壳体中的第一槽中的外轴承；以及
d)定位在所述壳体中的第二槽中的内轴承。
4.如权利要求3所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个活塞是相同的多个活塞，且所述至少一个汽缸是相同的多个汽缸。
5.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同的多个汽缸中的至少两个汽缸具有不同的直径。
6.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同的多个的数目为3。
7.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，同时压缩气体的汽缸的数目等于或大于未压缩气体的汽缸的数目。
8.如权利要求4所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，在绕着基部的稳定行进过程中，所述被成型出的上唇部与所述基部之间的轴向长度相对于所述基部的圆周以大致3种不同的速率变化。
9.如权利要求1所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个凸轮是多个凸轮，所述凸轮中的每个凸轮适于在平行平面上旋转。
10.如权利要求9所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述至少一个凸轮从动件是相同的多个凸轮从动件，所述至少一个活塞是相同的多个活塞，且所述至少一个汽缸是相同的多个汽缸。
11.如权利要求10所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同的多个汽缸中的至少两个汽缸具有不同的直径。
12.如权利要求10所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同的多个的数目为3。
13.如权利要求10所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，同时压缩气体的汽缸的数目等于或大于未压缩气体的汽缸的数目。
14.如权利要求10所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，所述相同的多个凸轮从动件中的每一个凸轮从动件包括与所述相同的多个凸轮中的相应的一个凸轮接触的可旋转轴承。
15.如权利要求10所述的凸轮驱动活塞式压缩机，其特征在于，它还包括与所述相同的多个凸轮从动件中的至少一个凸轮从动件接触的至少一个弹簧，用于将所述相同的多个凸轮从动件中的所述至少一个凸轮从动件挤压在所述相同的多个凸轮中的相应的一个凸轮上。
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