CN101535644A - 包括压缩气体辅助活塞的压缩机 - Google Patents

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CN101535644A CNA2007800414128A CN200780041412A CN101535644A CN 101535644 A CN101535644 A CN 101535644A CN A2007800414128 A CNA2007800414128 A CN A2007800414128A CN 200780041412 A CN200780041412 A CN 200780041412A CN 101535644 A CN101535644 A CN 101535644A
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Abstract

本发明涉及一种压缩机，所述压缩机包括汽缸(22，23)和活塞(25)，所述活塞(25)可以以往复运动的方式在所述汽缸(22，23)中移位，且具有相对于移位方向的横向间隙。在所述压缩机中，活塞(25)的端面(31)在汽缸(22，23)中对压缩腔室(26)限界。活塞(25)的直径向着端面(31)减小。

Description

包括压缩气体辅助活塞的压缩机
技术领域
本发明涉及一种具有汽缸的压缩机，其中，活塞通过气体轴承以不与汽缸壁接触的方式可移动地保持在所述汽缸中。
背景技术
这种压缩机例如公知于US6575716A1。在该传统的压缩机中，具有形成在汽缸的内壁中的圆周凹槽，所述圆周凹槽经由与汽缸壁相交的孔被供给压缩气体。压缩气体分布在环绕着活塞的整个圆周的圆周凹槽中，且从凹槽沿着轴向传递通过活塞与汽缸壁之间的窄的间隙，从而在活塞的整个圆周上与汽缸壁不接触地保持活塞。当径向力施加在活塞上并使活塞偏离其平衡位置时，气体不仅会被压缩，而且会在活塞圆周的一侧被部分逐出，所述逐出可能是由于逃回到凹槽中的气体。然而，压缩气体在活塞上施加朝平衡位置的方向的恢复力，排出的气体却不能这样。因为逸出的可能性，抵抗径向偏移的轴承的刚度不是太大。
为了提高轴承的刚度，已有人提出经由具有非常窄的横截面的径向孔将压缩气体导入汽缸壁与活塞之间的间隙中。由于孔的窄的横截面，当活塞偏移时，仅少量的气体可流回。因此，对于相同的气体量，可实现轴承的较高的径向刚度。
为了限制压缩气体的回流，供给孔必须具有与汽缸壁和活塞之间的间隙宽度相当的非常小的直径。实际中，这意味着，供给孔的直径必须不超过几10μm。这种窄的孔的制造需要复杂的加工技术，例如激光消融、电火花腐蚀等。供给孔仅可使用这些技术单独加工，这使得制造耗时且昂贵。此外，可在其中制造这种窄的孔的材料厚度限于数百μm。具有这种薄的壁的工件易于变形，使得难以确保汽缸壁具有有效的气体支承所需的尺寸精度和稳定性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有由气体轴承支撑的活塞的压缩机，所述压缩机可以低的成本/复杂性实施，且能够在低的压缩气体量的情况下以良好的径向刚度支撑活塞。
上述目的通过一种压缩机实现，所述压缩机具有汽缸和活塞，所述活塞可以以往复运动的方式在汽缸中移位，且具有相对于运动方向的横向间隙，其中活塞的端面在汽缸中对压缩腔室限界，其特征在于，活塞具有向着端面减小的直径。由于活塞的形状向着端面收缩，因此通过活塞运动在压缩腔室中压缩的气体中的一些可被使得进入活塞与汽缸壁之间的间隙中，且在活塞和汽缸壁之间从压缩腔室排出的气流提供气体支承作用。
为了确保精确、无滚转地引导活塞，除了直径向着邻近于压缩腔室的端面减小的部分以外，活塞优选具有直径恒定的引导部分。
为了以低的湍流的方式将压缩气体驱动出压缩腔室以进入间隙，直径的增大优选是恒定的。特别优选地，直径沿轴线方向的变化率刚好在端面处最大，随着离端面的距离的增大而减小。
在最简单的情况下，汽缸的内壁可完全没有用于将压缩气体供给到内壁与活塞之间的间隙中的供给孔。
在这种情况下，通过间隙的气流在活塞的每次往复运动中停止至少一次，使得在此时活塞与汽缸壁之间可能存在接触。为了限制活塞与汽缸壁之间的摩擦磨损，在这种情况下，特别地但不是排他性地，活塞和/或汽缸的内壁可设有硬的涂层。涂层可由碳化物例如碳化钨、DLC(类似金刚石的碳)等构成。
为了即使在压缩腔室处于其最大尺度时也能够保持气体轴承的有效性，用于供入压缩气体的供给孔可设置在汽缸的内壁中，使得它们在活塞运动换向点处对活塞的面向压缩腔室的部分进行加压，在所述活塞运动换向点处，压缩腔室膨胀得最大。与传统的压缩机相比，该设计至少使得供给孔的数目显著降低，在所述传统的压缩机中，支承作用仅经由从外部通过供给孔供入的压缩气体被保持。
为了使作用在活塞上的可使活塞抵靠在汽缸的内壁上的径向力最小化，压缩机有利地具有驱动单元，所述驱动单元执行纯粹的直线运动。这种驱动单元可特别包括磁衔铁，所述磁衔铁连接到活塞，且可以在交变的磁场中与活塞的运动方向平行地被驱动。
附图说明
下面，通过参看附图描述示例性实施例，将显见本发明的进一步的特征和优点，附图包括：
图1示出了通过根据本发明的第一实施例的压缩机的活塞和汽缸的示意性截面；
图2示出了通过压缩机的驱动单元的示意性截面；
图3示出了根据本发明的第二实施例的与图1类似的截面；
图4示出了根据本发明的第三实施例的相应截面；以及
图5示出了在第三实施例中使用的衬套的正面视图。
具体实施方式
图1中所示的压缩机包括汽缸21，所述汽缸21主要包括：管状部分22、罩盖着管状部分22的一端的顶板23、和安装在顶板23的背离管状部分22的一侧的帽24。管状部分22、顶板23和配合在管状部分22中的活塞25限界出压缩腔室26。压缩腔室26经由在图中示意性示出的阀27、28与形成在帽24中的两个腔室29、30连通，所述阀优选由弹簧钢顶板23一体地形成。阀27、28是止回阀，其使得在活塞25向外运动的过程中气体仅可从上部的吸入侧腔室29流入压缩腔室26、或在活塞25向内运动的过程中仅可从压缩腔室26流入下部的压力侧腔室30。
活塞具有面向顶板23的平坦端面31，所述端面31的直径比压缩腔室26的直径小很多。在端面31的边缘处，端面31连续弯曲地过渡到面向管状部分22的内侧的圆周面32。圆周面32在活塞25的运动方向上可分成三个部分：圆柱形中心部分33，所述圆柱形中心部分33的直径比压缩腔室26的直径最多小几10μm，使得在管状部分22中以很小的间隙且以大致无滚转的方式引导活塞的运动；以及分别位于中心部分33的相应侧的内部分34或外部分35，所述内部分34或外部分35的直径随着距离中心部分33的距离的增加而连续减小。
圆周面32与管状部分22的内表面之间的间隙36的宽度随着离中心部分33的距离的增大比线性更快地增大。
以这种方式朝向压缩腔室26扩大的间隙36有利于来自压缩腔室26的压缩气体的进入，使得：与纯粹圆柱形形式的活塞的情况相比，在中心部分33附近，通过在该点处较窄的间隙36的气流强很多。该气流使得可实现支承作用，这与通过将气体经由供给孔供给到间隙中的传统的气体轴承的支承作用对应。
仅在压缩腔室26与活塞25的背面之间不存在压力差时，该气体支承作用才暂时地被中断。对于整个汽缸21以传统的方式被密封且活塞25的背面与吸入侧腔室29连通的压缩机来说，在背离顶板23的活塞运动换向点处，可能会出现这种情况。
如果在从活塞的背面经由吸入侧腔室29及其阀27到压缩腔室26的气体路径上存在流动障碍物而在活塞25的向外运动过程中使压缩腔室26中的压力下降到低于活塞背面处的压力-特别地，这种流动障碍物可以是阀27本身，则间隙36中的气流在活塞的每一运动循环中被中断两次，即在它达到背离顶板23的换向点之前不久和之后不久，结果导致活塞25与管状部分22之间的间隙36中的气流的方向暂时换向。为了还能够增强通向压缩腔室26的该气流而使得它具有支承作用，活塞的直径从中心部分33向着外部分35中的背后端面37也连续减小。
为了在间隙36中的气流停止时使由于活塞25与管状部分22之间的接触引起的摩擦磨损最小化，活塞25至少在其中心部分33处的圆周面32和/或管状部分22的内表面设有例如由碳化钨、DLC等构成的硬的、耐磨损的涂层。
图2示意性地示出了可用于经由活塞杆38驱动活塞25的往复运动的驱动单元。该驱动单元包括具有三个成对的相对的臂3、4、5的两个E形轭铁1。臂3、4、5的相互面对的端部分别构成限界出气隙2的相应的极靴7。环绕着每个内臂4分别安装有激励绕组8。电流通过控制电路施加到两个激励绕组8，其中，两个激励绕组8中的电流方向被确定成使中心臂4的相互面对的极靴7形成不同的磁极。外臂3和5的极靴分别构成与相邻的中心臂4不同的磁极。
在气隙2中，衔铁10以可逆地移动的方式由两个弹簧11悬挂在上、下换向点之间(或更准确地讲，在图2中为左右换向点)。衔铁10在上、下换向点处的位置分别以实线和虚线表示。弹簧11均为由金属片材冲压出的板簧，且所述板簧具有多个Z字形臂12。弹簧11的臂12从衔铁10上的作用的中心点彼此镜像地延伸到刚性框架(未示出)上的悬挂点13，轭铁1和压缩机锚固到所述刚性框架。该设计意味着，弹簧11在衔铁10的纵向上以及与其正交的每个方向上难以变形，使得它们可逆地沿衔铁10的纵向引导衔铁10。
大致杆形的衔铁10包括位于其中心区域的四磁极的永久磁体14。而在每个弹簧11的臂12大致位于相同的平面上时的弹簧11的松弛位置，磁体14居中地设置在气隙12中，且图2中的在左、右极之间的边界线15居中地通过中心臂4延伸，当电流施加到绕组8时，衔铁10根据电流的方向向左或向右偏移。
图3示出了同样可与图2所示的驱动单元组合使用的本发明的压缩机的变型。该压缩机具有带有阀27、28的顶板23、和带有腔室29、30的帽24，如上面参看图1所述。活塞25同样具有这样的结构，该结构具有圆柱形中心部分33、和分别向着端面31、37收缩的内、外部分34、35。在管状部分22中，设有衬套39，所述衬套39与活塞25和顶板23一起限界出压缩腔室26。环形空腔40位于衬套39与管状部分22之间，所述环形空腔在其背离顶板23的端部处由O形环41等密封，且经由孔42与压力侧腔室30连通，所述孔42倾斜地延伸经过管状部分22和顶板23。
具有几10μm的直径的供给孔43与衬套39相交。供给孔43的轴向位置被选择成：在由图中的活塞25的虚线轮廓示出的背离顶板23的活塞运动换向点处，供给孔42在活塞的中心部分33的附近，而在面向顶板23的活塞运动换向点处，供给孔43与活塞25不必存在轴向重叠位置。当活塞25接近面向顶板23的所述换向点时，压缩腔室26中的过压足以保持足够的气流通过间隙36来实现所需的支承作用。当活塞25接近背离顶板23的换向点时，在压缩腔室26中没有过压来驱动气流通过间隙36，气体支承作用由供给孔43保持，使得在活塞25的往复运动的任何阶段均不存在与衬套39的接触。
由于阀28的作用，即使在活塞25移动远离顶板23时，在腔室30中也保持了持续的过压。所述持续的过压使得供给孔43可连续地被供给压缩气体。然而，也可想像，对孔42和空腔40的传输特性进行优化，使得当阀28打开而使得新的压缩空气从压缩腔室26流入腔室30时均会在腔室30中产生的压力脉冲在活塞25处于所述供给孔43的前面时传递通过孔42和空腔40并到达供给孔43。这使得支撑活塞25所需的压缩空气的量进一步减少。
因为仅需要数目相对较少的供给孔43，在此，与具有轴向分布的供给孔的传统气体支承压缩机相比，还可降低制造的复杂性。
在该实施例中，也可在活塞25和/或管状部分22上设置如上所述的硬涂层，以便在每当压缩机启动时而使得腔室30中的压力还不足以在供给孔43处产生支承作用的情况下避免摩擦磨损。
与图1和3类似，图4示出了通过根据本发明的压缩机的第三实施例截面。帽24、顶板23和活塞25也与图1所示的相同。管状部分22的内部仅在其背离顶板23的端部处被扩大，衬套44插入所述扩大部分中，并抵靠着扩大部分的肩部48，而且其内表面与管状部分22的未扩大的部分的内表面平齐。管状部分22和衬套44限界出环形通道45，所述环形通道45经由孔42与压力侧腔室30连通。
图5示出了衬套44的正面视图。可以看出，均匀地环绕着圆周分布的凹槽47被模压在衬套的端面46中，在组装状态下，所述端面46抵靠在管状部分22的对放大部分进行限界的肩部上。与孔不同，可同时以低的成本/复杂性实施具有几10μm的宽度和深度、和实际任何长度的凹槽47。与管状部分22的肩部48一起，它们限界出供给通道43，压缩气体可从环状通道45经由供给通道43流到管状部分22的内部，且在活塞25的背离顶板23的换向点的附近对活塞25保持支撑。

Claims (10)

1.一种压缩机，所述压缩机包括：汽缸(22，23)和活塞(25)，所述活塞(25)可以以往复运动的方式在汽缸(22，23)中移动，且具有相对于运动方向的横向间隙，其中，活塞(25)的端面(31)在汽缸(22，23)中对压缩腔室(26)限界，其特征在于，活塞(25)的直径向着端面(31)减小。
2.如权利要求1所述的压缩机，其特征在于，活塞(25)邻近于压缩腔室(26)具有直径向着端面(31)减小的部分(34)、和直径保持恒定的引导部分(33)。
3.如权利要求2所述的压缩机，其特征在于，活塞(25)还具有背离压缩腔室(26)的部分(35)，所述部分(35)具有向着活塞(25)的背后端面(37)减小的直径。
4.如权利要求1、2或3所述的压缩机，其特征在于，直径的减小是连续的。
5.如权利要求4所述的压缩机，其特征在于，变化率从活塞的中心(33)到端面(31；37)增大。
6.如前面权利要求中任一所述的压缩机，其特征在于，汽缸(22，23)具有内壁，所述内壁不具有用于将压缩气体供给到内壁与活塞(25)之间的间隙(36)中的供给孔。
7.如权利要求1至5中任一所述的压缩机，其特征在于，用于供给压缩气体的供给孔(43)设置在汽缸(22，23)的内壁(39)中，以便在活塞运动换向点处对活塞(25)的面向压缩腔室(26)的部分(33，34)进行加压，在所述活塞运动换向点处，压缩腔室(26)处于其最大尺度。
8.如前面权利要求中任一所述的压缩机，其特征在于，活塞(25)和/或汽缸(22，23)的内壁设有硬的涂层。
9.如权利要求8所述的压缩机，其特征在于，涂层包括碳化物。
10.如前面权利要求中任一所述的压缩机，其特征在于，活塞(25)连接到磁衔铁(10)，所述磁衔铁(10)可在交变磁场中与活塞(25)的运动方向平行地被驱动。
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