CN102297113A - 气体压缩装置 - Google Patents

Abstract

该公开了一种气体压缩装置，包括具有活塞杆的气缸，还包括一主轴和安装在主轴上的转子，以及驱动主轴转动的驱动装置；所述气缸有多个，且所有气缸以所述主轴轴线为轴周向均布，其中气缸的活塞杆以主轴为基准径向沿伸并与所述转子形成凸轮机构。依据本发明能够使体积排气量比变小。

Description

气体压缩装置

技术领域

本发明涉及一种气体压缩装置。

背景技术

气体压缩装置，通称压缩机，是一种用来输送气体并提高气体压力的流体机械，目前已广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。其主要用途有以下几个方面：

①     利用压缩气体所具有的压力势能为其它设备提供动力；

②     用于制冷和气体分离；

③     用于化学工业中的合成及聚合工艺；

④     提高气体压力以便于存储、运输及管道输送等。

压缩机的种类很多，按工作原理可分为“速度式”和“容积式”两大类型。 

速度式压缩机的工作原理是先提高气体分子的运动速度，再急速降低速度，将气体分子所具有的运动动能转化为压力势能，从而达到提高气体压力的目的。按气体在压缩机中流动方向的不同，速度式压缩机又可分为“离心式”和“轴流式”两大类型。速度式压缩机的效率通常不及容积式压缩机，而且由于其叶片线形复杂、制造工艺要求高，以及稳定工况区较窄、气量调节范围较小等原因，目前还不适用于中小排气量以及压力比较高的场合。

容积式压缩机是目前应用最为广泛的气体压缩装置。其工作原理是通过直接压缩气体，使单位体积内气体分子的数量增加，从而达到提高气体压力的目的。按工作腔和运动部件形状的不同，容积式压缩机又可分为“往复式”和“回转式”两大类型。每种类型又包括多种不同的结构形式：如往复式压缩机主要包括“活塞式”和“隔膜式”等结构形式；回转式压缩机主要包括“滚动转子式”、“滑片式”、“螺杆式”以及“涡旋式”等结构形式。

容积式压缩机的主要特点：一是工作腔容积的变化只取决于机构的尺寸，因此排气量与排气压力的关联性不大，工作稳定性较好，使用寿命较长。二是气体的吸入和排出是依靠工作腔容积的变化，与气体性质关系不大，因此适应性较强并且容易达到较高的压力。

在两类容积式压缩机中，相比于往复式压缩机，回转式压缩机具有体积小、重量轻、效率高、动力平衡性好、流量脉动小、振动小、噪音低、输气系数高以及气量调节范围较宽等优点，目前在很多场合有逐步取代往复式压缩机的趋势。然而回转式压缩机也有其局限性：一是由于其工作腔为金属间隙密封，随着压力比的提高，泄漏损失也急速增加。二是高速回转的金属部件，摩擦和磨损较大且不易修复，限制了其使用寿命。三是核心零件形状复杂、加工精度要求高，一定程度上增加了制造成本。

往复式压缩机的运动部件（活塞或隔膜）作直线往复运动，因此可以采用填料密封的方式，减少了工作腔的泄漏损失，甚至可以实现无泄漏密封，从而提高了压力比范围，特别适用于高压（10MPa至100MPa）甚至超高压（100MPa以上）的场合。而且密封件磨损后可以更换，沿长了压缩机的使用寿命。

传统的往复式压缩机多采用机械传动方式，其中以曲轴连杆机构最为普遍。其主要缺点是：机械效率低、惯性负载力大、动力平衡性差、振动冲击大、噪音高、活塞线速度高、密封结构复杂、密封件寿命短、密封件更换不方便、气缸发热严重、需要增加强制冷却装置、体积大、重量大、不允许频繁起动和停止、难于实现气量调节等。二十世纪九十年代，国外研制开发出一种采用新型机械传动方式的往复式压缩机，即所谓的“十字滑块”压缩机，也称作“曲柄滑块”压缩机。与传统的往复式压缩机相比，其机械效率高、动力平衡性好、振动小、噪音低、结构紧凑，但无法解决传统的往复式压缩机的其它缺陷。近些年来，国内外有些厂家还研制开发出一种采用液压传动方式、气液复合缸结构的直线往复式压缩机。与传统的往复式压缩机相比，其结构简单、活塞线速度低，密封结构简洁、气缸发热较低、允许频繁起动和停止、便于实现气量调节等，但由于无法克服活塞换向过程中的惯性负载力的突变，因此冲击和噪音仍然比较大。

本申请也应当属于容积式压缩泵，其中与本申请比较相近的是目前应用较多的活塞式空气压缩泵，工作原理也比较简单，其基本原理是通过活塞的往复运动及气缸盖上的配气机构实现吸气和压缩，其驱动装置一般是电机或者内燃机，并且公知的活塞式空气压缩泵都是单缸配置，体积排气量比偏大。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种通过驱动方式的改变而使体积排气量比变小的气体压缩装置。

本发明采用以下技术方案：

该发明气体压缩装置，包括具有活塞杆的气缸，还包括一主轴和安装在主轴上的转子，以及驱动主轴转动的驱动装置；所述气缸有多个，且所有气缸以所述主轴轴线为轴周向均布，其中气缸的活塞杆以主轴为基准径向沿伸并与所述转子形成凸轮机构。

依据上述结构，气缸的个数受到的限制相比于既有的活塞式压缩泵要小，在相同的空间内可以布置多个气缸，从而使得体积排气量比变的较小。另外，凸轮机构的特点是速度慢，那么相应地，气缸的活塞的线速度就会比较低，从而使得气缸的密封结构得以简化，不仅降低了密封件的成本，而且沿长了密封件的使用寿命，减少了后期维护频率和费用。另一方面，考虑到协同作用，较慢的排气会影响排气量，但多个气缸的协同配合可以有效地解决这一点。

上述气体压缩装置，所述驱动装置为液压马达。

上述气体压缩装置，所述液压马达配有独立的液压控制回路。

上述气体压缩装置，其所述转子的个数为1~3个，配置在每个转子的气缸为一列，每列气缸的个数为4~12个。

上述气体压缩装置，所述转子具有四段工作曲线，且工作曲线绕转子基圆均布。

上述气体压缩装置，所述工作曲线通过过渡曲线与基圆连接或者相互间通过过渡曲线连接，其中过渡曲线为次数大于5的高次曲线。

上述气体压缩装置，所述活塞杆与所述转子滚动配合。

上述气体压缩装置，还包括安装在所述主轴上的轴流风扇。

上述气体压缩装置，还包括所述主轴经传动机构驱动的吹向所述气缸的子风机。

上述气体压缩装置，还包括连接管路，而该连接管路包括连接所述气缸排气口的排气管路和连接所述气缸进气口的进气管路。

附图说明

图1为依据本发明的一种气体压缩装置的主视结构原理图。

图2为依据本发明的一种气体压缩装置的左剖结构示意图。

图3为转子工作曲线示意图。

图4a-图4d为气缸的结构示意图。

图5为配置了轴流风扇的气体压缩装置的结构示意图。

图6a-图6f为液压控制系统的液压回路简图。

图7为二级压缩机组系统流程示意图。

图中：1、进气阀，2、排气阀，3、气缸，4、进气管路，5、排气管路，6、滚子，7、转子，8、主轴，9、轴流风扇，10、液压马达，11、平衡腔，12、回程腔，13、泄漏腔，14、子风机，15、小带轮，16、同步带，17、大带轮。

具体实施方式

参照说明书附图1，其示出了一种气体压缩装置，包括具有活塞杆的气缸3，还包括一主轴8和安装在主轴上的转子7，以及驱动主轴转动的驱动装置；所述气缸有多个，且所有气缸以所述主轴轴线为轴周向均布，其中气缸的活塞杆以主轴为基准径向沿伸并与所述转子形成凸轮机构。

这里的多是区别于使用单个气缸的气体压缩装置，当然，现在也存在双泵头活塞式压缩泵，其基本结构是电机布置在中间，两根输出轴，通过曲柄连杆结构实现活塞的驱动，结构比较复杂，且体积偏大。当然，这里的多是受到安装空间限制的，取决于主轴周边的安装尺寸。更具体地说是如附图1中所示的用于气缸安装的机架的尺寸。不过与机架相关联的尺寸是气缸的工作行程和转子的大小，机架只能算是附属构件，决定多的上限是转子的大小和气缸的工作行程。据此，本领域的技术人员易于实现。这是一个方面。另一个方面则是转子有多个的情形，多个转子依次设置在主轴上，对应多组气缸，这个时候需要考虑主轴的输出功率和所需要的整体的排气量。

关于机架，在机构上普遍存在，以上没有特别说明，机架被认为是机构中相对固定的构件。如前所讲的气缸，其机架实际上应当被认为是安装座，应当是使所述气缸处于其活塞杆以主轴为基准径向沿伸的构造的部件，本领域的技术人员应当能够清楚地理解。

以上是本发明的基本结构，其要点在于活塞式压缩泵驱动装置设置方式的改变。

传统的往复式压缩机主要有曲轴连杆机构和曲柄滑块机构两种传动方式。从输入轴到气缸，一般要经过曲轴（或曲柄）、连杆（或滑块）以及十字头等多个零部件的传动。这些零部件不仅结构复杂、加工及装配精度要求高，而且传动副多为滑动摩擦，阻力大、易磨损、发热严重、传动效率不高，必须采用稀油润滑以及密闭式机身结构，从而进一步增加了制造成本。

本方案采用凸轮传动这一低速机构，从输入轴到气缸，只有主轴、转子和可能存在的滚轮三个零部件。这些零部件结构简单、对加工设备及制造工艺要求不高，而且主轴与机架之间、转子与滚轮之间均为滚动摩擦，阻力小、损失小、传动效率高，不需要稀油润滑，也不需要密闭式机身。

较佳地，所述驱动装置为液压马达10，液压马达的调速性能比较好，尤其是其转速与供油速度有严格的线性关系，也就是能够做到精确的无级调速，进而保证有效的调整整个气体压缩装置的排气量。

另外，液压马达的输出功率非常高，在评价动力设备的功率体积比中，液压马达是相对较好的，结构紧凑，并且相对应的液压源可以远距离设置，方便动力的远距离传输。

对于防爆等特殊应用条件下，液压马达尤其特殊的优势，不会出现电火花，或者内燃机那样的明火，安全性能好。

进一步地，所述液压马达配有独立的液压控制回路，当然也可以配套使用，独立的液压控制回路可以保证一致性好，便于后期的维护。

承前所述，转子可以配置多个，但要求主轴的输出功率比较高，液压马达在较小体积的情况下可以输出比较大的功率，可以适配。较佳地，所述转子的个数为1~3个，配置在每个转子的气缸为一列，每组气缸的个数为4~12个。这里需要考虑几个问题，第一个问题是同组气缸的排气控制，若依次排气，那么气缸越多，必然排气宏观的脉动性降低，保证压缩气体输出的稳定性；若同时吸气同时排气，则容易保证相对较高的压力，但脉动性可能会大一些，这里的可能也涉及多个方面，第一个方面是同时排，也就是存在的工作曲线保证了同时排，那么每个主轴转动周期内会有气缸的多个工作行程，抵消了一定的脉动性，在一个方面是多个转子的配合使用，依序排气，保证输出较高的气压和较低的脉动性。除此之外，下面还会有述及，假定工作曲线数目小于气缸数目，必然不会存在同时进气、同时排气的情形。

气缸数量倍增、工作转速降低、流量密度增大、流量脉动减小的情形下，对于往复式压缩机而言，传统的往复式压缩机，受传动方式所限，每一列对应的气缸数量通常只有1～2个。为了增加排气量，通常的技术手段是增大单个气缸的工作容积（即活塞迎风面积与行程的乘积）、或者沿驱动轴方向增加压缩机的列数、或者提高驱动轴的工作转速等等。前两种技术手段分别使得压缩机的径向尺寸和轴向尺寸加大、整机重量增加、流量密度（即单位体积或重量对应的的排气量）减小。而工作转速的提高使得压缩机的振动和噪音加重、磨损和发热加剧，进而增加了维修频率和维护成本，降低了使用寿命。

对于本方案，多个气缸围绕一个转子沿周向布置，若将一个转子及其作用的一组气缸也称之为一列，可以采用每一列对应的气缸数量为不小于4的偶数。这意味着，在气缸工作容积以及压缩机径向尺寸相同的条件下，该气体压缩装置每一列可以布置更多数量的气缸。另外，该气体压缩装置同样允许沿主轴方向增加工作列数，从而使整机气缸数量成倍地增加。那么其一，在相同排气量的条件下，气缸数量成倍地增加使得主轴的工作转速可以成倍地降低，从而减少了由于高转速而带来的诸多弊端，使得整机振动小、噪音低、磨损和发热不明显、降低了维修频率、节省了维护成本、提高了使用寿命。

其二，由于气缸数量增加的倍数大于工作转速降低的倍数，而且转子旋转一周，每个气缸完成多次压缩（匹配工作曲线），因此在相同体积或重量的条件下，虽然工作转速降低，但排气量仍然很大。

其三，随着气缸数量的增加，也使得被压缩气体在宏观上的流量脉动性相应地减小。尤其当列与列之间的转子沿周向按一定的角度错开布置时，流量的脉动性更为消减。

如附图1和附图3所示，是四个气缸的情形，四段工作曲线，分成两对，形成两个不同工作行程，工作形程较短的一对可以用来进行过渡，保证排气的质量。因此，气缸的个数最好采用偶数个，便于配置，且容易保证排气质量。

因此，进一步地，所述工作曲线通过过渡曲线与基圆连接或者相互间通过过渡曲线连接，其中过渡曲线为次数大于5的高次曲线，当然，次数也不能过高，过高计算量大，设计制造比较麻烦，一般低于等于8次是可行的。

参见说明书附图3，图中转子外缘工作面为变矢径弧面，其剖面外廓由八段弧线构成，即：

两段半径为R的大圆弧：A1-A2和C3-C4；

两段半径为r的小圆弧：B2-B3和D4-D1；

四段矢径为ρ的过渡曲线：D1-A1，A2-B2，B3-C3和C4-D4，进一步地防止产生刚性冲击。

四段过渡曲线被设计成高次曲线，其一般表达式为：

ρ（Φ）=C0+C1Φ+C2Φ2+...Cn

其中：ρ——过渡曲线矢径

Φ——矢径ρ在其区间内的角位移

C——常系数

为避免因速度、加速度以及加速度变化率突变造成的刚性冲击及柔性冲击，减小气缸活塞往复运动过程中的振动与噪声，方程次数n不得小于5。

为了减小摩擦，所述活塞杆与所述转子滚动配合。另外需要注意的是，活塞杆回程有多种方式，一种简单的方式是转子工作曲线的断面可以是T型槽，T型槽内设置连接活塞杆的滚子6，这样回程的驱动力就来自转子。另一种情形是采用外源性回程方式，如说明书附图4a-附图4d，通过液压或者气压回路形成一个回程力，这在气动和液压方面较常用，若采用液压回程方式，则可自液压控制回路引出一分支回路，经减压阀与回程腔相连通；若采用气压回程方式，则可自最终排气管路引出一分支回路，经减压阀与回程腔相连通。采用液压或气压回程的方式，最突出的优点是：回程力可以通过减压阀实现无级调节，同时避免了由于采用机械回程所带来的复杂结构以及磨损和噪音。其不足之处是增加了指示功，并使气缸结构变得复杂。

图示泄漏腔的主要功能是在气、液两种工作介质之间增加一道泄漏途径，一旦密封件破损，可以及时观察或检测，避免了两种工作介质相互渗透和污染。当采用气压回程方式时，可以取消泄漏腔，从而使气缸结构得以简化。

图示平衡腔的主要功能是抵消部分活塞作用力，节省指示功。

同时，附图4还表示了实际使用要求配置两类气缸型式，即：单级缸和双级缸。

图4a和图4b所示为两种单级缸的结构示意图。

图4c和图4d所示为两种双级缸的结构示意图。

图中回程腔工作介质可以是液压油，也可以是被压缩气体本身，比如取自终端排气管路5的压缩气体，算是回程的第三种情形。

若回程腔工作介质即为被压缩气体本身时，可以取消泄漏腔13，从而使气缸结构得以简化。

气体压缩会生热，当然，为此，本方案还包括安装在所述主轴上的轴流风扇9，以进行散热。

进一步地，还包括所述主轴经传动机构驱动的吹向所述气缸的子风机14，如附图5所示，图中所述传动机构为同步带传动机构，子风机直接吹响气缸，以更好的对气缸散热。

较佳地，还包括连接管路，而该连接管路包括连接所述气缸排气口的排气管路和连接所述气缸进气口的进气管路，方便整体的配气。

关于进、排气控制，进气控制可以直接采用单向阀进行控制，当然单向阀的漏气率较高，因此还可以采用气门机构进行控制，气门机构可以采用凸轮机构，驱动端配置在所述主轴上。附图1所示的进排气控制都是采用单向阀，属于移动相对简单的控制方式。如果想控制比较大的压力，最好采用气门机构。

级和列的配置：

级的配置：气体压缩装置的级数取决于最终排气压力与初始进气压力的比值。该气体压缩机可以根据不同气体、不同使用要求实现多种级的组合配置。例如：

1.1单级压缩：单级缸

1.2 二级压缩：单级缸→单级缸、双级缸

1.3 三级压缩：单级缸→单级缸→单级缸、单级缸→双级缸

1.4……

列的配置： 气体压缩机的列数不仅与级数有关，还取决于排气量的大小。该气体压缩机可以根据不同气体、不同使用要求实现多种列的组合配置。例如：

2.1 单机多列：即多个气缸径向均布并固定安装在一台机架上。例如：单机四列、单机六列、单机八列。。。

2.2 多机串联：即一个主轴同时驱动多台压缩机。例如：双机串联、三机串联、四机串联。。。

2.3 多机并联：即多台压缩机并联使用。例如：双机并联、三机并联、四机并联……

安装方式：该气体压缩机可以根据不同的场地采取不同的安装方式。例如，卧式安装：主轴水平布置；

立式安装：主轴垂直布置；

倾斜安装：主轴倾斜布置；

组合安装：即多机、多种安装方式的组合。

液压控制系统：

由于该气体压缩机的主驱动元件为低速大扭矩液压马达，因此在实际应用中，最好配置相应的液压控制系统。

液压控制系统主要用以驱动液压马达，可以方便地调节其输出扭矩及输出转速。对于靠液压回程的气缸，还可以方便地调节液压回程力的大小。

由于液压控制系统可以方便地实现空载起动以及卸荷停机，因此该气体压缩装置可以随时启动和停止。

另外，由于液压控制系统可以方便地调节并限制系统压力，因此可以有效地避免压缩机因超载而造成设备损坏及人身伤害。

图6所示为几种典型的液压控制系统回路简图。其中（a）至（c）为开式系统回路；其中（d）至（f）为闭式系统回路。在实际应用中，可以根据具体情况选择使用。

电气控制系统：

电气控制系统用以控制及监控整个压缩机组的工艺流程。对于易燃易爆气体，电气控制系统还应符合相应的防爆等级标准。

压缩机组：在整个气体压缩的工艺流程中，除了压缩装置及其液压、电气控制系统外，还应配置如气体净化、稳压、冷却等附属设备，从而组成一个完整的压缩机组。

图7所示为由该气体压缩机组成的二级压缩机组的系统流程示意图。在实际应用中，可以根据具体情况选择配置。

Claims (10)

1.一种气体压缩装置，包括具有活塞杆的气缸（3），其特征在于：还包括一主轴（8）和安装在主轴上的转子（7），以及驱动主轴转动的驱动装置；所述气缸有多个，且所有气缸以所述主轴轴线为轴周向均布，其中气缸的活塞杆以主轴为基准径向沿伸并与所述转子形成凸轮机构。

2.根据权利要求1所述的气体压缩装置，其特征在于：所述驱动装置为液压马达（10）。

3.根据权利要求2所述的气体压缩装置，其特征在于：所述液压马达配有独立的液压控制回路。

4.根据权利要求1所述的气体压缩装置，其特征在于：所述转子的个数为1~3个，配置在每个转子的气缸为一列，每列气缸的个数为4~12个。

5.根据权利要求4所述的气体压缩装置，其特征在于：所述转子具有四段工作曲线，且工作曲线绕转子基圆均布。

6.根据权利要求5所述的气体压缩装置，其特征在于：所述工作曲线通过过渡曲线与基圆连接或者相互间通过过渡曲线连接，其中过渡曲线为次数大于5的高次曲线。

7.根据权利要求1、4、5或6所述的气体压缩装置，其特征在于：所述活塞杆与所述转子滚动配合。

8.根据权利要求1所述的气体压缩装置，其特征在于：还包括安装在所述主轴上的轴流风扇。

9.根据权利要求8所述的气体压缩装置，其特征在于：还包括所述主轴经传动机构驱动的吹向所述气缸的子风机。

10.根据权利要求1所述的气体压缩装置，其特征在于：还包括连接管路，而该连接管路包括连接所述气缸排气口的排气管路和连接所述气缸进气口的进气管路。

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