CN103334928A - 新型节能摇摆活塞压缩机 - Google Patents

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CN103334928A CN2013102296142A CN201310229614A CN103334928A CN 103334928 A CN103334928 A CN 103334928A CN 2013102296142 A CN2013102296142 A CN 2013102296142A CN 201310229614 A CN201310229614 A CN 201310229614A CN 103334928 A CN103334928 A CN 103334928A
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Abstract

一种新型节能摇摆活塞压缩机，由第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机构成，包括机壳(100)、第一旋塞(200-1)、第二旋塞(200-2)、主动轴(601)、从动轴(603)、主动齿轮(602)、从动齿轮(604)、排气口模块(400)、第一旋转门(500-1)、第二旋转门(500-2)以及齿轮箱侧端盖(605)和排气侧端盖(607)等，还包含进气口和排气口，其特征在于：第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)的型线是分别与摇摆活塞(300)的型线(301)和型线(302)共轭啮合的平面曲线，形如花生壳，所以本方案称为花生壳函数，当第一旋塞(200-1)顺时钟方向旋转和第二旋塞(200-2)逆时钟方向旋转时，摇摆活塞(300)绕支承轴(801)作摇摆运动，并且同时与第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)共轭啮合。

Description

新型节能摇摆活塞压缩机
技术领域
本发明涉及压缩机、膨胀机及泵等领域，特别涉及动力(如气体压缩机、气体膨胀机)、制冷和工艺(如各种化工气体压缩机)等用途的新型节能摇摆活塞压缩机。
背景技术
压缩机是通用机械设备，广泛应用于气体压缩、制冷和工艺设备等领域。按压缩机的容量划分主要有微小型、中小型和大型等几类，微小型压缩机主要有涡旋式、往复活塞式、旋转活塞式、滚动转子式、斜盘式、滑片式等等，中小型压缩机主要有往复活塞式、双螺杆式和单螺杆式等，大型压缩机主要有轴流式、离心式和往复活塞式等，由于各种压缩机的结构特征分明，因此所适用的容量范围非常清晰。
在中小型压缩机中，由于往复活塞式存在噪声大、寿命短等缺点，渐渐被双螺杆式和单螺杆式压缩机所取代。双螺杆压缩机价格便宜，目前占据中小型压缩机的主要市场，但双螺杆压缩机的主轴受力不平衡，具有较大的轴向力，轴承寿命短、效率较低、维护成本高。单螺杆压缩机具有优良的力平衡特性，但技术还不太成熟，缺乏成熟的加工设备和加工工艺、加工成本也较高，同双螺杆压缩机相比不具有价格优势，因此在我国中小型压缩机市场上是双螺杆压缩机的天下，其市场占有率在80％以上。
从各种压缩机的市场占有率来看，价格还是市场考虑的重要因素之一，由于应用于微小型领域(主要指排气量小于3M3/min)的涡旋式、旋转活塞式、滚动转子式、斜盘式和滑片式等压缩机都具有轴不对称结构，平衡和稳定特性差，它们并不适用于中小型压缩机领域(主要指排气量3-120M3/min)，因此要在中小型压缩机领域中开发出同双螺杆压缩机具有价格优势又具有高可靠性、高效率和低噪音的新型压缩机必须要有新思路。
发明内容
根据以上提出的课题，本发明提供一种既适用于微小型压缩机领域又适用于中小型压缩机领域的摇摆活塞压缩机。本发明方案是这样实现的：
一种新型节能摇摆活塞压缩机，该摇摆活塞压缩机由第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机构成，包括机壳(100)、第一旋塞(200-1)、第二旋塞(200-2)、主动轴(601)、从动轴(603)、主动齿轮(602)、从动齿轮(604)、排气口模块(400)、第一旋转门(500-1)、第二旋转门(500-2)以及齿轮箱侧端盖(605)和排气侧端盖(607)等；第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机装设于同一个机壳(100)内；第一旋塞压缩机的主动轴(601)和第二旋塞压缩机的从动轴(603)平行；在第一旋塞压缩机里，安装在机壳(100)的第一旋塞压缩机腔中的第一旋塞(200-1)由主动轴(601)经轴承支承在机壳(100)两端的齿轮箱端盖(605)和排气侧端盖(607)上，主动齿轮(602)固定在主动轴(601)上，第一旋转门(500-1)固定在第一旋塞(200-1)靠排气侧的端面上；在第二旋塞压缩机里，安装在机壳(100)的第二旋塞压缩机腔中的第二旋塞(200-2)由从动轴(603)经轴承支承在机壳(100)两端的齿轮箱端盖(605)和排气侧端盖(607)上，从动齿轮(604)固定于从动轴(603)上，第二旋转门(500-2)固定在第二旋塞(200-2)靠排气侧的端面上；摇摆活塞(300)经支承轴(801)支承在机壳(100)与排气口模块(400)上；排气口模块(400)固定在机壳(100)上，并将第一旋塞(200-1)与第一旋转门(500-1)之间、第二旋塞(200-2)与第二旋转门(500-2)之间隔开；
其特征在于：第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)的型线是分别与摇摆活塞(300)的型线(301)和型线(302)共轭啮合的平面曲线，形如花生壳，所以本方案称为花生壳函数，当第一旋塞(200-1)顺时钟方向旋转和第二旋塞(200-2)逆时钟方向旋转时，摇摆活塞(300)绕支承轴(801)作摇摆运动，并且同时与第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)共轭啮合。
所述的花生壳函数是如下方法生成：
设坐标系X0O0Y0为固定坐标系，原点O0与原点O1重合，坐标系X1O1Y1绕O1旋转，坐标系X2O2Y2绕O2摇摆，当坐标系X1O1Y1绕O1旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(301)包络坐标系X1O1Y1成形的共轭曲线就是第一旋塞(200-1)，同理，当坐标系X3O3Y3绕O3旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(3O2)包络坐标系X3O3Y3成形的共轭曲线就是第二旋塞(200-2)，满足以上啮合条件获得的型线是一个类似于花生壳断面的函数，所以称为花生壳函数，以花生壳函数为型线的旋塞称为花生壳旋塞；
根据以上描述，就第一旋塞(200-1)而言，花生壳函数的简式为：
Figure BSA00000909441200021
式中，r1为花生壳型线在坐标系X1O1Y1中的矢量表示
r2为型线(301)在坐标系X2O2Y2中的矢量表示，r2＝g(θ1)，θ1为r2形状参数
M12是坐标系X2O2Y2到坐标系X1O1Y1的变换矩阵
Figure BSA00000909441200022
为花生壳旋塞的旋转角度
φ1为摇摆活塞的旋转角度
Figure BSA00000909441200023
则，
Figure BSA00000909441200024
第二旋塞(200-2)的花生壳函数同所述第一旋塞(200-1)的花生壳函数相似。
摇摆活塞(300)的型线(301)和型线(302)是点、圆、椭圆、抛物线、双曲线等初等曲线、正弦和余弦等超越曲线、或为两种曲线的组合曲线。
第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)每旋转一圈，新型节能摇摆活塞压缩机排气四次。
图例说明
本方案所述的第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)就是旋塞(200)，旋转门(500-1)和旋转门(500-2)就是旋转门(500)，在编号(200)和(500)后再加序号(-1)、(-2)是为两个完全相同的物体安装在不同的位置做区别。
图1为新型节能摇摆活塞压缩机的剖面图，图中示出了一个机壳(100)，具有相同断面的第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)，一个摇摆活塞(300)和排气口模块(400)，第一旋塞(200-1)与机壳(100)、排气口模块(400)和摇摆活塞(300)构成第一旋转压缩机，第一旋转压缩机有第一吸气缸(102-1)和第一压缩缸(103-1)；第二旋塞(200-2)与机壳(100)、排气口模块(400)和摇摆活塞(300)构成第二旋转压缩机，第二旋转压缩机有第二吸气缸(102-2)和第二压缩缸(103-2)；第一旋塞(200-1)顺时钟方向旋转，第二旋塞(200-2)逆时钟方向旋转；压缩腔内的压缩气体从排气侧端盖(400)上的排气口(901)中排出。主动轴(601)和从动轴(603)每旋转一圈第一旋转压缩机和第二旋转压缩机各排气两次，并且为不同时排气。
图2a是第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)的端面图，用同一编号旋塞(200)表示，型线(201-1)与型线(201-2)之间、型线(202-1)与型线(202-2)之间、型线(203-1)与型线(203-2)之间、型线(204-1)与型线(204-2)之间都以旋塞(200)的轴中心旋转对称，型线(201-1)与型线(203-1)对应相等的中心角A；图2b是旋塞(200)的三维柱面体。
图3为新型节能摇摆活塞压缩机的坐标系，型线(303)是以支承轴(801)的轴心为中心的一段圆弧，型线(301)与旋塞(200-1)的型线之间、型线(302)与旋塞(200-2)的型线之间都是共轭啮合的平面曲线。当第一旋塞(200-1)顺时钟方向旋转和第二旋塞(200-2)逆时钟方向旋转时，摇摆活塞(300)绕支承轴(801)作摇摆运动，并且同时与第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)共轭啮合。同时，坐标系X0O0Y0为固定坐标系，原点O0与原点O1点重合，当坐标系X1O1Y1绕O1旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(301)包络坐标系X1O1Y1成形的共轭曲线就是第一旋塞(200-1)的型线。同理，当坐标系X3O3Y3绕O3旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(302)包络坐标系X3O3Y3成形的共轭曲线就是第二旋塞(200-2)的型线。从图中可以看出，满足以上啮合条件获得的型线是一个类似于花生壳断面的函数，此方案称其为花生壳函数。以花生壳函数为型线的旋塞称为花生壳旋塞。新型节能摇摆活塞压缩机的旋塞(200-1)和旋塞(200-2)都是花生壳旋塞。
根据以上描述，第一旋塞(200-1)的型线的花生壳函数表示为：
Figure BSA00000909441200031
式中，r1为花生壳型线在坐标系X1O1Y1的矢量表示
r2为型线(301)在坐标系X2O2Y2中的矢量表示，r2可以是点、圆、椭圆、抛物线、双曲线等初等曲线，或是正弦和余弦曲线，或是两种曲线的组合
M12是坐标系X2O2Y2到坐标系X1O1Y1的变换矩阵
Figure BSA00000909441200032
为花生壳旋塞的旋转角度
φ为摇摆活塞的旋转角度
Figure BSA00000909441200033
第二旋塞(200-2)型线的花生壳函数同所述第一旋塞(200-1)的花生壳函数相似。
图4a和图4b是排气口模块(400)，排气口模块(400)固定在机壳内，在排气口模块(400)上开有安装旋转排气门(500)的圆柱孔(403)和圆柱孔(404)，两圆柱孔是安装旋转门的位置孔，在两个圆柱孔的底部分别开有排气口(401)和排气口(402)，排气口(401)和排气口(402)是一个四边形结构，其中排气口(401)曲边同第一旋塞(200-1)的型线的一部分一致，排气口(402)曲边同第一旋塞(200-2)的型线的一部分一致，孔(405)是摇摆活塞(300)的支承轴承孔，排气槽(406)连通排气侧端盖(400)的排气口(901)。
图5a和图5b是一个旋转门(500)，旋转门(500)是一圆柱形，在旋转门(500)上对称开有两个完全相同的缺口，缺口一般为四边形，也可以是三角形，旋转门(500)同旋塞(200)固定连接随旋塞(200)同步旋转。
图6为新型节能摇摆活塞压缩机的内部传动结构图，主动轴(601)带动主动齿轮(602)旋转，主动齿轮(602)驱动从动齿轮(604)旋转，从动齿轮(604)带动从动轴(603)旋转。主动轴(601)和从动轴(603)经轴承(606)和轴承(609)支承在固定于机壳(100)两端的齿轮箱端盖(605)和排气侧端盖(607)上。第一旋塞(200-1)固定在主动轴(601)上，第二旋塞(200-2)固定在从动轴(603)上，或者第一旋塞(200-1)与主动轴(601)为一体结构，第二旋塞(200-2)与从动轴(603)为一体结构。第一旋转门(500-1)固定在第一旋塞(200-1)上，第二旋转门(500-2)固定在第二旋塞(200-2)上。
图7为齿轮传动图，主动齿轮(602)固定连接在主动轴(601)上，从动齿轮(604)固定连接在从动轴(603)上，在齿轮箱端盖(605)上，设置有排油孔(701)，主动齿轮(602)和从动齿轮(604)是两个完全一样的齿轮，两齿轮旋转方向相反。
图8为旋转门安装图，第一旋转门(500-1)与第二旋转门(500-2)形状完全一样，每当第一旋转门(500-1)与第二旋转门(500-2)的缺口经排气槽(406)与排气孔(901)连通时即压缩机排气一次，主动轴(601)和从动轴(603)旋转一周压缩机共排气四次，相邻两次排气之间主动轴(601)和从动轴(603)都旋转90°。
图9a和图9b是压缩机进排气口位置图，图中示出了进气口(101)和排气口(901)以及齿轮箱的注油孔(902)，从进气孔能观察到摇摆活塞(300)同轴(801)相连接。
具体实施方式
一台新型节能摇摆活塞压缩机是由两台平行轴旋塞压缩机组成，为述叙方便称其中之一为第一旋塞压缩机，另一个称为第二旋塞压缩机，两旋塞压缩机共用一摇摆活塞(300)。
新型节能摇摆活塞压缩机的主动轴(601)旋转则第一旋塞(200-1)和第一旋转门(500-1)随之旋转，气体从进气口(101)进入机体内，第一吸气缸(102-1)吸气，当第一吸气缸封闭后吸气完成转化为第一压缩缸(103-1)，摇摆活塞(300)开始压缩第一压缩缸(103-1)中的气体，当第一旋转门(500-1)的缺口(501)旋转到与排气槽(406)连通时，第一旋塞压缩机开始排气，气体经过排气口(401)、第一旋转门(500-1)的缺口(501)、排气槽(406)从排气口(901)排出，第一旋转门(500-1)的缺口(501)离开排气槽(406)后排气结束；当第一旋转门(500-1)的缺口(502)旋转到与排气槽(406)连通时，第一旋塞压缩机开始第二次排气，气体经过排气口(401)、第一旋转门(500-1)的缺口(502)、排气槽(406)从排气口(901)排出，第一旋转门(500-1)的缺口(502)离开排气槽(406)后排气结束，此时第一旋塞压缩机完成一个周期的两次排气。
主动轴(601)旋转的同时带动主动齿轮(602)旋转，主动齿轮(602)驱动从动齿轮(604)旋转，从动齿轮(604)带动从动轴(603)旋转则第二旋塞(200-2)和第二旋转门(500-2)随之旋转，气体从进气口(101)进入机体内，第二吸气缸(102-2)吸气，当第二吸气缸封闭后吸气完成转化为第二压缩缸(103-2)，摇摆活塞(300)开始压缩第二压缩缸(103-2)中的气体，当第二旋转门(500-2)的缺口(501)旋转到与排气槽(406)连通时，第二压缩机开始排气，气体经过排气口(402)、第二旋转门(500-2)的缺口(501)、排气槽(406)从排气口(901)排出，第二旋转门(500-2)的缺口(501)离开排气槽(406)后排气结束；当第二旋转门(500-2)的缺口(502)旋转到与排气槽(406)连通时，第二压缩机开始第二次排气，气体经过排气口(401)、第二旋转门(500-2)的缺口(502)、排气槽(406)从排气口(901)排出，第二旋转门(500-2)的缺口(502)离开排气槽(406)后排气结束；此时第二旋塞压缩机完成一个周期的两次排气。
主动轴和从动轴每旋转一圈，摇摆活塞压缩机排气四次。
新型节能摇摆活塞压缩机具有显著的特点，旋塞的断面是一个花生壳形状的型线，具有轴对称结构，因此其旋转是平稳的；作用在旋塞和摇摆活塞上的气体压力垂直于其轴的中心线，因此无轴向作用力，对轴承无特殊要求，轴承的使用寿命长；排气口为旋转门式，无阀片，排气噪音低；摇摆活塞与旋塞之间是间隙接触，几呼无接触压力，摇摆活塞不易磨损；结构简单，容易密封，效率高；加工方便，无需特殊的加工设备，生产成本低。
本发明的显著特征是第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机的主动轴(601)和从动轴(603)平行，共用同一摇摆活塞，无滚动活塞式压缩机和旋转活塞压缩机的弹簧机构，也不是双旋转活塞压缩机的两个旋转活塞共用同一主轴结构，为了与目前的滚动活塞式压缩机、旋转活塞压缩机和双旋转活塞压缩机相区别，本方案以摇摆活塞作为该类型压缩机的名称，所以取名为摇摆活塞压缩机。
以上内容描述了本发明的基本原理、主要特征和实现方式，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中的描述只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种具体参数和这些参数的改变，这些变化和改变都落在本发明的保护范围内，本发明要求保护的范围由所描述的技术方案、权利要求书以及等同物界定。

Claims (4)

1.一种新型节能摇摆活塞压缩机，该摇摆活塞压缩机由第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机构成，包括机壳(100)、第一旋塞(200-1)、第二旋塞(200-2)、主动轴(601)、从动轴(603)、主动齿轮(602)、从动齿轮(604)、排气口模块(400)、第一旋转门(500-1)、第二旋转门(500-2)以及齿轮箱侧端盖(605)和排气侧端盖(607)等；第一旋塞压缩机和第二旋塞压缩机装设于同一个机壳(100)内；第一旋塞压缩机的主动轴(601)和第二旋塞压缩机的从动轴(603)平行；在第一旋塞压缩机里，安装在机壳(100)的第一旋塞压缩机腔中的第一旋塞(200-1)由主动轴(601)经轴承支承在机壳(100)两端的齿轮箱端盖(605)和排气侧端盖(607)上，主动齿轮(602)固定在主动轴(601)上，第一旋转门(500-1)固定在第一旋塞(200-1)靠排气侧的端面上；在第二旋塞压缩机里，安装在机壳(100)的第二旋塞压缩机腔中的第二旋塞(200-2)由从动轴(603)经轴承支承在机壳(100)两端的齿轮箱端盖(605)和排气侧端盖(607)上，从动齿轮(604)固定于从动轴(603)上，第二旋转门(500-2)固定在第二旋塞(200-2)靠排气侧的端面上；摇摆活塞(300)经支承轴(801)支承在机壳(100)与排气口模块(400)上；排气口模块(400)固定在机壳(100)上，并将第一旋塞(200-1)与第一旋转门(500-1)之间、第二旋塞(200-2)与第二旋转门(500-2)之间隔开；
其特征在于：第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)的型线是分别与摇摆活塞(300)的型线(301)和型线(302)共轭啮合的平面曲线，形如花生壳，所以本方案称为花生壳函数，当第一旋塞(200-1)顺时钟方向旋转和第二旋塞(200-2)逆时钟方向旋转时，摇摆活塞(300)绕支承轴(801)作摇摆运动，并且同时与第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)共轭啮合。
2.根据权利要求1所述的新型节能摇摆活塞压缩机，其特征在于：所述的花生壳函数是如下方法生成：
设坐标系X0O0Y0为固定坐标系，原点O0与原点O1重合，坐标系X1O1Y1绕O1旋转，坐标系X2O2Y2绕O2摇摆，当坐标系X1O1Y1绕O1旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(301)包络坐标系X1O1Y1成形的共轭曲线就是第一旋塞(200-1)，同理，当坐标系X3O3Y3绕O3旋转且坐标系X2O2Y2绕O2摇摆时，在坐标系X2O2Y2中的型线(302)包络坐标系X3O3Y3成形的共轭曲线就是第二旋塞(200-2)，满足以上啮合条件获得的型线是一个类似于花生壳断面的函数，所以称为花生壳函数，以花生壳函数为型线的旋塞称为花生壳旋塞；
根据以上描述，就第一旋塞(200-1)而言，花生壳函数的简式为：
式中，r1为花生壳型线在坐标系X1O1Y1中的矢量表示
r2为型线(301)在坐标系X2O2Y2中的矢量表示，r2＝g(θ1)，θ1为r2形状参数
M12是坐标系X2O2Y2到坐标系X1O1Y1的变换矩阵
为花生壳旋塞的旋转角度
φ1为摇摆活塞的旋转角度
Figure FSA00000909441100013
则，
Figure FSA00000909441100021
第二旋塞(200-2)的花生壳函数同所述第一旋塞(200-1)的花生壳函数相似。
3.根据权利要求2所述的新型节能摇摆活塞压缩机，其特征在于：摇摆活塞(300)的型线(301)和型线(302)是点、圆、椭圆、抛物线、双曲线等初等曲线、正弦和余弦等超越曲线、或为两种曲线的组合曲线。
4.根据权利要求1所述的新型节能摇摆活塞压缩机，其特征在于：第一旋塞(200-1)和第二旋塞(200-2)每旋转一圈，新型节能摇摆活塞压缩机排气四次。
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