CN103899510A - 超高压空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种超高压空气压缩机，其能克服传统超高压空气压缩机笨重、效率低之不足，使得超高压空气压缩机微型化且可靠性高。该超高压空气压缩机，包括：多个气缸和对应多的活塞；多个双作用连杆，其沿气缸的工作方向布置，一端设置有活塞，另一端与起到驱动作用的斜盘连接，斜盘用于驱动双作用连杆沿工作方向移动；斜盘的数目为单个，斜盘相对于工作方向呈锐角或钝角地倾斜布置，多个双作用连杆和多个气缸以对称的方式分别平行布置在，斜盘的两侧，各级压缩气缸中的相邻下一级气缸的排气阀与相邻上一级气缸的进气阀串联连接，流露最上游气缸排气阀与气瓶进气阀串联连接。

Description

超高压空气压缩机

技术领域

本发明涉及一种微型超高压空气压缩机，其适于在线产生超高压空气。

背景技术

压缩机是用来提高气体压力和输送气体的机械，属于将原动机动力能转变为气体压力能的工作机。我国压缩机技术起步较晚，但发展很快。压缩机的种类多、用途广，有“通用机械”之称。在超高压空气压缩机研究应用方面国内产家生产的产品大都是活塞式压缩机为主，由于受结构与机理的限制，超高压空气压缩机普遍体积庞大，重量重，重量最小的产品为重量41kg，体积600×340×350mm，排气压力30MPa，但是在一些微型低冷特别是在某些特殊场合需要微型化、轻型化在线生产而无法满足要求。目前市场上超高压空气压缩机以往复式活塞压缩机为主，由于结构、制造、装配、运转等方面的需要，气缸中存在余隙容积，而余隙容积不仅直接减小了气缸的有效容积，而且其中所残留的高压气体还必须膨胀至吸气压力，气缸才能开始吸入新鲜气体，这样就等于进一步减小了气缸的有效容积。在超高压压缩机中，气缸有效容积则越小，甚至能够出现余隙容积内的气体在气缸内完全膨胀后，压力仍不低于吸气压力，这时就无法继续吸、排气，气缸的有效容积就变成了零。并且过大的压缩比使得摩擦和压缩气体时产生大量热量，不仅造成能源浪费，甚至影响压缩机正常工作。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种超高压空气压缩机，其能克服传统超高压空气压缩机笨重、效率低之不足，使得超高压空气压缩机微型化且可靠性高。

为实现上述目的，本发明提供了一种超高压空气压缩机，包括：多个气缸和对应用于对气缸内气体进行压缩的活塞；多个双作用连杆，其沿气缸的工作方向布置，一端设置有所述活塞，另一端与起到驱动作用的斜盘连接，斜盘用于驱动双作用连杆沿工作方向移动；其中，所述斜盘的数目为单个，所述斜盘相对于所述工作方向呈锐角或钝角地倾斜布置，所述多个双作用连杆和所述多个气缸以对称的方式分别平行布置在所述斜盘两侧，各级压缩气缸中的相邻下一级气缸的排气阀与相邻上一级气缸的进气阀串联连接，流露最上游气缸排气阀与气瓶进气阀串联连接；当所述斜盘转动时，使得活塞对位于斜盘一侧气缸内的气体进行压缩增压，而位于斜盘另一侧气缸内的气体膨胀，当各级串联压缩气缸的上级气缸排气阀的压力大于下级气缸进气阀的压力时，两个串联气缸空气连通，以使得从一个串联气缸排出的气体能够继续进行压缩。

优选地，所述气缸的数目为四个，即位于斜盘一侧的Ⅰ级气缸、Ⅱ级气缸以及位于斜盘另一侧与Ⅱ级气缸对称的Ⅲ级气缸和与Ⅰ级气缸对称的Ⅳ级气缸，其中，Ⅰ级气缸位于压缩空气流路的最上游，Ⅳ级气缸位于压缩空气流路的最下游，Ⅰ级气缸的排气阀与Ⅱ级气缸的进气阀连接，Ⅱ级气缸的排气阀与Ⅲ级气缸的进气阀连接，Ⅲ级气缸的排气阀与Ⅳ级气缸的进气阀连接。

优选地，所述斜盘相对于平行布置的气缸的工作方向的倾斜角为70°到75°的范围。

优选地，所述各级气缸的截面面积从上游侧朝向下游侧逐渐减小。

优选地，所述各级气缸的行程一致，所述斜盘的尺寸和所述气缸的位置适当地设置，使得各级相邻气缸以180°的相位差布置，以确保上游侧气缸压缩排气时，相邻的下游侧气缸膨胀吸气。

优选地，所述斜盘通过主轴驱动转动。

优选地，所述双作用连杆通过滑靴结构与所述斜盘相连，所述滑靴结构特别地为如下结构：斜盘的两端面设有凹槽，槽内安装适于滑靴滑动的滑道片体，滑靴上的球状突起物嵌入双作用连杆的内侧。

优选地，各级气缸之间通过翅片管相互连接。

根据本发明的超高压空气压缩机，从结构机理方面突破，采用变截面多级压缩，单级压缩比小，不仅解决余气容积的问题，而且使得压缩机运行更加平稳，多个（例如四级）气缸在保证相位相差180°的前提下对称布置，使得主轴受力比较均匀，波动小，可靠性、通用性强，满足微型化的要求。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施方式的超高压气体压缩机结构的一个示意图；

图2是根据本发明的一个实施方式的超高压气体压缩机工作过程的一个示意图；

图3是根据本发明的一个实施方式的超高压气体压缩机工作过程的另一示意图。

附图标记说明

1、Ⅳ级气缸；2、Ⅳ级活塞；3、轴承Ⅰ；4、主轴；5、轴承端盖Ⅰ；6、Ⅲ级活塞；7、Ⅲ级气缸；8、键；9、双作用连杆Ⅰ；10、滑靴；11、斜盘；12、滑道；13、左箱体；14、右箱体；15、内端盖；16、固体润滑轴承；17、Ⅱ级活塞；18、Ⅱ级气缸；19、活塞环；20、气缸阀盖；21、翅片管；22、轴承Ⅱ；23、轴承端盖Ⅱ；24、Ⅰ级气缸；25、双作用连杆Ⅱ；26、Ⅰ级活塞；27、排气阀；28、吸气阀。

具体实施方式

下面结合附图详细说明根据本发明的实施方式。

根据本发明的超高压空气压缩机包括：多个气缸和对应多个用于对气缸的内气体进行压缩的活塞；多个双作用连杆，其沿气缸的工作方向布置，一端设置有所述活塞，另一端与起到驱动作用的斜盘连接，斜盘用于驱动双作用连杆沿工作方向移动；其中，所述斜盘的数目为单个，所述斜盘相对于所述工作方向呈锐角或钝角地倾斜布置，所述多个双作用连杆和所述多个气缸以对称的方式分别平行布置在所述斜盘的两侧，各级压缩气缸中的相邻下一级气缸的排气阀与相邻上一级气缸的进气阀串联连接，流露最上游气缸排气阀与气瓶进气阀串联连接；当所述斜盘转动时，使得活塞对位于斜盘一侧的气缸内的气体进行压缩增压，而位于斜盘另一侧的气缸内的气体膨胀，当各级串联的压缩气缸的上级气缸的排气阀的压力大于下级气缸的进气阀的压力时，两个串联气缸空气连通，以使得从一个串联气缸排出的气体能够继续进行压缩。气缸的数目为偶数个，例如为2个、甚至是6个；但优选为4个，以4个为例进行说明。

如图1所示，超高压空气压缩机包括：Ⅳ级气缸1、Ⅲ级气缸7、Ⅱ级气缸18、Ⅰ级气缸24；与各气缸分别对应的Ⅳ级活塞2、Ⅲ级活塞6、Ⅱ级活塞17、Ⅰ级活塞26；与各气缸和活塞协作的双作用连杆Ⅰ9、双作用连杆Ⅱ25；斜盘11；气缸在斜盘11两侧对称布置，斜盘11右侧端面布置Ⅰ级气缸24和Ⅱ级气缸18，斜盘11左侧端面布置Ⅲ级气缸7和Ⅳ级气缸1，当主轴转动时，Ⅰ级气缸24和Ⅱ级气缸18相位相差180度，Ⅱ级气缸18和Ⅲ级气缸7相位相差180度，Ⅲ级气缸7和Ⅳ级气缸1相位还是相差180度，保证低一级气缸在压缩气体时，高一级气缸在吸气膨胀；由于气缸采用对称布置，使得主轴4受力较小，波动小。

在图示的实施方式中，超高压空气压缩机箱体采用分体设计，即分为左箱体13和右箱体14，右箱体14设计有止口，并设计有定位销，从而保证安装精度，分体设计便于安装维护；在左箱体13和右箱体14端面上分别设计了两片通气孔，便于箱体内气缸散热；主轴4采用轴肩和轴套配合实现轴向定位，通过轴承3、22支承在箱体上。斜盘11为椭圆盘，通过键8与主轴4固连，随主轴4一起做回转运动。在斜盘11两端面分别设计了椭圆形凹槽，槽内安装滑道12片体，用于滑靴10滑动。滑靴10上的钢球嵌入双作用连杆9、25的内侧。双作用连杆Ⅰ9的两端分别通过与Ⅱ级活塞17和Ⅲ级活塞6固连。双作用连杆Ⅱ25的两端分别通过螺纹与Ⅰ级活塞26和Ⅳ级活塞2固连。Ⅰ级气缸24排气阀通过翅片管21与Ⅱ级气缸18的进气阀连接，Ⅱ级气缸18排气阀通过翅片管21与Ⅲ级气缸7的进气阀连接，Ⅲ级气缸7排气阀通过翅片管21与Ⅳ级气缸1的进气阀连接。双作用连杆采用固体润滑轴承16定位和支撑，保证双作用连杆在水平方向上作往复直线运动，并分担一定的径向力，避免活塞和气缸摩擦过热。固体润滑轴承16嵌入内端盖15内孔，内端盖15通过螺钉固定在箱体内壁上。双作用连杆两端通过螺纹与活塞连接和紧固。活塞外壁安装了多道活塞环用以密封和润滑。

斜盘相对于平行布置的气缸的工作方向的倾斜角为70°到75°的范围，即图中所示的斜盘倾角θ为15°到20°。增加斜盘倾角θ将有利于增加活塞行程，但斜盘倾角θ过大，速度与加速度会多次出现峰值，特别是加速度峰值的出现，使活塞在一个循环中惯性力多次发生变向，从而引起机构的柔性冲击，造成运动状况恶化，从受力状况分析，由于斜盘对连杆的施力方向与连杆运动方向不平行，其间夹角即所谓压力角，斜盘倾角θ越大，则压力角越大，受力状况恶化，甚至出现机构卡死，斜盘倾角为15°到20°。

当斜盘11转动时，滑靴10将推动双作用连杆在水平方向来回往复运动。压缩机工作时，电机带动主轴4和斜盘11旋转，斜盘11通过滑靴10推动双向作用连杆作往复直线运动，并带动活塞运动，压缩机一个周期的初始位置为图3所示，Ⅰ级活塞26位于膨胀吸气的极限位置，Ⅰ级气缸24完成从外界吸气，Ⅱ级活塞17位于压缩排气的极限位置，完成向Ⅲ级气缸7的排气，Ⅲ级气缸7恰好吸气完成，Ⅳ级活塞2位于压缩排气的极限位置，向气瓶完成排气，主轴4带动斜盘11旋转并通过双作用连杆驱动活塞运动，Ⅰ级活塞26压缩Ⅰ级气缸24内的气体，Ⅱ级气缸18内残余处于膨胀状态，Ⅲ级活塞6压缩Ⅲ级气缸7内的气体，Ⅳ级气缸1内残余处于膨胀状态，当Ⅰ级气缸24内气体达到排气压力时，Ⅱ级气缸18恰好达到吸气压力，Ⅰ级气缸24向Ⅱ级气缸18排气，当Ⅲ级气缸7内气体达到排气压力时，Ⅳ级气缸1恰好达到吸气压力，Ⅲ级气缸7向Ⅳ级气缸1排气，当运动到位置如图1及图2所示，Ⅰ级气缸24完成排气，Ⅱ级气缸18完成吸气，Ⅲ级气缸7完成排气，Ⅳ级气缸1完成吸气，随着主轴转动，Ⅰ级气缸24开始从外界吸气，Ⅱ级活塞17压缩Ⅱ级气缸18内的气体，Ⅲ级气缸7内残余处于膨胀状态，Ⅳ级活塞2压缩Ⅳ级气缸1内的气体，当Ⅱ级气缸18内气体达到排气压力时，Ⅲ级气缸7恰好达到吸气压力，Ⅱ级气缸18向Ⅲ级气缸7排气，Ⅳ级气缸1达到排气压力向气瓶排气，从而在主轴4旋转一周的过程，便完成气体四级压缩，超高压空气压缩机完成一个工作过程。

根据本发明的超高压空气压缩机，为了达到微型化、高效率、高可靠性、长寿命之目的，本发明从结构机理方面突破，采用变截面多级压缩，气缸在斜盘两侧对称布置，主轴转动时，相邻两级气缸相位相差180°，保证低级气缸压缩排气时，相邻高级气缸膨胀吸气，而且使得主轴受力比较均匀；气缸之间布置螺线型翅片管，有效散热面积增加十倍，满足压缩机冷却的要求；采用变截面四级压缩，每一级气缸的行程一致，并且每一级的压缩比很小，解决余隙容积问题，从而提高气缸容积的利用率。斜盘式气缸两侧对称布置的结构，从结构机理上实现了微型化，变截面多级压缩的采用，使得空气压缩机在进口压力为0.1MPa，排气口压力可达35MPa，压缩比为350，该压缩机具有结构简单便于加工，价格低廉，安装、维护简便，使用寿命长可靠性高等诸多特点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种超高压空气压缩机，包括：

多个气缸和对应用于对气缸的内气体进行压缩的活塞；

多个双作用连杆，其沿气缸的工作方向布置，一端设置有所述活塞，另一端与起到驱动作用的斜盘连接，斜盘用于驱动双作用连杆沿工作方向移动；

其中，所述斜盘的数目为单个，所述斜盘相对于所述工作方向呈锐角或钝角地倾斜布置，所述多个双作用连杆和所述多个气缸以对称的方式分别平行布置在所述斜盘的两侧，各级压缩气缸中的相邻下一级气缸的排气阀与相邻上一级气缸的进气阀串联连接，流露最上游气缸排气阀与气瓶进气阀串联连接；

当所述斜盘转动时，使得活塞对位于斜盘一侧的气缸内的气体进行压缩增压，而位于斜盘另一侧的气缸内的气体膨胀，当各级串联压缩气缸上级气缸的排气阀压力大于下级气缸的进气阀压力时，两个串联气缸空气连通，以使得从一个串联气缸排出的气体能够继续进行压缩。

2.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述气缸的数目为四个，即位于斜盘一侧的Ⅰ级气缸、Ⅱ级气缸以及位于斜盘另一侧的一侧与Ⅱ级气缸对称的Ⅲ级气缸和与Ⅰ级气缸对称的Ⅳ级气缸，其中，Ⅰ级气缸位于压缩空气流路的最上游，Ⅳ级气缸位于压缩空气流路的最下游，Ⅰ级气缸的排气阀与Ⅱ级气缸的进气阀连接，Ⅱ级气缸的排气阀与Ⅲ级气缸的进气阀连接，Ⅲ级气缸的排气阀与Ⅳ级气缸的进气阀连接。

3.根据权利要求2所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述斜盘相对于平行布置的气缸的工作方向的倾斜角为70°到75°的范围。

4.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述各级气缸的截面面积从上游侧朝向下游侧逐渐减小。

5.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述各级气缸的行程一致，所述斜盘的尺寸和所述气缸的位置适当地设置，使得各级相邻气缸以180°的相位差布置，以确保上游侧气缸压缩排气时，相邻的下游侧气缸膨胀吸气。

6.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述斜盘通过主轴驱动转动。

7.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述双作用连杆通过滑靴结构与所述斜盘相连，所述滑靴结构特别地为如下结构：斜盘的两端面设有凹槽，槽内安装适于滑靴滑动的滑道片体，滑靴上的球状突起物嵌入双作用连杆的内侧。

8.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，各级气缸之间通过翅片管相互连接。

9.根据权利要求1所述的超高压空气压缩机，其特征在于，所述多个气缸设置在超高压空气压缩机的箱体上，所述箱体采用分体设计。

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