CN106150972A - 利用l型活塞环构成全无余隙活塞往复式压缩机的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用L型活塞环构成全无余隙活塞往复式压缩机的方法，在瞬间时刻可以力争消灭涉及：活塞(5)顶部空间的“余隙”、吸气与排气机构中的“余隙”，以及通过采用的L型无端隙(F)非金属的活塞环(K)或L型有端隙(F)金属的活塞环(K)，最终让活塞(5)、排气阀片(3)、锥形吸气阀块(4)、汽缸(6)以及活塞环(K)五者之间能够形成没有任何几何空间的“全无余隙”或准“全无余隙”的瞬间接触状态。为此，让活塞往复式压缩机以崭新的面貌出现，使得它的活塞排气量与工作压缩比均达到或很接近于100％或无穷大的程度创造了条件，进而成为活塞往复式压缩机的换代产品，甚至由于其“性价比”的奇高而成为绝大多数类型压缩机的换代成品。

Description

利用L型活塞环构成全无余隙活塞往复式压缩机的方法

技术领域.

本发明涉及活塞往复式压缩机的技术，尤其涉及了利用L型活塞环构成全无余隙活塞往复式压缩机的方法技术。

背景技术

目前问世的压缩机品种中的大多数都是常规的由曲轴驱动的活塞式压缩机，它具有：制造简单，使用寿命长，对材质要求不高等其它品种压缩机无法与之相比的综合特点，这是它问世以来经久不衰的主要原因。

活塞往复式压缩机与其他压缩机一样，由于在结构上受到无法解决的“余隙”问题的困扰，因此它的排气效率或/和压缩比始终难以提高。——例如：当压缩比接近于“10”时，其排气量将会减小到失去其工作意义的程度。

现有活塞往复式压缩机中的“余隙”包括：活塞外顶部与气缸内顶部之间以及由于吸气与排气二者机构必须存在的“余隙”，以及由于活塞环的存在而造成的余隙。

专利CN1680717A揭示了一种无活塞环的“无余隙”活塞往复式压缩机的结构形式。

此外，JP8-9985B2公开了一种无油活塞往复式压缩机，该压缩机采用了包括诸如聚四氟乙烯(PTFE)或聚四氟乙烯树脂的聚合物制成的活塞环，然而，在其结构上，该活塞环的端隙存在任然是不可避免的，即C型活塞环的端部间隙任然是不可避免的。

发明内容

本发明之目的：

提出一种其工作压缩比能够极大幅度攀升(也有可能使得活塞排气量达到100％)的采用了其截面为L型的活塞环全无余隙活塞往复式压缩机机型的结构。

为了实现上述发明目的，拟采用以下的技术：

本发明在活塞往复运行的现有技术机型结构的基础上，再满足以下a、b与c的三个机构设置条件：

a.活塞的顶部外侧配用控制吸气孔开启与关闭的锥形吸气阀块；

b.至少在与活塞的外侧与顶部齐平位置上设置了其断面为L型且无端隙的活塞环；

c.活塞在向前压缩排气行程中，最后能够顶开排气阀片冲出汽缸，活塞在后退行程中，当活塞欲完全退回到汽缸内，即将与被气缸阻挡在外的排气阀片分离的时刻，将会形成活塞、排气阀片、锥形吸气阀块、活塞环与汽缸五者之间形成没有几何空间的“全无余隙”接触状态；

所述的非金属是指可形变的耐油耐温高分子聚合物材料；

所述的活塞与活塞环是待装配结合之后再进行两者齐平端共同研磨的。

所述的活塞在向前压缩排气行程中，最后能够顶开排气阀片冲出汽缸的行程部分小于活塞整个行程行程的1/10。

所述的全无余隙活塞往复式压缩机的温升控制方法是采用如内燃发动机那样的常规水冷方式或常规的气冷方式予以限制温升的幅度。

------所述的排气阀片是通过弹簧一类的弹性装置定位在汽缸的顶部。

本发明的另型设计方案，即该另型设计方案与L型无端隙非金属的活塞环的不同仅仅在于：

将L型无端隙非金属的活塞环由采用不同材料的L型有端隙(包括：增加流阻的倾斜端隙与不增加流阻的常规竖向端隙)金属的活塞环来替换。

本发明的特点：

一、由于本发明采用其断面为L型无端隙的作为非金属且可形变的耐油耐温软性高分子聚合物材料制成的活塞环结构，这就为让：

活塞环可以方便地安装(如自行车外胎那样地套进自行车钢圈那样地)在活塞上的专用环形槽上实施简单定位创造了条件；

该L型无端隙的活塞环在压缩气体时利用与活塞之间的倾斜接触所产生向着汽缸内圆周的分力对汽缸内壁的挤压，限制了活塞高、低压两端的的气体漏气量，即为增加活塞环与汽缸之间的密封性，为提高该活塞往复式机型的“全无余隙”结构的工作压缩比或达到100％的排气量创造了条件。

二、鉴于一般工程上所需求的高工作压缩比都是有限的或很有限的，这就如：如果技术上可以建造出万层高楼大厦，而实际上人们需求的高楼大厦接近百层就足够了一样，这就为让：

在实际上采用非金属的高分子材料作为活塞环的耐热(不及金属)与持久性(存在老化问题)不足的现实情况下，但是，仍然能够在“次高工作压缩比(高于或远高于“10”)”的适用范围内使用创造了条件。

三、尽管结构上存在“端隙”的金属活塞环的漏气量有限且极小，但是仍然将会制约压缩机高工作压缩比的攀升，然而，由于上述的“二”款理由的普遍存在，又由于本发明采用了L型金属活塞环以及与活塞配合的特殊结构，绝大部分消除了原来存在的常规“余隙”空间，这就为让：

成就本发明的整机，虽然理论上不能够在绝对的“全无余隙”状态下工作，即压缩比无穷大，然而，也是可以使得它的工作压缩比在远远大于“10”的工况下进行压缩与排气工作创造了条件。——由于有端隙金属活塞环(不存在老化等问题)的使用寿命会高于无端隙非金属活塞环，因此，采用前者的实际意义还是相当可观的。

附图说明

图1示意了本发明在卧式曲轴驱动型大功率活塞往复式压缩机中的实施例。

图2示意了图1机型中采用L型无端隙非金属或有端隙金属的活塞环随活塞前进(排气)运行时活塞、阀和汽缸的相对位置。

图3示意了图1机型中采用L型无端隙非金属或有端隙金属的活塞环随活塞后退(吸气)运行时活塞、阀和汽缸的相对位置。

H：高压区；W：低压区；K：活塞环；F：活塞环上倾斜的端隙(倾斜端隙的流阻大于非倾斜端隙的流阻——流阻越大于限制漏气越有利)；N：普通的矩形断面常规活塞环；P：活塞顶部的吸气孔；D：交流电机；1：缸盖；2：弹簧；3：排气阀片；4：锥形吸气阀块；5：活塞；6：汽缸；7：曲轴；8：连杆；9：机体；10：定位螺丝。

具体实施方式

图1示意了一种曲轴驱动型活塞往复式压缩机“全无余隙”的结构概况，它属于卧式低往复频率大排气量的最实用的典型机型。

图2示意了活塞5在向前的压缩排气行程时，携带着L型无端隙F非金属的活塞环K一起，顶着排气阀片3在汽缸6的洞口外部一起行进的状况，显然：

A.在活塞5与排气阀片3接触之前，该二者之间就已经在汽缸6中形成了将会缓解活塞5与排气阀片3相互冲撞力度的高压气垫；

B.此时意味着：活塞5已经将被压缩成的高压气体全部挤入高压区H；

C.应该在结构设计上确保：L型无端隙F非金属或有端隙F金属的活塞环K不能全部脱离(冲出)汽缸的洞口，否则，该活塞环K就不可能被活塞5重新携带着返回汽缸6内部了；此外，活塞5冲出汽缸6洞口的行程部分，可控制在其有效行程长度的十分之一左右或更小。——该活塞5冲出汽缸6洞口的行程部分越大，高压区H中的高压汽体参与驱动活塞5退回汽缸6的作用时间就越长，即会减少该活塞5在之后的吸气行程中吸入低压区W所提供的低压气体的数量就会减少，影响整机在之后的单位时间内的总排气数量。——该活塞5冲出汽缸6洞口的行程长短由其曲轴连杆的长短所决定。

图3示意了活塞5在后退的吸气行程时通过其顶部的锥形吸气阀块4吸进低压气体的状态。显然：

D.在结构上采用顺流式吸气机构最符合“全无余隙”的机型结构要求。

E.当活塞5处于后退行程的初始阶段，即在活塞5完全退进汽缸6的洞口之前，首先由较大直径的排气阀片3将较小口径的汽缸6的洞口顶部封闭住，此刻必将形成：

活塞5(包括位于其外缘及顶部的K型无端隙F非金属或有端隙F金属的活塞环K)、锥形吸气阀块4、排气阀片3与汽缸6之间瞬间的“全无余隙”的状态。在此刻之后，就不会存在如现有技术中残余高压气体的膨胀过程了(这就是该“全无余隙”造成的关键特征)，直接让活塞5进入了具有实际吸气意义的吸气冲程阶段，直到由吸进的低压气体将汽缸6中活塞5至排气阀片3之间的空间填满为止。

综上所述，从本发明的结构原理上看，当活塞5处于本发明的吸气冲程但又尚未进行吸气时，即主要是在高气压的驱动下，让排气阀片3将汽缸6的洞口顶部封闭住的时刻：将会形成最关键的：活塞5、排气阀片3、锥形吸气阀块4、汽缸6与K型活塞环K的五者之间没有几何空间的“全无余隙”瞬时接触状态。——利用了“全无余隙”瞬时接触状态这一点，就可以成就“全无余隙”机型。

关于“全无余隙”机型采用其截断面为K型活塞环的有益效果的分析：

由于活塞5与上述L型活塞环K(其张口是向着圆心的)在压缩气体时，是通过一.定的锥形坡度以相互挤压的方式接触的(该坡度方向是离开圆心而向着圆周的)，这样，在活塞5压缩气体的过程当中，就必然会增加一个向着汽缸6圆周内壁方向上的附加挤压分力(可变的且与被压缩气体的压力成正比)；当被压缩气体的压力，即正向压力达到最高时，那么，通过该活塞环的上述附加的分力来制止活塞5两端的高压与低压之间漏气的力度也就随之达到最大(非常有利于实现高压缩比工况)；而在活塞5压缩气体的初始行程阶段(气体的压力不高时)，上述向着圆周方向的挤压分力就会不存在或很小。

显然：上述随着该被压缩气体的压力升高其上述的“向着周边的附加挤压分力”也随之增大的过程，于形成高压缩比是极其有利的。——这就是在“全无余隙”的大前提下，采用K型活塞环的关键点所在。

关于本发明高压缩比机型的高压温升以及冷却散热的问题：

高压缩比或特高压缩比机型必然会面临对于压缩机来说的高温升问题，这可以采用—般的风冷方式来解决，也可以采用如汽车发动机(通过汽油高温爆炸来驱动活塞的运行)那样的水冷方式来解决(属于现有技术范畴)，更可以采用铁路上动车组中使

用的特高功率冷却散热的现有方法予以解决。——本发明可以设计出工作压缩比极高的机型，然而，绝大多数的使用情况所需要的压缩比是有限的，甚至是很有限的，例如：将现有技术中绝大多数需要的有限的几级压缩的工程变为采用本发明的单机压缩时，需要解决的高温升问题就会简单得多；然而，即便使用了本发明的“全无余隙”机型，也可以根据实际情况采用较之现有技术具有更高档次的双级或多级压缩工程的形式。

显然，本发明提出的采用L型活塞环K的活塞往复式压缩机的全无余隙结构中揭示了受制于采用不同装配方法约束的两大类利用不同材料制取的活塞环K：

它们是无端隙F的非金属活塞环K以及有端隙F的金属活塞环K。

配用无端隙F的非金属活塞环K的活塞5所构成的压缩机整机，在理论上是能够达到构成“全无余隙”的压缩机机型的结构原理，然而，由于其工作压缩比受到非金属高分子材料耐热性能的制约，且在高温条件下存在容易老化的可能(影响寿命)，因此，该机型实际上的工作压缩比不能做到无穷大的程度，而其排气量却可以在上述“材料耐热性能的制约”前提下(其温升最高许可条件以下)达到理论上与实际上100％的排气效率。

配用有端隙F的金属活塞环K的活塞5所构成的压缩机整机，在理论上由于存在漏气的“端隙”，因此，理论上就不能够达到构成“全无余隙”的压缩机机型的结构原理的程度，然而，由于其“端隙”的实际情况是可以做到极其微小(让“端隙”倾斜设置以增加其长度来使得其流阻增加)、甚至不会漏气(让该“端隙”缝隙基本上为“零”的使用期很长)的程度，因此，其工作压缩比理论上是可以称其达到“准全无余隙”的程度，或者说实际上甚至可以达到接近于“全无余隙”的程度；其排气程度保守的说法应该是能够达到非常接近于100％的排气效率。

——鉴于一般工程上所需求的高工作压缩比都是有限的或很有限的，离开无穷大还有很大的一段距离，这就如：如果技术上可以建造出万层高楼大厦，而实际上人们需求的高楼大厦接近百层就足够了一样，为此：

在其理论上与实际上能够轻易地达到满足现有技术工程需求，例如，让现有的必须通过许多级(例如许多级压缩)才能达到要求的气体压缩工程量级，就可以轻易而举地通过本发明的单级压缩予以解决。

Claims (3)

1.一种利用L型活塞环构成全无余隙活塞往复式压缩机的方法，在活塞(5)往复运行的现有技术机型结构的基础上，其结构与材料上再满足以下a、b与c的三个机构设置条件：

a.活塞(5)的顶部外侧配用控制吸气孔(P)开启与关闭的锥形吸气阀块(4)；

b.至少在与活塞(5)的外侧与顶部齐平位置上设置了其断面为L型且无端隙的活塞环(K)；

c.活塞(5)在向前压缩排气行程中，最后能够顶开排气阀片(3)冲出汽缸(6)，活塞(5)在后退行程中，当活塞(5)欲完全退回到汽缸(6)内，即将与被气缸(6)阻挡在外的排气阀片(3)分离的时刻，将会形成活塞(5)、排气阀片(3)、锥形吸气阀块(4)、活塞环(K)与汽缸(6)五者之间形成没有几何空间的“全无余隙”接触状态；

所述的非金属是指可形变的耐油耐温高分子聚合物材料；

所述的活塞(5)与活塞环(K)是待装配结合之后再进行两者齐平端共同研磨的；

所述的活塞(5)在向前压缩排气行程中，最后能够顶开排气阀片(3)冲出汽缸(6)的行程部分小于活塞(5)整个行程行程的1/10；

所述的全无余隙活塞往复式压缩机的温升控制方法是采用如内燃发动机那样的常规水冷方式或常规的气冷方式予以限制温升的幅度。

2.根据权利要求1所述的采用L型活塞环的活塞往复式压缩机的全无余隙结构，所述的排气阀片(3)是通过弹簧(2)一类的弹性装置定位在汽缸(6)的顶部。

3.根据权利要求1所述的采用L型活塞环的活塞往复式压缩机的全无余隙结构的另型设计方案，即该另型设计方案与L型无端隙(F)非金属的活塞环(K)的不同仅仅在于：

将L型无端隙(F)非金属的活塞环(K)由采用不同材料的L型有端隙(F)金属的L型活塞环(K)来替换。