CN108775277A - 一种压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种压缩机，包括直线电机以及由所述直线电机驱动的压缩机构；所述直线电机包括驱动机构和联轴，所述联轴包括连接为一体的第一端部和第二端部，所述第一端部嵌设于所述驱动机构内部，所述第二端部的一端连接所述压缩机构；所述第二端部的外周套设有圆锥弹簧，所述圆锥弹簧位于所述驱动机构与所述压缩机构之间。本发明的压缩机，结构简单、简化控制，提高压缩机效率。

Description

一种压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机制造技术领域，更具体地，涉及一种压缩机。

背景技术

压缩机是一种将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械。而采用直线电机驱动的直线压缩机，能够减少运动转换装置，具有结构紧凑、效率高、无油或少润滑油、变容量特性优异等优势正得到越来越广泛的应用。

基于直线电机往复运动接近于简谐振动的理论基础，为使直线压缩机工作在最佳状态，通常需要通过谐振弹簧的设置来平衡运动部件的惯性力。现有的技术主要采用圆柱弹簧作为谐振弹簧，圆柱弹簧的弹性刚度通常为常数，根据压缩机固有频率的数学模型：弹簧刚度k_g的配置通常根据运动部件的质量m，运动频率f和气体等效刚度k_s确定。气体等效刚度是指活塞在压缩气体的过程中，压缩腔内的气体存在一定的弹性特性，定义为等效刚度。研究表明，活塞运动位置的变化对气体等效刚度有很大的影响，运行工况变化也有一定的影响，如图1所示，活塞从下止点运动到上止点的过程中，气体等效刚度的变化是一个快速增加到逐步下降的过程，接近上止点时急剧下降，超越上止点后有一定回升。环境工况变化时，比如冷凝温度下降时，气体等效刚度的变化趋势很类似，但刚度值有一定的下降。

直线压缩机的变容量调节主要通过活塞行程的变化实现的，采用圆柱谐振弹簧时，谐振弹簧刚度和气体等效刚度组合的总等效刚度如图2所示，可以看出，当直线压缩机活塞行程变化时，压缩机总等效刚度受气体等效刚度变化的影响变化很大，因而在变容量调节过程中压缩机的固有频率也会随着活塞行程的变化而变化。现有技术中为了保证较高的电机效率，通常会通过供电频率的调节，使其与压缩机的固有频率相跟随，很大程度上加大了直线压缩机的控制难度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种压缩机，以解决直线压缩机变容量调节与压缩机固有频率难于协调、控制难度大的技术问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种压缩机，包括直线电机以及由所述直线电机驱动的压缩机构；

所述直线电机包括驱动机构和联轴，所述联轴包括连接为一体的第一端部和第二端部，所述第一端部嵌设于所述驱动机构内部，所述第二端部的一端连接所述压缩机构；

所述第二端部的外周套设有圆锥弹簧，所述圆锥弹簧位于所述驱动机构与所述压缩机构之间。

进一步地，所述驱动机构的内部嵌设有第一弹簧；所述第一弹簧的轴线与所述联轴的轴线位于同一直线上，所述第一弹簧的一端与所述第一端部的一端固定连接，另一端固定连接于所述驱动机构的前端板上。

进一步地，所述第一弹簧为圆柱弹簧或锥形弹簧。

进一步地，所述压缩机构包括缸体和位于所述缸体内的活塞；所述第二端部的一端与所述活塞球形连接。

进一步地，所述圆锥弹簧的小直径端与所述联轴过盈配合，所述圆锥弹簧的大直径端套设于所述缸体外侧，且与所述缸体过盈配合。

进一步地，所述前端板、所述联轴与所述活塞上均设置有透气孔，所述前端板、所述联轴与所述活塞上的所述透气孔形成气流通道。

进一步地，所述活塞上的所述透气孔上设置有吸气阀。

进一步地，所述驱动机构包括套设于所述第一端部外侧的定子组件和永磁件；

所述定子组件包括励磁线圈和内部包覆所述励磁线圈的定子，所述励磁线圈与所述联轴同轴设置；

所述永磁件位于所述励磁线圈内侧，且所述永磁件的一端与所述联轴固定连接。

进一步地，所述定子包括同轴设置的内定子和外定子，所述内定子位于所述外定子的内侧，且所述内定子与所述外定子之间有气隙；

所述永磁件包括永磁单元和固定连接于所述永磁单元一侧的支板；所述永磁单元包括呈圆筒结构且两端开口的支撑体和贴附在所述支撑体上的永磁片，所述永磁单元位于所述气隙内；所述支板具有孔道，所述联轴由所述孔道内穿过。

进一步地，所述第一端部的外侧壁具有凸起，所述凸起与所述联轴同轴，所述凸起与所述定子滑动配合。

(三)有益效果

本申请提出的一种压缩机，其有益效果主要如下：

驱动机构通过连轴与压缩机构连接，并在位于驱动机构与压缩机构之间的连轴第二端部上套设圆锥弹簧，利用圆锥弹簧的刚度变化来适应压缩气体等效刚度随压缩行程的变化特性，减小直线压缩机变容量运行时的频率变化，简化控制，提高压缩机效率。并且，压缩机构设置在直线电机的外部，有利于利用低温低压的气体对直线电机及压缩腔的外侧进行散热，提高运行可靠性。

同时，第一弹簧设置在直线电机的驱动机构内部，有效利用空间，紧凑压缩机结构。并且，连轴与活塞球形连接，便于连轴和/或活塞运动过程中实现角度微调。连轴的第一端部设置于定子内侧，便于连轴运动过程中，对连轴的运动导引。

附图说明

图1为现有技术中压缩机构的气体等效刚度随活塞位置变化示意图；

图2为现有技术直线压缩机的总等效刚度随活塞运动位置变化示意图；

图3为根据本发明实施例的一种压缩机的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的一种压缩机的总等效刚度随活塞运动位置变化示意图。

图中，1-内定子；2-外定子；3-励磁线圈；4-永磁件；5-前端板；6-中板；7-后端盖；8-联轴；9-活塞；10-缸体；11-排气装置；12-圆锥弹簧；13-第一弹簧；14-排气管；15-机壳。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图3所示，一种压缩机，包括直线电机和压缩机构。该直线电机用于驱动该压缩机构动作，以实现压缩机的变容量调节过程。

直线电机包括驱动机构和联轴8；联轴8用于连接驱动机构和压缩机构。驱动机构带动联轴8作直线往复运动，从而带动与联轴8连接的压缩机构中的相应部件作直线往复运动，从而实现压缩机的变容量调节过程。

联轴8包括第一端部和第二端部。第一端部与第二端部连接为一体形成联轴8。其中，联轴8的第一端部嵌设于驱动机构内部，便于驱动机构驱动联轴8作直线往复运动；联轴8的第二端部的一端与第一端部连接，另一端即与压缩机构连接。当联轴8作直线往复运动时，其带动压缩机构的相应部件作直线往复运动。

并且，在第二端部的外侧套设有圆锥弹簧12。圆锥弹簧12位于驱动机构和压缩机构之间。当驱动机构驱动联轴8作直线往复运动时，驱动机构与联轴8一起向靠近/远离压缩机构的方向运动。

由于圆锥弹簧12直接套设在第二端部上，当驱动机构带动联轴8向靠近压缩机构的方向运动时，挤压圆锥弹簧12，从而使圆锥弹簧12发生形变，使得圆锥弹簧12直接作用于联轴8和压缩机构，在对压缩机构容量调节的同时，圆锥弹簧12的刚度变化能够很好地适应压缩机构中压缩气体等效刚度随压缩行程的变化特性，减小压缩机构变容量运行时的频率变化，从而简化控制，提高压缩机效率。并且，压缩机构设置在直线电机的外部，有利于利用低温低压的气体对直线电机及压缩腔的外侧进行散热，提高运行可靠性。

在一个具体的实施例中，驱动机构的内部嵌设有第一弹簧13。第一弹簧13的轴线与联轴8的轴线位于同一直线上。并且，第一弹簧13的一端与第一端部的一端固定连接；第一弹簧13的另一端与驱动机构的前端板5固定连接。

具体地，驱动机构包括前端板5，优选前端板5的板面与联轴8的轴向方向垂直。联轴8的一端连接有第一弹簧13，联轴8的另一端设置有圆锥弹簧12；当驱动机构驱动联轴8作直线往复运动时，既能够提高压缩机构中压缩气体等效刚度随压缩行程变化特性的适应性，同时，联轴8在运动过程中，也能够避免对驱动机构和/或压缩机构直接碰撞造成的不稳定性。

在一个具体的实施例中，第一弹簧13可以是圆柱弹簧，也可以是锥形弹簧。第一弹簧13优选为锥形弹簧。当第一弹簧13为锥形弹簧时，优选第一弹簧13的小直径端与前端板5固定连接，第一弹簧13的大直径端与联轴8固定连接。本发明中的锥形弹簧和圆锥弹簧12均可以是指同样形状的、呈锥形的弹簧。

具体地，在前端板5的一侧设置有第一凸起。在联轴8第一端部的一端设置有第二凸起。第一弹簧13的一端套设于第一凸起外周，且与第一凸起过盈配合；第一弹簧13的另一端与套设于第二凸起外周，且与第二凸起过盈配合。该种连接方式结构简单，且能够有效地紧固第一弹簧13，提高第一弹簧13与前端板5和联轴8之间固定连接的效果。

在一个具体的实施例中，压缩机构包括缸体10和活塞9；活塞9位于缸体10内。联轴8的第二端部的一端与活塞9球形连接。具体地，联轴8的轴向方向与活塞9的运动方向相同。

当驱动机构带动联轴8作直线往复运动时，联轴8带动活塞9在缸体10内作直线往复运动，从而吸入或压缩缸体10内的气体，实现压缩机构的变容量运行。

采用联轴8直接与活塞9连接的方式，可以简化压缩机构的结构，使压缩机结构更紧凑。并且，联轴8直接作用于活塞9，提高其运行效率。此外，联轴8与活塞9的连接方式采用球形连接，使联轴8在装配和运动过程中能够实现角度微调，增强结构适应性。

在一个具体的实施例中，优选圆锥弹簧12的小直径端与联轴8过盈配合，圆锥弹簧12的大直径端套设于缸体10的外侧，且与缸体10过盈配合。由于圆锥弹簧12的一端套设在缸体10外侧，在运动过程中，缸体10的位置保持不变，当驱动机构带动联轴8向靠近缸体10的方向运动时，驱动机构与缸体10之间的间距缩小，挤压圆锥弹簧12，使圆锥弹簧12发生形变。当驱动机构带动联轴8作直线往复运动时，联轴8带动活塞9在缸体10内作直线往复运动，从而实现压缩机构的变容量调节。

具体地，当第一弹簧13为锥形的弹簧时，圆锥弹簧12和第一弹簧13的朝向一致；也即，第一弹簧13的小直径端与前端板5固定连接，第一弹簧13的大直径端与联轴8固定连接。可以理解的是，圆锥弹簧12的朝向也可以相反，即圆锥弹簧12的小直径端套设在缸体10外侧，圆锥弹簧12的大直径端套设在联轴8外侧。

在一个具体的实施例中，为保证压缩机构的顺畅工作，在前端板5上设置有第一透气孔；联轴8上设置有第二透气孔；活塞9上设置有第三透气孔。并且，第一透气孔、第二透气孔和第三透气孔形成气流通道。在联轴8与活塞9连接的一端，第二透气孔的开口可设置在连轴8的端面，也可设置在联轴8的侧壁上。相应地，活塞9中的第三透气孔的一端口设置在与第二透气孔的该开口相应的位置，只要能够形成气流通道即可。

由于前端板5与联轴8之间是通过第一弹簧13连接，因此，前端板5上开设第一透气孔、联轴8上开设第二透气孔，且第一透气孔开设在与联轴8对应的位置，即能够形成气流通道。

可以理解的是，在缸体10的底部，也即缸体10远离联轴8的一端设置有第一单向阀门。在缸体10的底部连接有排气装置11；在排气装置11上连接有排气管14；排气管14的开口延伸至压缩机外侧。

在运行过程中，当活塞9向靠近缸体10底部的方向运动，挤压缸体10内的气体；当缸体10内的压力大于排气压力时，缸体10底部的第一单向阀打开，受挤压的气体由排气装置11和排气管14排出压缩机构，当活塞9向远离缸体10底部的方向运动时，第一单向阀关闭，缸体10内的压力小于吸气压力时，气流由第一透气孔、第二透气孔和第三透气孔形成的气流通道进入缸体10内，确保活塞9的正常运行。

在一个具体的实施例中，在第三透气孔内设置有吸气阀。当活塞9向靠近缸体10底部运动时，第三透气孔内的吸气阀闭合，由于活塞9与缸体10的侧壁紧密动配合，便于活塞9挤压缸体10内的气体；当缸体10内的压力大于排气压力时，缸体10底部的第一单向阀打开，向外排气。当活塞9向远离缸体10底部的方向运动时，第一单向阀闭合，第三透气孔内的吸气阀打开，气体经由前端板5、联轴8和活塞9进入缸体10。具体地，在缸体10的内壁设置有内衬。当活塞在缸体10内作直线往复运动时，内衬能够避免活塞与缸体10的直接接触，从而避免对缸体10的磨损。

在一个具体的实施例中，用于驱动联轴8运动的驱动机构包括定子组件和永磁件4。定子组件和永磁件4均呈中空筒状结构，且均套设在联轴8第一端部的外侧。

定子组件包括定子和励磁线圈3。定子和励磁线圈3均呈中空筒状结构。并且，励磁线圈3包覆于定子内部；励磁线圈3包覆于定子内部，使得励磁线圈3的内侧和外侧均与定子接触，而联轴8则套设在定子内侧。

永磁件4也与联轴8同轴设置。永磁件4位于励磁线圈3的内侧；并且，永磁件4的一端与联轴8固定连接。当励磁线圈3接通交流电源后，励磁线圈3产生正反方向交替的磁场，永磁件4在磁场作用下，沿联轴8的轴线方向做直线往复振荡运动，从而带动联轴8作直线往复运动，进而带动活塞9作直线往复运动。

在一个具体的实施例中，定子包括内定子1和外定子2，内定子1和外定子2均呈中空筒状结构，内定子1位于外定子2的内侧；并且，内定子1和外定子2之间有间隙，形成气隙。

永磁件4包括永磁单元和支板；永磁单元为呈两端开口的圆筒状结构。永磁单元包括支撑体和永磁片。支撑体呈圆筒结构且两端开口，永磁片贴附于支撑体的内侧面或外侧面。支板上具有孔道，联轴8由孔道内穿过。支板固定于支撑体一侧，可形成一端开口的圆筒状结构。永磁单元即位于气隙内；在运动过程中，永磁单元的全部或部分位于气隙内。当励磁线圈3产生正反方向的磁场时，永磁单元在磁场作用下即会产生直线往复振荡运动。

具体地，支板可以是板状结构或其他框架结构，只要便于支板、永磁单元和连轴的连接即可。支板的中心位置具有孔道，联轴8的第二端部即由该孔道内穿过，并与活塞9连接。联轴8与支板紧密配合固定。当永磁件4在磁场作用下作直线往复运动时，其带动支板一起运动，即可带动联轴8一起运动。

进一步地，为提高永磁件4与联轴8的固定效果，可在联轴8第一端部的外侧壁设置第三凸起；第三凸起与联轴8同轴。第三凸起与联轴8可为一体结构，也可以是第三凸起固定于联轴8外侧；第三凸起可位于支板靠近前端板5的一侧，也可位于支板靠近活塞9的一侧。第三凸起的一侧与支板的一侧紧密贴合；且第三凸起与支板可采用螺接等方式固定连接。

在一个具体的实施例中，联轴8第二端部的外侧壁设置有第四凸起。第四凸起与联轴8同轴。第四凸起位于定子的内侧；并且，第四凸起与定子滑动配合，第四凸起能够在定子内侧相对于定子自由滑动。由于定子套设在联轴8外侧，采用在联轴8外侧壁上设置第四凸起的结构，当联轴8作直线往复运动时，既能够使导引联轴8的运动轨迹，又能够减少联轴8与定子之间的摩擦以及由摩擦造成的磨损。

在一个具体的实施例中，前端板5位于定子的一侧，用于固定定子。在前端板5的一侧可设置有突出于前端板5的中空筒体。筒体的外侧壁与定子的内侧壁紧密接触并固定；第一弹簧13和联轴8第一端部即位于该筒体内侧。当设置该筒体时，且第一弹簧13为圆柱弹簧时，该筒体为圆柱筒体，第四凸起的外径即与该筒体的内径相同。当永磁件4带动联轴8运动时，第四凸起即在筒体内相对于筒体滑动。

可以理解的是，定子的内端面或筒体的内端面形状与第一弹簧13的外形相同。当第一弹簧13为柱体结构时，定子的内端面或筒体的内端面形状为柱体结构；当第一弹簧13的锥形弹簧时，定子的内端面或筒体的内端面形状为锥形结构；相应地，第四凸起的外端面形状与定子的内端面或筒体的内端面形状相同。

在一个具体的实施例中，在定子的另一端设置有后端盖7。后端盖7与前端板5位于定子的相对两侧。前端板5可为板状结构，也可为其他结构，只要便于与定子连接固定，以及与第一弹簧13连接固定即可；当前端板5为板状结构时，前端板5可与定子的横截面平行。后端盖7可为中空筒状结构。

后端盖7包括相对设置的第一端和第二端。后端盖7的第一端与定子固定连接；该第一端可设置有与后端盖7轴线垂直的突起，以便于后端盖7与定子的固定连接；在后端盖7的第一端与定子之间也可设置中板6，以便于后端盖7与定子之前的固定连接。后端盖7的第二端也可设置与后端盖7轴线垂直的突起，便于后端盖7固定于缸体10外侧。

可以理解的是，后端盖7的两端部也可不设置相应的突起，而直接与定子或缸体10固定连接。在定子与缸体10之间采用后端盖7连接，便于驱动机构驱动连杆带动活塞9运动，均处于密闭的状态。

可以理解的是，在直线电机与压缩机构的外侧，套设有机壳15。机壳15位于最外侧，以对压缩机的其他机构起到保护作用。

本发明的压缩机，定子套设于联轴8的外侧，定子的内部包覆励磁线圈3；同时，永磁件4位于内定子1与外定子2之间形成的气隙内，且永磁件4与联轴8固定连接；并且，在联轴8的两端设置圆锥弹簧12和第一弹簧13。当永磁件4在通电的励磁线圈3产生的磁场作用下而运动时，其带动联轴8作直线往复运动，从而带动压缩机构的活塞9作直线往复运动，实现压缩机构的变容量调节，使压缩机构中压缩气体等效刚度随压缩行程的变化特性。

压缩机的工作原理如下：

励磁线圈3接通交流电，从而在气隙中产生正反方向交替的磁场，永磁件4在交变磁场的作用下沿气隙的轴向做往复振荡运动，并带动联轴8、圆锥弹簧12、第一弹簧13，以及与联轴8连接的活塞9在缸体10中沿轴向作往复运动：当活塞9向远离缸体底部一侧运动，缸体内压力小于吸气压力时，气流从前端板5上的气孔，经过联轴8的透气孔，再经过活塞9端头的透气孔进入缸体；当活塞9反向运动，使气体受到压缩，并且使缸体内压力大于排气压力时，向排气装置11排出气体，经由排气管14排出机壳15，如此往复。

圆锥弹簧的刚度随活塞位置变化如图4所示。从下止点开始，活塞位置越接近上止点，弹簧刚度越大。补偿了与缸体内压缩等效刚度越接近上止点刚度越小的特性，使得压缩机总等效刚度和固有频率在一定范围内可以保持相对恒定，即使运行工况改变后，变化也很小，因而，通过本发明的实施，可实现直线压缩机在变容量调节保持频率恒定，从而简化控制。

最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压缩机，其特征在于，包括直线电机以及由所述直线电机驱动的压缩机构；

所述直线电机包括驱动机构和联轴，所述联轴包括连接为一体的第一端部和第二端部，所述第一端部嵌设于所述驱动机构内部，所述第二端部的一端连接所述压缩机构；

所述第二端部的外周套设有圆锥弹簧，所述圆锥弹簧位于所述驱动机构与所述压缩机构之间。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动机构的内部嵌设有第一弹簧；所述第一弹簧的轴线与所述联轴的轴线位于同一直线上，所述第一弹簧的一端与所述第一端部的一端固定连接，另一端固定连接于所述驱动机构的前端板上。

3.根据权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述第一弹簧为圆柱弹簧或锥形弹簧。

4.根据权利要求2所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机构包括缸体和位于所述缸体内的活塞；所述第二端部的一端与所述活塞球形连接。

5.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述圆锥弹簧的小直径端与所述联轴过盈配合，所述圆锥弹簧的大直径端套设于所述缸体外侧，且与所述缸体过盈配合。

6.根据权利要求4所述的压缩机，其特征在于，所述前端板、所述联轴与所述活塞上均设置有透气孔，所述前端板、所述联轴与所述活塞上的所述透气孔形成气流通道。

7.根据权利要求6所述的压缩机，其特征在于，所述活塞上的所述透气孔上设置有吸气阀。

8.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述驱动机构包括套设于所述第一端部外侧的定子组件和永磁件；

所述定子组件包括励磁线圈和内部包覆所述励磁线圈的定子，所述励磁线圈与所述联轴同轴设置；

所述永磁件位于所述励磁线圈内侧，且所述永磁件的一端与所述联轴固定连接。

9.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述定子包括同轴设置的内定子和外定子，所述内定子位于所述外定子的内侧，且所述内定子与所述外定子之间有气隙；

所述永磁件包括永磁单元和固定连接于所述永磁单元一侧的支板；所述永磁单元包括呈圆筒结构且两端开口的支撑体和贴附在所述支撑体上的永磁片，所述永磁单元位于所述气隙内；所述支板具有孔道，所述联轴由所述孔道内穿过。

10.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述第一端部的外侧壁具有凸起，所述凸起与所述联轴同轴，所述凸起与所述定子滑动配合。