CN110094319A - 多级联双缸式直线压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多级联双缸式直线压缩机，属于能源动力领域。包括：双腔压缩气缸、直线电机和级间连接管。双面活塞将由气缸盖和缸体组成的气缸分隔成两个气腔(一级压缩腔和二级压缩腔)，两个气腔间通过级间连接管连通，通过直线电机带动双面活塞往复运动，实现两个气腔容积的不断变化，从而完成一级压缩和二级压缩。通过级间间接管不同的连接方式，完成多级联双缸式直线压缩机的串联、并联，实现变压比、变排量输出。本发明的多级联双缸式直线压缩机，采用单缸两级压缩结构，简化了高压压缩机结构；本发明的多级联往复式直线压缩机系统为谐振系统，提高了能量利用率。

Description

多级联双缸式直线压缩机

技术领域

本发明涉及一种多级联双缸式直线压缩机，属于能源动力领域。

背景技术

近年来，高压压缩机在国民经济建设和国防建设中应用越来越广泛。由于工质常态压力与所需输出压力相差较大，压缩比较大，为了能够更好的节约能量和改善散热，高压压缩机一般采用多级压缩的形式。目前，多级压缩机主要分为离心式和往复式压缩机。

其中应用较多的多级往复式压缩机，通过马达或发动机带动曲轴转动，曲轴促动一个或多个缸内的一个或多个活塞实现往复运动，其整机体积较大，不利于小型化和集成化。并且在工作过程中，因往复运动引起的往复惯性力和惯性力矩不能得到完全平衡，易产生振动噪声。曲柄连杆机构作为中间能量转换机构产生大量的能量损失。

为提高能量利用率、简化多级压缩机结构，直线单级压缩机逐渐推广应用，其将电机推力直接作用在连杆上，带动活塞实现往复直线运动。

北京理工大学提出一种双缸式直线压缩机，以直线电机为动力源，通过直线电机带动两对置式活塞进行往复运动，该系统工作时为谐振系统，能量利用率高、行程可调范围大。如何在此基础上设计一种能量利用率高、可靠性高的多级联直线高压压缩机是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有高压压缩机能量利用率低、结构复杂、体积庞大、以及系统稳定性差的问题，提供一种多级联双缸式直线压缩机。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

多级联双缸式直线压缩机，主要包括双腔压缩气缸、直线电机和级间连接管；双腔压缩气缸包括：缸体、一级进气门、一级排气门、二级进气门、二级进气门、密封件、气缸盖、双面活塞、活塞环和连杆；直线电机包括：电机定子和电机动子。

连接关系为：双腔压缩气缸的两个双面活塞通过连杆与直线电机动子连接，形成活塞组件，通过电机动子带动双面活塞完成往复直线运动，通过调节电机力大小、方向实现双面活塞行程可调；活塞环套在双面活塞上，用于防止双面活塞运动过程中气体工质的泄露；缸体为中空结构，两端通过气缸盖实现气缸封闭，双面活塞将该密闭空间分隔为两个压缩腔(一级压缩腔和二级压缩腔，本发明展示的实施例中规定靠近直线电机侧为二级压缩腔，对侧为一级压缩腔，实际使用中，一级压缩腔和二级压缩腔可互换，即靠近直线压缩机侧为一级压缩腔，对侧为二级压缩腔)，两个压缩腔的容积随双面活塞直线运动而改变，实现两压缩腔内气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程；构成一级压缩腔的气缸盖上设置有一级进气门和一级排气门，构成二级压缩腔的气缸盖上设置有二级进气门和二级排气门；所述电机定子为中空结构，便于套入电机动子实现电机控制，所述气缸盖与连杆的接触位置通过密封件实现密封。

所述两侧气缸左右对称分布，缸内气体工质可看作气体弹簧，随双面活塞的往复运动，缸内气体工质交替压缩，使系统处于谐振状态，便于能量积累。通过改变级间连接管的连接方式实现多种压比、气量的输出。

将所述多级联双缸式直线压缩机单个使用时，任意所述一级压缩腔的排气门与所述二级压缩腔的进气门之间通过级间连接管连通(考虑沿程损失，减少级间连接管长度，尽量在同一压缩机气缸中进行连接)，称以上结构为多级联双缸式直线压缩机基础结构；该结构为多级联双缸式直线压缩机基础连接结构，后续其他结构均在此基础上进行。

将所述多级联双缸式直线压缩机多个并联使用时，在多级联双缸式直线压缩机基础结构上，将前一多级联双缸式直线压缩机的所有二级排气门与后一多级联双缸式直线压缩机的所有一级进气门之间通过级间连接管连接。

将所述多级联双缸式直线压缩机多个串联使用时，在多级联双缸式直线压缩机基本结构上，将前一多级联双缸式直线压缩机的其中一个二级排气门与后一级多级联双缸式直线压缩机同侧的一级进气门之间通过级间接管连接。

多个多级联双缸式直线压缩机共同使用时，可将排气压力相同的排气门中气体工质通过管路进行并流，增大排量。

有益效果：

1、本发明的多级联双缸式直线压缩机，采用双缸对置式压缩机结构，使系统在工作时处于谐振状态，提高能量利用率；

2、本发明的多级联双缸式直线压缩机，直线压缩机结构，简化高压压缩机结构，实现高压压缩机小型化；

3、本发明的多级联双缸式直线压缩机，使用商用直线电机为动力源，运用合理的控制策略，可快速实现行程可调、压缩比可变，且调节范围广；

4、本发明的多级联双缸式直线压缩机，通过对级间连接管布置、连接位置的改变，实现压缩级数、排量可调；

5、本发明的多级联双缸式直线压缩机，采用单缸双腔结构，使多级压缩结构更为紧密。

附图说明

图1是本实施例1多级联双缸式直线压缩机(基础结构1)的结构示意图；

图2是本实施例2多级联双缸式直线压缩机(并联)的结构示意图；

图3是本实施例3多级联双缸式直线压缩机(串联)的结构示意图。

其中：1—一级进气门、2—气缸盖、3—一级排气门、4—缸体、5—级间连接管、6—活塞环、7—双面活塞、8—二级进气门、9—密封件、10—二级排气门、11—电机定子、12—电机动子、13—连杆。

具体实施方式

下面将结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而非全部实施例，不应以此限制本发明的保护范围。

本发明的多级联双缸式直线压缩机以直线电机为动力源，双面活塞将气缸分隔成两个压缩腔，双面活塞在直线电机的带动下作往复直线运动，缸内两压缩腔的容积随双面活塞运动不断变化，使两压缩腔内气体轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀。腔内气体工质可看作气体弹簧，使系统工作在谐振状态下，能量利用率高，该种结构简化了高压压缩机结构，便于实现压缩机小型化。

通过对直线电机的控制，可快速改变活塞行程，进而快速实现腔内压缩比可调。压缩腔间通过级间连接管连接，改变不同的连接方式实现单个自连、多个串联、多个并联等组合方式，实现压缩比可变、排量可变。

本发明的多级联双缸式直线压缩机，主要包括双腔压缩气缸和直线电机；双腔压缩气缸包括：一级进气门1、气缸盖2、一级排气门3、缸体4、级间连接管5、活塞环6、双面活塞7、二级进气门8、密封件9、二级排气门10、连杆13；直线电机包括：电机定子11、电机动子12。

实施例1

如图1所示，本实施例的多级联双缸式直线压缩机为基础结构。

连接关系是：电机定子11为中空结构，电机动子12套入其中，电机动子12作往复直线运动；双腔压缩气缸位于直线电机两侧，缸体4为中空结构，两端通过气缸盖2实现气缸封闭；双面活塞7套入缸体4，将气缸分隔成一级压缩腔和二级压缩腔(规定靠近直线电机侧压缩腔为二级压缩腔，对侧为一级压缩腔)；构成一级压缩腔的气缸盖2上设置有一级进气门1和一级排气门3，构成二级压缩腔的气缸盖2上设置有二级进气门8和二级排气门10；活塞环6安装于双面活塞7上，用于防止双面活塞7运动中气体工质的泄露；所述双面活塞7通过连杆13实现与电机动子12固连，构成活塞组件，在电机动子12的带动下双面活塞7作往复直线运动；两压缩腔的容积随双面活塞7直线运动而改变，实现两压缩腔内气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程。所述气缸盖2与连杆13的接触位置通过密封件8实现密封。单个双腔压缩气缸的一级排气门3与二级进气门10间通过级间连接管5连通，可将一级压缩腔内完成压缩的气体工质通入二级压缩腔，进行第二级压缩。

工作过程：

直线电机驱动双面活塞7做往复直线运动，四个压缩腔内的气体工质轮流完成吸气-压缩-排气膨胀过程。

以工作中的右侧双腔压缩气缸为例，双面活塞5随电机动子12向左运动，一级压缩腔容积逐渐增大，一级进气门1打开，气体工质进入一级压缩腔；二级压缩腔容积逐渐减小，其中气体工质被压缩，达到排气压力后，二级排气门10打开，进行排气；当双面活塞7达到下止点后，双面活塞开始反向向右运动，一级压缩腔容积减小，其中气体工质被压缩，达到排气压力后，一级排气门3和二级进气门8打开，气体工质通过级间连接管5进入二级压缩腔；当双面活塞7达到上止点后，双面活塞7开始反向向左运动，此后工作与前面描述相同。进入双腔压缩缸的气体经过两级压缩后，排出气缸。

实施例2

如图2所示，本实施例的多级联双缸式直线压缩机的并联型式。由两个多级联双缸式直线压缩机基本结构并联而成(上方多级联双缸式直线压缩机称为前一个多级联双缸式直线压缩机，下方多级联双缸式直线压缩机成为后一个多级联双缸式直线压缩机)。

连接关系是：将前一个多级联双缸式直线压缩机的所有二级排气门10分别与后一个多级联双缸式直线压缩机同侧的一级进气门3通过级间连接管5连接。其他部件连接关系同实施例1。

工作过程：

直线电机驱动双面活塞7做往复直线运动，八个压缩腔内的气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程。

本实施例的多级联双缸式直线压缩机工作时，当两直线电机动子12同时向左运动时，四个双面活塞7向左运动，前一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级压缩腔容积逐渐增大，气体工质膨胀，随后该侧一级排气门1打开，外界气体工质进入前一个多级联双缸式直线压缩机的一级压缩腔；前一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的二级压缩腔容积逐渐减小，气体工质开始压缩，此时后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级压缩容积逐渐增大，气体工质膨胀，后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的二级压缩腔容积逐渐减小，将上一行程来自一级压缩腔的气体工质压缩；当达到前一个多级联双缸式直线压缩机的二级压缩腔的排气压力时，前一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的二级排气门8和后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级进气门1同时打开，通过其间的级间连接管5将在前一个多级联双缸式直线压缩机压缩后的气体工质输送至后一个多级联双缸式直线压缩机中；当达到后一个多级联双缸式直线压缩机的二级排气压力时，后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的二级排气门8打开，将气体工质排出。在右侧双面活塞7达到下止点后，直线电机动子12运动反向，两直线电机动子12同时向右运动，四个双面活塞7向右运动，前一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级压缩腔容积逐渐减小，气体工质被压缩，该缸的二级压缩腔容积逐渐增大，气体工质膨胀；后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧压缩气缸的一级压缩腔容积逐渐减小，上一行程来自一级压缩腔的气体工质压缩；随着双面活塞7继续运动，当达到前一个多级联双缸式直线压缩机的一级压缩腔的排气压力时，前一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级排气门3与二级进气门8同时打开，通过其间的级间连接管5将压缩后的气体工质输送至该缸的二级压缩腔内；当达到后一个多级联双缸式直线压缩机的一级排气压力时，后一个多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩气缸的一级排气门3与二级进气门8同时打开，通过其间的级间连接管5将压缩后的气体工质输送至该缸的二级压缩腔内。随后右侧双面活塞7达到上止点后，直线电机动子12运动反向，重复前面所述工作过程。两多级联双缸式直线压缩机的左侧压缩腔的工作过程与右侧压缩腔的工作过程类似。

本实施例中仅展示两个多级联双缸式直线压缩机，实际使用中可将两个及以上多级联双缸式直线压缩机并联使用，理论上不考虑泄露沿程损失等，N个多级联双缸式直线压缩机并联，可实现气体4N级压缩。

实施例3

如图3所示，本实施例的多级联双缸式直线压缩机的串联型式。由两个多级联双缸式直线压缩机基本结构串联而成。

连接关系是：将左边多级联双缸式直线压缩机的左侧双腔压缩缸的二级排气门10与右边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的一级进气门3通过级间间接管5连接。其他部件连接关系同实施例1。

工作过程：

直线电机驱动双面活塞7做往复直线运动，八个压缩腔内的气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程。

本实施例的多级联双缸式直线压缩机工作时，当两直线电机动子12同时向左运动时，四个双面活塞7向左运动，左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的二级压缩腔容积逐渐减小，腔内来自上一行程一级压缩腔内的气体工质被压缩，该缸的一级压缩腔容积逐渐增大，气体工质膨胀；右边多级联双缸式直线压缩机的右侧压缩缸的一级压缩腔容积逐渐增大，缸内气体工质膨胀，该缸的二级压缩腔容积逐渐减小，腔内来自上一行程一级压缩腔的气体工质被压缩；随着双面活塞7继续运动，达到左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的二级排气压力时，左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的二级排气门10与右边多级联双缸式直线压缩机的右边双腔压缩缸的一级进气门1同时打开，高压气体工质通过级间连接管5进入右边多级联双缸式直线压缩机的右边双腔压缩缸的一级压缩腔。同时左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的一级进气门1打开，外界气体工质进入该腔；右边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的二级排气门10打开，将高压气体工质排出。当右侧双面活塞7达到下止点后，电机动子12反向运动，双面活塞7向右运动。左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的二级压缩腔容积逐渐增大，气体工质膨胀，该缸的一级压缩腔容积逐渐减小，气体工质被压缩；右边多级联双缸式直线压缩机的右侧压缩缸的一级压缩腔容积逐渐减小，气体工质被压缩，该缸的二级压缩腔容积逐渐增大，气体工质膨胀；随着双面活塞7继续运动，达到左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的一级排气压力时，左边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的一级排气门3与二级进气门8同时打开，高压气体工质通过级间连接管5进入二级压缩腔。同时右边多级联双缸式直线压缩机的右侧双腔压缩缸的一级排气门与二级进气门同时打开，高压气体工质通过级间连接管5进入二级压缩腔。随后右侧双面活塞7达到上止点后，直线电机动子12运动反向，重复前面所述工作过程。未描述双腔压缩缸工作过程同实施例1。

本实施例中仅展示两个多级联双缸式直线压缩机，实际使用中可将两个及以上多级联双缸式直线压缩机串联使用。

本发明的多级联双缸式直线压缩机，采用单缸两级压缩结构，通过直线电机带动双面活塞7往复运动，实现两个气腔容积的不断变化，从而完成一级压缩和二级压缩。通过级间间接管5不同的连接方式，完成多级联双缸式直线压缩机的串联、并联，实现变压比、变排量输出。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不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，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.多级联双缸式直线压缩机，其特征在于：主要包括双腔压缩气缸、直线电机和级间连接管；双腔压缩气缸包括：缸体、一级进气门、一级排气门、二级进气门、二级进气门、密封件、气缸盖、双面活塞、活塞环和连杆；直线电机包括：电机定子和电机动子；

双腔压缩气缸的两个双面活塞通过连杆与直线电机动子连接，形成活塞组件，通过电机动子带动双面活塞完成往复直线运动，通过调节电机力大小、方向实现双面活塞行程可调；活塞环套在双面活塞上，用于防止双面活塞运动过程中气体工质的泄露；缸体为中空结构，两端通过气缸盖实现气缸封闭，双面活塞将该密闭空间分隔为两个压缩腔(一级压缩腔和二级压缩腔，本发明展示的实施例中规定靠近直线电机侧为二级压缩腔，对侧为一级压缩腔，实际使用中，一级压缩腔和二级压缩腔可互换，即靠近直线压缩机侧为一级压缩腔，对侧为二级压缩腔)，两个压缩腔的容积随双面活塞直线运动而改变，实现两压缩腔内气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程；构成一级压缩腔的气缸盖上设置有一级进气门和一级排气门，构成二级压缩腔的气缸盖上设置有二级进气门和二级排气门；所述电机定子为中空结构，便于套入电机动子实现电机控制；所述一级压缩腔的排气门与所述二级压缩腔的进气门之间通过级间连接管连通。

2.多级联双缸式直线压缩机，其特征在于：所述多级联双缸式直线压缩机可串联或并联使用。通过级间连接管将多个多级联双缸式直线压缩机基础结构串联或并联连接。

所述多级联双缸式直线压缩机基础结构包括双腔压缩气缸、直线电机和级间连接管；双腔压缩气缸包括：缸体、一级进气门、一级排气门、二级进气门、二级进气门、密封件、气缸盖、双面活塞、活塞环和连杆；直线电机包括：电机定子和电机动子；

双腔压缩气缸的两个双面活塞通过连杆与直线电机动子连接，形成活塞组件，通过电机动子带动双面活塞完成往复直线运动，通过调节电机力大小、方向实现双面活塞行程可调；活塞环套在双面活塞上，用于防止双面活塞运动过程中气体工质的泄露；缸体为中空结构，两端通过气缸盖实现气缸封闭，双面活塞将该密闭空间分隔为两个压缩腔(一级压缩腔和二级压缩腔，本发明展示的实施例中规定靠近直线电机侧为二级压缩腔，对侧为一级压缩腔，实际使用中，一级压缩腔和二级压缩腔可互换，即靠近直线压缩机侧为一级压缩腔，对侧为二级压缩腔)，两个压缩腔的容积随双面活塞直线运动而改变，实现两压缩腔内气体工质轮流完成吸气-压缩-排气-膨胀过程；构成一级压缩腔的气缸盖上设置有一级进气门和一级排气门，构成二级压缩腔的气缸盖上设置有二级进气门和二级排气门；所述电机定子为中空结构，便于套入电机动子实现电机控制，所述气缸盖与连杆接触位置通过密封件实现密封。

3.如权利要求1或2所述的多级联双缸式直线压缩机，其特征在于：所述两侧气缸左右对称分布，缸内气体工质可看作气体弹簧，随双面活塞的往复运动，缸内气体工质交替压缩，使系统处于谐振状态，便于能量积累；通过改变级间连接管的连接方式实现多种压比、气量的输出。

4.如权利要求2所述的多级联双缸式直线压缩机并联使用，其特征在于：在所述多级联双缸式直线压缩机基础连接结构上，将前一多级联双缸式直线压缩机的所有二级排气门与后一多级联双缸式直线压缩机的所有一级进气门通过级间连接管连接。实现气体工质多级压缩。

5.如权利要求2所述的多级联双缸式直线压缩机串联使用，其特征在于：在所述多级联双缸式直线压缩机基础连接结构上，将前一级多级联双缸式直线压缩机的其中一个二级排气门与后一多级联双缸式直线压缩机同侧的一级进气门通过级间连接管连接。实现气体工质多级压缩。