CN112539154B - 一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，包括活塞杆，其两端为柱塞结构；活塞，其固设在活塞杆的中部；缸体，其套设在活塞外部并与其滑动连接；两个第一连接体，其套设在活塞杆上并与缸体两端连接，两个密封组件一，其设置为用于密封第一连接体与活塞杆间的间隙；两个缸盖，其设置在活塞杆的两端，任一缸盖通过第四缸体与同侧的第一连接体固定连接，第四缸体套设在活塞杆上并与同侧的缸盖、活塞杆的端部形成腔体一。本发明通过活塞杆的两个柱塞端的运动完成氢气增压，避免采用活塞缸式的增压结构，降低了增压缸密封的复杂性，并在活塞杆两端的连接体内设置不动的密封组件一，易于实现对密封组件一的有效冷却，延长密封组件一的使用寿命。

Description

一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机

技术领域

本发明涉及压缩机技术领域。更具体地说，本发明涉及一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机。

背景技术

氢气压缩机是氢能源利用的关键装备。当前国内高端氢气压缩机主要依赖进口，其关键技术之一是如何实现氢气压缩机的无油无泄漏密封，以确保氢气压缩机排气的纯度，同时避免氢气压缩机内的气体外泄。

现有往复式氢气压缩机普遍利用活塞运动改变氢气腔容积来压缩氢气，这就需要采用无油自润滑活塞环来实现动密封。在这种结构形式下，由于常规多重活塞环本身具有切口或者搭接口，密封效果不理想，且活塞环伴随活塞运动，很难得到充分冷却，使用寿命较短。

因此，需要研发一种搭载新型增压缸及其密封结构的氢气压缩机，能够在确保压缩机机体密封性能的同时延长密封件的使用寿命。

发明内容

本发明的目的是提供一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，通过柱塞运动改变氢气腔的容积，完成氢气的吸入与增压排出，并在活塞杆两端的第一连接体上设置不动的组合密封，简化了密封设计，同时，利用冷却液对组合密封进行冷却，改善了组合密封的工作条件，提高了密封性能，延长了密封件的使用寿命。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，包括：

活塞杆，其两端为柱塞结构；

活塞，其固设在所述活塞杆的中部；

缸体，其套设在所述活塞的外部并与其滑动连接；

两个第一连接体，其套设在所述活塞杆上并分别与所述缸体的两端固定连接，所述两个第一连接体与所述缸体、所述活塞杆形成封闭腔体，任一第一连接体与所述活塞杆滑动连接；

两个密封组件一，其分别固定在所述两个第一连接体的内侧壁上，任一密封组件一设置为用于密封所述第一连接体与所述活塞杆间的间隙；

两个缸盖，其分别设置在所述活塞杆的两端的外侧，任一缸盖通过第四缸体与同侧的第一连接体固定连接，所述第四缸体套设在所述活塞杆上并与同侧的缸盖、活塞杆的端部形成腔体一，两侧的所述腔体一之间通过连接管一连通；

其中，在工作状态下，所述活塞通过外部动力驱动沿所述活塞杆的长度方向在所述封闭腔体内作往复运动，并驱动所述活塞杆在两侧的所述腔体一内往复运动，外部氢气通过所述连接管一的进气口经进气阀进入所述腔体一，在所述腔体一内被压缩后通过排气阀经所述连接管一的排气口排出。

优选的是，所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，还包括：

两个第二连接体，其分别位于所述活塞与所述两个第一连接体之间，任一第二连接体套设在所述活塞杆上并与其滑动连接，所述两个第二连接体将所述缸体分为三部分，包括：第一缸体，其位于所述两个第二连接体之间并与其固定连接，所述第一缸体与所述活塞滑动连接并与所述两个第二连接体、所述活塞杆形成腔体三；两个第二缸体，其分别位于同侧的第二连接体与第一连接体之间并与其固定连接，任一第二缸体与对应的第二连接体、第一连接体、所述活塞杆形成腔体二，腔体二为隔离腔，通常与低压的氮气或空气源连通，以避免腔体三内的介质污染氢气。

优选的是，所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述第二连接体与所述活塞杆之间设有密封组件二，其用于密封所述第二连接体与所述活塞杆的间隙，所述密封组件二包括活塞环，其固定在对应的所述第二连接体的内侧壁上并与所述活塞杆抵接。

优选的是，所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述密封组件一包括：一个或多个密封环，其沿所述活塞杆的长度方向间隔设置在对应的所述第一连接体上，任一密封环通过环形凹槽内嵌在对应的所述第一连接体的内侧壁上并与所述活塞杆抵接。

优选的是，所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，还包括两个第三缸体，其分别套设在两个所述第四缸体的外部，任一第三缸体设置在同侧的所述缸盖和所述第一连接体之间并与其固定连接，所述第三缸体与对应的缸盖、第一连接体、第四缸体形成腔体四，两侧的所述腔体四间通过连接管二连通。

优选的是，所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述第一连接体内部设有流体通道，其包括环形管道，其沿所述密封组件一的外周设置并不与其接触；冷却液进入通道，其一端与所述环形管道的冷却介质入口连通，另一端与所述腔体四内部连通；冷却液流出通道，其一端与所述环形管道的冷却介质出口连通，另一端与所述腔体四内部连通。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明提供一种端部为柱塞式结构的活塞杆，其与缸体、连接体配合密封形成压缩机机头结构，采用柱塞结构替换常规活塞缸来实现对氢气的增压，避免了活塞结构所需的活塞环密封，将运动的密封组件转化为不运动的密封组件，简化了高压氢气压缩机结构设计，整体压缩机结构简单、安装简便；

2、第一连接体与活塞杆之间采用自润滑材料为主体构成的无切口密封环密封，避免采用活塞增压结构所需的活塞环组合密封形式对增压缸进行密封，氢气腔的密封件安装于固定不动的连接体内，便于在第一连接体内部为密封环提供冷却液通道，实现密封部位的有效冷却，防止压缩机密封件局部高温对密封环工作性能的影响，延长密封件的使用寿命，适用于多种不同类型的压缩机，特别是采用无油润滑密封的高压气体压缩机；

3、活塞杆与第一连接体之间可以采用多重密封形式，可通过在一个连接体上设置多个密封环的方式确保活塞杆与第一连接体之间密封的有效性，同时可通过引出外部控制回路控制密封级间压差，进一步延长密封件使用寿命。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明一个实施例的一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机的整体结构示意图；

图2为上述实施例中所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机的剖面结构示意图；

图3为上述实施例中所述第一连接体的结构示意图；

图4为上述实施例中所述密封组件一的结构示意图；

图5为上述实施例中所述流体通道的连接结构示意图。

附图标记说明：

1、活塞杆，11、活塞，21、第二连接体，22、第一连接体，23、缸盖，31、第一缸体，32、第二缸体，33、第三缸体，34、第四缸体，4、密封环，5、导向环，61、腔体一，62、腔体二，63、腔体三，64、腔体四，71、连接管一，72、连接管二，81、环形管道，82、冷却液进入通道，83、冷却液流出通道。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1-5所示，本发明提供一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，包括：

活塞杆1，其两端为柱塞结构；

活塞11，其固设在所述活塞杆1的中部；

缸体，其套设在所述活塞11的外部并与其滑动连接；

两个第一连接体22，其套设在所述活塞杆1上并分别与所述缸体的两端固定连接，所述两个第一连接体22与所述缸体、所述活塞杆1形成封闭腔体，任一第一连接体22与所述活塞杆1滑动连接；

两个密封组件一，其分别固定在所述两个第一连接体22的内侧壁上，任一密封组件一设置为用于密封所述第一连接体22与所述活塞杆1间的间隙；

两个缸盖23，其分别设置在所述活塞杆1的两端的外侧，任一缸盖23通过第四缸体34与同侧的第一连接体22固定连接，所述第四缸体34套设在所述活塞杆1上并与同侧的缸盖23、活塞杆1的端部形成腔体一61，两侧的所述腔体一61之间通过连接管一71连通；

其中，在工作状态下，所述活塞11在外部动力驱动作用下沿所述活塞杆1的长度方向在所述封闭腔体内作往复运动，并驱动所述活塞杆1在两侧的所述腔体一61内往复运动，外部氢气通过所述连接管一71的进气口经进气阀进入所述腔体一，在所述腔体一内被压缩后通过排气阀经所述连接管一71的排气口排出至氢气输送管道。

上述技术方案中，缸体、两个第一连接体22、两个第四缸体34和两个缸盖23构成一相对固定的整体结构，活塞杆1设置在所述整体结构的内部，活塞杆1为双出式活塞杆且其两端为柱塞结构，所述活塞杆1的总长度小于两个缸盖23的间距，活塞杆1和活塞11作为一个整体在所述整体结构内沿活塞杆轴线方向运动，使活塞杆1两端的柱塞在两侧的腔体一61内往复运动，第四缸体34为实现氢气的吸入和压缩的缸体，腔体一61为氢气腔。任一腔体一61与同侧的缸盖23连接处设有两个与所述连接管一71连通的气口，两个气口的内分别设有吸气阀和排气阀，所述吸气阀和排气阀均为单向阀，吸气阀在吸气过程中开启，在排气过程中关闭，排气阀在排气过程中开启，在吸气过程中关闭。所述连接管一71包括串联和并联两种结构形式：在串联结构中，连接管一71包括进气管，其一端通过所述进气口外部氢气源连通，另一端与一侧的腔体一61的吸气阀所在的气口连通；传输管，其将一侧的腔体一61的排气阀所在的气口与另一侧的腔体一61的吸气阀所在的气口连通；排气管，其一端与另一侧的腔体一的排气阀所在的气口连通，另一端通过所述排气口与氢气输送管道或外部储存容器连通，从而，使外部氢气在一侧的腔体一内被压缩后，继续进入另一侧的腔体一内进行二次压缩，进一步提高氢气压缩机的排气压力，增加了单台压缩机的总压比。在并联结构中，连接管一71包括第一传输管，其连通两侧的腔体一的吸气阀所在的气口，第二传输管，连通两侧的腔体一的排气阀所在的气口；进气管，其一端与所述第一传输管的中部连通，另一端通过所述进气口与外部氢气源连通；排气管，其与所述第二传输管的中部连通，另一端通过所述排气口与氢气输送管道或外部储存容器连通，从而，使外部氢气分别在两侧的腔体一内交替压缩，增大了单台压缩机的总排量。本实施例中采用并联式的连接管一实现氢气在压缩机中的输入与输出。

所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机可以通过液压动力、机械动力、直线电机等多种外部动力形式驱动柱塞运动，对氢气腔内的氢气进行压缩。本实施例优选液压驱动的方式来压缩氢气，所述封闭腔体为液压油腔。活塞杆1的端部与第四缸体34、第一连接体22、缸盖23配合形成了柱塞式的增压缸结构，避免了使用随活塞杆1端部运动的活塞环动密封结构对氢气腔进行密封。同时，在第一连接体22内部设置不随活塞运动的组合密封结构：密封组件一固定在第一连接体22的内部，当工作状态下的活塞杆1运动时，密封组件一以内嵌的方式固定在第一连接体22的内侧壁上，不随活塞杆1运动，一方面阻止氢气腔内的氢气泄漏到液压油腔，另一方面防止活塞杆运动带入液压油进入氢气腔，既阻止了氢气的泄漏，又保障了氢气的纯度。

所述搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机的工作方式如下：当压缩机工作时，活塞11将液压油腔分隔为两部分，从外部向液压油腔的两部分交替进油，并从另一部分排出液压油，通过两侧液压油腔的液压力差驱动活塞11在液压油腔内作往复直线运动，活塞杆1被活塞11带动作同步运动，一侧的腔体一61经进气管从第一传输管吸入氢气，当活塞杆1向该侧的缸盖23移动时，活塞杆1在该侧的柱塞端部压缩同侧的腔体一61内的氢气并通过第二传输管输出至外部容器中(由于另一侧的腔体一的气口上设有单向的排气阀，此时的高压氢气不会进入另一侧的腔体中)，同时，活塞杆1的另一侧的腔体一61从进气管经第一传输管将氢气吸入；当活塞杆1向另一侧的缸盖23移动时，活塞杆1在另一侧的柱塞端部压缩另一侧的腔体一61内的氢气并通过第二传输管输出，不断重复上述过程，即可实现压缩机压缩氢气的功能。

本发明将柱塞式的增压缸结构运用到氢气压缩机中，通过柱塞式活塞杆与多个缸体和连接体的配合形成氢气腔，替换了常规活塞缸来实现对氢气的增压，避免了运动的活塞环密封，并在活塞杆端部的连接体上设置了与连接体一体化的密封结构，将运动的密封件转化为不运动的密封件，一方面简化了高压氢气压缩机结构设计，使整体压缩机结构简单，易于安装，另一方面，便于在连接体内建立密封组件的冷却回路，降低密封组件的工作温度，提高密封组件的密封效果和使用寿命。

在另一技术方案中，所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，还包括：

两个第二连接体21，其分别位于所述活塞11与所述两个第一连接体22之间，任一第二连接体21套设在所述活塞杆1上并与其滑动连接，所述两个第二连接体21将所述缸体分为三部分，包括：第一缸体31，其位于所述两个第二连接体21之间并与其固定连接，所述第一缸体31与所述活塞11滑动连接并与所述两个第二连接体21、所述活塞杆1形成腔体三63；两个第二缸体32，其分别位于同侧的第二连接体21与第一连接体22之间并与其固定连接，任一第二缸体32与对应的第二连接体21、第一连接体22、所述活塞杆1形成腔体二62。具体的，第一缸体31为液压缸套，第二缸体32为隔离缸套，腔体三63为液压油腔，腔体二62为隔离腔，腔体二通常与低压的氮气或空气源连通，以避免腔体三内的介质污染氢气，从而，当工作状态下的活塞杆1运动时，密封组件一阻止氢气腔内的氢气泄漏到隔离腔，同时也防止活塞杆运动带入隔离腔的液压油进入氢气腔，进一步有效阻止氢气的泄漏，并保证氢气的纯度。通过第二连接体21将所述封闭腔体分隔为三部分，即在液压油腔与两侧的第一连接体22的密封结构间分别多设了一层空气腔，其侧壁上设有与外部空气连通的通孔，使腔体内部气压始终保持在环境大气压水平，防止液压油腔和氢气腔的互相泄漏，实现了高压氢气压缩机的无油无泄漏密封。

在另一技术方案中，所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述第二连接体21与所述活塞杆1之间设有密封组件二，其用于密封所述第二连接体21与所述活塞杆1的间隙，所述密封组件二包括活塞环，其固定在对应的所述第二连接体的内侧壁上并与所述活塞杆抵接。其中，密封组件二中活塞环可以用于油性的密封环境，其设置在第二连接体21的内侧壁上并与活塞杆1抵接，在压缩机工作过程中不随活塞杆1移动，有效隔绝了腔体三63与腔体二62，防止腔体三63中的液压油进入腔体二62，也防止腔体二62中的空气进入腔体三63中。另外，所述活塞11与所述第一缸体31之间设有密封组件三，密封组件三为动密封结构，包括沿所述活塞11的周向设置的活塞环，所述活塞环套设在所述活塞11的外侧壁上并与所述第一缸体31的内侧壁抵接。当压缩机处于工作状态时，活塞将腔体三63分隔为两个相对密闭的空间，从而，腔体三63的一侧空间内通入高压液压油后，推动活塞向腔体三63的另一侧移动，该侧的液压油流出腔体三，实现了带动活塞杆1移动的功能。

在另一技术方案中，所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述密封组件一包括：一个或多个密封环4，其沿所述活塞杆1的长度方向间隔设置在对应的所述第一连接体22上，任一密封环4通过环形凹槽内嵌在对应的所述第一连接体22的内侧壁上并与所述活塞杆1抵接。其中，密封环4为适用于无油密封环境的无切口密封环，环形凹槽、密封环4与活塞杆同轴设置，可通过间隔设置多个密封环4使第一连接体22与活塞杆1之间形成多重密封结构，保证了活塞杆与第一连接体之间密封的有效性，同时方便控制密封级间压差，延长密封环4的使用寿命。所述密封组件一还包括两个导向环5，其分别设置在所述一个或多个密封环4的两侧，对活塞杆1起到支撑作用，防止因活塞杆与第一连接体22不同心导致密封环偏磨损坏。

在另一技术方案中，所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，还包括两个第三缸体33，其分别套设在两个所述第四缸体34的外部，任一第三缸体33设置在同侧的所述缸盖23和所述第一连接体22之间并与其固定连接，所述第三缸体33与对应的缸盖23、第一连接体22、第四缸体34形成腔体四64，两侧的所述腔体四64间通过连接管二72连通。具体的，第三缸体33为水冷缸套，腔体四64为冷却液腔，第三缸体与第四缸体、活塞杆均同轴设置。压缩机工作时，冷却液通过连接管二72在两侧的冷却液腔间循环，由于腔体四64设置在第四缸体34和腔体一61(氢气腔)的外侧，对温度较高的氢气腔能够起到良好的冷却效果，保证压缩机的正常运行。

在另一技术方案中，所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，所述第一连接体22内部设有流体通道，其包括环形管道81，其沿所述密封组件一的外周设置并不与其接触；冷却液进入通道82，其一端与所述环形管道81的冷却介质入口连通，另一端与所述腔体四64内部连通；冷却液流出通道83，其一端与所述环形管道81的冷却介质出口连通，另一端与所述腔体四64内部连通。具体的，环形管道81位于密封组件一的外侧并与其同轴设置，环形管道81的冷却介质出口和冷却介质入口分别位于环形管道81的径向的两侧，环形管道81的冷却介质出口为十字形结构，其一端与冷却液流出通道83沿横向连通，竖向的两端分别与环形管道81内部和第一连接体22的外表面连通，环形管道81的冷却介质出口与第一连接体22的外表面连通的一端通过堵头封死；环形管道81的冷却介质入口为十字形结构，其一端与冷却液进入通道82沿横向连通，竖向的两端分别与环形管道81内部和第一连接体22的外表面连通，环形管道81的冷却介质入口与第一连接体22的外表面连通的一端通过堵头封死。当压缩机工作时，冷却液从腔体四64通过冷却液进入通道82流入环形管道81的冷却介质入口，沿环形管道81的周向流动并从环形管道81的冷却介质出口流出，经冷却液流出通道83回流到腔体四64内部，完成第一连接体22内部的冷却液循环。

上述技术方案中，通过在第一连接体22的内部设置引入冷却液并使其在密封组件一的外周循环的流体通道结构，对密封组件一的部位进行有效的即时冷却，防止密封组件一因局部高温变性而缩短期使用寿命；同时，借用原有的腔体四中的冷却液循环结构，不需要额外设置冷却液循环系统，结构简单、易于实现。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (3)

1.一种搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，其特征在于，包括：

活塞杆，其两端为柱塞结构；

活塞，其固设在所述活塞杆的中部；

缸体，其套设在所述活塞的外部并与其滑动连接；

两个第一连接体，其套设在所述活塞杆上并分别与所述缸体的两端固定连接，所述两个第一连接体与所述缸体、所述活塞杆形成封闭腔体，任一第一连接体与所述活塞杆滑动连接；

两个密封组件一，其分别固定在所述两个第一连接体的内侧壁上，任一密封组件一设置为用于密封所述第一连接体与所述活塞杆间的间隙；所述密封组件一包括：一个或多个密封环，其沿所述活塞杆的长度方向间隔设置在对应的所述第一连接体上，任一密封环通过环形凹槽内嵌在对应的所述第一连接体的内侧壁上并与所述活塞杆抵接；

两个缸盖，其分别设置在所述活塞杆的两端的外侧，任一缸盖通过第四缸体与同侧的第一连接体固定连接，所述第四缸体套设在所述活塞杆上并与同侧的缸盖、活塞杆的端部形成腔体一，两侧的所述腔体一之间通过连接管一连通；

其中，在工作状态下，所述活塞在外部动力驱动下沿所述活塞杆的长度方向在所述封闭腔体内作往复运动，并驱动所述活塞杆在两侧的所述腔体一内往复运动，外部氢气通过所述连接管一的进气口进入所述腔体一，在所述腔体一内被压缩后通过所述连接管一的排气口排出；

两个第三缸体，其分别套设在两个所述第四缸体的外部，任一第三缸体设置在同侧的所述缸盖和所述第一连接体之间并与其固定连接，所述第三缸体与对应的缸盖、第一连接体、第四缸体形成腔体四，两侧的所述腔体四间通过连接管二连通；

所述第一连接体内部设有流体通道，其包括环形管道，其沿所述密封组件一的外周设置并不与其接触；冷却液进入通道，其一端与所述环形管道的冷却介质入口连通，另一端与所述腔体四内部连通；冷却液流出通道，其一端与所述环形管道的冷却介质出口连通，另一端与所述腔体四内部连通。

2.如权利要求1所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，其特征在于，还包括：

两个第二连接体，其分别位于所述活塞与所述两个第一连接体之间，任一第二连接体套设在所述活塞杆上并与其滑动连接，所述两个第二连接体将所述缸体分为三部分，包括：第一缸体，其位于所述两个第二连接体之间并与其固定连接，所述第一缸体与所述活塞滑动连接并与所述两个第二连接体、所述活塞杆形成腔体三；两个第二缸体，其分别位于同侧的第二连接体与第一连接体之间并与其固定连接，任一第二缸体与对应的第二连接体、第一连接体、所述活塞杆形成腔体二。

3.如权利要求2所述的搭载柱塞式增压缸的氢气压缩机，其特征在于，所述第二连接体与所述活塞杆之间设有密封组件二，其用于密封所述第二连接体与所述活塞杆的间隙，所述密封组件二包括活塞环，其固定在对应的所述第二连接体的内侧壁上并与所述活塞杆抵接。

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