CN114562439A - 一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机，包括阶梯活塞压缩系统，其包括阶梯活塞、一级气缸、二级气缸和中间压力腔；阶梯活塞的一级阶梯滑动位于一级气缸形成一级压缩腔，阶梯活塞的二级阶梯滑动位于二级气缸形成二级压缩腔，所述中间压力腔与一级压缩腔和二级压缩腔相邻设置，所述中间压力腔内设置有通断中间压力腔与一级压缩腔的一级排气阀，所述二级压缩腔内设置有通断二级压缩腔与中间压力腔的二级吸气阀。本发明采用阶梯活塞结构，工质气体经过两级压缩提升压力，总压力比高，通过更改两级活塞的直径比可以实现两级压力比的匹配关系及功率分配，结构紧凑、两级压力匹配性好。

Description

一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机
技术领域
本发明涉及高压比(排气压力与吸气压力之比大于10)无油压缩机领域，特别涉及一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机。
背景技术
一些应用场景对润滑油的使用十分敏感，润滑油会堵塞焦耳-汤姆逊节流制冷机的节流孔，降低空压机排气的洁净度，降低冰箱及热泵中换热器的效率，因此焦耳-汤姆逊节流制冷机、高洁净度空压机、低温冰箱及高温热泵等应用场景均需要无油压缩机以提供高洁净度、高压力比的单向流动气体。
传统旋转式压缩机如往复活塞式压缩机等大多需要润滑油来实现降低活塞摩擦、减少活塞气缸间气体泄漏、冷却电机的功能。该类压缩机通常在压缩机排气口增加油分离器以减少压缩机中润滑油向系统泄漏。虽然该类压缩机可以实现高压力比，但却无法从原理上实现彻底的无油运行。
线性压缩机采用间隙密封结构，可以实现彻底的无油运行，因此在低温制冷机上得到广泛应用，应用范围也逐渐扩展至冰箱、空调、热泵及高洁净度压气机等领域。但常规无油有阀线性压缩机普遍压力比低且功重比小。这是因为该类线性压缩机采用柔性支撑结构，其活塞是自由的；活塞所受气体合力具有较大的轴向偏置静力分量，这造成该类压缩机存在本征性的活塞偏移。活塞偏移导致压缩机行程变短，压力比降低、输出功减小、效率下降。因此常规无油有阀线性压缩机通常存在压力比低、功重比小、效率差的缺点。在面对高压比无油应用场景如焦耳-汤姆逊节流制冷机等，通常采用两台、三台甚至更多台线性压缩机串联结构，以满足压力比大于10的应用需求。这种做法使得系统十分复杂，从而带来系统体积庞大、重量大、控制难度大、成本昂贵且可靠性低等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机，采用阶梯活塞结构，工质气体经过两级压缩提升压力，总压力比高，通过更改两级活塞的直径比可以实现两级压力比的匹配关系及功率分配，结构紧凑、两级压力匹配性好。
为了实现本发明的这些目的和其它优点，提供了一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机，包括阶梯活塞压缩系统，其包括阶梯活塞、一级气缸、二级气缸和中间压力腔；
阶梯活塞的一级阶梯滑动位于一级气缸形成一级压缩腔，阶梯活塞的二级阶梯滑动位于二级气缸形成二级压缩腔，所述中间压力腔与一级压缩腔和二级压缩腔相邻设置，所述中间压力腔内设置有通断中间压力腔与一级压缩腔的一级排气阀，所述二级压缩腔内设置有通断二级压缩腔与中间压力腔的二级吸气阀。
根据本发明的一优选实施方案，所述阶梯活塞的一级阶梯上设置有与一级压缩腔连通的吸气流道，所述一级阶梯上设置有通断一级压缩腔与吸气流道的一级吸气阀，所述二级压缩腔外设置有排出压缩气体的二级排气阀。
根据本发明的一优选实施方案，所述二级压缩腔的端面设置有阀板，所述二级吸气阀和二级排气阀设置于阀板上。
根据本发明的一优选实施方案，还包括二级排气腔，其通过二级排气阀与所述二级压缩腔通断。
根据本发明的一优选实施方案，所述二级排气腔上设置有排气口。
根据本发明的一优选实施方案，所述吸气流道与位于电机壳体内的一级吸气腔连通。
根据本发明的一优选实施方案，所述阶梯活塞压缩系统具有两套，两套阶梯活塞压缩系统对称设置并与直线电机连接，直线电机带动两套阶梯活塞压缩系统的阶梯活塞以相差 180°的相位往复运动。
根据本发明的一优选实施方案，所述直线电机包括电机壳体、外磁轭、线圈、磁钢、内磁轭和动子；
所述磁钢的两端轴对称连接一对动子，所述磁钢的内圈间隔设置有内磁轭，所述磁钢的外圈间隔设置有外磁轭，所述线圈内嵌于所述外磁轭中，所述动子与阶梯活塞连接。
根据本发明的一优选实施方案，一对动子上对称设置有板弹簧支撑系统，所述板弹簧支撑系统实现阶梯活塞与一级气缸、二级气缸的间隙密封。
根据本发明的一优选实施方案，所述电机壳体上具有吸气口。
带阶梯活塞的高压比线性压缩机带阶梯活塞的高压比线性压缩机带阶梯活塞的高压比线性压缩机带阶梯活塞的高压比线性压缩机带阶梯活塞的高压比线性压缩机。
本发明至少包括以下有益效果：
1)采用阶梯活塞结构，两级压力匹配性好且总压力比高
采用阶梯活塞结构，工质气体经过两级压缩提升压力，总压力比高，通过更改两级活塞的直径比可以实现两级压力比的匹配关系及功率分配，结构紧凑、两级压力匹配性好。
2)活塞无偏移，降低控制难度，提升整机效率及可靠性。
两套轴对称布置的阶梯活塞压缩系统使得动子所受合力无轴向偏置静力，从根本上解决了活塞偏移问题。活塞无偏移降低了压缩机撞缸风险、降低了控制难度，允许压缩机满行程运行，提高了、功重比、可靠性以及整机效率。
3)无油运行、应用范围广
采用双侧板弹簧支撑结构实现活塞与气缸的间隙密封，保证活塞与气缸不接触，实现了无油运行，扩大了该压缩机的应用范围。
4)冷却电机，提高电机效率及可靠性
采用中空活塞吸气结构，使得整个电机浸没在低温低压的气体中，电机冷却性好，提高了电机效率及可靠性。
5)结构紧凑，重量轻，功重比高
本发明的压缩机采用一台直线电机同时带动四套压缩腔工作的结构形式。若要实现相同功能，常规无油有阀线性压缩机需要四台直线电机来带动四套压缩腔工作。因此，本发明的压缩机极大简化了结构，具有结构紧凑，重量轻，功重比高的优势。
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为本发明中一实施方案中带阶梯活塞的高压比线性压缩机的结构示意图。
图2为本发明中另一实施方案中阶梯活塞压缩系统的示意图。
附图标记说明：1阶梯活塞压缩系统，2电机壳体，3外磁轭，4线圈，5磁钢，6内磁轭，7动子，8板弹簧，9吸气口，10排气口，11阶梯活塞，12一级气缸，13一级吸气阀， 14一级排气阀，15二级气缸，16阀板，17二级排气阀，18二级排气腔，19二级吸气阀， 20二级压缩腔，21中间压力腔，22一级压缩腔，23一级吸气腔。
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。
以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变形。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“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是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
通常采用多台常规无油有阀线性压缩机串联的形式以满足高压比应用需求。存在系统复杂、体积和重量大、控制难度大、成本昂贵、可靠性低及应用受限制等问题。本发明的带阶梯活塞11的高压比线性压缩机能够解决上述问题，如图1所示，具体结构为包括两套对称设置的阶梯活塞压缩系统1，在其他实施方式中，带阶梯活塞的高压比线性压缩机也可以是由一套或多套阶梯活塞压缩系统1构成，阶梯活塞压缩系统1包括阶梯活塞11、一级气缸12、二级气缸15、中间压力腔21、一级吸气阀13、一级排气阀14、二级吸气阀19和二级排气阀17，阶梯活塞11的一级阶梯滑动位于一级气缸12形成一级压缩腔22，阶梯活塞11的二级阶梯滑动位于二级气缸15形成二级压缩腔20，所述中间压力腔21与一级压缩腔22和二级压缩腔20相邻设置，所述中间压力腔21内设置有通断中间压力腔 21与一级压缩腔22的一级排气阀14，所述二级压缩腔20内设置有通断二级压缩腔20与中间压力腔21的二级吸气阀19。采用阶梯活塞11结构，工质气体在一级压缩腔内22压缩后经中间压力腔21进入二级压缩腔20内再次压缩，工质气体经过两级压缩提升压力，总压力比高，通过更改两级活塞的直径比可以实现两级压力比的匹配关系及功率分配，结构紧凑、两级压力匹配性好。
本发明的一些实施方案中，所述阶梯活塞11的一级阶梯上沿轴向具有中空结构形成与一级压缩腔22连通的吸气流道，所述一级阶梯上设置有通断一级压缩腔22与吸气流道的一级吸气阀13，在一级吸气阀13打开时，将吸气流道和一级压缩腔22连通，所述二级压缩腔20外设置有排出压缩气体的二级排气阀17。所述吸气流道与位于电机壳体2内的一级吸气腔23连通，采用中空活塞吸气结构，使得整个直线电机浸没在低温低压的气体中，电机冷却性好，提高了电机效率及可靠性。
当阶梯活塞11运动至一级压缩腔22和二级压缩腔20的体积逐渐增大，一级吸气阀13打开使吸气流道与一级压缩腔22连通，吸气流道与一级吸气腔23连通，一级吸气腔 23与电机壳体2连通，二级吸气阀19打开使二级压缩腔20与中间压力腔21连通；当阶梯活塞11运动至一级压缩腔22和二级压缩腔20的体积逐渐减少，一级排气阀14打开使一级压缩腔22与中间压力腔21连通，二级排气阀17打开排气。具体工作原理如图2所示，当阶梯活塞11往左运动时，一级吸气阀13打开，工质气体通过阶梯活塞11上的吸气流道进入一级压缩腔22中进行吸气及膨胀热力过程，此过程中一级排气阀14始终关闭；同时，二级吸气阀19打开，中间压力腔21中的工质通过阀板16进入二级压缩腔20中进行吸气及膨胀热力过程，此过程中二级排气阀17始终关闭。当阶梯活塞11往右运动时，一级排气阀14打开，一级压缩腔22中的工质进行压缩及排气热力过程，此过程中一级吸气阀13始终关闭；同时，二级排气阀17打开，工质在二级压缩腔20中进行压缩及排气热力过程，此过程中二级吸气阀19始终关闭。如此重复，该阶梯活塞压缩系统1可实现气体的两次压力提升，实现了高压力比。
本发明的一些实施方案中，如图1所示，一级气缸12和中间压力腔21为一个整体的筒状结构，二级气缸15位于中间压力腔21内，在所述二级压缩腔20的端面设置有阀板 16，阀板16上设置有二级吸气阀19，用于通断二级压缩腔20和中间压力腔21，阀板16 上设置的二级排气阀17，用于通断二级排气腔18和二级压缩腔20，还包括二级排气腔 18，其通过二级排气阀17与所述二级压缩腔20通断，所述二级排气腔18上设置有排气口10，实现两级压力提升的气体最终通过二级排气腔18及排气口10排出。
常规无油有阀线性压缩机采用单电机驱动单活塞结构，存在活塞偏移问题、压力比低且功重比小，本发明的一些实施方案中，所述阶梯活塞压缩系统1具有两套，两套阶梯活塞压缩系统1对称设置并与直线电机连接，通过直线电机带动两套阶梯活塞压缩系统1的阶梯活塞11以相差180°的相位往复运动。两套轴对称布置的阶梯活塞压缩系统1使得动子7所受合力无轴向偏置静力，从根本上解决了活塞偏移问题。活塞无偏移降低了压缩机撞缸风险、降低了控制难度，允许压缩机满行程运行，提高了、功重比、可靠性以及整机效率。
本发明的一些实施方案中，所述直线电机包括电机壳体2、外磁轭3、线圈4、磁钢5、内磁轭6和动子7；所述磁钢5的两端轴对称连接一对动子7，活塞与磁钢5采用硬连接结构形式动子7连接，所述磁钢5的内圈间隔设置有内磁轭6，所述磁钢5的外圈间隔设置有外磁轭3，所述线圈4内嵌于所述外磁轭3中，所述动子7与阶梯活塞11连接，所述电机壳体2上具有吸气口9。当线圈4通入正弦交流电后，在外磁轭3和内磁轭6之间的气隙中形成交变磁场，径向充磁的磁钢5在交变磁场中做直线往复运动。即通入正弦交流电的直线电机动子7在安培力的作用下做直线往复运动，电机动子7带动左阶梯活塞11 和右阶梯活塞11以相差180°的相位往复振动，在吸气阀(一级吸气阀13和二级吸气阀 19)和排气阀(一级排气阀14和二级排气阀17)的周期性开启关闭下，工质气体(如空气、氟利昂气体、氦气等)分别在左右两套对称阶梯活塞压缩系统1中进行吸气-压缩- 排气-膨胀等热力过程，经过两级压缩，工质气体压力被大幅度提升。
考虑到传统旋转式压缩机采用增加油分离器的方式减少润滑油进入系统。无法实现彻底的无油运行。本实施方案中，在一对动子7上对称设置有板弹簧8支撑系统。采用双侧板弹簧8支撑结构实现活塞与气缸的间隙密封，保证活塞与气缸不接触，实现了无油运行，扩大了该压缩机的应用范围。在本实施方式中板弹簧8支撑系统由多个板弹簧8构成，每个板弹簧8的一端与动子7连接，另一端与电机壳体2连接，动子7上下的板弹簧8对称设置，且一对动子7上的板弹簧8支撑系统也相互对称，板弹簧8具有较大的径向刚度，支撑整个运动部件，从而实现无油运行，具有低摩擦的优点。
本发明的压缩机采用一台直线电机同时带动四套压缩腔工作的结构形式。若要实现相同功能，常规无油有阀线性压缩机需要四台直线电机来带动四套压缩腔工作。因此，本发明的压缩机极大简化了结构，具有结构紧凑，重量轻，功重比高的优势。带阶梯活塞的高压比线性压缩机应用范围广，可用于焦耳-汤姆逊节流制冷机、高洁净度空压机、低温冰箱及高温热泵等需要无油、压力比高且单向流动气体的应用领域。
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 (10)

1.一种带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，包括阶梯活塞压缩系统，其包括阶梯活塞、一级气缸、二级气缸和中间压力腔；
阶梯活塞的一级阶梯滑动位于一级气缸形成一级压缩腔，阶梯活塞的二级阶梯滑动位于二级气缸形成二级压缩腔，所述中间压力腔与一级压缩腔和二级压缩腔相邻设置，所述中间压力腔内设置有通断中间压力腔与一级压缩腔的一级排气阀，所述二级压缩腔内设置有通断二级压缩腔与中间压力腔的二级吸气阀。
2.根据权利要求1所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述阶梯活塞的一级阶梯上设置有与一级压缩腔连通的吸气流道，所述一级阶梯上设置有通断一级压缩腔与吸气流道的一级吸气阀，所述二级压缩腔外设置有排出压缩气体的二级排气阀。
3.根据权利要求2所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述二级压缩腔的端面设置有阀板，所述二级吸气阀和二级排气阀设置于阀板上。
4.根据权利要求3所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，还包括二级排气腔，其通过二级排气阀与所述二级压缩腔通断。
5.根据权利要求4所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述二级排气腔上设置有排气口。
6.根据权利要求2所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述吸气流道与位于电机壳体内的一级吸气腔连通。
7.根据权利要求1所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述阶梯活塞压缩系统具有两套，两套阶梯活塞压缩系统对称设置并与直线电机连接，直线电机带动两套阶梯活塞压缩系统的阶梯活塞以相差180°的相位往复运动。
8.根据权利要求1所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述直线电机包括电机壳体、外磁轭、线圈、磁钢、内磁轭和动子；
所述磁钢的两端轴对称连接一对动子，所述磁钢的内圈间隔设置有内磁轭，所述磁钢的外圈间隔设置有外磁轭，所述线圈内嵌于所述外磁轭中，所述动子与阶梯活塞连接。
9.根据权利要求8所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，一对动子上对称设置有板弹簧支撑系统，所述板弹簧支撑系统实现阶梯活塞与一级气缸、二级气缸的间隙密封。
10.根据权利要求8所述的带阶梯活塞的高压比线性压缩机，其特征在于，所述电机壳体上具有吸气口。
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