CN116146454A - 一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，属于直线电机以及气体压缩技术领域。本发明采用直线电机单元作为驱动结构，直线电机驱动单元的左右两侧分别连接一个离子液体压缩单元，每一个离子液体压缩单元与一个气体增压压缩单元连接，每一个气体增压压缩单元还与外部的气源以及外部的存储设备连接，离子液体压缩单元中的离子液体在直线电机驱动单元的驱动作用下实现对气体增压压缩单元中气体的增压压缩，外部的气源用于提供待压缩的气体，外部的存储设备用于储存压缩后的高压气体。本发明所述系统结构简单，容易维护，运行成本低，压缩效率高，而且能够将气体压缩到几十兆帕以上的压力，在气体压缩领域具有很好的应用前景。

Description

一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统
技术领域
本发明涉及一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，属于直线电机以及气体压缩技术领域。
背景技术
随着氢能源技术与压缩天然气等技术的发展和普及，对如氢气、天然气等气体燃料的高压压缩需求日益增加。氢气压缩设备的性能、可靠性和使用成本决定着加氢站的加氢能力和运营成本，是加氢站的核心设备。现有的氢气压缩机主要是采用活塞式和隔膜式机，其中，活塞机密封寿命低，活塞缸需要频繁维护并且有污染氢气的风险，隔膜式压缩机虽然克服了活塞式压缩机的主要缺点，但也存在着容积效率低，膜片使用寿命不长，更换成本较高的问题。
离子液体压缩机是采用离子液体替代金属活塞形成液体活塞在缸体内压缩氢气，减少了活塞与缸体的摩擦，能长期运行而只需较少的维护，能耗更低，并且离子液体与氢气不相溶，不会污染氢气。目前，氢能领域现有的离子液体压缩机，如林德公司的离子液体压缩机，主要采用液压系统推动多级活塞实现氢气的逐级压缩，缸体内金属活塞前端填充少量离子液体，最高可将氢气压缩至几十兆帕。由于其采用了液压驱动多级活塞缸的型式，也使其机构及工艺管路较为复杂，存在潜在泄露点较多和造价较高的缺点，不利于普及。因此，需要研发一种压缩效率更高、结构更简单、泄露率更低的采用离子液体压缩的高压气体增压系统，以满足压缩天然气、氢能源行业内加气站等应用场景下高压气体燃料的压缩需求。
发明内容
针对目前气体压缩系统存在的不足，本发明提供一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，采用直线电机驱动的离子液体增压泵结构，可以将氢气等气体从低压压缩到几十兆帕，而且可根据气体被压缩的压力，实时调节驱动离子液体的压力及气体的压缩速率，以实现能效的更高效利用，并且该系统的结构简单，泄露率低，容易维护，成本低，在气体压缩领域具有很好的应用前景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，包括直线电机驱动单元、离子液体压缩单元以及气体增压压缩单元；
直线电机驱动单元的左右两侧分别连接一个离子液体压缩单元，直线电机驱动单元用于对离子液体压缩单元中的离子液体提供高压液压力；每一个离子液体压缩单元与一个气体增压压缩单元连接，离子液体压缩单元中的离子液体在直线电机驱动单元的驱动作用下实现对气体增压压缩单元中气体的增压压缩；每一个气体增压压缩单元还与外部的气源以及外部的存储设备连接，外部的气源为气体增压压缩单元提供待压缩的气体，外部的存储设备用于储存气体增压压缩单元压缩后的高压气体。
进一步地，直线电机驱动单元包括动子铁芯、环形永磁体、环形磁钢、电机壳体、电机端盖、柱塞、环形定子线圈、定子内铁芯、定子外铁芯、定子铝环、动子铝环、直线电机驱动器、磁霍尔传感器；
电机端盖上加工有柱塞孔；
直线电机驱动器具有电流闭环控制功能；
电机壳体的两端与两个电机端盖一一对应连接；环形磁钢沿轴向依次排列在电机壳体的内壁上；环形永磁体沿轴向依次排列在动子铁芯上以形成径向磁场(即磁场方向沿径向分布)，相邻两个环形永磁体之间设有一个动子铝环，且相邻两个环形永磁体的径向磁场方向相反；环形定子线圈套于定子内铁芯与定子外铁芯中间且三者组成一个线圈单元，多个线圈单元沿轴向依次排列于电机壳体内壁且位于环形磁钢上，相邻两个线圈单元之间设置一个定子铝环，每一个线圈单元连接一根导线，导线的一端与线圈单元中的环形定子线圈连接，导线穿过电机壳体，导线的另一端与位于电机壳体外部的直线电机驱动器连接，通过直线电机驱动器对每组线圈单元独立供电；每个定子内铁芯的内表面上均安装有磁霍尔传感器，以判断运动或静置的动子与定子的相对位置；磁霍尔传感器与直线电机驱动器电性连接，直线电机驱动器根据磁霍尔传感器反馈的信号控制每个线圈单元的供电状态(如正向供电、断电或反向供电状态)以控制直线电机左右往复运动状态；动子铁芯的两端分别连接一个柱塞，每个柱塞穿过与其对应的电机端盖上的柱塞孔，直线电机驱动单元通过柱塞压缩离子液体压缩单元中的离子液体。
直线电机驱动单元在电磁力的拖动下带动其中的动子铁芯进行往复运动，从而推动其两侧的柱塞在离子液体压缩单元的离子液体压缩缸中往复运动，进而将离子液体压缩单元中的离子液体压缩使其进入气体增压压缩单元的气体压缩缸内以完成对气体的增压压缩。
进一步地，电机壳体内部沿轴向加工有多条冷却介质流道，且多条冷却介质流道之间串联连接，向冷却介质流道中通入冷却介质能够将直线电机工作过程中线圈产生的热量带出。
进一步地，柱塞与离子液体压缩单元的离子液体压缩缸内壁之间为动密封，更优选选用三活塞环进行动密封。
进一步地，气体增压压缩单元与外部的气源连接的管路上安装有压力传感器Ⅰ，气体增压压缩单元与外部的存储设备连接的管路上安装有压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ均与直线电机驱动器电性连接，直线电机驱动器根据两个压力传感器反馈的信号调整每个线圈单元的电流值大小。
进一步地，动子铝环和定子铝环的材质均为具有抗磁性的铝合金，起到抗磁作用；动子铁芯、定子内铁芯以及定子外铁芯的材质均为具有导磁性的钢材，起到导磁作用。环形永磁体的磁场通过动子铁芯和定子内铁芯的导磁，呈径向穿过环形定子线圈，直线电机工作过程中，环形定子线圈中通过的电流方向与穿过其的磁场方向完全垂直，产生沿直线电机轴向的电磁拖动力。
进一步地，离子液体压缩单元包括离子液体压缩缸、离子液体以及压缩缸端盖；
压缩缸端盖上加工有离子液体出入孔；
离子液体压缩缸的一端与直线电机驱动单元连接，通过直线电机驱动单元对离子液体压缩缸中的离子液体进行压缩，具体是：离子液体压缩缸的一端与直线电机驱动单元的电机端盖连接，直线电机驱动单元中的柱塞穿过电机端盖上的柱塞孔后与离子液体压缩缸的内壁动密封，通过柱塞在离子液体压缩缸中的往复运动实现对离子液体的往复压缩；离子液体压缩缸的另一端安装有压缩缸端盖，且压缩缸端盖上的离子液体出入孔通过管路与气体增压压缩单元连接，具体是与气体增压压缩单元中端盖Ⅱ的离子液体进出口连接，则受压缩的离子液体进入气体压缩缸后对其内部气体进行增压压缩。
进一步地，与气体增压压缩单元连接(或者接近压缩缸端盖)的离子液体压缩缸一端加工有离子液体回收孔，防止压缩过程中，离子液体压缩缸内通过柱塞的密封圈泄露出的微量离子液体流入直线电机驱动单元内部，通过该离子液体回收孔可以使泄露的离子液体流出离子液体压缩缸并集中收集。
进一步地，气体增压压缩单元包括气体压缩缸、端盖Ⅰ、端盖Ⅱ以及长螺栓；
端盖Ⅰ的端面上加工有进气口和出气口，且进气口以及出气口上均安装有阀门；
端盖Ⅱ的端面上加工有离子液体进出口；
气体压缩缸的一端与端盖Ⅰ连接，气体压缩缸的另一端与端盖Ⅱ连接，且端盖Ⅰ与端盖Ⅱ之间还通过长螺栓连接；端盖Ⅰ上的进气口通过管路与外部的气源连接，端盖Ⅰ上的出气口通过管路与外部的存储设备连接；端盖Ⅱ上的离子液体进出口通过管路与离子液体压缩单元连接。在工作工程中，离子液体在柱塞的往复带动下进出气体压缩缸内部，相应地，离子液体液面在气体压缩缸内进行上下运动，起到液体活塞的作用，则由进气口进入气体压缩缸内的气体经过离子液体增压压缩后再经出气口排出气体压缩缸。
进一步地，气体压缩缸的外表面上安装有散热片，用于气体增压压缩过程中气体与离子液体的散热降温。
有益效果：
(1)本发明采用直线电机作为驱动离子液体的增压泵结构，结构简单，泄露率低，容易维护，运行成本低，而且能够将气体压缩到几十兆帕以上的压力，满足气体的高压压缩需求。
(2)本发明所述的系统充分利用直线电机的往复运动，能够驱动两个离子压缩单元中的离子液体在两个气体增压压缩单元的交替压入、吸出，使离子液体作为液体活塞对气体进行压缩，大大提高了压缩效率。
(3)本发明所述的系统还可以根据气体被压缩的压力，实时调节驱动离子液体的压力及气体的压缩速率，以实现能效的更高效利用。
(4)本发明在离子液体压缩缸上设计离子液体回收孔，能够防止压缩过程中，离子液体压缩缸内通过柱塞的密封圈泄露出的微量离子液体，流入直线电机驱动单元内部。
(5)本发明在电机壳体上加工冷却介质流道以及在气体压缩缸外部设计散热片，是为了对运行过程中的直线电机以及气体增压压缩单元及时降温，确保安稳运行，提高操作安全性。
(6)本发明所述的系统不仅能满足压缩天然气、氢能源行业内加气站等应用场景下高压气体燃料的压缩需求，也可用于氮气、氦气等惰性气体的高压压缩，在气体压缩领域具有很好的应用前景。
附图说明
图1为实施例1中采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统的总体结构示意图。
图2为实施例1中直线电机驱动单元以及离子液体压缩单元的内部结构示意图。
图3为实施例1中直线电机驱动单元的定子以及动子的具体结构示意图。
图4为实施例1中气体增压压缩单元的结构示意图。
其中，a1-直线电机驱动单元，a2-离子液体压缩单元，a3-气体增压压缩单元，a4-进气管路，a5-出气管路，a6-流道连接孔，b1-电机壳体，b2-电机端盖，b3-动子铁芯，b4-环形永磁体，b5-柱塞，b6-活塞环，b7-导线，b8-定子外铁芯，b9-定子内铁芯，b10-环形磁钢，b11-环形定子线圈，b12-定子铝环，b13-动子铝环，c1-离子液体压缩缸，c2-压缩缸端盖，d1-端盖Ⅱ，d2-长螺栓，d3-端盖Ⅰ，d4-气体接口板，d5-单向阀，d6-气体压缩缸。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。其中，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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，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，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1
一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，包括直线电机驱动单元a1、离子液体压缩单元a2以及气体增压压缩单元a3，如图1所示，直线电机驱动单元a1的左右两侧分别连接一个离子液体压缩单元a2，直线电机驱动单元a1用于对离子液体压缩单元a2中的离子液体提供高压液压力；每一个离子液体压缩单元a2与一个气体增压压缩单元a3连接，离子液体压缩单元a2中的离子液体在直线电机驱动单元a1的驱动作用下实现对气体增压压缩单元a3中气体的增压压缩；每一个气体增压压缩单元a3还与外部的气源以及外部的存储设备连接，外部的气源为气体增压压缩单元a3提供待压缩的气体，外部的存储设备用于储存气体增压压缩单元a3压缩后的高压气体；
如图2和图3所示，直线电机驱动单元a1包括动子铁芯b3、环形永磁体b4、环形磁钢410、电机壳体b1、电机端盖b2、柱塞b5、环形定子线圈b11、定子内铁芯b9、定子外铁芯b8、定子铝环b12、动子铝环b13、直线电机驱动器以及磁霍尔传感器；其中，动子铝环b13和定子铝环b12的材质均为具有抗磁性的铝合金，动子铁芯b3、定子内铁芯b9以及定子外铁芯b8的材质均为具有导磁性的钢材，电机端盖b2上加工有柱塞孔，电机壳体b1内部沿轴向加工有多条冷却介质流道，电机壳体b1上加工有流道连接孔a6以实现多条冷却介质流道之间串联连接，直线电机驱动器具有电流闭环控制功能；
如图2所示，离子液体压缩单元a2包括离子液体压缩缸c1、离子液体以及压缩缸端盖c2；其中，压缩缸端盖c2上加工有离子液体出入孔，接近压缩缸端盖c2的离子液体压缩缸c1一端加工有离子液体回收孔，使泄露出的微量离子液体流出离子液体压缩缸c1并进行回收，以免离子液体流入直线电机驱动单元a1内部；
如图4所示，气体增压压缩单元a3包括气体压缩缸d6、端盖Ⅰd3、气体接口板d4、单向阀d5、端盖Ⅱd1以及长螺栓d2；其中，端盖Ⅰd3的端面上加工有进气口和出气口，端盖Ⅱd1的端面上加工有离子液体进出口，气体压缩缸d6的外表面上安装有散热片以用于气体增压压缩过程中气体与离子液体的散热降温；
结合图1～4，所述系统中各部件之间的装配关系如下：电机壳体b1是一个两端开放的中空圆柱体，电机壳体b1的两端与两个电机端盖b2一一对应连接；环形磁钢b10沿轴向依次排列在电机壳体b1的内壁上；环形永磁体b4沿轴向依次排列在动子铁芯b3上以形成径向磁场(即磁场方向沿径向分布)，相邻两个环形永磁体b4之间设有一个动子铝环b13，且相邻两个环形永磁体b4的径向磁场方向相反；环形定子线圈b11套于定子内铁芯b9与定子外铁芯b8中间且三者组成一个线圈单元，多个线圈单元沿轴向依次排列于电机壳体b1内壁且位于环形磁钢b10上，相邻两个线圈单元之间设置一个定子铝环b12，每一个线圈单元连接一根导线b7，导线b7的一端与线圈单元中的环形定子线圈b11连接，导线b7穿过电机壳体b1，导线b7的另一端与位于电机壳体b1外部的直线电机驱动器连接，通过直线电机驱动器对每组线圈单元独立供电；每个定子内铁芯b9的内表面上均安装有磁霍尔传感器，以判断运动或静置的动子与定子的相对位置；磁霍尔传感器与直线电机驱动器电性连接，直线电机驱动器根据磁霍尔传感器反馈的信号控制每个线圈单元的供电状态(如正向供电、断电或反向供电状态)以控制直线电机左右往复运动状态；动子铁芯b3的两端分别连接一个柱塞b5，每个柱塞b5穿过与其对应的电机端盖b2上的柱塞孔后进入离子液体压缩缸c1内部，且柱塞b5与离子液体压缩缸c1内壁之间采用三活塞环b6进行动密封；离子液体压缩缸c1是一个两端开放的中空圆柱体，离子液体压缩缸c1的一端与电机端盖b2连接，离子液体压缩缸c1的另一端安装有压缩缸端盖c2，压缩缸端盖c2上的离子液体出入孔通过液体管路与气体增压压缩单元a3中端盖Ⅱd1的离子液体进出口连接；气体压缩缸d6的一端与端盖Ⅰd3连接，气体压缩缸d6的另一端与端盖Ⅱd1连接，且端盖Ⅰd3与端盖Ⅱd1之间还通过长螺栓d2连接；两个单向阀d5通过气体接口板d4对应压紧到缸盖Ⅰd3中进气口和出气口的相应位置，端盖Ⅰd3上的进气口通过进气管路a4与外部的气源连接，端盖Ⅰd3上的出气口通过出气管路a5与外部的存储设备连接。
在所述系统工作过程中，通过直线电机的往复运动，推动其两侧的柱塞b5在离子液体压缩缸c1中往复运动，从而能使离子液体进出气体压缩缸d6，进入气体压缩缸d6的离子液体作为液体活塞能对气体进行增压压缩。同时，在所述系统工作过程中，将冷却介质通入电机壳体b1的冷却介质流道中循环，从而能将直线电机工作过程中线圈产生的热量带出。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，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)

1.一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：包括直线电机驱动单元、离子液体压缩单元以及气体增压压缩单元；
直线电机驱动单元的左右两侧分别连接一个离子液体压缩单元，直线电机驱动单元用于对离子液体压缩单元中的离子液体提供高压液压力；每一个离子液体压缩单元与一个气体增压压缩单元连接，离子液体压缩单元中的离子液体在直线电机驱动单元的驱动作用下实现对气体增压压缩单元中气体的增压压缩；每一个气体增压压缩单元还与外部的气源以及外部的存储设备连接，外部的气源为气体增压压缩单元提供待压缩的气体，外部的存储设备用于储存气体增压压缩单元压缩后的高压气体。
2.根据权利要求1所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：直线电机驱动单元包括动子铁芯、环形永磁体、环形磁钢、电机壳体、电机端盖、柱塞、环形定子线圈、定子内铁芯、定子外铁芯、定子铝环、动子铝环、直线电机驱动器以及磁霍尔传感器；
电机端盖上加工有柱塞孔；
直线电机驱动器具有电流闭环控制功能；
电机壳体的两端与两个电机端盖一一对应连接；环形磁钢沿轴向依次排列在电机壳体的内壁上；环形永磁体沿轴向依次排列在动子铁芯上，相邻两个环形永磁体之间设有一个动子铝环，且相邻两个环形永磁体的径向磁场方向相反；环形定子线圈套于定子内铁芯与定子外铁芯中间且三者组成一个线圈单元，多个线圈单元沿轴向依次排列于电机壳体内壁且位于环形磁钢上，相邻两个线圈单元之间设置一个定子铝环，每一个线圈单元连接一根导线，导线的一端与线圈单元中的环形定子线圈连接，导线穿过电机壳体，导线的另一端与位于电机壳体外部的直线电机驱动器连接，通过直线电机驱动器对每组线圈单元独立供电；每个定子内铁芯的内表面上均安装有磁霍尔传感器，磁霍尔传感器与直线电机驱动器电性连接，直线电机驱动器根据磁霍尔传感器反馈的信号控制每个线圈单元的供电状态以控制直线电机左右往复运动状态；动子铁芯的两端分别连接一个柱塞，每个柱塞穿过与其对应的电机端盖上的柱塞孔，直线电机驱动单元通过柱塞压缩离子液体压缩单元中的离子液体。
3.根据权利要求2所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：电机壳体内部沿轴向加工有多条冷却介质流道，且多条冷却介质流道之间串联连接。
4.根据权利要求2所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：气体增压压缩单元与外部的气源连接的管路上安装有压力传感器Ⅰ，气体增压压缩单元与外部的存储设备连接的管路上安装有压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅰ和压力传感器Ⅱ均与直线电机驱动器电性连接，直线电机驱动器根据两个压力传感器反馈的信号调整每个线圈单元的电流值大小。
5.根据权利要求2所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：动子铝环和定子铝环的材质均为具有抗磁性的铝合金，动子铁芯、定子内铁芯以及定子外铁芯的材质均为具有导磁性的钢材。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：离子液体压缩单元包括离子液体压缩缸、离子液体以及压缩缸端盖；
压缩缸端盖上加工有离子液体出入孔；
离子液体压缩缸的一端与直线电机驱动单元连接，通过直线电机驱动单元对离子液体压缩缸中的离子液体进行压缩；离子液体压缩缸的另一端安装有压缩缸端盖，且压缩缸端盖上的离子液体出入孔通过管路与气体增压压缩单元连接。
7.根据权利要求6所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：与气体增压压缩单元连接的离子液体压缩缸一端加工有离子液体回收孔。
8.根据权利要求6所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：柱塞与离子液体压缩缸内壁之间采用三活塞环进行动密封。
9.根据权利要求1至5任一项所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：气体增压压缩单元包括气体压缩缸、端盖Ⅰ、端盖Ⅱ以及长螺栓；
端盖Ⅰ的端面上加工有进气口和出气口，且进气口以及出气口上均安装有阀门；
端盖Ⅱ的端面上加工有离子液体进出口；
气体压缩缸的一端与端盖Ⅰ连接，气体压缩缸的另一端与端盖Ⅱ连接，且端盖Ⅰ与端盖Ⅱ之间还通过长螺栓连接；端盖Ⅰ上的进气口通过管路与外部的气源连接，端盖Ⅰ上的出气口通过管路与外部的存储设备连接；端盖Ⅱ上的离子液体进出口通过管路与离子液体压缩单元连接，离子液体压缩单元中的离子液体通过管路进出气体压缩缸。
10.根据权利要求9所述的一种采用直线电机直驱离子液体的气体增压系统，其特征在于：气体压缩缸的外表面上安装有散热片。
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