CN116420019A - 液压驱动隔膜压缩机系统 - Google Patents

Abstract

用于操作隔膜压缩机的装置和方法。本公开的实施例包括油活塞，该油活塞被驱动以抵靠压缩机的隔膜加压作业油。在实施例中，喷射器泵在加压流体的区域中提供作业油的补充流，并且这种泵可以是主动控制系统的一部分。在实施例中，压力释放阀排出作业油的超泵流，并且这种阀可以是可变的。实施例提供反馈和控制机构，包括对喷射器泵和释放阀的控制。

Description

液压驱动隔膜压缩机系统

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119(e)，本申请要求获得于2020年11月9日提交的美国临时专利申请第63/111,356号和于2021年11月8日提交的第63/277,125号的较早申请日的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

本申请与2021年11月9日提交的共同待决且共同拥有的美国专利申请序列第17/522,892号(标题为“用于隔膜压缩机的主动喷油系统”)相关，其全文通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及一种由液压驱动系统驱动的隔膜压缩机。

背景技术

隔膜压缩机以高速驱动隔膜以对工艺气体加压。活塞抵靠隔膜驱动并加强作业油。

发明内容

在某些实施例中，液压驱动压缩机系统包括一个或多个隔膜压缩机机头、和液压驱动器。每个隔膜压缩机机头包括工艺气体头部支承板、作业油头部支承板、头部腔体和金属隔膜。工艺气体头部支承板包括工艺气体入口和工艺气体出口，作业油头部支承板包括活塞腔体、入口和出口。头部腔体限定在工艺气体头部支承板和作业油头部支承板之间，金属隔膜安装在油头部支承板与工艺气头部支承板之间，金属隔膜将头部腔体分隔为作业油区域和工艺气体区域。金属隔膜构造成在排放循环期间从第一位置致动到第二位置，以将工艺气体区域中的工艺气体从入口压力加压到排放压力，并通过工艺气体头部支承板的出口排放加压的工艺气体。金属隔膜构造成在抽吸循环期间从第二位置运动到第一位置，以在入口压力下用工艺气体填充工艺气体区域。液压驱动器构造成加强作业油并向压缩机机头提供加强的作业油。液压驱动器包括驱动器壳体、液压动力单元、多个压力轨道和活塞子组件。驱动器壳体限定驱动器腔体，其中，液压驱动器构造成向驱动器腔体提供作业油的可变压力供应，多个压力轨道包括处于第一压力的作业油第一压力轨道、和处于第二压力的作业油第二压力轨道。活塞子组件包括隔膜活塞和致动器活塞。隔膜活塞安装在驱动器腔体中并且包括第一直径。第一可变容积区域包括压缩机机头的作业油区域，并且限定在隔膜活塞与对应压缩机机头的隔膜之间。致动器活塞位于驱动器腔体中，并联接到隔膜活塞。致动器活塞包括致动器直径。在隔膜压缩机机头的排放循环期间，作业油的可变压力供应构造成朝向隔膜活塞驱动致动器活塞，朝向对应的隔膜压缩机机头驱动所述隔膜活塞，将可变容积区域中的作业油加强到加强压力，并将隔膜致动到第二位置。在完成排放循环时，由于以下中的一个或多个而启动抽吸循环：第一可变容积区域中的加强工作油减压、来自第一压力轨道的作业油供应被供应到驱动器腔体以作用于致动器活塞、以及处于入口压力下的工艺气体供应被供应到驱动器腔体以作用于致动器活塞。

在某些实施例中，第一压力轨道包括从隔膜压缩机机头的先前循环中回收的低压作业油。

在某些实施例中，第二压力轨道包括由液压动力单元加压的中压作业油。

在某些实施例中，多个压力轨道包括第三压力轨道，该第三压力轨道包括由液压动力单元加压的高压作业油。

在某些实施例中，液压驱动器构造成在已从第一压力轨道和第二压力轨道供应作业油之后，通过从第三压力轨道供应作业油来提供作业油的可变压力供应。

在某些实施例中，液压驱动器构造成通过从第一压力轨道、第二压力轨道和第三压力轨道顺序地向驱动器腔体提供作业油来提供作业油的可变压力供应。

在某些实施例中，液压驱动器还包括反馈机构，该反馈机构构造成调节作业油的可变压力供应的压力和计时中的一个或多个。

在某些实施例中，反馈机构包括传感器，该传感器构造成检测致动器活塞的位置和速度中的一个或多个。

在某些实施例中，第一压力轨道包括来自液压驱动器的贮油器的低压作业油。液压驱动器还包括被动第一阀、主动第二阀和主动第三阀。被动第一阀构造成将作业油从第一压力轨道供应到驱动器腔体。主动第二阀构造成将作业油从第二压力轨道供应到驱动器腔体。主动第三阀构造成将作业油从第三压力轨道供应到驱动器腔体。主动第二阀和主动第三阀中的一个或多个构造成从供应级调节到返回级。返回级允许加强工作油在压缩机机头的抽吸循环期间从驱动器腔体或可变容积区域流出。

在某些实施例中，活塞子组件包括多个中间活塞，这些中间活塞构造成驱动隔膜活塞以加强可变容积区域中的作业油。

在某些实施例中，多个隔膜活塞绕致动器活塞轴对称地布置。

在某些实施例中，液压驱动压缩机系统还包括可操作地联接到作业油头部支承板的入口的主动喷油系统，该主动喷油系统构造成向可变容积区域提供作业油的补充供应，以维持压缩机机头的超泵状态。

在某些实施例中，液压驱动压缩机系统还包括压力释放阀，该压力释放阀可操作地联接到作业油头部支承板的出口。压力释放阀构造成将作业油从可变容积排出到贮油器。第一压力轨道包括来自贮油器的低压作业油。

在某些实施例中，主动喷油系统的补充作业油包括来自贮油器的作业油。

在某些实施例中，一个或多个隔膜压缩机机头包括第二隔膜压缩机机头。第二隔膜压缩机机头包括第二金属隔膜。第二金属隔膜构造成在第二排放循环期间从第一位置致动到第二位置。液压驱动器构造成加强作业油，并在第二排放循环期间向第二隔膜压缩机机头提供加强的作业油。液压驱动器还包括活塞子组件。活塞子组件包括第二隔膜活塞。第二隔膜活塞安装在驱动器腔体中，并且包括第二直径。第二可变容积区域限定在第二隔膜活塞与第二对应压缩机机头的第二隔膜之间。致动器直径大于第二直径。在第二隔膜活塞和第二压缩机机头的排放循环冲程期间，作业油的可变压力供应构造成朝向第二隔膜活塞驱动致动器活塞，朝向对应的第二隔膜压缩机机头驱动第二隔膜活塞，将第二可变容积区域中的作业油加强到加强压力，并将第二隔膜致动到第二位置。

在某些实施例中，活塞子组件构造成在压缩机机头的排放循环与第二压缩机机头的第二排放循环之间往复运动。第二压缩机机头的第二排放循环与第一压缩机机头的抽吸循环同时进行。

在某些实施例中，第二压缩机机头的第二排放循环与第一压缩机机头的排放循环同时进行。

在某些实施例中，压缩机机头和第二压缩机机头布置在驱动器壳体的轴向相对侧上。

在某些实施例中，隔膜活塞和第二隔膜活塞与致动器活塞同轴。

在某些实施例中，第一隔膜活塞可操作地联接到致动器活塞，并且第二隔膜活塞可操作地联接到致动器活塞。在用入口压力下的工艺气体填充压缩机机头的工艺气体区域的抽吸循环期间，金属隔膜构造成运动到第一位置并启动隔膜活塞朝向第二压缩机机头的运动。

在各实施例中，液压驱动器还包括液压蓄能器，第二阀和第三阀中的一个或多个的返回级构造成将加强作业油从驱动器腔体的出流供应到液压积蓄装置。

在各实施例中，液压动力单元包括对应于第二压力轨道的中压蓄能器、和对应于第三压力轨道的高压蓄能器。

在各实施例中，液压驱动器包括安装第二阀的中压阀歧管、和安装第三阀的高压阀歧管，中压阀歧管和高压阀歧管中的每一个都安装到驱动器壳体。

在各实施例中，驱动器腔体包括第一腔室和第二腔室，致动器活塞包括在第一腔室中的第一致动器活塞、和在第二腔室中的第二致动器活塞。

在各实施例中，力偏置机构构造成向第一致动器活塞和第二致动器活塞中的一个或多个提供所存储的能量，以启动排放循环。

在各实施例中，力偏置机构包括可操作地联接到第一腔室和第二腔室中的一个或多个的液压蓄能器，该液压蓄能器构造成存储来自液压驱动器的先前循环的加强作业油。

在各实施例中，液压驱动器构造成单独地为多个隔膜活塞中的一个或多个提供动力。

在各实施例中，第一主级阀构造成在压缩机机头的排放循环期间向致动器活塞的第一轴向侧提供作业油的可变压力供应；而第二主级阀构造成在压缩机机头的抽吸循环期间向致动器活塞的第二轴向侧提供作业油的可变压力供应。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的液压驱动压缩机系统的示意图。

图2是图1的压缩机的压缩机机头的剖视图。

图3是根据本公开的实施例的具有两个压缩机机头的液压驱动压缩机系统的侧视立体图。

图4是根据本公开的实施例的具有两个压缩机机头的液压驱动压缩机系统的侧视立体图。

图5是图4的压缩机系统的正视图。

图6是图4的压缩机系统的侧视图。

图7是图4的压缩机系统的俯视剖视图。

图8是图4的压缩机系统的侧视剖视图。

图9是根据本公开的实施例的具有两个压缩机机头的液压驱动压缩机系统的液压回路图。

图10是根据本公开的实施例的液压驱动压缩机系统的局部俯视剖视图。

图11A-D是根据本公开的实施例的具有力偏置的液压驱动压缩机系统的示意图。

图12A-E是根据本公开的实施例的具有力联接的液压驱动压缩机系统的示意图。

图13是根据本公开的实施例的具有主动喷油系统的液压驱动压缩机的示意图。

图14是根据本公开的实施例的具有直接液压驱动器的液压驱动压缩机的示意图。

图15A-B是根据本公开的实施例的用于液压驱动压缩机系统的主级阀的操作级的剖视图。

图16A-F是根据本公开的实施例的用于液压驱动压缩机系统的可变活塞布置的视图。

具体实施方式

如图1所示，本公开的压缩机系统100的实施例包括液压驱动器110，以为用于工艺气体的隔膜压缩机1提供动力。该架构包括液压驱动器110，该液压驱动器110可以用作或不用作液压增强器，其被致动以向隔膜压缩机1提供高压作业油。液压驱动器的受控运动轮廓对压缩机1的隔膜5下方的作业油加压，从而致动隔膜5并对工艺气体加压，然后工艺气体从排放止回阀7流出。在操作中，本公开的实施例包括隔膜活塞3，该隔膜活塞3将作业油压缩并驱动到压缩机隔膜5的一侧，高压油活塞的相对端由液压驱动器110驱动。

适用于本文公开的任何实施例，术语“向上”和“向下”是为了方便而参考附图来解释运动示例，但并不意味着限制。在实施例中，隔膜活塞3、隔膜5和其它部件可以在相对于彼此的任何方向上运动，例如向左和向右、向内和向外等。在实施例中，隔膜活塞3可以相对于隔膜5或致动器110的部件垂直地或以其他方式成角度地运动，只要隔膜活塞3的致动运动加压作业油抵靠隔膜即可。在实施例中，隔膜活塞3或中间活塞183可以沿远离隔膜5或偏离隔膜5的方向运动。换言之，通过将活塞的运动称为相对于隔膜5或压缩机机头的术语“向上”和“向下”，这些术语可以分别理解为“朝向”和“远离”，或者可以分别理解为“对作业油加压”和“对作业油减压”，或分别为“排放循环”和“抽吸循环”。

隔膜压缩机

在一些实施例中，如图2中所示的实施例，隔膜压缩机1由高压油活塞3驱动，该高压油活塞移动一定体积的作业油4(也称为液压流体)通过压缩机1的抽吸和排放循环。当该体积的作业油被高压油活塞3推向隔膜5以填充作业油头部支承板8(或下板)中的作业油区域35时，发生工艺气体压缩，从而抵靠隔膜5的底部施加均匀力。这使隔膜5偏转到气体板6中的填充有工艺气体的上部腔体中，该上部腔体也称为工艺气体区域36。隔膜5对于气体板6上部腔体的偏转首先压缩工艺气体，然后通过排放止回阀7将其排出。当油活塞3反转以开始抽吸循环时，隔膜5被向下拉向油板8，同时入口止回阀9打开并在入口压力下用新鲜工艺气体填充上部腔体。油活塞3在开始其下一冲程之前到达其冲程的末端，并且重复压缩循环。

本公开的实施例包括一个或多个隔膜压缩机机头31，一个或多个隔膜压缩机机头中的每一个包括工艺气体头部支承板6、作业油头部支承板8和金属隔膜5。工艺气体头部支承板6包括可操作地连接到入口止回阀9的工艺气体入口、和可操作地连到排放止回阀7的工艺气体出口。在某些实施例中，作业油头部支承板8包括活塞孔32、入口33和出口34，活塞孔32定尺寸成接收油活塞3，入口33可操作地连接到一个或多个入口止回阀45(也参见图13)，出口34可操作地连接到一个或多个释放阀42。在工艺气体头部支承板6与作业油头部支承板8之间限定头部腔体15。金属隔膜5安装在工艺气体头部支承板6与作业油头部支承板8之间的头部腔体15中，金属隔膜将头部腔体分为作业油区域35和工艺气体区域36。换言之，作业油区域35与活塞孔32、入口33和出口34中的每一个流体连通，作业油可以在活塞孔32处进入和离开作业油区域、在入口33处进入作业油区域35、在出口34处离开作业油区域35。

在某些实施例中，液压驱动器110构造成将主作业油供应到压缩机机头31，液压驱动器110包括延伸到压缩机机头310并经由活塞孔32与作业油区域35连通的驱动器腔体116、以及安装在活塞孔32中的隔膜活塞3。隔膜活塞3在隔膜活塞3的顶面与隔膜5的底面之间限定作业油区域35的容积。因为隔膜活塞3和隔膜5是动态的，所以作业油区域35的容积是可变的。

金属隔膜5构造成在排放循环期间从靠近作业油头部支承板8的第一位置致动到靠近工艺气体头部支承板6的第二位置，以将工艺气体区域36中的工艺气体从入口压力加压到排放压力，并且通过排放止回阀7排放加压的工艺气体。在压缩机机头31的抽吸循环期间，金属隔膜5构造成从第二位置运动到第一位置，以在入口压力下用工艺气体填充工艺气体区域36。在实施例中，隔膜5是隔膜组，该隔膜组包括夹在一起并一致作用的多个隔膜板，例如两个、三个、四个或更多隔膜板可以包括隔膜组。在某些实施例中，隔膜板由金属制成。在其它实施例中，隔膜板由不同金属制成。在其它实施例中，一个或多个隔膜板不是由金属制成的。

如图3-8所示，在实施例中，压缩机系统100包括第一隔膜压缩机机头31和第二隔膜压缩机机头51。在某些实施例中，第一隔膜压缩机机头31和第二隔膜压缩机机头51由单个液压致动器112驱动。在一些实施例中，液压致动器112可操作地联接到第一隔膜压缩机机头31和第二隔膜压缩机机头51，使得一个压缩机机头的抽吸循环有助于启动另一压缩机机头的排放循环，这在压缩机机头之间产生力联接，如下文进一步讨论的。在其它实施例中，第一压缩机机头31和第二压缩机机头51由两个独立的液压致动器112驱动。在某些实施例中，两个液压致动器112构造成彼此平行或同相地作用，使得第一压缩机机头31和第二压缩机机头51的排放和抽吸循环同时或基本上同时发生。

在一些实施例中，第一压缩机机头31和第二压缩机机头51是对称的，特别是隔膜5具有相同尺寸(例如，相同直径)，并且头部腔体15具有相同容积。在其它实施例中，第一压缩机机头31和第二压缩机机头51具有不同尺寸，从而导致不同的排放体积的工艺气体。在任何一种情况下，液压驱动器110都可以被设定或可调节地控制，以从第一压缩机机头31和第二压缩机机头51提供相同的工艺气体排放压力或不同的工艺气体排放压力。在某些实施例中，从一个压缩机机头(例如，第一压缩机机头31)排放的工艺气体处于相对低的压力，并且随后可以被馈送到另一压缩机机头(第二压缩机机头51、或未示出的单独的压缩机)中以进一步压缩。

工艺气体可以是任何适于加压的气体。在各实施例中，工艺气体是氢气。对于氢燃料电池车辆，一个或多个头部31、51所需的出口压力可能约为10000–12000psi。在各实施例中，所储存的氢气的目标压力对于车辆使用的储罐来说最高约为14,500psi，以考虑到例如储存和转移中的压力损失。来自压缩机的工艺气体的对应排放压力约为15000psi。

在一些实施例中，压缩机机头31可以构造成用于200psi至15000psi的工艺气体出口压力范围。在其它实施例中，压缩机机头31可以构造成用于40psi至20,000psi的压力范围。还在其它实施例中，压缩机机头31可以构造成用于300psi至15,000psi的压力范围。在某些实施例中，上述压缩机机头31可以分别在低于200psi、40psi和300psi的压力下运行。在一些实施例中，压缩机机头31可以具有1:1至20:1或更高的压缩比范围。

液压驱动器和主级阀

在各实施例中，本公开涉及一种压缩机系统100，该压缩机系统100包括液压驱动器110，该液压驱动器110构造成加强或加压作业油并将加强的作业油提供给压缩机机头31。在一些实施例中，液压驱动器110包括限定驱动器腔体116的驱动器壳体114、和液压动力单元118(“HPU”)。在其它实施例中，液压驱动器110包括多个压力轨道120，并且在进一步实施例中包括活塞子组件122。在一些实施例中，液压驱动器110构造成从以下中的一个或多个向驱动器腔体116提供作业油的可变压力供应：多个压力轨道120中的作业油的不同压力、活塞子组件122的部件的可变面积(例如，下文讨论的可变面积架构180)、和/或活塞子组件的可变控制。

在某些实施例中，活塞子组件122包括隔膜活塞3(也称为高压油活塞)，隔膜活塞3至少部分地安装在致动器壳体114中并延伸到活塞孔32中。隔膜活塞3包括活塞头部的第一直径124和对应的第一面积125，其中，第一可变容积区域54包括压缩机机头的作业油区域35以及活塞孔32的可用容积；换言之，第一可变容积区域被限定在隔膜活塞3与对应的压缩机机头31的隔膜5之间。活塞子组件122包括致动器活塞126，致动器活塞126位于驱动器腔体116中并联接到隔膜活塞3，致动器活塞包括与致动器面积129相对应的致动器直径128。隔膜活塞3机械地或液压地联接到致动器活塞126，以响应致动器活塞126的运动而运动。在一些实施例中，隔膜活塞机械刚性地固定到致动器活塞126，或者与致动器活塞形成为一体件。

图7至图10示出了包括压缩机机头31和第二压缩机机头51的本公开实施例。第二压缩机机头51由限定第二可变容积区域142的第二隔膜活塞140致动。在一些实施例中，活塞子组件122安装在致动器壳体114的驱动器腔体116中，而多个可变容积设置在活塞子组件122与致动器壳体114之间。如图8所示，第一致动容积144限定在致动器活塞126朝向压缩机机头31的侧面上，而第二致动容积146限定在致动器活塞的相对侧上并且朝向第二压缩机机头51。其它实施例可以包括一个、三个或三个以上的可变容积。由于活塞子组件122的运动，第一和第二致动容积144的容积是可变的。致动器壳体114还包括与第一致动容积144和第二致动容积146连通的多个端口147。在各实施例中，端口147包括用于第一致动容积的第一端口148、和用于第二致动容积146的第二端口150。液压驱动器112通过相应的第一端口148和第二端口150中的一个或多个可操作地连接到这些致动器容积144、146中的一个中或多个。液压驱动器112构造成根据液压驱动器的运行状态的需要来供应作业油或排出作业油。在一些实施例中，一个或多个主级阀250控制作业油流向或流出这些端口中的一个或多个。如图9所示，在一些实施例中，四个主级阀250A-D被设置成对于第一致动器容积144和第二致动器容积146中的每一个设置两个，每个主级阀对应于多个压力轨道120中的一个压力轨道。在本实施例中，对于第一致动容积144，主级阀250A控制中压轨道132，主级阀250B控制高压轨道134；对于第二致动容积146，主级阀250C控制中压轨道132，主级阀250D控制高压轨道134。

在本特定实施例中，在隔膜压缩机机头31的排放循环期间，作业油的可变压力供应构造成朝向压缩机机头31驱动致动器活塞126，致动器活塞126又朝向隔膜压缩机机头的对应隔膜5驱动隔膜活塞3，将可变容积区域54中的作业油加强到加强压力，并将隔膜5致动到第二位置。在本实施例中，致动器活塞126与隔膜活塞3、隔膜5轴向对准，并且另外也与压缩机机头31轴向对准。在其它实施例中，致动器活塞126和隔膜活塞3中的至少一个不与隔膜5轴向对准，并且另外也不与压缩机头31轴向对准。在这些实施例中，隔膜活塞3(另外与压缩机机头31一起)加强作业油，该作业油从相对于隔膜5的至少一个非轴向方向被管路接线到或引导到作业油区域35。

在排放循环完成后，开始抽吸循环。在一些实施例中，由于以下原因中的一个或多个，抽吸循环开始，并且隔膜活塞3开始缩回：可变容积区域54中的加强工作油减压、在入口压力下供应的工艺气体被供应到驱动器腔体、以及向致动器活塞126上方的驱动器腔体116供应低压作业油(例如，从低压轨道130)。在各实施例中，作业油是可压缩流体。在这些实施例中，在可变容积区域54处于高压下的情况下，作业油相对于处于较低压力下的作业油在分子水平上进行体积压缩。当液压致动器112停止驱动隔膜活塞3时，该压缩作业油可以减压并膨胀，这足以在隔膜活塞3上施加力并使隔膜活塞3开始运动，从而有助于将隔膜活塞3和致动器活塞126推回其初始位置。

在各实施例中，当致动器活塞126在驱动器腔体116中处于或接近其行程的尽头时，排放循环操作开始。此时，入口压力工艺气体已经填充了压缩机机头31的工艺气体区域36，而隔膜5处于其行程的尽头，靠近作业油头部支承板8。当需要隔膜运动时，主级阀250(也称为液压控制阀)被致动，以允许加压作业油从液压动力单元118和/或多个压力轨道120中的一个或多个流入致动器活塞126后面的驱动器腔体116，迫使致动器活塞126朝向压缩机机头31。当致动器活塞126运动时，隔膜活塞3也运动并对隔膜5下方的作业油加压。一旦该液压压力大于工艺气体区域36中的工艺气体的压力，隔膜5就向上运动，从而对工艺气体加压。一旦工艺气体区域35内的工艺气体压力达到目标工艺气体压力，工艺气体就从排放止回阀7排出。

在一个实施例中，在所有或大部分工艺气体已经被隔膜5压出工艺气体区域35之后，主级阀250停止向致动器活塞126下方的驱动器腔体116提供液压流，并且致动器活塞126停止向上致动。然后致动主级阀250以将驱动器腔体116连接到致动器活塞上方的多个压力轨道120中的低压轨道。

在其它实施例中，在隔膜压缩机31的抽吸或进气冲程期间，进入的工艺气体对隔膜5下方的作业油加压，该作业油向隔膜活塞3施加力，从而协助将致动器活塞126推回其初始位置。

在一些实施例中，由于向致动器活塞126的底侧处的驱动器腔体116供应以下中的一个或多个，排放循环开始并且致动器活塞126开始运动：(1)来自多个压力轨道120的高压轨道134的高压作业油的供应(下文详细说明)、(2)来自中压轨道132的中压作业油的供应、(3)来自低压轨道130的低压作业油的供应、以及(4)处于入口压力下的供应气体的供应。在各实施例中，上述供应(3)和/或(4)的功能是在供应(2)或(1)开始的同时或即将开始时“协助”供应(2)或(1)。在这样的实施例中，供应(3)和/或(4)通过利用/回收压缩机系统100已经消耗的能量、或通过减少供应中压轨道132和/或高压轨道134所使用的时间来减少HPU118所消耗的能量来节省能量，从而降低被加压到中压和高压的作业油的体积。

如下所述，在某些实施例中，活塞子组件122可以包括可变面积架构180，该可变面积架构提供对隔膜活塞3所施加的力的额外控制、以及对来自HPU 118的供应的有效管理。

在一些实施例中，一个或多个主级阀250控制HPU 118和多个压力轨道120与致动器112的接口。换言之，一个或多个主级阀控制进入液压驱动器110的致动器112的作业油的任何加压液压供应。在实施例中，主级阀250是主动控制的三级阀，如图15A(排气级)和15B(供应级)所示。

在其它实施例中，采用其它阀类型，包括提升阀、滑阀、定向阀、比例阀和伺服阀等。不同类型的阀可以用作主级阀250，从而以不同方式操作系统。在一些实施例中，比例阀以固定的供应压力控制进入系统的流量。以此方式，阀可用于加速或减慢液压驱动致动器的行进以适应期望的曲线、或者在致动器112接近上死点或下死点时降低致动器112的速度。

在其它实施例中，数字阀或开关阀允许以固定的流动面积向主级阀250供应全流量(或从主级阀排出全流量)。当这些阀向作业油的加压供应开放时，最大流动面积暴露出来，并允许完全流入主级阀250，这是由阀两端的压差决定的。对于作为二通阀的实施例，这些阀被关闭以切断至液压致动器112的流动。对于作为三通阀的实施例，这些阀也可以使液压致动器112排出。在其它实施例中，数字开关阀的一种变型具有多个出口端口，这些出口端口可以串联打开以允许至液压驱动器内的可变面积的流动。在该阀中，内部阀芯仅运动其行程的一部分，以开放至单个出口端口的流动，然后随着阀芯继续其行程，其他出口端口将打开。数字阀的操作可以通过若干方式实现。在各实施例中，用螺线管操作数字主级阀250以驱动阀。在其它实施例中，用成组双向先导阀操作数字主级阀250，以控制先导流体的供应，从而驱动阀芯。在其它实施例中，用单个三通先导阀操作数字主级阀250，以控制先导流体的供应，从而驱动阀芯。

应当理解，在各实施例中，主级阀250可以是上述阀类型中的一种或多种的组合。

在各实施例中，可以用压缩机系统100来实施各种控制和监测架构。在一些实施例中，反馈机构构造成检测压缩机系统100的性能或状态，然后将其传达给使用者或用于调节作业油的可变压力供应的压力和计时中的一个或多个。在某些实施例中，反馈机构包括传感器，该传感器构造成检测致动器活塞126的位置和速度中的一个或多个。在其它实施例中，反馈机构检测以下中的一个或多个：工艺气体的排放压力、作业油区域35中的作业油的加强压力、通过作业支承板的出口34的超泵体积、超泵压力、多个压力轨道120中的一个或多个中的压力、通过主级阀250的压力或流速。

液压动力单元和压力轨道

在一些实施例中，由液压动力单元118(“HPU”)提供的一个或多个液压系统压力在0-5000psi的范围内，但在其它实施例中可实施更高的液压压力。根据操作要求，HPU 118在各实施例中包括单个泵/马达、许多小型泵/马达系统、或较少的较大型泵/马达或其组合。在各实施例中，液压驱动系统100包括主动控制的压力补偿泵等，以便在整个操作模式中主动控制液压压力。这种主动控制使得液压驱动系统100能够通过最小化能量消耗来有效运作，以满足系统要求。HPU 118构造成向驱动器腔体116提供一定压力的作业油，并且在一些实施例中，该压力被加强，例如，通过相对于活塞面积增加供应面积。

对于一些实施例，为了使液压能量消耗最小化，液压系统100的可变压力架构提供作业油的可变压力供应，以提供施加到任何致动器活塞126的压力的阶跃或模拟变化。由于工艺气体作用在隔膜活塞3上的力随着工艺气体被压缩而改变(即，工艺气体区域36中的工艺气体由于隔膜5的运动而压缩)，可变压力架构允许液压驱动系统100在冲程的不需要最大压力的某些部分供应小于最大所需压力的压力，这将显著多于移动活塞所需的能量输入。换言之，当工艺气体处于其最高压力时，在致动器活塞126的冲程结束时移动致动器活塞126所需的压力在致动器活塞的126冲程的较早部分是不需要的，并且沿着致动器活塞126的整个冲程施加最大压力所施加的压力大于所需压力，因此浪费能量。在各实施例中，液压驱动系统100在每个冲程的大部分向致动器活塞126施加小于最大压力的压力。

在各实施例中，对于不同的操作模式，液压驱动器110可以供应以多个不同设定压力(也称为压力轨道)供应的作业油。在一些实施例中，这是通过使用整个HPU 118泵送至高设定压力，然后经由压力调节器将作业油节流至轨道中的较低压力来实现的。在其它实施例中，HPU 118使用产生离散压力的离散泵/马达组，其单独地供应多个压力轨道120中的一些或全部，以消除节流损失。适用于本公开的实施例将多个压力轨道120实施为节流作业油和离散泵/马达组的组合。此外，在某些实施例中，使用上述方法中的一种或两种来对包括在多个压力轨道120中的一个或多个中的一或多个蓄能器进行充注。

在各实施例中，压力轨道的设定点响应于感测到的液压致动器112的状态，随着力需求的增加而增加压力。在可应用的一些实施例中，例如，在高频循环下，将对于多个压力轨道120中的一个或多个的压力设置为固定压力，该固定压力计算成提供预先确定的出口工艺气体压力。该工艺气体压力将基于已知的(例如，液压致动器的)暴露液压面积来决定所需的最大液压压力。

在可变压力架构的实施例中，当不需要较高压力时(例如，当环境压力作业油或其他相对低压的作业油足够时)，低压轨道130实施成向液压系统100提供“回填”或“协助”液压供应。在某些实施例中，当液压致动器从其冲程的末端开始运动时，由进气冲程工艺气体施加在隔膜5上的力将辅助力施加在隔膜活塞3上，并因此施加在致动器112上。在一些实施例中，该力可以足以在来自HPU 118的最小压力下或者在不向可用作业油添加液压压力的情况下移动致动器112、或者启动致动器112的运动。然而，驱动器腔体116仍需要供应作业油以回填致动容积144、146中的一个，从而允许致动器112沿相反方向运动。然而，在某些实施例中，向驱动器腔体112供应节流的高压流体可能是能量效率低下的，并且可能在冲程的此阶段提供比所需压力更多的压力；而低压供应轨道130能够提供这种低压作业油，而节流损失或加压和节流所耗费的能量最小或没有。低压轨道130可以通过多种方式受供。在各实施例中，低压轨道130包括来自以下相对低压作业油中的一种或多种：来自HPU 118的未加压作业油、AOIS 30的储油器38(下文讨论)、在先前循环中从驱动器腔体116排出的作业油(例如，如下所述的经由阀排出并存储在液压蓄能器136D中的加强作业油)、可变容积区域54中的作业油、处于入口压力的工艺气体、或压缩机系统100中的其它源。

在某些实施例中，多个压力轨道120包括中压轨道132，中压轨道132包括由HPU118通过高压作业油的节流供应或通过来自HPU的一个或多个泵/马达的直接供应来加压的作业油。在一些实施例中，多个压力轨道120包括高压轨道134，高压轨道134包括由HPU 118加压的高压作业油。应当理解，低压轨道130、中压轨道132和高压轨道134中的任何一个都可以被实施为处于不同设定压力下的多个压力轨道。换言之，多个压力轨道120在各实施例中包括：处于不同低压下的一个、两个、三个或更多个低压轨道130；处于不同介质压力下的一个、两个、三个或更多个介质压力轨道132；以及处于不同高压下的一个、两个、三个或更多个高压轨道134。多个压力轨道130的附加轨道允许对压缩机系统100进行更精细的调整和控制，例如，在排放循环期间控制供应到致动器活塞126的增加的压力。在某些实施例中，可以使用多于十个的压力轨道120。在其它实施例中，HPU可以提供成无限可变的成组的压力轨道120。

如上所述，在各实施例中，液压驱动系统100构造成通过在已从低压轨道130和/或中压轨道132供应作业油之后从高压轨道134供应作业油来控制作业油的可变压力供应。在某些实施例中，液压驱动系统110构造成通过从低压轨道130、中压轨道132和高压轨道134顺序地向驱动器腔体116提供作业油来控制作业油的可变压力供应。在具有低压操作状态或要求的实施例中，仅从低压轨道130和中压轨道132向驱动器腔体116提供作业油就足够了。换言之，在某些实施例中，高压轨道134可以存在，但在低压操作状态或要求期间不使用。在例如能够将工艺气体压缩到高压的压缩机机头31被用来将工艺气体压缩到相对较低压力的情况下，这会是有用的。

在一些实施例中，多个压力轨道120中的每一个可操作地连接到驱动器腔体116，并且可以在致动器活塞126的一侧或两侧上馈送。在各实施例中，液压驱动器110包括被动第一阀131和主动三级第二阀133，被动第一阀131构造成将作业油从低压轨道130供应到驱动器腔体116，主动三级第二阀133构造成从中压轨道132供应作业油到驱动器腔体。某些实施例还包括主动三级第三阀135，其构造成将作业油从高压压力轨道134供应到驱动器腔体116。

在某些实施例中，主动三级第二阀133和主动三级第三阀135中的每一个构造成从供应级调节到返回级，该返回级允许强化作业油在压缩机机头31的抽吸循环期间从驱动器腔体116流出。在各实施例中，液压蓄能器136D接收来自驱动器腔体116的强化工作油的流出。液压蓄能器136D在一些实施例中用作低压轨道130、中压轨道132或高压轨道134。

因此，低压轨道130可以通过多种方式受供。来自高压供应部的流体流可以被下调到所需压力，但这种方法并不比将高压流体直接节流到致动器腔体中更节能。可以使用仅将流体泵送直至所需的低压轨道压力的单独的液压动力供应部。将流体供应到低压轨道的替代方法是捕获在液压驱动活塞的冲程结束时从液压驱动活塞排出的流体。该流体可以转向到液压贮存器，并在低于原始压力轨道源但高于环境压力或HPU的源压力的压力下储存。

可以通过多种方式实现将流体从低压轨道130供应到液压致动器112中。在一些实施例中，可以通过液压阀(代替被动第一阀131)供应流体，该液压阀打开以允许流入致动器112，然后在需要高压流体时关闭。在其它实施例中，可以通过止回阀(如被动第一阀131)供应流，在抽吸循环期间，液压致动器112由于吸入工艺气体所施加的力而开始运动，该止回阀随之打开。由于其是被动阀，当高压流体被供应到致动器腔体时，它不需要被致动，因为高压流体将迫使该阀关闭。替代地，三通阀可用于向液压致动器112供应高压流体，并在需要时将其排出。如上所述，该轨道的排出口可以连接到低压轨道130。在这种情况下，当致动器开始运动时，来自低压轨道130的流体可以通过被动第一阀131回流到液压致动器112中。在某些实施例中，如果该阀具有部分叠置的阀芯，则当该阀运动以供应高压流体时，流动可能不会中断。

在某些实施例中，中压轨道132的压力设定成高压轨道134的压力的大约50％。在其它实施例中，中压轨道132的压力设定成高压轨道134的压力的大约40％至60％。在一些实施例中，高压轨导134的压力设定在大约5000psi，中压轨道132设定在2500psi至3000psi，而低压轨道130设定在约500psi。在其它实施例中，高压轨道134的压力设定成从3000psi、5000psi和7500psi中选择。在一些实施例中，高压轨道134和中压轨道132中的至少一个由HPU控制，以可从每个相应轨道的最大压力进行变化。在其它实施例中，高压轨道134和中压轨道132中的至少一个由HPU控制，以可从每个相应轨道的最大压力的0％至100％范围内进行变化。在进一步实施例中，高压轨道134和中压轨道132中的至少一个由HPU控制，以可从每个相应轨道的最大压力的50％至100％范围内进行变化。在某些实施例中，高压轨道134具有从约0psi至约5000psi的可变压力。

在某些实施例中，HPU对于每个压力轨道120包括一个马达和泵。在一些实施例中，低压轨道130不包括马达和泵。在其它实施例中，HPU对于每个压力轨道120包括一个以上马达和泵。

在某些实施例中，压缩机1可以包括两级，例如低压级和高压级。在一些实施例中，这些级分别包括第一压缩机机头31和第二压缩机机头51。这些实施例可以分别包括用于高压级的高压轨道134、和用于设定在较低压力下的低压级的高压轨道134。类似地，其它实施例可以分别包括用于高压级的中压轨道132、和用于设定在较低压力下的低压级的中压轨道132。这些实施例还可以包括一个或多个低压级130。在一些实施例中，轨道120的数量由方程2n+1表示，其中，n是在唯一运行压力下运行的级的数量。在上面的例子中，这将包括2(2)+1＝5级，然而，在低压级和高压级处具有相同运行状态的多个这样的两级压缩机可以以相同的五个压力轨道120运行。

一些实施例仅使用单个压力轨道120，其具有或不具有低压轨道130。在这些实施例中，压缩机1可以包括两级，例如低压级和高压级。在一些实施例中，这些级分别包括第一压缩机机头31和第二压缩机机头51。在这些实施例中，活塞子组件122和致动器壳体114的相应可变容积的面积可以包括第一致动容积144和第二致动容积146，第一致动容积144被限定在致动器活塞126的朝向压缩机机头31的侧面上，而第二致动容积146被限定在致动器活塞的相对侧并且朝向第二压缩机机头51。在这些实施例中，第二致动容积的面积大于第一致动容积的面积，导致在第二压缩机机头51中以比在第一压缩机机头31中大的力致动致动器，同时使用相同的压力轨道120。其它实施例可以包括一个、三个或三个以上的可变容积，该可变容积限定在致动器活塞126的朝向任一压缩机机头31、51的侧面上。

在图14所示的实施例中，HPU 118构造成直接作用在隔膜5上，同时省略液压致动器112和活塞子组件122。主级阀250可操作地连接到HPU 118，以控制作业油直接供应到隔膜5。在各实施例中，多个压力轨道120中的任一个或多个由一个或多个主级阀250实施并控制。

力偏置

本公开的实施例采用图11A-D所示的力偏置架构160，其类似于图1的基本液压驱动系统100，同时还在驱动循环期间提供能量回收机构。力偏置架构160的实施例包括串列液压驱动器161，该串列液压驱动器可以用作或可以不用作液压加强器，其被致动以在隔膜5下方提供高压作业油，从而致动隔膜压缩机31。在各实施例中，力偏置架构或机构构造成向第一致动器活塞166和第二致动器活塞170中的一个或多个提供所存储的能量，以启动压缩机的抽吸循环。能量回收机构向串列液压驱动器161施加预加载或力偏置，以减少最初移动串列致动器162所需的力和能量。对于提供这种力偏置的任何一个或多个能量回收机构，所施加的力偏置力的大小可以基于操作要求预先设定或主动调整。

如图11A-D所示，在各实施例中，串列液压驱动器161包括具有相应的第一致动器活塞166的第一腔室164、和具有相应的第二致动器活塞170的第二腔室168，第一致动器活塞166和第二致动器活塞170通过公共轴172刚性连接。第一腔室164和第二腔室168中的至少一个可操作地连接到HPU 118和/或多个压力轨道120中的一个或多个。因此，尽管在图1中，驱动器腔体116是用于单个致动器活塞126的单个腔室，但在力偏置架构160的实施例中，驱动器腔体包括用于串列致动器162的第一腔室164和第二腔室168。在一些实施例中，致动器活塞或单独的第一致动器活塞166和第二致动器活塞170结合了上述可变面积架构180的各方面。

参考图11A-D，示出了压缩机机头31的排放循环和抽吸循环的实施例，其中，由蓄能器136D液压地提供力偏置。对于图11A所示的压缩机机头31的排放冲程，当串列致动器162处于或接近其冲程尽头时，开始运行。此时，低压工艺气体填充工艺气体区域36，而隔膜5处于其冲程的尽头，靠近作业油头部支承板8。

在图11B中，当需要隔膜运动时，主级阀250被致动以允许高压作业油抵靠第一致动器活塞166的后侧流入第一腔室164，从而迫使串列致动器162向上。随着液串列压驱动缸向上运动，高压油活塞对隔膜下方的作业油加压。由于该液压压力大于气室压力，隔膜向上运动，从而对气室内的工艺气体加压。一旦气室内的气体压力达到目标工艺气体压力，工艺气体就从出口气体止回阀7排出。在全部或大部分工艺气体已经排放之后，主级阀250停止向致动器活塞162的底侧供流，并且串列液压驱动器161停止向上致动。

随后，对于图11C所示的压缩机机头31的抽吸循环，主级阀250被致动以将第一腔室164连接到作业油供应部(例如，低压轨道130)，以回填到第一致动器活塞166上方。在隔膜压缩机31的进气冲程期间，工艺气体对隔膜5下方的作业油加压，隔膜5向高压油活塞3施加力，从而协助将串列致动器162推回其初始位置。

然而，当串列致动器162向下运动时，流体被第二致动器活塞170加压，并且该能量被存储在能量存储机构中。在图11A-D所示的实施例中，液压蓄能器136D经由加压流体存储能量。以此方式，液压蓄能器136D构造成存储来自串列液压驱动器161的先前循环的加强作业油。

该蓄能器136D或其它能量存储机构向串列致动器162施加预加载或力偏置(例如，在图11C的立体图中沿向上方向的力偏置)，从而减少了启动串列致动器的运动和致动隔膜压缩机31所需的附加力。

如图11D所示，工艺气体随后通过压靠隔膜5来协助迫使第一致动器活塞166回到其初始位置。一旦串列致动器162处于或接近其冲程的尽头，液压蓄能器136D的恒定力偏置作用在第二致动器活塞170上。

因此，在一些实施例中，力偏置架构160结合了液压蓄能器136D以存储加压流体形式的能量。在这样的实施例中，第二腔室168被添加到致动器壳体114，并且用公共驱动轴172进行操作。液压蓄能器136D连接到第二腔室168。当进气冲程气体驱动隔膜活塞3从压缩机31返回时，流体被泵送到液压蓄能器136D中并被存储以用于回收。在其它实施例中，串列致动器162后面的第一腔室164用作驱动腔体，第二腔室168用于能量存储。仍在其它实施例中，液压蓄能器136D可操作地同时连接到第一腔室164和第二腔室168，以选择性地向任一或两个腔室施加力偏置，从而将所存储的能量提供给第一致动器活塞166和第二致动器活塞170中的一个或多个，以启动排放循环。

如前所述，在其它实施例中，能量存储机构可以是除了液压蓄能器之外的机构，其布置成沿活塞的排放冲程的方向恒定地施加力；在各实施例中，能量存储机构可以是弹簧、受重力影响的重物等。

力联接

在某些实施例中，可以通过图12A-D中所示的力联接架构190来设置另一能量回收机构。在图7-10中还示出了该架构的一个实施例。该架构的一些实施例包括由致动器活塞126驱动的成对相对的隔膜压缩机机头1、2，致动器活塞126是双作用双杆，其可以用作或可以不用作液压加强器，该致动器活塞126被致动以提供高压作业油来致动隔膜压缩机。在某些实施例中，力联接设计类似于基本液压驱动概念(例如，图1)，并且将两个隔膜活塞3、140与公共轴192刚性连接。两个加压致动容积144、146交替馈送加压流体并排出，以朝向压缩机1、2来回驱动轴组件。力联接架构190向致动器112施加力联接，从而减少移动液压驱动联接(气)缸以致动隔膜所需的额外力和能量。由于这些隔膜5彼此相对并且异相，因此由进气冲程工艺气体施加在一个隔膜上的力在相对隔膜的压缩冲程期间施加辅助力。

参考图12A-D，示出了具有力偏置的具有相对的两个压缩机机头31、51的压缩机系统的排放和抽吸循环的实施例。在图12A中，当致动器活塞126处于或接近其行程的任一末端时，开始运行。此时，工艺气体填充单个隔膜压缩机机头31，并且相对的第二压缩机机头51完全排空工艺气体。

在图12B中，当需要隔膜运动时，主级阀250被致动以允许加压作业油流入致动器活塞126的一侧，迫使液压驱动联接缸向上朝向填充有工艺气体的压缩机机头31。当致动器活塞126运动时，高压油活塞3对隔膜5下方的作业油加压。由于该液压压力大于工艺气体的压力，隔膜5向上运动，从而对工艺气体加压。一旦工艺气体压力达到目标工艺气体压力，工艺气体就从出口气体止回阀7排出。在全部或大部分工艺气体已被迫出工艺气体区域36之后，主级阀250停止提供液压流，致动器活塞126停止致动。

在图12C中，当希望沿相反方向进行隔膜运动时，主级阀250被致动以向致动器活塞126的相反侧提供压力，从而迫使致动器活塞沿相反方向压缩第二压缩机2中的气体。当液压驱动器112对第二压缩机2内的气体加压时，压缩机1正经历其进气冲程，在该进气冲程中，工艺气体对隔膜5下方的作业油加压，这将力施加到压缩机1内的隔膜活塞3，从而在相对的隔膜5的压缩冲程期间提供辅助力。该辅助力减小了来自HPU 118的压缩第二压缩机2中的气体所需的力。

转到图12D，此时，工艺气体填充单个压缩机机头31的工艺气体区域36，并且相对的第二压缩机机头51的工艺气体区域36完全排空工艺气体。在该布置中，压缩机1填充有工艺气体，并且第二压缩机2完全排空气体。

活塞架构

在一些实施例中，可以通过设置多个中间活塞182或嵌套驱动器184而将活塞子组件122可调节地调整为可变面积架构180，并且在这样的实施例中，施加到驱动活塞3的有效直径是多个隔膜活塞182的面积之和。

为了使液压能量消耗最小化，在实施例中，实施可变面积架构180以向活塞子组件122的任何液压驱动缸(例如，致动器活塞126或隔膜活塞3)提供所暴露的有效面积的阶跃或模拟变化。由于工艺气体作用于隔膜活塞3的力随着工艺气体区域36内的工艺气体被压缩而改变，应用可变面积架构允许每个架构仅暴露所需的有效面积来致动高压油活塞，而不是在整个冲程中保持恒定的有效面积和对应的最大压力。在冲程的早期部分，不需要恒定的有效面积和对应的最大压力来移动隔膜活塞3，因此导致能量浪费。可以由伸缩缸或多个活塞等生成可变面积架构。多个活塞可以是各种布置，包括线性的、交错的或共同延伸的，并且一个或多个活塞可以是不同尺寸。该变型可以应用于任何力联接或力偏置架构。

该系统的一些实施例也可以在面积减小模式下运行，其中，串列系统的一级上的暴露液压面积小于第二级上的，或反之亦然。这可以允许两个级在相同的固定压力供应下运行，但提供不同的工艺气体排放压力。这允许HPU 118的供应泵在更有效的压力点下运行。这可以允许随着系统的负载要求的增加或减少而减少总体压力轨道的变化。图16A-F示出了可变面积架构180的实施例。

在图16A所示的一些实施例中，两室力联接线性致动器增加了两个额外的加压腔体，得到总共四个腔体186A-D和三个中间活塞183A-C。对于可变面积运行，当朝向一个压缩机和隔膜活塞3驱动中心活塞183B时，可以将加压流体供应到主腔体186C或副腔体186D中的一个或两个。在所示的实施例中，主腔体186C和副腔体186D的液压容积是相等的。在其它实施例中，这两个腔体186C、186D定尺寸成具有略微不同的面积，以提供额外的可变面积功能。

仍在其它实施例中，可变面积架构180是活塞阵列，其实施例在图16B-E中示出。与使用全部共享公共轴线的致动器活塞166、170或中间活塞183A-C的其它实施例相反，活塞阵列使用成组独立活塞，这些独立活塞驱动公共轴(例如，公共驱动轴172)，但并不轴向对准。活塞阵列可以作用在连接到中心驱动轴的特征上。活塞可以在固定面积模式下作为单个组操作，或者可以在可变面积模式下以任何组合操作。

在包括图16B-C的向内相对的活塞阵列的一个实施例中，中间活塞183A-F围绕中心驱动轴172布置成圆形图案。连接到中心驱动轴172的是驱动板188，所有中间活塞183A-F都接触该驱动板188。在这种向内相对的设计中，有两组中间活塞183A-F、183G-L，它们都推向中心驱动板188。每个中间活塞183A-L具有对应的驱动腔体186A-L(未全部示出)，其可操作地连接到HPU 118和/或多个压力轨道120。在某些实施例中，活塞壳体196A、196G是相同的，但面向相反的方向。当一组中间活塞183A-F致动时，其驱动其它中间活塞183G-L缩回并推动驱动轴172，驱动轴172驱动隔膜活塞3。在其它实施例中，中间活塞183A-F和183G-L的阵列可以用液压驱动器112来控制，该液压驱动器112构造成控制和致动单独的中间活塞(例如，仅中间活塞183A)或中间活塞的子组群(例如，仅中间活塞183A、183C、183E)。同样地，在各实施例中，中间活塞183A-L可以单独地或成组群地接收不同的作业油供应压力。

如图16D所示，向内相对设计的另一个实施例使用嵌套设计184来减小组件的总长度。在该设计中，中间活塞183A-F和183G-L的两个阵列是不相同的。相反，一组中间活塞183A-F布置成具有较大直径的圆形图案，该较大直径足够大以允许相对组中间柱塞183G-L嵌套在其中。

如图16E所示，活塞阵列设计的另一实施例使用中间活塞183A-L的圆形阵列，这些中间活塞围绕单个壳体内的中心驱动轴172布置。单独的活塞的方向围绕圆形交替，中间活塞183A-F的一半指向一个方向，而另一半183G-L指向相反的方向。在该实施例中，有连接到公共驱动轴172的两个驱动板188A、188B。该设计的致动类似于以上所概述的。

如图16F所示，活塞阵列设计的一些实施例采用了位于压缩机机头占用空间之外的中间活塞183A-D、183E-H、183I-L、183M-P的阵列。这些阵列各自作用在连接到单个驱动轴(未示出)的单个驱动板188上。通过将中间活塞183A-P移动到压缩机机头占用空间之外，可以减少整个压缩机系统的长度。在该组件中使用的中间活塞阵列可以布置成围绕压缩机机头的圆形图案、或布置成位于如图16F所示的活塞的任一侧上的成组线性阵列。该设计的致动类似于以上所概述的。

对于以上任何实施例，可以提供如图16B-C所详细说明的替代实施例。在各实施例中，中间活塞的阵列可以由液压驱动器112控制，并且构造成控制和致动单独的中间活塞或中间活塞的子组群。同样地，在各实施例中，中间活塞可以单独地或成子组群地接收不同的作业油供应压力。

主动喷油系统

在一些实施例中，隔膜压缩机1采用液压喷射泵系统10。如图13所示，液压喷射泵系统10包括泵12、至少一个油止回阀13和固定设定的释油阀14。喷射泵系统10的主要功能是保持高压油活塞3与隔膜组5之间所需的油体积。在压缩机1的抽吸冲程期间，固定体积的作业油被喷射到压缩机1的作业油区域35中。这确保在每个抽吸冲程期间喷射足够体积的油，以确保油体积保持用于适当的压缩机1性能。

在某些实施例中，隔膜活塞3与隔膜5之间的油体积受到两种油损失模式的影响。油损失的第一种模式是经过隔膜活塞3返回致动器壳体114或贮油器的环形泄漏。这种环形泄漏对于在5000psi以上运行的高压压缩机1来说可能是最显著的。

油损失的第二种模式被定义为“超泵”，这是在压缩机1正常运行期间的每个循环中都会发生的越过油释放阀14的液压流。喷射泵系统10设计和操作成保持通过释放阀14的“超泵”状态，以确保隔膜5扫过整个压缩机腔体15(即，从工艺气体区域36完全或基本上排出工艺气体)，从而最大化压缩机1的容积效率。本公开的实施例包括主动控制的喷射泵系统10，称为主动喷油系统30(“AOIS”)，如下文进一步讨论的。

喷射泵系统10的一些实施例可由使用者机械调节，以改变喷射器泵12的进入压缩机1的体积流速。然而，这需要手动观察和调整。来自喷射泵系统10的不正确的体积排量不能充分考虑油损失，这可能导致各种机器故障。

在某些实施例中，液压释放阀14具有可手动调节的释放设定值。这些油释放阀设定成固定的释油压力设定值，该释油压力设定值高于最大工艺气体压力。最大工艺气体压力是工艺气体在任何特定使用情况下的最大预期压力。这种升高的释放设定值允许隔膜5在任何作业油流过释放阀14之前稳固地接触气体头部支承板6，从而确保在工艺气体的最高预期压力下完全扫过头部腔体15的整个容积。当隔膜到达头部腔体15的顶部时，隔膜活塞3的压力仍低于释放阀14的设定值。在此期间，作业油区域35中的作业油进一步压缩，液压压力升至压缩机气体排放压力以上，直到其达到油释放阀14的设定值。此时，释放阀14打开，油以每转喷射泵排量减去系统中的环形泄漏的量移位过油释放阀14。从安全阀14流出的这种油流被定义为超泵。

本发明的某些实施例包括隔膜压缩机1中的主动注油系统30(“AOIS)。”AOIS 30的反馈和控制允许压缩机系统100最小化所使用的任何多余能量，同时确保以上讨论的隔膜5的完全扫过。

在某些实施例中，压缩机1形成液压回路50，该液压回路60将作业油头部支承板8的出口34连接到作业油头部支承板8的入口33。在这些实施例中，液压回路还可以包括贮油器38，贮油器38构造成经由作业油头部支承板8的出口34从作业油区域35收集超泵的作业油。通过形成液压回路，油从贮油器38循环，穿过入口33并进入作业油区域，然后从出口34超泵而出并返回贮油器38中。

在其它实施例中，液压回路还包括AOIS 30，该AOIS 30包括液压蓄能器39，该液压蓄能器39构造成向作业油头部支承板8的入口33提供补充作业油的供应。在某些实施例中，液压蓄能器39可以是液压容积或任何类型的液压蓄能器39，如囊状物、活塞或隔膜式流体上气体式液压蓄能器39。在进一步实施例中，AOIS包括AOIS泵40，AOIS泵与液压蓄能器39连通，AOIS泵40构造成产生从贮油器38到液压蓄能器39或直接到入口33的补充作业油的可变体积排量。如本文所使用的，可变体积排量意味着AOIS 30可以根据压缩机机头31的特定工艺状态向作业油区域35提供可变体积流量，即补充作业油喷射量。这允许在压缩机1运行期间喷射量可变，以在压缩机1内，特别是在作业油区域35内最有效地保持压缩机1的油体积。在某些实施例中，AOIS 30包括可操作地联接到液压蓄能器39的AOIS泵40，以及构造成独立于液压驱动器110为AOIS泵提供动力的马达41。换言之，马达41的速度和控制完全独立于为隔膜活塞3提供动力的液压驱动器110，而不是机械地联结该液压驱动器110。

在某些实施例中，AOIS 30利用压缩机1内现有的压力动态来满足进入压缩机1、特别是进入作业油区域35的液压流的要求。当压缩机1在其抽吸和排出循环中转换时，AOIS泵40对液压蓄能器39进行充注和排放。在压缩机1的抽吸冲程期间，压缩机1内的包括作业油区域35在内的这种较低压力状况在液压蓄能器39与压缩机机头31内的油之间、特别是在作业油区域35中产生正压差。在该抽吸状态期间，液压流通过油入口止回阀45并通过入口33进入满足喷射事件的作业油区域35。在此期间，泵40可以连续地泵送到液压蓄能器中。在该排放冲程期间，作业油区域35内的液压压力大于液压蓄能器39内的压力，因此没有从液压蓄能器39到压缩机的流动。至少一个止回阀45、以及在一些实施例中至少两个止回阀45防止从作业油区域35进入液压蓄能器39中及其之外的回流。在这种情况下，来自AOIS泵40的液压流对液压蓄能器39加压，为下一次喷射事件做准备。

进一步实施例包括可变压力释放阀(VPRV)52，其包括可操作地联接到隔膜腔体15的作业油区域35的释压机构42，释压机构42包括压力释放阀43，该压力释放阀43与作业油头部支承板8的出口34连通，并构造成释放来自作业油区域35的加压作业油的出口体积。在这些实施例中，压力释放阀43包括液压释放设定值，该液压释放设定值对应于加压作业油相对于工艺气体排放压力的超泵目标状态。在一些实施例中，超泵目标状态对应于最大工艺气体排放压力。换言之，超泵目标状态对应于压缩机机头31构造成在其下运行的最大工艺气体排放压力，使得工艺气体区域36构造成由隔膜5在最大气体排放压力下完全排空。

在某些实施例中，在排放循环期间的释油事件期间，释放阀43打开，油以每转喷射体积减去系统中的环形泄漏的量移位过油释放阀14，这被定义为超泵。在此期间，来自喷射泵40的液压流对液压蓄能器39加压，为下一次抽吸循环期间的下一次喷射事件做准备。

然而，在某些实施例中，压力释放阀43构造成主动调节压力释放阀的液压释放设定值，以对应于超泵的当前状态。换言之，压力释放阀43构造成对应于气体排放压力的相对增加或减少来向上或向下调节液压释放设定值。这防止了压缩机机头31在气体排放压力小于最大气体排放压力的状态下经历比由隔膜5完全排空工艺气体区域36所需的超泵多的超泵。由于在压缩机1的排放和抽吸循环期间较低的循环应力和较低的交变载荷，液压释放设定值的可调节性可以实现较长的机器预期寿命和较好的系统效率。

AOIS 30的某些实施例包括喷射器泵40和液压蓄能器39，但没有VPRV 52，而其它实施例包括这两个系统。

在某些实施例中，AOIS 30包括反馈机构，该反馈机构构造成控制AOIS泵40以维持作业油区域35的超泵目标状态。反馈机构包括测量装置44，测量装置44提供反馈以验证超泵状态正被满足以控制喷射器泵系统30。在某些实施例中，反馈机构包括可操作地联接到隔膜压缩机1的第一测量装置44，该测量装置构造成检测和/或测量从作业油区域35流出出口34的加强作业油的体积流量的超泵当前状态。在某些实施例中，反馈机构构造成响应于超泵当前状态来调节喷射泵40到液压蓄能器39的体积排量。

调节比是指装置的工作范围，定义为最大容量与最小容量的比值。在AOIS 30的某些实施例中，AOIS构造成在压缩机31的作业油区域35中提供补充作业油的相对于作业油4的大调节比。通过分离液压驱动器31和AOIS泵40的功能，可以实现大的调节比，从而允许喷射量的显著可调节性，进而在宽范围的运行状态下严格控制通过释放阀43的超泵量。

在各实施例中，超泵目标状态在高于测得工艺气体排放压力0.1％-500％的范围内。在各种实施例中，超泵目标状态的范围为高于测得工艺气体排放压力约0.1％-100％、高于0.1％-50％、高于0.1％-40％、高于0.1-30％、高于0.1-20％、高于1％-20％、或高于1％-50％。

本文公开、要求保护和通过引用结合的所有特征，以及如此公开的任何方法或过程的所有步骤，可以以任何组合进行组合，除了其中至少一些这样的特征和/或步骤相互排斥的组合。除非另有明确说明，否则本说明书中公开的每个特征可以由作为相同、等效或类似目的的替代特征代替。因此，除非另有明确说明，否则所公开的每个特征仅是通用系列的等同或相似特征的一个示例。本公开的发明性方面不限于前述实施例的细节，而是扩展到本公开中所呈现的特征的任何新颖的实施例或实施例的任何新颖组合，以及如此公开的任何方法或过程的步骤的任何新颖实施例或实施例的任何新颖组合。

应当理解，本公开的实施例可以包括两个压力轨道，或者替代地包括三个、四个、五个、六个、七个或更多个压力轨道。在各实施例中，可以存在两个或三个低压轨道，或者用于低压轨道的两个或三个源(例如，馈送低压轨道的蓄能器的两个或者三个源)。在各实施例中，可以以类似于在力偏置架构160的蓄能器136D中回收的油的回收油馈送一个或多个中压轨道和一个或多个高压轨道中的一个或多个。在各实施例中，活塞子组件122的一个或多个活塞可以是除圆形之外的形状，例如椭圆形、正方形、矩形等。

尽管本文已经示出和描述了特定示例，但是本领域普通技术人员将理解，被计算为实现相同目的的任何布置都可以代替所公开的特定示例。本申请旨在涵盖本主题的改编或变化。因此，本发明旨在由所附权利要求书及其法律等价物以及说明性方面来定义。上述实施例仅仅是对其原理的描述，而不应被认为是限制性的。本领域技术人员将对本文公开的本发明进行进一步的修改，并且所有这些修改都被认为在本发明各方面的范围内。

Claims (20)

1.一种液压驱动压缩机系统，包括：

一个或多个隔膜压缩机机头，所述一个或多个隔膜压缩机机头中的每一个包括：

工艺气体头部支承板，包括工艺气体入口和工艺气体出口，

作业油头部支承板，包括活塞腔体、入口和出口，

头部腔体，所述头部腔体限定在所述工艺气体头部支承板与所述作业油头部支承板之间，以及

金属隔膜，所述金属隔膜安装在所述作业油头部支承板与所述工艺气体头部支承板之间，将所述头部腔体分隔成作业油区域和工艺气体区域，

所述金属隔膜构造成：在排放循环期间从第一位置致动到第二位置，以将所述工艺气体区域中的工艺气体从入口压力加压到排放压力，并通过所述工艺气体头部支承板的出口排放加压的工艺气体，

所述金属隔膜构造成在抽吸循环期间从所述第二位置运动到所述第一位置，以在所述入口压力下用工艺气体填充所述工艺气体区域；以及

液压驱动器，所述液压驱动器构造成加强作业油并向所述压缩机机头提供加强的作业油，所述液压驱动器包括：

驱动器壳体，所述驱动器壳体限定驱动器腔体，其中，所述液压驱动器构造成向所述驱动器腔体提供作业油的可变压力供应，

液压动力单元，

多个压力轨道，包括：处于第一压力的作业油第一压力轨道、和处于第二压力的作业油第二压力轨道，以及

活塞子组件，包括：

隔膜活塞，所述隔膜活塞安装在所述驱动器腔体中并且包括第一直径，其中，第一可变容积区域包括所述压缩机机头的所述作业油区域、并且限定在所述隔膜活塞与对应的压缩机机头的隔膜之间，

致动器活塞，所述致动器活塞位于所述驱动器腔体中并联接到所述隔膜活塞，所述致动器活塞包括致动器直径，以及

其中，在所述隔膜压缩机机头的排放循环期间：

作业油的可变压力供应构造成朝向所述隔膜活塞驱动所述致动器活塞，朝向对应的隔膜压缩机机头驱动所述隔膜活塞，将所述可变容积区域中的作业油加强到加强压力，并将所述隔膜致动到所述第二位置；

其中，在完成所述排放循环时，由于以下中的一个或多个而启动所述抽吸循环：所述第一可变容积区域中的加强工作油减压、来自所述第一压力轨道的作业油供应被供应到所述驱动器腔体以作用于所述致动器活塞、以及处于所述入口压力下的工艺气体供应被供应到所述驱动器腔体以作用于所述致动器活塞。

2.根据权利要求1所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述第一压力轨道包括从所述隔膜压缩机机头的先前循环回收的低压作业油。

3.根据权利要求2所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述第二压力轨道包括由所述液压动力单元加压的中压作业油。

4.根据权利要求1所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述多个压力轨道包括第三压力轨道，所述第三压力轨道包括由所述液压动力单元加压的高压作业油。

5.根据权利要求4所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述液压驱动器构造成在已从所述第一压力轨道和所述第二压力轨道供应作业油之后，通过从所述第三压力轨道供应作业油来提供作业油的可变压力供应。

6.根据权利要求4所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述液压驱动器构造成通过从所述第一压力轨道、所述第二压力轨道和所述第三压力轨道顺序地向所述驱动器腔体提供作业油来提供作业油的可变压力供应。

7.根据权利要求6所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述液压驱动器还包括反馈机构，所述反馈机构构造成调节所述作业油的可变压力供应的压力和计时中的一个或多个。

8.根据权利要求7所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述反馈机构包括传感器，所述传感器构造成检测所述致动器活塞的位置和速度中的一个或多个。

9.根据权利要求4所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述第一压力轨道包括来自所述液压驱动器的贮油器的低压作业油，所述液压驱动器还包括：

被动第一阀，所述被动第一阀构造成将作业油从所述第一压力轨道供应到所述驱动器腔体，

主动第二阀，所述主动第二阀构造成将作业油从所述第二压力轨道供应到所述驱动器腔体，以及

主动第三阀，所述主动第三阀构造成将作业油从所述第三压力轨道供应到所述驱动器腔体，

其中，所述主动第二阀和所述主动第三阀中的一个或多个构造成从供应级调节到返回级，所述返回级允许加强作业油在所述压缩机机头的所述抽吸循环期间从所述驱动器腔体或所述可变容积区域流出。

10.根据权利要求1所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述活塞子组件包括多个中间活塞，所述多个中间活塞构造成驱动所述隔膜活塞以加强所述可变容积区域中的所述作业油。

11.根据权利要求10所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述多个隔膜活塞绕所述致动器活塞轴对称地布置。

12.根据权利要求1所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，还包括能操作地联接到所述作业油头部支承板的所述入口的主动喷油系统，所述主动喷油系统构造成向所述可变容积区域提供作业油的补充供应，以维持所述压缩机机头的超泵状态。

13.根据权利要求12所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，还包括压力释放阀，所述压力释放阀能操作地联接到所述作业油头部支承板的所述出口，所述压力释放阀构造成将作业油从所述可变容积排出到贮油器，以及

其中，所述第一压力轨道包括来自所述贮油器的低压作业油。

14.根据权利要求13所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述主动喷油系统的补充作业油包括来自所述贮油器的作业油。

15.根据权利要求1所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述一个或多个隔膜压缩机机头包括第二隔膜压缩机机头，所述第二隔膜压缩头部包括第二金属隔膜，所述第二金属隔膜构造成在第二排放循环期间从第一位置致动到第二位置；

所述液压驱动器构造成在第二排放循环期间加强作业油并向所述第二隔膜压缩机机头提供加强的作业油，所述液压驱动器还包括：

活塞子组件，包括：

第二隔膜活塞，所述第二隔膜活塞安装在所述驱动器腔体中并且包括第二直径，其中，第二可变容积区域限定在所述第二隔膜活塞与所述对应的第二压缩机机头的第二隔膜之间，其中，所述致动器直径大于所述第二直径，以及

其中，在所述第二隔膜活塞和所述第二压缩机机头的排放循环冲程期间：

作业油的可变压力供应构造成朝向所述第二隔膜活塞驱动所述致动器活塞，朝向对应的第二隔膜压缩机机头驱动所述第二隔膜活塞，将所述第二可变容积区域中的作业油加强到加强压力，并将所述第二隔膜致动到所述第二位置。

16.根据权利要求15所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述活塞子组件构造成在所述压缩机机头的所述排放循环和所述第二压缩机机头的第二排放循环之间往复运动，以及

其中，所述第二压缩机机头的所述第二排放循环与所述第一压缩机机头的所述抽吸循环同时进行。

17.根据权利要求15所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述第二压缩机机头的第二排放循环与所述第一压缩机机头的所述排放循环同时进行。

18.根据权利要求15所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述压缩机机头和所述第二压缩机机头布置在所述驱动器壳体的轴向相对侧上。

19.根据权利要求18所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述隔膜活塞和所述第二隔膜活塞与所述致动器活塞同轴。

20.根据权利要求15所述的液压驱动压缩机系统，其特征在于，所述第一隔膜活塞能操作地联接到所述致动器活塞，而所述第二隔膜活塞能操作地联接到所述致动器活塞，以及

其中，在用入口压力下的工艺气体填充所述压缩机机头的所述工艺气体区域的所述抽吸循环期间，所述金属隔膜构造成运动到所述第一位置并启动所述隔膜活塞朝向所述第二压缩机机头的运动。

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