CN1293304C - 压缩机冷却系统 - Google Patents

Abstract

本文揭示了一种具有冷却系统的无油式空气压缩机，该空气压缩机具有使设置在一曲轴箱内的一曲轴运行的驱动单元，并且连接有一对可以在相应压缩气缸内移动的活塞。一鼓风机叶轮同心地安装到曲轴箱外部附近的曲轴。每个压缩气缸包括一导热的气缸插件，该气缸插件具有相应活塞位于其中的一孔。一具有多个环形冷却翼片的、导热的散热片一体地铸造于每个气缸插件的外径部分，并且与曲轴箱相连，以使压缩气缸和曲轴箱完全封闭。每个气缸插件由铝合金制成，最好具有低含硅量和高熔点，以使其可以插铸在冷却翼片内，并且在其内孔的表面光洁度未降低的情况下被阳极化。

Description

压缩机冷却系统

供参照的相关申请

未应用

有关由美国联邦政府承办的检索/研制的声明

未得到

技术领域

本发明涉及空气压缩机，更具体地说，涉及一种用于冷却空气压缩机的系统。

背景技术

空气压缩机的多种类型和结构在现有技术中是已知的。虽然有些压缩机使用旋转叶轮来增压空气，但变容压缩机是最普遍的。变容压缩机包括一活塞、曲轴、连杆、气缸和气门头。典型的压缩机具有一个或两个气缸和相应数量的活塞。双气缸压缩机的运行与单气缸压缩机相同，然而，曲轴的每一回旋转引起两次压缩行程，每个活塞各有一次。

曲轴通常由电动机或燃气机驱动。在气缸的顶部有一个具有进气阀和出气阀的气门头，该气门头控制空气进入和排出气缸。当曲轴旋转时，连杆使活塞在气缸内上下移动。当活塞向下移动时，产生真空，这使外界空气吸过进气阀并进入气缸。当活塞向上移动时，气缸中的空气受到压缩，其使进气阀关闭、出气阀打开。空气的压缩还会产生相当多的热量。

多个变容压缩机被设计成具有一喷溅连杆轴承和气缸壁的油槽。对于这些压缩机，活塞上的一个或多个环形压缩环密封抵靠气缸的内径部分，以使润滑油不会与压缩空气混合。然而，压缩环通常无法完全有效地防止油以气溶胶形式进入压缩空气，这在某些应用中是不可容忍的。同样，油润滑式压缩机需要保养和更换油，并且压缩机需要在大致水平的表面上运行。

无油式压缩机提供了这些问题的解决方法。通常，该种压缩机使用密封的连杆轴承和由自润滑材料(例如PTFE)制成的压缩环。然而，由于没有油来润滑移动零件，因此曲轴箱和气缸内的温度较高。并且，由于自润滑材料与大多数材料一样，在高温环境中将随时间降解，因此压缩环的有效使用寿命与压缩机的冷却系统的有效性直接相关。

某些压缩机具有一敞开式曲轴箱，该曲轴箱可使外界空气通过其中以冷却气缸和压缩环。然而，具有敞开式曲轴箱的压缩机通常十分嘈杂，并且由于灰尘和碎片进入曲轴箱并破坏连杆轴承、压缩环和/或气缸壁而需要额外的保养。因而，最好完全封闭曲轴箱。具有封闭曲轴箱的压缩机使用由驱动电动机运行的鼓风机叶轮，引导空气通过曲轴箱和气缸的外部。

然而，该种设计通常不足以冷却气缸和压缩环。这是因为气缸通常由铸铁制成的缘故。铸铁提供坚硬、光滑的内孔，形成一用于压缩环的低摩擦支承面，而铸造过程提供了在气缸周围形成冷却翼片的低成本手段。然而，铸铁具有相对较低的热传导性，大约是铝的一半。

1985年1月8日授予Tsuge的美国专利No.4,492,533中揭示了一种解决方法。在此，空气压缩机具有限制在隔音箱内的其驱动单元、曲轴箱和气缸。压缩机包括一风扇，而箱子具有进气口和出气口。曲轴箱还具有多个小孔，它们形成用于空气通过以冷却连杆轴承和活塞环的通道。虽然该设计解决了一些上述问题，但它需要不完全封闭的隔音箱，因而碎片可以进入并增加移动零件之间的摩擦。

因此，现有技术中需要一种改进的冷却系统，该冷却系统可用于具有完全封闭的曲轴箱的无油式空气压缩机。

发明内容

本发明提供了一种具有冷却系统的无油式空气压缩机，该空气压缩机具有使设置在一曲轴箱内的一曲轴运行的驱动单元，该曲轴连接有一可以在一压缩气缸内移动的活塞。压缩气缸包括一导热的铝合金气缸插件，该气缸插件具有相应活塞位于其中的一孔。一导热的铝合金散热片结构一体地铸造于每个气缸插件的外径部分，而气缸与曲轴箱相连，以使压缩气缸和曲轴箱完全封闭。

较佳的是，气缸插件由含硅量低、熔点高的铝合金制成，更佳的是，它具有小于1％的含硅量和大于600摄氏度的熔点。

在一个较佳形式中，本发明包括一无油式空气压缩机，该空气压缩机具有一变容压缩机单元，该压缩机单元具有可以在形成V形结构的一对偏移压缩气缸内往复运动的一对活塞。每个压缩气缸包括一由热传导和含硅量低的铝合金制成的气缸插件，以及一导热的铝合金散热片结构，该结构一体地铸造于气缸插件的外径部分。散热片包括多个环形冷却翼片。一驱动单元使曲轴在一完全封闭的曲轴箱内运行，以使活塞在压缩气缸内往复运动。一位于曲轴箱外部的鼓风机叶轮由驱动单元旋转，以引导空气通过散热片来冷却压缩机的内部构件。

因而，本发明提供了一种空气压缩机，其中，可以在不需要冷却空气通过其中的情况下完全封闭曲轴箱。这将使空气压缩机与敞开式曲轴箱压缩机相比运行更为安静，并且防止活塞密封件、气缸和曲轴轴承过早磨损。即使曲轴箱被完全封闭，也可通过将外界空气吹过具有独特结构的压缩气缸外部以使其充分冷却，该压缩气缸具有一气缸插件和一散热片，它们都是由具有高热传导性的铝合金制成的。此外，铝合金具有较高的熔点，以便在铸造过程中将散热片铸造在气缸插件周围，并且不丧失结构完整性。另外，铝合金具有较低的含硅量，以便在铸造过程之后将气缸插件的内径部分机加工为平整的光洁度，然后在不降低表面光洁度的情况下将其阳极化到适当的硬度。因而，只需要一次机加工操作，这将使成本降低。

本发明的前述和其它目的和优点将在下面的说明书中得以体现。在说明书中，形成其一部分和图示本发明的较佳实施例的附图可作为参考。然而，该实施例并非必须表述本发明的全部范围，因此必须查阅用于说明本发明范围的权利要求书。

附图说明

图1是具有密封的曲轴箱和本发明的冷却系统的空气压缩机的立体图；

图2是与图1类似的立体图，该图具有切开的护罩部分和显示冷却空气通过曲轴箱和散热片的流动路径的箭头；

图3是沿图1的线3-3截取的剖视图，该图示出了在压缩机的密封曲轴箱中的一个气缸；以及

图4是具有铸造在套筒状气缸插件上的翼片式散热片的一气缸的立体图。

具体实施方式

请参见图1-3，本发明的空气压缩机总地由标号10表示。空气压缩机10包括一作为若干主构件的驱动单元12、一压缩机单元14、一鼓风机叶轮16和一保护罩18。驱动单元12由一电动机20和一偏心曲轴22构成。压缩机单元14为变容型，它具有一对借助轴承26可枢转地安装到曲轴22的连杆24。每根连杆24可枢转地连接到气缸活塞28。曲轴箱30安装到电动机20的表面，并且封闭曲轴22和连杆24。与驱动单元12相对，曲轴箱30具有一由盖板25覆盖的敞开端，该盖板25通过一适当的密封垫和适当的紧固件(图中未示出)密封于曲轴箱。盖板25包括一中心孔，支承鼓风机叶轮16的曲轴22的一平直端通过该中心孔延伸。一适当的环形密封件(图中未示出)可用于密封曲轴22周围的中心孔。鼓风机叶轮16可具有任何适当的结构，例如本技术领域中已知的鼠笼式结构，该结构具有多个轴向延伸的杯状叶片34。曲轴箱30在其顶部还具有一对倾斜的气缸开口36，两活塞28通过该对开口延伸。压缩气缸38(下面将详细叙述)安装在气缸开口36上方，以使其以标准V形结构相对于彼此偏置。每个压缩气缸38被一气门头40盖住，该气门头具有一与上游空气过滤/消声单元42连通的周围空气进气阀和一与下游配件44连通的压缩空气出气阀，该下游配件用于连接来自气动设备(图中未示出)的软管。护罩18覆盖鼓风机叶轮16、曲轴箱30和两压缩气缸38，并且具有一允许空气被鼓风机叶轮16引入的栅格32。

请参见图4，根据本发明，每个压缩气缸38由一气缸插件46、安装板48和一散热片50形成。气缸插件46构成一个分离构件，而安装板48和散热片50被铸造成一体。气缸插件46是一中空的、端部敞开的圆筒，它具有一根据装配在活塞28的圆周周围的压缩环52的外径部分定尺寸的内径部分(见图3)。压缩环52最好由自润滑的聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。

最好在压铸过程中彼此一体地构成安装板48和散热片50，其中气缸插件46包括在铸模内。以这种方式，多个环形翼片54可以一体地铸造在气缸插件46周围。气缸插件46和翼片54之间的一体连接提供了一条用于连续传热的路径。尽管插件46没有熔合在散热片50上，但两个构件之间的封闭面接触和两种材料的高热传导性导致合成结构具有较高的热传导性。应当注意的是，还可以选择材料并且在插件46的外部与散热片50之间进行带有某些熔合的散热片铸造过程，但同时保持插件46的内表面的结构完整性。

当翼片54被压铸到气缸插件46以后，气缸插件46的内径部分被机械加工到最终尺寸和高表面光洁度，以提供一个压缩环52抵靠其滑动的光滑支承面。内径部分最好具有5-15rms的表面平整度。然后使气缸插件46的内径部分阳极化，以获得适当的硬度和磨损面。自最初的机械加工操作基本上维持内径部分的表面光洁度，最好处于最初光洁度的10-30rm内，藉此消除进行第二次孔精加工的需要并降低成本。

每个安装板48和散热片50最好由适于铸造的标准铝合金制成，例如380压铸铝。用于380压铸铝的较佳化学成分限制是：3.5％铜、8.5％硅、1.3％铁、0.5％锰、0.5％镍、0.1％镁、3.0％锌、0.35％锡、0.5％微量元素，其余是铝。与此相反，每个气缸插件46最好由铝合金制成，其熔点高于安装板48和散热片50的熔点(最好是500摄氏度或更高)，并且具有较低的含硅量，例如6063-T6铝。用于6063-T6铝的化学成分限制是：0.2-0.6％硅、0.35％铁、0.1％铜、0.1％锰、0.45-0.9％镁、0.1％铬、0.1％锌、0.1％钛、0.15％微量元素，其余是铝。

由于硅在阳极化过程中降解并破坏和使精加工表面的光洁度变粗糙，因此最好具有较低的含硅量(与标准压铸铝中大于8％相比是小于1％)。由于气缸插件46具有较低的含硅量，内径部分的表面光洁度不会降低到标准压铸铝的程度。因而，如同所述，不需要二次阳极化(post-anodized)机加工以便在插件46的内径部分重建较高的表面光洁度。

安装板48包括用适当的紧固件在曲轴箱30的气缸开口上方连接压缩气缸38的孔。在使用中，当电动机20旋转曲轴22时，热量产生自压缩热，当活塞28在压缩气缸38内往复运动时，热量由活塞压缩环52和气缸插件46的内径部分之间的滑动摩擦产生。该热量借助热传导性传送通过气缸插件46，并且传送到每个压缩气缸38的散热片50。鼓风机叶轮16引导空气通过曲轴箱30外部(如图2的箭头所示)和压缩气缸38，包括散热片50，该散热片根据对流传热的原理耗散热量以提供空气压缩机10的有效冷却。因而，曲轴箱30不需要具有用于使空气通过曲轴箱30内部的开口。说得更确切些，可将曲轴箱30封闭以减少噪音并防止灰尘和碎片破坏内部移动零件，例如轴承26、压缩环52和气缸内壁。

已经出于揭示一种实用的可操作结构的目的详细叙述了本发明的一个图示实施例，藉此较佳地实施本发明。然而，在不背离本发明的范围的情况下，可将本发明的新颖性接合在其它结构形式中。例如，上述实施例的散热片和安装板与气缸插件相比具有较高的含硅量，以降低成本并提供一种更适当的铸造材料，然而，它们也可由低硅铝合金制成。此外，不需要气缸插件的熔点高于散热片和安装板的熔点，只要在铸造过程期间适当地冷却插件。因此，为将本发明的全部范围告知公众，必须查阅下面的权利要求书。

Claims (4)

1.一种无油式空气压缩机，具有：

一驱动单元，所述驱动单元操作设置在曲轴箱内的一曲轴，并且附连可在压缩气缸内运动的一活塞；

一冷却系统，所述冷却系统具有一连接于所述曲轴箱的导热的铝合金散热片，

其特征在于，

一鼓风机叶轮，所述鼓风机叶轮位于所述曲轴箱外部，并且由所述驱动单元旋转，以引导空气通过冷却翼片；

其中，所述曲轴箱被封闭，而且不带有允许外界空气进入所述曲轴箱的外部开口；

一导热的铝合金气缸插件，所述气缸插件形成压缩气缸的一孔，所述活塞位于该孔中，并且其中，所述气缸插件和所述散热片由不同的铝合金构成，并且其中，所述散热片一体铸造于所述气缸插件的外径部分。

2.如权利要求1所述的无油式空气压缩机，其特征在于，所述气缸插件的含硅量小于所述散热片的含硅量。

3.如权利要求1或2所述的无油式空气压缩机，其特征在于，所述气缸插件被挤压成形，而内孔被阳极化。

4.如权利要求1或2所述的无油式空气压缩机，其特征在于，它具有多个压缩气缸，有一个相应的活塞在每个压缩气缸内移动。

Images