CN1711419A - 压缩机头 - Google Patents

Abstract

一种压缩机头/泵头(10；100；200)包括活塞组件(20；120；220)和室头组件(30；130；230)，两者间限定一工作室(60；160；260)。该活塞组件装有第一隔膜(26；126；260)而室头组件装有第二隔膜(36；136)。活塞和室头组件以及它们相应的隔膜形成互补的关系，这样在压缩期内两隔膜间形成渐进的柔性接触直至工作室的体积减近乎于零。这样，压缩机头可通过相对较小的冲程达到高压缩比。此外，室头组件装有自调整机构，包括偏压弹簧(34；134)和缓冲安排(80；180)，它们响应于输出压力的变化自动调整室头的位置。这种位置调整可补偿线性驱动器在工作负载增加时的冲程下降。

Description

压缩机头

技术领域

本发明涉及一种压缩机头/泵头。

背景技术

近年来，包括隔膜式和自由活塞式的线性压缩机和线性泵已经变得越来越普及。它们成功的理由至少包括以下几方面：成本低、效率高、可靠性好、工作寿命长、以及无润滑运行。

人们知道，在这类机器中，线性电机的冲程易于随电功率输入或流体力学输出的变化而改变。更具体地说，当输入电压上升或输出气压下降时，线性电机的冲程增长，这会导致冲程过度并由直接碰撞造成损坏。另一方面，当输出气压上升或输入电压下降时，线性电机会冲程不足，在工作室内留存一个大的死空间而不产生有用输出。由于这些原因，线性压缩机和线性泵被认为不适宜高压应用。

人们也知道该问题可通过采用闭环电子控制来解决。然而，这样的解决方案要求有检测和控制系统，并外加一可控电源，使整个系统昂贵并且降低了可靠性，因为它在系统中引入了额外的潜在故障点。

发明内容

本发明第一个目的是提供一种更适合于线性系统的、改进的压缩机头/泵头。

根据本发明，其中提供的一种压缩机头包括：一个往复(活塞)部件和一个室头部件，两者间限定一个工作室；将该往复部件与一个往复驱动器连接的装置；以及使流体单向流入和流出该工作室的阀门装置；其中该往复部件和室头部件具有互补的表面，并且两部件中的至少一个具有一柔性部分，用于当该往复部件接近该室头部件时形成渐进式接触。

作为一优选方案，该接触是从外周向内进展，以此将工作流体集中到一个小的中央区域内，然后最终经输出阀门排出。以此方式，该压缩机头可通过相对较小的冲程达到高压缩比。同样，由于是通过一个小的表面区域完成最终的压缩，它可达到较高输出压而无须按比例增加驱动器的负载。

作为另一优选方案，该往复部件和室头部件均具有柔性部分允许它们“软”接触，并确保部件进行柔性接触时的良好缓冲。这种“软”接触将保证低工作噪音、长工作寿命、并将工作室内的死空间减至最小，以此达到高效率。

作为另一优选方案，在往复部件和/或室头部件的结构中作流体和/或弹性体的缓冲安排，以提供额外的碰撞保护。作为一有利的方式，该流体缓冲是一个由波纹管装置封闭的空间来形成。

作为另一优选方案，可有一个背面支持部件，该往复部件和背面支持部件具有互补的表面，并且两部件中的至少一个具有一柔性部分，用于在该往复部件向后移动到该背面支持部件时形成渐进式接触。

本发明的另一个目的是提供一种压缩机头，它具有一内装机构通过响应于输出压力变化而移动室头的位置以调整工作室的大小，由此补偿线性驱动器冲程的变化。

本发明的另一个目的是提供一种压缩机头，它具有一内装机构通过响应于输出压力变化而移动室头的位置以调整工作室的大小，由此补偿线性驱动器冲程的变化。

附图说明

本发明进一步的特征、优点和细节将参照附图中的优选实施方案予以说明，其中：

图1为根据本发明第一优选实施方案的压缩机头的截面图；

图2示出该第一实施方案在一双向运作安排中；

图3示出一自调式室头的工作原理；

图4为一局部放大图，示出隔膜的渐进移动；

图5示出第一实施方案的一个改进型；

图6示出本发明第二实施方案在一双向运作安排中；

图7为一局部放大图，示出活塞的渐进移动；

图8示出一自调式汽缸头的工作原理；

图9示出一定向放气孔的细节；和

图10为一局部放大图，示出本发明第三实施方案。

具体实施方式

优选实施方案的详细说明

为了便于理解，在本申请中将发明概念描述为压缩机头。应当理解，同一概念既可用于气体、液体、或二者的混合体，也可用于真空泵。因此，对于所有这些应用，“压缩机头”一词应解释为包涵了“泵头”。

第一实施方案的整体结构

图1示出一压缩机头10，它是一台适于高流量应用的隔膜式机器。该压缩机头10具有一外壳40，由端板41和壳体42构成。壳体42固定在另一壳体52上，它是驱动器(未示出)的一部分。外壳40内部有包括第一隔膜26的活塞组件20和包括第二隔膜36的室头组件30。两组件之间限定了一个工作室60。室头组件30的另一侧有一输出室70，它通过输出阀门33接受来自工作室60的流体。

活塞组件20包括：活塞体21，它通过螺钉22固定在驱动轴51的自由端上并与之轴对位；输入阀门23，它们是由多个通孔和由弹性件24固定在活塞体上的阀瓣部件构成，该弹性件还提供碰撞保护；以及一个锁定环25，它将隔膜26的内缘固定在活塞体21的外缘。

与此类似，室头组件30包括：室头板31，它通过螺钉32固定在片弹簧34上；输出阀门33，它们是由多个通孔和阀瓣部件构成；以及一个锁定环35，它将隔膜36的内缘固定在室头板31的外缘。

两个隔膜26和36的外缘被夹持在两壳体42和52之间，这也使所有部件与驱动轴51保持轴对位。总体来说，隔膜26和36为环状并有弧形截面，这样它们之间形成紧密相配的互补关系。两个隔膜26和36之间夹入一柔性低磨擦片37以避免实体摩擦造成的磨损。也可通过使用具有低磨擦和耐磨损表面的复合隔膜达到同样效果。活塞组件20与室头组件30的对立表面形状互补，使两者间的死空间为最小。

运行时，工作媒体来自活塞组件的驱动器一侧，如箭头“流入”所示，通过输入阀门23进入室60，然后经输出阀门33进入输出室70，最终经端板41中央的输出接头离开压缩机头，如箭头“流出”所示。在这一安排中，总体气流方向是沿活塞的压气方向，所以对气流的扰动为最小，这可确保高效率和低气流噪音。此外，由于安装输入和输出阀门的面积很大，减小了对气流的限制。还有，如有需要，可方便地利用输入气流冷却驱动器。

机头10为一低成本设计，因为部件可用塑料制做并带有简单的  合结构，使其易于大批量生产和组装。

图2示出一对相同的机头10和10′装在线性驱动器50上构成一个双向运作安排。该驱动器可以是，例如，我们在PCT专利申请号WO-99/18649中公开的线性电机。

图2中，驱动轴51位于其左侧端点位置，所以位于右侧机头10内的工作室60处于其最大容积，而左侧的工作室被减至几乎为零容积。在这一特定位置，活塞组件20的前表面与室头组件30的对应表面之间的距离是S_max，这是驱动器可允许的最大冲程。当驱动轴51反向移动时，该过程逆转，直至活塞组件20触及室头组件30。由于机头10和10′均连接到同一出气口，它们的输出压力总是相同，所以驱动器50在相反方向上有平衡的负载。

现参见图3，其中示出一自调式室头30的工作原理。室头30装在壳体42内。锁定环35的外表面与壳体42的相应内表面形成一滑动支承/密封安排，它限制室头的侧向移动并封闭缓冲室80。当其两侧有一压力差时，室头30可沿轴向移动一调节距离D_adj。其工作方式如下。在其自然状态下，室头30被片弹簧34压向壳体42并顶在停止缘43上，如图3中虚线位置所示。这即是室头的休止位置。当压缩机头10开始工作时，输出室70内的压力逐渐增加并在室头30上产生一净合力对抗弹簧34的偏压力，以迫使室头从其休止位置离开一个距离D_adj，直至该净合力被一个增大的弹簧力所平衡。通过将弹簧的硬度与所需的室头调节范围相匹配，可使距离D_adj与输出室70内压力的增加成比例。

隔膜36和壳体42之间的缓冲室80通过一个或多个单向阀45与输出室70保持流体联通。当输出室70内的压力增加迫使室头30移动一个调整距离D_adj时，更多的流体将经过阀门45进入缓冲室80，使其达到与室70相同的压力值。然而，在压缩期内，这时隔膜36被压迫，阀门45将防止流体从缓冲室80流出，所以即使工作室60内的压力增加到超过输出室70时室头30仍将保持其位置。如果输出室70内的压力降低，通过锁定环35与壳体42之间的滑动支承的少量漏气将使缓冲室80内的压力缓慢下降。

现返回图2。从以上说明中可看清，每个室头30和30′响应于同一输出压力增加会将其位置向内调整相同的距离D_adj，这将使系统的冲程减为长度S_max-2D_adj。由于线性驱动器50在增加的负载下将产生一较小的冲程，驱动器一侧的冲程降低将由室头位置的自身调整而被自动补偿。以这种方式，系统在每一压缩循环中将能够达到最小的死空间，并在一较宽的运行范围内维持良好的压缩效率。

图4为一局部放大图，示出运行过程中隔膜26和36之间的渐进接触。实线位置P₀示出活塞组件的端点位置。在一个压缩期内，活塞组件20从端点位置P₀移过位置P₁，P₂和P₃，直至它最终接触到室头组件30。在这一过程中，由于缓冲室80内的压力总是高于工作室60内的压力，隔膜36保持坚挺并能维持其凸起的表面形状，而线性驱动器的力量使隔膜26在隔膜36上弯曲形成柔性接触。随着活塞移动的进行，隔膜26弯曲越来越多并且两隔膜之间的接触面积从外缘向内逐渐增大，使两者间的流体压向一中央区域。最终，当活塞组件20触到室头组件30，两组件的互补表面将形成全面接合，而工作室60内剩余的流体将全部被压出。从压缩机性能上讲，由于工作室的体积变化是由轴向间隙减小和直径减小两者来实现，它使压缩机头能够由相对较小的冲程达到高压缩比。另外，由于两隔膜间的柔性接触是向内扩展使有效的压缩表面变得越来越小，这将减小线性驱动器的负载，因此驱动器能够用同样的力量产生更高的输出气压。

应当注意，如果因为任何原因使线性驱动器发生过冲程并超过其端点位置，活塞组件将越过位置P₃与室头组件全面接合。两者将共同前移所以室80内的压力将进一步增加，这将会抑制过冲程的冲击。这样就提供了有效的保护，特别当过冲程是因为，例如，电功率输入侧的电流骤升或流体输出侧的管道破裂的时候。

图5示出第一实施方案的一个改进型，其中缓冲室80内充填了用于碰撞保护的弹性件81。部件81由弹性材料如泡沫塑料或橡胶制作，这样它很容易压缩或放松以维持隔膜36的凸起表面。缓冲室80由装在锁定环35上的一个波纹管38密封，它允许室头组件的自调移动。波纹管38有一或多个单向放气孔39，它们在运行过程中维持室80内的高气压但允许缓慢放气。放气孔39的进一步细节参照图9说明。

第二实施方案的整体结构

图6示出本发明第二实施方案，它基本上是一活塞式压缩机头100或100′，适于高气压应用。更具体地说，一对机头100和100′装在线性驱动器150上，与第一实施方案相似。由于两机头完全相同，在此仅详细说明右侧的一个。

压缩机头100具有一外壳140，由端盖141和带有衬层143的汽缸142构成。外壳140里面有位于汽缸142内的活塞组件120和位于端盖141内的汽缸头组件130，两者间限定了一个工作室160。汽缸头组件130的另一侧有一输出室170，它通过输出阀门133接受来自工作室160的流体，以及一个缓冲室180。

活塞组件120具有：活塞芯121，它通过螺钉122固定在驱动轴151的自由端并与之轴对位；阀门板123，它有由多个通孔和一个阀瓣部件124构成的输入阀门；锁定环125；活塞隔膜126；以及活塞套筒127。活塞隔膜126的内缘由阀门板123固定到活塞芯121上，该阀门板也用作一锁定环，而其外缘由锁定环125固定到活塞套筒127上。活塞套筒127的内表面与活塞芯121的外表面形成一滑动支承，并且装在活塞体外表面上的一个密封圈在活塞组件120内形成一气密的缓冲室190。活塞隔膜126有一或多个单向放气孔129，它们允许工作室160内的流体容易地进入缓冲室190但限制反向流出。下文中参照图9对放气孔有进一步说明。

汽缸头组件130包括：汽缸头板131，它在片弹簧134的偏压下离开活塞组件120；输出阀门133，它们是由多个通孔和阀瓣部件构成；以及一个锁定环135，它将隔膜136的内缘固定在汽缸头板131的外缘。

隔膜136的外缘被夹持在端盖141和汽缸142及其衬层143之间，这也使所有部件与驱动轴151保持轴对位。隔膜136有一凹形表面与活塞组件相对，其背面有多个增强脊以此在缓冲室180内有一高气压时维持该凹陷形状。压缩机头100或100′以及其自调整式汽缸头的工作原理与第一实施方案中相似，因此不必在此重复。以下仅说明第二实施方案的新特征。

图7为一局部放大图，示出活塞组件的在压缩期的移动。实线位置P₀是压缩期的起点。从位置P₀到P₁，活塞组件的工作与常规活塞相似。当活塞组件到达位置P₂，活塞套筒127的前缘触及汽缸头隔膜136的外缘并停止在此。在这一点之后，只有活塞芯121向前移动，并携带活塞隔膜126移向汽缸头隔膜136，如位置P₃所示。在活塞组件从P₀到P₂向前移动的过程中，活塞芯121与活塞套筒127之间有一相对运动，其作用是使缓冲室190内的压力与工作室160内大致相同。从P₂到P₃，由于活塞套筒127不能再向前移动，活塞芯121的移动将显著地减小缓冲室190内的体积(参见图6中压缩机头100′)并使其压力高于工作室160。活塞组件内的这一高气压将确保活塞组件的凸起外形，由此保证两隔膜126和136之间渐进的柔性接触。在线性驱动器过冲程的情况下，它还提供有效的缓冲。压缩期结束时，如缓冲室190内的压力过高，其内的一部份流体将通过放气孔129溢出。一旦活塞芯开始后移，缓冲室190内的压力将立即下降并且不会通过放气孔129发生显著的漏气。与此同时，工作室160通过进气阀门开始吸入流体。这样，尽管活塞组件带有一内装的死空间，它对压缩机头的工作效率并无不利影响。

值得一提，当活塞组件120到达位置P₂时，活塞套筒127的前缘与隔膜136外缘之间的接触将形成可靠的密封，确保压缩期最后阶段无漏气。两隔膜形成渐进柔性接触时这一密封的效果被进一步加强。还值得一提，在缓冲室190内，锁定环125带有一弹性件128，它的作用是迫使隔膜126向外弯曲以确保两隔膜间紧密接触。

图8以实线示出汽缸头的休止位置，以虚线示出响应于输出室170内输出压增加而调整了距离D_adj之后的位置。由于工作原理和可能的改进与与第一实施方案相似，无须进一步说明。

图9示出以上两实施方案中提到的放气孔39(129)的结构细节。该孔的一端有一锐利边缘而另一端为一平滑弯曲的边缘。由于两端不同的形状，在方向A流动的流体具有较小的流动阻力而在反方向B则有较大的流动阻力，使其运作有方向性区别。这样的放气孔可与单向阀门一起使用或构入其结构之中，以允许气流在一个方向易于流动而限制反方向流动。由于使用这类放气孔为已知技术，无须更多说明。

第三实施方案的整体结构

图10示出本发明第三实施方案，它是第一实施方案的一个改进型。在这一实施方案中，压缩机头200有一带隔膜226的活塞组件220。该隔膜夹在室头部件230和背面支持部件240之间。活塞组件220和室头部件230之间形成工作室260。室头部件230和背面支持部件240均有互补的表面部分用于在活塞组件向前或向后移动过程中同隔膜226形成渐进的柔性接触。通过安装背面支持部件240，在活塞组件从位置P₃后移到位置P₀的过程中，暴露给背面压力的总表面积被逐渐减小，使其易于达到一较长的冲程。这一安排特别适合真空泵应用，此时较长的冲程有助于在工作室260内产生高真空。

工业应用

从以上说明中不难理解，根据本发明的压缩机头至少具有以下优点：

1)由于多数部件可用塑料或橡胶制造并由简单的合结构组装，其制造成本低。

2)宽工作范围内的高效率。

3)由相对较小的冲程达到高压缩比和/或气流量。

4)无润滑、无漏气和免维修运行。

5)低噪音、低振动。

最后，毋须赘述，本申请的诸实施方案仅为范例。一旦理解了基本的发明概念，本领域的熟练人员即可容易地对其进行调整、改进或修改。同样，显而易见，其它的往复式驱动器，如带有曲轴驱动机构的标准旋转电机也可驱动本发明的压缩机头。这种情况下，由于冲程长度可以精确控制，不必使用自调式室头或活塞头。本发明的其它特征仍有效。

Claims (16)

1.一种压缩机头包括：一个往复部件和一个室头部件，两者间限定一工作室；将所述往复部件与一往复驱动器连接的装置；以及使流体单向流入和流出所述工作室的阀门装置；其中所述往复部件和室头部件具有互补的表面，并且两部件中的至少一个具有柔性部分，用于当所述往复部件接近所述室头部件时形成渐近式接触。

2.根据权利要求1所述的压缩机头，进一步包括一个背面支持部件装在该室头部件的对面并使该往复部件可在两者间移动；其中该往复部件和背面支持部件具有互补的表面，并且两部件中的至少一个具有一柔性部分用于当所述往复部件接近所述背面支持部件时形成渐近式接触。

3.根据权利要求1或2所述的压缩机头，其中当该往复部件接近该室头部件或该背面支持部件时，其接触是从外缘向内扩展。

4.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该柔性部分是由一隔膜构成。

5.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该往复部件和室头部件均具有柔性部分用于形成该接触。

6.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，进一步包括在该往复部件和室头部件或背面支持部件之间形成低磨擦表面的装置。

7.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该室头部件为可移动安装并由一偏压装置将其压向一预定的休止位置，并且相对于该休止位置该室头部件被安排为其位置可响应于压缩机头输出压力的变化而进行调整。

8.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，进一步包括一汽缸部件，使该室头部件装在其一端而该往复部件装在其内部限定该工作室。

9.根据权利要求8所述的压缩机头，其中该往复部件包括与往复驱动器连接的一个内芯部件，在该汽缸部件内构成滑动支承的一个套筒部件以及装在该内芯部件和套筒部件之间的隔膜，以允许该内芯部件和套筒部件之间的相对运动。

10.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该往复部件和/或室头部件包括流体缓冲安排。

11.根据权利要求10所述的压缩机头，其中该流体缓冲安排是由滑动密封圈封闭的一个空间构成。

12.根据权利要求10所述的压缩机头，其中该流体缓冲安排是由波纹管装置封闭的一个空间构成。

13.根据权利要求10至12中任一所述的压缩机头，其中该流体缓冲安排包括单向流体流入装置以允许流体进入该流体缓冲安排。

14.根据权利要求13所述的压缩机头，其中该单向流体流入安排包括至少一个放气孔。

15.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该往复部件和/或室头部件装有弹性体缓冲装置。

16.根据上述权利要求中任一所述的压缩机头，其中该往复部件装有第一阀门装置，该室头部件装有第二阀门装置以形成流入和流出该工作室的单向流体流动。

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