CN207634272U - 气缸及具有其的压缩机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种气缸及具有其的压缩机，气缸包括气缸本体，气缸还包括：类石墨复合膜，类石墨复合膜设置在气缸本体的至少部分的表面上，其中，类石墨复合膜包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层和/或至少一层的类石墨层。本实用新型的气缸解决了现有技术中的气缸磨损量较大的问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及压缩机领域，具体而言，涉及一种气缸及具有其的压缩机。
背景技术
目前，制冷压缩机主要有活塞压缩机、转子式压缩机、涡旋压缩机等，适用于不同冷量场合。
现有的转缸活塞压缩机中，气缸为最关键的泵体零件之一，在具体运行过程中，气缸与其它部件的摩擦副较多，而这些摩擦副涉及的理论摩擦功耗占到整个泵体零件摩擦功耗的75％左右。在此基础上，降低气缸与配副间的摩擦系数显得尤为重要。
实用新型内容
本实用新型的主要目的在于提供一种气缸及具有其的压缩机，以解决现有技术中的气缸磨损量较大的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种气缸，包括气缸本体，气缸还包括：类石墨复合膜，类石墨复合膜设置在气缸本体的至少部分的表面上，其中，类石墨复合膜包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层和/或至少一层的类石墨层。
进一步地，耐磨层包括掺杂类石墨层，类石墨复合膜还包括：粘结层，粘结层设置在掺杂类石墨层和气缸本体之间，粘结层用于连接掺杂类石墨层和气缸本体。
进一步地，耐磨层包括类石墨层，类石墨复合膜还包括：粘结层，粘结层设置在类石墨层和气缸本体之间，粘结层用于连接类石墨层和气缸本体。
进一步地，耐磨层包括掺杂类石墨层和类石墨层，类石墨复合膜还包括：粘结层，粘结层设置在掺杂类石墨层和气缸本体之间，掺杂类石墨层设置在粘结层和类石墨层之间，粘结层用于连接掺杂类石墨层和气缸本体。
进一步地，粘结层包括：打底层，打底层由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成，打底层与气缸本体相连接。
进一步地，粘结层还包括：过渡层，过渡层由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，过渡层与气缸本体相连接。
进一步地，粘结层包括：打底层，打底层由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成；过渡层，过渡层由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，打底层设置在过渡层和气缸本体之间。
进一步地，过渡层中的C含量由靠近气缸本体的一侧到远离气缸本体的一侧逐渐增加。
进一步地，类石墨层由非晶态碳制备而成，非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp3键合的碳原子含量，以及非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp1键合的碳原子含量。
进一步地，掺杂类石墨层由非晶态碳和金属材料复合而成，其中，金属材料为以下材料中的至少一种：Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y。
进一步地，类石墨复合膜的厚度为a，其中，0.5um≤a≤5um。
进一步地，气缸本体由钢材本体或经过渗氮处理的钢材本体加工而成。
根据本实用新型的另一方面，提供了一种压缩机，包括气缸、上法兰和下法兰，气缸设置在上法兰与下法兰之间，气缸为上述的气缸。
进一步地，压缩机还包括：限位板，限位板设置在气缸和下法兰之间；气缸套，气缸设置在气缸套内。
本实用新型的气缸通过在气缸本体的表面设置有类石墨复合膜，从而能够提供气缸本体的耐磨性，避免了气缸本体的快速磨损。其中，类石墨复合膜设置在气缸本体的至少部分的表面上，类石墨复合膜包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层和/或至少一层的类石墨层。考虑到掺杂类石墨层和类石墨层都具有摩擦系数低、耐磨损且结合力优异的特点，从而可以降低气缸与配副的摩擦系数，提高了气缸的耐磨性，进而降低压缩机的摩擦功耗，提高了压缩机使用寿命，解决了现有技术中的气缸磨损量较大的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型的气缸的第一种实施例的结构示意图；
图2示出了根据本实用新型的气缸的第二种实施例的结构示意图；
图3示出了根据本实用新型的气缸的第三种实施例的结构示意图；
图4示出了根据本实用新型的气缸的第四种实施例的结构示意图；
图5示出了根据本实用新型的气缸的第五种实施例的结构示意图；
图6示出了根据本实用新型的气缸的第六种实施例的结构示意图；
图7示出了根据本实用新型的气缸的第七种实施例的结构示意图；
图8示出了根据本实用新型的气缸的第八种实施例的结构示意图；
图9示出了根据本实用新型的气缸的第九种实施例的结构示意图；
图10示出了根据本实用新型的气缸的第十种实施例的结构示意图；
图11示出了根据本实用新型的压缩机的结构示意图；
图12示出了根据本实用新型的压缩机的剖面结构示意图；
图13示出了根据本实用新型的压缩机的气缸的结构示意图；
图14示出了根据本实用新型的压缩机的气缸的剖面结构示意图；
图15示出了本实用新型的气缸与现有的气缸的摩擦系数对比图。
其中，上述附图包括以下附图标记：
10、气缸本体；20、类石墨复合膜；21、掺杂类石墨层；22、类石墨层；23、打底层；24、过渡层；30、气缸；40、上法兰；50、下法兰；60、限位板；70、气缸套；80、活塞；90、转轴。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。
本实用新型提供了一种气缸，请参考图1至图10，气缸包括气缸本体10，气缸还包括：类石墨复合膜20，类石墨复合膜20设置在气缸本体10的至少部分的表面上，其中，类石墨复合膜20包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层21和/或至少一层的类石墨层22。
本实用新型的气缸通过在气缸本体10的表面设置有类石墨复合膜20，从而能够提供气缸本体10的耐磨性，避免了气缸本体10的快速磨损。其中，类石墨复合膜20设置在气缸本体10的至少部分的表面上，类石墨复合膜20包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层21和/或至少一层的类石墨层22。考虑到掺杂类石墨层21和类石墨层22都具有摩擦系数低、耐磨损且结合力优异的特点，从而可以降低气缸与配副的摩擦系数，提高了气缸的耐磨性，进而降低压缩机的摩擦功耗，提高了压缩机使用寿命，解决了现有技术中的气缸磨损量较大的问题。
为了能够更好地使耐磨层与气缸本体10相结合，耐磨层包括掺杂类石墨层21，类石墨复合膜20还包括：粘结层，粘结层设置在掺杂类石墨层21和气缸本体10之间，粘结层用于连接掺杂类石墨层21和气缸本体10。
通过在耐磨层上设置有掺杂类石墨层21，类石墨复合膜20上设置有粘结层，其中，粘结层设置在掺杂类石墨层21和气缸本体10之间。考虑到掺杂类石墨层21直接与气缸本体10的结合性较差，故，通过粘结层可以更好地连接掺杂类石墨层21和气缸本体10。
为了能够进一步地提高耐磨层的耐磨性能，耐磨层包括类石墨层22，类石墨复合膜20还包括：粘结层，粘结层设置在类石墨层22和气缸本体10之间，粘结层用于连接类石墨层22和气缸本体10。
通过在耐磨层上设置有类石墨层22，类石墨复合膜20上设置有粘结层。考虑到类石墨层22直接与气缸本体10的结合性较差，所以，通过将粘结层设置在类石墨层22和气缸本体10之间，可以更好地连接类石墨层22和气缸本体10。
优选地，耐磨层包括掺杂类石墨层21和类石墨层22，类石墨复合膜20还包括：粘结层，粘结层设置在掺杂类石墨层21和气缸本体10之间，掺杂类石墨层21设置在粘结层和类石墨层22之间，粘结层用于连接掺杂类石墨层21和气缸本体10。
为了能够提高气缸本体10与粘结层的结合度，粘结层包括：打底层23，打底层23由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成，打底层23与气缸本体10相连接。
通过在粘结层上设置有打底层23，其中，打底层23由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成，通过将打底层23与气缸本体10相连接，可以更好地与气缸本体10相连接。
相应地，粘结层还包括：过渡层24，过渡层24由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，过渡层24与气缸本体10相连接。
优选地，粘结层包括：打底层23，打底层23由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成；过渡层24，过渡层24由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，打底层23设置在过渡层24和气缸本体10之间。
为了增强过渡层24的耐磨性能，过渡层24中的C含量由靠近气缸本体10的一侧到远离气缸本体10的一侧逐渐增加。
通过将过渡层24中的C含量由靠近气缸本体10的一侧到远离气缸本体10的一侧逐渐增加，相应地，过渡层24中的Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料由靠近气缸本体10的一侧到远离气缸本体10的一侧逐渐减少。以此便于减小膜层应力，进而提高膜层与基体的结合力。
针对类石墨层22的具体结构，类石墨层22由非晶态碳制备而成，非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp3键合的碳原子含量，以及非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp1键合的碳原子含量。
相应的，掺杂类石墨层21由非晶态碳和金属材料复合而成，其中，金属材料为以下材料中的至少一种：Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y。
掺杂类石墨层21中的C含量由靠近气缸本体10的一侧到远离气缸本体10的一侧均匀分布。
在本实施例中，掺杂类石墨层21由非晶态碳和金属材料复合而成，其中，金属材料为Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种。
优选地，类石墨复合膜20的厚度为a，其中，0.5um≤a≤5um。
优选地，气缸本体10由钢材本体或经过渗氮处理的钢材本体加工而成。
参见图1所示，在本实用新型的第一实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21、类石墨层22、打底层23以及过渡层24。其中，打底层23、过渡层24、掺杂类石墨层21以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
针对第一实施例，使得类石墨复合膜20与气缸本体10的结合力非常好，显著提高了类石墨复合膜的可靠性，使得本实施例中压缩机气缸硬度能够达到20GPa左右(是未镀类石墨复合膜气缸的三倍以上)，且比磨损率相对未镀层气缸可降低3个数量级，从而大大提高压缩机气缸自身及旋转式压缩机的使用寿命。
针对具体的摩擦试验数据，如图表1所示。
从下表1可以看出，设置有类石墨复合膜20的气缸相对未设置有类石墨复合膜的气缸在不同载荷下均能够将摩擦系数降低20-35％(以气缸采用高速钢、对摩副采用铸铁为例)，从而大大降低摩擦功耗，提高压缩机能效。试验条件：线速度为1m/s，载荷(压强)分别为1、3、5bar，采用68DA油润滑。
表1压缩机气缸设置有类石墨复合膜前后的摩擦系数(不同压强下)
| 1bar | 3bar | 5bar | |
| 高速钢-铸铁 | 0.126 | 0.063 | 0.049 |
| 设置有类石墨复合膜的高速钢-铸铁 | 0.097 | 0.046 | 0.034 |
| 摩擦系数降幅 | 23.0％ | 27.0％ | 31.6％ |
类石墨复合膜与气缸本体10的结合力能够达到HF1等级，为《德国工程师手册》VDI3198-1992标准中最高等级，大大降低了类石墨复合膜剥落的可能性。
本实用新型中的类石墨复合膜的厚度为0.5μm至5μm，优选地为1um至2um。
参见图2所示，在本实用新型的第二实施例中，类石墨复合膜20包括类石墨层22、打底层23以及过渡层24。其中，打底层23、过渡层24以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图3所示，在本实用新型的第三实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21、类石墨层22以及过渡层24。其中，过渡层24、掺杂类石墨层21以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图4所示，在本实用新型的第四实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21、类石墨层22以及打底层23。其中，打底层23、掺杂类石墨层21以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图5所示，在本实用新型的第五实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21、打底层23以及过渡层24。其中，打底层23、过渡层24以及掺杂类石墨层21由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图6所示，在本实用新型的第六实施例中，类石墨复合膜20包括打底层23以及类石墨层22。其中，打底层23以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图7所示，在本实用新型的第七实施例中，类石墨复合膜20包括类石墨层22以及过渡层24。其中，过渡层24以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图8所示，在本实用新型的第八实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21以及类石墨层22。其中，掺杂类石墨层21以及类石墨层22由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图9所示，在本实用新型的第九实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21以及打底层23。其中，打底层23以及掺杂类石墨层21由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
参见图10所示，在本实用新型的第十实施例中，类石墨复合膜20包括掺杂类石墨层21以及过渡层24。其中，过渡层24以及掺杂类石墨层21由内到外依次覆盖在气缸本体10的表面上。
本实用新型的一种优选的结构如下：
采用闭合场非平衡磁控溅射离子镀(属于PVD工艺)设备于转缸活塞压缩机气缸表面镀覆了类石墨复合膜20。本实施例中气缸的材质为高速工具钢SKH51(JIS牌号)，并经过淬火+低温回火处理+氮化处理。
本实施例中类石墨复合膜从内到外依次由打底层23、过渡层24以及掺杂类石墨层21构成。上述打底层23为纯Cr层，梯度层24为Cr-C层(自内向外，Cr含量逐渐降低至0-10％，C含量逐渐升高至90-100％)，掺杂类石墨层21为Cr-GLC层(C与Cr均匀分布，Cr含量为0-10％，C含量为90-100％)。得到的类石墨复合膜20有如下特性：
类石墨复合膜的厚度约为1.3um；
类石墨复合膜的硬度约为20GPa(是未涂层气缸的三倍以上)；
类石墨复合膜的结合力为HF1等级：采用洛氏硬度计在镀层后的气缸上施加150kg的压力，并通过光学显微镜观察压坑，再与VDI 3198-1992标准压坑比较并评级(标准压坑分为6个等级，1-4等级合格，5-6等级不合格)。
摩擦试验表明：设置有类石墨复合膜的高速钢(SKH51材质)相对未设置有类石墨复合膜的高速钢能够将摩擦系数降低20-35％(详见表1)。
对比结果如图15所示，图中SKH51-HT250表示摩擦副为SKH51和HT250；GLC-HT250表示摩擦副为SKH51(设置有类石墨复合膜)和HT250。试验条件：采用止推圈式摩擦副，线速度为1m/s，压强分别为1、3、5bar，采用68DA油润滑。
磨损试验表明：设置有类石墨复合膜的摩擦试件(SKH51材质)比磨损率为2.5*10-16m3·N-1·m-1；相同试验条件下，未设置有类石墨复合膜的试件比磨损率为6.2*10-13m3·N-1·m-1；从而，设置有类石墨复合膜的高速钢(SKH51材质)相对未设置有类石墨复合膜的高速钢能够将比磨损率降低3个数量级以上；试验条件：采用球盘式摩擦副，对摩副选用半径为5mm的硬质合金(WC-Co6％)球，载荷为20N，线速度为0.2m/s，测试时间30min。
装机效果：设置有类石墨复合膜的气缸相对于未设置有类石墨复合膜的气缸能够将一种转缸压缩机的能效提高2-6％。
本实施例中类石墨(GLC)是指非晶碳，其中碳原子以sp2健合为主，且有石墨的导电性能。在类石墨膜中掺入少量的Ti或Cr等元素，不但可保持高硬度、低摩擦系数、低磨损率、较好的韧性及高承载能力，而且在空气、油或水中表现出更出色的摩擦性能，且随载荷的增加，摩擦系数还相应降低。金属Cr在类石墨膜中还具有增强韧性和抗氧化性能，明显改善类石墨膜的综合性能。此外，常常在基体与类石墨层之间设置有中间层，以便减小膜层内应力，进而提高基体膜层的结合力。
由于本实施例中的气缸本体10的外表面设置有类石墨复合膜，通过该类石墨复合膜的作用，便于改善压缩机气缸的减摩抗磨性能：一方面，类石墨复合膜能够降低压缩机气缸的比磨损率，从而大大提高压缩机气缸自身及压缩机的使用寿命；另一方面，类石墨复合膜能够显著降低气缸的摩擦系数，从而减小压缩机机械功耗，提升压缩机能效。
本实用新型还提供了一种压缩机，如图11至图14所示，压缩机包括气缸30、上法兰40和下法兰50，气缸30设置在上法兰40与下法兰50之间，气缸为上述的气缸。
优选地，压缩机还包括：限位板60，限位板60设置在气缸30和下法兰50之间；气缸套70，气缸30设置在气缸套70内。
优选地，压缩机还包括：活塞80和转轴90，活塞80设置在气缸30的活塞孔内，转轴90设置在压缩机的中心。
从以上的描述中，可以看出，本实用新型上述的实施例实现了如下技术效果：
本实用新型的气缸通过在气缸本体10的表面设置有类石墨复合膜20，从而能够提供气缸本体10的耐磨性，避免了气缸本体10的快速磨损。其中，类石墨复合膜20设置在气缸本体10的至少部分的表面上，类石墨复合膜20包括耐磨层，耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层21和/或至少一层的类石墨层22。考虑到掺杂类石墨层21和类石墨层22都具有摩擦系数低、耐磨损且结合力优异的特点，从而可以降低气缸与配副的摩擦系数，提高了气缸的耐磨性，进而降低压缩机的摩擦功耗，提高了压缩机使用寿命，解决了现有技术中的气缸磨损量较大的问题。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种气缸，包括气缸本体(10)，其特征在于，所述气缸还包括：
类石墨复合膜(20)，所述类石墨复合膜(20)设置在所述气缸本体(10)的至少部分的表面上，其中，所述类石墨复合膜(20)包括耐磨层，所述耐磨层包括至少一层的掺杂类石墨层(21)和/或至少一层的类石墨层(22)。
2.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述耐磨层包括所述掺杂类石墨层(21)，所述类石墨复合膜(20)还包括：
粘结层，所述粘结层设置在所述掺杂类石墨层(21)和所述气缸本体(10)之间，所述粘结层用于连接所述掺杂类石墨层(21)和所述气缸本体(10)。
3.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述耐磨层包括所述类石墨层(22)，所述类石墨复合膜(20)还包括：
粘结层，所述粘结层设置在所述类石墨层(22)和所述气缸本体(10)之间，所述粘结层用于连接所述类石墨层(22)和所述气缸本体(10)。
4.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述耐磨层包括所述掺杂类石墨层(21)和所述类石墨层(22)，所述类石墨复合膜(20)还包括：
粘结层，所述粘结层设置在掺杂类石墨层(21)和所述气缸本体(10)之间，所述掺杂类石墨层(21)设置在所述粘结层和所述类石墨层(22)之间，所述粘结层用于连接所述掺杂类石墨层(21)和所述气缸本体(10)。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的气缸，其特征在于，所述粘结层包括：
打底层(23)，所述打底层(23)由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成，所述打底层(23)与所述气缸本体(10)相连接。
6.根据权利要求2至4中任一项所述的气缸，其特征在于，所述粘结层还包括：
过渡层(24)，所述过渡层(24)由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，所述过渡层(24)与所述气缸本体(10)相连接。
7.根据权利要求2至4中任一项所述的气缸，其特征在于，所述粘结层包括：
打底层(23)，所述打底层(23)由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料制备而成；
过渡层(24)，所述过渡层(24)由Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y中的至少一种材料和C混合制备而成，所述打底层(23)设置在所述过渡层(24)和所述气缸本体(10)之间。
8.根据权利要求6所述的气缸，其特征在于，所述过渡层(24)中的C含量由靠近所述气缸本体(10)的一侧到远离所述气缸本体(10)的一侧逐渐增加。
9.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述类石墨层(22)由非晶态碳制备而成，所述非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp3键合的碳原子含量，以及所述非晶态碳中以sp2键合的碳原子含量大于以sp1键合的碳原子含量。
10.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述掺杂类石墨层(21)由非晶态碳和金属材料复合而成，其中，所述金属材料为以下材料中的至少一种：Cr、Ti、Zr、W、Mo或Y。
11.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述类石墨复合膜(20)的厚度为a，其中，0.5um≤a≤5um。
12.根据权利要求1所述的气缸，其特征在于，所述气缸本体(10)由钢材本体或经过渗氮处理的钢材本体加工而成。
13.一种压缩机，包括气缸(30)、上法兰(40)和下法兰(50)，所述气缸(30)设置在所述上法兰(40)与所述下法兰(50)之间，其特征在于，所述气缸(30)为权利要求1至12中任一项所述的气缸(30)。
14.根据权利要求13所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括：
限位板(60)，所述限位板(60)设置在所述气缸(30)和所述下法兰(50)之间；
气缸套(70)，所述气缸(30)设置在所述气缸套(70)内。
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|---|---|---|---|---|
| CN108005884A (zh) * | 2017-12-18 | 2018-05-08 | 珠海格力节能环保制冷技术研究中心有限公司 | 气缸及具有其的压缩机 |
| CN110894593A (zh) * | 2019-11-29 | 2020-03-20 | 岭南师范学院 | 一种含有类石墨碳涂层的钢领及其制备方法 |
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2017
- 2017-12-18 CN CN201721796596.6U patent/CN207634272U/zh active Active
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| CN110894593B (zh) * | 2019-11-29 | 2022-03-04 | 岭南师范学院 | 一种含有类石墨碳涂层的钢领及其制备方法 |
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