NO813737L

NO813737L - KOMPRESSOR

Info

Publication number: NO813737L
Application number: NO813737A
Authority: NO
Inventors: Alexander Ian Scott Mitchell
Original assignee: Barr & Stroud Ltd
Priority date: 1980-11-05
Filing date: 1981-11-04
Publication date: 1982-05-06
Also published as: NL8104955A; IT8168416A0; BE890953A; IN154481B; DE3142950A1; FR2493419A1; SE8106475L

Description

Oppfinnelsen angår en kompressor,især en høytrykks-, lavkapasitets-, kompaktgasskompressor, innrettet for stasjon nær eller transportabel bruk i laboratorier. Den er tenkt brukt hvor det er behov for små mengder høytrykksgass med en høy renhetsgrad. Et typisk bruksområde ville være å tilføre luften til kryogeniske kjølesystemer for elektroniske anord-ninger. The invention relates to a compressor, in particular a high-pressure, low-capacity, compact gas compressor, designed for near-station or transportable use in laboratories. It is intended to be used where there is a need for small quantities of high-pressure gas with a high degree of purity. A typical area of use would be to supply the air to cryogenic cooling systems for electronic devices.

Vanligvis hentes høytrykksgass fra gassflasker som supplerer brukeren med gass, i stålsylindre. Alternativt komprimeres gassen for brukerens formål av en konvensjonell kompressor som vanligvis oppbevares i et spesialrom eller en hytte av sikkerhetsgrunner eller akustiske grunner. Bruken av gass på flasker medfører problemer med lagring, mon-tering, sikkerhet og transport. Plassering av kompressoren i hus krever vanligvis spesialister for vedlikehold og drift, Usually, high-pressure gas is obtained from gas cylinders that supplement the user with gas, in steel cylinders. Alternatively, the gas is compressed for the user's purposes by a conventional compressor which is usually kept in a special room or cabin for safety or acoustic reasons. The use of gas in bottles causes problems with storage, assembly, safety and transport. Placing the compressor in a house usually requires specialists for maintenance and operation,

er vanligvis støyende og upopulær hos brukerne på grunn av fare og smuss. is usually noisy and unpopular with users due to danger and dirt.

Ved en konvensjonell kompressor med positiv for-trengning drives stemplet oppover og nedover i sylinderen med In the case of a conventional compressor with positive displacement, the piston is driven up and down in the cylinder

høy hastighet av en stempelstang som er forbundet med en veiv-akselstapp, idet kompresjonsmengden i første instans bestem- high speed of a piston rod which is connected to a crankshaft pin, the amount of compression being determined in the first instance

mes av volumene ved nedre og øvre arbeidsslag. Det øvre volum krever sikring av at det foreligger en klaring mellom stemplets topp og sylinderens topp da kontakt mellom disse ved de hastigheter som foreligger, ville forårsake mekanisk skade. Andre faktorer som eksempelvis stempellekkasje og oppvarming på grunn av kompresjonshastigheten, reduserer sys-temets effektivitet. For å oppnå høy kompresjon, kreves maskiner med 3-4 trinn, med mellomliggende kjøling. De høye hastigheter som er involvert ved slike maskiner, kreves for å overvinne stempelringenes lekkasje fordi konvensjonelle stempelringer har en aksial oppsplitting og har selv behov for oljesmøring for å overvinne friksjonseffektene, med gassforurensning som en konsekvens derav. mes of the volumes at the lower and upper working strokes. The upper volume requires ensuring that there is a clearance between the top of the piston and the top of the cylinder, as contact between them at the speeds available would cause mechanical damage. Other factors, such as piston leakage and heating due to the compression speed, reduce the system's efficiency. To achieve high compression, machines with 3-4 stages, with intermediate cooling, are required. The high speeds involved in such machines are required to overcome piston ring leakage because conventional piston rings have an axial split and themselves require oil lubrication to overcome the frictional effects, with gas contamination as a consequence.

Det er et mål for den foreliggende oppfinnelse å unngå eller minimere problemene som er omtalt ovenfor, når det kreves små mengder og høye trykk. It is an object of the present invention to avoid or minimize the problems discussed above when small quantities and high pressures are required.

I henhold til den foreliggende oppfinnelse omfatter en gasskompressor et hus med et kompresjonskammer, et stempel som er bevegelig frem og tilbake i kammeret og som driftsmessig er forbundet med en ende av en føringsskrue som samvirker med og linjært drives av en mutter som er del av rotorkon-struksjonen i en elektrisk motor. According to the present invention, a gas compressor comprises a housing with a compression chamber, a piston which is movable back and forth in the chamber and which is operatively connected to one end of a lead screw which cooperates with and is linearly driven by a nut which is part of the rotor cone - the structure of an electric motor.

Utførelser av den foreliggende oppfinnelse beskri-ves eksempelvis i henhold til tegningene hvor figur 1 viser et vertikalsnitt av en første utførelse av. en kompressor ut-ført i henhold til den foreliggende oppfinnelse og figur 2 viser et tilsvarende snitt av en annen utførelse. Embodiments of the present invention are described, for example, according to the drawings, where Figure 1 shows a vertical section of a first embodiment of. a compressor designed according to the present invention and figure 2 shows a corresponding section of another design.

Figur 1 viser en kompressor 1 bestående av et motor-hus. 10 i hvilket er anordnet statorviklinger 11 for en like-strømsmotor 16. Motorens 16 rotor omfatter en hylse 12 som er fast forbundet med en mutterhylse 14 av en fast mutter-kappe 13, idet rotoren holdes i motorhuset 10 av et par motstående anordnede rullelagre 15. Figure 1 shows a compressor 1 consisting of a motor housing. 10 in which are arranged stator windings 11 for a direct current motor 16. The rotor of the motor 16 comprises a sleeve 12 which is firmly connected to a nut sleeve 14 by a fixed nut casing 13, the rotor being held in the motor housing 10 by a pair of oppositely arranged roller bearings 15 .

En føringsskrue 20 er driftsmessig i inngrep med mutteren 14 og drives aksialt ved rotasjon av mutteren 14. A guide screw 20 is operationally in engagement with the nut 14 and is driven axially by rotation of the nut 14.

En ende av føringsskruen 20 er festet til et første, stort stempel 30 som er bevegelig i en første sylinder 31 som av-grenser et lavtrykkskompresjonskammer. Sylinderen 31 er festet med en ende til motorhuset 10 og er lukket i sin annen ende med et sylinderhode 32 med en enveis inntaksventil .33 og en enveis lavtrykks-uttaksventil.34. Stemplet 30 har tetningsringer 35 som er - selvsmørende og tetter mot lekkasje og ventilenes 33, 34 hoder har likeledes lekkasjetette tetningsringer 33a, 34a slik at de tre tetninger sammen gjør lavkom-presjonskammeret lekkasjetett. One end of the guide screw 20 is attached to a first, large piston 30 which is movable in a first cylinder 31 which defines a low-pressure compression chamber. The cylinder 31 is attached at one end to the motor housing 10 and is closed at its other end with a cylinder head 32 with a one-way intake valve .33 and a one-way low-pressure outlet valve .34. The piston 30 has sealing rings 35 which are self-lubricating and seal against leakage and the heads of the valves 33, 34 likewise have leak-proof sealing rings 33a, 34a so that the three seals together make the low-compression chamber leak-proof.

På den motstående side av motorhuset 10 er anordnet en annen høytrykkssylinder 41 i hvilken et annet, mindre stempel 40 er bevegelig. Det andre stempel 40 er festet til den ene ende av føringsskruen 20 og har en tetningsring 45 som også er selvsmørende og lekkasjetett. Sylinderen 41 er lukket av et sylinderhode 4 2 med en enveis høytrykks-uttaksventil 44 og en enveis høytrykks-inntaksventil 43 forbundet med lavtrykks-uttaksventilen 34 i lavtrykkstrinnet ved hjelp av et tilkoblingsrør 50. Ventilenes 43, 44 hoder har lekkasjetette tetningsringer 43a, 44a slik at høytrykkskammeret sammen med On the opposite side of the engine housing 10, another high-pressure cylinder 41 is arranged in which another, smaller piston 40 is movable. The second piston 40 is attached to one end of the guide screw 20 and has a sealing ring 45 which is also self-lubricating and leak-proof. The cylinder 41 is closed by a cylinder head 4 2 with a one-way high-pressure outlet valve 44 and a one-way high-pressure inlet valve 43 connected to the low-pressure outlet valve 34 in the low-pressure stage by means of a connecting pipe 50. The heads of the valves 43, 44 have leak-proof sealing rings 43a, 44a as that the high pressure chamber together with

tetningen 45 er lekkasjetett.the seal 45 is leak-proof.

En kontrollenhet (ikke vist) styrer hastigheten og rotasjonsretningen av den elektriske motor 16 og kompressoren 1 virker som følger. A control unit (not shown) controls the speed and direction of rotation of the electric motor 16 and the compressor 1 operates as follows.

Når motoren 16 dreies i en retning, beveges detWhen the motor 16 is turned in one direction, it moves

store stempel 30 seg mot sylinderhodet 32 og presser gassen i sylinderen 31 sammen inn i den lille sylinder .41 via det eksterne forbindelsesrør 50 idet returstrømning hindres av enveis ventilene 34, 43 i begge sylinderhoder. large piston 30 presses against the cylinder head 32 and presses the gas in the cylinder 31 together into the small cylinder .41 via the external connecting pipe 50, as return flow is prevented by the one-way valves 34, 43 in both cylinder heads.

Det store stempel 30 beveges inntil det er i mekanisk kontakt med sitt sylinderhode 32. Når dette punkt nås, reverseres motoren 16 og det lille stempel 40 beveges fra sin fullt tilbaketrukne stilling (som vist) mot det lille sylinderhodet 42. Herved komprimeres, den gass som tidligere var komprimert ved lavt trykk, i den lille sylinder 41 ytterligere, til et høyere trykk som bestemmes ved åpning av uttaks-ventilen 44 og apparatets utforming nedstrøms for ventilen 44. The large piston 30 is moved until it is in mechanical contact with its cylinder head 32. When this point is reached, the engine 16 is reversed and the small piston 40 is moved from its fully retracted position (as shown) towards the small cylinder head 42. This compresses, the gas which was previously compressed at low pressure, in the small cylinder 41 further, to a higher pressure which is determined by opening the outlet valve 44 and the design of the device downstream of the valve 44.

Ved denne fremgangsmåte hvor stemplene bringes til v mekanisk kontakt med sylinderhodene, kan meget høye kompre-sjonstrykk oppnås og et forhold på 200:1 kan oppnås i to trinn In this method, where the pistons are brought into mechanical contact with the cylinder heads, very high compression pressures can be achieved and a ratio of 200:1 can be achieved in two stages

i en maskin med relativt liten størrelse.. For å kunne maks-, imere kompresjonen i hvert kompresjonskammer, har de tilhør-ende stempelhoder og sylinderhoder i overensstemmende former, in a machine of relatively small size.. In order to maximize the compression in each compression chamber, they have corresponding piston heads and cylinder heads in matching shapes,

i det vesentlige plane som vist, slik at hvert kammers volum ved stemplets øvre arbeidsslag, minimeres og er tilnærmet lik null innenfor de praktisk utførbare grenser. in the essential plane as shown, so that the volume of each chamber at the upper working stroke of the piston is minimized and is approximately equal to zero within the practically feasible limits.

Kompressoren 1 arbeider relativt langsomt på grunnThe compressor 1 works relatively slowly due to

av likestrømsmotorens 16 arbeidskarakteristikk, idet denne fortinnsvis er serieviklet, slik at.i forhold til et stempel som foretar et kompresjonsslag, oppnås maksimal hastighet for stempelbevegelsen i begynnelsen hår trykket i kammeret er lav-est og ettersom arbeidsslaget fortsetter og trykket i kammeret øker^ reduseres motorens 16 hastighet inntil stillstand oppnås ved enden av arbeidsslaget. Ved enden av arbeidsslaget stanser motoren 16 (da stemplet kommer til anlegg.mot sylinderhodet) og det er ved dette punkt at motorkontrollenheten rev-erserer motordriften. Motoren 16 må derfor være i stand til å motstå stillstand elektrisk. Imidlertid vil på grunn av at stempelhastigheten progressivt reduseres mot hull på grunn of the working characteristics of the direct current motor 16, as this is preferably wound in series, so that, in relation to a piston making a compression stroke, maximum speed is achieved for the piston movement at the beginning when the pressure in the chamber is lowest and as the working stroke continues and the pressure in the chamber increases^ decreases the engine's 16 speed until standstill is achieved at the end of the working stroke. At the end of the working stroke, the engine 16 stops (when the piston comes into contact with the cylinder head) and it is at this point that the engine control unit reverses engine operation. The motor 16 must therefore be able to withstand standstill electrically. However, due to the fact that the piston speed will be progressively reduced towards holes due to

av motorbelastningen forårsaket av at trykket øker i kompresjonskammeret, der imidlertid ikke foreligge noen mekanisk sjokkbelastning når stemplet kommer til anlegg mot sylinderhodet. of the engine load caused by the pressure increasing in the compression chamber, where, however, there is no mechanical shock load when the piston comes into contact with the cylinder head.

På grunnlag av kompresjonens lave hastighet vil der praktisk talt ikke foreligge noen kompresjonsoppvarming av gassen. Behovet for å anordne hjelpesmøring av stempelringene elimineres og kompressoren er praktisk talt støyfri under drift. Stempelringene er fortrinnsvis fremstilt av plast og ringformet uten aksial oppsplitting for å kunne være både selvsmørende og lekkasjetett. On the basis of the low speed of the compression, there will be practically no compression heating of the gas. The need to arrange auxiliary lubrication of the piston rings is eliminated and the compressor is practically noiseless during operation. The piston rings are preferably made of plastic and ring-shaped without axial splitting in order to be both self-lubricating and leak-proof.

På figur 1 er mutteren 14 av den selvsentrerende In Figure 1, the nut 14 is of the self-centering type

skruetype slik at lagrene 15 kun må oppta trykkrefter. screw type so that the bearings 15 only have to take up pressure forces.

Utførelsen på figur 2 viser kompressoren 1 som i det vesentlige tilsvarer den som er beskrevet i henhold til figur 1, men noen spesielle detaljer er vist mer detaljert, motoren 16 omfatter en hensiktsmessig modifikasjon som beskri-ves og høytrykksstemplets 40 areal er øket (med tilsvarende reduksjon av kompressorens 1 totale kompresjonsforhold) for å kunne oppta ventilene 43, 44 ved siden av hverandre i sylinderhodet 42, i motsetning til arrangementet vist på figur 1. The embodiment in Figure 2 shows the compressor 1 which essentially corresponds to the one described according to Figure 1, but some special details are shown in more detail, the motor 16 includes an appropriate modification which is described and the area of the high-pressure piston 40 has been increased (with corresponding reduction of the overall compression ratio of the compressor 1) in order to accommodate the valves 43, 44 next to each other in the cylinder head 42, in contrast to the arrangement shown in figure 1.

I lavtrykksstemplet 30 omfatter tetningen 35 en ptfe-glidering 36 som fjærende er presset utad mot sylinderens 31 vegg av en O-ring 37 av gummi og. en ptfe-tetningsring 38 anordnet aksialt bak glideringen 36. In the low-pressure piston 30, the seal 35 comprises a ptfe sliding ring 36 which is resiliently pressed outwards against the wall of the cylinder 31 by an O-ring 37 made of rubber and. a ptfe sealing ring 38 arranged axially behind the sliding ring 36.

Høytrykksstemplet 40 har en pakning 35 som består av ét par ptfe-glideringer 46, 47 som fjærende presses radi-, alt utad mot sylinderens 41 vegg av en O-ring 4 8, 4 9 av gummi og en ptfe-ring 51 aksialt bak glideringene 46, 47. The high-pressure piston 40 has a gasket 35 which consists of a pair of ptfe sliding rings 46, 47 which are spring-loaded radially, all outwards against the cylinder 41 wall by a rubber O-ring 4 8, 4 9 and a ptfe ring 51 axially behind the sliding rings 46, 47.

Motorens 16 rotor, på figur 2, omfatter en hylseThe motor's 16 rotor, in figure 2, comprises a sleeve

12 som står i driftsforbindelse med mutteren 14 av kappen 13, men i denne utførelse omfatter kappen 13 et delvis stivt parti 17 som er utformet som en belg av berrylkobber eller fjær-stål for å oppta mekaniske sjokkbelastninger som kan oppstå enten fra stemplet 30 eller 40 hår disse kommer til anlegg mot deres tilhørende sylinderhoder 32, 42. Partiets 17 fjær-ingsevne er slik at det ikke sammentrykkes på grunn av påvirk-ninger av gasstrykket alene i noen av kompresjonskamrene. 12 which is in operative connection with the nut 14 of the jacket 13, but in this embodiment the jacket 13 comprises a partially rigid part 17 which is designed as a bellows of beryllic copper or spring steel to absorb mechanical shock loads which may arise either from the piston 30 or 40 hair these come into contact with their associated cylinder heads 32, 42. The springing capacity of the part 17 is such that it is not compressed due to the effects of the gas pressure alone in any of the compression chambers.

Mutteren 14 er av .typen med resirkulerende kuler i skrue-spor, som ikke er selvsentrerende og derfor bæres rotorkon-struksjonen roterbart av et kulelager 19 istedet for de motstående trykklagre 15. The nut 14 is of the type with recirculating balls in a screw groove, which is not self-centering and therefore the rotor construction is rotatably supported by a ball bearing 19 instead of the opposing thrust bearings 15.

Det fremgår tydelig at ved nøyaktig overvåkning av dimensjoner, klaringer og materialer, kan det oppnås meget små lekkasjer ved ventiler og stempler i begge de beskrevne utførelser og da begge kompressorer på grunn av deres utforming, virker relativt langsomt, eksisterer ikke problemer med oppvarming og smøring av stempler. Således forurenses ikke gassen i kompressoren og ekstra gassrensningsanlegg er ikke nødvendig. It is clear that by accurately monitoring dimensions, clearances and materials, very small leaks can be achieved at valves and pistons in both of the described designs and as both compressors, due to their design, operate relatively slowly, there are no problems with heating and lubrication of stamps. Thus, the gas in the compressor is not contaminated and additional gas purification facilities are not necessary.

Kraften til motoren kan enten slås av og på eller moduleres av et trykkfølende kontrollsystem, men bruken av modulert kontroll kunne eliminere behovet for ytterligere kontrollventiler for trykkregulering. The power to the engine could either be switched on and off or modulated by a pressure-sensing control system, but the use of modulated control could eliminate the need for additional control valves for pressure regulation.

Motorkontrollenheten kan, selv om den ikke er vist, omfatte et system for avføling av kontakttilstanden mellom stemplets og sylinderens hode, basert på en teller eller en følerkrets for elektrisk strøm, da statorstrømmen stiger be-tydelig når stillstand nås således at utgangen herfra kan benyttes for å styre krafttilførselen til. drivmotoren. Den elektriske motor 16 er i sin enkleste form en likestrømsmor tor med permanentmagnet, enten av den vanlige børstetype eller uten børster, men den kunne alternativt være en vekselstrøms motor med egnet dynamisk styring for å gi den likestrømsmo-. torens karakteristikk som foran beskrevet og især frembringe et relativt stort hastighetsområde som er hensiktsmessig for å maksimere kompressorens totale effektivitet. The engine control unit may, although not shown, comprise a system for sensing the contact state between the piston and the cylinder head, based on a counter or a sensor circuit for electric current, as the stator current rises significantly when standstill is reached so that the output from this can be used for to control the power supply to. the drive motor. In its simplest form, the electric motor 16 is a direct current motor with a permanent magnet, either of the usual brush type or without brushes, but it could alternatively be an alternating current motor with suitable dynamic control to give it direct current motor. the characteristics of the tower as described above and in particular produce a relatively large speed range which is appropriate for maximizing the overall efficiency of the compressor.

Eksempelvis kan kompressorer i henhold til den foreliggende oppfinnelse gi gasstrømninger i størrelsesordenen 2 l/min ved . trykk i størrelsesordenen.13,8MPa.- 20,7MPa med For example, compressors according to the present invention can provide gas flows of the order of 2 l/min at . pressure in the order of magnitude.13.8MPa.- 20.7MPa with

en periodeSyklus på omtrent 5 sek og med et kraftforbruk i størrelsesordenen 30 W fra en 24 V likestrømskilde. a periodCycle of approximately 5 sec and with a power consumption of the order of 30 W from a 24 V DC source.

Claims

1. Gas compressor, characterized in that a housing (IO, 31, 32) has a compression chamber (31), a piston (30) which is linearly displaceable in the chamber (31) and operatively connected to one end of a guide screw (20) which interacts with and is linearly driven by a nut (14) which forms part of the rotor (12) of an electric motor (16).

2. Compressor according to claim 1, characterized in that it has another housing (10, 41, 42) with another compression chamber (41), another piston (40) which is linearly displaceable in the second chamber ( 41) and which is operationally connected to the other end of the lead screw. (20), channel devices (50) which connect the two compression chambers (31, 41) and which are arranged in such a way that the compressor is a two-stage compressor.

3. Compressor according to claims 1-2, characterized in that the piston or pistons (30, 40) have a self-lubricating leak-proof sealing ring (35, 45).

4. Compressor according to claims 1-3, characterized in that the electric motor (16) has the characteristics of a direct current motor.

5. Compressor according to claim 4, characterized in that the electric motor (16) is controlled by a control unit to reverse its direction of movement when the piston or one of the pistons (30, 40) comes into contact with its associated cylinder head (32, 42) ..

6. Compressor according to claims 1-5, characterized in that the compression chamber or each compression chamber (31, 41) has a cylinder head (32, 42) with a shape which is essentially complementary to the top of the associated piston (30, 40) so that the volume of the chamber or each chamber (31, 41) with the associated piston (30, 40) in the top position of the working stroke is minimized.

7. Compressor according to claims 1-6, characterized in that the rotor (12) of the electric motor (16) has a rigid casing (13) which connects the nut (14) to the motor's (16) armature.

8.. Compressor according to claims 1-6, characterized in that the rotor (12) of the electric motor (16) has a partially rigid casing (17) which connects the nut (14) to the motor's (16) armature.

9. Compressor according to claims 1-8, characterized in that the nut (14) is of the type with recirculating balls.

10. Compressor according to claims 1-8, characterized in that the nut (14) has screw threads.