NO813737L - Kompressor - Google Patents

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.

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,

er vanligvis støyende og upopulær hos brukerne på grunn av fare og smuss.

Ved en konvensjonell kompressor med positiv for-trengning drives stemplet oppover og nedover i sylinderen med

høy hastighet av en stempelstang som er forbundet med en veiv-akselstapp, idet kompresjonsmengden i første instans bestem-

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.

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.

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.

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.

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.

En føringsskrue 20 er driftsmessig i inngrep med mutteren 14 og drives aksialt ved rotasjon av mutteren 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.

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

tetningen 45 er lekkasjetett.

En kontrollenhet (ikke vist) styrer hastigheten og rotasjonsretningen av den elektriske motor 16 og kompressoren 1 virker som følger.

Når motoren 16 dreies i en retning, beveges det

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.

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.

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

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,

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.

Kompressoren 1 arbeider relativt langsomt på grunn

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

av motorbelastningen forårsaket av at trykket øker i kompresjonskammeret, der imidlertid ikke foreligge noen mekanisk sjokkbelastning når stemplet kommer til anlegg mot sylinderhodet.

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.

På figur 1 er mutteren 14 av den selvsentrerende

skruetype slik at lagrene 15 kun må oppta trykkrefter.

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.

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.

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.

Motorens 16 rotor, på figur 2, omfatter en hylse

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.

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.

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.

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.

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.

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

en periodeSyklus på omtrent 5 sek og med et kraftforbruk i størrelsesordenen 30 W fra en 24 V likestrømskilde.

Claims (10)

1. Gasskompressor, karakterisert ved at et hus (IO, 31, 32) har et kompresjonskammer (31), et stempel (30) som er linjært forskyvelig i kammeret (31) og driftsmessig forbundet med en ende av en føringsskrue (20) som samvirker med og linjært drives'av en mutter (14) som dan-ner del av en elektrisk motors (16) rotor (12).

2. Kompressor ifølge krav 1, karakterisert ved at den har et annet hus (10, 41, 42) med et annet kom-pres jonskammer (41), et annet stempel (40) som er linjært for-skyvbart i det annet kammer (41) og som er driftsmessig forbundet med den annen ende av fø ringsskruen. (20), kanalanord-ninger (50) som forbinder de to kompresjonskamre (31, 41) og som er slik anordnet at kompressoren er en totrinns kompressor.

3. Kompressor ifølge krav 1-2, karakterisert ved at stemplet eller stemplene (30, 40) har en selvsmørende lekkasjetett tetningsring (35, 45).

4. Kompressor ifølge krav 1-3, karakterisert ved at den elektrisk motor (16) har en like-strømsmotors karakteristika.

5. Kompressor ifølge krav 4, karakterisert ved at den elektriske motor (16) styres av en kontrollenhet for å reversere dens bevegelsesretning hår stemplet eller et av stemplene (30, 40) kommer til anlegg mot sitt til-hørende sylinderhode (32, 42)..

6. Kompressor ifølge krav 1-5, karakterisert ved at kompresjonskammeret eller.hvert kompresjonskammer (31, 41) har et sylinderhode (32, 42) med en form som i det vesentlige er komplementær til toppen på de tilhør-ende stempel (30, 40) slik at kammerets eller hvert kammers (31, 41) volum med det tilhørende stempel (30, 40) i arbeids-slagets toppstilling, minimeres.

7. Kompressor ifølge krav 1-6, karakterisert ved at den elektriske motors (16) rotor (12) har en stiv kappe (13) som forbinder mutteren (14) med motorens (16) armatur.

8.. Kompressor ifølge krav 1-6, karakterisert ved at den elektriske motors (16) rotor (12) har en delvis stiv kappe (17) som forbinder mutteren (14) med motorens (16) armatur.

9. Kompressor ifølge krav 1-8, karakterisert ved at mutteren (14) er av typen med resirkulerende kuler.

10. Kompressor ifølge krav 1-8, karakteris^ ert ved at mutteren (14) har skruegjenger.