專利名稱：電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用直線電機為動力的壓縮機技術(shù)。
現(xiàn)有的活塞式壓縮機的驅(qū)動方式主要由旋轉(zhuǎn)電機或直線電機來完成的。
旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的活塞往復(fù)式壓縮機由于其制造簡單、成本低廉和壽命很長等優(yōu)點，已使它成為世界歷史上使用壽命最長以及使用最廣泛的一種機型。它的不足之處是該機型的活塞直徑、活塞行程和電機功率三者之間存在著“最佳聯(lián)鎖關(guān)系”，即當(dāng)涉及出力大小的活塞直徑和電機功率確定后，活塞行程就不能再加長了。此時的容積余隙效率也就隨之定下，難以再提高了。該機型的工作壓縮比一般控制在不超過10為宜，否則，就要采用多級壓縮方案來解決這個在工程上高壓縮比的問題，這早已成為習(xí)以為常的事宜。
直線電機驅(qū)動的活塞式壓縮機目前仍不能得到廣泛地使用。還早在1977年21期的《國外科技消息》中就曾報道過有關(guān)“直線馬達(dá)壓縮機”的信息。報道中的這種機型實屬高頻振蕩式壓縮機，它的機械往復(fù)振蕩頻率極高，與50赫或60赫的交流市電同步?；钊谐虡O短，容積余隙效率極低。這種非機械牽制型活塞的行程控制又是靠犧牲了相當(dāng)大的容積余隙效率來保證的。因此，只有在遠(yuǎn)小于10的低壓縮比的工況時，它才能處于正常范圍內(nèi)的低效率工作。而且又由于它是處在高頻機械振動狀態(tài)下工作的，因此，一般只適合做成百瓦以內(nèi)的小功率機型，其實用價值很有限，目前的國際市場上可能已很少見到這種機型了。
但是，這種幾乎要消失的由直線馬達(dá)趨動的振蕩式機型，卻開創(chuàng)了活塞式壓縮機的又一個發(fā)展方向。因為它省略了由旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的活塞式壓縮機中的“轉(zhuǎn)動變平動”這一機械轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)，并且，一旦實現(xiàn)了它的長行程工作，在確定了它的最高工作壓力(與電機功率有關(guān))后，所消耗的電機功率與它的活塞行程就無關(guān)了，這就可以在不改變(提高)電機功率的前提下，為大幅度提高活塞的行程(其容積余隙效率也隨之大幅度提高)創(chuàng)造了條件。
然而，在采用直線電機趨動的活塞式壓縮機中，又由于如下的二個關(guān)鍵問題一直未能解決，至使這樣的高效率(高壓縮比)機型一直未能問世一.正常往復(fù)運行的活塞每次換向時運行時，都會迫使直線電機的工作處于周期性的啟動狀態(tài)，那樣，直線電機的電耗必然會大得驚人，以至完全失去了該新機型的存在價值。
二.按照現(xiàn)有的活塞氣缸結(jié)構(gòu)使用直線電機為動力時，在工作壓縮比有所變化(不可避免)的情況下，尚難以準(zhǔn)確地控制住這種非機械牽制型活塞的行程。
電控活塞行程也是一種方法，但由于它的可靠程度不夠高，目前仍處于試驗階段。早在1978年1月10日由(A)US-4067667中揭示的一種可以控制行程的往復(fù)式活塞壓縮機也是一種試圖解決這類問題的一個技術(shù)方案。
本發(fā)明是采用直線電機為動力，又從解決上述二大關(guān)鍵問題(活塞的行程控制和換向啟動)著手，對現(xiàn)有的活塞往復(fù)式壓縮機進行一種目的在于大幅度提高它的工作壓縮比或排氣效率的改進。其總則是活塞運行的超長行程(與電機功率無關(guān))和低往復(fù)頻率。
本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的一.其結(jié)構(gòu)與工作特點
A.在結(jié)構(gòu)上至少包括a.作為動力裝置的直線電機結(jié)構(gòu)由它處于直線往復(fù)運動的動子部件通過聯(lián)桿和萬向節(jié)直接驅(qū)動活塞做直線往復(fù)運動；b.外設(shè)水冷散熱裝置的氣缸它的排氣端口部位對活塞的進出是采用全敞開的結(jié)構(gòu)型式；c.控制直線電機往復(fù)運行的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置當(dāng)活塞做壓縮和吸氣功時，它持續(xù)供電做電力功，當(dāng)活塞換向啟動時，它停止供電避免電力做功。
B.當(dāng)活塞直徑和電機功率確定后，氣缸中的活塞行程是其直徑的1.8倍以上。
二.正常運行的活塞是在非機械牽制的情況下進行往復(fù)運行的，活塞的行程控制和換向啟動控制是依靠二端高低氣壓差的“壓力”做功實施的A.允需活塞沖出氣缸大幅度降低行程控制要求的非電力行程控制方法此時活塞依靠自身的慣性頂著排氣閥片將沖出氣缸，之后又依靠氣缸端部至少是已形成的高壓壓力來約束其行程變化的范圍，在此過程中，由壓差力直接做功，而電力不做功。
B.當(dāng)活塞沖出氣缸后換向啟動時的非電力控制方法此時活塞依靠在氣缸端部已經(jīng)形成的高壓(對低壓的壓差)，來驅(qū)動它換向并反向加速到速度V的，在此過程中，仍然由壓差力直接做功，而電力不做功。--只有當(dāng)活塞反向加速到V之后，電力才開始恢復(fù)做功，即驅(qū)動活塞重新做壓縮和吸氣功。
此外在超高壓縮比工作條件下的氣缸冷卻系統(tǒng)，通常采用由導(dǎo)流兼散熱的螺旋導(dǎo)流體形成的水冷散熱裝置構(gòu)成；氣缸的缸口和活塞的頂部，同時與排氣閥片接觸時，三者之間不會形成由任何立體幾何形狀構(gòu)成的余隙空間(由油填充的滑動間隙除外)。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較的特點一.由于本發(fā)明的電機功率只與涉及出力大小的活塞行程有關(guān)，而與涉及容積余隙效率的活塞行程無關(guān)，根據(jù)需要和可能，可以在電機功率和活塞直徑不變的前提下，通過活塞行程的盡量加長(縮小余隙比列)來大幅度提高本發(fā)明的工作壓縮比或排氣效率創(chuàng)造了條件；二.由于本發(fā)明的活塞、氣缸和排氣閥片三者構(gòu)成了無氣隙形的排氣結(jié)構(gòu)，這又為提高本發(fā)明的總體容積余隙效率(縮小余隙比列)創(chuàng)造了條件；三.由于本發(fā)明的活塞正常運行時的換向啟動功，是依靠壓差力來完成的，并同時能避免電力參與做活塞這個換向啟動功，這就為使得直線電機應(yīng)用于活塞往復(fù)式壓縮機這類往復(fù)型機械裝置創(chuàng)造了條件；四.由于本發(fā)明運行狀態(tài)(長行程和低頻率)所決定，它的直線電機動子和定子之間的氣隙可以做得極小，使得直線電機應(yīng)用在本發(fā)明時可以發(fā)揮出最大的電效率創(chuàng)造了條件。


圖1是作為本發(fā)明一個實施例的結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是實施例中的供電原理圖。
1氣缸蓋；2水冷散熱裝置；3限位彈簧；4吸氣閥片；5活塞；6定子繞組；7動子部件；8低壓氣室；9軸承；10氣缸；11排氣閥片；12聯(lián)桿；13電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置；14底座；15萬向節(jié)；16導(dǎo)流兼散熱的螺旋導(dǎo)流體；17高壓氣室；T電力做功的時間段；t避免電力做功的時間段。
由圖1所示本發(fā)明中的定子繞組〖6〗和動子部件〖7〗組成了交流直線電機驅(qū)動機構(gòu)，交流電是通過在定子繞組〖6〗上產(chǎn)生的橫向水平移動磁場，來趨動動子部件〖7〗作橫向水平運動的，而動子部件〖7〗又是通過聯(lián)桿〖12〗兩端的萬向節(jié)〖15〗來促使它們兩端的活塞〖5〗分別做壓縮功和吸氣功的。限位彈簧〖3〗的主要功能是使排氣閥片〖11〗定位。高壓氣室〖17〗由氣缸〖10〗的端部位置與氣缸蓋〖1〗構(gòu)成。
此時，兩端的活塞〖5〗正在右行在左側(cè)氣缸〖10〗中的活塞〖5〗，通過它中間開啟的吸氣閥片〖4〗，正從低壓氣室〖8〗中吸氣(吸氣方法為順流式)，而在右側(cè)氣缸〖10〗中的活塞〖5〗，正頂著排氣閥片〖11〗?jīng)_出氣缸〖10〗。此時，已將在右側(cè)氣缸〖10〗中被壓縮成的高壓氣體，全部從氣缸〖10〗中排出。
--允許活塞〖5〗?jīng)_出氣缸〖10〗，就可以大幅度地降低對活塞〖5〗行程控制的要求，這是本發(fā)明之所以能夠成立的一個重要的技術(shù)保證。
當(dāng)活塞〖5〗?jīng)_出氣缸〖10〗開始，電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置〖13〗即停止供電，由于左右二個活塞〖5〗兩端主要是高低壓差力的作用，很快會迫使活塞〖5〗停止右行，并立即反方向開始左行。當(dāng)左行的活塞〖5〗又被那個高低壓差力加速到具有最高的速度V時(之后若再無電力做功就會開始減速)，電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置〖13〗才開始恢復(fù)供電(相反極性供電)，定子繞組〖6〗和動子部件〖7〗之間促使相互位移的電動力產(chǎn)生，讓左側(cè)的活塞〖5〗開始做壓縮功，而右側(cè)的活塞〖5〗做吸氣功，直到左側(cè)的活塞〖5〗在頂著排氣閥片〖11〗?jīng)_出氣缸〖10〗時，電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置〖13〗才停止供電，又開始重復(fù)主要由高低壓差力趨動的活塞〖5〗換向啟動的過程。
上述活塞〖5〗左右運行過程中的這個開始停止供電的時刻，可以選擇在活塞〖5〗在頂著排氣閥片〖11〗?jīng)_出氣缸〖10〗時的稍前或稍后的時間段內(nèi)調(diào)制。
--確保電力避免參與做活塞〖5〗正常運行時的周期性“換向啟動功”，是本發(fā)明之所以能夠成立的另一個重要的技術(shù)保證。
當(dāng)然，只有當(dāng)壓縮機剛開始工作，并且，其機體內(nèi)部的高低壓差(工作壓縮比)尚未到達(dá)額定值之前，活塞〖5〗的這個“初始”的“換向啟動功”才完全由電力做功來完成。
由圖2所示當(dāng)一端的活塞〖5〗做壓縮功和之后的排氣功，而另一端的活塞〖5〗做吸氣功時的行程段內(nèi)，是電力做功的時間段〖T〗。
當(dāng)一端的活塞〖5〗做純排氣功而另一端的活塞〖5〗仍在做吸氣時，即活塞〖5〗頂著排氣閥片〖11〗?jīng)_出氣缸〖10〗時的過程時間段內(nèi)，以及在此之后的活塞〖5〗，被兩端壓力差趨動做“換向啟動功”而另一端的活塞〖5〗已開始做初期壓縮功時的過程時間段內(nèi)，是避免電力做功的時間段〖t〗。
電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置〖13〗需自動變換供電極性，才能趨使活塞〖5〗做換向啟動功。
有關(guān)本發(fā)明實施中的相關(guān)問題一.由于本發(fā)明中驅(qū)動活塞〖5〗運行的動子部件〖7〗是處于低頻且低速狀態(tài)下運行的，因此，定子繞組〖6〗和動子部件〖7〗之間的氣隙可以做得極小，甚至小于同量級的旋轉(zhuǎn)電機的水平，這樣處理的后的電磁效率將會得到很大的提高，于提高直線電機的電效率是極其有利的，這可以彌補直線電機存在著邊端效應(yīng)問題所造成的不利。
二.由于本發(fā)明是一種能將現(xiàn)有的需要多級壓縮過程的壓縮系統(tǒng)簡化為單級壓縮系統(tǒng)的機型，因此，在超高壓縮比的工況下，其冷卻系統(tǒng)應(yīng)采用效果較好的水冷散熱裝置〖2〗，為再提高其冷卻效果，還可以進而提高冷卻水的流速和降低冷卻水的水溫。
三.由于本發(fā)明中的氣缸〖10〗和活塞〖5〗與排氣閥片〖11〗三者將形成無氣隙型的排氣結(jié)構(gòu)，即在活塞〖5〗出進氣缸〖10〗時不存在上述三者之間的余隙空間，這對于整個容積余隙效率的提高是極其有利的。
權(quán)利要求
1.電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機，其結(jié)構(gòu)與工作特點A.在結(jié)構(gòu)上至少包括a.作為動力裝置的直線電機結(jié)構(gòu)由它處于直線往復(fù)運動的動子部件〖7〗驅(qū)動活塞〖5〗做直線往復(fù)運動；b.外設(shè)水冷散熱裝置〖2〗的氣缸〖10〗它的排氣端口部位對活塞〖5〗的出進是采用完全敞開的結(jié)構(gòu)型式；c.控制直線電機往復(fù)運行的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)裝置〖13〗當(dāng)活塞〖5〗做壓縮和吸氣功時，它持續(xù)供電做電力功，當(dāng)活塞〖5〗換向啟動時，它停止供電避免電力做功；B.當(dāng)活塞〖5〗直徑和電機功率確定后，氣缸〖10〗中的活塞〖5〗行程是其直徑的1.8倍以上；
2.電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機權(quán)項1中的活塞〖5〗正常運行時的行程控制和換向啟動控制的“非電力”方法A.允需活塞沖出氣缸大幅度降低行程控制要求的“非電力”控制方法此時活塞〖5〗依靠自身的慣性頂著排氣閥片〖11〗將沖出氣缸〖10〗，之后又依靠氣缸〖10〗端部至少是已形成的高壓壓力來約束其行程變化的范圍，在此過程中，由壓差力直接做功，而電力不做功；B.當(dāng)活塞〖5〗換向啟動時的“非電力”控制方法此時活塞〖5〗依靠在氣缸〖10〗端部已經(jīng)形成的高壓(對低壓的壓差)，來驅(qū)動它換向并反向加速到速度V，在此過程中，仍然由壓差力直接做功，而電力不做功。--只有當(dāng)活塞〖5〗反向加速到V之后，電力才開始做功，即重新驅(qū)動活塞〖5〗做壓縮和吸氣功；
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機，其特征在于所述的水冷散熱裝置〖2〗，它是由導(dǎo)流兼散熱的螺旋導(dǎo)流體〖16〗構(gòu)成的；
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2和3所述的電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機，其特征在于所述的氣缸〖10〗，當(dāng)它的缸口和活塞〖5〗的頂部，二者同時與排氣閥片〖11〗接觸時，它們?nèi)咧g不會形成任何立體幾何形狀的余隙空間。
全文摘要
電機功率與活塞行程無關(guān)的超高壓縮比型活塞式壓縮機,它以直線電機為動力,從解決活塞(允許沖出氣缸)行程控制和活塞(壓力差驅(qū)動)換向啟動這兩大問題入手,揭示了活塞式機型的又一個發(fā)展方向:長行程和低往復(fù)頻率。它的電機功率只與涉及出力大小的活塞直徑有關(guān),而與涉及容積余隙效率的活塞行程無關(guān)。通過盡量加長活塞行程來大幅度提高其工作壓縮比(電機功率不增)的變多級為單級壓縮的制冷工程系統(tǒng)就是一個典型的應(yīng)用實例。
文檔編號F04B35/04GK1363770SQ0113562
公開日2002年8月14日 申請日期2001年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月8日
發(fā)明者梁嘉麟 申請人:梁嘉麟