活塞往复式压缩机的全无余隙结构的机型设计.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 102384064 A (43)申请公布日 2012.03.21 CN 102384064 A *CN102384064A* (21)申请号 201010515333.X (22)申请日 2010.10.12 201010271935.5 2010.08.30 CN F04B 39/00(2006.01) (71)申请人 梁嘉麟 地址 310018 浙江省杭州市下沙中国计量学 院机电工程学院 (72)发明人 梁嘉麟 (54) 发明名称 活塞往复式压缩机的全无余隙结构的机型设 计 (57) 摘要 一种活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构 的机型设计， 是在消灭 “余隙。

2、” 方面进行的重大改 进而实现的， 从结构原理的角度来看， 在瞬间时刻 完全可以消灭涉及 ： 活塞顶部空间的余隙、 吸气 与排气机构中的余隙以及通过活塞环造成的余 隙。最终让活塞 (5)、 排气阀片 (3)、 锥形吸 气阀块 (4) 与汽缸 (6) 四者之间能够形成没有几 何空间的 “全无余隙” 接触状态。让世界上最 传统的活塞往复式压缩机以崭新的面貌出现 ： 其 活塞 (5) 的实际排气量在任何工况条件下都非常 接近于 100， 并进而能够大幅度提高其压缩比， 为它成为活塞往复式压缩机的换代产品创造了条 件， 甚至， 鉴于其 “性价比” 的大幅度攀升， 又为它 有可能成为其他工程领域中使用的。

3、多种不同类别 压缩机的换代产品创造了条件。 (66)本国优先权数据 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 CN 102384082 A1/1 页 2 1. 一种活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构的机型设计， 在活塞 (5) 往复运行的机型 结构基础上， 结构上再满足以下 a、 b 与 c 的三个机构设置条件 ： a. 活塞 (5) 的顶部外侧配用控制吸气孔 (P) 开启与关闭的锥形吸气阀块 (4) ； b. 至少在与活塞 (5) 的外侧与顶部齐平位置上设置了其断面为 V 型的活塞环 (K)， 该。

4、 V型的张口是向着圆心的， 该V型断面的张口与定位它的环槽上位于活塞(5)顶部的坡度接 触面为滑动配合， 并且， 该活塞环 (K) 是通过与上述 V 型断面相吻合的环槽来实施定位的 ； c. 活塞 (5) 向前压缩排气运行过程中， 最后能够顶开排气阀片 (3) 冲出汽缸 (6)， 活塞 (5) 后退吸气运行过程中， 当活塞 (5) 欲完全退回到汽缸 (6) 内， 即要与被气缸 (6) 阻挡在 外的排气阀片 (3) 分离的时刻， 将会造成活塞 (5)、 排气阀片 (3)、 锥形吸气阀块 (4) 与汽缸 (6) 四者之间形成没有几何空间的 “全无余隙” 接触状态 ； 并且， 所述的吸气阀块(4)取。

5、材的热胀冷缩系数所造成的形体变化， 应该与活塞(5)顶 部取材的热胀冷缩系数所造成的形体变化达到相互吻合的程度。 2. 根据权利要求 1 所述的活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构的机型设计关键部位 的平面机加工方法 ： 将呈 V 型断面的活塞环 (K) 套进活塞 (5) 外环顶部的环形沟槽中， 然后将该二者放进 与汽缸 (6) 内径相同的研磨工夹具内， 露出与活塞 (5) 外侧顶部齐平的其断面为呈 V 型断 面的活塞环(K)， 再将吸气阀块(4)置于活塞(5)的外顶部， 最后， 对活塞(5)外侧顶部进行 平面研磨， 即 ： 对套进与汽缸(6)内径相同的研磨工夹具内且与活塞(5)外顶部齐平放。

6、置的 呈V型断面的活塞环(K)、 活塞(5)外顶部和与活塞(5)外顶部齐平放置的并处于闭合状态 下的吸气阀块 (4) 三者共同研磨， 以确保 ： 工作状态下的上述三者正好处于同一个平面。 3. 根据权利要求 1 所述的活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构的机型设计中采用的 整体型吸气阀块 ： 吸气阀块 (4) 在结构上至少包括 ： 设置在活塞 (5) 顶部的倒锥形阀盖 (G)， 以及与它连 接的阀柱体 (H)， 该阀柱体下部由一对弹性支撑臂 (H) 来取代， 该一对弹性支撑臂 (H) 穿过 直阀孔在位于活塞(5)内顶部一侧有与该一对弹性支撑臂(H)连接的一对限位底脚(X)， 而 且， 该一对。

7、限位底脚 (X) 之间设置有间距 (L)， 并且， 所述的 ： a. 倒锥形阀盖 (G) 与设置在活塞 (5) 顶部的倒锥形阀孔处于密闭配合的状态 ； b. 阀柱体 (H) 与活塞 (5) 内顶部的直阀孔处于滑动配合状态 ； c. 吸气阀块 (4) 取材于工程塑料或轻质合金材料。 4. 根据权利要求 3 所述的活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构的机型设计中采用的 整体型吸气阀块的配用安装方法 ： 只要将构成吸气阀块 (4) 上设置有限位底脚 (X) 的一端从活塞 (5) 顶部压入直阀孔， 直到该一对限位底脚 (X) 伸出活塞 (5) 下顶部并依靠该一对弹性支撑臂 (H) 的弹性使得该 一对。

8、限位底脚 (X) 自动张开并复位至间距 (L) 即可。 权 利 要 求 书 CN 102384064 A CN 102384082 A1/4 页 3 活塞往复式压缩机的全无余隙结构的机型设计 技术领域 . 0001 本发明涉及活塞往复式压缩机的技术， 尤其是涉及了 “全无余隙” 机型的技术。 背景技术 0002 目前问世的压缩机品种中的大多数都是常规的由曲轴驱动的活塞式压缩机， 它具 有 ： 制造简单， 使用寿命长， 对材质要求不高等其它品种压缩机无法与之相比的综合特点， 这是它问世以来经久不衰的主要原因。 0003 活塞往复式压缩机与其他压缩机一样， 由于在结构上受到无法解决的 “余隙” 问。

9、题 的困扰， 因此它的排气效率或 / 和压缩比始终难以提高。例如 ： 当压缩比接近于 “10” 时， 其排气量将会减小到失去其工作意义的程度。 0004 现有活塞往复式压缩机中的 “余隙” 包括 ： 活塞外顶部与气缸内顶部之间以及由于 吸气与排气二者机构必须存在的 “余隙” ， 以及由于活塞环的存在而造成的余隙。 发明内容 0005 本发明之目的 ： 0006 提出活塞往复式压缩机 “全无余隙” 的结构的机型设计方案。 0007 为了实现上述发明目的， 拟采用以下的技术 ： 0008 在活塞往复式机型结构基础上， 在结构上还应该满足以下 a、 b 与 c 的三个机构设 置条件 ： 0009 a。

10、. 活塞的顶部外侧配用控制吸气孔开启与关闭的锥形吸气阀块 ； 0010 b. 至少在与活塞的外侧与顶部齐平位置上设置了其断面为 V 型的活塞环， 该 V 型 的张口是向着圆心的， 该 V 型断面的张口与定位它的环槽上位于活塞顶部的坡度接触面为 滑动配合， 并且， 该活塞环是通过与上述 V 型断面相吻合的环槽来实施定位的 ； 0011 c. 活塞向前排气运行过程中， 最后能够顶开排气阀片冲出汽缸， 活塞后退吸气运 行过程中， 当活塞欲完全退回到汽缸内， 即要与被气缸阻挡在外的排气阀片分离的时刻， 将 会造成活塞、 排气阀片、 锥形吸气阀块与汽缸四者之间形成没有几何空间的 “全无余隙” 接 触状态。

11、。 0012 所述的排气阀片是通过诸如弹簧或弹片一类装置定位在汽缸的顶部 ； 所述的 活塞， 当它在汽缸内的排气冲程过程中快要接触到紧盖在汽缸口位置的排气阀片之前， 该 活塞与该排气阀片之间会形成一层能够大幅度缓解该二者碰撞冲击力度的 “高压气垫” ； 所 述的吸气阀块取材的热胀冷缩系数所造成的形体变化， 应该 ( 最好 ) 与活塞顶部取材的热 胀冷缩系数所造成的形体变化达到尽可能相互吻合的程度。 0013 活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构设计中关键部位的平面机加工方法 ： 0014 将呈 V 型断面的活塞环套进活塞外环顶部的环形沟槽中， 然后将该二者放进与汽 缸内径相同的研磨工夹具内，。

12、 露出与活塞外侧顶部齐平的其断面为呈 V 型断面的活塞环， 再将吸气阀块置于活塞的外顶部， 最后， 对活塞外侧顶部进行平面研磨， 即 ： 对套进与汽缸 说 明 书 CN 102384064 A CN 102384082 A2/4 页 4 内径相同的研磨工夹具内且与活塞外顶部齐平放置的呈 V 型断面的活塞环、 活塞外顶部和 与活塞外顶部齐平放置的并处于闭合状态下的吸气阀块三者共同研磨， 以确保 ： 工作状态 下的上述三者正好处于同一个平面。 0015 活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 结构设计中采用的吸气阀块在结构上至少包 括 ： 0016 设置在活塞顶部的倒锥形阀盖， 以及与它连接的阀柱体， 。

13、该阀柱体下部由一对弹 性支撑臂来取代， 该一对弹性支撑臂穿过直阀孔在位于活塞内顶部一侧有与该一对弹性支 撑臂连接的一对限位底脚， 而且， 一对限位底脚 ( 包括与该一对限位底脚相连的一对弹性 支撑臂之间 ) 之间设置有一定的间距。 0017 所述的倒锥形阀盖与设置在活塞顶部的倒锥形阀孔处于密闭配合的状态 ； 所 述的阀柱体与设置在活塞内顶部的直阀孔处于滑动配合状态 ； 所述的吸气阀块取材于工程 塑料或轻质合金材料。 0018 吸气阀块的配用安装方法 ： 0019 只要将构成吸气阀块上设置有限位底脚的一端从活塞顶部压入直阀孔， 直到该一 对限位底脚伸出活塞下顶部并依靠该一对弹性支撑臂的弹性使得该。

14、一对限位底脚自动张 开并复位至上述一定的间距即可。 必要时(主要是指活塞高频往复运行的机型)， 可以 在该限位底脚与上述活塞内顶部之间增加能够使得吸气阀块开启与闭合周期频率与活塞 往复运行频率一致的闭合复位 ( 谐振 ) 弹簧或能够起到相同作用的弹片。 0020 本发明的特点 ： 0021 1. 鉴于本发明所提出的上述活塞往复式压缩机 “全无余隙” 的结构设计方案， 这就 为 ： 活塞往复式压缩机在其结构原理上能够实现 “全无余隙” 工作状态的结构形式与运行方 式均创造了条件， 使得其 ： 活塞理论排气量达到 100的程度， 而实际排气量在任何工况条 件下都非常接近于 100， 并进而能够大幅。

15、度地提高其工作压缩比又创造了条件。 0022 2. 在现有 “有余隙” 活塞往复式压缩机具有制造简单与 “性价比” 很高的特点基础 上， 如果又进而实现了本发明的 “全无余隙” 结构， 那么， 在其制造简单的程度不会改变， 而 “性价比” 更大幅度地攀升情况下， 这就会让历史最悠久的活塞往复式压缩机以更崭新的面 貌在地球上出现， 非但能够成为现有传统型活塞往复式压缩机的换代产品， 而且， 还很有可 能成为其他工程领域中使用的各种类型压缩机的换代产品。 附图说明 0023 图 1 示意了本发明在卧式曲轴驱动型大功率活塞往复式压缩机中的实施例。 0024 图 2 示意了图 1 机型的活塞前进 ( 。

16、排气 ) 运行时活塞、 阀和汽缸的相对位置。 0025 图 3 示意了图 1 机型的活塞后退 ( 吸气 ) 运行时活塞、 阀和汽缸的相对位置。 0026 图 4 示意了一种能够实现 “无余隙” 结构而实用的整体型吸气阀块的实施例。 0027 图 5 是图 4 的仰视图。 0028 H ： 高压区 ； W ： 低压区 ； K ： 其断面为缺角矩形的活塞环 ； N ： 普通的常规活塞环 ； P ： 活塞顶部的吸气孔 ； D ： 交流电机 ； 1 ： 缸盖 ； 2 ： 弹簧 ； 3 ： 排气阀片 ； 4 ： 锥形吸气阀块 ； 5 ： 活 塞 ； 6 ： 汽缸 ； 7 ： 曲轴 ； 8 ： 连杆 ； 。

17、9 ： 机体 ； 10 ： 定位螺丝 ； G ： 倒锥形阀盖 ； H ： 阀柱体 ( 由一对弹 性支撑臂组成 ) ； X ： 限位底脚 ； L ： 一对限位底脚之间的间距。 说 明 书 CN 102384064 A CN 102384082 A3/4 页 5 具体实施方式 0029 一种由曲轴驱动的卧式大型活塞往复式压缩机的 “全无余隙” 设计的结构原理概 况见上述图 1 的示意。 0030 当活塞5处于压缩冲程时， 在它与排气阀片3接触之前， 该二者之间就已经在汽缸 6 中形成了将会缓解相互冲撞力度的高压气垫。一旦活塞 5 携带着活塞环 K 一起冲出汽缸 6 的洞口， 即将已经被压缩成的高压。

18、气体全部挤入高压区 H， 并同时和活塞环 K 一起与排气 阀片 3 接触并顶着该排气阀片 3 一起在汽缸 6 的洞口外部行进。 0031 图 2 示意了上述的活塞 5 在携带着活塞环 K 一起， 顶着排气阀片 3 在汽缸 6 的洞 口外部一起行进的状况。显然， 在结构上应该确保 ： 活塞环 K 不能全部脱离 ( 冲出 ) 汽 缸的洞口， 否则， 活塞环 K 就不可能被活塞 5 重新携带着返回汽缸 6 了。此外， 活塞 5 冲出 汽缸 6 洞口的行程部分， 可以控制在其有效吸气行程的十分之一左右。 0032 当活塞 5 处于吸气冲程并即将从高压区 H 中完全退进汽缸 6 的洞口之前， 即 ： 将。

19、 通过压力差自动开启锥形吸气阀块 4 做顺流吸气功并吸入低压区 W 中的低压气体之前， 首 先由较大直径的排气阀片 3 将较小口径的汽缸 6 的洞口顶部封闭住， 此刻必将形成 ： 活塞 5( 包括位于其外缘的活塞环 K)、 锥形吸气阀块 4、 排气阀片 3 与汽缸 6 之间 “全无余隙” 的 状态 ( 就结构理论而言 )。在此刻之后， 就不存在残余高压气体的膨胀过程了， 直接让 活塞 5 才进入了具有实际吸气意义的吸气冲程阶段， 直到完全由吸进的低压气体将气缸 6 中活塞 5 至排气阀片 3 之间的空间全部填满为止。 0033 图 3 示意了上述的通过活塞 5 上的锥形吸气阀块 4 吸进低压气。

20、体的状态。显 然， 在结构上采用顺流式吸气机构最符合 “全无余隙” 的机型结构设计。 0034 综上所述 ： 0035 从本发明机型的结构原理上看， 当活塞 5 处于本发明的吸气冲程时但又尚未进行 吸气时， 即主要是在高气压的驱动下， 让排气阀片 3 将汽缸 6 的洞口顶部封闭住的时刻 ： 将 会造成活塞5、 排气阀片3、 锥形吸气阀块4与汽缸6四者之间形成没有几何空间的 “全无余 隙” 接触状态。 实现了如此的状态， 无论从理论上， 还是在实际制造上讲， 都是很容易能够让 上述的接触状态实现 “零” 余隙。 0036 关于本发明的 V 型断面形状活塞环 K 实现活塞 5 与汽缸 6 之间 “。

21、无余隙” 的问题 ： 0037 活塞5与V型活塞环K(该V型的张口是向着圆心的)是通过一定的锥形坡度的挤 压方式接触的， 并且， 该坡度方向是离开圆心而向着圆周的， 显然， 在活塞 5 压缩气体的过 程当中， 又增加了一个向着汽缸 6 圆周内壁方向上的可变的挤压分力， 而该分力是与被压 缩气体的压力成正比的 ； 即当活塞 5 越是进入其行程的尾端时， 由于被压缩气体的压力也 升至越高， 那么， 附加的通过活塞环K的上述出力来制止活塞5两端的高压与低压之间漏气 的力度也就越大 ； 而在活塞 5 压缩气体的初始行程阶段， 由于汽缸 6 内气体的压力不高时， 上述向着圆周的平挤压分力就不存在或很小。。

22、活塞环 K 与定位该活塞环 K 的环槽之间 在相互配合时总是会存在一定的、 哪怕是极其微小的公差配合， 机加工时只要有意识地充 分把握住并设法实现了这一点， 就能够很容易使得活塞 5 在压缩气体的过程当中， 增加上 述制止漏气的分力。 0038 此外， 图 2 中所示意的活塞环 K 的 V 型断面中顶部尺寸 S 的范围应该大于或等于 说 明 书 CN 102384064 A CN 102384082 A4/4 页 6 “零” ： 如果其顶部尺寸 S 大于 “零” ， 则 ： 活塞环 K 的 V 型断面形状就如图 2 与图 3 中示意的 那样 ； 如果其顶部尺寸 S 等于 “零” ， 则 ： 活。

23、塞环 K 的 V 型断面形状就与该字母 “V” 很相像了。 0039 具体设计时， 根据对活塞往复式压缩机实施 “全无余隙” 的结构改进时的不同需 求， 上述二种情况的设计都有可能存在。 0040 关于本发明中的活塞环 K 与活塞 5 以及锥形吸气阀块 4 共同研磨的机加工问题 ： 0041 其关键在于 ： 对与活塞外顶部齐平定位的呈 V 型断面的活塞环、 活塞外顶部， 以及 与活塞外顶部齐平放置的吸气阀块三者共同研磨， 是在模拟工作时的状态下进行的， 即 ： 是 在与汽缸 6 内圆尺寸相同的工夹具套住上述共同研磨者的情况下进行， 并以此确保 ： 让处 于工作环境状态下的上述三者正好处于同一个。

24、平面。 0042 当由上述三者通过并列构成的密封平面与另一个平面(排气阀片3)充分接触时， 就会很容易确保该二个充分接触的平面之间能够形成一个没有任何几何空间， 即 “无余隙” 的充分接触状态。 0043 关于本发明高压缩比机型的高压温升问题 ： 0044 高压缩比或特高压缩比机型必然会面临对于压缩机来说的高压温升问题， 解决这 个高压温升(含散热)的问题属于现有技术范畴 ： 一般可以采用风冷方式， 甚至还可以采用 如汽车发动机 ( 通过汽油高温爆炸来驱动活塞的运行 ) 那样的水冷方式 ( 压低温升 ) 来予 以解决。此外， 还应该如汽车发动机那样地考虑对于相关关键部件之间的涉及其热胀冷缩 系数的一致性问题 ( 当然 ： 其偏差越小越好 )， 例如 ： 作为关键部件的锥形吸气阀块 4 与活 塞 5( 其顶部设置了与锥形吸气阀块 4 成动配合洞孔 ) 二者应该尽量考虑它们之间的热胀 冷缩系数相互适应的问题， 尤其是在特高压缩比的状况下。 说 明 书 CN 102384064 A CN 102384082 A1/2 页 7 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 102384064 A CN 102384082 A2/2 页 8 图 4 图 5 说 明 书 附 图 CN 102384064 A 。