一种被动进气式自由活塞膨胀的制造方法
【专利摘要】一种被动进气式自由活塞膨胀机，属于膨胀机【技术领域】。包括缸盖、异形活塞、缸体、回位装置、油环、气环、连杆固定螺母、活塞连杆。本膨胀机通过输入高压气体推动自由活塞膨胀机中的活塞运动，在运动过程中利用异形活塞的壁面对进排气口进行密封，达到被动进气和膨胀做功的目的。同时，在运动过程中，利用气环对膨胀机中的气体进行密封，利用油环完成布油和刮油工作，实现良好的密封性和润滑性。与现有膨胀机相比，本实用新型具有结构简单、膨胀比可变、摩擦损失小等优点，且具有较为广泛的应用前景。
【专利说明】一种被动进气式自由活塞膨胀机
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于膨胀机【技术领域】，涉及一种新型被动进气式膨胀装置，尤其涉及 一种利用高压气体驱动的自由活塞膨胀装置。
【背景技术】
[0002] 自上个世纪70年代能源危机的蔓延和发展，世界各国科研人员对能源的回收再 利用越来越重视。在能源回收的途径上，余热回收是现今较为成熟的技术。在余热回收系 统中，作为动力输出的膨胀机的形式有很多种，对于新兴的自由活塞膨胀机，由于其结构简 单，膨胀比大，体积小等优点，越来越得到重视。但由于其自身特点，装置中无旋转机构，因 此无法采用常规的进排气方式，因此适时适当的开发设计一种被动进气式自由膨胀机显得 十分必要。
[0003] 为解决上述问题，本实用新型提出一种被动进气式自由膨胀机。该装置利用异形 活塞结构在运动时控制进排气门开启和关闭，达到被动进排气的目的。并可将其应用在制 冷循环系统、有机工质余热回收系统等中，担任系统的膨胀装置。 实用新型内容
[0004] 本实用新型目的在于提供一种被动进气式自由活塞膨胀机，该膨胀机通过输入高 压气体推动自由活塞膨胀机中的异形活塞向排气口运动，运动过程中，进气口自动关闭，排 气口自动打开，膨胀后气体排出后，活塞在回位装置的推动下回到起始位置，完成整个循 环。
[0005] 为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是一种被动进气式自由活塞膨胀 机，其特征在于，该膨胀机包括缸盖（1)、异形活塞（2)、缸体（3)、回位装置（4)、固定螺栓、 油环（10)、气环（11)、连杆固定螺母（13)、活塞连杆（14)。缸盖（1)、缸体（3)均为桶状， 缸盖⑴的底端封闭，缸体⑶套在缸盖⑴封闭的一端的外面，缸盖⑴的另一端与缸体 ⑶固定密封在一起，缸体⑶和缸盖⑴的桶壁之间留有空隙，缸盖⑴的底端、缸体（3) 的底端之间形成腔体，异形活塞（2)为桶状结构，异形活塞（2)的桶壁位于缸盖（1)、缸体 ⑶两桶壁之间，异形活塞⑵桶状结构的底端位于缸盖⑴的底端、缸体⑶的底端之间 形成腔体内，缸体（3)上布置有润滑油进油口 ￠)、两个进气口（7)、两个排气口（8)、润滑油 排油口（9)，两个进气口（7)在腔体对应的缸体（3)桶壁上径向对应，两个排气口（8)在腔 体对应的缸体（3)桶壁上径向对应，异形活塞（2)桶状结构的底端通过活塞连杆（14)与回 位装置（4)相连接；活塞连杆（14)通过连杆固定螺母（13)与异形活塞（2)桶状结构的底 端固定连接，活塞连杆（14)穿过缸体（3)的底端；缸盖（1)上布置有一道油环（10)和两道 气环（11)用于缸盖（1)与异形活塞（2)之间的密封，异形活塞（2)上布置有两道油环（10) 和四道气环（11)，其中一道油环（10)和两道气环为一组，另外一道油环（10)和两道气环为 一组，优选当异形活塞（2)的通孔（12)与排气口（8)对应时，进气口（7)的左右两侧分别 有一组异形活塞（2)上布置的油环和气环。
[0006] 缸盖（1)的另一端与缸体（3)通过固定螺栓连接并固定。
[0007] 异形活塞（2)的桶壁上布置有两通孔（12)，通孔（12)靠近异形活塞（2)桶状结构 的底端，两通孔（12)在异形活塞（2)的桶壁上径向对应，缸盖与缸体通过固定螺栓连接并 固定，异形活塞与活塞连杆通过连杆固定螺母固定，异形活塞安装在缸体内，并通过缸盖与 缸体进行定位，活塞连杆与回位装置相连接；缸盖上布置有一道油环和两道气环，异形活塞 上布置有两道油环和四道气环。
[0008] 通孔（12)与进气口（7)和排气口⑶的孔径相同，且通过异形活塞⑵通孔（12) 可分别依次与进气口（7)和排气口（8)重叠。
[0009] 排气口⑶相比进气口（7)更靠近缸体（3)的底端。
[0010] 本实用新型的一种被动进气式自由活塞膨胀机的工作原理：当异形活塞（2)上的 通孔（12)与缸体（3)上的进气口（7)贯通时，自由活塞膨胀机处于进气过程，高压气体流 经进气口（7)和通孔（12)，进入异形活塞（2)内，异形活塞（2)在高压气体与回位装置（4) 的共同作用下，向排气口（8)方向运动；当异形活塞（2)上的通孔（12)位于进气口（7)与 排气口（8)之间，且不与二者贯通时，自由活塞膨胀机处于膨胀过程，此时进气口（7)被异 形活塞⑵的壁面封闭；当异形活塞⑵上的通孔（12)与缸体（3)上的排气口⑶贯通 时，自由活塞膨胀机处于排气过程，膨胀后气体流经通孔（12)和排气口（8)，排出自由活塞 膨胀机，异形活塞（2)在残余气体与回位装置（4)的共同作用下，减速至静止，并反向加速， 向进气口（7)方向运动。
[0011] 在自由活塞膨胀机运动过程中，可从润滑油进油口（6)注入润滑油，润滑油流经 缸盖（1)与异形活塞（2)接触表面和异形活塞（2)与缸体（3)接触表面，最终从润滑油排 油口（9)排出自由活塞膨胀机。
[0012] 在自由活塞膨胀机运动过程中，缸盖（1)上布置的气环（11)可对异形活塞（2)内 部气体进行密封，缸盖（1)上布置的油环（10)可在异形活塞（2)的表面上完成布油和刮 油；异形活塞（2)上布置的气环（11)可对进气口（7)进行密封，异形活塞（2)上布置的油 环（10)可在缸体（3)的表面上完成布油和刮油。
[0013] 本膨胀机通过输入高压气体推动自由活塞膨胀机中的活塞运动，在运动过程中利 用异形活塞的壁面对进排气口进行密封，达到被动进气和膨胀做功的目的。同时，在运动 过程中，利用气环对膨胀机中的气体进行密封，利用油环完成布油和刮油工作，实现良好的 密封性和润滑性。与现有膨胀机相比，本实用新型具有结构简单、膨胀比可变、摩擦损失小 等优点，且具有较为广泛的应用前景。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0015] 1、该膨胀机采用被动进气的方案，不用增加其他附属机构，结构简单，无额外能量 输入。
[0016] 2、该膨胀机中的三组活塞环（一道油环、两道气环）可以在对气体进行密封的同 时，完成对润滑油的刮油和布油，解决现有自由活塞膨胀机的润滑问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为图2被动进气式自由活塞膨胀机的A-A剖面图。
[0018] 附图2为被动进气式自由活塞膨胀机的正视图；
[0019] 图中：1、缸盖；2、异形活塞；3、缸体；4、回位装置；5、固定螺栓；6、润滑油进油口； 7、进气口；8、排气口；9、润滑油排油口； 10、油环；11、气环；12、通孔；13、连杆固定螺母； 14、活塞连杆。
【具体实施方式】
[0020] 以下将结合附图对本实用新型进行进一步说明。
[0021] 被动进气式自由活塞膨胀机包括缸盖（1)、异形活塞（2)、缸体（3)、回位装置（4)、 固定螺栓（5)、油环（10)、气环（11)、连杆固定螺母（13)、活塞连杆（14);缸体⑴上布置 有润滑油进油口（6)、两个对置的进气口（7)、两个对置的排气口（8)、润滑油排油口（9)，异 形活塞（2)上布置有两个对置的通孔（12);缸盖（1)与缸体（3)通过十二个固定螺栓（5) 连接并固定；异形活塞（2)与活塞连杆（14)通过连杆固定螺母（13)固定，异形活塞（2)安 装在缸体（3)内，并通过缸盖（1)与缸体（3)进行定位，活塞连杆（14)与回位装置（4)相 连接；缸盖（1)上依次布置有一道油环（10)和两道气环（11)，气环（10)靠近异形活塞（2) 内的空腔，异形活塞（2)上布置有两道油环（10)和四道气环（11)，每组密封环均以两道气 环（11)和一道油环（10)依次布置，且油环（10)均靠近润滑油排油口（9)。
[0022] 本实用新型的被动进气式自由活塞膨胀机中异形活塞（2)的运动动力来自高压 气体在异形活塞（2)内的膨胀做功，高压气体通过进气口（7)进入膨胀机，膨胀做功后经 由排气口（8)排出膨胀机。当异形活塞（2)上的通孔（12)与缸体（3)上的进气口（7)贯 通时，自由活塞膨胀机处于进气过程，高压气体流经进气口（7)和通孔（12)，进入异形活塞 (2)内，异形活塞（2)在高压气体与回位装置（4)的共同作用下，向排气口（8)方向运动； 当异形活塞（2)上的通孔（12)位于进气口（7)与排气口（8)之间，且不与二者贯通时，自 由活塞膨胀机处于膨胀过程，此时进气口（7)被异形活塞（2)的壁面封闭；当异形活塞（2) 上的通孔（12)与缸体（3)上的排气口（8)贯通时，自由活塞膨胀机处于排气过程，膨胀后 气体流经通孔（12)和排气口（8)，排出自由活塞膨胀机，异形活塞（2)在残余气体与回位装 置（4)的共同作用下，减速至静止，并反向加速，向进气口（7)方向运动，直到异形活塞（2) 上的通孔（12)与进气口（7)再次贯通，整个循环结束。
[0023] 本实用新型提出一种新型的润滑密封结构：分别在缸盖（1)和异形活塞（2)上布 置三组密封活塞，在异形活塞（2)运动过程中，缸盖（1)上布置的气环（11)可对异形活塞 (2)内部气体进行密封，确保空腔内的气密性，缸盖（1)上布置的油环（10)可在异形活塞 (2)的表面上完成布油和刮油，保证异形活塞（2)运动时的润滑，并把壁面上多余的润滑油 排出空腔内；异形活塞（2)上布置的气环（11)可对进气口（7)进行密封，防止高压气体在 排气过程中串入异形活塞（2)的空腔和润滑油进油口（6)处，影响膨胀机的正常运转，异形 活塞（2)上布置的油环（10)可在缸体（3)的表面上完成布油和刮油，保证异形活塞（2)运 动时的润滑，并把壁面上多余的润滑油排向润滑油排油口（9)。
[0024] 本实用新型的被动进气式自由活塞膨胀机利用壁面与密封环组合式密封的方法， 解决了现今自由活塞膨胀机难匹配进气机构，长时间运行润滑难的问题，且具有结构简单、 膨胀比可变等优点，具有较为广泛的应用前景。
【权利要求】
1. 一种被动进气式自由活塞膨胀机，其特征在于，该膨胀机包括缸盖（1)、异形活塞 (2)、缸体（3)、回位装置（4)、油环（10)、气环（11)、连杆固定螺母（13)、活塞连杆（14)，缸 盖（1)、缸体（3)均为桶状，缸盖（1)的底端封闭，缸体（3)套在缸盖（1)封闭的一端的外 面，缸盖⑴的另一端与缸体⑶固定密封在一起，缸体⑶和缸盖⑴的桶壁之间留有 空隙，缸盖（1)的底端、缸体（3)的底端之间形成腔体，异形活塞（2)为桶状结构，异形活塞 (2)的桶壁位于缸盖（1)、缸体（3)两桶壁之间，异形活塞（2)桶状结构的底端位于缸盖（1) 的底端、缸体（3)的底端之间形成腔体内，缸体（3)上布置有润滑油进油口（6)、两个进气口 (7)、两个排气口（8)、润滑油排油口（9)，两个进气口（7)在腔体对应的缸体（3)桶壁上径 向对应，两个排气口（8)在腔体对应的缸体（3)桶壁上径向对应，异形活塞（2)桶状结构的 底端通过活塞连杆（14)与回位装置（4)相连接；活塞连杆（14)通过连杆固定螺母（13)与 异形活塞（2)桶状结构的底端固定连接，活塞连杆（14)穿过缸体（3)的底端；缸盖（1)上 布置有一道油环（10)和两道气环（11)用于缸盖（1)与异形活塞（2)之间的密封，异形活 塞（2)上布置有两道油环（10)和四道气环（11)，其中一道油环（10)和两道气环为一组，另 外一道油环（10)和两道气环为一组； 异形活塞（2)的桶壁上布置有两通孔（12)，通孔（12)靠近异形活塞（2)桶状结构的底 端，两通孔（12)在异形活塞（2)的桶壁上径向对应；通孔（12)与进气口（7)和排气口（8) 的孔径相同，且通过异形活塞（2)通孔（12)可分别依次与进气口（7)和排气口（8)重叠。
2. 根据权利要求1所述的一种被动进气式自由活塞膨胀机，其特征在于，缸盖（1)的另 一端与缸体（3)通过固定螺栓连接并固定。
3. 根据权利要求1所述的一种被动进气式自由活塞膨胀机，其特征在于，排气口（8)相 比进气口（7)更靠近缸体（3)的底端。
4. 根据权利要求1所述的一种被动进气式自由活塞膨胀机，其特征在于，当异形活塞 (2)的通孔（12)与排气口（8)对应时，进气口（7)的左右两侧分别有一组异形活塞（2)上 布置的油环和气环。
【文档编号】F01B11/00GK203891939SQ201420027589
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年1月16日 优先权日:2014年1月16日
【发明者】赵光耀, 王艳, 刘昊, 恒江, 张红光 申请人:北京工业大学