专利名称：双级压缩式凸轮压缩机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种气体压缩设备，具体地说是一种采用能量交换和机械做功两种方式增加气体内能的双级压缩式凸轮压缩机。该压缩机采用修正梯形凸轮做转子活塞，与凸轮上、下盖连成一体的结构形式，实现了对气体先进行能量交换再对其机械做功的双级压缩。
背景技术：
现有技术的压缩机均通过机械做功来增加气体的内能。通常，压缩机在机械做功条件下，压缩比越大，指示功率也越大，反之则越少。双级压缩方式可以减少压缩比，降低指示功率。但压缩比在8之下，难以经济实用。小型压缩机更难采用双级压缩方式。
发明内容
本实用新型的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种利用压缩气体自发膨胀的特性，把余隙中高压气体引入同一汽缸内另一密封空间中，对其中的低压气体膨胀做功，通过能量交换方式实现初级压缩，再由机械做功方式实现高级压缩的双级压缩式凸轮压缩机。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是该压缩机结构近似滚动转子压缩机，并吸收了三角转子、贯通滑板、涡旋等压缩机的特点。采用修正梯形凸轮做转子活塞，和两个凸轮端盖固定为一体，与汽缸同心装配，组成旋转运动副。工作容积为环形。偏心运动质量少，气体切向阻力小。凸轮又同两个水平装在缸体中部的中型滑板组成往复运动副，形成单缸、两个各自密封的工作容积。在凸轮端盖上开出进、排气口，同汽缸上的进、排气通路配合，不用进、排气阀，进气效率高，排气开关及时自如。在结构形式上，凸轮盖与转子活塞连成一体，在工作过程中，能量交换与机械做功连成一体。
其结构包括外壳、电机、接线盒、气液分离筒和压缩组件，电机和接线盒相连并一起固定在外壳的内腔上端部，由电机主轴带动的压缩组件设置在外壳的内腔下端部并与设置在外壳外侧的气液分离筒相接，压缩组件是由上框架、汽缸、下框架和支撑架构成，支撑架固定在压缩机的底座上并与底座一起围成储油池，下框架固定在支撑架上并和上框架一起将汽缸固定，汽缸是由汽缸体、凸轮、滑板、滑板弹簧、滑板孔螺母、凸轮上盖和凸轮下盖构成，汽缸体通过其上的固定孔固定在上框架和下框架之间，汽缸体上开有对称的滑板孔，滑板孔靠近外壳的一端设置有滑板孔螺母并与外壳相接，滑板孔的另一端设置有U形的滑板，在位于滑板和滑板孔螺母之间的滑板孔内还设置有滑板弹簧，凸轮设置在汽缸体内的电机主轴上并在电机主轴的带动下在汽缸体内作旋转运动从而使滑板作交替往复直线运动，凸轮的上、下方分别设置有与电机主轴相接并随凸轮一起运动的凸轮上盖和凸轮下盖。
进入气液分离筒的气体由导管依次流经外壳、汽缸体到上框架的环形进气室、再经凸轮上盖的进气口进入到汽缸体的内壁和凸轮的基圆部分围成的环形工作空间A内，气体在凸轮构件的作用下被压缩并依次从凸轮下盖的动排气口和下框架的静排气口排出，压缩气体最后从外壳顶部的出气孔排出。
凸轮上还设置有与汽缸体的内壁接触的密封片。使用密封片是为了降低加工精度，加强密封性能，延长使用寿命。密封片厚约3mm，滑出槽外最大长度不足1mm，不会折断，几何形状简单，材料选择余地较大。与汽缸壁接触面的直径等于缸径的一段圆弧曲面，依靠背面气体压力和离心力在槽内滑动，保持与汽缸壁和中型滑板圆弧曲面的接触，它的延长线可以贯通凸轮中心，自然也能贯通汽缸中心，其功能雷同贯通式滑板，与缸壁接触严密又能保持两者之间的油膜完整。密封片的运行轨迹是汽缸壁和中型滑板端面圆弧曲面互交的四条曲线。
上框架的顶部还设置有密封盖，密封盖与上框架的顶部围成上油池，电机主轴的下端部呈中空结构并与上油池相通，电机主轴的下端部伸入到储油池之中。
该双级压缩式凸轮压缩机其主要构件如下1)汽缸构件上、下框架均为带凸台的圆盘。外径等于压缩机外壳内径，两者紧密配合或焊接在一起。上、下框架中心是轴承孔。上框架凸台中间是一环形槽，为进气室，有进气管连接外部。下框架端面上开有两个相位差180度的扇形口，为静排气口。汽缸体内壁为光滑圆形直筒，端面有螺孔，固定于上、下框架之间。在中部水平相位差180位置上，开有两个对应的同心同径的中型滑板孔，并有油管同储油池连接。
2)汽缸的凸轮构件凸轮构件由电机主轴、凸轮、上、下凸轮端盖和密封片构成。电机主轴为厚壁空心轴，用以传递动力和输油，与汽缸同心装配。凸轮紧配合在电机主轴上(最好作成一体)，凸轮基圆直径等于缸径2/3，最大直径小于缸径1.2mm，工作曲线为修正梯形，对称线上开有一槽，内装密封片，高度等于凸轮高度和汽缸高度。修正梯形的上底即凸轮的远休止角，大于中型滑板两端与汽缸圆心的夹角，两个腰即为推、回程角，各50度左右。凸轮上、下端面盖均为圆环薄板，厚约4mm，直径略小于缸径，两者之间为油膜轴承式配合。上盖有一孔，为进气孔，同上框架上的进气室配合。下盖也有一孔，为动排气口，同下框架上的静排气口配合。两孔相位差132度，中间是密封片。上、下盖均配合在主轴上，并由螺栓固定在凸轮的两个端面。凸轮构件垂直穿过上、下框架的轴承孔装入汽缸，凸轮上盖的上面和凸轮下盖的下面卡在两个框架之间。这样凸轮基圆部分和上、下盖与汽缸壁之间就形成一个封闭的环形容积，并被凸轮的修正梯形部分及密封片分成两部分。凸轮上、下盖相当于旋转的汽缸盖，各有两个密封面。一面是径向于汽缸壁之间，受其约束(盖是配合在电机主轴上的，首先受轴承孔约束)，另一面是轴向于上、下框架之间。密封面之间既要密封，又要有运功间隙，所以必须强化润滑。上、下盖均在进油面有倒角，它与缸壁之间的空隙利于油的渗入和贮留，形成一个油环，用以密封汽缸。下盖上的动排气口在不排气时也能携带些油，强化凸轮下盖与下框架之间的密封和润滑。同时还应减小接触面之间的压力。凸轮上盖在进气室，进气压力作用在上盖上面的受力面积上，方向向下。整个旋转构件的重力向下。排气压力透过下框架上的扇形口，作用于凸轮下盖下面，产生向上的支撑力，两力之差即是摩擦压力。所以可以采取某些措施，增大或减小某方面的受力面积，使向下的力略大于向上的力。实际形成导管与滑板孔接触。凸轮下盖下面与下框架上面接触。而凸轮上盖上面与上框架下面、凸轮上盖下面与中型滑板竖板上面、凸轮下盖上面与中型滑板竖板下面均留出间隙，靠油膜密封，减少摩擦压力。凸轮的修正梯形部分相当作旋转运动的活塞，密封片相当活塞的气环。经配重平衡后，几何形状近似椭圆，转动惯量与之相近。压缩机的环形工作容积是与汽缸、凸轮同心环形，凸轮梯形部分的运动方向是基圆的切线方向，气体被压缩后产生的膨胀力作用于活塞表面，分解成法向力和切向力。法向力形成主轴对轴承孔的摩擦压力。切向力形成凸轮旋转的直接阻力。
3)中型滑板有两组。分别由导管和竖板、固定螺栓和弹簧等组成。导管前端面为圆弧曲面，管内装有弹簧，承受凸轮压力。导管前端面和径向两端开槽，竖板配合在槽内，再用螺栓与导管固定，承受气体压力。中型滑板整体水平装入汽缸体的滑板孔内，伸入缸内部分的竖板两个端面卡在凸轮两个端面的上、下盖之间。这样又把汽缸内的环形容积分成三部分。中型滑板径向靠凸轮和油压力、弹簧力作用，在汽缸壁到凸轮工作曲线之间往复运动。两个中型滑板分别受到的油压力和弹簧力之和相等，但滑板的竖板与凸轮曲线接触后，将汽缸内分隔成高低压气体区间。所以两个滑板端面实际受到的气体压力不同。因此产生的压力差，作用于凸轮周边，传递到主轴上，形成对轴承孔的摩擦压力，导致主轴沿轴承孔边缘做微小的偏心旋转。而间隙处有利于压力油渗入润滑。凸轮与中型滑板端面是圆弧曲面接触，润滑条件好，结构紧凑、压力角也小。中型滑板的运动规律为修正梯形，适应高速轻载。当密封片通过中型滑板圆弧曲面时，它因凸轮作用已后退，中心距汽缸壁不足1mm，两端已退到缸壁外，即它所形成的圆与汽缸壁所形成的圆相交，两个交点到汽缸圆心的距离正好等于汽缸半径，所以密封片通过中型滑板圆弧曲面时无冲击碰撞现象。
4)润滑系统由上油池、储油池、支撑架、电机轴、两个中型滑板孔、连接油管、若干油孔和油槽组成。上油池在上框架上面，储油池位于压缩机外壳底部，电机轴和两条从滑板孔伸出的油管伸入到储油池中的支撑架内。压缩机工作时，储油池中的油承受排气压力，一路进入空心电机轴，靠离心力从轴上油孔甩入上油池，由油孔进入凸轮盖的倒角处与汽缸壁之间的空隙，部分贮留，部分由盖与壁之间的径向间隙，沿壁进入汽缸，润滑各摩擦面，随排气一并喷射到支撑架上面，油重气轻，油因重力下落，回到储油池，高压气体减速上升，通过电机转子与定子的空隙时彻底分离油气。另一路由油管进入滑板孔，微量由孔及管的间隙进入汽缸，绝大部分随中型滑板后退流到储油池内。
本实用新型的双级压缩式凸轮压缩机其工作原理如下压缩机工作时，凸轮由电机主轴驱动旋转，凸轮基圆部分与汽缸壁之间形成环形工作容积，凸轮的梯形部分带动密封片沿环形工作容积接触汽缸壁滑动成为旋转滑块，密封环形容积的动态截面，凸轮工作曲线接触两个中型滑板圆弧端面滚动成为横断环形工作容积的往复运动滑块，密封环形容积的两个静态截面，上下面则由旋转的两个凸轮盖密封。密封片与后方滑板之间的容积不断增大，凸轮上盖的吸气口由环形进气室中吸入低压气体，密封片与前方滑板之间的容积不断缩小，其中的气体被压缩，当动排气口与静排气口重合时，压缩气体被排出缸外，分离时结束向缸外排气。压缩机没有进、排气阀。由前所述，容积系数为0.98。采用端面进、排气，阻力比周边进、排气大些，是影响压力系数的主要原因。温度系数在进气时同其它压缩机，计算排气温度时按混合气体温度。泄漏系数同其它压缩机。
压缩机向汽缸外排气结束后，汽缸内尚存部分高压气体，量与排气量相当。这部分气体以泄漏形式，对汽缸内另一密封容积中的低压气体膨胀做功，而不是像往复压缩机那样对活塞做功，因此这部分气体对容积系数的影响由压缩机工作时间决定，一般趋于0。同时在指示功率中，这部分气体只消耗压缩功，不再消耗排气功。
在工作过程中，压缩机先由机械做功，压缩低压气体的体积，达到高级压缩比，使气体压力上升到最初时的排气压力，排出汽缸外一部分，留下一部分，称为余隙高压气体。压缩机工作原理的特点在于利用高压气体自发向低压区域膨胀，不再消耗排出功，把余隙中高压气体引入到同一汽缸的另一个封闭空间内，对其中的低压气体膨胀做功。就是这个工作周期的余隙中高压气体膨胀过程参与下个工作周期的低压气体的压缩过程，让高低压气体混合。混合气体含有膨胀功，体积比低压气体小，比高压气体大，压力自然比低压气体高，比高压气体低。这样的结果，等于高压气体内的膨胀功——积存于余隙中的高压气体内的机械功一一实现了混合气体的初级压缩，其中节省了余隙高压气体的排气功。之后，再由机械做功，以初次相等的压缩比，压缩混和气体的体积，再次达到排气压力——这次要比第一次高——再排出汽缸外一部分，再留下一部分，做为下次实现初级压缩的能量，其中又因压缩比缩小减少了指示功率。在以后的循环过程中，初级压缩比按照一个公比小于1的等比数列无限增大，无限趋近这个数列的极限。20个工作周期之后，增大的绝对值就很小了，可以忽略，完全能够实用。由于高压气体膨胀减压同时也要降温，这就等于在两级压缩过程中有一个不完全的冷却过程。总的压缩比与双级压缩方式异工同曲，是膨胀功实现的压缩比和机械功实现的压缩比的乘积。虽然总的压缩量为此要增加，进气压力为此要提高，但是因为机械功实现的压缩比减小，余隙中高压气体自发膨胀不再消耗排气功等原因，指示功率在压缩比为4时要节省10％以上。在一定范围内，余隙中的高压气体量越大，指示功率越小。
本实用新型的双级压缩式凸轮压缩机与现有技术相比，所产生的有益效果是该压缩机采取了双级压缩方式，减少了指示功率，降低了制造精度和生产成本，有效地节约了能源。
附图1为本实用新型的剖面结构示意图；附图2为图1中汽缸的中心水平剖视结构示意图；附图3-1为图1中上框架的主视结构示意图；附图3-2为图3-1的A-A剖面结构示意图；附图4-2为图1中下框架的主视结构示意图；附图4-1为图4-2的B-B剖面结构示意图；附图5-11分别为图2中凸轮在汽缸体中的工作状态结构示意图。
图中，1-外壳，2-电机，3-接线盒，4-气液分离筒，5-电机主轴，6-上框架，7-下框架，8-支撑架，9-底座，10-储油池、11-汽缸体，12-凸轮，13-滑板，14-滑板弹簧，15-滑板孔螺母，16-凸轮上盖，17-凸轮下盖，18-滑板孔，19-油管，20-密封片，21-密封盖，22-上油池，23-导管，A-环形工作空间。
具体实施方式
以下结合附图1-11对本实用新型的双级压缩式凸轮压缩机作以下详细地说明。
如附图1、2、3-1、3-2、4-1、4-2所示，本实用新型的双级压缩式凸轮压缩机，其结构是由外壳1、电机2、接线盒3、气液分离筒4和压缩组件构成，电机2和接线盒3相连并一起固定在外壳1的内腔上端部，由电机主轴5带动的压缩组件设置在外壳1的内腔下端部并与设置在外壳1外侧的气液分离筒4相接，压缩组件是由上框架6、汽缸、下框架7和支撑架8构成，支撑架8固定在压缩机的底座9上并与底座9一起围成储油池10，下框架7固定在支撑架8上并和上框架6一起将汽缸固定，汽缸是由汽缸体11、凸轮12、滑板13、滑板弹簧14、滑板孔螺母15、凸轮上盖16和凸轮下盖17构成，汽缸体11通过其上的固定孔固定在上框架6和下框架7之间，汽缸体11上开有对称的滑板孔18，滑板孔18靠近外壳1的一端设置有滑板孔螺母15并与外壳1相接，滑板孔18的另一端设置有U形的滑板13，在位于滑板13和滑板孔螺母15之间的滑板孔18内还设置有滑板弹簧14，凸轮12设置在汽缸体11内的电机主轴5上并在电机主轴5的带动下在汽缸体11内作旋转运动从而使滑板13作交替往复直线运动，凸轮12的上、下方分别设置有与电机主轴5相接并随凸轮12一起运动的凸轮上盖16和凸轮下盖17。
进入气液分离筒4的气体由导管23依次流经外壳1、汽缸体11到上框架6的环形进气室、再经凸轮上盖16的进气口进入到汽缸体11的内壁和凸轮12的基圆部分围成的环形工作空间A内，气体在凸轮构件的作用下被压缩并依次从凸轮下盖17的动排气口和下框架7的静排气口排出，压缩气体最后从外壳顶部的出气孔排出。
凸轮12上还设置有与汽缸体11的内壁接触的密封片20。
上框架6的顶部还设置有密封盖21，密封盖21与上框架6的顶部围成上油池22，电机主轴5的下端部呈中空结构并与上油池22相通，电机主轴5的下端部伸入到储油池10之中。
如图5所示，此时，压缩机结束向缸外排气，凸轮推程角施力于中型滑板圆弧端面，汽缸内是三个被密封片与汽缸壁和两个滑板的竖板与凸轮近休止角接触密封分隔开的空间。其中，BC-吸气口，正在吸入低压气体，CA-未排出缸外的高压气体，AB-已吸满低压气体，并完成封闭。
如图6所示，随着凸轮旋转，推程角施力于A处的滑板圆弧端面之后，迫使滑板后退，连带竖板离开凸轮工作曲线，因为滑板圆弧端面到竖板两边缘上下方向无实物，所以在圆弧端面上下方向出现两条泄漏通路，A处的滑板不再有密封作用，这时密封片仍与缸壁接触运行，密封环形工作容积的动态截面(在凸轮远休止角未与中型滑板竖板接触之前，密封片会一直与缸壁接触运行。这是由于凸轮远休止角大于滑板圆弧端面两端与汽缸圆心夹角所决定的)。B处的滑板竖板与凸轮近休止角接触密封环形容积的一个静态截面。此时缸内变成两个密封容积，BC-正在吸气，C(A)B-(即CA和AB合成一体)高压气体由泄漏通路泄出与低压气体混合并被压缩中。
如图7所示，这个过程到凸轮远休止角与A处的滑板竖板接触、两条泄漏通路被封闭为止。凸轮转过50度(推程角50度)，A滑板后退9.4mm(凸轮基圆20mm，最大半径29.4mm)。
如图8、9所示，凸轮继续旋转，A处的滑板竖板与凸轮远休止角接触，密封环形容积的一个静态截面，B滑板竖板与凸轮近休止角接触，密封环形容积的另一个静态截面。汽缸内仍是两个密封容积，但变为B(C)A-正在吸气，AB-正在压缩。这一过程中，凸轮转过32度(远休止角)，A处滑板静止，密封片接触A处滑板圆弧端面运行，失去密封作用(即动态截面不能密封，功能由A处滑板竖板与凸轮远休止角接触密封一个静态截面替代)，逐渐缩回槽内，滑过A处的滑板圆弧端面，经其中心后，又逐渐伸出，到重新接触缸壁为止。
如图10所示，这个过程中有容积损失，量可以近似的认为凸轮远休止角与汽缸壁之间的夹缝中的容积，再乘以此时气体的压缩比。按后面的实例估算，排气量为此减少2％，即容积系数为0.98。凸轮继续旋转，密封片重新接触缸壁运行，恢复密封环形容积动态截面的功能，A处滑板竖板离开凸轮远休止角，再次失去密封作用，B处的滑板情况不变，缸内仍是两个密封容积，但又变为CB-正在压缩，B(A)C-正在吸气。这一过程中，A处的滑板向缸内运动，施力于凸轮回程角。
如图11所示，吸气口逐渐走出B(A)C空间，A处的滑板竖板接触凸轮近休止角，把B(A)空间分隔成BA和AC两个空间。这时，缸内重新形成三个密封空间。CB-正在压缩，BA-以吸满低压气体并完成封闭，AC-正在吸气。
随着凸轮推远回近四个角度与中型滑板位置的变化，缸内密封空间的个数按3-2-2-2……循环变化，意义在于不增大汽缸容积条件下，压缩更多的气体，密封片与缸壁之间的机械磨损和凸轮工作曲线与中型滑板之间的机械磨损均可自动补偿。
本实用新型的双级压缩式凸轮压缩机其加工制作简单方便，按说明书附图所示加工制作即可。
除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。
权利要求1.双级压缩式凸轮压缩机，包括外壳(1)、电机(2)、接线盒(3)、气液分离筒(4)和压缩组件，电机(2)和接线盒(3)相连并一起固定在外壳(1)的内腔上端部，由电机主轴(5)带动的压缩组件设置在外壳(1)的内腔下端部并与设置在外壳(1)外侧的气液分离筒(4)相接，其特征在于，压缩组件是由上框架(6)、汽缸、下框架(7)和支撑架(8)构成，支撑架(8)固定在压缩机的底座(9)上并与底座(9)一起围成储油池(10)，下框架(7)固定在支撑架(8)上并和上框架(6)一起将汽缸固定，汽缸是由汽缸体(11)、凸轮(12)、滑板(13)、滑板弹簧(14)、滑板孔螺母(15)、凸轮上盖(16)和凸轮下盖(17)构成，汽缸体(11)通过其上的固定孔固定在上框架(6)和下框架(7)之间，汽缸体(11)上开有对称的滑板孔(18)，滑板孔(18)的一端设置有与外壳(1)相接的滑板孔螺母(15)，滑板孔(18)的另一端设置有在其内做直线往复运动的滑板(13)，在位于滑板(13)和滑板孔螺母(15)之间的滑板孔(18)内还设置有滑板弹簧(14)，凸轮(12)设置在汽缸体(11)内的电机主轴(5)上，凸轮(12)的上、下方分别设置有与电机主轴(5)相接并随凸轮(12)一起运动的凸轮上盖(16)和凸轮下盖(17)。
2.根据权利要求1所述的双级压缩式凸轮压缩机，其特征在于进入气液分离筒(4)的气体由导管(23)依次流经外壳(1)、汽缸体(11)到上框架(6)的环形进气室、再经凸轮上盖(16)的进气口进入到汽缸体(11)的内壁和凸轮(12)的基圆部分围成的环形工作空间A内，气体在凸轮构件的作用下被压缩并依次从凸轮下盖(17)的动排气口和下框架(7)的静排气口排出，压缩气体最后从外壳顶部的出气孔排出。
3.根据权利要求1所述的双级压缩式凸轮压缩机，其特征在于凸轮(12)上还设置有与汽缸体(11)的内壁接触的密封片(20)。
4.根据权利要求1所述的双级压缩式凸轮压缩机，其特征在于滑板孔(18)和储油池(10)之间通过油管(19)相连通。
5.根据权利要求1所述的双级压缩式凸轮压缩机，其特征在于上框架(6)的顶部还设置有密封盖(21)，密封盖(21)与上框架(6)的顶部围成上油池(22)，电机主轴(5)的下端部呈中空结构并与上油池(22)相通，电机主轴(5)的下端部伸入到储油池(10)之中。
专利摘要本实用新型提供一种双级压缩式凸轮压缩机，属于气体压缩设备领域，其结构是由外壳、电机、接线盒、气液分离筒和压缩组件构成，电机和接线盒相连并一起固定在外壳的内腔上端部，由电机主轴带动的压缩组件设置在外壳的内腔下端部并与设置在外壳外侧的气液分离筒相接，压缩组件利用压缩气体自发膨胀的特性，把余隙中高压气体引入同汽缸另一密封空间内，对其中低压气体膨胀做功，再由活塞对混合气体做功，能量交换和机械做功连成一体，实现了双级压缩，压缩比为4时可以节省指示功率10％以上，是一种用于空调制冷的全封闭压缩机。
文档编号F04C18/356GK2767709SQ20052008001
公开日2006年3月29日 申请日期2005年1月14日 优先权日2005年1月14日
发明者战旗 申请人:战旗