一种双作用自由活塞式膨胀-压缩机组的制作方法

专利名称：一种双作用自由活塞式膨胀-压缩机组的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种膨胀一压縮机组，特别涉及一种双作用自由活塞式膨胀 —压縮机组，属于制冷低温技术领域中能量回收装置。
背景技术：
活塞式膨胀机构作为用来制取冷量的低温机械已被广泛应用于低温领 域，如氢、氦液化，空气分离等。在制冷领域，随着蒙特利尔协议的签订，
传统的CFCs和HCFCs类工质由于其对臭氧层的破坏作用和温室效应正在被逐 步淘汰，空调行业正面临着开发替代物的挑战，鉴于新型化合物替代物同样 会隐含着不可预知的危害，人们将注意力集中在自然制冷工质上，其中具有
优良的环保特性和良好的流动、传热性能的C02成为全球范围内最受重视的热 点。由于C02跨临界制冷循环中压差较大，采用节流方式所引起的不可逆损失 大，其COP (性能系数)远低于传统制冷循环。为了提高有效能的利用率，改 善循环性能，可采用膨胀机构来替代循环中的节流阀。活塞式膨胀机构由于 其优良的密封性能，在高压和小流量情况下，其效率仍高于透平式和回转式
膨胀机构。因此活塞式膨胀机构在C02跨临界制冷循环中有着巨大的竞争力。
申请人在申请号为200410073276.9的专利申请中，公开了一种单作用的 自由活塞式膨胀一压縮机组，采用机械弹簧来控制活塞往复运动，但是由于 机械弹簧本身作用有限，使得该膨胀一压縮机组在压差过大或者过小时不能 正常工作，机组适应的工况范围很窄，并且存在机械弹簧的疲劳问题。

发明内容
本发明为了解决上述单作用自由活塞式膨胀一压縮机组中存在的活塞硬
碰撞和不能连续稳定往复运动的问题，提供了一种双作用自由活塞式膨胀一 压縮机组，该机组运动部件之间采用浮动连接方式，可以补偿活塞的磨损。 为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的 一种双作用自由活塞式膨胀一压縮机组，包括两个左、右对称的缸体， 左、右缸体内分别设置左、右膨胀机活塞和左、右压縮机活塞；左、右膨胀 机活塞分别与左、右缸体围成左、右膨胀腔，形成左、右膨胀机构；左、右 压縮机活塞分别与左、右缸体围成左、右压縮腔，形成左、右压縮机构；左、 右膨胀机活塞分别与左、右压縮机活塞相连，构成左、右活塞杆；所述的左、 右缸体内分别开有左、右吸气孔和左、右排气孔连通左、右膨胀腔，并且左、 右缸体内分别设置有吸气和排气控制机构；其特征在于，所述的左膨胀机构 和左压縮机构共用左缸体；右膨胀机构和右压縮机构共用右缸体；所述的左 膨胀机活塞和右膨胀机活塞对称的与一个配重活塞浮动联接；该配重活塞设 置在中间缸体内，中间缸体将左缸体和右缸体连接在一起；所述左、右活塞 杆和配重活塞同轴。
上述方案中，所述的浮动连接，是左、右膨胀机活塞的尾部分别通过左、 右压盖固定在配重活塞的空腔内，同时在轴向和径向均与空腔的内壁留有微 小间隙，补偿左、右活塞杆的磨损，并在左、右活塞杆和配重活塞的同轴度不 能保证的条件下调整三者的同轴度。
所述的吸气控制机构包括分别设置在左、右缸体内的左、右吸气滑杆头， 左、右吸气滑杆头由穿过配重活塞的吸气控制连杆连接组成吸气控制滑杆， 吸气控制滑杆平行设置于配重活塞的下方，并可在配重活塞的带动下在中间 缸体内往复运动；在左、右吸气滑杆头上分别开有左、右吸气环槽，左、右 吸气环槽轴向之间的距离小于所述左、右吸气孔轴向之间的距离。
所述的排气控制机构包括分别设置在左、右缸体内的左、右排气滑杆头， 左、右排气滑杆头由穿过配重活塞的排气控制连杆连接组成排气控制滑杆， 排气控制滑杆平行设置于配重活塞的上方，并可在配重活塞的带动下在中间 缸体内往复运动；在左、右排气滑杆头上分别开有左、右排气环槽，左、右
排气环槽轴向之间的距离大于所述左、右排气孔轴向之间的距离。
此外，本发明还可包括对称安装在左、右压縮机构两侧的左、右余隙容 积调节机构，其中的左余隙容积调节机构包括阀座，阀座与左端盖固定连接，
左端盖与左缸体固定连接，阀座内套有阀杆，阀杆上连接有阀柄；旋转阀柄，
可通过阀座上的内螺纹和阀杆上的外螺纹的配合调节阀杆在左缸体内运动，
阀杆头部和左压縮机活塞头部之间形成左压縮机构余隙容积；右余隙容积调
节机构的结构与所述的左余隙容积调节机构的结构相同。
本发明的有益效果在于，由于本发明采用双作用结构，利用两个膨胀机
构工作腔和两个压縮机构工作腔内气体压力的变化，使活塞进行往复运动，
避免了单作用自由活塞式膨胀一压縮机组中存在的活塞硬碰撞和不能连续稳
定往复运动的问题；同时为该机组的膨胀机构部分提供了一种新型的进、排
气控制方式，省去了现在的往复式活塞膨胀机构使用的曲柄连杆机构，结构
简单；该机组的运动部件之间采用浮动连接方式，可以补偿活塞的磨损,并在 ;云^!却/fct^ i句的问tti奋T台&Y吴";Ti:的各/出nc白；仏'困凍夂甘向jWi虔.ifc日眾田了一
种新的余隙容积调节机构，即调阀，使该机组能有效的进行流量及能量的调 节。


图l、 2、 3均为本发明的结构示意剖面图，其中图l所示为运动部件所 处左止点位置；图2所示为运动部件所处中间位置；图3所示为运动部件所 处右止点位置。
图4是图1左膨胀机构下方的吸气控制机构局部立体图。 图5是图1右膨胀机构上方的排气控制机构局部立体图。 图6是吸、排气孔开闭状态与膨胀机构行程对应关系示意图。 图中，1.左缸体；2.中间缸体；3.右缸体；4a、 4b.左膨胀机活塞、 左压縮机活塞；5a、 5b.右膨胀机活塞、右压縮机活塞；6.配重活塞；7a、 7b、 7c.左吸气滑杆头、吸气控制连杆、右吸气滑杆头；8a、 8b、 8c.左排
气滑杆头、排气控制连杆、右排气滑杆头；9.左吸气环槽；10.右吸气环槽; 11.左吸气孔；12.右吸气孔；13.左排气环槽；14.右排气环槽；15.左 排气孔；16.右排气孔；17.左端盖；18.阀座；19.阀柄；20.阀杆；21.左 压盖；22.右压盖。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明的结构和工作原理作进一步的详细说明。
如图1 图3所示， 一种双作用自由活塞式膨胀一压縮机组，包括两个左、 右对称的缸体1、 3，左、右缸体1、 3内分别设置左、右膨胀机活塞4a、 5a 和左、右压縮机活塞4b、 5b;左、右膨胀机活塞4a、 5a分别与左、右缸体l、 3围成左、右膨胀腔A 、 B，形成左、右膨胀机构；左、右压縮机活塞4b、 5b分别与左、右缸体l、 3围成左、右压縮腔C、 D，形成左、右压縮机构； 左、右膨胀机活塞4a、 5a分别与左、右压縮机活塞4b、 5b相连，构成左、右 活塞杆；所述的左、右缸体1、 3内分别幵有左、右吸气孔11、 12和左、右 排气孔15、 16连通左、右膨胀腔A 、 B，并且左、右缸体1、 3内分别设置 有吸气和排气控制机构；其特征在于，所述的左膨胀机构和左压縮机构共用 左缸体1;右膨胀机构和右压縮机构共用右缸体3;所述的左膨胀机活塞4a 和右膨胀机活塞5a对称的与一个配重活塞6浮动连接；该配重活塞6设置在 中间缸体2内，中间缸体2将左缸体1和右缸体3连接在一起；所述左、右 活塞杆和配重活塞6同轴。
如图l、图4、图5所示，本装置还包括吸气和排气控制机构，吸气控制 机构包括分别设置在左、右缸体l、 3内的左、右吸气滑杆头7a、 7c，左、右 吸气滑杆头7a、7c由穿过配重活塞6的吸气控制连杆7b连接组成吸气控制滑 杆，吸气控制滑杆平行设置于配重活塞6的下方，并可在配重活塞6的带动 下在中间缸体2内往复运动；在左、右吸气滑杆头7a、 7c上分别开有左、右 吸气环槽9 、 10，左、右吸气环槽9 、 10轴向之间的距离小于所述左、右
吸气孔ll、 12轴向之间的距离。排气控制机构包括分别设置在左、右缸体l、 3内的左、右排气滑杆头8a、 8c，左、右排气滑杆头8a、 8c由穿过配重活塞 6的排气控制连杆8b连接组成排气控制滑杆，排气控制滑杆平行设置于配重 活塞6的上方，并可在配重活塞6的带动下在中间缸体2内往复运动；在左、 右排气滑杆头8a、 8c上分别开有左、右排气环槽13、 14，左、右排气环槽13、 14轴向之间的距离大于所述左、右排气孔15、 16轴向之间的距离。
本装置还包括对称安装在左、右压縮机构两侧的左、右余隙容积调节机 构，其中的左余隙容积调节机构包括阀座18，阀座18与左端盖17固定连接， 左端盖17与左缸体1固定连接，阀座18内套有阀杆20，阀杆20上连接有阀 柄19;旋转阀柄19，可通过阀座18上的内螺纹和阀杆20上的外螺纹的配合 调节阀杆20在左缸体1内运动，阀杆20头部和左压縮机活塞4b头部之间形 成左压縮机构余隙容积；右余隙容积调节机构的结构与所述的左余隙容积调 节机构的结构相同。
该机组开始工作时，假设左、右活塞杆，配重活塞6均位于其左止点位 置，如图l，此时吸、排气控制滑杆也位于其左止点处，左吸气环槽9与左吸 气孔11相对，左吸气孔11开启，右吸气环槽10未与右吸气孔12相对，右 吸气孔12关闭，左排气孔15关闭，右排气孔16开启，高压气体通过左吸气 孔ll、左吸气环槽9进入左膨胀机构工作腔A，在高压气体力的作用下，左 活塞杆推动配重活塞6和右活塞杆同时向工作腔A、 C容积增加，工作腔B、 D容积减小的方向运动，左膨胀机构吸气，右膨胀机构排气，右压縮机构压 缩，左压縮机构进入余隙膨胀过程，当左压縮机构工作腔C内的压力低于设 定的压縮机构吸气压力时，左压縮机构开始吸气，当左压縮机活塞4b运动到 一定位置时，左吸气孔11逐渐被左压縮机活塞4b封住，左膨胀机构吸气过 程结束，如图2。
在左膨胀机构工作腔A内高压气体的作用下，左活塞杆、配重活塞6和 右活塞杆继续前进，左膨胀机构进入膨胀过程，左膨胀机构工作腔A内气体 压力开始下降，右膨'胀机构继续排气，左压縮机构继续吸气，右压縮机构工作腔D内的气体继续被压縮，直到达到设定的排气压力时，右压縮机构进入 排气过程，当作用于左、右活塞杆上的轴向合力与其运动方向相反时，左、
右活塞杆和配重活塞6进入减速运动过程，接近配重活塞6的右止点时，右 膨胀机构吸气环槽10与右吸气孔12相对，右吸气孔12开启，同时，左排气 孔15开启，右排气孔16关闭，左膨胀机构膨胀过程结束，右膨胀机构排气 过程结束，左压缩机构吸气过程结束，右压縮机构排气过程结束，左膨胀机 构工作腔A内的高压气体或液体变为低压气体或气液两相流体，如图3。
此时，由于右膨胀机构吸气孔12开启，高压气体进入右膨胀机构工作腔 B中，左、右活塞杆和配重活塞6在右膨胀机构工作腔B和右压縮机构工作 腔D内残余高压气体力的作用下，开始朝着工作腔A、 C减小，工作腔B、 D 增加的方向运动，左膨胀机构进入排气过程，左膨胀机构工作腔A内低压气 体或气液两相流体通过左排气环槽13、左排气孔15排出，同时右膨胀机构开 始吸气，左压縮机构幵始压縮，右压縮机构进入余隙膨胀过程，右压縮机构 工作腔D内气体压力降低，当低于设定的吸气压力时，右压縮机构开始吸气 过程。由于该结构的对称性，此时左膨胀机构工作腔A内的工作过程完全重 复右膨胀机构工作腔B排气的过程，右膨胀机构工作腔B内的工作过程完全 重复左膨胀机构工作腔A吸气、膨胀的过程，左压縮机构工作腔C内的工作 过程完全重复右压縮机构工作腔D压縮、排气的过程，右压縮机构工作腔D 内的工作过程完全重复左压縮机构工作腔C余隙膨胀、吸气的过程。当左、 右活塞杆，配重活塞6，吸气和排气控制滑杆同时运动到其左止点时，左吸气 孔H开启，右吸气孔12关闭，左排气孔15关闭，右排气孔16开启，各部 件均回到初始位置，机组开始进入下一循环，如图l。
图6中，显示的是吸气和排气孔开闭状态与膨胀机构和压縮机构行程对 应关系的示意图。
左、右活塞杆和配重活塞6向工作腔A、 C容积增加，工作腔B、 D容积 减小的方向运动过程中，左吸气孔ll开启，左排气孔15关闭时，左膨胀机 构为吸气行程；左吸气孔11关闭，左排气孔15状态维持不变，膨胀机构吸气通道切断，膨胀机构进入膨胀行程；左压縮机构余隙膨胀行程和吸气行程 与其设定的吸气压力有关，高于吸气压力时为余隙膨胀行程，低于吸气压力 时为吸气行程。左膨胀机构到达止点后，左、右活塞杆和配重活塞6开始向 工作腔A、 C减小，工作腔B、 D增加的方向运动，整个过程中左吸气孔ll 始终关闭，膨胀机构吸气通道切断，左排气孔15始终开启，膨胀机构为排气 行程。左压縮机构的压縮行程和排气行程与其设定的排气压力有关，低于排 气压力时为压縮行程，高于排气压力时为排气行程；由于该结构的对称性， 右膨胀机构和右压缩机构的孔开闭状态与行程对应关系与左膨胀机构和左压 缩机构分别完全相同，只是时间上延迟半个周期。
通过旋转阀柄19，可以调节阀杆20在左缸体1 (或右缸体3)内左右运
动从而调节压縮机构余隙容积的大小，进而改变了机组的流量大小，同时保 证膨胀机构的输出功改变时，压缩机构的功耗与膨胀机构输出的功相匹配。
本发明双作用自由活塞式膨胀一压縮机组主要应用领域有在压縮一冷 凝式制冷方法中，替代节流阀，增加制冷量，并回收膨胀功，提高制冷机组 的性能系数，如传统氟利昂制冷系统，新型跨临界C02制冷系统，以及以空气 为工质的制冷系统等；该机组也可以应用到低品味热源回收装置中。
权利要求
1.一种双作用自由活塞式膨胀-压缩机组，包括两个左、右对称的缸体(1、3)，左、右缸体(1、3)内分别设置左、右膨胀机活塞(4a、5a)和左、右压缩机活塞(4b、5b)；左、右膨胀机活塞(4a、5a)分别与左、右缸体(1、3)围成左、右膨胀腔(A、B)，形成左、右膨胀机构；左、右压缩机活塞(4b、5b)分别与左、右缸体(1、3)围成左、右压缩腔(C、D)，形成左、右压缩机构；左、右膨胀机活塞(4a、5a)分别与左、右压缩机活塞(4b、5b)相连，构成左、右活塞杆；所述的左、右缸体(1、3)内分别开有左、右吸气孔(11)、(12)和左、右排气孔(15)、(16)连通左、右膨胀腔(A、B)，并且左、右缸体(1、3)内分别设置有吸气和排气控制机构；其特征在于，所述的左膨胀机构和左压缩机构共用左缸体(1)；右膨胀机构和右压缩机构共用右缸体(3)；所述的左膨胀机活塞(4a)和右膨胀机活塞(5a)对称的与一个配重活塞(6)浮动连接；该配重活塞(6)设置在中间缸体(2)内，中间缸体(2)将左缸体(1)和右缸体(3)连接在一起；所述左、右活塞杆和配重活塞(6)同轴。
2. 根据权利要求l所述的双作用自由活塞式膨胀一压縮机组，其特征在 于，所述的浮动连接，是左、右膨胀机活塞(4a、 5a)的尾部分别通过左、右 压盖(21、 22)固定在配重活塞(6)的空腔内，同时在轴向和径向均与空腔的内 壁留有微小间隙，补偿左、右活塞杆的磨损，并在左、右活塞杆和配重活塞(6) 的同轴度不能保证的条件下调整三者的同轴度。
3. 根据权利要求l所述的双作用自由活塞式膨胀一压縮机组，其特征在 于，所述的吸气控制机构包括分别设置在左、右缸体(l、 3)内的左、右吸气 滑杆头(7a、 7c)，左、右吸气滑杆头(7a、 7c)由穿过配重活塞(6)的吸气控制连 杆(7b)连接组成吸气控制滑杆，吸气控制滑杆平行设置于配重活塞(6)的下方， 并可在配重活塞(6)的带动下在中间缸体(2)内往复运动；在左、右吸气滑杆头 (7a、 7c)上分别开有左、右吸气环槽(9 、 10)，左、右吸气环槽(9 、 10)轴向 之间的距离小于所述左、右吸气孔(ll)、 (12)轴向之间的距离。
4. 根据权利要求1所述的双作用自由活塞式膨胀一压縮机组，其特征在于，所述的排气控制机构包括分别设置在左、右缸体(l、 3)内的左、右排气滑杆头(8a、 8c)，左、右排气滑杆头(8a、 8c)由穿过配重活塞(6)的排气控制连 杆(8b)连接组成排气控制滑杆，排气控制滑杆平行设置于配重活塞(6)的上方， 并可在配重活塞(6)的带动下在中间缸体(2)内往复运动；在左、右排气滑杆头 (8a、 8c)上分别开有左、右排气环槽(13、 14)，左、右排气环槽(13、 14)轴向 之间的距离大于所述左、右排气孔(15)、 (16)轴向之间的距离。
5.根据权利要求1~4任一所述的双作用自由活塞式膨胀一压缩机组， 其特征在于，还包括对称安装在左、右压縮机构两侧的左、右余隙容积调节 机构，其中的左余隙容积调节机构包括阀座(18)，阀座(18)与左端盖(17调定 连接，左端盖(17)与左缸体(1)固定连接，阀座(18)内套有阀杆(20)，阀杆(20) 上连接有阀柄(19);旋转阀柄(19)，可通过阀座(18)上的内螺纹和阀杆(20)上 的外螺纹的配合调节阀杆(20)在左缸体(1)内运动，阀杆(20)头部和左压縮机活 塞(4b)头部之间形成左压縮机构余隙容积；右余隙容积调节机构的结构与所 述的左余隙容积调节机构的结构相同。
全文摘要
本发明公开了一种双作用自由活塞式膨胀-压缩机组，包括对称的两个膨胀机构、压缩机构、吸气和排气控制机构。膨胀机构与压缩机构共用一个缸体，本发明采用双作用结构，通过左右对称的两个膨胀机构活塞受力的变化使其往复运动，避免了单作用自由活塞式膨胀-压缩机组中存在的活塞硬碰撞和不能连续稳定往复运动的问题；同时运动部件之间采用浮动连接方式，可以补偿活塞的磨损，并在运动部件之间的同轴度不能保证的条件下自动调整其同轴度；该机组的膨胀机构部分采用了一种新型的进、排气控制方式，省去了现在的往复式活塞膨胀机构使用的曲柄连杆机构，结构简单；并且采用了一种新的余隙容积调节机构，使该机组能有效的进行流量及能量的调节。
文档编号F04B35/00GK101182837SQ20071018842
公开日2008年5月21日 申请日期2007年11月30日 优先权日2007年11月30日
发明者何志龙, 刁安娜, 刘博想, 彭学院, 束鹏程, 邢子文 申请人:西安交通大学