一种高效的往复式气体压缩机的制作方法

本发明涉及压缩机技术领域，尤其是涉及一种高效往复式气体压缩机。

背景技术：

作为将机械能转换成气体压力能的一种动力装置，图1给出的是最为基本的往复式气体压缩机的结构示意图，曲轴的旋转运动，通过活塞杆6＇成为活塞5＇的直线往复运动。进气阀座1＇及排气阀座3＇中的阀片，通常是以阀片上下两面的压差随活塞5＇上下运动时适时关闭或者开启，这样由缸盖2＇、气缸套4＇以及活塞5＇围成一个体积(V)及压力(P)周期变化的空间，空间的大小或者变化可在P-V图中予以表示，活塞5＇上下往复一次，即一个工作循环，就对应P-V图中一个封闭的四边形。如图二所示，四边形ABCD中的A点是上一个工作循环的终点，也是下一个循环的始点，即对应于图1中的活塞5＇上行至最高点，在压缩机运行过程中不允许有活塞5＇碰撞缸盖2＇的可能，即往复式气体压缩机的每一个工作循环排气终了时，活塞5＇与缸盖2＇之间留有少许间隙，这间隙就存有少量压力为排气压力P₂的气体，随活塞5下行，残留在缸内压力为P₂的气体开始膨胀，直至压力下降至B点，即缸内压力与进气系统的压力相等，这一阶段称膨胀阶段，这一阶段进排气阀座均处于关闭状态，活塞扫过的体积就为V_B-V_A。

活塞继续下行，缸内压力稍低于进气系统的压力P₁，进气阀座自动开启，进气系统的气体进入工作缸内至C点，即活塞下行的终点，这一阶段称为吸气阶段，这一阶段排气阀座始终关闭，吸入的体积为V_C-V_B，活塞也不做功，另外V_C-V_A是活塞全程扫过的体积。

活塞经C点后开始上行至D点，V_C-V_D是活塞对缸内气体由P₁压缩至P₂扫过的体积，这一阶段为压缩阶段，这一阶段进排气阀座均处于关闭状态，这一阶段活塞对缸内气体是需要做功的，其做功W的计算公式为：

式中P₁·(V_C-V_B)及P₂/P₁是反映该压缩机的两个重要性能指标，前者P₁·(V_C-V_B)是该机在P₁状态下输送能力，即V_C-V_B，而P₂/P₁反映的是该机压缩比。显然输送量越大，消耗功率也大，同样P₂/P₁越大，则所消耗的功率也越大，如P₂/P₁趋近1，则由上式可以看出，其所消耗的功就接近零。式中K为多变指数，压送某确定组分的气体就对应一个确定的K值。

活塞继续上行，因缸内气体压力已经达到P₂，排气阀门开启，这一阶段为排气阶段，这个阶段于活塞上行到最高点时结束。排气的体积为V_D-V_A，同时活塞与缸盖之间留有少量体积压力为P₂的气体就进入下一个工作循环，需说明的是这一阶段，活塞将气体通过排气阀座压入排气系统时需消耗一部分功率。

以上描述了往复式气体压缩机运行中其工作循环对应在P-V图上的一个四边形ABCD，作了简要说明，同时也述及功率消耗主要发生在压缩阶段，并给出计算式(1)。

同时，一个工作循环在P-V图上只能对应一个四边形，且四边形面积越大，所耗的功也就越大，除式(1)外还给出排气温度与压缩比之间的关系。

从上式(1)和(2)可以看出，压缩比P₂/P₁越大，所耗费功率也越大，排气温度也越高，反之，压缩比越小，如当P₁趋近P₂时，所耗外功趋近零，排气温度也接近进气温度。

图三中四边形ABCD和四边形AB＇C＇D＇是同一台往复式压缩机压送同一组分的气体，且排气压力相等的两个不同工况，四边形AB＇C＇D＇的进气压力P₁＇大于四边形ABCD的进气压力P₁，显然四边形ABCD的面积大于四边形AB＇C＇D＇的面积，即四边形ABCD所耗费的功率应大于四边形AB＇C＇D＇的功率，因为是同一台压缩机，这两个四边形活塞全程扫过的体积就应相等，即V_C-V_A＝V_C＇-V_A，出口压力压力相等，所以各自的排气阀DA与D＇A是重叠在一个水平线上，且D＇A大于DA，从图3可得：

D＇A＝DA+D＇D

即V_D＇-V_A＝(V_D-V_A)+(V_D＇-V_D)

其中，V_D＇-V_A是四边形A＇B＇C＇D＇工况下，将压力为P₁＇、体积为V_C＇-V_A的气体压缩至P₂的压力排出，其量为V_D＇-V_A。

V_D-V_A是四边形ABCD工况下，将压力P₁体积为V_C-V_A的气体压缩至P₂的压力排出，其量为V_D-V_A。V_D＇-V_D是上述二个不同工况下，以压力P₂排出的体积之差。

现一台与图三相同性能的压缩机，设定的运行工况为图三中四边形ABCD，这样正常运行时，该机应重复四边形ABCD下运行。在压缩阶段缸内的压力低于排气腔的压力，现如对该压缩机仅在压缩阶段时通过某特定技术手段将排气腔内压力为P₂的气体引入到工作缸内，如引入的量为图三中V_D＇-V_D与已在缸内的压力为P₁的气体混合后，应等同四边形AB＇C＇D＇，吸入阶段结束时对缸内的气体压力为P₁＇而不是四边形ABCD中的吸入阶段结束时的P₁，在压缩阶段发生在缸内的是将P₁＇气体压缩至P₂，而不是四边形ABCD中P₁压缩至P₂。排气阶段经排气阀座排出的量是V_D＇-V_A，而排气腔内得到的扣除在压缩阶段所注入的，最终得到的仍是四边形ABCD中所示的V_D-V_A的量。这样对于往复式压缩机，在其运行中的每一个工作循环，如能在压缩阶段时，将排气系统压力为P2的气体引入到工作缸内，这样真实发生在缸内的压缩比小于原设定的压缩比，就减少了原所需功耗，还能保证原设定的性能不发生变化。

通过以上分析可知，本发明前往复式压缩机运行时，活塞每一次往复就对应在P-V图唯一的一个四边形，其压缩阶段的压缩比就是排气腔的压力与进气腔的压力之比，且活塞与缸顶部之间没有任何发生关联的零部件。

技术实现要素：

本发明的目的在于改变现有技术中往复式气体压缩机工作腔部分的结构，在保证原工况不变的条件下，使真实发生在气缸内的压缩比小于原设定的压缩比，从而降低功耗以及排气温度，采用的技术方案是：一种高效的往复式气体压缩机，包括机身、工作腔部分、传动部分和辅助部分，所述工作腔部分包括气缸，所述气缸包括缸体和缸盖，所述缸盖上设有进气阀和排气阀，活塞位于所述缸体内且在活塞杆带动下沿缸体内壁往复运动，所述活塞杆与传动部分连接，其特征在于：所述工作腔部分还包括排气腔，所述排气腔底部为所述缸盖，还包括设在所述缸盖上的注气阀，当所述活塞上行进入压缩阶段时，所述注气阀在注气阀开闭部件带动下打开，将排气腔内的气体注入所述缸体内。

本发明的技术特征还有：所述排气腔的顶部为大盖。

本发明的技术特征还有：所述注气阀开闭部件包括与所述活塞连接、且穿过所述排气阀轴套的连同杆，所述连同杆背离所述活塞的一端设拨动部件，还包括于所述拨动部件配合使用的注气阀阀瓣打开机构。

本发明的技术特征还有：所述注气阀开闭部件包括与所述活塞连接、且穿过缸盖轴套的连同杆，所述连同杆背离所述活塞的一端设拨动部件，还包括于所述拨动部件配合使用的注气阀阀瓣打开机构。

本发明的技术特征还有：所述注气阀阀瓣打开机构包括与注气阀阀瓣连接的注气阀阀杆，所述阀杆与连接件铰接，所述连接件与被动杆连接，所述被动杆一端连接被动杆支座上，另一端与所述拨动部件相配合。

本发明的技术特征还有：所述被动杆包括可相对运动的被动杆主杆和被动杆副杆，所述被动杆主杆与所述被动杆支座连接，所述被动杆副杆设与所述拨动部件配合的端部。

本发明的技术特征还有：所述被动杆主杆与被动杆副杆之间设有扭转弹簧。

本发明的技术特征还有：所述被动杆主杆与被动杆支座之间设有拉簧和压簧。

本发明的有益效果在于：

1)在保证性能不变的前提下，即流量及排气量不变的条件下，使实际发生在压缩过程中的压缩比，小于原先需设定的压缩比，则所耗费功率低了，即提高了效率。

2)原设定一台中，高压往复式压缩机，需多级压缩，结构复杂，投资较大，使用本发明可有选择的对其中某级压缩比提高，这样从整体上的设计就可能比原设计少一级或者二级压缩。

3)采用本发明，不仅提高了效率，因降低实际压缩比中的压缩比，也降低了排气温度，有利于使用寿命的提升。

附图说明

附图1是现有技术中气体压缩机原理示意图，附图2是P-V图，附图3是同一往复式气体压缩机两种不同工况下P-V图，附图4是现有技术中排气阀安置在气缸顶部的一种结构，

附图5是本发明实施例一结构示意图，附图6-10是实施例一中各个不同动作瞬间位置示意图，附图11是排气阀阀盖结构示意图，附图12是附图10的俯视图，附图13是本发明实施例二。其中：

1＇是进气阀，2＇是缸盖，3＇是排气阀，4＇是气缸套，5＇是活塞，6＇是活塞杆。

1"是大盖，2"是安全弹簧，3"是螺栓，4"是螺母，5"是排气阀阀盖，6"是排气阀弹簧，7"是排气阀阀座，8"是排气阀阀片，9"是机体，10"是吸气阀片，11"是缸套，12"是活塞，13"是活塞环，14"是吸气阀座，15"是排气阀。

1是小盖，2是大盖，3是安全弹簧，4是弹簧座，5是拨动环，6是连同杆，7是螺栓，8是螺帽，9是大垫，10是排气阀阀盖，11是排气阀，12是排气阀阀片，13是排气阀阀座，14是活塞，15是轴套，16是注气阀，17是注气阀阀杆，18是注气阀阀体，19是注气阀阀瓣，20是注气阀弹簧，21是气缸套，22是排气阀弹簧，23是被动杆支座，24是拉簧，25是压簧，26是小轴，27是被动杆主杆，28是连接件，29是扭转弹簧，30是被动杆副杆，31是罩盖，32是缸盖，33是缸套。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明。在本发明之前，往复式气体压缩机运行时，活塞每一次往复就对应P-V图上唯一一个四边形，其压缩阶段的压缩比就是排气腔的压力与进气腔的压力之比，且活塞与缸顶之间没有任何发生关联的构件。

在叙述本专利实施措施前，需说明的是往复式压缩机在结构设计时通常尽可能将排气阀直接安置在缸盖顶部。附图4是将排气阀安装在气缸顶部并包含相临近构件的众多结构形式中的一种，需说明排气阀15"作为一个机构，是由排气阀阀盖5"、排气阀弹簧6"、排气阀阀座7"及排气阀阀片8"等组成，并由螺栓3"、螺母4"紧固成一个完整的部件，另外缸套11"外部及机体9"下方为进气腔，机体9和大概1之间为排气腔。排气阀15"通过安全弹簧2"及大盖1"固定在缸套11"上。

本发明是在往复式气体压缩机这一技术领域内，设一个一端在排气腔内、中间穿过气缸顶部、另一端则与活塞相连并能与活塞同步上下运动的杆，此杆上下运动时，能适时拨动处在排气腔内的某种构件，使之能在压缩阶段提拉安装在气缸顶部的注气阀，将排气腔内的气体注入正在压缩的气缸内，以降低压缩阶段的压缩比，即降低了功耗及排气温度，且原设定的工况需求不变。从以上分析内容可见，实施本技术仅需增设能与活塞同步运动的杆，和缸盖外并处于排气腔内的某些构件以及安置在缸盖上的注气阀，而这些件仅仅与活塞及气缸顶部的构件有关。

实施措施：

图5至图10表示的是排气阀安装在气缸套顶部，其活塞在其每一个工作循环中的某一小段行程、实施本技术的较为连贯的瞬间。

图5中排气腔顶端的连同杆6上装有拨动环5，连同杆6中部穿过排气阀11中的轴套15，下端则安装在活塞14上，这样连同杆6就能与活塞14同步上下运动。图5表示的是活塞14下行经膨胀进气、还有一小段未了的吸气行程，但还未触及被动杆前的瞬间。

被动杆由被动杆主杆27、被动杆副杆30和扭转弹簧29组成，被动杆副杆30能通过扭转弹簧29对被动杆主杆27作一定角度的顺时针旋转。而被动杆固定在被动杆支座23的小轴26上，这样被动杆能对小轴26作一定角度的旋转，被动杆支座23则固定在排气阀阀盖10不含排气流道的径向条幅上。另外被动杆主杆27与被动杆支座23之间有拉簧24和压簧25，其中拉簧24的两端分别固定在被动杆支座23和被动杆主杆27上，压簧25仅固定在被动杆支座23上。

被动杆主杆27前端有一小孔，与安置在排气阀11中的注气阀阀杆17用有足够强度、无伸缩变形、并与压送介质不发生反应的连接件28连接，该连接件可选用细钢丝绳等材料制成。

注气阀16由注气阀阀体18、注气阀阀杆17、注气阀弹簧20及注气阀阀瓣19等组成。

被动杆不被拨动环触碰，即便触碰，一旦脱离了拨动环5，也能在多个弹簧的作用下恢复到如图5所示的稳定状态。

拨动环5随同活塞14继续下行，牵动被动杆到最低点，这就是图6显示的瞬间。

图6中的活塞14下行一个瞬间，被动杆就脱离了拨动环5，即恢复到如图5所示稳定、静止状态，拨动环5脱离被动杆后，继续下行一小段有限的未了的吸气行程，准备开始上行的瞬间，这就是图7所示瞬间。活塞14开始上行进入压缩阶段，同样仅经很小一段行程，拨动环5随同活塞14自下而上触碰，但还没有牵动被动杆的情景，这就是图8描绘的瞬间。拨动环5随同活塞14继续上行，同时抬升被动杆至最高点，即图10显示瞬间。

在图8至图9这一小段行程，由于被动杆抬升，通过连接件28提拉注气阀阀杆17，使得注气阀阀瓣19脱离注气阀阀体18的密封面，在这一段行程，气缸内的压力仍然小于排气腔内的压力，这样在图8至图9这一段行程，排气腔内压力为P₂的气体通过注气阀进入气缸内，提高了缸内的压力，同时也降低了压缩阶段的压缩比。

图10显示的是活塞上行至最高点的一个瞬间，在这一段行程中活塞对缸内的气体实施未了的压缩和排气，活塞上行到最高点，意味着这一排气阶段结束，即这一工作循环结束，然后活塞下行又开始下一个工作循环。

图5中被动杆支座23、注气阀阀体18、轴套15以及螺栓的孔的布置，可以从排气阀阀盖10的零件图(图11和图12)中看到，中部直径为D₁的孔安装轴套，3个直径为D₂的孔设置注气阀阀体，三个直径为D₃的孔用于安装螺栓，另外图11的阀盖上三个不含排气通道的径向条幅上有螺孔M_d，用于固定被动杆支座。

另外，从图11和图12可出，一个拨动环可同时拨动三个被动杆，即可同时提拉三个注气阀阀杆17，这样效果更好。

螺栓及螺母通过大垫9防止轴套15及注气阀阀体18轴向窜动，还将排气阀阀盖10、排气阀阀座13、排气阀阀片12及排气阀弹簧22等组成一个完整的排气阀部件。

连同杆6上下运动行程同活塞14、小盖1予以补偿。

安全弹簧3通过大盖2、小盖1及弹簧座4将排气阀固定在气缸顶部。

图13是气缸套顶部为缸盖而不是排气阀，实施本技术的示意图，实施本技术的原理及直接用于本技术的零部件与前述相同，不再赘述。

当然，上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。