凸輪驅動活塞式壓縮機的製作方法

2023-09-18 11:44:50

專利名稱：凸輪驅動活塞式壓縮機的製作方法
技術領域：
本發明涉及壓縮機，尤其涉及電力驅動的軸向壓縮機。
背景技術：
電力驅動的壓縮機必須將電機的旋轉運動轉換為線性運動，以致動一個活塞或一 系列活塞產生壓縮氣體。大多數壓縮機藉助於曲軸和連杆組件實現此任務，這與內燃機中 的情況相類似。這種設計的優點是，具有得到證實的可靠性和高的運行效率。一個主要不 足是，在整個循環中連杆需要空間。在用於將氣體壓縮成通常大於IOOOpsi的高壓的多級 壓縮機中，該不足變得特別明顯。通常，用於這些壓縮機的較高級中的活塞和汽缸不夠大而 不能容納連杆和和它所佔據的動態空間。因此，許多設計將活塞行程限制成低於0. 5英寸， 且在較高壓級中使用差動活塞(stepped piston)。這些措施會降低壓縮機效率和增加組件 的構件數。壓縮機的其他設計利用盤旋頭(nutating head)來將旋轉運動轉換為線性運動。 在這些設計中，活塞行進路徑與旋轉軸線平行。汽車空調壓縮機通常使用這種類型的壓縮 機。此類壓縮機的優點在於，它需要較少的匹配空間。此外，連杆，如果有，鉸接程度小於與 曲軸一起使用的連杆。這使得小直徑的活塞比採用曲軸設計具有更大行程。此類型壓縮機 的一個不足是，活塞往復運動主要依賴滑動，而不是滾動。這增加了系統中的摩擦量，且降 低了壓縮機總效率。本發明的一個主要目的是將曲軸驅動壓縮機的滾動與盤旋頭壓縮機中的高活塞 行程組合起來。

發明內容
簡要的說，本發明的凸輪驅動活塞式壓縮機包括由電機驅動的一個或多個凸輪， 該凸輪適於旋轉360度；以及一個或多個凸輪從動件，它們中的每一個與一個凸輪接觸。 該壓縮機還包括一個或多個活塞，其中，每一個活塞加裝到一個凸輪從動件；一個或多個汽 缸，其中每個汽缸環繞著一個活塞；以及與汽缸接觸的壓縮機端蓋。根據本發明的一個方面，提出一種凸輪驅動活塞式壓縮機，包括a)安裝在電機的凸輪軸上、由所述電機提供動力且適於在平行平面上轉動的多個 凸輪；b)與每個所述凸輪接觸的凸輪從動件；c)加裝到每個凸輪從動件的活塞；d)環繞著每個活塞的汽缸；以及e)與每個汽缸接觸的壓縮機端蓋；其中
每個凸輪的大約240度的輸入旋轉用於伸展相應的活塞，每個凸輪的120度的輸 入旋轉用於縮回相應的活塞。


下面，通過參看結合附圖所作的詳細描述，本發明的上述和其他特徵和優點、以及 它們的實現方式將得到認識和更易於理解，附圖包括圖1是根據本發明的一個實施例的凸輪驅動活塞式壓縮機的透視圖；圖2是圖1的一部分的分解圖；圖3是圖2中所示的軸向凸輪和一個凸輪從動件的透視圖；圖4是具有圖2中所示的一個凸輪從動件的一部分的上殼體內部的透視圖；圖5是圖2中所示的凸輪的透視圖；圖6是圖2中所示凸輪的上表面高度曲線的曲線圖；圖7是圖1的一部分的橫截面；圖8是根據本發明的第二實施例的凸輪驅動活塞式壓縮機的透視圖；圖9是圖8中所示的凸輪驅動活塞式壓縮機的分解圖；圖10是圖9中所示的凸輪和凸輪從動件的透視圖；圖11是壓縮機殼體的一部分和圖9所示的一個凸輪從動件的局部分解圖；圖12是圖9中所示的一個活塞的透視圖；以及圖13是圖9所示的凸輪軸的端部剖視圖。可以理解，為了清楚和適合目的，在附圖中已經重複的附圖標記表示相應的特徵， 且在附圖中不同的元件不必按比例繪製，以便更好地示出本發明的特徵。
具體實施例方式參見圖1，根據本發明的凸輪驅動活塞式壓縮機10包括電機和變速箱12，下殼體 14，上殼體16，三個汽缸18、20和22(在圖2中示出)，壓縮機端蓋M和三個端蓋螺釘26。 在圖1中還示出了形成在上殼體16中的機加工導槽30，通過該導槽30可以看見凸輪從動 件32。凸輪從動件外導向軸承34和帶肩螺釘36加裝到凸輪從動件32。圖2是軸向凸輪壓縮機10的一部分的分解圖。在圖2中示出了下殼體14，推力軸 承38，軸向凸輪40，以及跨騎在凸輪40的上唇部46上的三個凸輪從動件32、42和44。每 個凸輪從動件32、42和44分別具有相應的活塞杆48、50和52，所述活塞杆48、50和52分 別相應地連接到活塞54、56和58、且分別相應地裝配在活塞缸18、20和22內，所述活塞缸 18,20和22通過端蓋螺釘沈緊緊地固定到壓縮機端蓋M上。每個凸輪從動件32、42和 44保持著5個軸承外軸承34、內導向軸承62、與凸輪40的唇部46的上表面接觸的兩個 上凸輪從動件凸輪軸承64、和與凸輪40的唇部46的下表面接觸的下凸輪從動件凸輪軸承 66。圖3是凸輪40、凸輪從動件44和活塞56的透視圖。圖4是凸輪從動件32、42或44中的一個保持在位的上殼體16的內部的透視圖。 上殼體16包括中心定位的內管部分68，該內管部分68中形成有三個機加工凹槽或導槽 70。凸輪從動件32、42和44的內導向軸承62在凹槽70內移動。
在運行過程中，軸向凸輪40將電機和變速箱12的旋轉運動轉換成用於驅動三個 活塞M、56和58的線性運動。當凸輪40旋轉時，凸輪從動件32、42和44藉助於軸承64和 66被使得進行往復運動，所述軸承64和66加裝到凸輪從動件上、且分別相應地跨騎在凸輪 40的唇部46的上表面和下表面上。凸輪從動件32、42和44藉助於分別跨騎在導槽70和 30中的內導向軸承62和外導向軸承34被限制成僅僅線性移動，該導槽70和30被加工在 上殼體16中。由於凸輪從動件運動是純粹線性的，因此甚至小直徑活塞也可被在大的距離 內致動，而沒有凸輪從動件接觸汽缸壁的危險。雖然來自未被排出汽缸的少量氣體的氣體 壓力用於啟動活塞的縮回，但當進氣壓力存在時，它作為主要的縮回力。對於第一級(活塞 54和汽缸18)，這是進入壓縮機的氣體壓力，但對於後級(活塞56和汽缸20，活塞58和汽 缸22)，其是來自前一級的加壓氣體(例如，當級1完成它的壓縮循環時，從級1流出的氣體 將使得級2活塞充分縮回)。此效果要求正確的凸輪正時，以高效工作。在進入級1的壓力 不足的情況下，在圖1和8中所示的壓縮機10和100分別包括用於輔助第一級活塞縮回的 裝置。對於壓縮機10，凸輪從動件32、42和44在凸輪40的唇部46的下側具有下凸輪從動 件凸輪軸承66，以確保活塞正確地縮回。圖5是凸輪40的透視圖，圖6是唇部46的上表面72的高度74相對於凸輪40的 基部76的圓周76的變化曲線。該曲線具有初始向上傾斜的區域78，緊跟著是較平緩的向 上傾斜區域80，然後該區域80之後是向下傾斜區域82。當在汽缸中的氣體開始壓縮時，需 要由電機提供的轉矩最小，然後該轉矩隨著活塞在汽缸中進一步的行進而增加。因此，在區 域78中的初始斜率大於在區域80中的斜率，以便與區域78和80具有相同斜率的情況相 比，需要電機具有更恆定的轉矩。圖7是下殼體14、上殼體16、汽缸18和壓縮機端蓋M的橫截面視圖。在圖中還 示出了凸輪40、凸輪從動件32、以及從來自電機和變速箱12的驅動軸84的橫截面。圖8是根據本發明的第二實施例的凸輪驅動活塞式壓縮機100的透視圖，圖9是 在圖8所示的凸輪驅動活塞式壓縮機100的分解圖。該凸輪驅動活塞式壓縮機包括壓縮機 端蓋組件102，其中插入有三個汽缸較小直徑汽缸104、中等尺寸汽缸106和較大直徑汽 缸108。這三個汽缸104、106和108分別相應地保持著活塞110、112和114。該活塞110、 112和114分別相應地加裝到三個連杆116、118和120，這三個連杆分別是三個凸輪從動件 122、IM和1 的一部分。凸輪從動件122-1 位於壓縮機殼體1 的三個孔內。在壓縮機 100的運行過程中，凸輪從動件122、IM和126由作為凸輪軸136的一部分的三個凸輪130、 132和134向上推動，該凸輪軸136由兩個軸承座138和140支撐。該凸輪軸136由電機和 皮帶傳動組件142驅動。環繞連杆120設置的盤簧144將凸輪從動件1 擠壓在凸輪134 上，從而使得凸輪從動件1 和活塞114跟隨凸輪134的輪廓運動。如上所述，其他凸輪從 動件122和IM通過作用在活塞110和112上的氣體壓力被擠壓在凸輪130和132上。在 圖9所示的實施例中，至壓縮機端蓋組件的氣體接頭設置成使氣體壓力通過活塞110-114 中的每個活塞逐漸增大。在可選擇的實施例中，其中流過三個汽缸108-112的每個汽缸的 氣流彼此分離，可為所有三個凸輪從動件122-1 使用彈簧諸如彈簧142。如圖9、10和11所示，凸輪從動件122-126中的每個凸輪從動件通過兩個凸輪從 動件導環146和148被側向穩定，該兩個凸輪從動件導環146和148擠壓在壓縮機殼體1 的內孔上。
如圖10和11最佳示出，該凸輪從動件122-126具有接觸凸輪130-134的凸輪從 動件軸承150。該凸輪從動件軸承150通過銷釘152被保持在位。圖12示出了活塞108的放大視圖。活塞108和另兩個活塞104和106具有活塞 導環154，以防止活塞在汽缸內側向運動。活塞108-112還具有活塞密封件156。在圖8所示的實施例中，三個凸輪130-134具有相同的尺寸和形狀，且如圖13所 示以120°的偏移量被定向在凸輪軸的軸線上。三個凸輪130-134沿箭頭158所示的方向旋轉。凸輪130-134的個體形狀和偏移量、以及汽缸104和108的相對直徑決定了電機 和皮帶傳動組件142的轉矩變化幅度。本領域技術人員將理解，如果轉矩變化被最小化，則 相對於轉矩變化較大的情況，較低轉矩的電機可用於壓縮機。這些設計相對於現有技術具有幾個優點。首先，凸輪可以以這種方式被成形出，以 使更多的旋轉運動用於活塞伸展而不是活塞縮回。在兩個實施例中，大約240度的輸入旋 轉用於伸展活塞，120度用於縮回活塞。由於需要更多作用力伸展活塞，因此，以較大旋轉運 動量傳遞力有助於減輕對驅動電機的轉矩要求。在曲軸驅動或盤旋頭壓縮機上，此選擇是 不可利用的。這種設計的第二優點在於，所述的第一實施例中的殼體導槽和凸輪從動件軸承、 以及所述的第二實施例中的導環組合，以將凸輪從動件限制成作純粹的線性運動。對於所 述的第一實施例，內和外導槽有助於平衡作用在凸輪從動件上的作用力。因為在凸輪從動 件上所有的非軸向力通過滾動軸承傳遞，因此摩擦損失被最小化。此外，該滾動接觸有助於 降低熱生成、降低構件的磨損率、且降低對潤滑的需要。這種設計的第三優點在於，通過凸輪輪廓與凸輪從動件的線性運動的組合使得長 活塞衝程成為可能。在優選實施例中，活塞行程大約是1. 5英寸，比相當的曲軸驅動壓縮機 長三倍。通過最小化汽缸中的死體積的作用，該長的活塞行程有助於提高壓縮機的效率。它 還使得壓縮機可較慢運行，這有助於降低壓縮機的工作溫度，從而延長了密封件的壽命。第四優點在於，此設計可適用於滿足不同應用的需求。相同的電機和驅動部分可 用於驅動採用不同配置的多種活塞式壓縮機。在優選實施例中，壓縮機利用三個串聯的活 塞，第一級是大約直徑為2英寸，第二級是直徑大約為1英寸，第三級是直徑大約為半英寸。 然而，壓縮機可以輕易地適於利用平行作用的三個相同直徑的活塞，而不需要改變該驅動 部分。其他的選擇可能包括利用具有不同尺寸的串聯或並聯作用的2個到6個活塞。本領 域技術人員將理解，這些選擇中的至少一些選擇有利地使用具有與圖6所示的凸輪輪廓不 同的凸輪輪廓的凸輪，以優化壓縮機的性能。選擇所述實施例是用於提供對本發明的原理和其實際應用的說明，從而使得本領 域技術人員可以以各種不同的實施例實施本發明並做出適應於所期望的實際應用的修改。 因此，上面描述認為是示例性的，而不用於限制，本發明的實際範圍描述於權利要求書中。
權利要求
1.一種凸輪驅動活塞式壓縮機，包括a)安裝在電機的凸輪軸上、由所述電機提供動力且適於在平行平面上轉動的多個凸輪；b)與每個所述凸輪接觸的凸輪從動件；c)加裝到每個凸輪從動件的活塞；d)環繞著每個活塞的汽缸；以及e)與每個汽缸接觸的壓縮機端蓋；其中每個凸輪的大約240度的輸入旋轉用於伸展相應的活塞，每個凸輪的120度的輸入旋 轉用於縮回相應的活塞。
2.如權利要求1所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，它還包括多個凸輪從動 件、多個活塞、和多個汽缸；以及所述多個凸輪從動件、活塞和汽缸具有相同數目。
3.如權利要求2所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述汽缸中的至少兩個 汽缸具有不同的直徑。
4.如權利要求2所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述相同數目是3。
5.如權利要求2所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，同時壓縮氣體的汽缸的 數目等於或大於未壓縮氣體的汽缸的數目。
6.如權利要求2所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述多個凸輪從動件中 的每一個凸輪從動件包括與所述多個凸輪中的相應的一個凸輪接觸的可旋轉軸承。
7.如權利要求2所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，它還包括與至少一個凸 輪從動件接觸的至少一個彈簧，用於將所述凸輪從動件擠壓在所述多個凸輪中的相應的一 個凸輪上。
8.如權利要求7所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述至少一個彈簧包括三個彈簧。
9.如權利要求1所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述多個凸輪均具有相 同的尺寸和形狀。
10.如權利要求9所述的凸輪驅動活塞式壓縮機，其特徵在於，所述多個凸輪包括彼此 成120°的角度地被定向在所述凸輪軸上的三個凸輪。
全文摘要
本發明涉及一種凸輪驅動活塞式壓縮機，其包括安裝在電機的凸輪軸上、由所述電機提供動力且適於在平行平面上轉動的多個凸輪；與每個所述凸輪接觸的凸輪從動件；加裝到每個凸輪從動件的活塞；環繞著每個活塞的汽缸；以及與每個汽缸接觸的壓縮機端蓋；其中每個凸輪的大約240度的輸入旋轉用於伸展相應的活塞，每個凸輪的120度的輸入旋轉用於縮回相應的活塞。
文檔編號F04B35/00GK102062077SQ20111003019
公開日2011年5月18日 申請日期2006年8月4日 優先權日2005年8月5日
發明者S·K·米切爾森, T·T·羅利 申請人:卡爾頓生命支持系統有限公司