無閥往復式壓縮的製造方法

2023-10-04 01:56:19

無閥往復式壓縮的製造方法
【專利摘要】往復式壓縮機包括具有進氣口(40)和排氣口(42)的壓縮氣缸(12)，以及設置在壓縮氣缸(12)內的活塞組件(20)。活塞組件(20)包括活塞(36)和從活塞(36)延伸的流量控制部件(58)。流量控制部件(58)構造成在活塞組件(20)相對於壓縮氣缸(12)移動時選擇性地阻塞進氣口(40)和排氣口(42)。
【專利說明】無閥往復式壓縮機

【技術領域】
[0001]本發明大體涉及往復式機械，諸如往復式壓縮機。更具體地說，本發明涉及無閥往復式壓縮機。

【背景技術】
[0002]該部分意圖向讀者介紹本領域的各個方面，其可與本發明的各個方面相關，該本發明的各個方面在下面被描述和/或要求權利。該論述被認為有助於為讀者提供背景信息，以便於更好地理解本發明的各個方面。因此，應當理解，這些敘述將照此(in thislight)被閱讀，而非作為現有技術的準入門濫(admiss1n)。
[0003]往復式壓縮機是正排量裝置，其利用馬達來經由曲柄軸和連杆驅動一個或更多個活塞。各個活塞在壓縮氣缸中來回往復，以將工藝流體(例如天然氣、空氣、二氧化碳等)吸取到室中，壓縮在室內的工藝流體，並且將工藝流體從室放出至期望的輸出部。在某些往復式壓縮機中，閥可用於控制進出室的工藝流體的流。然而，閥擁有固有的操作低效率。另夕卜，閥維護顯著地增加了與操作壓縮機相關聯的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]當參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明的這些以及其它的特徵、方面和優點，其中，同樣的標記遍及附圖表示同樣的部件，其中:
圖1是根據本發明的實施例的示例性往復式壓縮機的透視圖；
圖2是圖1的示例性往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了往復式壓縮機的內部構件；圖3是往復式壓縮機的實施例的橫截面圖，該往復式壓縮機具有流量控制部件，其構造成選擇性地阻塞進氣口和排氣口；
圖4是圖3的往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了活塞組件相對於壓縮氣缸的移動；圖5是往復式壓縮機的另一個實施例的橫截面圖，該往復式壓縮機具有活塞和流量控制部件，該活塞構造成選擇性地阻塞進氣口，該流量控制部件構造成選擇性地阻塞排氣P ;
圖6是圖5的往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了活塞組件相對於壓縮氣缸的移動；圖7是往復式壓縮機的又一個實施例的橫截面圖，該往復式壓縮機具有活塞，其構造成選擇性地阻塞進氣口和排氣口 ；以及
圖8是圖7的往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了活塞相對於壓縮氣缸的移動。

【具體實施方式】
[0005]將在下面描述本發明的一個或更多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡明描述，可不在說明書中描述實際實施的所有特徵。應當認識到，在任何此類實際實施的開發中，如在任何工程或設計項目中，必須作出許多特定實施決定以實現開發者的特定目的，諸如符合系統相關且商業相關的約束，這可從一個實施變化到另一個實施。此外，應當認識到，此類開發努力可為複雜且耗時的，但是對於受益於本公開的技術人員而言，仍將是設計、製作和製造的日常工作。
[0006]當介紹本發明的各種實施例的元件時，冠詞「一」、「一個」、「該」、「所述」等意圖表示存在元件中的一個或更多個。用語「包括」、「包含」、「具有」等意圖是包含的，並且表示可存在除了列出的元件之外的附加元件。此外，「頂部」、「底部」、「上方」、「下方」以及這些用語的變體的使用是出於方便而作出的，但不需要構件的任何特別定向。
[0007]本公開的實施例可通過提供活塞組件而相當大地提高往復式壓縮機的操作效率，該活塞組件構造成經由壓縮氣缸內的活塞組件的移動，選擇性地阻塞進氣口和排氣口。例如，在某些實施例中，往復式壓縮機包括具有進氣口和排氣口的壓縮氣缸。壓縮機還包括設置在壓縮氣缸內的活塞組件。活塞組件構造成在活塞組件沿第一方向移動時相繼阻塞進氣口，壓縮壓縮氣缸的內部容積內的流體，並且通過排氣口排放流體。另外，活塞組件構造成在活塞組件沿與第一方向相反的第二方向移動時相繼阻塞排氣口，減小內部容積內的流體的壓力，並且通過進氣口將附加流體吸取到內部容積中。因為進氣口和排氣口被活塞組件選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其另外可用於控制穿過埠的流體流。結果，可相當大地減少或消除與閥維護相關聯的操作成本。另外，因為活塞組件不幹擾穿過埠的流，所以與採用閥的構造相比，可顯著地增強往復式壓縮機的效率，該閥可在處於開啟位置時部分地阻塞埠。
[0008]現在轉到附圖，在圖1中示出了示例性往復式壓縮機10。在目前示出的實施例中，往復式壓縮機10包括聯接於框架14的一對壓縮氣缸12。各種內部構件可設置在壓縮氣缸12和框架14內，以實現流體的引入到壓縮氣缸12中的壓縮。例如，在某些實施例中，往復式壓縮機10可用於壓縮天然氣。然而，在其它實施例中，往復式壓縮機10可構造成和/或用於壓縮除了別的以外的其它流體，諸如空氣、二氧化碳或氮等。
[0009]機械功率源或驅動器16，諸如燃燒發動機或電動機可聯接於往復式壓縮機10，以向各種內部構件提供機械功率，以實現流體在壓縮氣缸12內的壓縮。為了便於接近此類內部構件，如可出於診斷或維護目的而期望的，框架14中的開口可被提供，並且經由可除去蓋18選擇性地接近。此外，壓縮氣缸12還可包括活塞組件20。如以下詳細論述的，各個壓縮氣缸12包括進氣口和排氣口。設置在壓縮氣缸12內的活塞組件20構造成在活塞組件沿第一方向移動時阻塞進氣口。活塞組件20還構造成在活塞組件20沿與第一方向相反的第二方向移動時阻塞排氣口。因為進氣口和排氣口被活塞組件20選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其可另外用於控制穿過埠的流體流。結果，可相當大地減少或消除與閥維護相關聯的操作成本。另外，因為活塞組件不幹擾穿過埠的流，所以與採用閥的構造相比，可顯著地增強往復式壓縮機的效率，該閥可在處於開啟位置時部分地阻塞埠。
[0010]圖2是圖1的示例性往復式壓縮機10的橫截面圖，其示出了往復式壓縮機10的內部構件。在目前示出的實施例中，示例性往復式壓縮機10的框架14包括中空的中心體或外殼22，其大體限定了內部容積24，在內部容積24內可收納各種內部構件，諸如曲柄軸26。在一個實施例中，中心體22可具有大體彎曲或圓筒形的形狀。然而，應當注意，根據公開的實施例，中心體22可具有其它形狀或構造。
[0011]在操作中，驅動器16使曲柄軸26旋轉，曲柄軸26支承在框架14的內部容積24內。在一個實施例中，曲柄軸26經由連杆28和銷32聯接於十字頭30。十字頭30設置在十字頭引導部34內，十字頭引導部34大體從中心體22延伸，並且便於將壓縮氣缸12連接於往復式壓縮機10。在一個實施例中，往復式壓縮機10包括兩個十字頭引導部34，其大體從中心體或外殼22的相對側垂直地延伸，但可使用其它構造。曲柄軸26的旋轉運動經由連杆28轉變成十字頭引導部34內的十字頭30的往複線性運動。
[0012]壓縮氣缸12構造成接收流體，用於壓縮。在示出的實施例中，十字頭30經由活塞杆38聯接於設置在壓縮氣缸12內的活塞36。十字頭30的往復運動經由活塞36實現壓縮氣缸12內的流體的壓縮。具體地說，當活塞組件20向前(S卩，從中心體22向外)驅動到壓縮氣缸12中時，活塞組件20的活塞36迫使氣缸內的流體變成較小的體積，從而增大流體的壓力。活塞組件20的進一步向前移動消除阻塞排氣口，從而使壓縮流體能夠離開壓縮氣缸12。活塞組件20接著可進行向後衝程，從而消除阻塞進氣口。因此，附加流體可通過進氣口進入壓縮氣缸12，用於以上述的相同方式壓縮。因為進氣口和排氣口被活塞組件選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其另外可用於控制穿過埠的流體流。
[0013]圖3是往復式壓縮機10的實施例的橫截面圖，往復式壓縮機10具有流量控制部件，其構造成選擇性地阻塞進氣口和排氣口。如所示，壓縮氣缸12包括進氣口 40和排氣口42。進氣口 40經由穿過壓縮氣缸12的內部通道46流體聯接於入口 44。在操作中，入口44接收流體流48，其經由內部通道46傳送至進氣口 40。雖然在示出的實施例中，進氣口40經由內部通道46流體聯接於入口 44，但是應當認識到，備選實施例可利用外部通道，或內部通道和外部通道的組合來將入口 44聯接於進氣口 40。
[0014]在示出的實施例中，排氣口 42經由內部通道52和外部通道54流體聯接於出口50。如以下詳細論述的，壓縮機10通過排氣口 42排出壓縮流體56。流體接著流過內部通道52和外部通道54至出口 50。雖然排氣口 42經由內部通道52和外部通道54流體聯接於出口 50，但是應當認識到，在備選實施例中，排氣口 42和出口 50可由例如內部通道或外部通道直接聯接。
[0015]在示出的實施例中，活塞組件20包括活塞36，和流量控制部件58，其從活塞36沿軸向方向60延伸。流量控制部件58可與活塞36集成，或者聯接於活塞36 (例如經由緊固件、焊接連接等)。如以下詳細論述的，流量控制部件58構造成在壓縮衝程的至少一部分期間阻塞進氣口 40，以便於壓縮氣缸12內的流體壓縮。流量控制部件58還構造成在進氣衝程的至少一部分期間阻塞排氣口 42，以便於流體流入壓縮氣缸12中。以該方式，往復式壓縮機10可從入口 44循環地接收流體流，壓縮壓縮氣缸12內的流體，並且通過出口 50排出壓縮流體。在示出的實施例中，活塞36壓縮流體，並且流量控制部件58控制進出壓縮氣缸12的流體流。
[0016]如所示，流量控制部件58延伸穿過進氣口 40，並且包括突出部62，其從流量控制部件58沿徑向方向64向外延伸。如以下詳細論述的，徑向突出部62構造成選擇性地阻塞進氣口 40，從而建立便於流體壓縮的基本上密封的容積。在示出的實施例中，流量控制部件58包括繞著徑向突出部62設置的密封件66。密封件66構造成在徑向突出部62與進氣口40對準時基本上阻塞了穿過進氣口 40的流體流。如將認識到的，密封件66可包括例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件，和/或環形密封件。
[0017]另外，流量控制部件58包括內部通道68，其從壓縮氣缸12的內部容積70延伸至流量控制部件58的外表面74中的孔口 72。如以下詳細論述的，流量控制部件58構造成在孔口 72從排氣口 42偏離時阻塞排氣口 42，並且當孔口 72與排氣口 42對準時便於穿過排氣口 42的流。為了便於流體從內部容積70流至內部通道68，流量控制部件58包括多個孔76，其沿徑向方向64從內部容積70延伸至內部通道68。如將認識到的，孔76的數量、大小和/或形狀可特別地選擇成提供進入內部通道68中的期望流體流，同時保持活塞組件20的結構完整性。
[0018]在示出的實施例中，流量控制部件58包括繞著流量控制部件58的外表面74設置在孔口 72的相對軸向側上的密封件78。密封件78構造成阻塞來自內部通道68的流體流，直到孔口 72與排氣口 42對準。密封件78還構造成在孔口和排氣口對準時便於流體從孔口 72流至排氣口 42。如將認識到的，密封件78可包括例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件，和/或環形密封件。在示出的實施例中，活塞36、流量控制部件58、徑向突出部62以及密封件66和78為環形結構。然而，應當認識到，活塞36、流量控制部件58、徑向突出部62，以及密封件66和78在備選實施例中可為其它形狀(例如矩形、多邊形等)。
[0019]在操作中，活塞組件20構造成經由沿軸向方向60的循環移動壓縮壓縮氣缸12內的流體。例如，當活塞組件20驅動成沿第一軸向方向80移動時，密封件66接觸進氣口 40的內表面82，從而阻塞進入內部容積70中的流體流。當孔口 72不與排氣口 42對準時，建立了基本上密封的容積，其包括內部容積70和內部通道68。當活塞組件20繼續沿方向80平移時，基本上密封的容積的大小在活塞36朝向內部容積70的內表面83被驅動時減小。因此，基本上密封的容積內的流體壓力逐漸地增大。一旦孔口 72與排氣口 42對準，則加壓流體56流過排氣口 42朝向出口 50。
[0020]一旦活塞組件20已經到達壓縮衝程的終點，則沿相反的軸向方向84驅動活塞組件20，以便於附加流體流入內部容積70中。例如，當活塞組件20驅動成沿第二軸向方向84移動時，孔口 72從排氣口 42偏離。結果，密封件78基本上阻塞穿過排氣口 42的流體流。此外，當密封件66與進氣口 40的內表面82接觸時，建立了基本上密封的容積，其包括內部容積70和內部通道68。當活塞組件20繼續沿方向84平移時，基本上密封的容積的大小在活塞36遠離內部容積70的內表面83被驅動時增大。因此，保留在基本上密封的容積內的流體的壓力逐漸地減小。一旦密封件66從進氣口 40的內表面82偏離，則內部容積70內的減小的流體壓力將附加流體48從入口 44通過進氣口 40抽吸到內部容積70中。一旦活塞組件20到達進氣衝程的終點，則沿第一軸向方向80驅動活塞組件20，並且重複該過程。
[0021]在示出的實施例中，往復式壓縮機10包括雙作用活塞組件20，其構造成壓縮壓縮氣缸12的第一側85內的流體，同時將流體接收到壓縮氣缸12的第二側87中。在該構造中，活塞組件20沿第一軸向方向80的移動壓縮壓縮氣缸12的第一側85內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第二側87中。相反地，活塞組件20沿第二軸向方向84的移動壓縮壓縮氣缸12的第二側87內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第一側85中。如所示，活塞組件20包括兩個流量控制部件，其構造成控制壓縮氣缸12的相應容積內的流體流。第一流量控制部件58構造成控制與活塞36的第一側88相鄰的第一容積86內的流體流。類似地，第二流量控制部件90構造成控制與活塞36的第二側94相鄰的第二容積92內的流體流。
[0022]在操作中，當活塞組件20沿方向80移動時，第一流量控制部件58相繼阻塞進氣口 40、驅動活塞36以壓縮第一容積86內的流體，並且通過排氣口 42排放流體。另外，第二流量控制部件90相繼阻塞排氣口 42，驅動活塞36以減小第二容積92內的流體壓力，並且通過進氣口 40將附加流體接收到第二容積92中。相反地，當活塞組件20沿方向84移動時，第一流量控制部件58相繼阻塞排氣口 42，驅動活塞36以減小第一容積86內的流體壓力，並且通過進氣口 40將附加流體接收到第一容積86中。另外，第二流量控制部件90相繼阻塞進氣口 40，驅動活塞36以壓縮第二容積92內的流體，並且通過排氣口 42排放流體。因為往復式壓縮機10每個衝程都輸出壓縮流體，所以壓縮流體的流率可大於採用單作用活塞組件的壓縮機，該單作用活塞組件具有單個流量控制部件。雖然示出的實施例採用雙作用活塞組件20來提供增大的壓縮流體流，但是應當認識到，備選實施例可採用單作用活塞組件。
[0023]因為進氣口 40和排氣口 42被活塞組件20選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其另外可用於控制穿過埠的流體流。結果，可相當大地減少或消除與閥維護相關聯的操作成本。例如，為了維修帶閥的壓縮機(例如為了更換閥簧，為了更換閥杆等)，壓縮機可被去激勵和拆卸。接著，可更換和/或修理磨損構件，並且重新裝配壓縮機。在某些壓縮機構造中，可例如每三至六個月執行此類閥維護。結果，閥維護可導致增大的操作成本，以及延長的壓縮機不可用性。因為示出的實施例排除了閥，所以可顯著地減少壓縮機維護成本，同時增強壓縮機的可用性。此外，因為活塞組件20不幹擾穿過埠 40和42的流，所以與採用閥的構造相比，可顯著地增強往復式壓縮機的效率，該閥可在處於開啟位置時部分地阻塞埠。
[0024]圖4是圖3的往復式壓縮機10的橫截面圖，其示出了活塞組件10相對於壓縮氣缸12的移動。如所示，第一流量控制部件58的密封件66與進氣口 40的內表面82接觸，從而建立了基本上密封的容積，其包括內部容積70和內部通道68。當活塞組件20沿方向80平移時，基本上密封的容積的大小在活塞36朝向內部容積70的內表面83被驅動時減小。在示出的實施例中，活塞杆38的衝程驅動活塞36平移一距離96，從而使基本上密封的容積的大小減小如下量，該量等於活塞36的外徑向部分97的橫截面積乘以衝程距離96。當容積減小時，基本上密封的容積內的流體的壓力逐漸地增大。一旦孔口 72與排氣口 42對準，則加壓流體56流過排氣口 42朝向出口 50。
[0025]如將認識到的，基本上密封的容積的大小的變化至少部分地取決於衝程距離96和活塞36的直徑98。例如，增大衝程距離96提供了流體體積的更大變化，從而增大了壓縮。相反地，減小衝程距離96提供了流體體積的減小的變化，從而減小了壓縮。此外，具有較大直徑98的活塞36建立了較大的密封容積，而具有較小直徑98的活塞36建立了較小的密封容積。密封容積的初始大小限定了壓縮之前的流體體積。因此，較大的初始容積比較小的初始容積便於每衝程壓縮更多流體。如將認識到的，足以壓縮壓縮氣缸12內的流體的力至少部分地取決於初始的流體體積和流體壓縮的程度。因此，衝程距離96和活塞36的直徑98可特別地選擇成提供期望程度的壓縮，穿過往復式壓縮機10的期望流率，以及由功率源16施加的期望功。
[0026]圖5是往復式壓縮機10的另一個實施例的橫截面圖，往復式壓縮機10具有活塞和流量控制部件，該活塞構造成選擇性地阻塞進氣口，該流量控制部件構造成選擇性地阻塞排氣口。如所示，壓縮氣缸12包括進氣口 100和排氣口 102。進氣口 100經由穿過壓縮氣缸12的內部通道106流體聯接於入口 104。在操作中，入口 104接收流體流48，其經由內部通道106傳送至進氣口 100。雖然在示出的實施例中，進氣口 100經由內部通道106流體聯接於入口 104，但是應當認識到，備選實施例可利用外部通道，或內部通道和外部通道的組合來將入口 104聯接於進氣口 100。
[0027]在示出的實施例中，排氣口 102經由內部通道109流體聯接於出口 108。如以下詳細論述的，壓縮機10通過排氣口 102排出壓縮流體56。流體接著流過內部通道109至出口 108。雖然在示出的實施例中，排氣口 102經由內部通道109流體聯接於出口 108，但是應當認識到，備選實施例可利用外部通道，或內部通道和外部通道的組合來將出口 108聯接於排氣口 102。在示出的實施例中，入口 104和出口 108被沿徑向方向64從壓縮氣缸12向外指引。因此，與採用聯接於壓縮氣缸12的軸向端部的彎曲導管的構造相比，基本上筆直的導管可聯接於入口 104和出口 108，從而增強流效率。在示出的實施例中，出口 108定位在壓縮氣缸12的頂部上，而入口 104定位在壓縮氣缸12的底部上。然而，應當認識到，入口 104可定位在頂部上，而出口 108可定位在底部上。在此類實施例中，進氣口 100可定位在壓縮氣缸12內的排氣口 102上方。此類構造可便於增強穿過壓縮機10中的壓縮氣缸12的流，壓縮機10具有定位在氣缸12上方的入口管和定位在氣缸12下方的排放管。
[0028]在示出的實施例中，活塞組件20包括活塞36，和流量控制部件110，其從活塞36沿軸向方向60延伸。流量控制部件110可與活塞36和/或活塞杆38集成，或者聯接於活塞36和/或活塞杆38 (例如經由緊固件、焊接連接等)。如以下詳細論述的，流量控制部件110構造成在進氣衝程的至少一部分期間阻塞排氣口 102，而活塞36構造成在壓縮衝程的至少一部分期間阻塞進氣口 100。以該方式，往復式壓縮機10可從入口 104循環地接收流體流，壓縮壓縮氣缸12內的流體，並且通過出口 108排出壓縮流體。
[0029]在示出的實施例中，活塞36構造成在活塞36被沿方向84驅動時阻塞進氣口 100，從而建立便於流體壓縮的基本上密封的容積70。為了提供基本上密封的容積70，活塞組件20包括第一密封件112，其設置在活塞36的外表面114中的凹部113內。第一密封件112構造成基本上阻塞在活塞36的外表面114和壓縮氣缸12的內表面116之間的流體流。另夕卜，活塞組件20包括第二密封件118，其設置在壓縮氣缸12的內表面116中的凹部119內。類似於第一密封件112，第二密封件118構造成基本上阻塞在活塞36的外表面114和壓縮氣缸12的內表面116之間的流體流。如將認識到的，密封件112和118可包括例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件，和/或環形密封件。雖然在示出的實施例中採用兩個密封件112和118來示出不同的密封位置，但是應當認識到，備選實施例可包括單個密封件(例如第一密封件112或第二密封件118)，以基本上阻塞在活塞36的外表面114和壓縮氣缸12的內表面116之間的流體流。
[0030]在示出的實施例中，流量控制部件110包括突出部120，其從流量控制部件110徑向向外延伸。徑向突出部120構造成在徑向突出部120與排氣口 102對準時阻塞排氣口102。為了提供基本上密封的容積70，活塞組件20包括密封件122，其構造成基本上阻塞在徑向突出部120的外表面124和壓縮氣缸12的內表面126之間的流體流。如將認識到的，密封件122可包括例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件，和/或環形密封件。雖然示出的密封件122設置在壓縮氣缸12的內表面126中的凹部127內，但是應當認識到，在備選實施例中，密封件122可設置在徑向突出部120的外表面124中的凹部內。
[0031]示出的往復式壓縮機10還包括填料密封件128，其繞著徑向突出部120設置，並且構造成基本上阻塞流體流出壓縮氣缸12。雖然在示出的實施例中採用了兩個密封件122和128，但是應當認識到，備選實施例可包括更多或更少的密封件，以基本上阻塞在徑向突出部120的外表面124和壓縮氣缸12的內表面126之間的流體流。在示出的實施例中，活塞36、流量控制部件110、徑向突出部120以及密封件112，118，122和128為環形結構。然而，應當認識到，活塞36、流量控制部件110、徑向突出部120，以及密封件112，118，122和128可在備選實施例中為其它形狀(例如矩形、多邊形等)。
[0032]在操作中，活塞組件20構造成經由沿軸向方向60的循環移動壓縮壓縮氣缸12內的流體。例如，當活塞組件20驅動成沿方向84移動時，活塞36橫跨進氣口 100移動，從而阻塞流體流入內部容積70中。當徑向突出部120與排氣口 102對準時，建立了基本上密封的容積70。當活塞組件20繼續沿方向84平移時，基本上密封的容積70的大小在活塞36被朝向壓縮氣缸12的內軸向表面129驅動時減小。因此，基本上密封的容積70內的流體的壓力逐漸地增大。一旦徑向突出部120從排氣口 102偏離，並且流量控制部件110的減小的半徑部分130與排氣口 102對準，則建立流動路徑，其便於壓縮流體流過排氣口 102朝向出口 108。
[0033]一旦活塞組件20已經到達壓縮衝程的終點，則沿相反的軸向方向80驅動活塞組件20，以便於附加流體流入內部容積70中。例如，當活塞組件20驅動成沿軸向方向80移動時，徑向突出部120與排氣口 102對準。結果，基本上阻塞了穿過排氣口 102的流體流。此外，當活塞36阻塞了進氣口 100時，建立了基本上密封的容積70。當活塞組件20繼續沿方向80平移時，基本上密封的容積的大小在活塞36被遠離壓縮氣缸12的內軸向表面129驅動時增大。因此，保留在基本上密封的容積70內的流體的壓力逐漸地減小。一旦活塞36從進氣口 100偏離，則內部容積70內的減小的流體壓力將附加流體48從入口 104通過進氣口 100抽吸到內部容積70中。一旦活塞組件20到達進氣衝程的終點，則沿相反的軸向方向84驅動活塞組件20，並且重複該過程。
[0034]因為進氣口 100和排氣口 102被活塞組件20選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其另外可用於控制流體流。結果，可相當大地減少或消除與閥維護相關聯的操作成本。此外，因為活塞組件20不幹擾穿過埠 100和102的流，所以與採用閥的構造相比，可顯著地增強往復式壓縮機10的效率，該閥可在處於開啟位置時部分地阻塞埠。例如，某些往復式壓縮機包括止回閥以控制穿過進氣口和排氣口的流體流。在此類構造中，各個閥由彈簧偏壓向閉合位置。當壓力差將比彈簧偏壓更大的力施加在閥上時，提升閥被提升離開座部，從而便於流體流過閥。然而，穿過開啟閥的流面積被閥升程高度限制。另外，當接近閥的流體經由與提升閥接觸而直接側向向外時，流體流近似90度轉向。由於受限制的流面積和轉動的流，故壓縮流體的壓力可在流體流過閥時下降，從而降低了壓縮機效率。相反，因為示出的實施例排除了閥，所以流體可無限制且無轉向地流過埠 100和102，從而提高了往復式壓縮機10的效率。
[0035]圖6是圖5的往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了活塞組件20相對於壓縮氣缸12的移動。在示出的實施例中，往復式壓縮機10包括雙作用活塞組件20，其構造成壓縮壓縮氣缸12的第一側133內的流體，同時將流體接收到壓縮氣缸12的第二側135中。在該構造中，活塞組件20沿軸向方向84的移動壓縮壓縮氣缸12的第一側133內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第二側135中。相反地，活塞組件20沿相反的軸向方向80的移動壓縮壓縮氣缸12的第二側135內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第一側133中。如所示，活塞組件20包括兩個流量控制部件，其構造成控制壓縮氣缸12的相應容積內的流體流。第一流量控制部件110構造成控制與活塞36的第一側132相鄰的第一容積131內的流體流。類似地，第二流量控制部件134構造成控制與活塞36的第二側138相鄰的第二容積136內的流體流。
[0036]在示出的實施例中，第二流量控制部件134被活塞36驅動移動。因此，當活塞杆38引起活塞36沿軸向方向80移動時，第二流量控制部件134驅動成沿軸向方向80移動。相反地，當活塞杆38引起活塞36沿軸向方向84移動時，第二流量控制部件134驅動成沿軸向方向84移動。如所示，第二流量控制部件134設置在蓋帽組件140內，蓋帽組件140聯接於壓縮氣缸12 (例如經由緊固件)。蓋帽組件140包括第二內部通道109，其從第二排氣口 102延伸至出口 108。蓋帽組件140還包括第一密封件142和第二密封件144，它們設置在第二排氣口 102的相對的軸向側上。類似於密封件122和128，密封件142和144構造成在第二流量控制部件134的徑向突出部120與排氣口 102對準時阻塞流體流過排氣口102。如將認識到的，密封件142和144可包括例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件，和/或環形密封件。
[0037]在操作中，當活塞組件20沿方向84移動時，活塞36相繼阻塞進氣口 100，並且壓縮第一容積131內的流體。第一流量控制部件110的徑向突出部120接著移動成不與排氣口 102對準，從而便於流體流過排氣口 102。另外，活塞36相繼驅動第二流量控制部件134以阻塞第二排氣口 102，減小第二容積136內的流體壓力，並且便於流體通過第二進氣口 100流入第二容積136中。相反地，當活塞組件20沿方向80移動時，第一流量控制部件110相繼阻塞排氣口 102，驅動活塞36以減小第一容積131內的流體壓力，並且將活塞36驅動成不與進氣口對準，從而便於附加流體流入第一容積131中。另外，活塞36相繼阻塞第二進氣口 100，壓縮第二容積136內的流體，並且將第二流量控制部件134的徑向突出部120驅動成不與排氣口 102對準，從而便於流體流過排氣口 102。因為往復式壓縮機10每個衝程都輸出壓縮流體，所以壓縮流體的流率可大於採用單作用活塞組件的壓縮機，該單作用活塞組件具有單個流量控制部件。雖然示出的實施例採用雙作用活塞組件20來提供增大的壓縮流體流，但是應當認識到，備選實施例可採用單作用活塞組件。
[0038]如所示，活塞36與進氣口 100對準，從而阻塞穿過進氣口 100的流，並且建立基本上密封的容積131。當活塞組件20沿方向84平移時，基本上密封的容積131的大小在活塞36被朝向壓縮氣缸12的內軸向表面129驅動時減小。在示出的實施例中，活塞杆38的衝程驅動活塞36平移一距離146，從而使基本上密封的容積131的大小減小如下量，該量等於活塞36的外徑向部分147的橫截面積乘以衝程距離146。當容積減小時，基本上密封的容積131內的流體的壓力逐漸地增大。一旦流量控制部件110的減小的半徑部分130與排氣口 102對準，則加壓流體56流過排氣口 102朝向出口 108。
[0039]如將認識到的，基本上密封的容積131的大小的變化至少部分地取決於衝程距離146和活塞36的直徑148。例如，增大衝程距離146提供了流體體積的更大變化，從而增大了壓縮。相反地，減小衝程距離146提供了流體體積的減小的變化，從而減小了壓縮。此外，具有較大直徑148的活塞36建立了較大的密封容積131，而具有較小直徑148的活塞36建立了較小的密封容積131。密封容積的初始大小限定了壓縮之前的流體體積。因此，較大的初始容積比較小的初始容積每衝程壓縮更多流體。如將認識到的，足以壓縮壓縮氣缸12內的流體的力至少部分地取決於初始的流體體積和流體壓縮的程度。因此，衝程距離146和活塞36的直徑148可特別地選擇成提供期望程度的壓縮，穿過往復式壓縮機10的期望流率，以及由功率源16施加的期望功。
[0040]圖7是往復式壓縮機的又一個實施例的橫截面圖，該往復式壓縮機具有活塞，其構造成選擇性地阻塞進氣口和排氣口。如所示，壓縮氣缸12包括進氣口 150和排氣口 152。如以下詳細論述的，活塞36構造成在壓縮衝程的至少一部分期間阻塞進氣口 150，並且在進氣衝程的至少一部分期間阻塞排氣口 152。以該方式，往復式壓縮機10可通過進氣口 150循環地接收流體流，壓縮壓縮氣缸12內的流體，並且通過排氣口 152排出壓縮流體。
[0041]在示出的實施例中，活塞36包括內部通道154，其從壓縮氣缸12的內部容積70延伸至活塞36的外表面157中的孔口 156。如以下詳細論述的，活塞36構造成在孔口 156從排氣口 152偏離時阻塞排氣口 152。相反地，當孔口 156與排氣口 152對準時，內部通道154建立了從內部容積70至排氣口 152的流動路徑，從而便於壓縮流體流過排氣口 152。在示出的實施例中，活塞36是環形結構。然而，應當認識到，活塞36可在備選實施例中為其它形狀(例如矩形、多邊形等)。
[0042]在操作中，活塞組件20構造成經由沿軸向方向60的循環移動壓縮壓縮氣缸12內的流體。例如，當活塞組件20驅動成沿軸向方向84移動時，活塞36阻塞進氣口 150，從而阻塞流體流入內部容積70中。當孔口 156不與排氣口 152對準時，建立了基本上密封的容積158，其包括內部容積70和內部通道154。當活塞組件20繼續沿方向84平移時，基本上密封的容積158的大小在活塞36被朝向內部容積158的內表面159驅動時減小。因此，基本上密封的容積158內的流體的壓力逐漸地增大。一旦孔口 156與排氣口 152對準，則通過排氣口 152排出加壓流體。
[0043]一旦活塞組件20已經到達壓縮衝程的終點，則沿相反的軸向方向80驅動活塞組件20，以便於附加流體流入內部容積158中。例如，當活塞組件20驅動成沿軸向方向80移動時，孔口 156從排氣口 152偏離。結果，活塞36基本上阻塞穿過排氣口 152的流體流。此夕卜，當活塞36阻塞進氣口 150時，建立了基本上密封的容積158，其包括內部容積70和內部通道154。當活塞組件20繼續沿方向80平移時，基本上密封的容積158的大小在活塞36被遠離內部容積158的內表面159驅動時增大。因此，保留在基本上密封的容積158內的流體的壓力逐漸地減小。一旦活塞36從進氣口 150偏離，則內部容積158內的減小的流體壓力將附加流體通過進氣口 150抽吸到內部容積158中。一旦活塞組件20到達進氣衝程的終點，則沿相反的軸向方向84驅動活塞組件20，並且重複該過程。
[0044]在示出的實施例中，往復式壓縮機10包括雙作用活塞組件20，其構造成壓縮壓縮氣缸12的第一側161內的流體，同時將流體接收到壓縮氣缸12的第二側163中。在該構造中，活塞組件20沿軸向方向84的移動壓縮壓縮氣缸12的第一側161內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第二側163中。相反地，活塞組件20沿軸向方向80的移動壓縮壓縮氣缸12的第二側163內的流體，並且將流體接收到壓縮氣缸12的第一側161中。如所不，往復式壓縮機10包括與活塞36的第一側160相鄰的第一容積158。第一容積158由壓縮氣缸12、活塞36，以及聯接於壓縮氣缸12 (例如經由緊固件)的端蓋162限定。另外，往復式壓縮機10包括與活塞36的第二側166相鄰的第二容積164。第二容積164由壓縮氣缸12、活塞36、以及聯接於壓縮氣缸12 (例如經由緊固件)的端蓋168限定。
[0045]在操作中，當活塞組件20沿方向84移動時，活塞36相繼阻塞進氣口 150，並且壓縮第一容積158內的流體。一旦孔口 156與排氣口 152對準，則壓縮流體流過內部通道154，並且通過排氣口 152排出。另外，活塞36相繼阻塞第二排氣口 152，減小第二容積164內的流體壓力，並且消除阻塞第二進氣口 150，以便於附加流體流入第二容積164中。相反地，當活塞組件20沿方向80移動時，活塞36相繼阻塞第一排氣口 152，減小第一容積158內的流體壓力，並且消除阻塞第一進氣口 150，以便於附加流體流入第一容積158中。另外，活塞36相繼阻塞第二進氣口 150，並且壓縮第二容積164內的流體。一旦第二孔口 170與第二排氣口 152對準，則壓縮流體流過第二內部通道172，並且通過第二排氣口 152排出。因為往復式壓縮機10每個衝程都輸出壓縮流體，所以壓縮流體的流率可大於採用單作用活塞組件的壓縮機。雖然示出的實施例採用雙作用活塞組件20來提供增大的壓縮流體流，但是應當認識到，備選實施例可採用單作用活塞組件。
[0046]在示出的實施例中，活塞36包括凹部174，和通道176，其構造成接收活塞杆38。在某些實施例中，活塞杆38延伸穿過端蓋162，從而使活塞杆38能夠沿軸向方向80和84驅動活塞36。如將認識到的，密封件(例如巴比特密封件、迷宮式密封件、刷式密封件、環形密封件等)可繞著活塞杆38設置，以阻塞流體從壓縮氣缸12流出。此外，應當認識到，附加密封件可遍及往復式壓縮機10設置。例如，密封件可定位在孔口 156和170的相對的軸向端部上，以阻塞流體流過排氣口 152，直到各個孔口與相應的埠對準。另外，密封件可繞著進氣口 150設置，以在活塞36與相應的進氣口對準時阻塞流體流過各個進氣口。
[0047]因為進氣口 150和排氣口 152被活塞36選擇性地阻塞，所以排除了閥(例如止回閥)，其另外可用於控制穿過埠 150和152的流體流。結果，可相當大地減少或消除與閥維護相關聯的操作成本。另外，因為活塞組件20不幹擾穿過埠 150和152的流，所以與採用閥的構造相比，可顯著地增強往復式壓縮機10的效率，該閥可在處於開啟位置時部分地阻塞埠。此外，穿過活塞36的內部通道154和172可相當大地減小壓縮機10的往復質量，從而減小用於驅動活塞組件20，使之沿軸向方向80和84移動的能量。結果，與採用實心活塞的構造相比，可增強往復式壓縮機10的效率。
[0048]圖8是圖7的往復式壓縮機的橫截面圖，其示出了活塞組件20相對於壓縮氣缸12的移動。如所示，活塞36與進氣口 150對準，從而建立了基本上密封的容積158。當活塞組件20沿方向84平移時，基本上密封的容積158的大小在活塞36被朝向內部容積158的內表面159驅動時減小。在示出的實施例中，活塞杆38的衝程驅動活塞36平移一距離178，從而使基本上密封的容積158的大小減小如下量，該量等於活塞36的橫截面積乘以衝程距離178。當容積減小時，基本上密封的容積158內的流體的壓力逐漸地增大。一旦孔口 156與排氣口 152對準，則通過排氣口 152排出加壓流體。
[0049]如將認識到的，基本上密封的容積158的大小的變化至少部分地取決於衝程距離178和活塞36的直徑180。例如，增大衝程距離178提供流體體積的更大變化，從而增大了壓縮。相反地，減小衝程距離178提供流體體積的減小的變化，從而減小了壓縮。此外，具有較大直徑180的活塞36建立了較大的密封容積，而具有較小直徑180的活塞36建立了較小的密封容積。密封容積的初始大小限定了壓縮之前的流體體積。因此，較大的初始容積比較小的初始容積每衝程壓縮更多的流體。如將認識到的，足以壓縮壓縮氣缸12內的流體的力至少部分地取決於初始的流體體積和流體壓縮的程度。因此，衝程距離178和活塞36的直徑180可特別地選擇成提供期望程度的壓縮，穿過往復式壓縮機10的期望流率，以及由功率源16施加的期望功。
[0050]雖然本發明可容易受到各種修改和備選形式的影響，但是特定的實施例已經經由圖中的示例示出，並且已經在本文中詳細描述。然而，應當理解，本發明不意圖限制於公開的特別形式。相反地，本發明將涵蓋落在由以下所附權利要求限定的本發明的精神和範圍內的所有修改、等同物和備選方案。
【權利要求】
1.一種系統，包括: 壓縮氣缸，其構造成安裝於往復式壓縮機，其中所述壓縮氣缸包括進氣口和排氣口 ；和 活塞組件，其設置在所述壓縮氣缸內，其中所述活塞組件包括活塞和從所述活塞延伸的第一流量控制部件； 其中所述第一流量控制部件構造成在所述活塞組件相對於所述壓縮氣缸移動時選擇性地阻塞所述進氣口和所述排氣口。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述進氣口繞著所述第一流量控制部件設置，並且所述第一流量控制部件包括徑向突出部，其構造成在所述徑向突出部與所述進氣口對準時選擇性地阻塞所述進氣口。
3.根據權利要求2所述的系統，其特徵在於，所述活塞組件包括繞著所述徑向突出部設置的密封件。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一流量控制部件包括內部通道，其從所述壓縮氣缸的內部容積延伸至所述第一流量控制部件的外表面中的孔口，並且其中所述第一流量控制部件構造成在所述孔口從所述排氣口偏離時阻塞所述排氣口。
5.根據權利要求4所述的系統，其特徵在於，所述活塞組件包括密封件，其繞著所述第一流量控制部件的外表面設置在所述孔口的相對的軸向側上。
6.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一流量控制部件構造成控制與所述活塞的第一側相鄰的第一容積內的流體流，所述活塞組件包括從所述活塞延伸的第二流量控制部件，並且所述第二流量控制部件構造成控制與所述活塞的第二側相鄰的第二容積內的流體流。
7.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述第一流量控制部件構造成在所述活塞組件沿第一方向移動時阻塞所述進氣口，並且在所述活塞組件沿與所述第一方向相反的第二方向移動時阻塞所述排氣口。
8.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，包括入口，其流體聯接於所述進氣口。
9.根據權利要求8所述的系統，其特徵在於，所述入口經由穿過所述壓縮氣缸的內部通道流體聯接於所述進氣口。
10.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，包括出口，其經由穿過所述壓縮氣缸的內部通道、經由外部通道或它們的組合流體聯接於所述排氣口。
11.一種系統，包括: 壓縮氣缸，其構造成安裝於往復式壓縮機，其中所述壓縮氣缸包括進氣口和排氣口 ；和 活塞組件，其設置在所述壓縮氣缸內，其中所述活塞組件包括活塞和從所述活塞延伸的流量控制部件； 其中所述活塞組件構造成在所述活塞組件沿第一方向移動時利用所述流量控制部件相繼阻塞所述進氣口，壓縮所述壓縮氣缸的內部容積內的流體，並且通過所述排氣口排放所述流體，並且其中所述活塞組件構造成在所述活塞組件沿與所述第一方向相反的第二方向移動時利用所述流量控制部件相繼阻塞所述排氣口，減小所述內部容積內的所述流體的壓力，並且通過所述進氣口將附加流體吸取到所述內部容積中。
12.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述進氣口繞著所述流量控制部件設置，並且所述流量控制部件包括徑向突出部，其構造成在所述徑向突出部與所述進氣口對準時選擇性地阻塞所述進氣口。
13.根據權利要求12所述的系統，其特徵在於，所述活塞組件包括繞著所述徑向突出部設置的密封件。
14.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述流量控制部件包括內部通道，其從所述壓縮氣缸的內部容積延伸至所述流量控制部件的外表面中的孔口，並且其中所述流量控制部件構造成在所述孔口從所述排氣口偏離時阻塞所述排氣口。
15.根據權利要求11所述的系統，其特徵在於，所述流量控制部件構造成控制與所述活塞的第一側相鄰的第一容積內的流體流，所述活塞組件包括從所述活塞延伸的第二流量控制部件，並且所述第二流量控制部件構造成控制與所述活塞的第二側相鄰的第二容積內的流體流。
16.—種系統，包括: 壓縮氣缸，其構造成安裝於往復式壓縮機，其中所述壓縮氣缸包括進氣口和排氣口 ；和 活塞組件，其設置在所述壓縮氣缸內，其中所述活塞組件包括活塞和從所述活塞延伸的流量控制部件； 其中所述流量控制部件構造成在所述活塞組件以第一方向移動時阻塞所述進氣口，並且在所述活塞組件沿與所述第一方向相反的第二方向移動時阻塞所述排氣口。
17.根據權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述進氣口繞著所述流量控制部件設置，並且所述流量控制部件包括徑向突出部，其構造成在所述徑向突出部與所述進氣口對準時選擇性地阻塞所述進氣口。
18.根據權利要求17所述的系統，其特徵在於，所述活塞組件包括繞著所述徑向突出部設置的密封件。
19.根據權利要求16所述的系統，其特徵在於，所述流量控制部件包括內部通道，其從所述壓縮氣缸的內部容積延伸至所述流量控制部件的外表面中的孔口，並且所述流量控制部件構造成在所述孔口從所述排氣口偏離時阻塞所述排氣口。
20.根據權利要求19所述的系統，其特徵在於，所述活塞組件包括密封件，其繞著所述流量控制部件的外表面設置在所述孔口的相對的軸向側上。
【文檔編號】F04B7/04GK104471243SQ201280071630
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2012年10月23日 優先權日:2012年1月19日
【發明者】M. 卡比爾 O., 拉馬庫馬 K., 阿什拉夫 K. 申請人:通用電氣石油和天然氣壓縮系統有限責任公司