一种自由活塞式膨胀压缩机组.pdf

一种自由活塞式膨胀—压缩机组，包括膨胀机，膨胀机与压缩机相连接，还包括吸排气控制机构与膨胀机和压缩机相连接。本发明利用滑块和活塞杆控制吸排气控制机构控制孔的开启或闭合，实现膨胀机的进气、膨胀和排气过程之间的切换，利用膨胀机与压缩机共轴来回收功，省去了现在的往复式活塞膨胀机使用的曲柄连杆机构，结构简单，摩擦损失小，可有效利用有效能，并提出了一种新的流量和能量调节方法，使该机组能有效的进行流量及能量的调节。

1.  一种自由活塞式膨胀—压缩机组，包括膨胀机，膨胀机与压缩机相连接，所说的膨胀机包括缸体(1)，缸体(1)内设置活塞(4)，活塞(4)将缸体(1)分为工作腔(A)和缓冲腔(C)，所说的压缩机包括缸体(3)，缸体(3)内设置活塞(5)，活塞(5)在缸体(3)内围成工作腔(B)，活塞(4)和活塞(5)通过活塞杆(6)连接，活塞杆(6)在缓冲腔(C)的部分上设置压缩弹簧(7)，其特征在于，还包括吸排气控制机构，所说的吸排气控制机构包括缸体(2)，缸体(2)的一端与缸体(1)固定连接，缸体(2)的另一端与缸体(3)固定连接，缸体(2)的上下分别安装上端盖(8)和下端盖(9)，所说的活塞杆(6)穿过缸体(2)，缸体(2)中间的上下部分别沿轴向开上滑槽(10)和下滑槽(11)，上滑槽(10)内插上滑块(12)，上滑块(12)固定在活塞杆(6)上，上滑槽(10)上开进气控制孔(13)，下滑槽(11)内放置两边带凸起的滑块(14)，拨杆(15)固定在活塞杆(6)上，拨杆(15)随活塞杆(6)的运动拨动滑块(14)在下滑槽(11)内运动，下滑槽(11)上靠近两边处分别开进气控制孔(16)和排气控制孔(17)，所说的缸体(1)的端盖上设置进气孔(18)和排气孔(19)，所说的进气孔(18)与进气控制孔(13)和进气控制孔(16)串联相通，所说的排气孔(19)与排气控制孔(17)串联相通。

2.  根据权利要求1所述的一种自由活塞式膨胀—压缩机组，其特征在于，还包括与压缩机相连接的余隙容积调节机构，所说的余隙容积调节机构包括缸盖(20)，缸盖(20)与缸体(21)固定连接，缸体(21)焊接在压缩机缸体(3)上，缸体(21)内设置活塞(22)，活塞(22)上连接有调节杆(23)，调节杆(23)可调节活塞(22)在缸体(21)内运动，缸体(21)内，活塞(22)与缸体(21)形成调节腔(D)，缸体(21)上开有通孔(24)，通孔(24)将调节腔(D)和工作腔(B)连通。

3.  根据权利要求1所述的一种自由活塞式膨胀—压缩机组，其特征在于，所说的进气控制孔(13)至少为两个。

一种自由活塞式膨胀—压缩机组
技术领域
本发明涉及一种膨胀—压缩机组，尤其涉及一种自由活塞式膨胀—压缩机组。
背景技术
活塞式膨胀机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，由于CFCs和HCFCs对臭氧层的破坏作用和温室效应，以它们为制冷剂的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CO2成为全球范围内最受重视的热点。由于CO2跨临界制冷循环中较高的压差，采用节流方式，不可逆损失大，其COP(性能系数)远低于常规制冷循环。为了提高有效能的利用率，改善循环性能，可采用膨胀机来替代循环中的节流阀。活塞式膨胀机以其优良的密封性能，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。因此活塞式膨胀机在CO2跨临界制冷循环中有着巨大的竞争力。
目前活塞式膨胀机通常通过曲柄连杆机构将活塞的往复运动变成曲轴的回转运动而对外做功，结构复杂，摩擦损失大，机械效率低，另外膨胀机吸、排气控制机构中通常采用凸轮或摇臂传动来控制阀门的启闭，具有布置空间大，机构复杂等缺点。
发明内容
为了解决现有往复式活塞膨胀机结构复杂，摩擦损失大，机械效率低等缺点，本发明的目的在于提供一种自由活塞式膨胀—压缩机组，省去了曲柄连杆机构，可有效利用有效能，同时为该机组膨胀机部分提供一种新型的吸排气控制机构，并提出了一种新的流量和能量调节方法，使该机组能有效的进行流量及能量的调节。
本发明所采用的技术方案是：一种自由活塞式膨胀—压缩机组，包括膨胀机，膨胀机与压缩机相连接，膨胀机包括缸体1，缸体1内设置活塞4，活塞4将缸体1分为工作腔A和缓冲腔C，压缩机包括缸体3，缸体3内设置活塞5，活塞5在缸体3内围成工作腔B，活塞4和活塞5通过活塞杆连接，活塞杆在缓冲腔C的部分上设置压缩弹簧，本装置还包括吸排气控制机构，吸排气控制机构包括缸体2，缸体2的一端与缸体1固定连接，缸体2的另一端与缸体3固定连接，缸体2的上下分别安装上端盖和下端盖，活塞杆穿过缸体2，缸体2中间的上下部分别轴向开上滑槽和下滑槽，上滑槽内插上滑块，上滑块固定在活塞杆上，上滑槽上开进气控制孔13，下滑槽内放置两边带凸起的滑块，拨杆固定在活塞杆上，拨杆随活塞杆的运动拨动滑块在下滑槽内运动，下滑槽上靠近两边处分别开进气控制孔16和排气控制孔17，缸体1的端盖上设置进气孔18和排气孔19，进气孔18与进气控制孔13和进气控制孔16串联相通，排气孔19与排气控制孔17串联相通。
本发明较佳的技术方案在于还包括与压缩机相连接的余隙容积调节机构，余隙容积调节机构包括缸盖20，缸盖20与缸体21固定连接，缸体21安装在压缩机缸体3上，缸体21内设置活塞22，活塞22上连接有调节杆，调节杆可调节活塞22在缸体21内运动，缸体21内，活塞22与缸体21形成调节腔D，缸体21上开有通孔，通孔将调节腔D和工作腔B连通。
进气控制孔13至少为两个，根据流量和膨胀比开启其中的一个。
本发明的有益效果在于，由于本发明利用膨胀机工作腔和压缩机工作腔内气体压力的变化，使活塞进行往复运动，利用滑块和活塞杆控制膨胀机的吸、排气控制孔口的开启或闭合，实现膨胀机的进气、膨胀和排气过程之间的切换，利用膨胀机与压缩机共轴来回收功，省去了现在的往复式活塞膨胀机使用的曲柄连杆机构，所以其结构简单，摩擦损失小，可有效利用有效能，并提出了一种新的流量和能量调节方法，使该机组能有效的进行流量及能量的调节。
附图说明
图1是本发明的结构示意剖面图；
图2是图1的A-A剖面图；
图3是图1的B-B剖面图；
图4是图1的C-C剖面图；
图5是进排气控制孔开闭状态与膨胀机行程对应关系示意图。
图中，1.缸体，2.缸体，3.缸体，4.活塞，5.活塞，6.活塞杆，7.压缩弹簧，8.上端盖，9.下端盖，10.上滑槽，11.下滑槽，12.上滑块，13.进气控制孔，14.滑块，15.拨杆，16.进气控制孔，17.排气控制孔，18.进气孔，19.排气孔，20.缸盖，21.缸体，22.活塞，23.调节杆，24.通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构和工作原理作详细说明。
图1中，一种自由活塞式膨胀—压缩机组，包括膨胀机，膨胀机与压缩机相连接，膨胀机包括缸体1，缸体1内设置活塞4，活塞4将缸体1分为工作腔A和缓冲腔C，压缩机包括缸体3，缸体3内设置活塞5，活塞5在缸体3内围成工作腔B，活塞4和活塞5通过活塞杆6连接，活塞杆6在缓冲腔C的部分上设置压缩弹簧7，本发明还包括吸排气控制机构，吸排气控制机构包括缸体2，缸体2的一端与缸体1固定连接，缸体2的另一端与缸体3固定连接，缸体2的上下分别安装上端盖8和下端盖9，活塞杆6穿过缸体2。
参见图2、图3，缸体2中间的上下部分别轴向开上滑槽10和下滑槽11，上滑槽10内插上滑块12，上滑块12固定在活塞杆6上，上滑槽10上开进气控制孔13，下滑槽11内放置两边带凸起的滑块14，拨杆15固定在活塞杆6上，拨杆15随活塞杆6的运动拨动滑块14在下滑槽11内运动，下滑槽11上靠近两边处分别开进气控制孔16和排气控制孔17，缸体1端盖上设置进气孔18和排气孔19，进气孔18与进气控制孔13和进气控制孔16串联相通，排气孔19与排气控制孔17串联相通。
与压缩机相连接的余隙容积调节机构包括缸盖20，缸盖20与缸体21固定连接，缸体21安装在压缩机缸体3上，缸体21内设置活塞22，活塞22上连接有调节杆23，调节杆23可调节活塞22在缸体21内运动，缸体21内，活塞22与缸体21形成调节腔D。
参见图4，缸体21上开有通孔24，通孔24将调节腔D和工作腔B连通。
进气控制孔13为三个，分别为13A，13B，13C。
该机组开始工作时，由于有弹簧7的作用，活塞4位于膨胀机端盖一侧，此时滑块14在排气控制孔17处，排气控制孔17关闭，进气控制孔16开启。假设根据工况设置开启进口控制孔13B，关闭进气控制孔13A和13C，高压气体通过进气控制孔16、进气控制孔13B和进气孔18进入膨胀机工作腔A，在高压气体力的作用下，活塞4、活塞杆6和活塞5向膨胀机工作腔A容积增加，压缩机工作腔B容积减小的方向运动，膨胀机吸气，弹簧7压缩，压缩机工作腔B内的低压气体被压缩，当上滑块12随活塞杆6运动到进气控制孔13B处时，进气控制孔13B被上滑块12隔断而关闭，膨胀机进气过程结束。
在膨胀机工作腔A内高压气体的作用下，活塞4、活塞杆6和活塞5继续前进，膨胀机进入膨胀过程，膨胀机工作腔A内气体压力开始下降，同时压缩机工作腔内B的气体继续被压缩，直到达到设定的排气压力，压缩机进入排气过程。当作用于活塞4和活塞5上的轴向合力与其运动方向相反，活塞4、活塞杆6和活塞5进入减速运动过程，接近止点位置时，拨杆15拨动滑块14到进气控制孔16处，进气控制孔16关闭，排气控制孔17开启，膨胀机膨胀过程和压缩机排气过程结束，膨胀机工作腔A内高压气体或液体变为低压气体或气液两相流体。
此时，在压缩机工作腔B残余高压气体及弹簧7的推动下，活塞4、活塞杆6和活塞5开始朝着膨胀机工作腔A容积减小，压缩机工作腔B容积增加的方向运动，膨胀机进入排气过程，膨胀机工作腔A内低压气体或气、液两相流体通过排气孔19、排气控制孔17排出，压缩机进入余隙膨胀过程，压缩机工作腔B内气体压力降低，当低于设定的吸气压力时，压缩机进入吸气过程。活塞4、活塞杆6和活塞5朝着膨胀机工作腔A容积减小，压缩机工作腔B容积增加的方向运动过程中，弹簧7弹力逐渐减小，当作用于活塞4和活塞5上的轴向合力与其运动方向相反时，活塞4、活塞杆6和活塞5进入减速运动过程，接近止点位置时，拨杆15拨动滑块14到排气控制孔17处，排气控制孔17关闭，进气控制孔16开启，膨胀机排气过程和压缩机进气过程结束，各部件均回到初始位置，机组开始进入下一循环。
图5中，显示的是进排气控制孔开闭状态与膨胀机行程对应关系的示意图。活塞4、活塞杆6和活塞5向膨胀机工作腔A容积增加，压缩机工作腔B容积减小的方向运动过程中，进气控制孔13开启，同时进气控制孔16开启，排气控制孔17关闭时，膨胀机为吸气行程；进气控制孔16和排气控制孔17状态维持不变，进气控制孔13关闭，膨胀机进气通道切断，膨胀机进入膨胀行程；压缩机的压缩行程和排气行程与其设定的排气压力有关，低于排气压缩时为压缩行程，高于排气压力时为排气行程；膨胀机到达止点后，活塞4、活塞杆6和活塞5开始向膨胀机工作腔A容积减小，压缩机工作腔B容积增加地方向运动，整个过程无论进气控制孔13关闭还是开启，因进口控制孔16始终关闭，膨胀机进气通道切断，同时排气控制孔17始终开启，膨胀机为排气行程。压缩机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。
穿过控制气缸缸体2内的上滑槽10有多个进气控制孔13，通过开启不同的进气控制孔13可以改变膨胀机的进气结束位置，从而改变膨胀机的流量和输出功，进气控制孔13的个数和孔间间距可以根据需要改变。
通过旋转调节杆23可以使调节活塞22上下移动，改变余隙容积调节腔D的大小，从而调节压缩机的余隙容积，保证膨胀机的输出功改变时，压缩机的功耗与膨胀机输出的功相匹配。
膨胀机进气控制孔13的改变，以及压缩机余隙容积的调节，这两种方式相结合，可有效地对机组进行流量和能量的调节。
该自由活塞式膨胀——压缩机组主要应用领域有：在压缩—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CO₂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；此外，通过在膨胀机腔内安置点火装置，该自由活塞式膨胀——压缩机组可以做成自由活塞式发动机，从而应用于燃气摩托压缩机等领域。