專利名稱：一種自由活塞式膨脹—壓縮機組的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種膨脹—壓縮機組，尤其涉及一種自由活塞式膨脹—壓縮機組。
背景技術：
活塞式膨脹機作為用來制取冷量的低溫機械已被廣泛應用于低溫領域，如氫、氦液化，空氣分離等。在制冷領域，由于CFCs和HCFCs對臭氧層的破壞作用和溫室效應，以它們為制冷劑的空調行業正面臨著開發替代物的挑戰，鑒于新型化合物替代物同樣會隱含著不可預知的危害，人們將注意力集中在自然制冷工質上，其中具有優良的環保特性和良好的流動、傳熱性能的CO2成為全球范圍內最受重視的熱點。由于CO2跨臨界制冷循環中較高的壓差，采用節流方式，不可逆損失大，其COP(性能系數)遠低于常規制冷循環。為了提高有效能的利用率，改善循環性能，可采用膨脹機來替代循環中的節流閥。活塞式膨脹機以其優良的密封性能，在高壓和小流量情況下，其效率仍高于透平式和回轉式膨脹機。因此活塞式膨脹機在CO2跨臨界制冷循環中有著巨大的競爭力。
目前活塞式膨脹機通常通過曲柄連桿機構將活塞的往復運動變成曲軸的回轉運動而對外做功，結構復雜，摩擦損失大，機械效率低，另外膨脹機吸、排氣控制機構中通常采用凸輪或搖臂傳動來控制閥門的啟閉，具有布置空間大，機構復雜等缺點。
發明內容
為了解決現有往復式活塞膨脹機結構復雜，摩擦損失大，機械效率低等缺點，本發明的目的在于提供一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，省去了曲柄連桿機構，可有效利用有效能，同時為該機組膨脹機部分提供一種新型的吸排氣控制機構，并提出了一種新的流量和能量調節方法，使該機組能有效的進行流量及能量的調節。
本發明所采用的技術方案是一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，包括膨脹機，膨脹機與壓縮機相連接，膨脹機包括缸體1，缸體1內設置活塞4，活塞4將缸體1分為工作腔A和緩沖腔C，壓縮機包括缸體3，缸體3內設置活塞5，活塞5在缸體3內圍成工作腔B，活塞4和活塞5通過活塞桿連接，活塞桿在緩沖腔C的部分上設置壓縮彈簧，本裝置還包括吸排氣控制機構，吸排氣控制機構包括缸體2，缸體2的一端與缸體1固定連接，缸體2的另一端與缸體3固定連接，缸體2的上下分別安裝上端蓋和下端蓋，活塞桿穿過缸體2，缸體2中間的上下部分別軸向開上滑槽和下滑槽，上滑槽內插上滑塊，上滑塊固定在活塞桿上，上滑槽上開進氣控制孔13，下滑槽內放置兩邊帶凸起的滑塊，撥桿固定在活塞桿上，撥桿隨活塞桿的運動撥動滑塊在下滑槽內運動，下滑槽上靠近兩邊處分別開進氣控制孔16和排氣控制孔17，缸體1的端蓋上設置進氣孔18和排氣孔19，進氣孔18與進氣控制孔13和進氣控制孔16串聯相通，排氣孔19與排氣控制孔17串聯相通。
本發明較佳的技術方案在于還包括與壓縮機相連接的余隙容積調節機構，余隙容積調節機構包括缸蓋20，缸蓋20與缸體21固定連接，缸體21安裝在壓縮機缸體3上，缸體21內設置活塞22，活塞22上連接有調節桿，調節桿可調節活塞22在缸體21內運動，缸體21內，活塞22與缸體21形成調節腔D，缸體21上開有通孔，通孔將調節腔D和工作腔B連通。
進氣控制孔13至少為兩個，根據流量和膨脹比開啟其中的一個。
本發明的有益效果在于，由于本發明利用膨脹機工作腔和壓縮機工作腔內氣體壓力的變化，使活塞進行往復運動，利用滑塊和活塞桿控制膨脹機的吸、排氣控制孔口的開啟或閉合，實現膨脹機的進氣、膨脹和排氣過程之間的切換，利用膨脹機與壓縮機共軸來回收功，省去了現在的往復式活塞膨脹機使用的曲柄連桿機構，所以其結構簡單，摩擦損失小，可有效利用有效能，并提出了一種新的流量和能量調節方法，使該機組能有效的進行流量及能量的調節。
圖1是本發明的結構示意剖面圖；圖2是圖1的A-A剖面圖；圖3是圖1的B-B剖面圖；圖4是圖1的C-C剖面圖；圖5是進排氣控制孔開閉狀態與膨脹機行程對應關系示意圖。
圖中，1.缸體，2.缸體，3.缸體，4.活塞，5.活塞，6.活塞桿，7.壓縮彈簧，8.上端蓋，9.下端蓋，10.上滑槽，11.下滑槽，12.上滑塊，13.進氣控制孔，14.滑塊，15.撥桿，16.進氣控制孔，17.排氣控制孔，18.進氣孔，19.排氣孔，20.缸蓋，21.缸體，22.活塞，23.調節桿，24.通孔。
具體實施例方式
下面結合附圖對本發明的結構和工作原理作詳細說明。
圖1中，一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，包括膨脹機，膨脹機與壓縮機相連接，膨脹機包括缸體1，缸體1內設置活塞4，活塞4將缸體1分為工作腔A和緩沖腔C，壓縮機包括缸體3，缸體3內設置活塞5，活塞5在缸體3內圍成工作腔B，活塞4和活塞5通過活塞桿6連接，活塞桿6在緩沖腔C的部分上設置壓縮彈簧7，本發明還包括吸排氣控制機構，吸排氣控制機構包括缸體2，缸體2的一端與缸體1固定連接，缸體2的另一端與缸體3固定連接，缸體2的上下分別安裝上端蓋8和下端蓋9，活塞桿6穿過缸體2。
參見圖2、圖3，缸體2中間的上下部分別軸向開上滑槽10和下滑槽11，上滑槽10內插上滑塊12，上滑塊12固定在活塞桿6上，上滑槽10上開進氣控制孔13，下滑槽11內放置兩邊帶凸起的滑塊14，撥桿15固定在活塞桿6上，撥桿15隨活塞桿6的運動撥動滑塊14在下滑槽11內運動，下滑槽11上靠近兩邊處分別開進氣控制孔16和排氣控制孔17，缸體1端蓋上設置進氣孔18和排氣孔19，進氣孔18與進氣控制孔13和進氣控制孔16串聯相通，排氣孔19與排氣控制孔17串聯相通。
與壓縮機相連接的余隙容積調節機構包括缸蓋20，缸蓋20與缸體21固定連接，缸體21安裝在壓縮機缸體3上，缸體21內設置活塞22，活塞22上連接有調節桿23，調節桿23可調節活塞22在缸體21內運動，缸體21內，活塞22與缸體21形成調節腔D。
參見圖4，缸體21上開有通孔24，通孔24將調節腔D和工作腔B連通。
進氣控制孔13為三個，分別為13A，13B，13C。
該機組開始工作時，由于有彈簧7的作用，活塞4位于膨脹機端蓋一側，此時滑塊14在排氣控制孔17處，排氣控制孔17關閉，進氣控制孔16開啟。假設根據工況設置開啟進口控制孔13B，關閉進氣控制孔13A和13C，高壓氣體通過進氣控制孔16、進氣控制孔13B和進氣孔18進入膨脹機工作腔A，在高壓氣體力的作用下，活塞4、活塞桿6和活塞5向膨脹機工作腔A容積增加，壓縮機工作腔B容積減小的方向運動，膨脹機吸氣，彈簧7壓縮，壓縮機工作腔B內的低壓氣體被壓縮，當上滑塊12隨活塞桿6運動到進氣控制孔13B處時，進氣控制孔13B被上滑塊12隔斷而關閉，膨脹機進氣過程結束。
在膨脹機工作腔A內高壓氣體的作用下，活塞4、活塞桿6和活塞5繼續前進，膨脹機進入膨脹過程，膨脹機工作腔A內氣體壓力開始下降，同時壓縮機工作腔內B的氣體繼續被壓縮，直到達到設定的排氣壓力，壓縮機進入排氣過程。當作用于活塞4和活塞5上的軸向合力與其運動方向相反，活塞4、活塞桿6和活塞5進入減速運動過程，接近止點位置時，撥桿15撥動滑塊14到進氣控制孔16處，進氣控制孔16關閉，排氣控制孔17開啟，膨脹機膨脹過程和壓縮機排氣過程結束，膨脹機工作腔A內高壓氣體或液體變為低壓氣體或氣液兩相流體。
此時，在壓縮機工作腔B殘余高壓氣體及彈簧7的推動下，活塞4、活塞桿6和活塞5開始朝著膨脹機工作腔A容積減小，壓縮機工作腔B容積增加的方向運動，膨脹機進入排氣過程，膨脹機工作腔A內低壓氣體或氣、液兩相流體通過排氣孔19、排氣控制孔17排出，壓縮機進入余隙膨脹過程，壓縮機工作腔B內氣體壓力降低，當低于設定的吸氣壓力時，壓縮機進入吸氣過程。活塞4、活塞桿6和活塞5朝著膨脹機工作腔A容積減小，壓縮機工作腔B容積增加的方向運動過程中，彈簧7彈力逐漸減小，當作用于活塞4和活塞5上的軸向合力與其運動方向相反時，活塞4、活塞桿6和活塞5進入減速運動過程，接近止點位置時，撥桿15撥動滑塊14到排氣控制孔17處，排氣控制孔17關閉，進氣控制孔16開啟，膨脹機排氣過程和壓縮機進氣過程結束，各部件均回到初始位置，機組開始進入下一循環。
圖5中，顯示的是進排氣控制孔開閉狀態與膨脹機行程對應關系的示意圖。活塞4、活塞桿6和活塞5向膨脹機工作腔A容積增加，壓縮機工作腔B容積減小的方向運動過程中，進氣控制孔13開啟，同時進氣控制孔16開啟，排氣控制孔17關閉時，膨脹機為吸氣行程；進氣控制孔16和排氣控制孔17狀態維持不變，進氣控制孔13關閉，膨脹機進氣通道切斷，膨脹機進入膨脹行程；壓縮機的壓縮行程和排氣行程與其設定的排氣壓力有關，低于排氣壓縮時為壓縮行程，高于排氣壓力時為排氣行程；膨脹機到達止點后，活塞4、活塞桿6和活塞5開始向膨脹機工作腔A容積減小，壓縮機工作腔B容積增加的方向運動，整個過程無論進氣控制孔13關閉還是開啟，因進口控制孔16始終關閉，膨脹機進氣通道切斷，同時排氣控制孔17始終開啟，膨脹機為排氣行程。壓縮機余隙膨脹行程和吸氣行程與其設定的吸氣壓力有關，高于吸氣壓力時為余隙膨脹行程，低于吸氣壓力時為吸氣行程。
穿過控制氣缸缸體2內的上滑槽10有多個進氣控制孔13，通過開啟不同的進氣控制孔13可以改變膨脹機的進氣結束位置，從而改變膨脹機的流量和輸出功，進氣控制孔13的個數和孔間間距可以根據需要改變。
通過旋轉調節桿23可以使調節活塞22上下移動，改變余隙容積調節腔D的大小，從而調節壓縮機的余隙容積，保證膨脹機的輸出功改變時，壓縮機的功耗與膨脹機輸出的功相匹配。
膨脹機進氣控制孔13的改變，以及壓縮機余隙容積的調節，這兩種方式相結合，可有效地對機組進行流量和能量的調節。
該自由活塞式膨脹——壓縮機組主要應用領域有在壓縮—冷凝式制冷方法中，替代節流閥，增加制冷量，并回收膨脹功，提高制冷機組的性能系數，如傳統氟利昂制冷系統，新型跨臨界CO2制冷系統，以及以空氣為工質的制冷系統等；該機組也可以應用到低品味熱源回收裝置中；此外，通過在膨脹機腔內安置點火裝置，該自由活塞式膨脹——壓縮機組可以做成自由活塞式發動機，從而應用于燃氣摩托壓縮機等領域。
權利要求
1.一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，包括膨脹機，膨脹機與壓縮機相連接，所說的膨脹機包括缸體(1)，缸體(1)內設置活塞(4)，活塞(4)將缸體(1)分為工作腔(A)和緩沖腔(C)，所說的壓縮機包括缸體(3)，缸體(3)內設置活塞(5)，活塞(5)在缸體(3)內圍成工作腔(B)，活塞(4)和活塞(5)通過活塞桿(6)連接，活塞桿(6)在緩沖腔(C)的部分上設置壓縮彈簧(7)，其特征在于，還包括吸排氣控制機構，所說的吸排氣控制機構包括缸體(2)，缸體(2)的一端與缸體(1)固定連接，缸體(2)的另一端與缸體(3)固定連接，缸體(2)的上下分別安裝上端蓋(8)和下端蓋(9)，所說的活塞桿(6)穿過缸體(2)，缸體(2)中間的上下部分別沿軸向開上滑槽(10)和下滑槽(11)，上滑槽(10)內插上滑塊(12)，上滑塊(12)固定在活塞桿(6)上，上滑槽(10)上開進氣控制孔(13)，下滑槽(11)內放置兩邊帶凸起的滑塊(14)，撥桿(15)固定在活塞桿(6)上，撥桿(15)隨活塞桿(6)的運動撥動滑塊(14)在下滑槽(11)內運動，下滑槽(11)上靠近兩邊處分別開進氣控制孔(16)和排氣控制孔(17)，所說的缸體(1)的端蓋上設置進氣孔(18)和排氣孔(19)，所說的進氣孔(18)與進氣控制孔(13)和進氣控制孔(16)串聯相通，所說的排氣孔(19)與排氣控制孔(17)串聯相通。
2.根據權利要求1所述的一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，其特征在于，還包括與壓縮機相連接的余隙容積調節機構，所說的余隙容積調節機構包括缸蓋(20)，缸蓋(20)與缸體(21)固定連接，缸體(21)焊接在壓縮機缸體(3)上，缸體(21)內設置活塞(22)，活塞(22)上連接有調節桿(23)，調節桿(23)可調節活塞(22)在缸體(21)內運動，缸體(21)內，活塞(22)與缸體(21)形成調節腔(D)，缸體(21)上開有通孔(24)，通孔(24)將調節腔(D)和工作腔(B)連通。
3.根據權利要求1所述的一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，其特征在于，所說的進氣控制孔(13)至少為兩個。
全文摘要
一種自由活塞式膨脹—壓縮機組，包括膨脹機，膨脹機與壓縮機相連接，還包括吸排氣控制機構與膨脹機和壓縮機相連接。本發明利用滑塊和活塞桿控制吸排氣控制機構控制孔的開啟或閉合，實現膨脹機的進氣、膨脹和排氣過程之間的切換，利用膨脹機與壓縮機共軸來回收功，省去了現在的往復式活塞膨脹機使用的曲柄連桿機構，結構簡單，摩擦損失小，可有效利用有效能，并提出了一種新的流量和能量調節方法，使該機組能有效的進行流量及能量的調節。
文檔編號F04B35/00GK1605753SQ20041007327
公開日2005年4月13日 申請日期2004年11月15日 優先權日2004年11月15日
發明者彭學院, 張波, 郭蓓, 李敏, 邢子文, 束鵬程 申請人:西安交通大學