两级活塞增压式真空压缩泵的制作方法

本发明属于空气压缩泵技术领域，特别涉及一种用于太空舱内生命循环系统的气体压缩装置。

背景技术：

空气压缩泵将原动机的机械能转化为气体压力，是压缩空气的发生装置。空气压缩泵的种类很多，按工作原理可分为容积式和速度式。容积式压缩泵的工作原理是压缩气体的体积，使单位体积内气体分子的密度增加以提高压缩空气的压力；速度式压缩泵的工作原理是提高气体分子的运动速度，使气体分子具有的动能转化为气体的压力能，从而提高压缩空气的压力。

活塞式空压泵属于容积式压缩泵，其使用历史悠久，是目前国内用的最多的压缩泵，具有压力范围广，能够适应较宽的能量范围，能量可调、热效率高、适应多种工况等优点。然而市场上常见的活塞式空压机基本都是采用曲柄连杆或曲柄滑块结构，这类结构复杂、设计难度大、易损件多、运行平稳性差。此外，常用的压缩泵外围辅助管路、接头等众多，系统复杂、可靠性差。这些问题限制着活塞式空气压缩泵的应用范围。

太空舱内可用空间紧张，要求产品重量低，同时要求产品可靠性高，现有的常规活塞式空压机很难适应太空应用的要求。

技术实现要素：

本发明的目的是：提供一种满足太空舱内生命循环系统使用要求的空气压缩泵。

本发明的技术方案为：一种两级活塞增压式真空压缩泵，它包括：两套并联运行的Ⅰ级活塞组件，Ⅱ级活塞组件，曲轴驱动系统以及中冷系统；

两套并联运行的Ⅰ级活塞组件对称分设在Ⅱ级活塞组件两侧，每套Ⅰ级活塞组件均包括：Ⅰ级阀板组件，Ⅰ级进排气缸盖，Ⅰ级进气缓冲腔，Ⅰ级排气缓冲腔，Ⅰ级活塞杆，Ⅰ级活塞缸，活塞缸密封环，进气盖，导向环，进气缓冲腔，密封环；Ⅰ级活塞杆外侧设置有活塞套，活塞套外侧设置有供冷却液流动的沟槽，冷却液在沟槽内呈S形流动实现冷却效果；

Ⅱ级活塞组件包括：Ⅱ级阀板组件，Ⅱ级活塞杆，Ⅱ级活塞缸，Ⅱ级进排气缸盖，Ⅱ级进气缓冲腔，Ⅱ级排气缓冲腔；Ⅱ级活塞杆外侧设置有活塞套，活塞套外侧设置有供冷却液流动的沟槽，冷却液在沟槽内呈S形流动实现冷却效果；

曲轴驱动系统包括：电机定子，右端盖组件，电机转子，两个Ⅰ级活塞杆支撑轴承，两个主轴承，曲轴，Ⅱ级活塞杆支撑轴承，曲轴箱，左端盖，苏格兰轭；曲轴由位于Ⅱ级活塞杆支撑轴承两侧对称分布的两个主轴承支撑，两个Ⅰ级活塞杆支撑轴承位于两个主轴承外侧，通过在曲轴两端设置包括锁紧螺母、锁紧垫片及调整垫片的锁紧组件，以及在曲轴内部设置压套、垫块，实现了对曲轴驱动系统的锁紧；曲轴由右侧的电机驱动，电机转子通过轴套和锁紧螺母组件与曲轴紧固为一体，电机定子与曲轴箱的右端盖组件通过过盈配合紧固为一体；两个Ⅰ级活塞杆和Ⅱ级活塞杆均在底部通过螺栓刚性连接至苏格兰轭，苏格兰轭内部设置支撑轴承，用于支撑及限制苏格兰轭的运动轨迹，随着曲轴转动，带动苏格兰轭按照设定的轨迹运动，进而推动两个Ⅰ级活塞杆和Ⅱ级活塞杆实现上下移动；

中冷系统包括：冷却缸套和集成于冷却缸套内部的中冷管路；中冷管路外侧加工有螺旋翅片，通过调整该螺旋翅片的螺距而调节翅片内冷却液的流速，进而调节冷却效果；冷却液由进水口进入中冷管路，对由Ⅰ级活塞组件排出的加压升温气体进行冷却后，流入Ⅰ级活塞杆外侧的活塞套外部，对Ⅰ级活塞杆进行冷却；随后，两路冷却液合并后，进入Ⅱ级活塞杆外侧的活塞套外部，对Ⅱ级活塞杆进行冷却，再由冷却缸套流出，经由外部管路进入电机的外冷却套内，经由冷却套外侧翅片对电机产生的温升进行冷却，最后，冷却液由曲轴箱上的出水口流出，完成冷却工作；

气流由进气盖的进气口流入，在冷却缸套内的进气缓冲腔内得到缓冲后，进入Ⅰ级进气缓冲腔进一步缓冲后，进入Ⅰ级活塞缸内，经过Ⅰ级活塞杆压缩，气体压力增加并由Ⅰ级阀板组件的排气口排出；排出的气体在Ⅰ级排气缓冲腔内进一步得到缓冲后，进入中冷管路，经冷却降温后，进入Ⅱ级进气缓冲腔内得到缓冲后，由Ⅱ级阀板组件的进气口进入Ⅱ级活塞缸内，经Ⅱ级活塞杆加压后，由Ⅱ级排气缓冲腔的排气口排出，得到加压后的气体。

有益效果：(1)本发明摒弃了传统活塞压缩机中的曲柄连杆和曲柄滑块结构，采用苏格兰轭实现活塞杆与曲轴的刚性连接，提高了系统可靠性的同时，极大地降低了系统的结构复杂程度，也降低了设计、加工和装配难度；

(2)本发明采用了两级活塞增压结构，较传统的单级活塞增压式空压机具有更高的工作效率；本发明的两个Ⅰ级活塞对称分布于Ⅱ级活塞两侧，只需要对Ⅱ级活塞进行配重设计，即可以实现系统往复运动力的平衡；

(3)本发明将两级活塞之间的中冷装置集成于系统内部，避免了外部辅助管路的连接，进而降低了产品外围辅助管路及接头的复杂程度，提高了系统连接可靠性，同时提高了系统的散热能力，适应了太空应用的要求。

附图说明

图1为本发明主剖视图；

图2为本发明外观主视图；

图3为图2的右视图；

图4为图2的后视图；

图5为本发明中活塞套的主视图；

图6为图5的A-A剖视图；

图7、图8为本发明中Ⅰ级、Ⅱ级排气缸盖，进气缓冲腔，排气缓冲腔的结构图；

图9为本发明中曲轴驱动系统的剖视图；

图10为本发明中苏格兰轭的主视图、俯视图和A-A剖视图；

图11为本发明中冷却液流动路径示意图；

图12为本发明工作原理图。

具体实施方式

参见附图1-4，一种两级活塞增压式真空压缩泵，它包括：两套并联运行的Ⅰ级活塞组件，Ⅱ级活塞组件，曲轴驱动系统，中冷系统；

参见附图5-8，两套并联运行的Ⅰ级活塞组件对称分设在Ⅱ级活塞组件两侧，每套Ⅰ级活塞组件均包括：Ⅰ级阀板组件1，10，Ⅰ级进排气缸盖2，11，Ⅰ级进气缓冲腔3，Ⅰ级排气缓冲腔5，Ⅰ级活塞杆4，9，Ⅰ级活塞缸，活塞缸密封环12，进气盖13，28，导向环26，进气缓冲腔27，密封环29；Ⅰ级活塞杆4，9外侧设置有活塞套40，活塞套40外侧设置有供冷却液流动的沟槽41，冷却液在沟槽41内呈S形流动实现冷却效果；

Ⅱ级活塞组件包括：Ⅱ级阀板组件6，Ⅱ级活塞杆7，Ⅱ级活塞缸，Ⅱ级进排气缸盖8，Ⅱ级进气缓冲腔47，Ⅱ级排气缓冲腔48；Ⅱ级活塞杆7外侧设置有活塞套40，活塞套40外侧设置有供冷却液流动的沟槽41，冷却液在沟槽41内呈S形流动实现冷却效果；

参见附图9-10，曲轴驱动系统包括：电机定子14，右端盖组件15，电机转子16，两个Ⅰ级活塞杆支撑轴承17，22，两个主轴承18，21，曲轴19，Ⅱ级活塞杆支撑轴承20，曲轴箱23，左端盖24，苏格兰轭25；曲轴19由位于Ⅱ级活塞杆支撑轴承20两侧对称分布的两个主轴承18，21支撑，两个Ⅰ级活塞杆支撑轴承17，22位于两个主轴承18，21外侧，通过在曲轴19两端设置包括锁紧螺母41、锁紧垫片42及调整垫片43的锁紧组件40，以及在曲轴19内部设置压套44、垫块45，实现了对曲轴驱动系统的锁紧；曲轴19由右侧的电机驱动，电机转子16通过轴套46和锁紧螺母组件40与曲轴19紧固为一体，电机定子14与曲轴箱23的右端盖组件15通过过盈配合紧固为一体；两个Ⅰ级活塞杆4，9和Ⅱ级活塞杆7均在底部通过螺栓刚性连接至苏格兰轭25，苏格兰轭25内部设置支撑轴承，用于支撑及限制苏格兰轭25的运动轨迹，随着曲轴19转动，带动苏格兰轭25按照设定的轨迹运动，进而推动两个Ⅰ级活塞杆4，9和Ⅱ级活塞杆7实现上下移动；

参见附图11，中冷系统包括：冷却缸套30和集成于冷却缸套30内部的中冷管路31；中冷管路31外侧加工有螺旋翅片36，通过调整该螺旋翅片36的螺距而调节翅片内冷却液的流速，进而调节冷却效果；冷却液由进水口32进入中冷管路31，对由Ⅰ级活塞组件排出的加压升温气体进行冷却后，流入Ⅰ级活塞杆4，9外侧的活塞套40外部，对Ⅰ级活塞杆4，9进行冷却；随后，两路冷却液合并后，进入Ⅱ级活塞杆7外侧的活塞套40外部，对Ⅱ级活塞杆7进行冷却，再由冷却缸套30流出，经由外部管路进入电机的外冷却套内，经由冷却套外侧翅片对电机产生的温升进行冷却，最后，冷却液由曲轴箱23上的出水口33流出，完成冷却工作；

参见附图12，气流由进气盖13，28的进气口34流入，在冷却缸套30内的进气缓冲腔27内得到缓冲后，进入Ⅰ级进气缓冲腔3进一步缓冲后，进入Ⅰ级活塞缸内，经过Ⅰ级活塞杆4，9压缩，气体压力增加并由Ⅰ级阀板组件1，10的排气口排出；排出的气体在Ⅰ级排气缓冲腔5内进一步得到缓冲后，进入中冷管路31，经冷却降温后，进入Ⅱ级进气缓冲腔47内得到缓冲后，由Ⅱ级阀板组件6的进气口进入Ⅱ级活塞缸内，经Ⅱ级活塞杆7加压后，由Ⅱ级排气缓冲腔48的排气口35排出，得到加压后的气体。

上述方案中，中冷管路31采用铜管或铝管材料制成。

进一步的，可在Ⅱ级活塞杆7内部增加配重，用于平衡两级活塞杆之间的往复运动力，也可在曲轴19相应位置设置配重，用于实现系统离心力的平衡。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。