一种机体冷却一体化的空气压缩机的制作方法

本发明涉及空气压缩机，特别涉及活塞式空气压缩机。

背景技术：

活塞式空气压缩机通过曲轴连杆带动活塞在气缸内往复运动实现空气压缩。一般的活塞式空气压缩机中，当活塞靠近曲轴轴心时，气缸从外界吸入空气；当活塞远离曲轴轴心时对气缸内的空气进行压缩。这种空气压缩机的一个重要问题是气缸吸气时和空气压缩时，活塞受力相差很大，导致振动较大。而且这种空气压缩机由于其自身特性，通常需要分级压缩。分级压缩可降低排气温度，节省压缩功，提高容积效率，增加压缩气体排气量。此外，船用空气压缩机中，由于船舶空间有限，因此对于空气压缩机的体积要求能够做到更加紧凑。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题：

1、气缸吸气时和空气压缩时，活塞受力相差很大，导致振动很大。

2、空气压缩机的体积更加紧凑。

为解决上述问题，本发明采用的方案如下：

一种机体冷却一体化的空气压缩机，包括气缸、活塞、曲轴箱以及气缸盖；气缸安装在曲轴箱的上方，内设有活塞腔；气缸盖安装在气缸上，用于密封活塞腔；活塞安装于活塞腔内；活塞通过连杆连接曲轴箱上安装的曲轴；其特征在于，气缸的外壁和气缸内活塞腔的腔壁之间设有第一冷水腔和若干散热管；第一冷水腔环活塞腔设置；散热管竖直安装，并穿过第一冷水腔；散热管顶端通过气缸盖内的顶盖气道连通活塞腔。

进一步，顶盖气道的外壁与气缸盖的外壁之间设置有第二冷水腔。

进一步，活塞腔顶部和气缸盖之间安装有第一组合气阀；气缸盖的中心设置有竖直的并上下贯通的进气道；进气道为圆柱形气道，底部边缘设置有环形的与第一组合气阀进行密封的第一封口机构，使得第一组合气阀的进气口连接进气道；沿着第一封口机构的外缘是环形的第一出气口；第一出气口连通顶盖气道，使得第一组合气阀的出气口通过第一出气口连通顶盖气道；第一出气口的外缘是与活塞腔顶部开口进行密封的密封面板；密封面板呈环形，其内径与活塞腔顶部开口的直径相匹配；密封面板的外侧设置有弧形的连接气口；连接气口连通顶盖气道；散热管顶端正对连接气口，使散热管通过连接气口连通顶盖气道，进而连通第一组合气阀的出气口；顶盖气道的上方是隔板；隔板的上方是第二冷水腔。

进一步，气缸的顶面设置有与第一冷水腔连通的第一出水口；气缸盖的底面上设置有连通第二冷水腔的第二进水口；第二进水口正对着第一出水口从而使得第二冷水腔连通第一冷水腔；气缸盖的侧面设置有与第二冷水腔连通的第二出水口。

进一步，气缸盖上的进气道、顶盖气道、第二冷水腔、第一封口机构、第一出气口、连接气口、隔板、密封面板、连接气口、第二出水口以及第二进水口所组成的结构由整体铸造而成。

进一步，气缸用于和曲轴箱相密封的底面上设置有气缸环道；气缸环道环绕活塞腔底部开口设置；散热管的底端开口设置于气缸环道内，并由此连通散热管和气缸环道；曲轴箱用于和气缸相密封的顶面上设置有轴箱环道；轴箱环道顶部具有与气缸环道相匹的环形开口，使得轴箱环道和气缸环道相连通；曲轴箱的侧边安装有集水箱；曲轴箱设置有集水箱的侧向上设置有斜向下的集水道；集水道的顶部连通轴箱环道，底部连通集水箱；气缸侧向设置有过渡气道；过渡气道斜向设置于气缸上，底部连通气缸环道。

进一步，活塞腔的内壁上设有上部开口大下部开口小的内锥部，使得活塞腔被分割成压缩腔和导向腔；其中压缩腔位于导向腔之上，并且其直径大于导向腔的直径；活塞的塞柱壁外侧设有斜率与内锥部相同的外锥部，使得活塞被分割成上塞部和下塞部；其中上塞部位于下塞部的上方，并且其直径大于下塞部的直径；上塞部的直径与压缩腔的直径相匹配，使得上塞部与压缩腔的腔壁之间能够密封；下塞部的直径与导向腔的直径相匹配，使得下塞部与导向腔的腔壁之间能够密封；上塞部位于压缩腔内，下塞部的下端位于导向腔内，使得压缩腔被分割成两个压缩腔：第一压缩腔和第二个压缩腔；所述第一压缩腔由上塞部的顶面、压缩腔的腔壁以及顶部的气缸盖所围成，并通过压缩腔顶部和气缸盖之间安装的第一组合气阀实现进气和出气；所述第二压缩腔由压缩腔的腔壁、下塞部的柱面、外锥部和内锥部所围成，并通过活塞腔的内锥部设置的侧向气口处安装的第二组合气阀实现进气和出气；所述第一压缩腔和第二个压缩腔相级联。

进一步，活塞腔的内壁上设有上部开口大下部开口小的内锥部，使得活塞腔被分割成压缩腔和导向腔；其中压缩腔位于导向腔之上，并且其直径大于导向腔的直径；活塞的塞柱壁外侧设有斜率与内锥部相同的外锥部，使得活塞被分割成上塞部和下塞部；其中上塞部位于下塞部的上方，并且其直径大于下塞部的直径；上塞部的直径与压缩腔的直径相匹配，使得上塞部与压缩腔的腔壁之间能够密封；下塞部的直径与导向腔的直径相匹配，使得下塞部与导向腔的腔壁之间能够密封；上塞部位于压缩腔内，下塞部的下端位于导向腔内，使得压缩腔被分割成两个压缩腔：第一压缩腔和第二个压缩腔；所述第一压缩腔由上塞部的顶面、压缩腔的腔壁以及顶部的气缸盖所围成，并通过压缩腔顶部和气缸盖之间安装的第一组合气阀实现进气和出气；所述第二压缩腔由压缩腔的腔壁、下塞部的柱面、外锥部和内锥部所围成，并通过活塞腔的内锥部设置的侧向气口处安装的第二组合气阀实现进气和出气；所述第一压缩腔和第二个压缩腔相级联；过渡气道设置于气缸安装有第二组合气阀的侧向上；气缸的外侧安装有侧盖；侧盖内设置有连通第二组合气阀的进气口和过渡气道的侧盖通道。

进一步，气缸的侧向气口的外侧设置有接口腔；侧向气口与接口腔之间设置有用于安装第二组合气阀的第二气阀腔；接口腔的侧边设置有第二出气口；侧盖安装在接口腔的外侧；侧盖上安装有封口套；封口套设置有连通侧盖通道的第二进气道；封口套朝向侧向气口上设置有第二封口机构；侧盖通道通过底部的侧道开口连通过渡气道。

进一步，气缸的外壁内还设置有斜向的出气道；出气道位于第一冷水腔之外；出气道的一端连接第二出气口；另一端连接出气口。

本发明的技术效果如下：

1、本发明通过单缸单活塞两级压缩腔的设置，使得当活塞靠近曲轴轴心时，第一级压缩腔吸气，第二级压缩腔进行压缩；当活塞远离曲轴轴心时，第一级压缩腔压缩空气，第二级压缩腔吸气，从而使得活塞在往复运动的过程中，受力相对均衡，从而减少振动，并节省压缩功。

2、将压缩空气冷却的部件直接集成气缸和气缸盖中，并且将两级压缩腔之间连接的管道也集成至气缸和气缸盖中，从而使得该空气压缩机无需安装额外的冷却机构，从而较少了整体的体积。

3、由于管道集成在气缸和气缸盖中，避免了外部管道杂乱连接，因此本发明的空气压缩机安装和维护比较方便。

4、散热管多根设置、气缸环道、过渡气道等两级压缩腔之间大空间气道设计，使得该空气压缩机具有内置的缓冲功能。

5、冷水腔环活塞腔设计，使得冷水腔能够对活塞腔进行冷却。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是气缸竖直剖面的结构示意图。

图3是气缸沿着侧向开口的中线进行水平剖切的结构示意图。

图4是活塞的结构示意图。

图5、图6、图7、图8、图9、图10均为气缸盖的结构示意图。其中图5为俯视的顶面视图。图6为仰视的底面视图。图7为沿着图5中x轴线进行竖直剖切的视图。图8为沿着图5中y轴线进行竖直剖切的视图。图9为沿图8中l1线水平剖切的视图。图10为沿图8中l2线水平剖切的视图。

图11是曲轴箱的竖直剖面的结构示意图。

图12是侧盖竖直剖面的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1至图12所示，一种空气压缩机，包括气缸1、活塞2、曲轴箱3、气缸盖4和侧盖6。该空气压缩机是一种单缸单活塞两级空气压缩机，同时也是一种机体冷却一体化的空气压缩机。具体来说，活塞2安装在气缸1的活塞腔11内，并将气缸1的活塞腔11分割成两级的压缩腔，两级压缩腔级联后而成为两级空气压缩机。两级压缩腔之间级联的压缩空气管道通过气缸盖4、气缸1以及曲轴箱3内设置的管道和气道进行连接。气缸1和气缸盖4内均设置有冷水腔，通过冷水腔对管道和气道内压缩空气的冷却从而实现机体冷却一体化的空气压缩机。

如图1、图2、图3所示，气缸1安装在曲轴箱3的上方，内设有活塞腔11。活塞腔11竖直设置。活塞腔11的顶部设置有第一气阀腔114，底部设置有连杆开口115。气缸盖4安装在气缸1上，用于密封活塞腔11。气缸1与气缸盖4相衔接的第一气阀腔114内安装有第一组合气阀51。活塞2安装于活塞腔11内。活塞2连接连杆39。连杆39穿过活塞腔11底部的连杆开口115后连接曲轴箱3上安装的曲轴38。由此旋转的曲轴38通过连杆39带动活塞2进行升降。活塞腔11的内壁上设有上部开口大下部开口小的内锥部113，使得活塞腔11被分割成压缩腔111和导向腔112。压缩腔111和导向腔112均为圆柱形结构，内锥部113为锥形结构，其中压缩腔111位于导向腔112之上，并且其直径大于导向腔112的直径。内锥部113的侧边设置有连通活塞腔11和外部的侧向开口116。

如图4所示，活塞2的塞柱壁外侧设有斜率与内锥部113相同的外锥部21，使得活塞2被分割成上塞部22和下塞部23。上塞部22和下塞部23均为圆柱形结构，外锥部21为锥形结构，其中，上塞部22位于下塞部23的上方，并且其直径大于下塞部23的直径。上塞部22的直径与压缩腔111的直径相匹配，使得上塞部22与压缩腔111的腔壁之间能够密封。下塞部23的直径与导向腔112的直径相匹配，使得下塞部23与导向腔112的腔壁之间能够密封。

上塞部22位于压缩腔111内，下塞部23的下端位于导向腔112内，使得压缩腔111被分割成两个压缩腔：第一压缩腔和第二个压缩腔。第一压缩腔由上塞部22的顶面、压缩腔111的腔壁以及顶部的气缸盖4所围成，并通过压缩腔111顶部和气缸盖4之间安装的第一组合气阀51实现进气和出气。也就是说，第一压缩腔实际上是活塞2的顶面24、压缩腔111的腔壁以及第一组合气阀51的底部所围成区域。第二压缩腔由压缩腔111的腔壁、活塞2的下塞部23的柱面、活塞2的外锥部21和活塞腔11的内锥部113所围成。第二压缩腔从结构上看是一个围绕活塞2的下塞部23的平行四边形的旋转体。第一压缩腔和第二压缩腔之间通过活塞2的上塞部22和压缩腔111的腔壁之间的密封而分割；第二压缩腔和连杆开口115之间通过活塞2的下塞部23下端和导向腔112之间的密封而分割。上塞部22和压缩腔111的腔壁之间的密封通过上塞部22上安装的第一环形密封机构221实现；下塞部23下端和导向腔112之间的密封通过下塞部23下端安装的第二环形密封机构231实现。第一环形密封机构221和第二环形密封机构231均由密封圈和刮油环所组成。第一压缩腔通过其顶部设置的第一组合气阀51实现进气和出气。第二压缩腔则通过活塞腔11的内锥部113设置的侧向气口116实现进气和出气。由于活塞腔11的内锥部113位于第二压缩腔的底部，因此，侧向气口116设置于第二压缩腔的底部。侧向气口116之外设置有第二组合气阀52。也就是说，侧向气口116的进气和出气由第二组合气阀52实现控制。第一组合气阀51和第二组合气阀52由两个集成的单向阀所组成，为本领域技术人员所熟悉，本说明书不再赘述。

气缸1的外壁和气缸1内活塞腔11的腔壁之间设有第一冷水腔12和若干散热管13。第一冷水腔12环活塞腔11设置。图2中标注的12_a、12_b和12_c均为第一冷水腔12的一部分，相互连通。散热管13竖直安装在气缸1的外壁和气缸1内活塞腔11之间，其顶端安装在气缸1的顶面上，其底端安装在气缸1的底面上并连通气缸环道14，其中间穿过第一冷水腔12。散热管13内设置有用于增强散热效果的螺旋片131。气缸1的顶面与气缸盖4相密封，底面和曲轴箱3相密封。气缸环道14设置于气缸1的底面，并朝向曲轴箱3开口。气缸1侧向设置有过渡气道141。过渡气道141用于气缸环道14连通第二组合气阀52进气口。过渡气道141斜向设置于气缸1上，底部连通气缸环道14，并设置于气缸1安装有第二组合气阀52的侧向上。也就是，过渡气道141与侧向气口116同向设置。过渡气道141的顶部设有侧向的过渡开口142。

气缸环道14与曲轴箱3上的轴箱环道32相匹配。如图1、图11所示，曲轴箱3的顶部设置有轴箱环道32。本实施例中，曲轴箱3是一个五面开口的箱体。五面开口分别为：两个对穿的轴孔开口33、右侧开口311、左侧开口312以及顶部的活塞开口331。两个对穿的轴孔开口33用于安装曲轴38的轴承座，右左侧开口311、312分别用于曲轴箱3内部结构安装调试和维修，顶部的活塞开口331用于连通气缸1的活塞腔11使得连杆39能够连接活塞2和曲轴38。右左侧开口311、312均通过盖板密封，其中，右侧开口311的盖板是集水箱34。也就是说，集水箱34集成了盖板功能，将右侧开口311密封。轴箱环道32环绕顶部的活塞开口331。轴箱环道32顶部具有与气缸环道14相匹的环形开口322，使得轴箱环道32和气缸环道14相连通。环形开口322设有曲轴箱3的顶面上。曲轴箱3的顶面与气缸1的底面相密封。曲轴箱3的顶部侧边设置斜向下的集水道321。集水道321连通轴箱环道32和集水箱34。也就是说，集水道321设置于曲轴箱3设置有集水箱34的侧向上。

气缸1底部的气缸环道14和曲轴箱3顶部的轴箱环道32组成环形并密封的空腔。该环形并密封的空腔用于压缩空气的缓冲，并用于收集因散热管13冷却后压缩空气内产生的冷凝水。压缩空气于散热管13冷却后产生冷凝水，压缩空气冷却后产生的冷凝水自然流入轴箱环道32内，然后经集水道321流入集水箱34内。压缩空气自散热管13流入气缸1底部的气缸环道14和曲轴箱3顶部的轴箱环道32所组成的环形并密封的空腔后，经过渡气道141流向第二组合气阀52的进气口。

散热管13顶端通过气缸盖4内设置的顶盖气道42实现与第一组合气阀51出气口的连通。气缸盖4，如图1、图5、图6、图7、图8、图9、图10所示，是一个具有顶面49和底面48的四方体。气缸盖4的中心设置有竖直的并上下贯通的进气道41。进气道41为圆柱形气道，底部边缘设置有环形的与第一组合气阀51进行密封的第一封口机构411。第一封口机构411顶在第一组合气阀51上，将第一组合气阀51的进气口和出气口分割，并使第一组合气阀51的进气口连接进气道41。沿着第一封口机构411的外缘是环形的第一出气口421。第一组合气阀51的出气口位于第一出气口421内。第一出气口421连通顶盖气道42，使得第一组合气阀51的出气口通过第一出气口421连通顶盖气道42。第一出气口421的外缘是与活塞腔11顶部开口进行密封的密封面板429。密封面板429呈环形，其内径与活塞腔11顶部开口的直径相匹配。密封面板429的外侧设置有弧形的连接气口422。连接气口422连通顶盖气道42。散热管13顶端正对连接气口422，使散热管13通过连接气口422连通顶盖气道42，进而连通第一组合气阀51的出气口。顶盖气道42的上方是隔板423。隔板423的上方是第二冷水腔43。也就是，顶盖气道42的外壁与气缸盖4的外壁之间设置有第二冷水腔43，顶盖气道42与第二冷水腔43之间通过隔板423分割。第一封口机构411、第一出气口421、密封面板429和连接气口422均位于气缸盖4的底面48上。

过渡气道141与第二组合气阀52的进气口之间的连通由侧盖6实现。如图1、图2、图3所示，气缸1的侧向气口116的外侧设置有接口腔16。侧向气口116与接口腔16之间设置有用于安装第二组合气阀52的第二气阀腔161。接口腔16正面开口，侧边设置有第二出气口162。气缸1的外壁内设置有斜向的出气道15。出气道15位于第一冷水腔12之外。出气道15的一端连接第二出气口162。另一端连接出气口151。出气道15的斜向是指出气道15连接第二出气口162的一端稍高于连接出气口151一端，两端高度差不超过2厘米。侧盖6安装在气缸1外，位于第二组合气阀52和接口腔16的外侧，并将接口腔16密封。如图12所示，侧盖6包括盖体、盖体内设置的侧盖通道61、安装在盖体上的封口套62以及安装在侧盖通道61顶端的安全气阀64。封口套62是管状体，内设有第二进气道621。第二进气道621连通侧盖通道61。侧盖通道61底部的侧道开口611封在过渡气道141顶部的过渡开口142外，使得侧盖通道61与过渡气道141连通。封口套62朝向第二组合气阀52的边缘设置有第二封口机构622。第二封口机构622插入至接口腔16内，并顶在第二组合气阀52上从而分割接口腔16并隔离第二组合气阀52的进气口和出气口，使得第二组合气阀52的进气口位于第二进气道621内从而使第二组合气阀52的进气口连通第二进气道621，并使得第二组合气阀52的出气口经接口腔16连通第二出气口162。封口套62是安装在侧盖6的盖体上的配件。封口套62靠近第二封口机构622的外壁上设置有环形的卡凸623。卡凸623和侧盖6的盖体之间安装有蝶形弹性垫圈63。通过蝶形弹性垫圈63的弹力，使得当侧盖6安装在接口腔16之外时，封口套62的第二封口机构622能够紧紧顶在第二组合气阀52上。

本实施例空气压缩机的两级压缩工作原理如下：首先外界空气通过气缸盖4顶部上方安装的过滤器进入气缸盖4内的进气道41内，然后经第一组合气阀51的进气口进入第一压缩腔经活塞2运动压缩后完成第一级压缩；第一级压缩的压缩空气经第一组合气阀51的出气口和气缸盖4上的第一出气口421进入顶盖气道42；顶盖气道42内的压缩空气经连接气口422进入散热管13内进行冷却散热；冷却散热后产生的冷凝水通过轴箱环道32、集水道321流入集水箱34内；冷却散热后的压缩空气经过渡气道141进入侧盖6内的侧盖通道61，然后再经第二进气道621通过第二组合气阀52的进气口从侧向气口116进入第二压缩腔；经活塞2运动压缩后完成第二级压缩；第二级压缩后的压缩空气通过侧向气口116经第二组合气阀52的出气口进入接口腔16，然后通过接口腔16上的第二出气口162进入出气道15，最后由出气口151出气，由此，通过第一压缩腔和第二个压缩腔之间的级联实现两级压缩。当活塞2向上运动时，第一压缩腔压缩空气，第二压缩腔吸气；当活塞2向下运动时，第一压缩腔吸气，第二级压缩腔压缩空气。

本实施例中，气缸1内的第一冷水腔12和气缸盖4内的第二冷水腔43之间相连通，第一冷水腔12和第二冷水腔43通过气缸1和气缸盖4的内部通道连通。具体如下，气缸1的顶面设置有与第一冷水腔12连通的第一出水口121。气缸盖4的底面上设置有连通第二冷水腔43的第二进水口432。第二进水口432正对着第一出水口121从而使得第二冷水腔43连通第一冷水腔12。本实施例中，第二进水口432和第一出水口121均由三个，分散布局。第二进水口432和第一出水口121之间安装有连通法兰。第一冷水腔12的侧面下方设置有与第一冷水腔12连通的第一进水口，气缸盖4的侧面设置有与第二冷水腔43连通的第二出水口431。由此，冷却用水通过第一冷水腔12的侧面下方设置的第一进水口进入第一冷水腔12，第一冷水腔12内的冷却用水再经第一出水口121和第二进水口432进入气缸盖4内的第二冷水腔43，最后从第二出水口431流出，从而完成第一冷水腔12和第二冷水腔43的冷却水流动。

此外，气缸1的第一冷水腔12安装有散热管13侧的外壁上开设有外壁开口122，外壁开口122用于第一冷水腔12内的散热管13维修。工作时，外壁开口122由盖板密封。

本实施例中，气缸盖4上的进气道41、顶盖气道42、第二冷水腔43、第一封口机构411、第一出气口421、连接气口422、隔板423、密封面板429、连接气口422、第二出水口431以及第二进水口432所组成的结构由整体铸造而成。气缸1上的活塞腔11、第一进水口、第一冷水腔12、第一出水口121、外壁开口122、气缸环道14、过渡气道141、侧向气口116、出气道15以及接口腔16所组成的结构由整体铸造而成。曲轴箱3的五面开口以及轴箱环道32和集水道321所组成的机构由整体铸造而成。

由于活塞式空气压缩是一种脉冲式的出气，因此需要缓冲减缓脉冲。本实施例中，顶盖气道42、气缸1底部的气缸环道14、曲轴箱3顶部的轴箱环道32、过渡气道141、集水道321、集水箱34均具有较大空间容量，能够起到缓冲作用。另外散热管采用多根设计也是为了能够起到缓冲作用。