专利名称：采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法
技术领域：
本发明属工程机械领域，涉及一种采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法，将可以自由伸缩的波纹管(金属波纹管或塑料波纹管)应用于容积式压缩机的设计中，取代了原有容积式压缩机依靠活塞在气缸中做往复运动以提高气体压力的工作方式。采用本发明的方法设计的容积式压缩机，可作为中、低压稳定气源应用，也可作为冰箱、空调等的压缩机应用于制冷行业。
背景技术：
波纹管是一种在外力作用下能过自由伸缩的弹性管。目前，用于制作波纹管的工艺技术已日见成熟，金属波纹管所能承受的压力已达20Mpa以上，伸缩运动次数已达百万次，塑料波纹管虽然承受压力不及金属波纹管，最高仅为5Mpa左右，但是其伸缩次数却远远高于金属波纹管。用于制作波纹管的材料很多，如韧性较强的金属、塑料等等。波纹管在现代工业领域有着广泛的应用1、基于将压力变为位移输出或把压力变为集中力输出的原理，用作仪表中的弹性敏感元件，以测出环境的压力、力、温度、流量等参数；2、用作密封隔离元件；3、在密封系统中作为液体、气体的温度压力补偿器；4、用作管道的挠性膨胀节和挠性连接器；等等。
传统的活塞式压缩机是以旋转电机为驱动力、依靠活塞在气缸中作往复运动来完成吸气、压缩、排气等过程，从而达到提高气体压力的目的。活塞式压缩机由于其技术成熟，性能可靠，寿命长等优点，在工程机械领域已经得到非常广泛的应用。但是其本身存在的一些缺陷也是不容忽视的。
活塞式压缩机在工作过程中，活塞(一般为活塞环)与气缸摩擦会产生大量的热，降低系统的机械效率，同时由于其产生的摩擦热对吸入气体的加热作用，会降低吸气量，进而降低排气量。采用旋转电机驱动的活塞式压缩机，活塞行程短、往复频率高，整个系统结构复杂，能量传递环节多，机械效率低，整机效率一般为0.30～0.40，运行噪声大。尤其是当活塞式压缩机作为低压、中压气源时，它的机械效率低这一缺点就更加明显了。
发明内容
基于上述背景技术中对波纹管及其现有的活塞式压缩机的分析，本发明的一个目的是，打破原有容积式压缩机采用活塞、气缸配合运动形成工作腔体的设计理念，将工程中应用广泛的波纹管应用于容积式压缩机的设计中；其另一目的是利用波纹管自身的特性与容积式压缩机工作原理相结合，给出一种采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法。
实现上述目的的技术解决方案是，采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法，其特征在于，在容积式压缩机的工作腔体中置放波纹管替代原有的活塞和气缸，波纹管两端用端盖密封，一端固定，另一端与驱动装置相连成为自由端，并在端盖上布置吸排气阀门，以电磁线圈与永磁体相互作用为驱动方式或直线感应电机作为驱动力，直接驱动波纹管的自由端做往复直线运动，实现压缩机的工作过程。
本发明采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法，属于低、中压小排量压缩机，工作时只需较小的驱动力，故其驱动装置可有多种选择传统活塞式压缩机所采用的旋转电机、当今发展较快的直线电机、自行设计的磁动力系统等等，均能满足设计要求。
图1是本发明采用旋转电机作为驱动装置示意图。
图2是本发明采用直线电机作为驱动装置示意图。
图3是本发明采用自行设计的磁力驱动装置示意图。
图4是本发明的第一实施例的技术方案主体结构立体图；图5是第一实施例整体剖视图；图6是第一实施例局部放大图，图5～6中其符号分别表示为1、波纹管、2、主体构架、3、电磁线圈、4、吸气阀门、5、第一排气阀门、6、永磁体、7、吸气阀门阀座、8、安装底座、9、机壳、10、吸气过虑装置、11、压力表、12、第二排气阀门、13、保护套管、14、滑轨、15、滑轨支架。
图7是第一实施例的技术方案简单电路原理图；图8是第二实施例的技术方案整体装配图；图9是第二实施例的技术方案整机局部放大图；图10是第二实施例的技术方案压缩机本体立体图；图11是第二实施例的技术方案压缩机本体机构12是第二实施例的技术方案中的一级吸、排气阀门局部视图；图13是第二实施例的技术方案中的二级吸、排气阀门局部视图；上述图8～图13中其符号分别表示为16、储气罐、17、压力表、18、变压器、19、空气过滤器、20、机壳、21、排气阀门、22、二级排气阀门与储气罐连接管、23、一级吸排气阀座、24、一级波纹管、25、电机动子一级波纹管活动端挡板、26、电机动子(电机轴)、27、直线感应电机主体、28、电机动子二级波纹管活动端挡板、29、二级波纹管、30、二级吸排气阀座及吸排气腔体、31、一级二级连接管道、32、一级吸气阀门、33、一级排气阀门、34、二级吸气阀门、35、二级排气阀门。
以下通过附图和发明人给出的2个具体的实施例对本发明作进一步的详细说明。
具体实施例方式
本发明的基本设计思想如下容积式压缩机的工作原理是通过改变气缸、活塞所形成的工作腔体的容积来提高其内部气体的压力，而波纹管由于其自身就具有可自由伸缩这一特性，将这两者结合起来，以波纹管作为工作腔体，将波纹管两端用端盖密封，一端固定，另一端与驱动装置相连成为自由端，并在端盖上布置吸排气阀门，驱动装置驱动自由端做往复直线运动，以此带动波纹管完成伸缩运动，达到提高其内部气体压力的目的。
作为工作腔体的波纹管可采用金属、塑料两种由于金属波纹管的伸缩率小，在设计中需采用相应的方法避免这个缺陷的影响；而塑料波纹管由于其材料的原因，使得它不能承受过大的压力，因此，可将其用于低压型波纹管压缩机中，也可将其表面加工加丝橡胶涂层，这种涂层中内加入纤维细丝，可在不改变波纹管柔韧性的同时，增加其承压能力。
参见图1，图中采用旋转电机作为驱动装置。通过连杆机构将电机的转动转化为波纹管自由端的直线运动，波纹管自由端在套管中做往复运动，实现波纹管的周期性伸缩运动，配合以波纹管固定端上吸排气阀门，达到提高波纹管内腔中气体压力的目的。这种设计实现简单，但能量传递环节中多了连杆机构，使得压缩机效率会有所降低，同时增大机器工作时的噪音。
参见图2，图中采用直线电机作为驱动装置。由于直线电机直接提供传动轴的直线运动，因此可直接与波纹管自由端连接。由于波纹管中气体压比较小，故所需驱动力较小，因此目前市场上销售的直线电机能够满足需要。该设计零部件少，机构简单，能实现高效运转。
参见图3，图中采用的是自行设计的磁力驱动装置。将永磁体作为波纹管的自由端，在波纹管的外套管中布置有电磁线圈，工作时，永磁体在电磁线圈中电磁力的作用下往复运动，实现气体压缩升压。此种设计结构紧凑，零部件少，整个装置体积小，质量轻，成本低。
依据以上这种波纹管压缩机设计理念，发明人给了两种
具体实施例方式一种以电磁线圈与永磁体相互作用为驱动方式采用金属波纹管作为工作腔体；一种以直线感应电机为驱动方式采用塑料波纹管作为工作腔体。以下逐一作出说明。
实施方式一参见附图4～7，该机型两工作腔体水平对称布置在机构主体两端，以金属波纹管作为工作腔体，两个工作腔体采用同级工作方式。波纹管一端固定，一端可作水平运动，可动端上布置有永磁体，在波纹管内部布置有电磁线圈，当线圈中通过交流电时，线圈中产生电磁场，吸引永磁体，即完成压缩和排气过程。当电磁场消失时，由于金属波纹管本身具有较大的弹性，使其可在自身的弹性力的作用下恢复原长，即完成吸气过程。在电磁力及波纹管本身的弹力作用下。波纹管交替的压缩、伸长，完成吸气、压缩、排气过程，达到提高气体压力的目的，实现了压缩机工作过程。另外，根据该机构运动部件的固有频率，调节电磁线圈中的通电频率，使其工作频率与固有频率接近，这样可使运动部件产生共振效应，可借此节省能量。前面提到，由于金属波纹管的伸缩幅度较小，需要采用相应的设计避免这一缺陷。本实施方案中采用了这样的设计选用较长的一段金属波纹管，而将其自由端的一部分作为工作腔体，其余大部分被线圈部件填充(如附图5)，这样的设计可使金属波纹管在每一节只发生较小形变的前提下，金属波纹管工作腔体部分的容积发生较大变化。这样的设计既能避免金属波纹管的上述缺陷，又能提高波纹管寿命，同时减小电磁线圈的功率。需要指出的是采用以上设计会形成一定体积的余隙容积，但是由于此种压缩机压比小，工作过程中产生的热量少，因此形成的余隙容积对工作效率不会有明显的影响。
该设计方案主要视图参见图4～7如下图4是本发明的第一实施例的技术方案主体结构立体图；图5是第一实施例整体剖视图；图6是第一实施例局部放大图；图7是第一实施例的技术方案简单电路原理图；在图5～6中1、波纹管、2、主体构架、3、电磁线圈、4、吸气阀门、5、排气阀门、6、永磁体、7、吸气阀门阀座、8、安装底座、9、机壳、10、吸气过虑装置、11、压力表、12、排气阀门、13、保护套管、14、滑轨、15、滑轨支架。
结合附图介绍该设计方案的结构及工作原理该设计机型主要有波纹管1、主体构架2、电磁线圈3、吸气阀门4、第一排气阀门5，永磁体6、吸气阀门阀座7、安装底座8、机壳9、吸气过虑装置10、压力表11、第二排气阀门12等部件组成。电磁线圈3缠绕在主体构架2上，电磁线圈3外安装有保护套管13，波纹管1套装在主体构架2上，一端固定于主体构架2上，另一端安装在吸气阀门座7上，吸气阀门座7上安装有永磁体6，整个吸气阀门座7安装在四根圆柱型滑轨14上。主体构架2中空，为压缩气体储气腔，储气腔通过软管与机壳9右侧面上的第二排气阀门12相连，机壳9内部为封闭结构，整个机构置于其中，其中形成的空间用于储存吸气过程所需气体，在机壳9顶部安装有吸气过滤器10，及压力表11，压力表11与主体构架2内腔相连，用以测量排气压力。
压缩机工作时，交流电在两个电磁线圈3中的流动形式如附图7所示，这样就可以在产生间断的磁场力，波纹管1在磁场力与波纹管本身的弹力相配合的作用下工作。工作过程中吸气阀门阀座7中布置的永磁体6与电磁线圈3产生的磁场的吸引作用完成压缩、排气过程，波纹管1自身的弹力使其完成吸气过程。吸气阀门阀座7安装在四个圆柱型滑轨14上，以此保证运动部件水平运动。
波纹管1套装在主体构架2上，其内腔大部分被主体构架2及电磁线圈3充满，仅有一小部分为实际工作腔，这样设计的目的在于仅让波纹管1整体发生很小的变形，就可以是实际工作腔发生较大的变化。这样可以使波纹管1在很小的变形下工作，避免波纹管1因疲劳应变而缩短寿命。同时，由于此种设计，使得该机型比较适合低压、小气量工作环境。
实施方式二参见附图8～13，该设计方案采用两组波纹管，每一组分为一级波纹管、二级波纹管。两组成水平轴对称布置。与设计方案一不同的是此方案采用的是塑料波纹管以及采用直线感应电机作为驱动装置。波纹管工作原理与设计方案一中相同。
直线感应电机动子(电机轴)沿水平方向作往复运动，动子的两端分别与一级、二级波纹管的运动端相连。当动子向外侧运动时，一级波纹管完成压缩、排气过程，同时二级波纹管完成吸气过程；当动子向内侧运动时，一级波纹管完成吸气过程，二级波纹管完成压缩排气过程。如此反复，完成整个工作过程。
该设计方案主要视图参见8～13图8是第二实施例的技术方案整体装配图；图9是第二实施例的技术方案整机局部放大图；图10是第二实施例的技术方案压缩机本体立体图；图11是第二实施例的技术方案压缩机本体机构12是第二实施例的技术方案中的一级吸、排气阀门局部视图；图13是第二实施例的技术方案中的二级吸、排气阀门局部视图；在图8～图13中的标号分别表示16、储气罐，17、压力表，18、变压器，19、空气过滤器，20、机壳，21、排气阀门，22、二级排气阀门与储气罐连接管，23、一级吸排气阀座，24、一级波纹管，25、电机动子一级波纹管活动端挡板，26、电机动子(电机轴)，27、直线感应电机主体，28、电机动子二级波纹管活动端挡板，29、二级波纹管，30、二级吸排气阀座及吸排气腔体，31、一级二级连接管道，32、一级吸气阀门，33、一级排气阀门，34、二级吸气阀门，35、二级排气阀门。
以下结合附图介绍第二种实施方式的结构及工作原理整个装置对称安装在储气罐16顶部的安装底座上，一级波纹管24布置在整个装置的两端，一级波纹管24固定端与固定在储气罐16上的一级吸排气阀座23相连，一级吸排气阀座上布置有一级吸气阀门32和一级排气阀门33，一级波纹管24活动端与电机动子一级波纹管活动端挡板25相连，电机动子26穿过直线感应电机主体27，另一端与电机动子二级波纹管活动端挡板28相连，电机动子二级波纹管活动端挡板28另一侧与二级波纹管29相连，二级波纹管29固定端与二级吸排气阀座及吸排气腔体30相连，二级吸气阀门34、二级排气阀门35布置在二级吸排气阀座及吸排气腔体15上。
压缩机工作时，电机动子26作往复运动，两级波纹管在电机动子26的驱动下，完成吸气、压缩、排气过程，一级波纹管24排出的压缩气体通过一级二级连接管道31，进入二级吸排气阀座及吸排气腔体30的吸气腔，经过二级波纹管29的压缩升压，将最终的压缩气体经过二级吸排气阀座及吸排气腔体30的排气腔，由二级排气阀门与储气罐连接管22排入储气罐16中。
需特别指出的是该设计由于采用了塑料波纹管，所以波纹管可以承受较大的压缩变形；另外，该设计机型为空气压缩机，但是此种设计经过改造完全可以应用与冰箱、空调等制冷系统中。
以上两种实施方式的共同的特点是采用波纹管作为工作腔体，利用波纹管的伸缩达到提升气体压力的目的；采用电磁或直线感应电机驱动。优点工作气体密封于波纹管内压缩，排气清洁，驱动力直接作用于波纹管，无中间能量消耗环节，效率高。同时，减少了不必要的摩擦损失，进一步提高了工作效率。
权利要求
1.波纹管作为容积式压缩机工作腔体的应用。
2.采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法，其特征在于，在容积式压缩机中以波纹管作为工作腔体替代原有的活塞和气缸，波纹管两端用端盖密封，一端固定，另一端与驱动装置相连成为自由端，并在端盖上布置吸排气阀门，以电磁线圈与永磁体相互作用作为驱动方式或直线感应电机作为驱动力，直接驱动波纹管的自由端做往复直线运动，实现压缩机的工作过程。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述波纹管为金属波纹管或塑料波纹管。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述金属波纹管作为容积式压缩机的工作腔体时，包括下列步骤1)将容积式压缩机的两工作腔体水平对称布置在机构主体两端，以金属波纹管作为工作腔体，两个工作腔体采用同级工作方式；2)金属波纹管一端固定，另一端套装在四个滑杆上作水平运动，在该自由端上布置有永磁体，在金属波纹管内部布置有电磁线圈；3)当电磁线圈中通过交流电时，电磁线圈产生电磁场，吸引永磁体，即完成容积式压缩机的压缩和排气过程；4)当电磁线圈中电磁场消失时，金属波纹管在自身具有的弹性力作用下恢复原长，即完成吸气过程；5)金属波纹管重复步骤3)、4)的交替压缩、伸长，即可完成压缩机吸气、压缩、排气的周期性工作过程。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据容积式压缩机运动部件的固有频率，调节电磁线圈中的通电频率，使其工作频率与运动部件的固有频率接近，使运动部件产生共振效应，借此节省能量。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于金属波纹管通过螺栓与端盖相连。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的波纹管为塑料波纹管作为容积式压缩机的工作腔体时，包括以下步骤1)其塑料波纹管为两组，每一组分为一级波纹管、二级波纹管，每一组的两个波纹管的尺寸通过计算选取，配合使用；2)每级波纹管的一端固定，另一端作为自由端与直线感应电机相连，在直线感应电机的动子驱动下作水平运动，两组塑料波纹管为水平轴对称布置，用直线感应电机作为驱动装置；3)当直线感应电机通电时，电机动子在电机定子中作直线往复运动，借以驱动其两端波纹管完成吸气、压缩、排气的周期性压缩机工作过程；4)如步骤3)中所述，当一级波纹管完成压缩过程后，通过一二级波纹管连接管将完成一级压缩的气体排入二级吸气腔中储存，等待二级压缩；5)如步骤3)所述，由二级波纹管排出的压缩气体通过二级排气腔与储气罐的连接管将气体排入储气罐；6)塑料波纹管重复3)、4)、5)过程，完成压缩机压缩机吸气、压缩、排气的压缩机周期性工作过程。
7.如权利要求6中的方法，其特征在于，塑料波纹管用螺栓与端盖相连。
全文摘要
本发明公开了一种采用波纹管作为容积式压缩机工作腔体的方法，将可以自由伸缩的波纹管(金属波纹管或塑料波纹管)应用于容积式压缩机的设计中，取代了原有容积式压缩机依靠活塞在气缸中做往复运动以提高气体压力的工作方式。采用本发明的方法设计的容积式压缩机，可作为中、低压稳定气源应用，也可作为冰箱、空调等的压缩机应用于制冷行业。工作时只需较小的驱动力，故其驱动装置可有多种选择，传统活塞式压缩机所采用的旋转电机、当今发展较快的直线电机、自行设计的磁动力系统等等，均能满足设计要求。
文档编号F04B45/00GK1632312SQ20041007347
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月27日 优先权日2004年12月27日
发明者何茂刚, 张颖 申请人:西安交通大学