專利名稱：壓縮方法和裝置的制作方法
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壓縮方法和裝置
本申請涉及氣體的抽吸和壓縮領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
用在致冷、空氣調(diào)節(jié)和工業(yè)中的氣體壓縮設(shè)備消耗一 大部分所產(chǎn)生的
電能。氣體抽吸效率(gas pumping efficiency)的增加將導(dǎo)致二氧化碳排放 的減少。以地下或海洋深度的壓力隔絕二氧化碳的提議依賴于使用以下壓 縮方法，該壓縮方法有效并還能克服例如相變和當(dāng)壓縮不純的氣體混合物 時壓縮機(jī)零件的材料腐蝕問題。壓縮機(jī)效率的小變化可決定碳隔離是否在 商業(yè)上可行。
有效的壓縮要求盡可能少的動能施加到氣體分子。這暗示氣體包(gas packet)應(yīng)盡可能緩慢地移動通過壓縮機(jī)，而沒有突然的加速。運(yùn)動的方 向應(yīng)優(yōu)選為直線。應(yīng)沒有可能導(dǎo)致形成高速振動的容積突變。由于氣體噪 聲由氣體的動能發(fā)起，因此，平滑且輕輕地壓縮的壓縮機(jī)在工作中將是安 靜的。
通過泄漏或熱傳導(dǎo)向后擴(kuò)散到入口氣體或壓縮室里較少壓縮的氣體 的壓縮熱是壓縮機(jī)低效而要求額外的做功能量的原因，額外的做功能量等 于進(jìn)入壓縮機(jī)之前以及在壓縮機(jī)里的氣體獲得的任何增加的熱量。 一些壓 縮熱流進(jìn)壓縮機(jī)的壁里。因為不能足夠迅速地除掉這種熱，因此壁保持是 熱的，熱保持在氣體里，且需要的功增加。因此期望，當(dāng)壓縮和加熱氣體 時，應(yīng)在氣體運(yùn)動通過壓縮機(jī)時從氣體除掉一些或全部的壓縮熱。按照慣 例，這是通過冷卻壓縮機(jī)壁或通過注水來完成的。然而，在活塞和汽缸壓 縮機(jī)中，氣體被壓縮到由不變的但是逐漸減少的表面限定的容積里，因此， 在過程期間，不大有可能除掉壓縮熱。升高的越高，效率損失越大。已知類型的壓縮機(jī)典型地遭受趨向于降低效率的問題，該問題包括但
不限于這里描述的這些，也就是 *把大量動能施加到被壓縮氣體 *氣體的突然加速導(dǎo)致高噪聲水平和能量損失 *高氣體流速導(dǎo)致被壓縮氣體的摩擦生熱，導(dǎo)致增加做功需求 參壓縮熱反^赍回到進(jìn)氣，導(dǎo)致增加做功需求 參可變的內(nèi)表面區(qū)域?qū)е聫谋粔嚎s氣體除掉壓縮熱的能力的降低 *內(nèi)部部件之間的高摩擦速度導(dǎo)致磨損和摩擦損失 * 4氐的中間階,殳壓縮(low inter-stage compression )上升 *相對于氣體處理速率的大物理尺寸
發(fā)明簡述
本發(fā)明在權(quán)利要求中陳述。
在本發(fā)明的一個實(shí)施方式中，提供了 一種包括汽缸和轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)， 由此，轉(zhuǎn)子在汽缸的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，且夾點(diǎn)(pinch point)在轉(zhuǎn)子外 圍最靠近汽缸內(nèi)壁的點(diǎn)處形成。轉(zhuǎn)子在汽缸的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，使得夾 點(diǎn)高速運(yùn)動，優(yōu)選地，以超音速的速度運(yùn)動。在一個實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子在 汽缸的內(nèi)圓周上滾動，使得轉(zhuǎn)子表面相對于汽缸壁的速度低或為零，因此 降低了部件和^f皮壓縮氣體的磨損或摩擦生熱，這里稱為"滾動(rolling)", 因此幫助提高壓縮機(jī)效率?？蛇x地，轉(zhuǎn)子表面上的條閥裝置(strip valve arrangement)允許氣體進(jìn)入轉(zhuǎn)子和汽缸之間形成的室里?？蛇x地，汽缸壁 上的條閥裝置允許氣體從室離開，并且可選地，包括致動裝置(actuation means)來控制它的打開位置。
在本發(fā)明的另 一實(shí)施方式中，提供了 一種包括汽缸和轉(zhuǎn)子的壓縮機(jī)， 由此，轉(zhuǎn)子在汽缸的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，且夾點(diǎn)在轉(zhuǎn)子外圍最靠近汽缸內(nèi) 壁的點(diǎn)處形成。轉(zhuǎn)子運(yùn)動，使得夾點(diǎn)高速運(yùn)動，優(yōu)選地，以超音速的速度 運(yùn)動。轉(zhuǎn)子在汽缸的內(nèi)圓周上旋轉(zhuǎn)，使得轉(zhuǎn)子外圍上的固定點(diǎn)保持接近夾點(diǎn)，這里稱為"旋轉(zhuǎn)(rotating)"?？蛇x地，轉(zhuǎn)子上的進(jìn)出口 (port)允許 氣體經(jīng)由與汽缸的軸向端部連通的通路進(jìn)入和離開。
在另一實(shí)施方式中，轉(zhuǎn)子在汽缸上繞軌道運(yùn)行，使得轉(zhuǎn)子自身沒有旋 轉(zhuǎn)，這里稱為"軌道運(yùn)行(orbiting)"。
本發(fā)明的實(shí)施方式包括用于允許壓縮氣體進(jìn)入室并用于允許壓縮氣 體離開室的閥裝置。
本發(fā)明的實(shí)施方式包括用于調(diào)整轉(zhuǎn)子表面和汽缸的內(nèi)圓周之間的運(yùn) 行間隙的裝置。
平衡的裝置。這種平衡裝置可選地是可調(diào)整的。
為了增加壓縮才幾的效率，本發(fā)明的實(shí)施方式包括轉(zhuǎn)子表面特征(rotor surface feature )。
現(xiàn)在將參考附圖，經(jīng)由例子來描述本發(fā)明的實(shí)施方式，附圖如下:


圖1-壓縮機(jī)機(jī)殼和轉(zhuǎn)子的示意圖
圖2a到2g-"滾動"轉(zhuǎn)子操作
圖3a到3g-"軌道運(yùn)行"轉(zhuǎn)子操作
圖4a到4g-"旋轉(zhuǎn)"轉(zhuǎn)子操作
圖5-條閥裝置
圖6-轉(zhuǎn)子進(jìn)出口裝置
圖7-轉(zhuǎn)子表面特征
圖8-螺旋管道實(shí)施方式
圖9-轉(zhuǎn)子平衡/驅(qū)動裝置
圖10-條閥和平衡裝置
圖11-條閥致動裝置詳述
如圖1所示，本發(fā)明提供了一種具有平滑壓縮和內(nèi)部冷卻氣體的期望
特性的壓縮方法。本方法使用汽缸室(cylindrical chamber) ( 10 )和轉(zhuǎn)子或 軌道飛行器(20)，以生成幾何形狀和尺寸不變的運(yùn)動管道或室(40)，該 運(yùn)動管道或室(40)的壁相對于被吸到運(yùn)動管道(40)里的靜態(tài)氣體包會 聚。管道(40)的壁以比最靠近壁的點(diǎn)(下文中稱為夾點(diǎn)(50))沿管道 (40)運(yùn)動慢的速度會聚。在優(yōu)選操作中，壁的閉合速度是亞音速，而夾 點(diǎn)(50)的速度是超音速。隨著夾點(diǎn)(50)的前進(jìn)，其中氣體處于最高壓 力/溫度的容積也前進(jìn)到自從最后接近高溫氣體已經(jīng)被冷卻的壁的區(qū)域。當(dāng) 這樣的壓縮機(jī)的操作是夾點(diǎn)(50)以超音速運(yùn)動時，關(guān)于.管道(40)的 變窄引起的壓力上升的信息不能向前傳播并推動氣體向前。因為容積被夾 點(diǎn)(50)和夾點(diǎn)(50)的超音速前進(jìn)制造的壓力信息屏障(40)物理分離， 這使高壓能夠在管道(40)的變窄端與管道(40)里別處的低壓共存。這 提供了一種結(jié)合離心式和軸式機(jī)器的平滑無脈動流出的具有正排量壓縮 機(jī)的高壓比能力的壓縮機(jī)。
通過使用汽缸(10)的內(nèi)圓周和成形的壁(20)之間生成的管道(40)， 本發(fā)明可以按各種實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)，成形的壁(20)在汽缸(10)里運(yùn)動， 以便在最靠近兩個構(gòu)件的點(diǎn)(50)處形成變窄的管道(40)。
現(xiàn)在將描述說明轉(zhuǎn)子(20)在汽缸(10)里的運(yùn)動的變化的三個實(shí)施 方式。
如圖2a到2g所示，如在下面描述的第一類實(shí)施方式里使用的，隨著 轉(zhuǎn)子(20)在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，"滾動，，轉(zhuǎn)子(20)在汽 缸(10)的內(nèi)圓周上滾動。轉(zhuǎn)子(20)的方位由圖2a中相應(yīng)的箭頭A、 B 和C顯示。圖2b到2g中連續(xù)顯示的六個順序示例示出(見每個圖中的箭 頭A) 了，隨著轉(zhuǎn)子(20)在汽缸(10)的內(nèi)圓周上滾動，轉(zhuǎn)子(20)的 方位如何相對于汽缸(10)改變。轉(zhuǎn)子隨著它的滾動而改變方位，使得轉(zhuǎn) 子(20)表面相對于汽缸U0)的內(nèi)圓周的表面的速度實(shí)質(zhì)上要低或為零。 轉(zhuǎn)子(20)能夠布置成實(shí)質(zhì)上接觸汽缸(10)的內(nèi)表面或兩個表面可被稍
7微分離隔開。轉(zhuǎn)子(20)能夠布置成依靠接觸汽缸(10)的內(nèi)表面滾動， 或能夠通過例如齒輪的其他裝置，或通過被壓縮氣體誘導(dǎo)而旋轉(zhuǎn)。這個特 征導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(20)的表面和汽缸(10)的內(nèi)表面之間實(shí)質(zhì)上低或為零的摩 擦速度，這又導(dǎo)致這些表面的改進(jìn)的耐磨性能。這個特征的其他結(jié)果是較 低的摩擦損失、施加到被壓縮氣體(較低誘導(dǎo))的較低動能和施加到被壓 縮氣體的較低的摩擦熱。這些結(jié)果都對壓縮機(jī)的更大效率有貢獻(xiàn)。
如圖3a到3g所示，如在下面描述的第一類實(shí)施方式里使用的，隨著 轉(zhuǎn)子(20)在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，軌道運(yùn)行的轉(zhuǎn)子(20)不 改變相對于汽缸(10)的方位。圖3a顯示了順次的位置20a、 20b、 20c和 箭頭A、 B、 C表示的相應(yīng)的方位。圖3b到3g顯示了順次的轉(zhuǎn)子位置和 相應(yīng)的方位A。軌道運(yùn)行的轉(zhuǎn)子(20 )導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(20 )的表面和汽缸(10 ) 的內(nèi)表面之間的相對速度比圖2的滾動轉(zhuǎn)子(20)的大，但是比將在下面 段落中描述的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)的相對速度小。因此，當(dāng)使用軌道運(yùn)行的轉(zhuǎn) 子(20 )時，效率損失趨向于在滾動轉(zhuǎn)子(20 )的效率損失和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20 ) 的效率損失之間的范圍里。
如圖4a到4g所示，如在下面描述的第一類實(shí)施方式或第二類實(shí)施方 式里使用的，隨著轉(zhuǎn)子(20)在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù)移動，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子(20)改變方位，以這種方式使得轉(zhuǎn)子(20)表面上的固定點(diǎn)A、 B、 C 在圖4a中的順次位置20a、 20b、 20c接近夾點(diǎn)(50)。點(diǎn)A的運(yùn)動能在圖 4b到4g中顯示的順次位置看到。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(20)的表面 和汽缸(10)的內(nèi)表面之間的相對速度比圖2的滾動轉(zhuǎn)子(20)或圖3的 軌道運(yùn)行轉(zhuǎn)子(20)的大。因此，當(dāng)使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)時，效率損失趨 向于在高于圖2的滾動轉(zhuǎn)子(20)或圖3的軌道運(yùn)行轉(zhuǎn)子(20)的效率損 失范圍里。圖4的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)的優(yōu)點(diǎn)是，可實(shí)際使用比其他兩種類型 的轉(zhuǎn)子(20)更大的閥布置范圍?？墒褂帽劝ㄆ渌麅煞N類型的轉(zhuǎn)子的壓 縮機(jī)更少的運(yùn)動零件，制造包括旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)的壓縮機(jī)。
如圖5所示，在第一類的實(shí)施方式里，管道(40)是在兩個汽缸之間 形成的室，兩個汽缸中， 一個(IO)相對靜止并擔(dān)當(dāng)定子，而另一個(20) 擔(dān)當(dāng)轉(zhuǎn)子，在定子里滾動、軌道運(yùn)行或旋轉(zhuǎn)。使用以下描述的閥機(jī)構(gòu)，氣體由通過加寬管道(40)的一端引起的稀疏而吸到管道(40)里(也就是， 當(dāng)轉(zhuǎn)子接近定子的相對側(cè)時)。其經(jīng)過任一汽缸(10、 20)或端壁的壁中 的入口 ，并在已經(jīng)由通過軌道運(yùn)行的部件(20 )靠近定子壁引起的管道(40 ) 的相對變窄壓縮后，在管道的另一端以更高的壓力排出。通過在轉(zhuǎn)子(20) 里面安裝葉片，能夠達(dá)到一定程度的預(yù)壓縮。在這樣一個實(shí)施方式中，轉(zhuǎn) 子(20)可具有滾動或旋轉(zhuǎn)表面或可沒有旋轉(zhuǎn)而軌道運(yùn)行。
在一種根據(jù)這樣的第一類的實(shí)施方式建立的設(shè)備中，如圖5和10所 示，在汽缸(10)里設(shè)置了鼓形轉(zhuǎn)子(cylindrical rotor) (20)。轉(zhuǎn)子(20) 設(shè)置有表面通道(surface channel) (210)，其深度等于安裝在通道(210) 里的條(220)的厚度。條(220)的圓周大于轉(zhuǎn)子(20)的圓周，使得當(dāng) 條(220)被按壓到轉(zhuǎn)子(20)上時，其形成氣密密封。然而，因為條(220) 的圓周大于轉(zhuǎn)子部分(20)的圓周，所以條(220)將總是突出在轉(zhuǎn)子(20) 表面的圓周之上，由于施加在其上的擠壓力而遠(yuǎn)離最終點(diǎn)，從而允許氣體 流經(jīng)通道(210)底部的開口 (230)，流到轉(zhuǎn)子(20)外面。
汽缸(10)類似地設(shè)置有位于外側(cè)的通道(240)和條(250 )，從而 允許氣體從汽缸(10 )的內(nèi)部傳遞位于外側(cè)的管道裝置。這個出口條(250 ) 在它的寬度上設(shè)置有加固件，以支撐它對抗高氣壓。
在操作中，轉(zhuǎn)子(20)優(yōu)選以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子(20)和汽缸(10)之間的夾 點(diǎn)(50)以超音速旋轉(zhuǎn)的速度繞軌道運(yùn)行。隨著夾點(diǎn)(50)的旋轉(zhuǎn)，低壓 跟隨在夾點(diǎn)(50)之后(根據(jù)旋轉(zhuǎn)的方向)，把條閥(220)拉離轉(zhuǎn)子(20) 并不斷誘導(dǎo)氣體進(jìn)入室(40)里。在室(40)的另一端，轉(zhuǎn)子(20)和汽 缸(10)的會聚表面壓縮之前誘導(dǎo)的氣體并促使其通過出口條(250 )離 開室(40)，該出口條(250)被夾點(diǎn)(50)前面的氣體的壓力強(qiáng)迫并保持 在打開位置。為了防止出口條(250 )重疊夾點(diǎn)(50)并允許氣體脫離高 壓容積進(jìn)入低壓容積，出口條(250 )可通過機(jī)械、電氣或/F茲裝置致動， 以控制其開口 (270)距夾點(diǎn)(50)的距離。如圖11所示，驅(qū)動軸(660) 上的凸輪(261 )操作推桿(260 ),推桿(260 )動作以提升出口條(250 )。 這個致動對于控制開始和關(guān)閉狀態(tài)也有用，并給出了一定程度的容量控 制。在轉(zhuǎn)動或旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式中(見下面)，其中夾點(diǎn)(50)的高壓出口側(cè)能夠被距低壓入口側(cè)的一些距離分開，通過運(yùn)動開口 (270)部分 經(jīng)過夾點(diǎn)(50)，條(250)的致動可用來限制出口區(qū)域并因此控制設(shè)備的 壓力比。因此，在一個實(shí)施方式中，條可通過機(jī)械致動變形，特別是通過 致動器，例如連接到轉(zhuǎn)子，例如轉(zhuǎn)子驅(qū)動軸的凸輪和推桿。
如圖6所示，在轉(zhuǎn)子里設(shè)置有盲通路(blindpassage) (275 )或通路， 在軸向面開口并在接近轉(zhuǎn)子表面的內(nèi)部終止。這個通路(275 )與轉(zhuǎn)子(20 ) 的軸向面相通，使得冷卻液能夠在轉(zhuǎn)子(20)的圓周表面后面循環(huán)。為了 冷卻液的循環(huán)，室(10)的壁和端板另外地設(shè)有通路?？稍O(shè)置帶有散熱片 的裝置(finned means ) (276 ),以增加從要冷卻的室(10 )的壁流到冷卻 液里的熱。
在操作中，轉(zhuǎn)子(20)與入口導(dǎo)管(330 )導(dǎo)引旋轉(zhuǎn)，使得管道(40) 與轉(zhuǎn)子以優(yōu)選超過本地聲速的速度旋轉(zhuǎn)。入口導(dǎo)管(330 )通路的適當(dāng)曲 率引起氣體以實(shí)質(zhì)上徑向方向從轉(zhuǎn)子(20)的軸向面吸到導(dǎo)管(330)里。 隨著管道(40)-也就是轉(zhuǎn)子和定子之間的空間-繞定子旋轉(zhuǎn)，氣體被禁閉 到轉(zhuǎn)子(20)的表面和汽缸(10)的壁之間形成的會聚管道(40)?？拷?夾點(diǎn)(50)的超音速沒有給出關(guān)于增加壓力的信息向上游傳播的時間。隨 著夾點(diǎn)(50)到達(dá)氣體，氣體被平穩(wěn)壓縮，直到其被允許以高壓通過出口 (340)并通過轉(zhuǎn)子(20)里的通路脫離到轉(zhuǎn)子(20)的徑向末端，從那 里其通過管道輸送離開設(shè)備。在管道(40)的壓縮期間，氣體溫度增加。 壓縮熱不斷轉(zhuǎn)移，通過轉(zhuǎn)子(20)的壁進(jìn)入在壁后面循環(huán)的冷卻液并通過 室(10)的壁進(jìn)入那里循環(huán)的冷卻液(277)。
如圖7所示，轉(zhuǎn)子(20)的表面可設(shè)置有螺旋凹槽(400)和/或通路 (410),以引導(dǎo)通過夾點(diǎn)(50)或沿室的軸向末端的高壓氣體返回到管道 (40)里選定或控制的點(diǎn)(420)。該氣體在它的返回室的通路上被冷卻， 且這比允許其在室(330)的入口端重新浮現(xiàn)對設(shè)備的效率更有利。在復(fù) 雜設(shè)備中，通過轉(zhuǎn)子表面里的微小小孔(430)放出這個氣體以促進(jìn)層流 是可能的。
在第二類實(shí)施方式中，設(shè)備可包括轉(zhuǎn)子(20)，同時會聚管道(40) 形成在汽缸(10)的壁和轉(zhuǎn)子(20)的表面之間(如圖6所示)，或收斂
10管道(40)可形成在汽缸(10)的壁和轉(zhuǎn)子(20)上的減小橫截面(330 ) 的通道之間形成，其中轉(zhuǎn)子與定子同心(如圖8所示)。
例如參考圖7和8，因為本發(fā)明的目的是避免加速氣體，因此，對于 管道(40)的給定橫截面，靜止與運(yùn)動管道(40)表面的比應(yīng)盡可能的高 很重要。在轉(zhuǎn)子(20)里使用通道(330)實(shí)施方式中，管道(40)可由 凹槽(580)形成，該凹槽(580)螺旋向下繞轉(zhuǎn)子(20)的圓周面，使得 管道(40)的所有部分，包括管道(40)的高壓/高溫端不斷地暴露給新的 表面區(qū)域，以從管道(40)導(dǎo)熱。在這樣一個實(shí)施方式中，向上傳遞到汽 缸(10)的靜止壁的熱量可被表面(見圖6)后面的凸緣(350 )降低。轉(zhuǎn) 子(20)可進(jìn)一步被沿管道(40)的側(cè)面和轉(zhuǎn)子(20)的側(cè)面流動的內(nèi)部 液體冷卻。
如圖8所示，第二類實(shí)施方式使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子(20)。在這樣一種設(shè)備 中，在汽缸(10)里設(shè)置轉(zhuǎn)子(20)，轉(zhuǎn)子(20)的輪廓被設(shè)置成使得在 其在內(nèi)壁上往復(fù)移動時，轉(zhuǎn)子(20)的圓周表面的實(shí)質(zhì)上一部分保持可旋 轉(zhuǎn)地緊密接近汽缸(10)的內(nèi)壁。轉(zhuǎn)子(20)的剩余圓周表面成形或切掉， 以便生成帶有其和汽缸(10 )的壁之間的變窄端(530 )的管道或凹槽(40 )。 管道的較寬的末端(540)設(shè)置有連通轉(zhuǎn)子(20)的軸向面的中心部分的 入口導(dǎo)管(520)。與管道(40)隔開，轉(zhuǎn)子(20)的圓周表面設(shè)置有連通 轉(zhuǎn)子(20)的軸向面的另一部分的出口導(dǎo)管(550)。在大型設(shè)備里，設(shè)置 有不止一個成形管道(40)。
在螺旋管道(500)的實(shí)施方式中，輸出壓力比可通過在轉(zhuǎn)子(20) 和汽缸(10)之間提供活動套筒(510)來控制。在操作中，氣體入口 (520) 通過室(40)的一個軸向末端，而出口 ( 550 )通過另一個。相對于轉(zhuǎn)子 (20)軸向運(yùn)動套筒(510)將會改變出口面積，并因此改變和控制設(shè)備 的壓力比。
以上的任一實(shí)施方式可設(shè)置有調(diào)整轉(zhuǎn)子(20)與包含汽缸(10)的中 心軸的偏置，并因此調(diào)整在夾點(diǎn)(50)處轉(zhuǎn)子(20)和汽缸(10)之間的 間隙的裝置。這對于磨損補(bǔ)償、針對不同的熱膨脹率進(jìn)行調(diào)整、降低泄漏 和控制容量是有利的。如圖9所示，這里描述了一種用于驅(qū)動組件，并另外地調(diào)整轉(zhuǎn)子(20) 與包含汽缸(10)的中心軸的偏置以及因此調(diào)整在夾點(diǎn)(50)處轉(zhuǎn)子(20) 和汽缸(10 )之間的間隙的裝置。總的來說，轉(zhuǎn)子(20 )具有轉(zhuǎn)子軸(670 )， 轉(zhuǎn)子軸(670)的每端分別連接到驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物和惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(idler rotor support )(680、 690)，驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物和惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(680、 690) 中的每個又分別連接到驅(qū)動軸和惰輪軸(idler axis) (660、 650)，驅(qū)動軸 和惰輪軸(660、 650)布置成使得它們位于汽缸(10)的中心軸上，且每 個都^皮軸承座(630)支撐。
.更具體地，轉(zhuǎn)子軸(670)的一端通過聯(lián)軸節(jié)(600)連接到驅(qū)動轉(zhuǎn)子 支撐物(680)，而轉(zhuǎn)子軸(670)的另一端通過聯(lián)軸節(jié)(600)連接到惰輪 轉(zhuǎn)子支撐物(690)。惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)通過聯(lián)軸節(jié)(600)連接到固 定軸(650 )。驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680 )通過聯(lián)軸節(jié)(600 )連接到驅(qū)動軸(660 )。 驅(qū)動軸(660)和惰輪軸(650)被布置成平行于轉(zhuǎn)子軸(670 )并位于汽 缸(10)的中心軸上。每個轉(zhuǎn)子支撐物(680、 690)被布置成支撐轉(zhuǎn)子軸 (670)，使得轉(zhuǎn)子(20)的表面實(shí)質(zhì)上靠近汽缸(10)的內(nèi)圓周。惰輪軸 (650)和驅(qū)動軸(660)都由軸承座(630)支撐，并可在其中旋轉(zhuǎn)，并 相對于所述軸承座(630)軸向約束。每個軸承座(630)布置成使得其與 轉(zhuǎn)子軸(670)的軸向距離等于其他軸承座(630)與轉(zhuǎn)子軸(670)的軸 向距離，并可以控制。通過控制軸承座與轉(zhuǎn)子軸(670)的中心的距離， 改變每個轉(zhuǎn)子支撐物(680、 690)的位置和角度是可能的，結(jié)果改變轉(zhuǎn)子 (20)和機(jī)殼(10)之間的運(yùn)行間隙是可能的。
在前述的裝置中，可有利地使用三類聯(lián)軸節(jié)(600)。第一類聯(lián)軸節(jié) (600)包括適合于形成節(jié)點(diǎn)的聯(lián)軸節(jié)，該節(jié)點(diǎn)鉸接兩個轉(zhuǎn)動軸之間的兩 個軸，但是不能傳輸任何軸向扭矩。落在第一類里的普遍已知的聯(lián)軸節(jié) (600)的例子是球節(jié)點(diǎn)。第二類聯(lián)軸節(jié)(600)包括適合于形成節(jié)點(diǎn)的聯(lián) 軸節(jié)，該節(jié)點(diǎn)4史接兩個轉(zhuǎn)動軸之間的兩個軸，并能夠傳輸軸向扭矩。落在 第二類里的普遍已知的聯(lián)軸節(jié)(600)的例子是等速節(jié)點(diǎn)、Hardy-Spicer萬 向節(jié)、某些類型的橡膠聯(lián)軸節(jié)或順應(yīng)性的橡膠管(compliant rubber tubing )。 第三類聯(lián)軸節(jié)包括適合于形成節(jié)點(diǎn)的聯(lián)軸節(jié)，該節(jié)點(diǎn)能夠鉸接一個軸并能夠傳輸軸向扭矩。這種節(jié)點(diǎn)的例子是鉸接節(jié)點(diǎn)。
驅(qū)動軸(660 )能夠經(jīng)由驅(qū)動聯(lián)軸節(jié)(640 )傳輸旋轉(zhuǎn)扭矩。驅(qū)動軸(660 ) 通過第三類聯(lián)軸節(jié)(600)連接到驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680)。連接到轉(zhuǎn)子軸 (670 )的驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680 )的末端因此被約束到在牽引轉(zhuǎn)動軸(660 ) 的軸的四周以圓周運(yùn)動的方式軌道運(yùn)行。
在使用滾動轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式中，驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680 )通過第一類 聯(lián)軸節(jié)(600)連接到轉(zhuǎn)子軸(670)。轉(zhuǎn)子軸(670)通過第一類或第二類 聯(lián)軸節(jié)連接到惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690 )。在這種實(shí)施方式中，把轉(zhuǎn)子軸(670 ) 連接到惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690 )的聯(lián)軸節(jié)(600 )和把惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690 ) 連接到惰輪軸(650)的聯(lián)軸節(jié)(600)中的至少一個是第一類聯(lián)軸節(jié)，和 /或惰輪軸(650)自由旋轉(zhuǎn)。從而轉(zhuǎn)子(20)自由滾動，而獨(dú)立于驅(qū)動軸 (640 )的方位和惰輪軸(650 )的方位，但是轉(zhuǎn)子(20 )通過從驅(qū)動軸(640 ) 傳輸?shù)津?qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680)驅(qū)動力迫使在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù) 移動。
在使用繞軌道運(yùn)行的轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式中，驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680 )通 過第一類聯(lián)軸節(jié)(600)連接到轉(zhuǎn)子軸(670 )。在這種實(shí)施方式中，把轉(zhuǎn) 子軸(670)連接到惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)的聯(lián)軸節(jié)(600)和把惰輪轉(zhuǎn) 子支撐物(690)連接到惰輪軸(650 )的聯(lián)軸節(jié)(600)都是第二類的， 且惰輪軸(650)被固定，使得其不能旋轉(zhuǎn)。因此約束轉(zhuǎn)子(20)，以便依 靠其連接到固定惰輪軸(650)而維持其相對于汽缸(10)的方位。轉(zhuǎn)子 (20)通過從驅(qū)動軸(640)傳輸?shù)津?qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680)的驅(qū)動力迫使 在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù)移動。
在使用旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的實(shí)施方式中，驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680 )通過第二類 或第三類聯(lián)軸節(jié)(600)連接到轉(zhuǎn)子軸(670)。轉(zhuǎn)子軸(670)通過第一類 或第二類聯(lián)軸節(jié)連接到惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)。在這種實(shí)施方式中，把轉(zhuǎn) 子軸(670)連接到惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)的聯(lián)軸節(jié)(600)和把惰輪轉(zhuǎn) 子支撐物(690)連接到惰輪軸(650)的聯(lián)軸節(jié)(600)中的至少一個是 第一類的，和/或惰輪軸(650)自由旋轉(zhuǎn)。因此約束轉(zhuǎn)子(20)以維持其 相對于驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680)的方位，并相對于惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)
13的方位不受約束，結(jié)果，轉(zhuǎn)子(20)的表面上的固定點(diǎn)維持接近夾點(diǎn)(50)。 轉(zhuǎn)子(20)通過從驅(qū)動軸(640)傳輸?shù)津?qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680)的驅(qū)動力 迫使在汽缸(10)的內(nèi)圓周上往復(fù)移動。
雖然這里已經(jīng)參考使用上述類別的聯(lián)軸節(jié)的明確組合描述了滾動、繞 軌道運(yùn)行和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的約束裝置，但應(yīng)理解，這里描述的轉(zhuǎn)子特性能通過 未描述的其他組合完成。因此，這里描述的繞軌道運(yùn)行、固定的和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子的約束裝置的描述并不希望被限制到本發(fā)明的范圍，本發(fā)明在權(quán)利要求 中陳述。
如圖9所示，提供了一種用于使轉(zhuǎn)子(20)平衡的裝置。驅(qū)動轉(zhuǎn)子支 撐物(680)在遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子(20)的方向上延伸超過把驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680) 連接到驅(qū)動軸(660)的聯(lián)軸節(jié)(600)。單獨(dú)地或與驅(qū)動轉(zhuǎn)子支撐物(680) 的延伸一體地提供平衡重物(620)。類似地，惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)在 遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子(20)的方向上延伸超過把惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)連接到惰輪 軸(650)的聯(lián)軸節(jié)(600)。單獨(dú)地或與惰輪轉(zhuǎn)子支撐物(690)的延伸一 體地提供平衡重物(620)。每個平衡重物(620)被布置成具有重量和距 離汽缸(10)的中心軸的距離，使得汽缸(10)的中心軸的相反側(cè)上的旋 轉(zhuǎn)部件的重量得以平衡。在壓縮機(jī)的工作期間能夠調(diào)整平衡重物(620) 的質(zhì)量和位置，以補(bǔ)償熱膨脹或可能以其他方式打亂壓縮機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件的 平衡的其他影響。這能夠通過使用致動器調(diào)整轉(zhuǎn)子支撐物(680、 690)上 的平衡重物(620)的位置達(dá)到?？蛇x地，能夠，例如通過把流體或氣體 泵進(jìn)或泵出能夠包括儲液罐或儲氣罐的平衡重物(620),來改變平衡重物 (620)的質(zhì)量。
圖IO顯示了用于使轉(zhuǎn)子(20)平衡的可選裝置，其中驅(qū)動軸(660)、 轉(zhuǎn)子軸(670)和平衡重物(620)包容在汽缸(10)里，這樣是有利的， 因為幫助室密封。
雖然并未在所有的情況中詳細(xì)描述密封和通過管道輸送各種室的方 式，但是應(yīng)理解，在本發(fā)明的實(shí)施方式中，提供壓縮機(jī)領(lǐng)域的通常的滑動 式密封裝置來防止氣體從高壓容積泄漏到低壓容積。也提供引導(dǎo)低壓氣體 進(jìn)入設(shè)備里和高壓氣體離開設(shè)備的管道裝置。在以上的任一實(shí)施方式中，本領(lǐng)域的常規(guī)控制裝置，例如閥，可結(jié)合 使用以控制和調(diào)節(jié)流量。
雖然已經(jīng)用靜態(tài)汽缸(10)和可運(yùn)動轉(zhuǎn)子(20)描述了實(shí)施方式，但 是其他實(shí)施方式可使用運(yùn)動汽缸(10)和靜態(tài)轉(zhuǎn)子(20)或均為運(yùn)動的轉(zhuǎn) 子(20)和汽缸(10)。
根據(jù)本發(fā)明構(gòu)建的壓縮機(jī)可反向，用適當(dāng)?shù)拈y工作為擴(kuò)張器。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是高效率壓縮，以及當(dāng)給予氣體少量動能和摩擦能時， 通過壓縮氣體達(dá)到高階段壓力上升。本發(fā)明還允許在氣體被壓縮的同時冷 卻氣體。
在軸式和離心式壓縮機(jī)中，能夠使用每階段的低壓上升引起的多階段 的必要性來提供階段之間的中間冷卻。對于高效壓縮，圍繞氣體的所有表 面可被冷卻，且氣體和/或表面不斷改變，使得在壓縮期間氣體被帶到接觸 新的冷卻表面。優(yōu)選地，氣體不應(yīng)相對于壁流動，因為這樣引起摩擦生熱。
本發(fā)明在現(xiàn)有技術(shù)壓縮機(jī)上具有幾個優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)包括
通過使用夾點(diǎn)的超音速旋轉(zhuǎn)，使本發(fā)明的簡單機(jī)械布局成為可能，因 為高壓不能傳播到室的低壓區(qū)域，因此室的低壓區(qū)域和高壓區(qū)域之間不需 要機(jī)械分離。
本發(fā)明的連續(xù)旋轉(zhuǎn)壓縮裝置允許平滑的連續(xù)壓縮。通過使用平滑和連 續(xù)的壓縮裝置，本發(fā)明有利地減少了給予被壓縮氣體的能量。
通過使用可調(diào)整的運(yùn)行間隙裝置，和/或隨著其在汽缸的內(nèi)圓周上往復(fù) 移動而滾動的轉(zhuǎn)子，減少了摩擦損失，這樣減少了被壓縮氣體的加熱并因 此增加了效率。
本發(fā)明的固定的室容積允許增強(qiáng)的傳熱屬性，因為最大的室表面區(qū)域 總是接觸被壓縮氣體。這允許更有效地冷卻被壓縮氣體，這又幫助提高壓 縮機(jī)的效率。
在每個旋轉(zhuǎn)中處理的氣體量大于汽缸室的內(nèi)部容積的容積和轉(zhuǎn)子的 容積。工作容積是汽缸的容積，小于的轉(zhuǎn)子的容積，其半徑等于{轉(zhuǎn)子的半徑減去轉(zhuǎn)子軸與汽缸軸的徑向偏置}。換而言之，轉(zhuǎn)子表面的與夾點(diǎn)直徑
上對置的掃描路徑(sweeppath)定義工作容積。
與例如類似物理尺寸的軸式或離心式壓縮機(jī)相比，本發(fā)明的另外的優(yōu) 點(diǎn)是，其展現(xiàn)了高流動屬性。結(jié)果，本發(fā)明的壓縮機(jī)能制成小于已知壓縮 機(jī)的體積。
雖然已經(jīng)關(guān)于它的優(yōu)選實(shí)施方式解釋了本發(fā)明，但是并不希望限制本 發(fā)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，許多其他的更改和變化是可能的而不背離 要求的本發(fā)明的范圍。實(shí)施方式和實(shí)施方式的特征可酌情并置或相互交 換。
權(quán)利要求
1.一種氣體壓縮機(jī)，其具有轉(zhuǎn)子和定子，其中一個具有用于相對于另一個進(jìn)行相對的往復(fù)移動以在最靠近的點(diǎn)處形成夾點(diǎn)的閉合的內(nèi)表面，并且，所述氣體壓縮機(jī)具有壓縮氣體出口。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述夾點(diǎn)被布置成以實(shí) 質(zhì)上超音速的速度運(yùn)動。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體壓縮機(jī)，其中，在使用中，所述轉(zhuǎn) 子的表面上的固定點(diǎn)實(shí)質(zhì)上保持在所述夾點(diǎn)處。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氣體壓縮機(jī)，其中，在使用中，所述轉(zhuǎn) 子的方位實(shí)質(zhì)上相對于汽缸不變。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的氣體壓縮機(jī)，其中，在使用中，所述轉(zhuǎn) 子在所述定子的表面上滾動，使得所述轉(zhuǎn)子的表面不摩擦所述定子的表 面。
6. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子和/或 定子包括冷卻通路。
7. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子和/或 定子包括冷卻散熱片。
8. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子包括所 述出口。
9. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述出口在所述 夾點(diǎn)的往復(fù)移動方向上位于所述轉(zhuǎn)子或定子的上游。
10. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述定子包括 所述出口。
11. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子在所 述夾點(diǎn)的往復(fù)移動方向的下游包括用于未壓縮氣體的入口。
12. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，氣體入口和氣 體出口中的至少一個包括所述定子和轉(zhuǎn)子中的至少一個的往復(fù)移動表面 上的孔口。
13. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，氣體入口和氣 體出口中的至少一個包括可變形遠(yuǎn)離所述孔口的圓周條，以允許氣體流 過。
14. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，氣體入口和氣 體出口中的至少一個包括位于所述轉(zhuǎn)子的圓周表面上的管道開口。
15. 根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的氣體壓縮機(jī)，其中，所述轉(zhuǎn)子被支 撐為允許在所迷夾點(diǎn)處可變地接近所述定子。
16. —種閥裝置，其包括主體，所述主體具有外壁機(jī)殼、閥孔口和可 變形的圓周條，所述可變形的圓周條布置在所述機(jī)殼上，以便在無形變的 狀態(tài)下閉合所述孔口 ，并可變形來打開所述孔口以允許氣體流動。
17. —種壓縮氣體的方法，其包括引起轉(zhuǎn)子和閉合的內(nèi)定子表面相 對于彼此進(jìn)行相對的往復(fù)移動，以在其間最緊密接近的點(diǎn)處形成夾點(diǎn)，其 中，所述夾點(diǎn)以實(shí)質(zhì)上超音速的速度運(yùn)動。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)子被支撐為允許在所述 夾點(diǎn)處可變地^接近所述定子。
19. 一種氣體壓縮機(jī)，其具有第一元件和第二元件，其中至少一個能 夠相對于另一個進(jìn)行相對的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，以形成夾點(diǎn)，所述夾點(diǎn)布置成在最 緊密靠近的點(diǎn)處壓縮氣體。
20. —種裝置或方法，其實(shí)質(zhì)上如這里在附圖中描述的。
全文摘要
本發(fā)明是具有平滑壓縮和內(nèi)部冷卻氣體的特性的壓縮方法。本發(fā)明的實(shí)施方式使用汽缸室和軌道運(yùn)行的轉(zhuǎn)子，以生成運(yùn)動管道或室，運(yùn)動管道或室的壁在“夾點(diǎn)”處相對于被吸到運(yùn)動管道里的靜態(tài)氣體包會聚。優(yōu)選地，壁的閉合速度是亞音速，而夾點(diǎn)的速度是超音速。由于夾點(diǎn)的超音速前進(jìn)而制造的壓力信息屏障，這使高壓能夠在管道的變窄端與管道里別處的低壓共存。本發(fā)明還公開了用于調(diào)整汽缸和轉(zhuǎn)子之間的運(yùn)行間隙的裝置和用于使轉(zhuǎn)子平衡的裝置。
文檔編號F04D21/00GK101680459SQ200880018688
公開日2010年3月24日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月4日
發(fā)明者約翰·菲利普·羅杰·漢默貝克 申請人:約翰·菲利普·羅杰·漢默貝克