空氣靜壓線性壓縮器的活塞汽缸裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及活塞（1）和汽缸（2）組件，其能夠降低由具有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的氣體產(chǎn)生的效率損失。因此，在活塞-汽缸組件的活塞（1）和汽缸（2）之間的空間被設(shè)計成：當(dāng)活塞（1）接近汽缸頭（3）時，就是說，當(dāng)未被制冷過程利用的氣體密度最高時，降低活塞（1）的上部中的徑向空隙（12）?；钊?）和汽缸（2）組件必須這樣的幾何尺寸關(guān)系以使得所述徑向空隙（12）將相對于在徑向空隙（12）中的氣體密度以反比例方式變化。
【專利說明】空氣靜壓線性壓縮器的活塞汽缸裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及用于冷卻具有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的活塞/汽缸組件，更具體地涉及組件的尺寸關(guān)系，從而最小化損失。
【背景技術(shù)】
[0002]一般而言，冷卻回路的基本結(jié)構(gòu)包括四個部件，即:壓縮器、冷凝器、膨脹裝置和蒸發(fā)器。這些元件表征冷卻回路，流體在冷卻回路中循環(huán)從而能夠降低內(nèi)部環(huán)境的溫度、從此介質(zhì)帶走熱量并通過所述元件將熱量轉(zhuǎn)移到外部環(huán)境。
[0003]在冷卻回路中循環(huán)的流體通常遵循此通過順序:壓縮器、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器、然后再回到壓縮器，這表征閉合回路。在循環(huán)期間，流體經(jīng)歷造成流體狀態(tài)(可以是氣態(tài)或液態(tài))改變的壓力和溫度變化。
[0004]在冷卻回路中，壓縮器用作冷卻系統(tǒng)的心臟，從而產(chǎn)生沿系統(tǒng)的部件的冷卻流體流。壓縮器通過升高其內(nèi)部的壓力來升高冷卻流體的溫度并推動此流體在回路中循環(huán)。
[0005]因此，壓縮器在冷卻回路中的重要性是毋庸置疑的。存在可應(yīng)用于冷卻系統(tǒng)的各種類型的壓縮器，但是本發(fā)明的領(lǐng)域中關(guān)注方面將僅集中于線性壓縮器。
[0006]由于活塞和汽缸之間的相對運(yùn)動，需要為活塞提供軸承裝置。此軸承裝置包括存在于活塞的外徑和汽缸的內(nèi)徑之間的空隙中的流體，從而防止它們之間的接觸及因此防止活塞和/或汽缸的過早磨損。存在于所述兩個部件之間的流體還用于減小它們之間的摩擦，由此使得壓縮器的機(jī)械損失更低。
[0007]為活塞提供軸承裝置的一種方式是借助于空氣靜壓軸承，其本質(zhì)上在于在活塞和汽缸之間產(chǎn)生氣體軸承裝置，從而防止這兩個部件之間的磨損。使用此類型的軸承裝置的其中一個原因由如下事實來證實:其具有遠(yuǎn)低于任何其它油的粘滯摩擦系數(shù)，因此有助于致使花費(fèi)在空氣靜壓軸承系統(tǒng)上的能量遠(yuǎn)低于花費(fèi)在油潤滑上的能量，從而獲得更好的壓縮器輸出。由使用冷卻氣體本身作為潤滑流體產(chǎn)生的一個優(yōu)點是不存在油泵送系統(tǒng)。
[0008]在圖1和2中可見，通過活塞在汽缸內(nèi)的軸向和振蕩運(yùn)動而發(fā)生氣體壓縮機(jī)制。在汽缸頂部是汽缸頭，汽缸頭連同活塞和汽缸形成壓縮腔。排放閥和吸入閥位于汽缸頭處，它們調(diào)節(jié)氣體的進(jìn)入和離開汽缸。繼而，通過與壓縮器的線性馬達(dá)保持連接的致動器來致動活塞。
[0009]通過線性馬達(dá)致動的壓縮器活塞具有進(jìn)行線性交替運(yùn)動的功能，致使活塞在汽缸內(nèi)移動，以對從吸入閥進(jìn)入的氣體施加壓縮動作直到氣體處于待通過排放閥被排放到高壓側(cè)的位置。
[0010]為了使空氣靜壓軸承裝置正確地運(yùn)行，有必要在包括處于外部的汽缸的高壓區(qū)與活塞和汽缸間的空隙之間使用限流器。此限制用于控制軸承裝置區(qū)域中的壓力并限制氣體流。
[0011]在各種可行方案中，通常采用冷卻回路氣體自身來提供活塞的空氣靜壓軸承裝置。以此方式，在軸承裝置中使用的全部氣體代表壓縮器的效率損失，這是因為氣體偏離其在冷卻系統(tǒng)的蒸發(fā)器中制冷的最初功能。因此，期望軸承裝置中采用的氣體流率盡可能小，從而不會降低壓縮器效率。
[0012]為了使冷卻壓縮器高效地工作，應(yīng)該保持此類設(shè)備的所有特征損失盡可能低，所述特征損失例如是機(jī)械損失(部件之間的摩擦)、電損失(出現(xiàn)寄生電流，抵抗馬達(dá)電流通過)或熱力學(xué)損失(泄漏，不期望的熱流)。對于氣體壓縮，為了使壓縮器的效率高，必要的是，對氣體進(jìn)行的所有工作都應(yīng)該在冷卻系統(tǒng)中被利用。為此，在氣體壓縮之后導(dǎo)致氣體損失的任何類型的泄漏或現(xiàn)象都是不期望的。
[0013]無論如何，總是會存在泄漏，這是因為為了提供軸承裝置，氣體應(yīng)該存在于汽缸壁和活塞壁之間。然而，效率邏輯要求保持氣體泄漏盡可能少，以便不顯著影響壓縮器效率。
[0014]壓縮器中泄漏的主要來源是排放閥和吸入閥以及活塞和汽缸之間的空隙。在下文中，活塞和汽缸之間的空隙將被稱作周圍空隙。
[0015]為了更好地理解導(dǎo)致壓縮器效率降低的現(xiàn)象，活塞頂部和汽缸頭之間的區(qū)域被稱作壓縮腔，并且在所述壓縮腔中使氣體具有高壓?；钊撞亢团c汽缸頭相對的汽缸部分之間的區(qū)域被稱作低壓區(qū)。
[0016]在使用空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器中，發(fā)生與氣體損失相關(guān)的如下兩個現(xiàn)象，它們將是用于理解本技術(shù)的觀察對象。
[0017]MM
現(xiàn)象“泄漏”由在高壓區(qū)(活塞頂部上方)和低壓區(qū)(活塞底部下方)之間通過周圍空隙循環(huán)的氣體量來定義。當(dāng)活塞處于壓縮階段(即，朝向汽缸頭移動)時，總是發(fā)生此泄漏現(xiàn)象。當(dāng)發(fā)生此活塞運(yùn)動時，氣體被壓縮直至通過周圍空隙、遍及空隙長度(Cf)、到達(dá)位于壓縮腔的相對側(cè)上的吸入壓力區(qū)(Ps)的排放壓力(Pd)。應(yīng)該注意，此氣體并不離開壓縮器而進(jìn)入冷卻系統(tǒng)從而起制冷的主要作用。
[0018]不可逆件
對于熱力學(xué)，不可逆性是所有實際過程的特點并且它們的來源是消耗過程。設(shè)置有空氣靜壓軸承裝置的系統(tǒng)在壓縮時經(jīng)歷由在汽缸和活塞之間的空隙中存在的氣體的少部分導(dǎo)致的不可逆現(xiàn)象。不可逆性可被理解為由流入和流出周圍空隙的氣體的少部分流所導(dǎo)致的能量損失。
[0019]鑒于設(shè)置有軸承裝置的線性壓縮器的技術(shù)，加載損失總是與氣體流相關(guān)，其不可避免地消耗能量，此不可逆現(xiàn)象不利地影響壓縮器。
[0020]問是頁
為了更好地理解泄漏和不可逆性現(xiàn)象的影響，圖5示出將所述兩個現(xiàn)象所消耗的能量與活塞和汽缸之間的空隙相關(guān)聯(lián)的試驗結(jié)果。應(yīng)該注意，由不可逆性和泄漏導(dǎo)致的損失同時地發(fā)生。
[0021 ] 圖5的圖形毫無疑問地示出了效率損失的幅值，因為活塞和汽缸之間的近似5 μ m的尺寸變化引起近似2W-10W的能量損失，就是說，活塞/汽缸組件中的空隙越大，相關(guān)的能量損失越大。
[0022]因此，毫無疑問，設(shè)置有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器技術(shù)需要具有抑制由周圍空隙導(dǎo)致的增加的能量效率損失的方案。
[0023]因此，目前沒有能夠(借助于將冷卻氣體用于向活塞提供軸承裝置而導(dǎo)致的)有效地降低效率損失的設(shè)置有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器。換言之，本發(fā)明設(shè)法通過減小特定周圍空隙實現(xiàn)被設(shè)計用于抑制在提供軸承裝置時的效率損失的幾何構(gòu)型和尺寸關(guān)系，以及提供易于生產(chǎn)實現(xiàn)的方案、確保最終使用者的利益并由于更好的能量效率而確保環(huán)境友好。
[0024]發(fā)明目的
因此，本發(fā)明的目的在于最小化設(shè)置有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的氣體上所產(chǎn)生的效率損失。
[0025]本發(fā)明的目的還在于提供活塞/汽缸組件之間的間隔調(diào)節(jié)，從而減小具有未被冷卻過程利用的較高氣體密度的空隙。
[0026]本發(fā)明的又一目的在于提供活塞/汽缸組件中的尺寸關(guān)系和形狀關(guān)系，從而確保設(shè)置有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的最大效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027]本發(fā)明的目的由一種活塞/汽缸組件實現(xiàn)，活塞可移位地位于汽缸內(nèi)，活塞在上死點和下死點之間移動，其中，在汽缸的內(nèi)壁和活塞的外壁之間存在周圍空隙，以便為活塞提供空氣靜壓軸承裝置，其中，當(dāng)活塞處于其上死點處時在活塞的上部處存在最小周圍空隙，并且線性壓縮器包括所述活塞/汽缸組件。
[0028]本發(fā)明的目的還由一種用于線性壓縮器的活塞/汽缸組件來實現(xiàn)，活塞可移位地位于汽缸內(nèi)，活塞在高壓部分和低壓部分之間移動，高壓部分具有比低壓部分高的氣體密度，周圍空隙被限定在汽缸的內(nèi)壁和活塞的外壁之間，以便為活塞提供利用氣體的空氣靜壓軸承裝置，周圍空隙的尺寸相對于周圍空隙中的氣體密度以反比例方式改變。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]現(xiàn)在將參照附圖中描繪的實施例的例子更詳細(xì)地描述本發(fā)明。附圖示出:
圖1是設(shè)置有現(xiàn)有技術(shù)的空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的剖視圖。
[0030]圖2是設(shè)置有現(xiàn)有技術(shù)的空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的剖視圖，示出了氣體壓力。
[0031]圖3是設(shè)置有現(xiàn)有技術(shù)的空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的剖視圖，示出了在時刻i)下的氣體壓力。
[0032]圖4是設(shè)置有現(xiàn)有技術(shù)的空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的剖視圖，示出了在時刻ii)下的氣體壓力。
[0033]圖5是由汽缸和活塞之間的空隙導(dǎo)致的能量損失的圖形。
[0034]圖6是根據(jù)壓力、位置和時間而定的活塞/汽缸空隙中的壓力曲線的圖形。
[0035]圖7是在活塞/汽缸空隙中在活塞的頂部和底部區(qū)域中的氣體質(zhì)量流的圖形。
[0036]圖8是在活塞/汽缸空隙中在活塞的頂部區(qū)域中的氣體質(zhì)量流的圖形。
[0037]圖9是在活塞/汽缸空隙中在活塞的底部區(qū)域中的氣體質(zhì)量流的圖形。
[0038]圖10是活塞/汽缸組件的剖視圖，其具有有效方案。
[0039]圖11是本發(fā)明的活塞/汽缸組件的可行實施例的剖視圖。
[0040]圖12是本發(fā)明的活塞/汽缸組件的可行實施例的剖視圖。[0041]圖13是本發(fā)明的活塞/汽缸組件的可行實施例的剖視圖。
[0042]圖14是本發(fā)明的活塞/汽缸組件的可行實施例的剖視圖。
【具體實施方式】
[0043]本發(fā)明提出對于具有空氣靜壓軸承裝置的線性壓縮器的活塞/汽缸組件的技術(shù)改進(jìn)，包括對能量效率和生產(chǎn)過程的改進(jìn)。
[0044]根據(jù)冷卻回路的運(yùn)行原理并如圖1所示，優(yōu)選地，通過活塞I在汽缸2內(nèi)的軸向和振蕩運(yùn)動來實現(xiàn)氣體壓縮機(jī)制。在汽缸頭3處安置有用于調(diào)節(jié)氣體進(jìn)入和離開汽缸2的排放閥5和吸入閥6。還應(yīng)該注意，通過與線性壓縮器馬達(dá)連接的致動器7來致動活塞1，在本文件中線性壓縮器馬達(dá)不是被進(jìn)一步闡述的對象。
[0045]壓縮器的活塞I當(dāng)由線性馬達(dá)致動時具有產(chǎn)生線性交替運(yùn)動的功能，從而提供活塞I在汽缸2內(nèi)的運(yùn)動，從而將通過吸入閥6進(jìn)入的氣體壓縮至氣體可通過排放閥5被排放到高壓側(cè)的程度。
[0046]汽缸2被安裝在汽缸體8和蓋9內(nèi)，蓋9具有將壓縮器連接到系統(tǒng)的其余部分的排放通道10和吸入通道11。
[0047]如上所述，活塞I和汽缸2之間的相對運(yùn)動需要活塞I的軸承裝置，所述軸承裝置包括兩個壁之間的周圍空隙12中存在流體，以便在運(yùn)動期間分離所述活塞和汽缸。使用氣體自身作為潤滑流體的優(yōu)點是不存在油泵送系統(tǒng)。
[0048]優(yōu)選地，用作軸承裝置的氣體可以是由壓縮器泵送并輸送到冷卻系統(tǒng)的氣體自身。在此情形中，氣體在被壓縮后從排放腔13、從蓋9通過管道14改變方向到圍繞汽缸2的加壓區(qū)域15，其中，加壓區(qū)域15由汽缸2的外徑和汽缸體8的內(nèi)徑形成。
[0049]從加壓區(qū)域15，氣體穿過限制器16、17、18、19，從而形成防止活塞I和汽缸2之間接觸的氣墊，所述限制器16、17、18、19朝向存在于活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12被插入汽缸壁2中。
[0050]為了限制加壓區(qū)域15和周圍空隙12之間的氣體流，需要使用限制器16、17、18、
19。此限制用于控制軸承裝置區(qū)域中的壓力并限制氣體流，因為在軸承裝置中使用的全部氣體代表壓縮器的效率損失，因為氣體的主要功能是被輸送到冷卻系統(tǒng)并制冷。因此，應(yīng)該指出，轉(zhuǎn)向到軸承裝置的氣體應(yīng)該盡可能少，從而不會降低壓縮器的效率。
[0051]為了使活塞I在汽缸2內(nèi)保持平衡，在汽缸2的給定部段優(yōu)選需要至少三個限制器16、17、18、19，并且限制器16、17、18、19中的至少兩個區(qū)域需要在汽缸2上。限制器應(yīng)該處于這樣的位置，即，即使活塞I振蕩地運(yùn)動，限制器16、17、18、19也絕不會露出，也就是說，活塞I不會離開限制器16、17、18、19的致動區(qū)域。
[0052]圖2示出涉及存在于汽缸/活塞I組件內(nèi)的壓縮的信息。圖2的時刻對應(yīng)于由活塞I引起的氣體壓縮運(yùn)動。在此時刻，氣體排放壓力遠(yuǎn)高于在活塞I的相對區(qū)域中存在的壓力。
[0053]為了更好地理解導(dǎo)致壓縮器效率下降的現(xiàn)象，活塞I的頂部和汽缸頭3之間的區(qū)域?qū)⒈环Q作高壓區(qū)?；钊最^3將被稱作低壓區(qū)。
[0054]繼而，當(dāng)活塞I的頂部處于最接近汽缸頭3的點處時，該點被稱作上死點(TDE/PMS)，并且當(dāng)活塞I的頂部處于最遠(yuǎn)離汽缸頭3的點處時，該點被稱作下死點(LDE/PMI)。因此，活塞I在上死點(TDE/PMS)和下死點(LDE/PMI)之間執(zhí)行線性運(yùn)動。
[0055]當(dāng)然，壓縮時的氣體壓力在高壓區(qū)較高。此氣體流到由活塞直徑(Pd/Dp)和汽缸直徑(Cd/Dc)之差限定的周圍空隙12，從而行進(jìn)空隙(Cf)的整個長度，在此情形中，所述整個長度對應(yīng)于活塞I的長度。為了更好地限定本發(fā)明，為了實現(xiàn)存在于周圍空隙12中的壓縮，應(yīng)該理解，周圍空隙12的頂部和周圍空隙12的底部在整個空隙Cf上變化。
[0056]如已經(jīng)證明的，活塞I和汽缸2之間的空隙的尺寸與壓縮器的效率損失有相當(dāng)大的關(guān)系。為了評估更好的方案，應(yīng)該檢測泄漏和不可逆性中的哪個因素對效率損失的影響更大。為此，我們利用理論模型。
[0057]總之，在解釋模擬的結(jié)果之前，需要說明氣體性質(zhì)的幾個特點。因此，冷卻器的熱交換基于“理想氣體狀態(tài)方程”，其證明對于氣態(tài)物質(zhì)，體積和壓強(qiáng)與它們的絕對溫度成正t匕、并彼此成反比。
[0058]此外，需要綜合考慮由周圍空隙12建立的氣體流的幾個特點:
?對任何流體來說都是如此，空隙內(nèi)的氣體流展現(xiàn)加載損失；
?氣體是可壓縮流體，從而使得加載損失致使氣體壓力貫穿整個空隙變化，并導(dǎo)致其密度變化；
?貫穿整個活塞長度的周圍空隙12中的壓力曲線(因此，氣體密度)呈現(xiàn)不同形式，這取決于壓縮周期的時刻。
[0059]根據(jù)所述特點， 考慮實現(xiàn)理論模型的兩個不同時刻。時刻I對應(yīng)于圖3，并且發(fā)生在活塞處于其上死點處時。繼而，時刻2對應(yīng)于圖4，并且發(fā)生在活塞I的抽吸運(yùn)動的開始時。
[0060]圖6示出根據(jù)活塞I相對于汽缸2的壓力、位置和時間而定的周圍空隙中的壓力曲線。此圖形示出了:活塞I的振蕩運(yùn)動周期對應(yīng)于X軸，并且可以在150ms附近識別出虛線表示的時刻I和2 (見標(biāo)示il和i2)。Y軸的增加變化對應(yīng)于沿汽缸2相對于活塞I的空隙的位置。最后，壓力的增加對應(yīng)于Z軸處的增加。借助于圖形可以斷定:1)在時刻I(il)，在整個活塞I上的壓力曲線中，最小值在活塞I的底部區(qū)域；換言之，在底部處的壓力總是最小的，無論活塞I頂部處的壓力有多大；
ii)在時刻2(i2)，整個周圍空隙12上的壓力曲線(虛線)在周圍空隙12的中心區(qū)域具有最大值，最小壓力在底部處，并且中間壓力在周圍空隙12的頂部。
[0061]在任何時刻，根據(jù)圖6所示的壓力曲線，都示出了通過活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12的氣體質(zhì)量流并且示出了貫穿整個空隙12的氣體密度。圖7的圖形示出在等于活塞I的振蕩的時間內(nèi)活塞I的底部和頂部區(qū)域中的質(zhì)量流，還示出在圖6的圖形中已經(jīng)提及的時刻I和2 (il和i2)。
[0062]圖7的圖形示出從壓縮腔4出來的流對應(yīng)于負(fù)質(zhì)量流，即，在活塞I的頂部區(qū)域(TP)或在底部區(qū)域(BP)處。正流代表返回壓縮腔4的氣體。
[0063]可以注意到，在大部分時間內(nèi)，活塞I頂部處的質(zhì)量流不同于底部處的質(zhì)量流。還可以注意到，在周圍空隙12的底部區(qū)域處存在持續(xù)的氣體泄漏(負(fù)值的虛線)，其質(zhì)量流在活塞I的振蕩期間變化很少。
[0064]對應(yīng)于在活塞I的頂部區(qū)域的周圍空隙12中的質(zhì)量流的實線示出，氣體在一定時間段內(nèi)從壓縮腔4出來并進(jìn)入周圍空隙12 (負(fù)質(zhì)量流一橫坐標(biāo)軸下方的實線)。[0065]此外，在抽吸運(yùn)動開始時，保持在周圍空隙12中的氣體返回至壓縮腔4。沿與通過吸入閥6進(jìn)入壓縮腔4中的抽吸壓力(Ps)相反的方向的這種壓力減少氣體進(jìn)入壓縮腔4中，由此影響壓縮器的輸出。
[0066]仔細(xì)觀察分別對應(yīng)于時刻I (il)和時刻2 (?2)的圖3和4，根據(jù)圖6和7的圖形，可以看出在時刻I (il)時活塞處于上死點(PMS)，在該處最大的質(zhì)量流(2.8E-10kg/s)從壓縮腔4出來并進(jìn)入在活塞I的頂部區(qū)域中的周圍空隙12，通過活塞I的底部區(qū)域的泄漏為 0.04E-10kg/s。
[0067]對于時刻2，在從周圍空隙12的頂部區(qū)域返回至壓縮腔4的氣體中產(chǎn)生約
1.2E-10kg/s的最大流。在同一時刻，通過底部的泄漏約為0.094E-10kg/s。
[0068]換言之，對于時刻I和2，在周圍空隙12的頂部區(qū)域中形成高密度的氣體質(zhì)量流(GAD)，在周圍空隙12的底部區(qū)域中形成低密度的氣體流(GBD)。
[0069]圖8和9的圖形分別示出圖7的圖形所描繪的相同曲線。通過觀察代表活塞頂部區(qū)域中的質(zhì)量流的圖8，可總結(jié)出:每個壓縮周期內(nèi)進(jìn)入周圍空隙12的氣體質(zhì)量等于質(zhì)量流曲線的負(fù)部分和橫坐標(biāo)軸(XX軸)之間的面積。繼而，再次見圖8，通過周圍空隙12的頂部返回壓縮腔4的氣體質(zhì)量 等于橫坐標(biāo)軸上方所代表的圖形部分。
[0070]這兩個質(zhì)量的量之差(或圖示地，圖8的橫坐標(biāo)軸上方和下方的面積之差)對應(yīng)于等于通過活塞I的底部泄漏的氣體的氣體質(zhì)量，并且泄漏氣體質(zhì)量由圖9中圖形的被填充的面積表示。
[0071]因此，可以總結(jié)出:進(jìn)入活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12的所有氣體幾乎不通過底部區(qū)域以泄漏的形式逸出。氣體的最大部分在周圍空隙12和壓縮腔4之間移位。
[0072]因此，由存在于圖5所示的活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12導(dǎo)致的能量損失的最大部分來自不可逆影響而非泄漏影響。
[0073]當(dāng)活塞I最接近汽缸頭3時，最高氣體密度形成在活塞I的頂部區(qū)域中，這是因為在此區(qū)域中的高壓能夠?qū)怏w壓縮至較小的體積的事實。
[0074]基于識別出造成壓縮效率的最大損失的活塞I/汽缸2組件的區(qū)域，可以獲得高能量效率的方案，這是本發(fā)明的重點。
[0075]降低由活塞I和汽缸2之間的空隙導(dǎo)致的不可逆影響的方法是保持空隙盡可能小，從而使得在壓縮階段期間在周圍空隙12中可用于積累高壓氣體的體積較小。以此方式，可以在壓縮腔4和周圍空隙12之間形成較小的氣體流。
[0076]然而，活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12的減小自身局限于用于制造活塞I和汽缸2的制造過程(加工過程)的壓力限制。
[0077]通常，活塞I和汽缸2之間的周圍空隙可如下:活塞I的外表面和汽缸2的內(nèi)表面上的圓柱度誤差越低，空隙越小。目前，冷卻壓縮器中的此空隙為約幾微米。
[0078]此外，應(yīng)該注意，在如活塞I和汽缸2的零件上得到的圓柱度誤差取決于圓柱表面的長度，即，取決于活塞I和汽缸2的長度。此關(guān)系被建立，從而使得零件長度越長則其展現(xiàn)的圓柱度越大。因此，降低圓柱度誤差以減小周圍空隙12的選擇可以是僅減小活塞I和/或汽缸2的長度。
[0079]圖10示出由于汽缸的高圓柱度誤差而在活塞I的頂部區(qū)域中具有大空隙的活塞/汽缸組件。[0080]然而，活塞I和汽缸2的長度減小不適于使用空氣靜壓軸承而非潤滑油的壓縮器，因為所述壓縮器需要較長的活塞I和汽缸2，從而使得空氣靜壓軸承將為活塞I提供必要的支撐，從而防止活塞I/汽缸組件之間的接觸；否則，組件將經(jīng)受提前的磨損并因此經(jīng)受效率損失。
[0081]因此，本發(fā)明將解決的問題是使用空氣靜壓軸承的壓縮器所專有的問題。一方面存在上一段中提及的困難，另一方面僅具有空氣靜壓軸承的壓縮器具有供冷卻氣體流過的周圍空隙12。
[0082]由于不能通過減小活塞I和汽缸2的長度來實現(xiàn)圓柱度誤差的減小(這是由穩(wěn)定性和活塞I在汽缸2中的軸承布置導(dǎo)致的)，已經(jīng)找到能夠達(dá)到較短的活塞I或汽缸2的效果的方案。這種方案使得活塞I和汽缸2之間的周圍空隙12減小，而不需要減小活塞/汽缸組件的其中一個部件的長度。
[0083]根據(jù)理論模型的結(jié)果所證明的，越需要和有益的是，盡可能最少的周圍空隙12更加接近活塞I頂部，即，越靠近活塞I的實現(xiàn)周圍空隙I減小的區(qū)域，則越有效地降低不可逆影響，因為在此區(qū)域中出現(xiàn)進(jìn)入和離開周圍空隙12的最大的氣體質(zhì)量流。
[0084]不必在整個空隙長度(Cf)上減小周圍空隙12，也不必在活塞I的振蕩運(yùn)動的整個周期期間減小周圍空隙12，而僅在當(dāng)壓力接近壓縮腔4中的排放壓力時(S卩，當(dāng)活塞I接近汽缸頭3時)減小周圍空隙12。
[0085]由此，可通過利用在活塞I的頂部區(qū)域中比在活塞I的底部區(qū)域中小的空隙來解決周圍空隙12的問題。
[0086]優(yōu)選但非必須地，本發(fā)明的對于不可逆性的方案是利用具有變化的剖面的部件(活塞和/或汽缸)，從而形成將會有效減小空隙的特定部分。這些區(qū)域的長度明顯短于部件自身的長度，并因此將呈現(xiàn)低于內(nèi)部部件的圓柱度誤差的圓柱度誤差。
[0087]因此，僅在這些區(qū)域中可減小活塞I和汽缸2之間的空隙。
[0088]圖11至14示出確保更好的壓縮器效率的活塞/汽缸組件的幾個可行實施例?；钊鸌因其較小的底部直徑而能夠增加在活塞/汽缸組件的底部處的空隙并由此減小活塞I的頂部空隙。
[0089]應(yīng)該注意，無論何種方案，活塞I的頂部部分中的空隙都總是小于活塞/汽缸組件的任何其它區(qū)域中的空隙。此外，活塞I在最接近汽缸頭3時周圍空隙越小。
[0090]圖11至14示出可以找到活塞I的底部直徑相對于其主體的其余部分減小的方案(圖11)。通過活塞I和汽缸2的更多個可變部段之一可實現(xiàn)相同結(jié)果，同時獲得在活塞/汽缸組件的頂部區(qū)域中減小的周圍空隙12。
[0091]圖12和13示出活塞I/汽缸2組件的可行幾何構(gòu)型的實施例，其利用在元件活塞I或汽缸2之一上的兩個不同部段，目的是當(dāng)活塞I接近汽缸2頂部時減小周圍空隙12。
[0092]在圖12中，活塞I具有兩個不同部段，鄰近活塞I的頂部區(qū)域的部段具有比鄰近活塞I的下部的區(qū)域大的直徑，即，活塞的頂部具有大于活塞I的其余部分的尺寸。因此，當(dāng)活塞I移動到沿縱向方向稍微成弓形的汽缸2的頂部時，當(dāng)活塞I接近汽缸2頂部時，直徑空隙12減至最小。汽缸2沿其縱向方向的此稍微成弓形的形狀可被定為圓形區(qū)段頂部形狀。
[0093]圖13示出與圖12類似的情況，但是這次是汽缸2具有設(shè)置有不同直徑的兩個部段。自然地，為了確保較小的直徑空隙12，汽缸2在較靠近汽缸頂部(汽缸2的頂部具有比汽缸2的其余部分小的尺寸)的部分處剖面縮小，這提供最小必要直徑空隙12。
[0094]圖14示出這些可行實施例中的另一個，其可通過具有截錐幾何構(gòu)型的汽缸2實現(xiàn)，其中，較小直徑部分位于汽缸2的頂部區(qū)域中。因此，當(dāng)活塞I的頂部更靠近汽缸2的頂部時，周圍空隙12減小。
[0095]因此，當(dāng)確保周圍空隙12的尺寸相對于存在于周圍空隙12中的氣體的密度以反比例方式變化的關(guān)系時，實現(xiàn)本發(fā)明的方案。
[0096]已經(jīng)描述了實施例的優(yōu)選例子，應(yīng)該理解，本發(fā)明的范圍包括其它可行的變型，并僅受所附權(quán)利要求的內(nèi)容(包括可能的等同描述)限制。
【權(quán)利要求】
1.一種活塞/汽缸組件，活塞(1)可移位地位于汽缸(2)內(nèi)， 所述活塞在上死點(TDC/PMS)和下死點(BDC/PMI)之間移動， 在所述汽缸(2)的內(nèi)壁和所述活塞(1)的外壁之間存在用于空氣靜壓軸承裝置(1)的周圍空隙(12)， 所述組件的特征在于: 當(dāng)所述活塞(1)處于其上死點(TDC/PMS)處時，在所述活塞(1)的頂部部分處存在最小周圍空隙(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述周圍空隙(12)從下死點(BDC/PMI)到上死點(TDC/PMS)能夠變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述周圍空隙(12)越接近所述活塞(1)頂部的頂部部分，所述周圍空隙(12)越小。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(1)具有可變的剖面。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(1)具有可變的剖面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(1)的頂部部分具有比所述活塞(1)的其余部分大的尺寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)的頂部部分具有比所述汽缸(2)的其余部分小的尺寸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(1)是圓錐形的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(1)具有圓形區(qū)段形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求1至9所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)具有截錐類型的幾何構(gòu)型。
11.根據(jù)權(quán)利要求1至10所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)具有圓形區(qū)段形狀。
12.—種線性壓縮器，其特征在于，所述線性壓縮器包括如權(quán)利要求1至11所述的活塞/汽缸組件。
13.一種用于線性壓縮器的活塞/汽缸組件，活塞(1)可移位地位于汽缸(2)內(nèi)， 所述活塞(I)在高壓部分(Pd)和低壓部分(Ps)之間移動， 所述高壓部分(Pd)具有比所述低壓部分(Ps)高的氣體密度， 周圍空隙(12)被限定在所述汽缸(2)的內(nèi)壁和所述活塞(1)的外壁之間，用于利用氣體的空氣靜壓軸承裝置(1)， 所述組件的特征在于: 所述周圍空隙(12)的尺寸相對于所述周圍空隙(12)中的氣體密度以反比例方式變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(1)具有可變的剖面。
15.根據(jù)權(quán)利要求13和14所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(I)具有可變的剖面。
16.根據(jù)權(quán)利要求13至15所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(I)的頂部部分具有比所述活塞(I)的其余部分大的尺寸。
17.根據(jù)權(quán)利要求13至16所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)的頂部部分具有比所述汽缸(2)的其余部分小的尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求13至17所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(I)是圓錐形的。
19.根據(jù)權(quán)利要求13至18所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述活塞(I)具有圓形區(qū)段形狀。
20.根據(jù)權(quán)利要求13至19所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)是圓錐形的。
21.根據(jù)權(quán)利要求11至20所述的活塞/汽缸組件，其特征在于，所述汽缸(2)具有圓形區(qū)段形狀。
22.—種線性壓縮器，其特征在于，所述線性壓縮器包括如權(quán)利要求13至21所述的活塞/汽缸組件。
23.一種活塞/汽 缸組件，活塞(I)可移位地位于汽缸(2)內(nèi)， 所述活塞(I)在上死點(TDC/PMS)和下死點(BDC/PMI)之間移動， 在所述汽缸(2)的內(nèi)壁和所述活塞(I)的外壁之間存在用于所述活塞(I)的空氣靜壓軸承裝置的周圍空隙(12)， 所述組件的特征在于: 當(dāng)所述活塞(I)處于其上死點(TDC/PMS)時所述周圍空隙(12)最??；并且 所述周圍空隙(12)越接近所述活塞(I)的頂部部分，所述活塞空隙(12)越小。
【文檔編號】F04B39/02GK104040177SQ201280056508
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月16日
【發(fā)明者】H.梅勒布雷格曼恩, D.E.B.里里伊 申請人:惠而浦股份公司