ПОРШНЕВОЙ КОМПРЕССОР И СПОСОБ СЖАТИЯ ГАЗА ПОСРЕДСТВОМ НЕГО Российский патент 2022 года по МПК F04B35/01 F04B35/04 

Настоящее изобретение относится к поршневому компрессору.

Более конкретно, но без ограничений, изобретение относится к поршневому компрессору большой мощности, например, мощностью в пределах от 30 кВт до 600 кВт или выше.

Такие поршневые компрессоры используются, например, для сжатия газов при очень высоком рабочем давлении, например, равном 2000 кПа или более.

Из уровня техники известен EP 0566959, раскрывающий магнитный компрессор, который имеет небольшой общий размер и обеспечивает надежное всасывание и сжатие/выпуск текучей среды. Электромагнит (5) и постоянный магнит (4) предусмотрены друг против друга на концевой части цилиндра (2) и головки поршня (3) соответственно. На электромагнит (5) подается питание попеременно в одном и другом направлениях для изменения его магнитных полюсов, так что сила притяжения и сила отталкивания могут попеременно действовать между двумя магнитами (5, 4) для перемещения головки поршня (3) вперед и назад для изменения объема компрессорной камеры (6). Также раскрыт механизм отбора мощности, использующий магнитный компрессор (1). Также из уровня техники известен RU 174245, раскрывающий компрессор с линейным приводом и компрессорным блоком, установленными на единой раме. Компрессорный блок содержит компрессорную камеру, которая с одной стороны ограничена подвижным поршнем, а с другой стороны - клапанной плитой, подвижный поршень. Подвижный поршень выполнен с возможностью перемещения по цилиндру и жестко соединен со штоком, предназначенным для передачи усилия от линейного привода к подвижному поршню, линейный привод соединен с блоком управления. К блоку управления подсоединены герконы «конечных положений» подвижного поршня, один из которых фиксирует положение подвижного поршня в нижней мертвой точке (НМТ) и выполнен с возможностью перемещения по направляющей для изменения хода подвижного поршня, а другой - «неподвижный» зафиксирован в непосредственной близости к компрессорному блоку и предназначен для определения верхней мертвой точки (ВМТ). На штоке расположен магнит, предназначенный для создания магнитного поля, воздействующего на герконы, предназначенные для передачи управляющего сигнала с герконов на блок управления. На направляющей расположены упоры, предназначенные для ограничения перемещения подвижного поршня. Данная полезная модель относится к области машин объемного действия и может быть использована для изменения производительности компрессоров, работающих без смазки цилиндрической части рабочей камеры и выполненных с возможностью плавного изменения хода поршня и (или) мертвого объема. Особенностью заявляемого технического решения является то, что в компрессоре с линейным приводом для повышения его производительности применяют плавное автоматическое регулирование хода поршня от V до V, обеспечивающее максимальную производительность компрессора с линейным приводом.

Как известно, поршневой компрессор содержит поршневой компрессорный элемент, который снабжен корпусом с камерой сжатия, в которой расположен поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством ведущего вала, приводимого в движение роторным двигателем, и в котором между данным ведущим валом и поршнем предусмотрена кинематическая передача в виде кривошипно-шатунного механизма, и возможно также дополнительный поршневой шток, который перемещается поступательно вместе с упомянутым поршнем и образует соединение между поршнем и кривошипно-шатунным механизмом.

Для реализации таких высоких давлений газа обычно используют многоступенчатый поршневой компрессор с двумя или несколькими вышеупомянутыми поршневыми компрессорными элементами, которые последовательно соединены друг с другом через их впуски газа и их выпуски газа, и которые закреплены на общем приводе в виде корпуса, в котором поддерживается общий ведущий вал, с кривошипно-шатунным механизмом, соединенным с каждым поршневым компрессорным элементом, и возможно поршневым штоком для соединения поршней с кривошипно-шатунным механизмом.

Упомянутый привод снабжен одним роторным двигателем, обычно электрическим двигателем, для приведения в движение общего ведущего вала, в большинстве случаев через ременный привод. Преимуществом такого ременного привода является относительная низкая стоимость, однако он имеет также недостаток в том, что он вызывает относительно большие потери мощности, достигающие 3-5% отдаваемой мощности двигателя.

Совершенно очевидно, что привод должен быть выполнен так, чтобы использовать полную мощность двигателя и соответственно также его полную мощность сжатия, и поэтому в случае поршневого компрессора с высокой мощностью он относительно тяжелый и массивный.

В зависимости от требуемой мощности, проектировщик таких поршневых компрессоров будет предлагать дискретный ряд приводов, каждый обладающий разной мощностью, на которых закрепляется несколько стандартизированных поршневых компрессорных элементов, чтобы удовлетворить требования пользователя в отношении обеспечиваемой производительности и давления сжатого газа.

С учетом ограниченного выбора приводов, недостаток состоит в том, что для средних мощностей привод всегда должен выбираться из ряда с более высокой мощностью, которые очевидно будут более дорогими, а также вносят более значительные потери, например, на участке подшипников.

С учетом больших механических усилий обычно используют подшипники жидкостного трения, которые могут вызывать потери мощности в пределах от 5 до 10%.

Самым важным ограничивающим фактором при выборе подходящей комбинации привода и поршневых компрессорных элементов является механическая нагрузка соединения между кривошипно-шатунным механизмом, более конкретно критическая нагрузка поршневого штока и шарнирного соединения между поршневым штоком и кривошипно-шатунным механизмом или, при отсутствии поршневого штока, между поршнем и кривошипно-шатунным механизмом, каковая нагрузка является результатом действия газовых сил и сил инерции.

Данный ограничивающий фактор может приводить к варианту выбора в пользу более дорогостоящего привода слишком большого размера или применения множества приводов с более высокой стоимостью, чтобы удовлетворить требования по производительности и давлению.

Ранее известна также заявка, в которой поршень перемещается возвратно-поступательно посредством электромагнитной активации линейного перемещения, чтобы сжимать газ в камере сжатия. Однако данная заявка ограничена малыми мощностями. Научные исследования более высоких мощностей привели к очень тяжелым и массивным компрессорам, например, с поршнем массой 400 кг для компрессора мощностью 30 кВт.

Кроме того, данная заявка требует сложного управления движением с большими запасами безопасности, для того чтобы предотвратить столкновение между головкой поршня и торцевой стенкой камеры сжатия в конце хода сжатия.

Технической задачей настоящего изобретения является предложение решения для устранения одного или более вышеупомянутых и/или других недостатков.

Для этой технической задачей, изобретение относится к поршневому компрессору, содержащему по меньшей мере один поршневой компрессорный элемент, который снабжен корпусом с камерой сжатия, в которой расположен поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством ведущего вала, приводимого в движение роторным двигателем, и в котором между данным ведущим валом и поршнем предусмотрена кинематическая передача для основного привода поршня, причем упомянутый поршень снабжен добавочным приводом в виде электромагнитного линейного привода.

Поскольку помимо традиционного привода посредством кривошипно-шатунного механизма, поршень теперь также дополнительно приводится в движение другим независимым способом в комбинации с роторным двигателем, традиционный кривошипно-шатунный механизм или другая кинематическая передача может быть частично разгружена посредством прикладывания добавочной электромагнитной силы к поршню в направлении верхней мертвой точки в нужный момент во время фазы сжатия.

Таким образом, критическая нагрузка механической передачи между кинематической передачей и поршнем, частью которой может быть поршневой шток, становится значительно менее критичной, в зависимости от доли участия добавочного привода относительно основного привода роторного двигателя и ременного привода.

Это также повышает степень свободы в проектировании для определения оптимальной и наиболее экономически эффективной комбинации привода и поршневого компрессорного элемента для получения требуемой производительности и требуемого давления.

Обычно для этого требуется подвод дополнительный электромагнитный мощности в пределах 20-30% суммарной требуемой мощности, чтобы позволить в достаточной степени разгрузить поршневой шток.

Благодаря изобретению, теперь можно дополнительно увеличить долю участия добавочного электромагнитного привода, например, в пределах 80-90% суммарной требуемой мощности, но без отказа от кинематической передачи.

Благодаря большей доле участия добавочного электромагнитного привода, для заданной производительности и заданного требуемого давления, может быть выбран меньший по размерам и более дешевый привод и двигатель, в результате чего могут быть также уменьшены потери в подшипниках, и могут быть использованы более дешевые обычные шариковые подшипники с меньшими потерями.

Благодаря меньшему двигателю может быть использована менее тяжелая ременная передача с меньшими потерями.

Обеспечение кинематической передачи гарантирует отсутствие риска столкновения поршня в его верхней мертвой точке в конце хода сжатия с торцевой стенкой камеры сжатия, позволяя поршню перемещаться до тех пор, пока он не подходит очень близко к данной концевой стенке, с минимальным промежутком между ними. Это полезно, потому что чем меньше данный промежуток, тем больше полезное создаваемое давление газа в камере сжатия и тем выше объемный коэффициент полезного действия компрессоров.

Кроме того, не требуется сложного управления для поддержания минимального промежутка, и для этого не нужно учитывать большой запас безопасности.

Добавочный электромагнитный привод может содержать прямой электромагнитный привод, оказывающий прямое электромагнитное воздействие на поршень через одну или несколько электрических обмоток вокруг или вдоль камеры сжатия.

Дополнительно или в качестве альтернативы, добавочный электромагнитный привод может содержать непрямой электромагнитный привод поршня, с плунжером, который соединен с поршнем и перемещается возвратно-поступательно синхронно с ним в линейной направляющей, которая проходит параллельно осевому направлению камеры сжатия, и с одной или несколькими обмотками, расположенными вокруг или вдоль упомянутой линейной направляющей, которые способны взаимодействовать посредством индукции с соответствующим плунжером.

Упомянутый поршневой компрессор может представлять собой многоступенчатый компрессор с по меньшей мере двумя отдельными поршневыми компрессорными элементами, каждый содержащий поршень, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в камере сжатия в осевом направлении и который приводится в движение посредством общего ведущего вала и роторного двигателя, и при этом между данным ведущим валом и каждым из упомянутых по меньшей мере двух отдельных поршневых компрессорных элементов предусмотрена отдельная кинематическая передача для приведения в движение поршней, и упомянутый добавочный линейный электромагнитный привод поршня предусмотрен для каждого из упомянутых по меньшей мере двух поршневых компрессорных элементов.

Изобретение относится также к способу использования вышеописанного поршневого компрессора.

Изобретение относится к способу сжатия газа посредством поршневого компрессорного элемента с поршнем, который во время работы периодически перемещается возвратно-поступательно в камере сжатия в осевом направлении между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством кинематической передачи, приводимой в движение роторным двигателем, при этом упомянутый поршень дополнительно приводится в движение посредством добавочного электромагнитного линейного привода во время по меньшей мере части периода возвратно-поступательного перемещения поршня.

Преимущества изобретения описаны выше.

Предпочтительно, поршень приводится в движение посредством электромагнитной индукции по меньшей мере во время фазы хода сжатия поршня, во время которой давление в камере сжатия является максимальным.

Предпочтительно, во время хода сжатия или во время его части, по меньшей мере 20-30% и до по меньшей мере 80-90% требуемой мощности сжатия обеспечивается упомянутым добавочным линейным электромагнитным приводом, оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем (6).

Согласно формуле изобретения заявляется поршневой компрессор, содержащий по меньшей мере один поршневой компрессорный элемент, который снабжен корпусом с камерой сжатия, в которой расположен поршень с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х') между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством ведущего вала, приводимого в движение роторным двигателем, и в котором между данным ведущим валом и поршнем предусмотрена кинематическая передача для основного привода поршня, причем поршень снабжен добавочным приводом в виде электромагнитного линейного привода.

Предпочтительно добавочный электромагнитный линейный привод содержит прямой электромагнитный привод поршня с одной или несколькими электрическими обмотками, расположенными вокруг или вдоль камеры сжатия, которые способны взаимодействовать посредством индукции с поршнем.

Предпочтительно поршневой компрессор снабжен цилиндрическим кожухом, в котором поршень расположен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х'), причем поршень и/или цилиндрический кожух снабжены одним или более магнитами.

Предпочтительно добавочный электромагнитный линейный привод содержит непрямой электромагнитный привод поршня с плунжером, который расположен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в линейной направляющей или полости или который проходит параллельно осевому направлению (Х-Х') камеры сжатия, и одной или несколькими обмотками, которые расположены вокруг или вдоль линейной направляющей или полости и которые способны взаимодействовать посредством индукции с соответствующим плунжером.

Предпочтительно плунжер снабжен одним или более магнитами.

Предпочтительно направляющая или полость плунжера расположена в осевом продолжении (Х-Х') камеры сжатия, и тем, что плунжер расположен на штоке, который прочно механически соединен с поршнем и перемещается возвратно-поступательно синхронно с линейным перемещением поршня.

Предпочтительно поршень механически соединен с кинематической передачей посредством линейного поршневого штока, который расположен в осевом продолжении (Х-Х') поршня, причем добавочный непрямой электромагнитный линейный привод содержит внутренний плунжер, прикрепленный к данному поршневому штоку.

Предпочтительно непрямой электромагнитный привод содержит внешний плунжер, который механически соединен с поршнем посредством соединительного штока, который проходит через камеру сжатия и выходит за пределы камеры сжатия, к которому прикреплен внешний плунжер.

Предпочтительно добавочный электромагнитный привод содержит прямой электромагнитный привод и/или непрямой электромагнитный привод с одним или более внутренними и/или внешними плунжерами.

Предпочтительно плунжер расположен снаружи в направляющей, причем магниты в поршне и/или в плунжере и/или в направляющей представляют собой постоянные магниты.

Предпочтительно поршневой компрессор снабжен блоком управления для активации электромагнитного привода по меньшей мере во время части хода сжатия поршня от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки поршня.

Предпочтительно блок управления запрограммирован или приспособлен для активации электромагнитного привода по меньшей мере во время фазы хода сжатия поршня, в которой давление в камере сжатия максимальное.

Предпочтительно блок управления является таким, что во время хода сжатия или его части, по меньшей мере 20-30% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом, а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем.

Предпочтительно блок управления является таким, что во время хода сжатия или его части, по меньшей мере 80-90% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом, а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем.

Предпочтительно кинематическая передача содержит кривошипно-шатунный механизм и тем, что роторный двигатель представляет собой электрический двигатель.

Предпочтительно упомянутый кривошипно-шатунный механизм содержит кривошипный вал, кривошипный палец и поршневой палец, которые поддерживаются исключительно посредством закрытых шариковых подшипников.

Предпочтительно поршневой компрессор представляет собой многоступенчатый поршневой компрессор с по меньшей мере двумя отдельными поршневыми компрессорными элементами, каждый из которых содержит поршень, который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х') в камере сжатия и который приводится в движение посредством общего ведущего вала и роторного двигателя, с отдельной кинематической передачей, предусмотренной между данным ведущим валом и каждым из упомянутых по меньшей мере двух отдельных поршневых компрессорных элементов для приведения в движение поршня, и тем, что вышеупомянутый добавочный линейный электромагнитный привод предусмотрен для каждого из упомянутых по меньшей мере двух поршневых компрессорных элементов.

Предпочтительно упомянутый поршневой компрессор составлен по модульному принципу из общего привода и закрепленных на нем двух или более отдельных поршневых компрессорных элементов, причем упомянутый привод содержит корпус, в котором поддерживается общий ведущий вал и который также содержит отдельные кинематические передачи упомянутых двух или более поршневых компрессорных элементов, и возможно поршневой шток для соединения с поршнем отдельных поршневых компрессорных элементов.

Предпочтительно общий ведущий вал поддерживается в корпусе привода посредством шариковых подшипников.

Предпочтительно между ведущим валом и роторным двигателем предусмотрен ременный привод.

Предпочтительно поршневой компрессор представляет собой поршневой компрессор с максимальной мощностью сжатия, которая больше 30 кВт.

Также согласно формуле заявляется способ сжатия газа посредством поршневого компрессорного элемента, содержащего поршень, причем, во время работы, периодически осуществляет возвратно-поступательное перемещение поршня в осевом направлении (Х-Х') в камере сжатия между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством кинематической передачи, приводимой в движение роторным двигателем, причем поршень дополнительно приводится в движение посредством добавочного электромагнитного линейного привода во время по меньшей мере части периода возвратно-поступательного перемещения поршня.

Предпочтительно поршень электромагнитно приводится в движение по меньшей мере во время фазы хода сжатия поршня, в которой давление в камере сжатия максимальное.

Предпочтительно во время хода сжатия или его части, по меньшей мере 20-30% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом, а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем.

Предпочтительно во время хода сжатия или его части по меньшей мере 80-90% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом, а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем.

Для более наглядной демонстрации признаков настоящего изобретения ниже описаны, в целях пояснения и без какого-либо ограничения, некоторые примеры поршневого компрессора и способа настоящего изобретения со ссылкой на сопроводительные чертежи, из которых

Фиг.1 представляет собой схематическое изображение поршневого компрессора в соответствии с изобретением;

Фиг.2 и 3 показывают графики сил, действующих при использовании поршневого компрессора, показанного на фиг.1, соответственно без использования и с использованием изобретения;

Фиг.4 показывает вариант поршневого компрессора в соответствии с изобретением;

Фиг.5 показывает график, как на фиг.3, но для поршневого компрессора, показанного на фиг.4;

Фиг.6 показывает другой вариант поршневого компрессора в соответствии с изобретением;

Фиг.7 показывает график, как на фиг.5, но для поршневого компрессора, показанного на фиг.6;

Фиг.8, 9 и 10 показывают другие варианты осуществления поршневого компрессора в соответствии с изобретением.

Поршневой компрессор 1, показанный на фиг.1, содержит привод 2 и прикрепленный к нему поршневой компрессорный элемент 3.

Привод 2 содержит корпус 4, в котором ведущий вал 5 поддерживается с возможностью вращения и приводится в движение посредством электрического роторного двигателя 6 через ременную передачу 7.

Поршневой компрессорный элемент 3 снабжен корпусом 8, закрепленным на корпусе 4 привода 2, снабженный цилиндрическим кожухом 9, в котором расположен поршень 10 с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении Х-Х' и который с одной стороны закрыт торцевой стенкой 11.

Между поршневой головкой 12, вышеупомянутой торцевой стенкой 11 и цилиндрическим кожухом 9 поршневого компрессорного элемента 3 расположена камера 13 сжатия, соединенная известным способом через уплотняемое впускное отверстие 14 с впускным клапаном 15 и через уплотняемое выпускное отверстие 16 с выпускным клапаном 17 с окружающей средой для всасывания газа, подлежащего сжатию, как показано стрелкой I, и для выпуска газа в конце хода сжатия в направлении стрелки О.

Во время хода сжатия, поршень 10 перемещается из так называемой нижней мертвой точки, удаленной от торцевой стенки 11, в направлении торцевой стенки 11 в так называемую верхнюю мертвую точку, расположенную около торцевой стенки 11, и осуществляет это при закрытых впускном клапане 15 и выпускном клапане 17.

В верхней мертвой точке объем камеры 13 сжатия, так называемый мертвый объем, минимальный, а давление газа в камере 13 сжатия в этот момент максимальное.

С поршнем 10 соединен поршневой шток 18, проходящий в осевом направлении Х-Х' и выполненный с возможностью возвратно-поступательного перемещения синхронно с поршнем 10 в уплотненной направляющей 19 корпуса, которая образует газонепроницаемое уплотнение между корпусом 8 поршневого компрессорного элемента 3 и корпусом 4 привода 2.

Между поршневым штоком 18 и ведущим валом 5 предусмотрена кинематическая передача 20 для преобразования вращательного движения ведущего вала 5 в возвратно-поступательное перемещение поршня 10.

В случае фиг.1 данная кинематическая передача представляет собой кривошипно-шатунный механизм с радиально расположенным кривошипом 21, который вращается вместе с ведущим валом 5, и прикрепленным к нему шатуном 22, который в одном конце поворотно соединен с кривошипом 21 посредством кривошипного пальца 23, а в другом конце с поршнем 10 или поршневым штоком 18 посредством поршневого пальца 24.

Изобретение отличается тем, что помимо основного привода поршня посредством двигателя 6 и кинематической передачи 20, предусмотрен также добавочный привод 25 поршня 10 в виде электромагнитного линейного привода, образованного посредством одной или нескольких электрических обмоток 26, расположенных вокруг или вдоль цилиндрической камеры 13 и которые, при возбуждении блоком 27 управления, способны непосредственно взаимодействовать посредством индукции с поршнем 10, который для этой цели выполнен из соответствующего магнитопроводящего материала, или снабжен, например, одним или несколькими постоянными магнитами.

В качестве альтернативы или дополнительно, поршень 10 может быть также снабжен обмотками, которые способны взаимодействовать посредством индукции с цилиндрическим кожухом, изготовленным из электромагнитного материала или снабженным постоянными магнитами.

Упомянутый поршневой компрессор работает следующим образом.

При отсутствии возбуждения добавочного привода 25, работа поршневого компрессора 1 совершенно аналогична работе обычного поршневого компрессора, который приводится в действие преимущественно посредством двигателя 6.

В этом случае ведущий вал 5 приводится в движение двигателем 6 в одном направлении, так что кривошип 21 приводится во вращение и поршень 10 перемещается возвратно-поступательно.

При любом ходе всасывания от верхней мертвой точки до нижней мертвой точки газ всасывается в камеру 13 сжатия через впускное отверстие 14, а при любом перемещении в обратном направлении от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки всасываемый газ подвергается сжатию, когда впускной клапан 15 и выпускной клапан 17 закрыты.

Во время работы поршневой шток 18 и поршневой палец 24 подвергаются воздействию газовых сил Fg и синусоидальных сил Fi инерции и возможных гармоник, как показано на фиг.1, мгновенное значение которых показано на графике фиг.2 в зависимости от угла А поворота кривошипа 21. Совершенно очевидно, что газовая сила Fg пропорциональна требуемому рабочему давлению поршневого компрессора 1.

На данном графике показана также результирующая сила Fr, действующая на поршневой шток 18 и на поршневой палец 24, которая равна сумме сил Fg и Fi. Во время хода сжатия поршня 10 это сила сжатия, посредством которой шток 18 поршня подвергается сжатию.

Предполагается, что данная результирующая сила не может быть больше некоторой максимальной величины Frmax, которая определяется преимущественно прочностью на сжатие поршневого штока 18 и/или прочностью поршневого пальца 24 и его подшипников.

В случае фиг.2, установлено, что при отсутствии добавочного привода величина Frmax будет превышена значительными газовыми силами Fg, соответствующими некоторому рабочему давлению поршневого компрессора 1.

Таким образом, при отсутствии возбуждения добавочного привода 25, поршневой компрессор 1 непригоден для такого давления газа и соответствующего рабочего давления, и поэтому необходимо выбирать поршневой компрессор 1 большего размера и большей мощности.

Для того чтобы избежать этого, в соответствии с изобретением, обмотка 26 выполнена с возможностью возбуждения во время хода сжатия поршня 10, чтобы вызывать противоположно направленную электромеханическую тяговую силу Fe, действующую на поршень 10, которая также переносится на поршневой шток 18 и на поршневой палец 24 и которая гарантирует снижение давления на поршневой шток 18 и на поршневой палец 22.

Данная тяговая сила Fe при сложении с результирующей силой Fg+Fi, показанной на фиг.2, приводит к уменьшению результирующей силы Fg+Fi+Fe, как показано на графике на фиг.3, на котором также показана сила Fg+Fi, показанная на фиг.2, и дополнительная вызываемая электромеханическая сила Fe.

В этом случае результирующая сила Fg+Fi+Fe остается ниже предела Frmax.

Таким образом, благодаря добавочному электромагнитному приводу 25 можно избежать перехода на более тяжелый поршневой компрессор 1 без ограничения рабочего давления, так что соответствующий поршневой компрессор 1 может быть использован в более широком рабочем диапазоне.

Обычно для этого рекомендованная доля требуемой добавочной электромагнитной мощности составляет 20-30% суммарной электрической мощности.

Для возбуждения обмоток, предпочтительно только во время хода сжатия или его части, блок 27 управления снабжен средством для определения мгновенного положения кривошипа 21, например, датчиком для измерения угла А.

Фиг.4 показывает вариант поршневого компрессора 1 в соответствии с изобретением, в котором в данном случае поршень 10 представляет собой традиционный поршень без обмоток 26 вокруг цилиндрического кожуха 9, а добавочный привод 25 поршня реализован посредством внутреннего плунжера 29, который закреплен на поршневом штоке 18 и который расположен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в линейной направляющей или полости 30 с одной или несколькими обмотками 26 вокруг или вдоль нее, которые при возбуждении способны взаимодействовать посредством индукции с соответствующим плунжером 29, чтобы непрямо посредством электромагнитной индукции приводить в движение поршень 10 во время хода сжатия.

Направляющая или полость 30 расположена в осевом продолжении цилиндрического кожуха 9.

В случае фиг.4, предусмотрены две обмотки 26, способные взаимодействовать с плунжером 29 посредством электромагнитной индукции таким образом, что при возбуждении данных обмоток 26 две независимые электромагнитные силы Fe1 и Fe2 могут быть образованы в соответствии с вариантом, показанным на графике фиг.5.

Фиг.6 показывает другой вариант осуществления поршневого компрессора 1 в соответствии с изобретением, который сравним с вариантом осуществления, показанным на фиг.4, но с той разницей, что в данном случае плунжер 29 расположен снаружи во внешней линейной направляющей 31, окруженной обмотками 26, для возбуждения электромагнитной силы, действующей на плунжер 29 и также непрямо на поршень 10 через соединительный шток 32, проходящий снаружи через камеру 13 сжатия и вышеупомянутую торцевую стенку 11.

Кроме того, в данном случае предусмотрены три обмотки 26 для обеспечения надлежащей модуляции вызываемых электромагнитных сил во время фазы сжатия, как показано на графике фиг.7.

Очевидно, что возможна также комбинация прямого возбуждения поршня 10 с непрямым возбуждением через внутренний или внешний плунжер 29.

Кроме того, можно возбуждать поршень 10 и один или несколько плунжеров 29 как линейный двигатель, более конкретно, как линейный шаговый двигатель.

Изобретение также применимо к поршневому компрессору 1 без поршневого штока 18 между поршнем 10 и кинематической передачей 20, как в случае фиг.8, в котором поршень 10 непосредственно соединен с шатуном 22 посредством поршневого пальца 24 и в котором электромагнитный привод 25 расположен на месте расположения поршня 10.

В этом случае электромагнитный привод 25 может быть использован для разгрузки поршневого пальца 24 с долей электромагнитной мощности в пределах 20-30%.

Более значительная доля электромагнитной мощности, например, в пределах 80-90%, может вызывать разгрузку поршневого штока 18 и/или поршневого пальца 24, приводя к реализации дополнительного преимущества, в том смысле, что такая более значительная доля мощности позволяет выбирать привод 2 и двигатель 6 со значительно меньшей мощностью, что может обеспечить более компактную конструкцию и уменьшение расходов и дополнительно существенное уменьшение потерь в ременном приводе и в подшипниках 33, которые теперь могут быть заменены, например, шариковыми подшипниками вместо подшипников жидкостного трения, которые традиционно используются с поршневыми компрессорами высокой мощности.

В данном случае можно говорить о поддержке мощности, в которой наибольшая доля мощности обеспечивается электромагнитным приводом 25, по сравнению с поддержкой для ограничения сил в поршневом штоке 18 и поршневом пальце 24, для которой достаточна меньшая доля электромагнитного привода 25, например, в пределах 20-30%.

Фиг.9 и 10 представляют собой многоступенчатые компрессоры 1 в соответствии с изобретением с двумя, соответственно четырьмя, отдельными поршневыми компрессорными элементами 3, закрепленными в виде модулей на общем приводе 2 с общим двигателем 6 и ведущим валом 5.

Для каждого отдельного поршневого компрессорного элемента 3 предусмотрена отдельная кинематическая передача 20 для приведения в движение поршня 10, и для каждого поршневого компрессорного элемента 3 предусмотрен вышеупомянутый добавочный линейный электромагнитный привод 25.

У пользователя, приобретающего такой многоступенчатый поршневой компрессор, существует выбор между рядом приводов с разными мощностями. Данный выбор в значительной степени зависит от рабочего давления, требуемого пользователем, которое в конечном итоге определяет нагрузку, которой подвергается поршневой шток 18 и поршневой палец 24.

Использование добавочной электромагнитной поддержки для разгрузки поршневого штока 18 и поршневого пальца 24 обеспечит в конечном итоге эффективный выбор привода из ряда с меньшей мощностью по сравнению с тем, который будет необходим без данной электромагнитной поддержки.

Настоящее изобретение никак не ограничено описанными выше и показанными в чертежах вариантами осуществления. Точнее поршневой компрессор в соответствии с изобретением может быть реализован в разных вариантах без отхода от объема данного изобретения.

Группа изобретений относится к поршневому компрессору и способу сжатия газа посредством этого компрессора. Поршневой компрессор содержит по меньшей мере один поршневой компрессорный элемент (3), который снабжен корпусом (8) с камерой (13) сжатия, в которой расположен поршень (10) с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством ведущего вала (5), приводимого в движение роторным двигателем (6), и в котором между данным ведущим валом (5) и поршнем (10) предусмотрена кинематическая передача (20) для основного привода поршня (10). Поршень (10) снабжен добавочным приводом (25) в виде электромагнитного линейного привода. Группа изобретений направлена на повышение мощности компрессора. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Поршневой компрессор, содержащий по меньшей мере один поршневой компрессорный элемент (3), который снабжен корпусом (8) с камерой (13) сжатия, в которой расположен поршень (10) с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х') между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством ведущего вала (5), приводимого в движение роторным двигателем (6), и в котором между данным ведущим валом (5) и поршнем (10) предусмотрена кинематическая передача (20) для основного привода поршня (10), отличающийся тем, что поршень (10) снабжен добавочным приводом (25) в виде электромагнитного линейного привода.

2. Поршневой компрессор по п.1, отличающийся тем, что добавочный электромагнитный линейный привод (25) содержит прямой электромагнитный привод поршня (10) с одной или несколькими электрическими обмотками (26), расположенными вокруг или вдоль камеры (13) сжатия, которые способны взаимодействовать посредством индукции с поршнем (10).

3. Поршневой компрессор по п.2, отличающийся тем, что он снабжен цилиндрическим кожухом (9), в котором поршень (10) расположен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х'), причем поршень (10) и/или цилиндрический кожух (9) снабжены одним или более магнитами.

4. Поршневой компрессор по п.1, отличающийся тем, что добавочный электромагнитный линейный привод (25) содержит непрямой электромагнитный привод поршня (10) с плунжером (29), который расположен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в линейной направляющей или полости (30) или который проходит параллельно осевому направлению (Х-Х') камеры (13) сжатия, и одной или несколькими обмотками (26), которые расположены вокруг или вдоль линейной направляющей или полости (30) и которые способны взаимодействовать посредством индукции с соответствующим плунжером (29).

5. Поршневой компрессор по п.4, отличающийся тем, что плунжер (29) снабжен одним или более магнитами.

6. Поршневой компрессор по п.4 или 5, отличающийся тем, что направляющая или полость (30) плунжера (29) расположена в осевом продолжении (Х-Х') камеры (13) сжатия, и тем, что плунжер (29) расположен на штоке (18), который прочно механически соединен с поршнем (10) и перемещается возвратно-поступательно синхронно с линейным перемещением поршня (10).

7. Поршневой компрессор по одному из пп.4-6, отличающийся тем, что поршень (10) механически соединен с кинематической передачей (20) посредством линейного поршневого штока (18), который расположен в осевом продолжении (Х-Х') поршня (10), и тем, что добавочный непрямой электромагнитный линейный привод (25) содержит внутренний плунжер (29), прикрепленный к данному поршневому штоку (18).

8. Поршневой компрессор по п.4 или 5, отличающийся тем, что непрямой электромагнитный привод (25) содержит внешний плунжер (29), который механически соединен с поршнем (10) посредством соединительного штока (32), который проходит через камеру (13) сжатия и выходит за пределы камеры (13) сжатия, к которому прикреплен внешний плунжер (29).

9. Поршневой компрессор по одному из пп.4-8, отличающийся тем, что добавочный электромагнитный привод (25) содержит прямой электромагнитный привод и/или непрямой электромагнитный привод с одним или более внутренними и/или внешними плунжерами (29).

10. Поршневой компрессор по п.3 или 5, отличающийся тем, что плунжер расположен снаружи в направляющей (31), причем магниты в поршне (10) и/или в плунжере (29), и/или в направляющей (31) представляют собой постоянные магниты.

11. Поршневой компрессор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что поршневой компрессор (1) снабжен блоком (27) управления для активации электромагнитного привода (25) по меньшей мере во время части хода сжатия поршня (10) от нижней мертвой точки до верхней мертвой точки поршня (10).

12. Поршневой компрессор по п.11, отличающийся тем, что блок (27) управления запрограммирован или приспособлен для активации электромагнитного привода (25) по меньшей мере во время фазы хода сжатия поршня (10), в которой давление в камере (13) сжатия максимальное.

13. Поршневой компрессор по п.11 или 12, отличающийся тем, что блок (27) управления является таким, что во время хода сжатия или его части по меньшей мере 20-30% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом (25), а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем (6).

14. Поршневой компрессор по п.11 или 12, отличающийся тем, что блок (27) управления является таким, что во время хода сжатия или его части по меньшей мере 80-90% требуемой мощности сжатия обеспечивается добавочным линейным электромагнитным приводом (25), а оставшаяся часть обеспечивается роторным двигателем (6).

15. Поршневой компрессор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что кинематическая передача (20) содержит кривошипно-шатунный механизм, и тем, что роторный двигатель (6) представляет собой электрический двигатель.

16. Поршневой компрессор по п.15, отличающийся тем, что упомянутый кривошипно-шатунный механизм содержит кривошипный вал (5), кривошипный палец (23) и поршневой палец (24), которые поддерживаются исключительно посредством закрытых шариковых подшипников (33).

17. Поршневой компрессор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он представляет собой многоступенчатый поршневой компрессор (1) с по меньшей мере двумя отдельными поршневыми компрессорными элементами (3), каждый из которых содержит поршень (10), который выполнен с возможностью возвратно-поступательного перемещения в осевом направлении (Х-Х') в камере (13) сжатия и который приводится в движение посредством общего ведущего вала (5) и роторного двигателя (6), с отдельной кинематической передачей (20), предусмотренной между данным ведущим валом (5) и каждым из упомянутых по меньшей мере двух отдельных поршневых компрессорных элементов (3) для приведения в движение поршня (10), и тем, что вышеупомянутый добавочный линейный электромагнитный привод (25) предусмотрен для каждого из упомянутых по меньшей мере двух поршневых компрессорных элементов (3).

18. Поршневой компрессор по п.17, отличающийся тем, что упомянутый поршневой компрессор составлен по модульному принципу из общего привода (2) и закрепленных на нем двух или более отдельных поршневых компрессорных элементов (3), причем упомянутый привод (2) содержит корпус (4), в котором поддерживается общий ведущий вал (5) и который также содержит отдельные кинематические передачи (20) упомянутых двух или более поршневых компрессорных элементов (3), и, возможно, поршневой шток (18) для соединения с поршнем (10) отдельных поршневых компрессорных элементов (3).

19. Поршневой компрессор по п.17 или 18, отличающийся тем, что общий ведущий вал (5) поддерживается в корпусе привода (2) посредством шариковых подшипников (33).

20. Поршневой компрессор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что между ведущим валом (5) и роторным двигателем (6) предусмотрен ременный привод (7).

21. Поршневой компрессор по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что он представляет собой поршневой компрессор (1) с максимальной мощностью сжатия, которая больше 30 кВт.

22. Способ сжатия газа посредством поршневого компрессорного элемента (3), содержащего поршень (10), причем, во время работы, периодически осуществляют возвратно-поступательное перемещение поршня (10) в осевом направлении (Х-Х') в камере (13) сжатия между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой посредством кинематической передачи (20), приводимой в движение роторным двигателем (6), отличающийся тем, что поршень (10) дополнительно приводят в движение посредством добавочного электромагнитного линейного привода (25) во время по меньшей мере части периода возвратно-поступательного перемещения поршня (10).

23. Способ по п.22, отличающийся тем, что поршень (10) электромагнитно приводится в движение по меньшей мере во время фазы хода сжатия поршня (10), в которой давление в камере (13) сжатия максимальное.

24. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что во время хода сжатия или его части по меньшей мере 20-30% требуемой мощности сжатия обеспечивают добавочным линейным электромагнитным приводом (25), а оставшуюся часть обеспечивают роторным двигателем (6).

25. Способ по п.22 или 23, отличающийся тем, что во время хода сжатия или его части по меньшей мере 80-90% требуемой мощности сжатия обеспечивают добавочным линейным электромагнитным приводом (25), а оставшуюся часть обеспечивают роторным двигателем (6).