CN102536820B - 一种自力式空气压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明一种自力式空气压缩机，属于空气压缩机技术领域；所要解决的技术问题为提供一种不借用外界能量，靠高压气体泄压时自身能量的释放、转化完成气体压缩的自力式空气压缩机；采用的技术方案为：壳体的圆柱面上设置进气口和排气口，壳体的两端面上均开有与壳体不同心的阶梯通孔，两个阶梯通孔中分别套装有以个圆盘，壳体内部的滑片转子转轴的两端通过轴承分别安装在两个圆盘上且伸出壳体外，滑片转子与圆盘不同心，第一偏心控制杆、第二偏心控制杆、弹簧推杆的一端铰接在一个圆盘外端面的边缘位置，另一端铰接在基座上，滑片转子的转轴一端与飞轮连接，另一端与蜗卷弹簧连接；本发明用于回收再利用高压气体在排放或泄压时向外界释放的能量。

Description

一种自力式空气压缩机

技术领域

本发明一种自力式空气压缩机，属于空气压缩机技术领域。

背景技术

高压气体在排放或泄压时，向外界释放能量（气体的压能），如何回收和再利用这部分释放的能量，在可见的报道和文献中很少有提及，在现代工业生产中这部分能量基本都被浪费，如何利用这部分能量是工业生产中节省能源和降低消耗的一个重要方面和研究课题。

过程工业生产中，存在工艺用气体加压——泄压——加压的循环工艺，例如喷煤工艺中喷煤罐的反复充、泄压，这样这些工艺气体存在极大的消耗和浪费。

在一些工业生产中存在对一些易燃、易爆、易挥发、有毒等危险高压气体的存储和加压工艺环节，在这些环节中，如出现储罐承压或泄漏时，需要对这些气体进行收集或为了保证工艺的连续生产需要设置备用储罐，这就需要进行高压气体的倒罐操作，并且使用环境和气体介质禁止使用电机驱动。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为提供一种不借用外界能量，靠高压气体泄压时自身能量的释放、转化完成气体压缩的自力式空气压缩机。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：一种自力式空气压缩机，包括基座、壳体、第一圆盘、第二圆盘、滑片转子、第一偏心控制杆、第二偏心控制杆、弹簧推杆、蜗卷弹簧、压差控制阀和飞轮，壳体为密闭的空心圆柱体，壳体的圆柱面上设置有与壳体内壁相切的进气口和排气口，且进气口和排气口平行设置；

在壳体的两个端面上均开有阶梯通孔，所述阶梯通孔与壳体不同心，其中一个阶梯通孔中套装有第一圆盘，另一个阶梯通孔中套装有第二圆盘，滑片转子位于壳体内部，滑片转子中转轴的两端通过轴承分别安装在两个圆盘上且伸出壳体外，所述的滑片转子与第一圆盘、第二圆盘不同心；

所述第一圆盘外端面的边缘位置同时与第一偏心控制杆、第二偏心控制杆、弹簧推杆的一端铰接，第一偏心控制杆、第二偏心控制杆和弹簧推杆的另一端均铰接在基座上；所述滑片转子中转轴伸出壳体外的一端通过齿轮组与设置在基座上的飞轮连接，另一端通过离合装置与设置在基座上的蜗卷弹簧连接，压差控制阀的一端连接在离合装置上，压差控制阀的另一端连接在蜗卷弹簧上；

所述第一偏心控制杆和第二偏心控制杆均包括气缸和活塞杆，第一偏心控制杆和第二偏心控制杆的活塞杆均与第一圆盘铰接，第一偏心控制杆和第二偏心控制杆的缸体均与基座铰接，第一偏心控制杆的无杆腔与壳体上的排气口连通；第二偏心控制杆的无杆腔与壳体上的进气口连通。

所述滑片转子的结构为：转轴上固定有圆柱体，所述的圆柱体上均布有多个径向凹槽，所述所有凹槽均轴向贯穿整个圆柱体，且每个凹槽中均插装有一个与圆柱体长度相等的滑片，滑片与凹槽底部通过弹簧连接。

所述弹簧推杆的结构为：弹簧位于圆筒内部，弹簧的一端固定在圆筒内部的端面上，弹簧的另一端与推杆的一端固定，推杆的另一端伸出圆筒外部；

弹簧推杆中的推杆与第一圆盘铰接，弹簧推杆中的圆筒与基座铰接。

所述的齿轮组包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定在滑片转子的转轴上，第二齿轮固定在飞轮的中心轴上。

所述离合装置的结构为：弹簧的一端固定有套筒，套筒上固定有第三齿轮；弹簧和套筒一起套装在滑片转子的转轴上，蜗卷弹簧的中心轴上固定有第四齿轮，第三齿轮和第四齿轮相配合；压差控制阀包括压力推杆和锁紧装置，所述的压力推杆包括气缸和活塞杆，压力推杆的活塞杆与弹簧固定在一起，压力推杆的缸体固定在蜗卷弹簧的中心轴上，压力推杆缸体的无杆腔与进气口连通；所述的锁紧装置也与进气口连通，锁紧装置靠进气口的气压压紧蜗卷弹簧。

所述飞轮的中心轴通过轴承安装在基座上，所述蜗卷弹簧固定在基座上，蜗卷弹簧的中心轴通过轴承安装在基座上。

本发明一种自力式空气压缩机与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明中飞轮旋转的机械能来源于气体压能，飞轮又将旋转的机械能转换为气体的压能，驱动本发明不需要或者仅需要外界提供少量能量，不需电机驱动，使用安全。

2、本发明通过偏心装置在一个工作腔中实现了压能转换为机械能和气体的压缩，采用一种新的能量转换方法实现了真正的节能。

附图说明

下面结合附图对本发明一种自力式空气压缩机作进一步说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1中的A—A剖视图。

图3为图1中的B—B剖视图。

图4为本发明中蜗卷弹簧、压差控制阀和离合装置的连接结构示意图。

图中：1为基座，2为壳体，3为第一圆盘，4为第二圆盘，5为滑片转子，6为第一偏心控制杆，7为第二偏心控制杆，8为弹簧推杆，9为蜗卷弹簧，10为压差控制阀，11为飞轮，12为进气口，13为排气口，14为转轴，15为齿轮组，16为离合装置，17为圆柱体，18为滑片，19为弹簧，20为套筒，21为第三齿轮，22为第四齿轮，23为压力推杆，24为锁紧装置。

具体实施方式

如图1—4所示，本发明一种自力式空气压缩机，包括基座1、壳体2、第一圆盘3、第二圆盘4、滑片转子5、第一偏心控制杆6、第二偏心控制杆7、弹簧推杆8、蜗卷弹簧9、压差控制阀10和飞轮11，壳体2为密闭的空心圆柱体，壳体2的圆柱面上设置有与壳体2内壁相切的进气口12和排气口13，且进气口12和排气口13平行设置；

在壳体2的两个端面上均开有阶梯通孔，所述阶梯通孔与壳体2不同心，其中一个阶梯通孔中套装有第一圆盘3，另一个阶梯通孔中套装有第二圆盘4，滑片转子5位于壳体2内部，滑片转子5中转轴14的两端通过轴承分别安装在两个圆盘上且伸出壳体2外，所述的滑片转子5与第一圆盘3、第二圆盘4不同心；

所述第一圆盘3外端面的边缘位置同时与第一偏心控制杆6、第二偏心控制杆7、弹簧推杆8的一端铰接，第一偏心控制杆6、第二偏心控制杆7和弹簧推杆8的另一端均铰接在基座1上；所述滑片转子5中转轴14伸出壳体2外的一端通过齿轮组15与设置在基座1上的飞轮11连接，另一端通过离合装置16与设置在基座1上的蜗卷弹簧9连接，压差控制阀10的一端连接在离合装置16上，压差控制阀10的另一端连接在蜗卷弹簧9上；

所述第一偏心控制杆6和第二偏心控制杆7均包括气缸和活塞杆，第一偏心控制杆6和第二偏心控制杆7的活塞杆均与第一圆盘3铰接，第一偏心控制杆6和第二偏心控制杆7的缸体均与基座1铰接，第一偏心控制杆6的无杆腔与壳体2上的排气口13连通；第二偏心控制杆7的无杆腔与壳体2上的进气口12连通。

所述滑片转子5的结构为：转轴14上固定有圆柱体17，所述的圆柱体17上均布有多个径向凹槽，所述所有凹槽均轴向贯穿整个圆柱体17，且每个凹槽中均插装有一个与圆柱体17长度相等的滑片18，滑片18与凹槽底部通过弹簧连接。

所述弹簧推杆8的结构为：弹簧位于圆筒内部，弹簧的一端固定在圆筒内部的端面上，弹簧的另一端与推杆的一端固定，推杆的另一端伸出圆筒外部；

弹簧推杆8中的推杆与第一圆盘3铰接，弹簧推杆8中的圆筒与基座1铰接。

所述的齿轮组15包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定在滑片转子5的转轴14上，第二齿轮固定在飞轮11的中心轴上。

所述离合装置16的结构为：弹簧19的一端固定有套筒20，套筒20上固定有第三齿轮21；弹簧19和套筒20一起套装在滑片转子5的转轴14上，蜗卷弹簧9的中心轴上固定有第四齿轮22，第三齿轮21和第四齿轮22相配合；压差控制阀10包括压力推杆23和锁紧装置24，所述的压力推杆23包括气缸和活塞杆，压力推杆23的活塞杆与弹簧19固定在一起，压力推杆23的缸体固定在蜗卷弹簧9的中心轴上，压力推杆23缸体的无杆腔与进气口12连通；所述的锁紧装置24也与进气口12连通，锁紧装置24靠进气口12的气压压紧蜗卷弹簧9。

所述飞轮11的中心轴通过轴承安装在基座1上，所述蜗卷弹簧9固定在基座1上，蜗卷弹簧9的中心轴通过轴承安装在基座1上。

本发明中，滑片转子5中圆柱体17上径向凹槽的数量最好为8个，相应滑片18的数量也为8片。所述蜗卷弹簧9上设置有手柄，转动手柄可以压缩蜗卷弹簧9。

本发明中，由于两个圆盘安装在壳体2的偏心位置，滑片转子5安装在两个圆盘的偏心位置，所以通过转动两个圆盘就可以使滑片转子5在壳体2的中心位置和壳体2的偏心位置之间转换。由于第一偏心控制杆6中第一气缸的无杆腔与排气口13连通，第二偏心控制杆7中第二气缸的无杆腔与进气口12连通，当排气口13和进气口12中的气体有压力时，就会对圆盘有推力。当进气口12压力远大于排气口13压力时，第一偏心控制杆6和弹簧推杆8对圆盘的总推力小于第二偏心控制杆7对圆盘的推力，圆盘被定位在一个位置，这时，滑片转子5位于壳体2的中心位置。当进气口12压力与排气口13压力接近时，第一偏心控制杆6和弹簧推杆8对圆盘的总推力大于第二偏心控制杆7对圆盘的推力，圆盘转过一定角度后被定位在另一个位置，这时，滑片转子5位于壳体2的偏心位置。

本发明工作时，进气口12通过管道接高压气体，排气口13通过管道接空的容器。其工作过程分为两个阶段：第一阶段，工作在叶轮模式；第二阶段，工作在滑片压缩机模式。

第一阶段时，第一偏心控制杆6内的压强P1小于第二偏心控制杆7内的压强P2，此时第一偏心控制杆6的推力小于第二偏心控制杆7的推力，两个圆盘在两杆的推力差的作用下被定位在位置1，此时滑片转子5处于壳体2的中心位置，滑片转子5上的滑片18此时用作叶轮。

高压气体通过管道由进气口12以切向流进壳体2的工作腔内，由于高压差作用，流进工作腔的气流高速冲击滑片18，推动滑片转子5转动，滑片转子5的转矩通过齿轮组15传至飞轮11，带动飞轮11转动。气体推动滑片18后从排气口13排出。这样，气体不断由进气口12进入，推动滑片转子5，由排气口13排出，飞轮11转速不断增加，直至工作腔的进气口12和排气口13之间压差降低到一定值时，气流不再对滑片18有推动作用，此时飞轮11的转速达到最大，气体压能最大限度的转化为旋转机械能。在此阶段，本发明实现了气体压能向飞轮旋转机械能的转换。这部分旋转机械能为第二阶段工作提供能量。

随着进气压力不断降低，排气压力不断增高，两个偏心控制杆的推力差减小，当压差降低到一定值ΔP时，在外加的弹簧推杆8作用下，两个圆盘均转动一定角度α并在位置2处停止，此时，滑片转子5在壳体2内位于偏心位置，滑片转子5的转轴14和飞轮11之间的齿轮组15始终保持啮合，本发明开始第二阶段的工作。此时飞轮11为滑片转子5提供驱动力压缩气体，P2减小，P1增大，两个偏心控制杆的压差由负变正并不断增加，第一偏心控制杆6的推力大于第二偏心控制杆7的推力，所以两个圆盘被定位在位置2。实现了滑片转子5从中心到偏心的自动切换，且不借助外界能量。

第二阶段，滑片转子5位于偏心位置，壳体2的工作腔部分完成吸气、压缩、排气过程，实现了气体的压缩。由第一阶段至第二阶段，滑片转子5始终保持转动，第二阶段开始时，滑片转子5以最高的角速度旋转，位于其上的滑片18在离心力的作用下，甩至壳体2内壁，工作腔内形成8个压缩腔，由于滑片转子5位于偏心位置，随着转子的转动，这些压缩腔的容积不断变化，进气口12位于压缩腔容积增大的路径上，压缩腔容积增大时，内部气体压强降低，形成负压，从进气口12吸气，完成吸气后，压缩腔的容积增大到最大然后减小，排气口13位于压缩腔容积减小的路径上，当压缩腔经过排气口13时，压缩腔内部的气体压强大于排气口13气体压强，所以，气体由压缩腔经排气口13排出。

这个过程中，气体压强增高，即实现了气体的压缩。完成气体压缩所需的能量来源于第一阶段存储于飞轮11中的旋转机械能。随着气体压强的增高，飞轮11的转速降低，旋转机械能转化为气体的压能。由于本发明工作过程中能量的消耗，不能完成全部气体的压缩，即当没有完成所有气体的压缩时，旋转机械能已经释放完，滑片转子5将会停止转动，因此需要提前再给压缩机提供一部分能量。这部分能量由预加在蜗卷弹簧9中的弹性势能提供。在压缩机开始工作前，通过手轮为蜗卷弹簧9预加弹性势能，由于压差控制阀10中的压力推杆23与进气口12连通，在高压作用下，压力推杆23的活塞杆压缩弹簧19将离合装置16中的两个齿轮分离，同时使锁紧装置24将蜗卷弹簧9的中心轴卡紧。随着进气口12压力的降低，压力推杆23的推力减小，在弹簧19的作用下，使得离合装置16中的两个齿轮接触啮合，同时释放锁紧装置24，将蜗卷弹簧9中的弹性势能以转矩的形式释放，为本发明提供驱动力，完成后续的压缩过程。这一过程中，蜗卷弹簧9的弹性势能转换为旋转机械能再转换为气体压能。

当完成以上两个阶段的工作后，本发明的一个工作周期结束。

本发明的应用场合及使用方法举例如下：

一、用于喷煤工艺。喷煤工艺中，两个喷吹罐并列布置，一个喷吹罐喷煤时，另一个喷吹罐装煤和充压，喷吹罐轮流喷吹煤粉。充压气体为氮气，在装煤前，需放空喷吹罐中高压的氮气，以保证煤粉可以顺利的装入喷吹罐内，完成装煤后，再向喷吹罐内充装氮气。在这个过程中，一部分高压氮气排入空气中浪费掉，本发明可以收集这部分氮气并重新用于煤粉喷吹过程。

三个喷吹罐，分别为罐a、罐b和罐c，罐a为完成喷吹过程后装有剩余高压氮气的喷吹罐，其内部气体的相对压力为P₁；罐b为空罐，相对压力为0；罐c为正在进行喷吹的喷吹罐，内部装有煤粉和高压氮气。

对罐a进行泄压，为装煤作准备。将罐a和罐b之间通过管道用本发明连接。打开罐a的阀门，高压氮气通过管道经进气口12进入壳体2的工作腔，推动滑片18做功以后，压力降低，动能减小，经排气口13排出工作腔，再经管道进入罐b。当进气口12和排气口13的压差降低到一定值ΔP₀时，两个偏心控制杆和弹簧推杆8控制滑片转子5由中心切换至偏心位置。此时滑片转子5在飞轮11的带动下仍保持着较高的转速，飞轮11释放旋转机械能，驱动滑片转子5进行气体压缩。随着罐a压力的不断降低，罐b压力的不断增高，飞轮11的转速降低，旋转机械能转化为气体的压能。当进气口12压力降低到一定程度时，释放蜗卷弹簧9，为滑片转子5提供驱动力，这样就可完成剩余气体的压缩。

当罐a通过上述方式排空以后，其中的高压氮气没有浪费，而是收集到了罐b中。此时可以向罐a装填煤粉，然后充装氮气。为下一次喷煤做好准备。

二、用于在装有液态气体的储罐发生泄漏的情况。具体的工作过程如下：

工作储罐d内盛装高压气体，其相对压力为P₁，备用储罐e为空罐，其相对压力为P₂。罐d和罐e之间通过管道用本发明连接。正常工作状态时，连接本发明和罐d的管道上的第一阀门关闭，连接本发明和罐e的管道上的第二阀门打开。本发明为初始状态，即滑片转子5位于壳体2中心位置，蜗卷弹簧9处于压紧状态。

在工作储罐d上安装检测装置，当检测装置检测到工作储罐d发生泄露时马上打开第一阀门，启动本发明，连通工作储罐d和备用储罐e。这时，罐d中的气体通过本发明向罐e泄压。泄压时，高速流动的气流带动滑片转子5和飞轮11转动。气体压能转化为飞轮11的旋转机械能。当两罐的压差降低到设定值ΔP₀时，两个偏心控制杆和弹簧推杆8控制两个圆盘产生转动，使得滑片转子5由壳体2的中心位置切换至偏心位置，本发明进入第二阶段，飞轮11释放旋转机械能，驱动滑片转子5进行气体压缩。当进气口12的压力降低到一定程度时，释放蜗卷弹簧9，为滑片转子5提供驱动力，完成剩余的气体的压缩。至此压缩机工作结束，气体全部由罐d进入罐e。

在类似于上述的这些场合中，发生泄露的气体可能为易燃易爆气体，这样，一旦发生泄露，现场不能出现电火花，否则会引起爆炸事故，因此，这些场合中是限制用电的。本发明自力式空气压缩机工作中需要的能量来源于气体的压能以及提前预加到蜗卷弹簧9中的弹性势能，不需要外接的驱动即可完成气体的转移过程，故在这些场合下可以安全使用。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。例如，本发明中的离合装置和压差控制阀可以是别的结构，只要能实现在进气口的压力大时锁紧蜗卷弹簧，进气口的压力降低到一定程度时释放蜗卷弹簧即可。

Claims (6)

1.一种自力式空气压缩机，其特征在于：包括基座（1）、壳体（2）、第一圆盘（3）、第二圆盘（4）、滑片转子（5）、第一偏心控制杆（6）、第二偏心控制杆（7）、弹簧推杆（8）、蜗卷弹簧（9）、压差控制阀（10）和飞轮（11），壳体（2）为密闭的空心圆柱体，壳体（2）的圆柱面上设置有与壳体（2）内壁相切的进气口（12）和排气口（13），且进气口（12）和排气口（13）平行设置；

在壳体（2）的两个端面上均开有阶梯通孔，所述阶梯通孔与壳体（2）不同心，其中一个阶梯通孔中套装有第一圆盘（3），另一个阶梯通孔中套装有第二圆盘（4），滑片转子（5）位于壳体（2）内部，滑片转子（5）中转轴（14）的两端通过轴承分别安装在两个圆盘上且伸出壳体（2）外，所述的滑片转子（5）与第一圆盘（3）、第二圆盘（4）不同心；

所述第一圆盘（3）外端面的边缘位置同时与第一偏心控制杆（6）、第二偏心控制杆（7）、弹簧推杆（8）的一端铰接，第一偏心控制杆（6）、第二偏心控制杆（7）和弹簧推杆（8）的另一端均铰接在基座（1）上；所述滑片转子（5）中转轴（14）伸出壳体（2）外的一端通过齿轮组（15）与设置在基座（1）上的飞轮（11）连接，转轴（14）的另一端通过离合装置（16）与设置在基座（1）上的蜗卷弹簧（9）连接，压差控制阀（10）的一端连接在离合装置（16）上，压差控制阀（10）的另一端连接在蜗卷弹簧（9）上；

所述第一偏心控制杆（6）和第二偏心控制杆（7）均包括气缸和活塞杆，第一偏心控制杆（6）和第二偏心控制杆（7）的活塞杆均与第一圆盘（3）铰接，第一偏心控制杆（6）和第二偏心控制杆（7）的缸体均与基座（1）铰接，第一偏心控制杆（6）的无杆腔与壳体（2）上的排气口（13）连通；第二偏心控制杆（7）的无杆腔与壳体（2）上的进气口（12）连通。

2.根据权利要求1所述的一种自力式空气压缩机，其特征在于：所述滑片转子（5）的结构为：转轴（14）上固定有圆柱体（17），所述的圆柱体（17）上均布有多个径向凹槽，所述所有凹槽均轴向贯穿整个圆柱体（17），且每个凹槽中均插装有一个与圆柱体（17）长度相等的滑片（18），滑片（18）与凹槽底部通过弹簧连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种自力式空气压缩机，其特征在于：所述弹簧推杆（8）的结构为：弹簧位于圆筒内部，弹簧的一端固定在圆筒内部的端面上，弹簧的另一端与推杆的一端固定，推杆的另一端伸出圆筒外部；

弹簧推杆（8）中的推杆与第一圆盘（3）铰接，弹簧推杆（8）中的圆筒与基座（1）铰接。

4.根据权利要求1或2所述的一种自力式空气压缩机，其特征在于：所述的齿轮组（15）包括相互啮合的第一齿轮和第二齿轮，第一齿轮固定在滑片转子（5）的转轴（14）上，第二齿轮固定在飞轮（11）的中心轴上。

5.根据权利要求1或2所述的一种自力式空气压缩机，其特征在于：所述离合装置（16）的结构为：弹簧（19）的一端固定有套筒（20），套筒（20）上固定有第三齿轮（21）；弹簧（19）和套筒（20）一起套装在滑片转子（5）的转轴（14）上，蜗卷弹簧（9）的中心轴上固定有第四齿轮（22），第三齿轮（21）和第四齿轮（22）相配合；压差控制阀（10）包括压力推杆（23）和锁紧装置（24），所述的压力推杆（23）包括气缸和活塞杆，压力推杆（23）的活塞杆与弹簧（19）固定在一起，压力推杆（23）的缸体固定在蜗卷弹簧（9）的中心轴上，压力推杆（23）缸体的无杆腔与进气口（12）连通；所述的锁紧装置（24）也与进气口（12）连通，锁紧装置（24）靠进气口（12）的气压压紧蜗卷弹簧（9）。

6.根据权利要求1所述的一种自力式空气压缩机，其特征在于：所述飞轮（11）的中心轴通过轴承安装在基座（1）上，所述蜗卷弹簧（9）固定在基座（1）上，蜗卷弹簧（9）的中心轴通过轴承安装在基座（1）上。

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