專利名稱：高壓氣體的壓縮方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種方法和設(shè)備，用于將氣體壓縮至高壓。更為具體地說，此方法包括在單一循環(huán)中和單一缸體中以至少大約5比1的壓縮比將氣體壓縮至高壓，同時(shí)在壓縮沖程期間從缸體消散熱量，并以明顯低于等熵溫度的溫度排出氣體。此設(shè)備包括一設(shè)置在缸體之內(nèi)的自由浮動(dòng)活塞而活塞沖程長度對活塞直徑至少是7比1。
背景技術(shù)：
一種可以運(yùn)作而以大于4比1的比值將氣體壓力增大到高壓的傳統(tǒng)壓縮機(jī)一般采用兩級壓縮，傳統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)作在接近等熵的條件之下，而采用多級可在各級之間采用換熱器，也稱作內(nèi)冷器，以在每級之后冷卻氣體。
美國專利第5863186號(′186專利)披露了一種利用多級液壓驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)的壓縮氣體的方法。此′186專利披露了一種不采用各內(nèi)冷器的方法和設(shè)備，而代之以公開一種在達(dá)到該級的目標(biāo)輸出壓力之前運(yùn)行每一級的多次循環(huán)的方法和設(shè)備。此′186專利披露了利用一冷卻夾套從壓縮機(jī)排除熱量。壓縮機(jī)仍然在接近等熵條件下壓縮氣體，但在每一級采用多次循環(huán)可在運(yùn)行下一級之前為冷卻已經(jīng)壓縮的氣體提供時(shí)間。這種配置不允許接連各級的連續(xù)運(yùn)作，因?yàn)檫@樣不會為在各級之前冷卻氣體提供充分的時(shí)間。每一級開始在前一級完成之后。由′186專利披露的優(yōu)選實(shí)施例中，采用兩級來將從大約150至500psi(大約1.0MPa至3.4MPa)的氣體壓力提高到3000至6000psi(大約20.7MPa至41.4MPa)之間的壓縮機(jī)輸出目標(biāo)壓力。
多級壓縮機(jī)的成本隨著級數(shù)增大，因?yàn)槊考壭枰獑为?dú)的壓縮機(jī)單元。每一壓縮級需要自身的驅(qū)動(dòng)裝置、管路和冷卻級，這就加大了關(guān)聯(lián)于這種多級系統(tǒng)的制造和維護(hù)成本。
采用一旋轉(zhuǎn)曲柄來驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)活塞的傳統(tǒng)機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞壓縮機(jī)局限于具有相對較短活塞沖程的設(shè)計(jì)。大多數(shù)機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞壓縮機(jī)具有活塞沖程長度對活塞直徑比值小于4比1的缸體，更為一般地小于2比1?；钊麤_程在此定義為壓縮沖程的開始與結(jié)束之間活塞所行走的距離(亦即，活塞在一個(gè)方向上所行走的最大直線距離)?；钊睆交旧吓c缸體孔徑相等。一如在此所用，“長度與直徑比值”定義為活塞沖程長度對活塞直徑的比值。
機(jī)械驅(qū)動(dòng)活塞壓縮機(jī)一般可通過以比如每分鐘幾百或更為一般地幾千循環(huán)的高速來運(yùn)轉(zhuǎn)而補(bǔ)償其較短的沖程。
已知的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)式活塞壓縮機(jī)系統(tǒng)，采用活塞桿以將壓縮機(jī)活塞連接于驅(qū)動(dòng)裝置，也已經(jīng)采用較低的長度與直徑比值(一般低于4比1)。低壓壓縮機(jī)一般采用大約1比1的長度與直徑比值。隨著長度與直徑比值的減小，保持活塞桿與活塞的調(diào)準(zhǔn)變得較難，這可能導(dǎo)致密封件周圍磨損較快。較高的長度與直徑比值也會造成活塞桿重量增大，這是由于桿長增大和需要防撓曲設(shè)計(jì)。具有較高的長度與直徑比值的壓縮機(jī)缸體還需要較為細(xì)長的空間以容納壓縮機(jī)。亦即，這種壓縮機(jī)需要細(xì)長的空間以容納細(xì)長的缸體、延伸位置上的活塞桿和細(xì)長的液壓缸體。雖然對于諸如前面提及機(jī)動(dòng)車輛燃油壓縮機(jī)應(yīng)用場合這樣的一些應(yīng)用場合來說，存在調(diào)控和重量諸問題，但這樣一種細(xì)長的空間并不是便于提供使用的。
自由浮動(dòng)活塞壓縮機(jī)已經(jīng)研制出來，此等壓縮機(jī)采用同一缸體用于液壓驅(qū)動(dòng)腔和壓縮腔。自由浮動(dòng)活塞壓縮機(jī)沒有活塞桿，而活塞將缸體分割成為液壓驅(qū)動(dòng)腔和壓縮腔。在壓縮沖程期間，液壓流體被送往驅(qū)動(dòng)腔以促動(dòng)活塞并壓縮壓縮腔之中的流體。相反，在吸入沖程期間，液壓流體從驅(qū)動(dòng)腔流出同時(shí)流體進(jìn)入壓縮腔。一些與采用活塞桿和外部液壓驅(qū)動(dòng)裝置相關(guān)的空間限制可以通過采用自由浮動(dòng)活塞來予以處理，由于設(shè)備的長度主要是由壓縮機(jī)缸體的長度確定的，而設(shè)備的長度并不是由延伸的活塞桿和單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)缸體的長度復(fù)合而成的。因此，采用自由浮動(dòng)活塞的壓縮機(jī)可以至少大約是具有同一孔徑和活塞沖程的一活塞桿驅(qū)動(dòng)式壓縮機(jī)長度的一半。
不過，還未見這樣的高壓氣體壓縮機(jī)即可以以5比1或高的比值、在單極的單一循環(huán)中并在顯著低于等熵條件下壓縮氣體。隨著壓縮比的增大，壓縮循環(huán)期間的積累溫升也增大了，而在接近等熵條件下壓縮是低效的。對于具有大于大約2500psi(17.2MPa)出口壓力和大于大約4比1壓縮比的壓縮機(jī)來說，壓縮機(jī)一般采用至少兩級，以及在各級間冷卻氣體的某種裝置。
需要?dú)怏w在高壓下發(fā)送的應(yīng)用實(shí)例是用于內(nèi)燃機(jī)的燃油壓縮系統(tǒng)。熟知的是，以天然氣為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)在較低壓力下將氣態(tài)燃料與吸入空氣混合。不過，已經(jīng)作出較新的研制以在狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)中噴射氣態(tài)燃料，其中氣態(tài)燃料在壓縮沖程被直接噴進(jìn)燃燒室。與前述以天然氣作為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，這些狄塞爾循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)需要?dú)鈶B(tài)燃料被壓縮到高得多的壓力，比如，以克服缸內(nèi)壓力、滿足質(zhì)量流要求，以及促進(jìn)摻混和滲透。作為實(shí)例，對于這種發(fā)動(dòng)機(jī)來說，燃料壓縮機(jī)系統(tǒng)從諸如儲罐或管線這樣的來源接收燃料并將燃料加壓到大約3000psi與大約3600psi之間(大約20.7MPa與大約24.8MPa)范圍之內(nèi)的壓力，以便直接噴進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室。取決于可以從燃料來源提供的壓力，可以運(yùn)作以至少大約5比1的比值將氣態(tài)燃料壓力增大到噴射壓力的單獨(dú)一級壓縮機(jī)可以代替通常多級壓縮機(jī)的最后兩級。
一種用于將燃料供向用于車輛或發(fā)電的原動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)，比起用于諸如充灌儲罐等其他各種應(yīng)用場合的壓縮機(jī)來，具有不同的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。比如，對于車輛應(yīng)用場合來說，重量小的壓縮機(jī)設(shè)備可以減小車輛重量并提高總體車輛效率，而減小重量并不能為裝設(shè)在固定設(shè)施處的壓縮機(jī)取得類似的好處。雖然對于所有的應(yīng)用場合來說，可靠性、耐久性和效率是很重要的，但這些特性對于用以將燃料供向發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮機(jī)來說具有特別的意義。壓縮機(jī)失效可能導(dǎo)致代價(jià)很高的停機(jī)或車輛停駛，而低效的運(yùn)作會增大運(yùn)作成本。
此外，在發(fā)動(dòng)機(jī)是車輛原動(dòng)機(jī)的情況下，較高的燃料消耗可降低車輛行程(range)并限制車輛可被使用的線路。其次，采用具有較高燃料壓縮比的燃料壓縮機(jī)也可以增大行程，由于這樣增大了可以從燃料罐發(fā)送的燃料量。
對于用于發(fā)電的發(fā)動(dòng)機(jī)來說，每一部件的效率可影響總體效率，而低效率當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在連續(xù)的基礎(chǔ)上和在高負(fù)荷條件下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)可能具有顯著的經(jīng)濟(jì)后果。

發(fā)明內(nèi)容
需要一種方法，在排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度的情況下在壓縮機(jī)單級的單一循環(huán)中以至少大約5比1的比值將氣體連續(xù)地壓縮到高壓。等熵溫度定義為當(dāng)沒有熱量被消散時(shí)在壓縮之后氣體的理論溫度。顯著地低于等熵溫度的溫度在此定義為壓縮之后的氣體溫度，該溫度高于壓縮之前的氣體溫度，但不是高得足以阻止壓縮機(jī)將氣體有效地壓縮到所需出口壓力的能力。
比如，排出溫度，至少低于等熵溫度達(dá)25度攝氏，以及更為優(yōu)選地至少低于等熵溫度達(dá)50度攝氏，可以認(rèn)為是顯著地低于等熵溫度的排出溫度。
提供了一種在液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)中壓縮氣體的方法，所述壓縮機(jī)包括一缸體；一自由浮動(dòng)活塞，設(shè)置在缸體之內(nèi)在一第一封閉端部與一第二封閉端部之間；一壓縮腔，該壓縮腔由缸體之內(nèi)第一封閉端部與活塞之間的容積限定；以及一驅(qū)動(dòng)腔，該驅(qū)動(dòng)腔由缸體之間在第二封閉端部與活塞之間的容積限定，此方法包括(a)在吸入沖程中，將氣體供向壓縮腔；從驅(qū)動(dòng)腔排除液壓流體，由此供向壓縮腔的氣體處在高于驅(qū)動(dòng)腔之內(nèi)液壓流體的壓力下，導(dǎo)致活塞移動(dòng)以減小驅(qū)動(dòng)腔的容積并增大壓縮腔的容積，直至壓縮腔已經(jīng)擴(kuò)展到所需的容積并充以氣體為止；以及(b)在壓縮沖程中，將液壓流體供向驅(qū)動(dòng)腔，由此驅(qū)動(dòng)腔之內(nèi)的液壓流體處在高于壓縮腔之內(nèi)氣體的壓力下，導(dǎo)致活塞移動(dòng)以增大驅(qū)動(dòng)腔的容積并減小壓縮腔的容積，從而增大保持在壓縮腔之內(nèi)氣體的壓力；當(dāng)氣體的壓力在單一循環(huán)中增大到至少2500psi(大約17.2MPa)時(shí)從壓縮腔排出氣體，其中所述壓力至少是供向壓縮腔的氣體的壓力的5倍；以及在壓縮沖程期間從缸體發(fā)散熱量，由此氣體以顯著地低于等熵溫度的溫度下從壓縮腔排出。
在一種優(yōu)選方法中，采用大于7比1的活塞沖程長度對活塞直徑比值。采用較高的長度與直徑比值可提供用于熱量消散的較大表面面積和缸腔之內(nèi)通向缸壁的較短的熱傳導(dǎo)路徑。比如，缸體的活塞沖程長度對活塞直徑比值可能在10比1和100比1之間。此優(yōu)選方法令人驚異之處是在壓縮沖程期間可被消散的熱量大小。從壓縮機(jī)缸體消散顯著量的熱量，與通常的壓縮機(jī)相比，可使氣體被壓縮到較高的壓力和具有較高的壓縮比。一如前所指出，對于高壓氣體壓縮來說，與本方法相比，傳統(tǒng)方法采用具有較低壓縮比的多個(gè)壓縮級和用于在壓縮機(jī)缸體外部消散量熱量的裝置，比如，具有內(nèi)冷器、后冷器和液壓流體冷卻器。
壓縮機(jī)循環(huán)是由完成一吸入沖程和一壓縮沖程來確定的。以每分鐘循環(huán)數(shù)度量的壓縮機(jī)速度也會影響設(shè)備從壓縮缸體消散熱量的能力。雖然傳統(tǒng)壓縮機(jī)的速度一直基本上是由質(zhì)量流動(dòng)要求(亦即壓縮機(jī)的輸出能力)來支配的，但本方法卻是以可以加強(qiáng)熱量消散的速度運(yùn)作壓縮機(jī)的。在傳統(tǒng)壓縮機(jī)運(yùn)作所在的壓縮機(jī)速度范圍之內(nèi)，速度對于熱量消散不具有顯著的作用。按照本方法，與傳統(tǒng)壓縮機(jī)相比，當(dāng)活塞速度和/或壓縮機(jī)速度(以每分鐘循環(huán)數(shù)度量)被降低大約一個(gè)量級或等級時(shí)，活塞速度和壓縮機(jī)速度方面的變化會開始對熱量消散具有顯著的作用。按照本方法，壓縮機(jī)速度最好是不大于每分鐘20循環(huán)。對于具有較高的長度與直徑比值的壓縮機(jī)來說，低于每分鐘20循環(huán)的壓縮機(jī)速度可以導(dǎo)致每秒鐘幾英尺的活塞速度，但一如在此所述，較高的長度與直徑比值和較低的每分鐘循環(huán)數(shù)可提供熱量消散方面的一些優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)補(bǔ)償了與較高平均活塞速度相關(guān)的一些缺點(diǎn)。具有較低的長度與直徑比值的壓縮機(jī)具有低于每秒鐘1.5英尺(大約每秒鐘0.6米)的平均活塞速度。比如，具有大約7.5比1的長度與直徑比值的壓縮機(jī)最好是具有低于每秒鐘0.5英尺(大約每秒鐘0.15米)的平均活塞速度。
在低速在運(yùn)作也可以提供一些歸因于零部件磨損較少和耐久性增強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。從缸體消熱量有助于將活塞密封環(huán)保持在較低溫度下，這對于減少材料的磨損和變質(zhì)可以是很有利的。
此方法的優(yōu)選實(shí)施例還包括經(jīng)由一熱量消散器從缸體傳遞熱量到周圍環(huán)境。熱量消散器的一項(xiàng)實(shí)例是一圍繞缸體設(shè)置的冷卻夾套，其中此方法還包括引導(dǎo)冷卻劑流經(jīng)冷卻夾套。熱量消散可通過保持一種能夠確保在冷卻夾套之內(nèi)沒有任何滯留泡(pocket)的冷卻劑經(jīng)過冷卻夾套的流動(dòng)速度而予以加強(qiáng)。較高的速度也可以促進(jìn)湍流，這加強(qiáng)從缸壁向冷卻劑的熱傳導(dǎo)。當(dāng)壓縮機(jī)是一包含發(fā)動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)的一部分時(shí)，冷卻劑可以方便地自發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑子系統(tǒng)的冷卻劑儲槽得以供給。不過，流通到發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑一般都太熱而不具有作為供向壓縮機(jī)缸體的冷卻劑的顯著效應(yīng)，所以，當(dāng)使用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑時(shí)，最好是從與發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻管路獨(dú)立的一條管路予以提供。
代替采用冷卻夾套和液體冷卻劑，熱量消散器可以包括多個(gè)從缸體伸出的傳熱翅片。這樣一種熱量消散器是通過將熱量從缸體傳向多個(gè)翅片而發(fā)揮作用的，這樣為將熱量傳遞到周圍環(huán)境提供了較大的表面面積。當(dāng)采用這種類型的熱量消散器時(shí)，此方法還可以包括向多個(gè)翅片鼓風(fēng)以加強(qiáng)熱量消散。
從壓縮機(jī)缸體消散更多熱量的方法可以與控制壓縮沖程期間的活塞速度相結(jié)合。在本方法的一項(xiàng)實(shí)施例中，活塞優(yōu)選是在壓縮沖程第一階段期間以第一速度運(yùn)行，而在壓縮沖程第二階段期間以第二速度運(yùn)行。第二階段依序隨在第一階段之后，而第二速度低于第一速度。以此方式控制活塞速度可使活塞在積累溫升較少時(shí)的壓縮沖程的早期部分期間以較高的速度運(yùn)行，而隨后在積累溫升較多時(shí)的壓縮沖程中以較低速度運(yùn)行。用于從壓縮沖程第一階段改變到壓縮沖程第二階段的定時(shí)設(shè)置可以以多種方式處理。比如，這種改變可以出現(xiàn)在電子控制器確定出預(yù)定準(zhǔn)則得以滿足的時(shí)候，諸如比方當(dāng)壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力或氣體排出溫度超過預(yù)定設(shè)定點(diǎn)的時(shí)候，或者在活塞處在缸體之內(nèi)的預(yù)定部位上的時(shí)候。
降低活塞速度也有助于減少零部件磨損，而熱量消散的改進(jìn)方法也可降低零部件和密封件的工作溫度，這些都能延長它們的壽命(如果這些零部件在暴露于熱量和/或熱力循環(huán)的情況下隨時(shí)間而退化的話)。
此方法可以還包括在出現(xiàn)在壓縮沖程第二階段之后的壓縮沖程排出階段期間控制活塞速度。在壓縮沖程排出階段期間，壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力大于壓縮機(jī)缸體下游的氣體壓力，且氣體正在以壓縮腔排出。在壓縮沖程的排出階段期間，活塞速度最好是基本上保持不變?；钊俣仍诨钊麤_程排出階段期間最好是等于或小于壓縮沖程第二階段的終止處的活塞速度?；钊俣瓤梢栽趬嚎s沖程期間控制到遵循一預(yù)定的速度分布(profile)。按照一種方法，速度分布可以選自多個(gè)預(yù)定的速度分布以在壓縮沖程期間在不同時(shí)刻處控制活塞速度。優(yōu)選的是，速度分布可控制活塞速度在接近壓縮沖程開始時(shí)成為最大而活塞速度在壓縮沖程終結(jié)處停止之前逐漸減小至較低速度。多個(gè)預(yù)定速度分布之間的差別可能在于不同時(shí)刻處的活塞速度和/或在壓縮沖程期間活塞速度改變的速率。在多個(gè)預(yù)定的速度分布之中，速度分布可以選定成使針對所需質(zhì)量流量和壓縮比的壓縮熱動(dòng)力效率最高。
當(dāng)氣體正在被排出壓縮機(jī)時(shí)，活塞速度可以控制得基本上不變，直至接近活塞沖程的末尾，此時(shí)活塞速度可以進(jìn)一步減小，直至活塞最終停止在壓縮沖程末尾處。按照這一方法，供向液壓泵的電力在壓縮機(jī)工作期間可以波動(dòng)，視活塞速度如何被控制而定。此方法的目的是控制活塞速度以達(dá)到所需的熱量消散量。
活塞速度分布可以響應(yīng)于測出的運(yùn)行參數(shù)而予以選定。比如，所選定的速度分布可以響應(yīng)于所需的質(zhì)量流率、入口氣體壓力、所需的氣體壓力和所需的壓縮比。
操縱壓縮機(jī)的控制器可以多個(gè)預(yù)定的速度分布中選定一種預(yù)定的速度分布。在可供使用的速度分布中，即選定的速度分布優(yōu)選是可使針對所需質(zhì)量流量和壓縮比的壓縮熱動(dòng)力效率最高。
在穩(wěn)定狀態(tài)條件下長期運(yùn)行的系統(tǒng)中，系統(tǒng)各部件的電力需求最好是基本上不變的。因此，采用這種系統(tǒng)，而不是控制活塞速度，則一種優(yōu)選的方法還包括在壓縮沖程期間向液壓泵供應(yīng)基本上不變的電力量。這一點(diǎn)可以采用一種恒定功率液壓泵予以實(shí)現(xiàn)。以這種方式運(yùn)行的后果是，活塞速度隨著壓縮腔之內(nèi)氣體壓力的增高而自動(dòng)降低，這對熱量消散是很有利的。
本次披露說明了一種用于將氣體壓縮到高壓的設(shè)備。此設(shè)備包括一往復(fù)活塞壓縮機(jī)，該壓縮機(jī)具有至少7比1的活塞沖程長度與活塞直徑比值。設(shè)備可以運(yùn)作以在單獨(dú)一級的單一循環(huán)中將氣體從大約300至大約600psi(大約2.1至大約4.1MPa)之間的壓力壓縮到2500至5000psi(大約17.2至大約34.5MPa)之間的壓力，而排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度。
可以運(yùn)作以將氣體壓縮到如此高壓的傳統(tǒng)壓縮機(jī)一般都不具有大于4比1的壓縮比。高于5比1的壓縮比是優(yōu)選的，因?yàn)檫@樣可以利用較少幾級來將氣體壓縮到高壓。作為實(shí)例，采用所披露的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)8比1與10比1之間的壓縮比。多種裝置可以與此設(shè)備相結(jié)合以便于其運(yùn)作或進(jìn)一步降低排出氣體溫度。
具體地說，一種將氣體壓縮到高壓的設(shè)備包括(a)一中空缸體；(b)一自由浮動(dòng)活塞，可在缸體之內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，此活塞將缸體分割成為一壓縮腔，氣體可被引入該壓縮腔內(nèi)、在其中壓縮并排出；以及一驅(qū)動(dòng)腔，液壓流體可以被引入其中并被排出以便促動(dòng)活塞；以及(c)至少7比1的活塞沖程長度對活塞直徑比值，；從而活塞可以運(yùn)作以在單一循環(huán)中以至少5比1的比值將氣體壓縮到至少2500psi(大約17.2MPa)的出口壓力，而排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度。
此設(shè)備可以還包括一控制器，用于在壓縮沖程期間保持低于每秒1.5英尺(每秒0.46米)的平均活塞速度。在一些實(shí)施例中，優(yōu)選的是低于每秒0.5英尺(大約每秒1.5米)的平均活塞速度。
可變排量液壓泵可以用于將液壓流體供向驅(qū)動(dòng)腔。通過改變液壓流體流量，活塞速度在壓縮沖程期間可予以改變。此設(shè)備最好是還包括一控制器，用于在壓縮沖程期間操作此設(shè)備的同時(shí)控制液壓泵排量。因此，在優(yōu)選實(shí)施例中，這樣一種控制器可以運(yùn)作以控制液壓泵排量而增大、減小或保持進(jìn)入驅(qū)動(dòng)腔的液壓流體流量，從而活塞速度在壓縮沖程期間在各預(yù)定時(shí)刻改變到各預(yù)定速度。作為實(shí)例，此控制器可以是一電子控制器或一預(yù)標(biāo)定機(jī)械控制器。比如，在一項(xiàng)實(shí)施例中，一電子控制器可以運(yùn)作以響應(yīng)于包括至少氣體排出溫度、壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力和壓縮缸體之內(nèi)的活塞位置這些測出的參數(shù)之一來控制液壓泵排量。
代替可變排量液壓泵，可以采用可變速液壓泵，從而活塞速度可得以控制以在壓縮沖程期間增大或減小活塞速度。比如，活塞速度可以通過當(dāng)壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力超過預(yù)定的設(shè)定點(diǎn)時(shí)降低可變速度液壓泵的速度來予以降低。
在參照此方法已經(jīng)披露的可供選擇的方案中，此設(shè)備可以還包括恒定功率液壓泵，用于將液壓流體供向驅(qū)動(dòng)腔。
本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)是，它采用的長度對直徑比值大于一般為傳統(tǒng)氣體壓縮機(jī)所采用的那些比值。較高的長度對直徑比值的另一優(yōu)點(diǎn)是，它可以便于降低死區(qū)(dead space)容積對總的缸體容積的比例，這有助于提高壓縮機(jī)效率。優(yōu)選地是，死區(qū)容積小于總的壓縮腔容積的0.3％。
較高的長度對直徑比值還可以提供較長的活塞沖程和可能較小的每分鐘循環(huán)數(shù)來提高效率。較低的壓縮機(jī)速度可以由細(xì)長缸體提供的較大壓縮腔容積予以補(bǔ)償。在較低的壓縮機(jī)速度下，由于在液壓系統(tǒng)中較少切換，具有附加效率增益，并在較少循環(huán)的情況下，在活塞壓縮沖程的末尾處死區(qū)并不是經(jīng)常遇到的。
另一種可以與此設(shè)備相結(jié)合的裝置是一熱量消散器，用于從缸體消散熱量。此熱量消散器基本上圍繞缸體，用于從缸體接收和消散熱量。在一優(yōu)選實(shí)施例中，熱量消散器包括一冷卻夾套，冷卻流體可以流過它以接收和排除熱量。冷卻夾套最好是包括與缸體間隔開來的殼體結(jié)構(gòu)，以及聯(lián)接于缸體的一端的冷卻劑入口和聯(lián)接于缸體的對置一端的冷卻劑出口，從而冷卻劑可以經(jīng)過冷卻劑入口進(jìn)入冷卻夾套并在殼體與缸體之間流動(dòng)到冷卻劑出口。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，熱量消散器包括多個(gè)從缸體突出的翅片以將熱量從缸體傳導(dǎo)到周圍環(huán)境?？梢蕴砑右徊匡L(fēng)扇用于使空氣流動(dòng)在多個(gè)翅片之間以另一步促進(jìn)熱量消散。
此設(shè)備最好是包括兩個(gè)缸體，它們可以一前一后地運(yùn)作以提供更為連續(xù)的高壓氣流。
在一種包括兩個(gè)缸體的設(shè)備的一優(yōu)選實(shí)施中，該設(shè)備包括(a)第一往復(fù)壓縮機(jī)，包括第一中空圓柱體，該圓柱體具有流體密封的端部；第一自由浮動(dòng)活塞，其設(shè)置在第一中空圓柱體之內(nèi)，限定了具有液壓流體孔口的第一驅(qū)動(dòng)腔和具有氣體孔口的第二壓縮腔，該氣體孔口可選擇地連接于低壓供氣系統(tǒng)或高壓供氣系統(tǒng)；(b)第一往復(fù)壓縮機(jī)，包括第二中空圓柱體，該圓柱體具有流體密封的端部；第二自由浮動(dòng)活塞，其設(shè)置在第二中空圓柱體之內(nèi)，限定了具有液壓流體孔口的第二驅(qū)動(dòng)腔而和具有氣體孔口的第二壓縮腔，該氣體孔口可選擇地連接于一低壓供氣系統(tǒng)或一高壓供氣系統(tǒng)；(c)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以在以下二者之間交替運(yùn)作將液壓流體供向第一驅(qū)動(dòng)腔而從第二驅(qū)動(dòng)腔抽回液壓流體；以及將液壓流體從第一驅(qū)動(dòng)腔抽回而將液壓流體供向第二驅(qū)動(dòng)腔；從而第一和第二往復(fù)壓縮機(jī)可以一前一后地運(yùn)作而以至少大約5比1的比值將氣體壓力增大到至少大約2500psi(大約17.2MPa)的壓力，連同排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度。
第一和第二往復(fù)壓縮機(jī)最好是具有基本上相同的尺寸。
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以包括一雙向旋轉(zhuǎn)液壓泵用以使液壓流體流動(dòng)的方向反向。在另一配置中，液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一流動(dòng)切換閥，其可以運(yùn)作，以可選擇地使液壓流體經(jīng)過液壓流體孔口流向第一和第二驅(qū)動(dòng)腔二者之一，來誘發(fā)壓縮沖程，同時(shí)從第一和第二驅(qū)動(dòng)腔二者中另一個(gè)接收液壓流體，以誘發(fā)吸入沖程。
一如所述，此設(shè)備可以結(jié)合一個(gè)或多個(gè)所披露的特征來降低氣體溫度和提高熱力效率。


附圖示出了本發(fā)明的具體實(shí)施例，但不應(yīng)當(dāng)認(rèn)為是以任何方式限制本發(fā)明的精神和范疇圖1是一種用于壓縮氣體的設(shè)備的示意簡圖，該設(shè)備包括兩部一前一后工作的液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)；圖2是一往復(fù)壓縮機(jī)的剖面視圖，示出了設(shè)置在壓縮機(jī)缸體之內(nèi)的自由浮動(dòng)活塞，帶有一設(shè)置在壓縮機(jī)缸體周圍的冷卻夾套；圖3是一往復(fù)壓縮機(jī)的剖面視圖，示出了設(shè)置在壓縮機(jī)缸體之內(nèi)的自由浮動(dòng)活塞，帶有從壓縮機(jī)缸體沿徑向伸展的冷卻翅片；圖4示出一壓縮機(jī)的實(shí)施例，該壓縮機(jī)包括多個(gè)設(shè)置在一共用冷卻夾套之內(nèi)的液壓驅(qū)動(dòng)壓縮缸體；圖5示出一些曲線，表明按時(shí)間標(biāo)出的壓縮腔壓力、活塞速度和液壓泵功率，此時(shí)間對應(yīng)于在一次壓縮沖程過程中的活塞行程。這些曲線代表采用具有恒定功率控制裝置的液壓系統(tǒng)的設(shè)備；以及圖6是一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線，該曲線按照壓縮機(jī)速度標(biāo)出溫升。此曲線表明，利用具有大約7.5∶1的長度對直徑比值的壓縮機(jī)，如果活塞速度降低到為熱量消散提供了時(shí)間的速度，則氣體可以被壓縮至高壓，而具有的溫度增益顯著地低于等熵溫度。
具體實(shí)施例方式
參看附圖，圖1是一種用于壓縮氣體的優(yōu)選設(shè)備的示意簡圖，此設(shè)備包括兩部液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)壓縮機(jī)10和20。壓縮機(jī)10和20一前一后地運(yùn)行，每一壓縮機(jī)能夠以至少大約5比1的比值在每級的單一循環(huán)中增大流體的壓力。比如，氣體可以在這樣一種設(shè)備中從500或600psi(大約3.4或大約4.1MPa)的入口壓力被壓縮到至少2000至3000psi(大約17.2至大約20.7MPa)的出口壓力。較高的壓縮比是優(yōu)選的，因?yàn)檫@可使壓縮級的數(shù)量減少。比如，所披露的設(shè)備的各實(shí)施例有可能以8比1與10比1之間的壓縮比達(dá)到在2500psi(大約17.2MPa)與5000psi(大約34.5MPa)之間的出口壓力。
在此所述的壓縮機(jī)各實(shí)施例一般具有至少7比1的長度對直徑比值，但這些實(shí)施例的同等重要的特點(diǎn)是，它們可以以顯著地低于等熵溫度的排出氣體溫度持續(xù)工作。例如，圖1示意性示出的壓縮機(jī)具有大約15比1的長度對直徑的比值。
在圖1的實(shí)施例中，壓縮機(jī)10的制造技術(shù)規(guī)范與壓縮機(jī)20是一致的，它們基本上相同。在360度的壓縮機(jī)循環(huán)中，在兩部壓縮機(jī)之一中一壓縮沖程的起始與在另一壓縮機(jī)中一壓縮機(jī)的起始錯(cuò)開大約180度。亦即，每一活塞沖程的起始大致上是同步的，以致當(dāng)一部壓縮機(jī)即將開始其壓縮沖程時(shí)，另一部壓縮機(jī)即將開始其吸入沖程。實(shí)際上，完成一吸入沖程的活塞一般在另一活塞完成其壓縮沖程之前不久即到達(dá)其沖程的終點(diǎn)。
自由浮動(dòng)活塞12可在活塞12對置兩側(cè)上的壓力差作用下在壓縮機(jī)缸體14之內(nèi)移動(dòng)。在活塞12的一側(cè)上，缸體14在驅(qū)動(dòng)腔中充以液壓流體，而在活塞12的另一側(cè)上，缸體14在壓縮腔中充以氣體。冷卻夾套16與缸體14間隔開來，形成一環(huán)形空腔，冷卻劑可以在缸體14周圍流過此空腔以從缸體消散熱量。傳感器18用以檢測活塞12的位置。
輸入管道30流體連通于壓縮機(jī)輸入孔口，用于在各自的吸入沖程期間將氣體引入各壓縮機(jī)壓縮腔。各單向流動(dòng)控制器32允許氣體從輸入管道30進(jìn)入各自的壓縮腔，并防止經(jīng)過壓縮的氣體回流到輸入管道30里面。術(shù)語“單向流動(dòng)控制器”當(dāng)在此使用時(shí)會被本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員理解為一些已知類型的流動(dòng)控制裝置，一般稱作止回閥，它們允許流體在一個(gè)方向上流動(dòng)而防止在相反方向上流動(dòng)-諸如比方球止回閥、彈簧助力球止回閥、膜片止回閥、圓盤止回閥和壓縮機(jī)閥。
排出管道36流體連通于從壓縮機(jī)壓縮腔到高壓壓力系統(tǒng)的輸出孔口，該高壓壓力系統(tǒng)諸如比方是一發(fā)動(dòng)機(jī)燃料供給系統(tǒng)。這樣一種燃料供給系統(tǒng)可以包括一蓄能罐，其充以高壓氣體以確?？梢蕴峁┏浞值墓┙o。單向流動(dòng)控制器38允許經(jīng)過壓縮的氣體從壓縮腔流出并流向排出管道36，同時(shí)防止發(fā)送到排出管道的氣體返回到壓縮腔。
冷卻劑供給管路40將冷卻夾套16與缸體14之間的空腔連通于一冷卻劑源。熱量可以從缸體14傳遞給冷卻劑，而變熱的冷卻劑經(jīng)由一連通于冷卻劑返回管道42的出口從空腔被排出，這樣使冷卻劑返回到冷卻系統(tǒng)。比如，當(dāng)壓縮機(jī)用以向發(fā)動(dòng)機(jī)供給高壓燃料時(shí)，用以向發(fā)動(dòng)機(jī)供給冷卻劑的冷卻系統(tǒng)也可以用以向壓縮機(jī)的冷卻夾套供給冷卻劑。不過，如果流動(dòng)在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑回路之中的發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑不是顯著地冷于經(jīng)過壓縮的氣體，可以采用一條單獨(dú)的冷卻回路。比如，發(fā)動(dòng)機(jī)可以具有一單獨(dú)的冷卻回路用于渦輪增壓中冷器，而流經(jīng)這樣一條回路的冷卻劑可以顯著地冷于用以冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻劑。如果發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑太熱，則采用一條獨(dú)立的冷卻回路。冷卻劑與較暖的經(jīng)過壓縮的氣體之間的溫度差較大是優(yōu)選的，而一般地，優(yōu)選的是冷卻劑以小于攝氏50度的溫度供給。
冷卻劑的流量高到足以防止冷卻劑的局部沸騰并防止在冷卻夾套空腔之內(nèi)形成滯留泡。較高速度的流動(dòng)還導(dǎo)致冷卻劑中較少的溫度增量、挨著缸壁的邊界層中的較多湍流，以及較高的熱傳導(dǎo)速率。湍流可增大從缸體到冷卻劑的熱傳導(dǎo)性。
液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是為人熟知的，但壓縮機(jī)設(shè)備的優(yōu)選配置是一種封閉回路系統(tǒng)。封閉回路設(shè)計(jì)有助于兩部壓縮機(jī)中活塞運(yùn)動(dòng)的同步化，并且也是更加高效的，這是由于液壓流體從一驅(qū)動(dòng)腔在高壓下被輸送給泵，而不是從一儲槽(一如在開放回路系統(tǒng)的情況下那樣)在大氣壓力下輸送給泵。
壓縮機(jī)運(yùn)作對于所有的實(shí)施例來說都基本上是一樣的。在壓縮沖程期間，液壓流體流向驅(qū)動(dòng)腔而氣體在壓縮腔之中受到壓縮。隨著液壓流體被引入驅(qū)動(dòng)腔，自由浮動(dòng)活塞12在缸體14之內(nèi)前行而擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)腔的容積并減小壓縮腔的容積。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，液壓泵是一種功率受限的泵，所以泵所需的功率在運(yùn)作期間基本上的不變的，而活塞12的速度在壓縮沖程期間自動(dòng)地改變以致它在壓縮沖程開始時(shí)是最快的并逐步減慢直至達(dá)到排出壓力為止。在壓縮沖程稍后部分中較低的活塞速度對于熱量消散和獲得顯著地低于等熵溫度的排出氣體溫度以便有效地壓縮氣體是很有利的。通常，在壓縮比保持低于大約3比1時(shí)，壓縮氣體中生成相對很少的熱量，所以在壓縮沖程的較早部分中活塞速度可以較高，這是由于不大需要為熱量消散準(zhǔn)備時(shí)間。稍后在壓縮沖程中，當(dāng)生成較多熱量時(shí)，較低的活塞速度可為熱量消散提供較多的時(shí)間。這種運(yùn)作方法參照圖5在下面將較為詳細(xì)地予以說明。
在另一優(yōu)選實(shí)施例中，液壓系統(tǒng)采用一種可變排量液壓泵，該液壓泵可受控制以改變活塞速度以更好地消散熱量。此方法也在下面較為詳細(xì)地予以說明。
位置傳感器18用以確定活塞12何時(shí)接近壓縮沖程的終點(diǎn)，并發(fā)出液壓流體流動(dòng)何時(shí)應(yīng)當(dāng)予以反轉(zhuǎn)的信號。位置傳感器18最好是一可以裝在壓縮機(jī)主體外側(cè)上面的傳感器，以便易于維護(hù)并致使在缸蓋上只需要一些孔口用于流體進(jìn)出。多個(gè)類型的適當(dāng)傳感器均為本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員所知。比如，一種磁性開關(guān)可以用以檢測接近壓縮沖程終點(diǎn)的活塞12的位置。
經(jīng)過壓縮的氣體在壓縮腔之內(nèi)的壓力大于排出管道36之內(nèi)的壓力時(shí)流出缸體14而達(dá)到排出管道36。在優(yōu)選實(shí)施例中，當(dāng)壓縮機(jī)在以其最大壓縮比運(yùn)作時(shí)，經(jīng)過壓縮的氣體的出口壓力至少大至是入口壓力的5倍，而在一些實(shí)施例中，氣體壓力可以大至是入口壓力的大約7至10倍之間。單向流動(dòng)控制器，諸如止回閥38，可防止加壓氣體從排出管路36回流到壓縮腔。
當(dāng)活塞到達(dá)壓縮沖程終點(diǎn)時(shí)，壓縮腔的容積在該處形成“死區(qū)”。駐留在死區(qū)之中的氣體被壓縮到高壓，但不會在壓縮沖程中排出。
往復(fù)活塞壓縮機(jī)通常具有死區(qū)，不過，死區(qū)對壓縮腔容積的比值愈大，壓縮機(jī)的效率愈低。當(dāng)活塞反轉(zhuǎn)方向時(shí)，駐留的加壓氣體會膨脹并充滿不斷增大的壓縮腔容積。對于吸入沖程的初始段來說，駐留的氣體導(dǎo)致壓縮缸之內(nèi)的壓力仍然大于入口管道30之中的壓力，阻止新的氣體進(jìn)入。較小的死區(qū)意味著在每一吸入沖程期間可以從入口管道30吸入更多新的氣體，導(dǎo)致較高的壓縮效率。
壓縮機(jī)可以通過減小對應(yīng)于死區(qū)的缸體長度尺寸來減小死區(qū)。如果不同長度的壓縮機(jī)缸體全部具有由大約1/4英寸與1/8英寸(大約6至3毫米)之間的缸體長度形成的死區(qū)，則具有較高長度對直徑比值的一種壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，與死區(qū)相關(guān)的缸體長度代表壓縮腔體積容量的一個(gè)較小的部分。作為實(shí)例，如果壓縮機(jī)A具有60英寸(1524毫米)的缸體長度，而壓縮機(jī)B具有4英寸(102毫米)的缸體長度，并且兩部壓縮機(jī)都具有1/8英寸(3毫米)的死區(qū)缸長，則在壓縮機(jī)A中，死區(qū)代表0.2％的缸體容積，而在壓縮機(jī)B中，死區(qū)代表3.1％的缸體容積。因此，具有較高長度對直徑比值的壓縮機(jī)可以更加有效，因?yàn)閷τ谝唤o定缸長的死區(qū)來說，死區(qū)代表壓縮腔體積容量的一個(gè)較小的部分。在于此披露的各種壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)的情況下，小于或等于0.3％缸體容積的死區(qū)容積是優(yōu)選的。比如，80英寸(大約2032毫米)長度和1/8英寸(大約3.2毫米)死區(qū)缸長的缸體具有的死區(qū)容積是缸體容積的0.16％。
在壓縮沖程的終點(diǎn)處，活塞12反轉(zhuǎn)方向。為了觸發(fā)吸入沖程的開始，要反轉(zhuǎn)液體流體的流動(dòng)，比如通過一雙向旋轉(zhuǎn)泵使液壓流體反轉(zhuǎn)，或者通過操作一流動(dòng)切換裝置，使各液壓流體通路之間液壓流體的流動(dòng)改向以致本來在壓縮沖程期間連通于液壓泵排出端的驅(qū)動(dòng)腔此時(shí)連通于液壓泵的吸入端(在一封閉回路系統(tǒng)內(nèi))或者連通于泄放通路(在一開放回路系統(tǒng)內(nèi))。按照設(shè)計(jì)，在吸入沖程期間，輸入管道30中氣體的壓力和壓縮腔死區(qū)內(nèi)氣體的壓力大于驅(qū)動(dòng)腔之內(nèi)液壓流體的壓力。結(jié)果，活塞12在壓縮腔之內(nèi)氣體壓力的作用下移動(dòng)而活塞12將液體流體推出驅(qū)動(dòng)腔而送入液壓泵的吸入端。
在吸入沖程的終點(diǎn)，缸體14的壓縮腔充滿來自輸入管道30的氣體，而此氣體準(zhǔn)備好用于下一壓縮沖程之中的壓縮。
雖然上面已經(jīng)說明壓縮機(jī)10單獨(dú)的運(yùn)作，但在示于圖1之中的優(yōu)選實(shí)施例中，壓縮機(jī)10和20是在它們的各自循環(huán)錯(cuò)開180度的情況下先后運(yùn)作的，以致當(dāng)壓縮機(jī)10將要開始其壓縮沖程時(shí)，壓縮機(jī)20將要開始其吸入沖程，反之亦然。以此方式使兩部壓縮機(jī)配對，除了為一種封閉回路液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供便利的配置以外，這可形成比較連續(xù)的經(jīng)過壓縮的氣流而使之供向排出管道36。
圖2表明壓縮機(jī)100，圖中示出具有大約8比1長度對直徑比值的壓縮機(jī)優(yōu)選實(shí)施例。壓縮機(jī)100包括設(shè)置在缸體114之內(nèi)的自由浮動(dòng)活塞112，在活塞112與端板120之間限定的壓縮腔和在活塞112與端板122之間限定的驅(qū)動(dòng)腔。端板120包括用于來自壓縮腔的相應(yīng)的輸入和輸出通路的孔眼121。單向流動(dòng)控制器可以裝設(shè)在端板120之內(nèi)以控制經(jīng)過各通路121的流動(dòng)方向。端板122包括一個(gè)孔眼123，液壓流體通過它流進(jìn)和流出驅(qū)動(dòng)腔。本壓縮機(jī)相比于傳統(tǒng)多級壓縮機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是簡單性。中空缸體易于制造并隨時(shí)以各種特定長度可供購買。
自由浮動(dòng)活塞112在驅(qū)動(dòng)與壓縮兩腔之間的壓力差作用下在缸體114之內(nèi)移動(dòng)，一如參照圖1所述。各密封環(huán)113在活塞112與缸體114內(nèi)部表面之間形成密封。
自由浮動(dòng)活塞112優(yōu)選是以小于每分鐘20次循環(huán)的平均循環(huán)頻率往復(fù)運(yùn)動(dòng)。較高的循環(huán)頻率可使壓縮期間用于冷卻的時(shí)間較短。一如以上所述，活塞速度最好是在壓縮沖程期間改變以加強(qiáng)熱量消散。對于一給定流量，壓縮機(jī)循環(huán)頻率按照長度對直徑比值和活塞沖程長度而變。一如將要再次針對以下所述各實(shí)例予以說明的那樣，在壓縮沖程的過程中，較低的活塞速度也為熱量的消散提供了較多的時(shí)間。不過，隨著長度對直徑比值的增大，壓縮機(jī)能夠更好地消散熱量而可以容許較高的活塞速度。
冷卻夾套116與缸體114間隔開來并圍繞缸體110，提供一個(gè)冷卻劑可以流經(jīng)的環(huán)形空腔。
圖3表明壓縮機(jī)200，圖中圖示一種具有大約30比1長度對直徑比值的壓縮機(jī)優(yōu)選實(shí)施例。作為實(shí)例，對于每分鐘大約30標(biāo)準(zhǔn)立方英寸(每分鐘大約0.8標(biāo)準(zhǔn)立方米)的流量來說，具有1英寸(大約25.4厘米)直徑和大約30英寸(大約762厘米)長度的壓縮機(jī)缸體可以用以將氣體壓力從大約600psi(大約4.1MPa)的入口壓力升高到至少大約3000psi(大約20.7MPa)的出口壓力。
壓縮機(jī)200包括設(shè)置在缸體214之內(nèi)的自由浮動(dòng)活塞212。活塞212在活塞212與端板220之間限定一壓縮腔，并在活塞212與端板222之間限定一驅(qū)動(dòng)腔。自由浮動(dòng)活塞212在驅(qū)動(dòng)與壓縮兩腔之間的壓力差作用下在缸體214之內(nèi)移動(dòng)，一如參照圖1所述。
圖3實(shí)施例中的熱量消散器包括可從缸體214輻射的多個(gè)熱傳導(dǎo)翅片216。熱量從缸體214被傳導(dǎo)開去并從各翅片216被傳遞至較冷的周圍大氣。對于需要加強(qiáng)冷卻的應(yīng)用場合，可以比如通過采用一風(fēng)扇(未畫出)或通過將缸體214安置在存在涼爽氣流的位置來增大經(jīng)過各翅片216的氣流。
熱量消散可以通過采用較小的缸體直徑而予以增進(jìn)，這樣可在缸體中心與缸壁之間造成較短的熱傳導(dǎo)路徑。較高的長度對直徑比值也產(chǎn)生較大的缸壁面積，這樣就為傳導(dǎo)形成較大的表面面積。在具有較高的長度對直徑比值的壓縮機(jī)缸體中，這些特征可以結(jié)合起來以促進(jìn)熱量消散，在排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度的情況下進(jìn)行壓縮。下表表明增大長度對直徑比值對于不變的壓縮腔容積來說是如何影響缸壁面積的。


一如表1所示，等于或大于8比1的長度對直徑比值，相比于活塞沖程長度對直徑比值為1比1的缸體來說，導(dǎo)致至少多達(dá)兩倍的表面面積。由于表面面積的大小隨著長度對直徑比值的增大而繼續(xù)增大，所以，為了增進(jìn)熱量消散，較高的長度對直徑比值優(yōu)于較低的長度對直徑比值。
具有很高的長度對直徑比值的往復(fù)活塞壓縮機(jī)可以通過采用具有較小孔眼直徑的缸體予以獲得。比如，50∶1與10∶1之間的長度對直徑比值可以很容易以1/2英寸(大約13毫米)的孔眼直徑以及對50∶1的比值來說25英寸(大約635毫米)，而對100∶1的比值來說50英寸(大約1270毫米)之間的長度來予以實(shí)現(xiàn)。這樣一種小孔眼直徑可導(dǎo)致相對較小的缸體容積，所以多個(gè)小孔眼缸體可以結(jié)合起來以提高流量。
圖4示出多個(gè)裝放在共用冷卻夾套410之中的壓縮機(jī)缸體400。共用的氣體分配歧管(未示出)可以裝進(jìn)一個(gè)同時(shí)密封冷卻夾套410端部的端板內(nèi)，或者每一缸體可以具有其本身的輸入和輸出氣體管道。為每一缸體單獨(dú)布管的好處是，每一缸體或各組缸體的運(yùn)作可以彼此錯(cuò)開以提供較為穩(wěn)定的排出氣體流。
采用具有較小孔眼直徑的缸體時(shí)，如果不可能將止回閥裝進(jìn)每一缸體的各自端板內(nèi)，則會存在與缸體孔眼端部與止回閥之間管路相關(guān)聯(lián)的死區(qū)容積。不過，由于這些管道的內(nèi)徑相對于壓縮腔的容積是很小的，所以死區(qū)容積也相對很小(相比于整個(gè)缸體容積)。
圖5的曲線表明一種控制壓縮機(jī)運(yùn)作的方法。在圖5中，液壓泵所收取的功率基本上是恒定的。雖然有多個(gè)方法設(shè)計(jì)一種具有基本上恒定功率需求的液壓系統(tǒng)，但一項(xiàng)優(yōu)選實(shí)例是一種采用功率受限的液壓泵。比如，當(dāng)壓縮機(jī)用以向發(fā)動(dòng)機(jī)供給燃料時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)一般提供驅(qū)動(dòng)液壓泵所需的功率。亦即，無論功率是以機(jī)械方式(比如經(jīng)由一驅(qū)動(dòng)軸或各皮帶)或是間接地從驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)所發(fā)出的電氣供給泵，用以操作液壓泵的功率都是由發(fā)動(dòng)機(jī)提供的。當(dāng)一發(fā)動(dòng)機(jī)用于發(fā)電的應(yīng)用場合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性和效率都因以較少電力波動(dòng)的方式運(yùn)作而得到提高，所以希望限制液壓泵的最大功率以致它以基本上恒定的功率需求而運(yùn)作。
圖5表明采用功率受限的液壓泵以驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)的效果。水平軸線表示時(shí)間，t1是壓縮沖程的開始而t3是壓縮沖程的末尾。
氣體的壓縮發(fā)生在t1與t2之間。壓力首先緩慢增大而后隨著壓縮沖程的繼續(xù)而較快增大。相反，活塞速度在壓縮沖程的開始附近為最大，此時(shí)氣體壓力為最低而對活塞運(yùn)動(dòng)具有最小的阻力?；钊俣入S氣體壓力增大而減小。
仍然參照圖5，在t2處，達(dá)到了排出壓力，而從t2到t3，隨著氣體從缸體被排出，氣體壓力基本上是恒定的。t2與t3之間，活塞速度也基本上是恒定的，因?yàn)楹愣ǖ臍怏w壓力導(dǎo)致對活塞運(yùn)動(dòng)的恒定阻力。
在圖5的實(shí)施例中，遍及壓縮沖程，液壓泵所汲取的功率基本上是恒定的，只在功率需求由于過渡狀態(tài)可能較低的壓縮沖程剛一開始處除外。
運(yùn)作壓縮機(jī)的不同方法包括控制活塞速度以降低氣體排出溫度，而加強(qiáng)熱量消散和壓縮過程的熱力學(xué)，同時(shí)承受功率需求的較大波動(dòng)。在此實(shí)施例中，氣體壓縮發(fā)生在壓縮沖程的兩階段期間。在壓縮沖程的第一階段期間，目的是使活塞迅速移動(dòng)，由于在低壓縮比時(shí)溫度增高較小。因此，在壓縮沖程開始時(shí)，活塞速度是比較高的。氣體溫度比較接近等熵溫度，這是因?yàn)樵谳^高活塞速度下供熱量消散的時(shí)間較少，但這一點(diǎn)是可以容許的，因?yàn)榉e累的溫升比較低。液壓泵所汲取的功率處于中間水平，因?yàn)殡m然液壓流體流率很大，但由于氣體壓力低，阻力很低。
在壓縮沖程的第二階段中，氣體壓力被提高到排出壓力。在壓縮沖程的這一階段中，積累溫升開始變得更為顯著，所以活塞速度降低而為消散熱量提供更多的時(shí)間。在降低活塞以獲得幾乎等溫壓縮與增大壓縮速度以獲得較大氣體流率之間選定一種平衡，同時(shí)保持排出氣體溫度顯著地低于等熵溫度。在壓縮沖程的第二階段期間，液壓系統(tǒng)所汲取的功率增大，因?yàn)楫?dāng)活塞速度基本上不變時(shí)，阻力隨著氣體壓力的增大而增加。
在壓縮沖程的最后部分期間，氣體壓力等于排出壓力而氣體隨著活塞前行從缸體排出。壓力在壓縮沖程這一部分期間基本上是不變的。優(yōu)選的是平穩(wěn)的排出流率，所以活塞速度最好不變。功率需求在不變的壓力和基本上不變的活塞速度下也是基本上不變的。壓縮沖程排出階段過程中功率需求的大小取決于預(yù)定的排出壓力(較高的排出壓力需要的功率較高)。
在本技術(shù)領(lǐng)域中具有多個(gè)眾所熟知的方法用于控制液壓流體流率和活塞速度。在一項(xiàng)實(shí)例中，可以采用一種可變排量泵，諸如一種帶有可調(diào)節(jié)的旋轉(zhuǎn)斜盤角度的旋轉(zhuǎn)斜盤泵。
在此實(shí)施例中，氣體壓縮機(jī)的功率需求不是不變的。不過，對于一些應(yīng)用場合，可變的壓縮機(jī)功率需求是不成問題的。比如，當(dāng)氣體壓縮機(jī)用以向發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料時(shí)，此發(fā)動(dòng)機(jī)為車輛的原動(dòng)機(jī)，由于車輛發(fā)動(dòng)機(jī)上的負(fù)荷已經(jīng)是可變的，所以可變的壓縮機(jī)功率需求是可以容易辦到的。壓縮沖程期間的壓縮機(jī)速度分布確定了按照此方法予以運(yùn)作的系統(tǒng)的效率。比如，各個(gè)壓縮機(jī)的速度分布可以在氣體吸入壓力、氣體排出壓力、所需壓縮比和質(zhì)量流量需求方面予以標(biāo)定。
用于在壓縮沖程第一階段與壓縮沖程第二階段之間切換的時(shí)刻可以以多種方式予以控制。
在一項(xiàng)實(shí)施例中，流量計(jì)測定流向各驅(qū)動(dòng)腔的液壓流體流量，以致活塞的位置可以從已經(jīng)提供的液壓流體數(shù)量予以獲知。比如，當(dāng)流量計(jì)測出在壓縮沖程終點(diǎn)處具有的容積等于驅(qū)動(dòng)腔容積的液壓流體的數(shù)量時(shí)，就知道活塞在壓縮沖程的終點(diǎn)處。這樣一種流量計(jì)也可以用以確定壓縮沖程期間在中間各點(diǎn)處的活塞位置，使得可以根據(jù)活塞位置來控制活塞速度。
在其他一些實(shí)施例中，其他儀器可以用以確定何時(shí)應(yīng)當(dāng)增大或減小活塞速度。作為實(shí)例，活塞速度可以以預(yù)定的速度開始壓縮沖程，而壓力傳感器和/或溫度傳感器可以用以確定何時(shí)應(yīng)當(dāng)減小活塞速度以提供較多的時(shí)間用于熱量消散。
本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員將會理解，活塞速度可得以控制，來遵循多個(gè)速度分布。
實(shí)例1示于圖6之中的曲線表明從采用自由浮動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)活塞的氣體壓縮機(jī)收集到的數(shù)據(jù)。此壓縮機(jī)具有10-1/4英寸(大約261毫米)的沖程長度和1-3/8英寸(大約34.9毫米)的孔眼直徑，這對應(yīng)于大約7.5∶1的長度對直徑比值。此缸體由具有溫度為大約攝氏10度的周圍空氣予以冷卻。
圖6的曲線在垂直軸線上標(biāo)出對應(yīng)于以每分鐘循環(huán)數(shù)計(jì)的壓縮機(jī)速度的溫升(以攝氏度為單位)。氮?dú)馐窃诖蠹s攝氏零度的溫度下供給壓縮機(jī)的。
以下表2表示關(guān)聯(lián)于每一數(shù)據(jù)點(diǎn)的各特定參數(shù)。

在大約攝氏160度處畫作直線是與等熵條件相關(guān)的溫升。曲線表明以下情況a)在低于每分鐘20次循環(huán)的壓縮機(jī)速度下，對于以同樣壓縮比運(yùn)作的同樣壓縮機(jī)來說，在排出氣體中測出的溫升隨著壓縮機(jī)速度減小而降低。
b)在高于每分鐘20次循環(huán)的壓縮機(jī)速度下，實(shí)際溫升與可能關(guān)聯(lián)于等熵條件的溫升之間沒有顯著的差別。這表明以遠(yuǎn)高于每分鐘20次循環(huán)的速度工作的傳統(tǒng)活塞壓縮機(jī)是在接近等熵條件下運(yùn)作的，這樣限制了最大壓縮比，并要求多級壓縮、內(nèi)冷卻器和后冷卻器。
對于此實(shí)例的氣體壓縮機(jī)來說，每分鐘20次循環(huán)的壓縮機(jī)速度對應(yīng)于每秒0.57英尺平均活塞速度，并一如圖6的曲線所示，活塞速度最好是更低一些。比如，大約每分鐘5次循環(huán)的壓縮機(jī)速度對應(yīng)于每秒0.14英尺的活塞速度。傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)活塞壓縮機(jī)采用數(shù)量級較高的活塞速度。在傳統(tǒng)活塞速度下，降低壓縮流體之中溫升的好處是不被實(shí)現(xiàn)的，并且沒有跡象表明這些好處是顯著的，除非壓縮機(jī)速度降低到通常水平以下很多。
實(shí)例2下面表3中提出的數(shù)據(jù)收集自三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，這三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是用采用自由浮動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)活塞來壓縮天然氣的較大型氣體壓縮機(jī)而進(jìn)行的。壓縮機(jī)缸體具有54英寸(大約1370毫米)的沖程長度和2-1/2英寸(大約64毫米)的孔眼直徑，這對應(yīng)于大約21.6∶1的長度對直徑比值。
一種由50％乙二醇和50％水的冷卻劑流通經(jīng)過圍繞壓縮機(jī)缸體的冷卻夾套。供向夾套的冷卻劑的溫度是大約攝氏15度。
液壓系統(tǒng)采用恒定功率液壓泵，導(dǎo)致活塞速度隨著活塞運(yùn)動(dòng)阻力因不斷增大的氣體壓力而增大時(shí)自動(dòng)地降低。
三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)是以不同的循環(huán)頻率(以每分鐘循環(huán)數(shù)計(jì))和不同的壓縮比進(jìn)行的。
表3


盡量壓縮比稍有不同，但出自實(shí)驗(yàn)#1和#2的表3中的數(shù)據(jù)表明較低的循環(huán)頻率和較低的平均活塞速度可以用以顯著地降低壓縮沖程期間的溫升。在這些實(shí)驗(yàn)中，在低于每秒0.75英尺(大約每秒0.23米)的平均活塞速度的情況下達(dá)到溫升的顯著降低。在實(shí)驗(yàn)#3中，消散了一些熱量，但氣體排出溫度只低于等熵溫度攝氏20度。本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員將會理解，可以采取另外一些步驟來進(jìn)一步降低排出溫度。作為實(shí)例，降低供向水套的冷卻劑的溫度或增大冷卻劑的流量是可以采取以進(jìn)一步降低氣體排出溫度的步驟。
雖然已經(jīng)說明降低氣體溫升有利于熱力和能量效率，但同樣重要的是要注意到，降低溫升還導(dǎo)致設(shè)備較冷，這一點(diǎn)本身就是很有好處的。比如，設(shè)備包括一些需要?jiǎng)恿γ芊獾倪\(yùn)動(dòng)零部件。動(dòng)力密封的有效壽命一般可通過在運(yùn)作期間將它們保持在較冷溫度下而得以延長的。
對于本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，鑒于上述公開內(nèi)容，在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以作出多個(gè)變更和改進(jìn)而不偏離其精神和范疇。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)由以下各項(xiàng)權(quán)利要求確定的內(nèi)容予以解釋。
權(quán)利要求
1.一種在液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)活塞壓縮機(jī)中壓縮氣體的方法，壓縮機(jī)包括一缸體；一自由浮動(dòng)活塞，該活塞設(shè)置在所述缸體之內(nèi)一第一封閉端部與一第二封閉端部之間；一壓縮腔，該壓縮腔由所述缸體之內(nèi)所述第一封閉端部與所述活塞之間的容積限定；以及一驅(qū)動(dòng)腔，該驅(qū)動(dòng)腔由所述缸體之內(nèi)所述第二封閉端部與所述活塞之間的容積限定；所述方法包括(a)在吸入沖程中，將所述氣體供向所述壓縮腔；從所述驅(qū)動(dòng)腔排除所述液壓流體，由此供向所述壓縮腔的所述氣體處在高于所述驅(qū)動(dòng)腔之內(nèi)所述液壓流體的壓力下，導(dǎo)致所述活塞移動(dòng)以減小所述驅(qū)動(dòng)腔的容積并增大所述壓縮腔的容積，直至所述壓縮腔已經(jīng)擴(kuò)展到所需的容積并充以所述氣體為止；以及(b)在壓縮沖程中，將所述液壓流體供向所述驅(qū)動(dòng)腔，由此所述驅(qū)動(dòng)腔之內(nèi)的所述液壓流體處在高于所述壓縮腔之內(nèi)所述氣體的壓力下，導(dǎo)致所述活塞移動(dòng)以增大所述驅(qū)動(dòng)腔的容積并減小所述壓縮腔的容積，由此增大保持在所述壓縮腔之內(nèi)所述氣體的壓力；當(dāng)在單一循環(huán)中所述氣體的壓力增大到至少2500psi(17.2MPa)的壓力時(shí)，其中該壓力至少是供向所述壓縮腔的氣體的壓力的5倍，從所述壓縮腔排出所述氣體；以及在所述壓縮沖程期間從所述缸體消散熱量，從而所述氣體以顯著地低于等熵溫度的溫度從所述壓縮腔排出。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括采用大于7比1的活塞沖程長度對活塞直徑比值。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括采用10比1與100比1之間的活塞沖程長度對活塞直徑比值的缸體。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中壓縮循環(huán)由吸入沖程和壓縮沖程限定，所述方法還包括以不高于每分鐘20次循環(huán)的速度運(yùn)行所述壓縮機(jī)。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括保持低于或等于每秒1.5英尺(每秒0.46米)的平均活塞速度。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括經(jīng)由一熱量消散器將熱量從所述缸體傳遞給周圍環(huán)境。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中所述熱量消散器包括一冷卻夾套，該冷卻夾套圍繞所述缸體設(shè)置并引導(dǎo)冷卻劑流經(jīng)所述冷卻夾套。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其中冷卻劑以確保在所述冷卻夾套之內(nèi)沒有滯留泡(pockets)的速度流經(jīng)所述冷卻夾套。
9.按照權(quán)利要求7所述的方法，還包括向發(fā)動(dòng)機(jī)供給所述氣體和從發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻劑儲槽供應(yīng)所述冷卻劑，但是從一獨(dú)立于發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻回路的回路供應(yīng)所述冷卻劑。
10.按照權(quán)利要求7所述的方法，其中所述熱量消散器包括多個(gè)從所述缸體突出的翅片，而所述熱量消散器通過將熱量從所述缸體傳導(dǎo)給所述多個(gè)翅片來工作，所述多個(gè)翅片提供較大的表面面積用于將熱量傳遞給周圍環(huán)境。
11.按照權(quán)利要求10所述的方法，還包括將空氣吹送通過所述多個(gè)翅片以加強(qiáng)熱量消散。
12.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括通過檢測所述活塞何時(shí)接近所述缸體的一端而控制所述活塞何時(shí)反轉(zhuǎn)方向。
13.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括在所述壓縮沖程期間控制活塞速度，由此所述活塞在壓縮沖程第一階段期間以第一速度運(yùn)行和在壓縮沖程第二階段期間以第二速度運(yùn)行，其中所述第二階段順序地隨在所述第一階段之后而所述第二速度低于所述第一速度。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，還包括當(dāng)所述壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力超過預(yù)先設(shè)定點(diǎn)時(shí)從所述壓縮沖程的所述第一階段改變到所述壓縮沖程的所述第二階段。
15.按照權(quán)利要求13所述的方法，還包括當(dāng)氣體正在從所述壓縮腔排出時(shí)，在所述壓縮沖程所述第二段之后發(fā)生的所述壓縮沖程的排出階段期間，控制活塞速度，其中活塞速度在所述排出段期間保持基本上不變。
16.按照權(quán)利要求15所述的方法，其中所述活塞速度在所述壓縮沖程所述排出階段期間等于或小于所述壓縮沖程所述第二階段期間的活塞速度。
17.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括控制活塞速度以遵循預(yù)定的速度分布。
18.按照權(quán)利要求17所述的方法，還包括響應(yīng)測出的操作參數(shù)來選定所述預(yù)定速度分布。
19.按照權(quán)利要求18所述的方法，其中所述測出的操作參數(shù)包含所需質(zhì)量流率、入口氣體壓力、所需氣體排出壓力和所需壓縮比這些之中的至少一項(xiàng)。
20.按照權(quán)利要求17所述的方法，還包括從多個(gè)預(yù)定的速度分布之中選定所述預(yù)定速度分布，以控制在壓縮沖程期間各不同時(shí)刻處的活塞速度，其中所述速度分布控制活塞速度在接近所述壓縮沖程的開始處是最大的，而活塞速度逐漸下降到在壓縮沖程的終點(diǎn)處停止之前的較低速度，所述多個(gè)預(yù)定速度分布之間的區(qū)別可以是在各不同時(shí)刻處的活塞速度和/或在壓縮沖程期間活塞速度改變的速率，其中所述多個(gè)預(yù)定的速度分布之中的所述選定的預(yù)定速度分布使針對所需質(zhì)量流率和壓縮比的壓縮熱力效率成為最大。
21.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括在壓縮沖程期間逐漸降低活塞速度直至所述氣體從所述壓縮腔被排出為止，而后在所述壓縮沖程的余下階段中保持基本上不變的活塞速度。
22.按照權(quán)利要求1所述的方法，還包括在壓縮沖程期間向液壓泵供應(yīng)基本上不變大小的功率，由此活塞速度隨著所述壓縮腔之內(nèi)氣體壓力的增大而減小。
23.一種用于將氣體壓縮到高壓的設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)中空缸體；(b)自由浮動(dòng)活塞，該活塞可在所述缸體之內(nèi)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，所述活塞將所述缸體分割成為壓縮腔，氣體可被引入該壓縮腔內(nèi)、在其中壓縮并排出；以及驅(qū)動(dòng)腔，液壓流體可以被引入其中并被排出，以便促動(dòng)活塞；以及(c)至少7比1的活塞沖程長度對活塞直徑比值；由此所述活塞可以運(yùn)作以在單一循環(huán)中以至少5比1的比值將氣體壓縮到至少2500psi(17.2MPa)，而排出氣體溫度低于等熵溫度至少攝氏25度。
24.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括在壓縮沖程期間保持平均活塞速度小于每秒1.5英尺的控制器。
25.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中活塞沖程長度與活塞直徑之間的比值是在10比1與100比1之間。
26.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括一變排量液壓泵，用于向所述驅(qū)動(dòng)腔供給液壓流體，從而活塞速度在壓縮沖程期間是可以改變的。
27.按照權(quán)利要求26所述的設(shè)備，還包括一控制器，用于在壓縮沖程期間運(yùn)作所述設(shè)備的同時(shí)控制液壓泵排量。
28.按照權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述控制器可以運(yùn)作以控制所述液壓泵排量而增大、減小或保持進(jìn)入所述驅(qū)動(dòng)腔的液壓流體的流量，從而活塞速度在壓縮沖程期間各預(yù)定時(shí)刻處改變到預(yù)定的速度。
29.按照權(quán)利要求27所述的設(shè)備，其中所述控制器可以運(yùn)作，以響應(yīng)測出的各參數(shù)來控制液量泵排量，所述參數(shù)包括氣體排出溫度、所述壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力和所述壓縮缸體之內(nèi)的活塞位置中的至少一項(xiàng)。
30.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括一恒定功率液壓泵，用于向所述驅(qū)動(dòng)腔供給液壓流體。
31.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中死區(qū)容積小于總的壓縮腔容積的0.3％。
32.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括一熱量消散器，用于從缸體消散熱量。
33.按照權(quán)利要求32所述的設(shè)備，其中所述熱量消散器基本圍繞所述缸體，用于從缸體接收和消散熱量。
34.按照權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述熱量消散器包括一冷卻夾套，冷卻劑流體可以被導(dǎo)引經(jīng)過此夾套而從該夾套接收并排出熱量。
35.按照權(quán)利要求34所述的設(shè)備，其中所述冷卻夾套包括殼體結(jié)構(gòu)，該殼體結(jié)構(gòu)與所述缸體間隔開來；冷卻劑入口，其聯(lián)接于所述缸體的一端；以及冷卻劑出口，其聯(lián)接于所述缸體的相反一端；由此，冷卻劑可以經(jīng)由所述冷卻劑入口進(jìn)入所述冷卻夾套并在所述殼體與所述缸體之間流向所述冷卻劑出口。
36.按照權(quán)利要求33所述的設(shè)備，其中所述熱量消散器包括多個(gè)翅片，這些翅片從所述缸體突出，以將熱量從所述缸體傳導(dǎo)給周圍環(huán)境。
37.按照權(quán)利要求36所述的設(shè)備，其中所述熱量消散器包括一風(fēng)扇，用于導(dǎo)引空氣，以使空氣在所述多個(gè)翅片之間流動(dòng)。
38.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備包括兩個(gè)缸體，這兩個(gè)缸體可以一前一后地運(yùn)作以提供較為連續(xù)的高壓氣流。
39.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，還包括一氣體入口通路，所述氣體可經(jīng)由該氣體入口通路流進(jìn)所述壓縮腔；以及一單獨(dú)的氣體出口通路，所述氣體可經(jīng)由該氣體出口通路從所述壓縮腔排出。
40.按照權(quán)利要求39所述的設(shè)備，還包括一單向流動(dòng)控制器，用于控制所述氣體經(jīng)由所述氣體入口通路單向流進(jìn)所述壓縮腔；以及一單向流動(dòng)控制器，用于控制所述氣體經(jīng)由所述氣體出口通路單向流出所述壓縮腔。
41.按照權(quán)利要求40所述的設(shè)備，其中所述氣體入口和出口兩條通路穿過一端板，該端板密封所述壓縮腔，且所述單向流動(dòng)控制器各自設(shè)置在所述端板之內(nèi)。
42.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備還包括一傳感器，用于檢測所述活塞何時(shí)已經(jīng)完成壓縮沖程。
43.按照權(quán)利要求23所述的設(shè)備，其中所述設(shè)備可以以8比1與10比1之間的壓縮比運(yùn)作。
44.一種液壓驅(qū)動(dòng)往復(fù)高壓氣體壓縮設(shè)備，包括(a)第一往復(fù)壓縮機(jī)，它包括第一中空圓柱體，該第一中空圓柱體帶有流體密封的端部；第一自由浮動(dòng)活塞，其設(shè)置在所述第一中空圓柱體之內(nèi)，限定了一具有液壓流體孔口的第一驅(qū)動(dòng)腔和一具有可選擇地連接于低壓氣體供給系統(tǒng)或高壓氣體供給系統(tǒng)的氣體孔口的第一壓縮腔；(b)第二往復(fù)壓縮機(jī)，它包括第二中空圓柱體，該第二中空圓柱體帶有流體密封的端部；第二自由浮動(dòng)活塞，其設(shè)置在所述第二中空圓柱體之內(nèi)，限定了一第二驅(qū)動(dòng)腔和一具有液壓流體孔口的第二壓縮腔，該第一壓縮腔具有可選擇地連接于所述低壓氣體供給系統(tǒng)或所述高壓氣體供給系統(tǒng)的氣體孔口；(c)一種液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以運(yùn)作以在以下二種情況之間交替向所述第一驅(qū)動(dòng)腔供給液壓流體，同時(shí)從所述第二驅(qū)動(dòng)腔抽出液壓流體；以及從所述第一驅(qū)動(dòng)腔排出液壓流體，同時(shí)向所述第二驅(qū)動(dòng)腔供給液壓流體；從而所述第一和第二往復(fù)壓縮機(jī)可以一前一后地運(yùn)作而以至少5比1的比值將所述氣體的壓力增大到至少2500psi(大約17.2MPa)的壓力，同時(shí)排出氣體溫度低于等熵溫度至少攝氏25度。
45.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中所述液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一雙向旋轉(zhuǎn)液壓泵，用于反轉(zhuǎn)液壓流體流動(dòng)的方向。
46.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中所述液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括一流動(dòng)切換閥，該切換閥可以運(yùn)作，以可選擇地經(jīng)由所述液壓流體孔口將所述液壓流體導(dǎo)引到所述第一和第二兩個(gè)驅(qū)動(dòng)腔之一，而誘發(fā)壓縮沖程，同時(shí)從所述第一和第二兩個(gè)驅(qū)動(dòng)腔中的另一個(gè)接收液壓流體，誘發(fā)吸入沖程。
47.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中對每一所述中空圓柱體來說，活塞沖程長度與自由浮動(dòng)活塞直徑之間的比值至少是7比1，從而所述各中空圓柱體具有的表面面積允許充分的熱量從所述氣體和所述液壓流體傳遞給所述缸體，用于從所述各壓縮機(jī)消散熱量，以致達(dá)到所述低于等熵溫度的條件。
48.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中所述第一和第二壓縮機(jī)基本上具有相同的尺寸。
49.按照權(quán)利要求49所述的設(shè)備，其中所述活塞沖程長度與所述活塞直徑之間的所述比值在至少10比1與高達(dá)并包含100比1之間。
50.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，還包括第一熱量消散器，該第一熱量消散器基本上圍繞所述第一圓柱體；以及第二熱量消散器，該第二熱量消散器基本上圍繞所述第二圓柱體，由此所述第一和第二熱量消散器可以運(yùn)作以從每一所述圓柱體將熱量傳遞給可從所述壓縮機(jī)接收并排出熱量的液體。
51.按照權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中所述第一和第二熱量消散器包括各自的冷卻夾套，液態(tài)冷卻劑可以流經(jīng)此夾套，以從所述壓縮機(jī)接收并排除熱量。
52.按照權(quán)利要求50所述的設(shè)備，其中所述第一和第二熱量消散器包括多個(gè)翅片，該翅片從每一所述圓柱體突出，以將熱量從所述缸體傳導(dǎo)給周圍環(huán)境中的空氣。
53.按照權(quán)利要求52所述的設(shè)備，還包括一風(fēng)扇，用于導(dǎo)引空氣以使空氣在所述多個(gè)翅片之間流動(dòng)。
54.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中進(jìn)入所述各壓縮機(jī)的所述氣體是以至少300psi(2.07MPa)與高達(dá)并包含500psi(3.45MPa)之間的壓力予以提供的。
55.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，還包括傳感器，用于檢測所述浮動(dòng)活塞到達(dá)各自的終點(diǎn)位置的時(shí)間，并向控制器發(fā)出信號，來反轉(zhuǎn)液壓流體流動(dòng)方向。
56.按照權(quán)利要求55所述的設(shè)備，其中所述傳感器采用一磁性開關(guān)。
57.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中所述液壓系統(tǒng)包括一可變速液壓泵，從而活塞速度是可以控制的以在壓縮沖程期間增大或減小活塞速度。
58.按照權(quán)利要求57所述的設(shè)備，其中所述活塞速度在壓縮腔之內(nèi)的氣體壓力超過一預(yù)先設(shè)定點(diǎn)時(shí)通過降低所述可變速液壓泵的速度而予以降低。
59.按照權(quán)利要求44所述的設(shè)備，其中所述液壓系統(tǒng)包括一恒定功率液壓泵。
60.一種用于將氣體壓縮到高壓的設(shè)備，所述設(shè)備包括(a)多個(gè)各中空缸體；(b)自由浮動(dòng)活塞，該活塞可在每一所述缸體之內(nèi)往復(fù)，所述活塞將每一所述缸體分割成為壓縮腔，氣體可被引入該壓縮腔、在其中壓縮并排出；以及驅(qū)動(dòng)腔，液壓流體可以被引入和排出，以便促動(dòng)所述活塞；以及(c)至少7比1的活塞沖程長度對活塞直徑比值；以及(d)冷卻夾套，該冷卻夾套圍繞所述多個(gè)缸體設(shè)置，并包括一流體入口和一流體出口，從而冷卻劑可以在所述各缸體之間流動(dòng)。
61.按照權(quán)利要求60所述的設(shè)備，其中每一所述缸體可以在單一循環(huán)中以至少5比1的比值將氣體壓縮到至少2500psi(17.2MPa)的出口壓力，同時(shí)排出氣體溫度低于等熵溫度至少攝氏25度。
62.按照權(quán)利要求60所述的設(shè)備，其中至少一個(gè)所述活塞可以在與所述多個(gè)活塞中的其他一些活塞錯(cuò)開的壓縮循環(huán)中運(yùn)作。
全文摘要
提供一種方法，用于以至少大約5比1的壓縮比在單一循環(huán)中和單一缸體中把氣體壓縮到至少17.2MPa的壓力。此方法還包括在壓縮沖程期間從缸體消散熱量，從而氣體以充分小于等熵溫度的溫度被排出。相關(guān)裝置包括一中空缸體和一設(shè)置在其中的往復(fù)式自動(dòng)浮動(dòng)活塞。此活塞把缸體分割成為(a)一壓縮腔，氣體可以送入其中、在其中受到壓縮并被排出；以及，(b)一驅(qū)動(dòng)腔，液壓流體可以送入其中并被排除，以便促動(dòng)活塞。此裝置還包括至少7比1的活塞沖程長度對活塞直徑的比值。為了以至少5比1的壓縮比、至少17.2MPa的出口壓力和充分小于等熵溫度的氣體排放溫度來運(yùn)作此裝置，此裝置可以還包括一變排量液壓泵，用于控制活塞速度；一電子控制器用于維持小于0.5英尺每秒的平均活塞速度；和一散熱器用于從缸體消散熱器。
文檔編號F04B9/00GK1643251SQ03807175
公開日2005年7月20日 申請日期2003年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月28日
發(fā)明者米?！ざ蛏? 安克·格拉姆, 加布里爾·加夫里爾, 沙欣·赫薩米, 伊恩·洛克利 申請人:韋斯特波特研究公司