專利名稱：包括壓縮氣體輔助活塞的壓縮機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有汽缸的壓縮機(jī)，其中，活塞通過(guò)氣體軸承以不與 汽缸壁接觸的方式可移動(dòng)地保持在所述汽缸中。
背景技術(shù)：
這種壓縮機(jī)例如公知于US6575716A1。在該傳統(tǒng)的壓縮機(jī)中，具有形 成在汽缸的內(nèi)壁中的圓周凹槽，所述圓周凹槽經(jīng)由與汽缸壁相交的孔被供 給壓縮氣體。壓縮氣體分布在環(huán)繞著活塞的整個(gè)圓周的圓周凹槽中，且從 凹槽沿著軸向傳遞通過(guò)活塞與汽缸壁之間的窄的間隙，從而在活塞的整個(gè) 圓周上與汽缸壁不接觸地保持活塞。當(dāng)徑向力施加在活塞上并使活塞偏離 其平衡位置時(shí)，氣體不僅會(huì)被壓縮，而且會(huì)在活塞圓周的一側(cè)被部分逐出， 所述逐出可能是由于逃回到凹槽中的氣體。然而，壓縮氣體在活塞上施加 朝平衡位置的方向的恢復(fù)力，排出的氣體卻不能這樣。因?yàn)橐莩龅目赡苄裕?抵抗徑向偏移的軸承的剛度不是太大。
為了提高軸承的剛度，已有人提出經(jīng)由具有非常窄的橫截面的徑向孔 將壓縮氣體導(dǎo)入汽缸壁與活塞之間的間隙中。由于孔的窄的橫截面，當(dāng)活 塞偏移時(shí)，僅少量的氣體可流回。因此，對(duì)于相同的氣體量，可實(shí)現(xiàn)軸承 的較高的徑向剛度。
為了限制壓縮氣體的回流，供給孔必須具有與汽缸壁和活塞之間的間 隙寬度相當(dāng)?shù)姆浅Ｐ〉闹睆健?shí)際中，這意味著，供給孔的直徑必須不超 過(guò)幾10iim。這種窄的孔的制造需要復(fù)雜的加工技術(shù)，例如激光消融、電 火花腐蝕等。供給孔僅可使用這些技術(shù)單獨(dú)加工，這使得制造耗時(shí)且昂貴。 此外，可在其中制造這種窄的孔的材料厚度限于數(shù)百Pm。具有這種薄的 壁的工件易于變形，使得難以確保汽缸壁具有有效的氣體支承所需的尺寸 精度和穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有由氣體軸承支撐的活塞的壓縮機(jī)，所述 壓縮機(jī)可以低的成本/復(fù)雜性實(shí)施，且能夠在低的壓縮氣體量的情況下以良 好的徑向剛度支撐活塞。
上述目的通過(guò)一種壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)，所述壓縮機(jī)具有汽缸和活塞，所述活 塞可以以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式在汽缸中移位，且具有相對(duì)于運(yùn)動(dòng)方向的橫向間 隙，其中活塞的端面在汽缸中對(duì)壓縮腔室限界，其特征在于，活塞具有向 著端面減小的直徑。由于活塞的形狀向著端面收縮，因此通過(guò)活塞運(yùn)動(dòng)在 壓縮腔室中壓縮的氣體中的一些可被使得進(jìn)入活塞與汽缸壁之間的間隙 中，且在活塞和汽缸壁之間從壓縮腔室排出的氣流提供氣體支承作用。
為了確保精確、無(wú)滾轉(zhuǎn)地引導(dǎo)活塞，除了直徑向著鄰近于壓縮腔室的 端面減小的部分以外，活塞優(yōu)選具有直徑恒定的引導(dǎo)部分。
為了以低的湍流的方式將壓縮氣體驅(qū)動(dòng)出壓縮腔室以進(jìn)入間隙，直徑 的增大優(yōu)選是恒定的。特別優(yōu)選地，直徑沿軸線方向的變化率剛好在端面 處最大，隨著離端面的距離的增大而減小。
在最簡(jiǎn)單的情況下，汽缸的內(nèi)壁可完全沒(méi)有用于將壓縮氣體供給到內(nèi) 壁與活塞之間的間隙中的供給孔。
在這種情況下，通過(guò)間隙的氣流在活塞的每次往復(fù)運(yùn)動(dòng)中停止至少一 次，使得在此時(shí)活塞與汽缸壁之間可能存在接觸。為了限制活塞與汽缸壁 之間的摩擦磨損，在這種情況下，特別地但不是排他性地，活塞和/或汽缸
的內(nèi)壁可設(shè)有硬的涂層。涂層可由碳化物例如碳化鎢、DLC (類似金剛石 的碳)等構(gòu)成。
為了即使在壓縮腔室處于其最大尺度時(shí)也能夠保持氣體軸承的有效 性，用于供入壓縮氣體的供給孔可設(shè)置在汽缸的內(nèi)壁中，使得它們?cè)诨钊?運(yùn)動(dòng)換向點(diǎn)處對(duì)活塞的面向壓縮腔室的部分進(jìn)行加壓，在所述活塞運(yùn)動(dòng)換 向點(diǎn)處，壓縮腔室膨脹得最大。與傳統(tǒng)的壓縮機(jī)相比，該設(shè)計(jì)至少使得供 給孔的數(shù)目顯著降低，在所述傳統(tǒng)的壓縮機(jī)中，支承作用僅經(jīng)由從外部通 過(guò)供給孔供入的壓縮氣體被保持。
為了使作用在活塞上的可使活塞抵靠在汽缸的內(nèi)壁上的徑向力最小 化，壓縮機(jī)有利地具有驅(qū)動(dòng)單元，所述驅(qū)動(dòng)單元執(zhí)行純粹的直線運(yùn)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)單元可特別包括磁銜鐵，所述磁銜鐵連接到活塞，且可以在交變的 磁場(chǎng)中與活塞的運(yùn)動(dòng)方向平行地被驅(qū)動(dòng)。


下面，通過(guò)參看附圖描述示例性實(shí)施例，將顯見(jiàn)本發(fā)明的進(jìn)一步的特 征和優(yōu)點(diǎn)，附圖包括
圖1示出了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的壓縮機(jī)的活塞和汽缸的示 意性截面；
圖2示出了通過(guò)壓縮機(jī)的驅(qū)動(dòng)單元的示意性截面；
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的與圖1類似的截面；
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的相應(yīng)截面；以及
圖5示出了在第三實(shí)施例中使用的襯套的正面視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1中所示的壓縮機(jī)包括汽缸21，所述汽缸21主要包括管狀部分 22、罩蓋著管狀部分22的一端的頂板23、和安裝在頂板23的背離管狀部 分22的一側(cè)的帽24。管狀部分22、頂板23和配合在管狀部分22中的活 塞25限界出壓縮腔室26。壓縮腔室26經(jīng)由在圖中示意性示出的閥27、 28 與形成在帽24中的兩個(gè)腔室29、 30連通，所述閥優(yōu)選由彈簧鋼頂板23 — 體地形成。閥27、 28是止回閥，其使得在活塞25向外運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中氣體 僅可從上部的吸入側(cè)腔室29流入壓縮腔室26、或在活塞25向內(nèi)運(yùn)動(dòng)的過(guò) 程中僅可從壓縮腔室26流入下部的壓力側(cè)腔室30。
活塞具有面向頂板23的平坦端面31，所述端面31的直徑比壓縮腔室 26的直徑小很多。在端面31的邊緣處，端面31連續(xù)彎曲地過(guò)渡到面向管 狀部分22的內(nèi)側(cè)的圓周面32。圓周面32在活塞25的運(yùn)動(dòng)方向上可分成三 個(gè)部分圓柱形中心部分33，所述圓柱形中心部分33的直徑比壓縮腔室 26的直徑最多小幾10nm，使得在管狀部分22中以很小的間隙且以大致 無(wú)滾轉(zhuǎn)的方式引導(dǎo)活塞的運(yùn)動(dòng)；以及分別位于中心部分33的相應(yīng)側(cè)的內(nèi)部 分34或外部分35，所述內(nèi)部分34或外部分35的直徑隨著距離中心部分 33的距離的增加而連續(xù)減小。圓周面32與管狀部分22的內(nèi)表面之間的間隙36的寬度隨著離中心部 分33的距離的增大比線性更快地增大。
以這種方式朝向壓縮腔室26擴(kuò)大的間隙36有利于來(lái)自壓縮腔室26的 壓縮氣體的進(jìn)入，使得與純粹圓柱形形式的活塞的情況相比，在中心部 分33附近，通過(guò)在該點(diǎn)處較窄的間隙36的氣流強(qiáng)很多。該氣流使得可實(shí) 現(xiàn)支承作用，這與通過(guò)將氣體經(jīng)由供給孔供給到間隙中的傳統(tǒng)的氣體軸承 的支承作用對(duì)應(yīng)。
僅在壓縮腔室26與活塞25的背面之間不存在壓力差時(shí)，該氣體支承 作用才暫時(shí)地被中斷。對(duì)于整個(gè)汽缸21以傳統(tǒng)的方式被密封且活塞25的 背面與吸入側(cè)腔室29連通的壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，在背離頂板23的活塞運(yùn)動(dòng)換向 點(diǎn)處，可能會(huì)出現(xiàn)這種情況。
如果在從活塞的背面經(jīng)由吸入側(cè)腔室29及其閥27到壓縮腔室26的氣 體路徑上存在流動(dòng)障礙物而在活塞25的向外運(yùn)動(dòng)過(guò)程中使壓縮腔室26中 的壓力下降到低于活塞背面處的壓力-特別地，這種流動(dòng)障礙物可以是閥27 本身，則間隙36中的氣流在活塞的每一運(yùn)動(dòng)循環(huán)中被中斷兩次，即在它達(dá) 到背離頂板23的換向點(diǎn)之前不久和之后不久，結(jié)果導(dǎo)致活塞25與管狀部 分22之間的間隙36中的氣流的方向暫時(shí)換向。為了還能夠增強(qiáng)通向壓縮 腔室26的該氣流而使得它具有支承作用，活塞的直徑從中心部分33向著 外部分35中的背后端面37也連續(xù)減小。
為了在間隙36中的氣流停止時(shí)使由于活塞25與管狀部分22之間的接 觸引起的摩擦磨損最小化，活塞25至少在其中心部分33處的圓周面32和 /或管狀部分22的內(nèi)表面設(shè)有例如由碳化鉤、DLC等構(gòu)成的硬的、耐磨損 的涂層。
圖2示意性地示出了可用于經(jīng)由活塞桿38驅(qū)動(dòng)活塞25的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的 驅(qū)動(dòng)單元。該驅(qū)動(dòng)單元包括具有三個(gè)成對(duì)的相對(duì)的臂3、 4、 5的兩個(gè)E形 軛鐵1。臂3、 4、 5的相互面對(duì)的端部分別構(gòu)成限界出氣隙2的相應(yīng)的極靴 7。環(huán)繞著每個(gè)內(nèi)臂4分別安裝有激勵(lì)繞組8。電流通過(guò)控制電路施加到兩 個(gè)激勵(lì)繞組8，其中，兩個(gè)激勵(lì)繞組8中的電流方向被確定成使中心臂4 的相互面對(duì)的極靴7形成不同的磁極。外臂3和5的極靴分別構(gòu)成與相鄰 的中心臂4不同的磁極。
7在氣隙2中，銜鐵10以可逆地移動(dòng)的方式由兩個(gè)彈簧11懸掛在上、 下?lián)Q向點(diǎn)之間(或更準(zhǔn)確地講，在圖2中為左右換向點(diǎn))。銜鐵10在上、 下?lián)Q向點(diǎn)處的位置分別以實(shí)線和虛線表示。彈簧11均為由金屬片材沖壓出 的板簧，且所述板簧具有多個(gè)Z字形臂12。彈簧11的臂12從銜鐵10上 的作用的中心點(diǎn)彼此鏡像地延伸到剛性框架(未示出)上的懸掛點(diǎn)13，軛 鐵1和壓縮機(jī)錨固到所述剛性框架。該設(shè)計(jì)意味著，彈簧11在銜鐵10的 縱向上以及與其正交的每個(gè)方向上難以變形，使得它們可逆地沿銜鐵10的 縱向引導(dǎo)銜鐵IO。
大致桿形的銜鐵IO包括位于其中心區(qū)域的四磁極的永久磁體14。而在 每個(gè)彈簧11的臂12大致位于相同的平面上時(shí)的彈簧11的松弛位置，磁體 14居中地設(shè)置在氣隙12中，且圖2中的在左、右極之間的邊界線15居中 地通過(guò)中心臂4延伸，當(dāng)電流施加到繞組8時(shí)，銜鐵10根據(jù)電流的方向向 左或向右偏移。
圖3示出了同樣可與圖2所示的驅(qū)動(dòng)單元組合使用的本發(fā)明的壓縮機(jī) 的變型。該壓縮機(jī)具有帶有閥27、 28的頂板23、和帶有腔室29、 30的帽 24，如上面參看圖l所述?；钊?5同樣具有這樣的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有圓柱 形中心部分33、和分別向著端面31、 37收縮的內(nèi)、外部分34、 35。在管 狀部分22中，設(shè)有襯套39，所述襯套39與活塞25和頂板23—起限界出 壓縮腔室26。環(huán)形空腔40位于襯套39與管狀部分22之間，所述環(huán)形空腔 在其背離頂板23的端部處由0形環(huán)41等密封，且經(jīng)由孔42與壓力側(cè)腔室 30連通，所述孔42傾斜地延伸經(jīng)過(guò)管狀部分22和頂板23。
具有幾lOii m的直徑的供給孔43與襯套39相交。供給孔43的軸向 位置被選擇成在由圖中的活塞25的虛線輪廓示出的背離頂板23的活塞 運(yùn)動(dòng)換向點(diǎn)處，供給孔42在活塞的中心部分33的附近，而在面向頂板23 的活塞運(yùn)動(dòng)換向點(diǎn)處，供給孔43與活塞25不必存在軸向重疊位置。當(dāng)活 塞25接近面向頂板23的所述換向點(diǎn)時(shí)，壓縮腔室26中的過(guò)壓足以保持足 夠的氣流通過(guò)間隙36來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的支承作用。當(dāng)活塞25接近背離頂板23 的換向點(diǎn)時(shí)，在壓縮腔室26中沒(méi)有過(guò)壓來(lái)驅(qū)動(dòng)氣流通過(guò)間隙36，氣體支承 作用由供給孔43保持，使得在活塞25的往復(fù)運(yùn)動(dòng)的任何階段均不存在與 襯套39的接觸。由于閥28的作用，即使在活塞25移動(dòng)遠(yuǎn)離頂板23時(shí)，在腔室30中 也保持了持續(xù)的過(guò)壓。所述持續(xù)的過(guò)壓使得供給孔43可連續(xù)地被供給壓縮 氣體。然而，也可想像，對(duì)孔42和空腔40的傳輸特性進(jìn)行優(yōu)化，使得當(dāng) 閥28打開(kāi)而使得新的壓縮空氣從壓縮腔室26流入腔室30時(shí)均會(huì)在腔室30 中產(chǎn)生的壓力脈沖在活塞25處于所述供給孔43的前面時(shí)傳遞通過(guò)孔42和 空腔40并到達(dá)供給孔43。這使得支撐活塞25所需的壓縮空氣的量進(jìn)一步 減少。
因?yàn)閮H需要數(shù)目相對(duì)較少的供給孔43，在此，與具有軸向分布的供給 孔的傳統(tǒng)氣體支承壓縮機(jī)相比，還可降低制造的復(fù)雜性。
在該實(shí)施例中，也可在活塞25和/或管狀部分22上設(shè)置如上所述的硬 涂層，以便在每當(dāng)壓縮機(jī)啟動(dòng)時(shí)而使得腔室30中的壓力還不足以在供給孔 43處產(chǎn)生支承作用的情況下避免摩擦磨損。
與圖1和3類似，圖4示出了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的壓縮機(jī)的第三實(shí)施例 截面。帽24、頂板23和活塞25也與圖l所示的相同。管狀部分22的內(nèi)部 僅在其背離頂板23的端部處被擴(kuò)大，襯套44插入所述擴(kuò)大部分中，并抵 靠著擴(kuò)大部分的肩部48，而且其內(nèi)表面與管狀部分22的未擴(kuò)大的部分的內(nèi) 表面平齊。管狀部分22和襯套44限界出環(huán)形通道45，所述環(huán)形通道45 經(jīng)由孔42與壓力側(cè)腔室30連通。
圖5示出了襯套44的正面視圖。可以看出，均勻地環(huán)繞著圓周分布的 凹槽47被模壓在襯套的端面46中，在組裝狀態(tài)下，所述端面46抵靠在管 狀部分22的對(duì)放大部分進(jìn)行限界的肩部上。與孔不同，可同時(shí)以低的成本 /復(fù)雜性實(shí)施具有幾10Pm的寬度和深度、和實(shí)際任何長(zhǎng)度的凹槽47。與 管狀部分22的肩部48—起，它們限界出供給通道43，壓縮氣體可從環(huán)狀 通道45經(jīng)由供給通道43流到管狀部分22的內(nèi)部，且在活塞25的背離頂 板23的換向點(diǎn)的附近對(duì)活塞25保持支撐。
權(quán)利要求
1. 一種壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括汽缸(22，23)和活塞(25)，所述活塞(25)可以以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式在汽缸(22，23)中移動(dòng)，且具有相對(duì)于運(yùn)動(dòng)方向的橫向間隙，其中，活塞(25)的端面(31)在汽缸(22，23)中對(duì)壓縮腔室(26)限界，其特征在于，活塞(25)的直徑向著端面(31)減小。
2. 如權(quán)利要求1所述的壓縮機(jī)，其特征在于，活塞(25)鄰近于壓縮 腔室(26)具有直徑向著端面(31)減小的部分(34)、和直徑保持恒定的 引導(dǎo)部分(33)。
3. 如權(quán)利要求2所述的壓縮機(jī)，其特征在于，活塞(25)還具有背離 壓縮腔室(26)的部分(35)，所述部分(35)具有向著活塞(25)的背后 端面(37)減小的直徑。
4. 如權(quán)利要求l、 2或3所述的壓縮機(jī)，其特征在于，直徑的減小是連 續(xù)的。
5. 如權(quán)利要求4所述的壓縮機(jī)，其特征在于，變化率從活塞的中心(33) 到端面(31; 37)增大。
6. 如前面權(quán)利要求中任一所述的壓縮機(jī)，其特征在于，汽缸(22， 23) 具有內(nèi)壁，所述內(nèi)壁不具有用于將壓縮氣體供給到內(nèi)壁與活塞(25)之間 的間隙(36)中的供給孔。
7. 如權(quán)利要求1至5中任一所述的壓縮機(jī)，其特征在于，用于供給壓 縮氣體的供給孔(43)設(shè)置在汽缸(22， 23)的內(nèi)壁(39)中，以便在活 塞運(yùn)動(dòng)換向點(diǎn)處對(duì)活塞(25)的面向壓縮腔室(26)的部分(33， 34)進(jìn) 行加壓，在所述活塞運(yùn)動(dòng)換向點(diǎn)處，壓縮腔室(26)處于其最大尺度。
8. 如前面權(quán)利要求中任一所述的壓縮機(jī)，其特征在于，活塞(25)和/ 或汽缸(22， 23)的內(nèi)壁設(shè)有硬的涂層。
9.如權(quán)利要求8所述的壓縮機(jī)，其特征在于，涂層包括碳化物。
10. 如前面權(quán)利要求中任一所述的壓縮機(jī)，其特征在于，活塞(25)連 接到磁銜鐵(10)，所述磁銜鐵(10)可在交變磁場(chǎng)中與活塞(25)的運(yùn)動(dòng) 方向平行地被驅(qū)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種壓縮機(jī)，所述壓縮機(jī)包括汽缸(22，23)和活塞(25)，所述活塞(25)可以以往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方式在所述汽缸(22，23)中移位，且具有相對(duì)于移位方向的橫向間隙。在所述壓縮機(jī)中，活塞(25)的端面(31)在汽缸(22，23)中對(duì)壓縮腔室(26)限界?；钊?25)的直徑向著端面(31)減小。
文檔編號(hào)F04B39/00GK101535644SQ200780041412
公開(kāi)日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2007年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月7日
發(fā)明者J-G·舒伯特 申請(qǐng)人:Bsh博世和西門(mén)子家用器具有限公司