CN101865111B - 一种共振压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种依靠共振原理工作的活塞式压缩机，无须依靠电机或内燃机等原动机，提供了一种共振压缩机，依靠共振原理从工作环境的震动中直接吸取机械量，驱动压缩机工作，是一种余能利用装置。其特征是当通过反馈调节使机构的固有频率与环境震动频率相近时，机构会发生共振，从而产生较大振幅驱动活塞往复式运动压缩制冷剂。本发明在很多有震动的场所如汽车、轮船、火车上都可以应用，通过吸收环境的有害震动的能量运行，既消除有害震动又不耗费其他能量，节能环保；机构紧凑，工作可靠；无需原动件，防爆性好，加工成本低，结构简单，体积小，重量轻。

Description

一种共振压缩机

技术领域

本发明涉及一种依靠共振原理工作的活塞式压缩机。

背景技术

目前，公知的空调制冷用活塞压缩机多为依靠专门的电机或内燃机驱动活塞压缩制冷剂用于制冷。活塞式压缩机具有压缩效率高，结构紧凑等优点。但驱动这种压缩机的电机或内燃机运行时却要耗费优质能源，且具有生产成本和维护成本高、可靠性差、易损坏等缺点。另外，一些空调压缩机如船用空调压缩机、车用空调压缩机一般都工作在震动较大的环境中，而震动的来源为频率较为固定的汽车发动机或船用发动机，这些震动往往是有害的。如果能吸收这些有害的震动的机械能，并使之转化为驱动制冷压缩机工作的动力，既减少了车、船的震动，又为压缩机提供了动力，而且还具有良好的防爆性，那将是一举两得。

压缩机简化模型原理的公式推导如下，模型简化图如附图7所示。

因为

其中T为工作周期，W为压缩机功率，F为活塞压缩空气时所受的平均反作用：F＝πr²p，r为缸径，p为平均输气压力；

又： $\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}c{\left[\stackrel{\·}{v}\left(t\right)\right]}^2\mathrm{dt}=W$

故： ${\∫}_0^T{c\left[\stackrel{\·}{v}\left(t\right)\right]}^2\mathrm{dt}={\∫}_0^{\frac{T}{2}}F\stackrel{\·}{v}\left(t\right)\mathrm{dt}$

所以可求出： $C=\frac{{\∫}_0^{\frac{T}{2}}F\stackrel{\·}{v}\left(t\right)\mathrm{dt}}{{\∫}_0^T{\left[\stackrel{\·}{v}\left(t\right)\right]}^2\mathrm{dt}}$

又根据结构动力学，有滑块运动方程：

其中m为滑块质量，k为弹性元件刚度

起对应的齐次方程为：

通解为：v(t)＝Gexp(st)代入(2)

得：(ms²+cs+k)Gexp(st)＝0

上式除以mGexp(st)并引入如下记号：

则有：

$s^2+\frac{c}{m}s+{\mathrm{\ω}}^2=0---\left(3\right)$

解之得：

$s_{\mathrm{1,2}}=-\frac{c}{2m}\±\sqrt{{\left(\frac{c}{2m}\right)}^2-{\mathrm{\ω}}^2}---\left(4\right)$

令

带入(4)得：s_1，2＝-ξω±iω_D

其中：

为阻尼体系的自震频率

得方程

的解为：

v(t)＝[G₁exp(iω_Dt)+G₂exp(-iω_Dt)]exp(-ξt)                (5)

G₁、G₂为共轭常数。G₁＝G_R+iG_I、G₂＝G_R-iG_I

将欧拉变换：

exp(iθ)＝cosθ+i sinθ   exp(-iθ)＝cosθ-isinθ代入(5)式有：

$v\left(t\right)=[v\left(0\right)\cos {\mathrm{\ω}}_{D}t+\left(\frac{\stackrel{\·}{v}\left(0\right)+v\left(0\right)\mathrm{\ξ\ω}}{{\mathrm{\ω}}_D}\right){\sin \mathrm{\ω}}_{D}t]\exp (-\mathrm{\ξt})$

所以对于简谐激励的情况，有运动方程：

$m\stackrel{\·\·}{v}\left(t\right)+c\stackrel{\·}{v}\left(t\right)+\mathrm{kv}\left(t\right)=\frac{p_0}{m}\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t---\left(6\right)$

此方程的补解为(5)式：v_c(t)＝[G₁exp(iω_Dt)+G₂exp(-iω_Dt)]exp(-ξt)

特解为： $v_p\left(t\right)=G_1\cos \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t+G_2\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t---\left(7\right)$

将式(7)代入式(6)得：

$[-G_1{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^2+G_2\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\left(2\mathrm{\ξ\ω}\right)+G_1{\mathrm{\ω}}^2]\cos \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t$

$+[{-G}_2{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}^2-G_1\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}\left(2\mathrm{\ξ\ω}\right)+G_2{\mathrm{\ω}}^2-\frac{p_0}{m}]\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ωt}}$

为使上式在t取任何值时都成立，需要两个方括号内的量都为零，由此得：

-G₁(1-β²)+G₂(2ξβ)＝0

$G_2(1-{\mathrm{\β}}^2)-G_1\left(2\mathrm{\ξ\β}\right)=\frac{p_0}{k}$

其中 $\mathrm{\β}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\ω}}$

解之得G₁、G₂，并代入(6)，再代入(5)，可得总反应为：

$v\left(t\right)=({A\cos \mathrm{\ω}}_{D}t+{B\sin \mathrm{\ω}}_{D}t)\exp (-\mathrm{\ξ\ωt})$

$+\frac{p_0}{k}\left[\frac{1}{{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\β}\right)}^2}\right][(1-{\mathrm{\β}}^2)\sin \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t-2\mathrm{\ξ\β}\cos \stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}t]$

振幅：

$\mathrm{\ρ}=\frac{p_0}{k}{[{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\β}\right)}^2]}^{-\frac{1}{2}}=\frac{p_0}{k}{[{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+{\left(\frac{c}{\mathrm{m\ω}}\mathrm{\β}\right)}^2]}^{-\frac{1}{2}}$

代入 $\mathrm{\ω}=\sqrt{\frac{k}{m}},$ $\mathrm{\β}=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{\mathrm{\ω}}$ 得：

$\mathrm{\ρ}=\frac{p_0}{k}{[{(1-{\mathrm{\β}}^2)}^2+{\left(2\mathrm{\ξ\β}\right)}^2]}^{-\frac{1}{2}}=\frac{p_0}{k}{[{(1-\frac{m\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{k})}^2+{\left(\frac{c\stackrel{\‾}{\mathrm{\ω}}}{k}\right)}^2]}^{-\frac{1}{2}}$

由以上可见，振幅(即活塞行程)只与质量刚度比和阻尼刚度比有关，又阻尼c已知。故适当调节配重质量和弹性元件刚度即可获得需要的输气量。在弹簧刚度k确定后，只需适当调节m即可。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在保留活塞式压缩机压缩效率高，结构紧凑等优点的前提下，无须依靠电机或内燃机等原动机，提供了一种共振压缩机，依靠共振原理从工作环境的震动中直接吸取机械量，驱动压缩机工作，是一种余能利用装置。

本发明提供了一种共振弹簧阻尼机构。当通过反馈调节使机构的固有频率与环境震动频率相近时，机构会发生共振，从而产生较大振幅驱动活塞往复式运动压缩制冷剂。

本发明采用的技术方案如下：

滑块12、配重器13及活塞11连接构成压缩机的运动部分，运动部分穿过导轨3，通过上弹性元件2和下弹性元件4装配于压缩机顶板1和底座9之间，共同构成压缩机的能量转换机构。在能量转换机构的作用下活塞11在汽缸10内做往复运动压缩制冷剂。装配于配重器13内部的调节器14可以提供配重液供给量沿导管15滑动，起到稳定配重液，防止配重液由于配重的运动而分布不均。配重液由供液调节系统的输液软管穿过导管15及调节器14注入调节器14与配重器13组成的空腔中，导管15可以在顶板1的孔洞中自由滑动。

衬套B固定在滑块12上，固定有活塞11的滑块12通过衬套B在导轨3上自由滑动。上弹性元件2装配在滑块12与顶板1之间。下弹性元件4装配在滑块12与底座9之间。导轨3的一端由螺钉A固定在顶板1上，另一端通过螺纹连接固定在底座9上。配重器13通过螺栓J固定在滑块12上，密封垫H布置在配重器13和滑块12之间起密封作用。下柔性环片阀片6及上柔性环片阀片8由螺钉G固定在阀板7两侧，分别组成出气阀和进气阀。阀板7由开有出气孔E的端盖5固定在底座9上。端盖5由螺钉F固定在底座9上。底座9一侧开有进气口D。气缸10通过螺钉C固定在底座9上。导管15可以在顶板1的孔洞中自由滑动，配重器13的调节器14可以在导管15内自由滑动，密封塞I固定在调节器14底端，起密封作用。本压缩机也可通过设置外壳制成全封闭或半封闭式压缩机。

对于大型船舶，发动机转速变化不大的时，及环境震动频率变化不大时，调节器14及导管15可以省去不装。

本发明具有以下突出效果：在很多有震动的场所如汽车、轮船、火车上可以应用，本发明：通过吸收环境的有害震动的能量运行，既消除有害震动又不耗费其他能量，节能环保；机构紧凑，工作可靠；无需原动件，防爆性好，加工成本低，结构简单，体积小，重量轻。

附图说明

图1是压缩机整体装配半剖图。

图2是压缩机整体装配侧视图。

图3是压缩机整体装配俯视图。

图4是不用经常调节配重时压缩机整体装配半剖图。

图5是不用经常调节配重时压缩机整体装配侧视图。

图6是不用经常调节配重时压缩机整体装配俯视图。

图7是压缩机模型简化图。

图中：1顶板；2上弹性元件；3导轨；4下弹性元件；5端盖；6下柔性环片阀片；7阀板；8上柔性环片阀片；9底座；10气缸；11活塞；12滑块；13配重器；14调节器；15导管；A螺钉；B衬套；C螺钉；D进气口；E出气口；F螺钉；G螺钉；H密封垫；I密封塞；J螺钉。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施：衬套B由减磨材料构成，其作用为便于保证加工精度及减少滑块12与导轨3的摩擦。上弹性元件2及下弹性元件4可由弹簧、弹簧钢片等元件组成。密封垫H，密封塞I由橡胶材料组成，起密封作用，

压缩机安装前，先将外部供液调节系统的输液软管穿过导管15和调节器14。外部供液系统可以根据压缩机运行时外部环境的主要震动频率通过输液软管向调节器14与配重器13组成的空腔中注入配重液起到调节配重器13质量的目的。配重液为粘性和密度均较大的液体组成，如硅油等。

然后将压缩机底座9固定在有震动的平台上，或为压缩机设置外壳制成全封闭或半封闭式压缩机之后固定在有震动的平台上。之后连接好出气口E和进气口D即可。

本发明适于安装在有机械震动的环境中，如汽车、轮船、火车上等。压缩机工作时，由于压缩机固有原频率与环境震动主要频率相近，会使压缩机发生共振，从而使滑块12沿导轨3相对底座9产生幅度较大的往复式运动，驱动活塞11在气缸10内压缩制冷剂做功，并通过下柔性环片阀片6及上柔性环片阀片8组成的排气阀和吸气阀排除和吸进制冷剂，从而起到压缩制冷剂的目的。

Claims (1)

1.一种共振压缩机，其特征是：滑块(12)、配重器(13)及活塞(11)连接构成压缩机的运动部分，运动部分穿过导轨(3)，通过上弹性元件(2)和下弹性元件(4)装配于压缩机顶板(1)和底座(9)之间，共同构成压缩机的能量转换机构；在能量转换机构的作用下活塞(11)在汽缸(10)内做往复运动压缩制冷剂；装配于配重器(13)内部的调节器(14)提供配重液供给量沿导管(15)滑动；配重液由供液调节系统的输液软管穿过导管(15)及调节器(14)注入调节器(14)与配重器(13)组成的空腔中，导管(15)在顶板(1)的孔洞中自由滑动；

衬套(B)固定在滑块(12)上，固定有活塞(11)的滑块(12)通过衬套(B)在导轨(3)上自由滑动；上弹性元件(2)装配在滑块(12)与顶板(1)之间；下弹性元件(4)装配在滑块(12)与底座(9)之间；导轨(3)的一端由螺钉(A)固定在顶板(1)上，另一端通过螺纹连接固定在底座(9)上；配重器(13)通过螺栓(J)固定在滑块(12)上，密封垫(H)布置在配重器(13)和滑块(12)之间；下柔性环片阀片(6)及上柔性环片阀片(8)由螺钉(G)固定在阀板(7)两侧，分别组成出气阀和进气阀；阀板(7)由开有出气孔(E)的端盖(5)固定在底座(9)上；端盖(5)由螺钉(F)固定在底座(9)上；底座(9)一侧开有进气口(D)；气缸(10)通过螺钉(C)固定在底座(9)上；导管(15)在顶板(1)的孔洞中自由滑动，配重器(13)的调节器(14)在导管(15)内自由滑动，密封塞(I)固定在调节器(14)底端。

2.根据权利要求1所述的一种共振压缩机，其特征还在于：压缩机通过设置外壳制成全封闭或半封闭式压缩机。 

Images