一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，屬于膨脹機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】。包括缸蓋、異形活塞、缸體、回位裝置、油環(huán)、氣環(huán)、連桿固定螺母、活塞連桿。本膨脹機(jī)通過(guò)輸入高壓氣體推動(dòng)自由活塞膨脹機(jī)中的活塞運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利用異形活塞的壁面對(duì)進(jìn)排氣口進(jìn)行密封，達(dá)到被動(dòng)進(jìn)氣和膨脹做功的目的。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，利用氣環(huán)對(duì)膨脹機(jī)中的氣體進(jìn)行密封，利用油環(huán)完成布油和刮油工作，實(shí)現(xiàn)良好的密封性和潤(rùn)滑性。與現(xiàn)有膨脹機(jī)相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、膨脹比可變、摩擦損失小等優(yōu)點(diǎn)，且具有較為廣泛的應(yīng)用前景。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于膨脹機(jī)【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種新型被動(dòng)進(jìn)氣式膨脹裝置，尤其涉及 一種利用高壓氣體驅(qū)動(dòng)的自由活塞膨脹裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 自上個(gè)世紀(jì)70年代能源危機(jī)的蔓延和發(fā)展，世界各國(guó)科研人員對(duì)能源的回收再 利用越來(lái)越重視。在能源回收的途徑上，余熱回收是現(xiàn)今較為成熟的技術(shù)。在余熱回收系 統(tǒng)中，作為動(dòng)力輸出的膨脹機(jī)的形式有很多種，對(duì)于新興的自由活塞膨脹機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn) 單，膨脹比大，體積小等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越得到重視。但由于其自身特點(diǎn)，裝置中無(wú)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，因 此無(wú)法采用常規(guī)的進(jìn)排氣方式，因此適時(shí)適當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由膨脹機(jī)顯得 十分必要。
[0003] 為解決上述問(wèn)題，本實(shí)用新型提出一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由膨脹機(jī)。該裝置利用異形 活塞結(jié)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)控制進(jìn)排氣門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉，達(dá)到被動(dòng)進(jìn)排氣的目的。并可將其應(yīng)用在制 冷循環(huán)系統(tǒng)、有機(jī)工質(zhì)余熱回收系統(tǒng)等中，擔(dān)任系統(tǒng)的膨脹裝置。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 本實(shí)用新型目的在于提供一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，該膨脹機(jī)通過(guò)輸入高 壓氣體推動(dòng)自由活塞膨脹機(jī)中的異形活塞向排氣口運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，進(jìn)氣口自動(dòng)關(guān)閉，排 氣口自動(dòng)打開(kāi)，膨脹后氣體排出后，活塞在回位裝置的推動(dòng)下回到起始位置，完成整個(gè)循 環(huán)。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹 機(jī)，其特征在于，該膨脹機(jī)包括缸蓋（1)、異形活塞（2)、缸體（3)、回位裝置（4)、固定螺栓、 油環(huán)（10)、氣環(huán)（11)、連桿固定螺母（13)、活塞連桿（14)。缸蓋（1)、缸體（3)均為桶狀， 缸蓋⑴的底端封閉，缸體⑶套在缸蓋⑴封閉的一端的外面，缸蓋⑴的另一端與缸體 ⑶固定密封在一起，缸體⑶和缸蓋⑴的桶壁之間留有空隙，缸蓋⑴的底端、缸體（3) 的底端之間形成腔體，異形活塞（2)為桶狀結(jié)構(gòu)，異形活塞（2)的桶壁位于缸蓋（1)、缸體 ⑶兩桶壁之間，異形活塞⑵桶狀結(jié)構(gòu)的底端位于缸蓋⑴的底端、缸體⑶的底端之間 形成腔體內(nèi)，缸體（3)上布置有潤(rùn)滑油進(jìn)油口 ￠)、兩個(gè)進(jìn)氣口（7)、兩個(gè)排氣口（8)、潤(rùn)滑油 排油口（9)，兩個(gè)進(jìn)氣口（7)在腔體對(duì)應(yīng)的缸體（3)桶壁上徑向?qū)?yīng)，兩個(gè)排氣口（8)在腔 體對(duì)應(yīng)的缸體（3)桶壁上徑向?qū)?yīng)，異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的底端通過(guò)活塞連桿（14)與回 位裝置（4)相連接；活塞連桿（14)通過(guò)連桿固定螺母（13)與異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的底 端固定連接，活塞連桿（14)穿過(guò)缸體（3)的底端；缸蓋（1)上布置有一道油環(huán)（10)和兩道 氣環(huán)（11)用于缸蓋（1)與異形活塞（2)之間的密封，異形活塞（2)上布置有兩道油環(huán)（10) 和四道氣環(huán)（11)，其中一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)為一組，另外一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)為 一組，優(yōu)選當(dāng)異形活塞（2)的通孔（12)與排氣口（8)對(duì)應(yīng)時(shí)，進(jìn)氣口（7)的左右兩側(cè)分別 有一組異形活塞（2)上布置的油環(huán)和氣環(huán)。
[0006] 缸蓋（1)的另一端與缸體（3)通過(guò)固定螺栓連接并固定。
[0007] 異形活塞（2)的桶壁上布置有兩通孔（12)，通孔（12)靠近異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu) 的底端，兩通孔（12)在異形活塞（2)的桶壁上徑向?qū)?yīng)，缸蓋與缸體通過(guò)固定螺栓連接并 固定，異形活塞與活塞連桿通過(guò)連桿固定螺母固定，異形活塞安裝在缸體內(nèi)，并通過(guò)缸蓋與 缸體進(jìn)行定位，活塞連桿與回位裝置相連接；缸蓋上布置有一道油環(huán)和兩道氣環(huán)，異形活塞 上布置有兩道油環(huán)和四道氣環(huán)。
[0008] 通孔（12)與進(jìn)氣口（7)和排氣口⑶的孔徑相同，且通過(guò)異形活塞⑵通孔（12) 可分別依次與進(jìn)氣口（7)和排氣口（8)重疊。
[0009] 排氣口⑶相比進(jìn)氣口（7)更靠近缸體（3)的底端。
[0010] 本實(shí)用新型的一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)的工作原理：當(dāng)異形活塞（2)上的 通孔（12)與缸體（3)上的進(jìn)氣口（7)貫通時(shí)，自由活塞膨脹機(jī)處于進(jìn)氣過(guò)程，高壓氣體流 經(jīng)進(jìn)氣口（7)和通孔（12)，進(jìn)入異形活塞（2)內(nèi)，異形活塞（2)在高壓氣體與回位裝置（4) 的共同作用下，向排氣口（8)方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)異形活塞（2)上的通孔（12)位于進(jìn)氣口（7)與 排氣口（8)之間，且不與二者貫通時(shí)，自由活塞膨脹機(jī)處于膨脹過(guò)程，此時(shí)進(jìn)氣口（7)被異 形活塞⑵的壁面封閉；當(dāng)異形活塞⑵上的通孔（12)與缸體（3)上的排氣口⑶貫通 時(shí)，自由活塞膨脹機(jī)處于排氣過(guò)程，膨脹后氣體流經(jīng)通孔（12)和排氣口（8)，排出自由活塞 膨脹機(jī)，異形活塞（2)在殘余氣體與回位裝置（4)的共同作用下，減速至靜止，并反向加速， 向進(jìn)氣口（7)方向運(yùn)動(dòng)。
[0011] 在自由活塞膨脹機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可從潤(rùn)滑油進(jìn)油口（6)注入潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油流經(jīng) 缸蓋（1)與異形活塞（2)接觸表面和異形活塞（2)與缸體（3)接觸表面，最終從潤(rùn)滑油排 油口（9)排出自由活塞膨脹機(jī)。
[0012] 在自由活塞膨脹機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，缸蓋（1)上布置的氣環(huán)（11)可對(duì)異形活塞（2)內(nèi) 部氣體進(jìn)行密封，缸蓋（1)上布置的油環(huán)（10)可在異形活塞（2)的表面上完成布油和刮 油；異形活塞（2)上布置的氣環(huán)（11)可對(duì)進(jìn)氣口（7)進(jìn)行密封，異形活塞（2)上布置的油 環(huán)（10)可在缸體（3)的表面上完成布油和刮油。
[0013] 本膨脹機(jī)通過(guò)輸入高壓氣體推動(dòng)自由活塞膨脹機(jī)中的活塞運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中利 用異形活塞的壁面對(duì)進(jìn)排氣口進(jìn)行密封，達(dá)到被動(dòng)進(jìn)氣和膨脹做功的目的。同時(shí)，在運(yùn)動(dòng) 過(guò)程中，利用氣環(huán)對(duì)膨脹機(jī)中的氣體進(jìn)行密封，利用油環(huán)完成布油和刮油工作，實(shí)現(xiàn)良好的 密封性和潤(rùn)滑性。與現(xiàn)有膨脹機(jī)相比，本實(shí)用新型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、膨脹比可變、摩擦損失小 等優(yōu)點(diǎn)，且具有較為廣泛的應(yīng)用前景。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0015] 1、該膨脹機(jī)采用被動(dòng)進(jìn)氣的方案，不用增加其他附屬機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)額外能量 輸入。
[0016] 2、該膨脹機(jī)中的三組活塞環(huán)（一道油環(huán)、兩道氣環(huán)）可以在對(duì)氣體進(jìn)行密封的同 時(shí)，完成對(duì)潤(rùn)滑油的刮油和布油，解決現(xiàn)有自由活塞膨脹機(jī)的潤(rùn)滑問(wèn)題。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1為圖2被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)的A-A剖面圖。
[0018] 附圖2為被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)的正視圖；
[0019] 圖中：1、缸蓋；2、異形活塞；3、缸體；4、回位裝置；5、固定螺栓；6、潤(rùn)滑油進(jìn)油口； 7、進(jìn)氣口；8、排氣口；9、潤(rùn)滑油排油口； 10、油環(huán)；11、氣環(huán)；12、通孔；13、連桿固定螺母； 14、活塞連桿。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 以下將結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明。
[0021] 被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)包括缸蓋（1)、異形活塞（2)、缸體（3)、回位裝置（4)、 固定螺栓（5)、油環(huán)（10)、氣環(huán)（11)、連桿固定螺母（13)、活塞連桿（14);缸體⑴上布置 有潤(rùn)滑油進(jìn)油口（6)、兩個(gè)對(duì)置的進(jìn)氣口（7)、兩個(gè)對(duì)置的排氣口（8)、潤(rùn)滑油排油口（9)，異 形活塞（2)上布置有兩個(gè)對(duì)置的通孔（12);缸蓋（1)與缸體（3)通過(guò)十二個(gè)固定螺栓（5) 連接并固定；異形活塞（2)與活塞連桿（14)通過(guò)連桿固定螺母（13)固定，異形活塞（2)安 裝在缸體（3)內(nèi)，并通過(guò)缸蓋（1)與缸體（3)進(jìn)行定位，活塞連桿（14)與回位裝置（4)相 連接；缸蓋（1)上依次布置有一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)（11)，氣環(huán)（10)靠近異形活塞（2) 內(nèi)的空腔，異形活塞（2)上布置有兩道油環(huán)（10)和四道氣環(huán)（11)，每組密封環(huán)均以兩道氣 環(huán)（11)和一道油環(huán)（10)依次布置，且油環(huán)（10)均靠近潤(rùn)滑油排油口（9)。
[0022] 本實(shí)用新型的被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)中異形活塞（2)的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力來(lái)自高壓 氣體在異形活塞（2)內(nèi)的膨脹做功，高壓氣體通過(guò)進(jìn)氣口（7)進(jìn)入膨脹機(jī)，膨脹做功后經(jīng) 由排氣口（8)排出膨脹機(jī)。當(dāng)異形活塞（2)上的通孔（12)與缸體（3)上的進(jìn)氣口（7)貫 通時(shí)，自由活塞膨脹機(jī)處于進(jìn)氣過(guò)程，高壓氣體流經(jīng)進(jìn)氣口（7)和通孔（12)，進(jìn)入異形活塞 (2)內(nèi)，異形活塞（2)在高壓氣體與回位裝置（4)的共同作用下，向排氣口（8)方向運(yùn)動(dòng)； 當(dāng)異形活塞（2)上的通孔（12)位于進(jìn)氣口（7)與排氣口（8)之間，且不與二者貫通時(shí)，自 由活塞膨脹機(jī)處于膨脹過(guò)程，此時(shí)進(jìn)氣口（7)被異形活塞（2)的壁面封閉；當(dāng)異形活塞（2) 上的通孔（12)與缸體（3)上的排氣口（8)貫通時(shí)，自由活塞膨脹機(jī)處于排氣過(guò)程，膨脹后 氣體流經(jīng)通孔（12)和排氣口（8)，排出自由活塞膨脹機(jī)，異形活塞（2)在殘余氣體與回位裝 置（4)的共同作用下，減速至靜止，并反向加速，向進(jìn)氣口（7)方向運(yùn)動(dòng)，直到異形活塞（2) 上的通孔（12)與進(jìn)氣口（7)再次貫通，整個(gè)循環(huán)結(jié)束。
[0023] 本實(shí)用新型提出一種新型的潤(rùn)滑密封結(jié)構(gòu)：分別在缸蓋（1)和異形活塞（2)上布 置三組密封活塞，在異形活塞（2)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，缸蓋（1)上布置的氣環(huán)（11)可對(duì)異形活塞 (2)內(nèi)部氣體進(jìn)行密封，確?？涨粌?nèi)的氣密性，缸蓋（1)上布置的油環(huán)（10)可在異形活塞 (2)的表面上完成布油和刮油，保證異形活塞（2)運(yùn)動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑，并把壁面上多余的潤(rùn)滑油 排出空腔內(nèi)；異形活塞（2)上布置的氣環(huán)（11)可對(duì)進(jìn)氣口（7)進(jìn)行密封，防止高壓氣體在 排氣過(guò)程中串入異形活塞（2)的空腔和潤(rùn)滑油進(jìn)油口（6)處，影響膨脹機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，異形 活塞（2)上布置的油環(huán)（10)可在缸體（3)的表面上完成布油和刮油，保證異形活塞（2)運(yùn) 動(dòng)時(shí)的潤(rùn)滑，并把壁面上多余的潤(rùn)滑油排向潤(rùn)滑油排油口（9)。
[0024] 本實(shí)用新型的被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)利用壁面與密封環(huán)組合式密封的方法， 解決了現(xiàn)今自由活塞膨脹機(jī)難匹配進(jìn)氣機(jī)構(gòu)，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行潤(rùn)滑難的問(wèn)題，且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 膨脹比可變等優(yōu)點(diǎn)，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。
【權(quán)利要求】
1. 一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，其特征在于，該膨脹機(jī)包括缸蓋（1)、異形活塞 (2)、缸體（3)、回位裝置（4)、油環(huán)（10)、氣環(huán)（11)、連桿固定螺母（13)、活塞連桿（14)，缸 蓋（1)、缸體（3)均為桶狀，缸蓋（1)的底端封閉，缸體（3)套在缸蓋（1)封閉的一端的外 面，缸蓋⑴的另一端與缸體⑶固定密封在一起，缸體⑶和缸蓋⑴的桶壁之間留有 空隙，缸蓋（1)的底端、缸體（3)的底端之間形成腔體，異形活塞（2)為桶狀結(jié)構(gòu)，異形活塞 (2)的桶壁位于缸蓋（1)、缸體（3)兩桶壁之間，異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的底端位于缸蓋（1) 的底端、缸體（3)的底端之間形成腔體內(nèi)，缸體（3)上布置有潤(rùn)滑油進(jìn)油口（6)、兩個(gè)進(jìn)氣口 (7)、兩個(gè)排氣口（8)、潤(rùn)滑油排油口（9)，兩個(gè)進(jìn)氣口（7)在腔體對(duì)應(yīng)的缸體（3)桶壁上徑 向?qū)?yīng)，兩個(gè)排氣口（8)在腔體對(duì)應(yīng)的缸體（3)桶壁上徑向?qū)?yīng)，異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的 底端通過(guò)活塞連桿（14)與回位裝置（4)相連接；活塞連桿（14)通過(guò)連桿固定螺母（13)與 異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的底端固定連接，活塞連桿（14)穿過(guò)缸體（3)的底端；缸蓋（1)上 布置有一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)（11)用于缸蓋（1)與異形活塞（2)之間的密封，異形活 塞（2)上布置有兩道油環(huán)（10)和四道氣環(huán)（11)，其中一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)為一組，另 外一道油環(huán)（10)和兩道氣環(huán)為一組； 異形活塞（2)的桶壁上布置有兩通孔（12)，通孔（12)靠近異形活塞（2)桶狀結(jié)構(gòu)的底 端，兩通孔（12)在異形活塞（2)的桶壁上徑向?qū)?yīng)；通孔（12)與進(jìn)氣口（7)和排氣口（8) 的孔徑相同，且通過(guò)異形活塞（2)通孔（12)可分別依次與進(jìn)氣口（7)和排氣口（8)重疊。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，其特征在于，缸蓋（1)的另 一端與缸體（3)通過(guò)固定螺栓連接并固定。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，其特征在于，排氣口（8)相 比進(jìn)氣口（7)更靠近缸體（3)的底端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種被動(dòng)進(jìn)氣式自由活塞膨脹機(jī)，其特征在于，當(dāng)異形活塞 (2)的通孔（12)與排氣口（8)對(duì)應(yīng)時(shí)，進(jìn)氣口（7)的左右兩側(cè)分別有一組異形活塞（2)上 布置的油環(huán)和氣環(huán)。
【文檔編號(hào)】F01B11/00GK203891939SQ201420027589
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】趙光耀, 王艷, 劉昊, 恒江, 張紅光 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)