一种基于液体活塞的气体压缩装置
技术领域
本发明属于气体压缩技术领域，尤其涉及一种基于液体活塞的气体压缩装置。
背景技术
目前气体高压压缩技术主要采用容积式压缩方式，典型案例就是活塞式压缩机。活塞式压缩机采用固体活塞往复运动压缩缸体工作空间进行气体压缩。活塞则采用连杆与曲柄连接，曲柄由电机驱动，带动活塞往复运动。一般的活塞式压缩机虽然技术成熟，应用广泛，但是金属运动部件多，机械损失、摩擦损耗都较大。金属活塞运动过程中，部分动能由于金属摩擦转变为热量丧失掉，并且还需要对被摩擦金属部件进行冷却和润滑，导致能耗偏高，效率较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于液体活塞的气体压缩装置，利用液压机构形成高压液体，压缩进入工作缸中压力相对较低的气体，当排出高压气体后，再利用缸内残余气体将液体压出工作缸，如此往复运转，达到压缩目的，能够提高整个压缩效率，具有更好地节能和提高效率的潜力。
一种基于液体活塞的气体压缩装置，包括压缩工作缸3、供液调压子系统4以及储液子系统5，其中，所述压缩工作缸3包括缸体、进排气上盖18、进气单向阀19、排气单向阀20、进排液下盖23、进液单向阀21、排液单向阀22以及液位导向机构24；排气上盖18与进排液下盖23分别安装于缸体的两端；进气单向阀19与排气单向阀20设于排气上盖18上，进液单向阀21与排液单向阀22设于进排液下盖23上，液位导向机构24安装于缸体中，并与缸体滑动配合，将缸体分隔为上腔体和下腔体；
所述进气单向阀19用于将待压缩气体输入上腔体；所述排气单向阀20用于在待压缩气体达到指定压力后将压缩后的气体排给外部用气装置；
所述供液调压子系统4用于将储液子系统5中存储的液体吸出并对液体进行加压；
所述进液单向阀21用于将加压后的液体输入下腔体；所述排液单向阀22用于将下腔体中的液体经由供液调压子系统4排回储液子系统5；
所述液位导向机构24用于在下腔体的液体推动下，对上腔体中的待压缩气体进行压缩，直到上腔体中的待压缩气体压力达到指定压力。
进一步地，一种基于液体活塞的气体压缩装置，还包括气体前处理子系统1；
所述气体前处理子系统1用于将待压缩的气体进行预处理后再经由进气单向阀19进入上腔体，其中，所述预处理包括过滤和稳压调节。
进一步地，所述气体前处理子系统1包括进气电控截止阀7、气体过滤器8、压力调节阀9以及压力传感器10；
所述进气电控截止阀7用于控制待压缩气体进入气体过滤器8的时间；
所述气体过滤器8用于过滤待压缩气体中的杂质；
所述压力传感器10用于测量待压缩气体的压力；
所述压力调节阀9用于根据所述压力对待压缩气体进行稳压调节，使得待压缩气体进入进气单向阀19之前维持在设定压力范围内。
进一步地，一种基于液体活塞的气体压缩装置，还包括气体后处理子系统2；
所述气体后处理子系统2用于接收排气单向阀20排出的达到指定压力的气体，并进行后处理，然后再输送给外部用气装置，其中，所述后处理包括干燥、冷却、将压力和温度调至设定范围。
进一步地，所述气体后处理子系统2包括排气电控截止阀15、气液分离器11、冷却换热器12、流量计量器16、压力传感器13、温度传感器14、安全排放阀17；
所述气液分离器11用于分离达到指定压力的气体中的液体；
所述温度传感器14用于测量经过气液分离后的气体的温度；
所述冷却换热器12用于根据所述温度，将经过气液分离后的气体进行冷却，使其达到指定温度；
所述压力传感器13用于测量经过气液分离后的气体的压力；
所述安全排放阀17用于当经过气液分离后的气体的压力超过设定值时，将超压气体排出；
所述流量计量器16用于排出压力未超过设定值且经过气液分离后的气体，并计算排出的气体流量。
进一步地，所述压缩工作缸3还包括安全泄液阀25；
所述安全泄液阀25用于当下腔体的液体压力超过设定值时，将超压液体排出。
进一步地，所述供液调压子系统4包括驱动电机26、液压泵27、溢流阀28、供液调压阀29、供液流量阀30、换向阀31、返液流量阀32、返液调压阀33、泵源压力表34以及返液压力表35；
所述液压泵27用于在驱动电机26的驱动下，吸出储液子系统5中存储的液体；
所述泵源压力表34用于测量液压泵27吸出的液体的压力；
所述溢流阀28用于当液体的压力超过设定值时，排出超压的液体；
所述供液调压阀29用于调节液体的压力，使其维持在设定范围；
所述供液流量阀30用于调节液体的流量，使其维持在设定范围；
所述换向阀31用于改变液体的流向，其中，当进液时，液体的流向为从供液调压子系统4到压缩工作缸3，当排液时，液体的流向为从压缩工作缸3到供液调压子系统4；
所述返液流量阀32用于调节排液单向阀22排出的液体的流量，使其维持在设定范围；
所述返液压力表35用于测量排液单向阀22排出的液体的压力；
所述返液调压阀33用于调节排液单向阀22排出的液体的压力，使其维持在设定范围。
进一步地，所述储液子系统5包括储液箱36、加热器37、冷却器38、液位计39、温度传感器40、通气阀41以及过滤器42；
所述储液箱36用于存储液体；
所述液位计39用于测量液体在储液箱36中的存储量；
所述温度传感器40用于测量储液箱36中液体的温度；
所述加热器37与冷却器38分别用于对储液箱36中的液体进行加热和冷却，使其维持在设定范围；
所述通气阀41用于使储液箱36与大气环境保持连通；
所述过滤器42将供液调压子系统4返回的液体进行过滤。
进一步地，一种基于液体活塞的气体压缩装置，还包括电控子系统6，其中，电控子系统6包括控制电脑43、数据采集器45、执行器44以及安全保护开关46；
所述数据采集器45用于实时采集上腔体的气体压力、下腔体的液体压力、液位导向机构24在缸体中的位置以及供液调压子系统4吸出的液体的压力；
所述控制电脑43用于根据上腔体的气体压力、下腔体的液体压力、液位导向机构24在缸体中的位置以及供液调压子系统4吸出的液体的压力发出控制指令；
所述执行器44用于将所述控制指令转换成开启和关断所述进气单向阀19、排气单向阀20、进液单向阀21、排液单向阀22以及供液调压子系统4的模拟信号；
所述安全保护开关46用于对数据采集器45和执行器44进行过流保护。
有益效果：
本发明提供一种基于液体活塞的气体压缩装置，利用供液调压子系统获取高压液体，再基于液体的不可压缩性，将液体当作软活塞，与液位导向机构相互配合在压缩工作缸内往复运动，从而压缩上腔体中压力相对较低的气体；当排出高压气体后，再利用缸内残余气体将液体压出压缩工作缸的下腔体，如此往复运转，达到不断压缩气体目的；由此可见，本发明将液体当作活塞，使得压缩装置中没有金属运动部件，减少了摩擦损失和压缩噪声，同时液体可以更好地进行散热处理，提高了整个压缩效率，具有更好地节能和提高效率的潜力。
附图说明
图1为本发明提供的一种高压气体压缩的装置的原理图；
图2为本发明提供的气体前处理子系统的原理图；
图3为本发明提供的气体后处理子系统的原理图；
图4为本发明提供的压缩工作缸子系统的原理图；
图5为本发明提供的供液调压子系统的原理图；
图6为本发明提供的储液子系统的原理图；
图7为本发明提供的电控子系统的原理图；
1-气体前处理子系统、2-气体后处理子系统、3-压缩工作缸子系统、4-供液调压子系统、5-储液子系统、6-电控子系统、7-进气电控截止阀、8-气体过滤器、9-压力调节阀、10-压力传感器、11-气液分离器、12-冷却换热器、13-压力传感器、14-温度传感器、15-排气电控截止阀、16-流量计量器、17-安全排放阀、18-进排气上盖、19-进气单向阀、20-排气单向阀、21-进液单向阀、22-排液单向阀、23-进排液下盖、24-液位导向机构、25-安全泄液阀、26-驱动电机、27-液压泵、28-溢流阀、29-供液调压阀、30-供液流量阀31-换向阀、32-返液流量阀、33-返液调压阀34-泵源压力表、35-返液压力表、36-储液箱、37-加热器、38-冷却器、39-液位计、40-温度传感器、41-通气阀、42-过滤器、43-控制电脑、44-执行器、45-数据采集器、46-安全保护开关。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供一种高压气体压缩的装置，主要利用液体活塞技术来实现，其核心原理是利用了液体不可压缩性，通过不断注入和抽出高压液体到压缩工作缸中达到目的。
如图1所示，该装置由气体前处理子系统1、气体后处理子系统2、压缩工作缸3、供液调压子系统4、储液子系统5以及电控子系统6构成。
如图2所示，所述气体前处理子系统能够控制进入压缩工作缸3中的气体压力、流量等特性参数，具体由进气电控截止阀7、气体过滤器8、压力调节阀9、压力传感器10构成，可选的，气体过滤器8应处于压力调节阀9的前端，电控截至阀7是控制必要元件，应布置在气体过滤器8前；所述气体前处理子系统1用于将待压缩的气体进行预处理后再进入压缩工作缸3，其中，所述预处理包括过滤和稳压调节，具体的：
所述进气电控截止阀7用于控制待压缩气体进入气体过滤器8的时间；
所述气体过滤器8用于过滤待压缩气体中的杂质；
所述压力传感器10用于测量待压缩气体的压力；
所述压力调节阀9用于根据所述压力对待压缩气体进行稳压调节，使得待压缩气体进入压缩工作缸3之前维持在设定压力范围内。
如图3所示，所述压缩工作缸3包括缸体、进排气上盖18、进气单向阀19、排气单向阀20、进排液下盖23、进液单向阀21、排液单向阀22、液位导向机构24以及安全泄液阀25；排气上盖18与进排液下盖23分别安装于缸体的两端；进气单向阀19与排气单向阀20设于排气上盖18上，进液单向阀21与排液单向阀22设于进排液下盖23上，液位导向机构24安装于缸体中，并与缸体滑动配合，将缸体分隔为上腔体和下腔体，所述安全泄液阀25安装于下腔体上；
所述进气单向阀19用于将气体前处理子系统1输出的待压缩气体输入上腔体，直到液位导向机构24在待压缩气体的推动下移至设定的下止点液位；所述排气单向阀20用于在待压缩气体达到指定压力之前均处于关闭状态，即在待压缩气体达到指定压力后将压缩后的气体从上腔体中释放，排给气体后处理子系统2；
所述供液调压子系统4用于在液位导向机构24下移至设定的下止点液位后，将储液子系统5中存储的液体吸出并对液体进行加压；
所述进液单向阀21用于将加压后的液体输入下腔体，直到液位导向机构24在液体的推动下移动至设定的上止点液位；所述排液单向阀22用于在供液调压子系统4开始吸出液体后，液位导向机构24移动至上止点液位前，均处于关闭状态；也就是说，排液单向阀22在达到指定压力的待压缩气体从上腔体中释放出一定量后，再将下腔体中的液体经由供液调压子系统4排回储液子系统5；
所述液位导向机构24用于在下腔体的液体推动下，对上腔体中的待压缩气体进行压缩，直到上腔体中的待压缩气体压力达到指定压力，排气单向阀20将达到指定压力的气体排给气体后处理子系统2，经气体后处理子系统2进行后处理后，再传输给外部的用气装置，其中，所述后处理包括干燥、冷却、将压力和温度调至设定范围；
所述安全泄液阀25用于当下腔体的液体压力超过设定值时，将超压液体排出，保障压缩压力处于安全区间。
需要说明的是，液位导向机构还可以集成液位计和压力传感器，采集液位信息和压力信息，发送给电控子系统，再由电控子系统引导进排液阀的开闭；安全泄液阀应处于缸体下部，保证高压液体排出；此外，如果需要电控子系统来控制进气单向阀、排气单向阀的开启和导通，可以在进气单向阀、排气单向阀上分别设置一个进气压力传感器和排气压力传感器，通过这两个传感器测量进气单向阀、排气单向阀处的压力，然后将压力值反馈给电控子系统，最后电控子系统根据压力值发出相关指令。
如图4所示，所述气体后处理子系统2可以控制排放气体的干度、压力、温度的参数，保障后续装置或设备的安全与正常运行，具体包括排气电控截止阀15、气液分离器11、冷却换热器12、流量计量器16、压力传感器13、温度传感器14、安全排放阀17；
所述气液分离器11用于分离达到指定压力的气体中的液体；
所述温度传感器14用于测量经过气液分离后的气体的温度；
所述冷却换热器12用于根据所述温度，将经过气液分离后的气体进行冷却，使其达到指定温度；
所述压力传感器13用于测量经过气液分离后的气体的压力；
所述安全排放阀17用于当经过气液分离后的气体的压力超过设定值时，将超压气体排出；
所述流量计量器16用于排出压力未超过设定值且经过气液分离后的气体，并计算排出的气体流量。
需要说明的是，高压排气应先进行高压气液分离，分离后需对气体进行冷却降温，高压气体的压力控制由压力传感器、电控截至阀和安全泄压阀综合控制，流量计应安装在最后部分，防止超压、超温、液滴对流量计的损坏。
如图5所示，所述供液调压子系统4包括驱动电机26、液压泵27、溢流阀28、供液调压阀29、供液流量阀30、换向阀31、返液流量阀32、返液调压阀33、泵源压力表34以及返液压力表35；
所述液压泵27用于在驱动电机26的驱动下，吸出储液子系统5中存储的液体；
所述泵源压力表34用于测量液压泵27吸出的液体的压力；
所述溢流阀28用于当液体的压力超过设定值时，排出超压的液体；
所述供液调压阀29用于调节液体的压力，使其维持在设定范围；
所述供液流量阀30用于调节液体的流量，使其维持在设定范围；
所述换向阀31用于改变液体的流向，其中，当进液时，液体的流向为从供液调压子系统4到压缩工作缸3，当排液时，液体的流向为从压缩工作缸3到供液调压子系统4；
所述返液流量阀32用于调节排液单向阀22排出的液体的流量，使其维持在设定范围；
所述返液压力表35用于测量排液单向阀22排出的液体的压力；
所述返液调压阀33用于调节排液单向阀22排出的液体的压力，使其维持在设定范围。
由此可见，驱动电机与液压泵形成供液单元；安全溢流阀保障液压管理压力安全；压力调节阀、流量调节阀控制供液管路流量与压力；返液调压阀、返液流量阀控制返回液体压力和流量；换向阀控制对压缩工作缸进排液单向阀的供液和返液。
需要说明的是，换向机构不但起到液体供给和返回的作用，还起到保证压力平衡的作用，供液和返液都应设计调压和调流量的阀门，保证压力和流量安全可靠的进入和排出工作缸内；同时，还可以在供液调压阀29与供液流量阀30之间设置一个手动截止阀，手动截止阀起到开启、切断供液管路的作用。
如图6所示，所述储液子系统5包括储液箱36、加热器37、冷却器38、液位计39、温度传感器40、通气阀41以及过滤器42；
所述储液箱36用于存储液体；
所述液位计39用于测量液体在储液箱36中的存储量；
所述温度传感器40用于测量储液箱36中液体的温度；
所述加热器37与冷却器38分别用于对储液箱36中的液体进行加热和冷却，用于带走液体多余热量或为液体提供热量，使其维持在设定范围；
所述通气阀41用于使储液箱36与大气环境保持连通，保障储液箱内压力处于安全状态不会影响冷却器、加热器、液位计的正常运行；
所述过滤器42将供液调压子系统4返回的液体进行过滤。
如图7所示，电控子系统6包括控制电脑43、数据采集器45、执行器44以及安全保护开关46；
所述数据采集器45用于实时采集上腔体的气体压力、下腔体的液体压力、液位导向机构24在缸体中的位置以及供液调压子系统4吸出的液体的压力；
所述控制电脑43用于根据上腔体的气体压力、下腔体的液体压力、液位导向机构24在缸体中的位置以及供液调压子系统4吸出的液体的压力发出控制指令；
所述执行器44用于将所述控制指令转换成开启和关断所述进气单向阀19、排气单向阀20、进液单向阀21、排液单向阀22以及供液调压子系统4的模拟信号；
所述安全保护开关46用于对数据采集器45和执行器44进行过流保护。
由此可见，本发明的气体压缩装置，通过液体提供压力，压缩气体，达到高压压缩的目的，其中包含气体前处理子系统1、气体后处理子系统2，两者用于进气、排气的处理；主要压缩过程在压缩工作缸子系统3内完成；液体压力流量由供液调压子系统4向工作缸提供；储液子系统5存储液体，并对液体进行过滤、加热、冷却处理；各子系统反馈信息给电控系统6并由电控系统控制装置正常运行。
下面将具体描述本发明提供的气体压缩装置的理论原则和工作过程：
首先，低压力气源提供压力较低的气体，进入气体前处理子系统1中。由电控截止阀7控制低压气体进入装置的时机，以及安全关闭进气管路。低压气体通过过滤器8过滤气体中固体杂质，防止损坏后续装置部件。压力调节阀9和压力传感器10相互配合，对进气压力进行稳压调节，使气体压力在进入压缩工作缸3前始终处于压力恒定供应状态。
气体进入压缩工作缸3后，流经进排气上盖18中的进气单向阀19进入压缩腔室内部，此时排气单向阀20处于关闭状态，直到液位导向机构24在待压缩气体的推动下移至设定的下止点液位，同时，若此时下腔体有液体，则液体可以通过进排液下盖23中的进液单向阀21、排液单向阀22进入和排出缸体；然后，进气单向阀19、排气单向阀20、排液单向阀22关闭，进液单向阀21打开，高压液体不断注入缸内压缩腔室，即下腔体中，压缩上腔体中的气体。当气体压力上升达到排气指定压力后，排气单向阀20打开，进液单向阀21继续打开，进气单向阀19、排液单向阀22仍然处于关闭状态，直到液位导向机构24移动至缸内的上止点液位，排液单向阀22打开，排气单向阀20、进液单向阀21关闭，进气单向阀19仍处于关闭状态。缸内压力随液体不断排出而下降，当气体压力下降到进气指定压力后，进气单向阀19打开，排液单向阀22仍处于打开状态，直到液位导向机构24达到下止点液位的位置，进气单向阀19关闭，气体压缩装置重复上述操作达到多次气体压缩的目的。液位导向机构24向电控子系统6反馈信息，再由电控子系统6控制进液单向阀21、排液单向阀22的开启与关闭。如果缸内压力出现异常升高，将由安全泄液阀25将超压液体排出缸内，保证压缩工作状态正常。
压缩后的高压气体由进排气上盖18中的排气单向阀20进入气体后处理子系统2。气体首先会流经高压气液分离器11，将可能带出的液体微滴与高压气体进行分离，保证气体干度。再由冷却换热器12将气体进行冷却，达到合适温度。由压力传感器13、温度传感器14反馈气体压力、温度信号给电控子系统，调整压缩过程和冷却量，使高压气体处于安全压力、温度范围。如果压力超过要求，由安全排放阀17将超压气体排出系统，保障后续装置安全。排气电控截至阀15用于管理排气管理开闭。最后由流量计量器16计量排出系统的气体流量，判断是否达到设计要求流量。
进入压缩工作缸3的液体由供液调压子系统4供给及调整。液体由液压泵27从储液子系统5中吸出，驱动电机26负责驱动液压泵27。液压管路上配置溢流阀28，控制液体压力。供液调压阀29对液体压力进行调节，供液流量阀30对液体流量进行调节。由换向阀31管理液体流向，随时根据压缩工作缸3中液位导向机构24的反馈信息和各种压力传感器反馈信息，调节液体供给方向给进液单向阀21和排液单向阀22。在返回的高压液体则经过返液流量阀32、返液调压阀33安全的返回储液子系统中。而泵源压力表34、返液压力表35则为电控子系统6提供液体流动压力信息，用于系统控制。
液体存储于储液子系统5中，其功能除了保存液体外，还有冷却、加热、过滤、液位指示、箱体排气等功能。其中，加热器37和冷却器38起到加热和冷却液体的作用，可以设计为外置式或内置式。液位计39用来指示储存液体的量。温度传感器40用来反馈储存在储液箱36中的液体温度。返回该储液子系统5的液体需要经过过滤器42，保证返回的液体纯净度。
整个气体压缩装置由电控子系统6进行总体控制。其中，数据采集器45和执行器44通过安全保护开关46采集各子系统信息及向各子系统发出由控制电脑给出的控制指令，然后各子系统按照发出的指令执行。控制电脑43用于运行数据，发出控制指令，也即从数据采集器45收集各子系统信息，并按照设定通过执行器44控制各子系统运行，保障装置正常运转；安全保护开关保护数据采集器与执行器的操作安全。
需要说明的是，由于低于4MPa的气体不具有快速反应的良好被压缩能力，且如果缸内压力太低，将不能保证液体排除缸内；同时，若气体和液体压力较大，如超过100MPa，缸体结构强度将面临不耐受的风险；因此，为了得到更好的压缩效果，本发明的气体压缩装置更适用于压力在4～100MPa之间的气体压缩。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
