循环式气体动力装置

技术领域

本发明涉及动力装置，具体的是一种循环式气体动力装置。

背景技术

气动元件是通过气体的压强或膨胀产生的力来做功的元件，即将压缩空气的弹性能量转换为动能的机件，如气缸、气动马达、蒸汽机等，气缸是气压传动中将压缩气体的压力能转换为机械能的气动执行元件。气缸有做往复直线运动的和做往复摆动两种类型。做往复直线运动的气缸又可分为单作用气缸和双作用气缸，双作用气缸内部被活塞分成两个腔，有活塞连杆的腔称为有杆腔，没有活塞连杆的腔称为无杆腔，当从无杆腔输入压缩空气时，有杆腔排气，气缸两腔的压力差作用在活塞连杆上所形成的力克服阻力负载，推动活塞运动，使活塞连杆伸出，当有杆腔进气，无杆腔排气，使活塞缩回。有杆腔和无杆腔交替进气和排气，活塞实现往复直线运动。

双作用气缸中，活塞做往复运动，当活塞由缸体的A端运动至B端时，活塞和A端之间充斥着压缩空气。当活塞由缸体的B端运动回A端时，需要在B端和活塞之间充入压缩空气，在此之前，首先需要排除活塞和A端之间的压缩空气，以增大活塞两侧的压力差，从而为活塞提供足够的动力，以克服阻力和负载。压缩空气本身含有很多的压力能，排到大气中无疑是一种浪费，降低了能量的利用效率。

虽然，通过储气罐和抽气泵可以将双作用气缸中待排走的压缩空气抽进储气罐内进行回收，但在抽气的过程中，待回收的压缩空气所处的缸体腔室内，随着压缩气体被不断排走，其压强逐渐降低，抽气泵所消耗的实际功率不断增加，也就意味这，抽气泵工作时的功率不断变化，这无疑会降低抽气泵的使用寿命。此外，抽气泵缸体腔室内的压缩空气全部抽到出气罐中，需要一定的时间，这会影响整个双作用气缸动作的连贯性。

发明内容

本发明的目的是提供一种节能气缸，可有效的将排入大气中的压缩空气进行回收，以较小的压差重新补充回压缩气源中，从而提高气缸的能量利用效率，同时也使整个装置保持连贯，提高抽气泵的使用寿命。

本发明的技术方案是：

一种循环式气体动力系统，包括储气罐、双作用气缸和抽气泵，所述储气罐分别与双作用气缸缸筒的两端相连通，所述抽气泵的进气端分别与双作用气缸缸筒内活塞两侧的气缸内腔相连通，抽气泵的出气端与储气罐相连通，所述双作用气缸和抽气泵之间设有升压装置，所述升压装置包括气压转换缸、排气缸和导压装置，所述气压转换缸包括密封的缸筒、沿缸筒轴线贯穿缸筒的硬质液压油管、固定塞和位于缸筒内的“工”字形活塞，所述“工”字形活塞由第一左活塞、第一右活塞和连接第一左活塞、第一右活塞的第一活塞连杆组成，所述液压油管贯穿“工”字形活塞，第一左活塞和第一右活塞与液压油管之间密封且可相对滑动，所述第一活塞连杆为中空管状结构，第一活塞连杆内充盈有液压油，第一活塞连杆同轴套于液压油管外侧，所述固定塞中部设有与液压油管相配合的通孔，固定塞内侧与液压油管固定且密封相连，液压油管为铁管，液压油管与缸筒的两端固定相连，从而使固定塞始终位于缸筒内的固定位置，固定塞外侧与第一活塞连杆密封且滑动连接，固定塞处两侧的液压油管不连通，液压油管与固定塞连接处的管壁上设有通孔；所述排气缸包括密封的缸筒和“工”字形活塞，所述缸筒的中部设有间隔壁，所述“工”字形活塞由第二左活塞、第二右活塞和连接第二左活塞、第二右活塞的第二活塞连杆组成，第二活塞连杆贯穿间隔壁，第二活塞连杆与间隔壁密封且相对滑动；所述导压装置包括密闭的压力罐和位于压力罐内结构相同的第一升压缸和第二升压缸，第一升压缸包括缸筒和设置于缸筒内的“工”字形活塞，所述“工”字形活塞由上活塞、下活塞和连接上、下活塞的第三活塞连杆组成，所述缸筒的侧壁上设有连通压力罐和第三活塞连杆所处的缸筒内腔的通孔，所述下活塞设有连通下活塞上、下两个侧面的通道，所述通道内设有单向阀；所述双作用气缸的左端通过设有电磁阀的管路分别与气压转换缸的两端相连，双作用气缸的右端通过设有电磁阀的管路分别与气压转换缸的两端相连，所述液压油管的右端通过管路与第一升压缸的上端相连通，液压油管的左端通过管路与第二升压缸的上端相连通，第一升压缸的下端通过设有单向阀的管路与排气缸的右端相连通，第二升压缸的下端通过设有单向阀的管路与排气缸的左端相连通，排气缸内左活塞与间隔壁形成的腔室分别通过设有单向阀的管路与气压转换缸的左端和压力罐相连通，排气缸内右活塞与间隔壁形成的腔室分别通过设有单向阀的管路与气压转换缸的右端和压力罐相连通，排气缸的左右两端分别通过设有电磁阀的管路与抽气泵相连，储气罐和压力罐之间通过设有单向阀的管路相连通。

优选的，所述储气罐上连接有备用储气罐。

循环式气体动力系统的使用方法，双作用气缸中：活塞与缸筒右端形成A1腔，活塞与缸筒左端形成A2腔；气压转换缸中，第一右活塞与缸筒右端形成B1腔，第一左活塞与缸筒左端形成B2腔；气压转换缸第一活塞连杆内，第一右活塞与固定塞之间形成B3腔，第一左活塞与固定塞之间形成B4腔；排气缸内，第二右活塞与缸筒右端之间形成C1腔，第二左活塞与缸筒左端之间形成C2腔，第二右活塞与间隔壁之间形成C3腔，第二左活塞与间隔壁之间形成C4腔；第一升压缸内，上活塞与缸筒上端之间形成D1腔，下活塞与缸筒下端之间形成D2腔，上、下活塞之间形成D3腔，第二升压缸内上活塞与缸筒上端之间形成D4腔，下活塞与缸筒下端之间形成D5腔，上、下活塞之间形成D6腔，压力罐内腔为D7腔，

初始状态：

双作用气缸中活塞在气缸的最左端，A1腔的体积为V，A2腔的体积为0，气压转换缸2中活塞在最右端，B1腔的体积为0，B2腔的体积为V，排气缸3中活塞在最右端，C1腔的体积为0，B2腔的体积为V，C3腔的体积为V，C4腔的体积为0，第一升压缸的活塞位于最上端，D2腔的体积为V，第二升压缸的活塞位于最下端，D5腔的体积为0，各腔室之间的电磁阀均关闭，储气罐内的压强为6P，A1腔内充盈着压强为6P的压缩气体，B2腔中充盈着压强为3P的压缩气体，C2腔中充盈着压强为6P的压缩气体，C3腔内充盈着压强为3P的压缩气体，压力罐内D7腔充盈着压强为6P的压缩气体，D2腔中充盈着压强为6P的压缩气体，

S1：打开A1腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵之间的电磁阀，气压转换缸内的活塞向左移动，同时，将B3腔内的液压油经液压油管挤压进入D1腔，D1腔推动活塞下移到最下端，将D2腔内的压缩空气挤压进C1腔，同时将排气缸内的活塞由最右端推向最左端，排气缸内的活塞由最右端向最左端的运动过程中，C3腔内的气体被升压至6P挤压进入D7腔中，B2腔内的压缩气体进入C4，C4腔的体积由0增加至V，B3腔的液压油进入D1腔，对应的，D4腔的液压油被吸入B4腔，第二升压缸的活塞上升到最上端，D6腔内的压缩空气经单向阀进入D5腔，C2腔的压缩空气经抽气泵增压被压缩回储气罐；

S2：打开：储气罐和A2腔、A1腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵和C1腔之间的电磁阀，关闭：A1腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵之间的电磁阀，

储气罐内压强为6P的压缩空气进入A2腔，推动双作用气缸1中的活塞右移，双作用气缸内的活塞做功，A1腔内压强为3P的压缩空气进入B2腔，推动气压转换缸内的活塞右移，气压转换缸的活塞将B4腔内的液压油经液压油管路推进D4腔，D4腔体积增大，推动第二升压缸内的活塞下移，将D5腔内的压缩空气推进C2腔，在抽气泵7的作用下，C1腔内的压缩空气被抽气泵升压后进入储气罐，排气缸中的活塞右移，B1腔内的压缩空气转移到C3腔，C4腔内的压缩空气在抽气泵的间接作用下升压进入D7腔中；

S3：关闭：储气罐和A2腔、A1腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵和C1腔之间的电磁阀，打开：A2腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵之间的电磁阀，气压转换缸内的活塞向左移动，同时，将B3腔内的液压油经液压油管挤压进入D1腔，D1腔推动活塞下移到最下端，将D2腔内的压缩空气挤压进C1腔，同时将排气缸内的活塞由最右端推向最左端，排气缸内的活塞由最右端向最左端的运动过程中，C3腔内的气体被升压至6P挤压进入D7腔中，B2腔内的压缩气体进入C4，C4腔的体积由0增加至V，B3腔的液压油进入D1腔，对应的，D4腔的液压油被吸入B4腔，第二升压缸的活塞上升到最上端，D6腔内的压缩空气经单向阀进入D5腔，C2腔的压缩空气经抽气泵增压被压缩回储气罐；

S4：关闭：A2腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵之间的电磁阀，打开：储气罐到A1腔、A2腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵和C1腔之间的电磁阀；

储气罐内压强为6P的压缩空气进入A2腔，推动双作用气缸1中的活塞右移，双作用气缸内的活塞做功，A1腔内压强为3P的压缩空气进入B2腔，推动气压转换缸内的活塞右移，气压转换缸的活塞将B4腔内的液压油经液压油管路推进D4腔，D4腔体积增大，推动第二升压缸内的活塞下移，将D5腔内的压缩空气推进C2腔，在抽气泵7的作用下，C1腔内的压缩空气被抽气泵升压后进入储气罐，排气缸中的活塞右移，B1腔内的压缩空气转移到C3腔，C4腔内的压缩空气在抽气泵的间接作用下升压进入D7腔中。

本发明具有的优点和积极效果是：通过设置抽气泵可将双作用气缸中待排空的压缩空气以较小的压强差抽回储气罐中，提高了储气罐内压缩空气压缩能的利用效率，通过升压装置，可以使抽气泵平稳的，并以较小的功率完成抽气过程，提高抽气泵的使用寿命。

附图说明

图1是本发明的结构原理示意图

图2是双作用气缸的结构原理示意图

图3是气压转换缸的结构原理示意图

图4是排气缸的结构原理示意图

图5是导压刚的结构原理示意图

图6是本发明的初始状态的结构原理示意图

图7是本发明S1步骤结束状态时的结构原理示意图

图8是本发明S2步骤结束状态时的结构原理示意图

图9是本发明S3步骤结束状态时的结构原理示意图

图中：

1、双作用气缸 2、气体转换缸 3、排气缸

4、导压装置 5、储气罐 6、备用储气罐

7、抽气泵 11、活塞 21、第一左活塞

22、第一右活塞 23、第一活塞连杆 24、固定塞

25、液压油管 26、第一左端盖 27、第一右端盖

31、第二左活塞 32、第二右活塞 33、第二活塞连杆

34、间隔壁 35、第二左端盖 36、第二右端盖

41、上活塞 42、下活塞 43、上端盖

44、下端盖 45、通孔 46、通道

47、压力罐

具体实施方式

如图1-5所示，本发明：

一种循环式气体动力装置，包括：

双作用气缸1，包括缸筒和活塞11，活塞将缸筒内腔分为A1腔和A2腔，活塞处设有动力转换结构，动力转换机构将活塞的往复运动的动力输出至双作用气缸1外；

气压转换缸2，包括缸筒、活塞、液压油管25、固定塞24和位于缸筒两端的端盖，所述液压油管25为硬质的，液压油管25沿缸筒的轴线贯穿缸筒两侧的端盖，液压油管25与端盖之间密封且固定；固定塞24固定套于液压油管25中部，固定塞24处的液压油管25内部封堵，使固定塞24两侧的液压油管25之间不连通。所述气压转换缸2中的活塞为“工”字形，活塞包括与缸筒内径相配合的第一左活塞21和第一右活塞22，第一左、右活塞之间通过第一活塞连杆23相连，所述第一活塞连杆23为中空管状，固定塞24位于第一活塞连杆23内部，固定塞24两侧的第一活塞连杆23的内腔相对密封，第一活塞连杆23可相对固定塞24滑动。固定塞24将第一活塞连杆23的内腔分为B3腔和B4腔两个腔室，液压油管25在固定塞24两侧的处的油管壁上设有通孔，B3腔或B4腔内的液压油可经通孔进入液压油管25内。“工”字形的活塞将缸筒内腔分为右活塞22和第一右端盖27之间的B1腔和左活塞21与第一左端盖26之间的B2腔；

排气缸3，包括缸筒和“工”字形活塞，所述缸筒的中部设有间隔壁34。所述“工”字形活塞包括与缸筒内径相配合的第二左活塞31和第二右活塞32，第二左、右活塞之间通过第二活塞连杆33相连，第二活塞连杆33贯穿间隔壁34并与间隔壁两侧的第二左活塞及和第二右活塞相连。第二右活塞32和第二右端盖36之间形成C1腔，第二左活塞31和第二左端盖35之间形成C2腔，第二活塞连杆33与间隔壁34之间密封且可相对滑动，间隔壁34与第二右活塞32之间形成C3腔，间隔壁34与第二左活塞31之间形成C4腔。

导压装置4，包括密闭的压力罐47，压力罐47内腔为D7，所述压力罐47内设有2个结构相同第一升压缸和第二升压缸，第一升压缸包括缸体和“工”字形的活塞，“工”字形的活塞包括上活塞41和下活塞42，上、下活塞之间通过第三活塞连杆相连，上活塞41与上端盖43之间形成D1腔，下活塞42与下端盖44之间形成D2腔，上、下活塞之间形成D3腔，D3腔的缸壁上设有连通D3腔和D7腔的通孔45，下活塞42上设有连通D2腔和D3腔的通道46，通道46内设有单向阀，可允许D3腔内的气体进入D2腔，但D2腔内的气体不能进入D3腔。2个升压缸中的第二升压缸对应具有D4腔、D5腔、D6腔；

储气罐5；

备用储气罐6，用于向储气罐5内补充压缩空气，循环式气体动力装置不是绝对的密封，备用储气罐6用于补充由于密封不严格而造成的压缩气体损失；

抽气泵7。

如图6-9所示，各腔室之间的连接关系：

A1腔分别与B1腔、B2腔和储气罐5相连，A1腔和储气罐5之间设有由储气罐5到A1腔方向的单向阀，A1腔和B1腔、B2腔之间分别设有电磁阀，A2腔分别与B1腔、B2腔和储气罐5相连，A2腔和储气罐5之间设有由储气罐5到A2腔方向的单向阀，A2腔和B1腔、B2腔之间分别设有电磁阀；

B1腔与C3腔相连，B1腔和C3腔之间设有单向阀，B2腔与C4腔相连，B2腔和C1腔、C2腔之间分别设有电磁阀；

B3腔通过液压油管与D1腔相连，B4腔通过液压油管与D4腔相连；

C1腔与抽气泵7相连，C1腔与抽气泵7之间设有电磁阀；

C2腔与抽气泵7相连，C2腔与抽气泵7之间设有电磁阀；

C3腔与D7腔相连，C3腔和D7腔之间设有电磁阀；

C4腔与D7腔相连，C4腔和D7腔之间设有电磁阀；

D2腔与C1腔相连，D2腔与C1腔之间设有由D2腔到C1方腔向的单向阀；

D5腔与C2腔相连，D5腔与C2腔之间设有由D5腔到C2腔方向的单向阀；

储气罐5分别与A1腔、A2腔、D7腔相连，储气罐5与A1腔、A2腔、D7腔之间分别设有单向阀；

抽气泵7的进气端分别与C1腔和C2腔相连，抽气泵7与C1腔和C2腔之间设有电磁阀；抽气泵7的出气端与储气罐5相连，抽气泵7的出气端与储气罐5之间设有由抽气泵7到储气罐5方向的单向阀。

各腔室的体积关系；

当双作用气缸1中活塞在最左端，A1腔的体积为V，A2腔的体积为0，反之，A中活塞在最右端，A1腔的体积为0，A2腔的体积为V；

当气压转换缸2中活塞在最右端时，B1腔的体积为0，B2腔的体积为V，B3腔内充满液压油，B4腔内的液压油经液压油管排出，反之，B中活塞在最左端时，B1腔的体积为V，B2腔的体积为0，B4腔内充盈有液压油，B3腔内的液压油经液压油管排出。

当排气缸3中活塞在最右端时，C1腔的体积为0，C2腔的体积为V，C3腔的体积为V，C4腔的体积为0，反之，C中活塞在最左端时，C1腔的体积为V，C2腔的体积为0，C3腔的体积为0，C4腔的体积为V；

当第一升压缸内中活塞在上方时，D2腔的体积为V，第二升压油缸内的活塞在最下方，D5腔的体积为0，同理，第二升压缸内中活塞在上方时，D5腔的体积为V，第一升压油缸的活塞在最下方，D2腔的体积为0。

本实例的工作过程：

如图6-9所示，

初始状态：

双作用气缸1中活塞在气缸的最左端，A1腔的体积为V，A2腔的体积为0，气压转换缸2中活塞在最右端，B1腔的体积为0，B2腔的体积为V，排气缸3中活塞在最右端，C1腔的体积为0，B2腔的体积为V，C3腔的体积为V，C4腔的体积为0，第一升压缸的活塞位于最上端，D2腔的体积为V，第二升压缸的活塞位于最下端，D5腔的体积为0，各腔室之间的电磁阀均关闭。

储气罐5内的压强为6P，A1腔内充盈着压强为6P的压缩气体，B2腔中充盈着压强为3P的压缩气体，C2腔中充盈着压强为6P的压缩气体，C3腔内充盈着压强为3P的压缩气体，压力罐内D7腔充盈着压强为6P的压缩气体，D2腔中充盈着压强为6P的压缩气体。

循环式气体动力装置动作的第一过程为A1腔的泄压冲程：

打开A1腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵7之间的电磁阀。

由于A1腔内的压强高于B2腔内的压强，推动B内的活塞向左移动，同时，将B3腔内的液压油经液压油管挤压进入D1腔，D1腔推动活塞下移到最下端，将D2腔内的压缩空气挤压进C1腔，同时将排气缸3内的活塞由最右端推向最左端，排气缸3内的活塞由最右端向最左端的运动过程中，C3腔内的气体被升压至6P挤压进入D7腔中，C4腔的体积由0增加至V，其来源为B2腔内的压缩气体。B3腔的液压油进入D1腔，对应的，D4腔的液压油被吸入B4腔，第二升压缸的活塞上升到最上端，D6腔内的压缩空气经单向阀进入D5腔。C2腔的压缩空气经抽气泵7增压被压缩回储气罐5。

在抽气泵7未启动时，C中的活塞在左右方向上是受力平衡的，活塞移动较为困难，C3腔内的气体更无法由压强为3P压缩至压强为6P，抽气泵7启动后，C2腔内的压强降低，C中活塞右端的受力大于C中活塞的左端受力，从而可以推动活塞向左移动，进而将C3腔内的气体升压使其进入D7腔。

上述过程中，D2腔排出了体积为V的压缩空气，即D7腔排出了体积为V的压缩空气，C3腔的初始体积为V，其压强为3P，升压至6P后体积减少为1/2V，C3腔的压缩气体补充进入D7腔，D7腔也损失了1/2V体积压强为6P的压缩空气，通过储气罐5可以予以补充。

第一过程结束时的状态：

双作用气缸1中活塞在缸筒的最左端，气压转换缸2中活塞在最左端，排气缸3中活塞在最左端，第一升压缸的活塞位于最下端，第二升压缸的活塞位于最上端。

储气罐5内的压强为6P，A1腔内的压缩气体降压至3P，B1腔中充盈着压强为3P的压缩气体，C1腔中充盈着压强为6P的压缩气体，压力罐D7腔内充盈着压强为6P的压缩气体，C4腔内充盈着压强为3P的压缩气体。

循环式气体动力装置动作的第二过程为双作用气缸1的做功冲程，

打开：储气罐5和A2腔、A1腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵7和C1腔之间的电磁阀；关闭：A1腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵7之间的电磁阀；

储气罐5内压强为6P的压缩空气进入A2腔，推动双作用气缸1中的活塞右移，活塞做功，A1腔内压强为3P的压缩空气进入B2腔，推动气压转换缸2内的活塞右移，气压转换缸2的活塞将B4腔内的液压油经液压油管路推进D4腔，D4腔体积增大，推动第二升压缸内的活塞下移，将D5腔内的压缩空气推进C2腔，在抽气泵7的作用下，C1腔内的压缩空气被抽气泵7升压后进入储气罐5，排气缸3中的活塞右移，B1腔内的压缩空气转移到C3腔，C4腔内的压缩空气在抽气泵7的间接作用下升压进入D7腔中。

此时，整个循环式气体动力装置中，除了双作用气缸1由左端移动到右端，A2腔内充盈压强为6P的压缩空气，其余腔室的位置和压强均回到初始状态。

环式气体动力装置动作的第三过程为A2腔的泄压冲程：

关闭：储气罐5和A2腔、A1腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵7和C1腔之间的电磁阀；打开：储气罐5和A1腔、A2腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵7之间的电磁阀；

由于A2腔内的压强高于B2腔内的压强，压缩气体由A2腔泄压至B1腔内，其余动作与第一过程相同；

环式气体动力装置动作的第四过程为双作用气缸1的做功冲程：

打开：储气罐5到A1腔、A2腔和B2腔、C4腔和D7腔、抽气泵7和C1腔之间的电磁阀；关闭：A2腔和B1腔、C3腔和D7腔、C2腔和抽气泵7之间的电磁阀；

储气罐5内压强为6P的压缩空气进入A1腔，推动双作用气缸1中的活塞左移，活塞做功，其余动作与第二过程呢相同。

抽气泵7的进气端与C1腔或C2腔相连通，抽气泵7的抽气过程与排气缸3的活塞动作同步，抽气泵7的进气端的气压可以始终保持为6P，储气罐5内的气压也为6P，通过上述机构的设置可以降低抽气泵7两侧的压力差，使抽气泵7以较小的功率即可实现整个循环式气体动力机构的持续工作。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。