CN101305229A - 运行压缩机的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种压缩机，其在压缩冲程期间对流体进行压缩以使流体增压，该压缩机包括适合于在入口压力下吸入流体的入口。入口阀与入口联接并适合于在压缩冲程期间采用闭阀时间。该压缩机还包括适合于在压缩冲程之后排出流体的出口。

Description

运行压缩机的系统和方法

背景技术

本发明通常涉及往复式压缩机，具体地涉及控制压缩机入口阀的闭阀时间的系统和方法。

压缩机典型地用于通过从电机或涡轮机获得动力来使工作流体增压，并对工作流体施加压缩力。该工作流体可以是空气、冷冻剂或类似流体。依据所采用的压缩方式，压缩机典型地分为容积式压缩机、动能式压缩机(dynamic compressor)或涡轮压缩机。

容积式压缩机典型地用于通过减小容积来使工作流体增压，并可进一步分类为往复式压缩机和旋转式压缩机。往复式压缩机典型地经由在气缸内往复运动的活塞来压缩工作流体。旋转式压缩机典型地经由在具有偏心率的气缸内旋转的滚筒来压缩工作流体。

大型工业往复式压缩机通常以匀速运行。此类压缩机可以通过控制压缩机入口阀的打开和关闭而在部分负载下运行。通过改变压缩机阀门的打开和关闭的定时，减少了流经压缩机的流体的质量流量(massflow)。由此，可以提高压缩机在变化较大的速度和负载范围之上的总性能。本领域的技术人员将理解可以改变曲轴和凸轮轴之间的相角(phase angle)来调节阀门定时事件。由此，与采用固定阀门定时相比，可以在更广的发动机运行特性和条件范围内获得更高的性能。

在一个示例中，压缩机使用液压致动机构在部分负载条件下控制入口阀的打开和关闭。液压致动机构的压力由电磁阀控制。因此，减小了流经压缩机的流体的质量流量，并增强了压缩机的性能。此类液压致动机构可采用高压导管，以及到每一个入口阀的附加电气连接。而且，此类液压系统在部分负载条件下无助于提高入口阀的受控打开和受控关闭的灵活性。

需要改进的系统和方法来控制压缩机入口阀的阀门定时，以此使压缩机在部分负载运行下实现灵活性。

发明内容

根据本实施例的一个方面，压缩机包括入口，其适合于在入口压力下吸入流体，且入口阀与入口联接。入口阀适合于在入口压力下控制通过入口的流体吸入。压缩机还包括凸轮，其适合于在使流体增压的压缩机的压缩冲程期间控制入口阀的闭阀时间。压缩机还包括出口，其适合于在压缩冲程之后排出加压的流体。

根据本实施例的另一个方面，压缩机包括入口，其适合于在入口压力下吸入流体，且入口阀与入口联接。入口阀适合于在入口压力下控制通过入口的流体吸入。压缩机还包括至少一个阻塞螺线管，其适合于在压缩机的压缩冲程期间控制入口阀的闭阀时间。该至少一个阻塞螺线管还适合于将入口阀在压缩机的压缩冲程期间维持在至少一个止动点上。

根据本实施例的另一个方面，压缩机的运行方法包括在入口压力下经由入口供给流体。该方法还包括促动凸轮，从而在压缩机的压缩冲程期间控制与入口联接的入口阀的闭阀时间。

根据本实施例的另一个方面，压缩机的运行方法包括在入口压力下经由入口供给流体，并促动至少一个阻塞螺线管，从而在压缩机的压缩冲程期间控制与入口联接的入口阀的闭阀时间。

附图说明

当结合附图对下列详细说明进行阅读时，本发明的这些和其他特征、方面和优点将变得更加明显，在所有附图中相同的标号代表相同的部件：

图1是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机的示意图，该往复式压缩机具有闭阀控制特征；

图2是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机的详细示意图，该往复式压缩机具有闭阀控制特征；

图3是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机的示意图，该往复式压缩机具有用于控制入口阀的闭阀时间的凸轮；

图4是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机在全负载循环运行中压力相对于容积变化的曲线图；

图5是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机在部分负载循环运行中压力相对于容积变化的曲线图；

图6是根据本实施例的一个示范性方面的往复式压缩机的示意图，该往复式压缩机具有若干个适合于控制入口阀的闭阀时间的阻塞螺线管；以及

图7和图8是描绘根据本实施例的特定示范性方面的压缩机的示范性运行过程的流程图。

详细描述

大致参照图1，根据本实施例的几个方面，压缩机10包括可滑动地插入气缸42内部的活塞38。提供了吸入阀组件46用来打开和关闭安装在活塞38前侧的吸入孔11。该吸入阀组件适合于控制通过吸入孔11吸入流体。压缩机10还包括机电阀动机构(electromechanicalvalve mechanism)52，其适合于在使流体增压的压缩机10的压缩冲程期间控制入口阀(未示出)的闭阀时间。控制单元54可联接至该机电阀动机构52并被构造成用来控制机电阀动机构52的运行。

现在参照图2，此图进一步示出了更详细描述的压缩机10的更多备选方面。往复式压缩机10可以用于家用和工业目的。压缩机10典型地由电动机、蒸汽涡轮机或燃气涡轮机、内燃机或类似装置驱动。本领域的技术人员将理解到压缩机10可以用于压缩空气、氢气、甲烷、丁烷或其他液体或气体。往复式压缩机10包括联接至外壳16的吸入管或入口12以及排出管或出口14。吸入管12构造成用来接收入口压力下的流体，排出管14构造成用来排出增压流体。流体的入口压力可以是环境压力或是本领域的技术人员所知的任意适当压力。往复式马达18布置在外壳16内部以产生往复式作用力。压缩单元20也位于外壳16内部并构造成通过接收由往复式马达18产生的往复式作用力来压缩流体。提供了若干个框架22、24和26用来支撑往复式马达18和压缩单元20。往复式马达18包括圆柱形的外定子28和沿外定子28内圆表面布置的内定子30。线圈32缠在外定子28内。磁体34往复式地置于外定子28和内定子30之间的气隙中。磁体34固定在磁体支架36的外圆周表面上。该磁体支架36与往复式压缩机10的活塞38相联接。

第一共振弹簧39被置于磁体支架36的一侧表面和框架22之间，且第二共振弹簧40被置于磁体支架36另一侧表面和框架24之间，以此来引发活塞38的共振运动。活塞38可滑动地插入气缸42内部以形成压缩室44。提供了吸入阀组件46用来打开和关闭安装在活塞38前侧的吸入孔。排出阀组件48安装在气缸42的前侧用来在压缩室44内的压力大于预设压力时排出增压流体。沿纵向方向在活塞38内形成流体吸入通道50。

当往复式马达18运行时，磁体34直线地做往复式运动，从而使与磁体联接的活塞38直线地做往复式运动而压缩流体。当活塞38后退时，吸入阀组件46的入口阀由于流入活塞38的吸入通道50的流体和气缸42的压缩室44之间存在的压力差而打开。当活塞38前进时，入口阀关闭，从而压缩压缩室44内的流体。并且，当压缩室44内的压力大于预定的压力时，排出阀组件48的排出阀(未示出)打开从而通过排出管14排出增压流体。

如上所述，在压缩冲程期间，入口阀由于流入活塞38的吸入通道50的流体和气缸42的压缩室44之间存在的压力差而关闭。在所示的实施例中，采用机电阀动机构52来在无负载或部分负载运行条件下，在压缩冲程期间控制入口阀的关闭。为了在压缩机10的无负载或部分负载运行时实现灵活性，机电阀动机构52使得在压缩机10的独立于曲柄运动的压缩冲程期间，能够控制入口阀的闭阀时间。联系后续附图更加详细地说明了机电阀动机构52的各个示范性实施例。控制单元54可联接至机电阀动机构52并构造成用来控制该阀动机构52的运行。在一个实施例中，控制单元54包括用户可编程的电子逻辑控制器。控制单元54可基于压缩机的负载条件控制阀动机构52。本领域的技术人员将理解，根据本讨论可以设想出许多压缩机结构。

大致参照图3，所示的是机电阀动机构52的一个实施例。该机电阀动机构52包括凸轮68，该凸轮68适合于由如电动机或旋转螺线管这样的旋转驱动单元70电驱动。凸轮68可以在预定界限内被停止并保持在任意位置，以此来在压缩冲程期间控制入口阀55的关闭。图3进一步显示了机电阀动机构52的更多备选示范性方面，在下文将对其有更为详细的描述。

提供了吸入阀组件46的入口阀55来打开和关闭安装在活塞前侧的吸入孔。入口阀55包括阀板56、经由若干个弹簧62互相联接的两块板(58，60)。该若干个弹簧62用来使板58抵靠阀板56偏置。阀板56包括若干个孔64和进入开口66。在所示的实施例中，机电阀动机构52包括凸轮68，该凸轮68适合于由如电动机或旋转螺线管这样的旋转驱动单元70电驱动。驱动单元70可以以恒速或变速运行。旋转驱动单元70可以逆时针旋转90度来关闭入口阀55。在其他特定实施例中，旋转驱动单元70可以顺时针旋转90度来关闭入口阀55。凸轮68驱动推杆(卸荷器)72，该推杆72适合于随着入口阀55运动并将入口阀保持在打开位置。推杆72包括两块板部分(76，79)、在板部分(76，79)之间延伸的杆部分74和从板部分76伸出的若干个凸出物78。当推杆72被凸轮68驱动时，凸出物78穿过形成在阀板56上的孔64来使板58与阀板56分离。于是流体通过阀板56的进入开口被吸入。

尽管在所示实施例中只显示了一个入口阀55，但压缩机可以包括适合于控制流体进入压缩机10的若干个入口阀55。机电阀动机构52的每个阀都可以包括一个凸轮和一个驱动单元，以此来单独运行每个阀并保证灵活性。举例来说，根据压缩机的负载条件，在压缩机的压缩冲程期间可能需要改变其中一组阀门的闭阀时间，来使这组阀门的闭阀时间与其他组阀门的闭阀时间不同。凸轮68适合于将阀55保持在打开位置而不需要任何外力或能量。凸轮68可以停止并保持在预定的界限内的任意位置，以此来控制在压缩冲程期间入口阀55的关闭。

在所示实施例中，入口阀55可以两种模式运行。在无负载或部分负载条件下，凸轮68的尖端部分80接触推杆72，且入口阀55完全打开。在全负载条件下，凸轮68从推杆72脱开接合，且入口阀55处于自由浮动状态，这使得入口阀55可由于不同的压力而打开和关闭。

在所示的实施例中，控制单元54还可以包括数据库82、算法84和数据分析块86。数据库82可构造成存储关于压缩机10的预定义信息。举例来说，数据库82可以存储有关曲柄角度、压缩机速度、压缩机负载、进入流体压力、压缩流体压力、流体类型的信息或类似信息。数据库82还可以包括指令组、图、检索表、变量或类似数据。此类图、检索表和指令组可有效用于将具体的压缩机运行参数如压缩机速度、曲柄角度、压缩机压力、压缩机负载、流体类型或类似参数与闭阀时间的特征相关联。而且，数据库82可以构造成存储属于压缩机10的实际感应/检测信息。算法84可有利于处理属于压缩机10的感应信息。

数据分析块86可以包括各种电路类型，如微处理器、可编程逻辑控制器、逻辑模块或类似电路类型。数据分析块86结合算法84可用来执行涉及确定入口阀55闭阀时间、用于控制入口闭阀时间的预定时间段、旋转驱动单元70的旋转角度、驱动阀动机构52的功率需求或其组合的各种计算操作。任意所述参数均可随时间选择性地和/或动态地调整或变更。

参照图4，曲线图所示为往复式压缩机全负荷循环运行中气缸压力相对于气缸容积的变化。虚线61、63分别表示活塞的上死点位置和下死点位置。工作点65表示活塞位于上死点且排出阀保持在关闭位置。在吸入冲程中，活塞移向下死点位置，如曲线67所示。在吸入冲程中气缸内的压力减小而容积增大。工作点69表示在活塞的吸入冲程中打开入口阀并向气缸内供给流体。入口阀被流入活塞吸入通道的流体和气缸压缩室之间的压力差打开。如工作点71所示，当活塞到达下死点位置时，入口阀关闭。

在压缩冲程期间，如曲线73所示，活塞从下死点移向上死点。气缸内的流体被压缩。因此，在压缩冲程期间气缸内压力增大而容积减小。工作点75表示在活塞的压缩冲程期间打开排出阀并排出增压流体。当活塞到达上死点位置时，排出阀关闭。该循环是重复的。在所示的实施例中，入口阀在全负载运行时处于自由浮动状态。因此，压缩机将100％的质量流量传输通过气缸。

参照图5，曲线图所示为往复式压缩机部分负荷循环运行中气缸压力相对于气缸容积的变化。如上所述，虚线61、63分别表示活塞的上死点位置和下死点位置。工作点65表示活塞位于上死点且排出阀保持在关闭位置。在吸入冲程中，如曲线67所示，活塞移向下死点位置。在吸入冲程中气缸内的压力减小而容积增大。工作点69表示在活塞的吸入冲程中打开入口阀并向气缸内供给流体。入口阀在吸入冲程中保持自由浮动状态。

当活塞到达下死点位置，入口阀用之前描述的机电阀动机构维持在打开位置。在压缩冲程期间，活塞从下死点移向上死点并由曲线73表示。气缸内的流体被压缩。因此，在压缩冲程期间气缸内压力增大且容积减小。由于入口阀在压缩冲程期间的预定时间段内保持打开，穿过压缩机的入口处可能发生反向流体流动。工作点77表示活塞压缩冲程期间关闭入口阀。机电阀动机构被释放以关闭入口阀。在所示的实施例中，使用机电阀动机构延迟入口阀的关闭。工作点75表示活塞压缩冲程期间打开排出阀并排出增压流体。当活塞到达上死点位置，排出阀关闭。在所示实施例中，穿过压缩机的质量流量在部分负载的条件下减少。举例来说，在压缩机50％负载的条件下，50％质量流量传输通过压缩机。电磁机构的使用还有利于减少在压缩冲程期间用于维持入口阀打开的功耗。

大致参照图6，所示为机电阀动机构52的另一个实施例。在所示的实施例中，机电阀动机构52包括适合于由控制单元54促动的若干个阻塞螺线管(88，90)。阻塞螺线管88在压缩冲程期间的预定时间段内使入口阀维持在打开位置。图6还显示了在下文更详细描述的机电阀动机构52的更多可选示范性方面。

诸如弹簧或推进螺线管的驱动单元92驱动推杆(卸荷器)72，该推杆72适合于跟随入口阀55运动并将入口阀55保持在打开位置。如以上关于图3的讨论，当推杆72由驱动单元92驱动时，凸出物78穿过形成在阀板56上的孔64来使板58从阀板56脱开接合，并穿过阀板56的进入开口吸入流体。

在吸入冲程中，入口阀由于流入活塞38的吸入通道50的流体和气缸42的压缩室44之间的压力差而打开。在一个实施例中，在无负载或部分负载条件下，控制单元54电促动阻塞螺线管88，该阻塞螺线管88适合于促动阻塞杆98，使得阻塞杆98与形成在推杆72上的孔100接合。阻塞螺线管88构造成用来将推杆72保持在第一止动点位置102。这样，阻塞螺线管88在压缩冲程期间预定的时间段内将入口阀保持在打开位置。该阻塞螺线管88通过释放供给阻塞螺线管88的电流而与形成在推杆72上的孔100脱开接合。由于引起入口阀关闭的压力差，推杆72和推进螺线管92沿相对于吸入冲程相反的方向被促动。

在另一实施例中，在无负载或部分负载条件下，控制单元54电促动阻塞螺线管90，该阻塞螺线管90适合于驱动阻塞杆104，使得阻塞杆104与形成在推杆72上的孔106接合。阻塞螺线管90构造成将推杆72保持在第二止动点位置108。这样，阻塞螺线管90在压缩冲程期间的预定的时间段内将入口阀保持在打开位置。阻塞杆104通过释放供给阻塞螺线管90的电流而与形成在推杆72上的孔106脱开接合。由于引起入口阀关闭的压力差，推杆72和推进螺线管92沿相对于吸入冲程相反的方向被促动。尽管在所示的实施例中只显示了两个阻塞螺线管，但阀动机构52可以包括多个构造成在压缩冲程期间将推杆72保持在止动点的阻塞螺线管。一种类型的阻塞螺线管可用于多种压缩机应用。

图7是显示根据本实施例的一个示范性实施例的运行压缩机的方法的流程图。该方法包括如步骤110所示的在吸入冲程中经由吸入管12吸入流体。在压缩机10无负载或部分负载运行期间，机电阀动机构52使得在独立于压缩机10的曲柄运动的压缩冲程期间能够控制入口阀55的闭阀时间。

如步骤112所示，诸如电机或旋转螺线管的旋转驱动单元70的运行基于压缩机的负载条件，经由控制单元54控制。如步骤114所示，凸轮68由旋转单元70驱动。如步骤116所示，凸轮68以这样的方式驱动推杆72，使得推杆72上若干个凸出物78穿过形成在阀板56上的孔。流体穿过形成在阀板56上的孔被吸入。入口阀55由于在入口压力下流入活塞38的吸入通道的流体和气缸42的压缩室44之间的压力差而打开。如步骤118所示，在压缩机10的压缩冲程期间，凸轮68停止在预定的位置上以控制阀55的闭阀时间。在无负载条件下，凸轮68的尖端部分与推杆72接合以将入口阀保持在完全打开的位置。

在压缩冲程期间，驱动单元70进一步促动凸轮68，以从推杆72释放该凸轮68，使得入口阀55由于相对于吸入冲程朝相反方向作用的压力差而关闭。因此气缸42的压缩室44中的流体被压缩。如步骤120所示，压缩流体经由排出管14排出。

参照图8，此图显示了根据本实施例的一个示范性实施例运行压缩机10的方法的另一个实施例。如步骤122所示，该方法包括在吸入冲程中经由吸入管12吸入流体。如之前的实施例所述，在压缩机10无负载或部分负载运行时，在压缩机独立于曲柄运动的压缩冲程期间，机电阀动机构52使得能够控制吸入阀55的闭阀时间。

如步骤124所示，如弹簧或推进螺线管的驱动单元92驱动推杆72(卸荷器)。推杆72跟随入口阀55运动，并利于将入口阀55保持在打开位置。推杆72的凸出物78穿过形成在阀板56上的孔64，使得能够通过形成在阀板56上的进入开口66吸入流体。在无负载或部分负载期间，如步骤126所示，控制单元54促动阻塞螺线管。如步骤128所示，阻塞螺线管促动阻塞杆。如步骤130所示，阻塞杆在止动点与形成在推杆72上的孔接合。在压缩冲程期间预定的时间段内，阻塞螺线管有利于将入口阀55保持在打开位置，从而如步骤132所示，使得能够在压缩冲程期间控制入口阀55的闭阀时间。

如上所述，在压缩冲程期间，阻塞螺线管还在驱动单元92的促动下将阻塞杆从推杆72上释放，使得入口阀55由于相对于吸入冲程朝相反方向作用的压力差而关闭。从而气缸42的压缩室44内的流体被压缩。如步骤134所示，压缩流体经由排出管14排出。

虽然在此只图示并描述了本发明的某些特性，但本领域的技术人员可想到多种变更和修改。因此，应当认为所附的权利要求书意在涵盖所有属于本发明真实精神范围之内的此类变更和修改。

Claims (21)

1.一种压缩机，包括：

入口，其适合于在入口压力下吸入流体；

入口阀，其与所述入口联接，并适合于控制在所述入口压力下通过所述入口的所述流体的吸入；

凸轮，其适合于在所述压缩机的压缩冲程期间控制所述入口阀的闭阀时间，以使所述流体增压；以及

出口，其适合于在所述压缩冲程之后排出增压流体。

2.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括适合于驱动所述凸轮的电动机。

3.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括适合于驱动所述凸轮的旋转螺线管。

4.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，所述旋转螺线管沿逆时针方向旋转90度来将所述入口阀保持在关闭位置。

5.根据权利要求3所述的压缩机，其特征在于，所述旋转螺线管沿顺时针方向旋转90度来将所述入口阀保持在关闭位置。

6.根据权利要求1所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括卸载器，所述卸载器适合于由所述凸轮驱动，以在所述压缩机的所述压缩冲程期间的预定时间段内控制所述入口阀的所述闭阀时间。

7.一种压缩机，包括：

入口，其适合于在入口压力下吸入流体；

入口阀，其与所述入口联接，并适合于控制在所述入口压力下通过所述入口的所述流体的吸入；以及

至少一个阻塞螺线管，其适合于在所述压缩机的压缩冲程期间控制所述入口阀的闭阀时间，所述至少一个阻塞螺线管还适合于在所述压缩机的所述压缩冲程期间将所述入口阀维持在至少一个止动点上。

8.根据权利要求7所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括适合于由推进螺线管来驱动的卸荷器。

9.根据权利要求8所述的压缩机，其特征在于，所述压缩机还包括至少一个阻塞杆，所述阻塞杆适合于在所述压缩机的所述压缩冲程期间将所述卸荷器保持在至少一个止动点上。

10.根据权利要求9所述的压缩机，其特征在于，所述阻塞杆由所述阻塞螺线管促动。

11.一种运行压缩机的方法，包括：

在入口压力下经由入口供给流体；以及

促动凸轮，以在所述压缩机的所述压缩冲程期间控制与所述入口联接的入口阀的闭阀时间。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括促动电动机来驱动所述凸轮。

13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括促动旋转螺线管来驱动所述凸轮。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括将螺线管沿逆时针方向旋转90度来将所述入口阀保持在关闭位置。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括将螺线管沿顺时针方向旋转90度来将所述入口阀保持在关闭位置。

16.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述方法还包括通过驱动所述凸轮来促动卸荷器。

17.一种运行压缩机的方法，包括：

在入口压力下经由入口供给流体；以及

促动至少一个阻塞螺线管，以在所述压缩机的压缩冲程期间控制与所述入口联接的入口阀的闭阀时间。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括促动所述阻塞螺线管，以在所述压缩机的压缩冲程期间将所述入口阀维持在至少一个止动点上。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述方法包括促动卸荷器来控制所述入口阀的闭阀时间。

20.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法还包括促动推进螺线管来驱动卸荷器。

21.根据权利要求19所述的方法，其特征在于，所述方法包括通过所述阻塞螺线管来促动至少一个阻塞杆，从而在所述压缩机的所述压缩冲程期间将所述卸荷器保持在至少一个止动点上。

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