CN101835980B - 往复式压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种往复式压缩机，这种压缩机能在驱动线性马达时使汽缸内的活塞线性地往复运动，通过将制冷剂吸入汽缸与活塞之间的压缩空间来压缩制冷剂，然后将制冷剂排出。在往复式压缩机中，通过对称地施加电压，即使负载变化，也能将活塞操作在上死点和共振状态，考虑受随负载变化的气体弹簧影响的活塞的偏移程度来设置机械弹簧的弹性系数，并将用于保持活塞冲程的活塞的初始值设置为与要求的冷却能力条件相对应。因此，能降低因为施加不对称电压所致的电功耗，可省略用于施加不对称电压的调节操作，从而减少不便。此外，在所有负载条件下将活塞操作在上死点和共振状态，从而进一步增加操作频率。

Description

往复式压缩机

技术领域

本发明涉及一种往复式压缩机，这种压缩机在由机械弹簧和气体弹簧弹性地支撑的活塞在汽缸内线性往复运动时压缩制冷剂，本发明尤其涉及一种往复式压缩机，即使负载变化，这种压缩机也能通过对称地施加电压而在上死点(dead center)移动活塞并引起活塞的共振运动。

背景技术

一般地，压缩机是通过从功率产生设备(例如电动机或涡轮机)接收功率以便压缩空气、制冷剂或其他各种操作气体并升高其压力的机械设备。压缩机已经广泛用于家用电器(例如电冰箱或空调)或整个工业。

压缩机大致分为往复式压缩机、旋转式压缩机和涡旋式压缩机，在往复式压缩机中，用于吸入或排出操作气体的压缩空间形成在活塞与汽缸之间，活塞在汽缸内线性地往复运动以压缩制冷剂；在旋转式压缩机中，用于吸入或排出操作气体的压缩空间形成在离心旋转的滚轮与汽缸之间，滚轮沿着汽缸内壁离心旋转以压缩制冷剂；在涡旋式压缩机中，用于吸入或排出操作气体的压缩空间形成在动涡旋盘与静涡旋盘之间，动涡旋盘沿着静涡旋盘旋转以压缩制冷剂。

近年来，在往复式压缩机中普及发展了线性压缩机，线性压缩机通过将活塞直接连接到线性往复式驱动马达，提高了压缩效率，简化了整体结构，而无运动转换而带来的机械损耗。

图1是示出传统往复式压缩机的示意图。在往复式压缩机中，进口管2a和出口管2b(通过进口管2a和出口管2b来吸入和排出制冷剂)安装在封闭容器2的一侧，汽缸4固定安装在封闭容器2内，活塞6安装在汽缸4内，线性往复运动以压缩吸入汽缸4中的压缩空间P中的制冷剂。各种弹簧安装成弹性地支撑在活塞6的运动方向上。这里，活塞6连接到线性马达10，线性马达10用于产生线性往复运动驱动力。

此外，吸气阀22安装在活塞6接触压缩空间P的一端，排气阀组件24安装在汽缸4接触压缩空间P的一端。吸气阀22和排气阀组件24分别根据压缩空间P的内部压力自动受控为开或关。

封闭容器2的顶部外壳和底部外壳耦合以将封闭容器2密封。进口管2a(通过进口管2a来吸入制冷剂)和出口管2b(通过出口管2b来排出制冷剂)安装在封闭容器2的一侧。活塞6安装在汽缸4内，弹性地支撑在运动方向上以进行线性往复运动。线性马达10连接到汽缸4外的框架18。汽缸4、活塞6和线性马达10构成一个组件。所述组件安装在封闭容器2的内侧底部表面上，通过支撑弹簧29来弹性地支撑。

封闭容器2的内侧底部表面包含有油，用于泵送油的供油装置30安装在所述组件下端，用于在活塞6与汽缸4之间供油的供油管18a形成在框架18内，位于所述组件下侧。因此，通过活塞6的线性往复运动产生的振动来操作供油装置30，用于泵送油，并且沿着供油管18a将油供应到活塞6与汽缸4之间的间隙，用于冷却和润滑。

汽缸4形成为中空形状，因此活塞6能进行线性往复运动，并且汽缸4在一侧具有压缩空间P。优选地，在汽缸4的一端与进口管2a的内侧部分相邻的状态下，将汽缸4安装在与进口管2a相同的直线上。

活塞6安装在汽缸4与进口管2a相邻一端的内侧，以进行线性往复运动，而排气阀组件24安装在汽缸4与进口管2a相反方向的一端。

这里，排气阀组件24包括：排气盖24a，用于在汽缸4一端形成预定的排气空间；排气阀24b，用于打开或关闭汽缸4靠近压缩空间P的一端；以及阀门弹簧24c，阀门弹簧24c是一种螺旋弹簧，用于在轴向上在排气盖24a与排气阀24b之间施加弹力。将O形环R插入汽缸一端内周长表面，因此能将排气阀24a紧密附着到汽缸4一端。

蜿蜒形(indented)环形管28安装在排气盖24a一侧与出口管2b之间，用于引导被压缩的制冷剂向外排放，并防止因为汽缸4、活塞6和线性马达10的相互作用而产生的振动施加到整个封闭容器2上。

因此，当活塞6在汽缸4中线性地往复运动时，如果压缩空间P的压力超过预定排放压力，则阀门弹簧24c被压缩，打开排气阀24b，因此制冷剂从压缩空间P排出，然后沿着环形管28和出口管2b向外排出。

制冷剂通道6a(从进口管2a供应的制冷剂流经制冷剂通道6a)形成在活塞6的中心。线性马达10通过连接部件17直接连接到活塞6与进口管2a相邻的一端，而吸气阀22安装在活塞6与进口管2a相反方向的一端。活塞6被弹性地支撑在运动方向上。

吸气阀22形成为薄盘形。吸气阀22的中心被部分地关闭(cut)，以打开或关闭活塞6的制冷剂通道6a，并且吸气阀22的一侧通过螺钉固定在活塞6a的一端。

因此，当活塞6在汽缸4中线性地往复运动时，如果压缩空间P的压力低于预定吸气压力(比排气压力小)，则吸气阀22被打开，因此能将制冷剂吸入压缩空间P，而如果压缩空间P的压力超过预定吸气压力，则压缩空间P的制冷剂在吸气阀22关闭的状态下被压缩。

特别地，活塞6被弹性地支撑在运动方向上。具体而言，通过机械弹簧8a和8b(例如螺旋弹簧)，将活塞6的与进口管2a相邻的一端在径向上突出的活塞凸缘6b弹性地支撑在活塞6的运动方向上。由于弹力，与进口管2a相反方向上的压缩空间P中包含的制冷剂被作为气体弹簧来操作，从而弹性地支撑活塞6。

这里，机械弹簧8a和8b具有与负载无关的恒定的机械弹簧常数K_m，并且优选地从活塞凸缘6b在轴向上与通过固定到线性马达10和汽缸4的支撑框架26并排安装。此外优选地，通过支撑框架26支撑的机械弹簧8a和安装在汽缸4上的机械弹簧8a具有相同的机械弹簧常数K_m。

线性马达10包括内定子12、外定子14和永磁体16，内定子12通过在周向上堆叠多个层叠片12a形成，并通过框架18固定地安装在汽缸4外侧；外定子14通过在周向上在线圈绕组体14a周围堆叠多个层叠片14b形成，并相距内定子12以预定的间隙通过框架18安装在汽缸4外侧；永磁体16位于内定子12与外定子14之间的间隙中，并通过连接部件17连接到活塞6。这里，线圈绕组体14a可固定地安装在内定子12外侧。

在线性马达10中，当向线圈绕组体14a施加电流以产生电磁力时，通过电磁力与永磁体16之间的相互作用使永磁体16线性地往复运动，并且使连接到永磁体16的活塞6在汽缸内线性地往复运动。

在这种往复式压缩机中，操作频率受控为与共振频率同步，因此将往复式压缩机操作在共振状态下。共振频率定义为：

$f=f_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k_m+k_g}{m}}$

这里，k_m表示机械弹簧的弹性系数，k_g表示气体弹簧的弹性系数，m表示线性往复运动的活塞和连接到活塞的部件的质量。因此，共振频率受气体弹簧的弹性系数和机械弹簧的弹性系数的影响，气体弹簧的弹性系数随负载而变化，机械弹簧的弹性系数是常数。因此，在传统往复式压缩机中，为了便于在低负载条件下使操作频率与共振频率同步，将机械弹簧的弹性系数设置为比气体弹簧的弹性系数大，大到可以忽略气体弹簧的弹性系数的程度。

冷却系统中的往复式压缩机受控为根据对应于负载的要求的冷却能力来调节流量。压缩机的流量定义为Q＝C×(A×S×f)，其中C表示比例常数，A表示活塞横截面面积，S表示活塞的冲程(即活塞的往复运动距离)，f表示活塞的操作频率。因此，为了根据相应于负载的冷却能力来调节流量，传统往复式压缩机受控，以使得当接近使操作频率与共振频率同步时能增加活塞的冲程S。此时，当将活塞操作为到达上死点操作时，即在共振条件下活塞的头部与汽缸的一个表面一致时，由于输入电压的变化，气体弹簧非线性地跳动，因此导致冲程过度变化的不稳定现象。利用这种不稳定现象，能够确定共振状态下用于上死点操作的操作频率。

在上述传统往复式压缩机中，为了在低负载条件下将压缩机控制为进行共振操作，将机械弹簧的弹性系数设置为比气体弹簧的弹性系数大，然而结果是，在重载(overload)条件下活塞的偏移小。因此，即使通过使操作频率与共振频率同步而将活塞操作为到达上死点位置，也不能产生足够的活塞冲程。因此，通过用不对称逻辑来代替在共振状态下进行的上死点操作，传统往复式压缩机受控为通过人为增加活塞的冲程来操作。

图2是用于说明根据现有技术在负载条件下操作往复式压缩机的方法的示意图。根据图1和图2，当没有向线性马达14的线圈绕组体14a施加功率并且没有外力时，汽缸4构成压缩空间P的一个表面与活塞6的头部之间的距离(下面指活塞的初始值)用X_i表示。

在低负载条件下，因为环境温度较低，所以汽缸4的压缩空间P中的制冷剂的量较小。因此，不存在因为制冷剂而引起的活塞6的偏移，因此使得活塞6的初始值X_i恒定。

因此，在低负载条件下，为了保持活塞6的冲程，将电压提供为具有对称的振幅，使得能将活塞6操作为相对于活塞6的头部的初始值X_i到达上死点(TDC)。也就是说，如果活塞6的头部比初始值X_i更接近汽缸4的一个表面，则提供这样的电压，该电压的振幅可以使活塞6的头部与汽缸4的表面相接触。另一方面，如果活塞6的头部距离汽缸4的一个表面比初始值X_i更远，则提供这样的电压，该电压的振幅与活塞6的头部距离汽缸4的表面比初始值X_i更近时的振幅对称。

在重载条件下，因为环境温度较高，所以汽缸4的压缩空间P中的制冷剂的量较小。因此，存在因为制冷剂而引起的活塞6的偏移，所以通过活塞6的偏移改变了活塞6的初始值X_i。

因此，在高负载条件下，为了保持活塞6的冲程，将电压提供为具有不对称的振幅，使得能将活塞6操作为相对于活塞6的头部的初始值X_i到达上死点(TDC)。也就是说，如果活塞6的头部比初始值X_i更接近汽缸4的一个表面，则电压的振幅与低负载条件下电压的振幅相同。另一方面，如果活塞6的头部距离汽缸4的一个表面比初始值X_i更远，则提供这样的电压，电压的振幅比低负载条件下电压的振幅大β倍(β＞1)。当然，对本领域技术人员而言显而易见的是，如果在重载条件下施加不对称的电压，则当汽缸4的一个表面与活塞6的头部之间的距离大于初始值X_i时，就将活塞6的移动距离与低负载条件下活塞6的移动距离相比增加β倍。通过这种方式，通过根据负载调节活塞6的冲程来调节流量。

发明内容

技术问题

为了人为增加活塞的冲程，上述传统往复式压缩机使用不对称逻辑。但是，因为开关总是保持在导通状态以使电流流通，所以总是产生因为直流电所致的损耗。此外，即使使用压缩机的产品处于停止状态，压缩机上的开关也必须保持在导通状态，因此降低了效率。

此外，在传统往复式压缩机中，没有因为在共振状态下上死点操作所致的不稳定现象，不能操作活塞到达上死点。因此，在施加了不对称的负载条件下，通过位移传感器(LVDT)来测量活塞的冲程，并且其中将供应电压的不对称率β设置为使得在负载条件下活塞能保持可提供足够冷却能力的冲程，因此使得调节操作复杂和不便。

技术方案

因此，本发明的目的是提供一种往复式压缩机，通过选择弹簧的弹性系数或初始值以及并通过气体施加的力来偏移活塞，这种压缩机能通过对称的电压输入来增加冲程S，并因此将流量调节到要求的水平。

本发明的另一目的是提供一种往复式压缩机，通过控制施加给线圈的对称功率的频率并控制活塞在上死点位置移动，这种压缩机能在冰箱的所有负载区域中进行用于检查的功耗。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方案提供一种往复式压缩机，包括：封闭容器；汽缸，安装在所述封闭容器中；线性马达，用于使活塞线性地往复运动；控制单元，用于向所述线性马达施加对称电压；气体弹簧，用于通过填充在所述封闭容器中的制冷剂气体在运动方向上弹性地支撑所述活塞；以及机械弹簧，用于在运动方向上弹性地支撑所述活塞，所述机械弹簧的弹性系数使得，即使在负载条件变化时也允许所述活塞进行上死点位置操作和共振操作。

此外，将所述机械弹簧的弹性系数设置成根据负载条件考虑所述活塞的偏移程度，使得所述活塞能够相对于中心点对称地往复运动。

此外，将所述活塞的初始值设置成根据负载条件考虑所述活塞的偏移程度，使得所述活塞能够相对于所述中心点对称地往复运动。

此外，根据最大负载条件来设置所述机械弹簧的弹性系数和所述活塞的所述初始值。

此外，所述控制单元施加电压，使得能够根据按照负载条件确定的要求的冷却能力来设置所述活塞的所述冲程(S)和操作频率(f)映射，并基于所述映射根据所述要求的冷却能力，通过所述冲程(S)和所述操作频率(f)来操作所述活塞。

此外，所述控制单元通过调节操作频率(f)和输入电压(V)，在上死点操作所述活塞，使得活塞的冲程(S)与电流(A)之间的相位差为最小。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方案提供一种往复式压缩机，包括：封闭容器；汽缸，安装在所述封闭容器中；线性马达，用于使活塞线性地往复运动；控制单元，用于向所述线性马达施加对称电压；气体弹簧，用于通过填充在所述封闭容器中的制冷剂气体，在运动方向上弹性地支撑所述活塞；以及机械弹簧，用于在运动方向上弹性地支撑所述活塞，所述机械弹簧的弹性系数对应于所述活塞的偏移程度，使得即使负载条件变化也允许所述活塞相对于中心点进行对称的往复运动。

此外，将所述活塞的初始值设置成为具有用于保持所述活塞的冲程的振幅，以对应于所述往复式压缩机的要求的冷却能力条件。

此外，考虑在最大冷却能力条件下所述活塞的偏移程度，设置所述活塞的初始值和所述活塞的冲程。

此外，所述控制单元在与所述往复式压缩机的要求的冷却能力条件以及所述活塞的冲程相对应的操作频率下进行所述活塞的共振操作。

此外，所述控制单元在上死点移动所述活塞。

此外，所述控制单元通过使活塞的冲程(S)与电流(A)之间的相位差为最小而在上死点移动所述活塞。

有益效果

通过选择弹簧的弹性系数或初始值并通过气体施加的力来偏移活塞，根据本发明的往复式压缩机能通过对称的电压输入来增加冲程S，并因此将流量调节到要求的水平。

通过控制施加给线圈的对称功率的频率并控制活塞在上死点位置移动，根据本发明的往复式压缩机能在冰箱的所有负载区域中进行用于检查的功耗，并且能通过更简单的控制来提供要求的冷却能力。

附图说明

图1是示出传统往复式压缩机的侧面剖视图。

图2是用于说明根据现有技术在负载条件下操作往复式压缩机的方法的示意图。

图3是示出根据本发明的往复式压缩机的活塞的操作和机械模型的示意图。

图4是用于说明根据输入电压的变化的活塞的位移的示意图。

图5是示出根据活塞的位置通过气体施加的力的示意图。

图6是用于通过机械共振频率的操作的电路图的实例。

图7是在往复式马达作为具有反电动势的R-L电路的模型的情况下的等效电路图。

图8是用于说明控制单元控制功率从而在共振频率下操作的方法的示意图。

具体实施方式

图3是示出根据本发明的往复式压缩机的活塞的操作和机械模型的示意图。这里，α表示没有施加外力时通过向线圈部分(图1的14a)施加对称电压而使活塞(图1的6)在一个方向上移动的距离，δ表示通过被压缩的制冷剂的力而使活塞(图1的6)偏移(shift)的距离。图3上部简单示出活塞的运动。在本发明中，当施加外力前向线圈部分(图1的14a)对称地施加电压时，活塞(图1的6)运动，活塞的冲程变为α+δ+α＝2α＝2δ+α。在现有技术中，如果不对称地施加电压，则活塞的冲程变为α+δ+α×β＝α(1+β)+δ，其中，β表示在重载条件下当向线圈部分(图1的14a)施加不对称电压时人为改变活塞的冲程时产生的不对称率。此时，在本发明中，当施加不对称电压(β＝1)时，在活塞的冲程与根据现有技术施加不对称电压(β＞1)时获得的冲程相同的条件下，活塞的冲程变为2α₁+δ₁＝α₂(1+β)+δ₂。在本发明中，显然，如果活塞的偏移δ具有值δ₁＝α₂(1+β)-2α₁+δ₂，则即使在本发明中施加对称电压，也能提供与现有技术中通过不对称地施加电压来调节活塞冲程相同的效果。

下面，活塞的运动被数学地描述。如果用x表示从汽缸(图1的4)到活塞(图1的6)头部的位移，则得到以下方程式。

[方程式1]

$m\stackrel{\·\·}{x}+c_x\stackrel{\·}{x}+k(x-x_i)=F\left(i\right)+\mathrm{\ΔP}\·A_s$

其中，x_i是活塞的初始值，F(i)是外力，ΔP·A_s是制冷剂施加的力。如果将x(t)取值为X_m+u(t)并代入方程式1，则得到以下方程式。

[方程式2]

$m\stackrel{\·\·}{u}+c_f\stackrel{\·}{u}+k(u+x_m-x_i)=F\left(i\right)+\mathrm{\ΔP}\·A_s$

这里，方程式1中的c_x和方程式2中的c_f相等。

这里，如果将方程式2分为AC分量和DC分量，则得到以下方程式。

[方程式3]

$m\stackrel{\·\·}{u}+c_f\stackrel{\·}{u}+\mathrm{ku}=F\left(i\right)$

k(x_m-x_i)＝ΔP·A_s

在包括在冷却设备的制冷循环中的压缩机中，ΔP是从压缩机排出的制冷剂的排气压力与吸入压缩机的制冷剂的吸气压力之间的差，这个差受控为使得冷却能力越强ΔP越大。因此，根据要求的冷却能力自动调节x_m-x_i。此时，x_m-x_i与δ相同。因此，要求的冷却能力越强冲程越大。

这里，关于方程式4中的DC分量，δ可定义为：

[方程式4]

$\mathrm{\δ}(=x_m-x_i)=\frac{\mathrm{\ΔP}\·A_s}{k}=G(k,A_s,\mathrm{\ΔP})$

如上所述，如果δ的值为α₂(1+β)-2α₁+δ₂，则可施加与传统技术中通过不对称地施加电压来调节活塞冲程相同的效果。因此，即使向线圈部分(图1的14a)施加对称电压，通过降低机械弹簧的弹性系数k_m并增加活塞的偏移δ，也能提供与通过在重载条件下在现有技术中施加不对称电压来增加活塞冲程相同的效果。

在重载条件下，冷却能力Q_e表示如下。

[方程式5]

$Q_e=\stackrel{\·}{m}\·\mathrm{\Δh}=\mathrm{\ρ}\·A_s\·\stackrel{\·}{x}\·\mathrm{\Δh}=\mathrm{\η}\·S\·f$

其中，η是比例常数，S是冲程，f是操作频率。

所需要的是，所要求的冷却能力越强，冲程的长度越大。因此，在全部冷却能力条件下，冲程必须大于活塞能往复运动的最大值。也就是说，优选地，提供往复式压缩机的最大流量所要求的冲程，小于初始值的两倍与活塞由于制冷剂的流量而偏移的距离之和。为了满足这个条件，就要满足以下方程式。

[方程式6]

$S=\frac{Q_{\max }}{\mathrm{\η}\·f}\≤(2\·\mathrm{\α}+G(k_m,A_s,\mathrm{\ΔP}))$

下面，将方程式6称为最大冷却能力条件，即最大负载条件下要求的冷却能力条件。这里，满足G(k_m，A_s，ΔP)是δ(即活塞偏移的距离)。参照图4，如上所述，满足A_s×ΔP/k_m，η是比例常数，S是冲程，f是操作频率。Q_max表示最大冷却能力。满足方程式6意味着通过往复式压缩机中要求的冷却能力的变化而改变活塞的冲程S，并且由于改变的冲程而提供要求的流量。

因此，所需要的是，选择满足方程式6的机械弹簧的弹性系数k_m和活塞的初始值x_i＝α。此时，当操作活塞(图1的6)到达上死点以使活塞的头部与汽缸(图1的4)的一个表面相接触时，可看到，当向线圈部分(图1的14a)施加对称电压且未施加外力时，在一个方向上活塞的初始值x_i等于活塞的移动距离α。因此，在方程式6中，当因此选择了机械弹簧的弹性系数k_m和活塞的初始值α以后，就确定了重载条件下活塞的最大冲程S。

同时，因为在共振状态下进行操作时效率最高，所以操作频率(f)应当满足与机械共振频率(f_m)相同的条件，即：

$f=f_m=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\sqrt{\frac{k_m+k_g}{m}}$

此外，操作频率(f)应当满足Q_e＝n·S·f，即方程式5中所述重载状态的冷却能力条件。为了满足所有这些条件，应当满足以下方程式：

[方程式7]

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_m+k_g}{m}}=\frac{Q_e}{\mathrm{\η}\·S}$

也就是说，通过机械弹簧的弹性系数(k_m)和气体弹簧的弹性系数(k_g)来确定操作频率(f)，并且通过将制冷剂气体施加的力视作机械弹簧施加的力来表示气体弹簧的弹性系数(k_g)。下面详述其获得方法。

图4是用于说明根据输入电压的变化的活塞的位移的示意图。距Y轴的距离指的是构成压缩空间(图1的P)的汽缸(图1的4)的一个表面与活塞(图1的6)的头部之间的距离。在活塞(图1的6)的线性往复运动过程中，汽缸(图1的4)的一个表面与活塞(图1的6)的头部最接近的点称为上死点位置(或上死点部分)，汽缸(图1的4)的一个表面与活塞(图1的6)的头部最远离的点称为下死点位置(或下死点部分)。

下面参照图1至图4描述往复式压缩机的操作状态。活塞6远离和接近汽缸4的一个表面，也就是在上死点位置与下死点位置之间线性地往复运动。

更特别地，当电压如在位置1至3观察而改变时，活塞6变得逐渐远离汽缸4构成压缩空间P的一个表面，因此，Y轴距离变远。此时，如位置3中所示，当活塞6变为离汽缸4构成压缩空间P的一个表面足够远并且压缩空间P中的压力变为小于预定排气压力时，排气阀组件24关闭。之后，如位置3和4中所示，当活塞6变为迅速远离汽缸4构成压缩空间P的一个表面时，随着排气阀组件24将压缩空间P封闭，Y轴距离迅速变远。

之后，如电压如在位置4至11中所示而改变时，活塞6变得逐渐远离汽缸4构成压缩空间P的一个表面，然后再变得接近它，从而，Y轴距离变为最远，然后再变得接近它。此时，如果压缩空间P中的压力变为小于位置4与位置6之间的预定吸气电压时，在吸气阀22打开的状态下，制冷剂被吸入压缩空间P，而如果压缩空间P中的压力变为大于位置7与位置11之间的预定吸气电压时，在吸气阀22关闭的状态下，制冷剂被吸入压缩空间P。

此外，如位置11中所示，当活塞6变得足够接近汽缸4构成压缩空间P的一个表面并且压缩空间P中的压力变为大于预定排气压力时，排气阀组件24打开，压缩在压缩空间P中的制冷剂被排出到外部。之后，如位置11和12中所示，当活塞6变为迅速接近汽缸4构成压缩空间P的一个表面时，随着排气阀组件24将压缩空间P打开，Y轴距离迅速变近。如位置12和13中所示，活塞6变为逐渐接近汽缸4构成压缩空间P的一个表面，因此，Y轴距离变为最近。

通过这种方式，制冷剂通过其弹力充当气体弹簧。也就是说，由制冷剂气体施加的力由于排气阀组件24的打开和关闭变为非线性。结果，活塞与汽缸4构成压缩空间P的一个表面之间的距离(即Y轴的距离)在某些部分(例如位置3到4和位置11到12)迅速改变。这种跳跃现象会在获得气体弹簧的弹性系数(k_g)时造成干扰。下面将描述获得气体弹簧常数(k_g)的方法。

图4是示出根据活塞的位置通过气体施加的力的示意图。当上述机械弹簧是由螺旋弹簧组成时，机械弹簧的弹性系数(k_m)是常数，并且通过机械弹簧加在压缩空间上的力即机械弹簧的弹力(F)一般与到活塞初始值的位移(x)成比例。与之不同，当气体弹簧是由制冷剂气体组成时，气体弹簧的弹性系数(k_g)随着例如压力、温度之类的条件而变化，并且通过气体弹簧加在压缩空间上的力即气体弹簧的弹力(F_c(t))非线性变化。此时，如图5所示，当气体弹簧变得远离下死点时，它的弹力(F_c(t))增加，但是不会增加到超过预定值(ΔP·A_s)。因此，通过气体弹簧的非线性弹力(F_c(t))能获得气体弹簧的弹性系数(k_g)，但是需要采用描述函数方法。

描述函数方法是一种为了分析非线性控制的均衡(equalization)方法。当施加特定波形(例如正弦波)作为输入信号时，将输出基本振荡周期是特定输入波形的周期的特定波形。顺便提及，其振幅和相位不同于前面波形。在这种输出中，通过振幅和相位的差别，具有相同周期的这种基波可代表描述函数。

通过描述函数，当将通过气体弹簧施加的力视作制冷剂气体施加的力F_c(t)时，通过以下方程式获得气体弹簧的弹性系数(k_g)：

[方程式8]

$k_g=\frac{4\·f}{S}{\∫}_0^{\frac{1}{f}}{F}_c\left(t\right)\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·t)\mathrm{dt}$

如果将表示气体弹簧的弹性系数的方程式8代入表示上述在共振条件下满足重载冷却能力条件的操作频率的方程式7，则得到以下方程式：

[方程式9]

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_m+\frac{4f}{S}{\∫}_0^{\frac{1}{f}}{F}_c\left(t\right)\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·t)\mathrm{dt}}{m}}=\frac{Q_e}{\mathrm{\η}\·S}$

其中，气体弹簧的弹性系数(k_g)是随时间变化的值。因此，根据气体弹簧的弹性系数(k_g)而变化的共振频率(fm)也随时间变化。此时，为了满足在共振状态下效率最高的条件，使操作频率(f)与共振频率(fm)一致。控制单元控制施加给线圈部分(图1的14a)的功率，使得操作频率f能与随时间变化的共振频率(f_m)同步或锁定共振频率(f_m)。

图6是通过利用往复式压缩机的操作频率作为共振频率用于操作的电路图的实例。为了在方程式9所述的操作频率(f)下操作，需要控制施加给线圈部分(图1的14a)的功率。控制单元(未示出)控制施加给线圈部分14a(等同于图1的线圈部分)的功率，并优选包括逆变器单元S1至S4。

特别地，下面将描述在逆变器电路中以全桥方式进行的控制。通过逆变器单元S1至S4控制电压为V的DC电源15向线圈部分14a供电。此时，逆变器单元S1至S4从DC电源15接收功率或电压，并根据指令值(驱动)向线圈部分14a施加具有期望频率和振幅的AC电压。特别地，当选择机械弹簧的弹性系数和活塞的初始值(α)满足方程式6时，

$S=\frac{Q_{\max }}{\mathrm{\η}\·f}\≤(2\·\mathrm{\α}+G(k_m,A_s,\mathrm{\ΔP}))$

满足方程式9：

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{k_m+\frac{4f}{S}{\∫}_0^{\frac{1}{f}}{F}_c\left(t\right)\·\sin (2\mathrm{\π}\·f\·t)\mathrm{dt}}{m}}=\frac{Q_e}{\mathrm{\η}\·S}$

的操作频率(f)与共振频率(f_m)同步。控制单元控制施加给线圈部分14a的功率使得操作频率(f)与随时间变化的共振频率(f_m)同步或锁定共振频率(f_m)。

当然，本发明的往复式压缩机采用线性马达(图1的10)，并且在设计线性马达(图1的10)时考虑的负载下，将弹性系数(k_m)和气体弹簧的弹性系数(k_g)确定为常数(k_m，k_g)。因此，优选地，通过控制操作频率(f)从而与通过机械弹簧的弹性系数(k_m)和气体弹簧的弹性系数(k_g)计算得到的共振频率(f_m)一致，本发明的往复式压缩机能通过共振提高效率。

顺便提及，在本发明的往复式压缩机中，实际上负载是变化的，因此气体弹簧即制冷剂气体的弹性系数(k_g)和考虑弹性系数(k_g)计算得到的共振频率(f_m)是变化的。因此优选地，在往复式压缩机中，施加给线圈部分(图1的14a)的频率或操作频率(f)根据共振频率(f_m)而变化，共振频率(f_m)随负载变化。

换言之，在冷却系统(例如冰箱)中，采用本发明的往复式压缩机。在设计时根据负载条件来确定最大冷却能力，并且在本发明的往复式压缩机中，当确定了与最大冷却能力相对应的冲程(S)和操作频率(f)以后，适当地产生并输入表示根据要求的冷却能力的活塞的冲程(S)与操作频率(f)的映射。因此，根据冷却系统的负载条件，通过基于该映射设置的活塞的冲程(S)和操作频率(f)来操作本发明的压缩机，并且通过调节操作频率(f)，在共振状态下将压缩机操作为到达上死点，因此在操作过程中会出现下文所述的相位逆转(inversion)。当然，当低负载条件变成高负载条件时，往复式压缩机的操作频率(f)相对增加。此外，当低负载条件变成高负载条件时，位移增加，从而也机械地增加活塞的冲程S。

下面描述将操作频率(f)控制为与共振频率(f_m)同步的方法，以便在本发明的往复式压缩机中进行共振操作。在振动系统中，根据自由度，通过在共振频率(f_m)时发生的现象，可进行控制使得操作频率(f)与共振频率(f_m)同步。

典型地，在具有一个自由度的振动系统中，相位在共振频率下迅速变化，而在具有两个自由度的振动系统中，相位的增减逆转。但是，在本发明的往复式压缩机中，汽缸(图1的4)和活塞(图1的6)都不固定，而是通过弹性部件(例如弹簧)由外壳(图1的2)来支撑。因此，本发明的往复式压缩机是具有两个自由度的振动系统。在具有两个自由度的这种系统中，当向线圈部分(图1的14a)施加功率时，活塞(图1的6)线性地往复运动。线性往复运动的活塞的位置x和电荷Q或电流i(即电荷的微分值)变成可变的，并具有两个共振频率。

因此，本发明的往复式压缩机是具有两个自由度的振动系统。当施加功率时，从低操作频率开始到高操作频率，在共振频率下发生相位逆转，如下所述。更特别地，如果操作频率小于两个共振频率中较小的一个(下面称为第一共振频率)，则两个变量(活塞的位置x和电流i)的相位彼此没有特殊关系。另一方面，即使操作频率小于第一共振频率，如果它接近第一共振频率，则(活塞的位置x和电流i)的相位之间的差减小。此外，如果操作频率变得大于第一共振频率，则活塞的位置x和电流i的相位之间的差重新变大。也就是说，在本发明的往复式压缩机(是具有两个自由度的振动系统)中，将第一共振频率下活塞的位置x和电流i之间相位差的增减逆转现象称为相位逆转。

当往复式压缩机中活塞(图1的6)的头部与汽缸(图1的4)构成压缩空间(图1的P)的一个表面形成接触，也就是处于上死点位置时，最清楚地观察到上述相位逆转。因此，在本发明的往复式压缩机中，如果进行控制使得两个变量(活塞的位置x和电流i)之间的相位差为最小，则意味着将操作频率控制在机械共振频率(f_m)，如果进行控制使得最清楚地观察到机械共振频率(f_m)时出现的相位逆转，则意味着将活塞(图1的6)控制为在上死点操作。此时，当向线圈部分(图1的14a)施加功率时，在内定子(图1的12)与外定子(图1的14)之间产生电磁力。通过内定子(图1的12)与外定子(图1的14)之间的交互电磁力使永磁体(图1的16)线性往复运动，并且连接到永磁体(图1的16)的活塞(图1的6)也线性往复运动。因此，当活塞(图1的6)线性往复运动时，产生反电动势。为了便于控制，通过反电动势(E)而不是通过位置x来进行控制。也就是说，在本发明的往复式压缩机中，发现电流i与反电动势E之间相位差的位置，这使得能够实现上述控制，下面将详述这种控制。

图7是往复式马达作为具有反电动势的R-L电路的模型的等效电路图。在该等效电路图中，代表活塞运动的理论基础可用以下微分方程来表示：

$E=V^{*}-\mathrm{Ri}-L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}$

这里，R表示等效电阻，L表示等效感应系数，i表示流过马达的电流，V^*表示电压指令值，对应于逆变器单元的输出电压。上述变量都可测量，因此可计算反电动势E。

此外，活塞6的运动的理论基础用机械运动方程来说明，例如以下方程：

$m\frac{d^{2}x}{{\mathrm{dt}}^2}+C\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{kx}=\mathrm{\αi}$

这里，x表示活塞6的位移，m表示活塞6的质量，C表示阻尼系数，k表示等效弹簧常数，α表示反电动势常数。通过将上述方程变形为复数形式得到的机械方程如下所示：

$E=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{C+(\mathrm{m\ω}-\frac{k}{\mathrm{\ω}})j}i$

这里，ω表示振荡数量。

因此，如上所述，因为根据本发明的往复式压缩机是具有两个自由度的振动系统，当电流i与反电动势E之间的相位差为最小(也就是零)时会出现共振现象，从而将效率最大化。在理论上，当方程中分母的复数部分：

$E=\frac{{\mathrm{\α}}^2}{C+(\mathrm{m\ω}-\frac{k}{\mathrm{\ω}})j}i$

为零时，电流i与反电动势E之间的相位差为最小，从而产生共振现象。

但是如上所述，因为等效弹簧常数k通过将机械弹簧常数k_m与气体弹簧常数k_g相加得到，所以它随负载变化。因此，即使负载变化，通过改变操作频率(f)，也可检测电流i与反电动势E之间的相位差为最小的位置，并通过在这个位置保持操作频率(f)，可跟踪随负载而变化的共振频率(f_m)。下文将更详细地描述。

图8是示意图，用于说明控制单元控制功率从而在共振频率下操作的方法。X轴表示操作频率和施加给线圈部分(图1的14a)的电压Vm的振幅，电压Vm是受控制单元控制的指令值，Y轴实际上表示上述电流i与反电动势E之间的相位差。此时，y值(即电流i与反电动势E之间的相位差)随x值变化，x值是施加给线圈部分(图1的14a)的电压Vm的操作频率。如上所述，x值表示与y值最小时的位置的共振频率(f_m)相同的共振状态。

更详细地，将描述用于将操作频率(f)与共振频率(f_m)同步的方法。逆变器单元根据电压指令值V^*产生正弦波电压。首先，线性马达(图1的10)的控制方法检测电压指令值V^*和电流i，从而检测反电动势E。之后，线性马达(图1的10)的控制单元检测电流i的相位，然后通过比较电流i的相位与反电动势E的相位，得到电流i与反电动势E之间的相位差。之后，如图8所示，线性马达(图1的10)的控制单元重复进行获得频率变化值(Δf)的过程，以降低y值(即电流i与反电动势E之间的相位差)，也就是说，为了使电流i与反电动势E的相位相等，产生这种频率变化值(Δf)，并校正电压指令值V^*，因此能进行控制使得y值为最小，并且清楚地观察到相位逆转。

这种控制方法是通过控制，使得操作频率(f)与机械共振频率(f_m)同步或锁定机械共振频率(f_m)，并且活塞(图1的6)的上死点能到达汽缸(图1的4)的一个表面。如果控制单元使上死点到达汽缸(图1的4)的一个表面，这称为上死点检测。如果能检测到上死点，效率就提高了。因此，在压缩过程中，本发明的往复式压缩机可以控制活塞(图1的6)，操作活塞到达上死点(下面称为上死点运动)。

如上所述，根据本发明，在控制往复式压缩机的方法中，通过利用电模型(通过等效机械振动系统而获得)中可测量的变量(R，L，i，V^*)，而不是通过准确计算弹簧常数K(通过将机械弹簧的弹性常数k_m与气体弹簧的弹性常数k_g相加得到)估计机械共振频率(f_m)来获得共振状态，并且将操作频率(f)调节为使得在共振状态下会出现相位逆转。因此，通过在共振状态下简单地进行上死点操作就能提高效率。因此，能将往复式压缩机设计为使得它在制造过程中对结构精度不敏感，以便进行共振操作。结果就容易克服制造往复式压缩机的过程中的结构误差。

虽然基于优选实施例和附图详细说明了本发明，但是应当理解，本发明并不限于上述实施例和附图，本发明的范围仅由所附权利要求书来限定。

Claims (12)

1.一种往复式压缩机，包括：

封闭容器；

汽缸，安装在所述封闭容器中；

线性马达，用于使活塞线性地往复运动；

控制单元，用于向所述线性马达施加对称电压；

气体弹簧，用于通过填充在所述封闭容器中的制冷剂气体在运动方向上弹性地支撑所述活塞；以及

机械弹簧，用于在运动方向上弹性地支撑所述活塞，所述机械弹簧的弹性系数即使在负载条件变化时也允许所述活塞进行上死点操作和共振操作这两种操作，其中根据最大负载条件来设置所述机械弹簧的弹性系数和所述活塞的初始值。

2.如权利要求1所述的往复式压缩机，其中，将所述机械弹簧的弹性系数设置成使得考虑依负载条件所述活塞的偏移程度，所述活塞能够相对于中心点对称地往复运动。

3.如权利要求1所述的往复式压缩机，其中，将所述活塞的初始值设置成使得考虑依负载条件所述活塞的偏移程度，所述活塞能够相对于所述中心点对称地往复运动。

4.如权利要求1所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元调节操作频率(f)和输入电压(V)，使得随着所述活塞的位置(x)而变化的反电动势(E)的相位与电流(i)的相位之间的差为最小。

5.如权利要求1-4任一项所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元施加电压，使得能够根据按照负载条件确定的要求的冷却能力来设置所述活塞的冲程(S)和操作频率(f)映射，并基于所述映射根据所述要求的冷却能力通过所述冲程(S)和所述操作频率(f)来操作所述活塞。

6.一种往复式压缩机，包括：

封闭容器；

汽缸，安装在所述封闭容器中；

线性马达，用于使活塞线性地往复运动；

控制单元，用于向所述线性马达施加对称电压；

气体弹簧，用于通过填充在所述封闭容器中的制冷剂气体在运动方向上弹性地支撑所述活塞；以及

机械弹簧，用于在运动方向上弹性地支撑所述活塞，所述机械弹簧的弹性系数对应于所述活塞的偏移程度，使得即使负载条件变化时也允许所述活塞相对于中心点进行对称的往复运动。

7.如权利要求6所述的往复式压缩机，其中，将所述活塞的初始值设置为具有用于保持所述活塞的冲程的振幅，以便对应于所述往复式压缩机的要求的冷却能力条件。

8.如权利要求6所述的往复式压缩机，其中，考虑在最大冷却能力条件下所述活塞的偏移程度，设置所述活塞的初始值和所述活塞的冲程。

9.如权利要求6所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元在与所述往复式压缩机的要求的冷却能力条件以及所述活塞的冲程相对应的操作频率下进行所述活塞的共振操作。

10.如权利要求6-9任一项所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元在上死点移动所述活塞。

11.如权利要求10所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元调节操作频率(f)和输入电压(V)，使得根据所述活塞的位置(x)而变化的反电动势(E)的相位与电流(i)的相位之间的差为最小。

12.如权利要求10所述的往复式压缩机，其中，所述控制单元施加电压，使得能够根据按照负载条件确定的要求的冷却能力来设置所述活塞的冲程(S)和操作频率(f)映射，并基于所述映射根据所述要求的冷却能力，通过所述冲程(S)和所述操作频率(f)来操作所述活塞。

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