CN1375634A - 压缩机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种压缩机及其控制方法。压缩机包括一个具有压缩腔的汽缸体;一个位于压缩腔内并可上下往复运动的活塞;以及驱动活塞的驱动机制。驱动机制包括一个弹性构件,其周边部分固定在汽缸体上从而使弹性构件可上下振荡,其中心部分与活塞相连;以及一个或多个配置在弹性构件上的压电激发器。响应外加电能,一个或多个压电激发器不断产生变形并对弹性构件产生激发力。

Description

压缩机及其控制方法

技术领域

本发明涉及压缩机，更具体地说，涉及具有可使活塞往复线性运动的驱动机制的压缩机及其控制方法。

背景技术

一般而言，在应用制冷循环的冰箱和空调等这类装置中，压缩机用于抽吸、压缩和排放蒸发为气态的制冷剂。压缩机可分为线性压缩机、往复式压缩机和旋转压缩机等几类。配置有线性马达作为其驱动机制的线性压缩机具有较高的能量效率，因为其驱动机制的能量损耗较小。

图1表明常见线性压缩机的内部结构。常见线性压缩机由气密容器1、压缩机制2和驱动机制3等组成，驱动机制3可在气密容器1中产生驱动功率，压缩机制2运用源发自驱动机制3的功率对制冷剂进行抽吸和压缩。

压缩机制2包括具有压缩腔2A的汽缸体2B和汽缸盖2C，汽缸盖2C与汽缸体2B的上部相连从而可对抽吸和排放的制冷剂起到约束和导向作用。此外，在压缩腔2A中配置有可响应驱动机制3而作线性往复运动的活塞2D。

驱动机制3为某种线性马达，包括配置在汽缸体2B外边的管状背铁3D、其上缠有可响应外加功率产生磁场的线圈3A并与管状背铁3D间隔配置的铁芯3B、以及配置在铁芯3B和管状背铁3D之间可上下运动的磁铁3C。

铁芯3B由多层磁钢片组成，其上部和下部分别由一个由汽缸体2B的上部向外伸出的第一支架2E和一个通过螺栓4固定在所述第一支架上的第二支架2F所固定和支撑。磁铁3C通过与铁芯3B所形成磁场的相互作用而作线性的往复运动，它通过连杆5与活塞2D相连。通过磁铁3C的往复运动，带动活塞2D在压缩腔2A中作往复运动。

所述压缩机制2和驱动机制3由螺线弹簧6和一个共振弹簧7进行支撑，所述弹簧配置在气密容器1之内的下部并对汽缸体2B提供弹性支撑。也就是说，在气密容器1之内的下部对汽缸体2B提供弹性支撑的螺线弹簧6被配置在第二支架2F下面的垫片8之下，从而可对活塞2D起到定位作用。

共振弹簧7为一种板状或片状弹簧，其周边部分同垫片8接触，其中心部分与活塞2D相连。共振弹簧7可加剧活塞2D的往复运动并同活塞2D一起在上下的方向上(如图1中箭头所示)振荡。

但是，上述由线性马达组成的使活塞2D作线性往复运动的驱动机制3需要有相当尺寸的铁芯和磁铁才能获得预期的输出。此外，线性马达的结构也比较复杂。

因此，常见线性压缩机的尺寸较大，使其在冰箱等装置中的应用受到局限。同时，常见线性压缩机驱动机制的制造过程也比较复杂，造成压缩机的整体质量在很大程度上取决于复杂的驱动机制制造工艺。

此外，传统线性压缩机的预期排气量或其活塞2D的适当位移是通过对包括线性马达的驱动机制3进行相控制来实现的。为此，需要有另外的位移传感器(图中未画出)来对磁铁3C和活塞2D的位移量进行传感。由于要在气密容器1中安装另外的位移传感器，留给压缩机其他部件的安装空间则更为狭小。同时，位移传感器对温度敏感，而且对位移传感器随温度而产生的变化很难进行控制。

发明内容

针对上述问题，本发明的一个目的，是提供一种具有改进了的驱动机制的压缩机，所述改进了的驱动机制可使活塞作线性运动并可减小压缩机的尺寸和便于制造。

本发明的另一个目的，是提供一种压缩机控制方法，所述压缩机具有改进了的可使活塞做线性运动的驱动机制，所述控制方法可使所述驱动机制便于控制。

由本文件以下的说明或通过对本发明的实施，还可了解到本发明所具有的其它目标和优点。

为达到本发明的上述目标，本发明提供了一种压缩机，包括：一个具有压缩腔的汽缸体；一个在压缩腔中作上下往复运动的活塞；一个包含弹性构件并对活塞进行驱动的驱动机制，所述弹性构件的周边部分固定在汽缸体上从而使其可作上下振荡，其中心部分同活塞相连；以及一个或多个配置在所述弹性构件上、可响应外加功率不断变形并对所述弹性构件施加作用力的压电激发器。

为达到本发明的上述目标，本发明提供了一种对压缩机的控制方法，所述压缩机包括：一个具有压缩腔的汽缸体；一个在压缩腔中作上下往复运动的活塞；一个包含弹性构件并对活塞进行驱动的驱动机制，所述弹性构件的周边部分固定在汽缸体上从而使其可作上下振荡，其中心部分同活塞相连；以及一个或多个配置在所述弹性构件上、可响应外加功率不断变形并对所述弹性构件施加作用力的压电激发器。所述控制方法包括：通过所述压电激发器的变形对所述弹性构件的位移进行传感；通过调节施加到所述压电激发器的电压幅度和/或频率控制所述弹性构件的位移。

附图说明

以下结合附图对本发明最佳实施例所进行的详细描述将会使本发明的目标、特征和优点更加明晰。附图包括：

图1为表明传统线性压缩机内部结构的剖视图。

图2为表明按本发明一个实施例的压缩机内部结构的剖视图。

图3为表明图2所示压缩机中弹性构件的平面图。

图4和图5为表明图2所示压缩机驱动功能的剖视图。

图6为表明图2所示压缩机弹性构件的局部剖视图。

图7、8、9为表明按本发明另外一些实施例的压缩机内部结构的剖视图。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本发明的一些最佳实施例，在说明中将有始至终对同样的构件使用同样的数字代码。

图2表明按本发明一个实施例的压缩机内部结构。如图2所示，本发明压缩机包括：压缩机制20；驱动机制30；以及气密容器10。压缩机制20抽吸在闭路制冷循环中被完全汽化了的制冷剂(未画出)，并将抽吸的制冷剂进行压缩和排放。驱动机制30在外施电力下产生驱动功率。气密容器10将驱动机制30和压缩机制20包围在内。

压缩机制20配置在气密容器10之内的上部。压缩机制包括一个包含压缩腔21A的汽缸体21和一个配置在汽缸体21顶部用于导引被抽吸和排放制冷剂的汽缸盖22。压缩腔21A沿汽缸体21轴向展开。活塞23配置在压缩腔21A之中，受驱动机制30的驱动作上下往复运动。在汽缸盖22中，配置有可导引被抽吸制冷剂进入压缩腔21A的抽吸室22A和接受由压缩腔21A排放的制冷剂的排放室22B。在汽缸盖22和汽缸体21之间配置有阀板24、抽吸阀25和排放阀26。抽吸孔24A和排放孔24B贯穿阀板24。依据活塞23的向上和向下运动，抽吸阀25和排放阀26分别使抽吸孔24A和排放孔24B开通和关闭。当活塞23向其底死点运动时，抽吸阀25开通，使抽吸室22A中的制冷剂通过抽吸孔24A被抽吸到压缩腔21A之中。另一方面，当活塞23向其顶死点运动时，排放阀26开通，使压缩腔21A中的制冷剂被压缩并通过排放孔24B排放到排放室22B之中。

使活塞23上下往复运动的驱动机制30包括一个弹性构件31和一个或多个压电激发器32。与图1所示传统驱动机制比较起来，本发明驱动机制30具有较简单的结构和较小的尺寸。在本实施例中，弹性构件31的周边部分同汽缸体21相连，其中心部分可对活塞23提供支撑。压电激发器32用于使弹性构件31作上下振荡。

图3表明驱动机制30的结构。参阅图2和图3，弹性构件31包括一个板式或片式弹簧。弹性构件31的两个周边部分31A和31B通过螺栓33等固紧手段连接到一对由汽缸体21两侧向下延伸的固定结构27上。弹性构件31的中心部分31C通过螺栓33等固紧手段连接到活塞23的底部。固定孔31D贯穿弹性构件31的周边部分31A和31B以及其中心部分31C，使螺栓33可从中通过。与活塞23连接的弹性构件31响应压电激发器32的变形可作上下振荡。

当有一个正向电压和一个负向电压交替施加到压电激发器32之上时，压电激发器32发生连续的向上和向下的变形，结果可产生一个对弹性构件31的激发力。响应这种激发力，弹性构件31将产生向上和向下的振荡。

按本发明的一个实施例，在活塞23的相对侧，压电激发器32与弹性构件31上表面的周边部分31A和31B相接触。压电激发器32为某种智能型器件，如压电器件、压电陶瓷和形态记忆合金等，它可使弹性构件31产生振荡并能对弹性构件31的位置进行传感。响应外加电能，这种智能型器件可将所施加的电能转化为机械能，例如转化为一个力或一种变形。响应外施的力，这种智能型器件也可将机械力转化为电能。

按本发明的一个方面，这种智能型器件表现为压电激发器32。

按本发明的另一方面，控制器40应用所述压电器件的变形对弹性构件31的位移进行传感。

图4表明控制压缩机在气密容器10中运作情况的控制器40的结构。控制器40包括检测单元41、比较单元42和执行单元43。检测单元41在电气上同压电激发器32相连，通过压电激发器32的变形检测弹性构件31的位移。比较单元42将检测单元41检测的位移同预先置定的位移值进行比较。执行单元43根据比较单元42所得出的比较结果控制施加到压电激发器32上的电能。

以下，将对本发明压缩机的运作状况进行详细说明。

在没有施加电能的情况下，图2表明压电激发器32不产生变形，弹性构件31处于其平板型初始状态。

响应外加的正电压，图4表明压电激发器32产生向下变形。相应的，弹性构件31的中心部分31C(图3)也产生向下的变形，从而使活塞23向其底死点方向运动(如图4中箭头A所示方向)。压电激发器32同被固定了的弹性构件31的对应周边部分31A和31B相连(图3)，从而可使弹性构件31可移动的中心部分31产生C向下的运动。

响应外加的负电压，图5表明压电激发器32产生向上的变形。因此，弹性构件31的中心部分31C(图3)也产生向上的变形，从而使活塞23向其顶死点方向运动(如图5中箭头B所示方向)。

控制器40通过压电激发器32的变形对活塞23的运动进行传感，并通过向压电激发器32施加电功率而使活塞作上下往复运动，直至获得预期的输出。结果，活塞23在其自重和弹性构件31激发力的作用下在压缩腔21A中作上下的线性往复运动。相应地，抽吸室22A中的制冷剂通过抽吸孔24A被抽吸到压缩腔21之中以便进行压缩。此后，抽吸的制冷剂受到压缩，被压缩的制冷剂通过排放孔24B排放到排放室22B中，然后被排放的制冷剂回复进入冷冻循环。

如上所述，一个或多个不断变形的压电激发器32使活塞23产生上下的往复运动，从而使弹性构件31响应外加电压产生上下的振荡。因此，通过调节施加到压电激发器32上的电能一例如外加电压的幅度或频率，可控制弹性构件31的变形情况。也就是说，弹性构件31的变形情况可随施加到压电激发器32上的电压变化而变化，从而可以方便地对活塞23的位移进行控制。此外，也可通过改变外加电压信号的频率使电压产生动态变化来控制活塞23的位移。

按本发明的另一实施例，压电激发器32可相对配置在弹性构件31的上表面和下表面。

按本发明的再一个实施例，一些压电激发器可在弹性构件31的整个表面上相互间隔配置，从而可对弹性构件31产生更大的激发力。

在图6表明的本发明实施例中，一个或多个压电激发器32被包含在一个具有预定厚度的弹性构件31E之中。

在图7表明的本发明实施例中，一个或多个压电激发器32分层配置在活塞23和弹性构件31之间，使压电激发器32B可在上下方向上延展和收缩。当电能不断施加到压电激发器32B上时，激发器32B将连续经历延展和收缩的循环过程，从而使活塞23产生上下的线性往复运动。活塞23的往复运动因弹性构件31的作用而进一步加大。

如图8所示，压电激发器50包括配置在活塞23和弹性构件31之间的第一压电激发器件51和与其对称配置的第二压电激发器件52，第一激发器件51和第二激发器件52的中心部分均可弯曲。也就是说，所述第一激发器件51和第二激发器件52均为平板弹簧型或平片弹簧型。第一激发器件51和第二激发器件52都有一端与弹性构件31的中心部分相连，它们的另一端固定在活塞23的尾部。最好使第一和第二激发器件对称配置，以防止活塞23产生偏心运动。如果第一激发器件51和第二激发器件52均为多层结构时，则可对活塞23产生更大的驱动力。

与此相应，当电压连续施加于第一激发器件51和第二激发器件52上时，在第一激发器件51和第二激发器件52的中心部分产生弯曲的同时，其垂直距离也产生不断的延展和收缩，从而使活塞23产生线性往复运动。与此同时，弹性构件31也产生振荡，从而加强活塞23的往复运动。

如图9所示，压电激发器53的结构是将第一压电器件54和第二压电器件55并排配置在活塞23和弹性构件31之间，上述第一和第二压电器件的结构使其中心部分可产生弯曲。这样，压电激发器53对弹性构件31的激发力得到增加，从而可改善压缩机的效率。

如上所述，本发明提供了一种压缩机及其控制方法。按本发明的一个实施例，驱动活塞的驱动机制包括一种弹性构件，所述弹性构件的周边部分固定在汽缸体上从而使其可上下振荡，其中心部分与活塞相连；一个或多个压电激发器配置在所述弹性构件上，在外加电能的作用下，所述压电激发器可产生变形并对所述弹性构件产生激发力。这样，本发明驱动机制的尺寸可以做得较小，压缩机的整体尺寸得以降低。此外，活塞的位移可通过压电激发器进行传感，从而通过调节施加到压电激发器上的电压可方便地控制压缩机的输出。因此，本发明不需要额外的位移传感器来对活塞和弹性构件的位移进行传感。按本发明，还可提供输出能力可变的压缩机，以满足对不同能力压缩机的需要。

虽然为说明起见公开了本发明的几个最佳实施例，但熟悉本门技术的人们都会了解，在不超出本发明所申明的权利要求的范围和要义下，对本发明作出增添、减少和修改是可能的。

Claims (32)

1、一种压缩机，包括：

一个具有压缩腔的汽缸体；

一个配置在压缩腔内可轴向往复运动的活塞；以及

一个驱动活塞运动的驱动机制，所述驱动机制包括：

一个弹性构件，所述弹性构件的周边部分固定在汽缸体上，其中心部分与活塞相连；

一个或多个配置在弹性构件上的压电激发器，所述压电激发器在外加电能的作用下可产生变形并对所述弹性构件产生激发力。

2、如权利要求1所述压缩机，其中所述汽缸体进一步包括一个或多个用于固定所述弹性构件周边部分的固定结构。

3、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个与所述弹性构件周边部分相连的压电器件。

4、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个与所述弹性构件相连的压电陶瓷。

5、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个纵向间隔配置在所述弹性构件上的智能型器件。

6、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个分层配置在所述弹性构件与活塞之间的智能型器件，使所述一个或多个压电激发器可在轴向延伸或缩短。

7、一种对压缩机的控制方法，所述压缩机包括：一个具有压缩腔的汽缸体；一个在压缩腔中作上下往复运动的活塞；一个周边部分固定在汽缸体上、中心部分同活塞相连的弹性构件；以及一个或多个配置在所述弹性构件上、可响应外加功率不断变形并对所述弹性构件施加作用力从而使其振荡的压电激发器。所述控制方法包括：

通过所述一个或多个压电激发器的变形对所述弹性构件的位移进行传感；

通过调节施加到所述一个或多个压电激发器的电压幅度和/或频率控制所述弹性构件的位移。

8、如权利要求7所述控制方法，其中所述对位移的传感包括使用与所述一个或多个压电激发器相连的检测单元对位移进行检测。

9、如权利要求7所述控制方法，其中所述对位移的控制包括：

将所述弹性构件的位移与预先置定的参考值进行比较；

根据位移量与预先置定值的比较结果调节电压的幅度和/或频率。

10、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个与所述弹性构件周边部分相连的智能型器件。

11、如权利要求10所述压缩机，其中所述一个或多个智能型器件为压电器件、压电陶瓷和/或形态记忆合金器件。

12、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个在有预定厚度的弹性构件上形成的智能型器件。

13、如权利要求12所述压缩机，其中所述一个或多个智能型器件为压电器件、压电陶瓷和/或形态记忆合金器件。

14、如权利要求1所述压缩机，其中所述一个或多个压电激发器包括一个或多个相对配置在弹性构件上表面和下表面的智能型器件。

15、如权利要求14所述压缩机，其中所述一个或多个智能型器件为压电器件、压电陶瓷和/或形态记忆合金器件。

16、如权利要求5所述压缩机，其中所述一个或多个智能型器件为压电器件、压电陶瓷和/或形态记忆合金器件。

17、如权利要求6所述压缩机，其中所述一个或多个智能型器件为压电器件、压电陶瓷和/或形态记忆合金器件。

18、如权利要求1所述压缩机，进一步包括一个控制单元，所述控制单元通过所述一个或多个压电激发器的变形对所述弹性构件的位移进行传感，通过调节施加到所述一个或多个压电激发器上的电压的幅度和/频率控制所述弹性苟简的位移。

19、如权利要求18所述压缩机，其中所述控制单元包括：

一个与所述一个或多个压电激发器相连并可通过所述一个或多个压电激发器的变形检测所述弹性构件位移的检测单元；

一个将所述检测单元检测的位移量同预定参考值进行比较的比较单元；以及

一个根据所述比较单元得出的比较结果控制施加到所述一个或多个压电激发器上电压的执行单元。

20、一种可对压缩机实施控制的控制器，所述压缩机包括一个具有压缩腔的汽缸体；一个置于所述压缩腔内并可在其轴向往复运动的活塞；一个周边部分固定在所述汽缸体上、中心部分与所述活塞相连的弹性构件；以及一个或多个配置在所述弹性构件上、可响应外加电能产生变形并对弹性构件产生振荡激发力的压电激发器。所述控制器包括：

一个通过所述一个或多个压电激发器的变形对所述活塞的运动进行传感、通过向所述一个或多个压电激发器施加电能而使活塞轴向往复运动的控制单元。

21、如权利要求20所述控制器，其中所述控制单元通过调节施加到所述一个或多个压电激发器的电压幅度和/或频率获得压缩机的预期输出。

22、如权利要求20所述控制器，其中所述控制单元包括：

一个与所述一个或多个压电激发器相连并可通过所述一个或多个压电激发器的变形检测活塞位移的检测单元；

一个将所述检测单元检测的位移量同预定参考值进行比较的比较单元；以及

一个根据所述比较单元得出的比较结果控制施加到所述一个或多个压电激发器上电能的执行单元。

23、一种可变输出能力的压缩机，包括：

一个具有压缩腔的汽缸体；

一个配置在压缩腔内并作轴向往复运动的活塞；

一个具有一个或多个压电激发器、与所述汽缸体和活塞相连的弹性构件，所述弹性构件可响应施加到所述弹性构件一个或多个压电激发器上的电能而驱动活塞。

24、如权利要求23所述可变能力压缩机，进一步包括一个可调节电能幅度和/或频率以获得预期可变输出能力的控制器。

25、一种用于压缩机中的控制器，所述压缩机包括一个具有压缩腔的汽缸体；一个配置在压缩腔内并作轴向往复运动的活塞；以及一个具有一个或多个压电激发器、与所述汽缸体和活塞相连的弹性构件，所述弹性构件可响应施加到所述弹性构件一个或多个压电激发器上的电能而使活塞轴向运动。所述控制器包括：

一个通过所述一个或多个压电激发器变形检测活塞位移的传感单元；和

一个通过调节电能幅度和/或频率控制活塞位移的执行单元。

26、一种用于压缩机的控制方法，所述压缩机包括一个具有压缩腔的汽缸体；一个配置在压缩腔内并作轴向往复运动的活塞；以及一个周边部分与汽缸体相连、中心部分与活塞相连的弹性构件；以及一个或多个配置在所述弹性构件上可响应外加电能而产生变形并对所述弹性构件产生振荡激发力的压电激发器。所述控制方法包括：

通过所述一个或多个压电激发器的变形检测所述弹性构件的位移；

将检测的位移量同一定的参考值进行比较；和

根据比较比较结果控制施加到所述一个或多个压电激发器上的电压。

27、如权利要求26所述控制方法，其中所述控制电压包括调节施加到所述一个或多个压电激发器上的电压幅度和/或频率。

28、一种用于压缩机的控制方法，所述压缩机包括一个具有压缩腔的汽缸体；一个配置在压缩腔内并作轴向往复运动的活塞；以及一个具有一个或多个压电激发器并与所述汽缸体和活塞相连的弹性构件，所述弹性构件可响应施加到所述一个或多个压电激发器上的电能而轴向驱动活塞。所述控制方法包括：

通过所述一个或多个压电激发器的变形检测活塞位移；和

通过调节电能的幅度和/或频率控制活塞位移。

29、如权利要求1所述压缩机，其中所述压电激发器至少包括一个板式或片式弹簧型压电器件，其一端固定在所述弹性构件的中心部分，另一端与活塞相连。

30、如权利要求29所述压缩机，其中所述压电激发器至少包括一个中心部分可向一个方向弯曲的第一压电器件和至少一个第二压电器件，所述第二压电器件与所述第一压电器件对称配置且其中心部分的弯曲方向同第一压电器件中心部分的弯曲方向相反。

31、如权利要求30所述压缩机，其中所述第一和第二压电器件具有多层结构。

32、如权利要求30所述压缩机，其中所述第一和第二压电器件并排配置在所述弹性构件与活塞之间。

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