CN1766319A - 线性压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明的线性压缩机包括：设置在上述固定构件的内部，并且通过轴方向的直线往返运动，压缩吸入到上述压缩空间的冷媒的可动构件；向上述可动构件的运动方向弹性支撑上述可动构件，并且根据负荷改变弹簧系数K_T的至少一个以上的弹簧；与上述可动构件相连接，并且驱动上述可动构件，使上述可动构件沿着轴方向做直线往返运动，而且使自身运行频率f_c与依赖上述弹簧系数K_T的可动构件的固有频率f_n同步化的线性电机。因而，即使在低频率区域实现共振运行，也因减小了可动构件的质量，从而能够提高振动传递性能。

Description

线性压缩机

技术领域

本发明涉及一种线性压缩机(LINEAR COMPRESSOR)：由于线性电机(linear-motor)的驱动，可动构件在固定构件内侧进行直线往返运动的过程中，吸入、压缩、排出冷媒。更为详细的说，本发明涉及一种即使在低频率区域实现共振运行，由于减小了可动构件的质量，从而能够提高振动传递性能的线性压缩机。

背景技术

一般而言，压缩机(Compressor)是从电机或者叶轮机(turbine)等动力生成装置中得到动力后，压缩空气或冷媒或其他种类工作气体，从而提高上述气体压力的装置。在这里，上述压缩机在空调和冰箱等一般的家用电器或者制造业领域，使用较为普遍。

近来，在以往的往返式压缩机的基础上，开发了很多不仅结构简单、而且能够提高压缩效率的线性压缩机。在这里，对上述往返式压缩机的结构原理描述如下：在活塞(Piston)和气缸(Cylinder)之间形成有吸入/排出工作气体的压缩空间，并且通过活塞在气缸内部的直线往返运动，压缩冷媒。另外，在上述往返式压缩机的基础上开发的线性压缩机，其结构特征描述如下：使活塞直接连接于做直线往返运动的驱动电机上，因此避免了由于运行转换带来的机械性损失。从而，与以往往返式压缩机相比，线性压缩机不但可以提高压缩效率，而且其结构也变得简单。

更为详细的说，上述线性压缩机，其结构及工作原理描述如下：密闭容器内部固定设置有气缸。在上述气缸内部设置有活塞，该活塞能够做直线往返运动。并且，随着上述活塞在上述气缸内部做直线往返运动，冷媒将流入上述气缸内部的压缩空间，然后对冷媒进行压缩后排出。另外，上述压缩空间内设置有吸入阀门组和排出阀门组。在这里，上述阀门组根据上述压缩空间内部的压力，调节冷媒的流入及排出。

而且，上述活塞上相互连接设置有产生动力的线性电机。在这里，上述线性电机的具体结构描述如下：内定子和外定子间隔一定距离设置。在这里，在上述气缸周边，多个叠片(lamination)向圆周方向叠层，从而构成上述内定子和外定子。上述内定子或外定子内侧缠绕有线圈(coil)，并且在上述内定子和外定子之间的缝隙里设置有永久磁石，该永久磁石与上述活塞相连接。

另外，上述永久磁石设置为：可向上述活塞的运动方向移动的状态。这时，一旦上述线圈中有电流流入，由于此时所产生的电磁力的作用，上述永久磁石将向上述活塞的运动方向进行直线往返运动。一般而言，上述线性电机将以一定的运行频率f_c运行，上述活塞则以一定的冲程S进行直线往返运动。

另外，由于上述线性电机的驱动，上述活塞在进行直线往返运动时，为了能够向运动方向弹性支撑上述活塞，设置有各种弹簧。更为详细的说，可以使用作为一种机械式弹簧的盘簧(coil-spring)，其在上述活塞的运动方向被上述密闭容器和气缸所弹性支撑。而且，流入上述压缩空间的冷媒，同样也可发挥气压弹簧(gas-spring)的作用。

这时，上述盘簧将具有一定的机械式弹簧系数K_m，上述气压弹簧将具有根据负荷发生变化的气压弹簧系数K_g。在这里，考虑到上述机械式弹簧系数K_m及气压弹簧系数K_g，将根据下述的数学式1，计算出活塞线性压缩机的固有频率f_n。

[数学式1]

$f_n=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_m+K_g}{M}}$

根据上述公式所计算出的活塞的固有频率f_n，将决定上述线性电机的运行频率f_c。在这里，使上述线性压缩机的运行频率f_c与上述活塞的固有频率f_n相一致，即在共振状态下运行，就能够提高效率。

图1a及图1b是显示依据以往技术的线性压缩机的负荷与冲程曲线及负荷与效率曲线的图表。图2是显示根据冷力比的依据以往技术的线性压缩机效率，及使用上述线性压缩机的整个制冷循环系统效率的图表。

具备如上所述结构的线性压缩机是以一致于活塞的固有频率f_n的运行频率f_c运行的。在这里，上述活塞的固有频率f_n是通过如下步骤得出：即，在设计上述线性电机时所考虑的负荷下，通过上述盘簧的机械式弹簧系数K_m及气压弹簧的气压弹簧系数K_g计算出活塞的固有频率f_n。因此，如图1a及图1b所示，只有在设计上所考虑的中间负荷范围内，上述线性电机才会在共振状态下运行。即，上述活塞达到相似点的过程中实现压缩作用的同时，能够提高压缩效率。

但是，由于如上所述的线性压缩机的实际负荷是可变的。因此，上述气压弹簧的气压弹簧系数K_g及以此计算出的活塞的固有频率f_n也将随之变化。因此，在设计上没有考虑的低负荷区域及高负荷区域中，上述线性电机不能够在共振状态下运行，从而导致由于上述活塞达到相似点以上位置而引起的摩擦、磨损等问题，或者会导致由于上述活塞没有达到相似点而引起的压缩力、压缩效率降低的问题。

从结果上来讲，在以往的线性压缩机中，随着负荷的变化，活塞的固有频率f_n也将随之变化。但是，线性电机的运行频率f_c是固定不变的。因此，有可能导致上述线性电机不能在共振状态下运行的问题。上述问题一旦出现，将会降低压缩机效率。另外，由于不能对负荷进行能动性的控制，从而导致不能迅速卸掉负荷的问题。

为了解决上述问题，采取了如下措施：即，根据负荷调节流入的电流，从而改变上述线性电机的运行频率f_c。尤其是，如图2所示，如果随着高负荷转变为低负荷，而冷力比减少，即使控制上述线性电机使其运行频率f_c减小，在实际共振状态下，由于没有实现压缩作用，因此会大幅度降低压缩机效率。但是，由于整体冷冻循环系统的效率增加，因此实际上整体效率并不会有太大变化。

因此，在以往的线性压缩机中，上述活塞的质量设计为：上述线性电机以中间负荷区域为基准，按一定的运行频率运行的状态下，具有最小振动传递性能。因此，上述线性电机为了在低负荷区域改变压缩容量，而以低频率运行时，由于相对的振动传递性能不佳，会使振动传递的过大，并且会导致磨损及破损等危险。

发明内容

本发明是为了解决上述的问题而提出的。因此，本发明的目的是提供：即使让线性电机的运行频率与根据负荷变化的活塞的固有频率同步化运行，也可以在所有的负荷区域使活塞维持一定的刚性的同时，能够提高振动传递性能的线性压缩机。

为了实现上述目的，根据本发明的线性压缩机包含以下几个部分所构成：内部形成有压缩空间的固定构件；设置在上述固定构件的内部，并且通过轴方向的直线往返运动，压缩吸入到上述压缩空间的冷媒的可动构件；向上述可动构件的运动方向弹性支撑上述可动构件，并且根据负荷改变弹簧系数K_T的至少一个以上的弹簧；与上述可动构件相连接，并且驱动上述可动构件，使上述可动构件沿着轴方向做直线往返运动，而且使自身运行频率f_c与依赖上述弹簧系数K_T的可动构件的固有频率f_n同步化的线性电机(linear-motor)。在这里，为了能够使冷媒向运动方向通过，上述可动构件的中央形成有中空的冷媒流路。并且，在上述冷媒流路中，冷媒流入的入口区域的厚度要比冷媒流出的出口区域的厚度薄。其结果，即使在低频率区域实现共振运行，也因减小了可动构件的质量，从而能够提高振动传递性能。

如上所述，根据本发明的线性压缩机具有如下效果：本发明中的线性压缩机通过减少机械式弹簧系数，并且把活塞的固有频率设定在低频率区域。因此，即使活塞的固有频率随着负荷发生变化，也根据一定的频率推定程序使线性电机的运行频率与活塞的固有频率同步化。即，能够在低频率区域内实现共振运行，因此，可以提高压缩效率。并且，在维持活塞及消声器的刚性的同时，还可以制作得比较轻巧，因此即使线性电机在低频率区域运行，也可以提高活塞及消声器的振动传递性能，从而不但可以减小振动，而且还可以降低磨损及破损的危险。

附图说明

图1a及图1b是显示依据以往技术的线性压缩机的负荷与冲程曲线及负荷与效率曲线的图。

图2是显示根据冷力比的依据以往技术的线性压缩机效率，及使用上述线性压缩机的整个制冷循环系统效率的图。

图3是显示根据本发明的线性压缩机的侧断面图。

图4a及图4b是显示依据本发明的线性压缩机的负荷与冲程曲线及负荷与效率曲线的图。

图5是根据本发明的线性压缩机中，显示根据周边温度、活塞的质量、机械式弹簧系数、固有频率的变化而变化的气压弹簧系数的图。

图6是详细显示根据本发明的线性压缩机的可动构件的侧断面图。

图7是显示根据冷力比的本发明的线性压缩机效率，及使用上述线性压缩机的整个制冷循环系统效率的图。

主要部件附图标记说明

2：密闭容器                4：气缸(cylinder)

6：活塞(piston)            7：消声器(muffler)

8a，8b：弹簧(spring)       10：线性电机(linear-motor)

12：内定子(in-stator)      14：外定子(out-stator)

16：永久磁石               22：吸入阀门

24：排出阀门组(drain-valve-assembly)

具体实施方式

下面，将参照附图，对本发明的实施例进行详细的说明。

图3是显示根据本发明的线性压缩机的侧断面图。图4a及图4b是显示依据本发明的线性压缩机的负荷与冲程曲线及负荷与效率曲线的图表。

如图3所示，根据本发明的线性压缩机，其具体结构描述如下：密闭容器2的一侧设置有使冷媒流入/流出的流入管2a及流出管2b。气缸4固定设置于上述密闭容器2的内侧。为了压缩吸入到上述气缸4内部的压缩空间P的冷媒，在上述气缸4内部设置有活塞6。在这里，上述活塞6可进行直线往返运动。与此同时，还向着上述活塞6的运动方向，弹性支撑具有互不相同的弹簧系数的各种弹簧。上述活塞6与产生直线往返驱动力的线性电机10连接设置。另外，上述活塞的固有频率f_n由于负荷的改变而变化，上述线性电机10也可以根据一定的频率推定程序推定出上述活塞的固有频率f_n，并使自身运行频率f_c与上述活塞的固有频率f_n同步化。因此，如图4a及图4b所示，不但可以使上述活塞6达到相似点TDC的同时完成压缩作用，还可以在所有的负荷区域内提高压缩效率。

另外，与上述压缩空间P相邻的上述活塞6的一端设置有吸入阀门22。并且，与上述压缩空间P相邻的上述气缸4的一端设置有排出阀门组24。在这里，上述吸入阀门22及排出阀门组24，各自根据上述压缩空间P内部的压力，自动调节开/关状态。

在这里，上述密闭容器2为了使内部密闭，上、下部罩相互结合设置。并且，上述密闭容器2的一侧设置有流入冷媒的流入管2a及排出冷媒的流出管2b。在上述气缸4内侧，向运动方向弹性支撑地设置有活塞6，上述活塞6可进行直线往返运动。与此同时，在上述气缸4外侧，上述线性电机10通过框架18相互组装后构成组装体。在这里，上述组装体依靠支撑弹簧29，弹性支撑于上述密闭容器2的内侧底面。

另外，上述密闭容器2内部的底面存放有一定量的油。上述组装体的下端上设置有抽吸油的油供给装置30。与此同时，上述组装体下侧框架18内部形成有用于将油供给到上述活塞6和气缸4之间的油供给管18a。因此，上述油供给装置30利用上述活塞6进行直线往返运动时产生的振动抽吸油。然后，上述油将通过上述油供给管18a供给到上述活塞6和气缸4之间的间隙，从而起到冷却及润滑作用。

另外，为了使上述活塞6在上述气缸4内部进行直线往返运动，上述气缸4形成为中空形状。并且，上述气缸4的一侧形成有压缩空间P。并且，上述气缸4最好是在一端相邻于上述流入管2a内侧的状态下，与上述流入管2a设置在同一直线上。

在上述气缸4中，与上述流入管2a相邻的一端内部设置可进行直线往返运动的上述活塞6；与上述流入管2a反方向侧的一端设置上述排出阀门组24。

在这里，上述排出阀门组24包含以下几个部分所构成：为了在上述气缸4的一端侧形成一定的排出空间而设置的排出罩24a；为了开关上述气缸的压缩空间P侧一端而设置的排出阀门24b；设置在上述排出罩24a和排出阀门24b之间，向轴方向赋予弹性力的阀门弹簧24c。在这里，阀门弹簧是一种盘簧。另外，上述气缸4的一端内周面，镶嵌设置有O型环R，并以此使上述排出阀门24a封闭上述气缸4一端。

另外，上述排出罩24a的一侧和上述流出管2b之间连接设置有弯曲形成的环状管(loop-pipe)28。在这里，上述环状管28的作用是：不但可以引导压缩的冷媒排出到外部，还可以缓冲上述气缸4、活塞6、线性电机10的相互作用引起的振动传送至上述密闭容器2整体的现象。

另外，随着上述活塞6在上述气缸4内部进行直线往返运动，如果上述压缩空间P的压力达到一定的排出压力以上，上述阀门弹簧24c将被压缩后开放上述排出阀门24b。然后，冷媒从上述压缩空间P排出后，将顺着上述环状管28及流出管2b完全排出到外部。

然后，为了使从上述流入管2a流入的冷媒流动，上述活塞6的中央形成有冷媒流路6b。与上述流入管2a相邻的吸入区域(IN)一端上，根据连接构件直接连接设置上述线性电机10。与此同时，上述流入管2a相反侧的排出区域一端上设置有上述吸入阀门22，并且向着上述活塞的运动方向，被各种弹簧弹性支撑的设置。

这时，上述吸入阀门22为薄板形状，并且为了开关上述活塞的冷媒流路6a，切开中央的一部分形成，并且其一侧依靠螺丝固定设置于上述活塞6的一端。

因此，随着上述活塞6在上述气缸4内部进行直线往返运动，一旦上述压缩空间P的压力达到低于上述排出压力的一定的吸入压力以下，上述吸入阀门22将开放，使冷媒吸入到上述压缩空间P内。另外，一旦上述压缩空间P的压力达到一定的吸入压力以上，在上述吸入阀门22关闭的状态下，上述压缩空间P的冷媒将被压缩。

尤其是，上述活塞6设置成：向运动方向被弹性支撑。更为详细的说，与上述流入管2a相邻的活塞6的一端上，向半径方向凸出的活塞凸缘6b，作为盘簧的一种的机械式弹簧8a，8b向上述活塞6的运动方向所弹性支撑。另外，包含于与上述流入管2a反方向侧的压缩空间P内的冷媒，由于自身弹性力，而起到气压弹簧的作用，从而弹性支撑上述活塞6。

在这里，上述机械式弹簧8a，8b具有：与负荷无关的一定的机械式弹簧系数K_m。上述机械式弹簧8a，8b最好是以上述活塞凸缘6b为基准，在固定于上述线性电机10的支撑框架26和上述气缸4上，各自向轴方向并列设置。

但是，上述气压弹簧具有根据负荷发生变化的气压弹簧系数K_g。在这里，上述压缩空间P内的气体，随着周边温度的上升，冷媒的压力将变大，进而自身弹性力也将变大，因此，上述气压弹簧的气压弹簧系数K_g也将随着负荷的增大而变大。

图5是根据本发明的线性压缩机中，显示根据周边温度、活塞的质量、机械式弹簧系数、固有频率的变化而变化的气压弹簧系数的图表。

下面，参照图5说明上述气压弹簧系数K_g。上述机械式弹簧系数K_m越小，上述气压弹簧系数K_g对于机械式弹簧系数K_m加上气压弹簧系数K_g的整体弹簧系数K_T的比率将变大。并且，周边温度越高，即负荷越大，对于上述整体弹簧系数K_T的上述气压弹簧系数K_g所占比率将变大。上述气压弹簧系数K_g对于上述整体弹簧K_T的所占比率越大，上述固有频率f_n的变动也将越大。

在设计时，要掌握上述根据负荷的各种变数的特性，决定设计时的气压弹簧系数K_g、机械式弹簧系数K_m、活塞的固有频率f_n及质量。

另外，上述线性电机10包含以下几个部分所构成：使多个叠片12a向圆周方向叠层构成，并且由上述框架18固定设置于上述气缸4外侧的内定子12；在可缠绕线圈的线圈缠绕体14a周边，使多个叠片14b向圆周方向叠层构成，并且由上述框架18，在上述气缸4的外侧，与上述内定子12间隔一定距离设置的外定子14；位于上述内定子12与外定子14之间的间隙，依靠连接构件17与上述活塞6连接设置有永久磁石16。在这里，上述线圈缠绕体14a也可以固定设置于上述内定子12外侧。

如上所述的线性电机10中，随着电流供给于上述线圈缠绕体14a中，上述线圈缠绕体14a将产生电磁力。然后，由于上述电磁力和上述永久磁石16的相互作用，上述永久磁石16将进行直线往返运动。因此，与上述永久磁石16相连接的活塞6也将在上述气缸4内部进行直线往返运动。

当然，上述线性电机10将调节其运行频率f_c，从而使其运行频率f_c与按一定的频率推定程序推定的活塞的固有频率f_n一致，从而形成共振运动。

特别需要指出的是，在根据本发明的线性压缩机中，为了使上述线性电机10在30-55Hz的低频率区域也可以实现共振运行，而最大化压缩机效率及整体冷冻循环系统的效率，把上述活塞的固有频率f_n设定在30-55Hz的低频率区域内。如上所述，为了将上述活塞的固有频率f_n设定在低频率区域内，如图5所示，相对于以往的线性压缩机，要减小上述机械式弹簧系数K_m，从而使上述气压弹簧系数K_g在整体弹簧系数K_T中所占的比率增大。

这时，即使上述线性电机10在低频率区域运行，为了提高振动传递性能，上述活塞6的质量要设计得比以往的线性压缩机中的质量小。

图6是详细显示根据本发明的线性压缩机的可动构件的侧断面图。图7是显示根据冷力比的本发明的线性压缩机效率，及使用上述线性压缩机的整个制冷循环系统效率的图表。

更为详细的说，如图6所示，上述活塞6为了使冷媒流路6a向着运动方向贯通，形成为中空形状。在这里，上述冷媒流路6a大体上分为：吸入冷媒的吸入区域(IN)和排出冷媒的排出区域(OUT)。然后，上述吸入区域(IN)及排出区域(OUT)的外径相同，但上述吸入区域的内径φ大于上述排出区域的内径φ。

在这里，上述活塞6相对于以往的活塞，省去了上述吸入区域的内周面一部分，即设计时可以减小其质量。

这时，上述活塞的排出区域，在上述气缸4内部进行直线往返运动时，起到一种受力比较大的轴承作用，所以需要维持一定的刚性。因此，要比上述活塞的吸入区域厚。上述排出区域的厚度最好为上述吸入区域厚度的两倍左右。

与此同时，随着上述活塞6进行直线往返运动，冷媒在上述活塞6的冷媒流路6a流动的过程中，会产生噪音。为了减小上述的冷媒的流动噪音，在上述活塞的吸入区域固定设置消声器7。

这时，上述消声器7与上述活塞6相同，也是一种进行直线往返运动的可动构件，会对上述活塞6的振动传递性能造成影响，因此应设计的比较轻。作为一种实施例，上述消声器6可以由塑料材质制成。

当然，上述消声器7的构成可以是多样的。在这里，上述消声器7一般是由以下几个部分所构成：向着运动方向形成的细长的消音管7a；在上述消音管7a的入口侧形成的较大的中空形的噪音抵减室7b。另外，上述噪音抵减室7b内侧，为了形成减小多种频率区域的噪音的多个空间，而连接设置多种分隔板7b’和管7b”。

在具备如上所述结构的线性压缩机中，由于气压弹簧系数kg在整体弹簧系数K_T中占有的比率大，因此上述活塞的固有频率f_n设定在低频率区域。这时，上述线性电机10通过一定的频率推定程序，并且使用如图5所示的数据，推定出上述活塞的固有频率f_n，使自身运行频率f_c与上述活塞的固有频率f_n同步化，从而在低频率区域实现共振运行。因此，如图7所示，不但可以维持压缩机自身效率的高状态，还可以提高适用了如上所述线性压缩机的冷冻循环系统的效率。

另外，具备如上所述结构的线性压缩机，在活塞6及消声器7维持一定的刚性的同时，其质量也比以往的要小。因此，即使是在低频率区域往返运行，但由于提高了活塞6的振动传递性能，因此不但可以减小振动，而且还可以降低电力消耗。

以上，以本发明的实施例与附图为基础，对本发明的由线性电机驱动，使与此相连接的活塞在气缸内进行直线往返运动，从而吸入、压缩、排出冷媒的线性压缩机，进行了详细的说明。但是，本发明的权利不只局限于如上所述的实施例，而是由权利要求书中的记载内容而定义。在不超出权利要求书中记载的本发明技术范围的情况下，相关行业的技术者可对其进行多种变形和修改。

Claims (5)

1、一种线性压缩机，包括：

内部形成有压缩空间的固定构件；

设置在上述固定构件的内部，并且通过轴方向的直线往返运动，压缩吸入到上述压缩空间的冷媒的可动构件；

向上述可动构件的运动方向弹性支撑上述可动构件，并且根据负荷改变弹簧系数K_T的至少一个以上的弹簧；

与上述可动构件相连接，并且驱动上述可动构件，使上述可动构件沿着轴方向做直线往返运动，而且使自身运行频率f_c与依赖上述弹簧系数K_T的可动构件的固有频率f_n同步化的线性电机；

对于具有上述结构的线性压缩机，其特征在于：为了能够使冷媒向运动方向通过，上述可动构件的中央形成有中空的冷媒流路，在上述冷媒流路中，冷媒流入的入口区域的厚度要比冷媒流出的出口区域的厚度薄。

2、根据权利要求1所述的线性压缩机，其特征在于：

上述可动构件中，上述入口区域的内径大于上述出口区域的内径。

3、根据权利要求2所述的线性压缩机，其特征在于：

上述可动构件中，上述入口区域的外径与上述出口区域的外径相同。

4、根据权利要求1至3任一项所述的线性压缩机，其特征在于：

在上述线性电机以一定的低频率运行时，为了可以与上述可动构件的固有频率同步化，用上述弹簧系数决定上述可动构件质量。

5、根据权利要求4所述的线性压缩机，其特征在于：

上述可动构件还包括消声器，用于减小冷媒的流动噪音，其以一部分插入于上述可动构件的入口区域内侧的状态连接设置，并且由塑料材质制作。

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