CN1782387B - 活塞式压缩机的起动方法 - Google Patents

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Abstract

一种能够有效起动活塞式压缩机(1)并便于实施的方法，以及一种适于实施该方法的活塞式压缩机(1)。在此情形下，其中在复位阶段(15)，通过施加复位驱动力矩(AR)，在活塞位置(S)的压缩点(SK)方向驱动活塞式压缩机(1)的活塞(2)，并且利用超过稳态点(Sb，S’b)来维持该复位驱动力矩(AR)直到活塞到达起动位置(SIV)，这是由于流体可通过至少一个渗漏点(16)从活塞(2)和相应的压力缸(3)之间的压缩空间(9)中排出，并且在加速阶段(16)，借助于起动驱动力矩(As)，活塞(2)加速离开了起动位置(SIV)进入操作旋转方向(B)。

Description

活塞式压缩机的起动方法
技术领域
本发明涉及一种起动活塞式压缩机的方法。本发明还进一步涉及一种按照所述方法操作的活塞式压缩机。
背景技术
传统的活塞式压缩机带有至少一个活塞，通过马达可以使活塞以下述方式在压力缸内移动，即在活塞移动的过程中，形成于压力缸和活塞之间的压缩空间的体积可周期性地膨胀和压缩。在膨胀阶段，通过设置在压力缸中的入口阀将一种可压缩的流体，特别是将诸如R600a之类的致冷剂吸入到压缩空间内。在随后的压缩阶段，吸入的流体在不断增加的压力下被压缩并且通过压力缸的出口阀被排出。把从压缩阶段转变为随后的膨胀阶段的活塞位置定义为压缩点。与此类似，把从膨胀阶段转变为随后压缩阶段的活塞位置定义为膨胀点。
这里所定义的“活塞式压缩机”是指往复活塞式压缩机和旋转活塞式压缩机或滚动活塞式压缩机。其中在所述往复活塞式压缩机中，活塞在压力缸内线性运动。这种往复活塞式压缩机通常由一可旋转的偏心件驱动。相反，在旋转活塞式压缩机中，借助一驱动轴以旋转的方式直接驱动活塞，使活塞相对于压力缸产生旋转。在不对这两种结构形式进行限制的情况下，选定驱动轴或偏心件的旋转位置作为活塞位置的度量，从而参考往复活塞式压缩机的一特定活塞位置可以是一给定的角度值。通常，将与驱动轴的一次完整旋转或偏心件转过360°相对应的连续膨胀阶段和随后的压缩阶段定义为活塞式压缩机的工作周期。
当操作活塞时，随着工作周期负载力矩产生周期性的波动，并且通常在压缩阶段负载力矩会达到一个最大值(下面将其定义为负载峰值)。通常对电子控制活塞式压缩机如此设计以便在出现负载峰值的过程中，马达驱动力矩的最大值低于负载力矩的最大值。通过活塞式压缩机的惯性，即通过飞轮质量所储存的动能能够克服负载峰值。
当起动活塞式压缩机时，为此目的所需要的动量并不是随时可以得到的，因此通常的活塞式压缩机经常无法借助自身固有的动力起动，或者至少无法从每个活塞位置都可以起动。为了提高动量的传送，并由此使自身的起动更容易，在实际的起动操作之前，有时候需要以与操作旋转方向相反的方向反向旋转活塞式压缩机的活塞。在传统的活塞式压缩机中，活塞的这种反向旋转最终停止在某一位置，在该活塞位置处，马达的最大驱动力矩与进一步反向压缩的载荷力矩一致。
发明内容
将这一活塞位置定义为稳态点。本发明的一个目的是确定一种方法，借助于该方法，能够在活塞式压缩机内以简单的方式实现一种经过改进的起动。此外，本发明的另一目的是确定一种适于实施所述方法的活塞式压缩机。
根据本发明的方法可实现按照本发明所述的这个目的.根据本发明，提供一种起动活塞式压缩机的方法，其中在复位阶段，通过施加复位驱动力矩在向活塞位置的压缩点方向上驱动活塞式压缩机的活塞，并且通过超过稳态点，该复位驱动力矩被维持直到活塞由于流体通过至少一个渗漏点从活塞和相应的压力缸之间的压缩空间中流出而到达起动位置，在加速阶段，借助于起动驱动力矩，活塞加速离开起动位置进入操作旋转方向.因此，首先在复位阶段，通过施加复位驱动力矩，在活塞位置的压缩点方向上驱动活塞式压缩机的活塞，并且维持该复位驱动力矩超过稳态点直到活塞到达起动位置.在此情况下，以受控的方式利用活塞式压缩机的至少一个渗漏点来实现效用，借此将在复位阶段被压缩的流体从压缩空间中渗漏出去，以便使活塞位置逐渐接近位于稳态点之后的起动位置.在达到起动位置之后的加速阶段，借助于起动驱动力矩，活塞在操作旋转方向上加速离开起动位置.由于活塞式压缩机的结构，所利用的渗漏点，特别是活塞/气缸之间的间隙总会存在.
通过上述方法，能够在活塞式压缩机内以简单的方式实现很长的加速行程，以用于获取所需要的动能克服负载峰值。因此，按照本发明的方法来操作的活塞式压缩机的驱动系统可被设计成具有相对较低的最大驱动力矩。借此可在很大程度上节省生产成本。
优选复位驱动力矩与操作旋转方向相反，以便在复位阶段活塞式压缩机能够以与操作旋转方向相反的方向反向旋转。由于活塞式压缩机的结构类型，当相比于正向旋转，反向旋转过程中出现较低的载荷力矩和/或较高的泄漏率时，是特别有利的。特别是在涉及往复活塞式压缩机的情形下，通常泄漏率和载荷力矩的曲线表现为相对于旋转方向的反向是对称的。在此情况下，在复位阶段同样也可以沿操作旋转方向驱动活塞。
为了实现加速阶段的加速行程尽可能的长，从操作旋转方向看，优选将起动位置选定在压缩点附近，或者是位于压缩点稍微前面的位置。有利的是，可使起动位置位于压缩点周围+/-30°的角度范围内。
根据本发明的活塞式压缩机可实现按照本发明所述的这个目的。根据本发明的带有活塞的活塞式压缩机，所述活塞可借助马达驱动的驱动轴在压力缸内移动，该活塞式压缩机还包括用于起动马达的控制装置，其中所述控制装置被设计为：
在复位阶段，可通过在活塞位置的压缩点方向上驱动活塞来预先确定一复位驱动力矩，通过超过稳态点，该复位驱动力矩被维持直到活塞由于流体通过至少一个渗漏点从活塞和相应的压力缸之间的压缩空间中流出而到达起动位置，以及在加速阶段，预先确定起动驱动力矩，借助于该起动驱动力矩，活塞加速离开起动位置进入旋转操作方向。
因此，该活塞式压缩机包括一借助于驱动系统在压力缸内可移动的活塞。所述驱动系统包括通过驱动轴作用在活塞上的电马达以及能够起动所述电马达的电子控制装置。在此情形下，可将所述控制装置设计成能够按照上述方法起动马达。特别是可将该控制装置设计成能够以如下的方式在复位阶段起动马达，即可以在复位驱动力矩的作用下沿压缩点的方向驱动活塞，并且维持这一复位驱动力矩直到活塞到达起动位置。此外，还可将该控制装置设计成按下述方式在加速阶段起动马达，即可以在起动驱动力矩的作用下沿操作旋转方向使活塞从起动位置加速离开。
附图说明
下面借助附图对本发明的一示范实施方案进行详细说明。
图1至4示出了活塞式压缩机起动操作的过程中活塞式压缩机位于连续4个活塞位置的示意剖面图.
图5示出了按照图1操作活塞式压缩机过程中产生的负载力矩的特征曲线示意图，该曲线可作为活塞位置的函数，以及
图6示出了在按照图5所示的曲线图中，进行起动操作时负载力矩的曲线。
具体实施方式
所有附图中相同或相应部件其附图标记总是相同的。
图1至4中用图解法示出的活塞式压缩机1可被设计成往复式活塞压缩机。这种活塞式压缩机1包括位于压力缸3中的可直线移动的活塞2(图1所示的垂直方向直线移动)。为了驱动活塞2，需设置一电马达4，特别是该马达4可被设计为永磁同步马达，并且由电子控制装置5起动。马达4通过示意性示出的驱动轴6作用于驱动偏心轮7上，而偏心轮又以铰接的方式通过连杆8与活塞2相连，从而以一种已知的方式将驱动偏心轮7的旋转运动转换成活塞2的线性运动。
压力缸3和活塞2限定出压缩空间9，在该压缩空间中，用于压缩流体F的入口11和出口12分布在面背着活塞2的汽缸3底部10。所述流体F优选为致冷剂，例如可以是R600a。
在流体从入口11流入到压缩空间以及从出口12流出的位置处分别设置有入口阀13和出口阀14，它们根据阀的位置，以液密的方式关闭和或打开入口11和出口12。每个阀13或14都可被设计成活瓣，它可借助于特别是弹簧的弹力或依靠其自身的弹性设计而被预压到静止的停止位置处。每个阀13或14在流体F的相应压力梯度作用下能够像止回阀一样自动打开和关闭。在此情况下，当压缩空间9内在入口处处于足够强的负压，入口阀13被打开。同样，当压缩空间内在出口12处处于足够强的过压时，出口阀14被打开。
压缩空间9的体积会作为活塞位置S的函数而变化。在此情况下，可采用驱动轴6和驱动偏心轮7的旋转或环形位置作为活塞位置S的度量，驱动偏心轮7旋转固定地连接到驱动轴。当活塞位置S＝0°时，活塞2向压力缸3内移动至最大范围，因此这时压缩空间9的体积最小。当活塞位置S＝180°时，活塞2被相应地从压力缸3中拉出至最大范围，因此这时压缩空间9的体积最大。假定驱动偏心轮7按图1所示的旋转方向B旋转，活塞位置S从0°改变成180°，与膨胀阶段E(图5)相对应，在此期间，压缩空间9膨胀，因此流体从入口11被吸入到压缩空间9中。活塞位置S从180°改变成360°(等于0°)，与压缩阶段K(图5)对应，在此期间，容纳在压缩空间9中的流体F被压缩并通过出口12排出。
膨胀阶段E的开始与活塞位置S＝0°相对应，称作压缩点SK，压缩阶段K的开始与活塞位置S＝180°相对应，称作膨胀点Se表示。将驱动偏心轮7的一个完整的旋转，即使活塞位置从S＝0°改变成S＝360°称作活塞式压缩机1的一个工作周期。因此该工作周期包括膨胀阶段E和随后的压缩阶段K。
在活塞式压缩机1的工作过程中，会产生负载扭矩——主要是由压缩空间9内可变流体压力导致的，其中所述负载扭矩(下文称为负载力矩L)通过活塞2施加在驱动偏心轮7上，并且能够反作用于由马达4施加在驱动偏心轮7上的驱动扭矩(下文称为驱动力矩A)。
如图5中的实施例所示，负载力矩L作为活塞位置S的函数而变化。在通常的操作条件下，膨胀阶段E形成的负载力矩L值较小，而在压缩阶段K形成的负载力矩L则会经历最大极限值，该极限值被钟为载荷峰值P。在载荷峰值P的区域内，最大载荷力矩Lmax例如可出现在活塞位置S≈270°的位置处。
可将马达4设计为使其能够施加在驱动偏心轮7上的最大驱动力矩Amax小于最大负载力矩Lmax。因此，就会存在一处负载力矩L恰好超过最大驱动力矩Amax的活塞位置S，使得马达的功率不足以用于进一步的压缩。这一位置可称作稳态点Sb，它出现在载荷峰值P的附近，即当沿着操作方向B驱动活塞2时，这一位置出现在稍微低于活塞位置S＝270°的地方。
当从与操作旋转方向B相反的方向驱动活塞2时，在活塞式压缩机中产生一负载力矩L’(如图3中虚线所示)相对于压缩点SK基本成镜面对称状，并且还具有一相应的载荷峰值P’。在所述反向旋转的过程中，相应的稳态点S’b出现在稍微超过活塞位置S＝90°的地方。
当活塞式压缩机1处于操作过程中时，借助所使用的活塞式压缩机1的动能来越过稳态点Sb和载荷峰值P。不过在开始起动活塞式压缩机1时，还不能利用所述动能，因此活塞式压缩机1并不能借助其内在的力直接从图1所示的活塞位置SI直接起动。下面将结合图2至4，以及图6对可用于改进活塞式压缩机1的起动行为的方法进行详细说明。
因此活塞式压缩机1的起动操作可分为复位阶段15(图6)和随后的加速阶段16(图6)。在复位阶段15，活塞2以与操作旋转方向B相反的方向从初始位置SI旋转离开，此时只具有较低的驱动力矩，直到所述活塞位置旋转到起动位置SIV为止。在此情况下，活塞式压缩机1通过了图2和3所示的活塞位置SII和SIII。
按照本发明所述的方法其特征在于：将起动位置SIV选定在压缩点Sk附近、尤其是选定在稳态点Sb和S’b之间，以便在复位阶段15期间，当活塞2反向旋转时不得不越过稳态点S’b。同样，如果活塞2由正向旋转移动到起动位置SIV，则稳态点Sb也将不得不越过。
在复位阶段15期间，马达4产生复位驱动力矩AR，当达到或超过稳态点S’b时，该复位驱动力矩依然确实地维持，这样就越过了稳态点S’b。这在技术上的实施就是马达4的定子场以较低的角速度在预定的时间段反向旋转。
在此情况下，由于结构的原因，特别是由于活塞/汽缸之间总会出现一定程度的间隙而导致在压缩空间9内出现渗漏点，可以通过控制的方式对这些渗漏点加以利用。与通常对活塞式压缩机1的工作行为相反，在保持复位驱动力矩AR的情形下，流体F(图3)以明显的程度从这些渗漏点17漏出，从而在稳定的载荷条件下，压缩空间9的体积进一步减小，活塞位置S由此超过稳态点S’b而接近压缩点Sk。这样，载荷峰值P’被有效地“隧道穿越”。
依赖于活塞式压缩机1的结构类型，如果适当的话，将压缩空间9与入口11连接起来的渗漏点可被用作除渗漏点17之外的渗漏点或者取代渗漏点17，其中渗漏点17是通过活塞/气缸之间的间隙形成的。此外，由于压缩机结构得到的这种除渗漏点17之外的渗漏点或取代渗漏点17，还可以设置人为渗漏点例如以环绕入口阀13的细小旁路的形式设置。这对于避免使流体F渗漏到周围环境中是特别有利的。
起动位置SIV的精确位置依赖于初始位置SI.在复位阶段15，马达起动被设计成使得起动位置SIV总是处于压缩点SK周围约+/-30°的角度范围内，并且处于大约180°的初始位置SI，即与压缩点SK基本重合。这已经被证实对于适当量的复位驱动力矩AR获得马达起动是有利的，其中所述马达4的定子场能够以每分钟1至10转之间的某一角速度在3至30秒之间的某一预定时间段反向旋转，优选以大约每分4转、20秒的预定时间段反向旋转。
达到起动位置SIV后，在加速阶段16将起动驱动力矩AS施加到驱动偏心轮7上，并由此施加到活塞2上，所述起动驱动力矩作用在操作旋转方向B上，并且其数值与最大驱动力矩对应。
从图6中可知，在加速阶段16期间，活塞位置S经过了大于240°的加速范围18，在此过程中，没有增加了的负载力矩L产生，所以活塞式压缩机1能够获取足够的动量以克服载荷峰值P。较长的加速范围18使得马达4设计成具有较低的最大驱动力矩Amax而不削弱活塞式压缩机1起动行为。
在时间上可直接相继地实施复位阶段15和加速阶段16。然而，也可分开实施复位阶段15和加速阶段16。特别是，可以可选择地在活塞式压缩机1的操作阶段结束时进行复位阶段15，从而在随后的操作阶段期间，活塞式压缩机1已经从一开始就已经处在起动位置SIV，并可以通过执行加速阶段16而被立即起动。或者也可以，只有当由于初始活塞位置SI不合适而导致之前实施的立即起动失败时，才执行上述方法。
此外，就在图1至4所示的活塞式压缩机而言，在一种变例的上述起动方法中，也可以施加作用在操作旋转方向B上的复位驱动力矩AR。而且，所述起动方法还可同样运用于旋转活塞式压缩机。
所述方法也可以同样运用于带有不同类型电子控制马达的活塞式压缩机，特别是可运用于无刷直流马达(BLDC)、异步马达、磁阻马达等。

Claims (10)

1.一种起动活塞式压缩机(1)的方法，其中在复位阶段(15)，通过施加复位驱动力矩(AR)在向活塞位置(S)的压缩点(SK)方向上驱动活塞式压缩机(1)的活塞(2)，并且通过超过稳态点(Sb，S’b)，该复位驱动力矩(AR)被维持直到活塞由于流体通过至少一个渗漏点(17)从活塞(2)和相应的压力缸(3)之间的压缩空间(9)中流出而到达起动位置(SIV)，在加速阶段(16)，借助于起动驱动力矩(As)，活塞(2)加速离开起动位置(SIV)进入操作旋转方向(B)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于复位驱动力矩(AR)反向于操作旋转方向(B)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，起动位置(SIV)选在相对于压缩点(Sk)周围+/-30°的活塞位置(S)的角度范围内。
4.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于为了产生复位驱动力矩(AR)，以每分钟1至10转之间的某一预定角速度、3至30秒之间的某一预定时间段激励用于驱动活塞式压缩机(1)的马达(4)的定子场。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于为了产生复位驱动力矩(AR)，以每分钟1至10转之间的某一预定角速度、3至30秒之间的某一预定时间段激励用于驱动活塞式压缩机(1)的马达(4)的定子场。
6.根据权利要求1至2中任一项所述的方法，其特征在于所述起动驱动力矩(AS)与预定的最大驱动力矩(Amax)相对应。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述起动驱动力矩(AS)与预定的最大驱动力矩(Amax)相对应。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于所述起动驱动力矩(AS)与预定的最大驱动力矩(Amax)相对应。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于所述起动驱动力矩(AS)与预定的最大驱动力矩(Amax)相对应。
10.一种带有活塞(2)的活塞式压缩机(1)，所述活塞可借助马达(4)驱动的驱动轴(6)在压力缸(3)内移动，该活塞式压缩机还包括用于起动马达(4)的控制装置(5)，其中所述控制装置(5)被设计为：
-在复位阶段，可通过在向活塞位置(S)的压缩点(SK)方向上驱动活塞(2)来预先确定一复位驱动力矩(AR)，
-通过超过稳态点(Sb，S’b)，该复位驱动力矩(AR)被维持直到活塞(2)由于流体通过至少一个渗漏点(17)从活塞(2)和相应的压力缸(3)之间的压缩空间(9)中流出而到达起动位置(SIV)，以及
-在加速阶段(16)，预先确定起动驱动力矩(AS)，借助于该起动驱动力矩，活塞(2)加速离开起动位置(SIV)进入操作旋转方向(B)。
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