ES2327133T3 - Procedimiento de arranque para un compresor de piston. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para arrancar un compresor de pistón (1), en el que se acciona un pistón (2) del compresor de pistón (1) en una fase de reposición (15) aplicando un par de accionamiento de reposición (AR) en dirección a un punto de compresión (Sk) de la posición (S) del pistón, manteniéndose el par de accionamiento de reposición (AR) hasta que el compresor de pistón (1), debido a un desalojamiento de fluido del espacio de compresión (9) - formado entre el pistón (2) y un cilindro de presión correspondiente (3) - a través de al menos un sitio de fuga (17) y sobrepasando un punto de régimen (S b, S'' b), haya alcanzado una situación de arranque (S IV), y en el que se acelera el pistón (2) en una fase de aceleración (16) desde la situación de arranque (SIV) con un par de accionamiento de arranque (AS) en una dirección de giro de funcionamiento (B).

Description

Procedimiento de arranque para un compresor de pistón.

La invención se refiere a un procedimiento para arrancar un compresor de pistón. La invención se refiere, además, a un compresor de pistón que trabaja con arreglo al procedimiento citado.

Un compresor de pistón presenta usualmente al menos un pistón que se puede mover por medio de un motor dentro de un cilindro de presión de tal manera que, en el curso del movimiento del pistón, se expanda y se comprima periódicamente el volumen de un espacio de compresión formado entre el cilindro de presión y el pistón. Durante la fase de expansión se aspira un fluido compresible, especialmente un agente frigorífico tal como, por ejemplo, R600a, hacia el espacio de compresión a través de una válvula de entrada prevista en el cilindro de presión. El fluido aspirado es comprimido durante la fase de compresión subsiguiente y es expulsado a presión elevada a través de la válvula de salida del cilindro de presión. La posición del pistón que identifica la transición de una fase de compresión a una fase de expansión subsiguiente se denomina punto de compresión en lo que sigue. La posición del pistón que identifica la transición entre una fase de expansión y una fase de compresión subsiguiente se denomina análogamente punto de expansión.

La designación de compresor de pistón se refiere tanto a un compresor de pistón alternativo como a un compresor de pistón rotativo o rodante. En un compresor de pistón alternativo el pistón puede moverse linealmente dentro del cilindro de presión. El pistón de este compresor de pistón rotativo es accionado usualmente a través de una excéntrica rotativa. Por el contrario, en un cilindro de pistón rotativo el pistón es accionado a rotación directamente a través de un árbol de accionamiento y gira con respecto al cilindro de presión. Sin limitación a una de estas dos formas de construcción, se aprovecha seguidamente como medida de la posición del pistón la posición de giro del árbol de accionamiento o de la excéntrica, por lo que la referencia a una posición determinada del pistón de un compresor de pistón alternativo se efectúa también en forma de una indicación angular. El desarrollo de una fase de expansión y de una fase de compresión subsiguiente, que corresponde en general a una revolución completa de 360º del árbol de accionamiento o de la excéntrica, se denomina ciclo de trabajo del compresor de pistón.

Durante el funcionamiento de un compresor de pistón se presenta un par de carga que fluctúa periódicamente con el ciclo de trabajo y que recorre en general, durante la evolución de la fase de compresión, un máximo muy marcado (denominado a continuación pico de carga). Es usual diseñar un compresor de pistón electrónicamente regulado de tal manera que el par de accionamiento máximo del motor se quede por debajo del valor máximo del par de carga que se presenta durante el pico de carga. En funcionamiento, el pico de carga es superado por la inercia de compresor de pistón, es decir, por la energía cinética almacenada en una masa volante.

En el arranque de un compresor de pistón no está presente el impulso necesario para ello, de modo que es frecuente que un compresor de pistón habitual no pueda ser arrancado por su fuerza propia o que al menos no pueda serlo desde cualquier posición del pistón. Para incrementar el recorrido de impulsión y, por tanto, facilitar el autoarranque se hace a veces que el pistón de un compresor de pistón realice antes del proceso de arranque propiamente dicho un giro de retroceso en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento. En un compresor de pistón convencional este giro de retroceso del pistón se concluye como muy tarde en una posición del pistón en la que el par de accionamiento máximo del motor corresponde al par de carga que se opone a una compresión adicional. Una construcción correspondiente es conocida, por ejemplo, por la patente DE 100 23 523 C1, que revela las características del preámbulo de la reivindicación 6. Esta posición del pistón se denomina seguidamente punto de régimen.

La invención se basa en el problema de indicar un procedimiento por medio del cual se logre de manera sencilla un comportamiento de arranque mejorado en un compresor de pistón. La invención se basa también en el problema de indicar un compresor de pistón adecuado para la puesta en práctica del procedimiento citado.

Respecto del procedimiento, el problema se resuelve según la invención por medio de las características de la reivindicación 1. Según ésta, se ha previsto que en una fase de reposición se accione primero el pistón de un compresor de pistón aplicando un par de accionamiento de reposición en dirección a un punto de compresión de la posición del pistón y que se mantenga el par de accionamiento de reposición hasta que el pistón, sobrepasando un punto de régimen, haya alcanzado una situación de arranque. Se aprovecha aquí de manera deliberada al menos un sitio de fuga del compresor de pistón a través del cual escapa del espacio de compresión el fluido comprimido en el transcurso de la fase de reposición, de modo que la posición del pistón, más allá del punto de régimen, se aproxima sucesivamente a la situación de arranque. En una fase de aceleración que sigue a la llegada a la situación de arranque se acelera entonces el pistón desde la situación de arranque con un par de accionamiento de arranque en una dirección de giro de funcionamiento. Como sitio de fuga se aprovecha especialmente la holgura de pistón-cilindro que, debido a la construcción, existe siempre en un compresor de pistón.

Con el procedimiento anteriormente descrito se logra de manera sencilla en un compresor de pistón un recorrido de aceleración especialmente largo para absorber la energía cinética necesaria para vencer el pico de carga. El sistema de accionamiento del compresor de pistón que trabaja según el procedimiento de la invención puede diseñarse así para un par de accionamiento máximo relativamente pequeño. Se ahorran con ello costes de fabricación en una medida decisiva.

El par de accionamiento de reposición está preferiblemente dirigido en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento, de modo que el compresor de pistón es hecho girar en retroceso, durante la fase de reposición, en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento. Esto es conveniente especialmente cuando, a consecuencia de la clase de construcción del compresor de pistón, se presenta durante el giro hacia atrás un par de carga más pequeño y/o una tasa de fuga más alta que durante un giro correspondiente hacia delante. Particularmente en un compresor de pistón alternativo, la tasa de fuga y la evolución del par de carga se desarrollan en general simétricamente con respecto a una inversión de la dirección de giro. En este caso, el pistón, durante la fase de reposición, puede ser accionado de manera equivalente también en la dirección de giro de funcionamiento.

Para lograr durante la fase de aceleración un recorrido de aceleración lo más largo posible se ha elegido preferiblemente la situación de arranque de tal manera que ésta esté localizada en el entorno del punto de compresión o ligeramente adelantada a éste, visto en la dirección de giro de funcionamiento. Convenientemente, la situación de arranque está localizada especialmente dentro de un intervalo angular de \pm30º en torno al punto de compresión.

Respecto del compresor de pistón, el problema anteriormente citado se resuelve conforme a la invención por medio de las características de la reivindicación 6. Según ésta, el compresor de pistón comprende un pistón que puede ser movido en un cilindro de presión por medio de un sistema de accionamiento. El sistema de accionamiento comprende un motor eléctrico, que actúa sobre el pistón a través de un árbol de accionamiento, y una unidad de control que activa dicho motor. La unidad de control está concebida aquí para activar el motor según el procedimiento anteriormente descrito. La unidad de control está concebida aquí especialmente para activar el motor durante la fase de reposición de tal manera que el pistón sea accionado bajo la acción del par de giro de reposición en dirección al punto de compresión, y para mantener el par de accionamiento de reposición hasta que el pistón haya alcanzado una situación de arranque. La unidad de control está concebida también para activar el motor durante la fase de aceleración de tal manera que el pistón sea acelerado hacia fuera de la situación de arranque en la dirección de giro de funcionamiento bajo la acción del par de accionamiento de arranque.

A continuación, se explica con más detalle un ejemplo de realización de la invención ayudándose de un dibujo. Muestran en éste:

Las figuras 1 a 4, cada una en una representación en sección esquemática, un compresor de pistón en cuatro posiciones consecutivas del pistón durante el proceso de arranque del compresor de pistón,

La figura 5, en un diagrama esquemático, una evolución característica del par de carga - que se presenta durante el funcionamiento del compresor de pistón según la figura 1 - en función de la posición del pistón y

La figura 6, en una representación según la figura 5, la evolución del par de carga durante el proceso de arranque.

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Las partes y magnitudes correspondientes entre ellas están provistas siempre de los mismos símbolos de referencia en todas las figuras.

El compresor de pistón 1 representado esquemáticamente en las figuras 1 a 4 está construido como un compresor de pistón alternativo. El compresor de pistón 1 comprende un pistón 2 que es desplazable linealmente (en dirección vertical según la figura 1) en un cilindro de presión 3. Para el accionamiento del pistón 2 está previsto un motor eléctrico 4 que está construido especialmente como un motor síncrono de imanes permanentes y que es activado por medio de una unidad de control electrónica 5. El motor 4 actúa, a través de un árbol de accionamiento 6 solamente insinuado, sobre una excéntrica de accionamiento 7 que a su vez está unidad articuladamente con el pistón 2 a través de una biela 8, con lo que un movimiento de giro de la excéntrica de accionamiento 7 se convierte de manera conocida en un movimiento de oscilación lineal del pistón 2.

Mediante el cilindro de presión 3 y el pistón 2 se delimita un espacio de compresión 9 en el que una entrada 11 y una salida 12 para un fluido F a comprimir desembocan en un fondo 10 del cilindro de presión 3 que queda alejado del pistón 2. El fluido F consiste preferiblemente en un agente frigorífico, por ejemplo R600a.

En la respectiva desembocadura de la entrada 11 o la salida 12 en el espacio de compresión 9 está prevista una válvula de entrada 13 o una válvula de salida 14 que, según la posición de dicha válvula, bloquea la entrada 11 o la salida 12 de una manera hermética para el fluido o la deja libre. Cada válvula 13 ó 14 está configurada como una compuerta que está pretensada en una posición de reposo cerrada por una fuerza elástica, especialmente un muelle, o por una conformación elástica de la propia compuerta. Cada válvula 13 ó 14 se abre y se cierra automáticamente a la manera de una válvula de retención bajo la acción de un gradiente de presión correspondiente del fluido F. La válvula de entrada 13 se abre aquí cuando reina una depresión suficiente en el espacio de compresión 9 con respecto a la entrada 11. Análogamente, la válvula de salida 14 se abre cuando reina una sobrepresión suficiente en el espacio de compresión 9 con respecto a la salida 12.

El volumen del espacio de compresión 9 varía en función de la posición S del pistón. Como medida de la posición S del pistón se aprovecha aquí la posición de giro o la posición angular del árbol de accionamiento 6 y de la excéntrica de accionamiento 7 unida con éste de manera solidaria en rotación. En una posición S = 0º del pistón 2, éste se ha introducido al máximo en el cilindro de presión 3 y, por tanto, se ha minimizado el volumen del espacio de compresión 9. En una posición S = 180º del pistón 2, éste se ha extendido de manera correspondiente al máximo hacia fuera del cilindro de presión 3 y, por tanto, se ha maximizado el volumen del espacio de compresión 9. Haciendo girar la excéntrica de accionamiento 7 en una dirección de giro de funcionamiento B insinuada en la figura 1, una variación de la posición S del pistón de 0º a 180º corresponde a una fase de expansión E (figura 5), en el curso de la cual se expande el espacio de compresión 9 y, por tanto, se aspira fluido desde la entrada 11. Una variación de la posición S del pistón de 180º a 360º = 0º corresponde a una fase de compresión K (figura 5), durante la cual se comprime el fluido F contenido en el espacio de compresión 9 y este fluido es expulsado por la salida 12. El comienzo de la fase de expansión E correspondiente a una posición S = 0º del pistón se denomina punto de compresión S_{k} y el comienzo de la fase de compresión K correspondiente a una posición S = 180º del pistón se denomina punto de expansión S_{e}. Una revolución completa de la excéntrica de accionamiento 7, es decir, una variación de la posición S del pistón de 0º a 360º se denomina ciclo de trabajo del compresor de pistón 1. Por tanto, el ciclo de trabajo comprende la fase de expansión E y la fase de compresión subsiguiente K.

Durante el funcionamiento del compresor de pistón 1 se presenta - condicionado sustancialmente por la presión variable del fluido en el espacio de compresión 9 - un par de giro de carga (en lo que sigue denominado abreviadamente par de carga L) ejercido por el pistón 2 sobre la excéntrica de accionamiento 7, el cual actúa en contra de un par de giro de accionamiento (denominado en lo que sigue abreviadamente par de accionamiento A) ejercido por el motor 4 sobre la excéntrica de accionamiento 7.

Como se representa a título de ejemplo en la figura 5, el par de carga L varía periódicamente en función de la posición S del pistón. En condiciones de funcionamiento habituales, el valor absoluto del par de carga L que se presenta durante la fase de expansión E es pequeño, mientras que el par de carga L en el transcurso de la fase de compresión K recorre un máximo muy marcado que se denomina a continuación pico de carga P. En la zona del pico de carga P se alcanza un par de carga máximo L_{max} aproximadamente en una posición del pistón de S \approx 270º.

El motor 4 se ha diseñado de tal manera que un par de accionamiento máximo A_{max} que puede ejercerse sobre la excéntrica de accionamiento 7 sea más pequeño que el par de carga máximo L_{max}. Como consecuencia, existe una posición S del pistón en la que el par de carga L justamente sobrepasa el par de accionamiento máximo A_{max}, con lo que la potencia del motor ya no es suficiente para realizar una compresión adicional. Este llamado punto de régimen S_{b} se presenta en el entorno del pico de carga P, es decir, bajo un accionamiento del pistón 2 en la dirección de funcionamiento B en una posición S del pistón que queda ligeramente por debajo de 270º.

En caso de un accionamiento del pistón 2 en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento B se presenta en el compresor de pistón 1 un par de carga L' (insinuado en la figura 5 como una línea de puntos) con un pico de carga correspondiente P', cuyo par aparece reflejado de forma sustancialmente simétrica con respecto al punto de compresión S_{k}. Durante un giro hacia atrás se alcanza un punto de régimen correspondiente S'_{b} en una posición S del pistón que sobrepasa ligeramente los 90º.

Durante el funcionamiento del compresor de pistón 1 se vencen el punto de régimen S_{b} y, por tanto, el pico de carga P aprovechando la energía cinética del compresor de pistón 1. Sin embargo, esta energía cinética no está disponible todavía al arrancar el compresor de pistón 1, de modo que este compresor de pistón 1 no puede ser arrancado directamente por su fuerza propia desde una posición inicial S_{I} del pistón representada a título de ejemplo en la figura 1. El procedimiento descrito seguidamente con más detalle con ayuda de las figuras 2 a 4 y 6 sirve para mejorar el comportamiento de arranque del compresor de pistón 1.

Según esto, el proceso de arranque del compresor de pistón 1 se descompone en una fase de reposición 15 (figura 6) y una fase de aceleración subsiguiente 16 (figura 6). Durante la fase de reposición 15 el pistón 2 es hecho girar en retroceso con un pequeño par de accionamiento, en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento B, desde la posición inicial S_{I} de dicho pistón hasta que se alcance una situación de arranque S_{IV} (figura 4) con respecto a la posición S del pistón. El compresor de pistón 1 recorre aquí las posiciones S_{II} y S_{III} del pistón representadas en las figuras 2 y 3, respectivamente.

Característico del procedimiento según la invención es el hecho de que la situación de arranque S_{IV} se ha elegido en el entorno del punto de compresión S_{k} y aquí especialmente entre los puntos de régimen S_{b} y S'_{b}, de modo que, durante la fase de reposición 15, se tiene que superar el punto de régimen S'_{b} al girar en retroceso el pistón 2. Asimismo, cuando el pistón 2 deba ser movido por un giro hacia delante hasta la situación de arranque S_{IV}, se tendría que superar el punto de régimen S_{b}.

La superación del punto de régimen S'_{b} se logra ejerciendo por parte del motor 4, durante la fase de reposición 15, un par de accionamiento de reposición A_{R} que se conserva también y justamente cuando se ha alcanzado o sobrepasado el punto de régimen S'_{b}. Esto se materializa técnicamente haciendo que el campo del estator del motor 4 gire en retroceso durante un intervalo de tiempo prefijado con una pequeña velocidad angular.

En este caso, se aprovechan deliberadamente sitios de fuga del espacio de compresión 9 que existen debido a la construcción, especialmente debido a la holgura de pistón-cilindro presente siempre en cierta medida. Manteniendo el par de accionamiento de reposición A_{R} se tiene que, contrariamente al comportamiento de funcionamiento habitual del compresor de pistón 1, escapa una cantidad apreciable de fluido F (figura 3) a través de estos sitios de fuga 17, de modo que, en condiciones de carga estacionaria, se reduce adicionalmente el volumen del espacio de compresión 9 y la posición S del pistón se aproxima así, pasando por el punto de régimen S'_{b}, al punto de compresión S_{k}. Casi se "tuneliza" el pico de carga P' de esta manera.

Según la clase de construcción del compresor de pistón 1, como alternativa o adicionalmente a los sitios de fuga 17 proporcionados por la holgura de pistón-cilindro se puede aprovechar también un sitio de fuga que una eventualmente el espacio de compresión 9 con la entrada 11. Como alternativa o adicionalmente a los sitios de fuga 17 condicionados por la construcción, puede estar previsto también un sitio de fuga artificial, por ejemplo en forma de una delgada tubería de derivación que contornee la válvula de entrada 13. Esto es conveniente especialmente cuando se deba evitar un escape del fluido F hacia el medio ambiente.

La situación exacta de la posición de arranque S_{IV} depende ligeramente de la posición inicial S_{I} del pistón. El sistema de activación del motor durante la fase de reposición 15 se ha diseñado aquí de tal manera que la situación de arranque S_{IV} esté localizada siempre en un rango angular de \pm30º en torno al punto de compresión S_{k} y, en el caso de una posición inicial S_{I} del pistón de aproximadamente 180º, coincida sustancialmente con el punto de compresión S_{k}. Como conveniente para el adecuado dimensionamiento del par de accionamiento de reposición A_{R} se ha manifestado un sistema de activación del motor en el que el campo del estator del motor 4 sea hecho girar en retroceso durante un intervalo de tiempo prefijado entre 3 y 30 segundos con una velocidad angular entre 1 y 10 revoluciones por minuto, especialmente durante alrededor de 20 segundos con alrededor de 4 revoluciones por minuto.

Una vez alcanzada la situación de arranque S_{IV} se ejerce en el transcurso de la fase de aceleración 16 un par de accionamiento de arranque A_{S} sobre la excéntrica de accionamiento 7 y, por tanto, sobre el pistón 2, cuyo par actúa en la dirección de giro de funcionamiento B y corresponde, en cuanto a su valor absoluto, al par de accionamiento máximo A_{max}.

Como puede apreciarse especialmente en la figura 6, la posición S del pistón recorre durante la fase de aceleración 16 una zona de aceleración 18 de más de 240º, en cuya evolución no se presenta un par de carga incrementado L, con lo que el compresor de pistón 1 puede recibir un impulso suficiente para superar el pico de carga P. Por tanto, la larga zona de aceleración 18 hace posible un diseño especialmente bajo del motor 4 respecto del par de accionamiento máximo A_{max}, sin que resulte perjudicado el comportamiento de arranque del compresor de pistón 1.

La fase de reposición 15 y la fase de aceleración 16 pueden realizarse inmediatamente una tras otra en el tiempo. Sin embargo, la fase de reposición 15 y la fase de aceleración 16 pueden realizarse también separadas una de otra en el tiempo. En particular, se ha previsto opcionalmente que la fase de reposición 15 se realice al final de una fase de funcionamiento del compresor de pistón 1, de modo que este compresor de pistón 1, en una fase de funcionamiento subsiguiente, se encuentre ya desde el principio en la situación de arranque S_{IV} y pueda ser arrancado inmediatamente ejecutando la fase de aceleración 16. Como opción, se ha previsto alternativamente a esto que el procedimiento anteriormente descrito se ejecute únicamente cuando ha fracasado un intento de arranque inmediato previamente realizado a consecuencia de una posición inicial desfavorable S_{I} del pistón.

Además, en el compresor de pistón representado en las figuras 1 a 4 se puede ejercer también en una variante del procedimiento de arranque descrito un par de accionamiento de reposición A_{R} que actúe en la dirección de giro de funcionamiento B. Asimismo, el procedimiento de arranque descrito se puede aplicar también de manera equivalente en un compresor de pistón rotativo.

El procedimiento descrito se puede utilizar también de manera equivalente en un compresor de pistón con un motor electrónicamente regulado de otra clase, especialmente un motor de corriente continua sin escobillas (BLDC), un motor asíncrono, un motor de reluctancia, etc.

Claims (6)

1. Procedimiento para arrancar un compresor de pistón (1), en el que se acciona un pistón (2) del compresor de pistón (1) en una fase de reposición (15) aplicando un par de accionamiento de reposición (A_{R}) en dirección a un punto de compresión (S_{k}) de la posición (S) del pistón, manteniéndose el par de accionamiento de reposición (A_{R}) hasta que el compresor de pistón (1), debido a un desalojamiento de fluido del espacio de compresión (9) - formado entre el pistón (2) y un cilindro de presión correspondiente (3) - a través de al menos un sitio de fuga (17) y sobrepasando un punto de régimen (S_{b}, S'_{b}), haya alcanzado una situación de arranque (S_{IV}), y en el que se acelera el pistón (2) en una fase de aceleración (16) desde la situación de arranque (S_{IV}) con un par de accionamiento de arranque (A_{S}) en una dirección de giro de funcionamiento (B).

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el par de accionamiento de reposición (A_{R}) está orientado en sentido contrario a la dirección de giro de funcionamiento (B).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque la situación de arranque (S_{IV}) se elige en un rango angular de la posición (S) del pistón de \pm30º con respecto al punto de compresión (S_{k}).

4. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque, para generar el par de accionamiento de reposición (A_{R}), se excita un campo del estator de un motor (4) de accionamiento del compresor de pistón (1), durante un intervalo de tiempo prefijado entre 3 y 30 segundos, con una velocidad angular prefijada entre 1 y 10 revoluciones por minuto.

5. Procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el par de accionamiento de arranque (A_{S}) corresponde a un par de accionamiento máximo prefijado (A_{max}).

6. Compresor de pistón (1) con un pistón (2) que puede ser movido dentro de un cilindro de presión (3) por medio de un árbol de accionamiento (6) accionado por un motor (4), y con una unidad de control (5) para activar el motor (4), estando construida la unidad de control (5) para

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prefijar en una fase de reposición (15) un par de accionamiento de reposición (A_{R}) mediante el cual el pistón (2) sea accionado en dirección a un punto de compresión (S_{k}) de la posición (S) del pistón,

caracterizado porque la unidad de control (5) está construida para

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mantener el par de accionamiento de reposición (A_{R}) hasta que el pistón (2), a consecuencia de un desalojamiento de fluido de un espacio de compresión (9) - formado entre el pistón (2) y el cilindro de presión (3) - a través de un sitio de fuga (17) y sobrepasando un punto de régimen (S_{b}, S'_{b}), haya alcanzado una situación de arranque (S_{IV}), y

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prefijar en una fase de aceleración (16) un par de accionamiento de arranque (A_{S}) mediante el cual el pistón (2) sea acelerado desde la situación de arranque (S_{IV}) en una dirección de giro de funcionamiento (B).