CN101356365B - 线性压缩机控制***、线性压缩机的控制方法以及线性压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及线性压缩机控制***，涉及相应的控制方法以及涉及结合入本发明控制***的线性控制。根据现有技术的教导，常规压缩机的容积控制由于该类型设备的本质特性而存在问题。如众所周知的那样，在冷却***不平衡的情况下人们不会设法启动常规的压缩机。常规可变容积压缩机的一个功能其实是为了防止***压力变得不平衡，以便防止停止设备的需求并等待冷却流体压力变得平衡。为了克服现有技术的问题，预见一种线性压缩机控制***，包括通过电动机(7)控制线性压缩机(10)的电子电路(50)，线性压缩机(10)包括汽缸(4)和活塞(5)；活塞(5)设置于汽缸(4)内部，其由电动机(7)驱动并且在汽缸(4)内沿着上止端(TDE)和下止端(BDE)之间的活塞冲程进行轴向移动，压缩腔室(C)接近上止端(TDE)设置，并且活塞(5)对位于压缩腔室(C)内的流体进行压缩，电子电路(50)在线性压缩机(10)的整个运行过程中以间歇的方式通过开机时间(tL)、关机时间(tD)控制电动机(7)，电子电路(5)驱动电动机(7)并保持活塞冲程恒定，当电子电路(50)控制电动机(7)运行开机时间(tL)时产生恒定的压缩容积；如此设计***，以致电子电路(50)控制开机时间(tL)和关机时间(tD)以便在线性压缩机(10)的整个运行时间内保持压缩容积基本恒定。

Description

线性压缩机控制***、线性压缩机的控制方法以及线性压缩机
技术领域
本发明涉及线性压缩机控制***，涉及相应的控制方法以及涉及结合入本发明控制***的线性控制。
现有技术的描述
冷却***的基本目的是保持一个(或多个)腔室(或甚至封闭的环境，在空调***的情况下)内的低温，其利用将热量从所述腔室内部传递到外部环境的装置，利用该环境(这些环境)内部的温度测量来控制装置用于传递热量，试图保持温度处于正在讨论类型冷却***的预定限值内。
取决于冷却***的复杂性和使用的类型，所保持的温度限值或多或少受到限制。
将热量从冷却***内部传递到外部环境的一个常规形式是利用连接到闭合回路的气密性压缩机，其包括冷却流体通过其进行循环的蒸发器和冷凝器，该压缩机具有促使冷却气体流动到该冷却***内部的功能，能够获得发生冷却气体蒸发和冷凝位置之间的预定压力差异，使得进行热传递过程和形成低温成为可能。
压缩机具有一定的尺寸，以便具有一定的冷却容积，该冷却容积高于常规运行环境中、预见的临界要求环境下必需的冷却容积，其中该压缩机冷却容积的一些调节类型对于将腔室内的温度保持在可接受限值内是必要的。
调节常规压缩机冷却容积的最通常形式是利用自动调温器根据冷却环境内部的温度将其打开或关闭，当冷却室内的温度升高并高于预定限值时该自动调温器接通压缩机，而当该环境内部的温度达到等于预定低限值时该自动调温器关闭压缩机，这些限值以压力平衡的方式建立。这种现象可在图1和图2中看出。如其中所公开的那样，平均温度TM波动，并且当在预定时刻测得的温度高于希望水平时压缩机打开和关闭。冷却流体压力的变化可在图2中看出；可发现冷凝压力PC明显升高，同时由于蒸发器中的气体热量损失，蒸发压力PE减小。一旦关闭压缩机，冷凝压力PC降低以及蒸发压力PE升高，直到它们达到平衡，换言之，直到它们相等。由于之前由压缩机推动的冷却流体到现在已经离开，其通过管路***扩散直到在所有位置达到压力平衡，因此形成冷凝压力PC和蒸发压力PE的平衡。
对于具有可变容积的压缩机而言，通过改变压缩机的转动使得控制生效，换言之，当冷却环境的温度升高并高于特定的预定限值时，安装于冷却***内的自动调温器控制压缩机增加转动，并且结果容积也升高，直到在转动减小的时刻温度返回先前状态。但是，由于结构上的原因，存在最小转动的限值，这样，如果有必要将转动降低到最小转动之下的值，那么就需要关闭压缩机。
具有可变容积的压缩机性质可在图3和图4中看出，作为平均温度TM函数的冷凝压力PC和蒸发压力PE的变化性质类似于常规压缩机的上述变化性质，换言之，一旦关闭压缩机，冷凝压力PC和蒸发压力PE就平衡。
在具有可变容积的线性压缩机的情况下，通过改变由活塞位移的体积来控制容积。由安装于冷却***内的自动调温器发出的信号给出该控制，其要求压缩机增高容积(位移体积)，直到温度返回先前状态，并且再次减少位移体积。
现有技术的缺陷
根据现有技术的教导，常规压缩机的容积控制由于该类型设备的本质特性而存在问题。如众所周知的那样，在实践中在冷却压力不平衡的情况下人们不会设法启动常规的压缩机。这是因为，为了启动具有不平衡压力的常规压缩机，人们必须使用高扭矩的启动电机，除了需要过高的启动电流之外，其也过于昂贵，因此上述使得该类型的应用不能实行。在该方面，人们发现可变容积类型压缩机的一个功能其实是为了防止***压力变得不平衡，为了防止停止设备的需求而允许冷却流体压力保持平衡。
该特性的结果造成压缩机应该工作长时间段(在若干分钟的范围内)并且也要停机长时间段(在若干分钟的范围内)，以便同时保证环境将达到希望温度而冷却流体压力在压缩机关闭时将变得平衡，并且压缩机可再次启动。
使用压缩机(它们是可变容积类型或常规类型)造成的另一问题在于下述事实：当设备关机时，由于由压缩机压缩的流体压力将消散或等于冷却流体的剩余压力，流体回流到冷却回路内部导致热量损失。
除了该缺陷之外，压缩机还具有在启动时产生噪声的问题，此外需要高的启动电流，其导致更高的电消耗。
由于常规压缩机具有相同特性，本发明的知识可应用于转动在家用冷却***和主要在空调***中应用的压缩机。
当人们利用线性压缩机时，可改变其容积，由此压缩机的死体积(较小位移)增加。该过程导致容积下将，并且结果，由死体积的增加导致压缩机效率降低。在***以低频(满足网络频率)运行时，由于压缩机经受其机械谐振频率变化的事实还导致另外的损失。为了最小化具有固定频率***中的该效果，将压缩机调节成在确定的蒸发和冷凝下在最小的容积下运行(最适于该工况)。由于频率是固定的，并且压缩机容积从最小变到最大，最适宜的功能点也改变，并且压缩机损失大约11％到15％的效率。
本发明的简要说明
为了克服现有技术的问题，一个目的是提供线性压缩机控制***、相应的控制方法以及确切地说线性压缩机，其将同时克服当使用常规压缩机和可变容积压缩机时发生的功能和效率问题，从而获得将要冷却环境温度的精确控制，并且还克服了其中通过增加死体积来控制线性压缩机方案的低效率问题。因此，一个目的是使得该设备能够在冷却***中可能的最高效率下运行，并且结果恢复根据现有技术教导设计***中的11-15％的效率损失。
为了获得本发明的上述目的，一个是利用线性压缩机的一个特性，即不管蒸发压力和冷凝压力平衡与否的事实启动其的容积。因此不像常规压缩机，线性压缩机不具有在不平衡压力启动、高启动电流以及开机和停机噪声的限制。在这些情况下，线性压缩机可以非常短的中断和作用阶段(秒)来启动和关闭。通过利用线性压缩机的这些特性，根据本发明人们可以提供具有非常短的开和关时间的开/关类型的压缩机，并且由此可改变其容积。这些时间可以设定，这样吸入和排出压力将不会明显变化，由此人们可以获得常规开/关压缩机不能提供的温度稳定性。以该方式，压缩机的容积可以从0调节到100％。
附图的简要说明
现在将参照附图中所示的实施例对本发明进行更详细的描述。其中附图示出：
图1示出使用常规压缩机的冷却室内部平均温度的图表；
图2示出常规压缩机蒸发压力和冷凝压力的图表；
图3示出使用可变容积压缩机的冷却室内部平均温度的图表；
图4示出可变容积压缩机的蒸发压力和冷凝压力的图表；
图5示出使用根据本发明教导的短周期线性压缩机的冷却室内部平均温度的图表；
图6示出使用根据本发明教导的短周期线性压缩机的压缩机蒸发压力和冷凝压力的图表；
图7示出使用根据本发明教导的短周期线性压缩机的冷却室内部平均温度的放大图表；
图8示出使用根据本发明教导的短周期线性压缩机的压缩机蒸发压力和冷凝压力的放大图表；
图9示出利用根据本发明教导的冷却***的示意图；以及
图10示出线性压缩机的示意断面图。
附图的详细说明
如图9和10中所示，线性压缩机控制***包括线性压缩机10，其通过电动机7受控于电子电路50。
线性压缩机10在结构上基本包括汽缸4和活塞5。活塞5放置于汽缸4内，汽缸由阀板6封闭以形成压缩腔室C。活塞5在动力学上受到电动机7的驱动以便在汽缸4内沿着活塞冲程并在上止点TDC和下止点BDC之间进行轴向位移，在压缩腔室C内压缩的冷却流体接近上止点TDC。电动机7与一组三端双向可控硅开关元件(TRIACs)51相连，其通过例如微型处理器或类似装置的电子控制器52切换。可提供与线性压缩机10相连的位移传感器12，其可控制活塞10的诸如位置、速度或甚至定位变化。
线性压缩机通常与冷却***或空调***60相连，该***包括温度传感器，其用于感知冷却环境温度并通过电子自动调温器62馈送电子控制42。
除了线性压缩机10和电子电路50之外，压缩控制***还具有冷却闭合回路，其具有蒸发器(未示出)和冷凝器(也未示出)。这样，当线性压缩机10运行时，活塞5将流体/气体压缩进入压缩腔室C并将其排出到冷却闭合回路中，从而在蒸发器中形成蒸发压力PE以及在冷凝器中形成冷凝压力PC。如从现有技术获知，这些蒸发压力PE和冷凝压力PC随着线性压缩机10的状态波动，换言之，当线性压缩机10动作时，冷凝压力PC具有最高水平而蒸发压力PE下降，反之在线性压缩机停止运行时的时刻，这些蒸发压力PE和冷凝压力PC彼此相等，产生在前已经论述过的问题。
为了防止前述问题发生，可以预见利用根据本发明的压缩机控制***或者还利用结合入***的压缩机以及压缩控制方法，在线性压缩机10的整个运行时间内应该保持蒸发压力PE和冷凝压力PC基本恒定，如可从图5至图8中的图表中看出的那样。
通过精确调节线性压缩机的运行时间来使得该控制生效，使得线性压缩机以短时间段间歇运行，获得线性压缩机10经过开机时间tL平均值的理想容积值。这是通过电子电路50完成的，电子电路50在线性压缩机10的整个运行过程中以间歇的方式通过开机时间tL、关机时间tD控制电动机7。
在开机时间tL中，电动机7由具有恒定频率的电子电路50驱动，同时活塞冲程保持恒定，其在电子电路50控制电动机7以使得电动机7在开机时间tL中运行的整个阶段中产生恒定的压缩容积。根据本发明的***，在线性压缩机10的该运行条件下，电子电路50应该控制或调节开机时间tL和关机时间tD，这样在线性压缩机10的整个运行时间内压缩容积将保持基本恒定，如图5至图8中所看出的那样，更详细的细节在图7和图8中示出。
虽然该***和相应的方法优选在低频率下使用，但是可以预见其可用于可变频率的***中。频率的该变化具有在谐振频率下驱动压缩机的目的，频率中的变化值一般低于5％，不导致明显的容积变化。在该情况下，应该预见有必要在该***中使用，这样活塞的驱动将伴随谐振频率的变化。在专利WO/2005/071265和WO/2004/063569中可发现利用频率调节的例子，其说明书结合于此作为参考。
通过以该方式设计该***，克服了效率损失的问题，该效率损失在所运行的线性压缩机中一般为11-15％，以便具有可变的活塞冲程，以及防止冷却流体回流到冷却闭合回路中的问题。为了实现没有冷却流体回流的该状态，应该以适当的方式控制线性压缩机10的开机时间tL和关机时间tD。为了实现该目的，人们发现该结构性的特征是每一冷却闭合回路所特有的，以推断蒸发压力PE和冷凝压力PC达到平衡的时间，并设计压缩机***，以便防止线性压缩机10关机时间长于形成所述压力平衡所需的时间。换言之，控制线性压缩机的***应该具有电子电路50，其设计成具有比在线性压缩机10关机之后蒸发压力PE和冷凝压力PC达到平衡所需的时间短的关机时间tD。
在典型的操作值中，例如，如图1和图2中示出的常规压缩机的性质，或甚至在如图3和4中所示的可变容积压缩机的情况下，可以发现开机时间tL和关机时间tD处于分钟的范围内，例如，在常规压缩机的情况下，tL＝10.5分钟×tD＝11.5分钟；以及在可变容积压缩机的情况下，tL＝22.5分钟×tD＝11.5分钟(在可变容积压缩机的情况下，应该考虑到这些时间根据压缩机的转动速度而改变)。
下表示出在常规压缩机和可变容积压缩机中开机时间tL和关机时间tD的常规值：
Figure G42476951150131000D000061
通常在常规压缩机中对于通常的运行环境下开机时间tL和关机时间tD延续大约50％，并且可变容积压缩机为60％至90％之间的开机时间tL，并且该可变容积的压缩机的该时间类似于在常规操作模式下的线性压缩机的开机时间。
因此，不像该运转逻辑，根据本发明的教导，线性压缩机将在秒的范围(而不是分钟的范围)内开机和关机，其中运行的开机时间tL和关机时间tD通常在10至15秒的范围内。
作为指导，可以认为线性压缩机10的关机时间tD基本等于当关闭线性压缩机10之后蒸发压力PE和冷凝压力PC达到彼此平衡所需时间的10％或10％，并且还可选择线性压缩机10的开机时间tL，其基本等于关机时间tD。
概括地讲，可以将关机时间tD的最大时间限定为***压力达到平衡所需时间的20％，因为对于长于20％的时间，人们通常已经注意到会存在非常大的压力损失，其使得循环效率降低；而将开机时间tL的最小时间限定为***平衡压力所需时间的10％，因为较短的时间也降低效率。以该方式，作为理想的范围，应该选择10％和20％这两个参数，在实践中10秒的平均时间为最小值并且依赖于冷却***可升高到60秒的最大时间。
进一步概括地讲，线性压缩机10的开机时间tL和关机时间tD的比例应该依赖于***进行调节，并且关机时间tD应该根据冷却***所需的容积进行变化，其可从作为最小值的1％的开启时间(在非常寒冷的日子并且在没有加热***的房间、车库和开放场所)达到作为最大值的100％的开启时间(非常高的室温、食物冷冻等)。
为了实现控制本发明线性压缩机的***功能，可以预见该方法具有驱动线性压缩机10的中间步骤，在开机时间tL和关机时间tD之间进行交替，优选以恒定的频率驱动线性压缩机10并且在开机时间tL中具有恒定的活塞冲程，以及具有调节开机时间tL和关机时间tD的步骤，因此蒸发压力PE和冷凝压力PC将保持基本恒定，同时存在下述事实，关机时间tD应该比当关闭线性压缩机10之后蒸发压力PE和冷凝压力PC达到彼此平衡所需的时间短。
在本发明的优势中，可以指出下述事实，线性压缩机10可以恒定频率和冲程运行。为了该目的，压缩机控制***间歇地运行线性压缩机10就足够了，其使得处置更容易，并且将降低本发明的控制和制造成本。
此外，根据本发明的教导，控制的结果使得冷却环境内的平均温度TM具有最小值，并且在蒸发压力PE和冷凝压力PC中发生较小的变化。还可实现对平均温度TM水平的精细控制，原因在于根据本发明的教导线性压缩机的容积可调节，以便从0变化到100％，上述对于目前已知***而言是不可能的。
已经描述了优选实施例，但是应该理解本发明的范围包括其它可能的变型，本发明的范围仅由所附权利要求的内容进行限定，其包括可能的等同物。

Claims (15)

1.线性压缩机控制***，包括通过电动机(7)控制线性压缩机(10)的电子电路(50)，线性压缩机(10)包括汽缸(4)和活塞(5)；
活塞(5)设置于汽缸(4)内部，其由电动机(7)驱动并且在汽缸(4)内沿着上止端(TDE)和下止端(BDE)之间的活塞冲程内进行轴向移动，压缩腔室(C)接近上止端(TDE)设置，并且活塞(5)对位于压缩腔室(C)内的流体进行压缩，所述***的特征在于：
电子电路(50)在线性压缩机(10)的整个运行过程中以间歇的方式通过开机时间(tL)、关机时间(tD)控制电动机(7)；
线性压缩机(10)连接到冷却闭合回路，其包括蒸发器和冷凝器，位于压缩腔室(C)内的压缩流体排出到冷却闭合回路中，在蒸发器中形成蒸发压力(PE)以及在冷凝器内部形成冷凝压力(PC)，通过在线性压缩机(10)整个运行期间压缩机容积的开机时间(tL)平均值，保持在线性压缩机(10)的整个运行时间内蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)恒定；
电子电路(50)驱动电动机(7)并保持活塞冲程恒定，当电子电路(50)控制电动机(7)运行开机时间(tL)时产生恒定的压缩容积；
如此设计***，以致电子电路(50)控制开机时间(tL)和关机时间(tD)以便在线性压缩机(10)的整个运行时间内保持压缩容积恒定；以及
关机时间(tD)比在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需的时间短。
2.根据权利要求1所述的线性压缩机控制***，其特征在于电子电路(50)以恒定频率驱动电动机(7)。
3.根据权利要求2所述的线性压缩机控制***，其特征在于线性压缩机(10)的关机时间(tD)为在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需时间的20％。
4.根据权利要求1所述的线性压缩机控制***，其特征在于线性压缩机(10)的关机时间(tD)为在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需时间的10％。
5.根据权利要求1所述的线性压缩机控制***，其特征在于线性压缩机(10)的开机时间(tL)等于关机时间(tD)。
6.根据权利要求5所述的线性压缩机控制***，其特征在于开机时间(tL)和关机时间(tD)处于秒的范围内。
7.根据权利要求6所述的线性压缩机控制***，其特征在于开机时间(tL)和关机时间(tD)为15秒。
8.控制线性压缩机的方法，线性压缩机(10)包括汽缸(4)和活塞(5)；
活塞(5)包括处于压缩腔室(C)内的流体，并将其排出到冷却闭合回路中，在蒸发器中形成蒸发压力(PE)以及在冷凝器内部形成冷凝压力(PC)，
该方法的特征在于包括下述步骤：
间歇地驱动线性压缩机(10)，在开机时间(tL)和关机时间(tD)之间交替，在开机时间(tL)中线性压缩机(10)以恒定的活塞冲程驱动；
调节开机时间(tL)和关机时间(tD)，这样蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)保持恒定；
关机时间(tD)比在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需的时间短。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于在间歇地驱动线性压缩机(10)的步骤中，以恒定频率驱动电动机(7)。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于线性压缩机(10)的关机时间(tD)为在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需时间的20％。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于线性压缩机(10)的关机时间(tD)为在线性压缩机(10)关机之后蒸发压力(PE)和冷凝压力(PC)达到平衡所需时间的10％。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于线性压缩机(10)的开机时间(tL)等于关机时间(tD)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于开机时间(tL)和关机时间(tD)处于秒的范围内。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于开机时间(tL)和关机时间(tD)为15秒。
15.线性压缩机(10)，特征为包括如权利要求1至7中任一项所限定的控制***。
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