TWI589777B - 雙動式冷媒壓縮機 - Google Patents

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華納 史密特
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Description

雙動式冷媒壓縮機
本發明係關於一種雙動式冷媒壓縮機。
在對冷卻系統、尤其是空調系統之冷媒進行循環利用之領域中，需要使用外部壓縮機，該等外部壓縮機於空調系統之使用地點之普遍條件下能夠自冷卻系統抽空冷媒並傳送該冷媒至一對應運輸容器中。
為此，所需壓縮機須於瓶中產生一氣體壓力，該氣體壓力高於冷媒於相應環境溫度下之蒸汽壓力。在極端情形中，此氣體壓力可明顯高於30巴，故進一步採用之數值將須基於最大值為40巴之工作壓力。
在用於將冷媒自一製冷系統傳送至一循環利用容器中之已知循環利用裝置中，循環利用裝置設置有一壓縮機以及一用於對該壓縮機分流之旁通管線。壓縮機管線與旁通管線各設置有複數個閥，其中被加壓之冷媒將首先經由該旁通管線流動至循環利用容器中。在完成循環利用容器與製冷系統間之壓力補償後，殘留冷媒將經由循環利用裝置之壓縮機傳送至循環利用容器中，同時旁通管線關閉。
本發明之一目的在於提供一種冷媒壓縮機，其具有一簡單且廉價之設計並能達成冷媒回收所需之高壓縮效能。
根據本發明之冷媒壓縮機係由請求項1所指出之特徵所界定。因此，該冷媒壓縮機係為一種雙動式冷媒壓縮機，其包含一活塞，該活塞在相互對置之二汽缸部上被自由地引導。該等汽缸部相對於彼此不可移動。該活塞包含一流動通道，該流動通道延伸貫穿該活塞之內部。各該汽缸部及該活塞沿該流動通道設置有至少一個止回閥(back-check valve)，該等止回閥之流通方向(flow-through direction)係為單向的。
該等汽缸部可被作為一整體式汽缸之組件或作為單獨之組件提供。關鍵在於該等汽缸部相對於彼此不可移動且該活塞在該等汽缸部中被以一密封方式自由地(即不連接至例如活塞桿等其他部件)引導。一內部流動通道自一個活塞端部至相對之活塞端部延伸貫穿整個活塞。在流動通道之區域中，活塞包含至少一個止回閥。各該汽缸部亦包含至少一個止回閥。較佳地，流動通道係沿一線性縱向軸線形成，該等止回閥亦沿該線性縱向軸線排列。該等止回閥之流通方向係為單向的；即，當一冷媒沿一第一流動方向流經該活塞時，該等止回閥開啟，而當一冷媒沿一與該第一流動方向相反之第二流動方向流經該活塞時，該等止回閥關閉。
以此方式，可使一製冷系統中處於例如40巴之一高壓力下之冷媒被傳送至一具有一低壓力之循環利用容器中而無需使用一單獨之旁通管線。在完成製冷系統與循環利用容器間之壓力補償後，活塞於一行程運動期間將經由朝向該製冷系統之汽缸部之止回閥而沿循環利用容器之方向自該製冷系統吸入冷媒。在活塞隨後沿製冷系統之方向自循環利用容器進行相反之行程運動期間，該活塞之止回閥將開啟，且先前自製冷系統所吸入之冷媒此時將藉由內部流動通道、經由該活塞而流動至該活塞之朝向該循環利用容器之相對側。在該行程運動重新反轉後，該活塞之止回閥將關閉，並且該活塞將藉由朝向循環利用容器之汽缸部之止回閥而沿循環利用容器之方向壓縮冷媒。
本發明之冷媒壓縮機之優點在於，無需在達到壓力補償之前使用一單獨之旁通管線自一製冷系統移出冷媒及將冷媒移至一循環利用容器中。內部流動通道可以一簡單方式實施，例如實施成一孔。藉由在相應汽缸部中被自由地引導之活塞，無需使用密封件來將外部機件經由汽缸連接至活塞。僅需在止回閥之區域中及活塞與汽缸部間之接觸區之區域中設置密封件。
倘若為於中心縱向軸線上具有止回閥及一流動通道之旋轉對稱汽缸部及活塞，則可藉由翻轉及鑽孔而以一特別簡單之方式製成本發明之冷媒壓縮機。
於該等汽缸部之間，較佳提供一距離以使該活塞之一區域可被自外部自由地觸及，進而容許觸及該活塞及其驅動單元而無須穿過該等汽缸部安裝密封件。
有利地，該活塞於其二端部側壓縮面之間包含一輔助壓縮面，該輔助壓縮面與該二汽缸部其中之一者一同形成一輔助體積。在由一驅動力引起該活塞進行一行程運動期間，該輔助體積將產生一反抗該驅動力之恢復力。
尤其有利地，可使該二汽缸部其中至少一者在該活塞中作為一反向活塞而受到引導，俾使該活塞封閉相應之汽缸部於外部上並可被自外部自由地觸及，例如以觸及驅動單元。尤其，可使該二汽缸部在該活塞中作為反向活塞而受到引導，其中該二汽缸部相對於彼此不可移動且僅該活塞執行一運動。
該活塞可由以相反方式操作之二螺線管(例如呈一扁平電樞驅動件(flat-armature drive)或一柱塞電樞驅動件(plunger-armature drive)形式)以一非接觸方式進行驅動。在為扁平電樞驅動件之情形中，電樞板有利的是經由該二汽缸部間之間隙延伸至由螺線管所產生之磁場中。理論上，就此而言，該二螺線管其中之一可由一彈簧驅動件取代。在為一柱塞電樞驅動件之情形中，該活塞可作為一柱塞電樞而被完全***至一整體式汽缸之內部。
作為另外一種選擇，一曲柄傳動件(crank drive)之一偏心引導系統可經由該二汽缸部間之間隙連接至該活塞，或者一旋轉驅動件可藉由一鼻部元件嚙合該活塞之表面上之一“8”字形滑動路徑。
在根據第1圖及第2圖所示第一實施例之冷媒壓縮機中，壓縮機系統包含步進式汽缸1，其中具有溢流通道8之活塞7在軸向方向上被引導。該汽缸之末端係為入口閥板2及出口閥板3，入口閥10及出口閥12被分別***於入口閥板2及出口閥板3中。溢流通道8之末端係為溢流閥11，該溢流閥11位於設置有出口之側上。
在此種佈置形式中，步進式汽缸1之具有較大直徑之左部形成第一汽缸部41，且步進式汽缸1之具有較小直徑之右部形成第二汽缸部42。因此，該二汽缸部41及42連接成一體並形成汽缸1。
雙動式直列自由活塞壓縮機(double-acting inline free-piston compressor)之基本功能將說明如下：藉由一驅動件(此處將不對其予以說明)，將會使該活塞進行一線性振盪運動。此可作為一共振振盪或一受迫振盪而進行。
就功能態樣而言，壓縮機有三個特徵體積將會影響系統之功(work)並決定力之形成方式：
-低壓工作體積4
-高壓工作體積6
-輔助體積5，其幫助控制該活塞(最佳地，藉由使用一位於閥10之前方左側或閥12之右側之旁路)
當活塞7移動至左側時，低壓工作體積4中之媒體將被移出。由於閥10因壓力增大而關閉，故媒體將被迫藉由溢流通道8及溢流閥11而進入擴大之高壓工作體積6中。藉此達成該媒體之一預壓縮，該預壓縮係由低壓工作體積4之汽缸橫截面對高壓工作體積6之橫截面之比率近似地確定。
一旦該活塞到達其左側轉折點，該運動便會反轉。此時，媒體將自高壓工作體積6移出並經由出口閥12而進入出口。同時，低壓工作體積4將變大。低壓工作體積4中之壓力降低以及高壓工作體積6中之壓力增大會使溢流閥11關閉。同時，媒體自入口經由入口閥10而被吸入。
一旦該活塞到達其右側轉折點，該運動便會再次反轉，且該過程重複進行。
在用於對冷媒進行循環利用之操作模式中，上述構造之優點在於，入口與出口之間會出現一被動式壓力補償。在此種應用中，可省卻傳統上所需之先前技術旁路。藉由該雙動式直列自由活塞壓縮機之構造，媒體可直接流經入口閥10、溢流閥11及出口閥12。此可作為一液體相及作為一氣體相而發生。
在壓力補償之後，冷媒之蒸汽壓力(在本情形中，可假設為40巴)將存在於低壓工作體積4及高壓工作體積6中。此時，輔助體積5中之壓力將對系統之力/路徑行為產生巨大之影響。
變型1：該體積與周圍環境相通。因此，壓力將始終為1巴之正常壓力。
變型2：該體積係為氣密性的且以一恆定預壓力(prepressure)p0被實施為一氣壓彈簧(gas-pressured spring)。
變型3：該體積連接至入口管線，俾使預壓力等於製冷系統中之工作壓力。
變型4：該體積連接至出口管線，俾使輔助體積中之預壓力等於循環利用容器中之工作壓力。
第一實施例之一修改形式係藉由使汽缸在中間敞開而獲得。因此，作為一第二實施例，提供如第3圖及第4圖所示之一設計，其中第一汽缸部41與第二汽缸部42間隔開。藉由將汽缸劃分為相互間隔開之二汽缸部41、42，能達成對活塞之直接機械接觸，且因此亦能利用形狀鎖定嚙合(form-locking engagement)而進行驅動。
另一修改形式形成根據第5圖及第6圖之具有一反向壓縮室之第三實施例。具有反向壓縮室之壓縮機係由具有溢流通道8之活塞7、中間閥11以及反向壓縮室6組成。活塞7在汽缸24中受到引導，汽缸24之末端係為入口閥板2。在入口閥板2中，安裝有入口閥10。入口閥板2、汽缸24及活塞7形成低壓工作體積4。
反向壓縮室6內***有固定的反向活塞23，固定的反向活塞23具有出口通道及出口閥。汽缸24與反向活塞23藉由一支撐架(support rack)(此處未示出)緊密地連接至彼此，並形成該壓縮機之靜止系統。
此種佈置形式之一優點在於，能對活塞進行直接機械接觸並同時保持媒體之直列流動，進而一方面，活塞之驅動亦可藉由受迫引導(例如藉由一曲柄傳動件)而執行，且另一方面，媒體可直接自入口經由所有閥而流動至出口。
在根據第7圖及第8圖之第四實施例中，該二汽缸部41及42皆在活塞25中作為反向活塞而被引導。
根據第9圖之第五實施例包含一用於驅動活塞之扁平電樞驅動件。該活塞本身可由一與該驅動件無關之材料製成，並以機械方式連接至由磁性軟鐵製成之電樞板52。在二側上，佈置有由鐵心50或54及電性線圈51或53組成之一相應罐形磁鐵。藉由自該二側交替地激勵該等線圈，罐形磁鐵與電樞板之間會產生一相應磁場，進而使電樞執行對應運動。為對激勵進行控制，需要對活塞使用位置感測器。在最簡單之情形中，此一感測器可被設置成一滑動開關(slider switch)，該滑動開關可操作以當到達一預定端部位置時將電源切換至另一線圈。
其他概念可使用額外的電子元件，該等額外的電子元件將不僅根據位置來實現切換且亦將例如速度及負載包含入控制過程中。此種驅動件之一優點在於，扁平電樞具有一力/路徑形成形式，此力/路徑形成形式以一有利方式適應於壓縮機之力/路徑形成形式。隨著電樞與磁鐵間之氣隙減小，力會以一超比例(overproportional)方式增大，進而尤其容許在活塞端部位置施加大之力。
在根據第10圖之第六實施例中，對活塞使用一磁性彈簧驅動件。此處之操作原理在於一彈簧-質量振盪器(spring-mass oscillator)，其中該活塞作為質量而被激勵以執行一振盪運動。機器所欲傳遞之功具有一阻尼效果，且須由磁鐵以同步激勵形式來執行。該原理對於較小之工作容量而言非常有效。為使一振盪確實發生，儲存於彈簧-質量系統中之動能或勢能須大於所欲傳遞之功。
在根據第11圖之第七實施例中，使用一柱塞型電樞作為該活塞之一驅動件。線圈將以於該二側之間交替之方式於該柱塞電樞之左側區域及右側區域中產生一磁通。然後，電樞將每次皆被拉動至對應端部位置中。此處，亦須達成對線圈之一最佳化控制，以避免電樞發生無制動之衝擊(unbraked impacting)。對該等線圈之控制係以與在扁平電樞驅動件中相同之方式執行。
在根據第12圖之實施例中，活塞7係由一傳統曲柄傳動件透過一偏心引導結構61進行驅動，偏心引導結構61包含一軸60。可藉由亦為本身已知之方法將旋轉驅動件之對稱排列之軸60之操作轉換為受迫振盪。此種方法可用於正常構造之設計與具有反向壓縮室之設計二者。此處之優點在於使用平常之旋轉驅動件以及對路徑進行受迫控制。
作為另外一種選擇，若提供一傳統驅動件，則如第13圖所示之一旋轉驅動件71(其旋轉軸線對應於活塞7之中央縱向軸線)亦可用以藉由一內部鼻部72而嚙合一佈置於活塞7之外圓周表面上之“8”字形滑動軌道73，俾藉由旋轉驅動件71之旋轉而使活塞7執行一振盪行程運動。
儘管已參照本發明之具體例示性實施例對本發明進行了說明及例示，然而並不旨在將本發明限制於該等例示性實施例。熟習此項技術者應認識到，在不背離由下文申請專利範圍所界定之本發明之真實範圍之條件下可作出各種改變及修飾。因此，本發明旨在包括落於隨附申請專利範圍及其等效內容之範圍內之所有此類改變及修飾。
1．．．步進式汽缸
2．．．入口閥板
3．．．出口閥板
4．．．低壓工作體積
5．．．輔助體積
6．．．高壓工作體積
7．．．活塞
8．．．中央溢流通道
10．．．入口閥/止回閥
11．．．溢流閥/止回閥
12．．．出口閥/止回閥
23．．．固定反向活塞
25．．．活塞
41．．．第一汽缸部
42．．．第二汽缸部
50．．．鐵心
51．．．電性線圈
52．．．電樞板
53．．．電性線圈
54．．．鐵心
60．．．軸
61．．．偏心引導結構
71．．．旋轉驅動件
72．．．內部鼻部
73．．．“8”字形滑動軌道
以上說明更詳細地闡述了本發明(包括其最佳模式在內)之完整揭露內容，以使一般技術者能夠實施本發明，在以上說明中包括對附圖之參照，附圖中：
第1圖顯示一處於一第一操作狀態之第一實施例；
第2圖顯示處於一第二操作狀態之第一實施例；
第3圖顯示一處於一第一操作狀態之第二實施例；
第4圖顯示處於一第二操作狀態之第二實施例；
第5圖顯示一處於一第一操作狀態之第三實施例；
第6圖顯示處於一第二操作狀態之第三實施例；
第7圖顯示一處於一第一操作狀態之第四實施例；
第8圖顯示處於一第二操作狀態之第四實施例；
第9圖顯示一第五實施例；
第10圖顯示一第六實施例；
第11圖顯示一第七實施例；
第12圖顯示一第八實施例；以及
第13圖顯示一第九實施例。
1．．．步進式汽缸
2．．．入口閥板
3．．．出口閥板
4．．．低壓工作體積
5．．．輔助體積
6．．．高壓工作體積
7．．．活塞
8．．．中央溢流通道
10．．．入口閥/止回閥
11．．．溢流閥/止回閥
12．．．出口閥/止回閥
41．．．第一汽缸部
42．．．第二汽缸部

Claims (12)

  1. 一種雙動式冷媒壓縮機，包含一活塞(7)，該活塞(7)在二汽缸部(41，42)上被自由地引導，且該二汽缸部(41，42)相互對置地排列並相對於彼此不可移動，該活塞(7)包含一流動通道(8)，該流動通道(8)於內部延伸貫穿該活塞(7)，各該汽缸部(41，42)及該活塞(7)沿該流動通道(8)分別包含至少一個止回閥(back-check valve)(10，11，12)，該等止回閥(10，11，12)係排列成使其流動方向為單向的，其中該等汽缸部(41，42)係為被分為該二汽缸部(41，42)之一汽缸之部分，且該等汽缸部(41，42)係相互間隔開而使該汽缸具有一開口，以使該活塞(7)之一區域可直接以機械方式自該等汽缸部(41，42)外部經由該開口自由觸及。
  2. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)及該等汽缸部(41，42)係旋轉對稱地形成，該等止回閥(10，11，12)及該流動通道(8)係排列於該活塞(7)及該等汽缸部(41，42)之中心縱向軸線上。
  3. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中於該活塞(7)與各該汽缸部(41，42)之間，一可壓縮之工作體積分別形成於鄰近各該汽缸部(41，42)之該止回閥(10，11，12)處及該活塞(7)之該止回閥(10，11，12)處。
  4. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)於其一端部側上包含一低壓壓縮面，並於相對側上包含一高壓壓縮面，該高壓壓縮面小於該低壓壓縮面。
  5. 如請求項4所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)的該止回閥係形成於該高壓壓縮面中。
  6. 如請求項4或5所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)於該低壓壓縮面與該高壓壓縮面之間包含一輔助壓縮面，該輔助壓縮面與形成該低壓工作體積(4)之該汽缸部(41,42)一同形成一輔助體積(5)。
  7. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中至少一汽缸部(41，42)在該活塞(7)中作為一反向活塞(23)而受到引導。
  8. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)係由以相反方式操作之二螺線管以一非接觸方式進行驅動。
  9. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)係由一曲柄傳動件(crank drive)透過一偏心引導結構(61)進行引導。
  10. 如請求項1所述之雙動式冷媒壓縮機，其中該活塞(7)設置有一“8”字形滑動軌道(73)，一旋轉驅動件(71)之一鼻部(72)嚙合該“8”字形滑動軌道(73)以驅動該活塞(7)。
  11. 一種雙動式冷媒壓縮機，包含一活塞(7)，該活塞(7)在二汽缸部(41，42)上被自由地引導，且該二汽缸部(41，42)相互對置地排列並相對於彼此不可移動，該活塞(7)包含一流動通道(8)，該流動通道(8)於內部延伸貫穿該活塞(7)，各該汽缸部(41，42)及該活塞(7)沿該流動通道(8)分別包含至少一個止回閥(back-check valve)(10，11，12)，該等止回閥(10，11，12)係排列成使其流動方向為單向的，其中至少一汽缸部(41，42)在該活塞(7)中作為一反向活塞(23)而受到引導。
  12. 一種雙動式冷媒壓縮機，包含一活塞(7)，該活塞(7)在二汽缸部(41，42)上被自由地引導，且該二汽缸部(41，42)相互對置地排列並相對於彼此不可移動，該活塞(7)包含一流動通道(8)，該流動通道(8)於內部延伸貫穿該活塞(7)，各該汽缸部(41，42)及該活塞(7)沿該流動通道(8)分別包含至少一個止回閥(back-check valve)(10，11，12)，該等止回閥(10，11，12)係排列成使其流動方向為單向的，其中該活塞(7)與該兩汽缸部(41，42)其中之一者形成一輔助體積(5)以產生一反抗驅動該活塞(7)之恢復力，藉此幫助控制該活塞(7)；其中，該等汽缸部(41，42)係為被分為該二汽缸部(41，42)之一汽缸之部分，且該等汽缸部(41，42)係相互間隔開而使該汽缸具有一開口，以使該活塞(7)之一區域可直接以機械方式自該等汽缸部(41，42)外部經由該開口自由觸及。
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