СПОСОБ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЛИНЕЙНОГО КОМПРЕССОРА
PROCEDURE FOR OPERATION OF LINEAR COMPRESSOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации линейного компрессора, в особенности для холодильного аппарата.
Уровень техники
Такой линейный компрессор известен, например, из патентных документов US 506032 В2 и US 6642377 В2. Он содержит реверсивный линейный привод с обмоткой и якорем, который может перемещаться против усилия пружины под действием создаваемого обмоткой магнитного поля, а также компрессорную камеру, в которой подвижно установлен соединенный с якорем поршень. При работе в обмотку подается переменный ток для обеспечения колебательного движения якоря.
В то время как в компрессоре с обычным вращательным приводом амплитуда движения поршня является строго заданной предварительно, в линейном компрессоре дело обстоит не так. В зависимости от подаваемой в обмотку электрической мощности якорь может совершать колебания с различными амплитудами, так что ход поршня также является переменным.
Чем меньше приводная мощность, а следовательно, и амплитуда якоря, тем больше мертвый объем нагнетательной полости в верхней точке изменения направления хода поршня. Большой мертвый объем приводит к низкому кпд компрессора, поскольку работа по сжатию газа в мертвый объем не используется и после прохода верхней мертвой точки газ снова расширяется и приводит поршень в обратное движение.
В противоположность этому, когда в обмотку подается слишком высокая приводная мощность, амплитуда якоря может быть настолько большой, что поршень упирается в ограничение компрессорной камеры. Это приводит к развитию сильного звука и при определенных обстоятельствах может также вызвать повреждение компрессора. Кроме того, колебательное движение якоря и приводной переменный ток могут сместиться по фазе, так что эффективность привода снижается и по этой причине.
Поэтому для обеспечения возможности устойчивого привода линейного компрессора с высоким кпд необходимо контролировать амплитуду якоря и регулировать подаваемый в обмотку переменный ток таким образом, чтобы амплитуда всегда оставалась близкой к верхней граничной величине, при превышении которой поршень упирается в ограничение камеры.
Допуски на изготовление линейных компрессоров могут приводить к тому, что обратный ход якоря из его равновесного положения до положения, при котором поршень упирается в ограничение камеры, может быть различным в различных линейных компрессорах. В том случае, когда с учетом допусков на изготовление ход якоря устанавливается унифицированным образом так, чтобы поршень не мог упираться в ограничение, в разных компрессорах создаются существенно отличные мертвые объемы и, соответственно, различные кпд.
Другая проблема состоит в том, что равновесное положение, в котором якорь находится при выключенном компрессоре, может быть различным в зависимости от действующего на поршень давления в компрессорной камере. При использовании линейного компрессора для сжатия хладагента в холодильном аппарате различные давления могут легко создаваться в зависимости от того, какова средняя температура или соотношение газа к жидкости в контуре циркуляции хладагента в аппарате. Когда холодильный аппарат вводится в эксплуатацию впервые или после долгого бездействия и его контур циркуляции хладагента должен быть охлажден с понижением температуры от комнатной, вначале давление в контуре циркуляции хладагента выше, чем в аппарате, который находится в эксплуатации, поскольку в нем холодильная камера, а следовательно, и, по меньшей мере, часть хладагента имеют температуру значительно ниже комнатной. Амплитуда колебаний, которая в находящемся в эксплуатации аппарате создает полезный, то есть низкий мертвый объем, в случае ввода в эксплуатацию может оказаться недостаточной, так как здесь смещено положение покоя, вокруг которого якорь совершает колебания. В том случае, когда из-за этого создается большой мертвый объем, в экстремальном случае кпд компрессора может быть настолько понижен, что окажется невозможным требуемое охлаждение аппарата.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание способа эксплуатации линейного компрессора, позволяющего устранить описанные проблемы.
В соответствии с изобретением решение поставленной задачи достигается за счет того, что в линейном компрессоре, содержащем линейный компрессор с обмоткой и якорем, который может перемещаться под действием магнитного поля против действия пружины, и компрессорную камеру, ограниченную соединенным с якорем подвижным поршнем, причем при эксплуатации на обмотку подают переменный ток для привода якоря в колебательное движение, перед вводом в эксплуатацию на обмотку подают постоянный ток с первым знаком для перемещения якоря из положения покоя, измеряют первое конечное положение, которого якорь достигает под действием постоянного тока, а в процессе эксплуатации регулируют силу переменного тока возбуждения обмотки таким образом, что якорь не достигает первого конечного положения или достигает его с затухающей скоростью.
За счет подачи постоянного тока и измерения получаемого вследствие этого положения якоря получают измеренную величину максимального допустимого перемещения или отклонения якоря, в которой учтены как допуски на изготовление, так и смещенное положение покоя якоря вследствие давления в компрессорной камере.
Предпочтительно первый знак устанавливают таким образом, что под действием постоянного тока поршень перемещается к клапанной стенке компрессорной камеры, поскольку в этом направлении свобода перемещения поршня вынужденно ограничена, и требуется точное регулирование хода поршня для того, чтобы обеспечить малый мертвый объем и, соответственно, высокий кпд.
Может быть предусмотрено, что перед вводом в эксплуатацию на обмотку далее подают постоянный ток со знаком, противоположным первому знаку, измеряют второе конечное положение, которого якорь достигает под действием постоянного тока, а в процессе эксплуатации регулируют силу переменного тока возбуждения обмотки таким образом, что якорь не достигает второго конечного положения или достигает его с затухающей скоростью. Таким путем замеряют свободу перемещения поршня в обоих направлениях, при этом имеющаяся в распоряжении свобода перемещения поршня может использоваться оптимально независимо от отклонений, вызванных допусками на изготовление.
Альтернативно имеется возможность вычислить второе конечное положение по предварительно заданному расстоянию от первого конечного положения.
Оптимальным образом силу постоянного тока повышают постепенно, чтобы предотвратить удар поршня в ограничение с высокой скоростью.
В предпочтительном примере осуществления во время повышения силы тока положение якоря измеряют периодически и в качестве конечного положения определяют положение якоря, за пределы которого якорь не выходит при дальнейшем повышении силы тока. В том случае, когда смещению якоря противодействует только усилие пружины или, при определенных условиях, давление в компрессорной камере, можно исходить из того, что повышение силы постоянного тока приводит также к повышению противодействия, и это означает, что поршень достиг ограничения.
Альтернативно в качестве конечного положения может быть определено положение якоря, в котором он вызывает срабатывание датчика приближения. Такой датчик приближения может быть, например, фотоячейкой.
Для запуска колебательного движения якоря предпочтительно на обмотку подают переменный ток, в котором объемы заряда положительных и отрицательных полуволн увеличивают по ходу времени, так что амплитуда колебательного движения возрастает по ходу времени. Это дает возможность обеспечивать приращение амплитуды в зависимости от объемов заряда полуволн и дозировать их повышение таким образом, чтобы не допускать переход за установленные ранее конечные положения.
В особенности из-за смещения положения покоя якоря под действием давления в компрессорной камере может быть необходимо регулировать объемы заряда положительных и отрицательных полуволн раздельно, чтобы обеспечить одинаковое расстояние двух точек изменения направления колебательного движения от первого или второго конечного положения.
Краткий перечень чертежей
Далее со ссылками на прилагаемые чертежи будут подробно описаны примеры осуществления изобретения, его дальнейшие особенности и преимущества. На чертежах:
фиг.1 схематично изображает линейный компрессор частично на виде сверху и частично в разрезе,
фиг.2 изображает диаграмму, представляющую приращение по времени силы постоянного тока, подаваемого на обмотку линейного компрессора по фиг.1, и измеренной величины отклонения или смещения якоря,
фиг.3 изображает диаграммы, представляющие возрастание амплитуды колебаний и объемов заряда положительных и отрицательных полуволн тока обмотки при запуске колебательного движения.
Осуществление изобретения
На фиг.1 схематично представлен линейный компрессор с линейным приводом 1 и компрессорным блоком 2, которые здесь установлены на U-образной раме 3. На двух параллельных консолях рамы 3 установлены обращенные друг к другу железные сердечники 4 E-образного поперечного сечения и обмотки 5. В воздушном зазоре между железными сердечниками 4 помещен якорь 6, подвешенный с помощью мембранных пружин 7, которые удерживают якорь 6 с возможностью небольших перемещений в продольном направлении и жестко в поперечном направлении. Якорь 6 содержит два встречнопараллельно полязированных постоянных магнита 8, 9, которые стремятся устанавливаться в направлении создаваемого обмотками 5 магнитного поля и, соответственно, в зависимости от направления тока в обмотках приводят якорь 6 в движение влево или вправо.
Компрессорный блок 2 содержит компрессорную камеру 10, которая с одной стороны ограничена подвижным поршнем 11. Поршень 11 жестко соединен с якорем 6 поршневым штоком 12. За счет избыточного давления в компрессорной камере 10 положение покоя якоря 6 немного смещено влево относительно положения, при котором плоские пружины 7 разгружены от напряжения.
На якоре 6 установлена пластина-носитель 13 с чередующимися светоотражающими и светопоглощающими полосами. На одном из железных сердечников 4 установлена первая фотоячейка, содержащая световой источник 14, который излучает плотный световой луч на несущую пластину 13, и световой датчик 15. В зависимости от того, падает ли световой луч светового источника 14 на отражающую или поглощающую полосу пластины-носителя 13, световой датчик 15 принимает больше или меньше света.
В альтернативном варианте вместо пластины-носителя 13 на якоре 6 может быть установлена гребенчатая конструкция, а световой источник 14 и световой датчик 15 фотоячейки установлены на железных сердечниках 4 по обе стороны от гребенчатой конструкции. В этом случае в зависимости от положения якоря 6 либо зубец гребенчатой конструкции закрывает световой датчик 15, либо световой луч от светового источника 14 проходит через зазор между зубцами и доходит до светового датчика 15. Вместо гребенчатой конструкции может быть также предусмотрен прозрачный носитель с отстоящими друг от друга светонепроницаемыми полосами.
Не представленная вторая фотоячейка расположена со смещением на четверть периода равномерной системы полос.
С фотоячейками связано управляющее устройство 16, которое обеспечивает подачу тока на обмотки 5.
Принцип работы управляющего устройства при вводе линейного компрессора в эксплуатацию будет пояснен со ссылками на фиг.2 и 3. В начальный момент времени t=0 управляющее устройство 16 получает команду ввода в эксплуатацию извне, например от регулирующего термостата холодильного аппарата, в который встроен линейный компрессор по фиг.1. Далее управляющее устройство 16 подает на обмотки 5 постоянный ток, сила I тока которого, представленная на фиг.2 штрихпунктирной линией, возрастает в линейной функции времени t. Пропорционально силе I тока возрастает действующая на якорь 6 магнитная сила, которая перемещает якорь 6 вправо на фиг.1. В целях упрощения на фиг.2 принято, что получаемое в результате смещение якоря 6 линейно пропорционально силе I тока. Однако принцип по изобретению применим также и в других случаях.
При возрастании смещения якоря 6 полосы на пластине-носителе 13 проходят мимо фотоячейки одна за другой. Посредством сравнения фаз поступающих от фотоячеек счетных импульсов управляющее устройство 16 распознает направление, в котором движется якорь 6. Кроме того, каждый раз, когда полоса проходит первую фотоячейку 14, 15, управляющее устройство 16 добавляет (или отнимает в зависимости от установленного направления перемещения) приращение или шаг в счетчике, число n в котором представляет путь, проделанный якорем из его положения покоя. Таким образом, число n счетчика образует также показанную на диаграмме по фиг.2 ступенчатую функцию времени t.
1
max
Когда сила I тока достигает достаточной величины, чтобы привести поршень 11 в контакт с клапанной стенкой 17 компрессорного блока 2, число n счетчика перестает возрастать при дальнейшем повышении силы тока. Это распознается управляющим устройством 16 во временной точке, обозначенной t на фиг.2. В этой точке сила I тока достигает величины I(n), при которой прекращается прежде наблюдаемая взаимосвязь между I и n и не происходит ожидаемого приращения n.
Согласно первому примеру осуществления свобода перемещения якоря 6 составляет жестко заданное предварительно и заложенное в управляющем устройстве 16 общее число N, измеренное в шагах описанного счетчика. За счет того что управляющее устройство записывает показание счетчика при контакте поршня 11 с клапанной стенкой 17 и заменяет записанную в нем величину числом N, достигается калибровка измерения положения: граница допускаемой области перемещения якоря 6 определяются величинами 0 и N на счетчике. Путем счета или обратного отсчета воспринимаемых фотоячейкой полос в зависимости от направления движения якоря 6 управляющее устройство 16 в любой момент времени «знает» положение якоря 6.
1
Согласно второму примеру осуществления, начиная с временной точки t, управляющее устройство снижает силу I тока в обмотках 5 вплоть до изменения его знака и в этот период производит в обратном направлении счет полос, проходящих мимо фотоячейки, начиная от нуля, нарастающим счетом. Это происходит до тех пор, пока повышение силы тока вновь не перестанет приводить к повышению показаний счетчика. Полученное таким путем число N представляет измеренную величину свободы перемещения якоря 6. Оно используется таким же образом, как это описано для жесткой предварительно заданной величины числа N, и будет подробнее объяснено далее.
+
-
Диаграммы на фиг.3 демонстрируют запуск колебательного привода линейного компрессора. Средняя диаграмма схематично показывает развитие по времени положения якоря 6 и его заданных точек изменения направления движения, верхняя и нижняя диаграммы показывают соответственно приращение по времени объемов Q, Q заряда положительных и отрицательных полуволн тока возбуждения, подаваемого от управляющего устройства 16 на обмотки 5.
0
2
2
2
+
-
+
-
Для запуска колебательного движения якоря 6 вначале управляющее устройство устанавливает в качестве центральной точки колебательного движения положение якоря, которое соответствует величине N/2 на счетчике. При этом первоначальное положение покоя якоря соответствует счетной величине, которая обозначена n и обычно отлична от N/2. Во временной точке t на фиг.3 управляющее устройство начинает возбуждать колебательное движение. Для обеспечения постепенного возрастания амплитуды колебаний якоря предварительно заданы точки u, u заданного изменения направления, которые по ходу времени симметрично удаляются от N/2, например, в линейных функциях времени u=N/2+a(t-t), u=N/2-a(t-t), до конечного достижения постоянных величин N-ε или ε, как это представлено на средней диаграмме фиг.3. При этом величина ε представляет зазор безопасности из нескольких счетных шагов, который служит для того, чтобы при работе в устойчивом режиме надежно предотвратить удары поршня в ограничение.
2
2
2
0
3
0
+
+
+
+
-
-
Типовой процесс движения якоря представлен кривой p на средней диаграмме фиг.3. Во временной точке t якорь 6 находится заметно ниже кривой u верхних точек изменения направления. Поэтому управляющее устройство 16 вначале подает на обмотки только положительные полуволны для того, чтобы поднять якорь. Приращение по времени объемов Q заряда верхних полуволн представлено на верхней диаграмме фиг.3. Оно начинается во временной точке t с начальной величины Q(t), которая пропорциональна отклонению или расхождению между положением n покоя якоря и желаемой центральной точкой N/2 его колебательного движения, и по ходу времени t возрастает так же, как заданное положение u верхних точек изменения направления движения. Во временной точке t заданное положение нижних точек u изменения направления пересекает положение n покоя. Теперь управляющее устройство 16 начинает подавать также отрицательные полуволны. Приращение по времени их объемов Q заряда показано на нижней диаграмме фиг.3.
+
-
+
-
0
Объемы Q, Q заряда возрастают до тех пор, пока точки u, u заданного изменения направления не достигнут конечных положений N-ε или ε, что соответствует достижению устойчивого режима работы линейного компрессора. Здесь объемы заряда положительных и отрицательных полуволн также еще различны для того, чтобы компенсировать расхождение между положением n покоя якоря 6, на которое влияет давление хладагента в компрессорной камере, и центральной точкой колебательного движения якоря.
Когда в ходе работы линейного компрессора хладагент охлаждается и снижается его среднее давление, действующее против компрессорного блока 2, смещается также положение покоя, которое якорь 6 занимал бы при выключенном приводе. При отсутствии корректирующего управления это приводило бы к смещению всего колебательного движения якоря вправо на фиг.1 и в заключение могло бы привести к ударам поршня 11 в клапанную стенку 17. Такое смещение колебательного движения предотвращается тем, что управляющее устройство 16, когда оно воспринимает движение якоря за пределы верхней заданной величины N-ε изменения направления движения, снижает объемы заряда положительных полуволн и, соответственно, повышает объемы заряда отрицательных полуволн. За счет этого компрессорный блок 2 всегда работает с минимальными мертвыми объемами без риска ударов поршня 11 в стенки компрессорной камеры.