CN101395372A - 具有气体弹簧的线性压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制冷设备(20)，特别是冰箱和/或冷冻器或空气调节单元，包括：冷却腔室(27)和线性压缩机(1)，所述线性压缩机(1)具有活塞壳体(2)、可在活塞壳体中沿着轴线(3)前后运动的压缩机活塞(4)、和用于前后运动的压缩机活塞(4)的动能的缓冲装置(6)，其中，压缩机活塞(4)的动能通过压缩气态流体暂时由缓冲装置(6)存储；一种具有这种缓冲装置(6)的线性压缩机；一种用于借助于所述制冷设备压缩气态流体(5)的方法；以及一种用于冷却物品的方法。本发明的特征在于，借助于气体压缩，线性压缩机(1)中的运动部件的动能的简单、高效的缓冲是可能的，从而使得在压缩或冷却时具有可靠和节能的操作。

Description

具有气体弹簧的线性压缩机

技术领域

本发明涉及一种制冷设备，特别是冰箱和/或冷冻器或空气调节单元，包括：冷却腔室和线性压缩机，所述线性压缩机具有活塞壳体、可在活塞壳体中沿着轴线前后运动的压缩机活塞、和用于前后运动的压缩机活塞的动能的缓冲装置；一种用于所述制冷设备的线性压缩机；一种用于压缩气体的方法；以及一种用于冷却物品的方法。

背景技术

在线性压缩机的情况下，可沿着轴线在第一和第二反向点之间前后运动的压缩机活塞在与所述轴线垂直的方向上必需被支撑或引导。前后运动的压缩机活塞的动能也必须在反向点、即在压缩机活塞的运动方向反向的点处得到缓冲，以使压缩机活塞的运动方向可在损失尽可能少的情况下反向。通过使运动方向反向，压缩机活塞在压缩机壳体中执行摆动、大致平移的前后运动。压缩过程借助于前后运动执行。

已知的是，压缩机活塞的运动能量可通过使用一个或多个螺旋弹簧被缓冲。压缩机活塞在与运动方向垂直的方向上也必须得到支撑。具有开放结构的系统，例如串联设置的电机-泵配置结构，使用具有一个或多个非常薄的膜片弹簧的一组弹簧或多组膜片弹簧、和一个或多个螺旋弹簧或多组螺旋弹簧，以缓冲运动能量和在与运动方向垂直的方向上支撑压缩机活塞的侧面。为了确保足够的稳定性，这种弹簧或弹簧组由金属制成。膜片弹簧被设计成很薄和很软，以使弹簧可以以它们的垂直刚度的总和的方式吸收与摆动方向垂直产生的整个系统的力，且具有足够的可靠性。为了实现合适的纵向刚度，弹簧布置形式是公知的，其中，膜片弹簧被一个或多个螺旋弹簧或多组螺旋弹簧支撑。然而，这种弹簧布置方式结构上相当复杂，因此需耗费时间制造和组装。如果弹簧的弹簧力随着时间降低，或各个弹簧的弹簧力变得不均衡，可在压缩机活塞与活塞壳体之间产生摩擦，这对线性压缩机或制冷单元的效率会产生不良影响，且使得能量消耗增大。

发明内容

本发明的目的是提供一种制冷设备或一种用于制冷设备的线性压缩机，其中，在压缩过程中，所使用的压缩机活塞的前后运动以简单的方式可靠且节能地得到实现。又一目的是提供一种用于压缩气体的方法和一种用于冷却物品的方法，利用所述方法，压缩和/或冷却过程可以以特别节能的方式、高度可靠地执行。

根据本发明，上述目的通过根据独立权利要求所述的制冷设备、用于该制冷设备的线性压缩机、用于压缩气体的方法和用于冷却物品的方法实现。其他有利实施例和改进是相应的从属权利要求的主题，其他有利实施例和改进中的每个可单独应用或以任何方式彼此组合使用。

本发明的制冷设备，特别是冰箱和/或冷冻器或空气调节单元、优选用于机动车辆的空气调节单元，包括：冷却腔室和线性压缩机，所述线性压缩机具有活塞壳体、可在活塞壳体中沿着轴线前后运动的压缩机活塞、和用于前后运动的压缩机活塞的动能的缓冲装置，缓冲装置在前后运动过程中通过气态流体的压缩可以以暂时方式储存压缩机活塞的动能。

线性压缩机用于压缩第二流体，特别是制冷剂，以便能够利用下游蒸发阶段产生制冷作用。第二流体通过压缩机活塞在活塞壳体中的运动压缩。第二流体也可以是用于缓冲的气态流体。

压缩机活塞的运动基本上沿着轴线进行。因此，压缩机活塞在两个反向点之间摆动，在反向点处，它暂时地达到静止，以改变其运动方向。在反向点处，前向运动变为后向运动。

缓冲装置用于以势能的方式缓冲压缩机活塞的运动中所具有的动能。压缩机活塞的运动中所具有的总能量保持大致恒定，它由压缩机活塞的动能和储存在缓冲装置中的势能组成。缓冲装置特别是在反向点之前不久吸收压缩机活塞的运动能量，且在运动方向已反向之后将该运动能量大致全都回传给压缩机活塞。该目的旨在将驱动单元所产生的机械能量几乎全都转换为流体压缩工作；特别是驱动单元不应对压缩机活塞承担任何减速作用。

要被压缩的气体特别是位于密封空间中，活塞以缩减的方式作用于该体积空间。流体中的压力在压缩过程中增大。特别地，在压缩过程中，达到比在线性压缩机的压力侧产生的压力大、优选大1巴至10巴、特别优选大2巴至7巴的压力。

缓冲装置可例如用于防止压缩机活塞以不可控的方式撞击线性压缩机的止挡部或阀板，从而对制冷设备的操作来说减小磨损和节省了能量。

与提供金属弹簧作为缓冲装置的现有解决方案不同，根据本发明，压缩机的动能通过压缩气态流体被存储。缓冲装置可以成气体压力弹簧的形式。

缓冲装置在反向点之前吸收压缩机活塞的运动中所存在的动能的优选至少90％、特别是至少95％、优选至少99％。然后，缓冲装置将该能量的至少88％、特别是至少97％回传给压缩机活塞，从而，前向运动已停下来且在反向点达到静止的压缩机活塞可在其后向运动过程中再次加速。

气态流体可与线性压缩机压缩的第二流体相同或不同。气态流体例如可以为由线性压缩机压缩的制冷剂。然而，基本上任何气体均可用于缓冲。例如，空气可用于压缩空气弹簧中。

装置有利地包括由活塞壳体和压缩机活塞形成的压缩腔室，特别地能够在压缩机活塞的前后运动过程中和/或由于该前后运动被密封。压缩腔室可通过压缩机活塞本身密封，但它也可借助于阀密封。

压缩腔室可由活塞壳体中的封闭空间形成。封闭空间由压缩机壳体的壁和压缩机活塞的顶面限界。在该实施例中，当压缩机活塞压缩封闭空间中的气态流体时，不需要阀使封闭空间中的气态流体临时压缩。

在可选实施例中，压缩腔室具有阀，所述阀在压缩机活塞的前后运动过程中协调地被致动即打开或关闭。

装置有利地具有阀，所述阀在压缩机活塞的运动方向反向之前关闭，在压缩机活塞已反向之后再次打开。这意味着，阀每次循环至少打开和关闭一次。特别地，阀在前向运动过程中关闭，在紧跟着前向运动之后的后向运动过程中打开。

在一个特殊实施例中，在前向运动过程中，阀在前后运动的活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的50％的区段内、特别是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的20％的区段内、尤其是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的10％的区段内关闭。压缩机活塞在该区段内被减速，直到它停止在反向点处。

在本发明的另一特殊实施例中，在后向运动过程中，阀在前后运动的活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的50％的区段内、特别是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的20％的区段内、尤其是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的10％的区段内打开。压缩机活塞在该区段内被加速返回到其初始速度，缓冲装置将存储在其中的能量回传给压缩机活塞。

类似地，在前向或后向运动过程中，压缩机活塞的顶面可以以前后运动的活塞行程的至少5％的区段、特别是活塞行程的至少10％的区段、优选活塞行程的至少30％的区段伸入到封闭空间中，以便压缩由内腔室和压缩机活塞包围着的气态流体。

压缩机活塞有利地在活塞壳体中借助于壳体壁被引导，所述壳体壁具有开口，且气态流体、特别是制冷剂流过该开口。这种引导系统可无油地操作。该引导系统使得压缩机活塞可在径向方向上、即在与轴线垂直的方向上被支撑。流过开口的流体使得在壳体壁的前面产生气垫，借此，压缩机活塞以非接触的方式被支撑在活塞壳体中。

有利地在压缩机活塞的两个反向点处设置缓冲装置，有利地，缓冲装置可在前后运动过程中通过气态流体的压缩以临时方式储存压缩机活塞的动能。

也可使用组合形式，其中，通过在一个反向点处压缩气态流体储存动能，而在另一反向点处，动能借助于弹簧或一组弹簧、特别是借助于金属弹簧或一组金属弹簧被缓冲。

缓冲装置也可以是由复合材料制成的弹性元件、特别是弹簧、优选是膜片弹簧或一组膜片弹簧。复合材料是由两种或更多种不同材料，例如纤维、塑料、金属、陶瓷组成的结构材料。至少一种组分、例如纤维嵌设在称作基体的基本结构中。在此，本发明在最终材料中组合利用各种材料的不同优点，且避免它们的不足。碳素纤维加强塑料(CFK)，玻璃纤维加强塑料(GFK)，TiGr复合物即钛、石墨和环氧树脂的化合物，以及某些聚芳酰胺、特别是聚对苯二甲酰对苯二胺纤维(公知商品名Kevlar)等可用作复合材料。

气态流体的压缩可使得为了运动方向反向压缩机活塞的动能被可靠地缓冲，从而使制冷设备具有可靠和节能的操作。

本发明的线性压缩机特别适合于和用于本发明的制冷设备，且具有活塞壳体、可在活塞壳体中沿着轴线前后运动的压缩机活塞、和用于前后运动的压缩机活塞的动能的缓冲装置，缓冲装置在前后运动过程中通过气态流体的压缩可以以临时方式储存压缩机活塞的动能。

装置可包括由活塞壳体和压缩机活塞的顶面形成的压缩腔室、特别是封闭空间，其特别可通过前后运动密封。装置优选具有阀，所述阀在压缩机活塞的运动方向反向之前关闭，在压缩机活塞的运动方向已反向之后再次打开。

在前向运动过程中，阀可在前后运动的活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的50％的区段内、特别是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的20％的区段内、尤其是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之前的10％的区段内关闭。

在后向运动过程中，阀还可在前后运动的活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的50％的区段内、特别是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的20％的区段内、尤其是在活塞行程的位于压缩机活塞的反向点之后的10％的区段内打开。

压缩机活塞的顶面也可以以至少5％的区段、特别是至少10％的区段、优选至少。

类似地，在前向或后向运动过程中，压缩机活塞的顶面可以以前后运动的活塞行程的至少5％的区段、特别是活塞行程的至少10％的区段、优选活塞行程的至少30％的区段伸入到封闭空间中，以便压缩由内腔室和压缩机活塞包围着的气态流体。

压缩机活塞可在活塞壳体中借助于壳体壁被引导，所述壳体壁具有开口，气态流体、特别是制冷剂流过所述开口。

特别地，线性压缩机在压缩机活塞的两个反向点处均具有缓冲装置。

因此，针对制冷设备描述的线性压缩机的所有特征可应用于本发明的线性压缩机，且有利地被利用。这提供了一种特别稳固、可靠且以节能的方式操作的线性压缩机。

提供了一种用于借助于制冷设备压缩气体的本发明的方法，所述制冷设备包括线性压缩机，所述线性压缩机具有活塞壳体、和可在活塞壳体中沿着轴线前后运动的压缩机活塞，本发明的方法使得前后运动的压缩机活塞的动能的绝大部分、特别是高达90％以上、优选高达95％以上，优选基本上其全部动能借助于气垫被缓冲，以使前后运动的压缩机活塞的运动方向反向。

气态流体有利地通过压缩机活塞的运动压缩，结果使得压缩机活塞减速并达到静止。然后，在压缩中存储的能量再次用于沿反方向、即沿后向方向使压缩机活塞一直加速到初始速度，使得以势能形式储存的能量变回为动能。运动方向基本上可在不借助于驱动单元的情况下即以无驱动的方式反向。

气垫可通过压缩气态流体产生。气态流体特别是用于制冷设备的制冷剂。然而，气垫也可通过压缩其他气体、特别是空气形成。

气垫有利地通过气态流体形成，所述气态流体借助于压缩机活塞本身压缩。为此，气垫形成，且使得内腔室在压缩机活塞的运动方向反向之前不久被活塞壳体和压缩机活塞封闭和密封。在运动方向已反向之后，内腔室再次打开。该内腔室的打开和关闭与压缩机活塞的前后运动相协调地进行。

然而，气垫也可通过使用单独的气体压力弹簧产生。

例如，如果内腔室被实施为封闭空间，内腔室可通过压缩机活塞本身密封，且压缩机活塞在其向着内腔室的运动过程中压缩被包围着的气态流体。压缩使得压缩机活塞的前向运动停下来且被加速为前向运动。

内腔室有利地在运动方向反向时刻之前的前后运动的周期长度的四分之一、特别是前后运动的周期长度的八分之一的时段内密封。在该时段内密封内腔室使得压缩机活塞可在该时段内停下。

内腔室有利地在运动方向反向时刻之后的前后运动的周期长度的四分之一、特别是前后运动的周期长度的八分之一的时段内打开。在该时段内，压缩机活塞被重新加速到其在内腔室密封前所具有的初始速度。

用于冷却物品的本发明方法使用本发明的制冷设备和/或本发明的线性压缩机。这种应用使得可特别可靠地、节能和快速地冷却物品。

附图说明

下面，参看附图更详细地描述进一步有利的细节和特殊的实施例，附图不是用于限制本发明，而是仅示例性地示出本发明，附图包括：

图1示出了本发明的线性压缩机的示意性剖视图；

图2示出了本发明的制冷设备的示意性剖视图；以及

图3示出了另一本发明的线性压缩机的示意性剖视图。

具体实施方式

图1示出了具有活塞壳体2的本发明的线性压缩机1的剖视图，其中，压缩机活塞4沿着轴线3在压缩机活塞4的第一反向点8与压缩机活塞4的第二反向点9之间前后运动。压缩机活塞4的动能借助于缓冲装置6以临时方式储存，以便在小的能量损失的情况下使压缩机活塞4的运动方向反向。线性压缩机1具有吸力连接部14和压力连接部15，所述吸力连接部14具有第一阀10，所述压力连接部15具有第二阀11。线性压缩机1用于压缩气态流体5。当在压力连接部15处供给的压力为大约8至9巴时，压缩腔室7中的压力在用于缓冲的压缩过程中稍高些，在10巴左右。第一阀10和第二阀11因此借助于阀板16与压缩机活塞4的前向和后向运动协调地被致动，从而气体压缩垫12形成在位于压缩机活塞4前面的内腔室13中，其中，气态流体5被压缩。在内腔室13中压缩气态流体5使得压缩机活塞4的运动减慢，其动能基本上全被转换为在气体压缩垫12中潜在的势能。压缩机活塞4借助于壳体壁23支撑，所述壳体壁23具有开口22，其中，一些流体5流过开口22，从而形成气体压力支承，这在壳体壁23之前以非接触的方式引导压缩机活塞4。为此需要的流体5经由供给部件17连续地供给，且在压缩机活塞4与壳体壁23之间形成气体支承垫18。压缩机活塞4借助于驱动单元25通过活塞杆19驱动。被实施为套筒的壳体壁23借助于O形圈21密封。弹簧26用于通过缓冲装置6帮助储存动能，所述弹簧用碳素纤维加强，从而能够吸收活塞杆19的侧力，即沿与轴线3垂直的方向的力。

压缩机活塞4在反向点8和9之间移动，且具有活塞行程H。压缩机活塞4通过关闭阀10、11和形成气体压缩垫12在区段S上减速，然后在运动方向反向之后再加速。当阀10、11关闭时，壳体壁23与压缩机活塞4一起形成压缩腔室7，在压缩腔室7中可压缩气态流体5。

图2示出了具有线性压缩机1和冷却腔室27的本发明的制冷设备20的剖视图，其中，物品24、特别是食物可迅速地、可靠地且以节能的方式被冷却。

图3示出了本发明的线性压缩机1的另一实施例的剖视图，其中内腔室13被实施为封闭空间；不管压缩机活塞何时进入到该封闭空间28，气态流体7均被压缩，以形成气垫12。压缩机活塞4本身密封封闭空间28。在此，有利地，压缩机活塞4不可撞击阀板16，即使阀10、11暂时没能正确地关闭，因为封闭空间28不需要协调关闭的其他任何阀。阀10、11仅可用于在热力学有利的时刻打开和/或关闭吸力连接部14和/或压力连接部15。

本发明涉及一种制冷设备20，特别是冰箱和/或冷冻器或空气调节单元，包括：冷却腔室27和线性压缩机1，所述线性压缩机1具有活塞壳体2、可在活塞壳体2中沿着轴线3前后运动的压缩机活塞4、以及用于前后运动的压缩机活塞4的动能的缓冲装置6，所述缓冲装置6在前后运动过程中通过气态流体的压缩可以以暂时方式储存压缩机活塞4的动能；一种线性压缩机，所述线性压缩机具有这种缓冲装置6；一种用于借助于所述制冷设备20压缩气态流体5的方法；以及一种用于冷却物品的方法。本发明的特征在于，借助于气体压缩可使线性压缩机1中的运动部件的动能得以简单和高效的缓冲，从而在压缩过程中和/或在冷却过程中可获得可靠、节能的操作。

附图标记列表

1       线性压缩机

2       活塞壳体

3           轴线

4           压缩机活塞

5           流体

6           用于前后运动的压缩机活塞4的动能的缓冲装置

7           压缩腔室

8           压缩机活塞4的第一反向点

9           压缩机活塞4的第二反向点

10          第一阀

11          第二阀

12          气体压缩垫

13          内腔室

14          吸力连接部

15          压力连接部

16          阀板

17          供给部件

18          气体支承垫

19          活塞杆

20          制冷设备

21          O形圈

22          开口

23          壳体壁

24          物品

25          驱动单元

26          弹簧

27          冷却腔室

28          封闭空间

29          上表面

H           活塞行程

S           活塞形成H内的区段

Claims (14)

1.一种制冷设备(20)，特别是冰箱和/或冷冻器或空气调节单元，包括：冷却腔室(27)和线性压缩机(1)，所述线性压缩机(1)具有活塞壳体(2)、可在活塞壳体(2)中沿着轴线(3)前后运动的压缩机活塞(4)、和用于前后运动的压缩机活塞(4)的动能的缓冲装置(6)，其特征在于，缓冲装置(6)在前后运动过程中通过气态流体(5)的压缩可以以暂时方式储存压缩机活塞(4)的动能。

2.如权利要求1所述的制冷设备(20)，其特征在于，缓冲装置(6)包括压缩腔室(7)，所述压缩腔室(7)由活塞壳体(2)和压缩机活塞(4)形成，且特别是能够在前后运动过程中被密封。

3.如权利要求1或2所述的制冷设备(20)，其特征在于，缓冲装置(6)具有阀(10，11)，所述阀在压缩机活塞(4)的运动方向反向之前关闭、在压缩机活塞(4)的运动方向已反向之后再打开。

4.如权利要求3所述的制冷设备(20)，其特征在于，在前向运动过程中，阀(10，11)在前后运动的活塞行程(H)的位于压缩机活塞(4)的反向点之前的50％的区段(S)内、特别是在活塞行程(H)的位于压缩机活塞(4)的反向点(8，9)之前的20％的区段(S)内、尤其是在活塞行程(H)的位于压缩机活塞(4)的反向点(8，9)之前的10％的区段内关闭。

5.如权利要求3或4所述的制冷设备(20)，其特征在于，在后向运动过程中，阀(10，11)在前后运动的活塞行程(H)的位于压缩机活塞(4)的反向点之后的50％的区段内、特别是在活塞行程的位于压缩机活塞(4)的反向点之后的20％的区段内、尤其是在活塞行程的位于压缩机活塞(4)的反向点之后的10％的区段内打开。

6.如前面权利要求中任一所述的制冷设备(20)，其特征在于，压缩机活塞(4)借助于壳体壁(23)在活塞壳体(2)中被引导，所述壳体壁(23)具有开口(22)，且气态流体(5)、特别是制冷剂流过开口(22)。

7.如前面权利要求中任一所述的制冷设备(20)，其特征在于，在压缩机活塞(4)的两个反向点(8，9)处设置缓冲装置(6)。

8.一种线性压缩机(1)，特别适合于和用于权利要求1至7中任一所述的制冷设备(20)，所述线性压缩机(1)具有活塞壳体(2)、可在活塞壳体(2)中沿着轴线(3)前后运动的压缩机活塞(4)、和用于前后运动的压缩机活塞(4)的动能的缓冲装置(6)，其特征在于，缓冲装置(6)在前后运动过程中通过气态流体(5)的压缩可以以暂时方式储存压缩机活塞(4)的动能。

9.一种用于借助于制冷设备(20)压缩气态流体(5)的方法，所述制冷设备(20)包括线性压缩机(1)，所述线性压缩机(1)具有活塞壳体(2)、和可在活塞壳体(2)中沿着轴线(3)前后运动的压缩机活塞(4)，其特征在于，前后运动的压缩机活塞(4)的动能的绝大部分、特别是高达90％以上、优选基本上其全部动能借助于气垫(12)被缓冲，以使前后运动的压缩机活塞(4)的运动方向反向。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，气垫(12)由气态流体(5)形成，所述气态流体(5)借助于压缩机活塞(4)密封。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，气垫(12)被形成，且使得由活塞壳体(2)和压缩机活塞(4)形成的内腔室(13)在压缩机活塞(4)的运动方向反向之前密封、在压缩机活塞(4)的运动方向已反向之后再打开。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，内腔室(13)在处于运动方向反向时刻之前的前后运动的周期长度的1/4的时段内、特别是前后运动的周期长度的1/8的时段内被密封。

13.如权利要求11或12所述的方法，其特征在于，内腔室(13)在处于运动方向反向时刻之后的前后运动的周期长度的1/4的时段内、特别是前后运动的周期长度的1/8的时段内被打开。

14.一种用于冷却物品(24)的方法，其特征在于，所述方法借助于权利要求1至7中任一所述的制冷设备(20)和/或权利要求8所述的线性压缩机(1)。

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