MOTOR LINEAL, COMPRESOR LINEAL, MÉTODO PARA CONTROLAR UN COMPRESOR LINEAL, SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Y COMPRESOR LINEAL QUE CONTROLA UN SISTEMA.

Compresor lineal (100) aplicable a un sistema de refrigeración (20),

comprendiendo el compresor lineal (100) un pistón (1) accionado por un motor lineal (10), teniendo el pistón (1) una distancia de desplazamiento controlada por un voltaje eléctrico controlado (VM), generando el voltaje eléctrico controlado (VM) una corriente de alimentación (iA) que circula en el motor lineal (10) y teniendo una frecuencia de voltaje (FVM) aplicada al motor lineal (10) y ajustada por una unidad de procesamiento (22), estando la unidad de procesamiento (22) configurada para controlar dinámicamente la distancia de desplazamiento del pistón (1) en función de la demanda variable del sistema de refrigeración (20), teniendo el compresor lineal (100) una frecuencia de resonancia, compresor lineal (100) caracterizado porque la unidad de procesamiento (22) está configurada para medir una fase de alimentación (ΦC) de la corriente de alimentación (iA) y una fase dinámica (ΦP) del pistón (1) del compresor lineal (100), estando configurada además la unidad de procesamiento (22) para medir la diferencia entre la fase de alimentación (ΦC) y la fase dinámica (ΦP) y establecer una fase medida (ΦPC), ajustando la unidad de procesamiento (22) el voltaje controlado (VM) para que el valor de la fase medida (ΦPC) sea nulo, de modo tal que se mantenga dinámicamente el compresor lineal (100) en resonancia durante todas las variaciones en la demanda del sistema de refrigeración

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/BR2005/000006.

Solicitante: WHIRLPOOL S.A..

Nacionalidad solicitante: Brasil.

Dirección: RUA RUI BARBOSA, 1020 89219-901 JOINVILLE SC BRASIL.

Inventor/es: DAINEZ, PAULO, SERGIO, BERNHARD LILIE, DIETMAR ERICH, THIESSEN,MARCIO,ROBERTO.

Fecha de Publicación: .

Fecha Solicitud PCT: 19 de Enero de 2005.

Clasificación Internacional de Patentes:

  • F04B35/04S
  • F04B49/06 SECCION F — MECANICA; ILUMINACION; CALEFACCION; ARMAMENTO; VOLADURA.F04 MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS PARA LIQUIDOS O PARA FLUIDOS COMPRESIBLES.F04B MAQUINAS DE LIQUIDOS DE DESPLAZAMIENTO POSITIVO; BOMBAS (bombas de inyección de combustible para motores F02M; máquinas de líquido, o bombas, de tipo pistón rotativo u oscilante F04C; bombas de desplazamiento no positivo F04D; bombeo de fluido por contacto directo con otro fluido o por utilización de la inercia del fluido a bombear F04F; cigüeñales, cabezas de biela, bielas F16C; volantes F16F; transmisiones para convertir un movimiento rotativo en movimiento alternativo y viceversa, en general F16H; pistones, vástagos de pistones, cilindros, en general F16J; bombas iónicas H01J 41/12; bombas electrodinámicas H02K 44/02). › F04B 49/00 Control de o medios de seguridad para máquinas, bombas o instalaciones de bombeo no cubiertos por, o con un interés distinto que, los grupos F04B 1/00 - F04B 47/00. › Control utilizando la electricidad (regulación por flotadores que accionan interruptores eléctricos F04B 49/04).
  • H02K33/16 SECCION H — ELECTRICIDAD.H02 PRODUCCION, CONVERSION O DISTRIBUCION DE LA ENERGIA ELECTRICA.H02K MAQUINAS DINAMOELECTRICAS (relés dinamoeléctricos H01H 53/00; transformación de una potencia de entrada en DC o AC en una potencia de salida de choque H02M 9/00). › H02K 33/00 Motores con imán, inducido o sistema de bobinas de movimiento alternativo, oscilante o vibratorio (dispositivos de manipulación de la energía mecánica estructuralmente asociados a los motores H02K 7/00, p. ej. H02K 7/06). › con inducidos polarizado que se desplaza en direcciones opuestas por inversión de la tensión aplicada al sistema de una sola bobina.
  • H02P25/06 H02 […] › H02P CONTROL O REGULACION DE MOTORES ELECTRICOS, GENERADORES ELECTRICOS O CONVERTIDORES DINAMOELECTRICOS; CONTROL DE TRANSFORMADORES, REACTANCIAS O BOBINAS DE CHOQUE.H02P 25/00 Disposiciones o métodos para el control de motores de CA caracterizados por la clase de motor de CA o por detalles estructurales. › Motores lineales.

Clasificación PCT:

  • F04B35/04 F04B […] › F04B 35/00 Bombas de pistón especialmente adaptadas para fluídos compresibles   caracterizadas por los medios de accionamiento de sus órganos de trabajo o por la combinación o adaptación con las máquinas o motores particulares que las accionan, no previstas en otro lugar (si predomina el aspecto de máquina motriz o de motor, véanse las clases apropiadas). › siendo los medios eléctricos.
  • F04B49/06 F04B 49/00 […] › Control utilizando la electricidad (regulación por flotadores que accionan interruptores eléctricos F04B 49/04).
  • H02K41/02 H02K […] › H02K 41/00 Sistemas de propulsión en los cuales un elemento rígido se desplaza a lo largo de un camino bajo los efectos de la acción dinamoeléctrica que se ejercen entre este elemento y un flujo magnético que se propaga a lo largo del camino. › Motores lineales; Motores seccionales.

Clasificación antigua:

  • F04B35/04 F04B 35/00 […] › siendo los medios eléctricos.
  • F04B49/06 F04B 49/00 […] › Control utilizando la electricidad (regulación por flotadores que accionan interruptores eléctricos F04B 49/04).
  • H02K41/02 H02K 41/00 […] › Motores lineales; Motores seccionales.

Países PCT: Austria, Bélgica, Suiza, Alemania, Dinamarca, España, Francia, Reino Unido, Grecia, Italia, Liechtensein, Luxemburgo, Países Bajos, Suecia, Mónaco, Portugal, Irlanda, Eslovenia, Finlandia, Rumania, Chipre, Lituania.

PDF original: ES-2365022_T3.pdf

 


Fragmento de la descripción:

Esta solicitud reivindica la prioridad del caso de patente brasileña Nº P10400108-7 presentada el 22 de enero de 2004.

La presente invención se refiere a un motor lineal, a un compresor lineal, a un método para controlar un compresor lineal, a un sistema de refrigeración, así como a un compresor lineal que controla un sistema con el propósito de hacer funcionar un compresor lineal en resonancia, para que este último tenga el máximo rendimiento en todo su funcionamiento.

Antecedentes de la Invención

Un motor resonante lineal comprende esencialmente un motor lineal, por ejemplo un motor lineal acoplado a un mecanismo resonante, el cual puede incluir un resorte, o una carga cualquiera que produzca un efecto de resorte, para generar un movimiento resonante entre el motor lineal y la carga. Las aplicaciones de este tipo de motor lineal pueden incluir bombas para transporte de fluidos en general, que pueden accionar cargas variables.

Los ejemplos típicos de este tipo de construcción son los motores lineales empleados en compresores lineales que se aplican a menudo a sistemas de refrigeración, debido a su rendimiento en términos de economía de energía eléctrica. Un compresor lineal 100 empleado en un sistema de refrigeración está montado, como se muestra en la figura 1, normalmente dentro de una caja (no representada), encontrándose a baja presión el gas contenido en esta caja y siendo aspirado y comprimido por el compresor lineal para su liberación en un entorno de alta presión 7.

El mecanismo de compresión del gas tiene lugar mediante el movimiento axial del pistón 1 dentro de un cilindro 2 que tiene una cabeza 3. Las válvulas de aspiración 3a y de descarga 3b están posicionadas en la cabeza 3, regulando estas válvulas la entrada y salida del gas dentro y fuera del cilindro 2. El pistón 1 es accionado por un motor lineal 10, que está compuesto de un estator 411 que tiene una bobina 11 y un soporte 4. El estator 411, a su vez, acciona un imán 5 que impulsa el accionador, en este caso el pistón 1, estando asociado el accionador a un resorte de tipo helicoidal 8, formando la unidad resonante del compresor lineal 100.

La unidad resonante, accionada por el motor lineal 10, tiene la función de producir un movimiento lineal de vaivén, provocando el movimiento del pistón 1 dentro del cilindro 2 para ejercer una acción compresora que comprime el gas admitido por la válvula de aspiración 3a, hasta el punto en el que este último puede ser descargado del lado de alta presión a través de la válvula de descarga 3b dentro de la tubería 7.

La amplitud del funcionamiento del compresor lineal 100 es regulada por el equilibrio entre la potencia generada por el motor lineal 10 y la potencia consumida por el mecanismo en la compresión del gas más otras pérdidas.

Otra característica del mecanismo lineal es la posibilidad de variar su capacidad de bombeo, reduciendo la potencia del motor eléctrico, reduciendo a su vez la amplitud de la operación la capacidad de bombeo.

Un parámetro que debe ser variado para controlar la amplitud del compresor lineal puede ser el voltaje de alimentación del motor eléctrico. Desde el voltaje de alimentación del motor eléctrico hasta lograr la amplitud deseada, existen varias impedancias reflejadas, tales como la resistencia eléctrica del motor eléctrico, la inductancia del motor eléctrico, la capacitancia si se utiliza un capacitor, la fuerza contraelectromotriz, las impedancias del sistema resonante (masa / resorte) y el trabajo de compresión con sus pérdidas inherentes. La impedancia de este sistema depende de la frecuencia de actuación del sistema, es decir, la frecuencia del voltaje aplicado al motor eléctrico. A cierta frecuencia la salida de este sistema es óptima, y esto ocurre cuando el sistema mecánico entra en resonancia; a esta frecuencia la salida del compresor lineal es máxima.

Efecto “Amortiguador a Gas”

La frecuencia de resonancia del mecanismo no está perfectamente fijada. Cuando se comprime, el gas tiene un efecto mecánico similar al de un resorte (también llamado “amortiguador a gas”), este “amortiguador a gas” es realizado principalmente por dos factores: la distancia entre el pistón y el plato de válvula y las presiones que el compresor lineal utiliza.

La distancia entre el pistón y el plato se modifica cuando se reduce la carrera del pistón, generando un incremento del “amortiguador a gas” y en la resonancia del mecanismo (este efecto es el más importante para la estabilidad de funcionamiento del mecanismo). En un sistema de refrigeración, estos dos factores modifican sustancialmente, las presiones que varían desde el momento en el que el sistema se enciende hasta que alcanza la condición de funcionamiento, la condición de funcionamiento se realiza por medio de la temperatura ambiente y la temperatura interna del enfriador, la distancia pistón / plato se modifica cuando el sistema necesita más o menos energía para su funcionamiento. De esta manera, la frecuencia de resonancia del sistema mecánico varía debido a varios factores.

Sistema de Refrigeración / Enfriador / Refrigeradores Utilizables con las Enseñanzas de la Presente Invención

Existen básicamente dos tipos de enfriadores: los enfriadores simples y los enfriadores electrónicos. Además de la aplicación a enfriadores en general, las enseñanzas de la presente invención se pueden aplicar a sistemas de refrigeración en general, por ejemplo, sistemas de acondicionamiento de aire. En este caso, la única diferencia conceptual reside en el hecho de que el sistema de acondicionamiento de aire se aplica a una sala (o entorno enfriado), mientras que en el caso de un enfriador o un refrigerador, el sistema se utiliza en un armario cerrado.

De todas formas, los enfriadores o sistemas de refrigeración electrónicos están provistos de circuitos electrónicos que tienen la capacidad de analizar la temperatura interna del enfriador y hacer ajustes en la capacidad del compresor lineal para hacerlo funcionar de la manera más eficaz posible.

Los enfriadores o sistemas de refrigeración simples no están provistos de electrónica, teniendo solamente un circuito que enciende y apaga el compresor lineal (termostato “on/off”) de vez en cuando, sin ser capaz, sin embargo, de actuar sobre la capacidad del mismo.

A pesar de funcionar de manera eficaz, los enfriadores electrónicos tienen evidentemente un coste más alto en comparación con los enfriadores simples.

De acuerdo con las enseñanzas de la presente invención, es posible proporcionar un compresor lineal con capacidad electrónica para ajustar la capacidad respectiva según la necesidad del sistema de refrigeración, incluso en los casos en los que se emplean enfriadores simples. Con este propósito, el compresor lineal debe ser capaz de analizar la capacidad de refrigeración necesaria para la condición requerida en el entorno de un enfriador, sobre la base de las mediciones realizadas en el voltaje y la corriente de alimentación del motor eléctrico que acciona el compresor lineal.

Descripción de la Técnica Anterior

Una de las formas para obtener un rendimiento mejorado en sistemas que implican compresores lineales consiste en acercar lo mas posible el pistón al extremo de carrera respectivo. Se pueden encontrar ejemplos de estas técnicas en los documentos US 5.156.005 y US 5.342.176. En estos dos documentos, se describe el control sobre la distancia del pistón. Sin embargo, ninguna de estas técnicas prevé un control sobre la amplitud para que el compresor lineal funcione en resonancia, para que, sobre la base de las enseñazas de estos documentos, el compresor lineal pueda funcionar a bajo rendimiento según sus condiciones de carga.

Se descubre una técnica anterior en la US 2004005222. De acuerdo con esta solución, descubre un motor lineal que acciona en vaivén el compresor lineal. Un controlador de amplitud que ajusta la corriente de salida o el voltaje de salida en un primer ciclo de control para que la amplitud del elemento móvil sea un valor constante deseado. Un controlador resonante que ajusta la frecuencia de salida del convertidor en un segundo ciclo de control que es más largo que el primer ciclo de control para que la corriente de salida del convertidor sea sustancialmente mínima a condición de que la amplitud sea sustancialmente constante.

Otra técnica anterior que describe un sistema que controla el movimiento del pistón de un compresor lineal,... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

1. Compresor lineal (100) aplicable a un sistema de refrigeración (20), comprendiendo el compresor lineal (100) un pistón (1) accionado por un motor lineal (10), teniendo el pistón (1) una distancia de desplazamiento controlada por un voltaje eléctrico controlado (VM), generando el voltaje eléctrico controlado (VM) una corriente de alimentación (iA) que circula en el motor lineal (10) y teniendo una frecuencia de voltaje (FVM) aplicada al motor lineal (10) y ajustada por una unidad de procesamiento (22),

estando la unidad de procesamiento (22) configurada para controlar dinámicamente la distancia de desplazamiento del pistón (1) en función de la demanda variable del sistema de refrigeración (20), teniendo el compresor lineal (100) una frecuencia de resonancia,

compresor lineal (100) caracterizado porque la unidad de procesamiento (22) está configurada para medir una fase de alimentación (ΦC) de la corriente de alimentación (iA) y una fase dinámica (ΦP) del pistón (1) del compresor lineal (100),

estando configurada además la unidad de procesamiento (22) para medir la diferencia entre la fase de alimentación (ΦC) y la fase dinámica (ΦP) y establecer una fase medida (ΦPC), ajustando la unidad de procesamiento (22) el voltaje controlado (VM) para que el valor de la fase medida (ΦPC) sea nulo, de modo tal que se mantenga dinámicamente el compresor lineal (100) en resonancia durante todas las variaciones en la demanda del sistema de refrigeración.

2. Compresor lineal según la reivindicación 1, caracterizado porque el voltaje controlado (VM) disminuye cuando el valor de la fase medida (ΦPC) es positivo y aumenta cuando el valor de la fase medida (ΦPC) es negativo.

3. Compresor lineal según la reivindicación 2, caracterizado porque la fase de alimentación (ΦC) se obtiene a partir de un momento predefinido de la corriente de alimentación (iA).

4. Compresor lineal según la reivindicación 3, caracterizado porque el momento predefinido de la corriente de alimentación (iA) es el paso de la corriente de alimentación (iA) por cero.

5. Compresor lineal según la reivindicación 4, caracterizado porque el momento predefinido se obtiene en el punto medio de permanencia de la corriente de alimentación (iA) en cero.

6. Compresor lineal según la reivindicación 5, caracterizado porque la fase dinámica (ΦP) se obtiene de una señal de desplazamiento del pistón (1) (DP).

7. Compresor lineal según la reivindicación 6, caracterizado porque el valor de la fase dinámica (ΦP) se obtiene por medio de un sensor (30) de desplazamiento asociado eléctricamente a la unidad de procesamiento (22).

8. Compresor lineal según la reivindicación 7, caracterizado porque el valor de la fase dinámica (ΦP) se obtiene de la posición de desplazamiento del pistón (1) (DP).

9. Método para controlar un compresor lineal (100), compresor lineal (100) que comprende un pistón (1) accionado por un motor lineal (10),

teniendo el pistón (1) un voltaje controlado (VM), teniendo el voltaje controlado (VM) una frecuencia de voltaje (fVM) aplicada al motor lineal (10) y ajustada por una unidad de procesamiento (22),

generando el voltaje controlado (VM) una corriente de alimentación (iA) que circula en el motor lineal (10),

método caracterizado porque comprende las etapas de:

 medir una fase de alimentación (ΦC) de la corriente de alimentación (iA) y una fase dinámica (ΦP) del pistón (1) del compresor lineal (100), y

 medir la diferencia entre la fase de alimentación (ΦC) y la dinámica (ΦP) y establecer una fase medida (ΦPC),

 ajustar dinámicamente la distancia de desplazamiento en función de una variación en la demanda del compresor lineal (100) para que el valor de la fase medida (ΦPC) sea nulo, para que el compresor lineal (100) se mantenga dinámicamente en resonancia durante todas las variaciones en la demanda del sistema de refrigeración.

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque, después de la etapa de establecer la fase medida (ΦPC), existe una etapa de incremento de la distancia de desplazamiento del pistón (1) cuando el valor de la fase medida (ΦPC) es positivo o una etapa de disminución de la distancia de desplazamiento del pistón (1) cuando el valor de la fase medida (ΦPC) es negativo.

11. Método según la reivindicación 10, caracterizado porque, después de la etapa de incremento o disminución de la distancia de desplazamiento del pistón (1), se prevé esperar que haya pasado un tiempo de estabilización.

12. Método según la reivindicación 11, caracterizado porque, después de que haya pasado el tiempo de estabilización, existe una nueva medición de la diferencia entre la fase de alimentación (ΦC) y la fase dinámica (ΦP).

13. Compresor lineal (100) aplicable a un sistema de refrigeración (20), comprendiendo el compresor lineal (100) un pistón (1) accionado por un motor lineal (10), siendo alimentado el motor lineal (10) por un voltaje controlado (VM) que tiene una frecuencia de voltaje (FVP) del motor lineal (10) y que genera una capacidad del compresor lineal (100), siendo ajustada la frecuencia de voltaje (FVP) por una unidad de procesamiento (22);

compresor lineal (100) caracterizado porque

la unidad de procesamiento (22) está configurada para medir la frecuencia de alimentación (fVP) del motor lineal (10) y compensar la frecuencia de alimentación (fVP) mediante la comparación de la medida con una frecuencia de referencia (FR) y

la unidad de procesamiento (22) está configurada además para incrementar la capacidad del compresor lineal (100) si la frecuencia de voltaje (fVP) es superior a la frecuencia de referencia (FR), o reducir la capacidad del compresor lineal

(100) si la frecuencia de voltaje (fVP) es inferior a la frecuencia de referencia (FR).

14. Método para controlar un compresor lineal (100), comprendiendo el compresor lineal (100) un pistón (1) accionado por un motor lineal (10), siendo alimentado el motor lineal (10) por un voltaje controlado (VM) que tiene una frecuencia de voltaje (FVP) del motor lineal (10) y genera una capacidad del compresor lineal (100),

método caracterizado porque comprende las siguiente etapas de:

medir la frecuencia de alimentación (fVP) del motor lineal (10) y compensar la frecuencia de alimentación (fVP) mediante la comparación de la medición con una frecuencia de referencia (FR) e incrementar la capacidad del compresor lineal

(100) si la frecuencia de voltaje (fVP) es superior a la frecuencia de referencia (FR), o reducir la capacidad del compresor lineal (100) si la frecuencia de voltaje (fVP) es inferior a la frecuencia de referencia (FR).

15. Método según la reivindicación 14, caracterizado porque, después de la etapa de incrementar o reducir la capacidad del compresor lineal (100), existe una etapa de esperar que haya pasado un tiempo de estabilización.

16. Método según la reivindicación 15, caracterizado porque, después de que haya pasado el tiempo de estabilización, la frecuencia de alimentación del motor lineal (100) se vuelve a medir.

 

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