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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere
für den
Einsatz zum Verdichten von Kältemittel
in einem Kältegerät, und ein Antriebsaggregat
zum Antreiben einer oszillierenden Kolbenbewegung für einen
solchen Linearverdichter.
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Aus
US 6 596 032B2 ist
ein Linearverdichter bekannt, dessen Antriebsaggregat ein Gestell
und einen in dem Gestell über
eine Membranfeder gelagerten Schwingkörper umfasst. Der Schwingkörper umfasst
einen Permanentmagneten, eine mit dem Permanentmagneten starr verbundene
Kolbenstange und einen an die Kolbenstange angelenkten Kolben, der
in einem Zylinder hin- und her beweglich ist. Die Bewegung des Kolbens
ist angetrieben durch einen rings um den Zylinder angeordneten Elektromagneten,
der mit dem Permanentmagneten wechselwirkt. Eine scheibenförmige Membranfeder
ist mittig an der Kolbenstange verschraubt, und der äußere Rand
der Membranfeder ist einem Joch verbunden, das den Zylinder, den
Elektromagneten und den Permanentmagneten umgibt.
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Die
Membranfeder hat gegenüber
vielen anderen Federtypen den Vorteil, dass sie quer zur Schwingrichtung
nur schwer verformbar ist. Der Schwingkörper ist daher nur mit einem
Freiheitsgrad beweglich, anders als z. B. ein an einer Schraubenfeder
aufgehängter
Schwingkörper,
der prinzipiell in drei Freiheitsgraden der Translation beweglich
ist und einer Führung
bedarf, wenn die Beweglichkeit auf einen einzigen Freiheitsgrad
eingeschränkt
sein soll. Bei einem an einer Membranfeder gehaltenen Schwingkörper ist
eine solche Führung
nicht erforderlich. Deshalb ist die Bewegung eines solchen Schwingkörpers mit
geringen Reibungsverlusten in die notwendigerweise streng linear
geführte
Bewegung eines Kolbens in einem Verdichter umsetzbar.
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Der
Schwingkörper
und die Membranfeder bilden ein schwingfähiges System, dessen Eigenfrequenz
durch die Masse des Schwingkörpers
und der Membranfeder sowie die Steifigkeit der Membranfeder bestimmt
ist. Die Membranfeder lässt
nur kleine Schwingungsamplituden zu, da jede Auslenkung des Schwingkörpers mit
einer Dehnung der Membranfeder verbunden ist. Aufgrund der geringen
Schwingungsamplitude ist es schwierig, das Totvolumen des Zylinders
zuverlässig
klein zu machen. Je größer aber
das Totvolumen ist, um so schlechter ist der Wirkungsgrad des Verdichters.
Der kleine Hub zwingt ferner dazu, den Zylinder mit in Verhältnis zur
Länge großem Durchmesser
auszubilden, um einen gegebenen Durchsatz zu erreichen. Es ist aufwändig, den entsprechend
großen
Umfang des Kolbens hinreichend abzudichten.
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Eine
andere Möglichkeit,
den Durchsatz zu erhöhen,
ist, die Membranfeder sehr steif zu machen, um so die Eigenfrequenz
zu erhöhen.
Je steifer die Membranfeder ist, um so größer ist aber auch die Gefahr,
dass diese bei einer gegebenen Schwingungsamplitude ermüdet. D.
h. um die Ermüdung
zu vermeiden, muss die Amplitude um so kleiner gemacht werden, je
steifer die Feder ist, so dass auch auf diese Weise eine befriedigende
Durchsatzsteigerung nicht zu erreichen ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Antriebsaggregat für einen
Linearverdichter mit einem Gestell und einem in dem Gestell über eine Membranfeder
gelagerten Schwingkörper
zu schaffen, bei dem die Membranfeder ohne Gefahr von Ermüdung einen
großen
Hub des Schwingkörpers
erlaubt, so dass ein hoher Durchsatz bei geringem Kolbendurchmesser
erreicht werden kann.
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Die
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass zusätzlich
zu der Membranfeder eine Schraubenfeder an dem Schwingkörper und
dem Gestell befestigt und in Richtung der Bewegung dehn- und stauchbar ist.
Dadurch ist es möglich,
die Funktionen des Führens
des Schwingkörpers
und des zeitweiligen Speicherns von dessen Bewegungsenergie aufzuteilen. Die
Schraubenfeder ist nur wenig geeignet, den Schwingkörper auf
eine exakt definierte geradlinige Bahn zu zwingen, aber es ist nicht
schwierig, sie so zu dimensionieren, dass sie sowohl eine gewünschte Bewegungsamplitude
als auch eine gewünschte
Bewegungsfrequenz des Schwingkörpers
ohne Gefahr von Materialermüdung
unterstützt.
Die Membranfeder darf nur eine geringe Materialstärke aufweisen, um
eine gewünschte
große
Schwingungsamplitude zu erreichen. Eine solche Membranfeder würde, wenn
sie allein die Funktion der zeitweiligen Energiespeicherung wahrzunehmen
hätte,
nur eine niedrige Eigenfrequenz des Schwingkörpers erlauben. Durch Parallelschaltung
der zwei Typen von Federn jedoch werden alle drei Anforderungen,
die nach einer strengem Führung
des Schwingkörpers,
nach einer großen
Amplitude und einer hohen Schwingfrequenz, gleichzeitig erfüllbar.
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Idealerweise
sollten die Federn lediglich Kräfte,
aber keine Drehmomente auf den Schwingkörper ausüben. Zu diesem Zweck ist die
Schraubenfeder vorzugsweise um eine imaginäre Gerade herum angeordnet,
auf welche der Schwerpunkt des Schwingkörpers hin und her beweglich
ist. Vorzugsweise fällt
die Gerade mit einer Längsachse
der Spiralfeder zusammen.
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Um
zu verhindern, dass die Membranfeder ein Drehmoment ausübt, oder
um ein solches Drehmoment gering zu halten, hat die Membranfeder
vorzugsweise eine Symmetrieachse, die mit der Geraden zusammenfällt, oder
eine Symmetrieebene, in welcher die Gerade verläuft.
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Um
die Kraft der Spiralfeder drehmomentfrei in den Schwingkörper einzuleiten,
ist bevorzugt, dass ein Ende der Spiralfeder an der Peripherie eines
Federtellers angreift, an dessen Mittelpunkt der Schwingkörper befestigt
ist.
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Um
die Membranfeder in der Bewegungsrichtung leicht verformbar zu machen,
weist sie vorzugsweise mehrere gekrümmte Arme auf, von denen jeweils
ein Ende am Gestell und ein anderes Ende am Schwingkörper fest
ist.
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Um
die Genauigkeit der Führung
des Schwingkörpers
entlang der Geraden zu verbessern, sind vorzugsweise wenigstens
zwei Membranfedern vorgesehen, die an in Richtung der Schwingbewegung
beabstandeten Bereichen des Schwingkörpers angreifen.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Linearverdichter mit einer Arbeitskammer,
einem in der Arbeitskammer zum Verdichten eines Arbeitsfluids hin
und her beweglichen Kolben und einem Antriebsaggregat wie oben definiert,
das zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben gekoppelt
ist. Um einen solchen Linearverdichter kompakt zu machen, kann es
zweckmäßig sein,
dass die Arbeitskammer wenigstens teilweise von der Schraubenfeder
umgeben ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;
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2 eine
der zwei Membranfedern des Linearverdichters aus 1;
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3 einen
schematischen Schnitt durch einen Teil des Linearverdichters entlang
einer imaginären
Geraden G;
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4 eine
alternative Ausgestaltung der Membranfeder des Linearverdichters;
und
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5 eine
nochmals vereinfachte Ausgestaltung der Membranfeder.
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Ein
Gestell 1 des Linearverdichters umfasst eine Grundplatte 2,
von der platten- oder rippenartige Vorsprünge 3, 4, 5 abstehen.
An den Schmalseiten der zwei einander gegenüberstehenden Vorsprünge 3 sind
zwei Membranfedern 6 des in 2 dargestellten
Typs verschraubt. Die Membranfedern 6 umfassen jeweils
an den Stirnseiten der Vorsprünge 3 anliegende
Stege 7, von deren Enden Z- bzw. S-förmige Federarme 8 abstehen.
Die von den Stegen 7 entfernten Enden der Federarme 8 treffen
in einem Mittelabschnitt 9 der Membranfeder 6 aufeinander,
in welchem drei Öffnungen 10, 11 gebildet
sind. Ein Schwingkörper 12 ist
zwischen den zwei Membranfedern 6 mit Hilfe von (nicht
dargestellten) Schrauben oder Nieten befestigt, die sich durch die
oberen und unteren Öffnungen 10 der
Membranfedern 6 erstrecken. Die Öffnung 11 bildet einen
Durchgang für
eine Kolbenstange 13, die sich zwischen dem Schwingkörper 12 und
einer von dem Vorsprung 5 getragenen Verdichterbaugruppe 14 erstreckt.
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In
einem von den Vorsprüngen 3 und
den Membranfedern 6 begrenzen Hohlraum sind beiderseits
des permanentmagnetischen Schwingkörpers 12 zwei Elektromagnete 15 angeordnet,
die bestrombar sind, um zwischen sich einander entgegengesetzte
Magnetfelder erzeugen, die den Schwingkörper 12 aus seiner
in 1 gezeigten Gleichgewichtsstellung auf einer durch
den Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 verlaufenden
Geraden G in die eine oder die andere Richtung auszulenken.
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Die
Gerade G verläuft
axial durch die Kolbenstange 13 und die Verdichterbaugruppe 14,
und sie ist gleichzeitig die Symmetrieachse von zwei Federtellern 16,
die durch Spiralfedern 17 gegen die Außenseiten der zwei Membranfedern 6 gedrückt sind. 3 zeigt
einen Längsschnitt
durch einen Teil des linearen Verdichters entlang dieser Geraden
G. Die Federteller 16 haben jeweils am Rand ihrer von den Membranfedern 6 abgewandten
konkaven Seite eine umlaufende Rippe, die eine an dem Federteller 16 anliegende
letzte Windung der Schraubenfeder 17 in radialer Richtung
fixiert. Die entgegengesetzten Enden der Schraubenfedern 17 sind
jeweils durch ins Innere der Federn eingreifende Vorsprünge fixiert.
Einer ist ein flacher Vorsprung 18 an der Platte 4 des Gestells 1,
der andere Vorsprung 19 ist ein Teil des Verdichtergehäuses 14.
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Die
Schraubenfedern 17 sind jeweils zwischen den Federtellern 16 und
den sie tragenden Vorsprüngen 18 oder 19 so
vorgespannt, dass an keinem Umkehrpunkt der Bewegung des Schwingkörpers 12 eine
der Schraubenfedern 17 spannungslos wird. Die Schraubenfedern 17 halten
daher ständig die
Federteller 16 gegen die Membranfedern 6 gedrückt, auch
wenn der Verdichter in Betrieb ist und der Schwingkörper 12 oszilliert.
Es ist daher keine feste Verbindung zwischen den Federtellern 16 und den
von ihnen berührten
Membranfedern 6 erforderlich, um den Kontakt zwischen ihnen
stets aufrecht zu erhalten. Da die Kraft der Federn 17 jeweils über den gesamten
Umfang der Federteller 16 recht gleichmäßig verteilt auf die Federteller 16 einwirkt,
resultiert allenfalls ein geringes Drehmoment, das eine Verkippung
der Achsen der Federteller in Bezug auf die Gerade G bewirken könnte. Doch
selbst wenn ein solches Drehmoment aufträte, könnte es mangels einer materialschlüssigen Verbindung
zwischen den Federtellern 16 und den Membranfedern 6 nicht
auf letztere übertragen
werden. Auf Grund der zu den Membranfedern 6 hin verjüngten Form
der Federteller 16 leiten diese die Kraft der Schraubenfeder 17 sehr
nah an der Linie G in die Membranfedern 6 ein, so dass
selbst bei einer ungleichmäßigen Kraftverteilung
ein daraus resultierendes, auf die Membranfedern 6 einwirkendes
Drehmoment klein bleibt. Die Membranfedern 6 und der von
ihnen gehaltene Schwingkörper 12 ist
also durch die Schraubenfedern 17 im wesentlichen nur exakt
in Richtung der Geraden G orientierten Kräften, aber keinen nennenswerten
Drehmomenten ausgesetzt, die eine Bewegung des Schwerpunkts des
Schwingkörpers 12 abseits
der Linie G anregen könnten.
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Auch
die hochgradige Symmetrie der zwei Membranfedern 6 trägt dazu
bei, dass diese den Schwingkörper 12 exakt
linear führen.
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Der
Schnitt der 3 zeigt auch den inneren Aufbau
der Verdichterbaugruppe 14. In einer internen Kammer 20 der
Verdichterbaugruppe 14 ist ein von der Kolbenstange 13 gehaltener
Kolben 21 hin und her verschiebbar, um über einen Saugstutzen 22 Kältemittel
in die Kammer 20 zu saugen und das verdichtete Kältemittel
an einem Druckstutzen 23 wieder auszugeben. Mit dem Druckstutzen 23 kommuniziert ein
Ringraum 24, der sich becherförmig um die Kammer 20 erstreckt.
In der von den Flanken des Kolbens 21 überstrichenen Trennwand 25 zwischen
der Kammer 20 und dem Ringraum 24 ist eine Vielzahl
von feinen Durchgängen 26 gebildet,
durch die ein Teil des verdichteten Kältemittels aus dem Ringraum 24 zurück in die
Kammer 20 strömen
kann. Das rückströmende Kältemittel
bildet zwischen der Trennwand 25 und den Flanken des Kolbens 21 ein
Gaskissen, welches im Betrieb einen direkten schleifenden Kontakt
zwischen Kolben 21 und Trennwand 25 verhindert
und so den Verschleiß der
Verdichterbaugruppe 14 gering hält. Auf Grund der exakt geradlinigen
Führung
des Schwingkörpers 12,
die durch die Aufhängung
mit Membran- und Schraubenfedern 6, 17 erreicht
wird, genügt
ein geringer Gasdurchsatz in den Durchgängen 26, um ein wirksam
vor Schleifen schützendes
Gaskissen zu schaffen.
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Um
geringfügige
Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Antriebsaggregats und der
Verdichterbaugruppe zueinander zu kompensieren, die anderenfalls
auch zum Reiben des Kolbens 21 an der Wand 25 führen könnten, sind
in der Kolbenstange 13 zwei elastisch biegsame Schwachstellen 27 gebildet.
Eine leichte Verbiegung dieser Schwachstellen 27 erlaubt
es, einen kleinen Versatz zwischen der Geraden G, auf der sich der
Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 bewegt,
und der Längsmittelachse
der Kammer 20 oder auch eine geringfügige Nichtparallelität beider
zu kompensieren.
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Vereinfachte
Ausgestaltungen der Membranfeder sind in 4 und 5 gezeigt.
Die Feder 6' der 4 entspricht
im Wesentlichen einer halbierten Membranfeder aus 3,
mit nur zwei S- bzw. Z-förmig
gekrümmten
Armen 8, die sich von einem Steg 7 zum Mittelabschnitt 9 erstrecken.
Bei der Feder 6'' der 5 sind
die gekrümmten
Arme durch einen geradlinigen Arm 8'' ersetzt.
Dessen freies Ende bewegt sich zwar genau genommen nicht exakt auf einer
Geraden, sondern auf einem Kreisbogen, doch ist diese Abweichung
vernachlässigbar,
wenn die Amplitude des Schwingkörpers
so begrenzt ist, dass die Seitwärtskomponente
der Bewegung des Schwingkörpers
kleiner als das seitliche Spiel des Kolbens ist.