-
Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere
für den Einsatz als Kältemittelverdichter in einem
Kältegerät, insbesondere Haushalts-Kältegerät.
Ein solcher Linearverdichter ist z. B. aus
DE 10 2004 010 403 A1 bekannt.
-
Der
Antrieb eines solchen Linearverdichters umfasst herkömmlicherweise
wenigstens eine zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mit Strom
beaufschlagbare Erregerwicklung und einen in dem Wechselfeld dieser
Erregerwicklung zwischen einem zwei Umkehrpunkten beweglichen magnetischen
Anker. Derartige Linearantriebe sind als Antriebe für Verdichter
besonders interessant, da sie die reversierende Bewegung des Kolbens
eines solchen Verdichters in einem einfachen Aufbau direkt antreiben
können, während bei Verwendung eines rotatorischen
Antriebs eine Mechanik, die z. B. eine Kurbelwelle und eine daran
angelenkte Kolbenstange umfasst, benötigt wird, um die
Drehbewegung des Antriebs in die gewünschte reversierende
Bewegung des Kolbens umzusetzen. Diese Mechanik verursacht Fertigungskosten
und führt zu Reibungsverlusten.
-
Während
jedoch ein Aufbau mit Kurbelwelle und Kolbenstange die Bewegungsamplitude
eines Verdichterkolbens exakt vorgibt, ist die Bewegungsamplitude
des Kolbens eines Linearverdichters im Allgemeinen nicht fest, sondern
in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, mit der
die Erregerspule beaufschlagt wird, sowie der Drücke an
Ein- und Auslass des Verdichters variabel. Eine geringe Amplitude des
Kolbens führt dazu, dass am oberen Totpunkt der Kolbenbewegung
das Totvolumen groß und der erzeugte Überdruck
gering ist. Um einen guten Wirkungsgrad des Verdichters zu erzielen,
muss das Totvolumen so klein wie möglich gehalten werden,
d. h. der Kolben muss an seinem oberen Totpunkt einer Stirnwand
der Verdichterkammer so nahe kommen wie möglich. Gleichzeitig
darf er aber auch nicht an die Stirnwand anschlagen, denn dies würde
zu einem schnellen Verschleiß bzw. zur Zerstörung
des Verdichters führen.
-
Es
ist daher erforderlich, die Amplitude des Linearantriebs im Betrieb
zu überwachen und sie so zu regeln, dass das Totvolumen
des Verdichters möglichst klein wird, gleichzeitig aber
ein Anschlagen des Kolbens an die Stirnwand der Verdichterkammer mit
Sicherheit ausgeschlossen ist.
-
Um
dieses Ziel zu erreichen, sind diverse Konzepte diskutiert worden,
wie etwa die optische Abtastung von auf dem Anker des Linearverdichters angebrachten
Markierungen, mechanische Kontakte, die vom Kolben bei Annäherung
an die Stirnwand betätigt werden, oder ein induktiver Sensor,
der auf der Niederdruckseite der Stirnwand angebracht ist, um durch
diese hindurch die Annäherung des Kolbens zu erfassen.
-
Die
Messgenauigkeit der induktiven Näherungssensoren ist in
der Regel umgekehrt proportional zur Entfernung zwischen dem Sensor
und dem zu erfassenden Objekt. Dies führt zu dem Dilemma, dass
es zwar wünschenswert ist, die Annäherung des
Kolbens an die Stirnwand bereits in einem großen Abstand
zu erfassen, um eine Kollision durch eine geringe Korrektur des
Erregungsstroms verhindern zu können, dass aber aufgrund
der Unsicherheit bei der Abstandserfassung ungewiss bleibt, ob eine Korrektur
des Erregungsstromes, die bei der Erfassung aus großer
Entfernung nötig erscheint, tatsächlich nötig
ist oder der vermeintliche Korrekturbedarf nur aus einer Messungenauigkeit
resultiert, und/oder ob die Korrektur überhaupt ausreichend
ist, um ein Anschlagen an die Stirnwand zu verhindern. Je kleiner
aber der Abstand ist, in dem der Sensor den Kolben erfasst, umso
stärkere Korrekturen am Erregungsstrom sind erforderlich,
um eine Kollision auszuschließen. Es ist daher wünschenswert,
einen Linearverdichter zu schaffen, bei dem sich diese prinzipiellen
Schwierigkeiten wenig auswirken.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Linearverdichter mit
einem in einer Verdichterkammer oszillierend beweglichen Kolben
und einem an einer Stirnwand der Verdichterkammer angeordneten Näherungssensor
zur Erfassung einer Annäherung des Kolbens an die Stirnwand
der Näherungssensor einer Aussparung der Stirnwand benachbart
ist und der Kolben einen Vorsprung trägt, der am oberen
Totpunkt der Kolbenbewegung in die Aussparung eingreift. Die ineinander
greifenden Konturen von Aussparung und Vorsprung haben nämlich
zur Folge, dass der axiale Längsabstand zwischen der Stirnfläche
des nach vorne in Richtung Stirnwand der Verdichterkammer abstehenden
Kolbens und der Lageebene der Innenseite der Stirnwand der Verdichterkammer
nicht der Restbewegungsfreiheit des Kolbens entspricht, d. h. dem Weg,
den der Kolben noch in Richtung der Stirnwand zurücklegen
kann, bevor er mit ihr kollidiert. Vielmehr ist die Restbewegungsfreiheit
des Kolbens etwa um den Überstand des Vorsprungs gegenüber
die diesen umgebende Stirnfläche des Kolbens verlängert.
Dadurch ergibt sich eine definierte Sicherheitszone für
den noch möglichen Vorwärtshub des Kolbens in
Richtung Stirnwand, bevor die Stirnfläche des Kolbens,
die außen um den Vorsprung herum angeordnet und gegenüber
diesem um dessen axiale Länge zurückversetzt ist,
mit der kammerinneren, um die Aussparung herum angeordneten Stirnfläche
der Stirnwand in Kontakt kommt. So wird der axiale Abstand zwischen
Sensor und dem Vorsprung des Kolbens praktisch zu Null gemessen bzw.
erfasst, sobald der Vorsprung in die Aussparung eingreift, ohne
dass gleichzeitig die Restbewegungsfreiheit des Kolbens verschwindet.
Sobald vom Sensor erfasst wird, dass der axiale Längsabstand
zwischen dem Vorsprung und der um die Aussparung herum liegende
Stirnwandfläche gleich Null ist, ist dem Kolben nur noch
ein definierter Vorwärtshubweg ermöglicht, der
kleiner als die axiale Länge des Vorsprungs ist, um eine
unerwünschte Kollision zwischen der außen um den
Vorsprung, vorzugsweise konzentrisch, angeordneten Kolbenstirnfläche
und der außen, vorzugsweise konzentrisch angeordneten,
kammerinneren Stirnfläche der Stirnwand der Verdichterkammer
zu vermeiden. Diese Voraberkennung bzw. Voraberfassung der tatsächlichen
Position der vorderen Kolbenstirnseite, bevor diese die Stirnwand
der Verdichterkammer kontaktieren würde, erlaubt eine gezielte
und definierte Kontrolle der weiteren Kolbenhubbewegung in Richtung
auf die vordere Stirnwand der Verdichterkammer zu. So verbessert sich
das Verhältnis von Messgenauigkeit zur Restbewegungsfreiheit,
und eine genaue Steuerung der Kolbenbewegung ist mit geringen Steuereingriffen möglich.
-
Insbesondere
ist die Stirnwand der Verdichterkammer durch deren Ventilplatte
gebildet.
-
Der
Näherungssensor ist vorzugsweise ein preiswert verfügbarer
induktiver Sensor.
-
Um
einen Luftspalt zwischen dem Vorsprung und der Aussparung mit Beginn
des Eintauchens schnell zu minimieren, weisen vorzugsweise Aussparung
und Vorsprung zur axialen Bewegungsrichtung parallele Seitenflächen
auf. So kommt es zu Beginn des Eintauchens zu einem abrupten, leicht
und präzise erfassbaren Induktivitätsanstieg.
-
Um
den Abstand zwischen Sensor und Kolben weiter zu minimieren, ist
der Näherungssensor vorzugsweise auf der der Verdichterkammer
zugewandten Seite der Stirnwand angeordnet. Da folglich der Näherungssensor
den Kolben nicht durch die Stirnwand hindurch erfassen muss, kann
die Stirnwand metallisch sein. Dies hat neben einer hohen Haltbarkeit
den Vorteil einer Abschirmung des Sensors gegen äußere
Magnetfelder, die seine Messgenauigkeit beeinträchtigen
könnten.
-
Eine
Spule des Sensors ist vorzugsweise rings um die Aussparung herum
angeordnet.
-
Indem
die Aussparung auf der Längsachse der zylindrischen Verdichterkammer
liegt, kann sichergestellt werden, dass unabhängig von
einer eventuellen Drehung des Kolbens um seine Längsachse
der Vorsprung stets in die Aussparung trifft. Es besteht daher keine
Notwendigkeit, die Drehbewegungsfreiheit des Kolbens zu begrenzen,
was wiederum den Aufbau des Verdichters vereinfacht.
-
Die
Aussparung kann gleichzeitig einen Durchgang für vom Verdichter
umgewälztes Fluid darstellen. Vorzugsweise ist der Durchgang
eine Auslassöffnung der Verdichterkammer, da diese keinen
Ventilkörper auf Seiten der Verdichterkammer benötigt,
dessen Bewegung die Erfassungsergebnisse des Sensors verfälschen
könnte.
-
Um
einer Verfälschung der Erfassungsergebnisse durch die Bewegung
des Ventilkörpers vorzubeugen, besteht letzterer vorzugsweise
aus einem dielektrischen Material, das für den magnetischen Sensor
praktisch „unsichtbar” ist.
-
Sonstige
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
wiedergegeben.
-
Die
Erfindung und ihre Weiterbildungen zusammen mit deren weiteren Vorteilen
werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
-
Es
zeigen:
-
1 einen
schematischen Längsschnitt eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Linearverdichters; und
-
2 eine
perspektivische Ansicht der Stirnwand der Verdichterkammer eines
solchen Linearverdichters.
-
Das
Antriebsaggregat des in 1 gezeigten Linearverdichters
für ein Haushalts-Kältegerät umfasst
in an sich bekannter Weise ein E-förmiges metallisches
Joch 1 mit drei parallelen Fingern, um dessen mittleren
Finger eine Erregerwicklung 2 angeordnet ist. In einem
Luftspalt zwischen dem Joch 1 und einem gegenüberliegenden
Joch 3 ist ein magnetischer Anker 4 an Blattfedern 5 oszillierend
beweglich aufgehängt. Die Erregerwicklung 2 ist
von einer nicht dargestellten Steuerschaltung mit einem Wechselstrom
beaufschlagbar, der in dem Luftspalt Magnetfelder von zeitlich abwechselnder
Orientierung erzeugt, die die Bewegung des Ankers 4 antreiben.
Das Joch 3 kann wie in der 1 gezeigt,
passiv sein, oder es kann spiegelbildlich zu dem Joch 1 angeordnet
und ebenfalls mit einer Erregerwicklung bestückt sein.
-
Der
Anker 4 treibt über eine Kolbenstange 6 einen
zylindrischen Kolben 7 in einer Verdichterkammer 8 an.
Die Verdichterkammer 8 ist an einem vom Antriebsaggregat
abgewandten Ende durch eine Stirnwand 9 abgeschlossen,
in der mit Ventilen 10, 11 bestückte Öffnungen 12, 13 gebildet
sind. Die Stirnwand ist also vorzugsweise als Ventilplatte der Verdichterkammer
ausgebildet. Die Öffnungen 12, 13 bilden
Ansaug- bzw. Ausstoßöffnungen für ein
von dem Verdichter umgewälztes Kältemittel. Eine
der Öffnungen, die Ausstoßöffnung 13,
liegt exakt auf der Längsachse der Verdichterkammer 8.
Ein zylindrischer Vorsprung 14 auf dem Kolben 7 ist
bemessen und platziert, um mit geringem Spiel in die Öffnung 13 einzutauchen,
kurz bevor der Kolben 7 die Stirnwand 9 berührt.
-
Wie
insbesondere in 2 gut zu erkennen, erstreckt
sich rings um die Öffnung 13 eine Spule 15 eines
induktiven Sensors. Die Induktivität der Spule 15 ist
abhängig von der magnetischen Permeabilität ihrer
Umgebung und damit vom Abstand des Kolbens 7 von der Stirnwand 9.
So lange das – in 1 durch gestrichelte
Linien – angedeutete Magnetfeld der Spule 15 den
Kolben 7 im Wesentlichen nicht erreicht, ist die Induktivität
der Spule 15 und damit das Messsignal des induktiven Sensors,
von dem sie ein Teil ist, weitgehend unabhängig von der
Position des Kolbens 7. Wenn der Kolben 7 auf
seinem Weg zum oberen Totpunkt beginnt, in das Feld einzudringen, nimmt
die Induktivität allmählich zu, und ein starker Zuwachs
an Induktivität ist zu verzeichnen, wenn der Vorsprung 14 sich
der Öffnung 13 nähert und beginnt, in
diese einzudringen. Hier reduziert sich die Breite eines Luftspalts
zwischen der metallischen Stirnwand 9 und dem ebenfalls
metallischen Kolben 7 im Bereich des Vorsprungs 14 auf
nahezu null, obwohl dem Kolben 7 vor einem Kontakt mit
der Stirnwand 9 noch eine Restbewegungsfreiheit verbleibt, die
in etwa der axialen Länge des Vorsprungs 14 entspricht.
So ist der induktive Sensor in der Lage, ein Messsignal, das die
Unterschreitung eines vorgegebenen Abstands zwischen Kolben 7 und
Stirnwand 9 anzeigt, mit deutlich höherer Genauigkeit
zu liefern als im Falle eines herkömmlichen Kolbens mit
planer Stirnseite.
-
Da
die Spule auf der der Verdichterkammer 8 zugewandten Seite
der Stirnwand 9 liegt, ist das Erfassungsergebnis des induktiven
Sensors unabhängig von der Dicke der Stirnwand 9.
In der Praxis kann man zweckmäßigerweise die Dicke
der Stirnwand in etwa entsprechend einer Entfernung zwischen Kolben
und Stirnwand wählen, deren Unterschreitung mit Hilfe des
Sensors erfasst werden soll, und der Sensor ist ausgelegt, ein Erfassungssignal
jeweils beim Eintauchen des Vorsprungs 14 in die Öffnung 13 zu
liefern, d. h. dort, wo die Induktivität am stärksten
mit der Kolbenstellung variiert und folglich die exakteste Erfassung
möglich ist.
-
Eine
erwünschte Nebenwirkung des Vorsprungs 14 ist
eine Verringerung des Totvolumens der Verdichterkammer 8 am
oberen Umkehrpunkt, da das verdichtete Kältemittel auch
aus der Öffnung 13 weitgehend ausgetrieben wird.
-
2 zeigt
eine detaillierte perspektivische Ansicht der Stirnwand 9 und
der Ventile 10, 11 des Verdichters aus 1.
Der projizierte Umriss des Kolbens 7 ist an der Stirnwand 9 als
gestrichelter Kreis 16 eingezeichnet. Außerhalb
des Kreises 16, an den vier Ecken der Stirnwand, sind Bohrungen 17 gebildet,
um nicht dargestellte Schrauben aufzunehmen, die die Verdichterkammer 8 mit
einem Kopfstück 18 (siehe 1) jenseits
der Stirnwand 9 verbinden und die Verdichterkammer 8 und
die Stirnwand 9 dicht gegeneinander gepresst halten. Eine weitere
Bohrung 19 verbindet eine druckseitige Kammer 20 des
Kopfstücks 18 mit einem die Verdichterkammer 8 umgebenden
ringförmigen Hohlraum 21, von dem aus ein kleiner
Teil des verdichteten Kältemittels durch feine Bohrung
zurück in die Verdichterkammer 8 fließt,
um ein Druckgaslager für den Kolben 7 zu bilden.
-
Zwei
weitere Bohrungen 22 in der Stirnwand 9 dienen
der Befestigung der Ventile 10, 11, auf deren
Aufbau an späterer Stelle noch genau eingegangen wird.
-
Innerhalb
des Kreises 16 erkennt man die zentrale Auslassöffnung 13,
die konzentrisch zur Auslassöffnung 13 in eine
Nut der Stirnwand 9 eingefügte Spule 15,
Anschlussleitungen 23 der Spule 15, die durch
dicht verfüllte Bohrungen 24 auf die von der Verdichterkammer 8 abgewandte
Seite der Stirnwand 9 durchgeführt sind, sowie
die Einlassöffnung 12 in Form eines zur Auslassöffnung 13 konzentrischen
Bogens.
-
Die
Ventile 10, 11 sind als Blattfedern ausgeführt,
die mit Hilfe von sich durch die Bohrungen 22 erstreckenden
Nieten 25 an der Stirnwand befestigt sind. Die Blattfedern
der Ventile 11, 12 haben jeweils einen lang gestreckten
Fuß 26, in dem zu den Bohrungen 22 komplementäre
Löcher 27 für die Nieten 25 gebildet
sind, und eine von dem Fuß zur Längsachse hin
abstehende elastische Zunge 28.
-
In
die Zunge 28 des Ventils 10 ist eine Öffnung 29 geschnitten,
die, wenn das Ventil an der Stirnwand 9 vernietet ist,
die Auslassöffnung 13 freilässt. Ein
Endabschnitt 30 der Zunge 28, der sich bogenförmig
um die Öffnung 29 erstreckt, bildet einen Absperrkörper
des Einlassventils 10, der in entspanntem Zustand die Einlassöffnung 12 abdeckt.
-
Die
Zunge 28 des Auslassventils 11 liegt von außen
an der Auslassbohrung 13 an, wobei ihre Spitze als Absperrkörper
des Auslassventils 11 fungiert.
-
Die
Blattfedern der Ventile 10, 11 können
aus einem elastischen dielektrischem Material wie etwa einem Kunststoff
bestehen, so dass die Stellung des Einlassventils 10 die
Induktivität der Spule 15 nicht maßgeblich
beeinflusst. Alternativ kann das Ventil 10 auch aus Federstahl
gefertigt sein, wenn seine Öffnung 28 groß genug
ist, um die Spule 15 freizulassen.
-
An
Stelle einer aus Draht gewickelten Spule 15 kommt auch
eine auf einer Leiterplatte gedruckte Spule in Betracht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004010403
A1 [0001]