CN101389860A - 具有碳纤维加强弹簧的直线压缩机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种直线压缩机(1)，包括活塞壳体(2)和在其中沿着轴线(3)来回运动的压缩机活塞(4)，包括用于沿着与轴线(3)垂直的方向引导压缩机活塞(4)的装置(5)，和用于缓冲压缩机活塞(4)的来回运动的动能的装置(6)，用于压缩机活塞(4)的运动方向的反向，用于引导的装置(5)和/或用于缓冲的装置(6)具有由复合材料制成的弹性元件(7)，特别是通过由碳纤维加强的弹簧(8)形成；本发明涉及一种制冷装置(17)，例如冰箱，包括所述的直线压缩机(1)；并涉及一种方法，用于压缩流体，涉及一种用于冷却物品(18)的方法。本发明允许构造具有简单设计的直线压缩机(1)或制冷装置(17)，并且提供了节能、有效并且可靠的工作方法，用于冷却物品(18)或者压缩流体。

Description

具有碳纤维加强弹簧的直线压缩机
技术领域
本发明涉及一种直线压缩机，包括活塞壳体和在其中沿着轴线来回运动的压缩机活塞，包括用于将压缩机活塞沿着与所述轴线垂直的方向引导的装置、以及用于缓冲压缩机活塞的来回运动的动能的装置；本发明还涉及一种制冷装置，特别是冰箱，和/或一种冷冻机或空调单元；并且涉及一种用于冷却物品的方法和一种用于挤压流体的方法。
背景技术
在直线压缩机的情况中，压缩机活塞沿着轴线在第一反向点和第二反向点之间来回运动，所述活塞沿着与该轴线垂直的方向必须被支撑或引导。另外，来回运动的压缩机活塞的动能在所述反向点处必须被缓冲，也就是在这样的点处，其中，压缩机活塞的运动方向反向从而使得压缩机活塞的运动方向发生反向，同时可能发生的损失最少。通过运动方向的反向，压缩机活塞发生振荡，实质上是在活塞壳体中平移来回运动。通过所述来回运动，执行压缩过程。
公知的是支撑运动部件，特别是压缩机活塞，使其与气体推力轴承相接触，或者通过气体推力轴承来支撑。在这些系统的情况中，一个或多个螺旋弹簧通常用于缓冲所述运动部件的动能。具有开放类型结构的系统，即串行设置的电动机驱动的泵，使用了一组弹簧，所述弹簧具有一个或多个非常薄的膜片弹簧，或者成组的膜片弹簧，和一个或多个螺旋弹簧，或成组的螺旋弹簧，从而沿着径向方向支撑压缩机活塞，也就是垂直于所述轴线的方向，并且存储动能。这种弹簧由金属制成，特别是弹簧钢。在这个过程中，膜片弹簧被制造的很薄并且柔软，从而弹簧的总的横向刚度可以充分吸收垂直于整个系统振动方向产生的力。为了实现最优的纵向刚度，弹簧装置是公知的，其中，膜片弹簧由一个或多个螺旋弹簧或者成组的螺旋弹簧支撑。
发明内容
本发明的目的是提供一种直线压缩机或者制冷装置，其中，在压缩过程中，所使用的压缩机活塞的来回运动可以可靠地执行，并且同时以简单的方式节省能量。
另外，本发明的目的是提供一种用于压缩流体的方法以及一种用于冷却物品的方法，可行的是，压缩的过程或者冷却的过程可以以高度的可靠性执行，同时特别是可以节省能量。
这个目的根据本发明通过一种直线压缩机实现，并且通过一种制冷装置实现，并且通过一种用于压缩气体的方法实现，通过用于冷却物品的方法实现，如独立权利要求中所述。另外的有利实施例和变形可以单独或者随意组合地在任何情况中相互结合，所述实施例和变形形成了各个从属权利要求的主题。
根据本发明的直线压缩机包括活塞壳体和在其中沿着轴线来回运动的压缩机活塞，包括用于沿着与该轴线垂直的方向引导压缩机活塞的装置、以及用于缓冲压缩机活塞的来回运动的动能的装置，可行的是，用于引导的装置和/或用于缓冲的装置具有由复合材料制成的弹性元件。
通过使用复合材料，直线压缩机的结构可以显著简化，并且直线压缩机的工作可以更加可靠、更加节省能量、和更加有效。
压缩机活塞可以在没有油的情况下支撑在活塞壳体中，例如通过气体推力轴承支撑。
通过使用用于引导的装置，压缩机活塞以这样一种方式在壳体中沿着与该轴线垂直的方向被引导，所述方式即压缩机活塞和活塞壳体之间的摩擦尽可能低，从而保持压缩机活塞或者活塞壳体的磨损较低。用于引导的装置因此沿着径向方向引导压缩机活塞，并且防止压缩机活塞卡在活塞壳体中。压缩机活塞紧靠壳体壁的过度摩擦或者紧靠所述壁的不可控的撞击用这种方式被防止。
借助于用于缓冲来回运动的压缩机活塞的动能的装置，直线压缩机中来回运动的部件的动能，特别是压缩机活塞的动能，被暂时吸收，可行的是，运动部件就在反向点之前不久在它们的向后运动过程中被减速，并且在它们向前运动过程中在所述反向点之后不久被加速。
用于缓冲的装置能够至少吸收运动部件在向后和向前运动的情况中能够吸收的动能。在这种情况中，压缩机活塞的总行程的特别是至少5％部分上的动能，优选至少10％，例如30％的部分上的动能，被转换成势能，这例如是通过弹簧的压缩来实现的。借助于用于缓冲的装置，运动部件可以以振荡的方式来回运动。这样，用于缓冲的装置形成了振荡系统的部件。振荡系统可以近似被认为是谐振子，通过它，可以实现压缩的振荡过程。利用用于缓冲的装置，压缩机活塞的至少85％的动能，特别是至少95％，优选至少98％，实质上特别优选是100％，在反向点之前可以被吸收，并且随后可以再次被释放到压缩机活塞。
用于缓冲动能的装置通过弹性元件形成，特别是弹簧，优选是膜片弹簧，利用复合材料制成。通过这种选择，与现有技术相比，可以实现对直线压缩机的结构类型的相当的简化。另外，由于这个原因，直线压缩机的工作可以被简化，并且设计成能量效率更高。另外，直线压缩机可以构造成更加紧凑和更轻，这特别提供了直线压缩机的另外的应用可能性，特别是用于活动的应用场合。
复合材料是包括两种或多种不同材料的结构材料，所述材料例如纤维、塑料、金属和陶瓷。至少一种成分，例如纤维，被嵌入在基础结构中，即所谓的基体(matrix)。在这个过程中，可以尝试将各种材料的不同优点结合到最终材料中，并且去除它们的缺点。作为复合材料，碳纤维加强的塑料(CFP)，玻璃纤维加强的塑料(GfP)，TiGr复合材料，即钛、石墨、和环氧树脂等的复合物，可以使用。
借助于复合材料，弹性元件的弹簧常数可以以精确的方式被预先确定。简单的，因为可以定制复合材料的特性，弹簧特性可以被可靠地(positively)影响，尤其是根据方向。
特别的，轴向刚度与横向刚度的比率也可以被预先确定和定制。在这种情况中，目标是产生可能最高的横向刚度，从而产生运动部件沿着与轴线垂直的方向尽可能缺少设计的运动，特别是压缩机活塞的运动。弹性元件沿着轴线的轴向刚度必须被设计成使得运动部件的动能可以完全被吸收。轴向刚度与横向刚度的比率的范围特别可以是1:20到1:200，特别是1:40到1:100。
通过使用复合材料，弹簧元件可以被制造，其结合了直线压缩机的所有不同弹簧元件的特性。弹簧元件可以具有将运动部件在直线压缩机中横向引导的功能、以及在运动方向的反向过程中缓冲动能的功能。结果，直线压缩机的结构被显著简化，并且部件的数目、成本、以及装配复杂度显著降低。除了直线压缩机的低的总成本，外部尺寸以及重量用这种方式都可以显著降低。
弹性元件用有利的方式被纤维加强，可行的是特别使用碳纤维、玻璃纤维和/或芳香尼龙纤维。芳香尼龙纤维，以商标名Kevlar销售，是利用聚芳酰胺制造的纤维，可行的是区别芳纶(meta-aramids)和对位芳纶(para-aramids)。主链中具有芳香基的聚酰胺本身不称为芳族聚酸胺或者芳香族聚酰胺(聚硫胺(poly-aramids))，而是，根据USFederal Trade Commision的定义，仅是那些长链的合成聚酰胺，其中，至少85％的酰胺基直接结合到两个芳环。例如可以使用聚对苯二甲酰对苯二胺(polyphenylene terephthalamide)。
另外，弹性元件可以包括塑料，特别是聚合物，例如合成树脂或者环氧树脂。
为此，弹性元件适用于以有利的方式存储和再次释放来回运动的压缩机活塞的动能。在这种情况中，有利的是弹性元件实质上可以完全吸收来回运动的部件的动能，但是另外可行的是使得弹簧具有较小的吸收能力，并且通过另一个弹性元件吸收一部分动能，所述另一个弹性元件与压缩机活塞相连，或者是通过驱动装置。在后一种情况中，压缩机活塞的一部分动能可以用电气的方式缓冲，例如借助于蓄电器(condenser)和/或线圈。
弹性元件再次释放它存储的能量的最大部分，特别是至少80％，特别是至少90％，优选至少98％。通过弹性元件的尽可能低的内部吸收能力，实现了直线压缩机的提高的效率度。
在本发明的有利实施例中，压缩机活塞可以通过弹性元件沿着与该轴线垂直的方向被引导，特别是通过弹簧。
这意味着，弹性元件完成了两个功能，也就是，一方面，它提供了沿着径向方向的引导，另一方面，它形成了能量存储装置。用于沿着垂直于轴线的方向引导压缩机活塞的装置和用于缓冲来回运动的压缩机活塞的动能的装置以这种方式利用相同的部件实现。结果，直线压缩机的设计被显著简化。
来回运动的压缩机活塞的质量可以在20和200克之间，特别是40和60克之间。压缩机活塞在活塞壳体中以20到200赫兹的频率工作，特别是40和60赫兹之间。在这种情况中，来回运动的频率被选择成与直线压缩机工作过程中发生的最大共振相对应。这个过程中，运动部件以及用于缓冲的装置形成了振荡系统，其连接到流体，并且它的特征频率具有相对应的谐振曲线。直线压缩机的工作频率以有利的方式位于谐振频率的附近。这种谐振中，直线压缩机的效率度特别高。压缩机活塞可以在活塞壳体中借助于壳体壁和流体被引导，所述壳体壁具有至少一个开口，并且流体流动穿过所述开口，特别是用于冷却的介质。通过气体流体的流动，气垫形成在活塞壳体和壳体的壁之间，这使得产生了压缩机活塞在活塞壳体中的无接触的引导。原理上，气体压缩保持的原理也可以应用到液体流体中。
在本发明的特别的实施例中，弹性元件具有的弹簧常数在2000kg/s2到2000kg/s2之间，特别是3000kg/s2到6000kg/s2。这种弹簧常数对于用在冰箱和/或制冷器或空调单元中的直线压缩机是有利的，特别是用于机动车的空调单元。
弹性元件的轴向刚度与横向刚度的比率至少1∶20，特别是至少1:50，优选至少1:100。弹性元件沿着与轴线平行的方向非常柔软，从而，压缩机活塞可以在5毫米到50毫米的部分上执行行程，特别是10毫米和30毫米之间。由于元件的高的横向刚度，压缩机活塞沿着与轴线垂直的方向的横向运动非常受限，并且特别是小于0.2毫米，特别是小于0.1毫米，优选小于0.05毫米。结果，压缩机活塞的精确的横向引导可以实现，从而压缩机活塞和活塞壳体之间的摩擦被充分限制，从而，防止了直线压缩机的过度磨损。
弹性元件以有利的方式形成了用于引导的装置和用于缓冲的装置。这样，弹性元件具有两个功能，这在构造直线压缩机的方法的方面是有利的，压缩机的设计尽可能简单。
根据本发明的制冷装置，特别是冰箱和/或冷冻机或空调装置，特别是用于机动车的空调单元，包括根据本发明的直线压缩机。由于根据本发明的直线压缩机的构造的简单方法，制冷装置可以以简单并且更节省成本的方式制造。通过使用复合材料，直线压缩机的结构以及因此制冷装置的结构可以被简单构造，并且制冷装置可以以可靠、节省能量且有效的方式工作。
根据本发明用于冷却物品的方法使用了根据本发明的制冷装置和/或根据本发明的直线压缩机，并且根据本发明用于压缩流体的方法使用了根据本发明的直线压缩机。通过使用根据本发明的制冷装置和/或根据本发明的直线压缩机，可以实现物品的特别可靠、节省能量的、和快速的冷却或者流体的压缩。
附图说明
参考附图，更加详细描述了本发明的另外的优点、和特别的变形，附图不限制本发明，仅是用于实例说明。附图示意性示出了：
图1示出了现有直线压缩机的透视图，
图2示出了根据本发明的直线压缩机的透视图；
图3示出了根据本发明的制冷装置，和
图4示出了根据本发明的另外的直线压缩机的一部分的剖视图。
具体实施方式
图1示出了现有的直线压缩机1的透视图，具有驱动装置13，驱动装置通过连接杆14连接到直线压缩机1的活塞壳体2。压缩机活塞(未示出)在活塞壳体2中来回运动。在运动方向的反向的情况中，压缩机活塞的动能或者来回运动部件的动能被圆柱弹簧16和膜片弹簧15吸收。压缩机活塞沿着轴线3来回运动。
图2示出了根据本发明的直线压缩机1的透视图，其具有驱动装置13，驱动装置通过连接杆14(图4)连接到压缩机活塞4。活塞4借助于弹性元件7被减速或者加速，弹性元件7体现为利用碳纤维加强的弹簧8，沿着与轴线3垂直的方向和沿着轴线3的方向被引导。弹簧8暂时吸收压缩机活塞4的动能，并且在运动方向反向之后，再次将它释放到后者。
图3示出了根据本发明的制冷装置17，其体现为冰箱，并且具有根据本发明的直线压缩机1，从而尽可能迅速、节能、并且可靠地降温并且低温保存物品18。
图4示出了根据本发明的另外的直线压缩机1的剖视图，在这种情况中，压缩机活塞4借助于驱动装置13沿着轴线3来回运动。压缩机活塞4借助于壳体壁11支撑在活塞壳体2中，壁11具有开口10，可行的是，气体流体21从供应管路20通过开口10朝着压缩机活塞4被挤压，从而压缩机活塞4通过气垫19被无接触地支撑，所述气垫19产生在壳体壁11的前方。除此，压缩机活塞4通过弹性元件7的高的横向刚度沿着与轴线3垂直的方向22被引导。弹性元件7是利用碳纤维加强的弹簧。弹簧8，一方面利用它的端部被固定到活塞壳体2，并且另一方面固定到连接杆14，连接杆14将驱动装置13连接到压缩机活塞4，弹簧8本质上完全吸收压缩机活塞4的动能，从而因此，压缩机活塞4改变它沿着轴线3的运动方向。除此，弹簧8还用于沿着与轴线3垂直的方向支撑着压缩机活塞4。因此，弹簧8具有两个功能，一方面实现了压缩机活塞4的横向支撑，并且另一方面，实现了以势能的形式缓冲压缩机活塞4的动能，从而，有助于运动方向的反向。由于这双重功能，没有使用其它的引导元件，例如第二膜片弹簧、圆柱弹簧或者另外的连接件。
本发明涉及一种直线压缩机1，包括活塞壳体2和在其中沿着轴线3来回运动的压缩机活塞4，包括用于沿着与轴线3垂直的方向引导压缩机活塞4的装置5，和用于缓冲压缩机活塞4的来回运动的动能的装置6，用于压缩机活塞4的运动方向的反向，可行的是，用于引导的装置5和/或用于缓冲的装置6具有由复合材料制成的弹性元件7，特别是通过由碳纤维加强的弹簧8形成；本发明涉及一种制冷装置17，例如冰箱，包括根据本发明的直线压缩机1；并涉及一种方法，用于压缩流体，涉及一种用于冷却物品18的方法。本发明允许构造具有简单设计的直线压缩机1或制冷装置17，并且提供了节能、有效并且可靠的工作方法，用于冷却物品18或者压缩流体。
附图标记列表
1        直线压缩机
2        活塞壳体
3        轴线
4        压缩机活塞
5        用于引导压缩机活塞4的装置
6        用于缓冲压缩机活塞4的来回运动的动能的装置
7        弹性元件
8        弹簧
9        与轴线3垂直的方向
10       开口
11       壳体壁
12       用于冷却的装置
13       驱动装置
14       连接杆
15       膜片弹簧
16       圆柱弹簧
17       制冷装置
18       物品
19       气垫
20       供应管路
21       流体
22       与轴线3垂直的方向

Claims (15)

1.一种直线压缩机(1)，包括活塞壳体(2)和在其中沿着轴线(3)来回运动的压缩机活塞(4)，包括用于沿着与轴线(3)垂直的方向引导压缩机活塞(4)的装置(5)和用于缓冲压缩机活塞(4)的来回运动的动能的装置(6)，其特征在于，用于引导的装置(5)和/或用于缓冲的装置(6)具有由复合材料制成的弹性元件(7)。
2.如权利要求1所述的直线压缩机，其特征在于，弹性元件(7)是弹簧(8)，特别是膜片弹簧。
3.如权利要求1或2所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)利用纤维加强。
4.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)具有碳纤维。
5.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)具有玻璃纤维。
6.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)具有芳香尼龙纤维。
7.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)包括塑料，特别是聚合物。
8.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)可以存储并且再次释放所述来回运动的压缩机活塞(4)的动能。
9.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，压缩机活塞(4)可以通过所述弹性元件(7)沿着与轴线(3)垂直的方向(9)被引导，特别是通过弹簧(8)。
10.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，压缩机活塞(4)在活塞壳体(2)中借助于具有开口(10)的壳体壁(11)和气体流体(12)被引导，气体流体(12)特别是冷却介质，流动穿过所述开口(10)。
11.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)的弹簧常数范围从2000kg/s2到20000kg/s2，特别是在3000kg/s2和6000kg/s2之间。
12.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，弹性元件(7)的横向刚度与轴向刚度的比率至少为1:20，特别是至少1:50，优选至少1:100。
13.如上述权利要求中任一项所述的直线压缩机(1)，其特征在于，用于引导的装置(5)和用于缓冲的装置(6)通过弹性元件(7)形成。
14.一种制冷装置(17)，特别是冰箱和/或冷冻器或者空调单元，包括如权利要求1-13中任一项所述的直线压缩机(1)。
15.一种用于借助于权利要求14所述的制冷装置(20)冷却物品(18)、和/或用于借助于权利要求1-13中任一项所述的直线压缩机(1)压缩流体(21)的方法。
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