DE102004062301A1

DE102004062301A1 - Linearverdichter und Antriebsaggregat dafür

Info

Publication number: DE102004062301A1
Application number: DE102004062301A
Authority: DE
Inventors: Alexander Schade; Jan-Grigor Schubert
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-13
Also published as: EP1831558A1; WO2006069885A1; EP1831558B1; ES2366195T3; ATE513993T1; US20080008607A1; RU2007121334A; CN100476204C; CN101087953A; RU2386052C2

Abstract

Ein Antriebsaggregat für einen Linearverdichter umfasst ein Gestell (21, 29, 30) und einen in dem Gestell (21, 29, 30) über wenigstens eine Membranfeder (8) gelagerten, in einer Richtung hin und her beweglichen Schwingkörper (24, 10). Die Membranfeder (8) umfasst mehrere mit einem Ende am Gestell (21, 29, 30) und mit einem anderen Ende am Schwingkörper (24) angreifende Arme (14), denen jeweils eine Rückstellfeder (31) zugeordnet ist, die einer Verformung des Arms (14) entgegenwirkt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät, und insbesondere ein Antriebsaggregat zum Antreiben einer oszillierenden Kolbenbewegung für einen solchen Linearverdichter.

Aus US 6 596 032 B2 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.

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.

Da der Schwingkörper in radialer Richtung nur durch seine Verbindung mit der Feder gehalten ist, besteht die Möglichkeit, dass der den Kolben tragende Kopf der Kolbenstange hin- und herpendelt und an der Zylinderwand schleift. Um dies zu verhindern, ist eine Druckgaslagerung für den Kolben vorgesehen, d. h. die von dem Kolben überstrichene Zylinderwand weist Öffnungen auf, die mit dem Hochdruckauslass des Linearverdichters verbunden sind, um ein Gaskissen zwischen der Innenwand des Zylinders und dem Kolben zu bilden. Ein solches Druckgaslager funktioniert jedoch nur, wenn an dem Auslass der Linearverdichters der erforderliche Überdruck vorhanden ist, also nicht beim Anfahren bzw. Auslaufen des Verdichters. Zu diesen Zeiten besteht die Gefahr, dass der Kolben an der Zylinderwand schleift, so dass der Verdichter vorzeitig verschleißt.

Ein Linearverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruchs 2 ist aus US 6 641 377 B2 bekannt. Bei diesem Koppelkolben-Linearverdichter ist jeder Kolben durch zwei jeweils zweiarmige Membranfedern gehalten.

Aufgrund der Krümmung der Arme ist ein vergrößerter Kolbenhub möglich. Die Arme sind in Längsrichtung des Kolbens leichter verformbar als quer dazu, so dass sie einem Kontakt des Kolbens mit der Zylinderwand entgegenwirken.

Um einen gewünschten Durchsatz des Verdichters zu erreichen, darf die Schwingfrequenz des Kolbens nicht zu niedrig sein. Diese Schwingfrequenz ist um so höher, je steifer die Membranfeder ist. Eine zu steife Membranfeder läuft jedoch Gefahr, bei großen Schwingungsamplituden zu ermüden.

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 geringen Kolbendurchmesser erreicht werden kann.

Um ohne Gefahr von Materialermüdung einen großen Hub zu ermöglichen, sollten die Arme der wenigstens einen Membranfeder aus einem sehr dünnen Material gefertigt sein. Dessen Stärke kann so knapp bemessen sein, dass sie lediglich ausreicht, um ein seitliches Ausweichen des Schwingkörpers zu verhindern. Eine solche schwache Membranfeder würde jedoch zu einer niedrigen Eigenfrequenz des Antriebsaggregates und damit bei vorgegebenem Hub zu einem geringen Durchsatz eines von dem Antriebsaggregat angetriebenen Verdichters führen. Um eine für einen benötigten Durchsatz ausreichende Eigenfrequenz des Antriebsaggregates zu erzielen, ist daher erfindungsgemäß jedem Arm eine Rückstellfeder zugeordnet, die einer Verformung des Armes entgegenwirkt, so dass die Membranfeder zusammen mit den Rückstellfedern jeweils ein elastisches System bildet, dessen Steifigkeit deutlich größer ist als die der Membranfeder allein.

Im einfachsten Fall hat jeder Arm einen einzigen in eine Richtung gekrümmten Abschnitt. Ein solcher Arm übt beim Auslenken auch ein Drehmoment auf den von ihm getragenen Schwingkörper aus, so dass zusammen mit der Hin- und Herbewegung auch eine Drehschwingung des Schwingkörpers angeregt wird. Um zu verhindern, dass eine solche Drehschwingung störend wirkt, kann ein rotationssymmetrischer Aufbau zumindest von Teilen des Verdichters erforderlich sein.

Es können aber auch Paare von jeweils in entgegengesetzte Richtungen gekrümmten Armen vorgesehen werden. Bei einem solchen Aufbau kompensieren die an den unterschiedlich gekrümmten Armen induzierten Drehmomente einander, so dass der Schwingkörper in Verbindung mit seiner Hin- und Herbewegung gar nicht oder nur schwach drehschwingt.

Vorzugsweise hat jeder Arm zwei in unterschiedliche Richtungen gekrümmte Abschnitte. Da auch hier die unterschiedlich gekrümmten Abschnitte Drehmomente in entgegengesetzte Richtungen hervorrufen, kann so dass das Drehmoment jedes einzelnen Armes sehr klein gemacht oder zum Verschwinden gebracht werden.

Vorteilhaft ist auch, wenigstens eine zweite Membranfeder vorzusehen, deren Arme an einem Bereich des Schwingkörpers angreifen, der vom Angriffsbereich der ersten Membranfeder in Richtung der Schwingbewegung beabstandet ist. Durch die zwei Membranfedern ist der Schwingkörper zuverlässig linear in Richtung der gewünschten Schwingbewegung geführt, und eine seitliche Ausweichbewegung, die zu einem Kontakt zwischen einem von dem Schwingkörper getragenen Kolben und einem den Kolben umgebenden Zylinder führen könnte, kann vermieden werden.

Die Arme einer gleichen Membranfeder hängen vorzugsweise an ihren am Gestell angreifenden Enden und/oder an ihren an den Schwingkörper angreifenden Enden jeweils einteilig zusammen. Die am Gestell angreifenden Enden können durch einen mit den Blattfedern einteiligen Rahmen verbunden sein.

Die effektive Federkonstante der Kombination von Membranfeder und Rückstellfeder kann verstellbar gemacht sein, um die Eigenfrequenz des Antriebsaggregates nach Bedarf abstimmen zu können.

Als Rückstellfeder wird vorzugsweise eine Schraubenfeder verwendet.

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 zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben gekoppelten Antriebsaggregat der oben beschriebenen Art.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren.

Es zeigen:

1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Linearverdichters;

2 eine Draufsicht auf eine Membranfeder zur Verwendung in dem Linearverdichter der 1 gemäß der Erfindung; und

3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausgestaltung einer Membranfeder.

1 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Linearverdichters. Der Verdichter hat ein Gestell mit einer zentralen Kammer 21, bei der in zwei gegenüberliegenden Wänden, hier unter Bezugnahme auf die Darstellung in der Fig. der Anschaulichkeit halber als Decke 22 und Boden 23 bezeichnet, Öffnungen gebildet sind, durch die sich spielhaltig eine stabförmige Schwingmasse 24 erstreckt. Die Kammer 21 ist vorgesehen, um nicht dargestellte Elektromagnete zum Antreiben einer Hin- und Herbewegung eines in die Schwingmasse 24 eingefügten Permanentmagneten aufzunehmen.

Die Enden der Schwingmasse 24 sind an zentralen Bereichen 16 von zwei Membranfedern 8 mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 25 befestigt.

Eine der Membranfedern 8 ist in 2 in Draufsicht gezeigt. Die Membranfeder 8 hat einen geschlossenen äußeren Ring oder Rahmen 13 von rechteckiger Gestalt, der sie vor dem Einbau in den Verdichter stabilisiert und vor Verbiegung schützt. Von den Ecken des Rahmens 13 aus erstrecken sich vier Arme 14 zum zentralen Bereich 16 hin, die jeweils aus drei gradlinigen Abschnitten 17 und zwei die Abschnitte 17 verbindenden gekrümmten Abschnitten 18, 19 aufgebaut sind. Die zwei Abschnitte 18, 19 jedes Armes 14 haben jeweils entgegengesetzte Krümmungsrichtung. Vier Bohrungen 20 zur Befestigung der Membranfeder 8 befinden sich an den Ecken des Rahmens 13.

Der Rahmen 13 jeder Membranfeder 8 ruht auf von der Decke 22 bzw. dem Boden 23 der zentralen Kammer 21 abstehenden Stegen 26. Die Membranfedern 8 sind an den Stegen 26 jeweils durch Schrauben oder Nieten 27 gehalten, die jeweils ein Fußstück 28 eines oberen bzw. unteren Jochs 29, 30 und eine der Bohrungen 20 in den Ecken des Rahmens 13 kreuzen und in die zentrale Kammer 21 eingreifen. Die Höhe der Stege 26 legt den maximalen Hub der Bewegung der Schwingmasse 24 fest; wird dieser maximale Hub überschritten, stoßen die zentralen Bereiche 16 der Membranfeder 8 gegen Decke 22 bzw. Boden 23 an.

Wenn der zentrale Bereich 16 ausgelenkt wird, führt dies zu einer leichten Aufbiegung der gekrümmten Abschnitte 18, 19. Aufgrund der entgegengesetzten Krümmungsrichtungen der zwei Abschnitte 18, 19 jedes Armes resultieren aus der Aufbiegung jeweils entgegengesetzte Drehmomente, so dass das von jedem einzelnen Arm 14 auf den zentralen Bereich 16 ausgeübte Drehmoment gering ist. Darüber hinaus kompensieren sich die Drehmomente jeweils benachbarter Arme 14, da jeweils einer von ihnen das Spiegelbild des anderen ist und die von ihnen ausgeübten Drehmomente daher entgegengesetzt gleich. Der zentrale Bereich 16 und folglich auch eine daran befestigte Kolbenstange 10 sind somit exakt linear und verdrehungsfrei geführt.

Das untere Joch 30 trägt zwei Schraubenfedern 31, die jeweils so platziert sind, dass freie Kopfstücke 32 von ihnen, wie auch als strichpunktierter Umriss in 2 angedeutet, jeweils die gekrümmten Abschnitte 18 von zwei Armen 14 berühren, wenn diese nach unten ausgelenkt sind, und sich so einer Auslenkung der Schwingmasse 24 nach unten widersetzen. Entsprechende Schraubenfedern 31, die die gekrümmten Abschnitte 18 von Armen der oberen Membranfeder 8 berühren und einer Auslenkung der Schwingmasse nach oben entgegenwirken, sind am oberen Joch 29 vorgesehen.

Das obere Joch 29 trägt ferner einen Zylinder 33, in den ein mit der Schwingmasse 24 über eine Kolbenstange 10 verbundener, in der Fig. nicht sichtbarer Kolben hin und her beweglich ist. Da die Schwingmasse 24 durch die zwei Membranfedern 8 exakt linear geführt ist, kann die Kolbenstange 12 und mit ihr der von ihr getragene Kolben nicht quer zur Bewegungsrichtung ausweichen, und ein Schleifen des Kolbens an der Innenwand des Zylinders 33 kann vermieden werden. Durch die Bewegung des Kolbens wird Fluid über einen Saugstutzen 34 des Zylinders 33 angesaugt, verdichtet und über einen Druckstutzen 35 wieder ausgestoßen.

Wenn sich die Schwingmasse 24 an einem der Umkehrpunkte ihrer Bahn befindet, ist ihre gesamte Bewegungsenergie in Form von Verformungsenergie in den Membranfedern 8 und den Schraubenfedern 31 gespeichert, wobei sich die Verteilung der Energie auf die Federtypen nach deren jeweiligen Federkonstanten richtet. Die Membranfedern können daher sehr dünn und leicht verformbar gemacht werden, so dass auch bei lang andauerndem Betrieb keine Materialermüdung auftritt, denn die Energie, die die Membranfedern mangels ausreichender Steifigkeit nicht zu speichern im Stande sind, kann von entsprechend dimensionierten Schraubenfedern 31 aufgenommen werden.

Außerdem können mit einem gleichen Modell von Membranfeder Verdichter mit unterschiedlichem Durchsatz realisiert werden, indem die Membranfedern jeweils mit Schraubenfedern mit unterschiedlichen Federkonstanten kombiniert werden, die jeweils unterschiedliche Eigenfrequenzen des schwingfähigen Systems ergeben.

Denkbar ist auch, die Eigenfrequenz eines Antriebsaggregates abstimmbar zu machen, indem die Schraubenfedern 31 jeweils verschiebbar an den Jochen 29, 30 montiert werden. Je näher der von den Kopfstücken 32 der Schraubenfedern 31 berührte Bereich der Arme 14 am zentralen Bereich 16 der Membranfedern 8 liegt, um so steifer ist das Gesamtsystem aus Membranfeder und Schraubenfedern, und um so höher ist die Eigenfrequenz des resultierenden Antriebsaggregates.

Im Extremfall ist es möglich, die zwei Schraubenfedern 31 jedes Jochs 29, 30 jeweils durch eine einzige Schraubenfeder zu ersetzen, die unmittelbar den zentralen Bereich 16 berührt.

3 zeigt eine Abwandlung der Membranfeder 8 aus 3, die an deren Stelle in dem Verdichter der 4 einsetzbar ist. Bei der Membranfeder der 5 ist der schützende äußere Rahmen 13 weggefallen; statt dessen sind nur noch die zwei rechten bzw. die zwei linken Arme 14 an ihren von dem zentralen Bereich 16 abgewandten Enden durch einen Materialstreifen 34 verbunden. Die Arme sind hier bei gleichen Außenabmessungen der Membranfeder breiter und damit steifer als die der Feder aus 2. Die Funktionsweise unterscheidet sich nicht von derjenigen der Membranfeder aus 3.

Claims

Antriebsaggregat für einen Linearverdichter mit einem Gestell (21, 29, 30) und einem in dem Gestell (21, 29, 30) über wenigstens eine Membranfeder (8) gelagerten, in einer Richtung hin und her beweglichen Schwingkörper (24, 10), wobei die Membranfeder (8) mehrere Arme (14) aufweist, die mit einem Ende am Gestell (21, 29, 30) und mit einem anderen Ende am Schwingkörper (24) angreifen, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Arm (14) eine Rückstellfeder (31) zugeordnet ist, die einer Verformung des Arms (14) entgegenwirkt.
Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (14) zwischen den zwei Enden einen gekrümmten Verlauf aufweisen.
Antriebsaggregat nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Arm (14) zwei in unterschiedliche Richtungen gekrümmte Abschnitte (18, 19) aufweist.
Antriebsaggregat nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine zweite Membranfeder (8) umfasst, und dass die erste und die zweite Membranfeder (8) an in Richtung der Schwingbewegung beabstandeten Bereichen des Schwingkörpers (24, 10) angreifen.
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (14) einer gleichen Membranfeder (8) an ihren am Schwingkörper (24, 10) angreifenden Enden (16) einteilig zusammenhängen.
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (14) einer gleichen Membranfeder (8) an ihren am Gestell (21, 29, 30) angreifenden Enden einteilig zusammenhängen.
Antriebsaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die am Gestell (21, 29, 30) angreifenden Enden durch einen mit den Armen (14) einteiligen Rahmen (13) verbunden sind.
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit der Membranfeder (8) in der Verformungsrichtung kleiner als die der Rückstellfeder (31) ist
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine effektive Federkonstante der Kombination von Membranfeder (8) und Rückstellfeder (31) verstellbar ist.
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder (31) eine Schraubenfeder ist.
Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Masse des Schwingkörpers (24, 10) größer ist als die Masse aller Federn (8, 31).
Linearverdichter mit einer Arbeitskammer, einem in der Arbeitskammer zum Verdichten eines Arbeitsfluids hin und her beweglichen Kolben und einem zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben gekoppelten Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche.