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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines
Linearverdichters, insbesondere für ein Kältegerät. Ein solcher Linearverdichter
ist z.B. aus
US 506032B2 und
US 6642377B2 bekannt.
Er umfasst einen reversierenden Linearantrieb mit einer Wicklung
und einem durch ein von der Wicklung erzeugtes Magnetfeld gegen
eine Federkraft verschiebbaren Anker sowie eine Verdichterkammer,
in der ein Kolben an den Anker gekoppelt bewegbar ist. Im Betrieb
wird die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt, um eine Schwingbewegung
des Ankers anzutreiben.
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Während bei
einem herkömmlichen
rotatorisch angetriebenen Verdichter die Bewegungsamplitude des
Kolbens strikt vorgegeben ist, ist dies bei einem Linearverdichter
nicht der Fall. Der Anker kann je nach der Wicklung zugeführter elektrischer
Antriebsleistung mit unterschiedlichen Amplituden schwingen, und
dementsprechend ist auch der Kolbenhub variabel.
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Je
kleiner die Antriebsleistung und dementsprechend auch die Amplitude
des Ankers ist, umso größer ist
das Totvolumen der Pumpkammer am oberen Umkehrpunkt der Bahn des
Kolbens. Ein großes Totvolumen
führt zu
einem geringen Wirkungsgrad des Verdichters, da die zum Komprimieren
des Gases im Totvolumen geleistete Arbeit nicht genutzt wird und
nach Überwindung
des oberen Totpunktes das Gas sich wieder entspannt und dabei den
Kolben zurücktreibt.
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Wenn
hingegen die Wicklung mit einer zu hohen Antriebsleistung beaufschlagt
wird, kann die Amplitude des Ankers so groß werden, dass der Kolben an
eine Begrenzung der Verdichterkammer anschlägt. Dies führt zu einer starken Geräuschentwicklung
und evtl. auch zu einer Beschädigung
des Verdichters. Darüber
hinaus geraten die Schwingung des Ankers und der antreibende Wechselstrom
außer
Phase, so dass auch aus diesem Grund der Antrieb an Effektivität verliert.
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Um
einen Linearverdichter stabil mit gutem Wirkungsgrad betreiben zu
können,
ist es daher erforderlich, die Amplitude des Ankers zu überwachen und
den Wechselstrom, mit dem die Wicklung beaufschlagt wird, so zu
steuern, dass die Amplitude stets knapp unter einem Grenzwert bleibt,
bei dessen Überschreitung
der Kolben an eine Begrenzung stößt.
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Toleranzen
bei der Fertigung der Linearverdichter können dazu führen, dass der Weg, den der Anker
aus seiner Gleichgewichtslage zurücklegen kann, bis der Kolben
an eine Begrenzung stößt, von einem
Linearverdichter zum anderen variieren kann. Wenn unter Berücksichtigung
der Fertigungstoleranzen der Ankerhub für alle Linearverdichter einheitlich so
festgelegt wird, dass der Kolben nicht an die Begrenzung stoßen kann,
so ergeben sich von einem Verdichter zum anderen erheblich unterschiedliche Totvolumina
und damit unterschiedliche Wirkungsgrade.
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Ein
weiteres Problem ist, dass die Gleichgewichtsstellung, in der sich
der Anker bei ausgeschaltetem Verdichter befindet, je nach in der
Verdichterkammer herrschendem, auf den Kolben wirkendem Druck unterschiedlich
sein kann. Unterschiedliche Drücke
können
bei Nutzung des Linearverdichters zum Verdichten von Kältemittel
in einem Kältegerät leicht
auftreten, je nachdem, wie die mittlere Temperatur bzw. das Verhältnis von
gasförmigem
zu flüssigem
Kältemittel
im Kältemittelkreislauf
des Gerätes ist.
Wenn ein Kältegerät neu oder
nach längerem Stillstand
in Betrieb genommen wird und der Kältemittelkreislauf von Zimmertemperatur
aus heruntergekühlt
werden muss, ist der Druck im Kältemittelkreislauf
zunächst
höher als
bei einem in Betrieb befindlichen Gerät, bei dem der Kühlraum und
folglich auch wenigstens ein Teil des Kältemittels deutlich kälter als
Zimmertemperatur sind. Eine Schwingungsamplitude, die bei einem
in Betrieb befindlichen Gerät
ein brauchbares, kleines Totvolumen ergibt, kann im Fall der Neuinbetriebnahme
unzureichend sein, da hier die Ruhelage, um die der Anker oszilliert,
verschoben ist. Wenn hierdurch ein großes Totvolumen entsteht, kann
der Wirkungsgrad des Verdichters im Extremfall so weit beeinträchtigt sein, dass
ein ordnungsgemäßes Herunterkühlen des
Geräts
nicht möglich
ist.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Betreiben eines
Linearverdichters zu schaffen, das die oben beschriebenen Probleme
vermeidet.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
bei einem Linearverdichter, der einen Linearantrieb mit einer Wicklung
und einem durch das Magnetfeld der Wicklung gegen eine Federkraft
verschiebbaren Anker und eine Verdichterkammer umfasst, in der ein
Kolben an den Anker gekoppelt bewegbar ist, wobei im Betrieb die
Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, um eine Schwingbewegung
des Ankers anzutreiben, diese Wicklung vor Aufnahme des Betriebs
mit einem Gleichstrom mit einem ersten Vorzeichen beaufschlagt wird,
um den Anker aus einer Ruheposition zu verschieben, indem eine erste
Endposition, die der Anker unter der Wirkung des Gleichstroms erreicht,
gemessen wird, und indem während
des Betriebs die Stärke
des Wechselstroms, mit dem die Wicklung erregt wird, so gesteuert
wird, dass der Anker die erste Endposition nicht oder mit verschwindender
Geschwindigkeit erreicht.
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Durch
die Gleichstrombeaufschlagung und Messung der daraus resultierenden
Ankerposition wird ein Messwert für eine maximal zulässige Auslenkung
des Ankers erhalten, in welchem sowohl Fertigungstoleranzen als
auch eine durch den Druck in der Verdichterkammer verursachte Verschiebung
der Ruheposition des Ankers automatisch berücksichtigt sind.
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Vorzugsweise
ist das erste Vorzeichen des Gleichstroms so festgelegt, dass durch
die aus der Wirkung des Gleichstroms resultierende Verschiebung
des Ankers der Kolben auf eine Ventilplatte der Verdichterkammer
zu bewegt wird, da in diese Richtung die Bewegungsfreiheit des Kolbens
notwendigerweise beschränkt
ist und eine genaue Regelung des Kolbenhubs erforderlich ist, um
ein kleines Totvolumen und damit einen guten Wirkungsgrad zu gewährleisten.
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Es
kann vorgesehen werden, dass die Wicklung ferner vor Aufnahme des
Betriebs mit einem Gleichstrom mit zu dem ersten Vorzeichen entgegengesetztem
Vorzeichen beaufschlagt wird, dass eine zweite Endposition, die
der Anker unter der Wirkung dieses Gleichstroms erreicht, gemessen
wird, und dass während
des Betriebs die Stärke
des Wechselstroms, mit dem Wicklung erregt wird, so gesteuert wird,
dass der Anker auch die zweite Endposition nicht oder mit verschwindender
Geschwindigkeit erreicht. Auf diese Weise wird die Bewegungsfreiheit des
Kolbens in beide Richtungen gemessen, und die verfügbare Bewegungsfreiheit
des Kolbens kann unabhängig
von durch Fertigungstoleranzen bedingten Streuungen optimal ausgenutzt
werden.
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Alternativ
besteht die Möglichkeit,
eine zweite Endposition in einem vorgegebenen Abstand von der ersten
Endposition zu berechnen.
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Die
Stärke
des Gleichstroms wird zweckmäßigerweise
nach und nach erhöht,
um zu vermeiden, dass der Kolben mit hoher Geschwindigkeit an eine Begrenzung
stößt.
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Vorzugsweise
wird während
des Erhöhens der
Stromstärke
die Position des Ankers wiederholt gemessen, und als Endposition
wird eine Position des Ankers bestimmt, über die sich der Anker bei
einer weiteren Erhöhung
der Stromstärke
nicht hinausbewegt. Solange der Auslenkung nämlich nur die Federkraft und
ggf. der Druck in der Verdichterkammer entgegenwirkt, kann davon
ausgegangen werden, dass eine Erhöhung der Stromstärke des
Gleichstroms auch zu einer Erhöhung
der Auslenkung führt, es
sei denn, der Kolben hat die Begrenzung erreicht.
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Alternativ
kann als Endposition eine Position des Ankers bestimmt werden, in
der dieser einen Näherungssensor
auslöst.
Ein solcher Näherungssensor
kann beispielsweise eine Lichtschranke sein.
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Um
die Schwingbewegung des Ankers in Gang zu setzen, wird vorzugsweise
die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt, bei dem die Ladungsmengen
von positiven und negativen Halbwellen im Laufe der Zeit zunehmen,
so dass auch die Amplitude der Schwingbewegung im Laufe der Zeit wächst. Dies
gibt die Möglichkeit,
die Entwicklung der Amplitude in Abhängigkeit von den Ladungsmengen der
Halbwellen zu verfolgen und deren Anstieg so zu dosieren, dass keine
der zuvor festgelegten Endpositionen überschritten wird.
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Insbesondere
aufgrund einer Verschiebung der Ruheposition des Ankers durch den
in der Verdichterkammer herrschenden Druck kann es erforderlich
sein, die Ladungsmengen der positiven und der negativen Halbwellen
getrennt zu regeln, um jeweils einen gleichen Abstand der zwei Umkehrpunkte
der Schwingbewegung von der ersten bzw. zweiten Endposition zu gewährleisten.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht, teils in Draufsicht, teils im Schnitt, eines
Linearverdichters;
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2 die
zeitliche Entwicklung eines auf die Wicklungen des Linearverdichters
aus 1 gegebenen Gleichstroms und des daraus resultierenden Messwerts
der Ankerauslenkung; und
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3 die
zeitliche Entwicklung der Schwingungsamplitude und der Ladungsmengen
der positiven und negativen Halbwellen des Wicklungsstroms beim
Ingangsetzen der Schwingbewegung.
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1 zeigt
schematisch einen Linearverdichter mit einem Linearantrieb 1 und
einer Verdichtereinheit 2, die in einem hier U-förmig dargestellten Rahmen 3 gehalten
sind. An zwei parallelen Schenkeln des Rahmens 3 sind einander
zugewandt Eisenkerne 4 von E-förmigem
Querschnitt und Wicklungen 5 montiert. In einem Luftspalt
zwischen den Eisenkernen 4 ist ein Anker 6 mit
Hilfe von Membranfedern 7 aufgehängt, die den Anker 6 in
Längsrichtung
des Luftspalts leicht beweglich und in Querrichtung dazu starr halten.
Der Anker 6 enthält
zwei antiparallel gepolte Permanentmagnete 8, 9,
die bestrebt sind, sich in einem von den Wicklungen 5 erzeugten
Magnetfeld auszurichten und den Anker 6 somit je nach Stromflussrichtung
durch die Wicklungen 5 den Anker in der Perspektive der
Fig. nach links oder rechts treiben.
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Die
Verdichtereinheit 2 umfasst eine Verdichterkammer 10,
die an einer Seite durch einen beweglichen Kolben 11 begrenzt
ist. Der Kolben 11 ist mit dem Anker 6 über eine
Kolbenstange 12 starr verbunden. Durch einen Überdruck
in der Verdichterkammer 10 ist die Ruheposition des Ankers 6 gegenüber einer
Position, in der die Blattfedern 7 entspannt sind, leicht
nach links versetzt.
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Auf
dem Anker 6 ist eine Trägerplatte 13 montiert,
die abwechselnd mit spiegelnden bzw. lichtabsorbierenden Streifen
versehen ist. Eine erste Lichtschranke mit einer Lichtquelle 14,
die einen gebündelten
Lichtstrahl auf die Trägerplatte 13 emittiert, und
einem auf die Trägerplatte 13 ausgerichteten Lichtsensor 15 ist
an einem der Eisenkerne 4 montiert. Je nachdem, ob der
Lichtstrahl der Lichtquelle 14 auf einen spiegelnden oder
einen absorbierenden Streifen der Trägerplatte 13 trifft,
empfängt
der Lichtsensor 15 mehr oder weniger Licht.
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Alternativ
kann anstelle der Trägerplatte 13 auch
eine kammartige Struktur an dem Anker 6 montiert sein,
und Lichtquelle 14 und Lichtsensor 15 der Lichtschranke
sind an den Eisenkernen 4 beiderseits der Kammstruktur
montiert, so dass je nach Stellung des Ankers 6 ein Zinken
der Kammstruktur den Lichtsensor 15 beschattet oder der
Lichtstrahl von der Lichtquelle 14 durch einen Zwischenraum
zwischen zwei Zinken den Lichtsensor 15 erreicht. Anstelle
einer Kammstruktur kann auch ein transparenter Träger vorgesehen
sein, der mit beabstandeten lichtundurchlässigen Streifen versehen ist.
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Eine
nicht dargestellte zweite Lichtschranke ist um eine Viertelperiode
der regelmäßigen Streifenanordnung
versetzt angeordnet.
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An
die Lichtschranken ist eine Steuerschaltung 16 angeschlossen,
die die Wicklungen 5 mit Strom beaufschlagt.
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Die
Arbeitsweise der Steuerschaltung bei der Inbetriebnahme des Linearverdichters
wird anhand der 2 und 3 erläutert. Zu
einem Zeitpunkt t = 0 empfängt
die Steuerschaltung 16 von außen, z.B. von einer Thermostatregelung
eines Kältegeräts, in das
der Linearverdichter der 1 eingebaut ist, einen Inbetriebnahmebefehl.
Die Steuerschaltung 16 beaufschlagt daraufhin die Wicklungen 5 mit
einem Gleichstrom, dessen Stromstärke I, wie durch eine strichpunktierte
Linie in dem Diagramm der 2 dargestellt,
linear mit der Zeit t zunimmt. Proportional zur Stromstärke I wächst die
auf den Anker 6 einwirkende Magnetkraft, die den Anker 6 in
der Perspektive der 1 nach rechts treibt. In der
Darstellung der 2 ist vereinfachend angenommen, dass
die daraus resultierende Verlagerung des Ankers 6 linear
proportional zur Stromstärke
I ist. Das Prinzip der Erfindung ist aber auch anwendbar, wenn dies
nicht exakt der Fall ist: Mit zunehmender Verlagerung des Ankers 6 passiert
ein Streifen der Trägerplatte 13 nach
dem anderen die Lichtschranken. Durch einen Vergleich der Phasen
der von den Lichtschranken gelieferten Zählimpulse erkennt die Steuerschaltung 16 die
Richtung, in der sich der Anker 6 bewegt, und jedes Mal
wenn ein Streifen die erste Lichtschranke 14,15 passiert,
inkrementiert (bzw. dekrementiert, je nach erfasster Bewegungsrichtung) die
Steuerschaltung 16 einen Zähler, dessen Zählwert n
somit repräsentativ
ist für
den vom Anker 6 aus seiner Ruheposition zurückgelegten
Weg. Der Zählwert
n bildet somit eine ebenfalls in dem Diagramm der 2 dargestellte
Stufenfunktion der Zeit t.
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Wenn
die Stromstärke
I stark genug ist, um den Kolben 11 mit der Ventilplatte 17 der
Verdichtereinheit 2 in Kontakt zu bringen, wächst der
Zählwert n
auch bei weiter steigender Stromstärke nicht mehr an. Dies wird
von der Steuerschaltung 16 zu einem in 2 mit
t1 bezeichneten Zeitpunkt erkannt, an dem die
Stromstärke
I einen Wert I(nmax) erreicht, an ein dem
bei Fortschreibung des bisher beobachteten Zusammenhangs zwischen
I und n zu erwartendes Inkrement von n ausbleibt.
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Einer
ersten Ausgestaltung zufolge ist die Bewegungsfreiheit des Ankers 6,
gemessen in Schritten des besagten Zählers, eine fest vorgegebene
und in der Steuerschaltung 16 gespeicherte ganze Zahl N.
Indem die Steuerschaltung den dem Kontakt des Kolbens 11 mit
der Ventilplatte 17 entsprechenden Zählwert mit der Zahl N überschreibt,
wird eine Kalibrierung der Positionsmessung erreicht: die Grenzen
des zulässigen
Bewegungsbereichs des Ankers 6 entsprechen jeweils einem
Zählwert
von 0 bzw. N. Durch Auf- oder Abwärtszählen der von der Lichtschranke
erfassten Streifen, je nach Bewegungsrichtung des Ankers 6, „kennt" die Steuerschaltung 16 zu
jeder Zeit den Ort des Ankers 6.
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Einer
zweiten Ausgestaltung zufolge reduziert die Steuerschaltung ab dem
Zeitpunkt t1 die Stromstärke I in den Wicklungen 5,
bis hin zu einer Umkehr von deren Vorzeichen, und zählt währenddessen
in Gegenrichtung die Streifen, welche die Lichtschranke passieren,
von Null aufwärts.
Dies geschieht, bis erneut eine Erhöhung des Betrags der Stromstärke nicht
mehr zu einer weiteren Erhöhung des
Zählerstandes
führt.
Der so erhaltene Zählerstand
N stellt somit einen Messwert der tatsächlichen Bewegungsfreiheit
des Ankers 6 dar; er wird in der selben Weise genutzt,
wie oben für
den fest vorgegebenen Zählwert
N angegeben und im Folgenden noch genauer erläutert.
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Die
Diagramme der 3 veranschaulichen die Aufnahme
des Schwingbetriebs des Linearverdichters. Das mittlere Diagramm
zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung der Position des Ankers 6 und
seiner Soll-Umkehrpunkte, das obere und das untere Diagramm jeweils
entsprechend die zeitliche Entwicklung der Ladungsmengen Q+, Q– von positiven und negativen
Halbwellen eines von der Steuerschaltung 16 an die Wicklungen 5 ausgegebenen
Erregungsstromes.
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Um
nun die Schwingbewegung des Ankers 6 in Gang zu bringen,
legt die Steuerschaltung zunächst
die Ankerposition, die dem Zählwert
N/2 entspricht, als Mittelpunkt der Schwingbewegung fest. Der ursprünglichen
Ruheposition des Ankers entspricht dann ein mit n0 bezeichneter
Zählwert,
der im allgemeinen von N/2 verschieden sein wird. Zur Zeit t2 in 3 beginnt
die Steuerschaltung, die Schwingbewegung anzuregen. Um die Amplitude
der Schwingung allmählich
anwachsen zu lassen, werden Soll-Umkehrpunkte u+ u– für die Ankerschwingung vorgegeben,
die sich im Laufe der Zeit symmetrisch von N/2 entfernen, z.B. als
lineare Funktionen der Zeit u+ = N/2 + a(t-t2), u– = N/2 – a(t-t2), um schließlich stationäre Werte
N-ε bzw. ε anzunehmen,
wie in dem mittleren Diagramm von 3 dargestellt.
Dabei stellt ε ein
Sicherheitsabstand von wenigen Zählerschritten
dar, der dazu dient, im stationären
Betrieb ein Anstoßen
des Kolbens an eine Begrenzung sicher zu vermeiden. Ein typischer
Ablauf der Ankerbewegung ist als Kurve p in dem mittleren Diagramm der 3 eingezeichnet.
Zur Zeit t2 befindet sich der Anker 6 deutlich
unterhalb der Kurve u+ des oberen Umkehrpunkts.
Die Steuerschaltung 16 beaufschlagt daher zunächst die
Wicklungen nur mit positiven Halbwellen, um den Anker anzuheben.
Die zeitliche Entwicklung der Ladungsmenge Q+ der
oberen Halbwellen ist in dem oberen Diagramm der 3 dargestellt;
sie beginnt mit einem Anfangswert Q+(t2) zur Zeit t2, der
proportional zur Abweichung zwischen der Ruheposition n0 des
Ankers und dem gewünschten Mittelpunkt
N/2 seiner Schwingbewegung ist, und nimmt wie die Soll-Position
u+ des oberen Umkehrpunkts mit der Zeit
t zu. Zum Zeitpunkt t3 kreuzt die Soll-Position
des unteren Umkehrpunkt u– die Ruheposition n0. Nun beginnt die Steuerschaltung 16, auch
negative Halbwellen auszugeben. Die zeitliche Entwicklung von deren
Ladungsmenge Q– ist in dem unteren
Diagramm von 3 gezeigt.
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Die
Ladungsmengen Q+, Q– nehmen
zu, bis die Soll-Auslegungen u+, u– die
Endpositionen N-ε bzw. ε erreicht
haben und somit der stationäre
Betriebszustand des Linearverdichters erreicht ist. Auch hier sind
Ladungsmengen der positiven und negativen Halbwellen noch unterschiedlich,
um die Abweichung zwischen der vom Druck des Kältemittels in der Verdichterkammer
beeinflussten Ruheposition n0 des Ankers 6 und
der Mittelposition N/2 der Ankerbewegung zu kompensieren.
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Wenn
sich im Laufe des Betriebs des Linearverdichters das Kältegerät abkühlt und
der Kältemitteldruck,
gegen den die Verdichtereinheit 2 anarbeitet, verringert,
verlagert sich auch die Ruheposition, die der Anker 6 bei
ausgeschaltetem Antrieb einnehmen würde. Dies würde, wenn nicht gegengesteuert wird,
zu einer Verlagerung der gesamten Ankerbewegung nach rechts in 1 und
damit schlüssig
zu einem Anschlagen des Kolbens 11 gegen die Ventilklappe 17 führen. Indem
die Steuerschaltung 16 die Ladungsmenge der positiven Halbwellen
reduziert, wenn sie eine Bewegung des Ankers über den oberen Soll-Umkehrpunkt N-ε hinaus erfasst
und dementsprechend die Ladungsmenge der unteren Halbwellen erhöht, wird
eine solche Verlagerung der Bewegung vermieden, so dass die Verdichtereinheit 2 jederzeit
mit minimalem Totvolumen arbeitet, ohne dass es zum Anschlagen des
Kolbens 11 in der Verdichterkammer 10 kommt.