DE102006009256A1

DE102006009256A1 - Linearantrieb und Linearverdichter mit anpassbarer Leistung

Info

Publication number: DE102006009256A1
Application number: DE102006009256A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dr. Reinschke
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2006-02-28
Filing date: 2006-02-28
Publication date: 2007-08-30
Also published as: US20090304525A1; WO2007098995A1; CN101395371A; RU2435072C2; EP1991782A1; RU2008136733A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin- und herbeweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) und einem ersten (21) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin- und herbeweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, wobei entweder die Läufernulllage (13) bzw. die Kolbennulllage (23) verstellbar ist und/oder mindestens ein Federelement (14, 15) an dem Läufer (5) bzw. an dem Verdichterkolben (6) wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt werden kann, und/oder dessen Federkonstante geändert, insbesondere erhöht werden kann; und ein Verfahren zum Kühlen von Waren (27) bzw. zum Verdichten eines Fluids (18). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anpassung der von der Vorrichtung abgegebenen Leistung keinen wesentlichen Einfluss auf den elektromechanischen Wirkungsgrad der Vorrichtung aufweist, wodurch ein Linearantrieb (2) und ein Linearverdichter (3) besonders kostengünstig gebaut werden können, da die Vielfalt der Produkte erheblich reduziert werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sowie ein Verfahren zum Kühlen einer Ware und/oder zum Verdichten eines Fluids.

Derzeit werden Linearverdichter für Haushaltskältegeräte, wie z. B. Kühl- und/oder Gefrierschränke oder Klimaanlagen entwickelt. Solche Verdichter werden in verschiedenen Leistungsklassen benötigt, z. B. mit 7 Kälteleistungen von 40 W, 70 W, 80 W, 100 W, 120 W, 140 W und 160 W. Hierbei werden die Verdichter für die verschiedenen Leistungsklassen so ausgelegt, dass sie einen optimalen Wirkungsgrad für die jeweilige Kälteleistung erreichen. Bei bekannten Linearverdichtern ist eine spezielle Auslegung des Linearverdichters für die einzelnen Kälteleistungen erforderlich. Eine derartige Auslegung ist aufwändig, kostenintensiv und erhöht das Spektrum der benötigten Komponenten und Ersatzsteile beträchtlich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearantrieb und einen Linearverdichter anzugeben, der vergleichsweise einfach in Serie herzustellen ist und zuverlässig und energiesparsam arbeitet. Darüber hinaus ist es Aufgabe ein Verfahren zum Kühlen von Waren bzw. zum Verdichten eines Fluids anzugeben, welches für verschiedene Kälteleistungen einsetzbar ist und zuverlässig und energiesparsam arbeitet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung und durch das Verfahren wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferum kehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer ersten Variante vor, dass die Läufernulllage bzw. die Kolbennulllage verstellbar ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer zweiten Variante vor, dass mindestens ein Federelement an dem Läufer bzw. an dem Verdichterkolben wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt, werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer dritten Variante vor, dass mindestens ein Federelement an dem Läufer bzw. an dem Verdichterkolben wirkt, dessen Federkonstante verändert bzw. erhöht werden kann.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer vierten Variante vor, dass die vom Linearverdichter bzw. vom Linear antrieb verrichtbare mechanische Leistung reduziert werden kann, insbesondere von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6, vorzugsweise von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,5, wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei der Änderung der mechanischen Leistung stets größer als 60 %, insbesondere größer als 70 %, vorzugsweise größer als 80 %, ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer fünften Variante der Erfindung vor, dass der elektromechanische Wirkungsgrad bei Reduktion der mechanischen Leistung für einen normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6 im Durchschnitt mit einer Steigung < 0.8, insbesondere mit einer Steigung < 0.5, vorzugsweise mit einer Steigung < 0.2, besonders bevorzugt mit einer Steigung < 0.1, fällt.

Die fünf Varianten der Erfindung stehen nebeneinander, können jedoch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den verschiedenen Varianten, ist es möglich, ein oder zwei konstruktive verschiedene Bautypen von Linearantrieben bzw. Linearverdichtern zu bauen, die hardwaremäßig und softwaremäßig so einstellbar sind, dass hiermit sämtliche Leistungsklassen über einen Faktor 4 in der Leistung, beispielsweise zwischen 40 W und 160 W, abgedeckt werden können. Das Spektrum der für ein Abdecken sämtlicher Leistungsklassen benötigten Geräteteile wird in der Summe erheblich reduziert, wodurch die Kosten eines Linearverdichters für eine einzelne Leistungsklasse reduziert werden.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb ist insbesondere für einen Linearverichter geeignet und bestimmt.

Während bei bekannten Linearantrieben bzw. Linearverdichtern eine für den Wechsel einer Kälteleistung erforderliche geänderte Ansteuerung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters zu einer erheblichen Reduzierung des elektromechanischen Wirkungs grades führte, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung in den angegebenen Varianten auch bei Veränderung bzw. Anpassung der Kälteleistung mit einem großen Wirkungsgrad.

Der Läufer bzw. der Verdichterkolben führt eine Hin- und Herbewegung zwischen zwei jeweiligen Umkehrpunkten durch, an denen sich die Bewegungsrichtung ändert. Hierbei oszilliert der Läufer bzw. der Verdichterkolben um eine jeweilige Nulllage. Die jeweiligen Nulllagen werden durch das mechanische Schwingungssystem des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters vorgegeben. Bei einer symmetrischen Auslegung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters befindet sich die Nulllage mittig zwischen den beiden Umkehrpunkten.

Wird eine Kälteleistungsstufe gewechselt, führt der Läufer bzw. der Verdichterkolben in der Regel einen anderen Hub aus.

Bei Verringerung der Kälteleistung eines Linearverdichters wird beispielsweise die Amplitude eines Kolbenhubs verringert. Um den Linearverdichter besonders effizient zu betreiben, ist es vorteilhaft ein im Kolbengehäuse befindliches Totvolumen zu verringern. Arbeitet der Linearverdichter bei einem geringeren Kolbenhub, so verringert sich sein Wirkungsgrad, entweder dadurch dass das Totvolumen vergrößert wird, oder dass der elektromechanische Motorwirkungsgrad verschlechtert wird.

Es wurde erkannt, dass eine Verschlechterung des elektromechanischen Motorwirkungsgrades bei Änderung des Kolbenhubs und der Beibehaltung eines möglichst geringen Totvolumens bei bekannten Vorrichtungen seinen Ursprung darin hat, dass im veränderten zweiten Umkehrpunkt eine Feder weniger stark vorgespannt ist, sie also weniger Energie enthält, so dass eine fehlende Feder(-energie) zusätzlich elektrisch in der Kompressionshalbwelle zugeführt werden muss. Eine zwischen Kompressions- und Expansionshalbwelle ungleiche elektrische Energiezufuhr verschlechtert den elektromagnetischen Wirkungsgrad. Darüberhinaus können weitere nachteilige Effekte auftreten: Wenn der zweite Umkehrpunkt soweit angehoben wird, das die Federenergie im zweiten Umkehrpunkt geringer ist als die Summe aus Federenergie im ersten Umkehrpunkt und Restgasenergie (aufgrund des nicht verschwindenden Totvolumens am ersten Umkehrpunkt), muss während der Expansionshalbwelle elektrisch gebremst werden. Das elektrische Bremsen führt zu einem weiteren Energieverlust und einer Reduzierung des Wirkungsgrads des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs.

Durch die Anpassung der Läufernulllage bzw. durch die Anpassung der Kolbennulllage wird das mechanische System auf die veränderten Bedingungen angepasst und der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter können trotz Änderung der Leistungsklasse weiterhin nahe an ihrem Wirkungsgradmaximum arbeiten.

Die Änderung er Läufernulllage bzw. der Kolbennulllage kann durch eine Änderung der Länge eines verwendeten Federelements bewirkt werden. Unter Federelementen sind sämtliche Federn, wie z. B. Membran- oder Schraubenfedern sowie entsprechende zusammengesetzte Federpakete zu verstehen. Durch die Änderung der Länge des Federelements kann die Kolbennulllage so verschoben werden, dass der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann.

Durch die Veränderung der Länge des Federelements oder der Federkonstante des Federelements kann jedoch auch, ohne die Läufernulllage bzw. die Kolbennulllage zu ändern, die Eigenfrequenz des mechanischen Systems derart stark verschoben werden, dass der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter bei einer entsprechend geänderten Frequenz arbeitet, wodurch ebenso die Leistung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters beeinflusst werden kann.

Je nach Bauform des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs kann es günstiger sein, die Länge des Federelements oder die Federstärke des Federelements zu verändern. Dazu kann einerseits die Feder als solche verkürzt werden, d. h. die Länge der Feder im entspannten Zustand wird verändert durch beispielsweise Veränderung der Aufhängung der Feder, die Feder kann jedoch auch stärker gestaucht werden, wodurch sich die Länge des Federelements im eingebauten Zustand im Linearverdichter bzw. im Linearantrieb verändert. Eine Änderung der Federkonstante kann beispielsweise durch Hinzufügen von Verstärkungselementen an der Feder bewirkt werden. Die Verkürzung der Feder kann irreversibel, beispielsweise zur abknipsen eines Teils der Feder, sein.

Durch die Veränderung der Läufernulllage bzw. der Kolbennulllage und/oder durch Veränderung der Länge des Federelements und/oder durch Veränderung der Federkonstante des Federelements kann der Linearantrieb bzw. Linearverdichter an seinem optimalen Vertriebspunkt betrieben werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der elektromechanische Wirkungsgrad bei einer Änderung der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6 stets größer als 80 % ist. Der nominale Leistungswert eines Linearverdichters bzw. eines Linearantriebs entspricht der maximalen, im Dauerbetrieb vorgesehenen Leistungsabgabe des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs. Die verrichtbare mechanische Leistung wird auf diesen nominalen Leistungswert bezogen.

Ist ein Linearverdichter beispielsweise für 32 W ausgelegt, bedeutet ein normierter nominaler Leistungswert von 0,6, dass der Linearverdichter mit 0,6 × 32 = 19,2 W betrieben wird. Der elektromechanische Wirkungsgrad ist definiert durch

wobei P_mech die am Linearverdichter verrichtete mechanische Leistung und P_ohm die ohmsche Verlustleistung ist. Der so dargestellte elektromechanische wirkungsgrad spiegelt lediglich Näherungsweise den tatsächlichen elektromechanischen Wirkungsgrad wieder, da er nicht die Elektronikverluste für Positionsmessung, Prozessor und Antriebsspulenstromregler (Mosfettbrücke) berücksichtigt.

Der elektromechanische Wirkungsgrad fällt vorteilhafterweise bei Reduktion der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6 im Durchschnitt mit einer Steigung < 0,1. Bei geeigneter Dimensionierung der Federelemente, der bewegenden Massen und der Umkehrpunkte bzw. Nulllagen kann der elektromechanische Wirkungsgrad trotz Veränderung der von dem Linearantrieb bzw. dem Linearverdichter verrichteten mechanischen Leistung im Wesentlichen beibehalten bleibt. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen ein erheblich reduzierter elektromechanischer Wirkungsgrad hingenommen werden musste, wenn die abgegebene mechanische Leistung um mehr als 10 % reduziert wurde.

Durch die Erfindung wird ein energiesparsamer, effizienter und zuverlässiger Betrieb des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters auch dann ermöglicht, wenn die Leistungsstufe des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters geändert wird. Hierdurch wird die Herstellung eines Satzes von verschiedenen Linearverdichtern bzw. Linearantrieben für verschiedene Leistungsstufen vereinfacht und kostengünstiger. Mit dem angegebenen Linearverdichter bzw. Linearantrieb ist es möglich, sämtliche Leistungsstufen, insbesondere sämtliche Kälteleistungsklassen von Linearverdichtern von 40 W bis 160 W, mit lediglich zwei konstruktiv verschiedenen Linearverdichtern bzw. Linearantrieben abzudecken. Hierzu wird ein Linearverdichter bzw. ein Linearantrieb auf eine maximale Leistungsstufe, z. B. einen maximale Kälteleistung von 160 W, ausgelegt und kann auf die Hälfte, beispielsweise auf ca. 80 W Kälteleistung, abgesenkt werden, ohne dass strukturelle Änderungen am Linearverdichter erforderlich sind. Ein zweiter Linearverdichter bzw. ein zweiter Linearantrieb wird für die maximale Kälteleistung von 80 W ausgelegt und kann bis auf ca. 40 W Kälteleistung abgesenkt werden. Auch wenn ein solcher unterhalb der maximalen Leistungsstufe betriebener Linearverdichter bzw. seiner elektrischen Auslegung (z. B. die Antriebsspulen oder die Antriebsspulenstromschaltung) etwas überdimensioniert ist, sind die Einspareffekte durch die drastisch reduzierte Vielfalt und damit einhergehend die Produktstückzahlenerhöhung vorteilhaft.

Darüberhinaus kann die Anpassmöglichkeit der Nulllagen, der Federkonstanten bzw. der Federlängen auch dazu verwendet werden, um das mechanische Schwingungssystem bei den üblichen Fertigungstoleranzen fein abzustimmen, insbesondere die Eigenfrequenz präzise einzustellen. Ein Verfahren zum Abstimmen der Eigenfrequenz eines Linearantriebs, und/oder mit einem Linearverdichter, ist besonders vorteilhaft.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Antriebsspule, die mit einem elektromagnetischen Kraft auf den Läufer bzw. auf den Verdichterkolben einwirkt, und ein Mittel zur Steuerung der Antriebsspule vorgesehen, wobei mit dem Mittel die Lage des ersten Läuferumkehrpunktes bzw. des ersten Kolbenumkehrpunktes verstellbar ist.

Mit Hilfe des Mittels kann steuerungsseitig, z.B. softwareseitig, die Lage des ersten Läuferumkehrpunktes bzw. des ersten Kolbenumkehrpunktes verstellt werden.

Die Ansteuerung der Antriebsspule kann auch im Rahmen einer Regelung erfolgen, bei der Sensoren vorgesehen sind, welche die Position des Läufers bzw. die Position des Verdichterkolbens erfassen und anhand der Positionsinformation eine entsprechende Ansteuerung der Antriebsspule bewirkt wird. Die Hin- und Herbewegung des Läufers bzw. des Verdichterkolbens kann somit sowohl gesteuert als auch geregelt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Läufernulllage relativ zum ersten Läuferumkehrpunkt bzw. die Kolbennulllage relativ zum ersten Kolbenumkehrpunkt derart verstellbar, dass der Läufer bzw. der Verdichterkolben bei Änderung des Umkehrpunktes eine im Wesentliche symmetrische Schwingung um die verstellte Nulllage ausführen kann.

Durch die Anpassung der Nulllagen an die jeweiligen geänderten Umkehrpunkte kann die steuerungs- bzw. regelungstechnische Sollbewegung mit der natürlichen Bewegung des physikalischen Schwingungssystems zur Deckung gebracht werden. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs erzielt.

Durch die Anpassung der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems kann die abgegebene Leistung beeinflusst und der Wirkungsgrad optimiert werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Läufer und/oder der Verdichterkolben zwischen einem arbeitsseitigen Federelement und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement eingespannt.

Arbeitsseitig bedeutet hier die Seite, an der die Arbeit verrichtet werden soll. Bei einer Kolbenstange, welche den Linearantrieb mit dem Linearverdichter verbindet, weist die Arbeitsseite zum Verdichterkolben hin. Die gegenüberliegende Seite weist zum Läufer hin. Durch das Einspannen wird eine besonders stabile Hin- und Herbewegung bewirkt.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Federelemente verschiedene Federkonstanten und/oder verschiedene Federlängen auf.

Die Federelemente sind vorteilhafterweise für jede Position des Läufers bzw. des Verdichterkolbens unter Spannung und weisen im eingespannten Zustand eine Länge auf, die kleiner als 95 % der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere kleiner als 90 % der ungedrückten Federelementlänge ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass beide Federele mente für jede Läufer- bzw. Verdichterkolbenstellung einen Spannungszustand aufweisen, welches ebenso einer stabilen Hin- und Herbewegung dient.

Um ein Anschlagen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, dass die Federelemente für jede Position des Läufers bzw. des Verdichterkolbens eine Länge aufweisen, die größer als 40 % ungedrückten Federelementlänge, insbesondere größer als 50 % der ungedrückten Federelementlänge ist. Hierdurch wird vermieden, dass die Federelemente niemals soweit zusammengedrückt werden, dass sich die einzelnen Federverbindungen berühren. Hierdurch wird ein hartes Anschlagen wirksam vermieden.

In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eines der folgenden Merkmale (α1) bis (α6) erfüllt.

(α1) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine Federkonstante im Bereich von 1 N/mm bis 5 N/mm, insbesondere im Bereich von 1,8 N/mm bis 3,6 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 2,3 N/mm bis 2,9 N/mm, auf;
(α2) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine Federkonstante im Bereich von 4 N/mm bis 12 N/mm, insbesondere im Bereich von 6,5 N/mm bis 9,5 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 7,5 N/mm bis 8,5 N/mm, auf;
(α3) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 40 mm bis 60 mm, insbesondere im Bereich von 48 mm bis 62 mm, auf;
(α4) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 25 mm bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 30 mm bis 36 mm, auf;
(α5) der Hub des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolben (6) beträgt zwischen 10 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 12 mm und 20 mm;
(α6) der erste Läuferumkehrpunkt (11) bzw. der erste Kolbenumkehrpunkt (21) kann um mindestens 5 mm, insbesondere um mindestens 10 mm, vorzugsweise um 20 mm, verschoben werden.

Besonders vorteilhaft ist eine Kombination der Merkmale (α1) bis (α6), wobei jedoch die einzelnen Merkmale jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite Läuferumkehrpunkt und/oder der zweite Kolbenumkehrpunkt fixiert sind. Hierdurch kann beispielsweise bei Linearverdichtern sichergestellt werden, dass das im Kolbengehäuse befindliche Totvolumen möglichst gering gehalten wird, welches den Wirkungsgrad des Linearverdichters verbessert.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Kühlgerät, insbesondere als Kühl- und/oder Gefrierschrank oder als Klimaanlage ausgestaltet sein.

Zwar wurde vorstehend auf die unterschiedlichen Varianten der Erfindung separat eingegangen, jedoch können die Varianten auch beliebig miteinander kombiniert werden. Die Varianten stehen teilweise überlappend, teilweise überlappungsfrei nebeneinander.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen einer Ware und/oder zum Verdichten eines Fluids verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung. Aufgrund der hohen Effizienz des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters, die hohe Zuverlässigkeit und Energiesparsamkeit können Waren zügig, zuverlässig und energiesparsam gekühlt bzw. ein Fluid zuverlässig und effizient verdichtet werden, selbst wenn es erforderlich ist, mit unterschiedlichen Leistungsstufen zu arbeiten.

Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Besonderheiten werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die vorliegende Erfindung nicht einschränken sondern lediglich exemplarisch illustrieren soll, näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht;
2 ein Kältegerät mit einer Vorrichtung nach 1;
3 einen Graph, bei dem der elektromechanische Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie einer bekannten Vorrichtung gegenüber einer damit bewirkten Leistungsabgabe aufgetragen ist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer Schnittansicht mit einem Linearantrieb 2 und einem Linearverdichter 3. Der Linearantrieb 2 weist einen Stator 4 auf, in dem sich entlang einer Antriebsachse 9 ein Läufer 5 hin und her bewegt. Der Läufer 5 wird mit Hilfe einer Antriebsspule 16 angetrieben, die mit einem Antriebsspulenstrom von einem Mittel 17 zum Ansteuern der Antriebsspule 16 aufschlagt wird. Der Läufer 5 oszilliert zwischen einem ersten Läuferumkehrpunkt 11 und einem zweiten Läuferumkehrpunkt 12 und durchläuft dabei eine Läufernulllage 13. Die Bewegung des Läufers 5 wird mit Hilfe eines Positionssensors 25 erfasst, der die Positionsinformation an das Mittel 17 zum Ansteuern der Antriebsspule 16 weitergibt, so dass insgesamt ein Regelkreis für die Bewegung des Läufers 5 realisiert wird.
Der Linearverdichter 3 weist ein Kolbengehäuse 7 auf, in dem ein Verdichterkolben 6 entlang einer Kolbenachse 8 zwischen einem ersten Kolbenumkehrpunkt 21 und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt hin und her oszilliert. Der Verdichterkolben 6 verdichtet während seiner Hin- und Herbewegung ein Fluid 18, welches über einen Sauganschluss 18 eingesaugt wird und über einen Druckanschluss 29 ausgestoßen wird. Das Ansaugen und Ausstoßen des Fluids 18 wird mit Hilfe einer Ventilplatte 30 geschaltet. Der Verdichterkolben ist in dem Kolbengehäusen 7 durch eine Öffnungen 19 aufweisende Gehäusewand 20 berührungslos gelagert. Mit Hilfe einer Zuführung 31 wird Fluid 18 durch die Öffnungen 19 gedrückt, so dass ein Gaspolster zwischen der Gehäusewand 20 und dem Verdichterkolben 6 aufgebaut wird, wodurch eine Gasdrucklagerung bewirkt wird.
Der Läufer 5 ist mit dem Verdichterkolben 6 über eine Kolbenstange 24 verbunden, welche zur Aufnahme von Biegekräften zwei Kupplungen 26 aufweist. Die Nulllagen 13, 23 werden durch die Anordnung von Federelementen 14, 15 definiert. Der Verdichterkolben 6 wird zwischen einem arbeitsseitigen Federelement 14 und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement 15 eingespannt. Das arbeitsseitige Federelement weist eine Länge L1 auf und das gegenüberliegende Federelement 15 weist eine Länge L2 auf. Die ungedrückte Federlänge des arbeitsseitigen Federelements beträgt 59 mm. Die ungedrückte Federlänge des gegenüberliegenden Federelements 15 beträgt 33 mm. Die Nulllagen 13, 23 können mit Hilfe eines Verstellmittels 34 verstellt werden. Der Linearverdichter arbeitet bei einem nominalen Leistungswert von 80 W. Soll der nominale Leistungswert auf 40 W reduziert werden, werden die Federelemente 14, 15 durch das Verstellmittel 34 gestaucht und die Ansteuerung der Antriebsspulen mit dem Mittel 17 angepasst, so dass die An triebsschwingung an der Spule 16 in etwa mit der natürlichen physikalischen Bewegung übereinstimmt. Hierdurch wird ein Bremsen des Linearantriebs 2 vermieden und ein besonders hoher Wirkungsgrad auch dann erreicht, wenn der Linearverdichter 3 bei 40 W betrieben wird.
2 zeigt ein Kältegerät 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, mit der Waren 27 zügig, effizient und energiesparsam gekühlt werden können. Für ein Produktspektrum von 7 Kühlschränken mit unterschiedlichen Leistungsstufen von 40 W bis 160 W sind lediglich zwei verschiedene Linearverdichterkonstruktionen erforderlich, wodurch die Herstellungskosten eines einzelnen Kühlschrankes reduziert werden. Durch den hohen Wirkungsgrad ist ein effizientes und energiesparendes Kühlen der Waren 27 möglich.
3 zeigt den elektromechanischen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Linearverdichters (siehe Kurve 33) sowie den Wirkungsgrad für einen bekannten Linearverdichter (siehe Kurve 32) in Abhängigkeit von der jeweiligen von den Linearverdichtern abgegebenen Leistung. Der elektromagnetische Wirkungsgrad ist definiert als
Die abgegebene Leistung ist normiert auf die nominale Leistung, d.h. die maximale, im Dauerbetrieb von dem Kältegerät erzielbare Leistung. Man erkennt, dass bei bekannten Linearverdichtern, der Wirkungsgrad im Wesentlichen linear von der abgegebenen Leistung abhängt, während bei dem erfindungsgemäßen Linearverdichter der elektromagnetische Wirkungsgrad für abgegebene Leistungen von 100 % bis 50 % im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 mit einem Linearantrieb 2, der einen Stator 4 und einen darin entlang einer Antriebsachse 9 zwischen einem ersten 11 und einem zweiten 12 Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage 13 hin und her beweglichen Läufer 5 aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter 3, der ein Kolbengehäuse 7 und einen darin entlang einer Kolbenachse 8 und einem ersten 21 und einem zweiten 22 Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage 23 hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb 2 antreibbaren Verdichterkolben 6 aufweist, wobei entweder die Läufernulllage 13 bzw. die Kolbennulllage 23 verstellbar ist und/oder mindestens ein Federelement 14, 15 an dem Läufer 5 bzw. an dem Verdichterkolben 6 wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt werden kann, und/oder dessen Federkonstante geändert, insbesondere erhöht werden kann; und ein Verfahren zum Kühlen von Waren 27 bzw. zum Verdichten eines Fluids 18.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anpassung der von der Vorrichtung abgegebenen Leistung keinen wesentlichen Einfluss auf den elektromechanischen Wirkungsgrad der Vorrichtung aufweist, wodurch ein Linearantrieb 2 und ein Linearverdichter 3 besonders kostengünstig gebaut werden können, da die Vielfalt der Komponententeile erheblich reduziert werden kann.

1: Vorrichtung
2: Linearantrieb
3: Linearverdichter
4: Stator
5: Läufer
6: Verdichterkolben
7: Kolbengehäuse
8: Kolbenachse
9: Antriebsachse
10: Kältegerät
11: erster Läuferumkehrpunkt
12: zweiter Läuferumkehrpunkt
13: Läufernulllage
14: arbeitsseitiges Federelement
15: gegenüberliegendes Federelement
16: Antriebsspule
17: Mittel zum Ansteuern des Antriebsspule 16
18: Fluid
19: Öffnungen
20: Gehäusewand
21: erster Kolbenumkehrpunkt
22: zweiter Kolbenumkehrpunkt
23: Kolbennulllage
24: Kolbenstange
25: Positionssensor
26: Kupplung
27: Ware
28: Sauganschluss
29: Druckanschluss
30: Ventilplatte
31: Zuführung
32: Wirkungsgrad ohne Nulllagenanpassung
33: Wirkungsgrad mit Nulllagenanpassung
34: Verstellmittel
L1: Länge des arbeitsseitigen Federelements 14
L2: Länge des gegenüberliegenden Federelements 15

Claims

Vorrichtung (1) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufernulllage (13) bzw. die Kolbennulllage (23) verstellbar ist.
Vorrichtung (1) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (14, 15) an dem Läufer (5) bzw. an dem Verdichterkolben (6) wirkt, dessen Länge (L1, L2) verändert, insbesondere verkürzt, werden kann und/oder dessen Federkonstante verändert, insbesondere erhöht, werden kann.
Vorrichtung (1) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (12) Läu ferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Linearverdichter (3) bzw. vom Linearantrieb (2) verrichtbare mechanische Leistung reduziert werden kann, insbesondere von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6, vorzugsweise von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.5, wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei der Änderung der mechanischen Leistung stets größer als 60 %, insbesondere größer als 70 %, vorzugsweise größer als 80 %, ist, und/oder wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei Reduktion der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6 im Durchschnitt mit einer Steigung kleiner als 0.8, insbesondere mit einer Steigung kleiner als 0.5, vorzugsweise mit einer Steigung kleiner als 0.2, besonders bevorzugt mit einer Steigung kleiner als 0.1, fällt.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsspule (16), die mit einer elektromagnetischen Kraft auf den Läufer (5) bzw. auf den Verdichterkolben (6) einwirkt, und ein Mittel (17) zur Steuerung der Antriebsspule (16) vorgesehen sind, wobei mit dem Mittel (17) die Lage des ersten Läuferumkehrpunkts (11) bzw. des ersten Kolbenumkehrpunkts (21) verstellbar ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufernulllage (13) relativ zum ersten Läuferumkehrpunkt (11) bzw. die Kolbennulllage (23) relativ zum ersten Kolbenumkehrpunkt (21) derart verstellbar ist, dass der Läufer (5) bzw. der Verdichterkolben (6) bei Änderung des Umkehrpunkts (11, 21) eine im Wesentlichen symmetrische Schwingung um die verstellte Nulllage (13, 23) ausführen kann.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (5) und/oder der Verdichterkolben (6) zwischen einem arbeitsseitigen Federelement (14) und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement (15) eingespannt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) verschiedene Federkonstanten und/oder verschiedene Federlängen (L1, L2) aufweisen.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) für jede Position des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolbens (6) eine Länge aufweisen, die kleiner als 95 % der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere kleiner als 90 % der ungedrückten Federelementlänge, ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) für jede Position des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolbens (6) eine Länge (L1, L2) aufweisen, die größer als 40 % der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere größer als 50 % der ungedrückten Federelementlänge, ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale (α1) bis (α6): (α1) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine Federkonstante im Bereich von 1 N/mm bis 5 N/mm, insbesondere im Bereich von 1,8 N/mm bis 3,6 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 2,3 N/mm bis 2,9 N/mm, auf; (α2) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine Federkonstante im Bereich von 4 N/mm bis 12 N/mm, insbesondere im Bereich von 6,5 N/mm bis 9,5 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 7,5 N/mm bis 8,5 N/mm, auf; (α3) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 40 mm bis 60 mm, insbesondere im Bereich von 48 mm bis 62 mm, auf; (α4) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 25 mm bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 30 mm bis 36 mm, auf; (α5) der Hub des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolben (6) beträgt zwischen 10 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 12 mm und 20 mm; (α6) der erste Läuferumkehrpunkt (11) bzw. der erste Kolbenumkehrpunkt (21) kann um mindestens 5 mm, insbesondere um mindestens 10 mm, vorzugsweise um 20 mm, verschoben werden.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Läuferumkehrpunkt (12) und/oder der zweite Kolbenumkehrpunkt (22) fixiert ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kühlgerät (20), insbesondere als Kühl- und/oder Gefrierschrank oder als Klimaanlage, ausgestaltet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 in Verbindung einem der Ansprüche 2 bis 12 umfassend die Merkmale des Anspruchs 2 und/oder des Anspruchs 3.
Verfahren zum Kühlen einer Ware (17) und/oder Verdichten eines Fluids (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet.