DE102006009274A1

DE102006009274A1 - Linearverdichter bzw. Kältegerät umfassend eine Abflusseinrichtung für Fluidkondensat

Info

Publication number: DE102006009274A1
Application number: DE102006009274A
Authority: DE
Inventors: Marco Giacchi; Thorsten Kusnik; Jan-Grigor Schubert
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: CN101395373B; EP1991778A1; RU2429377C2; WO2007098981A1; CN101395373A; US8601935B2; RU2008135951A; US20100218548A1

Abstract

Der erfindungsgemäße Linearverdichter (1) bzw. das erfindungsgemäße Kältegerät, umfassend diesen Linearverdichter (1), umfasst ein Kolbengehäuse (2) und eine darin entlang einer Achse (3) hin- und herbeweglichen Verdichterkolben (4), wobei der Verdichterkolben (4) in dem Kolbengehäuse (2) mit Hilfe einer Öffnungen (5) aufweisenden Gehäusewand (6) und eines durch die Öffnungen (5) strömenden gasförmigen Fluids gelagert wird, wobei eine Abflusseinrichtung (16, 16', 16'', 16''') für Fluidkondensat vorgesehen ist und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer und einen besonders hohen Wirkungsgrad aus.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter bzw. eine Kältegerät umfassend ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin- und her beweglichen Verdichterkolben, wobei der Verdichterkolben in dem Kolbengehäuse mit Hilfe einer Öffnung aufweisenden Gehäusewand und eines durch die Öffnung strömenden gasförmigen Fluids gelagert wird.

Bei ölfreien Linearverdichtern wird ein Verdichterkolben durch ein Polster aus gasförmigem Kältemittel, das durch Mikroöffnungen durch eine Gehäusewand eines Kolbengehäuses nach innen zum Verdichterkolben einströmt, von der Gehäusewand getrennt. Für eine Aufrechterhaltung dieser durch das Polster vermittelten Gasdrucklagerung ist eine kontinuierliche Gaszufuhr erforderlich, da es sonst zu einem Kontakt des Verdichterkolbens mit der Gehäusewand kommt, der Reibung bewirkt und damit zu Verschleiß führt. Es ist bekannt, für die Bildung des Gaspolsters eine Vielzahl von in die Zylinderwand eingebrachten Mikrobohrungen vorzusehen. US 6,575,716 sieht eine in der Gehäusewand umlaufende Nut mit der zentralen Versorgungsbohrung vor.

Während der Anlaufphase des Verdichters, die üblicherweise mehrere Minuten dauert, bis zu dem Zeitpunkt bis der Verdichter seine Arbeitstemperatur erreicht hat, kann eine Teilmenge eines von dem Verdichter verdichteten Kältemittels aufgrund einer niedrigen Temperatur bei gleichzeitig hohem Druck kondensieren. Das Kondensat bildet sich meist an der Außenseite der als Zylinderhülse ausgestalteten Gehäusewand, wodurch die in der Gehäusewand eingebrachten Mikrobohrungen benetzt und damit verstopft werden. Durch die Benetzung der Mikrodüsen wird eine Zufuhr des für die Gasdrucklagerung erforderlichen Gasstroms erheblich erschwert und kann zu einer Funktionsuntüchtigkeit der Gasdrucklagerung führen, wenn größere Bereiche benetzt sind. Dieser Kondensationseffekt kann durch den Druckunterschied vor und hinter der Mikrobohrung noch verstärkt werden, wenn ein Kältemittel an der Gehäuseinnenwand verdampft, da eine Verdampfung die Gehäusewand weiter abkühlt.

Der Zustand der durch Kühlmittelkondensation verstopften Mikrobohrungen dauert in der Regel etwa 10 Minuten. Er kann jedoch auch erheblichlänger andauern. Er endet erst dann, wenn die Reibung des Verdichterkolbens an der Gehäusewand und die Verdichtungswärme das ganze System ausreichend aufgewärmt haben, so dass ein kritischer Temperaturbereich überschritten ist.

Unter gewissen Umständen kann die Verdampfungskälte die Kondensation des Kältemittels stabilisieren, so dass die Reibungswärme nicht ausreicht, um den kritischen Temperaturbereich zu verlassen und erst bei erheblichem Schaden des Linearverdichters ist die Reibung groß genug, um genügend Wärme zu erzeugen. Diese Situation ist jedoch unerwünscht, da hierdurch der Wirkungsgrad des Linearverdichters reduziert und die Lebensdauer des Linearverdichters verringert ist.

Bislang wurden besonders harte Oberflächenbeschichtungen des Verdichterkolbens vorgesehen, die einen Verschleiß der Reibphasen bei An- und Auslauf auf ein vertretbares Maß reduzieren. Derartige Oberflächenbeschichtungen sind jedoch vergleichsweise aufwändig herzustellen.

Durch eine geeignete Wärmebrücke der Druckseite des Linearverdichters mit dem Gasdrucklager kann eine dauerhafte Kondensation verhindert werden. Ein Leistungsverlust während der Anlaufphase wurde bislang in Kauf genommen.

Damit ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearverdichter bzw. eine Kältegerät umfassend diesen Linearverdichter sowie ein Herstellungsverfahren hierfür bereitzustellen, womit auf einfache Weise die Betriebsdauer erhöht und der Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe ein Verfahren zum Kühlen von Waren anzugeben, welches ein besonders zügiges, zuverlässiges und energiesparendes Kühlen von Waren zulässt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch den Linearverdichter, durch das Kältegerät, durch das Herstellungsverfahren sowie durch das Verfahren zum Kühlen wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Linearverdichter umfasst ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin und her beweglichen Verdichterkolben, wobei der Verdichterkolben in dem Kolbengehäuse mit Hilfe einer Öffnung aufweisenden Gehäusewand und eines durch die Öffnung strömenden gasförmigen Fluids gelagert wird, wobei eine Abflusseinrichtung für Fluidkondensat vorgesehen ist. Das Fluid kann ein Kältemittel sein.

Die Gehäusewand mit den Öffnungen bildet ein Gasdrucklager, welches ein Gaspolster durch eine kontinuierliche Strömung des Fluids in den Zwischenraum zwischen Verdichterkolben und Gehäusewand aufbaut. Das Gaspolster sorgt dafür, dass der Verdichterkolben berührungslos vor der bzw. durch die Gehäusewand gelagert wird. Die Öffnungen können einen mittleren Durchmesser in einem Bereich von 0.005mm bis 0.3 mm, insbesondere in einem Bereich von 0.01 mm bis 0.100 mm, vorzugsweise in einem Bereich von 0.02 mm bis 0.04 mm, aufweisen. Das Fluid kann mittels einer Druckversorgungsleistung von der Druckseite des Linearverdichters bereitgestellt werden. Das Fluid kann ein Kältemittel sein.

Die Abflusseinrichtung sorgt dafür, dass das kondensierte Fluid von den Öffnungen ferngehalten bzw. hiervon abgeleitet wird. Durch die Abflusseinrichtung wird ein Benetzen der Öffnungen verhindert bzw. unterbunden, so dass eine Verstopfung der Öffnungen, die eine zumindest teilweise Funktionsuntüchtigkeit der Gasdrucklagerung zur Folge hätte, vermieden oder zumindest reduziert wird. Die verringerte Benetzung reduziert Reibung und damit den Verschleiß. In der Folge wird die Lebensdauer des Linearverdichters erhöht und sein Wirkungsgrad gesteigert.

In einer ersten Ausgestaltung ist die Abflusseinrichtung durch eine Vertiefung gebildet, die innerhalb des Kolbengehäuses eingebracht ist und ein Sammelbecken für Fluidkondensat bildet.

Das Fluidkondensat fließt in die Vertiefung und sammelt sich dort. Mit Hilfe des Sammelbeckens fließt das Fluidkondensat von der Gehäusewand weg und kann somit keine weiteren Öffnungen benetzen bzw. verstopfen. Die Vertiefung ist dabei so zu bemessen, dass die Menge an während der Anlaufphase des Linearverdichters anfallenden Fluidkondensat aufgenommen werden kann.

In einer zweiten Ausgestaltung wird die Abflusseinrichtung dadurch gebildet, dass eine Druckversorgungsleitung für gasförmiges Fluid an einer tiefsten Stelle des Kolbengehäuses mündet.

Mit Hilfe der Druckversorgungsleitung wird das für die Gasdrucklagerung erforderliche gasförmige Fluid der Gehäusewand zur Verfügung gestellt. Durch die Anordnung der Druckversorgungsleitung an der tiefsten Stelle des Kolbengehäuses dient die Druckversorgungsleitung auch als Rückführungsleitung für das Fluidkondensat. Das Fluidkondensat kann aufgrund der Schwerkraft durch die Druckversorgungsleitung aus dem Inneren des Kolbengehäuses abfließen.

In einer dritten Ausgestaltung sind ein Sauganschluss und ein Druckanschluss vorgesehen, und die Abflusseinrichtung wird dadurch gebildet, dass der Druckanschluss eine tiefste Stelle des Kolbengehäuses bildet.

Bildet sich Fluidkondensat im Inneren des Kolbengehäuses, sammelt sich dieses an der tiefsten Stelle des Kolbengehäuses und kann über den Druckanschluss aus dem Kolbengehäuse entweichen.

Vorteilhafterweise wird dann das Fluidkondensat aus dem Linearverdichter heraus in einen Verflüssiger eines Kältesystems gedrückt bzw. fließt aufgrund der Schwerkraft in den Verflüssiger. Auch durch diese Ausgestaltung wird ein Verschleiß des Linearverdichters verringert, da der Grad einer Verstopfung der Öffnungen verringert wird. Durch die Verringerung der Anzahl der verstopften Öffnungen wird eine Verringerung der Reibung bewirkt, wodurch der Wirkungsgrad des Linearverdichters erhöht wird.

In einer vierten Ausgestaltung weist die Gehäusewand eine dem Verdichterkolben zugewandte Seite und eine dem Verdichterkolben abgewandte Seite auf und die Abflusseinrichtung wird dadurch gebildet, dass an der abgewandten Seite der Gehäusewand insbesondere in unmittelbarer Nähe der Öffnungen, Poren und/oder Nuten vorgesehen sind. Die Poren bzw. Nuten haben die Funktion in Bezug auf das Fluidkondensat kapillare Kräfte zu entwickeln, durch die das Fluidkondensat von den Öffnungen weg- bzw. abgeführt wird.

Vorteilhafterweise ist der Durchmesser der Poren bzw. die Breite der Nuten kleiner als der Durchmesser der Öffnungen. Durch eine derartige Dimensionierung der Poren bzw. Nuten wird sichergestellt, dass die kapillaren Kräfte in den Poren bzw. Nuten größer sind als in den jeweiligen Öffnungen, so dass das flüssige Fluidkondensat aufgrund des Porengrößengradienten aus den Öffnungen heraus gezogen wird.

Die Poren können durch ein poröses Material gebildet sein, welches beispielsweise ein gesintertes Metal oder eine gesinterte Keramik ist und auf die Außenseite einer als Zylinderhülse ausgebildeten Gehäusewand aufgebracht wird.

Die Nuten können auch direkt auf die dem Verdichterkolben abgewandte Seite der Gehäusewand eingebracht sein. Beispielsweise können die Nuten durch Einritzen oder Einpressen in die Gehäusewand eingeprägt werden. Auch hier bewirken Adhäsionskräfte der Nuten ein Entziehen des flüssigen Kondensats aus den Öffnungen.

Vorteilhafterweise ist eine Heizung im Kolbengehäuse, insbesondere an und/oder in der Gehäusewand, vorgesehen. Mit Hilfe der Heizung kann Fluidkondensat verdampft werden. Beispielsweise wird die Heizung an der dem Verdichterkolben abgewandten Seite vorgesehen. Mit Hilfe der Heizung kann die Gehäusewand über einen Kondensationspunkt des Fluids erwärmt werden. Dieses Konzept kann prinzipiell auch separat und ohne die Abflusseinrichtung realisiert werden.

Der Betrieb der Heizung kann so gesteuert werden, dass er nur während der Anlaufphasen des Linearverdichters vorgesehen ist. Hierdurch wird die während der Anlaufphase benötigte Wärmemenge bereitgestellt. Unnötige Wärme während des normalen Betriebs des Linearverdichters erzeugt.

In einer speziellen Ausgestaltung ist der Linearverdichter ölfrei. Zur Verringerung des Verschleißes des Linearverdichters ist eine besonders harte Oberflächenbeschichtung des Verdichterkolbens vorgesehen.

Die Gehäusewand ist vorteilhafterweise als Zylinderhülse ausgebildet, in der sich der Verdichterkolben hin- und herbewegt.

Das erfindungsgemäße Kältegerät weist den erfindungsgemäßen Linearverdichter auf. Das Kältegerät zeichnet sich durch eine besondere Langlebigkeit und einen hohen Grad aus. Die Reibung im Linearverdichter wird verringert und der Verschleiß des Verdichterkolbens bzw. der Gehäusewand wird reduziert. Das Kältegerät kann ein Kühlschrank, ein Gefrierschrank und/oder eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen von Waren verwendet das erfindungsgemäße Kältegerät. Es ist in der Lage, Waren, insbesondere Lebensmittel, zügig, zuverlässig und energiesparsam zu kühlen bzw. kühl zu halten.

Weitere vorteilhafte bzw. spezielle Ausgestaltungen werden anhand der folgenden Zeichnung, die die Erfindung nicht beschränken sondern lediglich exemplarisch illustrieren soll, weiter erläutert. Es zeigen schematisch:
1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearverdichters in einer Schnittansicht,
2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearverdichters in einer Schnittansicht.
1 zeigt eine erste Ausgestaltung des Linearverdichters 1 im Längsschnitt mit einem Kolbengehäuse 2, in dem entlang einer Achse 3 ein Verdichterkolben 4 mit Hilfe einer Kolbenstange 18 hin- und herbewegt wird. Der Verdichterkolben 4 wird mit Hilfe einer Gehäusewand 6, welche Öffnungen 5 aufweist, gelagert, indem ein Fluid durch die Öffnungen 5 strömt und ein Gaspolster zwischen der Gehäusewand 6 und dem Verdichterkolben 4 bildet. Bei Aufrechthaltung eines kontinuierlichen Gasstroms durch die Öffnungen 5 wird der Verdichterkolben 4 berührungslos in der als Zylinderhülse ausgebildeten Gehäusewand 6 geführt. Der Linearverdichter 1 weist einen Sauganschluss 9 und einen Druckanschluss 10 auf, die mit Hilfe einer Ventilplatte 17 phasenrichtig zu- bzw. abgeschaltet werden. Das Kolbengehäuse 2 weist eine Vertiefung 7 auf, welche als Abflusseinrichtung 16' für das Fluidkondensat dient. Gebildetes Fluidkondensat läuft von der als Zylinderhülse ausgebildeten Gehäusewand 6 in die Vertiefung 7 und sammelt sich dort. Dieses Fluidkondensat kann dann keine weiteren Öffnungen 5 mehr benetzen. Der konti nuierliche Gasstrom wird mit Hilfe einer Druckversorgungsleitung 8 von dem Druckanschluss 10 bereitgestellt. Die Gehäusewand 6 weist eine dem Verdichterkolben 4 zugewandte Seite 11 und eine dem Verdichterkolben 4 abgewandte Seite 12 auf. An der abgewandten Seite 12 sind in unmittelbarer Nähe der Öffnungen 5 Poren 13 bzw. Nuten 14 vorgesehen, die eine charakteristische Größe, d. h. bei Poren der Durchmesser und bei Nuten die Breite, aufweisen, die kleiner ist als der Durchmesser der Öffnungen 5. Durch eine derartige Dimensionierung entstehen kapillare Kräfte in Bezug auf das Fluidkondensat, welche das Fluidkondensat aus den Öffnungen 5 herausziehen. Das Fluidkondensat wird somit von den Poren 13 bzw. Nuten 14 aufgenommen und die Öffnung 5 wird freigegeben und steht der Gasdrucklagerung für den Verdichterkolben 4 zur Verfügung. Die Poren 13 bzw. Nuten 14 stellen eine weitere Ausführungsform einer Abflusseinrichtung 16'' dar. Das Fluid wird mit Hilfe von Ventilen 21 phasenrichtig zu- bzw. abgeführt.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linearverdichters 1, wobei an einer dem Verdichterkolben 4 abgewandten Seite 12 der Gehäusewand 6 eine Heizung 15 vorgesehen ist, mittels derer die Gehäusewand 6 mit den darin befindlichen Öffnungen 5 so stark erwärmt wird, dass sich kein Fluidkondensat niederschlagen kann bzw. bereits niedergeschlagenes Fluidkondensat verdampft wird. Die Temperatur ist größer als die Kondensationstemperatur des Fluids bei dem im Kolbengehäuse herrschenden mittleren Druck. Die Heizung wird vorteilhafterweise nur während der Anlaufphase des Linearverdichters 1 zugeschaltet und bleibt im normalen Betrieb des Linearverdichters 1 ausgeschaltet. Der Druckanschluss 10 des Verdichtungsraums 22 ist an der tiefsten Stelle eines Deckels 23 des Linearverdichters 1 angebracht, so dass sich ansammelndes flüssiges Fluid, wie z. B. ein Kältemittel aus dem Linearverdichter 1 heraus in einen Verflüssiger des Kältesystems (nicht dargestellt) gedrückt wird bzw. in den Verflüssiger aufgrund der Schwerkraft fließen kann. In dieser Ausgestaltung bildet die Anordnung des Druckanschlusses 10 an der tiefsten Stelle eine Abflusseinrichtung 16''' dar. Weiterhin ist in dem Kolbengehäuse 2 eine Druckversorgungsleitung 8 vorgesehen, die die Gehäusewand 6 mit gasförmigem Fluid von der Druckseite 10 her versorgt und hat ihre Mündung an einer am tiefsten gelegenen Stelle des Kolbengehäuses 2, so dass sich ansammelndes Fluidkondensat über die Schwerkraft über die Druckversorgungsleitung 8 ablaufen kann. Die Druckversorgungsleitung 8 dient somit als Rückführungsleitung für das Fluidkondensat. Bei geeigneter Stellung der Ventilplatte 17 kann das Fluidkondensat zum Druckanschluss 10 hin abfließen.
Die Anordnung der Druckversorgungsleitung 8 an einer tiefsten Stelle des Kolbengehäuses 2 stellt eine weitere Ausgestaltung der Abflusseinrichtung 16 dar.
Die verschiedenen Varianten der Abflusseinrichtung 16, 16', 16'', 16''' bilden verschiedene Maßnahmen zur Vermeidung einer Funktionsuntüchtigkeit des Gasdrucklagers aufgrund von Benetzung der für die Gasdrucklagerung erforderlichen Öffnungen dar. Sie können jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden. Alle Varianten bewirken jeweils einzeln, dass weniger Öffnungen durch Fluidkondensat blockiert werden, wodurch die Gasdrucklagerung des Verdichterkolbens 4 in dem Kolbengehäuse 2 verbessert wird zuverlässiger arbeitet. In der Folge wird der Verschleiß verringert und die Lebensdauer des Linearverdichters 1 erhöht sowie der Wirkungsgrad gesteigert.
Der erfindungsgemäße Linearverdichter 1 bzw. die erfindungsgemäße Kältegerät umfassend diesen Linearverdichter 1 umfasst ein Kolbengehäuse 2 und eine darin entlang einer Achse 3 hin- und her beweglichen Verdichterkolben 4, wobei der Verdichterkolben 4 in dem Kolbengehäuse 2 mit Hilfe einer Öffnungen 5 aufweisenden Gehäusewand 6 und eines durch die Öffnungen 5 strömenden gasförmigen Fluids gelagert wird, wobei eine Abflusseinrichtung 16, 16', 16'', 16''' für Fluidkondensat vorgesehen ist und zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer und einen besonders hohen Wirkungsgrad aus.

1: Linearverdichter
2: Kolbengehäuse
3: Achse
4: Verdichterkolben
5: Öffnungen
6: Gehäusewand
7: Vertiefung
8: Druckversorgungsleitung
9: Sauganschluss
10: Druckanschluss
11: zugewandte Seite
12: abgewandte Seite
13: Poren
14: Nuten
15: Heizung
16, 16', 16'', 16''': Abflusseinrichtung
17: Ventilplatte
18: Kolbenstange
19: O-Ring
20: Schwerkraft
21: Ventil
22: Verdichtungsraum
23: Deckel

Claims

Linearverdichter (1) umfassend ein Kolbengehäuse (2) und einen darin entlang einer Achse (3) hin und her beweglichen Verdichterkolben (4), wobei der Verdichterkolben (4) in dem Kolbengehäuse (2) mit Hilfe einer Öffnungen (5) aufweisenden Gehäusewand (6) und eines durch die Öffnungen (5) strömenden gasförmigen Fluids gelagert wird, gekennzeichnet durch eine Abflusseinrichtung (16, 16', 16'', 16''') für Fluidkondensat.
Linearverdichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusseinrichtung (16') durch eine Vertiefung (7) gebildet ist, die innerhalb des Kolbengehäuses (2) eingebracht ist und ein Sammelbecken für Fluidkondensat bildet.
Linearverdichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusseinrichtung (16) dadurch gebildet wird, dass eine Druckversorgungsleitung (8) für gasförmiges Fluid an einer tiefsten Stelle des Kolbengehäuses (2) mündet.
Linearverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sauganschluss (9) und ein Druckanschluss (10) vorgesehen sind, und die Abflusseinrichtung (16''') dadurch gebildet wird, dass der Druckanschluss (10) eine tiefste Stelle des Kolbengehäuses (2) bildet.
Linearverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (6) eine dem Verdichterkolben (4) zugewandte Seite (11) und eine dem Verdichterkolben (4) abgewandte Seite (12) aufweist und dass die Abflusseinrichtung (16'') dadurch gebildet wird, dass an der abgewandten Seite (12) der Gehäusewand (6), insbesondere in unmittelbarer Nähe der Öffnungen (5), Poren (13) und/oder Nuten (14) vorgesehen sind.
Linearverdichter (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Poren (13) bzw. die Breite der Nuten (14) kleiner ist als der Durchmesser der Öffnungen (5).
Linearverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizung (15) im Kolbengehäuse (2), insbesondere an der Gehäusewand (6), vorgesehen ist.
Linearverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearverdichter (1) ölfrei ist.
Linearverdichter (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusewand (6) als Zylinderhülse ausgebildet ist.
Kältegerät, insbesondere ein Kühl- und/oder Gefrierschrank, umfassend einen Linearverdichter (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.
Verfahren zum Kühlen von Waren mit Hilfe eines Kältegeräts nach Anspruch 10.