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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere
für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel
in einem Kältegerät, sowie ein Antriebsaggregat
zum Antreiben einer oszillierenden Kolbenbewegung für einen
solchen Linearverdichter.
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Aus
DE 10 2004 062 301
A1 ist ein Antriebsaggregat für einen Linearverdichter
mit einem Gestell, einem in dem Gestell über wenigstens
eine Membranfeder gelagerten, hin und her beweglichen Schwingkörper
und wenigstens einer parallel zu der Bewegung wirkenden Hilfsfeder
bekannt. Die Membranfeder dieses bekannten Antriebsaggregats umfasst
vier am Schwingkörper einteilig miteinander verbundene
Arme, die sich von dem Schwingkörper aus jeweils in Zickzack
nach Außen zu Befestigungspunkten am Gestell erstrecken.
Da die Arme der Membranfeder in Bewegungsrichtung des Schwingkörpers
leichter verformbar sind als quer dazu, gewährleisten sie
eine präzise Führung des Schwingkörpers,
ohne zusätzliche Führungsteile zu erfordern. Dabei
zwingen die sich jeweils paarweise gegenüberliegenden Federarme
den Schwingkörper zu einer geradlinigen Schwingbewegung,
bei der der Abstand eines Befestigungspunktes des Schwingkörpers
an der Feder an den Umkehrpunkten der Schwingbewegung jeweils größer
ist als in der Gleichgewichtslage. Da das Material der Membranfeder
nicht in nennenswertem Maße dehnbar ist, kann die Membranfeder
den an den Umkehrpunkten zwischen den Befestigungspunkten wirkenden
Kräften nur nachgeben, indem der mittlere Abschnitt jedes Federarms
in seiner Längsrichtung gestaucht wird. Die dabei auftretende
Verformung der Membranfeder ist ungleichmäßig
verteilt, insbesondere treten Belastungsspitzen an den Knickpunkten
auf, an denen die Arme ihre Richtung ändern. Wenn der Linearverdichter
in Betrieb ist, erfährt die Membranfeder
50 Lastwechsel
pro Sekunde, entsprechend der Frequenz der Wechselspannung, mit
der der Verdichter betrieben wird. Um eine Lebensdauer des Linearverdichters
von vielen Jahren, entsprechend der Lebenserwartung der am Markt
eingeführten rotatorisch angetriebenen Verdichter zu erreichen,
muss das Material der Blattfeder viele Millionen Lastwechsel ohne
nennenswerte Schädigung oder Ermüdung aushalten. Dieses
Ziel ist mit den gegenwärtig bekannten Formen von Membranfedern
schwierig zu erreichen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Antriebsaggregat für
einen Linearverdichter anzugeben, das mit hoher Wahrscheinlichkeit
lange Zeit zuverlässig funktioniert.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem
bei einem Antriebsaggregat für einen Linearverdichter mit
einem Gestell, einem Schwingkörper und einer Membranfeder,
die an einer ersten Befestigungsstelle am Gestell und an einer zweiten
Befestigungsstelle am Schwingkörper befestigt ist, um den Schwingkörper
an dem Gestell hin und her beweglich zu führen, die Membranfeder
in einem Bereich zwischen den beiden Befestigungsstellen, vorzugsweise einem
mittleren Bereich, eine kleinere Querschnittsfläche als
an den Befestigungsstellen aufweist. Die in der Blattfeder im ausgelenkten
Zustand auftretenden Biegemomente sind über die Länge
der Blattfeder hinweg ungleichmäßig verteilt:
Sie sind am größten an den Befestigungsstellen,
d. h. dort, wo der Hebelarm der. jeweils anderen Befestigungsstelle
am größten ist, und minimal in der Mitte, wo sich
entgegengesetzte Drehmomente der beiden Befestigungsstellen gegenseitig
kompensieren. Indem der Querschnitt der Membranfeder in dem mittleren
Bereich verringert ist, kann eine gleichmäßigere
Verteilung der Biegebelastung über das Material der Membranfeder
erreicht werden, und die Ermüdungsneigung des Federmaterials
wird verringert.
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Die
Befestigungsstellen befinden sich zweckmäßigerweise
an zwei entgegengesetzten Enden der lang gestreckten Membranfeder.
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Die
Membranfeder hat vorzugsweise eine konstante Dicke und in dem mittleren
Bereich eine kleinere Breite als an den Befestigungsstellen. So kann
die Membran auf einfache Weise aus Flachmaterial konstanter Stärke
gefertigt, insbesondere aus Federblech ausgestanzt werden.
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Die
Membranfeder sollte frei von Öffnungen sein.
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Um
zu vermeiden, dass die Verformungsbeanspruchung sich an einzelnen
Punkten der Membranfeder konzentriert, variiert der Querschnitt
der Membranfeder zweckmäßigerweise in Längsrichtung der
Membranfeder stetig. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Querschnittsänderung
darüber hinaus in der Längsrichtung stetig differenzierbar
ist.
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Die
Membranfeder sollte frei von Öffnungen sein. Wenn nämlich
eine Öffnung zu einer der Befestigungsstellen hin spitz
zuläuft, so neigen die in der Feder wirkenden Kräfte
dazu, sich an der Spitze zu konzentrieren, so dass im Laufe des
Betriebs Materialschäden bevorzugt in der Nähe
einer solchen Spitze auftreten. Ist hingegen ein der Befestigungsstelle zugewandter
Wand der Öffnung abgerundet, so ist die Änderung
der Querschnittsfläche der Membranfeder zwangsläufig
unstetig, und eine gleichmäßige Verteilung der
Verformungsbeanspruchung über die Feder kann nicht erreicht
werden.
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Bei
einer von Öffnungen freien Membranfeder von konstanter
Stärke ist die Anforderung nach einer stetigen Veränderung
des Querschnitts in Längsrichtung der Feder gleichbedeutend
mit einem stetigen bzw. stufenfreien Verlauf der Längsränder der
Feder, und ein stetig differenzierbarer Querschnitt entspricht einem
von Knicken freien Verlauf der Längsränder.
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Die
obigen Anforderungen sind insbesondere dadurch, dass die Membranfeder
wenigstens einen konkaven Rand hat, einfach zu erfüllen.
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Die
Krümmung der ausgelenkten Membranfeder sollte über
deren mittleren Abschnitt hinweg ihr Vorzeichen wechseln. In dem
mittleren Abschnitt existiert dann notwendigerweise eine nicht verformte Stelle.
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Als
besonders beständig hat sich eine Form des verformbaren
Bereichs der Membranfeder erwiesen, der im Längsschnitt
zwei zueinander inversionssymmetrische Bögen, insbesondere
Parabelbögen umfasst. Eine Kurvenfunktion, die den Randverlauf einer
solchen Membranfeder beschreibt, kann zwar nicht in analytischer
Form angegeben werden, doch kann ein Fachmann einen Prototypen einer
solchen Membranfeder ohne erfinderischen Aufwand anfertigen, indem
er ausgehend von einer Membranfeder beliebiger Gestalt deren Längsschnitt
im ausgelenkten Zustand erfasst und von Stellen, deren Krümmung
kleiner ist als angestrebt, Material abträgt. In gleicher
Weise ist auch eine Bogenform realisierbar, deren Krümmung
von einem geklemmten Randbereich aus linear bis zu einem lokalen
Maximum zunimmt, von dort aus unter Wechsel des Vorzeichens linear
bis zu einem lokalen Minimum abnimmt und von dort aus wieder auf
Null ansteigt.
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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 zwei Membranfedern ist der Schwingkörper
zuverlässig zur Lineareinrichtung der gewünschten
Schwingbewegung geführt, und eine seitliche Schlingerbewegung
des Schwingkörpers kann vermieden werden.
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Um
eine hohe Langzeitstabilität der Membranfeder zu erreichen,
sollte das Material der Membranfeder möglichst dünn
und damit leicht biegsam sein. Eine leicht biegsame Membranfeder
hat jedoch eine niedrige Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz
ist wiederum proportional zur Förderleistung eines Linearverdichters,
in dem das Antriebsaggregat verwendet wird. Daher ist unter dem
Gesichtspunkt der Förderleistung eine hohe Resonanzfrequenz
erwünscht. Um diese sich widersprechenden Anforderungen
erfüllen zu können, ist vorzugsweise wenigstens
eine parallel zu der Bewegung des Schwingkörpers wirkende
Hilfsfeder vorgesehen.
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Die
Steifigkeit der Membranfeder parallel zu der Bewegung ist vorzugsweise
kleiner als die der Hilfsfeder. So ist der zeitliche Ablauf und
insbesondere die Periode der Schwingbewegung im Wesentlichen durch
die Hilfsfeder bestimmt, während die Membranfeder im Wesentlichen
den Weg des Schwingkörpers während der Schwingbewegung
bestimmt.
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Die
Hilfsfeder kann zweckmäßigerweise eine Schraubenfeder
sein. Der Schwerpunkt des Schwingkörpers (5) ist
dann vorzugsweise entlang der Längsachse der Schraubenfeder
beweglich ist.
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Vorzugsweise
umfasst das Antriebsaggregat zwei Hilfsfedern, die an zwei ersten
Enden miteinander und mit dem Schwingkörper verbunden sind
und sich in der Bewegungsrichtung gegenläufig erstrecken.
Eine solche Anordnung ermöglicht einen kompakten Aufbau
eines Linearverdichters, der das erfindungsgemäße
Antriebsaggregat verwendet.
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Ein
solcher Linearverdichter hat vorzugsweise eine an den Schwingkörper
durch eine Kolbenstange gekoppelte Verdichterkammer. Da die Aufhängung
des Schwingkörpers an der Blattfeder den Schwingkörper
auf einer leicht gekrümmten Bahn führt, die Verdichterkammer
aber eine exakt lineare Antriebsbewegung erfordert, kann mit Hilfe
der Kolbenstange eine Querkomponente der Bewegung des Schwingkörpers
ausgeglichen werden.
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In
einem Platz sparenden Aufbau ist die Kolbenstange von der wenigstens
einen Hilfsfeder umgeben.
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Um
die Kraft der Hilfsfedern in den Schwingkörper einzuleiten,
trägt vorzugsweise die Kolbenstange einen Flansch, gegen
den zwei Hilfsfedern aus entgegen gesetzten Richtungen andrücken.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Figuren.
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Es
zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Linearverdichters;
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2 eine
Draufsicht auf eine Membranfeder des Linearverdichters aus 1;
und
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3 einen
Längsschnitt der Membranfeder im ausgelenkten Zustand.
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Der
in 1 gezeigte Linearverdichter hat einen Rahmen 1 mit
einer Grundplatte, auf der zwei E-förmige Weicheisenkerne 2 einander
spiegelsymmetrisch gegenüberliegend montiert sind. Von
den jeweils drei einander zugewandten Schenkeln 3 der Weicheisenkerne 2 ist
jeweils der mittlere durch eine Magnetspule 4 verborgen,
durch deren Wicklung er sich erstreckt.
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In
einem Spalt zwischen den einander zugewandten freien Enden der Schenkel 3 der
Weicheisenkerne 2 ist ein Schwingkörper 5 mit
Hilfe zweier Membranfedern 6, 7 aufgehängt.
Wie insbesondere in der Draufsicht der 2 zu erkennen,
haben die Membranfedern 6, 7 aus Federstahl jeweils
im Wesentlichen die Form eines durch Aussparungen entlang seiner
Längsseiten taillierten Rechtecks. An den Schmalseiten
des Rechtecks sind jeweils mehrere Befestigungsbohrungen 8 gebildet,
die zur Verankerung der Membranfeder 6, 7 an einer
Stirnseite des Schwingkörpers 5 bzw. an einer
Kante einer von der Grundplatte abstehenden Seitenwand 9 des
Rahmens 1 mit Hilfe von Schrauben, Nieten oder dergleichen
dienen, die die Befestigungsbohrungen 8 und Öffnungen
von Klemmplatten 14 durchsetzen. Die Klemmplatten 14 sind
in 1 transparent dargestellt, um die Befestigungsbohrungen 8 sichtbar
zu lassen. Die Randabschnitte der Membranfeder 6 sind,
indem sie zwischen den Klemmplatten 14 und der Stirnseite
des Schwingkörpers 5 bzw. der Kante der Seitenwand 9 geklemmt
sind, vor jeder Verformung geschützt. Die zwischen den
Befestigungspunkten liegende verformbare Fläche der Membranfeder 6 ist
von Öffnungen jeder Art frei.
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Durch
eine größere, zentrale Bohrung 10 an einer
der Schmalseiten der Membranfeder 6 erstreckt sich eine
Kolbenstange 11, die den Schwingkörper 5 mit
einem in einer Pumpkammer 12 hin und her beweglichen nicht
gezeigten Kolben verbindet. Der einfacheren Montage wegen ist die
Feder 6, 7 symmetrisch, mit je einer größeren
Bohrung 10 an jeder Schmalseite, ausgebildet. Die Bohrungen 8 liegen
jeweils auf zwei zueinander parallelen, in 2 strichpunktiert
eingezeichneten Linien.
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Eine
nicht dargestellte Steuerschaltung beaufschlagt die Magnetspulen 4 mit
einem Wechselstrom von kontrollierter Frequenz und Amplitude, um jeweils
zwischen dem mittleren und den beiden äußeren
Schenkeln 3 Magnetfelder mit wechselnder Ausrichtung zu
erzeugen. Der Schwingkörper 5 enthält
einen Permanentmagneten, der durch das so erzeugte Magnetfeld einer
oszillierenden Kraft ausgesetzt ist und eine Schwingbewegung des
Schwingkörpers 5 antreibt. Die zwei Membranfedern 6, 7 führen
den Schwingkörper 5 auf einer leicht gekrümmten Bahn,
wobei eine Bewegung des Schwingkörpers 5 quer
zur Bewegungsrichtung des Kolbens in der Pumpkammer 12 durch
eine entsprechende Pendelbewegung der Kolbenstange 11 aufgefangen
und nicht auf den Kolben übertragen wird. Die Bahn, auf der
sich der Schwingkörper 5 bewegt, ist durch die Membranfedern 6, 7 exakt
festgelegt.
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Die
Förderleistung des Verdichters ist proportional zur Resonanzfrequenz
des Schwingkörpers 5. Um bei geringer Materialstärke
der Membranfedern 6, 7 eine ausreichende Förderleistung
zu erzielen, ist daher wünschenswert, die Resonanzfrequenz höher
zu machen, als dies allein unter Verwendung der Membranfedern 6, 7 möglich
wäre. Zur Versteifung des schwingfähigen Systems
in der Bewegungsrichtung des Kolbens dienen zwei Schraubenfedern 16, 17,
die jeweils an entgegen gesetzten Seiten eines von der Kolbenstange 11 abstehenden Flansches 18 angreifen
und von denen die eine 16 an einer den Bewegungsspielraum
der Membranfeder 6 begrenzenden Zwischenrand 19 des
Rahmens 1 und die andere 17 an der Pumpkammer 12 abgestützt
ist. Die Schraubenfedern 16, 17 sind exakt auf
die Kolbenstange 11 mit Hilfe flacher Kreisscheiben 20 bzw. eines
Rings 21, sowie durch einen Kegelstumpf 22 zentriert,
die von dem Flansch 18 auf dessen zwei Seiten, von der
Zwischenwand 19 bzw. von der Pumpkammer 12 aus
ins Innere der Schraubenfedern 16, 17 eingreifen.
Durch die Zentrierung ist ausgeschlossen, dass die Schraubenfedern 16, 17 außer
einer erwünschten Kraft in Richtung der Kolbenstange 11 auch
ein Drehmoment auf das schwingende System aus Schwingkörper 5,
Kolbenstange 11 und Kolben ausüben.
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2 zeigt
eine Draufsicht auf eines der zwei identischen Federbleche 6, 7.
Zwischen den geklemmten Randabschnitten erstreckt sich der verformbare
Hauptabschnitt mit stetigen, einwärts gekrümmten
Längsrändern 15. Der Verlauf der Längsränder
ist so gewählt, dass sich, wenn das Federblech 6 bzw. 7 ausgelenkt
ist, ein Längsschnitt mit dem in 3 stark überzeichneten
Verlauf ergibt: Der Hauptabschnitt hat zwei entgegengesetzt gekrümmte
Hälften 23, 24. Die Krümmung
ist jeweils Null an einem Rand jeder Hälfte 23, 24,
d. h. an einer Mittellinie 25, an der die Hälften 23, 24 aneinander grenzen,
und dort, wo die Hälften in die geklemmten Randabschnitte übergehen.
Die Mittellinie 25 ist gleichzeitig die Stelle, an der
die Breite der Membranfeder 26 minimal wird. Von jedem
Rand aus nimmt die Krümmung zur Mitte der betreffenden
Hälfte 23, 24 hin linear zu, d. h. die
Punkte 26 maximaler Krümmung befinden sich jeweils
in einer einem Viertel der Länge des Hauptabschnitts entsprechenden
Entfernung von dessen Mitte 25 bzw. seinen Rändern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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