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Die
Erfindung betrifft ein Verdichteraggregat, insbesondere ein Linearverdichteraggregat,
mit Mitteln zur Wärmeableitung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1.
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Verdichter
finden sich insbesondere in Kühl- oder Gefriergeräten
innerhalb des Kältemittelkreislaufs. Hier dient der Verdichter
dazu, gasförmiges Kältemittel so weit zu verdichten,
dass dieses in einem dem Verdichter nachgeschalteten Verflüssiger kondensieren
kann. Das flüssige Kältemittel wird einem Verdampfer
zugeführt, wo seine Verdampfung ein Lagerfach des Geräts
kühlt. Nachfolgend wird das gasförmige Kältemittel
durch den Kältemittelverdichter angesaugt und wiederum
verdichtet und kann im Kältemittelkreislauf erneut dem
Verdampfer zur Kälteerzeugung zugeführt werden.
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Bei
diesem Kühlprozess hängt die Effizienz des im
Kältemittelverdichter ablaufenden Verdichtungsprozesses
wesentlich von der Temperatur des von dem Verdichter angesaugten
und zu verdichtenden Gases ab. Die zum Verdichten aufgewendete mechanische
Arbeit W verhält sich proportional zum Druck p bezogen
auf das verdichtete Volumen des Kältemittels, entsprechend
dW = p dV. Hierbei ist die von dem Kältemittelverdichter
geförderte Wärme Q proportional zum Massenstrom
m bezogen auf die spezifische Enthalpie h, so dass gilt dQ = m dh.
Je dichter also das Kältemittel ist, desto größer
ist die geförderte Wärme bei gleicher Verdichtungsarbeit. Da
die Dichte von Gasen bei steigender Temperatur stark abnimmt, haben
schon kleine Temperaturschwankungen großen Einfluss auf
die Energieeffizienz von Kompressoren.
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Durch
adiabatische Verdichtung im Verdichter erwärmt sich das
Kältemittel. Einen Teil seiner Wärme gibt es an
umgebende Bauteile des Verdichters ab, und über diese wird
angesaugtes Kältemittel noch vor der Verdichtung erwärmt.
Dadurch erhöht sich die Temperatur des gesamten Verdichtungsprozesses,
so dass die Dichte des aus dem Kältemittelverdichter austretenden
Kältemittels und somit auch die die Effizienz des Verdichtungsprozesses
abnimmt.
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Zur
Steigerung der Effizienz des Verdichterprozesses ist somit die beim
Verdichtungsprozess entstehende Wärme abzuführen.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Kolbenverdichtern wird die
Wärme aus den die Verdichtungskammer und den Ansaugkanal
umgebenden Bauteilen mittels des zur Schmierung des Verdichters
und insbesondere dessen Kolben-/Zylinderreibpaarung verwandten Öls abgeführt.
Dies erfolgt effizient und rasch, indem das Öl aus dem
Verdichtungsbereich heraus in einen Ölsumpf geführt
wird, welcher wiederum in direkter Verbindung mit dem Gehäuse
steht, so dass dieses die durch die Ölzirkulation zugeführte
die Wärme über seine relativ große Oberfläche
nach außen abgeben kann.
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Bei
modernen ölfrei konzipierten Kältemittelverdichtern,
insbesondere bei Linearverdichtern, ist jedoch eine der raschen
und effizienten Wärmeabfuhr dienende Ölzirkulation
nicht gegeben. Hier erfolgt im Stand der Technik die Abfuhr der
Wärme lediglich über den eher ineffizienten Gas-Festköper-Wärmeübergang
von den erwärmten Bauteilen an das umgebende Kältemittel
und von diesem wieder an das umgebende Gehäuse. Das Kältemittel weist
deshalb nach der Verdichtung in der Regel eine wesentlich höhere
Temperatur auf, als dies bei ölgeschmierten Verdichtern
der Fall ist, so dass der Verdichterprozess eine geringere Effizienz
aufweist.
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Was
hier exemplarisch anhand eines Kältemittelverdichters für
die Verwendung in einem Kühl- oder Gefriergerät
beschrieben wurde, lässt sich selbstverständlich
analog auch auf andere Verdichtungsvorgänge bei gasförmigen
Medien übertragen.
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Aus
DE 10 2004 062 307
A1 ist ein Linearverdichteraggregat bekannt, bei dem eine
Verdichterbaugruppe in einer in einer Kapsel mit Hilfe von Blattfedern
schwingfähig montiert ist. Die Blattfedern gehen von einem
Rahmen der Verdichterbaugruppe aus und sind weit entfernt von einem
Verdichter der Baugruppe. Von einer Wärmeleitfunktion der
Blattfedern ist in
DE
10 2004 062 307 A1 an keiner Stelle die Rede.
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Aufgabe
der Erfindung ist es somit, ein Verdichteraggregat so auszugestalten,
dass die im Rahmen des Verdichtungsprozess im Verdichter entstehende
Wärme ohne die Notwendigkeit einer Ölzirkulation
rasch und effizient die Wärme abgeführt werden
kann, so dass der Verdichterprozess möglichst effizient
abläuft.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verdichteraggregat, insbesondere ein Linearverdichteraggregat,
mit Mitteln zur Wärmeableitung gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden durch die diesem nachfolgenden
Patentansprüche beschrieben.
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Hierbei
weist der das Verdichteraggregat, bei welchem es sich insbesondere
um ein Linearverdichteraggregat handeln kann, eine Verdichterkapsel
und eine in der Kapsel frei schwingfähig montierte Verdichterbaugruppe
auf. Diese Baugruppe umfasst als wesentliche Bestandteile einen
Verdichter mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder beweglichen
Kolben, sowie ein Antriebsaggregat mit einem mit dem Zylinder verbundenen
Ständer und einem mit dem Kolben verbundenen Anker.
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In
erfinderischer Weise ist hier wenigstens ein aus wärmeleitendem
Material gebildetes Wärmeleitelement in unmittelbarem wärmeleitenden
Kontakt mit dem Verdichter und mit der Verdichterkapsel vorgesehen,
welches vorzugsweise plattenförmig ausgebildet ist.
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Um
einen intensiven Wärmeaustausch zu gewährleisten,
steht vorzugsweise eine Hauptoberfläche des plattenförmigen
Wärmeleitelements in wärmeleitendem Kontakt mit
dem Verdichter, und eine Hauptoberfläche steht in wärmeleitendem
Kontakt mit der Verdichterkapsel. Durch diese Maßnahme
wird eine große Kontaktfläche erhalten, die für
einen guten Wärmeübergang vom Verdichter in das Wärmeleitelement
und von diesem in die Kapsel vonnöten ist.
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Hierbei
ist es selbstverständlich denkbar, zur verbesserten Wärmeabfuhr
nicht nur eines, sondern eine Mehrzahl von derartigen plattenförmigen
Wärmeleitelementen zwischen Verdichter und Verdichterkapsel
anzubringen. Auch sollte das Wärmeleitelement zweckmäßigerweise
aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit,
beispielsweise aus Kupfer, gefertigt werden.
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Hierbei
kann das eine oder die mehreren plattenförmigen Wärmeleitelemente
mit der Stirnfläche des Verdichters oder auch mit der Umfangsfläche
des Verdichters wämeleitend in Kontakt stehen.
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Bei
Ausgestaltungen des Kältemittelverdichters, bei denen eine
auf den Anker wirkende Schraubenfeder an einem Bund des Verdichters
abgestützt ist, berührt das Wärmeleitelement
zweckmäßigerweise einen Außenrand des
Bundes. So kann vermieden werden, dass das Wärmeleitelement
und die Schraubenfeder sich gegenseitig behindern. Darüber
hinaus ermöglicht dies einen platzsparenden Aufbau des Verdichters,
bei dem eine Seitenwand des Zylinders wenigstens auf einem Teil
ihrer Länge von der Schraubenfeder umgeben ist.
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Allgemein
wird in vorteilhafter Weise das plattenförmige Wärmeleitelement
an einem Bereich an der Oberfläche des Verdichters angebracht,
welcher sich im Gegensatz zu den anderen Bereichen im Verdichtungsbetrieb
besonders stark erwärmt. Insbesondere kann das Wärmeleitelement
in der Nähe einer Stirnwand des Zylinders angeordnet sein,
da die Stirnwand länger als eine Seitenwand des Zylinders mit
verdichtetem, erwärmtem Kältemittel in Kontakt steht
und sich daher stärker als die Seitenwand erwärmt.
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Wenn
der Verdichter eine dem Zylinder nachgeschaltete Druckkammer aufweist,
in der verdichtetes Kältemittel zeitweilig verweilt, dann
ist das plattenförmige Wärmeleitelement zweckmäßigerweise
an einer Außenwand dieser Druckkammer angebracht.
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Auch
auf Seiten der Verdichterkapsel ist das Wärmeleitelement
bevorzugt an einem Oberflächenbereich angebracht, an welchem
sich im Verdichtungsbetrieb des Verdichters gegenüber den
anderen Oberflächenbereichen eine besonders gute Wärmeableitung
in die äußere Umgebung der Verdichterkapsel ergibt.
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Um
eine möglichst gute Wärmeübertragung zwischen
dem plattenförmigen Wärmeleitelement und dem Verdichter
bzw. der Verdichterkapsel zu erreichen, ist es von Vorteil, wenn
die Kontaktfläche möglichst groß gewählt
wird. Hierbei sollte gewinnbringend die Länge L der Kontaktfläche
zwischen Wärmeleitelement einerseits und dem Verdichter oder
der Verdichterkapsel andererseits wenigstens ein Viertel der Breite
des jeweiligen plattenförmigen Wärmeleitelements
betragen.
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Besonders
vorteilhaft ist es bei der Wahl der Kontaktstellen an Verdichter
und Verdichterkapsel auch die hieraus resultierende Formgebung des
plattenförmigen Wärmeleitelements zu berücksichtigen. Insbesondere
sollte die Formgebung das Schwingungsverhalten der in der Verdichterkapsel
schwingfähig montierten Verdichterbaugruppe möglichst
wenig beeinflussen. Auch sollte die Formgebung des Wärmeleitelements
so gewählt werden, dass es die durch die Schwingbewegung
des Kolbens induzierte Schwingung der Verdichterbaugruppe nicht
oder nur in unwesentlichen Maße auf die Verdichterkapsel überträgt.
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Auch
sollte, insbesondere zur Verminderung des Einflusses auf das Schwingungsverhalten
der Verdichterbaugruppe, das plattenförmige Wärmeleitelement
möglichst elastisch ausgeführt werden, wofür
sich dünnes, wärmeleitendes Material, beispielsweise
Kupfer- oder Aluminiumblech, besonders gut eignet.
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Damit
das plattenförmige Wärmeleitelement die Schwingung
der Verdichterbaugruppe nicht behindert, ist es vorteilhaft, das
plattenförmige Wärmeleitelement haarnadelförmig
gebogen auszuführen. Mit anderen Worten ist die Länge
des Wärmeleitelementes so zu wählen, dass dieses
zwischen dem Verdichter und der Verdichterkapsel eine Haarnadelkrümmung
ausbildet, welche ausreichend Bewegungsfreiheit zwischen der Verdichterkapsel
und der darin schwingfähig montierten Verdichterbaugruppe garantiert.
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In
besonders vorteilhafter Weise bietet sich zur Verwendung als Wärmeleitelement
ein Aluminiumklebeband an, welches die Oberfläche des Verdichters
und/oder die Oberfläche der Verdichterkapsel mittels einer
Klebeverbindung kontaktiert. Die Klebeverbindung gewährleistet
einen innigen Kontakt auf großer Fläche und damit
eine effiziente Wärmeübertragung. Durch die Klebeverbindung
ergibt sich zudem eine gegenüber einer Schraub- oder Nietverbindung
kostengünstige Montagelösung, wobei der Klebstoff
temperaturbeständig sein und/oder bevorzugt einen hohen
Wärmeleitkoeffizienten aufweisen sollte.
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An
Hand der Figur wird nachfolgend eine vorteilhafte Ausgestaltung
der Erfindung detailliert erläutert.
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Die
Figur zeigt ein Verdichteraggregat 1, hier in Form eines
Linearverdichteraggregats, in dessen Verdichterkapsel 2 eine
Verdichterbaugruppe 3 schwingfähig gelagert ist.
Diese Baugruppe 3 umfasst zum einen einen Verdichter im
engeren Sinne, mit einem Zylinder 4 und einem in dem Zylinder 4 beweglichen
Kolben, die gemeinsam eine Verdichterkammer begrenzen. Eine Stirnseite
der Verdichterkammer ist durch eine Ventilplatte gebildet, die in dem
Verdichter in Höhe einer Linie 14 den Zylinder 4 von
einem Kopfstück 15 abgrenzt. Über eine
Zuleitung 13 in die Verdichterkapsel 2 eingeströmtes
Kältemittel gelangt über eine Saugöffnung 16 des
Kopfstücks 15 und ein Rückschlagventil
in der Ventilplatte 14 in die Verdichterkammer. Nach Verdichtung
darin gelangt es über ein zweites Rückschlagventil
in der Ventilplatte 14 in einen Druckraum, der den größten Teil
des Kopfstücks 15 ausfüllt, und fließt
von dort über eine Ableitung 12 aus dem Verdichteraggregat ab.
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Zum
anderen umfasst die Baugruppe 3 ein Antriebsaggregat mit
einem mit dem Zylinder 4 verbundenen Ständer 6 und
einem mit dem Kolben 5 verbundenen Anker 7. Zwei
Schraubenfedern üben aus entgegengesetzten Richtungen eine
Rückstellkraft auf den Anker 7 aus. Eine dieser
Schraubenfedern, mit 10 bezeichnet, ist an einem Bund 11 des Verdichters,
etwa in Höhe der Ventilplatte 14, abgestützt.
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Um
die im Rahmen des Verdichtungsprozesses erzeugte Wärme
von dem Bauteil 3 abführen zu können,
sind an dem Zylinder 4 des Verdichters im vorliegenden
Fall zwei streifenförmige Wärmeleitelemente 8 und 9 wärmeleitend
angebracht.
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Hierbei
kontaktiert das Wärmeleitelement 8 das Kopfstück 15 in
Höhe der Druckkammer. an seiner Umfangsfläche über
einen sich über eine Länge L1 erstreckenden Bereich.
Ausgehend von der Oberfläche des Kopfstücks 15 ist
das Wärmeleitelement 8 sodann in einer Schleife
geformt und kontaktiert mit einer Hauptoberfläche an seinem
anderen Ende über die Länge L2 die Verdichterkapsel 2.
Durch die Schleifenformung des Wärmeleitelements 8 wird
unter anderem die durch die Schwingbewegung des Kolbens 5 induzierte
Schwingung der Baugruppe 3 nicht oder nur in unwesentlichen
Maße auf die Verdichterkapsel 2 übertragen,
so dass die Wärmeableitelemente 8 und 9 die
Geräuschemission des Verdichteraggregats nicht beeinträchtigen.
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Das
Wärmeleitelement 9 kontaktiert den Zylinder 4 ebenfalls
an seiner Umfangsfläche über einen sich über
die Länge L3 erstreckenden Bereich, der sich bis in Höhe
der Ventilplatte 14 zu einem Außenrand des Bundes 11 erstreckt.
So kann das Element 9 auch Wärme aus der Verdichterkammer
auf dem kürzest möglichen Wege ableiten. Ausgehend vom
Zylinder 4 ist das Wärmeleitelement in einer S-Schleife
in Richtung der Verdichterkapsel 2 geführt und
kontaktiert diese auf einer Länge L4.
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Neben
den beschriebenen Wärmeableitelementen 8 und 9 kann
ein drittes Wärmeableitelement stirnseitig am Verdichter
angeordnet und mit der Verdichterkapsel 2 verbunden sein.
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In
besonders vorteilhafter Weise eignet sich das erfindungsgemäße
Verdichteraggregat für die Verwendung als Kältemittelverdichter
für Kühl- oder Gefriergeräte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102004062307
A1 [0008, 0008]