DE102013013252B4

DE102013013252B4 - Linearverdichter für Kältemaschinen

Info

Publication number: DE102013013252B4
Application number: DE102013013252.5A
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Michael Müller; Ullrich Hesse; Jürgen Weber; Martin Petzold; Thomas Tannert; Carsten Möhl
Original assignee: Technische Universitaet Dresden; Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Dresden; Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2033-08-10
Also published as: DE102013013252A1

Abstract

Aufgabe: Verdichtung eines Arbeitsfluids mittels eines elektrischen Antriebs in einem möglichst kleinen Bauraum zu realisieren. Dabei soll eine sichere, hermetische Abdichtung durch statische Dichtungen oder Faltenbälge vorgenommen sein und das Arbeitsfluid soll möglichst ölfrei sein. Lösung: Die Verdrängereinrichtung (23) weist drei Dichtungen auf, eine erste Dichtung als Spalt zwischen dem Kolben (13) und dem Zylinderrohr (10), die den Auslassdruck gegen den Einlassdruck dynamisch dichtet, eine zweite Dichtung als Metallfaltenbalg (8), der den Kolben (13) mit dem Zylinder (10) verbindet und einen Leckageraum (25) gegen einen Magnetraum (26) abdichtet und eine dritte Dichtung als Metallfaltenbalg (29), der den Kolben (13) mit dem saugseitigen Flansch (28) des Gehäuses verbindet und einen Einlassraum (27) gegen den Magnetraum (26) abdichtet. Anwendung: Linearverdichter in stationären Kühlanlagen, Kühlgeräten und mobilen Kühlanlagen in Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter für Kältemaschinen entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Verdichter für Kältemaschinen sind meist als umlaufende Geräte mit einem Antrieb durch einen asynchron nahe der Netzfrequenz laufenden Elektromotor ausgeführt, sind hermetisch gekapselt und benötigen ein recht großes Bauvolumen, das den verfügbaren Nutzraum des versorgten Kühlgeräts mindert.
Allerdings werden in der Patentliteratur schon seit langer Zeit linear wirkende Verdichter beschrieben, zum Beispiel zeigen die Druckschriften DE 1081179B und DE 11 2007 000 156 T5 jeweils einen Membranverdichter mit elektromagnetischem Antrieb. Die Druckschriften DE 10 2005 038 784 B3 und US 5,993,175 A zeigen Linearverdichter mit verbesserter Ölschmierung. Die Druckschriften EP 1119708B1 und WO 2007046592 A1 zeigen elektromagnetisch angetriebene Linearverdichter, die Resonanzeffekte ausnutzen.
Die Druckschrift US 20060245932A1 beschreibt einen Linearverdichter mit einem Sensor für die Lage des Hubkolbens, und die Druckschrift US 3,136,257A zeigt einen Linearverdichter für einen Resonanzbetrieb mit Wellrohren zur Abdichtung von Anschlussleitungen. Schließlich zeigen die Druckschriften WO 2008118040A1 und WO 2012018148A1 weitere vorteilhafte Ausführungen von Linearverdichtern, wobei allerdings die Anforderungen an den Bauraum hoch bleiben.
Die Druckschrift US 2013/0129540 A1 zeigt ebenfalls einen Linearverdichter mit einem elektromagnetischen Antrieb mit hohen Anforderungen an den Bauraum und die Druckschrift DE 100 35 625 A1 zeigt einen Metallfaltenbalg zur leckagefreien Abdichtung, allerdings keinen elektromagnetischen Antrieb.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verdichtung eines Arbeitsfluids mittels eines elektromagnetischen Antriebs, Wechselstrom einer vorgegebenen Netzversorgung nutzend, in einem möglichst kleinen Bauraum zu realisieren. Dabei soll eine sichere, hermetische Abdichtung durch statische Dichtungen, Membranen oder Faltenbälge vorgenommen sein und das Arbeitsfluid soll möglichst ölfrei sein. Schließlich sind niedrige Herstellkosten zu erreichen.
Die Lösung dieser Aufgaben wird durch die Kombination der kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs erreicht, in Verbindung mit den Merkmalen der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäßen Linearverdichter werden durch elektromagnetische Kräfte angetrieben, wobei vorzugsweise entweder Linearmotoren mit Permanentmagneten oder als Hubmagnete bekannte Antriebe mit variablem Luftspalt zum Einsatz kommen. Allerdings können auch andere linear wirkende elektromagnetisch wirkende Antriebssysteme, wie zum Beispiel Tauchspulenantriebe oder linear wirkende Transversalflussmotore, angewandt werden.
Von Bedeutung ist dabei die Eignung des Antriebssystems, in Resonanz mit der Frequenz der elektrischen Versorgungsspannung zu arbeiten, weil bei einem Resonanzbetrieb die beste Leistungsdichte erreicht wird.
Dabei ist zu berücksichtigen, dass das Antriebssystem aus einem elektromagnetischen und aus einem mechanischen Teilsystem besteht, und mindestens eines der beiden Teilsysteme soll in Resonanz gehen.
Das mechanische Teilsystem besteht aus der verbundenen bewegten Gesamtmasse des Kolbens und der mit ihm verbundenen Bauelemente und der Ersatzfedersteifigkeit aller auf die bewegte Gesamtmasse wirkenden elastischen Bauelemente, wobei auch dem komprimierten Arbeitsfluid eine elastische abstützende Wirkung zukommt.
Die Ersatzfedersteifigkeit des komprimierten Arbeitsfluids wird nicht in allen Betriebszuständen gleich bleiben, daher ist es für die Resonanznutzung wichtig, dass die andere oder die anderen auf den Kolben wirkenden mechanischen Federn eine hohe Gesamtfedersteifigkeit und eine geringe Änderung der Federsteifigkeit als Funktion des Kolbenhubs aufweisen. Wenn sich die Federsteifigkeit, beispielweise eines auch federnd wirkenden Metallfaltenbalgs, als Funktion des Kolbenhubs ändert, dann sollte diese Änderung die Veränderung der Ersatzfedersteifigkeit des komprimierten Arbeitsfluids kompensieren und nicht in seiner Wirkung verstärken.
Die federnde Wirkung der Metallfaltenbälge kann durch eine oder mehrere weitere Federn verstärkt werden, die vorzugsweise innenliegend den Kolben gegen den Zylinder abstützen.
Die Abdichtung des Linearverdichters nach außen ist von sehr großer Bedeutung für die Funktion des Geräts, denn in fast allen Anwendungsfällen ist eine Leckage nicht hinnehmbar und ein Nachfüllen nicht oder nur sehr umständlich durchführbar.
Daher weisen bekannte Ausführungen von Linearverdichtern Gehäuse auf, die den gesamten Verdichter umschließen und gleichzeitig als Vorratsbehälter für das Arbeitsfluid dienen.
Gemäß der Aufgabenstellung dieser Erfindung soll die Funktion des Vorratsbehälters abgetrennt und der Linearverdichter auf einen möglichst geringen Bauraum ausgelegt werden.
Deshalb wird die erforderliche hermetische Abdichtung durch zwei Metallfaltenbälge vorgenommen, von denen einer den Kolben mit dem Zylinder der Verdrängereinrichtung verbindet und einen Leckageraum gegen einen Magnetraum abdichtet und ein zweiter den Kolben mit dem saugseitigen Flansch des Gehäuses verbindet und einen Einlassraum gegen den Magnetraum abdichtet.
Diese Metallfaltenbälge erfüllen nicht die Funktion der primären Dichtung der Verdrängereinrichtung, die aus dem Kolben und einem Zylinder besteht, sondern die Metallfaltenbälge dichten nur den Leckageraum hinter der primären dynamischen Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinder und den Saugraum ab.
Als primäre Dichtung dient die hochgenaue Passung zwischen dem Kolben und dem Zylinder, die aber nicht völlig leckagefrei ausgeführt werden kann.
Damit an der hochgenauen Passung kein unzulässiger Verschleiß oder unzulässig hohe Reibung auftritt, wird vorteilhafterweise eine Beschichtung des Kolbens oder der Lauffläche des Zylinders mit einer reibungsmindernden und verschleißreduzierenden Beschichtung vorgesehen, die allerdings gegen das eingesetzte Arbeitsfluid resistent sein muss.
Wenn die genannte Beschichtung die Passung ausreichend vor Verschleiß schützt, kann auf die Zumischung von Schmierstoff zu dem Arbeitsfluid verzichtet werden, was die Leistungsfähigkeit des Kühlsystems erheblich steigern kann.
In einer vorteilhaften Ausführung ist ein wesentlicher Teil des elektromagnetischen Antriebs, nämlich die Spulenbaugruppe, gegen den Saugraum und gegebenenfalls den Leckageraum durch ein Spaltrohr abgedichtet. Dabei liegt im Fall der Anwendung eines Linearmotors der Magnet innerhalb des Spaltrohres im Arbeitsfluid. Im Fall der Anwendung eines Hubmagneten als Antrieb liegt der Anker innerhalb des Spaltrohrs, das dann vorteilhafterweise eine Durchmesservariation über der Länge aufweist. Das Spaltrohr soll mechanisch dichten, aber magnetisch nicht leiten, daher wird es aus einem magnetisch möglichst wenig leitfähigen Material erstellt.
Im Fall der Anwendung eines Linearmotors mit einem beweglichen Permanentmagneten lässt sich die axiale Kraft des Magneten steigern, wenn man das Trägerrohr des Permanentmagneten aus einem leicht magnetisierbaren Material herstellt, dann wirkt das Trägerrohr als Eisenrückschluss und verbessert die Leitung des magnetischen Flusses und erhöht die Kraft des Magneten.
Ein Vorteil für die Lagerung und die Isolierung möglicher von dem Linearverdichter erzeugter Vibrationen ergibt sich, wenn der Linearverdichter als abgestimmtes Zwei-Massen-Schwingungssystem realisiert ist, wobei die erste Masse aus dem Gehäuse, der Spule, der Einrichtung zur Magnetflussleitung, dem Zylinder und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht. Dabei besteht die zweite Masse aus dem Kolben, dem Trägerrohr, dem Magneten oder dem Anker und den damit fest verbundenen Bauteilen.
Eine erste Feder oder eine erste Gruppe von Federn stützt die erste Masse zu einem feststehenden umgebenden Bauteil hin ab und der federnd wirkende Metallfaltenbalg sowie gegebenenfalls eine weitere Feder stützt die zweite Masse gegen die erste Masse ab.
Anwendung findet die erfindungsgemäßen Linearverdichter in stationären Kühlanlagen und Kühlgeräten oder in mobilen Kühlanlagen in Fahrzeugen.
Bilder:
1 zeigt einen Linearverdichter mit einem Antrieb durch einen Hubmagneten
2 zeigt einen Linearverdichter mit einem elektromagnetischen Linearantrieb
Beispielhafte Ausführung
Ein Linearverdichter (2) komprimiert ein Arbeitsfluid und fördert es von einem Sauganschluss (9) zu einem Druckanschluss (21). Er ist mit einem elektromagnetischen Antrieb (22) und einer Verdrängereinrichtung (23) ausgerüstet, die aus einem Zylinder (10), einem darin geführten Kolben (13), einem ersten Ventil (11) oder einer ersten Ventilgruppe und einem zweiten Ventil (12) oder einer zweiten Ventilgruppe besteht. Die Verdrängereinrichtung (23) weist drei Dichtungen auf, eine erste Dichtung als Spalt zwischen dem Kolben (13) und dem Zylinderrohr (10), die den Auslassdruck gegen einen Druck in einem Leckageraum (25) dynamisch dichtet, eine zweite Dichtung als Metallfaltenbalg (8), der den Kolben (13) mit dem Zylinder (10) verbindet und den Leckageraum (25) gegen einen Magnetraum (26) abdichtet und eine dritte Dichtung als Metallfaltenbalg (29), der den Kolben (13) mit dem saugseitigen Flansch (28) des Gehäuses verbindet und einen Einlassraum (27) gegen den Magnetraum (26) abdichtet.
In einer ersten Ausführung gemäß 1 besteht der elektromagnetische Antrieb aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem Magnetpol (17), einem Magnetjoch (18), einem Luftspalt (15) veränderlicher Länge und einem Anker (16), der mittels seines Trägerrohrs (5) den Kolben (13) bewegt.
Der elektromagnetische Antrieb besteht in einer zweiten Ausführung gemäß 2 aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem axialen Luftspalt (15) und einem Magneten (6), der radial permanent magnetisiert und axial beweglich ist und mittels seines Trägerrohrs (5) den Kolben (13) bewegt. Dabei wird der Magnetfluss in dem Magneten (6) vorteilhafterweise durch einen Eisenrückschluss (30) verstärkt.
Die Metallfaltenbälge (8) und (29) haben zusammen eine für die Funktion des Antriebs erhebliche Federwirkung und zeichnen sich dabei durch eine geringe Dämpfung und eine eng tolerierten Federrate aus, wobei die Summe der Federwirkungen der genannten Metallfaltenbälge und einer Federwirkung des komprimierten Arbeitsfluids so auf die verbundenen Massen des Kolbens (13), des Trägerrohrs (5), des Magneten (6) oder des Ankers (16) und aller damit verbundenen beweglichen Bauteile abgestimmt ist, dass dieses aus den genannten Bauelementen bestehende nur wenig gedämpfte schwingungsfähige System eine Eigenfrequenz aufweist, die annähernd einer Erregerfrequenz eines elektrischen Wechselstroms entspricht, der der Spule (4) aufgeprägt wird.
Die Ventile (11) und (12) sind als schnellschaltende Ventile ausgeführt, die bei der Resonanzfrequenz der Verdrängereinrichtung im Vergleich zur Bewegung des Kolbens (13) nahezu verzögerungsfrei arbeiten.
Vorteilhafterweise dichtet ein nicht gezeigtes Spaltrohr (7) zwischen der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3) und dem Luftspalt (15) einerseits und dem Magneten (6) oder dem Anker (16) andererseits die Baugruppe bestehend aus der Spule (4) und der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3) gegen den Arbeitsraum des Magneten (6) oder des Ankers (16) ab, wobei das Spaltrohr aus einem nur sehr geringfügig magnetisierbaren Metall hergestellt ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind der Kolben (13) und/oder der Zylinder (10) mit einer kältemittelbeständigen und reibungs- und verschleißmindernden Beschichtung versehen.
Erforderlichenfalls wird die federnde Wirkung der Metallfaltenbälge (8) und (29) durch eine Feder oder zwei Federn verstärkt, die innerhalb des Metallfaltenbalgs (8) angeordnet den Kolben (13) umfassend diesen gegen das Gehäuse (14) abstützt und/oder innerhalb des Metallfaltenbalgs (29) angeordnet den Kolben (13) gegen das Gehäuse (14) abstützt.
Vorteilhafterweise ist der Linearverdichter als ein abgestimmtes Zwei-Massen-Schwingungssystem realisiert, wobei die erste Masse aus dem Gehäuse (14), der Spule (4), der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), dem Zylinder (10) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei die zweite Masse aus dem Kolben (13), dem Trägerrohr (5), dem Magneten (6) oder dem Anker (18) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei eine erste Feder oder eine erste Gruppe von Federn die erste Masse zu einem feststehenden umgebenden Bauteil hin abstützt und wobei der federnd wirkende Metallfaltenbalg (8), der federnd wirkende Metallfaltenbalg (29) und gegebenenfalls eine weitere Feder oder weitere Federn gemeinsam mit dem komprimierten Arbeitsfluid die zweite Masse gegen die erste Masse abstützen.
Im Betrieb des Linearverdichters wird bei einer Wahl besonders verschleißfester Werkstoffe oder Beschichtungen für den Kolben (13) und den Zylinder (10) in Verbindung mit einem angemessenen radialen Spiel zwischen diesen beiden Bauteilen auf einen Zusatz von Schmierstoff zu dem Arbeitsfluid verzichtet.
Bezugszeichenliste

1: Kältemaschine
2: Linearverdichter
3: Einrichtung zur Magnetflussleitung
4: Spule
5: Trägerrohr
6: Magnet
7: Spaltrohr (nicht gezeigt)
8: Metallfaltenbalg
9: Sauganschluss
10: Zylinder
11: Erstes Ventil
12: Zweites Ventil
13: Kolben
14: Gehäuse
15: Luftspalt
16: Anker
17: Magnetpol
18: Magnetjoch
21: Druckanschluss
22: Elektromagnetischer Antrieb
23: Verdrängereinrichtung
25: Leckageraum
26: Magnetraum
27: Einlassraum
28: Flansch
29: Metallfaltenbalg
30: Eisenrückschluss

Claims

Linearverdichter (2), der ein Arbeitsfluid komprimiert und von einem Sauganschluss (9) zu einem Druckanschluss (21) fördert, mit einem elektromagnetischen Antrieb (22) und einer Verdrängereinrichtung (23), die aus einem Zylinder (10), einem darin geführten Kolben (13), einem ersten Ventil (11) oder einer ersten Ventilgruppe und einem zweiten Ventil (12) oder einer zweiten Ventilgruppe besteht, wobei eine erste Dichtung als Spalt zwischen dem Kolben (13) und dem Zylinderrohr (10) den Auslassdruck gegen einen Druck in einem Leckageraum (25) dynamisch dichtet dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Dichtung als Metallfaltenbalg (8), der den Kolben (13) mit dem Zylinder (10) verbindet, den Leckageraum (25) gegen einen Magnetraum (26) abdichtet und eine dritte Dichtung als Metallfaltenbalg (29), der den Kolben (13) mit dem saugseitigen Flansch (28) des Gehäuses verbindet, einen Einlassraum (27) gegen den Magnetraum (26) abdichtet.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Antrieb aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem axialen Luftspalt (15) und einem Magneten (6) besteht, der radial permanent magnetisiert und axial beweglich ist und mittels seines Trägerrohrs (5) den Kolben (13) bewegt, wobei ein Eisenrückschluss (30) den Magnetfluss im Magneten (6) verstärkt.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der elektromagnetische Antrieb aus einer Spule (4), einer Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), einem Magnetpol (17), einem Magnetjoch (18), einem Luftspalt (15) veränderlicher Länge und einem Anker (16) besteht, der mittels seines Trägerrohrs (5) den Kolben (13) bewegt.
Linearverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Metallfaltenbälge (8) und (29) zusammen eine für die Funktion des Antriebs erhebliche Federwirkung haben und sich dabei durch eine geringe Dämpfung und eine eng tolerierten Federrate auszeichnen, wobei die Summe der Federwirkungen der genannten Metallfaltenbälge und einer Federwirkung des komprimierten Arbeitsfluids so auf die verbundenen Massen des Kolbens (13), des Trägerrohrs (5), des Magneten (6) oder des Ankers (16) und aller damit verbundenen beweglichen Bauteile abgestimmt ist, dass dieses aus den genannten Bauelementen bestehende nur wenig gedämpfte schwingungsfähige System eine Eigenfrequenz aufweist, die annähernd einer Erregerfrequenz eines elektrischen Wechselstroms entspricht, der der Spule (4) aufgeprägt wird.
Linearverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile (11) und (12) als schnellschaltende Ventile ausgeführt sind, die bei der Resonanzfrequenz der Verdrängereinrichtung im Vergleich zur Bewegung des Kolbens (13) nahezu verzögerungsfrei arbeiten.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Spaltrohr (7) zwischen der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3) und dem Luftspalt (15) einerseits und dem Magneten (6) oder dem Anker (16) andererseits die Baugruppe bestehend aus der Spule (4) und der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3) gegen Arbeitsraum des Magneten (6) oder des Ankers (16) abdichtet, wobei das Spaltrohr aus einem nur sehr geringfügig magnetisierbaren Metall hergestellt ist.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (13) und/oder der Zylinder (10) mit einer kältemittelbeständigen und reibungs- und verschleißmindernden Beschichtung versehen ist und der Linearverdichter ohne einen Zusatz von Schmierstoff zu dem Arbeitsfluid betreibbar ist.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die federnde Wirkung der Metallfaltenbälge (8) und (29) durch eine Feder oder zwei Federn verstärkt wird, die innerhalb des Metallfaltenbalgs (8) angeordnet den Kolben (13) umfassend diesen gegen das Gehäuse (14) abstützt und/oder innerhalb des Metallfaltenbalgs (29) angeordnet den Kolben (13) gegen das Gehäuse (14) abstützt.
Linearverdichter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Linearverdichter als abgestimmtes Zwei-Massen-Schwingungssystem realisiert ist, wobei die erste Masse aus dem Gehäuse (14), der Spule (4), der Einrichtung zur Magnetflussleitung (3), dem Zylinder (10) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei die zweite Masse aus dem Kolben (13), dem Trägerrohr (5), dem Magneten (6) oder dem Anker (16) und den damit fest verbundenen Bauteilen besteht und wobei eine erste Feder oder eine erste Gruppe von Federn die erste Masse zu einem feststehenden umgebenden Bauteil hin abstützt und wobei der federnd wirkende Metallfaltenbalg (8), der federnd wirkende Metallfaltenbalg (29) und gegebenenfalls eine weitere Feder oder weitere Federn und das komprimierte Arbeitsfluid die zweite Masse gegen die erste Masse abstützt.