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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Kolben nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung einen Zylinder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7. Die Erfindung betrifft ferner einen Linearkompressor, welcher einen solchen Kolben und/oder Zylinder aufweist.
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Hintergrund der Erfindung
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Aus der
DE 10 2004 062 303 A1 ist ein Linearverdichter bekannt, welcher einen Zylinder und einen in dessen Längsrichtung oszillierend beweglichen Kolben aufweist, wobei von einander zugewandten Seitenflächen des Kolbens und des Zylinders wenigstens eine mit einer abriebfesten Gleitschicht versehen ist. Diese Gleitschicht kann als DLC(Diamond Like Carbon)-Schicht oder als PTFE(Polytetrafluorethylen)-Schicht ausgebildet sein. Der Kolben des Linearverdichters nach der
DE 10 2004 062 303 A1 ist in dem Zylinder druckfluidgelagert. Das Druckfluid soll der Aufrechterhaltung eines Kissens dienen, wobei an einem Hochdruckanschluss des Verdichters eine Abzweigung für Druckfluid für die Lagerung des Kolbens gebildet ist.
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Weitere Hubkolbenverdichter und -vakuumpumpen mit beschichteten Komponenten sind zum Beispiel aus der
DE 203 07 327 U1 sowie aus der
EP 1 442 218 B1 bekannt. Im letztgenannten Fall ist eine als Oberflächenverstärkungsschicht bezeichnete Beschichtung als NiP-Schicht ausgebildet. Bei den beschichteten Bauteilen kann es sich in beiden Fällen um Aluminiumbauteile handeln.
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Aus der
DE 10 2011 007 673 A1 ist ein Linearverdichter mit Schlitzsteuerung bekannt. Dieser Linearverdichter weist ein Gehäuse auf, welches zugleich einen Stator eines Linearantriebs darstellt. Innerhalb des Stators ist ein Oszillator, welcher den Läufer des Linearantriebs bildet, linear verschiebbar geführt, wobei zwei in Bewegungsrichtung des Oszillators hintereinander angeordnete Verdichtungsräume gebildet sind. Der Antrieb des Oszillators erfolgt mittels einer im Stator angeordneten stationären Spule sowie zweier bewegter Spulen am Oszillator, wobei statt der stationären Spule auch ein Permanentmagnet vorgesehen sein kann.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einer Verschleißbelastung ausgesetzte Komponenten von Linearkompressoren gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich einer günstigen Relation zwischen Herstellungsaufwand und Haltbarkeit weiterzuentwickeln.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich eines Kolbens durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 1, hinsichtlich eines Zylinders durch die Merkmalskombination gemäß Anspruch 7, sowie hinsichtlich eines mit einem solchen Kolben und/oder Zylinder arbeitenden Linearkompressors durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 10 gelöst.
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Der Kolben weist einen Grundkörper aus Kunststoff auf, auf welchem sich eine nanokristalline Metallbeschichtung befindet. In analogem Schichtaufbau weist der gemäß der Erfindung ausgebildete Zylinder ein Kunststoffgehäuse mit einer Wandung auf, auf welcher sich eine Beschichtung aus nanokristallinem Metall befindet.
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Nanokristalline Metallbeschichtungen, welche sich für die Beschichtung des Kolbens sowie des Zylinders eignen, sind prinzipiell zum Beispiel aus der
WO 2006/063469 A1 , aus der
EP 1 737 652 B1 , sowie aus der
DE 102 28 323 B4 bekannt. Die Durchschnittskorngröße der nanokristallinen Beschichtung liegt vorzugsweise unter 100 nm. Als Metalle, die in der nanokristallinen Schicht enthalten sein können, sind insbesondere Nickel, Chrom und Eisen zu nennen. Ebenso kann die nanokristalline Schicht beispielsweise Ag, Al, Au, Cu, Co, Sn, Pt, Ti, W, Zn und/oder Zr aufweisen. Als Legierung, die in Form einer auf den Kunststoffkolben beziehungsweise auf das Kunststoffgehäuse aufgebrachten nanokristallinen Schicht vorliegen kann, ist beispielsweise eine Fe-Ni-Legierung zu nennen.
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Die nanokristalline Beschichtung des Kolbens oder Zylinders kann ein- oder mehrlagig aufgebaut sein. Im Fall eines mehrlagigen Aufbaus ist beispielsweise eine Nickelschicht als direkt auf dem Kunststoffteil befindliche Zwischenschicht vorgesehen, während eine Außenschicht durch eine Schicht mit verbesserten Gleiteigenschaften, beispielsweise eine Silber enthaltende Schicht, gebildet ist. Zum Stand der Technik wird hinsichtlich des mehrlagigen Aufbaus einer Metallschicht auf einem Grundkorpus aus Kunststoff beispielhaft auf die
DE 10 2011 079 125 A1 verwiesen.
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Je nach Anwendungsfall ist die nanokristalline Metallschicht beispielsweise im Hinblick auf tribologische Eigenschaften, etwa für einen ölfrei betriebenen Linearkompressor, sowie im Hinblick auf Korrosionseigenschaften optimierbar. Eine Korrosionsgefährdung kann zum Beispiel bei einem ölfrei betriebenen Kompressor durch Kondenswasser gegeben sein. Von Vorteil sind in zahlreichen Anwendungsfällen auch die elektromagnetischen Eigenschaften der nanokristallinen Metallbeschichtung, welche zu einem EMS-Shielding beitragen und EMV-Verluste reduzieren können.
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Innerhalb des Linearkompressors kann entweder – in üblicher Grundkonzeption – der Zylinder als stehende und der hierin geführte Kolben als bewegte Maschinenkomponente vorgesehen sein, oder umgekehrt – in bei Hubkolbenmaschinen prinzipiell ebenfalls bekannter Bauart – der Zylinder eine bewegte und der Kolben eine feststehende Komponente bilden. Die Gesamtmasse des Linearkompressors ist gegenüber herkömmlichen Konstruktionen durch die Verwendung von nanokristallin beschichteten Kunststoff für mechanisch belastete Komponenten, nämlich Kolben und/oder Zylinder, deutlich reduziert. Durch den Einsatz von Kunststoff als Grundwerkstoff für bewegte Maschinenkomponenten sind auch die Massenträgheiten drastisch reduziert. Dies hat insbesondere kleinere Rückstellkräfte zur Folge, womit beispielsweise die Verwendung von kleineren Federn und schwächer ausgelegten elektrischen Antriebskomponenten möglich ist. Insgesamt hat die Verwendung von mit nanokristallinem Metall beschichteten Kunststoffbauteilen in dem Linearkompressor sowohl elektromagnetisch als auch mechanisch Vorteile gegenüber herkömmlichen Metallkonstruktionen.
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Der Grundkörper des Kolbens sowie das Gehäuse des Zylinders sind rationell beispielsweise aus Polyamid, insbesondere PA 66, herstellbar. Als weiterer Kunststoff, welcher als Grundwerkstoff des Kolbens sowie des Zylinders geeignet ist, ist beispielhaft PEEK (Polyetheretherketon) zu nennen. Die genannten Kunststoffe sind auch in faserverstärkten Varianten verwendbar.
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Der Kolben des Linearkompressors ist vorzugsweise elektrisch direkt, das heißt ohne Getriebe, angetrieben. Der Antrieb kann beispielsweise in der Art eines Linear-Reluktanzmotors gestaltet sein. Ein Linear-Reluktanzmotor ist beispielsweise aus der
DE 197 33 726 C2 bekannt. Alternativ kann der Kolben oder ein mit dem Kolben fest verbundenes Bauteil als permanentmagneterregter Läufer eines elektrischen Linearantriebs ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang wird auf die bereits genannten Dokumente
EP 1 442 218 B1 sowie
DE 203 07 327 U1 verwiesen.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist in den Kolben mindestens ein magnetisches Flussleitelement, welches eine hochpermeable Legierung, insbesondere Ferrit, umfassen kann, integriert. Auf dem magnetischen Flussleitelement befindet sich vorzugsweise eine elektrisch isolierende Oberflächenbeschichtung, welche zur Minimierung von Wirbelstrom- und Hysteresteverlusten beiträgt.
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Auf dem elektrisch isolierten, in den Kolben integrierten Flussleitelement kann sich mindestens eine elektrische Spule befinden, die als Sekundärspule mit einer gehäusefesten, ein Magnetfeld erzeugenden Primärspule zusammenwirkt. Sowohl bei der Primärspule als auch bei der Sekundärspule handelt es sich um eine bestrombare Spule. Statt einer Primärspule oder zusätzlich zu einer solchen Spule kann auch ein Permanentmagnet vorhanden sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Kolben als Hohlkolben aufgebaut. Hierbei ist eine zylindrische Innenwandung des Kolbens auf einem Gehäusezapfen geführt. Der Gehäusezapfen ragt in einen ansonsten zylindrischen Innenraum des Zylinders, in welchem der Kolben linear beweglich ist. Ein der Fluidförderung dienender Druckraum ist vorzugsweise ausschließlich zwischen dem Gehäusezapfen und dem Hohlraum innerhalb des Kolbens gebildet. Dies hat den Vorteil, dass auf der Außenseite des Kolbens sowie an der Innenwandung des Zylinders, welche diese Außenwandung umgibt, die elektrischen Funktionsteile, insbesondere Spulen, positioniert werden können, ohne an dieser Stelle Maßnahmen zur Abdichtung zu treffen. Vielmehr ist ein zwischen der Außenwandung des Kolbens und der zylindrischen Innenwandung des den Zylinder bildenden Gehäuses gebildeter Ringraum für die Durchleitung von zu verdichtendem Medium nutzbar. Der Kolben ist vorzugsweise als doppelt wirkender Kolben, ausgebildet und hierbei – in einer Ausgestaltung als Hohlkolben – auf zwei von gegenüberliegenden Stirnseiten in den Zylinder ragenden Gehäusezapfen geführt.
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Ein- und Auslassventile des Linearkompressors können direkt in den Grundkörper des Kolbens sowie in das Gehäuse des Zylinders integriert sein. Alternativ kann der Linearkompressor eine Schlitzsteuerung aufweisen. Der Linearkompressor eignet sich besonders als Kältemittelkompressor, beispielsweise in einem Haushaltsgerät oder in einer größeren Kältemaschine.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 einen Linearkompressor in einer vereinfachten Schnittdarstellung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Ein insgesamt mit den Bezugszeichen
1 gekennzeichneter Linearkompressor dient als Verdichter in einer Kältemaschine, hinsichtlich deren prinzipieller Funktion auf das eingangs zitierte Dokumente
EP 1 442 218 B1 sowie auf die
DE 199 22 511 A1 verwiesen wird. Die grundlegende geometrische Gestaltung des Linearkompressors
1 mit einem oszillierenden Element, welches gleichzeitig Läufer eines Linearmotors ist sowie zwei Verdichtungsräume begrenzt und damit sowohl eine elektrische als auch eine fluidtechnische Funktion hat, ist beispielsweise in dem genannten Dokument
DE 10 2011 007 673 A1 offenbart.
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Ein auch als Schwinger bezeichneter Kolben 2 des Linearkompressors 1 ist als doppelt wirkender Hohlkolben ausgebildet. Ein zugehöriger Zylinder 3, in welchem der Kolben 2 verschiebbar ist, ist durch ein Gehäuse 4 aus Kunststoff gebildet, wobei sich der Kolben 2 vollständig innerhalb des Zylinders 3 befindet. Das Gehäuse 4 weist ein hohlzylindrisches Gehäuseteil 5 auf, welches die äußere Mantelfläche des Kolbens 2 ringförmig umgibt, sowie zwei fest mit dem hohlzylindrischen Gehäuseteil 5 verbundene, von beiden Stirnseiten aus in den Zylinder 3 ragende Gehäusezapfen 6.
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Auf jedem Gehäusezapfen 6 ist eine hohlzylindrische Innenwandung 7 des Kolbens 2 geführt. Die beiden längs der mit A bezeichneten Längsachse des Linearkompressors 1 hintereinander angeordneten zylindrischen Innenwandungen 7 des Kolbens 2 sind durch eine Mittelplatte 8 des Kolbens 2 voneinander getrennt. Innerhalb der Mittelplatte 8 verläuft eine Saugleitung 9, welche außenseitig an der Mantelfläche des Kolbens 2 endet. Zwischen der Mantelfläche des Kolbens 2 und der mit den Bezugszeichen 10 gekennzeichneten zylindrischen Innenwandung des hohlzylindrischen Gehäuseteils 5 ist ein Ringspalt 11 gebildet, durch den anzusaugendes, zu verdichtendes Medium strömen kann. Das Medium fließt in den Zylinder 3 durch mehrere Ansaugöffnungen 12 an den beiden Stirnseiten des Gehäuses 4.
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Von der in der Mittelplatte 8 des Kolbens 2 befindlichen Saugleitung 9 aus fließt das zu verdichtende Medium, nämlich gasförmiges Kältemittel, durch zwei stirnseitig der Mittelplatte 8 angeordnete Einlassventile 13 in zwei Druckräume 14, welche umfangseitig jeweils durch einen Abschnitt der zylindrischen Innenwandung 7 des Kolbens 2 begrenzt sind. Jeder der zylindrischen Druckräume 14 ist weiterhin abgeschlossen durch jeweils ein Auslassventil 15, welches sich stirnseitig im Gehäusezapfen 6 befindet und dem zugehörigen Einlassventil 13 gegenüber liegt. Vom Auslassventil 14 aus strömt das verdichtete Kältemittel in eine zentrisch im Gehäusezapfen 6 angeordnete, das heißt zur Längsachse A konzentrische Druckleitung 16, welche sich außerhalb des Linearkompressors 1 fortsetzt.
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Der direkte lineare Antrieb des Kolbens 2 erfolgt durch eine gehäuseseitige Primärspule 17 und hiermit zusammenwirkende, am Kolben 2 angeordnete Sekundärspulen 18. Die bestrombare Primärspule 17 und/oder ein nicht dargestellter ringförmiger Permanentmagnet ist beziehungsweise sind derart in das Gehäuse 4 integriert, dass die Primärspule 17 einschließlich eines eventuellen Spulenträgers ebenso wie der optionale Permanentmagnet bündig mit der Innenwandung 10 des Gehäuses abschließt. Soweit ein in das Gehäuse 4 ein Spulenträger eingesetzt ist, ist dieser als Flussleitelement aus Ferrit gefertigt. Die Sekundärspulen 18 des Kolbens 2 umgeben jeweils einen in den Kolben 2 integrierten Spulenträger 19, welcher als Flussleitelement aus Ferrit gefertigt ist. Zwischen dem Flussleitelement 19 in Form des Spulenträgers und der Sekundärspule 18 befindet sich eine elektrisch isolierende Beschichtung. In gleicher Weise befindet ist auch eine isolierende Beschichtung an der Primärspule 17 vorhanden.
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Ebenso wie die Primärspule 17 stellen auch die Sekundärspulen 18 bestrombare Bauteile dar, wobei Stromzuführungen zu den Spulen 17, 18 in 1 in keinem Fall dargestellt sind.
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Das Gehäuse 4, welches den Zylinder 3 bildet, ist ebenso wie ein mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichneter Grundkörper des Kolbens 2 aus Kunststoff gefertigt, wobei es sich um gleich- oder verschiedenartige Kunststoffe handeln kann. Besonders geeignet sowohl zur Herstellung des Kolbens 2 als auch zur Herstellung des Gehäuses 4 ist Polyamid, welches rationell durch Kunststoffspritzguss verarbeitbar ist. Metallteile sind direkt im Spritzgussvorgang in das jeweilige Kunststoffteil, das heißt das Gehäuse 4 oder den Grundkörper 20 des Kolbens 2, integrierbar.
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Während die hohlzylindrische Innenwandung 10 des Gehäuses 4 ebenso wie die dieser unter Bildung des Ringspaltes 11 gegenüber liegende Mantelfläche des Kolbens 2 kaum mechanischen Belastungen ausgesetzt ist, ist zwischen einer mit den Bezugszeichen 21 gekennzeichneten Mantelfläche eines jeden Gehäusezapfens 6 und jeweils einem Abschnitt der zylindrischen Innenwandung 7 des Kolbens 2 jeweils ein erheblich beanspruchter Gleitkontakt gebildet.
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Wie in 1 angedeutet ist, befindet sich im Bereich dieses Gleitkontakts eine Beschichtung 22 auf dem Grundkörper 20 des Kolbens 2 sowie auf der eine Wandung des Gehäuses 4 bildenden Mantelfläche 21. Die Beschichtungen 22 auf dem Kolben 2 sowie auf dem Zylinder 3 sind als nanokristalline Metallbeschichtungen, beispielsweise Nickel-Beschichtungen oder FeNi-Beschichtungen ausgebildet.
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In nicht in 1 sichtbarer Weise sind bevorzugt auch mechanisch nicht oder nicht stark beanspruchte Oberflächenbereiche des Kolbens 2 sowie des Zylinders 3 mit der Beschichtung 22, welche eine Dicke von beispielsweise 25 μm bis 500 μm und eine mittlere Korngröße von 10 nm bis 100 nm aufweist, versehen. Dies hat den Vorteil, dass jegliche Umwelteinflüsse auf den aus Kunststoff gefertigten Grundkörper 20 sowie auf das ebenfalls aus Kunststoff gefertigte Gehäuse 4 ausgeschlossen sind, insbesondere ein Quellen der Kunststoffe unabhängig von dem im dem Linearkompressor 1 geförderten Medium verhindert wird, wobei gleichzeitig die Stabilität gegenüber reinen Kunststoffteilen deutlich erhöht ist. Somit werden Abmessungsverhältnisse und Spaltmaße innerhalb des Linearkompressors 1 langfristig konstant gehalten, was wesentlich zu einer hohen Lebensdauer und einem permanent hohen Wirkungsgrad des Linearkompressors 1 beiträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearkompressor
- 2
- Kolben
- 3
- Zylinder
- 4
- Gehäuse
- 5
- hohlzylindrisches Gehäuseteil
- 5
- Gehäusezapfen
- 7
- hohlzylindrische Innenwandung des Kolbens
- 8
- Mittelplatte
- 9
- Saugleitung
- 10
- zylindrische Innenwandung des Gehäuses
- 11
- Ringspalt
- 12
- Ansaugöffnung
- 13
- Einlassventil
- 14
- Druckraum
- 15
- Auslassventil
- 16
- Druckleitung
- 17
- Primärspule
- 18
- Sekundärspule
- 19
- Spulenträger, Flussleitelement
- 20
- Grundkörper des Kolbens
- 21
- Mantelfläche des Gehäusezapfens
- 22
- nanokristalline Beschichtung
- A
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004062303 A1 [0002, 0002]
- DE 20307327 U1 [0003, 0013]
- EP 1442218 B1 [0003, 0013, 0020]
- DE 102011007673 A1 [0004, 0020]
- WO 2006/063469 A1 [0008]
- EP 1737652 B1 [0008]
- DE 10228323 B4 [0008]
- DE 102011079125 A1 [0009]
- DE 19733726 C2 [0013]
- DE 19922511 A1 [0020]
