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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Linearkompressor oder eine Linearpumpe, mit einer in einem Gehäuse angeordneten Verdichtungs- oder/und Fördervorrichtung, einem Schwingkörper und einem elektromagnetischen Antrieb, wobei die Verdichtungs- oder/und Fördervorrichtung mittels des Schwingkörpers antreibbar ist und der Schwingkörper über mindestens ein Blattfederelement gegenüber dem Gehäuse beweglich gehalten ist und mit dem elektromagnetischen Antrieb so gekoppelt ist, dass der Schwingkörper durch den elektromagnetischen Antrieb entlang einer Längsachse oszillieren kann.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Derartige Linearkompressoren oder Linearpumpen sind seit längerem bekannt und werden zur Förderung oder Verdichtung von Fluiden eingesetzt. Mit dem Begriff Linearkompressor oder Linearpumpe soll zum Ausdruck gebracht werden, dass der Kompressor oder die Pumpe von einem Linearantrieb angetrieben werden im Unterschied zu Kompressoren oder Pumpen, bei denen rotatorische Antriebe eingesetzt werden.
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Bei der Verdichtungsvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Kolben-Zylinder-Anordnung handeln, wobei ein in dem Zylinder befindliches Fluid wie beispielsweise Luft über den oszillierenden Kolben verdichtet und über ein oder mehrere Ventile zu- und abgeführt wird. Der Schwingkörper wird üblicherweise mittels des elektromagnetischen Antriebs mit einer Magnetkraft beaufschlagt und gibt diese an die Verdichtungvorrichtung weiter. Alternativ kann es sich bei der Fördervorrichtung um eine Membranpumpe handeln.
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Der Schwingkörper ist so gelagert, dass dessen Bewegungen ausschließlich entlang der Längsachse erfolgen. Bewegungen senkrecht zur Längsachse sollen so weit als möglich unterbunden werden, da diese einen negativen Einfluss auf Führung und Verdichtung/Förderung und auf die Übertragung der elektromagnetischen Kräfte haben.
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Das Blattfederelement spielt hierbei eine Rolle. Es dient zumindest teilweise der Lagerung des Schwingkörpers und ist in der Regel so ausgebildet und angeordnet, dass ausschließlich längsaxiale Bewegungen möglich und queraxiale Bewegungen weitgehend ausgeschlossen sind. Es besteht hierbei allerdings das Problem, dass zur Erzielung der gewünschten hohen Federkonstanten für einen hohen Wirkungsgrad des Linearkompressors oder der Linearpumpe bei gleichzeitig geringer mechanischer Spannung innerhalb des Federmaterials große Federarmlängen notwendig sind. Diese Federarmlängen stehen dem Wunsch nach einer kompakten Bauform entgegen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearkompressor oder eine Linearpumpe der eingangs genannten Art anzugeben, der einen einfachen und gleichzeitig kompakten Aufbau und der gleichzeitig einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Linearkompressor oder eine Linearpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Der Linearkompressor oder die Linearpumpe weist eine in einem Gehäuse angeordnete Verdichtungs- oder Fördervorrichtung, einen Schwingkörper und einen elektromagnetischen Antrieb auf. Die Verdichtungs- oder Fördervorrichtung ist mittels eines Schwingkörpers antreibbar. Der Schwingkörper kann beispielsweise einen Permanentmagneten aufweisen, der zusammen mit dem elektromagnetischen Antrieb ein Wandermagnetfeld aufbaut. Dieses kann Kräfte oder Kraftkomponenten senkrecht zu der Längsachse auf den Schwingkörper ausüben.
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Aufgrund der Kräfte, die auf den Schwingkörper in Richtung der Längsachse wirken, und einer beweglichen Halterung des Schwingkörpers mittels eines Blattfederelements gegenüber dem Gehäuse wird der Schwingkörper in eine oszillierende Bewegung entlang der Längsachse versetzt.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der elektromagnetische Antrieb so eingerichtet ist, dass er eine Kraft auf den Schwingkörper ausübt, welche eine Komponente senkrecht zu der Längsachse aufweist, und das Blattfederelement mit dem Gehäuse und mit dem Schwingkörper verbunden und so ausgebildet ist, dass bei einer Auslenkung des Blattfederelements durch den Schwingkörper neben einer in der Längsachse wirkenden Kraftkomponente auch eine Ausgleichskraftkomponente in radialer Richtung senkrecht zu der Längsachse wirkt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass ein eigentlich unerwünschter Effekt eines Blattfederelements, nämlich die Ausübung einer zumindest teilweise senkrecht auf die Längsachse wirkenden Kraft - also der hier Ausgleichskraftkomponente genannten Kraftkomponente - dazu eingesetzt werden kann, eine von dem elektromagnetischen Antrieb ebenfalls auf den Schwingkörper aufgeprägte senkrecht zu der Längsachse wirkende Kraftkomponente zumindest teilweise zu kompensieren. Somit kann mit einem einfachen und gleichzeitig kompakten Aufbau die dem Schwingkörper durch den elektrischen Antrieb aufgeprägte Bewegung, die ohne die Einwirkung der Blattfeder beispielsweise entlang einer kreisbahn-ähnlichen Kurve verlaufen würden, ohne weitere Aufbauten so zu beeinflussen, dass sich eine nahezu lineare Bewegung entlang der Längsachse ergibt.
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Der elektromagnetische Antrieb bewirkt eine Auslenkung des Schwingkörpers entlang der Längsachse und damit mittelbar eine Auslenkung bzw. Verformung der Blattfeder. Die Blattfeder ist so ausgelegt, dass sie auf eine Auslenkung entlang der Längsachse mit einer (zusätzlichen) Auslenkung in radialer Richtung senkrecht zu der Längsachse reagiert. Diese Auslenkung bewirkt die Ausgleichskraftkomponente und wird zumindest teilweise durch die Kraft aufgehoben, welche der elektromagnetische Antrieb auf den Schwingkörper ausübt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist dabei vorgesehen, dass die Ausgleichskraftkomponente in Richtung des elektromagnetischen Antriebs wirkt. Somit kann auf einfache Weise die in unerwünschter Weise von dem elektromagnetischen Antrieb auf den Schwingkörper aufgeprägte Kraft zumindest teilweise kompensiert werden.
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Bei einer Ausführung eines Linearkompressors kann nur ein elektromagnetischer Antrieb auf einer Seite der Längsachse vorgesehen sein. Auf diese Weise lässt sich der Linearkompressor besonders kostengünstig herstellen. Gleichzeitig kommen die Vorteile der Erfindung, nämlich eine Kompensation der durch den elektromagnetischen Antrieb verursachten radialen - also senkrecht zur Längsachse wirkenden Kraftkomponenten - besonders vorteilhaft zum Tragen.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Blattfederelement U-förmig mit einem ersten Schenkel und einem zweiten Schenkel ausbildet ist. Der Begriff U-förmig steht dabei stellvertretend für eine geometrische Ausformung, die sich zunächst in eine erste Richtung erstreckt und dann mittels einer Krümmung eine zweite andere Richtung einschlägt. Weitere funktional äquivalente Geometrien wären ein Kreis, ein Halb- oder Dreiviertelkreis oder eine C- oder V-förmige Ausformung.
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Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der erste Schenkel bzw. die erste Erstreckung mit dem Gehäuse und der zweite Schenkel bzw. die zweite Erstreckung mit dem Schwingkörper verbunden ist und wenn der erste Schenkel eine andere Federkonstante aufweist als der zweite Schenkel. Mit der Wahl zweier verschiedener Federkonstanten kann das mechanisch-räumliche Verhalten der Blattfeder derart gestaltet werden, dass sich mit einer Auslenkung des zweiten beweglichen Schenkels eine der unerwünscht aufgeprägten elektromagnetischen Kraft entgegen gerichtete Kraft erzeugt wird, die in ihrer Stärke zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, die elektromagnetische Kraft kompensiert.
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Bei einer konkreten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Federkonstante des zweiten Schenkels das 1,1-fache oder mehr des ersten Schenkels beträgt. Auf diese Weise ergibt sich eine ausreichend hohe Kraftkomponente entgegen der Richtung des elektromagnetischen Antriebs zur zumindest teilweisen Kompensation der von dem elektromagnetischen Antrieb auf den Schwingkörper aufgeprägten Kraft.
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Bei Ausführungsformen für die Realisierung unterschiedlicher Federkonstanten für den ersten und den zweiten Schenkel können verschiedene Parameter der beiden Schenkel variiert werden. Es kann beispielsweise der erste Schenkel länger als der zweite Schenkel ausgeführt sein. Auf diese Weise ergibt sich bei ansonsten gleicher Ausgestaltung der Schenkel eine höhere Federkonstante für den zweiten Schenkel. Durch diese Asymmetrie entsteht bei einer entsprechenden Anordnung des Blattfederelements eine resultierende Kraftkomponente in Richtung des elektromagnetischen Antriebs, welche die durch den Antrieb verursachte Kraftkomponente zumindest teilweise kompensiert. Eine weitere alternative oder zusätzliche Möglichkeit besteht in der Variation der Schenkelbreite, wobei hier auch die effektive Schenkelbreite hinzugerechnet werden soll. Es sollen also auch Ausnehmungen innerhalb eines Schenkels, unterschiedlich breite oder lange Ausnehmungen oder eine über die Länge des Schenkels sich verändernde Schenkelbreite als Variationen der Schenkelbreite im vorstehenden Sinne aufgefasst werden.
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Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung der gewünschten Asymmetrie der beiden Schenkel kann eine für beide Schenkel unterschiedliche Materialstärke oder/und die Wahl verschiedener Materialien für die Schenkel sein. Dabei können die unterschiedlichen Materialien beispielsweise auch durch eine unterschiedliche Kombination zweier verschiedener Materialien realisiert werden. Beispielsweise kann auch der zweite Schenkel ein zweites zusätzliches Material aufweisen, das beispielsweise auf den Schenkel auflaminiert sein kann und so die Federkonstante des zweiten Schenkels erhöht.
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Die vorgenannten Möglichkeiten zur Herstellung einer Asymmetrie bezüglich der Federkonstanten beider Schenkel können einzeln oder in beliebiger Kombination angewendet werden.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass sich die Ausgleichskraftkomponente mit der Auslenkung des Schwingkörpers entlang der Längsachse verändert. Beispielsweise kann das Blattfederelement dazu ausgelegt sein, dass die Ausgleichskraftkomponente von der Position des Schwingkörpers auf der Längsachse abhängt. Beispielsweise kann sich die Ausgleichskraftkomponente mit der Auslenkung des Schwingkörpers erhöhen, beispielweise auch proportional hierzu. Es kann vorgesehen sein, dass die maximale Ausgleichskraftkomponente bei der maximalen Auslenkung des Schwingkörpers anliegt.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein erstes und ein zweites Blattfederelement vorgesehen sind, wobei das erste Blattfederelement symmetrisch zu dem zweiten Blattfederelement bezüglich einer Spiegelung entlang einer Schnittebene parallel zu der Längsachse ist. Bevorzugt liegt die Längsachse in der Schnittebene. Mittels der spiegelbildlichen Anordnung zweier in sich asymmetrischer Blattfederelemente kann zum einen der Vorteil realisiert werden, dass sich eine resultierende Ausgleichskraftkomponente ergibt. Gleichzeitig können andere unerwünschte resultierende Kraftkomponenten durch die spiegelbildliche Symmetrie ausgeglichen oder zumindest deutlich reduziert werden.
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Es hat sich im Rahmen der Erfindung herausgestellt, dass bei einem Linearkompressor der oszillierende Teil so gelagert werden muss, dass Bewegungen entlang der Zylinderachse bzw. entlang der oszillierenden Bewegung erfolgen können, wohingegen Bewegungen in radialer Richtung soweit wie möglich unterbunden werden müssen. Diese wirken sich negativ auf die Führung und Verdichtung im Zylinder und auf die Übertragung der elektromagnetischen Kräfte durch den Antrieb aus.
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Bei einer Lagerung des oszillierenden Teils durch Blattfedern ist es daher möglich, symmetrische Blattfedern zu verwenden, da diese bei Auslenkung in Achsrichtung je nach Ausführung im Idealfall keine Auslenkung in radialer Richtung durch sich selbst bewirken.
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Asymmetrische Blattfedern haben allerdings den Vorteil, dass weniger Bauraum benötigt wird. Speziell bei Blattfedern ist von Vorteil, große Radien zu verwenden, um die resultierenden Spannungen niedrig zu halten. Das vorstehend allgemein beschriebene Blattfederelement und die und in der nachstehend dargestellten Ausführungsform befindliche Blattfeder weisen eine asymmetrische Form mit großem Radius aus. Es ist nicht möglich, mit einer symmetrischen Feder innerhalb gleicher Abmessungen und Auslenkung auf annährend gleich kleine resultierende Spannungen zu kommen.
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Durch eine gespiegelte Anordnung der Federn hintereinander in einem Aufhängungspunkt wie beispielhaft in der nachstehenden Ausführungsform gezeigt kann die radiale Auslenkung in einer oder mehrerer Achsen unterbunden werden. Dadurch lassen sich die Vorteile symmetrischer und asymmetrischer Blattfedern kombinieren.
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Wird bei einem Linearkompressor nur ein elektrischer Antrieb anstatt zweier elektrischer Antriebe verwendet - also beispielsweise keine zweite Spule mit Blechpaket am oszillierenden Teil - ergeben sich hohe Radialkräfte durch die Anziehung der Magnete durch das Blechpaket. Diese Kräfte sorgen für eine Auslenkung des oszillierenden Teils. Die radiale Auslenkung ist dabei abhängig von der axialen Auslenkung und steigt mit an. Dies liegt an zwei Effekten. Zum einen nimmt die Anziehungskraft zum Blechpaket mit steigender Auslenkung zu, da die projizierte Überdeckungsfläche größer wird und zum anderen sinkt der Widerstand der Blechfedern gegen radiale Verschiebung, wenn sie axial ausgelenkt werden. Daher beschreibt der oszillierende Teil bei diesem Aufbau eine Kreisbahn. Das sorgt dafür, dass der Luftspalt zwischen oszillierendem Teil und dem Blechpaket soweit erhöht werden muss, bis die Magnete unter Berücksichtigung von Fertigungs- und Montagetoleranzen nicht mit dem Blechpaket in Kontakt kommen. Dies verringert die Effizienz des Antriebs.
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Durch Blattfedern mit asymmetrischer Federkonstante - es kann beispielsweise die Verbindung zwischen dem oszillierenden Teil und der Blattfeder unterhalb der Befestigungsstelle zwischen der Blattfeder und dem Gehäuse (fixes Teil) entsteht eine axiale Verschiebung, die eine radiale Auslenkung nach oben bewirkt. Dies ist der nachstehenden Ausführungsform detailliert beschrieben. Dies wirkt dem oben genannten Problem entgegen. So lassen sich beispielsweise bei passend ausgewählter Geometrie die oben genannten Effekte stark reduzieren oder sogar aufheben, sodass der oszillierende Teil eine nahezu rein axiale Bewegung ausführt.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearkompressors;
- 2 eine Frontalansicht,
- 3 eine Seitenansicht sowie
- 4 eine schematische Perspektivansicht aus einer Rückrichtung der Ausführungsform der 1.
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BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die 1 bis 4 zeigen in verschiedenen Darstellungen eine Ausführungsform eines Linearkompressors 10. Der Linearkompressor 10 umfasst ein Gehäuse 12, das in der dargestellten Ausführungsform eine stützende Funktion besitzt und dazu ausgelegt ist, die während des Betriebs entstehenden Kräfte aufzunehmen und abzuleiten. In dem Gehäuse 12 ist ein Zylinder 14 mit einem darin hin- und her beweglichen Kolben (nicht abgebildet) angeordnet. Das Gehäuse kann beispielsweise Abmessungen von 5 cm x 5 cm x 20 cm aufweisen, es sind aber auch größere oder kleinere Ausführungsformen möglich.
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Der nicht dargestellte Kolben ist mit einem Schwingkörper 16 gekoppelt, welcher den Kolben antreibt. Der Schwingkörper 16 ist damit, sowie auch der nicht dargestellte Kolben, entlang einer Längsachse A hin und her beweglich. Der Schwingkörper 16 wird von einem elektromagnetischen Antrieb 18 angetrieben, der vorliegend als Linearmotor 20 ausgebildet ist. Der Linearmotor 20 weist einen Spulenbereich 22 auf, der ein veränderliches Magnetfeld erzeugen kann. An dem Schwingkörper 16 sind Pole 24 eines Permanentmagneten vorgesehen. In dem Spulenbereich 22 sind zur Erzeugung des veränderlichen Magnetfelds zu einem Blechpaket 26 zusammengefasste Blechstreifen vorgesehen. Zwischen dem Blechpaket 26 und den Permanentmagnet-Polen 24 bildet sich ein Luftspalt 28 aus.
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An den jeweiligen Enden des Schwingkörpers 16 ist jeweils ein Paar aus zwei Blattfederelementen 31, 32 bzw. 33, 34 angeordnet. Die 2 zeigt besonders gut die Form der Blattfederelemente 31, 32. In 3 ist die jeweilige Position des Blattfederelements 31-34 zu erkennen.
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Wie in 2 dargestellt weist das Blattfederelement 31 einen ersten Schenkel 36, einen zweiten Schenkel 38 sowie zugehörige erste und zweite Enden 311 bzw. 312 auf. Der erste Schenkel 36 ist an dem ersten Ende 311 mit einer Öffnung 40 versehen, mittels der das erste Blattfederelement 31 mit dem Gehäuse 12 verbunden ist. Der zweite Schenkel 38 weist ebenfalls an dem zweiten Ende 312 eine Öffnung 42 auf, mittels der das erste Blattfederelement 31 mit dem Schwingkörper 16 gekoppelt ist. Wie aus 2 gut zu ersehen ist, ist das Blattfederelement 31 prinzipiell U-förmig ausgebildet, wobei in der dargestellten Ausführungsform der erste Schenkel 36 länger als der zweite Schenkel 38 ist. Hierdurch ergibt sich für eine Bewegung des zweiten Endes 312 des zweiten Schenkels 38 - markiert durch die Öffnung 42 - relativ zu dem ersten Ende 311 des ersten Schenkels 36 - markiert durch die Öffnung 40 - eine asymmetrische Grundform und damit unterschiedliche Federkonstanten für den ersten Schenkel 36 und den zweiten Schenkel 38.
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Das Gehäuse 12 weist eine obere Fläche 121, eine untere Fläche 122 sowie Seitenflächen 123, 124 auf. In der in den 1-4 gezeigten Ausführungsform ist das erste Blattfederelement 31 mit seinem ersten Ende 311 an einer Stelle im Gehäuse 12 befestigt, an der sich die obere Fläche 121 und die Seitenfläche 123 treffen. Dementsprechend kann sich der erste Schenkel 36 von der oberen Fläche 121 bis zur gegenüberliegenden unteren Fläche 122 erstrecken. Der zweite Schenkel 38 hingegen erstreckt sich von der unteren Fläche 122 bis zur Längsachse A und besitzt damit etwa nur 90 % der Länge des ersten Schenkels 36. Im Ergebnis ergibt sich für die Federkonstante des ersten Schenkels 36 das ungefähr 1,1-fache der Federkonstante des zweiten Schenkels 38.
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3 veranschaulicht mit einer strichpunktierten Linie B den Verlauf des Schwingkörpers 16 während seiner oszillierenden Bewegung als Kreisbahn in stark überhöhter und schematischer Art und Weise. Die Kreisbahn B entspricht einer Bewegung des Schwerpunkts des Schwingkörpers 16 ohne den korrigierenden bzw. kompensierenden Einfluss der Blattfederelemente 31-34. Mittels der asymmetrisch ausgelegten Federkonstante der einzelnen Blattfederelemente 31-34 ergibt sich eine Ausgleichskraftkomponente, welche von dem Ende 312 des zweiten Schenkels 38 des Blattfederelements 31 auf den Schwingkörper 16 an der Öffnung 42 bzw. dem dort befindlichen Verbindungs- bzw. Kopplungspunkt übertragen wird. Die interessierende Ausgleichskraftkomponente ist senkrecht zur Längsachse A und in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel senkrecht zu der oberen Fläche 121 ausgerichtet.
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Wie in der Darstellung der 2 gut zu erkennen ist, erstreckt sich der zweite Schenkel 38 über eine gedachte Symmetrieachse des Linearkompressors, welche die Längsachse A schneidet und die senkrecht durch die obere Fläche 121 verläuft - hinaus. Entsprechend entstehen auch andere unerwünschte Kraftkomponenten zusätzlich zu der gewünschten Ausgleichskraftkomponente. Zur Kompensierung dieser unerwünschten Kraftkomponenten ist ein zweites Blattfederelement 32 spiegelbildlich zu dem ersten Blattfederelement 36 in dem Linearkompressor 10 vorgesehen. Das zweite Blattfederelement weist ebenfalls einen ersten Schenkel 321 und einen zweiten Schenkel 322 mit jeweils einer distalen Öffnung (in 2 ist nur die distale Öffnung 323 des ersten Schenkels 321 zu sehen) auf. Aufgrund der spiegelsymmetrischen Anordnung befindet sich die Öffnung 323 des ersten Schenkels 321 im Bereich, an dem die obere Fläche 121 und die Seitenfläche 124 aneinandergrenzen. Die zweite (verdeckte) Öffnung hingegen ist entlang der Längsachse A versetzt an dem Schwingkörper 16 angebracht.
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Somit ergibt sich eine Kompensation möglicherweise unerwünscht auftretender Kraftkomponenten senkrecht zur Längsachse A, aber nicht senkrecht zur oberen Fläche 121 bzw. nicht direkt in Richtung des elektrischen Antriebs 20 orientiert.
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Im Ergebnis führt der Schwingkörper 16 während seiner oszillierenden Bewegung eine nahezu rein axiale Bewegung entlang der Längsachse A aus, da die Kraftkomponenten, welche bei stärkerer Auslenkung entlang der Längsachse A durch die Anziehungskräfte des Linearmotors 20 entstehen und sich mit zunehmender Auslenkung vergrößern durch die sich ebenfalls aufgrund der asymmetrischen Auslegung der Blattfederelemente 31-34 ergebende Zunahme der Ausgleichskraftkomponente eben in Richtung des Linearmotors 20 ergebende Vergrößerung kompensieren.
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Ein weiterer Vorteil der asymmetrischen Auslegung der einzelnen Blattfederelemente 31-34 besteht in der besseren Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums zur Maximierung der Krümmungsradien des Blattfederelements, was wiederum zu einer Verringerung der unerwünscht innerhalb des Blattfederelements 31-34 auftretenden mechanischen Spannung führt.
