DE112004002958T5

DE112004002958T5 - Linearkompressor

Info

Publication number: DE112004002958T5
Application number: DE112004002958T
Authority: DE
Inventors: Bong-Jun Changwon Choi; Hyun Changwon Kim; Jong-Min Shin; Chang-Yong Jang; Shin-Hyun Park; Young-Hoan Changwon Jeon; Chul-Gi Changwon Roh
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2004-08-30
Filing date: 2004-08-30
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: BRPI0419016A; DE112004002958B4; BRPI0419016B1; US20090232666A1; WO2006025620A1; CN100549414C; CN101014769A; JP2008511792A

Abstract

Linearkompressor mit:
einem festen Element mit einem Kompressionsraum im Inneren;
einem beweglichen Element, das in der axialen Richtung linear im festen Element hin- und herläuft, um in den Kompressionsraum gesaugte Kühlmittel zu komprimieren;
einer oder mehreren Federn, die so installiert sind, dass sie das bewegliche Element in dessen Bewegungsrichtung elastisch abstützen, wobei ihre Federkonstanten lastabhängig variieren; und
einem Linearmotor, der in Verbindung mit dem beweglichen Element installiert ist, um es in der axialen Richtung hin- und herzubewegen, wobei die Betriebsfrequenz und der Hub lastabhängig variieren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft einen Linearkompressor, der eine Last schnell bewältigen kann und die Kompressionseffizienz dadurch verbessern kann, dass die Betriebsfrequenz eines Linearmotors mit einer lastabhängig variierenden natürlichen Frequenz eines beweglichen Elements synchronisiert wird und der Hub des beweglichen Elements lastabhängig variiert wird.
HINTERGRUNDBILDENDE TECHNIK
Kompressoren, die mechanische Geräte zur Druckerhöhung durch Empfangen von Energie von einem Energieeinheitssystem wie einem Elektromotor oder einer Turbine sind, und die Luft, Kühlmittel oder andere verschiedene Betriebsgase komprimieren, werden in weitem Umfang für Haushaltsgeräte wie Kühlschränke und Klimaanlagen oder auf allen industriellen Gebieten verwendet.
Kompressoren werden grob in Hubkompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebgase zwischen einem Kolben und einem Zylinder angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei der Kolben innerhalb des Zylinders linear hin- und herbewegt werden kann, um Kühlmittel zu komprimieren, Rotationskompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebsgase zwischen einer sich exzentrisch drehenden Rolle und einem Zylinder angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die Rolle exzentrisch auf den Innenwänden des Zylinders rollt, um Kühlmittel zu komprimieren, und Spiralkompressoren mit einem Kompressionsraum, durch den Betriebsgase zwischen einer umlaufenden Spirale und einer festen Spirale angesaugt oder ausgestoßen werden, wobei die umlaufende Spirale mit der festen Spirale gedreht werden kann, um Kühlmittel zu komprimieren, unterteilt.
In jüngerer Zeit wurden, unter den Hubkompressoren, Linearkompressoren wegen ihrer Kompressionseffizienz und einfachen Konstruktion wegen eines Beseitigens mechanischer Verluste durch Bewegungswandlung durch direktes Verbinden eines Kolbens mit einem eine lineare Hin- und Herbewegung ausführenden Antriebsmotor in Massen hergestellt.
Ein Linearkompressor, der Kühlmittel unter Verwendung einer linearen Antriebskraft des Motors komprimiert und ausstößt, verfügt über eine Kompressionseinheit aus einem Zylinder und einem Kolben zum Komprimieren von Kühlmittelgasen sowie eine Antriebseinheit aus einem Linearmotor zum Liefern einer Antriebskraft an die Kompressionseinheit.
Genauer gesagt, ist bei einem Linearkompressor der Zylinder fest in einem geschlossenen Behälter installiert, und der Kolben ist so im Zylinder installiert, dass er eine lineare Hin- und Herbewegung ausführt. Wenn der Kolben linear im Zylinder hin- und herläuft, werden Kühlmittel in einen Kompressionsraum im Zylinder gesaugt, komprimiert und ausgestoßen. Im Kompressionsraum sind eine Saugventilanordnung und eine Ausstoßventilanordnung installiert, um das Ansaugen und Ausstoßen der Kühlmittel entsprechend dem Innendruck im Kompressionsraum zu kontrollieren.
Außerdem wird der Linearmotor zum Erzeugen einer Linearbewegungskraft für den Kolben so installiert, dass er mit diesem verbunden wird. Ein Innenstator und ein Außenstator, die durch Aufschichten mehrerer Laminate am Umfang des Zylinders in der Umfangsrichtung aufgebaut werden, sind mit einem vorbestimmten Spalt am Linearmotor installiert. Innerhalb des Innenstators oder des Außenstators wird eine Spule aufgewickelt, und im Zwischenraum zwischen dem Innenstator und dem Außenstator wird ein mit dem Kolben zu verbindender Permanentmagnet installiert.
Hierbei wird der Permanentmagnet so installiert, dass er in der Bewegungsrichtung des Kolbens beweglich ist und durch eine elektromagnetische Kraft, wie sie erzeugt wird, wenn ein Strom durch die Wicklung fließt, in der Bewegungsrichtung des Kolbens linear hin- und herbewegt wird. Normalerweise wird der Linearmotor mit einer konstanten Betriebsfrequenz f_c betrieben, und der Kolben wird mit einem vorbestimmten Hub S linear hin- und herbewegt.
Andererseits sind verschiedene Federn installiert, um den Kolben elastisch in der Bewegungsrichtung zu halten, obwohl er durch den Linearmotor linear hin- und herbewegt wird. Genauer gesagt, wird eine Schraubenfeder, die eine Art einer mechanischen Feder ist, so installiert, dass sie durch den geschlossenen Behälter und den Zylinder elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens gehalten wird. Auch dienen die in den Kompressionsraum gesaugten Kühlmittel als Gasfeder.
Die Schraubenfeder verfügt über eine konstante mechanische Federkonstante K_m, und die Gasfeder verfügt über eine Gasfederkonstante K_g, die durch die Last variiert. Eine natürliche Frequenz f_n wird unter Berücksichtigung der mechanischen Federkonstante K_m und der Gasfederkonstante K_g berechnet.
Die so berechnete natürliche Frequenz f_n bestimmt die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors. Die Effizienz des Linearmotors wird dadurch verbessert, dass seine Betriebsfrequenz f_c mit seiner natürlichen Frequenz f_n gleichgesetzt wird, d. h., dass er im Resonanzzustand betrieben wird.
Demgemäß fließt im Linearkompressor, wenn dem Linearmotor ein Strom zugeführt wird, dieser Strom durch die Wicklung, um durch Wechselwirkungen mit dem Außenstator und dem Innenstator eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen, und der Permanentmagnet und der mit ihm verbundene Kolben werden durch die elektromagnetische Kraft linear hin- und herbewegt.
Hierbei wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfrequenz f_c betrieben. Die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors wird mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens gleichgesetzt, so dass der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben werden kann, um die Effizienz zu maximieren.
Wie oben beschrieben, ändert sich der Innendruck im Kompressionsraum, wenn der Kolben linear im Zylinder hin- und herbewegt wird. Die Kühlmittel werden in den Kompressionsraum gesaugt, komprimiert und ausgestoßen, was mit Änderungen des Innendrucks des Kompressionsraums einhergeht.
Der Linearkompressor ist so aufgebaut, dass er mit einer Betriebsfrequenz f_c betrieben wird, die mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens übereinstimmt, die durch die mechanische Federkonstante K_m der Schraubenfeder und die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder unter derjenigen Last, die zum Designzeitpunkt für den Linearmotor angenommen wurde, berechnet wurde. Daher wird der Linearmotor lediglich bei der beim Design berücksichtigten Last im Resonanzzustand betrieben, um die Effizienz zu verbessern.
Da jedoch die tatsächliche Last des Linearkompressors variiert, ändern sich die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder und die aus dieser berechnete natürliche Frequenz f_n des Kolbens.
Genauer gesagt, wird, wie es in der 1A dargestellt ist, die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors zum Designzeitpunkt so bestimmt, dass sie in einem mittleren Lastbereich mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens übereinstimmt. Selbst wenn die Last variiert, wird der Linearmotor mit der konstanten Betriebsfre quenz f_c betrieben. Wenn jedoch die Last zunimmt, nimmt die natürliche Frequenz f_n des Kolbens zu.
Formel 1
Hierbei repräsentiert f_n die natürliche Frequenz des Kolbens, K_m und K_g repräsentieren die mechanische Federkonstante bzw. die Gasfederkonstante, und M repräsentiert die Kolbenmasse.
Im Allgemeinen wird, da die Gasfederkonstante K_g innerhalb der Gesamtfederkonstante K_t einen kleinen Anteil hat, die Gasfederkonstante K_g vernachlässigt oder auf einen konstanten Wert eingestellt. Die Kolbenmasse M und die mechanische Federkonstante K_m werden ebenfalls auf konstante Werte eingestellt. Daher wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens durch die obige Formel 1 als konstanter Wert berechnet.
Jedoch steigt der Druck und die Temperatur der Kühlmittel im eingeschränkten Raum umso mehr an, je mehr die aktuelle Last ansteigt. Demgemäß steigt die Elastizitätskraft der Gasfeder selbst an, wodurch die Gasfederkonstante K_g zunimmt. Auch nimmt die proportional zur Gasfederkonstante K_g berechnete natürliche Frequenz f_n des Kolbens zu.
Gemäß den 1A und 1B sind die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors und die natürliche Frequenz f_n des Kolbens im mittleren Lastbereich identisch, so dass der Kolben so betrieben werden kann, dass er den oberen Totpunkt (OT) erreicht, um dadurch den Kompressionsvorgang stabil auszuführen. Außerdem wird der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Effizienz des Linearkompressors maximiert ist.
Jedoch wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens in einem niedrigen Lastbereich kleiner als die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors, und so wird der Kolben über den OT hinaus verschoben, wodurch eine übermäßige Kompressionskraft ausgeübt wird. Darüber hinaus werden der Kolben und der Zylinder durch Reibung abgenutzt. Da der Linearmotor nicht im Resonanzzustand arbeitet, ist die Effizienz des Linearkompressors verringert.
Außerdem wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens in einem hohen Lastbereich größer als die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors, und so erreicht der Kolben den OT nicht, wodurch die Kompressionskraft verringert ist. Der Linearmotor wird nicht im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Effizienz des Linearkompressors abnimmt.
Im Ergebnis variiert beim herkömmlichen Linearkompressor die natürliche Frequenz f_n des Kolbens, wenn die Last variiert, jedoch bleibt die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors konstant. Daher wird der Linearmotor nicht im Resonanzzustand betrieben, was zu niedriger Effizienz führt. Ferner kann der Linearkompressor die Last nicht aktiv handhaben und schnell bewältigen.
Andererseits ermöglicht es, um eine Last zu bewältigen, wie es in der 2 dargestellt ist, der herkömmliche Linearkompressor, den Kolben 6 dadurch in einem Modus mit hoher oder niedriger Kühlung im Zylinder 4 zu betreiben, dass die Stärke des dem Linearmotor zugeführten Stroms eingestellt wird. Der Hub S des Kolbens 6 wird entsprechend den Betriebsmodi variiert, um die Kompressionskapazität zu ändern.
Der Linearkompressor wird in einem Zustand, in dem die Last relativ hoch ist, im Modus mit hoher Kühlung betrieben. Im Modus mit hoher Kühlung entspricht die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6, so dass der Kolben 6 so betrieben werden kann, dass er den OT mit einem vorbestimmten Hub S1 erreicht.
Außerdem wird der Linearkompressor im Modus mit niedriger Kühlung in einem Zustand betrieben, in dem die Last relativ klein ist. Im Modus mit niedriger Kühlung kann die Kompressionskapazität dadurch verringert werden, dass die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors durch Verringern des ihm zugeführten Stroms abgesenkt wird. Jedoch wird in einem Zustand, in dem der Kolben 6 durch die elastische Kraft der mechanischen Feder und der Gasfeder elastisch in der Bewegungsrichtung abgestützt wird, ein Hub S2 des Kolbens 6 verringert. Demgemäß kann der Kolben 6 den OT nicht erreichen, was zu niedriger Effizienz und niedriger Kompressionskraft des Linearkompressors führt.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung dient zum Lösen der obigen Probleme. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Linearkompressor zu schaffen, der eine Kompressionskapazität lastabhängig effizient dadurch variieren kann, dass er die Betriebsfrequenz eines Linearmotors und den Hub eines Kolbens steuert, was selbst dann erfolgt, wenn die natürliche Frequenz des Kolbens lastabhängig variiert.
Um die oben angegebene Aufgabe der Erfindung zu lösen, ist ein Linearkompressor mit Folgendem geschaffen: einem festen Element mit einem Kompressionsraum im Inneren; einem beweglichen Element, das in der axialen Richtung linear im festen Element hin- und herläuft, um in den Kompressionsraum gesaugte Kühlmittel zu komprimieren; einer oder mehreren Federn, die so installiert sind, dass sie das bewegliche Element in dessen Bewegungsrichtung elastisch abstützen, wobei ihre Federkonstanten lastabhängig variieren; und einem Linearmotor, der in Verbindung mit dem beweglichen Element installiert ist, um es in der axialen Rich tung hin- und herzubewegen, wobei die Betriebsfrequenz und der Hub lastabhängig variieren.
Vorzugsweise ist der Linearkompressor in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus installiert, und die Last wird proportional zur Differenz zwischen einem Druck kondensierender Kühlmittel (Kondensationsdruck) und einem Druck verdampfender Kühlmittel (Verdampfungsdruck) im Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus berechnet. Bevorzugter wird die Last zusätzlich proportional zu einem Druck berechnet, der der Mittelwert aus dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ist (mittlerer Druck).
Vorzugsweise wird der Linearmotor dadurch in einem Resonanzzustand betrieben, dass seine Betriebsfrequenz mit der proportional zur Last variierenden natürlichen Frequenz des beweglichen Elements synchronisiert wird.
Vorzugsweise hält der Linearmotor, obwohl der Hub lastabhängig variiert, die Effizienz des Linearkompressors und die Kompressionskraft der Kühlmittel dadurch aufrecht, dass das bewegliche Element linear so hin- und herbewegt wird, dass es den oberen Totpunkt erreicht.
Vorzugsweise weist der Linearmotor Folgendes auf: einen Innenstator, der durch Aufschichten mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung, um den Umfang des festen Elements abzudecken, gebildet ist; einen Außenstator, der außerhalb des Innenstators unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstands angeordnet ist und durch Aufschichten mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung gebildet ist; einen Spulenwicklungskörper, der am Innenstator und/oder am Außenstator installiert ist, um zwischen dem Innenstator und dem Außenstator entsprechend dem Stromfluss eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen; und einen Permanentmagnet, der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator und dem Außenstator positioniert ist, mit dem beweglichen Element verbunden ist und durch Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Kraft des Spulenwicklungskörpers linear hin- und herläuft.
Hierbei ist der Spulenwicklungskörper in der axialen Richtung in zwei oder mehr Spulenwicklungsabschnitte unterteilt, und der Linearmotor weist eine Verzweigungseinrichtung zum Auswählen eines oder mehrerer Spulenwicklungsabschnitte und zum Zuführen eines Eingangsstroms zu den ausgewählten Spulenwicklungsabschnitten sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Verzweigungseinrichtung entsprechend der Last auf.
Vorzugsweise wählt die Verzweigungseinrichtung unter den beiden Endpunkten des Spulenwicklungskörpers und den Verbindungspunkten zwischen den Spulenwicklungsabschnitten zwei aus und liefert den Eingangsstrom an die ausgewählten Punkte. Bevorzugter wählt die Verzweigungseinrichtung den zum oberen Totpunkt benachbarten Punkt unter den beiden Endpunkten des Spulenwicklungskörpers aus.
Demgemäß wird, wenn der Linearmotor den Strom an den Spulenwicklungskörper liefert, die elektromagnetische Kraft immer am Punkt des Spulenwicklungskörpers benachbart zum oberen Totpunkt erzeugt, und der Permanentmagnet wird durch die Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Kraft des Spulenwicklungskörpers linear hin- und herbewegt, so dass der Kolben den oberen Totpunkt erreichen kann, wodurch die Effizienz des Linearkompressors und die Kompressionskraft für die Kühlmittel verbessert werden.
Der Hub wird proportional zur axialen Länge der Spulenwicklungsabschnitte, denen der Strom zugeführt wird, kontrolliert, und die Spulenwicklungsabschnitte des Spulenwicklungskörpers verfügen über verschiedene Induktivitäten. In jedem Spulenwicklungsabschnitt ist die Spulenwindungszahl anders, oder es sind Spulen mit anderem Durchmesser aufgewickelt.
Beispielsweise ist der Spulenwicklungskörper vom oberen Totpunkt aus in einen ersten und einen zweiten Spulenwicklungsabschnitt unterteilt, und die axiale Länge des ersten Spulenwicklungsabschnitts beträgt vorzugsweise 30 bis 80 % derjenigen des Spulenwicklungskörpers, um bei niedriger Last die optimale Effizienz zu erzielen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung beigefügt sind und demgemäß für die Erfindung nicht beschränkend sind, besser verständlich werden.
1A ist ein Kurvenbild, das den Hub über der Last bei einem herkömmlichen Linearkompressor zeigt;
1B ist ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim herkömmlichen Linearkompressor zeigt;
2 ist eine Strukturansicht zum Veranschaulichen des Hubs im Betriebsmodus des herkömmlichen Linearkompressors;
3 ist eine Schnittansicht zum Darstellen eines Linearkompressors gemäß der Erfindung;
4A ist ein Kurvenbild, das den Hub über der Last beim Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
4B ist ein Kurvenbild, das die Effizienz über der Last beim Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
5 ist ein Kurvenbild, das Änderungen einer Gasfederkonstante abhängig von der Last im Linearkompressor gemäß der Erfindung zeigt;
6 ist eine Strukturansicht zum Veranschaulichen eines Linearmotors in der 3;
7A ist eine Betriebszustandsansicht zum Veranschaulichen eines Betriebszustands des Linearkompressors in einem Modus mit niedriger Kühlung gemäß der Erfindung; und
7B ist eine Betriebszustandsansicht zum Veranschaulichen eines Betriebszustands des Linearkompressors in einem Modus mit hoher Kühlung gemäß der Erfindung.
BESTE ART ZUM AUSFÜHREN DER ERFINDUNG
Nun wird ein Linearkompressor gemäß der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detailliert beschrieben.
Wie es in der 3 dargestellt ist, sind bei diesem Linearkompressor eine Einlassleitung 2a und eine Auslassleitung 2b, durch die Kühlmittel angesaugt und ausgestoßen werden, an einer Seite eines geschlossenen Behälters 2 installiert, ein Zylinder 4 ist fest im Inneren des geschlossenen Behälters 2 installiert, ein Kolben 6 ist innerhalb des Zylinders 4 so installiert, dass er sich linear hin- und herbewegen kann, um die in einen Kompressionsraum P im Zylinder 4 gesaugten Kühlmittel zu komprimieren, und es sind verschiedene Federn für elastische Halterung in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 installiert. Hierbei ist der Kolben 6 mit einem Linearmotor 10 zum Erzeugen einer linearen Hin-Her-Antriebskraft verbunden. Wie es in den 4A und 4B dargestellt ist, wird selbst dann, wenn die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 aufgrund der Last variiert, die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 so kontrolliert, dass sie mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert ist, so dass Resonanzbetrieb in allen Lastbereichen ausgeführt werden kann, um die Kompressionseffizienz zu ändern.
Außerdem ist an einem Ende des Kolbens 6 ein Ansaugventil 22 in Kontakt mit dem Kompressionsraum P installiert, und eine Auslassventilanordnung 24 ist an einem Ende des Zylinders 4 in Kontakt mit dem Kompressionsraum P installiert. Das Ansaugventil 22 und die Auslassventilanordnung 24 werden abhängig vom Innendruck im Kompressionsraum P automatisch so gesteuert, dass sie öffnen oder schließen.
Die obere und die untere Schale des geschlossenen Behälters 2 sind so verbunden, dass sie diesen hermetisch abdichten. Die Einlassleitung 2a, über die die Kühlmittel angesaugt werden, und die Auslassleitung 2b, über die sie ausgestoßen werden, sind an einer Seite des geschlossenen Behälters 2 installiert. Der Kolben 6 ist so im Zylinder 4 installiert, dass er in der Bewegungsrichtung elastisch gehalten wird, um die lineare Hin- und Herbewegung auszuführen. Der Linearmotor 10 ist mit einem Rahmen 18 außerhalb des Zylinders 4 verbunden. Der Zylinder 4, der Kolben 6 und der Linearmotor 10 bilden eine Baugruppe. Die Baugruppe ist an der inneren Bodenfläche des geschlossenen Behälters 2 so installiert, dass sie durch eine Haltefeder 29 elastisch gehalten wird.
Die innere Bodenfläche des geschlossenen Behälters 2 enthält Öl, eine Ölzuführvorrichtung 30 zum Pumpen des Öls ist am unteren Ende der Baugruppe installiert, und eine Ölzuführleitung 18a zum Zuführen von Öl zwischen dem Kolben 6 und dem Zylinder ist im Rahmen 18 an der Unterseite der Baugruppe ausgebildet. Demgemäß wird die Ölzuführvorrichtung 30 durch Schwingungen betrieben, wie sie durch die lineare Hin- und Herbewegung des Kolbens 6 er zeugt werden, um das Öl zu pumpen, und das Öl wird entlang der Ölzuführleitung 18a zur Kühlung und Schmierung in den Zwischenraum zwischen den Kolben 6 und dem Zylinder 4 geliefert.
Der Zylinder 4 ist mit hohler Form ausgebildet, so dass der Kolben 6 die lineare Hin- und Herbewegung ausführen kann, und er verfügt an seiner einen Seite über den Kompressionsraum P. Vorzugsweise ist der Zylinder 4 in einer geraden Linie mit der Einlassleitung 2a installiert, und zwar in einem Zustand, in dem sein eines Ende benachbart zum Innenabschnitt des Einlassrohrs 2a liegt.
Der Kolben 6 ist innerhalb eines Endes des Zylinders 4 benachbart zur Einlassleitung 2a installiert, um die lineare Hin- und Herbewegung auszuführen, und die Auslassventilanordnung 24 ist am einen Ende des Zylinders 4 in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a installiert.
Hierbei verfügt die Auslassventilanordnung 24 über eine Auslassabdeckung 24a zum Ausbilden eines vorbestimmten Auslassraums an einem Ende des Zylinders 4, ein Auslassventil 24b zum Öffnen oder Schließen des Endes des Zylinders 4 nahe dem Kompressionsraum P, und eine Ventilfeder 24c, die eine Art Schraubenfeder zum Ausüben einer elastischen Kraft zwischen der Auslassabdeckung 24a und dem Auslassventil 24b in der axialen Richtung ist. An der inneren Umfangsfläche eines Endes des Zylinders 4 ist ein O-Ring R eingesetzt, damit das Auslassventil 24a dicht am einen Ende des Zylinders 4 anliegen kann.
Zwischen einer Seite der Auslassabdeckung 24a und der Auslassleitung 2b ist ein Schleifenleitung 28 mit Vertiefung installiert, um die komprimierten Kühlmittel so zu leiten, dass sie nach außen ausgestoßen werden, und um zu verhindern, dass durch Wechselwirkungen des Zylinders 4, des Kolbens 6 und des Linear motors 10 erzeugte Schwingungen auf den gesamten geschlossenen Behälter 2 übertragen werden.
Daher wird, wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin- und herläuft, wenn der Druck im Kompressionsraum P über einem vorbestimmten Auslassdruck liegt, die Ventilfeder 24c zusammengedrückt, um das Auslassventil 24b zu öffnen, und die Kühlmittel werden aus dem Kompressionsraum P ausgestoßen und dann entlang der Schleifenleitung 28 und der Auslassleitung 2b nach außen ausgelassen.
Im Zentrum des Kolbens 6 ist ein Kühlmittelkanal 6a ausgebildet, durch den die von der Einlassleitung 2a zugeführten Kühlmittel fließen. Der Linearmotor 10 ist durch ein Verbindungselement 17 direkt mit einem Ende des Kolbens 6, benachbart zur Einlassleitung 2a, verbunden, und das Ansaugventil 22 ist an einem Ende des Kolbens 6 in der entgegengesetzten Richtung zur Einlassleitung 2a installiert. Der Kolben 6 ist durch verschiedene Federn elastisch in der Bewegungsrichtung gelagert.
Das Ansaugventil 22 ist in Form einer dünnen Platte ausgebildet. Das Zentrum des Ansaugventils 22 ist teilweise ausgeschnitten, um den Kühlmittelkanal 6a des Kolbens 6 zu öffnen oder zu schließen, und eine Seite des Ansaugventils 22 ist durch Schrauben an einem Ende des Kolbens 6a befestigt.
Demgemäß wird, wenn der Kolben 6 linear im Zylinder 4 hin- und herläuft, wenn der Druck im Kompressionsraum P unter einem vorbestimmten Saugdruck unter dem Ausstoßdruck liegt, das Ansaugventil 22 geöffnet, so dass die Kühlmittel in den Kompressionsraum P gesaugt werden können, und wenn der Druck im Kompressionsraum P über dem vorbestimmten Saugdruck liegt, werden die Kühlmittel im Kompressionsraum P im geschlossenen Zustand des Ansaugventils 22 komprimiert.
Insbesondere ist der Kolben 6 so installiert, dass er elastisch in der Bewegungsrichtung gelagert ist. Genauer gesagt, ist ein Kolbenflansch 6b, der in der radialen Richtung vom einen Ende des Kolbens 6 benachbart zur Einlassleitung 2a vorsteht, durch mechanische Federn 8a und 8b wie Schraubenfedern elastisch in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 gelagert. Die Kühlmittel, die im Kompressionsraum P in der Richtung entgegengesetzt zur Einlassleitung 2a enthalten sind, wirken aufgrund einer Elastizitätskraft als Gasfeder, um dadurch den Kolben G elastisch zu lagern.
Hierbei verfügen die mechanischen Federn 8a und 8b über konstante mechanische Federkonstanten K_m, unabhängig von der Last, und sie sind vorzugsweise mit einem am Linearmotor 10 und am Zylinder 4 befestigten Halterahmen 26 nebeneinander in der axialen Richtung des Kolbenflanschs 6b installiert. Auch verfügen die durch den Halterahmen 26 gelagerte mechanische Feder 8a und die am Zylinder 4 installierte mechanische Feder 8b über dieselbe mechanische Federkonstante K_m.
Jedoch weist die Gasfeder eine mit der Last variierende Gasfederkonstante K_g auf. Wenn die Umgebungstemperatur ansteigt, steigt der Druck der Kühlmittel an, und so steigt die Elastizitätskraft der Gase im Kompressionsraum P an. Im Ergebnis ist die Gasfederkonstante K_g der Gasfeder umso höher, je höher die Last angestiegen ist.
Während die mechanische Federkonstante K_m konstant ist, variiert die Gasfederkonstante K_g mit der Last. Daher variiert auch die Gesamtfederkonstante mit der Last, und die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 variiert in der obigen Formel 1 mit der Gasfederkonstante K_g.
Selbst wenn die Last variiert, sind die mechanische Federkonstante K_m und die Masse des Kolbens 6 konstant, jedoch variiert die Gasfederkonstante K_g. Demgemäß wird die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 durch die aufgrund der Last variierende Gasfederkonstante K_g merklich beeinflusst. Wenn ein Algorithmus zum Variieren der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 mit der Last erhalten wird und die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 mit dieser synchronisiert wird, kann die Effizienz des Linearkompressors verbessert werden, und die Last kann schnell überwunden werden.
Die Last kann auf verschiedene Arten gemessen werden. Da der Linearkompressor in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus zum Komprimieren, Kondensieren, Expandieren und Verdampfen von Kühlmitteln installiert ist, kann die Last als Differenz zwischen dem Kondensationsdruck, der der Druck kondensierender Kühlmittel ist, und einem Verdampfungsdruck, der der Druck verdampfender Kühlmittel ist, definiert werden. Um die Genauigkeit zu verbessern, wird die Last unter Berücksichtigung des mittleren Drucks betreffend den Kondensationsdruck und den Verdampfungsdruck bestimmt.
D. h., dass die Last proportional zur Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck und dem mittleren Druck berechnet wird. Je mehr die Last ansteigt, desto höher ist die Gasfederkonstante K_g. Wenn beispielsweise die Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ansteigt, steigt die Last an. Selbst wenn sich die Differenz zwischen dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck nicht ändert, aber der mittlere Druck ansteigt, steigt die Last an. Die Gasfederkonstante K_g steigt entsprechend der Last an.
Wie es in der 5 dargestellt ist, werden eine Kondensationstemperatur proportional zum Kondensationsdruck und eine Verdampfungstemperatur proportional zum Verdampfungsdruck gemessen, und die Last wird proportional zur Differenz zwischen der Kondensa tionstemperatur und der Verdampfungstemperatur und einer mittleren Temperatur berechnet.
Genauer gesagt, können die mechanische Federkonstante K_m und die Gasfederkonstante K_g durch verschiedene Versuche bestimmt werden. Gemäß der Erfindung verfügen die mechanischen Federn 8a und 8b des Linearkompressors über eine kleinere mechanische Federkonstante K_m als die mechanischen Federn des herkömmlichen Linearkompressors, was das Verhältnis der Gasfederkonstante K_g zur Gesamtfederkonstante K_T erhöht. Daher variiert die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 lastabhängig in einem relativ großen Bereich, und die Betriebsfrequenz f_n des Linearmotors 10 wird leicht mit der lastabhängig variierenden natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert.
Gemäß der 6 verfügt der Linearmotor 10 über einen durch Aufschichten mehrerer Laminate 12a in der Umfangsrichtung hergestellten und durch den Rahmen 18 fest außerhalb des Zylinders 4 installierten Innenstator 14, einen durch Aufschichten mehrerer Laminate 14b am Umfang eines Spulenwicklungskörpers 14a in der Umfangsrichtung und durch den Rahmen 18 außerhalb des Zylinders 4 mit einem vorbestimmten Zwischenraum zum Innenstator 12 installierten Außenstator 14 sowie einen Permanentmagnet 16, der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator 12 und dem Außenstator 14 positioniert ist und durch das Verbindungselement 17 mit dem Kolben 6 verbunden ist. Hierbei kann der Spulenwicklungskörper 14a fest außerhalb des Innenstators 12 installiert sein.
Insbesondere kann der Linearmotor 10 den Hub S des Kolbens 6 auf verschiedene Weisen ändern. Vorzugsweise ist der Spulenwicklungskörper 14a in zwei oder mehrere Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2 in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 unterteilt, und der Linearmotor 10 liefert den Strom an eine oder mehrere der Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2, um eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen.
Der Linearmotor 10 verfügt ferner über eine Verzweigungseinrichtung 15 zum Auswählen einer oder mehrerer Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 zum Liefern eines von außen eingegebenen Stroms an die ausgewählten Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2, und eine Steuerungseinrichtung 18 zum Steuern der Verzweigungseinrichtung 15 auf lastabhängige Weise.
Hierbei ist der Spulenwicklungskörper 14a so unterteilt, dass die Länge der Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2 proportional zum lastabhängig variierenden Hub S des Kolbens 6 ist. Jeder der Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2 verfügt über eine andere Induktivität L. Beispielsweise können die Spulenwindungszahl und/oder der Spulendurchmesser in den Spulenwicklungsabschnitten C1 und C2 variiert sein.
Die Verzweigungseinrichtung 15 verfügt über Verbindungsanschlüsse 15a, 15b und 15c, die mit Endpunkten des Spulenwicklungskörpers 14a und einem Verbindungspunkt zwischen den Spulenwicklungsabschnitten C1 und C2 verbunden sind, und einen Schalter 15d zum Auswählen von zweien der Verbindungsanschlüsse 15a, 15b und 15c zum Liefern des Stroms an die ausgewählten Verbindungsanschlüsse.
Die Steuerungseinrichtung 18 empfängt die Kondensationstemperatur und die Verdampfungstemperatur der Kühlmittel, sie ermittelt die Last, und sie steuert den Betrieb der Verzweigungseinrichtung 15 auf lastabhängige Weise. Wenn die Last zunimmt, steuert die Steuerungseinrichtung 18 den an mehrere Spulenwicklungsabschnitte C1 und C2 zu liefernden Strom.
Vorzugsweise ermöglicht es der Linearmotor 10, selbst wenn der Hub S des Kolbens 6 variiert, dass der Kolben 6 eine Kompression ausführt, bei der der OT erreicht wird. Genauer gesagt, ist in der Verzweigungseinrichtung 15 der vom Punkt benachbart zum OT zwischen den beiden Endpunkten des Spulenwicklungskörpers 14a abzweigenden Verbindungsanschlusses 15a immer mit dem Eingangsstrom verbunden, und einer der anderen Verbindungsanschlüsse 15b und 15c wird wahlweise durch den Schalter 15d angeschlossen.
Beispielsweise ist im Linearmotor 10 der Spulenwicklungskörper 14a ausgehend vom OT in den ersten und den zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 unterteilt, und Spulen vom selben Durchmesser sind im ersten und zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 aufgewickelt, und die axiale Länge des ersten Spulenwicklungsabschnitts C1 entspricht 30 bis 80 % der axialen Länge des Spulenwicklungskörpers 14a.
Demgemäß liefert, wenn aufgrund einer relativ großen Last eine hohe Kühlung erforderlich ist, der Linearmotor 10 den Strom an den ersten und den zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2, so dass die elektromagnetische Kraft in der gesamten axialen Längsrichtung des Spulenwicklungskörpers 14a wirken kann. Wenn aufgrund einer relativ kleinen Last eine niedrige Kühlung erforderlich ist, liefert der Linearmotor den Strom lediglich an den ersten Spulenwicklungsabschnitt C1, so dass die elektromagnetische Kraft in einem Teil der axialen Längsrichtung des Spulenwicklungskörpers 14a wirken kann.
Nun wird der Betrieb des Linearmotors 10 abhängig von der Last erläutert.
Wie es in der 7A dargestellt ist, wird, wenn hohe Kühlung erforderlich ist, der Linearmotor 10 im Modus mit hoher Kühlung betrieben. Da der Hub S des Kolbens 6 aufgrund der hohen Last erhöht ist, nimmt die Kompressionskapazität zu, wodurch die Last schnell gehandhabt wird.
Hierbei empfängt die Steuerungseinrichtung 18 die Kondensationstemperatur und die Verdampfungstemperatur, sie bestimmt die Last und sie steuert die Verzweigungseinrichtung 15 entsprechend dem Entscheidungsergebnis. Der Schalter 15d wird mit dem von einem Ende des Spulenwicklungskörpers 14a abzweigenden Verbindungsanschluss 15b verbunden, um den Strom an den ersten und den zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 zu liefern. Die am Umfang der Spulen im ersten und zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 erzeugte elektromagnetische Kraft sowie die Magnetkraft des Permanentmagnets 16 zeigen Wechselwirkung. Im Ergebnis wird der Permanentmagnet 16 linear so hin- und herbewegt, dass er durch den Hub S1 im Modus mit hoher Kühlung den OT erreicht, um die Kühlmittel zu komprimieren, wodurch die Kompressionskapazität erhöht ist.
Wenn die Last zunimmt, nimmt die Gasfederkonstante K_g zu, und gleichzeitig nimmt die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 zu. Die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 wird durch den Frequenzabschätzalgorithmus mit der natürlichen Frequenz f_n des Kolbens 6 synchronisiert. Daher wird der Linearkompressor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Kompressionseffizienz verbessert ist.
Andererseits wird, wie es in der 7B dargestellt ist, wenn niedrige Kühlung erforderlich ist, der Linearmotor 10 im Modus mit niedriger Kühlung betrieben. Da der Hub S des Kolbens 6 aufgrund der kleinen Last abnimmt, nimmt die Kompressionskapazität ab, um die Last effizient zu handhaben.
Hierbei empfängt die Steuerungseinheit 18 die Kondensationstemperatur und die Verdampfungstemperatur, sie bestimmt die Last und sie steuert die Verzweigungseinrichtung 15 entsprechend dem Entscheidungsergebnis. Der Schalter 15d wird mit dem vom ersten und zweiten Spulenwicklungsabschnitt C1 und C2 abzweigenden Verbindungsanschluss 15c verbunden, um den Strom an den ersten Spulenwicklungsabschnitt C1 zu liefern. Die am Umfang der Spule im ersten Spulenwicklungsabschnitt C1 erzeugte elektromagnetische Kraft und die magnetische Kraft des Permanentmagnets 16 zeigen Wechselwirkung. Demgemäß wird der Permanentmagnet 16 mit dem Hub S1 im Modus mit niedriger Kühlung linear so hin- und herbewegt, dass er den OT erreicht, um die Kühlmittel zu komprimieren, wodurch die Kompressionskapazität verringert wird.
Wenn die Last abnimmt, nimmt die Gasfederkonstante K_g ab, und gleichzeitig nimmt die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 ab. Die natürliche Frequenz f_n des Kolbens 6 wird durch den Frequenzabschätzalgorithmus unter Verwendung der Daten der Gasfeder, wie in der 5 dargestellt, abgeschätzt, und die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 wird mit der abgeschätzten natürlichen Frequenz f_n synchronisiert. Im Ergebnis wird der Linearkompressor im Resonanzzustand betrieben, wodurch die Kompressionseffizienz verbessert ist.
Wie oben beschrieben, werden Variationen der Gasfederkonstante K_g und der natürlichen Frequenz f_n aufgrund der Last durch den Frequenzabschätzalgorithmus abgeschätzt, und die Betriebsfrequenz f_c des Linearmotors 10 wird mit der natürlichen Frequenz f_n synchronisiert, so dass der Linearmotor im Resonanzzustand betrieben werden kann, um die Kompressionseffizienz zu maximieren.
Da der Spulenwicklungskörper 14a des Linearmotors 10 in der Bewegungsrichtung des Kolbens 6 in zwei oder mehr Spulenwicklungsabschnitte unterteilt ist, und da der Strom einem oder mehreren Spulenwicklungsabschnitten zugeführt wird, wird der Hub S des Kolbens 6 durch Steuern der Bereiche, in denen die elektromagnetische Kraft am Umfang des Spulenwicklungskörpers 14a erzeugt wird, eingestellt. Demgemäß kann der Linearkompressor die Last auf aktive Weise handhaben und schnell bewältigen, und er kann den Energieverbrauch senken.
Auf Grundlage der bevorzugten Ausführungsformen und der beigefügten Zeichnungen wurde ein Linearkompressor beschrieben, bei dem der sich bewegende Linearkompressor vom Magnettyp betrieben wird und der mit ihm verbundene Kolben linear im Zylinder hin- und herbewegt wird, um die Kühlmittel anzusaugen, zu komprimieren und auszustoßen. Jedoch ist es zu beachten, dass zwar die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben wurden, die Erfindung jedoch nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen eingeschränkt werden soll, sondern dass vom Fachmann innerhalb des Grundgedankens und des Schutzumfangs der nachfolgend beanspruchten Erfindung verschiedene Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können.
Zusammenfassung:
Die Erfindung offenbart einen Linearkompressor, bei dem ein Kolben (6) durch einen Linearmotor (10) angetrieben wird und in einem Zylinder (4) linear hin- und herläuft, um Kühlmittel anzusaugen, zu komprimieren und auszustoßen. Obwohl die Last variiert, führt der Linearkompressor den Betrieb dadurch in einem Resonanzzustand aus, dass die natürliche Frequenz des Kolbens (6) abgeschätzt wird und die Betriebsfrequenz des Linearmotors (10) mit dieser synchronisiert wird, und er handhabt die Last durch Variieren der Kompressionskapazität durch Ändern des Hubs (S) des Kolbens (6) auf effiziente Weise.

Claims

Linearkompressor mit: einem festen Element mit einem Kompressionsraum im Inneren; einem beweglichen Element, das in der axialen Richtung linear im festen Element hin- und herläuft, um in den Kompressionsraum gesaugte Kühlmittel zu komprimieren; einer oder mehreren Federn, die so installiert sind, dass sie das bewegliche Element in dessen Bewegungsrichtung elastisch abstützen, wobei ihre Federkonstanten lastabhängig variieren; und einem Linearmotor, der in Verbindung mit dem beweglichen Element installiert ist, um es in der axialen Richtung hin- und herzubewegen, wobei die Betriebsfrequenz und der Hub lastabhängig variieren.
Linearkompressor nach Anspruch 1, der in einem Kühlungs/Luftklimatisierungs-Zyklus installiert ist, wobei die Last proportional zur Differenz zwischen einem Druck kondensierender Kühlmittel (Kondensationsdruck) und einem Druck verdampfender Kühlmittel (Verdampfungsdruck) im Kühlungs/-Luftklimatisierungs-Zyklus berechnet wird.
Linearkompressor nach Anspruch 2, bei dem die Last zusätzlich proportional zu einem Druck berechnet wird, der der Mittelwert aus dem Kondensationsdruck und dem Verdampfungsdruck ist (mittlerer Druck).
Linearkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Betriebsfrequenz des Linearmotors mit der proportional zur Last variierenden natürlichen Frequenz des beweglichen Elements synchronisiert wird.
Linearkompressor nach Anspruch 4, bei dem, obwohl der Hub lastabhängig variiert, der Linearmotor das bewegliche Element auf solche Weise linear hin- und herbewegt, dass es den oberen Totpunkt erreicht.
Linearkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der Linearmotor Folgendes aufweist: einen Innenstator, der durch Aufschichten mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung, um den Umfang des festen Elements abzudecken, gebildet ist; einen Außenstator, der außerhalb des Innenstators unter Einhaltung eines vorbestimmten Abstands angeordnet ist und durch Aufschichten mehrerer Laminate in der Umfangsrichtung gebildet ist; einen Spulenwicklungskörper, der am Innenstator und/oder am Außenstator installiert ist, um zwischen dem Innenstator und dem Außenstator entsprechend dem Stromfluss eine elektromagnetische Kraft zu erzeugen; und einen Permanentmagnet, der im Zwischenraum zwischen dem Innenstator und dem Außenstator positioniert ist, mit dem beweglichen Element verbunden ist und durch Wechselwirkungen mit der elektromagnetischen Kraft des Spulenwicklungskörpers linear hin- und herläuft.
Linearkompressor nach Anspruch 6, bei dem der Spulenwicklungskörper in der axialen Richtung in zwei oder mehr Spulenwicklungsabschnitte unterteilt ist, und der Linearmotor über eine Verzweigungseinrichtung zum Auswählen eines oder mehrerer Spulenwicklungsabschnitte und zum Zuführen eines Eingangsstroms zu den ausgewählten Spulenwicklungsabschnitten sowie eine Steuerungseinrichtung zum Steuern der Verzweigungseinrichtung entsprechend der Last verfügt.
Linearkompressor nach Anspruch 7, bei dem die Verzweigungseinrichtung unter den beiden Endpunkten des Spulenwicklungskörpers und den Verbindungspunkten zwischen den Spulenwicklungsabschnitten 2 auswählt und den Eingangsstrom an die ausgewählten Punkte liefert.
Linearkompressor nach Anspruch 8, bei dem die Verzweigungseinrichtung immer den dem oberen Totpunkt benachbarten Punkt unter den beiden Endpunkten des Spulenwicklungskörpers auswählt.
Linearkompressor nach Anspruch 7 oder 9, bei dem der Hub proportional zur axialen Länge der Spulenwicklungsabschnitte ist, denen der Strom zugeführt wird.
Linearkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei dem die Spulenwicklungsabschnitte des Spulenwicklungskörpers über verschiedene Induktivitäten verfügen.
Linearkompressor nach Anspruch 11, bei dem die Spulenwindungszahl für jeden der Spulenwicklungsabschnitte des Spulenwicklungskörpers verschieden ist.
Linearkompressor nach Anspruch 11, bei dem in jedem der Spulenwicklungsabschnitte des Spulenwicklungskörpers ein anderer Spulendurchmesser aufgewickelt ist.
Linearkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem der Spulenwicklungskörper vom oberen Totpunkt aus in einen ersten und einen zweiten Spulenwicklungsabschnitt unterteilt ist.
Linearkompressor nach Anspruch 14, bei dem die axiale Länge des ersten Spulenwicklungsabschnitts 30 bis 80 % der axialen Länge des Spulenwicklungskörpers ausmacht.