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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft Linearkompressoren und insbesondere Linearkompressoren eines Typs, der für die Verwendung in einem Dampfkompressionskühlsystem geeignet ist.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Linearkompressoren eines Typs für die Verwendung in einem Dampfkompressionskühlsystem sind Gegenstand zahlreicher Dokumente des Stands der Technik. Ein solches Dokument ist unsere parallele PCT-Patentanmeldung
PCT/NZ2004/000108 . Diese Beschreibung beschreibt eine Vielzahl von Entwicklungen betreffend solche Kompressoren, von denen viele besondere Anwendung auf Linearkompressoren aufweisen. Die vorliegende Erfindung betrifft weitere Verbesserungen von Kompressorausführungsformen, wie etwa der in der Patentanmeldung beschriebenen, wodurch eine allgemeine Veranschaulichung eines Kompressors bereitgestellt wird, auf welchen die vorliegende Erfindung angewendet werden kann. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch jenseits des Umfangs der bestimmten Ausführungsformen eines Linearkompressors, wie er in dieser Anmeldung offenbart ist, angewendet werden. Der Fachmann wird die allgemeine Anwendung der hier wiedergegebenen Ideen auf andere Ausführungsformen von Linearkompressoren, wie sie etwa im Stand der Technik zu finden sind, erkennen.
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Aus der
US 2004/0232777 A1 ist ein Linearkompressor der gattungsgemäßen Art bekannt. Ferner sei auf die
US 2002/0176790 A1 und die
US 4,198,743 A verweisen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen in Bezug auf Linearkompressoren bereitzustellen oder zumindest für die Industrie eine nützliche Auswahl bereitzustellen.
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Nach einem ersten Aspekt ist die Erfindung ein Linearkompressor gemäß Anspruch 1.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst wenigstens ein Ankerpol einen oder mehrere, im Wesentlichen flache Blöcke aus permanentmagnetischem Material, welche mit den großen Flächen der Blöcke, die dem Stator zugewandt sind, an dem Verbindungselement befestigt sind, wobei das permanentmagnetische Material magnetisiert ist, um die Ankerpole zu definieren.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die verjüngte Klemme wenigstens ein Paar gegenüberliegender Flächen, welche einander zugewandt sind und welche in eine Richtung im Wesentlichen parallel zur Hubbewegungsrichtung des Kolbens in dem Zylinder weisen, wobei die gegenüberliegenden Flächen neben dem Luftspalt näher aneinander liegen als entfernt von dem Luftspalt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Statorteil einen Schichtstapel, wobei jede Schicht des Schichtstapels Flächen und Ränder aufweist, wobei der Schichtstapel entsprechende Flächen und Ränder aufweist und der Schichtstapel in der Klemme untergebracht ist, wobei das Paar gegenüber liegender Flächen Ränder des Stapels in Eingriff nehmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt konvergieren die Flächen bei einer Verjüngung von ungefähr 3 Grad.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Fläche im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Hubbewegung und die andere Fläche ist in einem Winkel zu der Senkrechten angeordnet, um die Verjüngung zu bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weisen die Schichten des Schichtstapels einen dem Luftspalt zugewandten Rand sowie einen jeder Klemmenfläche benachbarten Rand auf, wobei der Klemmenflächenrand im Wesentlichen senkrecht zu dem Luftspaltrand ist und ein Klemmenflächenrand einen aufgeweiteten äußeren Abschnitt aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt liegt der aufgeweitete äußere Randabschnitt in einem Winkel von ungefähr 93 Grad zum Luftspaltrand.
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Nach einem weiteren Aspekt ist die Erfindung durch ein Verfahren der Herstellung eines Linearkompressors gebildet, umfassend: Aufnehmen eines Zylinderteils, der eine integral verjüngte Klemme aufweist, die sich von einem beabsichtigten Luftspalt weg nach außen verbreitert, Installieren einer Kolben-Verbindungsstangen-Anordnung, so dass ein Anker an der Kolbenstange sich in dem Luftspalt befindet und seitlich gehalten ist, Eindrücken eines Statorteils mit einer Verjüngung, die komplementär zu der Verjüngung der verjüngten Klemme ist, in die verjüngte Klemme.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind der Zylinderteil, die verjüngte Klemme und/oder der Statorteil gemäß irgendeinem der vorstehenden Absätze ausgebildet.
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In Bezug auf die Erfindung, wie sie in irgendeinem der vorstehenden Absätze festgehalten ist, kann die Hauptfeder beispielsweise eine Kombination von Schraubenfedern, eine Kombination von Schraubenfedern und Flachfedern oder eine Kombination aus Flachfedern umfassen. Schraubenfedern können aus geeignetem hochermüdungsfesten Draht oder Federn, hergestellt aus einem dünnwandigen Zylindermaterial, gebildet sein. Vorzugsweise umfasst die Kombination wenigstens ein flaches Federelement, welches zu höherer seitlicher Steifheit beiträgt. Am stärksten bevorzugt umfasst die Kombination wenigstens eine Flachfeder und wenigstens eine Schraubenfeder.
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Es kann eine seitliche Stützung vorgesehen sein, die zwischen dem Zylinderteil und dem Verbindungselement wirkt, und zwar an einer Position zwischen dem Permanentmagnetmaterial und dem Kolben, wobei die seitliche Stützung eine axiale Bewegung der Verbindungsstange erlaubt, jedoch seitliche Belastungen auf den Zylinderteil überträgt.
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In Bezug auf die Erfindung wie sie in den vorstehenden Absätzen dargelegt ist, kann die Hauptfeder ein einzelnes Federelement oder eine Kombination aus einer Mehrzahl von parallel wirkenden Federelementen umfassen. Vorzugsweise bietet die Hauptfeder außerdem seitlichen Halt, der zwischen dem Zylinderteil und dem Verbindungselement wirkt, und zwar an einer solchen Position, dass der Ankerpol oder die Ankerpole sich zwischen der Position der Hauptfeder und der seitlichen Stütze befinden, die so angeordnet ist, dass der Anker des Motors an einem Ende durch die Hauptfeder und an dem anderen Ende durch die seitliche Stütze gehalten ist.
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Die seitliche Stütze kann eine oder mehrere Flachfedern umfassen, welche zum Beispiel aus einem Blechmaterial geschnitten sind oder aus einem Federdraht geformt sind, der in eine Federlinie innerhalb einer Ebene gebogen ist. Alternativ kann die radiale Halterung ein oder mehre Verschiebungslager umfassen, die auf das Verbindungselement wirken.
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In dem Bereich des Verbindungselements zwischen der seitlichen Halterung und dem Kolben kann das Verbindungselement seitlich flexibel sein oder kann einen (oder vorzugsweise zwei) flexiblen Abschnitt umfassen, um Axialkräfte effektiv zu übertragen, jedoch seitliche und winkelmäßige Nachgiebigkeit des Kolbens in Bezug auf die Achse und die Linie der Hin- und Herbewegung des Verbindungselements bereitzustellen.
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Das Zylinderteil kann Vorbereitungen für aerostatische Gasführung umfassen, die komprimierte Gase aufnehmen und diese durch eine Mehrzahl von im Abstand angeordneten Führungsanschlüssen, die entlang und um die Zylinderbohrung herum in Abständen vorgesehen sind, zuführen, um den Kolben im Betrieb abzustützen. In Bezug auf den radial (oder seitlich) an beiden Enden gehaltenen Anker und die Nachgiebigkeit des Verbindungselements zwischen der seitlichen Halterung und dem Kolben erwarten die Erfinder jedoch, dass die Vorteile der Gasführung und der reduzierten Reibung durch den Verbrauch von Kompressionsgas in den Gasführungen übertroffen wird.
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Dem Fachmann, an den sich die Erfindung richtet, werden viele Änderungen der Konstruktion und sich stark unterscheidende Ausführungsformen sowie Anwendungen der Erfindung einfallen, ohne den Inhalt der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, zu verlassen. Die Offenbarungen und Beschreibungen hierin sind lediglich illustrativ und sollen in keiner Weise beschränkend verstanden werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines Linearkompressors gemäß einer ersten Ausführungsform. Die erste Ausführungsform weist eine Hauptfeder auf, welche eine Kombination aus einer Flachfeder und einer Schraubenfeder umfasst. Der flache Motoranker ist radial an einem Ende durch die Hauptfeder und an dem anderen Ende durch den Kolben gehalten. 1 ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie DD der 2.
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2 ist eine Seitenansicht im Querschnitt der Ausführungsform der 1, betrachtet gemäß Linie CC der 1.
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3 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines Linearkompressors gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform weist eine Hauptfeder auf, die einen Stapel von Flachfedern umfasst. Der flache Motoranker ist radial an einem Ende durch die Hauptfeder und einem anderen Ende durch eine weitere Flachfeder gehalten. Es besteht eine Anpassungsverbindung zum Kolben.
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3 ist ein Querschnitt durch Linie EE in 4.
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4 ist eine Seitenansicht im Querschnitt der Ausführungsform der 2, betrachtet gemäß Linie BB der 3.
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5 ist eine Draufsicht im Querschnitt eines Linearkompressors gemäß einer dritten Ausführungsform. Die dritte Ausführungsform weist eine Hauptfeder auf, welche eine Kombination aus einer Flachfeder und einer Schraubenfeder umfasst. Der flache Motoranker ist radial an einem Ende durch die Hauptfeder und einem anderen Ende in einem Verschiebungslager gehalten. Es besteht eine nachgiebige Verbindung zum Kolben. 5 ist ein Querschnitt, betrachtet gemäß Linie FF der 6.
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6 ist eine Seitenansicht im Querschnitt der Ausführungsform der 5, betrachtet gemäß Linie AA der 5.
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7 ist eine expandierte Darstellung der integralen Statoranbringungsklemme und des zugeordneten Statorteils gemäß der vorliegenden Erfindung, wie sie in jeder der Ausführungsformen enthalten ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Nach einem ersten Aspekt ist die Erfindung ein Linearkompressor gemäß Anspruch 1.
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Nach einem weiteren Aspekt umfasst wenigstens ein Ankerpol ein oder mehrere im Wesentlichen flache Blöcke aus Permanentmagnetmaterial, welche mit dem Verbindungselement verbunden sind, wobei die großen Flächen der Blöcke dem Stator zugewandt sind, wobei das Permanentmagnetmaterial magnetisiert ist, um die Ankerpole zu bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die verjüngte Klemme wenigstens ein Paar gegenüberliegender Flächen, welche einander zugewandt sind und welche in eine Richtung im Wesentlichen parallel zur Hubbewegungsrichtung des Kolbens in dem Zylinder weisen, wobei die gegenüberliegenden Flächen neben dem Luftspalt näher aneinander liegen als entfernt von dem Luftspalt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst der Statorteil einen Schichtstapel, wobei jede Schicht des Schichtstapels Flächen und Ränder aufweist, wobei der Schichtstapel entsprechende Flächen und Ränder aufweist und der Schichtstapel in der Klemme untergebracht ist, wobei das Paar gegenüberliegender Flächen Ränder des Stapels in Eingriff nehmen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt konvergieren die Flächen bei einer Verjüngung von ungefähr 3 Grad.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine solche Fläche genau senkrecht zur Achse der Hubbewegung und die andere Fläche ist in einem Winkel zu der senkrechten angeordnet, um die Verjüngung zu bilden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt weisen die Schichten des Schichtstapels einen dem Luftspalt zugewandten Rand (welcher nicht durchgehend ausgebildet ist) sowie einen jeder Klemmenfläche benachbarten Rand auf, wobei ein solcher Klemmenflächenrand senkrecht zum Luftspaltrand ist und ein Klemmenflächenrand einen verjüngten (aufgeweiteten) äußeren Abschnitt aufweist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt liegt der aufgeweitete äußere Randabschnitt in einem Winkel von ungefähr 93 Grad zum Luftspaltrand.
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Nach einem weiteren Aspekt ist die Erfindung durch ein Verfahren der Herstellung eines Linearkompressors gebildet, umfassend: Aufnehmen eines Zylinderteils, der eine integral verjüngte Klemme aufweist, die sich von einem beabsichtigten Luftspalt weg nach außen verbreitert, Installieren einer Kolben-Verbindungsstangen-Anordnung, so dass ein Anker an der Kolbenstange sich in dem Luftspalt befindet und seitlich gehalten ist, Eindrücken eines Statorteils mit einer Verjüngung, die komplementär zu der Verjüngung der verjüngten Klemme ist, in die verjüngte Klemme.
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Gemäß einem weiteren Aspekt sind der Zylinderteil, die verjüngte Klemme und/oder der Statorteil gemäß irgendeinem der vorstehenden Absätze ausgebildet.
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In Bezug auf die Erfindung, wie sie in irgendeinem der vorstehenden Absätze festgehalten ist, kann die Hauptfeder beispielsweise eine Kombination von Schraubenfedern, eine Kombination von Schraubenfedern und Flachfedern oder eine Kombination aus Flachfedern umfassen. Schraubenfedern können aus geeignetem hochermüdungsfesten Draht oder Federn, hergestellt aus einem dünnwandigen Zylindermaterial, gebildet sein. Vorzugsweise umfasst die Kombination wenigstens ein flaches Federelement, welches zu höherer seitlicher Steifheit beiträgt. Am stärksten bevorzugt umfasst die Kombination wenigstens eine Flachfeder und wenigstens eine Schraubenfeder.
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Es kann eine seitliche Stützung vorgesehen sein, die zwischen dem Zylinderteil und dem Verbindungselement wirkt, und zwar an einer Position zwischen dem Permanentmagnetmaterial und dem Kolben, wobei die seitliche Stützung eine axiale Bewegung der Verbindungsstange erlaubt, jedoch seitliche Belastungen auf den Zylinderteil überträgt.
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In Bezug auf die Erfindung wie sie in den vorstehenden Absätzen dargelegt ist, kann die Hauptfeder ein einzelnes Federelement oder eine Kombination aus einer Mehrzahl von parallel wirkenden Federelementen umfassen. Vorzugsweise bietet die Hauptfeder außerdem seitlichen Halt, der zwischen dem Zylinderteil und dem Verbindungselement wirkt, und zwar an einer solchen Position, dass der Ankerpol oder die Ankerpole sich zwischen der Position der Hauptfeder und der seitlichen Stütze befinden, die so angeordnet ist, dass der Anker des Motors an einem Ende durch die Hauptfeder und an dem anderen Ende durch die seitliche Stütze gehalten ist.
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Die seitliche Stütze kann eine oder mehrere Flachfedern umfassen, welche zum Beispiel aus einem Blechmaterial geschnitten sind oder aus einem Federdraht geformt sind, der in eine Federlinie innerhalb einer Ebene gebogen ist. Alternativ kann die radiale Halterung ein oder mehre Verschiebungslager umfassen, die auf das Verbindungselement wirken.
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In dem Bereich des Verbindungselements zwischen der seitlichen Halterung und dem Kolben kann das Verbindungselement seitlich flexibel sein oder kann einen (oder vorzugsweise zwei) flexiblen Abschnitt umfassen, um Axialkräfte effektiv zu übertragen, jedoch seitliche und winkelmäßige Nachgiebigkeit des Kolbens in Bezug auf die Achse und die Linie der Hin- und Herbewegung des Verbindungselements bereitzustellen.
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Das Zylinderteil kann Vorbereitungen für aerostatische Gasführung umfassen, die komprimierte Gase aufnehmen und dies durch eine Mehrzahl von im Abstand angeordnete Führungsanschlüsse, die entlang und um die Zylinderbohrung herum in Abständen vorgesehen sind, zuzuführen, um den Kolben im Betrieb zu unterstützen. In Bezug auf den radial (oder seitlich) an beiden Enden gehaltenen Anker und die Nachgiebigkeit des Verbindungselements zwischen der seitlichen Halterung und dem Kolben erwarten die Erfinder jedoch, dass die Vorteile der Gasführung und der reduzierten Reibung durch den Verbrauch von Kompressionsgas in den Gasführungen übertroffen wird.
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Unter Bezugnahme auf 1 bis 6 umfasst der Kompressor für ein Dampfkompressionskühlsystem einen Linearkompressor 1, der im Inneren eines Gehäuses 2 gehalten ist. Typischerweise ist das Gehäuse 2 hermetisch abgedichtet und umfasst einen Gaseinlassanschluss 3 und einen Kompressionsgasauslassanschluss 4. Unkomprimierte Gase strömen in dem Inneren des Gehäuses um den Kompressor 1 herum. Die unkomprimierten Gase werden während eines Ansaughubs in den Kompressor angesaugt, zwischen dem Kolbenboden 14 und einer Auslassventilplatte 5 beim Kompressionshub komprimiert und durch ein Auslassventil 6 in einen Kompressionsgasverteiler 7 ausgestoßen. Komprimierte Gase verlassen den Verteiler 7 durch einen flexiblen Schlauch 8 zu dem Auslassanschluss 4 in dem Mantel. Um den Versteifungseffekt des Auslassschlauchs zu reduzieren, ist der Schlauch vorzugsweise als Schleife oder Spirale quer zur Hubbewegungsachse des Kompressors angeordnet. Das Ansaugen in den Kompressionsraum kann durch den Kolben (mit einer Öffnung und einem Ventil im Boden) oder durch den Kopf erfolgen, welcher unterteilt ist, so dass er Ansaug- und Auslassverteiler und -ventile umfasst. Die illustrierten Kompressoren saugen durch den Kopf an, und zwar mittels Saugverteiler 13 und Saugventil 29.
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Der illustrierte Linearkompressor 1 weist, allgemein ausgedrückt, ein Zylinderteil und ein Kolbenteil auf, welche durch eine Hauptfeder verbunden sind. Der Zylinderteil umfasst ein Zylindergehäuse 10, einen Zylinderkopf 11, eine Ventilplatte 5 und eine Zylinderverkleidung 12. Der Zylinderteil umfasst außerdem Statorteile 15 für einen elektrischen Linearmotor. An dem Endabschnitt 18 des Zylinderteils, der sich von dem Kopf 11 entfernt befindet, ist die Hauptfeder relativ zum Zylinderteil angebracht. In der in 1 und 2 illustrierten Ausführungsform sowie der in 5 und 6 illustrierten Ausführungsform ist die Hauptfeder als eine Kombination aus einer Schraubenfeder 19 und einer Flachfeder 20 ausgebildet. In der in 3 und 4 illustrierten Ausführungsform umfasst die Hauptfeder einen Stapel einer Mehrzahl von Flachfedern 16.
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Der Kolbenteil umfasst einen hohlen Kolben 22 mit Seitenwand 24 und Boden 14. Eine Stange 26 schafft eine Verbindung zwischen dem Boden 14 und einem Trägerkörper 30 für den Linearmotoranker 17. Der Linearmotoranker 17 umfasst einen Körper aus Permanentmagnetmaterial (wie etwa Ferrit oder Neodym), welches magnetisiert ist, um einen oder mehrere Pole bereitzustellen, die quer zur Achse der Hubbewegung des Kolbens innerhalb der Zylinderverkleidung gerichtet sind. Ein von dem Kolben 22 entfernter Endabschnitt 32 der Ankerhalterung 30 ist mit der Hauptfeder verbunden.
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In der Ausführungsform der 1 und 2 weist die Stange 26 einen flexiblen Abschnitt 28 auf, der sich ungefähr in der Mitte des hohlen Kolbens 22 befindet. In der Ausführungsform der 3 und 4 sowie der Ausführungsform der 5 und 6 ist die Stange 21 über ihre gesamte Länge schmal.
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Der Linearkompressor
1 ist innerhalb des Gehäuses
2 an einer Mehrzahl von Aufhängungsfedern angebracht, um ihn gegenüber dem Gehäuse zu isolieren. Während der Verwendung wird der große äußere Körper des Linearkompressors, der Zylinderteil, entlang der Achse der Hubbewegung des Kolbenteils innerhalb des Zylinderteils schwingen. In dem bevorzugten Kompressor ist das Kolbenteil absichtlich sehr leicht im Vergleich zu dem Zylinderteil gehalten, so dass die Oszillation des Zylinderteils verglichen mit der relativen Hubbewegung zwischen dem Kolbenteil und dem Zylinderteil klein ist. In der illustrierten Form ist der Linearkompressor an einem Satz von vier Aufhängungsfedern
31 angebracht, die allgemein um den Außenumfang herum angeordnet sind. Alternative Aufhängungsfederanordnungen sind in der
PCT/NZ2004/000108 illustriert. Die Enden jeder Aufhängungsfeder passen über elastische Muffen, die an einem Ende jeder Feder mit dem Linearkompressor
1 verbunden sind und an dem anderen Ende jeder Feder mit dem Kompressormantel
2 verbunden sind.
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Unter Bezugnahme auf die Kompressorausführungsform der
1 und
2 illustrieren diese eine Variation eines Kompressors eines in unserer früheren Patentanmeldung
PCT/NZ2000/000201 offenbarten Typs. In dieser Anmeldung offenbaren wir einen Kompressor, umfassend einen Linearmotor mit einem im Wesentlichen flachen Permanentmagnetanker, der in einem Luftspalt eines durch den Zylinderteil getragenen Stators arbeitet. Der flache Anker war teilweise entlang einem Verbindungselement positioniert, das sich von dem Kolben aus zu einer Seite des Stators hin, zur Hauptfeder auf der anderen Seite des Stators, erstreckt. Das Verbindungselement und daher die seitlichen Kräfte, die durch den elektrischen Linearmotor ausgeübt wurden, wurden seitlich an einem Ende durch den Kolben innerhalb des Zylinders abgestützt und an dem anderen Ende durch die seitliche Steifheit der Hauptfeder.
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In dieser früheren PCT-Anmeldung offenbarten wir eine Hauptfeder von im Wesentlichen einteiliger Konstruktion, in welcher eine Doppelhelixschleife aus einem groben/dicken Stahldraht hoher Ermüdungsbeständigkeit verwendet wurde. Diese Hauptfeder bietet ausreichende seitliche Steifheit und angemessene axiale Steifheit in einem einzigen, im Wesentlichen einheitlichen Element und ist ein weiteres Beispiel einer für die vorliegende Erfindung geeigneten Feder.
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Andere Varianten der Hauptfeder umfassen eine Mehrzahl separater Federelemente, welche in Kombination wirken. Beispielsweise umfasst in der Ausführungsform der
1 und
2 und in der Ausführungsform der
5 und
6 die Hauptfeder eine Kombination einer Schraubenfeder
19 und einer Flachfeder
20. Die Flachfeder
20 stellt die seitliche Steifheit bereit, während die Schraubenfeder
19 jede gewünschte zusätzliche axiale Steifheit hinzufügen kann. Die Flachfeder
20 kann von jeder herkömmlichen Form sein, kann beispielsweise aus einem Federstahlblech geschnitten sein oder kann eine solche Form aufweisen, wie sie in unserer früheren Patentanmeldung
PCT/NZ2000/000202 illustriert ist.
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Eine weitere Ausführungsform ist unter Bezugnahme auf 3 und 4 offenbart, in welchen die Hauptfeder einen kombinierten Stapel von vier Flachfedern 16 umfasst, welche alle zusammenwirken. In diesem Fall bietet jede der Flachfedern sowohl seitliche Steifheit als auch axiale Steifheit. Flachfedern sind im Allgemeinen in seitlicher Richtung sehr steif verglichen mit ihrer axialen Steifheit und eine Ausführungsform, wie sie in 3 und 4 illustriert ist, wird wahrscheinlich eine unnötig hohe seitliche Steifheit aufweisen, um eine geeignete axiale Steifheit zu erhalten, wenngleich man erkennt, dass die gewünschte axiale Steifheit von der gewünschten Ganggeschwindigkeit des Kompressors abhängt.
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Die Ausführungsformen der
3 und
4 und der
5 und
6 illustrieren eine weitere Variation. In der Kompressarausführungsform der
1 und
2 sowie in der vorbezeichneten Patentanmeldung
PCT/NZ2000/000201 ist die Kolbenstange, die den Anker
17 trägt, gegen eine seitliche Belastung durch die Hauptfeder an einem Ende und durch den Kolben am anderen Ende abgestützt. Dies ist für ihre Kompaktheit und Einfachheit wünschenswert, führt jedoch nicht zu einer vergrößerten Seitenbelastung des Kolbens innerhalb der Zylinderbohrung. Diese zusätzliche Seitenbelastung kann bewältigt werden und Beispiele, wie diese zu bewältigen ist, sind in unseren Patentanmeldungen gegeben, einschließlich der Bezugnahme auf die Ausführungsform der
1 und
2 hierin.
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Die Ausführungsformen der 3 und 4 sowie 5 und 6 hier umfassen einen alternativen Ansatz zur Bewältigung der seitlichen Kräfte, die von dem Flachpermanentmagnet-Linearmotor herrühren, wobei der Motor sich an dem Element befindet, das eine Verbindung zwischen der Hauptfeder und dem Kolben herstellt.
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Gemäß diesem Ansatz wird eine radiale oder laterale Abstützung bereitgestellt, um zwischen dem Zylinderteil 1 und dem Verbindungselement an einer Position zwischen den Ankermagneten und dem Kolben zu wirken. Die Halterung überträgt die seitlichen Kräfte von dem Verbindungselement direkt auf das Zylinderteil 10.
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In der Ausführungsform der 3 und 4 umfasst die radiale Halterung eine Flachfeder 40, die an ihrem äußeren Rand 41 mit dem Zylinderteil 10 und an ihrem Nebenabschnitt 43 mit einem Ende 45 des Ankerhaltekörpers 30 verbunden ist. Die flache Feder 40 bietet im Wesentlichen laterale Steifheit und der Ankerhaltekörper 30 ist im Wesentlichen steif. Dementsprechend werden die seitlichen Kräfte von dem elektrischen Flachpermanentmagnet-Linearmotor, welche beachtlich sein können, an einem Ende durch die Flachfeder 40 und an dem anderen Ende durch die Hauptfeder gehalten, welche weitere flache Federn 16 umfasst. Die Flachfeder 40 kann innerhalb eines ringförmigen Ringabschnitts 42 des Zylinderteils 10 angebracht sein.
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In einer in 5 und 6 illustrierten, alternativen Ausführungsform ist die seitliche Halterung durch ein axiales Verschiebungslager bereitgestellt. Der Endabschnitt 50 des Ankerhalteelements 30 ist so ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen zylindrischen Schaft konstanten Durchmessers bereitstellt. Dieser Schaftabschnitt tritt durch ein Verschiebungslager 52 hindurch, welches Teil des Zylinderteils 10 bildet. Das Verschiebungslager 52 kann beispielsweise eine Hülse eines geeigneten verschleißfesten Materials mit niedriger Reibung umfassen. Die Hülse kann beispielsweise eine kreisförmige Hülse aus PTFE-Kunststoffmaterial (oder ähnlich) sein, die in einem geeigneten inneren, kreisförmigen Gehäuse gehalten ist. Diese Anordnung erlaubt ferner eine gewisse Fehlausrichtung des Ankerhalteelements 30 relativ zu dem Zylinderteil 10.
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In jedem Fall ist es bevorzugt, eine angemessene Gasströmung in der Nähe des Ankers aufrecht zu erhalten. Dementsprechend wird eine offene Rahmenkonstruktion, wie sie in 4 und 5 illustriert ist, verwendet, um die laterale Halterung (zum Beispiel die Flachfeder oder das Verschiebungslager) relativ zum Zylinderteil 10 abzustützen.
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Alternativ können eine Mehrzahl von Fenstern oder Öffnungen, wie etwa Öffnungen 56 in 5 und 6 vorgesehen sein, welche sowohl mit dem den elektrischen Linearmotor unterbringenden Bereich des Zylinderteils als auch mit dem den Zylinder und den Kolben unterbringenden Bereich des Zylinderteils in Verbindung stehen. Diese Gasströmungsfähigkeit in das Innere des Zylinderteils 10 ist auch nützlich, um jegliche Gasdruckeffekte auf die Rückfläche des Kolbens 22 zu reduzieren und Gasströmungswege zu der Rückseite des Kolbens 22 in Ausführungsformen bereitzustellen, in welchen Ansauggasströmung durch den Boden des Kolbens anstatt durch den Kompressorkopf bereitgestellt ist.
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In den Ausführungsformen der 3 bis 6, in welchen das Ankerhalteelement 30 vollständig gegen seitliche Belastung abgestützt ist, weist eine bevorzugte Verbindung zwischen dem Ankerhalteelement 30 und dem Kolben 22 eine beachtliche seitliche Nachgiebigkeit auf, wobei axiale Steifheit beibehalten wird. Ein geeignetes Verbindungsglied würde einen schmalen Metallstab umfassen, der an einem Ende in das Ende des Ankerhalteelements 30 und an dem anderen Ende in den Kolbenboden 14 eingebettet ist. Der dünne Stab 21 sollte ausreichende Anpassung aufweisen, um zu erlauben, dass sich die Orientierung des Kolbens 22 irgendeiner Fehlausrichtung zwischen dem Ankerhalteelement 30 und dem Zylinder 12 anpasst, und sollte ausreichend axiale Steifheit aufweisen, so dass es sich nicht weilen wird, wenn der Linearmotor und die Federn den Kolben während des Kompressionshubs des Kompressors im Betrieb in Richtung des Zylinderkopfs antreiben.
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Während ein Kompressor gemäß diesen Ausführungsformen, in welchen ein Flachpermanentmagnetanker vollständig gehalten ist, noch immer luftstatische Gasführung bereitstellen kann, die zwischen dem Zylinder 12 und dem Kolben 22 arbeiten, so wird erwartet, dass die seitlichen Belastungen von dem Kolben 22 auf den Zylinder 12 sehr gering sein werden. Mit modernen Bauteilen und Beschichtungen kann die Anordnung effektiv und mit ausreichender Langlebigkeit ohne Ölschmierung oder aerostatische Führungen arbeiten.
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In jeder der Ausführungsformen, 1 und 2, 3 und 4 oder 5 und 6, umfasst das Zylinderteil eine integrale Statorklemme 100 für jeden Statorteil 15. Die Statorklemme und der zugeordnete Statorteil sind detaillierter in 7 illustriert. Die integrale Statorklemme 100 umfasst ein Paar von gegenüberliegenden Klemmenflächen 101, 102. Die Klemmenflächen sind axial relativ zur Achse des Kompressors getrennt und der jeweilige Statorteil ist zwischen den Flächen untergebracht. Die Ebenen der Flächen sind allgemein senkrecht zur Achse der Hubbewegung des Kolbens, sie definieren jedoch zwischen sich eine verjüngte Öffnung von der Außenseite der Kompressoranordnung, welche ihre Basis im Luftspalt hat. Der Winkel der Verjüngung beträgt vorzugsweise ungefähr 3 Grad. Der jeweilige Statorteil umfasst eine komplementäre Verjüngung zwischen seinen Enden 105, 106. Der Statorteil ist zwischen die Klemmenflächen 101, 102 in die Öffnung geklemmt und an seiner Position lediglich auf Grundlage dieser Übergangsstelle und irgendeiner Anziehungskraft an den Permanentmagnetmotoranker gehalten.
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Die Drei-Grad-Konvergenz der Klemmenflächen ist abhängig von den Materialien des Zylinderteils und des Statorteils und von der Festigkeit des Zylinderteils. Dieser Verjüngungswinkel ist vorzugsweise in eine der Klemmenflächen fortgesetzt, zum Beispiel Klemmenfläche 101, und entsprechend in eines der Statorenden, zum Beispiel Ende 105. In dieser Form sind die andere Klemmenfläche 102 und das Statorteilende 106 genau orthogonal zur Achse der Hubbewegung.
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Der Statorteil weist einen Stapel von einzelnen Schichten auf, die eine Wickelspule tragen. Die einzelnen Schichten können beispielsweise E-förmig sein, wobei die Schichten aufeinander gestapelt und aneinander beispielsweise durch Niete befestigt sind, wobei die Spule um das mittlere Bein des „E” herum läuft. Die Spule kann auf einen isolierenden Spulenkörper gewickelt sein, der anschließend über das mittlere Bein des „E” geschoben ist, die Statorschichten weisen Flächen und Ränder auf, und der Schichtstapel weist entsprechende Flächen und Ränder auf. Ein (nicht kontinuierlicher) Rand eines jeden Schichtstapels ist dem Luftspalt zugewandt. Zwei Ränder 105, 106 des Schichtstapels sind gegen die Klemmenflächen 101, 102 geklemmt. Die verbleibenden Ränder weisen von dem Luftspalt weg.
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Die Ränder 105, 106 umfassen vorzugsweise jeweilige Knie 110, 111. Die Knie 110, 111 stoßen gegen Schultern 114, 115 des Zylinderteils und begrenzen die Tiefe der Einführung des Statorteils in die integrale Klemme.
