-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
Erfindung betrifft allgemein Motoren mit hin- und hergehenden Stangen,
und spezieller betrifft sie einen Hubkolbenkompressor mit einem
elektrisch betriebenen Linearmotor unter Verwendung einer Biegefeder
und einer Schaltung.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Tieftemperatur-Kühlschränke oder
-Kühler langer
Lebensdauer und hoher Zuverlässigkeit,
wie Sterling- und Impulsrohr-Kühlschränke hoher
Lebensdauer werden bei Kühlanwendungen
mit Infrarotsensorsystemen bei Luft- und Raumfahrzeugen verwendet.
Derartige Tieftemperatur-Kühler
beinhalten typischerweise einen linear resonanten oder Hubkolbenkompressor
mit einem Linear-Elektromotor,
um ein Kühl-Arbeitsfluid
zu komprimieren und zu verdrängen.
Der Linearmotor verfügt über eine
bewegliche, stromführende
Spule, d.h. eine bewegliche Stromspule, innerhalb eines Magnetfelds,
um einer beweglichen Baugruppe des Linearmotors hin- und hergehende,
bidirektionale, lineare Kräfte
in axialer Richtung zu verleihen. Wenn sich die bewegliche Baugruppe
auf die auf sie einwirkenden linearen Kräfte hin- und herbewegt, wird
das Arbeitsfluid komprimiert und zu Systemkomponenten hin verdrängt, die
dem Kühlprozess
zugeordnet sind.
-
Die 1 ist
eine Darstellung eines Hubkolbenkompressors 10, wie er
in der Veröffentlichung "Design Equations
And Scaling Laws For Liniear Compressors With Flexure Springs", von E. Marquardt,
R. Radebaugh und P. Kittel, Proceedings of the 7th International
Cryocooler Conference, S. 783, 17 – 19, November 1992 veröffentlicht
ist. In der 1 ist eine linke Hälfte (die
ein Spiegelbild der rechten Hälfte
ist) des Hubkolbenkompressors 10 dargestellt, der über einen
durch einen Linearmotor, der allgemein mit 16 gekennzeichnet
ist, angetriebenen Kolben 14 innerhalb eines unter Druck
stehenden Motorgehäuses 18 verfügt. Der
Kolben 14 wird durch den Linearmotor 16 entlang
einer Längsachse 20 in
entgegengesetzten axialen Rich tungen ausgelenkt, um ein typischerweise
gasförmiges
Arbeitsfluid innerhalb einer Kammer 22 zu komprimieren
und es durch einen Auslasskanal 24 zu verdrängen.
-
Genauer
gesagt, ist ein stationärer
Teil des Linearmotors 16 im Motorgehäuse 18 zwischen einer rohrförmigen linken
Gehäusehalterung 26 und
einer rohrförmigen
rechten Gehäusehalterung 28 fixiert. Der
Linearmotor 16 verfügt über ein
zwischen den Halterungen 26, 28 befestigtes äußeres Rückhol-Eisenstück 32 und
ein konzentrisch zu diesem positioniertes inneres Rückhol-Eisenstück 30.
Zwischen den Rückhol-Eisenstücken 30, 32 ist
ein Permanentmagnet 34 befestigt. Zwischen den Rückhol-Eisenstücken 30, 32 ist
eine bewegliche Stromspule 36 befestigt, die durch einen
am Kolben 14 befestigten beweglichen Anker 38 gehalten
wird.
-
Eine
elektrische Außenleitung 39 liefert
einen Motortreiberstrom von einer externen Stromquelle (nicht dargestellt) über einen
an der linken Gehäusehalterung 26 und
eine flexible Innenleitung 32, die zwischen den elektrischen
Anschluss 40 und die bewegliche Stromspule 36 geschaltet
ist, an diese. Während
des Motorbetriebs wird die bewegliche Stromspule 36 durch
eine Magnetkraft, die sich aus einer magnetischen Wechselwirkung
zwischen der beweglichen Stromspule 36, dem Permanentmagnet 34 und
den Rückhol-Eisenstücken 30, 32 ergibt,
axial hin- und herbewegt. Wenn sich die bewegliche Stromspule 36 hin-
und herbewegt, erfährt
ein bewegliches Ende 42b der inneren Zuleitung 42,
das an der beweglichen Stromspule befestigt ist, eine entsprechende
Bewegung, während
ein entgegengesetztes Ende 42a der inneren Zuleitung 42 am
stationären
Anschluss 40 befestigt bleibt. Diese wiederholte Differenzbewegung
zwischen dem festen und dem beweglichen Ende 42a, 42b führt in nachteiliger
Weise zu einer Verbiegung der inneren Zuleitung 42 entlang
ihrer Länge,
was sowohl dieselbe als auch ihre Anschlussverbindungen zum Anschluss 40 und
zur beweglichen Stromspule 36 ermüdet. Die Anschlussstellen sind
für Ermüdungsausfall
besonders anfällig, da
Belastungen innerhalb des Hubkolbenkompressors 10 die Tendenz
zeigen, sich an diesen zu konzentrieren.
-
An
den Halterungen 26, 28 ist ein Paar intern montierter
Biege-Lagerbaugruppen 44, 46 angebracht, um den
Kolben 14 als auch die bewegliche Spule 36 und
den Anker 38 innerhalb des Motorgehäuses 18 zu zentrieren.
Gemäß den 2A und 2B verfügt jede
der Biege-Lagerbaugruppen 44, 46 über eine
ebene oder flache Biegefeder 50 mit einem ringförmigen Außenbund 52,
der an einem Innenumfang einer zugehörigen der Halterungen 26, 28 befestigt
ist, einer ringeförmigen
Innennabe 54, durch die sich ein Ende des Kolbens 14 erstreckt, und
mindestens einem elastischen Haltearm 56, der durch einstückig mit
der Innennaht 54 ausgebildete Speichen 57 zwischen
den Außenbund 52 und
die Innennabe 54 gekoppelt ist.
-
Andere
bekannte Hubkolbenkompressoren verwenden mehrere elektrisch leitende
Federspulen, typischerweise vier bis zwölf, um sowohl einen Motortreiberstrom
an den Linearmotor zu liefern als auch die bewegliche Baugruppe
innerhalb des Kompressors auszurichten. Bei Anwendungen mit einem Tieftemperatur-Miniaturkühler müssen diese
Federspulen mit sehr engen Toleranzen hergestellt werden, um den
korrekten Betrieb des Linearmotors zu gewährleisten. Nachteiligerweise
muss die unkomprimierte Länge
jeder Federspule ein Mehrfaches der Auslenkung der beweglichen Baugruppe
betragen, um zyklische Belastungen in den Federspulen innerhalb
zulässiger
Grenzen zu halten. Beim Linearmotoren unter Verwendung einer großen Anzahl
von Federn werden die Herstellkosten und die Kompliziertheit erheblich.
Zusätzlich
sorgen diese Federspulen, obwohl sie die bewegliche Baugruppe axial
zentrieren, für
eine vernachlässigbare
radiale Halterung, was andere Maßnahmen zum radialen Zentrieren
der beweglichen Baugruppe, wie einen Führungsstift, nötig macht.
-
Ein
anderer bekannter Hubkolbenkompressor 58 ist in der 3 dargestellt,
bei dem eine bewegliche Baugruppe durch einen Linearmotor axial innerhalb
eines Gehäuses 60 hin-
und herbewegt wird. Die bewegliche Baugruppe verfügt über eine bewegliche
Halterung 62, die axial innerhalb des Gehäuses 60 beweglich
ist, einen an einem Zentrum der beweglichen Baugruppe 62 befestigten
Kolben 64 und einen Anker 66, der an einem Rand
der beweglichen Halterung 62 befestigt ist und eine bewegliche Stromspule 68 konzentrisch
zum Kolben 64 trägt.
Ein im Gehäuse 60 zentriert
befestigter Zylinder 70 ist konzentrisch zum Kolben 64.
Mehrere elektrisch leitende Federspulen 71, typischerweise
vier, wie sie zwischen der beweglichen Halterung 62 und
einen Ende 72 des Gehäuses 60 gehalten
sind, sorgen für eine
axiale Ausrichtung der beweglichen Baugruppe innerhalb des Gehäuses 60.
Mehrere innere Federspulen 74, typischerweise vier, unterstützen diese axiale
Ausrichtung der beweglichen Baugruppe, und sie sorgen zusätzlich für eine kleine
Maßnahme
zur radialen Halterung derselben. Ein Führungsstift 76 begrenzt
die bewegliche Baugruppe hinsichtlich einer Drehung um eine Längsachse
des Kompressors. Der Linearmotor zum Hin- und Herbewegen der beweglichen
Baugruppe verfügt über eine
bewegliche Stromspule 68 und einen Permanentmagnet 78,
mit Befestigung innerhalb des Gehäuses benachbart zur beweglichen
Stromspu le 68. Um den Linearmotor zu betreiben, wird der
beweglichen Stromspule 68 über die elektrisch leitenden
Federspulen 71 ein Treiberstrom zugeführt. Durch die Hin- und Herbewegung des
Kolbens 64 wird ein Arbeitsfluid innerhalb eines Kompressionsraums 77 komprimiert,
um es durch einen Auslasskanal 79 zu verdrängen.
-
Ein
anmerkenswerter Vorteil der Biegefeder der 1 gegenüber den
leitenden Federspulen der 3 ist die
Fähigkeit
der Biegefeder, die bewegliche Baugruppe des Hubkolbenkompressors
sowohl axial als auch radial auszurichten.
-
Demgemäß ist es
bei einem Hubkolbenkompressor wünschenswert,
die bewegliche oder sich hin- und herbewegende Baugruppe innerhalb
des Motorgehäuses
sowohl axial als auch radial korrekt zu positionieren, ohne dass
man sich auf mehrere leitende Federspulen und einen separaten Radial-Ausrichtmechanismus
stützt.
-
Es
ist auch wünschenswert,
den elektrischen Strom zum Ansteuern des Linearmotors von einer
externen Quelle auf einen elektrischen Anschluss einer beweglichen
Spule des Linearmotors innerhalb des Motorgehäuses zu koppeln, ohne dass
man sich auf mehrere leitende Federspulen oder fehleranfällige elektrische
Zuleitungen und Zuleitungsverbindungen stützt.
-
Weitere
Information zum Stand der Technik findet sich im US-Patent 5,255,521,
das einen Gaszyklusmotor für
einen kleinen, schwingungsarmen Kühlschrank hoher Lebensdauer
offenbart, bei dem ein thermodynamischer Gaszyklus unter Verwendung
eines in einem Zylinder angeordneten beweglichen Elements ausgeführt wird,
das durch Blattfedern so gelagert ist, dass es in der axialen Richtung des
Zylinders beweglich ist und durch einen Linearmotor angetrieben
wird, wobei die Blattfedern aus einem elektrischen Leiter bestehen,
der auch als Stromzuleitungen zum Zuliefern eines Stroms an den Linearmotor
verwendet wird.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Daher
ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine bewegliche Baugruppe innerhalb
eines Gehäuses
eines Hubkolbenkompressors mit einer Biegefeder und einer Schaltung
sowohl axial als auch radial zu zentrieren.
-
Eine
andere Aufgabe der Erfindung ist es, einer beweglichen Stromspule
ei nes Linearmotors innerhalb eines Gehäuses eines Hubkolbenkompressors
mit einer Biegefeder und einer Schaltung, die integriert ist, einen
elektrischen Strom zuzuführen.
-
Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, zwischen einer externen Quelle
eines elektrischen Stroms und einer beweglichen Stromspule eines
Linearmotors in einem Gehäuse
eines Hubkolbenkompressors mit einer Biegefeder und einer Schaltung, die
integriert ist, mindestens zwei elektrisch getrennte Strompfade
bereitzustellen.
-
Diese
und andere Aufgaben der Erfindung sind durch einen neuen und verbesserten
Hubkolbenkompressor mit einem Elektromotor mit festen und beweglichen
Komponenten innerhalb eines Gehäuses
zum Hin- und Herbewegen einer beweglichen Baugruppe, um ein Arbeitsfluid
innerhalb einer Kompressionskammer mit variablem Volumen im Gehäuse zu komprimieren,
gelöst.
Vorteilhafterweise zentrieren eine Biegefeder und eine Schaltung,
die integriert ist, die zwischen das Gehäuse und die bewegliche Baugruppe
geschaltet sind, dieselbe axial und radial innerhalb des Gehäuses, und
außerdem liefern
sie einen elektrischen Strom an eine bewegliche Stromspule des Elektromotors,
die der beweglichen Baugruppe zugeordnet ist. Die bewegliche Baugruppe
wird entgegen einer Rückstellkraft
der Biegefeder und der Schaltung, die integriert ist, in Reaktion auf
eine axiale Kraft, die durch den Elektromotor auf die bewegliche
Baugruppe einwirkt, wenn der beweglichen Stromspule über die
Biegefeder und die Schaltung, die integriert ist, ein elektrischer
Strom zugeführt
wird, axial hin-und herbewegt.
-
Die
Integration der Biegefeder und der Schaltung beinhaltet eine im
Wesentlichen ebene, elastische Biegefeder mit einem Außenbund,
einer Innennabe und einem zwischen diese beiden gekoppelten elastischen
Halteelement. Vorteilhafterweise sind mindestens zwei flexible,
elektrische Leiter, wie leitende gedruckte Schaltungen oder Bahnen,
an der Biegefeder befestigt, und sie sind elektrisch gegen diese
und gegeneinander isoliert, und durch derartige elektrische Leiter
wird an das Paar elektrischer Anschlüsse der beweglichen Stromspule
des Elektromotors ein elektrischer Strom geliefert.
-
Gemäß einer
Erscheinungsform der Erfindung verfügt die bewegliche Baugruppe über einen beweglichen
Zylinder, der an der Innennabe der Integration der Biegefeder und
der Schaltung befestigt ist. Der bewegliche Zylinder wird so durch
die Integration der Biegefeder und der Schaltung im Gehäuse aufgehängt und
zentriert. Der bewegliche Zylinder umgibt einen im Gehäuse befes tigten
zentralen Kolben. Die Kompressionskammer variablen Volumens ist
zwischen dem Kolben und dem Zylinder gebildet, und das Arbeitsfluid
innerhalb der Kammer wird entsprechend der Hin- und Herbewegung
der beweglichen Baugruppe wegen der Relativauslenkung zwischen dem
Kolben und dem Zylinder komprimiert.
-
Gemäß einer
anderen Erscheinungsform der Erfindung verfügt die bewegliche Baugruppe über einen
beweglichen Kolben, der an der Innennabe der Integration der Biegefeder
und der Schaltung befestigt ist und dadurch im Gehäuse aufgehängt ist. Wenn
sich der Kolben hin- und herbewegt, komprimiert ein freies Ende
desselben das Arbeitsfluid innerhalb des variablen Volumens der
Kompressionskammer.
-
Die
vorstehenden Aufgaben der Erfindung sind auch durch einen Hubkolbenkompressor
gelöst, der
so ausgebildet ist, dass er auf einen elektrischen Strom reagiert,
der einem festen Anschluss dieses Hubkolbenkompressors zugeführt wird,
Der Hubkolbenkompressor verfügt über ein
Gehäuse
und einen Elektromotor für
Hin-Her-Bewegung in diesem. Der Elektromotor verfügt über im Gehäuse befestigte Komponenten
sowie bewegliche Komponenten, die so verbunden sind, dass sie eine
bewegliche Baugruppe hin- und herbewegen, die mit mindestens einer
im Gehäuse
ausgebildeten Kammer variablen Volumens zusammenwirken, um ein an
die Kammer geliefertes Arbeitsfluid zu komprimieren. Zwischen das
Gehäuse
und die bewegliche Baugruppe ist eine elastische Feder geschaltet,
um die bewegliche Baugruppe und die beweglichen Komponenten innerhalb des
Gehäuses
elastisch aufzuhängen
und zu zentrieren. An der elastischen FEder ist ein flexibler beweglicher
Leiter befestigt, der gegen sie elektrisch isoliert ist, um den
dem festen Anschluss zugeführten
elektrischen Strom an einen elektrischen Anschluss des Elektromotors
zu liefern.
-
Die
vorstehenden Aufgaben der Erfindung werden auch durch eine Integration
einer Biegefeder und einer Schaltung zur Verwendung in einem Hubkolbenkompressor
gelöst.
Die Integration der Biegefeder und der Schaltung verfügt über eine
im Wesentlichen ebene, elastische Biegefeder mit einem Außenbund,
einer Innennabe und einem elastischen Halteelement, das zwischen
diese beiden gekoppelt ist. Die integrierte Biegefeder verfügt auch über einen flexiblen
elektrischen Leiter, der an der Biegefeder befestigt ist und gegen
sie elektrisch isoliert ist.
-
Die
vorstehenden Aufgaben der Erfindung werden auch durch ein Verfahren
zum Betreiben eines Hubkolbenkompressors zum Komprimieren eines
Arbeitsfluids gelöst,
wobei der Hubkolbenkompressor über
ein Gehäuse
und eine bewegliche Baugruppe verfügt, die durch einen im Gehäuse angeordneten
Elektromotor hin- und herbewegt wird. Das Verfahren beinhaltet das
Positionieren und Zentrieren der beweglichen Baugruppe auf axiale
und radiale Weise innerhalb des Gehäuses mittels einer elastischen
Feder. Das Verfahren beinhaltet auch das Zuführen eines elektrischen Stroms
zum Elektromotor mittels der elastischen Feder.
-
Noch
andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden dem Fachmann aus
der folgenden detaillierten Beschreibung ersichtlich, in der die
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung angegeben und beschrieben sind, und zwar einfach durch Veranschaulichen
der besten erdachten Art zum Ausführen der Erfindung. Wie es
zu erkennen ist, ist die Erfindung anderen und verschiedenen Ausführungsformen
zugänglich,
und ihre verschiedenen Details können
Modifizierungen auf verschiedene offensichtliche Arten erfahren,
wobei all dies erfolgt, ohne dass von der Erfindung abgewichen wird.
Demgemäß sind die
zugehörigen
Zeichnungen und die Beschreibung als der Art nach veranschaulichend,
und nicht als beschränkend,
anzusehen.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine geschnittene Längsansicht
eines bekannten Hubkolbenkompressors mit Biegelagern.
-
2A ist
eine Vorderansicht einer bekannten Biegefeder, wie sie im Hubkolbenkompressor
der 1 verwendet wird.
-
2B ist
eine Seitenansicht der bekannten Biegefeder der 2A.
-
3 ist
eine geschnittene Längsansicht
eines bekannten Hubkolbenkompressors mit elektrisch leitenden Federspulen.
-
4 ist
eine geschnittene Längsansicht
einer Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors.
-
5A ist
eine Vorderansicht einer Ausführungsform
einer Integration einer Biegefeder und einer Schaltung gemäß der Erfindung.
-
5B ist
eine Draufsicht der Integration der Biegefeder und der Schal tung
der 5A.
-
5C ist
eine Schnittansicht eines Schichtaufbaus der Integration der Biegefeder
und der Schaltung der 5A.
-
6 ist
eine geschnittene Längsansicht
einer alternativen Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors.
-
7 ist
eine geschnittene Längsansicht
eines ersten Linearmotors des Hubkolbenkompressors der 4.
-
Beste Art
zum Ausführen
der Erfindung
-
Die 4 ist
eine Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Hubkolbenkompressors 80,
der entsprechend den Prinzipien der Erfindung aufgebaut ist. Begriffe
wie "links" und "rechts" werden hier der
Zweckdienlichkeit halber verwendet, und derartige Begriffe sind
in relativem Sinn auszulegen. Der Hubkolbenkompressor 80 verfügt über ein zylindrisches,
unter Druck stehendes Motorgehäuse 82 mit
einem ersten oder linken Gehäuseabschnitt 84a und
einem zweiten oder rechten Gehäuseabschnitt 84b mit
vorzugsweise spiegelbildlicher Konstruktion zueinander. Das Gehäuse 82 besteht
aus einem Metall, vorzugsweise Aluminium. Es ist zu beachten, dass ähnliche,
d.h. entsprechende Komponenten innerhalb des ersten und zweiten
Gehäuses 84a, 84b mit
gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet sind, die jeweilige weitere
Kennzeichnungen "a" und "b" beinhalten. Eine Endkappe 83 und
ein Dichtungsring 85b dichten das Gehäuse 24b ab, und in ähnlicher
Weise dichten eine Endkappe, nicht dargestellt, und ein Dichtungsring 85a das
Gehäuse 84a ab.
Die Endkappe 83 besteht aus Metall, vorzugsweise Aluminium,
und die Dichtungsringe 85a, 85b bestehen aus einer
Kautschukzusammensetzung.
-
Ein
fester, zentraler Kolben 86, der an seinem Umfang am Gehäuse 82 befestigt
ist, verfügt über ein
zylinderförmiges
erstes Kolbenende 88a und ein zylinderförmiges zweites Kolbenende 88b, die
innerhalb den Gehäuseabschnitten 84a bzw. 84b und
in Fluidverbindung mit einem sich quer, d.h. radial, erstreckenden
Auslasskanal oder eine Durchgangsbohrung 90 durch eine
axiale Durchgangsbohrung 92 stehen. Der Kolben 86 besteht
aus Metall, vorzugsweise Aluminium, und bei einer Ausführungsform
ist er einstückig
mit dem Gehäuse 82 ausgebildet,
z. B. können
das Gehäuse
und der feste Kolben aus einem einzelnen Aluminiumblock bearbeitet
sein. An jeweiligen Außenflächen der
Enden 88a, 88b des festen Kolbens sind eine Plastikhülse oder
ein Abstands halter 93a bzw. eine Plastikhülse oder
ein Abstandshalter 93b befestigt.
-
Ein
beweglicher Zylinder 94a und ein beweglicher Zylinder 94b liegen
benachbart zu den festen Plastikhülsen 93a bzw. 93b und
den Enden 88a bzw. 88b des festen Kolbens, und
konzentrisch zu ihnen, um dazwischen eine Kompressorkamera 98a bzw. eine
Kompressorkammer 98b auszubilden. Die beweglichen Zylinder 94a, 94b bestehen
aus einem unmagnetischen Material, wie unmagnetischem rostfreiem
Stahl. Eine zylinderförmige
Innenfläche
jedes der beweglichen Zylinder 94a, 94b bildet
eine Spaltdichtung zu einer gegenüberstehenden, äußeren Lagerfläche der
festen Plastikhülse 93a bzw. 93b,
d.h., dass die Innenflächen
der beweglichen Zylinder in jeweiligem Gleit- und Fluiddichtungskontakt
zu den äußeren Lagerflächen der
Plastikhülsen
stehen. Jeder der Zylinder 94a, 94b wird mit einem
Linearmotor hin- und herbewegt, um ein Arbeitsfluid innerhalb der Kompressionskammern 98a bzw. 98b zu
komprimieren. Eine abwechselnde Kompression des Arbeitsfluids ist
das Ergebnis einer elektrisch induzierten Auslenkung einer einzigen
Integration einer Biegefeder und einer Schaltung, ein Paar, das
allgemein mit den Bezugszahlen 100 und 102 gekennzeichnet
ist, mit funktionsmäßiger Anbringung
an einem Linearmotor für
Bewegung mit diesem.
-
Gemäß weiterer
Bezugnahme auf die 4 verfügt ein erster im ersten Gehäuseabschnitt 84a angebrachter
Linearmotor über
einen zylinderförmigen,
beweglichen Anker 104a aus einem ferromagnetischen Material,
der an der Außenfläche des
zugehörigen
Zylinders 84a befestigt ist. Eine bewegliche Stromspule 106a ist
wiederum an einer Außenfläche des
beweglichen Ankers 104a angebracht, und sie bildet zu einer
Innenfläche
eines zylindrischen, d.h. ringeförmigen,
festen Innenmagnets 110a einen Luftspalt 108a.
Die bewegliche Stromspule 106a verfügt über ein Paar elektrisch gekoppelter
Spulenwicklungen, die durch einen ringförmigen Plastikabstandshalter 109a,
der an der Außenfläche des
beweglichen Ankers 104a befestigt ist, axial beabstandet
sind. Die axial beabstandeten Spulenwicklungen sind in entgegengesetzten
Richtungen, d.h. in der Uhrzeiger- bzw. Gegenuhrzeigerrichtung,
um den beweglichen Anker 104a gewickelt. Ein zweiter Linearmotor
innerhalb des Gehäuseabschnitts 84b verfügt über ähnliche,
d.h. spiegelbildliche Komponenten. Die beweglichen Stromspulen 106a, 106b sind elektrisch
parallel geschaltet.
-
Beim
vorstehend angegebenen Aufbau bilden die beweglichen Zylinder 94a, 94b mit
den jeweiligen beweglichen Ankern 104a, 104b und
den jeweiligen beweglichen Stromspulen 106a, 105b eine
erste bewegliche Baugruppe bzw. eine zweite bewegliche Baugruppe,
die für
eine axiale Hin- und Herauslenkung entlang einer Längsachse 112 des
Motorgehäuses 82 in
den Motorgehäuseabschnitten 84a bzw. 84b aufgehängt sind.
Ein Paar axialer Öffnungszwischenräume 109a, 109b zwischen
den sich radial erstreckenden Abschnitten des festen Kolbens 86 und den
jeweiligen Endflächen
der ersten bzw. zweiten beweglichen Baugruppe ermöglichen
eine Hin- und Herbewegung der beweglichen Baugruppen über einen
Weg, der der axialen Öffnung
der Zwischenräume
entspricht.
-
Der
feste Innenmagnet 110a ist an einer Innenfläche eines
zylinderförmigen,
ferromagnetischen, äußeren Polstücks 114a des
ersten Linearmotors befestigt. Ein äußeres Polstück 114a ist seinerseits
an einer Innenfläche
des ersten Gehäuseabschnitts 84a befestigt.
Der feste Innenmagnet 110a verfügt über ein Paar radial polarisierter
Ringmagnete, die durch einen Plastikabstandshalter 111a axial beabstandet
sind. Der feste Magnet 110a und das äußere Polstück 114a bilden gemeinsam
eine Magnet-Baugruppe, die die bewegliche Stromspule 106a umgibt. Ähnliche
Komponenten sind innerhalb des zweiten Gehäuseabschnitts 84b angeordnet.
Jede Magnet-Baugruppe ist ausreichend nahe an einer zugehörigen der
beweglichen Stromspulen 106a, 106b innerhalb des
zugehörigen
ersten bzw. zweiten Gehäuseabschnitts 84a, 84b positioniert,
um eine magnetische Kopplung zwischen den Magnet-Baugruppen und
den beweglichen Stromspulen zu ermöglichen, wenn die Spulen den
Motortreiberstrom führen. Die
kleinen Öffnungen
oder Luftzwischenräume 108a, 108b zwischen
den Magnet-Baugruppen und den zugehörigen beweglichen Stromspulen 106a, 106b erlauben
eine reibungsfreie Relativbewegung.
-
Der
innerhalb des ersten Linearmotors gebildete Magnetkreis ist in der 7 dargestellt.
Im Motor sind die beabstandeten Ringmagnete des festen Magnets 110a radial
in entgegengesetzten Nord(N)-Süd(S)-Richtungen
polarisiert. Der Magnetfluss läuft
in der Uhrzeigerrichtung entlang dem Kreisflusspfad 200 wie
folgt durch die Komponenten des Linearmotors:
- 1)
entlang der axialen Länge
des beweglichen Ankers 104a;
- 2) radial über
die linke Spule des beabstandeten Paars entgegengesetzt gewickelter
Spulenwicklungen der beweglichen Stromspule 106a, den Luftzwischenraum 108a und
den entsprechenden linken Magnet der beabstandeten Ringmagnete des
festen Magnets 110a;
- 3) entlang der axialen Länge
des äußeren Polstücks 114a und
- 4) radial entlang dem rechten der beabstandeten Ringmagnete,
dem Luftzwischenraum 108a und die entsprechende Rechte
des Paars von Spulenwicklungen.
-
Eine
magnetische Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss und dem
durch das Paar von Spulenwicklungen in Richtungen orthogonal zur
Richtung des die Wicklungen schneidenden Magnetflusses, d.h. orthogonal
zur Ebene der 6, geführten Strömen induziert eine axial gerichtete
magnetische Antriebskraft in den Spulenwicklungen. Bei einer vorbestimmten
Größe und einem
vorbestimmten Gewicht des Linearmotors maximiert die radiale Polarisation
des festen Magnets 110a, im Vergleich zu einer Alternativen,
wie einer axialen Polarisation desselben, in vorteilhafter Weise
die Magnetflussdichte im Luftzwischenraum 108a, mit einem
Schneiden der beabstandeten Spulenwicklungen der beweglichen Stromspule 106a.
Eine derartige radiale Polarisation führt demgemäß zu einer kompakteren, leichteren
Konfiguration des Hubkolbenkompressors 80; eine wichtige Überlegung
für Luftfahrtanwendungen
des Kompressors.
-
Gemäß erneuter
Bezugnahme auf die 4 ist ein wichtiges und vorteilhaftes
Merkmal des Hubkolbenkompressors 80 die Integration der
Biegefeder und der Schaltung 100 mit fester Montage entlang
ihrem Außenumfang
innerhalb eines Endes 116a des Gehäuses 82. In ähnlicher
Weise ist die Integration der Biegefeder und der Schaltung 120 fest
an ihrem Außenumfang
innerhalb eines Endes 116b des Gehäuses 82 montiert.
Wie es in der 4 dargestellt ist, sind die
Federn 100, 102 durch ein Paar Federhalter 118a bzw.
ein Paar Federhalter 118b parallel zueinander montiert.
Die Federhalter oder-halterungen 118a, 118b sind
elektrisch isolierend, und sie bestehen vorzugsweise aus einer Kunststoff-verstärkten Glaszusammensetzung.
Die axial beabstandeten Federhalter 118a, 118b sind
so an jeweiligen Innenflächen
der Gehäuseenden 116a, 116b angebracht, dass
dazwischen ein zugehöriger
Federumfang eingebettet ist. Eine im Zentrum der Feder 100 ausgebildete
Nabe 120 (siehe die 5A) ist
an einem verlängerten
Endabschnitt 119a des Zylinders 94a angebracht
und in ähnlicher
Weise ist eine im Zentrum der Feder 102 ausgebildete Nabe 120 an
einem verlängerten
Endabschnitt 119b des Zylinders 94b angebracht.
Auf diese Weise sorgen die Federn 100, 102 für eine Zentrierung
und Aufhängung
der ersten bzw. zweiten beweglichen Baugruppe, d.h. der zugehörigen beweglichen
Zylinder 94a, 94b, der beweglichen Anker 104a, 104b und
der beweglichen Stromspulen 106a, 106b, die daran
befestigt sind, für
eine axiale Hin-Her-Auslenkung derselben. Wie es unten detailliert
beschrieben ist, richten die Federn 100, 102 die
erste bzw. zweite bewegliche Baugruppe sowohl in axialer als auch
radialer Richtung innerhalb des Motorgehäuses 82 aus.
-
Genauer
gesagt, liegt, gemäß spezieller
Bezugsnahme auf die 5A, 5B und 5C,
die Feder 100 (und die Feder 102) in Form einer
im Wesentlichen ebenen Biegefeder aus Federstahl mit einem ringeförmigen Außenbundabschnitt 126,
einem inneren Nabenabschnitt 120 und einem elastischen Halteelement,
das zwischen diese beiden gekoppelt ist, vor. Der innere Nabenabschnitt 120 verfügt über eine
zentrale Durchgangsöffnung 121.
Das elastische Halteelement verfügt über mehrere
elastische Haltearme 128A, 128B und 128C,
die zwischen den Außenbund 126 und
die Innennabe 120 gekoppelt sind und sich dazwischen sowohl
in der Umfangsrichtung als auch radialen Richtungen erstrecken (die Kennzeichnungen "A"-"C" unterscheiden gleiche Komponenten
der einen Feder, und sie sind nicht mit den Kennzeichnungen "a", "b" zu verwechseln,
die dazu verwendet werden, gleiche Komponenten innerhalb der Gehäuseabschnitte 84a, 84b zu
unterscheiden). Mehrere Durchgangsöffnungen 129 trennen
die elastischen Federarme 128A–128C, die Innennabe 120 und
den Außenbund 126.
-
Mehrere
flexible, elektrisch leitende gedruckte Schaltungen oder Bahnen 130A, 130B und 130C, vorzugsweise
aus Berylliumkupfer, sind jeweils fest an elektrisch isoierten Flächen der
Federarme 128A–128C angebracht,
d.h. mit diesen verbunden. Eine elektrisch isolierende Schicht 184 (5C),
die mit einer Fläche
jedes Federarms 128A–128C der Biegefeder
verbunden ist, gewährleistet,
dass die gedruckten Schaltungen 130A–130C jeweils elektrisch gegen
die darunterliegende Biegefeder und gegeneinander isoliert sind.
Die elektrisch isolierende Schicht 184 besteht vorzugsweise
aus einer Plastikzusammensetzung. Die gedruckte elektrisch oder Bahn 130A verfügt über einen äußeren Anschlussabschnitt 132A,
der mit einem Teil des Außenbunds 126 übereinstimmt,
einen inneren Anschlussabschnitt 134A, der mit einem Teil
der Innennabe 120 übereinstimmt,
und einen Bahnabschnitt 136A, der ein Stück des elastischen
Federarms 128A zwischen dem äußeren und dem inneren Anschlussabschnitt 132A und 134A überquert.
Die gedruckten Schaltungen 130B und 130C verfügen über ähnlich angeordnete Anschluss-
und Bahnabschnitte.
-
Aus
Gründen,
die später
vollständiger
erörtert
werden, verbindet eine Lötverbindung 129A ein erstes
Ende einer elektrischen, inneren Zuleitungen 150A mit dem
inneren Anschlussabschnitt 134A der gedruckten Schaltung 130A.
In ähnlicher
Weise verbindet eine Lötverbindung 129C ein
erstes Ende einer elektrischen, inneren Zuleitung 151A mit
dem inneren Anschlussabschnitt 134C der gedruckten Schaltung 130C.
Auf der einzelnen Integration der Biegefeder und der Schaltung 100 (und
in ähnlicher Weise
auf der Feder 102) ist so zwischen den Zuleitungen 150A, 151A und
den jeweiligen äußeren Anschlussabschnitten 132A, 132C der
gedruckten Schaltung 130A bzw. 130C ein Paar elektrisch
isolierter, leitender Pfade ausgebildet. Bei der bevorzugten Ausführungsform
verfügt
die Integration der Biegefeder und der Schaltung 100 über mindestens
zwei Federarme und mindestens zwei entsprechende gedruckte Schaltungen
oder Bahnen zum Erstellen mindestens zweier elektrisch isolierter,
leitender Pfade. Die dritte gedruckte Schaltung, z. B. die gedruckte
Schaltung 130B der Feder 100 (und 102)
verbessert die Flexibilität
beim Zusammenbauen des Hubkolbenkompressors 80. Zum Beispiel
kann die Feder 100 nach Bedarf verdreht werden, um beliebige
zwei der drei äußeren Anschlussabschnitte 132A–132C mit
einem entsprechenden Paar der festen Anschlüsse des Hubkolbenkompressors 80,
während
dessen Zusammenbau, auszurichten.
-
Es
sind zahlreiche alternative Anordnungen des elastischen Halteelements
möglich,
wobei derartige alternative Anordnungen durch die erforderlichen Eigenschaften
der integralen Federvorrichtung bestimmt sind. Zum Beispiel kann
jeder elastische Haltearm des elastischen Halteelements im Wesentlichen
radial ausgerichtet sein, es kann spiralartig sein, oder es kann
zwischen dem Außenbund 126 und
der Innennabe 120 einem gewundenen Pfad folgen. Auch können die
Anzahl und die Breiten der Haltearme variiert werden. Demgemäß sind auch
zahlreiche alternative Anordnungen der flexiblen gedruckten Schaltungskomponente
möglich.
Die Anordnung der elektrisch leitenden Bahnen, d.h. die Anzahl,
die Breiten und die Orte derselben können variiert werden, um den
Erfordernissen einer speziellen Anwendung oder dem Gebrauch der
Feder 100 zu genügen.
-
Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist ein elektrisch leitender Draht oder ein Kabel
oder ein anderer flexibler Leiter, einstückig an die Oberfläche des
Federarms gebondet. Bei noch einer anderen Ausführungsform kann die elektrisch
leitende, flexible gedruckte 3, der Draht oder das Kabel im Wesentlichen
in der Feder 100 eingeschlossen oder eingebettet sein,
wobei nur die inneren und äußeren Anschlussabschnitte
derselben für
elektrischen Anschluss an die Oberfläche der Feder 100 frei
liegen.
-
Wie
oben angegeben, und gemäß erneuter Bezugnahme
auf die 4, ist der Außenbund 126 der
Feder 100 durch ein Paar ringförmiger Federhalterungen 118a am
Gehäuseende 116a des
Gehäuses 82 befestigt.
So ist die Feder 100 mit dem Gehäuseende 116a des Gehäuses 82 so
verbunden, dass sie sich in einer ebenen Querrichtung über das Gehäuseende 116a erstreckt,
wobei auf eine Außenfläche der
Feder 100, die vom Inneren des Motorgehäuses weg zeigt, die gedruckte
Schaltung aufgetragen ist. Entgegengesetzt zum ersten Kolbenende 88a befestigt
ein Bolzen 142a, der durch eine zentrale Öffnung 121 der
Innennabe 120 der Feder 100 eingeführt ist,
einen Kompressionspfropfen 140a an einer Innenfläche der
Feder, an der Innennabe derselben. Der Kompressionspfropfen 140a besteht
aus einem unmagnetischen Metall, vorzugsweise unmagnetischem rostfreiem
Stahl. Der verlängerte
Endabschnitt 119a des den Kompressionspfropfen 140a umgebenden
Zylinders 100 ist ebenfalls an der Innennabe 120 der
Feder 100 an der Innenfläche derselben befestigt. Auf
diese Weise ist der bewegliche Zylinder 94a durch die Feder 100 im
ersten Gehäuseabschnitt 84a aufgehängt. Zwischen
dem ersten Kolbenende 88a und dem Kompressionspfropfen 140a ist
der Kompressionsraum 98a mit variablem Volumen in Fluidverbindung
mit einer axialen Durchgangsbohrung 92 ausgebildet.
-
Die
Feder 102 ist in ähnlicher
Weise mit dem Gehäuseende 116b des
Motorgehäuses 82 verbunden
und erstreckt sich quer über
dieses. Da Komponenten innerhalb des zweiten Gehäuses den oben genannten Komponenten
im ersten Gehäuse
entsprechen, ist der bewegliche Zylinder 94b durch die Feder 102 im
zweiten Gehäuseabschnitt 84b aufgehängt. Die
Federn 100, 102 führen eine Zentrierung und Aufhängung des
beweglichen Zylinders 94a bzw. 94b und demgemäß der ersten
und der zweiten beweglichen Baugruppe innerhalb des Motorgehäuses 82 aus.
Ein Paar Öffnungszwischenräume 141a und ein
Paar Öffnungszwischenräume 141b überbrücken die
Federn 100, 102 und erlauben eine störungsfreie Hin-
und Herbewegung desselben.
-
Der
erste Linearmotor, einschließlich
der beweglichen Stromspule 106a und der zugehörigen festen
Magnetbaugruppe, führt
eine axiale Verschiebung der ersten, im ersten Gehäuseabschnitt 84a aufgehängten beweglichen
Baugruppe aus. In ähnlicher
Weise führt
der zweite Linearmotor, einschließlich der beweglichen Stromspule 106b und
der zugehörigen
festen Magnetbaugruppe, eine axiale Verschiebung der zweiten, im
zweiten Gehäuseabschnitt 84b aufgehängten beweglichen
Baugruppe aus. Der erste Linearmotor wird auf einen sinusförmigen,
d.h. wechselnden, Motortreiberstrom hin angesteuert, der von einer
externen, nicht dargestellten Stromquelle an eine Leiterplatte 144a geliefert
wird, die am ersten Ende 116a des Motorgehäuses 82 befestigt
ist. Die Einzelheiten der externen Stromquelle sind in der Technik
bekannt, und sie sind für
das erfindungsgemäße Konzept
der Erfindung nicht wesentlich, solange der durch sie gelieferte
Motortreiberstrom die erforderliche Hin-Her-Auslenkung der beweglichen Baugruppe
erzeugt. Ein Paar kurze, elektrische, äußere Zuleitungen 146a, 147a transportiert
den Motortreiberstrom (von der externen Stromquelle an die Leiterplatte 144a geliefert)
von der Leiterplatte 144a an ein jeweiliges Paar der elektrischen
Gehäuseanschlüsse 148a bzw. 149a,
die an einem Umfang des ersten Endes 116a des Motorgehäuses 82 befestigt sind,
d.h. innerhalb der Federhaltungen 118a befestigt sind.
-
Die
Gehäuseanschlüsse 148a, 149a sind
mit jeweiligen äußeren Anschlussabschnitten 132A, 132C (5A)
jeweiliger elektrisch leitender Bahnen 130A, 130C der
Feder 100 verbunden. Ein Paar kurze flexible, elektrisch,
innere Zuleitungen 150a, 151a, die z. B. ein Paar
von Drähten
oder Flachkabeln sein können,
verbinden elektrisch jeweilige innere Anschlussabschnitte 134A, 134C (der
jeweiligen Bahnen 130a, 130c) an der Innennabe 120 der
Feder 100 mit einem jeweiligen Paar elektrischer Anschlüsse der
beweglichen Spule 106a. Genauer gesagt, und wie bereits
beschrieben, sind die ersten Enden der inneren Zuleitungen 150a, 151a mit
dem jeweiligen inneren Anschlussabschnitt 134A bzw. 134C der Feder 100 verbunden,
um für
elektrische Verbindungen dazu zu sorgen, während ein zweites Ende jeder inneren
Zuleitung 150a, 151a mit einem jeweiligen Anschluss
des Paars elektrischer Anschlüsse
der beweglichen Stromspule 106a verbunden ist. Auf diese Weise
werden zwischen den Gehäuseanschlüssen 148a, 149a und
den elektrischen Anschlüssen
der beweglichen Stromspule 106a über jeweiligen elektrisch leitenden
Bahnen 130A, 130C, die auf die Außenfläche der
Feder 100 aufgebracht sind (und über die jeweiligen inneren
Zuleitungen 150a, 151a) elektrisch isolierte,
leitende Pfade gebildet.
-
Bei
der bevorzugten ausführungsform
ist die Gerade hinsichtlich der Komponenten innerhalb des ersten
Gehäuseabschnitts 84a beschriebenen
elektrischen Kopplungsanordnung im zweiten Gehäuseabschnitt 84b wiederholt,
wie es in der 4 dargestellt ist. Daher wird
eine wiederholte Textbeschreibung der elektrischen Kopplungsanordnung
innerhalb des zweiten Gehäuses 84b hier
der Kürze
der Beschreibung und der Deutlichkeit halber weggelassen. Jedoch
ist es in der folgenden Betriebsbeschreibung zu beachten, dass die
Federn 100, 102 in den jeweiligen Gehäuseabschnitten 84a bzw. 84b angeordnet
sind und dort arbeiten, so dass z. B. der Motortreiberstrom von
externen Quelle auf dieselbe Weise über die Feder 102 an
die bewegliche Spule 106b geliefert wird, wie er von der
externen Quelle über
die Feder 100 an die bewegliche Spule 106a geliefert
wird.
-
Im
Betrieb liefert die externe Stromquelle einen sinusförmigen Motortreiberstrom über die
jeweilige Feder 100, 102, wie oben beschrieben,
an die beweglichen Spulen 106a, 106b des ersten
bzw. zweiten Linearmotors. Jede bewegliche Baugruppe wird von einer
anfänglichen
Ruheposition, d.h. der in der 5 dargestellten
neutralen oder zentrierten Position, in der ersten oder zweiten
axialen Richtung, die einander entgegengesetzt sind, entgegen der Rückstellkraft
einer jeweiligen der Feder 100, 102 in Reaktion
auf eine jeweilige axiale Kraft ausgelenkt, wie sie auf jede bewegliche
Baugruppe einwirkt.
-
Wie
bereits beschrieben, ergibt sich die axiale Kraft aus einer magnetischen
Wechselwirkung, die zwischen der Magnetbaugruppe und der beweglichen
Stromspule der beweglichen Baugruppe induziert wird, wenn der Motortreiberstrom
an die elektrischen Anschlüsse
der beweglichen Stromspule geliefert wird. Wegen der spiegelbildlichen
Anordnung von Komponenten im ersten und zweiten Gehäuseabschnitt 84a, 84b bewegen
sich die erste und die zweite bewegliche Baugruppe (im ersten bzw.
zweiten Gehäuseabschnitt)
gegenphasig oder in entgegengesetzten axialen Richtungen hin und
her, d.h., dass die beweglichen Baugruppen in Bezug zueinander mit
einer Phasenverschiebung von 180° axial ausgelenkt
werden. Da sich an der jeweiligen Innennabe der Federn 100, 102 befestigten
Kompressionspfropfen 140a bzw. 140b gemeinsam
mit der jeweiligen beweglichen Baugruppe axial hin- und herbewegen,
erfährt
das Volumen jedes Kompressionsraums 98a bzw. 98b eine
abwechselnde Expansion und Kontraktion, da das erste und zweite
Kolbenende 88a, 88b innerhalb des Motorgehäuses 82 fixiert sind.
Das typischerweise gasförmige
Arbeitsfluid, das die Kompressionsräume 98a, 98b einnimmt,
wird so von diesen abwechselnd in die axiale und Auslass-Durchgangsbohrungen 92, 90 innerhalb
des Kolbens 86, und durch diese hindurch, verdrängt.
-
Während des
Hin-Her-Betriebs der Feder 100 (und der Feder 102),
verbleibt der Außenbund 126 stationär, während die
Innennabe 120 auf eine auf sie wirkende Antriebskraft hin
in der axialen Richtung hin- und herläuft, d.h., wie wird durch eine
axiale Kraft von einer anfänglichen
Ruheposition in einer Querebene (in der 4 dargestellt,
und mit den durchgezogenen Linien in der 5)
in der ersten und der zweiten axialen Richtung, die einander entgegengesetzt
sind (durch Pfeile an jedem Ende der Mittelachsenlinie 112 dargestellt)
entgegen der Rückstellkraft
des elastischen Halteelements, d.h. jedes der elastischen Federarme 128A–128C ausgelenkt. Wie
es in der 5B dargestellt ist, verbleiben
der Außenbund 126 und
die Innennabe 120 größtenteils während des
Betriebs eben und parallel, während sich
jeder der elastischen Federarme 128A–128C aus der anfänglichen
Ruheposition heraus verbiegt, um die axiale Auslenkung der Innennabe 120 aufzufangen,
z. B. zu den Positionen mit gestrichelter Linie, wie sie in der 5B dargestellt
sind. Der ebene Aufbau der Feder 100 sorgt für eine natürliche Vor spannung
jedes der elastischen Federarme 128A–128C entgegen der
axialen Auslenkung der Innennabe 120, weg von der anfänglichen
Ruheposition, und so übt
jeder elastische Federarm eine Rückstellkraft
zu dieser anfänglichen
Ruheposition immer dann aus, wenn die Innennabe auf diese Weise
ausgelenkt wird. Eine bevorzugte Spitzenamplitude der axialen Auslenkung
der Nabe 120 gegenüber
der Ruheposition beträgt
ungefähr
2/10 Zoll, d.h., dass die Spitzenamplitude in jeder der entgegengesetzten axialen
Richtungen 2/10 Zoll beträgt,
was eine Spitze-Spitze-Gesamtamplitude von 4/10 Zoll ausmacht. Eine
derartige Auslenkung begrenzt die Biegung oder Verbiegung, wie sie
in jedem örtlichen
Bereich der Biegefeder leitenden gedruckten Schaltung induziert
wird, und so werden Ausfälle
der gedruckten Schaltung in Zusammenhang mit Belastungen drastisch
reduziert.
-
Die
Stärke
der Rückstellkraft
ist durch die axiale Steifigkeit der Feder 100 bestimmt.
Außerdem ist
die Feder 100 so konstruiert, dass sie über eine radiale, d.h. Quersteifigkeit
verfügt,
die wesentlich größer als
ihre axiale Steifigkeit ist. Diese Attribute der Feder 100,
die auch für
die Biegefeder 102 gelten, sind erforderlich, um die axiale
und radiale Ausrichtung der beweglichen Baugruppen innerhalb der
erforderlichen Betriebstoleranzen zu erzielen.
-
Im
Hubkolbenkompressor 80 üben
die Federn 100, 102 zwei kritische Funktionen
aus. Erstens positionieren die Federn 100, 102 die
erste bzw. zweite bewegliche Saugruppe und die beweglichen Komponenten
des ersten bzw. zweiten Linearmotors (d.h, die beweglichen Spulen 106a, 106b)
sowohl axial als auch radial im Motorgehäuse 82. Zweitens dienen
die Federn 100, 102, und speziell die auf sie aufgebrachten
elektrisch leitenden Bahnen 130A–130C, als Teil eines
Stromkopplungsmechanismus, durch den der Motortreiberstrom zwischen der
externen Quelle desselben und der jeweiligen beweglichen Stromspule 106a bzw. 106b übertragen wird.
Zu Vorteilen des Hubkolbenkompressors 80, der unter Verwendung
der Federn 100, 102 in ihm realisiert ist, gehören die
Folgenden:
- 1) eine einzelne Feder nimmt ein
Paar isolierter, elektrisch leitender gedruckter Schaltungen auf, um
einen Motortreiberstrom an die zugehörige bewegliche Stromspule
zu liefern;
- 2) zusätzliche
Motortreiberstrom-Leitungspfade können sich in vorteilhafter
Weise auf einer einzelnen integrierten Feder und Schaltung, nach
Erfordernis, befinden, wobei das Erfordernis zusätzlicher, fehleranfälliger elektrischer
Zuleitungen, wie sie im bekannten Hubkolbenkompressor der 1 verwendet
werden, umgangen ist;
- 3) die Betriebszuverlässigkeit
ist im Vergleich zum bekannten Hubkolbenkompressor der 1 verbessert,
da die Auslenkung der inneren Zuleitungen 150a (und 150b)
und Belastungen an Anschlussstellen minimiert sind. Die Auslenkung
der inneren Zuleitungen 150a ist minimiert, da ihre beiden
Enden, d.h. das mit der Innennabe 120 der Feder 100 verbundene
Ende und das andere Ende, das mit dem elektrischen Anschluss der
beweglichen Stromspule 106a verbunden ist, einheitlich
ausgelenkt werden, wenn sich die bewegliche Baugruppe hin- und herbewegt,
so dass keine Relativbewegung zwischen den Enden der Zuleitung existiert,
oder sie minimal ist;
- 4) für
eine vorbestimmte axiale Auslenkung der beweglichen Baugruppe innerhalb
des Motorgehäuses 82 sind
weniger Teile und weniger Raum erforderlich als beim bekannten Motor
der 3, da in Miniatur-Hubkolbenkompressoren nicht mehrere
Federspulen benötigt
werden, wobei sich diese Raumersparnis in eine vorteilhafte Größenverringerung
des Hubkolbenkompressors übersetzt;
- 5) die Federn 100, 102 sind typischweise billiger als
eine entsprechende Anzahl leitender Federspulen, d.h., die Anzahl
von Federspulen, die dazu erforderlich sind, die Funktion zu erfüllen, die
durch die integrierte Federvorrichtung geliefert wird; und
- 6) die Verbesserung der durch die Federn 100, 102 erzielten
radialen Lagerung im Vergleich zu der, die durch die Federspulen
erzielt wird, verringert die seitliche Belastung und die Reibungsabnutzung
beweglicher Teile des Linearmotors und führt so zu einer größeren Betriebslebensdauer und
einer mittleren Zeit zwischen Ausfällen des Linearmotors.
-
Wie
bereits beschrieben, verfügt
der Hubkolbenkompressor 80 der 4 über bewegliche
Zylinder 94a, 94b und einen fixierten Kolben 86.
Jedoch ist in der 6 eine andere Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Hubkolbenkompressors
dargestellt, bei der ein Hubkolbenkompressor 160 über einen
beweglichen statt einen fixierten Kolben verfügt. Die Konstruktion, die Anordnung
und der Betrieb des Hubkolbenkompressors der 6 sind in
manchen Punkten dem bekannten Hubkolbenkompressor der 1 ähnlich mit
einem deutlichen Unterschied und einer Verbesserung die Biegelagerung 44 des
bekannten Hubkolbenkompressors 10 der 1 ist
im Hubkolbenkompressor 160 der 6 durch
eine Feder 100 ersetzt. Vorteilhafterweise wird durch den Einbau
der Feder 100 das Erfordernis der fehleranfälligen inneren
Zuleitung 82 zwischen dem festen Anschluss 40 und
der beweglichen Stromspule 36 umgangen.
-
In
der 6 ist der Außenbund 126 der
Feder 100 an der linken Gehäusehalterung 26 befestigt, während die
Innennabe 120 der Feder 100 am linken Ende des
Kolbens 14 befestigt ist. Der elektrisch Anschluss 40 ist
mit dem äußeren Anschlussabschnitt 132A der
elektrisch leitenden Bahn 130A, am Außenbund 126 der Feder 100,
ausgerichtet und steht in elektrischem Kontakt damit. Eine elektrische
Verbindung zwischen dem elektrischen Anschluss 40 und einem
elektrischen Anschluss der beweglichen Stromspule 36 über einen
inneren Zuleitungsdraht 126 ist auf dieselbe Weise aufgebaut,
wie es in Verbindung mit dem Hubkolbenkompressor 80 der 4 beschrieben
wurde. Auf diese Weise ist zwischen dem elektrischen Anschluss 40 und
dem elektrischen Anschluss der beweglichen Stromspule 36 über die
auf die Außenfläche der
Feder 100 aufgebrachte elektrisch leitende Bahn 130A und
die innere Zuleitung 162 ein elektrisch leitender Pfad
gebildet. Es ist zu beachten, dass eine andere elektrische Kopplungsanordnung,
die nicht dargestellt ist, die der eben beschriebenen Anordnung ähnlich ist,
Strom über
eine elektrisch leitende Bahn 130C an einen anderen elektrischen
Anschluss der Stromspule 36 liefert, um einen elektrischen
Strompfad zwischen der Stromspule 36 und der externen Stromquelle
zu vervollständigen.
-
Im
Betrieb liefert die externe Stromquelle über die äußere Zuleitung 39,
den elektrischen Anschluss 40, die auf die Außenfläche der
Feder 100 aufgebrachte elektrisch leitende Bahn 130A und
die innere Zuleitung 182 einen Motortreiberstrom an den Linearmotor.
Die bewegliche Baugruppe wird ausgehend von einer anfänglichen
Ruheposition, d.h. einer in der 6 dargestellten
neutralen oder zentrierten Position, entgegen einer Rückstellkraft
der Feder 100 und einer zugeordneten Rückstellkraft des Biegelagers 46 in
einer ersten und einer zweiten axialen Richtung, die einander entgesetzt
sind, auf eine auf die bewegliche Baugruppe ausgeübte axiale
Kraft hin ausgelenkt. Die axiale Kraft ergibt sich aus einer magnetischen
Wechselwirkung zwischen dem festen Magnet 34 und der beweglichen
Stromspule 36, wenn der Motortreiberstrom an die elektrischen
Anschlüsse
der beweglichen Stromspule 36 geliefert wird. Wenn der
Kolben axial hin- und herläuft,
wird das Arbeitsfluid in der Kammer 22 komprimiert und durch
den Auslasskanal 24 verdrängt. Es ist zu beachten, dass
in der rechten Hälfte
des Motorgehäuses
durch eine zugeordnete integrale Federvorrichtung (und ein Biegelager)
ein entgegengesetzter Kolben 164 aufgehängt ist, der in ähnlicher
Weise durch einen zugeordneten Linearmotor angetrieben wird.
-
Bei
einer alternativen Anordnung der Ausführungsform des Hubkolbenkompressors 80 der 4,
bei der die beweglichen Stromspulen nicht elektrisch miteinander
verbunden sind, kann sowohl die erste als auch die zweite bewegliche
Baugruppe, die einen jeweiligen Gehäuseabschnitt 84a bzw. 84b bele gen,
durch den ersten bzw. zweiten Linearmotor unabhängig angetrieben werden. Bei
dieser Anordnung wird jede der beweglichen Stromspulen 106a, 106b unabhängig mit
einem elektrischen Strom von einer externen Quelle versorgt.
-
Der
Aufbau der Feder 100 mit laminiertem oder geschichtetem
Querschnitt ist in der 5C dargestellt. Der Schichtaufbau
verfügt über eine
elastische oder federnde Basisschicht, entsprechend dem Federarm 128A,
die aus einem Federstahl besteht. Eine beispielhafte Dicke der Basisschicht
beträgt
ungefähr
12/1000 Zoll. Auf eine Außenfläche der
elastischen Basisschicht ist eine elektrisch isolierende Schicht 184 aus
einem Kunststoff aufgebracht. Wie bereits beschrieben, ist auf die
Oberseite der isolierenden Schicht 184 die dünne, flexible,
elektrisch leitende Schicht, entsprechend der elektrisch leitenden
Bahn 130A, aufgebracht oder mit ihr verbunden. Die leitende
Schicht besteht aus einem flexiblen, geeigneterweise beständigen,
leitenden Material, vorzugsweise Berylliumkupfer. Eine bevorzugte
Dicke der leitenden Schicht liegt im ungefähren Bereich von 3 bis 4 Tausendstel
eines Zolls. Da die Feder 100 ein Verbund aus drei aneinander
befestigten Schichten, d.h. der Basisschicht aus Federstahl, der
Isolierschicht 184 aus Kunststoff und der leitenden Schicht ist,
ist es wesentlich, dass alle drei Schichten über den Betriebstemperaturbereich
der Feder 100 eine ähnliche
Wärmeexpansion
zeigen. Eine derartige Ähnlichkeit
der Wärmeexpansion
minimiert zerstörende
Belastungen in der Feder, die sich andernfalls aus verschiedenen
Wärmeexpansionen
zwischen den drei Schichten ergeben würden.
-
Ein
Verfahren zum Herstellen oder Erzeugen des Schichtaufbaus beinhaltet
die folgenden Schritte:
- 1) Bereitstellen einer
im Wesentlichen ebenen, elastischen Basisschicht aus einem elastischen oder
federnden Material, mit einer Konfiguration, die der der Biegefeder
entspricht. Dieser Schritt kann durch einen chemischen Bearbeitungsschritt
realisiert werden;
- 2) Auftragen der elektrisch isolierenden Schicht 184 auf
die Oberfläche
der elastischen Basisschicht;
- 3) Abscheiden einer elektrisch leitenden Schicht auf der elektrisch
isolierenden Schicht entsprechend einem vorbestimmten Muster, das
z. B. die Konfiguration der flexiblen gedruckten Schaltungen der
Feder 100 errichtet; und
- 4) Entfernen freigelegter Abschnitte oder Bereiche der elektrisch
isolierenden Schicht 184, so dass derartige Abschnitte
nicht durch die elektrisch leitende Schicht bedeckt sind. Dieser
Verfahrensschritt kann durch chemisches Ätzen ausgeführt werden.
-
Da
die integrierte Biegefeder und Schaltung durch chemische Bearbeitungsoperationen
statt mechanische Verformungsschritte hergestellt wird, wird die
sich ergebende integrierte Federvorrichtung in vorteilhafter Weise
praktisch ohne Restspannungen in ihr hergestellt. Dies erhöht die Zuverlässigkeit
und verlängert
die Lebensdauer der Integration der Biegefeder und der Schaltung.
-
Bei
einem anderen Verfahren zum Herstellen der Integration der Biegefeder
und der Schaltung wird ein flexibler, elektrisch leitender Draht
oder ein Kabel mit der elektrisch isolierenden Schicht 184 verbunden,
an Stelle der gedruckten Schaltung. Bei noch einem anderen Verfahren
zum Herstellen der Integration der Feder und der Schaltung wird
die gedruckte Schaltung, der Draht oder das Kabel, so in die laminierte
oder Schichtstruktur eingebettet, dass nur innere und äußere Anschlussabschnitte
derselben für
Verbindung mit den Motoranschlüssen
und den inneren Zuleitungen des Linearmotors an der Oberfläche der
Feder frei liegen.
-
Der
Fachmann erkennt leicht, dass die Erfindung die oben dargelegten
Aufgaben erfüllt.
Nachdem der Fachmann die vorstehende Beschreibung gelesen hat, ist
er dazu in der Lage, verschiedene Änderungen, Ersetzungen von Äquivalenten
und verschiedenen anderen Gesichtspunkten der Erfindung, wie hier
umfassend dargelegt, vorzunehmen. Daher soll der hierauf gewährte Schutz
nur durch die in den beigefügten
Ansprüchen
enthaltene Definition und Äquivalente
hierdurch beschränkt
sein.