DE602004004772T2

DE602004004772T2 - System zum verstellen der resonanzfrequenzen bei einem linearkompressor

Info

Publication number: DE602004004772T2
Application number: DE602004004772T
Authority: DE
Inventors: Rinaldo Puff; Erich Dietmar LILIE; Egidio Berwanger
Original assignee: Whirlpool SA
Current assignee: Whirlpool SA
Priority date: 2003-04-23
Filing date: 2004-04-22
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2024-04-23
Also published as: CN1798926A; KR20060005385A; US20060110259A1; DE602004004772D1; EP1618303B1; JP2006524299A; ES2280959T3; BR0301492A; JP2012163106A; JP5106847B2; EP1618303A1; WO2004094826A1; CN1798926B; KR101076750B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zum Steuern und Einstellen der Resonanzfrequenzen in einem Linearverdichter der in Kleinkühlgeräten, wie Kühlschränken, Gefrierschränken, Wasserspendern usw., verwendeten Art.
Hintergrund der Erfindung
Linearverdichter weisen eine mechanische Resonanzfrequenz auf, die durch die Federkonstante und durch die Massen der beweglichen Teile des Verdichters festgelegt ist, wenn letzterer ohne zu kühlende Gaslast (ungeladen), d.h. ohne Gas zu pumpen, arbeitet. Die mechanische Resonanzfrequenz des Hauptfedersystems des Verdichters ist von dessen Hauptfedergestaltung abhängig und legt die natürliche mechanische Resonanzfrequenz des Verdichters fest.
Die mechanische Resonanzfrequenz während des Betriebs des Verdichters, bei dem letzterer Gas unter einem bestimmten Druckverhältnis pumpt, das als Druck am Auslaß, geteilt durch den Ansaugdruck, festgelegt ist, wird durch den Gasfedereffekt beeinflußt, der von der Verdichtung des Kühlfluids in der Kompressionskammer des Verdichters herrührt, wobei dieser Effekt abhängig vom Verhältnis Druck/Totvolumen stärker oder schwächer ist.
Das Hauptfedersystem des Verdichters ist so ausgelegt, daß es eine mechanische Resonanzfrequenz aufweist, die im wesentlichen nahe der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems liegt, d.h. ortsabhängig bei etwa 50 Hz oder 60 Hz liegt. Das Erreichen dieses Ziels kann als Betriebsabstimmung bezeichnet werden.
Im Abstimmungszustand zwischen der mechanischen Resonanzfrequenz des Verdichters und der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems ist die Energie, die dem Verdichter zugeführt werden muß, im wesentlichen die Summe der bei der Gasverdichtung verbrauchten Energie und der durch die Reibung zwischen den beweglichen Teilen beim Betrieb verbrauchten Energie.
Die bekannten Verdichterbauarten haben üblicherweise ein Hauptfedersystem mit einer natürlichen mechanischen Resonanzfrequenz, ohne die Lasten unterhalb der elektrischen Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems zu berücksichtigen.
Um während des Betriebs in einem Kühlsystem effizient zu sein, muß der Linearverdichter eine mechanische Resonanzfrequenz haben, die gleich oder zumindest im wesentlichen gleich der an den Motor des Verdichters angelegten elektrischen Frequenz ist, da in diesem Zustand ein Gleichgewicht zwischen der Akkumulation und der Freisetzung von Energie vorliegt, was einen abgestimmten Betriebszustand herstellt. Wenn der Verdichter unabgestimmt arbeitet, muß er mehr Energie aufnehmen, um weiterzulaufen und auch Verdichtungsarbeit zu erzeugen.
Das beim Betrieb des Verdichters in einem Kühlsystem gepumpte Gas wirkt als zusätzliche Feder im Hauptfedersystem des Verdichters, wobei es dessen mechanische Resonanzfrequenz verändert und letztere auf Werte bringt, die vom Wert der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems nach oben oder nach unten abweichen können. Diese zusätzliche Feder oder Gasfeder weist eine mittlere Konstante auf, die vom Verhältnis Druck/Totvolumen abhängt. Wenn Gas außerhalb des Zylinders verdichtet wird, kehrt ein Teil der Verdichtungsenergie zum mechanischen System zurück, wodurch Arbeit zum mechanischen System zurückgeführt wird, was zu einer Federwirkung führt. Unter Bedingungen, bei denen das Druckverhältnis ansteigt, wird die Gasfederwirkung verstärkt, was die mechanische Resonanzfrequenz erhöht. Unter Bedingungen mit einem Anstieg des Totvolumens wird die Gasfederwirkung bei Reduzierung der Kapazität des Verdichters ebenfalls verstärkt und dabei die mechanische Resonanzfrequenz erhöht.
Die Drücke im Kühlsystem hängen von der thermischen Last ab, die im Inneren des Kühlgerätes vorhanden ist, d.h. von der Quelle der thermischen Last, die in dessen Innerem vorliegt und Wärme erzeugt, welche das System abziehen muß; sie hängen auch von der Temperatur der Umgebung ab, in der das Kühlgerät angeordnet ist, da bei hoher Temperatur dieser Umgebung die Temperatur des Kondensators höher sein muß als die Umgebungstemperatur, weil der Kondensator so arbeiten muß, daß er Wärme an die Umgebung abgibt, die außerhalb derjenigen liegt, die durch das Kühlgerät gekühlt wird.
An wärmeren Tagen sowie unter Bedingungen, unter denen eine größere Last zu kühlen ist, steigt der Gasverdichtungsdruck, und der Verdichter muß mehr Arbeit verrichten, damit das Kühlsystem Wärme aus dem zu kühlenden Medium abziehen kann. Die Druckschwankungen im Kühlsystem verändern die Kapazität des Verdichters und den Abstimmungszustand zwischen seiner mechanischen Resonanzfrequenz und der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems.
In bestimmten Situationen führt der Verlust des Gleichgewichtes zwischen der elektrischen und der mechanischen Frequenz im Verdichter für den letzteren zu einem höheren Energiebedarf, um die Gasförderung aufrechtzuerhalten.
In einer Situation, in der das Kühlgerät von einem ausgeschalteten Zustand in einen eingeschalteten Zustand überführt wird, wird das Kühlsystem dieses Gerätes hohen Druckspitzen bei maximaler Förderleistung ausgesetzt, was die mechanische Resonanzfrequenz des Verdichters erhöht und zu einem Ungleichgewicht zwischen der mechanischen Resonanzfrequenz und der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems führt. Unter solchen Bedingungen muß der Motor des Verdichters seine Betriebsleistung erhöhen, um den Mechanismus bei derselben Frequenz wie der des Stromsystems zu halten. Da die Motorleistung von seinem Betriebsaufwand abhängt, tritt immer dann eine Verringerung des Motorwirkungsgrades auf, wenn die mechanische Resonanzfrequenz nicht der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems entspricht.
Aus dem Stand der Technik sind Lösungen bekannt, um die Stromversorgungsfrequenz an die mechanische Resonanzfrequenz des im Betrieb befindlichen Verdichters anzupassen. Bei einer dieser Lösungen wird die Frequenzanpassung durch eine elektronische Abgleichung erreicht, welche die Frequenz des Stromsystems gleichrichtet und sie dann entsprechend den Veränderungen, die im mechanischen System auftreten, ändert.
Bei einer bestimmten Lösung nach diesem Konzept wird die elektronische Abgleichung durch Änderung der Drehzahl des Verdichtermotors erreicht (brasilianisches Patentdokument PI9601535-7). Diese Lösung ist jedoch teuer und bringt einen Energieverlust mit sich. Ein weiterer Linearverdichter mit einem System zum Anpassen der Resonanzfrequenzen ist aus dem US-Patent 4,353,220 bekannt.
Aus dem Stand der Technik sind keine Lösungen zum Abstimmen der mechanischen Resonanzfrequenz bekannt, bei denen es möglich ist, unter Betriebsbedingungen die Frequenz zu korrigieren und sie im wesentlichen an die Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems anzupassen.
Ziele der Erfindung
Somit ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein System zum Einstellen von Resonanzfrequenzen in einem Linearverdichter bereitzustellen, das die mechanische Resonanzfrequenz des Verdichters steuert und zumindest unter bestimmten Betriebsbedingungen auf Werte bringt, die im wesentlichen gleich der Stromversorgungsfrequenz des Verdichters sind, ohne die hohen Kosten und die hohen Energieverluste der elektronischen Steuersysteme aufzuweisen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein System der oben erwähnten Art bereitzustellen, welches das Totvolumen des Verdichters während seines Betriebes bei einem Minimalwert hält, wodurch eine angemessene Volumenausbeute mit minimalem Energieverlust beibehalten wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese und andere Ziele werden durch einen Linearverdichter erreicht, wie er durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 definiert ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
1 eine vereinfachte schematische vertikale Längsschnittdarstellung eines Linearverdichters, bei dem die vorliegende Erfindung angewendet werden kann;
1a eine 1 entsprechende schematische Darstellung, die jedoch eine andere Ausführungsform der vorliegenden Lösung darstellt;
2 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine erste Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen hydraulischen oder pneumatischen Impeller verändert wird;
3 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen hydraulischen oder pneumatischen Impeller verändert wird;
4 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen mechanischen Impeller in Form eines linear verschieblichen Nockens verändert wird;
4a eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine weitere Ausführungsform für den linear verschieblichen Nocken der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt;
5 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen mechanischen Impeller in Form eines Drehnockens verändert wird;
6 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen mechanischen Impeller in Form einer schraubenförmigen mechanischen Anschlageinrichtung verändert wird;
7 eine schematische Teillängsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine sechste Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei der der Kolben-Totpunkt gegenüber der Ventilplatte durch einen pneumatischen Impeller mit einer besonderen Bauweise verändert wird, und
8 eine schematische Längsschnittdarstellung des Verdichters aus 1, die eine siebente Ausführungsform der Erfindung zeigt, bei welcher die Veränderung der Anpassung der Resonanzfrequenzen der vorliegenden Erfindung durch Verändern der Masse im Inneren des Kolbens erhalten wird.
Beschreibung der dargestellten Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit einem Kolbenverdichter beschrieben, der von einem Linearmotor der in Kühlsystemen verwendeten Art angetrieben wird und in einem (nicht gezeigten) hermetischen Gehäuse eine Motor-Verdichter-Anordnung mit einem Zylinder 1 umfaßt, der an einem seiner Enden durch eine Ventilplatte 2 verschlossen ist und in dessen Innerem ein Kolben 10 vorgesehen ist, welcher in aufeinanderfolgenden Ansaug- und Verdichtungshüben hin und her läuft.
Bei herkömmlichen Bauweisen legt ein innerer, unterer Abschnitt des Gehäuses einen Tank für das Schmieröl des Verdichters fest.
In der Ventilplatte 2 sind eine Ansaugöffnung 3 und eine Auslaßöffnung 4 des Verdichters festgelegt, die jeweils wahlweise durch ein Ansaugventil 5 und durch ein Auslaßventil 6 verschlossen werden, um die wahlweise Fluidverbindung zwischen einer Kompressionskammer CC, die im Inneren des Zylinders 1 zwischen einem oberen Abschnitt des Kolbens 10 und der Ventilplatte 2 festgelegt ist, und entsprechenden inneren Abschnitten eines Zylinderkopfes 7, die in Fluidverbindung mit der Niederdruck- und der Hochdruckseite des Kühlsystems, das den Verdichter enthält, gehalten werden, zuzulassen.
Wie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt, umfaßt der Verdichter ferner einen Linearmotor 20, der um den Zylinder 1 und um den Kolben 10 herum montiert ist und eine Schichtanordnung innerer Lamellen 21, in die ein Magnet 22 eingesetzt ist und die bei Bestromung des Linearmotors 20 axial angetrieben wird, sowie einen Stapel äußerer Lamellen 23 aufweist.
Bei der dargestellten Bauweise umfaßt der Verdichter ferner eine herkömmliche Federeinrichtung 8, die eine Resonanzanordnung mit einer nicht an der Resonanz teilnehmenden Anordnung C des Verdichters koppelt und in der Verschiebungsrichtung des Kolbens 10 in axialer Richtung elastisch verformbar ist, und eine Betätigungseinrichtung 9, die den Magneten 22 trägt, wobei die Betätigungseinrichtung 9 den Kolben 10 betätigbar mit dem Linearmotor koppelt und mit dem Kolben 10 und der Federeinrichtung 8 eine Resonanzanordnung des Verdichters festlegt.
Der Linearmotor 20 wird mit elektrischem Strom versorgt, der eine vorbestimmte Stromversorgungsfrequenz aufweist, z.B. etwa 50 oder 60 Hz, was im wesentlichen der Stromversorgungsfrequenz des Stromsystems entspricht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Anpassung zwischen der mechanischen Resonanzfrequenz des Verdichters und dessen Stromversorgungsfrequenz durch ein System zum Anpassen der Frequenzen erreicht, das im wesentlichen eine Detektionseinrichtung D zum Detektieren einer dem Linearmotor 20 des Verdichters aufgeprägten Last in einem Betriebszustand des letzteren, der mit dem Druck des Gases in dessen Auslaß zusammenhängt; einer Frequenzeinstelleinrichtung, die betätigbar mit der Detektionseinrichtung D und mit der Resonanzanordnung verbunden ist, um abhängig vom für das Gas im Auslaß des Verdichters detektierten Betriebszustand, z.B. von mindestens einem der Zustände Druck und Temperatur des im Auslaß des Verdichters verdichteten Gases sowie Betriebsstrom des Linearmotors 20, eine Frequenzeinstellung durch Verändern mindestens eines mit der Masse der Resonanzanordnung und dem mittleren Hub des Kolbens 10 zusammenhängenden Wertes auf einen Wert der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung festzulegen, welcher der Stromversorgungsfrequenz entspricht, wobei der Mindestabstand zwischen dem Kolben 10 und der Ventilplatte 2 am Ende jedes Verdichtungshubes unverändert beibehalten wird.
Bei einer nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsform umfaßt das Einstellsystem der vorliegenden Erfindung eine Steuereinheit 30, die sowohl mit der Detektionseinrichtung D als auch mit der Einstelleinrichtung betätigbar verbunden ist, um von ersterer Informationen über einen der Betriebszustände Druck und Temperatur des Gases im Auslaß des Verdichters sowie Betriebsstrom des Linearmotors 20 zu empfangen und die Anpassungseinrichtung anzuweisen, für einen der Vorgänge zu sorgen, die mit der Veränderung des mittleren Hubes des Kolbens 10 und mit der Veränderung der Masse der Resonanzanordnung zusammenhängen.
In einem Kühlsystem hängen die Drücke von der thermischen Last ab, die im Inneren des Kühlgerätes vorliegt und Wärme erzeugt, die das Kühlsystem abziehen muß und welche die Temperatur des Mediums festlegt; je höher die Temperatur des Mediums ist, desto höher muß die Temperatur des Kondensators sein, um Wärme an das Medium zu übertragen. Die Drücke im Kühlsystem ändern sich kontinuierlich, und zum Ausgleichen dieser Änderungen ist es notwendig, die Kapazität des Verdichters zu verändern.
In einer Situation, in der das Kühlgerät, beispielsweise ein Kühlschrank, von einem ausgeschalteten in einen eingeschalteten Zustand überführt wird, ist das Kühlsystem einer Hochdruckspitze ausgesetzt, was die mechanische Resonanzfrequenz erhöht.
Andererseits bewirken Schwankungen der dem Linearmotor 20 aufgeprägten Last eine Veränderung der Phase/Stärke des Stroms, wobei die Dynamik des Mechanismus durch einen der folgenden Parameter festgelegt ist: Verschiebung, Geschwindigkeit oder Beschleunigung.
Die Anpassung der mechanischen Resonanzfrequenz an die Stromversorgungsfrequenz kann erreicht werden durch:

– Verändern des Verhältnisses Auslaßdruck/Ansaugdruck, wobei zu berücksichtigen ist, daß Anstiege des Druckverhältnisses die mechanische Resonanzfrequenz erhöhen;
– Verändern des Hubes des Kolbens 10, wobei zu berücksichtigen ist, daß Vergrößerungen des Hubes die mechanische Resonanzfrequenz verringern;
– Verändern des Totvolumens, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Vergrößerung des Totvolumens die mechanische Resonanzfrequenz erhöht, und
– Verändern der Masse des Kolbens 10, wobei zu berücksichtigen ist, daß die Zunahme der Masse des Kolbens 10 die mechanische Resonanzfrequenz verringert.

Die vorliegende Erfindung stellt ein System zum Einstellen von Resonanzen bereit, das mindestens einen der Werte verwendet, die mit dem mittleren Hub des Kolbens 10 und mit der Masse der Resonanzanordnung des Verdichters zusammenhängen, wobei der Verdichter zum Arbeiten in einem Zustand mit hohem Druckverhältnis abgestimmt ist, um bei minimalem Totvolumen die kritischen Bedingungen zu überwinden, die vom Kühlsystem gefordert werden.
Gemäß den in den 2 bis 7 dargestellten Ausführungsformen der Erfindung erfolgt die gewünschte Einstellung der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung durch eine Einstelleinrichtung, die den mittleren Betriebshub des Kolbens 10 durch Modifizieren des Totpunktes des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes verändert.
Bei den in den 2 bis 6 dargestellten Ausführungsformen erfolgt die Modifikation des Totpunktes des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes durch eine Einstelleinrichtung in Form eines Impellers I, der z.B. festgelegt sein kann durch ein hydraulisches Stellglied, ein pneumatisches Stellglied und ein mechanisches Stellglied, das mit der Resonanzanordnung und mit der Steuereinheit 30 in Wirkverbindung gekoppelt ist, um von letzterer zwischen einem unwirksamen Zustand, in dem es keine Änderung des Hubes des Kolbens 10 bewirkt, und einem wirksamen Zustand, in dem es den Hub des Kolbens 10 modifiziert, um die mechanische Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung an die Stromversorgungsfrequenz anzupassen, angetrieben zu werden.
Bei der Ausführungsform der 2, bei welcher der Impeller I ein hydraulisches Stellglied 40 ist, weist letzteres einen Zylinder C1 auf, der in einem Abschnitt der nicht an der Resonanz beteiligten Anordnung C des Verdichters festgelegt ist, und einen in Wirkverbindung mit der Federeinrichtung 8 gekoppelten Stößel auf, wobei das hydraulische Stellglied 40 über eine entsprechende Leitung D1 in direkter Fluidverbindung mit einem Ausgleichsfluidtank gehalten wird, der innerhalb oder außerhalb des Verdichtergehäuses vorgesehen ist. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Lösung ist das Ausgleichsfluid das Schmieröl des Verdichters.
Bei der Ausführungsform, bei welcher der Impeller I ein pneumatisches Stellglied 50 ist, kann letzteres auch so gestaltet sein, wie dies im Zusammenhang mit dem in 2 dargestellten hydraulischen Stellglied 40 beschrieben ist, indem lediglich das nicht-komprimierbare Ausgleichsfluid durch ein komprimierbares Fluid, wie Gas, ersetzt wird. Bei einer baulichen Lösung ist das Gas, welches das pneumatische Stellglied 50 aktiviert, das Kühlgas, welches im Inneren des Gehäuses vorliegt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in 3 dargestellt ist, liegt das pneumatische Stellglied 50 in Form eines Balges vor, der in Wirkverbindung mit der nicht an der Resonanz beteiligten Anordnung C und der Federeinrichtung 8 gekoppelt ist.
Wie festzustellen ist, kann durch höheren oder niedrigeren Innendruckaufbauf des hydraulischen oder pneumatischen Stellgliedes eine vorbestimmte Axialverschiebung des entsprechenden Kolbens 41 oder 51 erhalten werden, um eine entsprechende Modifikation des Ansaugtotpunktes des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes zu bewirken, was notwendig ist, um eine Veränderung der mechanischen Frequenz der Resonanzanordnung zu erzeugen, mit der die Schwankungen der Frequenz abhängig von den Modifikationen der Betriebsbedingungen des Kühlsystems ausgeglichen werden können. Diese Veränderung des Hubes des Kolbens 10 wird so durchgeführt, daß der Totpunkt des Kolbens am Ende des Verdichtungshubes, d.h. das Totvolumen in der Kompressionskammer CC, unverändert beibehalten bleibt.
Gemäß den Darstellungen in den 4 bis 6 ist der Impeller I ein mechanisches Stellglied, das in Wirkverbindung mit der nicht an der Resonanz beteiligten Anordnung C und mit der Federeinrichtung 8 gekoppelt ist und über eine Antriebseinrichtung M in Form eines Motors oder eines hydraulischen oder pneumatischen Stellgliedes betätigt wird, welches das mechanische Stellglied zu verschiedenen Betriebsstellungen hin verschiebt.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Antriebseinrichtung M ein Elektromotor, der in Wirkverbindung mit der Steuereinheit 30 steht, um von letzterer Anweisungen zum Verändern des mittleren Hubes des Kolbens 10 zu empfangen.
Bei der in 4 dargestellten Ausführungsform liegt ein mechanisches Stellglied 60 in Form eines linear verschieblichen Nockens 61 vor, der z.B. mit Stufen 62 versehen ist, die so bemessen sind, daß sie unterschiedliche Stellungen für den Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes festlegen. Bei der gezeigten Bauart weist der linear verschiebliche Nocken 61 zwei Stufen 62 auf, die zwei unterschiedliche Positionierniveaus für den Totpunkt des Kolbens 10 am Ende seines Ansaughubes festlegen, wobei die Stufen 62 über eine Rampenfläche 63 miteinander verbunden sind.
Bei dieser Ausführungsform wirkt der linear verschiebliche Nocken 61 gegen einen Schieber 64, der axial verschieblich ist und einen Nockenstößel festlegt, welcher an der Federeinrichtung 8 der Resonanzanordnung C sitzt. Die Axialverschiebung des Schiebers 64 erfolgt im Inneren der Führungseinrichtung 65, die in die nicht an der Resonanz beteiligte Anordnung C integriert ist.
Bei dieser dargestellten Ausführungsform trägt der Schieber einen Kontaktabschnitt 64a, wie einen Abschnitt mit einer konvexen Fläche, der in die dem linear verschieblichen Nocken 61 gegenüberliegende Oberfläche des Schiebers 64 integriert ist, wobei die konvexe Fläche, wie gezeigt, eine Kugelkalotte ist.
4a zeigt eine andere Ausgestaltung der vorliegenden Lösung, bei der ein mechanisches Stellglied 60 in Form eines linear verschieblichen Nockens 61 mit einer Rampenfläche 63' vorliegt, die gleitend an einer gegenüberliegenden, geneigten Fläche 66 eines axial verschieblichen Schiebers 64' anliegt, welcher einen Nockenstößel festlegt, wie er im Zusammenhang mit dem Schieber 64 beschrieben wurde. Wie im Zusammenhang mit der in 4 gezeigten Bauweise beschrieben, sitzt der Schieber 64' bei dieser Bauweise an der Federeinrichtung 8 der Resonanzanordnung. Bei einer anderen Bauweise, wie sie in 5 gezeigt ist, liegt ein mechanisches Stellglied 70 in Form eines Drehnockens 71 vor, der eine kontinuierliche Rampenfläche 71a aufweist, die so bemessen ist, daß sie kontinuierlich unterschiedliche Stellungen für den Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes festlegt, wobei der Drehnocken 71 an einem benachbarten Abschnitt der nicht an der Resonanz beteiligten Anordnung C montiert ist und gegen einen Schieber 72 wirkt, der einen an der Federeinrichtung 8 der Resonanzanordnung sitzenden Nockenstößel festlegt, wobei auch der Schieber 72 mit einer kontinuierlichen Rampenfläche 73 versehen ist, an der die kontinuierliche Rampenfläche 71a des Drehnockens 71 gleitend anliegt.
Bei der in 6 gezeigten Bauweise liegt das mechanische Stellglied in Form einer mechanischen Anschlageinrichtung 80 vor, welche auf die nicht an der Resonanz beteiligte Anordnung C aufgeschraubt und in Wirkverbindung mit der Resonanzanordnung gekoppelt ist, um den Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes zu verändern, wenn sie von irgendeiner Antriebseinrichtung M um ihre Längsachse gedreht wird.
Bei diesen baulichen Lösungen, wie sie in den 2 bis 6 sowie in der nachfolgend zu erörternden 8 dargestellt sind, werden die Modifikationen des Totpunktes des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes durch eine Steuereinheit 30 abhängig von der Information, welche letztere von der Detektionseinrichtung D empfängt, gesteuert.
Gemäß der in 7 dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wird der Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes automatisch durch die Gasdruckschwankungen im Auslaß des Verdichters modifiziert.
Bei dieser Bauweise ist der Impeller I ein pneumatisches Stellglied 90, das z.B. so gestaltet ist, wie dies im Zusammenhang mit dem hydraulischen Stellglied beschrieben ist, welches in 2 dargestellt ist, und einen Zylinder 91, der in die nicht an der Resonanz beteiligte Anordnung C integriert ist, sowie einen Stößel 92 aufweist, der im Zylinder 91 axial verschieblich ist und als bewegliche Anschlageinrichtung arbeitet, auf welche die Federeinrichtung 8 der Resonanzanordnung gesetzt wird.
Bei dieser Bauweise wird die Verschiebung des Stößels 92 durch den höheren oder niedrigeren Druckaufbau im Zylinder 91 mittels des im Kühlsystem verwendeten Kühlgases erhalten.
Bei der in 7 dargestellten Bauweise ist das geschlossene Ende des Zylinders 91 mit mindestens einer Öffnung 93 versehen, die in Fluidverbindung mit dem Inneren des Körpers eines Steuerventils 100 gehalten wird, welches eine Dichtungseinrichtung 110 aufnimmt, die wahlweise zwischen einer geschlossenen Stellung, einer Druckaufbaustellung und einer Druckabbaustellung verschoben wird, um jeweils die Öffnung 93 des Zylinders 91 am Auslaß des Verdichters zu blockieren und das Innere des Zylinders 91 mit dem Inneren des Verdichtergehäuses zu verbinden.
Das Steuerventil 100 weist mindestens zwei Durchlässe 101 auf, wobei der eine der Durchlässe 101 zum Inneren des Verdichtergehäuses hin geöffnet und der andere so festgelegt ist, daß er zu einer entsprechenden Öffnung 93 des geschlossenen Endes des Zylinders 91 hin geöffnet ist, um wahlweise die Fluidverbindung zwischen dem Inneren des Zylinders 91 und dem Inneren des Verdichtergehäuses abhängig von der Verschiebung der Dichtungseinrichtung 110 im Inneren des Steuerventils 100 zuzulassen.
Das Verschließen der Öffnung 93 durch die Dichtungseinrichtung 110 gestattet, daß der Stößel 92 in einer stabilen Stellung gehalten wird, die einen bestimmten Hub für den Kolben 10 festlegt. Sobald ein Anstieg des Auslaßdruckes erfolgt, wird die Dichtungseinrichtung automatisch in die Druckabbaustellung verschoben, um das Innere des Zylinders 91 mit dem Verdichtergehäuse zu verbinden und dadurch dessen Druckabbau zu fördern, der ausreicht, um die mechanische Resonanzfrequenz entsprechend zu verringern, indem der mittlere Hub des Kolbens 10 verlängert wird. Der Stößel 92 wird in axialer Richtung zum geschlossenen Ende des Zylinders 91 hin verschoben.
Andererseits wird bei Auftreten einer Verringerung des Auslaßdruckes des Verdichters die Dichtungseinrichtung 110 automatisch in die Druckaufbaustellung verschoben, welche das Innere des Zylinders 91, indem eine Öffnung 93 und ein Durchlaß des Steuerventils 100 ausgerichtet werden, mit dem Auslaß des Verdichters verbindet, was einen Druckaufbau im Zylinder 91 in einem Maße fördert, das ausreicht, um den Stößel 92 zum offenen Ende des Zylinders 91 hin zu verschieben, wodurch der mittlere Hub des Kolbens 10 verkürzt und damit die mechanische Resonanzfrequenz erhöht wird, um die durch den Auslaßdruckabfall verursachte Verringerung der letzteren auszugleichen.
Die Verschiebung der Dichtungseinrichtung 110 zwischen ihren unterschiedlichen Betriebsstellungen wird in einer ersten Richtung durch den Auslaßdruck selbst erreicht, der an der Dichtungseinrichtung 110 in einer Richtung anliegt, die derjenigen der vom Auslaßgasdruck erzeugten Kraft entgegengesetzt ist.
Im dargestellten Beispiel liegt die Dichtungseinrichtung 110 in Form eines Schiebers vor, der mit einem inneren Durchlaß 111 versehen ist und sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung durch den Auslaßgasdruck und durch eine elastische Rückstelleinrichtung 20 linear verschoben wird, um den Durchlaß 101 der Dichtungseinrichtung 110 gegenüber jedem in der Bauweise des dargestellten Steuerventils 100 vorgesehen Durchlaß 101 auszurichten oder dazu versetzt anzuordnen. Bei den Bauweisen mit Modifikationen des mittleren Betriebshubes des Kolbens 10, welche durch Verändern des Totpunktes des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes erhalten werden, legt die vorliegende Lösung nahe, daß z.B. wenn das Auftreten eines Temperaturanstiegs (oder Druckanstiegs) des vom Verdichter verdichteten Gases detektiert wird, die Impellereinrichtung I automatisch oder auf Anweisung der Steuereinheit 30 hin auf die Resonanzanordnung dahingehend einwirkt, daß sie den mittleren Hub des Kolbens 10 um einen ausreichenden Wert verringert, um einen entsprechenden Anstieg der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung des Verdichters zu bewirken, bis die mechanische Resonanzfrequenz an die Stromversorgungsfrequenz des Verdichters angepaßt ist. Im Falle eines Temperaturabfalls (oder Druckabfalls) des vom Verdichter verdichteten Gases wirkt die Impellereinrichtung dahingehend auf die Resonanzanordnung, daß sie den mittleren Hub des Kolbens 10 vergrößert, was folglich die mechanische Resonanzfrequenz des Verdichters verringert. Diese Veränderungen des mittleren Hubes des Kolbens 10 werden so durchgeführt, daß der Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes, d.h. das Totvolumen in der Kompressionskammer CC, unverändert beibehalten wird.
Bei der in 8 dargestellten Ausführungsform wird die Frequenzeinstellung des Verdichters durch eine Einstelleinrichtung erreicht, welche die Masse der Resonanzanordnung z.B. durch Verändern der Masse mindestens eines der Teile, die durch den Kolben 10 und die Betätigungseinrichtung 9 festgelegt sind, verändert. Bei dieser Lösung werden die Modifikationen durch die Steuereinheit 30 abhängig von den Informationen gesteuert, die von der Detektionseinrichtung erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt jedes Teil der Resonanzanordnung, dessen Masse zu modifizieren ist, eine innere Kammer 11, die ein Ausgleichsfluid enthält und in Fluidverbindung mit einem Ausgleichsfluidtank gehalten wird, der innerhalb oder außerhalb des Kompressorgehäuses festgelegt ist, wobei die Veränderung der Masse der Resonanzanordnung durch Verändern der Masse des Fluids innerhalb der inneren Kammer erhalten wird.
Bei der dargestellten Bauweise wird die Veränderung der Masse der Resonanzanordnung durch Verändern der Masse in einer inneren Kammer 11 erreicht, die z.B. ein konstantes Volumen aufweist und im Kolben 10 festgelegt ist, wobei die innere Kammer 11 in Fluidverbindung mit einer Ausgleichsfluid-Impellereinrichtung 130 gehalten wird, die innerhalb des Verdichtergehäuses in Fluidverbindung mit dem Ausgleichsfluidtank vorgesehen ist, um das Ausgleichsfluid auf Anweisung der Steuereinheit 30 wahlweise in die innere Kammer 11 und aus dieser heraus zu fördern.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Ausgleichsfluid durch das Schmieröl des Verdichters festgelegt, das im am Boden des Verdichtergehäuses festgelegten Öltank vorgesehen ist.
Gemäß dieser Ausführungsform weist die Steuereinheit 30, wenn die Detektionseinrichtung die Steuereinheit 30 informiert, daß eine Wertveränderung im zu analysierenden Parameter erfolgt ist, z.B. in der Temperatur des im Auslaß des Verdichters verdichteten Gases, die Ausgleichsfluid-Impellereinrichtung 130 an, ein entsprechendes regulierendes Stellglied 131 zu dem Zweck zu verschieben, der inneren Kammer 11 eine bestimmte Menge des Ausgleichsfluids hinzuzufügen oder aus dieser abzuziehen, die ausreicht, um eine Veränderung der Masse zu gestatten, welche die Veränderung der Resonanzfrequenz ausgleicht, die durch die Veränderung des Gasauslaßdrucks verursacht ist, wobei dieser Zustand auf Anweisung der Steuereinheit 30 hin beibehalten wird, bis die Detektionseinrichtung mitteilt, daß der Wert des betrachteten Parameters einen Wert erreicht hat, welcher dem Normalbetrieb des Verdichters entspricht.
Die vorliegende Lösung legt nahe, daß die Steuereinheit 30 bei Detektion z.B. eines Temperaturanstiegs (oder Druckanstiegs) des vom Verdichter verdichteten Gases die Ausgleichsfluid-Impellereinrichtung 130 anweist, eine bestimmte Menge des Ausgleichsfluids aus der inneren Kammer 11 des Kolbens 10 abzuziehen, die ausreicht, um eine Verringerung der Masse des letzteren um einen Wert zuzulassen, der zu einem bestimmten Anstieg der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung des Verdichters führt. Die Steuereinheit 30 weist die Ausgleichsfluid-Impellereinrichtung 130 an, eine bestimmte Menge des Ausgleichsfluids in die innere Kammer 11 abzugeben, welche die Masse der Resonanzanordnung erhöht, wenn von der Detektionseinrichtung die Mitteilung erhalten wurde, daß die Temperatur (oder der Druck) des verdichteten Gases einen bestimmten Wert erreicht hat, welcher einer Modifikation der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung aufgrund eines Anstiegs derselben entspricht. In diesem Fall bestimmt die Anweisung zum Erhöhen der Masse der Resonanzanordnung folglich eine Verringerung der mechanischen Resonanzfrequenz. Diese Veränderungen der Masse der Resonanzanordnung, die insbesondere im Zusammenhang mit dem Kolben 10 dargestellt sind, werden durchgeführt, indem der Totpunkt des Kolbens 10 am Ende des Ansaughubes, d.h. das Totvolumen in der Kompressionskammer CC, unverändert beibehalten wird.
Zwar wurden einige Ausführungsweisen der vorliegenden Erfindung beschrieben und dargestellt, doch versteht sich, daß auch andere Ausführungsformen gemäß dem in den beigefügten Ansprüchen festgelegten Gegenstand möglich sind.

Claims

Linearverdichter mit einem System zum Einstellen von Resonanzfrequenzen, der in einem Gehäuse aufweist: einen Linearmotor (20), der mit Wechselstrom einer vorbestimmten Stromversorgungsfrequenz versorgt wird, einen Zylinder (1), in dem eine mit einer Ventilplatte (2) verschlossene Kompressionskammer (CC) festgelegt ist, einen im Inneren des Zylinders (1) in aufeinanderfolgenden Ansaug- und Verdichtungshüben hin und her laufenden Kolben (10) und Betätigungsmittel (9), die den Kolben (10) betätigbar mit dem Linearmotor (20) koppeln, wobei der Kolben (10) und die Betätigungsmittel (9) Teil einer Resonanzanordnung sind, und ferner umfaßt: – eine Detektionseinrichtung (D) zum Detektieren einer dem Linearmotor (20) des Verdichters aufgeprägten Last in einem Betriebszustand des letzteren, der mit dem Gasdruck in dessen Auslaß zusammenhängt, und – eine Frequenzeinstelleinrichtung, die in Wirkverbindung mit der Detektionseinrichtung (D) und mit der Resonanzanordnung steht, um abhängig vom für das Gas im Auslaß des Verdichters detektierten Betriebszustand eine Frequenzeinstellung auf einen Wert der mechanischen Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung festzulegen, welcher der Stromversorgungsfrequenz entspricht, wobei der Mindestabstand zwischen dem Kolben (10) und der Ventilplatte (2) am Ende jedes Verdichtungshubes unverändert gehalten, die Masse der Resonanzanordnung und/oder die mittlere Hublänge des Kolbens (10) jedoch verändert wird, und die Veränderung des Arbeitshubes des Kolbens (10) durch Modifizieren des Totpunktes des Kolbens (10) am Ende des Ansaughubes erhalten wird.
Linearverdichter nach Anspruch 1, wobei die Detektionseinrichtung (D) mindestens einen der Zustände Druck und Temperatur des im Auslaß des Verdichters verdichteten Gases sowie Betriebsstrom des Linearmotors (20) detektieren.
Linearverdichter nach Anspruch 2, wobei die Frequenzeinstellmittel dazu eingerichtet sind, den mittleren Hub des Kolbens (10) zu ändern, und der Linearverdichter ferner eine Steuereinheit (30), die sowohl mit der Detektionseinrichtung (D) als auch mit den Einstellmitteln in Wirkverbindung steht, um von ersterer Informationen über einen der Betriebszustände Druck und Temperatur des Gases im Auslaß des Verdichters sowie Betriebsstrom des Linearmotors (20) zu empfangen und die Einstellmittel anzuweisen, den mittleren Hub des Kolbens (10) oder die Masse der Resonanzanordnung zu verändern.
Linearverdichter nach Anspruch 1, wobei die Frequenzeinstelleinrichtung dazu eingerichtet sind, eine Veränderung der Masse der Resonanzanordnung zu bewirken, was durch Modifizieren der Masse der Betätigungsmittel (9) und/oder des Kolbens (10) erreicht wird.
Linearverdichter nach Anspruch 4, wobei jedes Teil der Resonanzanordnung zum Verändern seiner Masse eine innere Kammer (11) umfaßt, die ein Ausgleichsfluid enthält und mit einem im Inneren des Verdichtergehäuses festgelegten Ausgleichsfluidtank in Fluidverbindung gehalten wird, und die Veränderung der Masse der Resonanzanordnung durch Modifizieren der Masse des Fluids innerhalb der inneren Kammer (11) erreicht wird.
Linearverdichter nach Anspruch 5, wobei der Kolben (10) eine innere Kammer (11) umfaßt, die ein konstantes Volumen aufweist und in Fluidverbindung mit Ausgleichsflüssigkeits-Impellermitteln (130) steht, die im Inneren des Gehäuses in Fluidverbindung mit dem Ausgleichsfluidtank vorgesehen sind, um das Ausgleichsfluid wahlweise in die innere Kammer (11) des Kolbens (10) hinein oder aus dieser heraus zu pumpen.
Linearverdichter nach Anspruch 6, wobei das Ausgleichsfluid durch das Schmieröl des Verdichters festgelegt ist, das in einem am Boden des Verdichtergehäuses festgelegten Öltank vorgesehen ist.
Linearverdichter nach Anspruch 1, wobei die Modifikation des Totpunktes des Kolbens (10) am Ende des Ansaughubes durch Einstellmittel in Form eines Verstellers (I) erreicht wird, der betätigbar mit der Resonanzanordnung und der Steuereinheit (30) gekoppelt ist, um von der letzteren zwischen einem unwirksamen Zustand, in dem er keine Änderung des Hubes des Kolbens (10) bewirkt, und einem wirksamen Zustand, in dem er den Hub des Kolbens (10) modifiziert, um die mechanische Resonanzfrequenz der Resonanzanordnung an die Stromversorgungs-Resonanzfrequenz anzupassen, betrieben zu werden.
Linearverdichter nach Anspruch 8, wobei der Versteller (I) ein hydraulisches Stellglied (40), ein pneumatisches Stellglied (50) oder ein mechanisches Stellglied (60) ist.
Linearverdichter nach Anspruch 9, wobei das hydraulische Stellglied (40) oder das pneumatische Stellglied (50) in Fluidverbindung mit einem im Inneren des Gehäuses vorgesehenen Ausgleichsfluidtank gehalten wird und in einem nicht an der Resonanz teilnehmenden Abschnitt des Verdichters festgelegt ist.
Linearverdichter nach Anspruch 10, wobei die Resonanzanordnung eine Federeinrichtung (8) umfaßt, welche die Resonanzanordnung mit einer nicht an der Resonanz teilnehmenden Anordnung (C) des Verdichters koppelt, und wobei das hydraulische Stellglied (40) oder das pneumatische Stellglied (50) betätigbar mit der Federeinrichtung (8) gekoppelt ist.
Linearverdichter nach Anspruch 11, wobei im Boden des Gehäuses ein Schmieröltank vorgesehen ist und das Ausgleichsfluid das Schmieröl des Verdichters ist.
Linearverdichter nach Anspruch 9, wobei der Versteller (I) ein pneumatisches Stellglied (50) mit einem Zylinder (91), der in die nicht an der Resonanz teilnehmende Anordnung (C) integriert ist, und mit einem Stößel (92) ist, der im Inneren des Zylinders (91) axial verschieblich sitzt und als bewegliches Anschlagmittel arbeitet, auf dem die Federeinrichtung (8) der Resonanzanordnung sitzt.
Linearverdichter nach Anspruch 13, wobei das pneumatische Stellglied (50) ein Balg ist.
Linearverdichter nach Anspruch 9, wobei der Versteller (I) ein mechanisches Stellglied ist und die Resonanzanordnung über eine Federeinrichtung (8) mit einer nicht an der Resonanz teilnehmenden Anordnung (C) des Verdichters gekoppelt ist, und wobei das mechanische Stellglied (60, 70, 80) betätigbar mit der nicht an der Resonanz teilnehmenden Anordnung (C) und der Federeinrichtung (8) gekoppelt ist und von einem Antriebsmittel (M) betätigt wird, welches das mechanische Stellglied (60, 70, 80) in eine andere Betriebsstellung verfährt.
Linearverdichter nach Anspruch 15, wobei das Antriebsmittel (M) ein Motor, ein hydraulisches Stellglied oder ein pneumatisches Stellglied ist.
Linearverdichter nach Anspruch 16, wobei das Antriebsmittel (M) betätigbar mit der Steuereinheit (30) verbunden ist.
Linearverdichter nach Anspruch 15, wobei das mechanische Stellglied (60, 70) einen linear verschieblichen Nocken (61, 61') oder einen Drehnocken (71) umfaßt, der mit der nicht an der Resonanz teilnehmenden Anordnung (C) des Verdichters verkoppelt ist, sowie eine Führung (64, 64', 72) umfaßt, die einen Nockenstößel festlegt, welcher den linear verschieblichen Nocken (61, 61') oder den Drehnocken (71) mit der Federeinrichtung (8) koppelt.
Linearverdichter nach Anspruch 18, wobei der linear verschiebliche Nocken (61) mit Stufen (62) versehen ist, die so bemessen sind, daß sie unterschiedliche Positionen für den Totpunkt des Kolbens (10) am Ende des Ansaughubes festlegen.
Linearverdichter nach Anspruch 19, wobei die dem linear verschieblichen Nocken (61) zugeordnete Führung (64) einen Kontaktabschnitt (64a) in einer Fläche der Führung (64) trägt, die dem linear verschieblichen Nocken (61) gegenüberliegt.
Linearverdichter nach Anspruch 19, wobei der Kontaktabschnitt (64a) ein konvexer Oberflächenabschnitt ist, der in die dem linear verschieblichen Nocken (61) gegenüberliegende Fläche der Führung (64) integriert ist.
Linearverdichter nach Anspruch 18, wobei der linear verschiebliche Nocken (61') eine Rampenfläche (63') aufweist, die gleitend an einer gegenüberliegenden, geneigten Fläche (66) der Führung (64') anliegt.
Linearverdichter nach Anspruch 18, wobei der Drehnocken (71) mit einer durchgängigen Rampe (71a) versehen ist, die so bemessen ist, daß sie durch Betätigen der Führung (72) kontinuierlich unterschiedliche Positionen für den Totpunkt des Kolbens (10) am Ende des Ansaughubes festlegt.
Linearverdichter nach Anspruch 15, wobei das mechanische Stellglied ein mechanisches Anschlagmittel (80) umfaßt, das auf die nicht an der Resonanz teilnehmende Anordnung (C) aufgeschraubt und betätigbar mit der Resonanzanordnung gekoppelt ist, um durch Drehen um seine Längsachse den Totpunkt des Kolbens (10) am Ende des Ansaughubes zu verändern.
Linearverdichter nach Anspruch 9, wobei der Versteller (I) ein pneumatisches Stellglied (50) und das Ausgleichsfluid das vom Verdichter verdichtete Kühlgas ist.
Linearverdichter nach Anspruch 25, ferner mit einem Steuerventil (100), das durch mindestens eine Öffnung (93) des Zylinders (91) in Fluidverbindung mit dem Zylinder (91) des pneumatischen Stellgliedes (90) gehalten wird, wobei das Steuerventil (100) ein Dichtmittel (110) aufnimmt, das wahlweise zwischen einer geschlossenen Stellung, einer Druckaufbaustellung und einer Druckabbaustellung verschieblich ist, um wahlweise die Öffnung (93) des Zylinders (91) beim Ausstoßen des Verdichters zu blockieren bzw. das Innere des Zylinders (91) mit dem Inneren des Verdichtergehäuses zu verbinden.
Linearverdichter nach Anspruch 26, wobei das Dichtmittel (110) eine mit einem inneren Durchlaß (111) versehene Führung ist, die durch den Auslaßgasdruck und durch elastische Rückstellmittel (120) sowohl in der einen als auch in der anderen Richtung linear verschieblich ist, um die Ausrichtung und den Versatz des inneren Durchlasses (111) relativ zur Öffnung (93) bereitzustellen.