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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Linearverdichter mit
einem Kolben, der durch die Wirkung eines elektrischen Linearmotors,
welcher ein elastisches Element zur Aufnahme von Kräften des
Kolbens aufweist, in einem Zylinder hin- und herbewegt wird, wobei
das elastische Element durch einen Draht gebildet ist, der einen
spiralförmigen
Mittelabschnitt und je einen von jedem Ende des spiralförmigen Mittelabschnittes
vorstehenden Schenkel aufweist, wobei das elastische Element durch
die Schenkel zwischen dem Kolben und einem Teil des Zylinders so
montiert ist, daß der
spiralförmige
Mittelabschnitt verdreht wird, so daß er eine Federwirkung hat,
wenn der Kolben bewegt wird, und insbesondere auf eine elastische
Montageanordnung für
einen Linearverdichter.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische
Linearmotoren sind hinlänglich bekannte
Vorrichtungen, bei denen jeweils ein Spulen- oder ein Magnetelement
an einem feststehenden Teil und das jeweils andere Element an einem beweglichen
Teil montiert ist. An die Spule wird ein elektrischer Strom angelegt,
der magnetische Kraftlinien erzeugt, um mit dem Magnet zur Erzeugung
einer Linearbewegung des beweglichen Teils in Wechselwirkung zu
treten. Solche elektrischen Linearmotoren wurden bisher in Kühlverdichtern
eingesetzt, bei denen das bewegliche Teil der Kolben des Verdichters
und der Magnet am Kolben montiert ist. Die Spule ist feststehend
an einem äußeren Abschnitt des
Verdichteraufbaus montiert, der den Zylinder bildet.
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Bei
einem Linearverdichter eines bekannten Typs, wie er in 1 gezeigt
ist, rührt
die Verdichtung des Gases von der Axialbewegung eines Kolbens 1 im
Inneren eines Zylinders 2 her, der einen externen Block 2a mit
einer rohrförmigen
Axialwand 2b aufweist. Der Zylinder ist durch einen Zylinderkopf 3 verschlossen,
an dem eine Ventilplatte 3d vorhanden ist, an der ein Ansaugventil 3a und
ein Auslaßventil 3b angeordnet
sind. Die Ventile regulieren den Ein- und Auslaß des im Zylinder verdichteten
Gases. Der Kolben wird von einem elektrischen Linearmotor angetrieben,
der durch ein ringförmiges
Stellglied 4 gebildet ist, welches an einem Basisflansch 1a des
Kolbens angebracht ist. Das Stellglied 4 stützt ein
magnetisches Teil 5 ab, das üblicherweise aus Permanentmagneten
gebildet ist. Eine aus Draht gebildete Spule 6 ist fest
an der Innenwand einer Hülsenverlängerung 6a des
Zylinders 2 montiert. Der Spule 6 wird elektrischer
Strom zugeführt,
um magnetische Kraftlinien zu erzeugen, die mit den Permanentmagneten in
Wechselwirkung treten und die lineare Hin- und Herbewegung des Stellgliedes 4 und
des Kolbens 1 erzeugen, wobei sich der Magnet 5 zwischen
der Außenwand
der Hülsenerweiterung 6a des
Zylinders und der Spule 6 bewegt.
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Der
Kolben 1 ist mittels einer biegsamen Stange 8 an
einer Gruppe von Blattfedern 7 montiert, die starr an der
rohrförmigen
Axialwand 2b montiert ist. Der Kolben 1, das Stellglied 4,
das magnetische Teil 5, die biegsame Stange 8 und
die Gruppe von Blattfedern 7 bilden zusammen die mitschwingende Anordnung
des Verdichters.
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In
der Ausführungsform
der 1 ist die Gruppe von Blattfedern, gegen die der
Kolben wirkt, üblicherweise
aus Federstahlblech gefertigt. Die biegsame Stange 8 dient
dazu, die Kräfte,
welche sich aus bei der Herstellung der Bauteile und aus während der
Montage auftretenden Fehlern ergeben, zu verringern, damit diese
Kräfte
nicht vollständig
auf den Kolben überfragen
werden, um dadurch einen Verschleiß des Kolbens gegenüber dem
Zylinder zu verhindern. Aufgrund von Herstellungsasymmetrien neigen
die Blattfedern dazu, unerwünschte
Kräfte
zu erzeugen, die quer zur biegsamen Stange 8 und zum Kolben 1 verlaufen.
Ein weiteres Problem dieser Bauart besteht darin, daß die Blattfedern 7 bekanntlich relativ
teuer in der Herstellung sind, da sie aufwendige und komplexe Schneid-
und Endbearbeitungsverfahren erfordern. Die biegsame Stange 8 ist
zudem ein Bauteil, das relativ schwierig herzustellen ist, da es
aus besonderen Materialien gefertigt werden muß.
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Eine
zweite bekannte Ausführungsform
eines Linearverdichters ist in 2 gezeigt,
in der ein System von Schraubenfedern 20 die Gruppe von Blattfedern 7 der
in 1 veranschaulichten Ausführungsform des Standes der
Technik ersetzt. In diesem Fall sind eine erste Schraubenfeder 20a zwischen
dem Kolben 1 und dem Zylinder 2 und eine zweite
Schraubenfeder 20b zwischen dem Kolben und der unteren
Stützwand 21,
die an der rohrförmigen
Axialwand 2b montiert ist, angebracht. Bei dieser zweiten
Ausführungsform
nach dem Stand der Technik ist die mitschwingende Anordnung des
Verdichters durch den Kolben 1, das Stellglied 4,
den Magneten 5 und die Schraubenfedern 20a, 20b gebildet.
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Die
Bauweise des Verdichters von 2 hat den
Nachteil, daß sie
ein Gehäuse
mit relativ großen Abmessungen
erfordert, um die Schraubenfedern 20a, 20b aufzunehmen,
deren jede auf einer der beiden Seiten des Basisflansches 1a des
Kolbens angeordnet ist. Zusätzlich
zu dem obigen Problem wird das Moment, das durch die von den Schraubenfedern
auf den Kolben ausgeübte
exzentrische Kraft bedingt ist, weder minimiert noch vermieden,
was zum Verschleiß der
sich bewegenden Bauteile des Verdichters führen kann.
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In
der
WO-A-01 29444 ist
eine Linearverdichterbauweise angegeben, die ein elastisches Element
mit mindestens einem Paar erster Montagepunkte zur Befestigung an
einem ersten Körper
und mindestens einem zweiten Montagepunkt zur Befestigung an einem
zweiten Körper
und einen Federabschnitt, der zwischen dem ersten und den zweiten Montagepunkten
verläuft,
aufweist, wobei mindestens ein erster Abschnitt in einem Bogen um
einen der ersten Montagepunkte und ein zweiter Abschnitt um einen
anderen der ersten Montagepunkte herum verläuft. Zwischen den ersten Montagepunkten
und dem zweiten Montagepunkt sind erste und zweite Abschnitte vorgesehen.
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Bei
dem in der
DE-A-1 403
458 beschriebenen Verdichter ist das elastische Element
in Form einer Schraubenfeder vorgesehen, die eine beträchtliche
axiale Ausdehnung aufweist und daher zu einem entsprechenden Platzbedarf
der gesamten Verdichteranordnung führt.
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Bei
dem Linearverdichter der
US-A-3
947 155 verlaufen die Schenkel des elastischen Elementes
an beiden Enden des spiralförmigen
Mittelabschnittes in entgegengesetzten Richtungen, was ein relativ
langes Verdichtergehäuse
erfordert.
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Zudem
wird bei dieser Verdichterbauweise stets ein Paar elastischer Elemente
mit relativ kurzen Schenkeln verwendet, was zu einer Konzentration von
Scherkräften
im Bereich der Übergangskurve zwischen
dem spiralförmigen
Mittelabschnitt und den jeweiligen Schenkelabschnitten führt. Infolgedessen sind
die elastischen Elemente weniger zuverlässig und zudem anfälliger für Ermüdungsbrüche.
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Aufgrund
der oben erwähnten
Probleme im Stand der Technik besteht ein Bedarf zur Verbesserung
des Federmontagesystems für
einen Verdichter der hier in Betracht gezogenen Art, welche die
derzeit festzustellenden Nachteile beseitigt.
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Ziel der Erfindung
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Ein
allgemeines Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen
Linearverdichter bereitzustellen, der kompakt, kostengünstig und
verschleißfest
ist, indem neue Federelemente aus Federdraht verwendet werden, durch
welche die mitschwingende Anordnung bei gleichzeitiger Verformung
der Federelemente sich linear bewegen kann, ohne daß diese
Kräfte
erzeugen, welche quer zur Linearverschiebungsachse des Kolbens verlaufen
und ausreichen, um einen vorzeitigen Verschleiß der beweglichen Teile des
Verdichters hervorzurufen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Erfindungsgemäß verläuft bei
einem Linearverdichter der eingangs definierten Art mindestens einer
der Schenkel in einer Richtung entlang der Länge des Kolbens und beide Schenkel
verlaufen auf einer Seite des spiralförmigen Mittelabschnittes in
einer Richtung von etwa 90° zum
spiralförmigen
Mittelabschnitt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
ist einer der Schenkel vorzugsweise innen am Kolben und der andere
Schenkel an einem Teil der Zylinderstruktur befestigt. Wenn der
Kolben durch die Wirkung des elektrischen Linearmotors bewegt wird,
verformt oder streckt sich der spiralförmige Mittelabschnitt des elastischen
Elementes in der Bewegungsrichtung des Kolbens. Vorzugsweise sind
am Kolben mehrere der elastischen Elemente montiert, die ähnliche
spiralförmige
Mittelabschnitte aufweisen, welche in Winkelrichtung zueinander
versetzt sind. Dies ergibt eine gleichmäßigere Verteilung der Kräfte des
Kolbens, die auf die spiralförmigen
Mittelabschnitte des elastischen Elementes wirken.
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Bei
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung ist der spiralförmige
Mittelabschnitt eines elastischen Elementes direkt am unteren Ende
des Kolbens montiert und die beiden Schenkel sind fest mit der Zylinderstruktur
verbunden. Beim Hin- und Herbewegen des Kolbens verformt dieser
den spiralförmigen
Mittelabschnitt des elastischen Elementes direkt, um eine Federwirkung
zu ergeben. Bei dieser Ausführungsform
ist es ebenfalls bevorzugt, eine Vielzahl von elastischen Elementen
zu verwenden und dadurch die Kräfte
gleichmäßig zu verteilen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die
drahtartigen elastischen Elemente der vorliegenden Erfindung haben
die Vorteile, daß sie einfach
herzustellen und kostengünstig
sind sowie einen kompakten Verdichteraufbau ergeben. Zudem wird
der Kolben so gegen die elastischen Elemente bewegt, daß der Verschleiß zwischen
dem Kolben und dem Zylinder verringert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Längsschnittansicht
eines Linearverdichters nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Längsschnittansicht
eines anderen Linearverdichters nach dem Stand der Technik;
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3 eine
Längsschnittansicht
eines Teils eines Linearverdichters, der gemäß einer ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hergestellt ist;
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4 eine
Perspektivdarstellung eines der im Linearverdichter nach 3 verwendeten
elastischen Elemente;
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5 eine
Perspektivdarstellung einer Anordnung elastischer Elemente, die
im Linearverdichter aus 3 verwendet werden;
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6 eine
Längsschnittansicht
eines Linearverdichters, der gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung gebaut ist;
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7 eine
Perspektivdarstellung eines elastischen Elementes, wie es in der
Ausführungsform der 6 verwendet
wird, und
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8 eine
Endansicht einer Anordnung der elastischen Elemente, die gemäß der in 6 veranschaulichten
Ausführungsform
gebaut sind.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Eine
erste Ausführungsform
der Erfindung ist in 3 gezeigt, in der ähnliche
Elemente, die in den 1 und 2 gezeigt
sind, die gleichen Bezugszeichen aufweisen. Bei dieser ersten Ausführungsform
wird eine Anordnung von elastischen Elementen 30 aus Draht
anstelle der Gruppe von Blattfedern 7 oder der Gruppe der
Schraubenfedern 20 nach dem in den 1 und 2 dargestellten
Stand der Technik verwendet. Die elastischen Elemente 30 sind aus
Federstahldraht mit einem gewünschten
Querschnitt, wie er für
eine bestimmte Anwendung benötigt
wird, gefertigt, und der Drahtquerschnitt muß nicht unbedingt zylindrisch
sein.
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4 zeigt
eines der elastischen Elemente 30 in einer Perspektivdarstellung,
um dessen Verständnis
zu erleichtern. Wie in 4 gezeigt, weist das elastische
Element 30 einen im wesentlichen flachen, spiralförmigen Mittelabschnitt 30a auf.
Der spiralförmige
Mittelabschnitt 30a hat eine Form, die Teil einer Schnecke,
Spirale oder komplexen Kurve sein kann, oder eine beliebige andere
Form. Die Form des spiralförmigen
Mittelabschnittes 30a gibt dem Element die notwendige Biegsamkeit
und Steifigkeit in Richtung der Kolbenverschiebung. Das elastische Element 30 weist
zudem einen inneren Schenkel 30b auf, der in einer Richtung
von etwa 90° vom
spiralförmigen
Mittelabschnitt 30a verläuft. Der innere Schenkel 30b ist
innen im Kolben 1 durch ein beliebiges geeignetes Mittel,
wie Schweißen,
Kleben oder einen Preßsitz,
oder durch ein beliebiges anderes mechanisches Mittel befestigt.
Der innere Schenkel 30b könnte auch am unteren Ende des
Kolbens befestigt sein, was jedoch den Aufbau größer machen würde, da
der innere Schenkel 30b relativ lang sein muß, um eine
ausreichende Verformung des spiralförmigen Mittelabschnittes 30a bereitzustellen
und damit die zentralen Kräfte
auf den Kolben zu minimieren. Ein äußerer Schenkel 30c,
der gerade sein kann, läuft vom
anderen Ende des spiralförmigen
Mittelabschnittes 30a ebenfalls unter einem Winkel von
etwa 90° ab.
Der innere Schenkel 30b und der äußere Schenkel 30c sind
zueinander um einen Winkel von etwa 90° um den spiralförmigen Mittelabschnitt 30a herum
versetzt. Das Ende des äußeren Schenkels 30c ist
an einem Teil 40 der Zylinderstruktur durch ein geeignetes
Befestigungsmittel, wie Schweißen,
Kleben, Schrauben, Preßsitz
usw., befestigt.
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5 zeigt
eine Anordnung dreier elastischer Elemente 30, die am Verdichter
zu montieren und Teil der mitschwingenden Anordnung sind. Die Anordnung
der elastischen Elemente sollte mit mindestens zwei elastischen
Elementen ausgebildet werden. Die elastischen Elemente 30 sind
um einen Winkel zueinander versetzt. Wenn beispielsweise drei elastische
Elemente vorgesehen sind, beträgt der
Abstand zwischen den inneren Schenkeln 30b und den äußeren Schenkeln 30c etwa
120°.
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Im
Betrieb der Struktur der 3, 4 und 5 bewegen
die inneren Schenkel 30b der elastischen Elemente, wenn
sich der Kolben 1 durch die Wirkung des elektrischen Linearmotors
hin- und herbewegt, die Drähte
der spiralförmigen
Mittelabschnitte 30a in der gleichen Richtung wie die Kolbenbewegung.
Dabei erstrecken sich die Drähte
der spiralförmigen
Mittelabschnitte 30a gegenüber der ursprünglichen
Form, in der die spiralförmigen
Mittelabschnitte flach sind, von einer Seite zur anderen. Die inneren und äußeren Schenkel 30b und 30c sind
so ausgebildet, daß sie
als ein erstes Ziel die Verringerung oder Beseitigung der Kräfte haben,
die von möglichen Herstellungs-
und Montagefehlern der Blatt- oder Schraubenfedern herrühren, die
in den Strukturen nach dem Stand der Technik verwendet werden. Das zweite
Ziel der inneren und äußeren Schenkel
der vorliegenden Anordnung besteht darin, den Federn eine Struktur
zu geben, die mit einem Minimum an Torsionskräften arbeitet.
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Die
in den 3, 4 und 5 gezeigte Ausführungsform
der Erfindung hat gegenüber
früheren
Bauweisen, wie sie in den 1 und 2 dargestellt
sind, eine Reihe von Vorteilen. Erstens kann der Linearverdichter
kompakter gebaut werden, da die langen Schraubenfedern (2)
und die biegsame Stange (1) für den Kolben nicht mehr benötigt werden.
Zweitens sind die elastischen Elemente kostengünstig, einfach herstellbar
und sehr zuverlässig.
Beispielsweise ist das elastische Element aus Federstahldraht gefertigt,
der über
einem Formwerkzeug, je nach den gewünschten Merkmalen mit oder ohne
Erwärmen,
in seine gewünschte
Form gebogen wird. Drittens minimieren die elastischen Elemente 30 die
exzentrischen oder in Querrichtung wirkenden Kräfte, die auf den Kolben aufgebracht
werden. Unter Verwendung zweier oder mehrerer der elastischen Elemente,
deren äußere Schenkel 30c in
einem Winkel zueinander versetzt verlaufen, kann eine multidirektionale
Verteilung der mit dem sich bewegenden Kolben zusammenhängenden
Kräfte
erreicht werden. Viertens bietet die vorliegende Bauweise eine größere Verschleißfestigkeit
für den
Kolben und den Zylinder des Verdichters.
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Die 6, 7 und 8 zeigen
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, bei der die gleichen Bezugszeichen für die gleichen
Bauteile wie im Zusammenhang mit der Beschreibung der ersten Ausführungsform
verwendet werden, die in den 3 bis 5 dargestellt
ist. Bei dieser zweiten Ausführungsform
weist der Kolben 1 einen starren Schaft 1a auf.
Bei dem elastischen Element 50 ist der spiralförmige Mittelabschnitt 50a auch
flach ausgebildet und weist zwei in entgegengesetzte Richtungen verlaufenden
Kurven auf. Es sind Schenkel 50b, 50c vorgesehen,
die von jedem Ende des spiralförmigen Mittelabschnittes 50a weg
so verlaufen, daß sie
einen Winkel von etwa 90° zum
spiralförmigen
Mittelabschnitt 50a bilden. Die Schenkel 50b sind
um einen Winkel von etwa 180° zueinander
versetzt, wobei jedoch auch ein kleinerer Winkel eingesetzt werden
kann. Der spiralförmige
Mittelabschnitt 50a ist an dem starren Schaft 1a des
Kolbens 1 montiert, und die Schenkel 50b, 50c verlaufen
in einer Richtung über
die Länge
des Kolbens hinweg, wobei ihre Enden am Abschnitt 40 des
Zylinders montiert sind.
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7 zeigt
eine Anordnung zweier elastischer Elemente 50, die unter
einem Winkel von etwa 180° zueinander
versetzt montiert sind. Die Schenkel 50b, 50c sind
folglich in gleichem Abstand zueinander um den Zylinder herum angeordnet.
Wie in den Ausführungsformen
der 3, 4 und 5, verformt
sich der spiralförmige
Mittelabschnitt 50a eines elastischen Elementes 50 von
einer Seite zur anderen und sorgt für Elastizität, wenn sich der Kolben 1 bewegt.
Diese Ausführungsform
ist insofern vorteilhaft, als sie keine Schenkel 30b im
Inneren des Kolbens umfaßt.
Ein weiterer Vorteil dieser Bauart besteht in der Möglichkeit,
nur ein einziges elastisches Element einzusetzen.
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Besondere
Merkmale der Erfindung sind in einer oder mehreren der Zeichnungen
lediglich zur Veranschaulichung dargestellt, da jedes Merkmal mit anderen
erfindungsgemäßen Merkmalen
kombiniert werden kann. Alternative Ausführungsformen sind für den Fachmann
erkennbar und sollen vom Umfang der beigefügten Ansprüche mit erfaßt sein.
Daher ist die obige Beschreibung als veranschaulichend und nicht
als den Umfang der vorliegenden Erfindung einschränkend zu
verstehen.