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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft einen Linearmotor und einen Kompressor, in dem
ein derartiger Motor eingebaut ist.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung stellt Verbesserungen der im UK-Patent Nr. GB2299715B
geoffenbarten Erfindung bereit. Ein Linearmotorkompressor des Kolbentyps ist
in U.S. Nr. 4.613.285 geoffenbart, der als Grundlage dient, um den
Oberbegriff der Ansprüche
1 und 2 zu definieren.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Ein
erstes Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung eines Linearmotors
und/oder Kompressors mit verbessertem energetischem Wirkungsgrad
und einer kompakteren und kosteneffizienteren Struktur.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Linearmotor bereitgestellt, umfassend:
einen Stator, ein Hubkolbenelement und Mittel, um den Stator und/oder
das Hubkolbenelement mit Energie zu beaufschlagen; worin der Stator
Magnetfluss-Erzeugungsmittel aufweist, die so angeordnet sind, dass eine
Vielzahl axial freiliegender Magnetluftspalten gebildet ist, und
das Hubkolbenelement Magnetfluss-Erzeugungsmittel aufweist, die
so ausgebildet sind, dass sie eine Vielzahl axial freiliegender
Magnetluftspalten bilden, um durch Schub-und-Zug-Kräfte mit
den Magnetluftspalten des Stators in Wechselwirkung zu treten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Linearkompressor bereitgestellt,
umfassend: ein Gehäuse,
das einen Stator umschließt, der
einen Innenraum definiert, ein Hubkolben-Element, das im Innenraum
angeordnet ist, Mittel, um den Stator und/oder das Hubkolbenelement
mit Energie zu beaufschlagen, sowie Ventilmittel, um zumindest einen
Fluiddurchlass in den und aus dem Innenraum zu bilden; und worin
der Stator Magnetfluss-Erzeugungsmittel aufweist, die angeordnet sind,
um eine Vielzahl axial freiliegender Magnetluftspalten zu bilden,
und das Hubkolbenelement Magnetfluss-Erzeugungsmittel aufweist,
die angeordnet sind, um eine Vielzahl axial freiliegender Magnetluftspalten
zu bilden, um durch Schub-und-Zug-Kräfte
mit den Magnetluftspalten des Stators in Wechselwirkung zu treten.
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Es
ist von Vorteil, eine Reihe Magnetluftspalten zwischen dem Stator
und dem Läufer
entlang der Betriebsachse des Läufers
anzuordnen, sodass die Durchmesser des Stators und des Läufers verkleinert werden
können.
Ebenfalls von Vorteil ist es, die Polmittel des Stators und des
Läufers
in zwischengeschalteter Beziehung anzuordnen, sodass dies nicht nur
die Schub- und Zug-Antriebskräfte,
sondern auch die elektromagnetische Aufhängungswirkung auf den Läufer verbessert,
wodurch der energetische Wirkungsgrad gesteigert und die auf den
Tragfedern einwirkende Betriebsbelastung verringert wird. Vorzugsweise
sind die Statorwicklungen in zwei oder mehrere Gruppen unterteilt,
und in ihre Stromflüsse
wird eine Phasendifferenz zur weiteren Steigerung der Aufhängungswirkung
eingeführt.
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Wird
für eine
bestimmte Anwendung eine stärkere
Antriebskraft benötigt,
so kann dies einfach durch Anordnen von mehr Magnetluftspalten entlang der
Stator- und Läufer-Struktur,
wodurch eine längere
und leistungsstärkere
Einheit gebildet wird, erzielt werden. Ein solch relativ schmaler
und langer Aufbau sorgt für
bessere Wärmeabstrahlung,
was für
eine Hochleistungseinheit äußerst zuträglich ist,
insbesondere wenn diese temperaturempfindliche Seltenerdmagnete
einsetzt.
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Es
wird bevorzugt, dass das Läuferelement von
einer zentralen Führungsvorrichtung
getragen ist, um dessen berührungslose
Bewegung relativ zum Stator zu gewährleisten, und um einen Dichtspalt
zu bilden, der einen schmiermittelfreien Betrieb zulässt. Die
zentrale Führungsvorrichtung kann
ein sich durch das Hubkolbenelement erstreckender hohler Schaft
sein, um eine Kühlflüssigkeit durch
diesen zirkulieren zu lassen. Alternativ dazu kann die zentrale
Führungsvorrichtung
aus einem Paar koaxial ausgerichteter Schäfte mit vom Hubkolbenelement
getragenen Kolben bestehen.
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Ebenfalls
bevorzugt wird die Bildung einer mehrstufigen Kompressoranordnung
durch Teilen des Raums im Inneren des Kompressors in einen Vorkompressionsraum
und einen weiteren Kompressionsraum, sodass ein Prozessfluid Stufe
um Stufe verdichtet werden kann. Vorteilhaft wäre Bildung eines Zwischenraums
zum Erhalt des verdichteten Fluid aus dem Vorkompressionsraum, um
dieses zwischenzukühlen
und dann in den weiteren Kompressionsraum weiterzuleiten. Es ist
von Vorteil, die Kompressionsräume
der zweiten Stufe außerhalb
der Linearmotorstruktur anzuordnen, um die Wärmeabstrahlung und den energetischen
Wirkungsgrad zu steigern.
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Es
wird bevorzugt, einen verbesserten Aufhängungsmechanismus für das Hubkolbenelement in
einem Linearmotor bereitzustellen, um so den Betrieb des Motors
effizienter und zuverlässiger
zu machen.
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Es
ist von Vorteil, einen Aufhängungsmechanismus
für das
Hubkolbenelement in einem Linearmotor bereitzustellen, worin der
Linearmotor über
einen Stator mit Polmitteln verfügt,
um mit den Polmitteln auf dem Hubkolbenelement in Wechselwirkung zu
treten, um Letzteren zu veranlassen, sich zwischen zwei Endpositionen
hin- und herzubewegen; und worin der Aufhängungsmechanismus ein so angeordnetes
Magnetfedermittel umfasst, dass dieses mit den Polmitteln auf dem
Hubkolbenelement in Wechselwirkung tritt, um eine Rückholkraft
als Antwort auf seine Bewegung hin zur Endposition zu erzeugen.
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Vorzugsweise
weist das Magnetfedermittel eine verschachtelte Permanentmagnetstruktur
auf, die eine innere Flusskonzentration bildet, um mit dem Hubkolbenelement
zu agieren, wenn dieses in die Struktur eintritt. Alternativ dazu
besteht das Magnetfedermittel aus einem Elektromagneten mit axial
freiliegendem Magnetspalt, um mit dem Hubkolbenelement zu agieren.
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Es
wird bevorzugt, einen Linearmotor mit einer Einrichtung zur Flussumschaltung
bereitzustellen, um den Motorbetrieb effizienter zu gestalten.
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Es
ist von Vorteil, einen Flussumschaltungsmechanismus für einen
Linearmotor, der über
einen Stator mit einem eine Vielzahl an Magnetflussspalten definierenden
Polmittel verfügt,
um mit dem Polmittel auf einem Hubkolbenelement in Wechselwirkung
zu treten, bereitzustellen, worin das Polmittel des Stators ein
Flussumschaltungsmittel zum Umschalten des Magnetflusses hin zu
einer der Richtung eines Erregerstroms, der dem Stator zugeführt wird,
entsprechenden axialen Richtung beinhaltet, um die Magnetkopplung
zwischen Stator und Hubkolbenelement zu verstärken.
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Vorzugsweise
weisen die Stator-Polmittel zudem eine sich in axialer Richtung
erstreckende Polflächen-Ausdehnungsstruktur
auf, um die Magnetkopplung weiter zu verstärken.
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Es
wird bevorzugt, einen Linearmotor und/oder Kompressor mit einem
Aufhängungsmechanismus
zum schwingungsfreien Betrieb bereitzustellen.
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Es
ist von Vorteil, einen Linearmotor und/oder Kompressor mit einem
Gehäuse
bereitzustellen, das einen Stator und ein Hubkolbenelement (Läufer) aufnimmt,
worin sowohl Stator als auch Hubkolbenelement aufgehängt sind,
um sie relativ zum Gehäuse
beweglich zu machen, sodass beim Betrieb die Wechselwirkung zwischen
Stator und Hubkolbenelement eine Bewegung dieser in entgegengesetzte Richtungen
auslöst.
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Vorzugsweise
ist der Stator mit einem Tellerfedermittel aufgehängt, die
auch seine präzise
Ausrichtung mit dem Gehäuse
gewährleistet.
Es ist von Vorteil, dass das Tellerfedermittel auch als Membranmittel
wirkt, das den Raum zwischen dem Stator und dem Gehäuse in Räume unterteilt,
sodass die Bewegung des Stator auch Kompressionswirkungen erzeugt.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
Merkmale, Vorteile und Details der Erfindung werden unter Bezugnahme
auf die bevorzugten Ausführungsformen,
die in den beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht sind, beschrieben, in denen:
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1A und 1B Querschnittsansichten entlang der
Mittelachse eines Kompressors gemäß einer ersten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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2 eine Schnittansicht ist,
die statische Teile der ersten Ausführungsform zeigt;
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3 eine Schnittansicht eines
Läufers
in der ersten Ausführungsform
ist;
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4A und 4B Querschnittsansichten entlang der
Mittelachse eines Kompressors gemäß einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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5 eine Schnittansicht ist,
die statische Teile der zweiten Ausführungsform zeigt;
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6 eine Schnittansicht eines
Läufers
in der zweiten Ausführungsform
ist;
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7 eine Querschnittsansicht
entlang der Mittelachse eines Kompressors gemäß einer dritten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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8 eine Schnittansicht ist,
die statische Teile der dritten Ausführungsform zeigt;
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9 eine Schnittansicht einer
Läufereinrichtung
in der dritten Ausführungsform
ist;
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10 einen Steuerkreis für die dritte
Ausführungsform
darstellt;
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11 eine Querschnittsansicht
entlang der Mittelachse eines Kompressors gemäß einer vierten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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12 eine Schnittansicht ist,
die statische Teile der vierten Ausführungsform zeigt;
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13 eine Schnittansicht einer
Läufereinrichtung
in der vierten Ausführungsform
ist;
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14A bis 14E das Arbeitsprinzip eines Flussumschaltungsmechanismus
veranschaulicht;
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15 einen Steuerkreis für die vierte
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
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16A und 16B Querschnittsansichten entlang der
Mittelachse eines Kompressors gemäß einer vierten bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung sind;
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17 eine Schnittansicht einer
Gehäusestruktur
der fünften
Ausführungsform
ist;
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18 eine Schnittansicht eines
Stators in der fünften
Ausführungsform
ist;
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19 eine Schnittansicht einer
Läufereinrichtung
in der fünften
Ausführungsform
ist; und
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20A und 20B die Struktur eines Zungenventils
veranschaulicht.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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In
dieser Anwendung wird zum Zwecke des besseren Verständnisses
die Erfindung als ein Kompressor beschrieben. Es sollte sich jedoch
verstehen, dass dasselbe Konzept für Gase genauso gut wie für Flüssigkeiten
sowie für
eine Vakuumpumpe eingesetzt werden kann. Der Begriff "Kompressor" sollte demzufolge
als all diese Anwendungen abdeckend verstanden werden, außer es wird
explizit etwas Anderes gesagt. Dasselbe Konzept kann zum Bau eines
Linearmotors verwendet werden, indem einfach die Ventile und Dichtungen
weggelassen werden. Aus diesem Grund besteht kein Bedarf nach einer
eigenen Beschreibung dafür,
wie die einzelnen Ausführungsformen
eines Kompressor für
einen Linearmotor abgewandelt werden. Weiters ist der in dieser
Anwendung verwendete Begriff "magnetische
Anordnung" als Bezeichnung
für jedwede
Anordnung zur Erzeugung eines magnetischen Flusses zu verstehen,
einschließlich
Elektromagneten, Permanentmagneten oder eine Kombination beider.
Wurde das Arbeitsprinzip erst einmal erklärt, so muss nicht mehr darauf
hingewiesen werden, dass ein Austausch des eines Typs der "magnetischen Anordnung" mit dem anderen
oder eine Kombination beider selbstverständlich möglich ist. Letztendlich ist
es offensichtlich, dass ein effizientes Motordesign durch umgekehrte
Inbetriebnahme, d. h. durch Verwendung einer mechanischen Antriebsleistung,
auch als Stromgenerator eingesetzt werden kann.
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Allgemeine
Struktur der ersten Ausführungsform
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In 1A verfügt ein Kompressor 10 über ein
Gehäuse 20,
zwei ringförmige
Elektromagnete 40 und 40', die an zwei Enden des Gebäudes befestigt sind,
zwei kurze Schäfte 30 und 30' (nicht im Querschnitt
gezeigt), von denen jede in die Mitte eines Elektromagneten eingepasst
ist, ein von den kurzen Schäften
getragenes Läuferelement 50 und
einen Schraubenfedern 61 und 61' und dämpfende Magnete 62 und 62' umfassenden
Aufhängungsmechanismus.
Die beiden Elektromagnete 40 und 40' sind ähnlich wie im UK-Patent des
Erfinders Nr. GB-2299715-B zur Erzeugung einer auf den Läufer 50 wirkenden
Schub-und-Zug-Kraft angeordnet.
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Der
Kompressor 10 ist eine doppelt wirkende Einheit mit einer
inneren, mehrstufigen Kompressionsanordnung, die drei Paare an separaten
Kammern bzw. Räumen
umfasst, die zwischen dem Läufer 50 und
den Elektromagneten 40 und 40' gebildet sind. Noch spezifischer
bilden zwei Kompressionsräume
I und I' der ersten
Stufe die ringförmigen
Räume zwischen
jedem der axialen Enden des Läufers 50 und
einem dämpfenden
Magneten 62 oder 62',
in die das Prozessfluid von außerhalb
des Kompressors mittels der Kanäle 70 und 70' eingeführt wird. Zwei
Kompressionsräume
der zweiten Stufe werden durch die zylindrischen Räume II und
II' im Inneren des
Läufers 50 gebildet,
in die das Prozessfluid von den Räumen I und I' mittels der Kanäle 80 und 80' eingeführt wird.
Zwei weitere Räume
G und G' sind die
ringförmigen
Räume rund
um die Polschuhe 54 und 54' und bilden Gasfedern als Teil
des Aufhängungsmechanismus
des Läufers.
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In 2 verfügt das Gehäuse 20 über eine nichtmagnetische
zylindrische Wand 21 mit einer Reihe an Außenrippen 22 zur
besseren mechanischen Festigkeit und Wärmeableitung. Die beiden Elektromagnete
sind identisch, weshalb hier nur der rechte 40 beschrieben
wird. Die entsprechenden Teile des linken Elektromagneten 40' sind durch
die selben Referenzzahlen mit Apostroph 'gekennzeichnet.
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Der
Elektromagnet 40 verfügt über ein
magnetisches Basiselement 41, das durch Befestigungsmittel 23 am
Gehäuse 20 angebracht
ist. Sein magnetischer Kreis wird durch einen ringförmigen äußeren Polschuh 42,
der mit der Basis 41 mittels eines magnetischen Elements 43 verbunden
ist, und einen koaxialen inneren Polschuh 44, der direkt
mit der Basis am hinteren Ende verbunden ist, gebildet. Eine Ringspule 45 ist
im ringförmigen,
von den Elementen 42, 43, 41 und 44 definierten
Raum eingepasst. Ein axial freileigender Magnetluftspalt ist zwischen
den Polschuhen 42 und 44 zur Interaktion mit dem
Polschuh des Läufers,
so wie in Folge noch beschrieben wird, ausgebildet.
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Zwischen
den zwei Elektromagneten ist ein Trennring 24, hergestellt
aus einem nichtmagnetischen, wärmeleitfähigen Material,
wie beispielsweise Messing oder Aluminium, zur Verbesserung der
Wärmeableitung
des Kompressors eingeklemmt. Ein nichtmagnetisches Auskleidungselement 25 ist
im Inneren des Rings 24 eingepasst, das sich in die Magnetluftspalte
der zwei Elektromagnete hinein erstreckt. Das bedeutet, dass das
Auskleidungselement 25 eine vollständige und glatte innere Oberfläche bildet,
die sich eng an die äußere Oberfläche des Läufers 50 anpasst,
sodass, wenn der Abstand zwischen den beiden in etwa 10 μm beträgt, ein Dichtspalt
gebildet wird, der den Austritt von Gas durch dieselben verhindert.
Die beiden Endabschnitte des Auskleidungselements 25 definieren
zudem die Außenwand
der Gasfederräume
G und G'. Der innere
Polschuh 44 verfügt
auf seiner inneren Oberfläche über ein
Auskleidungselement 46, das die Außenwand des Vorkompressionsraums
I bildet.
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Die
beiden Schäfte 30 und 30' sind axial
zur Führung
der Bewegungen des Läufers
ausgerichtet. Die beiden sind identisch, wodurch nur einer, d. h.
der rechte 30, hier beschrieben wird. Der Schaft 30 weist einen
röhrenförmigen Abschnitt 31,
einen Kolbenkopf 32, eingepasst in ein Ende des Abschnitts 31,
ein Einwegventil 34 im Kolbenkopf und eine Dichtung 33 auf
der äußeren Oberfläche des
Kolbenkopfs auf. Die Dichtung 33 ist zum schmiermittelfreien
Betrieb aus einem selbstschmierenden Material, wie beispielsweise
Teflon (eingetragenes Warenzeichen), hergestellt.
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Struktur des
Läufers
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In 3 weist der Läufer 50 einen
ringförmigen
mittleren Magneten 51, der radial magnetisiert ist, d.
h. sein äußerer Randbereich
ist der Nordpol (der äußere Pol)
und sein innerer Randbereich ist der Südpol (der innere Pol), sodass
seine äußere Oberfläche einen über seinen
gesamten Umfang gleichmäßig verteilten
radialen Magnetfluss erzeugt, um mit den ringförmigen Polen der Elektromagnete
zu agieren. Ein magnetisches, röhrenförmiges Element 52 ist
im Inneren des ringförmigen
Magneten 51 eingepasst und dient als dessen innerer Polschuh.
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Zwei
Zwischenpolschuhe 54 und 54' sind jeweils an einem Ende der
Röhre 52 eingepasst
und an ihren axialen Enden befinden sich zwei Endmagnete 55 und 55', die axial
magnetisiert sind. Die Polarität der
Magnete ist so ausgerichtet, dass der Polschuh 54 oder 54' magnetisch
mit dem Südpol
des mittleren Magneten 51 und dem des Endmagneten 55 oder 55' verbunden ist,
wodurch ein stark konzentrierter Magnetfluss zum Agieren mit dem
Elektromagneten 55 oder 55' bereitgestellt wird. Der ringförmige Raum zwischen
dem Polschuh 54 oder 54' und dem Magneten 51 bildet
einen axial freiliegenden Magnetluftspalt, um mit dem Elektromagneten
in Wechselwirkung zu treten, wobei das Gas mit einem nichtmagnetischen
und leichten Füllstoff 58 oder 58', wie beispielsweise
Schaumstoff oder Harz, gefüllt
ist und mit einer nichtmagnetischen reibungsarmen Hülle 59 bedeckt
ist, um eine glatte Lauffläche
zu bilden. Die beiden Endmagneten 55 und 55' sind ebenfalls
mit nichtmagnetischen reibungsarmen Hüllenelementen 56 und 56' bedeckt.
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Das
Innere der Röhre 52 ist
durch ein Trennelement 53 in die zwei Kompressionsräume II und
II' der zweiten
Stufe abgeteilt. Die innere Oberfläche der Röhre 52 bildet mit
den Kolbendichtungen 33 und 33' der beiden in 2 dargestellten kurzen Schäfte 30 und 30' eine gasdichte
Passung. Mehrere Flusskommunikationskanäle 80 und 80' sind zwischen
der inneren Oberfläche
der Röhre 52 und
den äußeren Oberflächen der
Polschuhe 54, 54' und
dem mittleren Magneten 51 ausgebildet, sodass das Fluid
im Kompressionsraum I oder I' der
ersten Stufe in einen Endmagneten 55 oder 55' und dann in
die Einlassöffnung 81 oder 81' des Kanals 80 oder 80' fließen und
aus den Austrittsöffnungen 82 oder 82' im Kompressionsraum
II oder II' der
zweiten Stufe herausfließen
kann. Da mehrere Kanäle 80 und 80' gleichmäßig entlang des
Umkreises der Röhre 52 eingeschnitten
sind (nur jeweils einer ist dargestellt), haben die Austrittsöffnungen 82 oder 82' gaslagernde
Wirkung auf die Kolbendichtung 33 oder 33'.
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Innerhalb
eines jeden Endmagneten 55 oder 55' befindet sich eine nichtmagnetische
Buchse 57 oder 57',
die an jedem Ende der Röhre 52 zur
Unterstützung
der Tragfeder 61 oder 61', dargestellt in 2, sitzt und zudem die Röhre von
der Feder magnetisch trennt. Sind die Buchse 57 und der
Schaft 30 aneinandergefügt,
so bildet sich ein schmaler Spalt zwischen den beiden, was dem Fluid
in Raum I den Eintritt in die Einlassöffnungen 81 der Kanäle 80 erlaubt.
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Vorgang der
Hin- und Herbewegung
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Mit
erneutem Verweis auf 1A und 1B befindet sich der Läufer in
einer neutralen Position, d. h. wenn kein Strom in den beiden Elektromagneten
eingespeist ist, wird die Position des Läufers von den Vorspannkräften der
beiden Tragfedern 61 und 61' bestimmt. In dieser Position befindet
sich jeder der Polschuhe 54 und 54' des Läufers zwischen dem inneren
und dem äußeren Polschuh
des entsprechenden Elektromagneten, d. h. in dessen axial freigelegtem
Magnetluftspalt. Auf ähnliche Weise
befindet sich jeder äußere Polschuh 42 oder 42' des Elektromagneten
zwischen dem mittleren Magneten und einem der Polschuhe 54 oder 54', d. h. im axial
freiliegenden Magnetluftspalt des Läufers. In dieser Anwendung
wird der Ausdruck "axial
freiliegender Magnetluftspalt" zur
Beschreibung einer Magnetluftspaltstruktur verwendet, in der die
zwei einen Spalt definierenden Polschuhe so positioniert sind, dass
sie einen axialen Abstand aufweisen, sodass der Magnetfluss über dem
Spalt im Allgemeinen in axialer Richtung verläuft. Da sowohl die Elektromagnete
als auch der Läufer
axial freiliegende Magnetluftspalte aufweisen, können ihre jeweiligen Polschuhe
in einer gegenseitig zwischengeschalteten Beziehung positioniert
werden. Derartige gegenseitig zwischengeschaltete Beziehungen erlauben
dem Läufer einen
relativ langen Hub, ohne die wirksame magnetische Kopplung zwischen
dem Läufer
und den Elektromagneten zu schwächen,
was den Betrieb somit äußerst effizient
macht.
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In 1B sind die Elektromagnete
mit Energie beaufschlagt, und die Polarität ihrer beiden Polschuhe wird
durch die Kleinbuchstaben n und s gekennzeichnet, wobei die Wechselwirkung
zwischen den Elektromagneten und dem Läufer dargestellt ist. Der Läufer wird
durch die magnetischen Kräfte
nach links bewegt. Im Besonderen befindet sich der Elektromagnet 40 in
einem Zustand, in dem sein äußerer Polschuh 42 n
ist und der innere s ist, sodass seine Wirkung darin besteht, den
mittleren Magneten des Läufers 51 wegzuschieben
und den Endmagneten 55 in den Spalt zu ziehen. Andererseits
befindet sich der Elektromagnet 40' in einem Zustand, in dem der andere
Endmagnet 55' weggeschoben
wird und der mittlere Magnet 51 in Richtung Spalt gezogen
wird. Das heißt,
dass der Endmagnet 55 mit dem Elektromagneten 40 und
der mittlere Magnet 51 mit dem Elektromagneten 40' einen geschlossenen
magnetischen Kreis bildet. Wird der durch die beiden Elektromagnete
laufende Strom umgekehrt, wird der Läufer auf ähnliche Weise zum anderen Ende
hin bewegt. Da jeder Elektromagnet immer mit zumindest einem der
Läufermagneten
zusammenarbeitet, ist sein energetischer Wirkungsgrad hoch.
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In 1B wird, wenn der Endmagnet 55' sich dem dämpfenden
Magneten 62' nähert, eine starke
Abstoßungskraft
zwischen den beiden erzeugt. Diese starke Dämfungskraft stellt, gemeinsam mit
der Wirkung der Tragfeder 61',
die fast bis auf ihre Blocklänge
komprimiert wird, und der vom Raum G', der zu einem kleinen "toten" Raum verkleinert
wurde, gebildeten Gasfeder einen angemessenen Schutz bereit, um
ein Aufprallen des Läufers
auf den Polschuh 44' zu
verhindern. Die drei Komponenten des Aufhängungsmechanisnus, d. h. die
dämpfenden Magnete,
die mit den Endmagneten des Läufers
als Magnetfedern zusammenarbeiten, die mechanischen Federn und die
Gasfedern, werden so gewählt,
dass die natürliche
Frequenz des Läufers
annähernd
der der Stromquelle, d. h. 50 Hz oder 60 Hz, entspricht, sodass
der Läufer
mit seiner Resonanzfrequenz arbeiten kann.
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Während des
Betriebs ist der Läufer
durch die Kolbenköpfe
präzise
ausgerichtet und wird koaxial mit den anderen Teilen des Kompressors
gehalten. Da die Gesamtberührungsfläche zwischen
Läufer und
Kolbenköpfen
sehr klein ist, sind auch Reibung und Abnützung gering. Andererseits,
da die Polschuhflächen
der Elektromagnete im Allgemeinen von ringförmiger oder zylindrischer Gestalt,
passend zu der des Läufers,
sind, erzeugen sie während
der Hin- und Herbewegung des Läufers
keine seitwärts gerichteten
Antriebskräfte.
Die einzig mögliche
Quelle einer Seitenkraft sind die Schraubenfedern 61 und 61', aber deren
seitwärts
gerichteten Wirkungen werden durch die Schäfte 30 und 30' eingeschränkt. All diese
Komponenten gewährleisten
einen sehr kleinen Reibungswiderstand gegen die Bewegungen des Läufers, und
der Läufer
kann schmiermittelfrei arbeiten.
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Mehrstufige
Kompression
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Der
Kompressor 10 ist eine doppelt wirkende Maschine, da dessen
Läuferbewegungen
in zwei entgegengesetzte Richtungen dieselben Kompressionswirkungen
erzeugen. Was den von einem Prozessfluid durchlaufenen Weg betrifft,
so gibt es zwei Gas-Kommunikations-/Kompressionspfade, die voneinander
abgetrennt verlaufen. Der eine beginnt am rechten Ende an den Gaseintrittsöffnungen 71 auf der
Basis 41, verläuft über die
Kanäle 70 in
den Vorkompressionsraum I hinein, und wenn der Läufer sich zurück bewegt,
strömt
das Gas in den Endmagneten 55 und dann über den Kanal 80 in
den Kompressionsraum II' der
zweiten Stufe, und letztendlich, beim nächsten Hub des Läufers, verlässt das
Gas durch den kurzen Schaft 30' am linken Ende den Kompressor.
Der andere Pfad ist auf dieselbe Weise in entgegengesetzter Richtung
gebildet. In jedem Gasflusspfad ist durch die Versiegelungsoberfläche 56 ein erstes
Einwegventil gebildet, das die Austrittsöffnungen 72 der Kanäle 70 öffnet und
verschließt,
und ein zweites Einwegventil wird von der Versiegelungsoberfläche 33' des Kolbens
gebildet, das die Austrittsöffnungen 82' der Kanäle 80 öffnet und
verschließt. Ob
die Kanäle 70 und 80 offen
oder verschlossen sind, hängt
somit von der axialen Position des Läufers 50 ab.
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In 1A ist der Läufer so
positioniert, dass er alle Kanäle 70, 70', 80, 80' blockiert,
wodurch es zu keinem Gasfluss in den Kompressor hinein oder zwischen
den Räumen
im Kompressor kommen kann. In 1B bewegt
sich der Läufer 50 nach links,
der Platz im rechten Raum I wird vergrößert und der Kanal 70 ist
offen, sodass Gas hineingesaugt wird; gleichzeitig ist der Kanal 80 blockiert
und der Platz in der Kammer II' wird
auf null verkleinert, sodass das darin befindliche Gas durch das
Auslassventil 34' im
Kolben 32' hinausgedrängt wird.
Andererseits blockiert dieselbe Läuferbewegung den linken Kanal 70', und der Platz
im Raum I' wird
auf das Minimum verkleinert, sodass das darin enthaltene Gas nur
durch die Kanäle 80' in den Raum
II der nächsten
Stufe gelangen kann, der ausgedehnt wird, um das Gas hineinzusaugen.
Wenn sich der Läufer beim
nächsten
Hub nach rechts bewegt, verläuft
der Vorgang in umgekehrter Richtung.
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Zusätzlich zum
Vorteil des Erzielens einer mehrstufigen Kompression durch ein einziges
sich bewegendes Teil weist die Anordnung den Vorteil auf, dass jeder
Kompressionsvorgang nur ein Minimum an Verlust durch Auslecken aufweist.
Wenn sich beispielsweise der Läufer
nach links bewegt, befinden sich beide linke Räume I' und II' in der Kompressionsphase, sodass ihr
Innendruck zeitgleich ansteigt, und ein Leck-Verlust von Raum I
hin zu Raum II wird verringert. Auf ähnliche Weise ist der Druck
im Gasfederraum G' ebenfalls
hoch, was zur Reduktion des Verlusts aus dem Raum I' beiträgt. Außerdem,
obwohl sich ein sehr schmaler Spalt zwischen der äußeren Lauffläche des
Läufers 59 und
der inneren Lauffläche
des Auskleidungselements 25 befindet, um diese praktisch
berührungsfrei
zu halten, bildet dieser Spalt einen im Vergleich zum äußeren Durchmesser
des Läufers
langen Leckpfad, sodass beim Hin- und Herbewegen des Läufers mit
hoher Geschwindigkeit jedweder Verlust durch diesen langen Spalt
vernachlässigbar
ist. All diese Merkmale machen den schmiermittelfreien Betrieb praktisch,
da der Läufer
kein Schmiermittel zum Abdichten benötigt. Letztendlich sollte noch
erwähnt
werden, dass aufgrund der Umfangsanordnung der Gaseintrittsöffnungen
in jeden Raum hinein rund um die entsprechenden Laufflächen herum
diese ebenfalls gaslagernde Wirkungen hervorrufen, die zur Reduktion von
Reibung und Abnützung
beitragen.
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Allgemeine
Struktur der zweiten Ausführungsform
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In
den 4A und 4B sind die allgemeine Struktur
des Kompressors 100 und dessen Betrieb denen der ersten
Ausführungsform
sehr ähnlich.
Die Hauptunterschiede liegen in der zentralen Führungsstruktur, dem Aufhängungsmechanismus,
der mehrstufigen Kompression und der Zwischenkühleinrichtung. Nachstehend
werden nur diese Merkmale beschrieben.
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In 5 verfügt das zentrale Führungssystem 130 über zwei
Endabschnitte 131 und 131', von denen jedes an einer Basis
eines Elektromagneten befestigt ist, und einen Mittelabschnitt 132,
der zwischen den Endabschnitten eingepasst ist. Jeder Endabschnitt
ist mit einer reibungsarmen Hülle 133 oder 133' bedeckt, die
eine Gleitdichtfläche
bereitstellt. Zwei Buchsen 134 und 134' sind an den
beiden Enden des mittleren Abschnitts 132 zur Unterstützung der
Tragfedern angebracht. Ein Durchgangsloch ist entlang der Achse
der zentralen Führung 130 gebildet,
das zum Zirkulieren eines Fluids zum Zwecke der Kühlung des
Kompressors von innen verwendet werden kann.
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In 6 verfügt der Läufer 150 über einen inneren
Polschuh 152 mit einer inneren Rippe 153, die
die beiden Dichtungsringe 157 und 157' trägt. Die Dichtungen
dienen zudem als Buchsen für
Tragfedern. Die anderen Teile des Läufers, d. h. sein mittlerer
Magnet, die beiden Endmagnete und die beiden Zwischenpolschuhe 154 und 154' sind denen
der ersten Ausführungsform ähnlich.
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Wie
in 4A gezeigt wird haben
die zwei Endmagneten des Läufers 150,
wenn dieser im Kompressor 100 eingebaut ist, einen Gleitsitz
auf den beiden Endabschnitten der zentralen Führung, und die beiden Dichtungen 157 und 157' haben einen
Gleitsitz auf dem Mittelabschnitt der zentralen Führung, die
gewährleisten,
dass der Läufer
während
des Betriebs exakt koaxial zu den anderen Teilen ist. Die Dichtungen
teilen zudem den Innenraum des Läufers in
zwei gasdichte Räume,
in denen jeweils eine Tragfeder 161 oder 161' eingepasst
ist, sodass der Läufer beim
Betrieb sowohl durch die Wirkung der Schraubenfedern als auch der
Gasfedern aufgehängt
ist.
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Der
ringförmige
Raum zwischen jedem der Polschuhe 154 oder 154' des Läufers und
dem inneren Polschuh eines entsprechenden Elektromagneten bildet
einen Kompressionsraum I oder I' der
ersten Stufe. Zwei Kompressionsräume
der zweiten Stufe werden von den ringförmigen Räumen II und II' zwischen den Endmagneten
des Läufers
und ihren entsprechenden dämpfenden
Magneten gebildet. In den Kompressionsräumen I und I' der ersten Stufe sind
Elastomerringe 147 an der Polfläche des inneren Polschuhs angebracht,
wobei der Ring dazu dient, einen direkten Aufprall des Läufers auf
den Polschuh zu dämpfen
und gleichzeitig jedweden toten Raum im Kompressionsraum zu vermeiden. Ähnliche
Ringe 167 und 167' finden
sich in den Kompressionsräumen
II und II' der zweiten
Stufe. Ein Zwischenkühlraum
C ist zwischen den Elektromagneten ausgebildet, wobei dieser Raum
Kommunikationsdurchlässe
zur Aufnahme von verdichtetem Gas aus den beiden Kompressionsräumen I und
I' der ersten Stufe
und zur Zufuhr des Gases zu den Kompressionsräumen II und II' der zweiten Stufe
aufweist. All diese Durchlässe
sind rund um den Umfang des Auskleidungselements 125 herum
gebildet.
-
Die
Gaskommunikationspfade im Kompressor 100 werden detailliert
unter Bezugnahme auf 5 beschrieben,
in der die Schraffurmuster verschiedener Teile ausgelassen werden
und die Gasdurchlässe
schattiert dargestellt sind, um die Abbildung leicht lesbar zu machen.
Eine Gaszuleitung verläuft
durch die Gehäusewand,
um in den Raum C einzutreten und eine Spule 200 zu bilden.
Die Spule unterstützt den
Wärmeaustausch
zwischen dem Gas im Zuleitungsrohr und dem außerhalb desselben, um so eine
Kühlwirkung
im Raum C zu erzeugen.
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Beim
Betrieb wird das Gas im Rohr 200 mittels der Kanäle 170' zugeführt, die
Austrittsöffnungen 172' im Kompressionsraum
I' der ersten Stufe
in diesen Raum hinein aufweisen. Dasselbe Gas wird dann durch die
Läuferbewegung
aus dem Raum heraus durch die Kanäle 180' über die Einwegventile 182' in den Raum
C gedrängt,
sodass der Druck im Raum C zunimmt. Gleichzeitig betritt das Hochdruckgas
im Raum C die Kanäle 190,
die Austrittsöffnungen
in die Kammer II der zweiten Stufe am anderen Ende aufweisen. Kehrt
der Läufer
seine Richtung um, wird das Gas im Raum II über die Auslassventile 193 in
den Kanälen 195 hinausgedrängt. Ein
weiterer paralleler Gasflusspfad ist auf dieselbe Weise in entgegengesetzter
Richtung angeordnet.
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Es
sollte festgehalten werden, dass der Zwischenkühlraum C verdichtetes Gas von
beiden Räumen
I und I' der ersten
Stufe aufnimmt und dasselbe Gas beiden Räumen II und II' der zweiten Stufe
zuführt,
wodurch die Betriebsbedingungen auf beiden Seiten dieselben sind.
Dies trägt
zur Stabilisierung der doppelt wirkenden Arbeit in entgegengesetzten Richtungen
des Läufers
bei. In einer derartigen Anordnung werden, obwohl es nur ein sich
bewegendes Bestandteil im Kompressor gibt, auf äußerst effiziente Weise ein
hoher Abgabedruck und einen hohe Flussrate erzielt.
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Allgemeine
Struktur der dritten Ausführungsform
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Nun
wird die dritte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf einen Kompressor 300,
dargestellt in 7 bis 9, beschrieben. Zahlreiche
Aspekte des Kompressors 300 sowie dessen grundlegendes
Arbeitsprinzip ist denen der vorigen Ausführungsformen ähnlich.
Neue Merkmale umfassen einen Drei-Spulen-Motor-Stator, eine andere Läuferstruktur,
eine geänderte
zentrale Führungseinrichtung,
eine verbesserte Magnetfederanordnung und andere mehrstufige Kompressions- und Zwischenkühleinrichtungen.
Diese neuen Merkmale werden nachstehend im Detail beschrieben.
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Wie
in 7 gezeigt wird umfasst
der Kompressor 300 einen Linearmotor, gebildet aus einem Stator 310 und
einem Magnetläufer 350 sowie
einem Paar an Kompressionseinrichtungen 330 und 330' der zweiten
Stufe, von denen jede an einem Ende des Stators angebracht ist.
In Inneren einer jeder Kompressionsvorrichtung 330 oder 330' ist ein Kolben 370 oder 370' mit dem Läufer 350 verbunden und
wird von diesem angetrieben. Beim Betrieb tritt ein Prozessgas in
die Kompressionsräume
der ersten Stufe im Inneren des Stators ein, strömt dann in die außerhalb
des Stators befindlichen Zwischenkühlräume, um einen Teil der Wärme abzugeben,
bevor es in die Kompressionsräume
der zweiten Stufe in den Einrichtungen 330 und 330' eintritt und
dort weiter komprimiert wird, die vom Motor entfernt angeordnet
sind, sodass Wärme,
die durch die zweite Kompressionsstufe generiert worden ist, leicht
abgeführt
werden kann. Details der statischen Teile des Stators 310 und
der Einrichtungen 330 und 330' sind in 8 dargestellt, während das Läuferelement 350 und
dessen Verbindung mit den zwei Kolben 370 und 370' in 9 veranschaulicht werden.
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In 8 verfügt der Stator 310 über ein
Gehäuse 311,
hergestellt aus einem magnetischen Material, das als Teil des magnetischen
Kreises des Stators fungiert. Das Gehäuse 311 kann mehrere äußere Rippen
zur Stärkung
der mechanischen Festigkeit und zur Verbesserung der Wärmeabfuhr
aufweisen. Ein mechanisch stabiles Gehäuse trägt dazu bei, alle anderen statischen
Bestandteile präzise
ausgerichtet zu halten, wie in Folge noch beschrieben wird. An jedem
Ende des Gehäuses 311 ist
ein Basiselement 312 oder 312' angebracht, das einen inneren
Polschuh 313 oder 313' trägt. Drei Wickelspulen 315, 316 und 315' sind axial
im Inneren des Gehäuses 311 angeordnet
und voneinander durch zwei ringförmige Polschuhe 314 und 314' getrennt. Ein
nichtmagnetischer Zylinder 317 ist in den Wickelspulen
eingepasst und zwischen den inneren Polschuhen 313 und 313' eingeklemmt,
wodurch ein zylindrischer Innenraum zur Aufnahme des Läufers 350 definiert
ist. Mehrere Durchgangslöcher 324 und 324' sind auf der Zylinderwand
als Gaseinlass in die Räume
I und I' ausgebildet.
In dieser Anordnung bilden die vier Polschuhe 313, 314, 314' und 313' zwischeneinander drei
axial freigelegte ringförmige
Magnetluftspalte, von denen jede einer Spule entspricht, sodass,
wenn die Spulen mit Energie beaufschlagt werden, ein starker Wechselfluss
durch die Spalte zum Antrieb der Hin- und Herbewegungen des Läufers erzeugt
wird. Durch die Anwesenheit einer dritten Spule in der Motorstruktur
wird die auf den Läufer
wirkende Gesamtantriebskraft gesteigert, ohne dabei Durchmesser und
Volumen des Motors zu verändern.
Entsprechende Veränderungen
werden in der magnetischen Anordnung im Läufer so wie nachstehend beschrieben
vorgenommen.
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An
der Rückseite
eines jeden Polschuhs 313 oder 313' ist eine Magnetfedereinrichtung,
umfassend einen inneren Magneten 319 oder 319', einen hinteren
Polschuh 320 oder 320' und einen äußeren Magneten 318 oder 318', angeordnet.
Wie durch die Polarität
der Magneten in 8 gezeigt
wird, bildet sich eine starke Flusskonzentration von der freigelegten
Fläche
des Magneten 319 oder 319' zur inneren Kante des Polschuhs 313 oder 313', was im Prinzip
den Raum des Kompressionsraums I oder I' darstellt. In dieser Anordnung wird,
da die innere Polfläche
der Magnetfeder im Inneren des äußeren Magneten "verschachtelt" ist, der Großteil des
Magnetflusses innerhalb der Federstruktur "festgehalten", was eine wirkungsvollere und stärkere Feder
ergibt. Weiters verfügt
der äußere Magnet 318 oder 318' im Vergleich
zum inneren Magneten 319 oder 319' über ein deutlich größeres Volumen,
was die Verwendung eines kostengünstigen
Materials, wie beispielsweise Ferrit, in der Federanordnung zulässt. Ferrit
weist den zusätzlichen
Vorteil auf, keinen Wirbelstrom zu generieren, und hat zudem eine
höhere
maximale Betriebstemperatur.
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Jede
der Kompressionseinrichtungen 330 oder 330' der zweiten
Stufe ist an einem entsprechenden Basiselement 312 oder 312' angebracht und
schließt
eine Magnetfederanordnung ein. Da die beiden Einrichtungen eine
identische Struktur aufweisen, wird nur jene an der rechten Seite,
d. h. Einrichtung 330, detailliert beschrieben. Die Einrichtung 330 verfügt über ein
in Allgemeinen becherförmiges Gehäuse 331 mit äußeren Rippen 332,
hergestellt aus einem nichtmagnetischen und wärmeleitenden Material, wie
beispielsweise Aluminium. Die linke Seite des Gehäuses 313 weist
einen Flansch 333 auf, der zur Form des Gehäuses 311 passt,
sodass die beiden präzise
ausgerichtet und aneinander befestigt sein können. Im Inneren des Gehäuses 331 befindet
sich ein Zylinderelement 340 der zweiten Stufe, von dem
ein Ende am Polschuh 320 sitzt und das andere Ende in das
Gehäuse 331 passt
und mit einem Zylinderkopfelement 341 verschlossen ist.
Der Zylinder 340 und das Kopfelement 341 definieren
einen Kompressionsraum II der zweiten Stufe, der über Gaseinlasslöcher 343 durch
die Zylinderwand und ein Gasaustrittsloch in der Mitte des Kopfelements 341 verfügt, das
durch ein Auslassventil 349 abgedeckt ist. Eine Dichtung 342 gewährleistet
die gasdichte Passung von Zylinder 340 und Gehäuse 331. Eine
weitere Dichtung 345 ist auf dem Polschuh 320 zur
Abdichtung des Kolbenschafts angebracht, wobei diese Dichtung zudem
die Tragfeder unterstützt,
wie in Folge noch beschrieben wird. Zwischen dem Zylinder 340 und
Gehäuse 331 befindet
sich ein ringförmiger
Raum 346, der verdichtetes Gas aus der Kompression der
ersten Stufe über
das Auslassventil 326 auf dem Polschuh 320 aufnimmt
und als Zwischenkühlraum
fungiert.
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In 9 verfügt der Läufer 350 über einen mittleren
Polring 351, zwei mittlere Magnete 352 und 352', zwei Zwischenpolschuhe 353 und 353' und zwei Endmagnete 354 und 354', die alle an
einem zentralen Bolzen 355 aus nichtmagnetischem Material
angebracht sind, der die Magnete und die Polschuhe koaxial hält. Alle
vom Läufer 350 getragenen Magnete
sind in axialer Richtung magnetisiert, sodass jeder entlang seiner
Länge einen
axial freigelegten Magnetluftspalt bildet. Erneut aufgrund des relativ
großen
Volumens der mittleren Magnete 352 und 352' ist die Verwendung
von kostengünstigem
Material, wie beispielsweise Ferrit, zur Konstruktion des Läufers möglich, ohne
dass dieser dabei an magnetischer Kraft verliert. Die Polarität der Magnete 352, 352', 354 und 354' ist so angelegt,
dass der gleiche Pol der beiden mittleren Magnete 352 und 352' in die Richtung
des gemeinsamen Polschuhs 351 weisen, um so einen konzentrierten
radialen Magnetfluss zu erzeugen. Die äußere Oberfläche des mittleren Magneten 352 oder 352' ist mit einem
Dichtungselement 356 oder 356' abgedeckt, um eine Gleitdichtung
auszubilden, die mit der inneren Oberfläche des Zylinders 317 in 8 zusammenwirkt. An jedem Ende des
zentralen Bolzens 355 ist ein Schaft 356 eingepasst,
der als zentrale Führung
dient und sich durch das Basiselement des Stators erstreckt und
den Läufer
koaxial zum dem Stator hält.
Jeder Schaft trägt weiters
zur Durchführung
der zweiten Stufe der Kompression am anderen Ende einen Kolben 370 oder 370', der mit einer
Schraube 371 oder 371' befestigt ist.
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Erneut
mit Bezug auf 7 wird
der Läufer von
den Polschuhen 320 und 320' getragen, die durch die beiden
Gehäuse 331 und 331' präzise ausgerichtet
sind, und alle anderen statischen Bestandteile sind so ausgerichtet,
dass gewährleistet
wird, dass sich der Läufer 350 und
die zwei Kolben 370 und 370' während des Betriebs praktisch
berührungsfrei
hin- und herbewegen. Wenn der Läufer 350 in
den zentralen Raum in Inneren des Stators 310 eingepasst
ist, so teilt dieser den Raum in zwei Kompressionsräume I und
I' der ersten Stufe.
Auf ähnliche
Weise trennt der Kolben 370 oder 370' den zentralen
Raum in jedem der Zylinder 340 oder 340' der zweiten
Stufe in einen Kompressionsraum II oder II' der zweiten Stufe und einen Federraum
für die
Aufnahme einer Tragfeder 348 oder 348', wobei dieser Raum über die
Löcher 344 oder 344' in Fluidkommunikation
mit dem Zwischenkühlraum 346 oder 346' steht. Da die
Federräume
ständig
in Fluidkommunikation mit den Zwischenkühlräumen stehen, fungieren sie
als Teil des gesamten Zwischenkühlbereichs.
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Die
Gasflusspfade im Kompressor 300 sind in 7 durch Pfeile dargestellt. Bewegt sich
der Läufer 350 ans
rechte Ende, dehnt sich das Volumen des Kompressionsraums I' der ersten Stufe
aus und Gas wird durch den Gasflussdurchlass, gebildet durch die
Eintrittsöffnungen 321' auf dem Statorgehäuse 311,
die Kanäle 322' am inneren
Polschuh und die Öffnungen 324' durch den Zylinder 317,
eingesaugt. Gleichzeitig saugt der Raum II' Gas die Öffnungen 343' aus dem Zwischenkühlraum 346' ein. Kehrt
der Läufer
seine Bewegung um, so blockiert er die Öffnungen 324', sodass das
Gas im Raum I' verdichtet
und durch den Kanal 325' und
das Auslassventil 326' in
den Zwischenkühlraum 346' gepresst wird,
während
das Gas im Raum II' verdichtet
und durch das Auslassventil 349' gedrängt wird.
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Da
kaltem Gas der Eintritt in den Kompressor 300 durch den
mittleren Teil des Stators ermöglicht wird,
wird eine gute Kühlwirkung
auf die Spulen und den Läufer
erzeugt. Andererseits wird das aus dem Raum I oder I' kommende komprimierte
Gas zeitweilig im Zwischenkühlraum 346 oder 346' gehalten und dort
gekühlt,
bevor es in den Raum II oder II' eintritt, wodurch
der Vorgang effizienter wird. Zudem befinden sich die Räume II und
II' weiter vom Stator
und vom Läufer
entfernt, wodurch die durch die zweite Stufe der Kompression erzeugte
Wärme den
Betrieb des Motors nicht beeinträchtigt
und eine Überhitzung des
Motors vermieden wird.
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10 zeigt einen Steuerkreis
für den
Kompressor 300. Ein wichtiges, in diesem Kreis aufgezeigtes
Konzept ist die Erzeugung einer Phasendifferenz zwischen den Wickelspulen 315' und 315 als
die eine Gruppe und der Wickelspule 316 als die andere Gruppe,
z. B. durch Parallelschalten eines Kondensators C mit der Spule 316.
Der die Spulen 315' und 315 durchfließende Strom
I1 ist die Zeigersumme des die Spule 316 durchfließenden Stroms
I2 und des den Kondensator C durchfließenden Stroms
I3, d. h. I1 =
I2 + I3.
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Da
der Strom durch den Kondensator C, d. h. der Strom I3,
gegenüber
dem Strom I2 durch die Spule 316,
die praktisch ein Induktionselement ist, voreilt, ergibt sich, dass
auch der Strom I1 dem Strom I2 voreilt.
Da derselbe Strom I1 die Spulen 315' und 315 durchfließt, bedeutet
dies, dass die magnetischen Antriebskräfte dieser beiden Spulen miteinander
immer in Phase sind, jedoch bedingt durch eine Phasendifferenz,
bestimmt durch den Wert des Kondensators C, der von der Spule 316 erzeugten
Antriebskraft vorauseilt. Während
des Betriebs, wenn sich der Läufer
unter Einwirkung der gemeinsamen Antriebskräfte der drei Spulen der axialen
Endposition nähert, ändern die
zwei Endspulen 315' und 315 ihre
Stromrichtung zeitlich vor der mittleren Spule 316, wodurch ein
wirksamer Lagerungseffekt erzeugt wird, der die Wirkung der Tragfederanordnung
verstärkt.
Da dieser Effekt nur dann erzielt wird, wenn sich der Läufer nahe
seiner Endpositionen befindet, ist dies der Effizienz des Systems
nicht abträglich,
sondern steigert insgesamt durch eine besser gelagerte Läuferbewegung
die Effizienz. Durch Wählen
eines geeigneten Wertes für
den Kondensator C kann eine Feinabstimmung des Systems für eine bestimmte
Anwendung auf einfache Weise vollzogen werden. Der Schaltkreis umfasst
zudem einen Schutz-Thermistor Rt1 zur Verhinderung
eines Stromstoßes
bei Betriebsbeginn und einen Überhitzungsschutzkreis,
umfassend einen Widerstand R, einen Thermistor Rt2 und
einen Relaisumschalter S2. Der Betrieb des
Schutzschaftkreises funktioniert auf herkömmliche Weise, weshalb es keiner
weiteren Beschreibung bedarf.
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Allgemeine
Struktur der vierten Ausführungsform
-
Nun
wird die vierte Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf einen Kompressor 500,
abgebildet in den 11 bis 15, beschrieben. Viele Aspekte
des Kompressors 500 sowie sein Arbeitsprinzip sind denen
der vorangegangenen Ausführungsformen ähnlich.
Neue Merkmale umfassen Polschuhe des Elektromagneten mit einer Flussumschaltungseinrichtung
und einer Polflächen-Ausdehnungsstruktur,
eine Stromkreisanordnung zur Erzeugung von Phasendifferenzen in
den Antriebsspulen und eine abgeänderte
Aufhängungsanordnung.
Diese neuen Merkmale werden nachstehend im Detail beschrieben.
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In 11 umfasst der Kompressor 500 eine Stator 510,
einen Läufer 550,
ein Paar an Endeinrichtungen 530 und 530' sowie eine
zentrale Führung, die
die gesamte Einheit zusammenhält.
Beim Betrieb tritt Verfahrensgas durch den Stator in die Räume I und
I' ein und wird
dann vom Läufer
in die Zwischenkühlräume II und
II' im Inneren der
Endeinrichtungen 530 und 530' und in Folge in die Räume III
und III' gepresst,
um weiter verdichtet und letztendlich durch die Auslassventile in
den Ventilblöcken 540 und 540' gedrängt zu werden.
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In 12 wurden die zentrale Führung 520 und
der Läufer 550 entfernt,
um die Einzelheiten des Stators 510 und der Endeinrichtungen 530 und 530' zu zeigen.
Der Stator 510 verfügt über ein
Gehäuse 511 aus
einem magnetischen Material, das Teil des magnetischen Kreises des
Stators dient. An jedem Ende des Gehäuses 511 ist ein Endpolschuh 512 oder 512' angebracht.
Drei Wickelspulen 515a, 515b und 515c sind
im Inneren des Gehäuses
koaxial angeordnet und voneinander durch zwei ringförmige Polschuhe 513 und 513' getrennt, die
ringförmige Polflächen mit
gezahnter Polflächen-Ausdehnungsstruktur 516 und 516' aufweisen.
Die gezahnte Struktur gewährleistet
eine verbesserte Magnetkopplung zwischen Läufer und Stator, insbesondere
wenn der Strom die Richtung ändert,
durch eine Ausdehnung der Polfläche
des Stators in axialer Richtung, und verhindert gleichzeitig durch
Aufrechterhalten einer notwendigen Spaltlänge g zwischen den Zahnspitzen ein übermäßiges Auslecken
des Fluids über
dem Spalt, so wie in 12 durch
den Pfeil gezeigt wird. Die Polschuhe weisen zudem eine aus Magneten 514 und 514' gebildete Flussumschaltungseinrichtung
auf, deren Arbeitsprinzip unter Bezugnahme auf die 14A bis 14E beschrieben
wird.
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Ein
nichtmagnetischer Zylinder 517 ist im Inneren der drei
Spulen eingepasst und zwischen den Polschuhen 512 und 512' eingeklemmt
und definiert einen zylindrischen Raum für den Läufer 550. Gaseintrittsöffnungen 524 und 524' sind auf dem
Zylinder 517 auf ähnliche
Weise wie in der vorangegangen Ausführungsform ausgebildet.
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Die
Einrichtung 530 verfügt über ein
nichtmagnetisches Gehäuse 531 mit äußeren Rippen 523 aus
einem wärmeleitfähigen Material,
wie beispielsweise Aluminium. Das Gehäuse 531 weist einen Flansch 533 auf,
der zum entsprechenden Flansch des Statorgehäuses 511 passt, um
eine präzise
Ausrichtung zwischen diesen zu gewährleisten. Im Inneren des Gehäuses 531 befindet
sich ein Zylinder 534 der zweiten Stufe, von dem ein Ende
am Endpolschuh 512 und das andere Ende am Ventilblock 540 sitzt.
Rund um den Zylinder 534 herum befindet sich eine Magnetfeder,
gebildet aus einer Wickelspule 535 und einem Polschuh 518.
Zwischen der Magnetfeder und dem Gehäuse 531 liegt ein
Zwischenkühlraum
II mit entsprechenden Ein- und Auslassventilanordnungen.
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In 13 verfügt der Läufer 550 über einen mittleren
Polring 551 und zwei mittlere Magnete 552 und 552', die auf einem
röhrenförmigen Element 555 aus
nichtmagne tischem Material eingepasst sind. An jedem Ende des röhrenförmigen Elements 555 ist
ein Zwischenpolschuh 55 3 oder 553' angebracht,
der einen Endmagneten 554 oder 554' und einen Polschuh 556 oder 556' hält. Der
Magnet 554 oder 554' und dessen
Endpolschuh 556 oder 556' sind auf einem Trägerelement
aus Kunststoff oder einem Verbundträgerstoff 557 oder 557' mit einem ringförmigen Endteil,
der einen Kolbenfläche 558 oder 558' bildet, angebracht.
Beim Betrieb stellt die Kolbenfläche 558 oder 558' zudem eine
Wärmeisolierung
bereit, um ein Überhitzen
des Magneten zu verhindern. Diese Magnete sind alle erneut in axialer
Richtung magnetisiert, sodass jeder entlang seiner Länge einen
axial freigelegten Magnetluftspalt zwischen den entsprechenden Polschuhen
bildet. Das bedeutet, dass der Läufer 550 vier
Magnetluftspalte aufweist, um mit den drei im Stator ausgebildeten
Magnetluftspalten in Wechselwirkung zu treten. Wie in Folge noch
beschrieben, würden
in jeder Betriebsphase immer drei Magnetluftspalte auf dem Läufer mit
dem Stator wechselwirken, während
der andere mit einer Magnetfeder wechselwirkt.
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Der
Läufer 550 wird
von einem inneren Aufhängungsmechanismus,
gebildet aus einem zentralen Schaft 520 und einem Paar
mechanischer Federn 525 und 525', getragen. Der zentrale Schaft 520 weist
einen dickeren Mittelabschnitt 522 mit einem mittleren
Flansch 523 auf, der die Federn trägt. An jedem Ende des Mittelabschnitts 522 befindet
sich ein dünner
Endabschnitt 521 oder 521', der sich durch das Trägerelement 557 oder 557' hindurch erstreckt. Wie
in 11 gezeigt wird,
erstreckt sich das andere Ende des dünnen Endabschnitts 521 oder 521' durch den Ventilblock 540 oder 540', und die gesamte
Einheit ist präzise
ausgerichtet und mittels Bolzen befestigt. Der Schaft 520 ist
hohl, sodass ein Kühlmittel
zirkulieren gelassen werden kann, um die gesamte Einheit, insbesondere
den Läufer 550,
während
des Betriebs gekühlt
zu halten.
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Die 14A bis 14E zeigen das Arbeitsprinzip des in
der vierten Ausführungsform
verwendeten Flussumschaltungsmechanismus. In 14A bildet, wenn der Magnet 514 in
eine ringförmige,
im Polschuh 513 gebildete Vertiefung eingepasst ist, der vom
Magneten 514 erzeugte Fluss einen geschlossenen Kreis durch
die schmalen Teile 513a und 513b, um den Fluss
in diesen Teilen fast auf ein Fluss sättigungsniveau zu bringen. 14B zeigt eine ähnliche,
von einer Wickelspule 514a erzeugte Flussverteilung. Da
diese beiden Alternativen auf ähnliche
Weise funktionieren, wird nur jene unter Verwendung des Permanentmagneten 514 unten
beschrieben.
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14C zeigt die Flussverteilung
wenn ein Läufer
in einen Stator ohne Strom in einer der drei Spulen eingepasst ist.
Der von den Umschaltungsmagneten 514 und 514' und der von
den mittleren Magneten 522 und 522' erzeugte Fluss wechselwirken miteinander,
um zwei geschlossene Magnetkreise zu bilden, die starke Lagegenauigkeitskräfte zum Festhalten
des Läufers
an seiner neutralen Position, an der der magnetische Widerstand
in jedem Kreis am geringsten ist, erzeugen. Wird der Stator, so
wie in 14D gezeigt,
mit Energie beaufschlagt, wird der von den Magneten 514 und 552 erzeugte
Fluss mit dem der Spule 515a verbunden, dasselbe gilt für die Magnete 514' und 522' mit der Spule 515b,
wodurch eine kombinierte Antriebskraft in Richtung rechte Seite
erzeugt wird, so wie durch den großen Pfeil unterhalb der Zeichnung
zeigt. Hier sollte angemerkt werden, dass der Großteil des
Flusses durch jeden der Polschuhe 513 oder 513' auf die linke
Hälfte
der ausgedehnten Polflächenstruktur
umgeschaltet wird und kein nennenswerter Fluss an der anderen Seite
verbleibt. Kehrt der Strom seine Richtung um, so wie in 14E gezeigt, wird der Fluss
durch die Umschaltungsmagneten 514 und 514' zur anderen
Seite der Polschuhe 513 und 513' umgeschaltet, wodurch der Läufer in
die entgegengesetzte Richtung getrieben wird. Durch Umschalten des
Flusses von einer Hälfte
der Polschuhe zur anderen Hälfte
als Reaktion auf die Veränderung
der Stromrichtung wird die Magnetkopplung zwischen dem Stator und
dem Läufer
deutlich verbessert, was dem Läufer
einen relativ langen Hub unter hohem energetischen Wirkungsgrad
ermöglicht.
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15 zeigt einen Steuerkreis
für die
vierte Ausführungsform.
In diesem Kreis ist jede Magnetfederspule 535 oder 535' mit einem Kondensator
in Reihe geschaltet, dann werden die beiden mit der Spule 515a oder 515c parallelgeschaltet,
die ihrerseits mit der Spule 515b in Reihe geschaltet ist.
Erneut ist Strom I1 durch die Spule 515b die
Zeigersumme aus Strom I2 durch die Spule 515a und
Strom I3 durch die Spule 535 oder
die Zeigersumme aus Strom I'2 durch die Spule 515c und Strom
I'3 durch
die Spule 535',
d. h., I1 = I2 + I3 = I'2 +
I'3.
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Auf
diese Weise sind die fünf
Spulen in drei Gruppen mit unterschiedlichen Phasendifferenzen eingeteilt,
wobei die Spulen 535 und 535' der Spule 515b voreilen,
die wiederum den Spulen 515a und 515c voreilt.
Im Betrieb hat, wenn der Läufer 550 sich einer
Endposition nähert,
die Magnetfederspule 535 oder 535' bereits ihre Stromrichtung gewechselt,
um eine Abstoßungskraft
zu erzeugen, die von der Spule 515b in der Mitte unterstützt wird,
um den Läufer
zu einer Rückwärtsbewegung
zu zwingen. Auch hier kann eine Feinabstimmung des Systems durch
Wählen
eines geeigneten Werts für
die Magnetfederspulen 535 und 535' und deren entsprechende Kondensatoren
durchgeführt
werden.
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Allgemeine
Struktur der fünften
Ausführungsform
-
Nun
wird die fünfte
Ausführungsform
der Erfindung unter Bezugnahme auf einen Kompressor 600,
dargestellt in den 16A bis 20B, beschrieben. Zahlreiche
Aspekte des Kompressors 600 sowie dessen grundlegendes
Arbeitsprinzip ist denen der vorigen Ausführungsformen ähnlich.
Neue Merkmale umfassen eine kompaktere Konstruktion der Läufereinrichtung
mit einer zentralen Führung,
die sich durch die gesamte Länge
dieser zum Zwecke der präzisen
Ausrichtung ihrer Bestandteile erstreckt, eine aufgehängte Statorkonstruktion
zur Gewährleistung
des schwingungsfreien Betriebs der Maschine, die zudem einen sich
durch ihre gesamte Länge
erstreckenden Zylinder zum Zwecke ihrer präzisen Ausrichtung umfasst,
einen neuartigen Gasflussdurchlass und im Inneren der zentralen
Führung
des Läufers
angebrachte Kontrollventile Diese neuen Merkmale werden nachstehend
im Detail beschrieben.
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In
den 16A und 16B umfasst der Kompressor 600 ein
Gehäuse 610,
gebildet aus einem röhrenförmigen Element 611,
und zwei Endeinrichtungen 620 und 620', einem mit
einem Paar Tellerfedern 640 und 640' aufgehängten Stator 630 und
eine Läufereinrichtung 650,
die im Stator eingepasst ist, wobei sich die zwei Enden in jede
der Endeinrichtungen 620 und 620' erstrecken.
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In 17 wurden der Stator und
die Läufereinrichtung
entfernt, um die Einzelheiten des Gehäuses 610 zu zeigen.
Der Mittelabschnitt des Gehäuse wird
vom röhrenförmigen Element 611 gebildet,
und die beiden Enden sind die Endeinrichtungen 620 und 620', die durch
Befestigungsmittel 619 am Mittelabschnitt angebracht sind.
Das röhrenförmige Element 611 weist äußere Rippen 612 zur
Verbesserung der mechanischen Festigkeit und der Wärmeabfuhr
auf. Das gesamte Element ist aus einem magnetischen Material hergestellt,
sodass es als Teil des Magnetkreises des Stators fungiert. Durchgangslöcher 613 und 613' bilden den
Gaseinlass ins Gehäuse.
An jedem Ende des Elements 611 befindet sich ein Flansch 614 oder 614' zur präzisen Ausrichtung
mit den und zur Befestigung an die Endeinrichtungen 620 und 620'. Die beiden
Endeinrichtungen 620 und 620' sind identisch, weshalb hier nur
die Einrichtung 620 beschrieben wird. Die Einrichtung 620 verfügt über einen
nichtmagnetischen und wärmeleitenden Körper, geformt
z. B. durch Aluminiumguss. Das Gussstück verfügt über einen zylindrischen Abschnitt 621 mit äußeren Rippen 622 zur
Wärmeabfuhr
und einen Flanschabschnitt 623 mit einem ausgedehnten Rand 624 zum
Eingreifen in den entsprechenden Flansch des röhrenförmigen Elements 611.
Ein Elastomerelement 625 ist im Inneren des Rands 624 eingepasst
und bedeckt die innere Oberfläche
des Flanschabschnitts 623, sodass, wenn die Maschine zusammengebaut
ist, ein Paar Tellerfedern 640 und 640' (nicht in 17 dargestellt) zwischen
dem Elastomerelement 625 und einer Elastomerbuchse 615 eingeklemmt
werden, um eine gasdichte Passung zu gewährleisten. Das Elastomerelement
hat eine Oberfläche,
die geformt ist, um zum Endabschnitt des Stators zu passen, um einen
Aufprallschutz für
Tellerfeder und Stator sowie eine Wärme- und Geräuschisolierung bereitzustellen,
so wie in Folge beschrieben wird. Im Inneren des zylindrischen Anschnitts 621 befindet
sich eine Zylinderlaufbuchse 626, die gemeinsam mit einem
Ventilblock 670 einen Kompressionsraum definiert.
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18 zeigt die Struktur des
Stators 630 und dessen Tragfedern 640 und 640'. Der Stator
verfügt über einen
nichtmagnetischen Zylinder 631, der sich durch seine Gesamtlänge hindurch
erstreckt und einen zylindrischen Innenraum zur Aufnahme des Mittelabschnitts
der Läufereinrichtung 650 definiert. Der
Zylinder 631 kann aus selbstschmierendem Material, aufgrund
der mechanischen Festigkeit und der guten Wärmeleitfähigkeit vorzugsweise aus einem Verbundwerkstoff
mit Metall- oder Glasfaserverstärkung,
hergestellt werden. Die Gaseinlasskanäle und -öffnungen 634 und 634' sind durch
die Polschuhe und den Zylinder 631 auf eine den vorangegangenen Ausführungsformen ähnliche
Weise ausgebildet. Rund um den Zylinder 631 herum sind
vier Wickelspulen 635a, 635b, 635c und 635d angebracht,
die durch drei Zwischenpolschuhe 633a, 633b und 633c voneinander
getrennt sind und von den zwei Endpolschuhen 633 und 633' zusammengehalten
werden. Die Zwischenpolschuhe 633a, 633b und 633c verfügen wie
in der vorangegangenen Ausführungsform über Flussumschaltungsmagnete.
Jeder Endpolschuh ist mit einer Magnetfeder 636 oder 636' befestigt,
die an einem Ende des Zylinders 631 angebracht ist und
zudem eine Befestigung an der Tragfeder 640 oder 640' bereitstellt.
Im Inneren einer jeden Magnetfeder 636 oder 636' ist ein Gleitlager-/Dichtungselement 638 oder 638' eingepasst,
um den Läuferschaft zu
lagern. Die Tellerfedern 640 und 640' sind aus einem
dünnen
Laminat aus (einer) dünnen/-er
Metallplatte(n) und nichtmetallischen/-er Elastomerplatte(n), wie beispielsweise
Gummi oder Kunststoff, geformt, sodass die Federn auch als Membran
zum Abteilen des Raums zwischen Gehäuse 610 und dem Stator 630 in
getrennte gasdichte Räume,
so wie in Folge noch beschrieben wird, dienen. Die Steifheit der
Federn wird so gewählt,
dass die natürliche
Frequenz des Stators annähernd
der Frequenz der Stromzufuhr entspricht.
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In 19 weist die Läufereinrichtung
ein nichtmagnetisches Führungselement
in Form einer dünnwandigen
Röhre 656 auf,
die all die anderen Bestandteile trägt und diese präzise ausgerichtet
hält. Die
Röhre 656 kann
z. B. aus Edelstahl oder Titan gefertigt sein. Der Mittelabschnitt
des Läufers
ist aus einer Reihe an Magneten und Polschuhen, umfassend einen
mittleren Ringmagneten 651, zwei mittlere Polschuhe 652 und 652', zwei Endringmagnete 653 und 653' und zwei Endpolschuhe 654 und 654', die eine Elastomerbuchse 655 und 655' als Aufprallschutz tragen,
gebildet. Der Mittelabschnitt weist eine zylindrische äußere Oberfläche auf, überzogen
mit einem selbstschmierenden Film zur Bildung eines Dichtspalts
mit dem Zylinder 631 in 18.
Im Inneren der Röhre 656 befindet
sich eine Reihe von Stabmagneten 651a, 653a und 653a' und Polschuhen 652a, 652a', 654a und 654a', die den Raum
im Inneren der Röhre
ausfüllen
und eine sehr kompakte Konstruktion bilden. Zwei Zungenventile 660 und 660' mit Einlassöffnungen 657 und 657' und Austrittsöffnungen 658 und 658' zum Einweg-Gasfluss
sind ebenfalls in Inneren der Röhre
eingepasst.
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Ein
jedes Ende der Röhre 656 ist
mit einem Kolbenkopf 665 oder 665' über ein Universalgelenk, gebildet
aus einem kugelförmigen
Element 666 oder 666' und einem Gelenkssitzelement 664 oder 664', verbunden.
Der Einsatz eines Universalgelenks lässt eine "lose Passung" zwischen dem Läuferschaft und dem Kolbenkopf
zu, um zu gewährleisten,
dass der Kolbenkopf 665 oder 665' beim Betrieb nicht seitwärts gerichteten
Kräften
ausgesetzt ist, wodurch die Abnützung
der Dichtungsoberfläche
minimiert wird. Der Kolbenkopf 665 oder 665' kann aus selbstschmierendem
Kunststoff zum schmiermittelfreien Betrieb hergestellt werden. Die
Verwendung eines Kunststoffkolbens hat den Vorteil, dass die Kompressionswärme isoliert
wird und die Magnete des Läufers
nicht beeinträchtigen
kann. Das Sitzelement 664 oder 664' des Gelenks ist eine Verlängerung
des Ventils 660 oder 660', das aus einem leichten und hochfesten
Material, wie beispielsweise technischen Kunststoffen oder Kohlefasermaterialien,
hergestellt ist. Durch Einführen
eines derartigen Elements in die dünnwandige Röhre 656 wird die mechanische
Festigkeit des Schafts erheblich verstärkt. Zusammengebaut hält das Gelenkssitzelement
so wie in der vorangegangenen Ausführungsform zudem eine Tragfeder.
Der Kolbenkopf trägt
auch ein Einwegventil 667 oder 667', das den Gasfluss in den Kompressionsraum
zulässt.
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Die 20A und 20B zeigen die Struktur des Zungenventils 660 oder 660' auf. In 20A besteht das Ventil 660 aus
einem Ventilsitz 661, einem Ventilplättchen 662 und einem
Auslasselement 663, an dem das Ventil angebracht ist. Der
Ventilsitz 661 und das Auslasselement 663 weisen
einander entsprechende winkelige Flächen mit einem dazwischen ausgebildeten
schmalen Spalt auf, in dem sich das Ventil plättchen befindet. Das Ventilplättchen ist
aus einer dünnen
elastischen Platte, wie beispielsweise einer Edelstahl- oder Berylliumkupferplatte,
hergestellt. Das Ventilplättchen
ist entlang der winkeligen Fläche
des Sitzes gebogen, so dass es von der eigenen Federkraft veranlasst
wird, die Einlassöffnung
zu verschließen.
Beim Betrieb dient die winkelige Fläche auf dem Auslasselement 663 als
Anschlag, der ein zu starkes Biegen des Plättchens verhindert. 20B zeigt, dass das Zungenventil über ein
Federband 662a und ein Befestigungsband 662b verfügt, die
zum Zwecke einer sicheren Befestigung einen Kreis rund um das Element 663 bilden.
Diese Konstruktion gewährleistet,
dass ein betriebssicheres Zungenventil in den begrenzten Raum im
Inneren eines Läuferschafts
eingepasst werden kann.
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Nun
wird unter Bezugnahme auf die 16A und 16B der Betrieb des Kompressors 600 beschrieben.
Wird ein Kompressor zusammengebaut, so ist der Stator zur Gänze durch
die beiden Tellerfedern 640 und 640' aufgehängt, und seine äußere zylindrische
Oberfläche
bildet gemeinsam mit der inneren Oberfläche des röhrenförmigen Elements 611,
die auch als Teil des magnetischen Kreis des Stators dient, einen
Spalt (in den 16A und 16B ist dieser Spalt zur
besseren Veranschaulichung übertrieben dargestellt).
Das bedeutet, dass der Stator selbst keinen physischen Kontakt mit
dem Gehäuse 610 hat und
frei schwingen kann. Beim Betrieb, da sowohl der Stator als auch
die Läufereinrichtung
zur Gänze aufgehängt sind
und sich frei hin- und herbewegen können und da die zwischen ihnen
bestehenden aktiven und reaktiven Kräfte immer gleich stark und
entgegengesetzt gerichtet sind, veranlassen sich die beiden gegenseitig
zur Bewegung in entgegengesetzter Richtung, um jeweils die Schwingungswirkung
des anderen auszugleichen. Auf diese Weise weist die Maschine als
Ganzes praktisch keine Schwingungen auf. Der aufgehängte Stator
verhindert zudem eine Geräuschübertragung
außerhalb des
Kompressors. Ergebnis ist eine ruhiger und schwingungsfreier Betrieb.
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Der
Kompressor 600 ist doppelt wirkend mit einer inneren mehrstufigen
Kompressionseinrichtung konstruiert. An jeder Seite des Kompressors
befinden sich vier Räume,
ausgebildet zwischen dem Gehäuse 610,
dem Stator 630 und der Läufer einrichtung 650,
einschließlich
eines Dämpferraums
I oder I' im Gehäuse zwischen
Stator und Tellerfeder, eines ersten Kompressionsraums II oder II' im Inneren des Stators,
eines Zwischenraums III oder III' zwischen Tellerfeder 640 oder 640' und Endeinrichtung 620 oder 620' und eines Kompressionsraums
IV oder IV' der
letzten Stufe im Inneren einer jeden Endeinrichtung. Wie in 16B gezeigt ist, wird die
Läufereinrichtung 650 nach
links getrieben, während
der Stator 630 von einer reaktiven Kraft nach rechts getrieben wird.
In dieser Position saugen die Räume
II und IV an der rechten Seite Gas aus Raum I bzw. III ein, während an
der linken Seite das Gas in der Kammer II' in die Kammer III' über
das Zungenventil 660' und das
Gas in Raum IV' durch
den Ventilblock 670' hinausgedrängt wird.
Das bedeutet, dass zusätzlich zum
schwingungsfreien Betrieb die Bewegung des Stators, auch wenn sie
nur gering ist, einen positiven Beitrag zum Gasverdichtungsvorgang
leistet.
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Letztendlich
ist es noch wert anzumerken, dass, da das Einlassgas in den Dämpferräumen I und I' dazu beträgt, die
Wickelspulen und die Läufermagnete
gekühlt
zu halten, und da die Kompressionsräume IV und IV' der letzten Stufe
vom Stator beabstandet und thermisch isoliert positioniert sind,
die dort erzeugte Kompressionswärme
den Permanentmagneten auf dem Läufer
nicht beeinträchtigt,
wodurch der Wirkungsgrad des Motors hoch ist.
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Industrielle
Anwendbarkeit
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Aus
der obigen Beschreibung ist leicht abzuleiten, dass der Linearmotor
und/oder Kompressor gemäß der vorliegenden
Erfindung zumindest die folgenden Vorteile aufweist.
- a) Hoher energetischer Wirkungsgrad, kompakte Struktur und niedrige
Herstellungskosten.
- b) Hohe Druckleistung und Flussratenleistung.
- c) Schmiermittelfreier, ausleckungsfreier und instandhaltungsfreier
Betrieb.
- d) Schwingungsfreier Betrieb mit geringer Geräuschentwicklung.
- e) Gute Wärmeabfuhr.
- f) Betriebssichere Aufhängung
für eine
lange, problemfreie Nutzungsdauer.
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Letzendlich
ist wohl unnötig
zu erwähnen, dass
die Ausführungsformen
in dieser Beschreibung exemplarischen Charakter haben und auf einfache Weise
von Fachleuten auf dem Gebiet des Erfindung angepasst oder abgeändert werden
können,
wenn das Grundkonzept der Erfindung verstanden wurde. Beispielsweise
ist es einfach, durch Kombinieren der beiden ersten Ausführungsformen
eine dreistufige Kompression innerhalb einer Einheit zu erzielen, während es
bei der dritten und vierten Ausführungsform
möglich
ist, mehr Spulen in den Stator und mehr Magnete in den Läufer einzubauen,
um den Motor leistungstärker
zu machen und um eine relativ lange, dünne Gestalt zur besseren Wärmeabfuhr
bereitzustellen. Weiters können
andere Impedanzelemente, wie beispielsweise vom induktiven oder
widerstandsbehaftenen Typs, zur Erzeugung einer Phasendifferenz
zwischen den Wickelspulen verwendet werden.