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Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen Schwingkompressors
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines elektromagnetischen
Schwingkompressors, durch das erreicht wird, daß der Kompressor über einen verhältnismäßig
großen Druckbereich eine annähernd konstante Leistung abgibt und daß dabei der schädliche
Raum praktisch konstant bleibt. Diese Eigenschaften sind besonders erwünscht bei
einer Verwendung solcher Kompressoren zum Betrieb kleinerer Kältemaschinen.
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Die meisten bekannten elektromagnetischen Schwingkompressoren werden
nach dem sogenannten Resonanzprinzip betrieben, d. h., daß das schwingende mechanische
System auf eine Eigenfrequenz abgestimmt ist, welche zumindest annähernd der Frequenz
entspricht, mit dem das elektromagnetische Antriebssystem erregt wird. Der Nachteil
dieser mit Resonanz schwingenden Systeme besteht vor allem darin, daß diese stark
frequenzabhän.gig sind und daß sich die Schwingungsweite bei Belastungsänderungen
und damit der schädliche Raum ebenfalls stark ändert. Dies führt bei den bekannten,
nach dem Resonanzprinzip arbeitenden Kolbenkompressoren außerdem zu dem gefürchteten
Anschlagen des Kolbens an den Zylinderboden bzw. des Ankers an das Magnetsystem
bei Leerlauf oder zu geringem Gegendruck und damit zu einer Gefährdung der Ventile.
Außerdem ist damit eine starke Geräuschbildung verbunden. Es ist bereits vorgeschlagen
worden, den schädlichen Raum durch eine mechanische Begrenzung des Ankerhubes konstant
zu halten. Diese Maßnahme führt aber dazu, daß auch der Hub unabhängig von der Belastung
praktisch konstant
bleibt, wodurch unnötige Nutzleistung vernichtet
wird. Verwendet man an Stelle der Kolbenkompressoren Membrankompressoren, was an
sich auch bekannt ist, so kann man nur sehr geringe Schwingungsamplituden anwenden
und muß zur Erzielung einer ausreichenden Leistung unverhältnismäßig große Membranflächen
vorsehen, was nicht nur fertigungsmäßig erhebliche Schwierigkeiten bereitet, sondern
auch zu räumlich ausgedehnten Konstruktionen führt.
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Um. den eingangs genannten Forderungen gerecht zu werden, geht die
Erfindung einen ganz anderen Weg. Sie verzichtet bewußt auf das Resonanzprinzip
und geht von einem Kompressor aus, der mit erzwungenen Schwingungen arbeitet und
aus einem Kolben mit einem fest mit diesem verbundenen Anker besteht, der in einem
variierenden Feld angebracht ist, frei axial verschiebbar im Takt mit den Feldänderungen,
und der weiter eine Feder besitzt, die bei der Anzugsbewegung des Ankers in das
Feld gespannt und bei der Rückbewegung entspannt wird und dabei Kompressionsarbeit
leistet.
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Zum Betrieb eines solchen Kompressors wird erfindungsgemäß ein Verfahren
vorgeschlagen, das darin besteht, d-aß zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes
ein Impulsstrom, insbesondere ein Halbwellenstrom, verwendet wird, der unter gleichzeitiger
Wahl einer Eigenresonanz des schwingenden mechanischen Systems, welche wesentlich
verschieden von der Frequenz der Feldänderungen ist, ferner unter geeigneter Wahl
seiner Masse sowie des Arbeitsluftspaltes in der Ruhelage eine solche Phasenverschiebung
gegenüber der Ankeröevregung erhält, daß die Schwingungsnullinie des mechanischen
Systems bei durch Belastungsänderungen bedingter Änderung der Amplitude der Bewegung
des mechanischen Systems derart verschoben wird, daß der Bewegungsumkehrpunkt des
mechanischen Systems im der Kompressionsendlage des Kolbens sich nicht ändert.
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Durch dieses Betriebsverfahren wird erreicht, daß einerseits der schädliche
Raum über einen weiten Druckbereich praktisch konstant bleibt, während der Hub des
Kolbens sich entsprechend den. vorhandenen Gegendrücken ändern kann, und damit eine
über den gleichen weiten Bereich praktisch konstante Leistung.
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Die Eigenschaft, daß bei dem Kolbenkompressor nach der Erfindung immer
die gleiche Lage für den Bewegungsumkehrpunkt des Kolbens in der Kompressionsendlage
beibehalten wird, ist, wie bekannt, auch bei mittels Kurbelwelle angetriebenen Kolbenkompresso:ren
vorhanden. Bei elektromagnetisch angetriebenen Kolbenkompressoren bisher bekannter
Ausführungen ist die genannte Eigenschaft dagegen nur in dem Fall vorhanden, in
dem sämtliche Betriebsbedingungen völlig konstant bleiben. Erfolgt bei diesen früheren
Ausführungen eine Änderung einer oder mehrerer Betriebsbedingungen, z. B. der Speisespannung
des Elektromagneten oder des geforderten Kompressionsdruckes, so bleibt indessen
die Lage für diesen Bewegungsumkehrpunkt nicht unverändert, und dadurch wird die
Hublänge oder die Bewegungsamplitude des Kompressorkolbens und damit der schädliche
Raum im Kompressorzylinder verändert, was zur Folge hat, daß der Nutzeffekt des
Kompressors in entsprechendem Grade verschlechtert und sein Anwendungsgebiet begrenzt
wird. Der Kolbenkompressor der Erfindung weist diese Nachteile nicht auf.
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Man hat für die eingangs genannten bekannten Schwingkompressoren bereits
gewisse elektrische und mechanische Regeleinrichtungen vorgeschlagen, durch die
die genannten Nachteile in gewissem Grad reduziert werden konnten. Diese Regeleinrichtungen
sind jedoch sehr kompliziert und heben dadurch den Wert der Vorteile auf, die die
elektrisch angetriebenen Kolbenkompressoren im übrigen durch ihre Einfachheit und
Betriebssicherheit aufweisen.
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Die Erfindung und ihre Kennzeichen sind im folgenden im Zusammenhang
mit der Beschreibung einiger in der Zeichnung veranschaulichter Ausführungsformen
näher angegeben und erklärt. Von den Figuren zeigt Fig. i im Längsschnitt einen
erfindungsgemäß ausgeführten, elektromagnetisch angetriebenen Kolbenkompressor.
Der Unterschied in der Arbeitsweise zwischen früher bekannten, elektromagnetisch
angetriebenen Kolbenkompressoren und Kolbenkompressoren nach der Erfindung ist mittels
Fig. 2 bis 5 verdeutlicht, die Diagramme der Bewegungslage eines Punktes des Kompressorkolbens
während des Betriebes als Funktion der Zeit darstellen. Hierbei zeigen die Diagramme
in Fig. 2 und ¢ diese Funktion bei wachsender Kolbenhubamplitude bei bekannten Systemen
einerseits bzw. bei einem nach der Erfindung betriebenen Kompressor andererseits,
während Fig. 3 und 5 in entsprechender Weise die fragliche Funktion bei abnehmender
Kolbenhubamplitude zeigen; in Fig. 6 bis 8 sind verschiedene Anordnungen angegeben,
um die zum Betrieb eines Kolbenkompressors gemäß der Erfindung erforderlichen Impulsströme
zu erzeugen.
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Die Mittellinie der hin- undhergehendenKolbenbewegung ist in Fig.
2 bis 5 mit 9 und die genannte Funktion mit fo bezeichnet. Die Ordinatenlage der
Mittellinie 9 bleibt in Fig. 2 und 3 unverändert, was ein Ausdruck dafür ist, daß
die Mittellage der Kolbenbewegung von dem Amplitudenwert dieser Bewegung unabhängig
ist. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird bei einem in dieser Weise arbeitenden, elektromagnetisch
angetriebenen Kolbenkompressor der schädliche Raum i i, d.-h. der Raum zwischen
der Kompressionsendlage des Kolbens und dem Zylinderboden, bei wachsendem Amplitudenwert
fortschreitend vermindert, und beim Überschreiten eines gewissen Amplitudenwerts
schlägt der Kolben sogar an den Zylinderboden an. Bei dein in Fig. 3 veranschaulichten,
entsprechenden Fall mit abnehmendem Amplitudenwert erfolgt statt dessen eine Vergrößerung
des schädlichen Raumes-, was mit sich bringt, daß der Wirkungsgrad und das Kompressionsvermögen
des Kompressors verschlechtert wird.
Wie aus Fig. 4 und 5 hervorgeht,
ist im Unterschied hierzu die Ordinatenlage der Mittellinie 9 beim Kolbenkompressor
der Erfindung mit der Zeit nicht unverändert, und dies ist ein Ausdruck dafür, daß
hier die Mittellage der Kolbenhu@bbewegung von dem Amplitudenwert der Kolbenhubbewegung
abhängig ist. Dieses Abhängigkeitsverhältnis ist erfindungsgemäß so bestimmt, daß
der Bewegungsumkehrpunkt des Komp.ressorkolbens in der Kompressionsendlage (ein
Punkt, der in Fig. 4 und 5 mit 12 bezeichnet ist) ständig in gleicher oder annähernd
gleicher Lage auf der Verschiebungsachse des Kolbens gehalten wird, und zwar auch
bei variierenden Amplitudenwerten der Kolbenhubbewegung. Hierdurch erreicht man,
daß der schädliche Raum i i, dessen Volumen selbstverständlich immer das kleinstmögliche
sein soll, hinsichtlich seiner Größe konstant bleibt.
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Wie man mit Hilfe der Anordnung. der Erfindung die der Erfindung zugrunde
liegende, vorteilhafte Regel verwirklicht, daß der Bewegungsumkehrpunkt des Kompressorkolbens
in der Kompressionslage hinsichtlich seiner Lage auch bei variierenden Amplituden
der Kolbenhubbewegung unverändert beibehalten wird, ist im Anschluß an die in Fig.
i gezeigte Ausführungsform näher beschrieben.
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Bei dieser Ausführungsform weist der Kolbenkompresso,r einen mit einem
Flansch versehenen Zylinderteil 28 auf, der einen Zylinder 2o für einen Kompressorkolben
14 enthält. Dieser Zylinderteil 28 ist an dem Elektromagneten des Kolbenkompressors
befestigt. Der Kolben 14 ist mittels eines mit Außengewinde versehenen Verbindungsstückes
32 mit einem Magnetanker 13 fest verbunden und bildet zusammen mit diesem Anker
ein in der Achsenrichtung des Kolbens 14 hin und her frei verschiebbares mechanisches
System. Der Magnetanker 13 hat zylindrische Form. Die Wicklung des Elektromagneten
ist in Form einer zylindrischen Wicklungsspule 15 ausgeführt, in deren zylindrischem
Hohlraum der Anker 13 frei verschiebbar ist. Der Magnetkern des Elektromagneten
besteht aus einem die Wicklungsspule 15 an der Mantelfläche und den Endflächen umschließenden,
aus Eisen oder einem anderen geeigneten magnetischen Metall hergestellten Kernorgan
16. Dieses ist im Beispiel an dem Flansch des Zylinderteiles 28 mit Hilfe eines
Schraubenverbandes befestigt. Die Endstücke des Kernorgans 16 sind mit der Bewegungsbahn
des Magnetankers 13 zugewandten Polflächen versehen, die mit dem Anker
13 zusammenwirken.
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Auf das Verbindungsstück 32 ist ein tellerähnliches Organ 24 aufgeschraubt,
das durch diese Anordnung an dem beweglichen mechanischen System längs verschiebbar
befestigt ist. Zwischen dem Organ 24 und dem Kernorgan 16 ist eine Schraubenfeder
3 i angebracht, die als Druckfeder angeordnet und beständig bestrebt ist, das bewegliche
mechanische System nach der Kompressionsendlage des Kolbens 14 zu verschieben, in
der der Kolben in der Zeichnung dargestellt ist. Mit Hilfe des Organs 24 kann die
Ruhestellung des Ankers gegenüber dem Magnetsystem geregelt und damit die den jeweiligen
Betriebsverhältnissen entsprechende Einstellung des axialen Luftspaltes erhalten
werden, die für die Erfüllung der Bedingung, daß der Bewegungsumkehrpunkt des Kolbens
14 in der Kompressionsendlage ständig in gleicher axialer Lage gehalten wird, am
günstigsten ist.
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Wie aus Fig. i hervorgeht, ist der Magnetanker 13 mit axial verlaufenden
Schlitzen versehen, um Verluste, die durch Wirbelströme im Anker auftreten können,
herabzusetzen. Aus dem gleichen Grund ist das Kernorgan 16 zweckmäßig mit axial
verlaufenden Schlitzen versehen. Der Anker 13 kann mit Vorteil auch mit einer in
der Zeichnung nicht dargestellten Kurzschlu,Bwicklung versehen sein, die beispielsweise
die Form eines Kurzschlußringes haben kann.
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Beim Kolbenkompressor gemäß Fig. i ist das m'echanisc'he System in
zwei Lagerstellen längs verschiebbar gelagert, von denen die eine aus dem Kolben
14 und dem Zylinder 2o des Kompressors besteht. Zwecks Bildung der anderen Lagerstelle
ist der Anker 13 mit einer axialen Bohrung i7'versehen, in die ein Zapfen 18 eingreift,
der ein Stück mit einer Platte i9 bildet, die am Kernorgan 16 festgeschraubt ist.
Der Lagerzapfen 18 und der Anker 13 sind mit axial verlaufenden Bohrungen 2i versehen,
in die ein Kugelsaugventil 22 und ein Kugeldruckventil 23 eingesetzt sind. Bei der
Bewegung des Ankers 13 wirkt der Lagerzapfen 18 als Ölpumpe und führt Schmieröl
durch die Bohrung 21 des Ankers zu den Gleitstellen des Kolbens 14.
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Das Kernorgan 16 des Elektromagneten ist in ein mit Kühlflanschen
25 versehenes Gehäuse 26 eingesetzt, das durch eine Platte 27 und den Flansch des
Zylinderteils 28 hermetisch verschlossen ist.
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Auf dem Zylinderteil 28 ist ein Deckel 17 lösbar befestigt, dessen
dem Zylinder 20 zugekehrte, den Zylinderboden bildende Seite mit einem Saugventil
29 und einem Druckventil 30 versehen ist. Diese Ventile kommupizieren über
nicht dargestellte Leitungen mit der Druckmedium verbrauchenden Anordnung, für die
der Kompressor benutzt wird und die beispielsweise aus einem mit einem kondensierbare-n,
gasförmigen Medium arbeitenden Kühlsystem in einem Haushaltskühlschrank bestehen
kann.
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Wie nun bei einem Kompressor der vorstehend beschriebenen Art die
erfindungsgemäße Wirkungsweise zustande kommt, sei im folgenden kurz erläutert.
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Es ist zunächst wohl klar, daß der Kraft, die von der gespannten Feder
3 i auf das bewegliche mechanisierte System ausgeübt wird, gegen das Ende der Bewegung
dieses mechanischen Systems, also zur Kompressionsendlage hin, eine Gegenkraft entgegengesetzt
werden muß, schon um zu verhindern, daß der Kolben beim Betrieb an den Zylinderboden
anschlägt. Eine gewisse Bremswirkung wird zwar bereits durch die Gegenkraft des
komprimierten Gases erzeugt, jedoch reicht diese allein nicht aus, die gewünschte
Konstanthaltung der Totpunktlage
zu erzielen. Es ist erkannt worden,
daß man als Gegenkraft die elektromagnetische Anzugskraft selbst ausnutzen kann,
wenn man dieser nur eine entsprechende Phasenverschiebung gegenüber der Bewegungskurve
des Ankers und die richtige Größe gibt.
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Um diese Phasenverschiebung zu erzielen, sind verschiedene Bedingungen
zu erfüllen: Erstens müß das schwingende mechanische System auf eine Eigenschwingung
abgestimmt sein, die von der Erregerfrequenz des elektromagnetischen Antriebssystems
verhältnismäßig weit entfernt ist. Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, diese Eigenfrequeaiz
niedriger als die Erregerfrequenz zu machen, und bei dem in Fig. i dargestellten
Kompressor liegt daher die Eigenschwingung des mechanischen Systems bei etwa, 35
Hz. Ferner muß, wenn der Erregerstrom während des von einer Feder ausgeübten Kompressionshubes
wirksam werden soll, zur Erzeugung des magnetischen Feldes ein impulsförrniger Strom
verwendet werden. Am einfachsten ist dies durch Einweggleichrichtung eines Wechselstromes
mittels eines Gleichrichters zu erreichen. Aber auch die Überlagerung eines normalen
Wechselstromes mit einem Gleichstromentsprechender Größe> gemäß einer der in Fig.
6 bis ä dargestellten Anordnungen kann zu ähnlichen brauchbaren Ergebnissen führen.
Das Ausmaß der Phasenverschiebung wird weitgehend bestimmt durch die Masse des mechanischen
Schwingsystems, die nicht zu klein werden darf. Sie beträgt beispielsweise bei dem
beschriebenen Beispiel mit der Eigenschwingung von 35 Hz etwa iooo g. Schließlich
ist noch die Einstellung der Ankerlage im Ruhezustand des Systems, d. h. also bei
Stromlosigkeit, für die Erzielung einer optimalen Wirkungsweise von Bedeutung. Diese
muß so sein, daß der Anker in seiner Ruhelage, die etwa der Kompressionsendlage
entspricht, gegenüber dem unteren Pol des Magnetsystems einen solchen Abstand besitzt,
daß ein beträchtlicher axialer Luftspalt und damit ein großer magnetischer Widerstand
vorhanden ist.
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Erfüllt man diese Begingungen, so erhält man eine Wirkungsweise, die
dadurch gekennzeichnet ist, daß im Verlauf der Federentspannung, also während der
Anker sich aus dem Magnetfeld heraus und nach der Kompressionsendlage hin bewegt,
das magnetische System zunächst stromlos ist, daß dann aber der Strom in der Spule
bereits stark ansteigt und in der Regel noch vor Erreichen des oberen Totpunktes
des mechanischen Systems sein Maximum erreicht, so daß der magnetische Ankeranzug
und auch die Federspannung nur durch den zweiten Teil einer Stromhalbwel.le, in
welchem der Strom ständig abnimmt, bewirkt wird. Die Stromhalbwelle wird dabei bereits
zu Null, bevor die Feder voll gespannt ist. Die kinetische Energie der Masse des
schwingenden mechanischen Systems bewirkt jedoch, daß der Anker weiter durchschwingt
und dabei die Federweiter spannt. Je nach der Belastung ändert sich die Phasenverschiebung
zwischen Strom und Ankerbewegung, jedoch liegt das Strommaximum und damit das Maximum
der magnetischen Feldstärke stets nahe der Kompressionsendlage und bewirkt damit,
daß der Kolbenentsprechend stark abgebremst wird und bei allen Drücken praktisch
in derselben Lage seine Bewegung umkehrt. Infolge des Gasgegendruckes und der von
diesem durch die Phasenverschiebung abhängigen magnetischen Anzugskraft wird der
Anker je nach der Belastung verschieden tief in das Magnetsystem hineingezogen,
wodurch sich die in Fig. 4. und 5 gezeigte Kurve der mechanischen Schwingungen ergibt.
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Die aus der Wicklungsspule und dem mit dieser in Reihe geschalteten
Einweggleichrichter bestehende Stromspeiseanordnung hat deutlich die Eigenschaft,
daß der Kompressorkolben dadurch mit einer Kolbenhubfrequenz getrieben wird, die
der Frequenz des speisenden Wechselstroms gleich ist. Die Anordnung hat auch. die
Eigenschaft, von Frequenzvariationen solcher Größe, wie sie praktisch in elektrischenWechselstromverteilungsnetzen
vorkommt, völlig unabhängig zu sein.