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Elektrischer Schwingantrieb für gekapselte Kälteverdichter nach dem
Tauchkolbenprinzip Es gibt bekanntlich zwei Antriebsarten für Kompressions-Kältemaschinen,
solche in offener Bauweise und solche in hermetisch gekapselter Bauweise. Bei der
offenen Bauweise befindet sich der Antriebsmotor außerhalb des Kältemittelkreislaufes,
so daß für die Kraftübertragung eine Stopfbuchse benötigt wird, welche den Kältekreislauf
an der Antriebswelle des Verdichters abdichtet. Bei der hermetisch gekapselten,
Bauweise ist der Antriebsmotor mit dem Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet,
so daß der Motor im Kältekreislauf liegt und vom Kältegas umgeben ist.
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Für kleine Kälteleistungen sind die gekapselten Aggregate den offenen
überlegen, weil sie preiswerter hergestellt werden können und weil sie allein schon
wegen des Wegfalles der Stopfbuchse, die stets eine Fehlerquelle darstellt, betriebssicherer
sind als die offenen Aggregate. Allerdings müssen bei den hermetisch gekapselten
Aggregaten, im folgenden kurz Hermetiks genannt, andere Schwierigkeiten überwunden
werden. Es sei nur auf die selbständige Schmierung der nicht mehr zugänglichen Lagerstellen
und die Abfuhr der Wärme hingewiesen.
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Die gekapselte Bauweise bedingt eine erhöhte Erwärmung, weil die Verlustwärme
des Motors über die gemeinsame Gehäusekapsel mit abgeführt werden muß, wogegen bei
der offenen Bauweise der Motor über einen Riemen den Kompressor antreibt, von diesem
also thermisch getrennt ist. Das ist der Grund dafür, daß die Hermetiks nur für
relativ kleine Kälteleistungen Verwendung finden. Die wirtschaftliche Grenze nach
unten ist bei Verwendung von rotierenden Induktionsmotoren durch die Tatsache gegeben,
daß solche Motoren bekanntlich im Wirkungsgrad um so schlechter werden, je kleiner
ihre mechanische Leistung ist.
Hermetiks, bei denen ein rotierender
Induktionsmotor einen Tauchkolben- oder auch Rollenkolbenkompressor antreibt, sind
in ihren Konstruktionseinzelheiten so ausgereift, daß hinsichtlich Betriebssicherheit
und Herstellungskosten schon das Optimum erreicht sein dürfte.
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Außer rotierenden Antrieben sind auch elektrische Schwingantriebe
für Kälteverdichter nach dem Tauchkolbenprinzip bekanntgeworden. Im Gegensatz zu
rotierenden Antrieben ist bei dieser Art das Optimum noch nicht erreicht, obwohl
die Vorteile dieser Antriebsart gegenüber den rotierenden Antrieben offensichtlich
sind. Es ist nämlich beim Schwingantrieb nur noch ein bewegter Teil vorhanden, gegenüber
mehreren bewegten Teilen bei den bekannten Hermetiks oder offenen Aggregaten mit
rotierenden Antrieben, so daß die Schmierung erheblich vereinfacht wird. Weitere
Vorteile sind z. B. der Wegfall von seitlichen Drücken des Kolbens auf die Zylinderwände,
wodurch die Verschleißfestigkeit und damit die Betriebssicherheit des Kompressors
erhöht wird.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Schwingantrieb für
gekapselte Kälteverdichter nach dem Tauchkolbenprinzip; sie beruht auf der Erkenntnis,
daß es durch die Kombination dreier Merkmale, die bisher noch nicht gemeinsam bei
Antrieben für Kälteverdichter angewendet worden sind, gelingt, betriebssichere gekapselte
Kälteverdichter hohen Wirkungsgrades zu einem Preis herzustellen, der wesentlich
unter dem Preis aller bekannten Hermetiks liegt. Unter Beachtung der erfinderischen
Lehre können wirtschaftlich arbeitende Hermetiks selbst mit sehr kleiner Kälteleistung
hergestellt werden, z. B. in Form kleiner Tauchkühler, die in der Handhabung ähnlich
wie die Tauchsieder sind, nur daß sie eine Flüssigkeit kühlen statt erwärmen. Dies
gelingt mit den bisher bekannten Antrieben nicht.
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Die drei erwähnten Merkmale, deren Kombination den erfindungsgemäßen
Antrieb für Kälteverdichter ergibt, sind: a) eine von Wechselstrom gespeiste Luftspule,
die, gegebenenfalls mit Hilfe eines praktisch metallfreien Trägerkörpers, mit den
anzutreibenden Elementen verbunden ist; b) ein mit einem Permanentmagneten erregter
magnetischer Kreis, vorzugsweise ein Topfkreis, in dessen Luftspalt sich die Luftspule
mit einer praktisch wegunabhängigen Kraft frei bewegt; c) die Abstimmung des Schwingsystems,
d. h. der Masse der Spule und der an ihr befestigten Massen, also vornehmlich der
anzutreibenden Elemente, unter Berücksichtigung der Federwirkung des Gasmediums
beim Verdichten und Entspannen, der Reibung und der Nutzbarkeit, mittels einer Feder
auf die Frequenz oder nahezu auf die Frequenz des die Luftspule durchfließenden
Wechselstromes.
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Nur durch Kombination dieser drei Merkmale ist es möglich, den Wirkungsgrad
des Schwingantriebes so zu steigern, daß die durch die Verlust-Leistung des Schwingantriebes
verursachte zusätzliche Erwärmung des gekapselten Kälteaggregates klein genug gehalten
wird, um neben geringen Herstellungskosten auch eine kältetechnische Überlegenheit
über gekapselte Verdichter mit rotierendem Antriebsmotor zu erzielen. Läßt man aus
der erfinderischen Kombination dieser drei Merkmale nur eines weg, so sinkt der
Wirkungsgrad des Schwingantriebes in einem Maße, daß dieser sich unzulässig hoch
erwärmt. Der Schwingantrieb bietet dann gegenüber den bekannten rotierenden Antriebsmotoren
keinen wirtschaftlichen Vorteil mehr. Dies trifft z. B. bei bekannten Schwingantrieben
für gekapselte Kälteverdichter zu, bei welchen ein fremderregter Topfmagnet mit
einer Schwingspule zusammenwirkt. Es ist ein System dieser Art bekannt, bei dem
in Verbindung mit einem fremderregten Magneten eine Luftspule vorgesehen ist, die
nicht in mechanischer Resonanz arbeitet. Ferner ist ein Antriebssystem bekannt,
das zwar mit mechanischer Resonanz arbeitet, aber ebenfalls einen fremderregten
Magneten und überdies einen in sich geschlossenen und metallischen, eisenhaltigen
Spulenkörper aufweist. Auch auf anderen Anwendungsgebieten von Schwingantrieben
sind bisher die erfindungsgemäßen Kombinationsmerkmale nicht gemeinsam angewendet
worden, wie dies eine Einrichtung zeigt, die einen Schwingantrieb für Rüttelsiebe
od. dgl. betrifft, welche mit einem fremderregten Magneten und einer Schwingspule
ausgestattet ist, deren Erregerstrom von der mechanischen Resonanzschwingung des
Schwingsystems abgeleitet und auf konstante Schwingungsamplitude eingeregelt wird.
Als Tragkörper der Schwingspule ist hierbei auch ein geschlossener Metallkörper
vorgeschrieben.
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Alle diese bekannten Konstruktionen für Schwingantriebe, welche höchstens
zwei Merkmale der Erfindung aufweisen, sind für gekapselte Kälteverdichter unbefriedigend,
da alle drei Kombinationsmerkmale der Erfindung gemeinsam die notwendige Erhöhung
des Wirkungsgrades und damit die kleinstmögliche Wärmeerzeugung des Schwingantriebes
gewährleisten, um den Erfordernissen bei gekapselten Kälteverdichtern zu genügen.
Dies ergibt sich aus folgenden Überlegungen r. Die Wicklung der Spule als Luftspule
oder auf einem praktisch metallfreien Trägerkörper ist unerläßlich. Spulenkörper
aus Metall ergeben zusätzliche Erwärmungen. Zunächst tritt dadurch Erwärmung auf,
daß der Spulenstrom im metallischen Spulenkörper als Sekundärwicklung der Spulenwicklung
Induktionsströme erzeugt. Ferner induziert das Magnetfeld des Topfmagneten im bewegten
metallischen Spulenkörper Wirbelströme, die ihrerseits eine Erwärmung verursachen.
Außerdem versucht das Magnetfeld die Bewegung des Spulenkörpers infolge dieser Wirbelströme
zu bremsen, was mit einer Hubminderung verbunden ist. Um wieder auf den gewünschten
Hub zu kommen, müßte der Spulenstrom erhöht werden, was eine Erhöhung der ohmschen
Verluste in der
Spulenwicklung und eine weitere Wärmeentwicklung
zur Folge hätte, so daß der metallische Spulenkörper also in dreierlei Hinsicht
als zusätzliche Wärmequelle wirken würde.
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2. Die Verwendung eines Permanentmagneten ist ebenfalls unerläßlich.
Bei Einführung einer Fremderregung entstehen zwei Wärmequellen. Die eine ist durch
die rein ohmschen Verluste in der Wicklung der mit Gleichstrom betriebenen Fremderregerspule
gegeben. Eine zweite Wärmebildung wird durch die erhöhten Wirbelströme im magnetischen
Kreis bei Fremderregung verursacht, denn ein solcher Kreis hat im Vergleich zu einem
permanent erregten Magnetkreis einen um ein Vielfaches größeren magnetischen Leitwert
für die Wechselmagnetisierung durch den Spulenstrom.
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3. Ein nicht in Resonanz oder Resonanznähe arbeitendes System hat
einen schlechten cos cp. Das bedeutet Erhöhung der Scheinleistung, Erhöhung des
Spulenstromes und damit weitere Erwärmung.
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Die Zeichnung zeigt als Ausführungsbeispiel schematisch und teilweise
im Schnitt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Tauchkühler, bei dem in an sich bekannter
Weise der Verdichter zu beiden Seiten der Luftspule angeordnet ist.
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In der Zeichnung ist 2 ein Ringmagnet aus magnetischem Werkstoff von
großer magnetischer Energiedichte. Die Buchstaben N und S bezeichnen seine Polarität;
3 und q. sind Polschuhe aus Weicheisen, die den Magnetkreis so schließen, daß nur
noch der Ringspalt 5 frei bleibt. 2 bis 5 bilden damit den Topfmagneten mit Ringspalt.
Im Ringspalt 5 bewegt sich frei die Tauchspule 6, deren Kupferwindungen an die Sekundärwicklung
des Zwischentransformators 7 angeschlossen sind und die samt den mitbewegten Massen
durch eine Feder auf Resonanzschwingung abgestimmt ist. Die Primärwicklung des Transformators
7 führt zu den Stiften 8 eines Steckkontaktes, der in jede Lichtsteckdose eingesteckt
werden kann. Der Transformator 7 setzt die Netzspannung, im allgemeinen 220 Volt,
auf etwa q. bis 6 Volt herunter. Bei vorgegebener Breite des Ringspaltes 5 kann
man nämlich die Wicklung der Tauchspule nicht beliebig hochohmig machen und muß
deshalb mittels eines Zwischentransformators die Spannung herabsetzen. Der Zwischentransformator
kann, wie in der Zeichnung dargestellt ist, mit dem Steckkontakt zu einer Einheit
zusammengebaut oder in einem besonderen Kästchen untergebracht werden, das zwischen
Steckdose und Tauchspule in das Zuleitungskabel eingeschaltet wird. 2 bis 8 stellen
somit den Tauchspulenantrieb dar.
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Die Tauchspule ist mit der Kolbenstange 9 verbunden, an der die beiden
Verdichterkolben io und i i befestigt sind. Die Kolbenstange wird zweckmäßig durch
den Polschuh q. und die Tauchspule 6 hindurchgeführt. Damit erhält man einen doppelt
wirkenden gekapselten Verdichter, ohne daß die Kolbenstange durch Stopfbuchsen hindurchgeführt
werden muß. Die Zylinder i2 und 13, die Überdruckventile 1q. und 15 und die Ansaugventile
16 und 17 vervollständigen den doppeltwirkenden Verdichter. Die Zylinder sind über
Rohrleitungen 18, i9 und 2o mit dem Kondensator 21 verbunden, in dem das komprimierte
Kältemittel unter Wärmeabgabe an die Luft verflüssigt wird. Konstruktiv kann der
Kondensator 21 spiralig um den Topfmagneten des Tauchspulenantriebs und die übrigen
Bauteile herumgewickelt werden. Vom Kondensator 21 führt die Rohrleitung 22 über
das Drosselventil 23 in den Verdampfer 24., wo das Kältemittel wieder verdampft
und dabei der zu kühlenden Flüssigkeit 25 (gestrichelt gezeichnet) Wärme entzieht.
Das im Verdampfer 2q. verdampfte Kältemittel wird schließlich über Rohrleitungen
26, 27 und 28 vom doppelt wirkenden Verdichter angesaugt und komprimiert dem Kreislauf
neu zugeführt. Die Pfeile an den Rohrleitungen deuten den Kreislauf des Kältemittels
an.