EP1831554B1 - Linearverdichter - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät.
• Aus US6 596 032 B2 ist ein Linearverdichter mit einem Zylinder, einem in dem Zylinder in dessen Längsrichtung oszillierend beweglichen, druckfluidgelagerten Kolben und einem die Bewegung des Kolbens antreibenden Antriebsaggregat bekannt. Bei diesem Linearverdichter ist in der Wand des Zylinders ein umlaufender Hohlraum gebildet, der mit Druckfluid gespeist ist und mit dem Innenraum des Zylinders, in welchem sich der Kolben bewegt, durch eine Vielzahl von über die Seitenwand des Zylinders verteilten Öffnungen kommuniziert. Aus diesen Öffnungen in die Zylinderkammer eindringendes Druckfluid bildet ein Kissen, auf dem der Kolben ohne Kontakt mit der Seitenwand gleitet. Da das Kissen einen Reibkontakt zwischen Kolben und Zylinder verhindert, kann ein solcher Linearverdichter im Dauerbetrieb lange Zeit arbeiten, ohne dass Reibverschleiß zu einer merklichen Abnahme des Wirkungsgrades führt.
• Beim praktischen Einsatz des Verdichters in einem Kältegerät hingegen zeigt sich eine unerwartet schnelle Abnahme des Wirkungsgrades.
• Aus US6 642 377 B2 ist ein Linearverdichter bekannt, bei dem der Kolben nicht druckfluidgelagert ist. Um eine exakte Ausrichtung des Kolbens im Zylinder zu erzielen, wird vorgeschlagen, vor dem Einfügen des Kolbens in die Zylinderkammer eine Beschichtung aus einem festen Gleitmittel wie etwa PTFE oder eine DLC-Schicht an der Oberfläche des Kolbens oder des Zylinders anzubringen, so dass Kolben und Zylinder zusammengefügt werden können und ein zwischen ihnen für den Dauerbetrieb erforderliches Spiel durch Abtragen der Beschichtung in einer Einlaufphase des Verdichters erhalten wird.
• Aus EP 1 450 042 A1 (nächsten Stand der Technik) ist bekannt, den Kolben eines Linearverdichters zu beschichten, wobei das Material des Kolbens und/oder seiner Beschichtung einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material des Zylinders.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den oberbegriffsgemäßen Linearverdichter so weiterzubilden, dass dieser auch bei lang andauerndem Betrieb in einer praktischen Anwendung wie etwa einem Kältegerät einen gleichbleibenden Wirkungsgrad aufweist.
• Die Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
• Es zeigt sich nämlich, dass unerwarteterweise beim Betrieb eines Linearverdichters vom oberbegriffsgemäßen Typ in einem Kältegerät nach langem Betrieb trotz der Druckfluidlagerung Reibverschleißerscheinungen an Zylinder und Kolben auftreten, die zu einem im Laufe der Zeit zunehmenden Entweichen von Fluid aus der Zylinderkammer durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand führen. Wenn nämlich das Druckfluid, das zur Aufrechterhaltung des Kissens benötigt wird, von einem Hochdruckanschluss des Verdichters abgezweigt wird, so hat dies zur Folge, dass jeweils zu Beginn und Ende einer Betriebsphase des Verdichters, wenn der Druck am Hochdruckanschluss des Verdichters niedriger ist als während des kontinuierlichen Betriebs, das Kissen nicht ausreichend wirksam ist, um einen Reibkontakt zwischen den Seitenflächen von Kolben und Zylinder zu verhindern. Um in diesen Betriebsphasen Verschleiß zu verhindern, ist die abriebfeste Gleitschicht erforderlich.
• Während bei dem Verdichter aus US6 642 377 B2 die DLC- oder PTFE-Gleitschicht nicht abriebfest sein soll, so dass sie abgetragen ist, wenn ein für den Betrieb des Verdichters gewünschtes Spiel zwischen Kolben und Zylinder hergestellt ist, ist es für die vorliegende Erfindung wichtig, dass die Gleitschicht auch vorhanden ist, wenn das für einen effizienten Betrieb der Druckfluidlagerung erforderliche Spiel zwischen den Seitenflächen von Kolben und Zylinder vorhanden ist. Überraschender Weise wurde herausgefunden, dass die Gleitschicht nicht wirkungsgradmindernd wirkt und ein wirkungsgradoptimierter Betrieb des Verdichters über dessen Brauchbarkeitsdauer durch die Gleitschicht erzielt ist.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1

eine perspektivische Ansicht eines Linearverdichters; und

Fig. 2

einen Schnitt durch den Zylinder des Linearverdichters.

• Der in Fig. 1 in perspektivischer Ansicht gezeigte Linearverdichter hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen, der aus drei Teilen, nämlich zwei flachen Wandstücken 1 und einem Bogen 2, zusammengesetzt ist. Zwischen einander zugewandten Stirnseiten des Bogens 2 und der zwei Wandstücke 1 ist eine erste Membranfeder 3 eingespannt; eine zweite Membranfeder 4 von gleicher Gestalt wie die Membranfeder 3 ist an den vom Bogen abgewandten Stirnseiten der Wandstücke 1 befestigt.
• Die aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben jeweils zwei langgestreckte Randstreifen 7, der die Stirnseiten der Wandstücke 1 bzw. des Bogens 2 überdecken, und vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den Enden der Randstreifen 7 aus zu einem Mittelabschnitt 6 erstrecken, an dem sie zusammentreffen. Der Mittelabschnitt 6 weist jeweils drei Bohrungen auf, zwei äußere, an denen mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 13 ein permanentmagnetischer Schwingkörper 8 aufgehängt ist, und eine mittlere Bohrung, durch die sich bei der Membranfeder 3 ein an den Schwingkörper 8, z. B. durch Verschraubung, befestigter Stangenabschnitt 10 erstreckt.
• Der Stangenabschnitt 10 ist mit einer Übertragungsstange 9 über einen flexibel biegsamen verjüngten Abschnitt 11 verbunden. Ein zweiter verjüngter Abschnitt 12 verbindet die Übertragungsstange 11 einteilig mit einer Kolbenstange 14, die in eine von dem Bogen 2 getragene Pumpkammer 15 eingreift, durch eine Bohrung in einer Stirnwand der Pumpkammer geführt ist und in der Pumpkammer 15 mit einem darin beweglichen Kolben 16 (siehe Fig. 2) verbunden ist.
• Zwei Elektromagnete mit E-förmigen Joch und einer um den mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils zwischen dem Schwingkörper 8 und den Wandstücken 1 mit dem Schwingkörper zugewandten Polschuhen angeordnet und dienen zum Antreiben einer Schwingbewegung des Schwingkörpers 8.
• Da die starr mit dem Kolben 16 verbundene Kolbenstange 14 in der stirnseitigen Bohrung der Pumpkammer 15 geführt ist, ist der Kolben 16 gegen Verkanten geschützt, auch wenn seine Ausdehnung in Richtung der Hin- und Herbewegung gering ist. Der Kolben 16 belegt daher wenig Platz in der Pumpkammer 14, so dass ein großes wirksames Volumen bei kleinen Außenabmessungen erreicht wird.
• Die Pumpkammer 15 ist von einem Hohlraum 17 ringförmig umgeben, der mit der Pumpkammer 15 durch eine Vielzahl von Öffnungen 18 in deren Seitenwand kommuniziert und der über einen Durchgang 19 mit von einem Druckanschluss 20 der Pumpkammer abgezweigtem verdichtetem Gas gespeist ist. Das durch die Öffnungen 18 in die Pumpkammer 15 eindringende Druckgas bildet an der Seitenwand ein Kissen, auf dem der Kolben 16, dessen Durchmesser geringfügig kleiner als der freie Durchmesser der Pumpkammer 15 ist, im wesentlichen reibungsfrei gleitet.
• Die an der Wand der Pumpkammer 15 entlanggleitende Mantelfläche des Kolbens 16 ist mit einer DLC- (diamond-like carbon)-Schicht 21 überzogen. Die DLC-Schicht 21 kann insbesondere eine tetrahedrale Carbonschicht (ta-C) oder eine amorphe wasserstoffhaltige Carbonschicht (a-C:H) sein. Derartige Schichten stellen einen hochwirksamen Schutz vor Reibverschleiß bei extrem geringer Dicke dar. Das heißt, die Dicke der Schicht 21 kann deutlich geringer als das radiale Spiel zwischen Kolben und Zylinder sein, so dass die Schicht 21 auf einen fertigen, in seinen Abmessungen an die Pumpkammer 15 angepassten Kolben 16 aufgebracht werden kann, ohne dass eine nachträgliche Bearbeitung zur Maßanpassung erforderlich wird. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Realisierung der Erfindung, da die Aufbringung der DLC-Schicht 21 auf den Kolben 16 einen einzelnen zusätzlichen Schritt bei der Fertigung der Verdichter darstellt, der in etablierte Fertigungsabläufe derartiger Verdichter leicht eingefügt werden kann, da er keinerlei Folgeanpassungen wie etwa Abmessungsänderungen an anderen Fertigungsschritten erfordert.

Claims (3)

1. Linearverdichter mit einem Zylinder (15), einem in dem Zylinder (15) in dessen Längsrichtung oszillierend beweglichen, druckfluidgelagerten Kolben (16) und einem die Bewegung des Kolbens antreibenden Antriebsaggregat (1-14), wobei von einander zugewandten Seitenflächen des Kolbens (16) und des Zylinders (15) wenigstens eine mit einer abriebfesten Gleitschicht (21) versehen ist, wobei die mit der Gleitschicht (21) versehene Seitenfläche die Mantelfläche des Kolbens (16) ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (21) eine DLC-Schicht ist, und dass die Dicke der Gleitschicht (21) deutlich geringer ist als das radiale Spiel zwischen Kolben (16) und Zylinder (15).
2. Linearverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen die Gleitschicht (21) tragenden Seitenfläche des Kolbens (16) oder des Zylinders (15) und der dieser zugewandten Oberfläche des Kolbens (16) oder des Zylinders (15) ein ausreichendes Spiel besteht, um eine Bewegung des Kolbens (16) in der Längsrichtung ohne gegenseitige Berührung der Seitenflächen zu ermöglichen.
3. Linearverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Hochdruckanschluss (20) des Verdichters eine Abzweigung (19) für Druckfluid für die Lagerung des Kolbens (16) gebildet ist.

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