EP1831565B1 - Verdichter für ein kältegerüt - Google Patents

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EP1831565B1
EP1831565B1 EP05813686A EP05813686A EP1831565B1 EP 1831565 B1 EP1831565 B1 EP 1831565B1 EP 05813686 A EP05813686 A EP 05813686A EP 05813686 A EP05813686 A EP 05813686A EP 1831565 B1 EP1831565 B1 EP 1831565B1
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piston
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refrigerating appliance
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Erich Hell
Jan-Grigor Schubert
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BSH Hausgeraete GmbH
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BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
    • F04B39/1073—Adaptations or arrangements of distribution members the members being reed valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a refrigerator having a linear compressor for compressing refrigerant with a chamber, a piston movable in the chamber, and valves arranged between the chamber and a suction port and a pressure port defining the flow direction through the compressor from the suction port to the pressure port.
  • the US 4,966,789 indicates as a coating material for valves a coating from the group of silicon carbides, metal carbides, metal nitrides.
  • the object of the invention is to provide a refrigeration device with a linear compressor whose valves have a particularly long service life.
  • This object is achieved in that on moving parts of the valves of the linear compressor, a coating is applied, which is harder than said moving parts, and that the coating is formed by superficial reaction of the material of the moving parts.
  • a particularly close bond between the movable part and the coating formed thereon, in particular ceramic layer, is obtained if the coating is formed by superficial reaction of the material of the moving parts.
  • a hard coating is in particular a ceramic coating into consideration.
  • the material of the ceramic coating in particular oxides, nitrides, carbides or a mixture of several of these substances come into consideration.
  • a spring steel is preferably used as a material for the moving parts.
  • the invention is particularly advantageously applicable to a compressor comprising a linear drive unit acting directly on the piston, for such compressors, as they consist, for example US 6 641 377 B2 are known, in comparison to the rotationally driven compressors have a relatively small piston stroke and therefore have to work with a high frequency of movement and accordingly frequent switching of the valves in order to achieve a required throughput.
  • the invention is advantageously applicable when the piston is stored oil-free in the chamber. While in oil-bearing pistons usually a thin film of oil covers the entire interior of the chamber including the valves, which favors the heat dissipation from the moving parts of the valves, the heat dissipation from the moving parts in oil-free operation is usually much worse, and accordingly great is the thermal load and consequently the tendency of these moving parts to wear.
  • the lower region of the linear compressor shown in FIG. 1 forms a drive unit 1. It comprises a permanent magnetic oscillating body 2 whose longitudinal ends each form opposite magnetic poles.
  • the vibrating body 2 extends through two opposite openings 3 of a chamber 4 which is provided to receive a pair of electromagnets 8.
  • the electromagnets 8, which are diametrically opposite each other on either side of the oscillating body 2, can be connected to an alternating current of controlled frequency in order to generate alternating magnetic fields, each having opposed poles of the same name.
  • the Electromagnets 8 have an iron core 9 of E-shaped cross-section with three parallel legs 11, 12 connected at one end. A winding 10 respectively surrounds the middle leg 11 of each iron core. The tip of the middle leg 11, on the one hand, and the two outer legs 12, on the other hand, each form different pole of each electromagnet 8.
  • the poles alternately attract one of the poles of the oscillating body 2 and the other at the tips of the legs 12, thereby deflecting the vibrating body 2 alternately in opposite directions.
  • each arm 7 receives a 90 ° sector extending from the longitudinal axis of the oscillating body 2, and each arm 7 is shaped in mirror image to the two adjacent arms 7.
  • a compression chamber is connected to the chamber 4 of the electromagnet via an arc 21, which is attached via the opposite ends of the oscillating body of the arms 7 of the upper diaphragm spring 5 to the webs 6 of the top of the chamber 4.
  • a piston rod 22 connects a reciprocating in the compression chamber 20 piston 23 with the vibrating body 2, so that both form a vibratory system whose natural frequency substantially by the mass of the oscillating body 2, the piston 23 and the piston rod 22 and the spring constant the diaphragm spring 5 is fixed.
  • a suction port 24 and a pressure port 25 each open via an inlet valve 26 and an outlet 27 into the compression chamber 20.
  • the valves 26, 27 are exemplified here as plate valves, each with a spring leaf 28 at one end to the wall of the compressor chamber 20 is soldered or fastened in another suitable manner and in its movable portion carries a sealing body 29, which in the in Fig. 1 Each shown configuration contacts a hollow conical valve seat 30, which is formed in the wall of the compression chamber 20.
  • the spring leaf 28 is formed in each case from spring steel.
  • the sealing body 29 can be completely realized as a fixed to the spring leaf 28 ceramic layer; it may also be made of spring steel in the core and be provided with only an outer coating which is too thin to be represented in the figure. In the latter case, the sealing body 29 is preferably formed integrally from the material of the spring leaf 28 by embossing.
  • the outlet valve 27 is in a separate chamber 31 within the wall of the compression chamber into which it can retreat to allow fluid displaced by the upwardly moving piston 23 to flow to the pressure port.
  • a passage 32 From the chamber 31 is a passage 32, which feeds a compression chamber 20 annularly surrounding cavity 33 with compressed fluid.
  • the cavity 33 communicates with the interior of the compression chamber 20 via a plurality of radial bores 24 through which a portion of the fluid displaced by the piston 23 can flow back into the compression chamber 20. It forms a sliding film between the inner wall of the compression chamber 20 and the peripheral surface of the piston 23, which allows it to slide largely frictionless and allows to dispense with oil lubrication of the piston 23.
  • the wear-reducing hard surface layer may be limited to those surface areas of the sealing body 29 that actually come into contact with the valve seat 30; but it can also extend over the entire sealing body or, especially if it is integrally formed from the spring leaf 28, over the entire surface of the spring leaf 28 or at least the valve seat 30 side facing it.
  • It can be produced by reacting a surface layer of the A sealing body in a reactive, for example, oxygen-containing atmosphere or in an oxygen, nitrogen and / or carbon-containing plasma to an oxide, nitride or carbide, wherein the reacted surface layer is a part of the spring steel of the sealing body 29 itself or in advance for the purpose of implementation applied thereto material can, or it is immediately the desired ceramic material such as alumina or zirconia, for example in the form of a suspension or a gel brushed or sprayed on the surface in question and then sintered thereon.
  • a reactive for example, oxygen-containing atmosphere or in an oxygen, nitrogen and / or carbon-containing plasma
  • oxide, nitride or carbide wherein the reacted surface layer is a part of the spring steel of the sealing body 29 itself or in advance for the purpose of implementation applied thereto material can, or it is immediately the desired ceramic material such as alumina or zirconia, for example in the form of a suspension or a gel brushed or sprayed on

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kältegerät mit einem Linearverdichter zum Verdichten von Kältemittel mit einer Kammer, einem in der Kammer beweglichen Kolben und zwischen der Kammer und einem Sauganschluss bzw. einem Druckanschluss angeordneten Ventilen, die die Flussrichtung durch den Verdichter vom Sauganschluss zum Druckschluss festlegen.
  • Ein derartiger Linearvedichter ist z. B. aus der EP 1 450 472 A1 bekannt. Derartige Verdichter sollen Lebensdauern von bis zu 15 Jahren erreichen. Dies bedeutet, dass über diese gesamte Zeit die Ventile hinreichend dicht bleiben müssen, um einen nennenswerten Rückfluss von Kältemittel vom Druckanschluss in die Kammer oder von der Kammer zum Sauganschluss des Verdichters zu verhindern.
  • Bei dem Verbrennungsmotor der US 5,186,137 ist für ein Schieberventil ein keramikbeschichteter Chrom-Stahl verwendet.
  • Beim Taumelscheibenkompressor der EP 15 86 774 A1 ist für eine Verbesserung des Ventilsitzes dessen Ventilplatte mit PTFE überzogen.
  • Die US 4,966,789 gibt als Beschichtungsmaterial für Ventile einen Überzug aus der Gruppe der Siliziumcarbide, Metallcarbide, Metallnitride an.
  • Aufgabe der Erfindung ist, ein Kältegerät mit einem Linearverdichter anzugeben, dessen Ventile eine besonders hohe Lebensdauer aufweisen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass an beweglichen Teilen der Ventile des Linearverdichters eine Beschichtung angebracht ist, die härter als besagte bewegliche Teile ist, und dass die Beschichtung durch oberflächliches Umsetzen des Werkstoffs der beweglichen Teile gebildet ist.
  • Ein besonders enger Verbund zwischen dem beweglichen Teil und der darauf gebildeten Beschichtung, insbesondere keramischen Schicht wird erhalten, wenn die Beschichtung durch oberflächliches Umsetzen des Werkstoffs der beweglichen Teile gebildet ist.
  • Als harte Beschichtung kommt insbesondere eine keramische Beschichtung in Betracht.
  • Als Material der keramischen Beschichtung kommen insbesondere Oxide, Nitride, Carbide oder ein Gemisch von mehreren dieser Stoffe in Betracht.
  • Als Werkstoff für die beweglichen Teile wird vorzugsweise ein Federstahl verwendet.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar bei einem Verdichter, der ein direkt auf den Kolben wirkendes Linearantriebsaggregat umfasst, denn derartige Verdichter, wie sie z.B. aus US 6 641 377 B2 bekannt sind, haben im Vergleich zum rotatorisch angetriebenen Verdichtern einen relativ geringen Kolbenhub und müssen daher mit einer hohen Bewegungsfrequenz und dementsprechend häufigem Schalten der Ventile arbeiten, um einen benötigten Durchsatz zu erzielen.
  • Des weiteren ist die Erfindung vorteilhaft anwendbar, wenn der Kolben in der Kammer ölfrei gelagert ist. Während nämlich bei ölgelagerten Kolben in der Regel ein dünner Ölfilm das gesamte Innere der Kammer einschließlich der Ventile überzieht, der die Wärmeableitung von den beweglichen Teilen der Ventile begünstigt, ist die Wärmeableitung von den beweglichen Teilen bei ölfreiem Betrieb in der Regel deutlich schlechter, und dementsprechend groß ist die thermische Belastung und folglich auch die Verschleißneigung dieser beweglichen Teile.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Figuren beschrieben: Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen erfindungsgemäßen Verdichter teils in einer schematischen Seitenansicht, teils im Schnitt; und
    Fig. 2
    eine Draufsicht auf eine Membranfeder des Verdichters aus Fig. 1.
  • Den unteren Bereich des in der Fig. gezeigten Linearverdichters bildet ein Antriebsaggregat 1. Es umfasst einen permanentmagnetischen Schwingkörper 2, dessen Längsenden jeweils entgegengesetzte Magnetpole bilden. Der Schwingkörper 2 erstreckt sich durch zwei gegenüberliegende Öffnungen 3 einer Kammer 4, die vorgesehen ist, um ein Paar von Elektromagneten 8 aufzunehmen. Die einander beiderseits des Schwingkörpers 2 diametral gegenüberliegenden Elektromagneten 8 sind mit einem Wechselstrom von kontrollierter Frequenz beschaltbar, um alternierende Magnetfelder mit jeweils einander gegenüberliegenden gleichnamigen Polen zu erzeugen. Die Elektromagnete 8 haben einen Eisenkern 9 mit E-förmigem Querschnitt mit drei parallelen, an einem Ende verbundenen Schenkeln 11, 12. Eine Wicklung 10 umgibt jeweils den mittleren Schenkel 11 jedes Eisenkerns. Die Spitze des mittleren Schenkels 11 einerseits und die der zwei äußeren Schenkel 12 andererseits bilden jeweils verschiedennamige Pole jedes Elektromagneten 8.
  • Je nach Richtung des Erregerstroms der Elektromagneten 8 ziehen die Pole an den Spitzen der Schenkel 12 jeweils abwechselnd einen der Pole des Schwingkörpers 2 an und den anderen ab und lenken dadurch den Schwingkörper 2 abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen aus.
  • Die Längsenden des Schwingkörpers 2 sind jeweils an einer Membranfeder 5 befestigt, die von den Wänden der Kammer 4 durch Stege 6 beabstandet gehalten ist. Aus jeder Membranfeder 5 sind, wie in der Draufsicht der Fig. 2 gezeigt, vier in etwa z-förmige Arme 7 ausgestanzt, die jeweils in Höhe des von der betreffenden Membranfeder 5 gehaltenen Endes des Schwingkörpers 2 einteilig zusammenhängen. In der Draufsicht nimmt jeder Arm 7 einen von der Längsachse des Schwingkörpers 2 ausgehenden 90°-Sektor ein, und jeder Arm 7 ist spiegelbildlich zu den zwei benachbarten Armen 7 geformt. In Fig. 1, die den Schwingkörper 2 aus seiner Ruhestellung leicht nach oben ausgelenkt zeigt, sind jeweils zwei dieser Arme 7 zu sehen. Die spiegelbildliche Anordnung kompensiert ein Drehmoment, das einer der Arme 7 möglicherweise im Laufe der Bewegung des Schwingkörpers 2 auf diesen ausübt, durch das entgegengesetzt gleiche Drehmoment des benachbarten Arms.
  • Eine Verdichterkammer ist mit der Kammer 4 des Elektromagneten über einen Bogen 21 verbunden, der über die vom Schwingkörper abgewandten Enden der Arme 7 der oberen Membranfeder 5 an den Stegen 6 der Oberseite der Kammer 4 befestigt ist. Eine Kolbenstange 22 verbindet einen in der Verdichterkammer 20 hin- und her beweglichen Kolben 23 mit dem Schwingkörper 2, so dass beide ein schwingfähiges System bilden, dessen Eigenfrequenz im wesentlichen durch die Masse des Schwingkörpers 2, des Kolbens 23 und der Kolbenstange 22 sowie die Federkonstante der Membranfedem 5 festgelegt ist.
  • Ein Sauganschluss 24 und ein Druckanschluss 25 münden jeweils über ein Einlassventil 26 bzw. ein Auslassventil 27 in die Verdichterkammer 20. Die Ventile 26, 27 sind hier exemplarisch als Plattenventile dargestellt, jeweils mit einem Federblatt 28, das an einem Ende an der Wand der Verdichterkammer 20 verlötet oder in anderer geeigneter Weise befestigt ist und in seinem beweglichen Abschnitt einen Dichtkörper 29 trägt, der in der in Fig. 1 gezeigten Konfiguration jeweils einen hohlkegelförmigen Ventilsitz 30 berührt, der in der Wand der Verdichterkammer 20 geformt ist. Das Federblatt 28 ist jeweils aus Federstahl gebildet. Der Dichtkörper 29 kann vollständig als eine an dem Federblatt 28 befestigte Keramikschicht realisiert sein; er kann auch im Kern aus Federstahl bestehen und lediglich mit einer äußeren Beschichtung versehen sein, die zu dünn ist, um in der Figur darstellbar zu sein. Im letzteren Fall ist der Dichtkörper 29 vorzugsweise durch Prägen einteilig aus dem Material des Federblatts 28 herausgeformt.
  • Während das Federblatt 28 des Einlassventils 26 direkt in der Verdichterkammer 20 angeordnet ist und in deren Inneres hinein zurückweichen kann, wenn sich der Kolben 23 abwärts bewegt und Fluid vom Sauganschluss 24 in die Verdichterkammer 20 gesogen wird, befindet sich das Auslassventil 27 in einer separaten Kammer 31 innerhalb der Wand der Verdichterkammer, in die es zurückweichen kann, um vom sich aufwärts bewegenden Kolben 23 verdrängtes Fluid zum Druckanschluss strömen zu lassen. Von der Kammer 31 geht ein Durchgang 32 aus, der einen die Verdichterkammer 20 ringförmig umgebenden Hohlraum 33 mit verdichtetem Fluid speist. Der Hohlraum 33 kommuniziert mit dem Inneren der Verdichterkammer 20 über eine Vielzahl von radialen Bohrungen 24, durch die ein Teil des vom Kolben 23 verdrängten Fluids in die Verdichterkammer 20 zurückströmen kann. Dabei bildet es einen Gleitfilm zwischen der Innenwand der Verdichterkammer 20 und der Umfangsfläche des Kolbens 23, der diesen weitgehend reibungsfrei gleiten lässt und es erlaubt, auf eine Ölschmierung des Kolbens 23 zu verzichten.
  • Die verschleißmindernde harte Oberflächenschicht kann auf diejenigen Oberflächenbereiche des Dichtkörpers 29 beschränkt sein, die tatsächlich mit dem Ventilsitz 30 in Kontakt geraten; sie kann sich aber auch über den gesamten Dichtkörper oder, vor allem wenn dieser einteilig aus dem Federblatt 28 geformt ist, über die gesamte Oberfläche des Federblatts 28 oder zumindest dessen dem Ventilsitz 30 zugewandte Seite erstrecken. Sie kann erzeugt werden durch Umsetzen einer Oberflächenschicht des Dichtkörpers in einer reaktiven, z.B. sauerstoffhaltigen Atmosphäre oder in einem Sauerstoff, Stickstoff und/oder Kohlenstoff enthaltenden Plasma zu einem Oxid, Nitrid oder Carbid, wobei die umzusetzende Oberflächenschicht ein Teil des Federstahls des Dichtkörpers 29 selbst oder vorab zum Ziele der Umsetzung darauf aufgebrachtes Material sein kann, oder es wird unmittelbar das gewünschte keramische Material wie etwa Aluminiumoxid oder Zirkoniumoxid z.B. in Form einer Suspension oder eines Gels auf die betreffende Oberfläche aufgestrichen oder -gesprüht und anschließend darauf gesintert.

Claims (6)

  1. Kältegerät mit einem Linearverdichter (1, 20) zum Verdichten von Kältemittel mit einer Kammer (20), einem in der Kammer (20) beweglichen Kolben (23) und zwischen der Kammer (20) und einem Sauganschluss (24) bzw. einem Druckanschluss (25) angeordneten Ventilen (26, 27), die die Flussrichtung durch den Verdichter vom Sauganschluss zum Druckschluss festlegen, dadurch gekennzeichnet, dass an beweglichen Teilen (19) der Ventile (26, 27) des Linearverdichters eine Beschichtung angebracht ist, die härter als besagte bewegliche Teile ist, dass die harte Beschichtung eine keramische Beschichtung ist, und dass die Beschichtung durch oberflächliches Umsetzen des Werkstoffs der beweglichen Teile (19) gebildet ist.
  2. Kältegerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Beschichtung ein Oxid, ein Nitrid, ein Carbid oder ein Gemisch von diesen ist.
  3. Kältegerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der beweglichen Teile ein Federstahl ist.
  4. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearverdichter ein direkt auf den Kolben wirkendes Linearantriebsaggregat (1) umfasst.
  5. Kältegerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (23) in der Kammer (20) ölfrei gelagert ist.
  6. Kältegerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (23) durch vom Druckanschluss (25) abgezweigtes, verdichtetes Fluid gelagert ist.
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