EP1991777B1 - Linearverdichter und antriebsaggregat dafür - Google Patents

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EP1991777B1
EP1991777B1 EP07703714.1A EP07703714A EP1991777B1 EP 1991777 B1 EP1991777 B1 EP 1991777B1 EP 07703714 A EP07703714 A EP 07703714A EP 1991777 B1 EP1991777 B1 EP 1991777B1
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EP
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drive unit
spring
linear compressor
oscillating body
piston
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EP07703714.1A
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English (en)
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EP1991777A1 (de
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Jan-Grigor Schubert
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
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

Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor, in particular for use for compressing refrigerant in a refrigerator, and a drive unit for driving an oscillating piston movement for such a linear compressor.
  • the diaphragm spring has the advantage over many other types of springs that it is difficult to deform transversely to the direction of vibration.
  • the vibrating body is therefore movable only with one degree of freedom, unlike z. B. a suspended on a coil spring vibrating body, which is in principle movable in three degrees of freedom of translation and requires guidance if the mobility should be limited to a single degree of freedom.
  • a guide In a vibrating body held on a diaphragm spring such a guide is not required. Therefore, the movement of such a vibrating body with low friction losses in the necessarily strictly linear guided movement of a piston in a compressor can be implemented.
  • US 6,379,125 B1 does not specify the shape of the diaphragm spring.
  • a concrete example of a diaphragm spring for a linear compressor is in US 5 525 845 B1 shown. This diaphragm spring can stimulate torsional vibrations of the vibrating body.
  • the springs should exert only forces, but no torques on the oscillating body.
  • the object of the invention is to provide a drive unit whose springs meet this requirement.
  • the coil spring is preferably arranged around an imaginary straight line to which the center of gravity of the vibrating body is reciprocally movable.
  • the straight line preferably coincides with a longitudinal axis of the spiral spring.
  • one end of the coil spring engages the periphery of a spring plate, is attached to the center of the vibrating body.
  • At least two diaphragm springs are preferably provided, which engage on areas of the oscillating body which are spaced apart in the direction of the oscillating movement.
  • the invention also relates to a linear compressor having a working chamber, a reciprocating in the working chamber for compressing a working fluid piston and a drive unit as defined above, which is coupled for driving the reciprocating motion to the piston.
  • a linear compressor having a working chamber, a reciprocating in the working chamber for compressing a working fluid piston and a drive unit as defined above, which is coupled for driving the reciprocating motion to the piston.
  • the working chamber is at least partially surrounded by the coil spring.
  • a frame 1 of the linear compressor comprises a base plate 2, protrude from the plate or rib-like projections 3, 4, 5.
  • On the narrow sides of the two opposing projections 3 are two diaphragm springs 6 of the in Fig. 2 screwed type shown.
  • the diaphragm springs 6 each comprise webs 7 resting against the end faces of the projections 3, from whose ends Z- or S-shaped spring arms 8 protrude. The remote from the webs 7 ends of the spring arms 8 meet in a central portion 9 of the diaphragm spring 6 on each other, in which three openings 10, 11 are formed.
  • a vibrating body 12 is secured between the two diaphragm springs 6 by means of screws or rivets (not shown) extending through the upper and lower openings 10 of the diaphragm springs 6.
  • the opening 11 forms a passage for a piston rod 13 which extends between the vibrating body 12 and a compressor assembly 14 carried by the projection 5.
  • two electromagnets 15 are arranged on both sides of the permanent-magnetic oscillating body 12 which can be supplied with current in order to generate opposing magnetic fields between them Fig. 1 shown equilibrium position on a plane passing through the center of gravity of the vibrating body 12 extending straight line G in one or the other direction.
  • the straight line G extends axially through the piston rod 13 and the compressor assembly 14, and at the same time is the axis of symmetry of two spring plates 16 through Spiral springs 17 are pressed against the outer sides of the two diaphragm springs 6.
  • Fig. 3 shows a longitudinal section through a portion of the linear compressor along this straight line G.
  • the spring plates 16 each have at the edge facing away from the diaphragm springs 6 concave side a circumferential rib which fixes a voltage applied to the spring plate 16 last turn of the coil spring 17 in the radial direction.
  • the opposite ends of the coil springs 17 are respectively fixed by projections engaging inside the springs.
  • One is a flat projection 18 on the plate 4 of the frame 1, the other projection 19 is a part of the compressor housing 14th
  • the coil springs 17 are each biased between the spring plates 16 and the projections 18 or 19 carrying them so that at no reversal point of the movement of the vibrating body 12, one of the coil springs 17 is de-energized. Therefore, the coil springs 17 constantly keep the spring plate 16 pressed against the diaphragm springs 6, even when the compressor is in operation and the vibrating body 12 oscillates. Therefore, no firm connection between the spring plates 16 and the diaphragm springs 6 touched by them is required in order to always maintain the contact between them. Since the force of the springs 17 in each case over the entire circumference of the spring plate 16 distributed evenly distributed on the spring plate 16, at most results in a low torque that could cause a tilting of the axes of the spring plate with respect to the straight line G.
  • the high-grade symmetry of the two diaphragm springs 6 also contributes to the fact that they guide the oscillating body 12 exactly linearly.
  • the cut of the Fig. 3 also shows the internal structure of the compressor assembly 14.
  • a piston 21 held by the piston 13 back and forth to suck via a suction port 22 refrigerant in the chamber 20 and the compressed refrigerant to a discharge nozzle 23 again spend.
  • the discharge nozzle 23 communicates an annular space 24 which extends cup-shaped around the chamber 20.
  • a plurality of fine passages 26 is formed, through which a portion of the compressed refrigerant from the annulus 24 can flow back into the chamber 20.
  • the back-flowing refrigerant forms between the partition wall 25 and the flanks of the piston 21 a gas cushion, which prevents a direct sliding contact between the piston 21 and the partition wall 25 during operation and thus keeps the wear of the compressor assembly 14 low. Due to the exactly rectilinear guidance of the oscillating body 12, which is achieved by the suspension with diaphragm and coil springs 6, 17, a small gas flow in the passages 26 is sufficient to create a effective against loops protective gas cushion.
  • two elastically flexible weak points 27 are formed in the piston rod. A slight bending of these weak points 27 makes it possible to compensate for a small offset between the straight line G, on which the center of gravity of the oscillating body 12 moves, and the longitudinal central axis of the chamber 20 or even a slight non-parallelism of both.
  • FIG. 4 and 5 Simplified embodiments of the diaphragm spring are in Fig. 4 and 5 shown.
  • the spring 6 'of Fig. 4 essentially corresponds to a halved diaphragm spring Fig. 3 , with only two S- or Z-shaped curved arms 8, which extend from a web 7 to the central portion 9.
  • the spring 6 "der Fig. 5 the curved arms are replaced by a rectilinear arm 8 ", and thus this example does not fall under the scope of claim 1.
  • the free end of the rectilinear arm 8 does not move exactly on a straight line but on a circular arc, but is this deviation is negligible when the amplitude of the vibrating body is limited so that the sideways component of the movement of the vibrating body is smaller than the lateral play of the piston.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Reciprocating Pumps (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät, und ein Antriebsaggregat zum Antreiben einer oszillierenden Kolbenbewegung für einen solchen Linearverdichter.
  • Aus US 6 379 125 B1 ist ein Linearverdichter bekannt, bei dem ein Schwingkörper mit einem Gestell durch Membran- und Schraubenfedern verbunden ist.
  • Die Membranfeder hat gegenüber vielen anderen Federtypen den Vorteil, dass sie quer zur Schwingrichtung nur schwer verformbar ist. Der Schwingkörper ist daher nur mit einem Freiheitsgrad beweglich, anders als z. B. ein an einer Schraubenfeder aufgehängter Schwingkörper, der prinzipiell in drei Freiheitsgraden der Translation beweglich ist und einer Führung bedarf, wenn die Beweglichkeit auf einen einzigen Freiheitsgrad eingeschränkt sein soll. Bei einem an einer Membranfeder gehaltenen Schwingkörper ist eine solche Führung nicht erforderlich. Deshalb ist die Bewegung eines solchen Schwingkörpers mit geringen Reibungsverlusten in die notwendigerweise streng linear geführte Bewegung eines Kolbens in einem Verdichter umsetzbar.
  • US 6 379 125 B1 macht zur Gestalt der Membranfeder keine genauen Angaben. Ein konkretes Beispiel einer Membranfeder für einen Linearverdichter ist in US 5 525 845 B1 gezeigt. Diese Membranfeder kann Drehschwingungen des Schwingkörpers anregen.
  • Idealerweise sollten die Federn lediglich Kräfte, aber keine Drehmomente auf den Schwingkörper ausüben. Aufgabe der Erfindung ist, ein Antriebsaggregat zu schaffen, dessen Federn diese Anforderung erfüllen.
  • Die Aufgabe wird gelöst durch ein Antriebsaggregat wie in Anspruch 1 definiert. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Die Schraubenfeder ist vorzugsweise um eine imaginäre Gerade herum angeordnet, auf welche der Schwerpunkt des Schwingkörpers hin und her beweglich ist. Vorzugsweise fällt die Gerade mit einer Längsachse der Spiralfeder zusammen.
  • Um die Kraft der Spiralfeder drehmomentfrei in den Schwingkörper einzuleiten, ist bevorzugt, dass ein Ende der Spiralfeder an der Peripherie eines Federtellers angreift, an dessen Mittelpunkt der Schwingkörper befestigt ist.
  • Um die Genauigkeit der Führung des Schwingkörpers entlang der Geraden zu verbessern, sind vorzugsweise wenigstens zwei Membranfedern vorgesehen, die an in Richtung der Schwingbewegung beabstandeten Bereichen des Schwingkörpers angreifen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Linearverdichter mit einer Arbeitskammer, einem in der Arbeitskammer zum Verdichten eines Arbeitsfluids hin und her beweglichen Kolben und einem Antriebsaggregat wie oben definiert, das zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben gekoppelt ist. Um einen solchen Linearverdichter kompakt zu machen, kann es zweckmäßig sein, dass die Arbeitskammer wenigstens teilweise von der Schraubenfeder umgeben ist.
  • Weitere Merkmale und Vorteiler der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und anderen Beispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;
    Fig. 2
    eine der zwei Membranfedern des Linearverdichters aus Fig. 1;
    Fig. 3
    einen schematischen Schnitt durch einen Teil des Linearverdichters entlang einer imaginären Geraden G;
    Fig. 4
    eine alternative Ausgestaltung der Membranfeder des Linearverdichters; und
    Fig. 5
    ein nochmals vereinfachtes Beispiel der Ausgestaltung einer Membranfeder, die nicht im Schutzumfang des hiesigen Patents enthalten ist.
  • Ein Gestell 1 des Linearverdichters umfasst eine Grundplatte 2, von der platten- oder rippenartige Vorsprünge 3, 4, 5 abstehen. An den Schmalseiten der zwei einander gegenüberstehenden Vorsprünge 3 sind zwei Membranfedern 6 des in Fig. 2 dargestellten Typs verschraubt. Die Membranfedern 6 umfassen jeweils an den Stirnseiten der Vorsprünge 3 anliegende Stege 7, von deren Enden Z- bzw. S-förmige Federarme 8 abstehen. Die von den Stegen 7 entfernten Enden der Federarme 8 treffen in einem Mittelabschnitt 9 der Membranfeder 6 aufeinander, in welchem drei Öffnungen 10, 11 gebildet sind. Ein Schwingkörper 12 ist zwischen den zwei Membranfedern 6 mit Hilfe von (nicht dargestellten) Schrauben oder Nieten befestigt, die sich durch die oberen und unteren Öffnungen 10 der Membranfedern 6 erstrecken. Die Öffnung 11 bildet einen Durchgang für eine Kolbenstange 13, die sich zwischen dem Schwingkörper 12 und einer von dem Vorsprung 5 getragenen Verdichterbaugruppe 14 erstreckt.
  • In einem von den Vorsprüngen 3 und den Membranfedern 6 begrenzen Hohlraum sind beiderseits des permanentmagnetischen Schwingkörpers 12 zwei Elektromagnete 15 angeordnet, die bestrombar sind, um zwischen sich einander entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die den Schwingkörper 12 aus seiner in Fig. 1 gezeigten Gleichgewichtsstellung auf einer durch den Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 verlaufenden Geraden G in die eine oder die andere Richtung auszulenken.
  • Die Gerade G verläuft axial durch die Kolbenstange 13 und die Verdichterbaugruppe 14, und sie ist gleichzeitig die Symmetrieachse von zwei Federtellern 16, die durch Spiralfedern 17 gegen die Außenseiten der zwei Membranfedern 6 gedrückt sind. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des linearen Verdichters entlang dieser Geraden G. Die Federteller 16 haben jeweils am Rand ihrer von den Membranfedern 6 abgewandten konkaven Seite eine umlaufende Rippe, die eine an dem Federteller 16 anliegende letzte Windung der Schraubenfeder 17 in radialer Richtung fixiert. Die entgegengesetzten Enden der Schraubenfedern 17 sind jeweils durch ins Innere der Federn eingreifende Vorsprünge fixiert. Einer ist ein flacher Vorsprung 18 an der Platte 4 des Gestells 1, der andere Vorsprung 19 ist ein Teil des Verdichtergehäuses 14.
  • Die Schraubenfedern 17 sind jeweils zwischen den Federtellern 16 und den sie tragenden Vorsprüngen 18 oder 19 so vorgespannt, dass an keinem Umkehrpunkt der Bewegung des Schwingkörpers 12 eine der Schraubenfedern 17 spannungslos wird. Die Schraubenfedern 17 halten daher ständig die Federteller 16 gegen die Membranfedern 6 gedrückt, auch wenn der Verdichter in Betrieb ist und der Schwingkörper 12 oszilliert. Es ist daher keine feste Verbindung zwischen den Federtellern 16 und den von ihnen berührten Membranfedern 6 erforderlich, um den Kontakt zwischen ihnen stets aufrecht zu erhalten. Da die Kraft der Federn 17 jeweils über den gesamten Umfang der Federteller 16 recht gleichmäßig verteilt auf die Federteller 16 einwirkt, resultiert allenfalls ein geringes Drehmoment, das eine Verkippung der Achsen der Federteller in Bezug auf die Gerade G bewirken könnte. Doch selbst wenn ein solches Drehmoment aufträte, könnte es mangels einer materialschlüssigen Verbindung zwischen den Federtellern 16 und den Membranfedern 6 nicht auf letztere übertragen werden. Auf Grund der zu den Membranfedern 6 hin verjüngten Form der Federteller 16 leiten diese die Kraft der Schraubenfeder 17 sehr nah an der Linie G in die Membranfedern 6 ein, so dass selbst bei einer ungleichmäßigen Kraftverteilung ein daraus resultierendes, auf die Membranfedern 6 einwirkendes Drehmoment klein bleibt. Die Membranfedern 6 und der von ihnen gehaltene Schwingkörper 12 ist also durch die Schraubenfedern 17 im wesentlichen nur exakt in Richtung der Geraden G orientierten Kräften, aber keinen nennenswerten Drehmomenten ausgesetzt, die eine Bewegung des Schwerpunkts des Schwingkörpers 12 abseits der Linie G anregen könnten.
  • Auch die hochgradige Symmetrie der zwei Membranfedern 6 trägt dazu bei, dass diese den Schwingkörper 12 exakt linear führen.
  • Der Schnitt der Fig. 3 zeigt auch den inneren Aufbau der Verdichterbaugruppe 14. In einer internen Kammer 20 der Verdichterbaugruppe 14 ist ein von der Kolbenstange 13 gehaltener Kolben 21 hin und her verschiebbar, um über einen Saugstutzen 22 Kältemittel in die Kammer 20 zu saugen und das verdichtete Kältemittel an einem Druckstutzen 23 wieder auszugeben. Mit dem Druckstutzen 23 kommuniziert ein Ringraum 24, der sich becherförmig um die Kammer 20 erstreckt. In der von den Flanken des Kolbens 21 überstrichenen Trennwand 25 zwischen der Kammer 20 und dem Ringraum 24 ist eine Vielzahl von feinen Durchgängen 26 gebildet, durch die ein Teil des verdichteten Kältemittels aus dem Ringraum 24 zurück in die Kammer 20 strömen kann. Das rückströmende Kältemittel bildet zwischen der Trennwand 25 und den Flanken des Kolbens 21 ein Gaskissen, welches im Betrieb einen direkten schleifenden Kontakt zwischen Kolben 21 und Trennwand 25 verhindert und so den Verschleiß der Verdichterbaugruppe 14 gering hält. Auf Grund der exakt geradlinigen Führung des Schwingkörpers 12, die durch die Aufhängung mit Membran- und Schraubenfedern 6, 17 erreicht wird, genügt ein geringer Gasdurchsatz in den Durchgängen 26, um ein wirksam vor Schleifen schützendes Gaskissen zu schaffen.
  • Um geringfügige Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Antriebsaggregats und der Verdichterbaugruppe zueinander zu kompensieren, die anderenfalls auch zum Reiben des Kolbens 21 an der Wand 25 führen könnten, sind in der Kolbenstange 13 zwei elastisch biegsame Schwachstellen 27 gebildet. Eine leichte Verbiegung dieser Schwachstellen 27 erlaubt es, einen kleinen Versatz zwischen der Geraden G, auf der sich der Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 bewegt, und der Längsmittelachse der Kammer 20 oder auch eine geringfügige Nichtparallelität beider zu kompensieren.
  • Vereinfachte Ausgestaltungen der Membranfeder sind in Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Feder 6' der Fig. 4 entspricht im Wesentlichen einer halbierten Membranfeder aus Fig. 3, mit nur zwei S- bzw. Z-förmig gekrümmten Armen 8, die sich von einem Steg 7 zum Mittelabschnitt 9 erstrecken. Bei der Feder 6" der Fig. 5 sind die gekrümmten Arme durch einen geradlinigen Arm 8" ersetzt und somit fällt dieses Beispiel nicht unter dem Schutzbereich des Anspruchs 1. Das freie Ende des geradlinigen Armes 8" bewegt sich zwar genau genommen nicht exakt auf einer Geraden, sondern auf einem Kreisbogen, doch ist diese Abweichung vernachlässigbar, wenn die Amplitude des Schwingkörpers so begrenzt ist, dass die Seitwärtskomponente der Bewegung des Schwingkörpers kleiner als das seitliche Spiel des Kolbens ist.

Claims (8)

  1. Antriebsaggregat für einen Linearverdichter mit einem Gestell (1) und einem durch wenigstens eine Membranfeder (6) und eine Schraubenfeder (17) mit dem Gestell (1) verbundenen und in Bezug auf das Gestell (1) geradlinig hin und her beweglich geführten Schwingkörper(12), wobei die Schraubenfeder (17) sich um eine Gerade (G) herum erstreckt, auf welcher der Schwerpunkt des Schwingkörpers (12) hin und her beweglich ist, und die Membranfeder (6) mehrere gekrümmte Arme (8) umfasst, von denen jeweils ein Ende am Gestell (1) und ein anderes Ende (9) am Schwingkörper (12) fest ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade (G) Teil einer Symmetrieebene der Membranfeder (6) ist.
  2. Antriebsaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gerade (G) mit einer Längsachse der Spiralfeder (17) zusammenfällt.
  3. Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ende der Spiralfeder (17) an der Peripherie eines Federtellers (16) angreift, dessen Mittelpunkt gegen den Schwingkörper (12) drückt.
  4. Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dassjeder Arm (8) zwei in unterschiedliche Richtungen gekrümmte Abschnitte aufweist.
  5. Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es wenigstens eine zweite Membranfeder (6) umfasst, und dass die erste und die zweite Membranfeder (6) an in Richtung der Schwingbewegung beabstandeten Bereichen des Schwingkörpers (12) angreifen.
  6. Linearverdichter mit einer Arbeitskammer (20), einem in der Arbeitskammer (20) zum Verdichten eines Arbeitsfluids hin und her beweglichen Kolben (21) und einem zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben (21) gekoppelten Antriebsaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  7. Linearverdichter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kolbenstange (13) sich zwischen dem Kolben (21) und dem Schwingkörper (12) auf der Geraden (G) erstreckt.
  8. Linearverdichter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitskammer (20) wenigstens teilweise von der Schraubenfeder (17) umgeben ist.
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