EP1991782A1 - Linearantrieb und linearverdichter mit anpassbarer leistung - Google Patents

Linearantrieb und linearverdichter mit anpassbarer leistung

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Publication number
EP1991782A1
EP1991782A1 EP07704064A EP07704064A EP1991782A1 EP 1991782 A1 EP1991782 A1 EP 1991782A1 EP 07704064 A EP07704064 A EP 07704064A EP 07704064 A EP07704064 A EP 07704064A EP 1991782 A1 EP1991782 A1 EP 1991782A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
rotor
compressor
linear
zero position
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07704064A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Reinschke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP1991782A1 publication Critical patent/EP1991782A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0201—Position of the piston
    • 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
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/02—Piston parameters
    • F04B2201/0206—Length of piston stroke

Definitions

  • the invention relates to a device with a linear drive, which has a stator and a rotor along a drive axis between a first and a second rotor inversion point about a rotor zero position reciprocally movable rotor, and / or with a linear compressor, a piston housing and a along a Piston axis between a first and a second piston reversal point about a piston zero position reciprocally movable, drivable by the linear drive compressor piston, and a method for cooling a product and / or for compressing a fluid.
  • linear compressors for household refrigerators such.
  • refrigerators and / or freezers or air conditioning systems developed.
  • Such compressors are needed in different performance classes, eg. For example, with 7 cooling capacities of 40 W, 70 W, 80 W, 100 W, 120 W, 140 W and 160 W.
  • the compressors for the various power classes are designed so that they achieve optimum efficiency for the respective cooling capacity.
  • a special design of the linear compressor for the individual cooling capacities is required. Such a design is complex, expensive and considerably increases the spectrum of required components and spare parts.
  • the device according to the invention with a linear drive, which has a stator and a drive shaft between a first and a second runner along a drive axis. has a reciprocating point about a rotor back and forth movable rotor, and / or with a linear compressor having a piston housing and therein along a piston axis between a first and a second piston reversal point about a piston zero position reciprocally movable, driven by the linear drive compressor piston sees in a first variant, that the rotor zero position or the piston zero position is adjustable.
  • the device according to the invention with a linear drive, which has a stator and a rotor movable back and forth along a drive axis between a first and a second rotor inversion about a rotor zero position, and / or with a linear compressor comprising a piston housing and a piston axis along it
  • at least one spring element acts on the rotor or on the compressor piston, the length of which is changed, in particular shortened, being a first and a second piston reversal point around a piston zero position movable reciprocally movable, driven by the linear drive compressor piston can.
  • the device according to the invention with a linear drive, which has a stator and a rotor movable back and forth along a drive axis between a first and a second rotor inversion about a rotor zero position, and / or with a linear compressor comprising a piston housing and a piston axis along it
  • at least one spring element acts on the rotor or on the compressor piston, whose spring constant can be changed or increased, for example, in a third variant, a first and a second piston reversal point about a piston zero position movable reciprocally movable, driven by the linear drive compressor piston ,
  • the device according to the invention with a linear drive, which has a stator and a rotor movable back and forth along a drive axis between a first and a second rotor inversion about a rotor zero position, and / or with a linear compressor comprising a piston housing and a piston axis along it
  • a first and a second piston reversal point about a piston zero position movable back and forth can be driven by the linear drive compressor piston, provides in a fourth variant, that from the linear compressor or from the linear compressor in particular from a normalized nominal power value of 1 to 0.6, preferably from a normalized nominal power value of 1 to 0.5, the electromechanical efficiency in the change of the mechanical power always being greater than 60%, in particular greater than 70%, preferably greater than 80%.
  • the electromechanical efficiency with a reduction of the mechanical power for a normalized nominal power value from 1 to 0.6 on average provides for a first and a second piston reversal point about a piston zero position reciprocating, drivable by the linear drive compressor piston with a pitch ⁇ 0.8, in particular with a pitch ⁇ 0.5, preferably with a pitch ⁇ 0.2, particularly preferably with a pitch ⁇ 0.1 falls.
  • the five variants of the invention are juxtaposed, but can be combined with one another in any desired manner.
  • the device according to the invention in the various variants, it is possible to build one or two constructive different types of linear or linear compressors that are hardware and software so adjustable that hereby all power classes over a factor of 4 in performance, for example between 40 W and 160 W, can be covered.
  • the spectrum of instrument parts needed to cover all performance classes is significantly reduced overall, reducing the cost of a linear compressor for a single performance class.
  • the linear drive according to the invention is particularly suitable and determined for a linear compressor.
  • the device of the invention works in the specified variants even with change or adaptation of the cooling capacity with a high efficiency.
  • the rotor or the compressor piston performs a reciprocating motion between two respective reversal points at which the direction of movement changes.
  • the rotor or the compressor piston oscillates about a respective zero position.
  • the respective zero positions are predetermined by the mechanical vibration system of the linear drive or the linear compressor. In a symmetrical design of the linear drive or the linear compressor, the zero position is located centrally between the two reversal points.
  • the rotor or the compressor piston usually performs a different stroke.
  • the mechanical system is adapted to the changed conditions and the linear drive or the linear compressor can continue to work despite their power class close to their maximum efficiency.
  • the change he rotor zero or the piston zero position can be effected by changing the length of a spring element used.
  • spring elements are all springs, such. As membrane or coil springs and corresponding composite spring packages to understand.
  • the piston zero position can be shifted so that the linear drive or the linear compressor can work with high efficiency.
  • the natural frequency of the mechanical system can be shifted so much that the linear drive or the linear compressor operates at a correspondingly changed frequency. whereby also the performance of the linear drive or the linear compressor can be influenced.
  • the spring can be shortened as such, d. H.
  • the length of the spring in the relaxed state is changed by, for example, changing the suspension of the spring, but the spring can also be compressed more, which changes the length of the spring element in the installed state in the linear compressor or in the linear drive.
  • a change in the spring constant can be effected for example by adding reinforcing elements to the spring.
  • the shortening of the spring can be irreversible, for example, to cut off a part of the spring.
  • the linear drive or linear compressor can be operated at its optimum distribution point. In this way it can be ensured that the electro-mechanical efficiency is always greater than 80% given a change in the mechanical power from a normalized nominal power value of 1 to 0.6.
  • the nominal power value of a linear compressor or a linear drive corresponds to the maximum power output of the linear compressor or the linear drive provided in continuous operation. The achievable mechanical power is related to this nominal power value.
  • the electromechanical efficiency advantageously falls with a reduction of the mechanical power from a normalized nominal power value of 1 to 0.6 on average with a slope ⁇ 0.1.
  • the electromechanical efficiency can essentially be maintained despite changing the mechanical power performed by the linear drive or the linear compressor. This is in contrast to known solutions, in which a significantly reduced electro-mechanical efficiency had to be accepted if the delivered mechanical power was reduced by more than 10%.
  • an energy-saving, efficient and reliable operation of the linear drive or the linear compressor is also possible when the power level the linear drive or the linear compressor is changed.
  • the production of a set of different linear compressors or linear drives for different power levels is simplified and cheaper.
  • the specified linear compressor or linear drive it is possible to cover all power levels, in particular all refrigeration capacity classes of linear compressors from 40 W to 160 W, with only two structurally different linear compressors or linear drives.
  • a linear compressor or a linear drive to a maximum power level, z. B. a maximum cooling capacity of 160 W, designed and can be lowered in half, for example, to about 80 W cooling capacity, without structural changes to the linear compressor are required.
  • a second linear compressor or a second linear drive is designed for the maximum cooling capacity of 80 W and can be lowered to approx. 40 W cooling capacity. Even if such a linear compressor operated below the maximum power stage or its electrical design (eg the drive coils or the drive coil current circuit) is somewhat oversized, the savings effects due to the drastically reduced variety and, consequently, the increase in the product unit number are advantageous.
  • the possibility of adapting the zero positions, the spring constants or the spring lengths can also be used to finely tune the mechanical vibration system at the usual manufacturing tolerances, in particular to adjust the natural frequency precisely.
  • a method for tuning the natural frequency of a linear drive, and / or with a linear compressor, is particularly advantageous.
  • a drive coil which acts with an electromagnetic force on the rotor or on the compressor piston, and a means for controlling the drive coil is provided, wherein the means of the position of the first rotor reversal point and the first piston reversal point is adjustable.
  • control side e.g. on the software side, the position of the first rotor reversal point or the first piston reversal point are adjusted.
  • the drive of the drive coil can also be carried out in the context of a control in which sensors are provided which detect the position of the rotor or the position of the compressor piston and based on the position information a corresponding Actuation of the drive coil is effected.
  • the reciprocating motion of the rotor or the compressor piston can thus be both controlled and regulated.
  • the rotor zero position relative to the first rotor reversal point or the piston zero position relative to the first piston reversal point is adjustable so that the rotor or the compressor piston can perform a substantially symmetrical oscillation to the adjusted zero position when changing the reversal point.
  • the control or regulation-related desired movement can be made to coincide with the natural movement of the physical vibration system.
  • a high efficiency of the linear compressor or the linear drive is achieved.
  • the output power can be influenced and the efficiency can be optimized.
  • the rotor and / or the compressor piston between a working-side spring element and a spring element opposite thereto are clamped.
  • Working side here means the side at which the work is to be done.
  • the working side points towards the compressor piston.
  • the opposite side points to the runner.
  • the spring elements have different spring constants and / or different spring lengths.
  • the spring elements are advantageously for each position of the rotor or the compressor piston under tension and have in the clamped state to a length which is less than 95% of the unpressed spring element length, in particular less than 90% of the unpressed spring element length. This ensures that both spring elements For each runner or compressor piston position elements have a state of stress, which also serves a stable reciprocating motion.
  • the spring elements for each position of the rotor or the compressor piston have a length which is greater than 40% unpressed spring element length, in particular greater than 50% of the unpressed spring element length. This avoids that the spring elements are never compressed so far that touch the individual spring connections. As a result, a hard striking is effectively avoided.
  • the working-side spring element (14) has a spring constant in the range of 1 N / mm to 5 N / mm, in particular in the range of 1, 8 N / mm to 3.6 N / mm, preferably in the range of 2.3 N / mm to 2.9 N / mm, on;
  • the opposing spring element (15) has a spring constant in the range of 4 N / mm to 12 N / mm, in particular in the range of 6.5 N / mm to 9.5 N / mm, preferably in the range of 7.5 N / mm to 8.5 N / mm, on;
  • the working-side spring element (14) has an unpressed spring length in the range of 40 mm to 60 mm, in particular in the range of 48 mm to 62 mm;
  • the opposite spring element (15) has an unpressed spring length in the range of 25 mm to 40 mm, in particular in the range of 30 mm to 36 mm;
  • the stroke of the rotor (5) or of the compressor piston (6) is between 10 mm and 30 mm, in particular between 12 mm and 20 mm;
  • the first rotor turning point (11) or the first piston turning point (21) can be displaced by at least 5 mm, in particular by at least 10 mm, preferably by 20 mm.
  • a combination of the features ( ⁇ 1) to ( ⁇ 6) is particularly advantageous, but the individual features can be used individually or combined with each other as desired. Furthermore, it is advantageous if the second rotor inversion point and / or the second piston inversion point are fixed. As a result, it can be ensured, for example in the case of linear compressors, that the dead volume in the piston housing is kept as low as possible, which improves the efficiency of the linear compressor.
  • the device according to the invention can be designed as a cooling device, in particular as a refrigerator and / or freezer or as an air conditioner.
  • variants of the invention have been discussed separately above, the variants can also be combined with one another as desired.
  • the variants are partially overlapping, partially overlapping next to each other.
  • the inventive method for cooling a product and / or for compressing a fluid uses the device according to the invention. Due to the high efficiency of the linear drive or the linear compressor, the high reliability and energy efficiency, goods can be cooled quickly, reliably and energy-efficiently or a fluid can be compressed reliably and efficiently, even when it is necessary to work with different power levels.
  • FIG. 1 shows a device according to the invention in a sectional view.
  • FIG. 2 shows a refrigerator with a device according to FIG. 1;
  • Fig. 3 is a graph in which the electromechanical efficiency of a device according to the invention and a known device against a power output caused thereby applied.
  • 1 shows a device 1 according to the invention in a sectional view with a linear drive 2 and a linear compressor 3.
  • the linear drive 2 has a stator 4, in which a rotor 5 moves back and forth along a drive axis 9.
  • the rotor 5 is driven by means of a drive coil 16, which is alsschlagt with a drive coil current from a means 17 for driving the drive coil 16.
  • the rotor 5 oscillates between a first rotor turning point 1 1 and a second rotor turning point 12 and passes through a rotor zero position 13.
  • the movement of the rotor 5 is detected by means of a position sensor 25, which passes the position information to the means 17 for driving the drive coil 16, so that a total of a control loop for the movement of the rotor 5 is realized.
  • the linear compressor 3 has a piston housing 7, in which a compressor piston 6 oscillates back and forth along a piston axis 8 between a first piston reversal point 21 and a second piston reversal point.
  • the compressor piston 6 compresses a fluid 18, which is sucked in via a suction port 18 and expelled via a pressure port 29.
  • the suction and ejection of the fluid 18 is switched by means of a valve plate 30.
  • the compressor piston is mounted without contact in the piston housings 7 through a housing wall 20 having openings 19. With the aid of a supply 31, fluid 18 is forced through the openings 19, so that a gas cushion between the housing wall 20 and the compressor piston 6 is constructed, whereby a gas pressure bearing is effected.
  • the rotor 5 is connected to the compressor piston 6 via a piston rod 24, which has two couplings 26 for receiving bending forces.
  • the zero positions 13, 23 are defined by the arrangement of spring elements 14, 15.
  • the compressor piston 6 is clamped between a working-side spring element 14 and a spring element 15 opposite thereto.
  • the working-side spring element has a length L1 and the opposite spring element 15 has a length L2.
  • the unpressed spring length of the working-side spring element is 59 mm.
  • the unpressed spring length of the opposite spring element 15 is 33 mm.
  • the zero positions 13, 23 can be adjusted by means of an adjusting means 34.
  • the linear compressor operates at a nominal power value of 80 W.
  • the spring elements 14, 15 are compressed by the adjusting means 34 and the drive of the drive coils is adapted by the means 17, so that the driving vibration on the coil 16 approximately coincides with the natural physical movement.
  • braking of the linear drive 2 is avoided and a particularly high efficiency is achieved even when the linear compressor 3 is operated at 40 W.
  • FIG. 2 shows a refrigerator 10 with a device 1 according to the invention, with which goods 27 can be cooled rapidly, efficiently and energy-efficiently.
  • a device 1 for a product range of 7 refrigerators with different power levels from 40 W to 160 W, only two different linear compressor designs are required, which reduces the production costs of a single refrigerator. Due to the high efficiency, an efficient and energy-saving cooling of the goods 27 is possible.
  • FIG. 3 shows the electromechanical efficiency of the linear compressor according to the invention (see curve 33) and the efficiency for a known linear compressor (see curve 32) as a function of the respective power output by the linear compressors.
  • the electromagnetic efficiency is defined as
  • the power delivered is normalized to the nominal power, i. the maximum achievable in continuous operation of the refrigerator power. It can be seen that in known linear compressors, the efficiency depends substantially linearly on the power output, while in the linear compressor according to the invention the electromagnetic efficiency for output powers of 100% to 50% remains substantially constant.
  • the invention relates to a device 1 with a linear drive 2, which has a stator 4 and a therein along a drive axis 9 between a first 1 1 and a second 12 rotor inversion point about a rotor zero position 13 back and forth movable rotor 5, and / or with a linear compressor 3, which has a piston housing 7 and therein along a piston axis 8 and a first 21 and a second piston reversal point about a piston zero position 23 back and forth, driven by the linear drive 2 compressor piston 6, wherein either the rotor zero position 13 and the Piston zero position 23 is adjustable and / or at least one spring element 14, 15 acts on the rotor 5 and on the compressor piston 6 whose length changed, in particular can be shortened, and / or changed its spring constant, in particular can be increased; and a method for cooling goods 27 and for compressing a fluid 18, respectively.
  • the invention is characterized in that an adaptation of the output from the device power has no significant effect on the electromechanical efficiency of the device, whereby a linear drive 2 and a linear compressor 3 can be built particularly cost, since the variety of component parts can be significantly reduced ,
  • Refrigeration device first rotor reversal point second rotor reversal point

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) und einem ersten (21) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, wobei entweder die Läufernulllage (13) bzw. die Kolbennulllage (23) verstellbar ist und/oder mindestens ein Federelement (14, 15) an dem Läufer (5) bzw. an dem Verdichterkolben (6) wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt werden kann, und/oder dessen Federkonstante geändert, insbesondere erhöht werden kann; und ein Verfahren zum Kühlen von Waren (27) bzw. zum Verdichten eines Fluids (18). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anpassung der von der Vorrichtung abgegebenen Leistung keinen wesentlichen Einfluss auf den elektromechanischen Wirkungsgrad der Vorrichtung aufweist, wodurch ein Linearantrieb (2) und ein Linearverdichter (3) besonders kostengünstig gebaut werden können, da die Vielfalt der Produkte erheblich reduziert werden kann.

Description

Linearantrieb und Linearverdichter mit anpassbarer Leistung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sowie ein Verfahren zum Kühlen einer Ware und/oder zum Verdichten eines Fluids.
Derzeit werden Linearverdichter für Haushaltskältegeräte, wie z. B. Kühl- und/oder Gefrierschränke oder Klimaanlagen entwickelt. Solche Verdichter werden in verschiedenen Leistungsklassen benötigt, z. B. mit 7 Kälteleistungen von 40 W, 70 W, 80 W, 100 W, 120 W, 140 W und 160 W. Hierbei werden die Verdichter für die verschiedenen Leistungsklassen so ausgelegt, dass sie einen optimalen Wirkungsgrad für die jeweilige Kälteleistung erreichen. Bei bekannten Linearverdichtern ist eine spezielle Auslegung des Linearverdichters für die einzelnen Kälteleistungen erforderlich. Eine derartige Auslegung ist aufwändig, kostenintensiv und erhöht das Spektrum der benötigten Komponenten und Ersatzsteile beträchtlich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearantrieb und einen Linearverdichter anzugeben, der vergleichsweise einfach in Serie herzustellen ist und zuverlässig und energiesparsam arbeitet. Darüber hinaus ist es Aufgabe ein Verfahren zum Kühlen von Waren bzw. zum Verdichten eines Fluids anzugeben, welches für verschiedene Kälteleistungen einsetzbar ist und zuverlässig und energiesparsam arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Vorrichtung und durch das Verfahren wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferum- kehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer ersten Variante vor, dass die Läufernulllage bzw. die Kolbennulllage verstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer zweiten Variante vor, dass mindestens ein Federelement an dem Läufer bzw. an dem Verdichterkolben wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt, werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer dritten Variante vor, dass mindestens ein Federelement an dem Läufer bzw. an dem Verdichterkolben wirkt, dessen Federkonstante verändert bzw. erhöht werden kann.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer vierten Variante vor, dass die vom Linearverdichter bzw. vom Linear- antrieb verrichtbare mechanische Leistung reduziert werden kann, insbesondere von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6, vorzugsweise von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,5, wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei der Änderung der mechanischen Leistung stets größer als 60 %, insbesondere größer als 70 %, vorzugsweise größer als 80%, ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einem Linearantrieb, der einen Stator und einen darin entlang einer Antriebsachse zwischen einem ersten und einem zweiten Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage hin und her beweglichen Läufer aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter, der ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Kolbenachse zwischen einem ersten und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb antreibbaren Verdichterkolben aufweist, sieht in einer fünften Variante der Erfindung vor, dass der elektromechanische Wirkungsgrad bei Reduktion der mechanischen Leistung für einen normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6 im Durchschnitt mit einer Steigung < 0.8, insbesondere mit einer Steigung < 0.5, vorzugsweise mit einer Steigung < 0.2, besonders bevorzugt mit einer Steigung < 0.1 , fällt.
Die fünf Varianten der Erfindung stehen nebeneinander, können jedoch in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung in den verschiedenen Varianten, ist es möglich, ein oder zwei konstruktive verschiedene Bautypen von Linearantrieben bzw. Linearverdichtern zu bauen, die hardwaremäßig und softwaremäßig so einstellbar sind, dass hiermit sämtliche Leistungsklassen über einen Faktor 4 in der Leistung, beispielsweise zwischen 40 W und 160 W, abgedeckt werden können. Das Spektrum der für ein Abdecken sämtlicher Leistungsklassen benötigten Geräteteile wird in der Summe erheblich reduziert, wodurch die Kosten eines Linearverdichters für eine einzelne Leistungsklasse reduziert werden.
Der erfindungsgemäße Linearantrieb ist insbesondere für einen Linearverichter geeignet und bestimmt.
Während bei bekannten Linearantrieben bzw. Linearverdichtern eine für den Wechsel einer Kälteleistung erforderliche geänderte Ansteuerung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters zu einer erheblichen Reduzierung des elektromechanischen Wirkungs- - A -
grades führte, arbeitet die erfindungsgemäße Vorrichtung in den angegebenen Varianten auch bei Veränderung bzw. Anpassung der Kälteleistung mit einem großen Wirkungsgrad.
Der Läufer bzw. der Verdichterkolben führt eine Hin- und Herbewegung zwischen zwei jeweiligen Umkehrpunkten durch, an denen sich die Bewegungsrichtung ändert. Hierbei oszilliert der Läufer bzw. der Verdichterkolben um eine jeweilige Nulllage. Die jeweiligen Nulllagen werden durch das mechanische Schwingungssystem des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters vorgegeben. Bei einer symmetrischen Auslegung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters befindet sich die Nulllage mittig zwischen den beiden Umkehrpunkten.
Wird eine Kälteleistungsstufe gewechselt, führt der Läufer bzw. der Verdichterkolben in der Regel einen anderen Hub aus.
Bei Verringerung der Kälteleistung eines Linearverdichters wird beispielsweise die Amplitude eines Kolbenhubs verringert. Um den Linearverdichter besonders effizient zu betreiben, ist es vorteilhaft ein im Kolbengehäuse befindliches Totvolumen zu verringern. Arbeitet der Linearverdichter bei einem geringeren Kolbenhub, so verringert sich sein Wirkungsgrad, entweder dadurch dass das Totvolumen vergrößert wird, oder dass der elekt- romechanische Motorwirkungsgrad verschlechtert wird.
Es wurde erkannt, dass eine Verschlechterung des elektromechanischen Motorwirkungsgrades bei Änderung des Kolbenhubs und der Beibehaltung eines möglichst geringen Totvolumens bei bekannten Vorrichtungen seinen Ursprung darin hat, dass im veränderten zweiten Umkehrpunkt eine Feder weniger stark vorgespannt ist, sie also weniger E- nergie enthält, so dass eine fehlende Feder(-energie) zusätzlich elektrisch in der Kompressionshalbwelle zugeführt werden muss. Eine zwischen Kompressions- und Expansionshalbwelle ungleiche elektrische Energiezufuhr verschlechtert den elektromagnetischen Wirkungsgrad. Darüberhinaus können weitere nachteilige Effekte auftreten: Wenn der zweite Umkehrpunkt soweit angehoben wird, das die Federenergie im zweiten Umkehrpunkt geringer ist als die Summe aus Federenergie im ersten Umkehrpunkt und Restgasenergie (aufgrund des nicht verschwindenden Totvolumens am ersten Umkehrpunkt), muss während der Expansionshalbwelle elektrisch gebremst werden. Das elektrische Bremsen führt zu einem weiteren Energieverlust und einer Reduzierung des Wirkungsgrads des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs.
Durch die Anpassung der Läufernulllage bzw. durch die Anpassung der Kolbennulllage wird das mechanische System auf die veränderten Bedingungen angepasst und der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter können trotz Änderung der Leistungsklasse weiterhin nahe an ihrem Wirkungsgradmaximum arbeiten.
Die Änderung er Läufernulllage bzw. der Kolbennulllage kann durch eine Änderung der Länge eines verwendeten Federelements bewirkt werden. Unter Federelementen sind sämtliche Federn, wie z. B. Membran- oder Schraubenfedern sowie entsprechende zusammengesetzte Federpakete zu verstehen. Durch die Änderung der Länge des Federelements kann die Kolbennulllage so verschoben werden, dass der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann.
Durch die Veränderung der Länge des Federelements oder der Federkonstante des Federelements kann jedoch auch, ohne die Läufernulllage bzw. die Kolbennulllage zu ändern, die Eigenfrequenz des mechanischen Systems derart stark verschoben werden, dass der Linearantrieb bzw. der Linearverdichter bei einer entsprechend geänderten Frequenz arbeitet, wodurch ebenso die Leistung des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters beeinflusst werden kann.
Je nach Bauform des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs kann es günstiger sein, die Länge des Federelements oder die Federstärke des Federelements zu verändern. Dazu kann einerseits die Feder als solche verkürzt werden, d. h. die Länge der Feder im entspannten Zustand wird verändert durch beispielsweise Veränderung der Aufhängung der Feder, die Feder kann jedoch auch stärker gestaucht werden, wodurch sich die Länge des Federelements im eingebauten Zustand im Linearverdichter bzw. im Linearantrieb verändert. Eine Änderung der Federkonstante kann beispielsweise durch Hinzufügen von Verstärkungselementen an der Feder bewirkt werden. Die Verkürzung der Feder kann irreversibel, beispielsweise zur abknipsen eines Teils der Feder, sein.
Durch die Veränderung der Läufernulllage bzw. der Kolbennulllage und/oder durch Veränderung der Länge des Federelements und/oder durch Veränderung der Federkonstante des Federelements kann der Linearantrieb bzw. Linearverdichter an seinem optimalen Vertriebspunkt betrieben werden. Hierdurch kann gewährleistet werden, dass der elekt- romechanische Wirkungsgrad bei einer Änderung der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6 stets größer als 80 % ist. Der nominale Leistungswert eines Linearverdichters bzw. eines Linearantriebs entspricht der maximalen, im Dauerbetrieb vorgesehenen Leistungsabgabe des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs. Die verrichtbare mechanische Leistung wird auf diesen nominalen Leistungswert bezogen.
Ist ein Linearverdichter beispielsweise für 32 W ausgelegt, bedeutet ein normierter nominaler Leistungswert von 0,6, dass der Linearverdichter mit 0,6 x 32 = 19,2 W betrieben wird. Der elektromechanische Wirkungsgrad ist definiert durch
7I1 'I Imech
P mech + P ohm
wobei Pmech die am Linearverdichter verrichtete mechanische Leistung und POhm die ohm- sche Verlustleistung ist. Der so dargestellte elektromechanische Wirkungsgrad spiegelt lediglich Näherungsweise den tatsächlichen elektromechanischen Wirkungsgrad wieder, da er nicht die Elektronikverluste für Positionsmessung, Prozessor und Antriebsspulen- stromregler (Mosfettbrücke) berücksichtigt.
Der elektromechanische Wirkungsgrad fällt vorteilhafterweise bei Reduktion der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0,6 im Durchschnitt mit einer Steigung < 0,1. Bei geeigneter Dimensionierung der Federelemente, der bewegenden Massen und der Umkehrpunkte bzw. Nulllagen kann der elektromechanische Wirkungsgrad trotz Veränderung der von dem Linearantrieb bzw. dem Linearverdichter verrichteten mechanischen Leistung im Wesentlichen beibehalten bleibt. Dies steht im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen ein erheblich reduzierter elektro- mechanischer Wirkungsgrad hingenommen werden musste, wenn die abgegebene mechanische Leistung um mehr als 10 % reduziert wurde.
Durch die Erfindung wird ein energiesparsamer, effizienter und zuverlässiger Betrieb des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters auch dann ermöglicht, wenn die Leistungsstufe des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters geändert wird. Hierdurch wird die Herstellung eines Satzes von verschiedenen Linearverdichtern bzw. Linearantrieben für verschiedene Leistungsstufen vereinfacht und kostengünstiger. Mit dem angegebenen Linearverdichter bzw. Linearantrieb ist es möglich, sämtliche Leistungsstufen, insbesondere sämtliche Kälteleistungsklassen von Linearverdichtern von 40 W bis 160 W, mit lediglich zwei konstruktiv verschiedenen Linearverdichtern bzw. Linearantrieben abzudecken. Hierzu wird ein Linearverdichter bzw. ein Linearantrieb auf eine maximale Leistungsstufe, z. B. einen maximale Kälteleistung von 160 W, ausgelegt und kann auf die Hälfte, beispielsweise auf ca. 80 W Kälteleistung, abgesenkt werden, ohne dass strukturelle Änderungen am Linearverdichter erforderlich sind. Ein zweiter Linearverdichter bzw. ein zweiter Linearantrieb wird für die maximale Kälteleistung von 80 W ausgelegt und kann bis auf ca. 40 W Kälteleistung abgesenkt werden. Auch wenn ein solcher unterhalb der maximalen Leistungsstufe betriebener Linearverdichter bzw. seiner elektrischen Auslegung (z. B. die Antriebsspulen oder die Antriebsspulenstromschaltung) etwas überdimensioniert ist, sind die Einspareffekte durch die drastisch reduzierte Vielfalt und damit einhergehend die Produktstückzahlenerhöhung vorteilhaft.
Darüberhinaus kann die Anpassmöglichkeit der Nulllagen, der Federkonstanten bzw. der Federlängen auch dazu verwendet werden, um das mechanische Schwingungssystem bei den üblichen Fertigungstoleranzen fein abzustimmen, insbesondere die Eigenfrequenz präzise einzustellen. Ein Verfahren zum Abstimmen der Eigenfrequenz eines Linearantriebs, und/oder mit einem Linearverdichter, ist besonders vorteilhaft.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine Antriebsspule, die mit einem elektromagnetischen Kraft auf den Läufer bzw. auf den Verdichterkolben einwirkt, und ein Mittel zur Steuerung der Antriebsspule vorgesehen, wobei mit dem Mittel die Lage des ersten Läuferumkehrpunktes bzw. des ersten Kolbenumkehrpunktes verstellbar ist.
Mit Hilfe des Mittels kann steuerungsseitig, z.B. softwareseitig, die Lage des ersten Läuferumkehrpunktes bzw. des ersten Kolbenumkehrpunktes verstellt werden.
Die Ansteuerung der Antriebsspule kann auch im Rahmen einer Regelung erfolgen, bei der Sensoren vorgesehen sind, welche die Position des Läufers bzw. die Position des Verdichterkolbens erfassen und anhand der Positionsinformation eine entsprechende Ansteuerung der Antriebsspule bewirkt wird. Die Hin- und Herbewegung des Läufers bzw. des Verdichterkolbens kann somit sowohl gesteuert als auch geregelt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist die Läufernulllage relativ zum ersten Läuferumkehrpunkt bzw. die Kolbennulllage relativ zum ersten Kolbenumkehrpunkt derart verstellbar, dass der Läufer bzw. der Verdichterkolben bei Änderung des Umkehrpunktes eine im Wesentliche symmetrische Schwingung um die verstellte Nulllage ausführen kann.
Durch die Anpassung der Nulllagen an die jeweiligen geänderten Umkehrpunkte kann die steuerungs- bzw. regelungstechnische Sollbewegung mit der natürlichen Bewegung des physikalischen Schwingungssystems zur Deckung gebracht werden. Hierdurch wird ein hoher Wirkungsgrad des Linearverdichters bzw. des Linearantriebs erzielt.
Durch die Anpassung der Eigenfrequenz des mechanischen Schwingungssystems kann die abgegebene Leistung beeinflusst und der Wirkungsgrad optimiert werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Läufer und/oder der Verdichterkolben zwischen einem arbeitsseitigen Federelement und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement eingespannt.
Arbeitsseitig bedeutet hier die Seite, an der die Arbeit verrichtet werden soll. Bei einer Kolbenstange, welche den Linearantrieb mit dem Linearverdichter verbindet, weist die Arbeitsseite zum Verdichterkolben hin. Die gegenüberliegende Seite weist zum Läufer hin. Durch das Einspannen wird eine besonders stabile Hin- und Herbewegung bewirkt.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung weisen die Federelemente verschiedene Federkonstanten und/oder verschiedene Federlängen auf.
Die Federelemente sind vorteilhafterweise für jede Position des Läufers bzw. des Verdichterkolbens unter Spannung und weisen im eingespannten Zustand eine Länge auf, die kleiner als 95 % der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere kleiner als 90 % der ungedrückten Federelementlänge ist. Hierdurch wird sichergestellt, dass beide Federele- mente für jede Läufer- bzw. Verdichterkolbenstellung einen Spannungszustand aufweisen, welches ebenso einer stabilen Hin- und Herbewegung dient.
Um ein Anschlagen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, dass die Federelemente für jede Position des Läufers bzw. des Verdichterkolbens eine Länge aufweisen, die größer als 40 % ungedrückten Federelementlänge, insbesondere größer als 50 % der ungedrückten Federelementlänge ist. Hierdurch wird vermieden, dass die Federelemente niemals soweit zusammengedrückt werden, dass sich die einzelnen Federverbindungen berühren. Hierdurch wird ein hartes Anschlagen wirksam vermieden.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eines der folgenden Merkmale (α1 ) bis (α6) erfüllt.
(α1 ) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine Federkonstante im Bereich von 1 N/mm bis 5 N/mm, insbesondere im Bereich von 1 ,8 N/mm bis 3,6 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 2,3 N/mm bis 2,9 N/mm, auf;
(α2) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine Federkonstante im Bereich von 4 N/mm bis 12 N/mm, insbesondere im Bereich von 6,5 N/mm bis 9,5 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 7,5 N/mm bis 8,5 N/mm, auf;
(α3) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 40 mm bis 60 mm, insbesondere im Bereich von 48 mm bis 62 mm, auf;
(α4) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 25 mm bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 30 mm bis 36 mm, auf;
(α5) der Hub des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolben (6) beträgt zwischen 10 mm und 30 mm, insbesondere zwischen 12 mm und 20 mm;
(α6) der erste Läuferumkehrpunkt (1 1 ) bzw. der erste Kolbenumkehrpunkt (21 ) kann um mindestens 5 mm, insbesondere um mindestens 10 mm, vorzugsweise um 20 mm, verschoben werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Kombination der Merkmale (α1 ) bis (α6), wobei jedoch die einzelnen Merkmale jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der zweite Läuferumkehrpunkt und/oder der zweite Kolbenumkehrpunkt fixiert sind. Hierdurch kann beispielsweise bei Linearverdichtern sichergestellt werden, dass das im Kolbengehäuse befindliche Totvolumen möglichst gering gehalten wird, welches den Wirkungsgrad des Linearverdichters verbessert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann als Kühlgerät, insbesondere als Kühl- und/oder Gefrierschrank oder als Klimaanlage ausgestaltet sein.
Zwar wurde vorstehend auf die unterschiedlichen Varianten der Erfindung separat eingegangen, jedoch können die Varianten auch beliebig miteinander kombiniert werden. Die Varianten stehen teilweise überlappend, teilweise überlappungsfrei nebeneinander.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen einer Ware und/oder zum Verdichten eines Fluids verwendet die erfindungsgemäße Vorrichtung. Aufgrund der hohen Effizienz des Linearantriebs bzw. des Linearverdichters, die hohe Zuverlässigkeit und Energiesparsamkeit können Waren zügig, zuverlässig und energiesparsam gekühlt bzw. ein Fluid zuverlässig und effizient verdichtet werden, selbst wenn es erforderlich ist, mit unterschiedlichen Leistungsstufen zu arbeiten.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Besonderheiten werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die vorliegende Erfindung nicht einschränken sondern lediglich exemplarisch illustrieren soll, näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Schnittansicht;
Fig. 2 ein Kältegerät mit einer Vorrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 3 einen Graph, bei dem der elektromechanische Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie einer bekannten Vorrichtung gegenüber einer damit bewirkten Leistungsabgabe aufgetragen ist. Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 in einer Schnittansicht mit einem Linearantrieb 2 und einem Linearverdichter 3. Der Linearantrieb 2 weist einen Stator 4 auf, in dem sich entlang einer Antriebsachse 9 ein Läufer 5 hin und her bewegt. Der Läufer 5 wird mit Hilfe einer Antriebsspule 16 angetrieben, die mit einem Antriebsspulenstrom von einem Mittel 17 zum Ansteuern der Antriebsspule 16 aufschlagt wird. Der Läufer 5 oszilliert zwischen einem ersten Läuferumkehrpunkt 1 1 und einem zweiten Läuferumkehrpunkt 12 und durchläuft dabei eine Läufernulllage 13. Die Bewegung des Läufers 5 wird mit Hilfe eines Positionssensors 25 erfasst, der die Positionsinformation an das Mittel 17 zum Ansteuern der Antriebsspule 16 weitergibt, so dass insgesamt ein Regelkreis für die Bewegung des Läufers 5 realisiert wird.
Der Linearverdichter 3 weist ein Kolbengehäuse 7 auf, in dem ein Verdichterkolben 6 entlang einer Kolbenachse 8 zwischen einem ersten Kolbenumkehrpunkt 21 und einem zweiten Kolbenumkehrpunkt hin und her oszilliert. Der Verdichterkolben 6 verdichtet während seiner Hin- und Herbewegung ein Fluid 18, welches über einen Sauganschluss 18 eingesaugt wird und über einen Druckanschluss 29 ausgestoßen wird. Das Ansaugen und Ausstoßen des Fluids 18 wird mit Hilfe einer Ventilplatte 30 geschaltet. Der Verdichterkolben ist in dem Kolbengehäusen 7 durch eine Öffnungen 19 aufweisende Gehäusewand 20 berührungslos gelagert. Mit Hilfe einer Zuführung 31 wird Fluid 18 durch die Öffnungen 19 gedrückt, so dass ein Gaspolster zwischen der Gehäusewand 20 und dem Verdichterkolben 6 aufgebaut wird, wodurch eine Gasdrucklagerung bewirkt wird.
Der Läufer 5 ist mit dem Verdichterkolben 6 über eine Kolbenstange 24 verbunden, welche zur Aufnahme von Biegekräften zwei Kupplungen 26 aufweist. Die Nulllagen 13, 23 werden durch die Anordnung von Federelementen 14, 15 definiert. Der Verdichterkolben 6 wird zwischen einem arbeitsseitigen Federelement 14 und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement 15 eingespannt. Das arbeitsseitige Federelement weist eine Länge L1 auf und das gegenüberliegende Federelement 15 weist eine Länge L2 auf. Die ungedrückte Federlänge des arbeitsseitigen Federelements beträgt 59 mm. Die ungedrückte Federlänge des gegenüberliegenden Federelements 15 beträgt 33 mm. Die Nulllagen 13, 23 können mit Hilfe eines Verstellmittels 34 verstellt werden. Der Linearverdichter arbeitet bei einem nominalen Leistungswert von 80 W. Soll der nominale Leistungswert auf 40 W reduziert werden, werden die Federelemente 14, 15 durch das Verstellmittel 34 gestaucht und die Ansteuerung der Antriebsspulen mit dem Mittel 17 angepasst, so dass die An- triebsschwingung an der Spule 16 in etwa mit der natürlichen physikalischen Bewegung übereinstimmt. Hierdurch wird ein Bremsen des Linearantriebs 2 vermieden und ein besonders hoher Wirkungsgrad auch dann erreicht, wenn der Linearverdichter 3 bei 40 W betrieben wird.
Fig. 2 zeigt ein Kältegerät 10 mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 , mit der Waren 27 zügig, effizient und energiesparsam gekühlt werden können. Für ein Produktspektrum von 7 Kühlschränken mit unterschiedlichen Leistungsstufen von 40 W bis 160 W sind lediglich zwei verschiedene Linearverdichterkonstruktionen erforderlich, wodurch die Herstellungskosten eines einzelnen Kühlschrankes reduziert werden. Durch den hohen Wirkungsgrad ist ein effizientes und energiesparendes Kühlen der Waren 27 möglich.
Fig. 3 zeigt den elektromechanischen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Linearverdichters (siehe Kurve 33) sowie den Wirkungsgrad für einen bekannten Linearverdichter (siehe Kurve 32) in Abhängigkeit von der jeweiligen von den Linearverdichtern abgegebenen Leistung. Der elektromagnetische Wirkungsgrad ist definiert als
p mech lellmech p _ι D mech ohn
Die abgegebene Leistung ist normiert auf die nominale Leistung, d.h. die maximale, im Dauerbetrieb von dem Kältegerät erzielbare Leistung. Man erkennt, dass bei bekannten Linearverdichtern, der Wirkungsgrad im Wesentlichen linear von der abgegebenen Leistung abhängt, während bei dem erfindungsgemäßen Linearverdichter der elektromagnetische Wirkungsgrad für abgegebene Leistungen von 100 % bis 50 % im Wesentlichen konstant bleibt.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung 1 mit einem Linearantrieb 2, der einen Stator 4 und einen darin entlang einer Antriebsachse 9 zwischen einem ersten 1 1 und einem zweiten 12 Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage 13 hin und her beweglichen Läufer 5 aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter 3, der ein Kolbengehäuse 7 und einen darin entlang einer Kolbenachse 8 und einem ersten 21 und einem zweiten 22 Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage 23 hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb 2 antreibbaren Verdichterkolben 6 aufweist, wobei entweder die Läufernulllage 13 bzw. die Kolbennulllage 23 verstellbar ist und/oder mindestens ein Federelement 14, 15 an dem Läufer 5 bzw. an dem Verdichterkolben 6 wirkt, dessen Länge verändert, insbesondere verkürzt werden kann, und/oder dessen Federkonstante geändert, insbesondere erhöht werden kann; und ein Verfahren zum Kühlen von Waren 27 bzw. zum Verdichten eines Fluids 18.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Anpassung der von der Vorrichtung abgegebenen Leistung keinen wesentlichen Einfluss auf den elektromechanischen Wirkungsgrad der Vorrichtung aufweist, wodurch ein Linearantrieb 2 und ein Linearverdichter 3 besonders kostengünstig gebaut werden können, da die Vielfalt der Komponententeile erheblich reduziert werden kann.
Bezugszeichenhste
Vorrichtung
Linearantrieb
Linearverdichter
Stator
Läufer
Verdichterkolben
Kolbengehäuse
Kolbenachse
Antriebsachse
Kältegerät erster Läuferumkehrpunkt zweiter Läuferumkehrpunkt
Läufernulllage arbeitsseitiges Federelement gegenüberliegendes Federelement
Antriebsspule
Mittel zum Ansteuern des Antriebsspule 16
Fluid
Öffnungen
Gehäusewand erster Kolbenumkehrpunkt zweiter Kolbenumkehrpunkt
Kolbennulllage
Kolbenstange
Positionssensor
Kupplung
Ware
Sauganschluss
Druckanschluss
Ventilplatte
Zuführung
Wirkungsgrad ohne Nulllagenanpassung 33 Wirkungsgrad mit Nulllagenanpassung
34 Verstellmittel
L1 Länge des arbeitsseitigen Federelements 14
L2 Länge des gegenüberliegenden Federelements 15

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (1 ) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11 ) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21 ) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufernulllage (13) bzw. die Kolbennulllage (23) verstellbar ist.
2. Vorrichtung (1 ) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11 ) und einem zweiten (12) Läuferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21 ) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Federelement (14, 15) an dem Läufer (5) bzw. an dem Verdichterkolben (6) wirkt, dessen Länge (L1 , L2) verändert, insbesondere verkürzt, werden kann und/oder dessen Federkonstante verändert, insbesondere erhöht, werden kann.
3. Vorrichtung (1 ) mit einem Linearantrieb (2), der einen Stator (4) und einen darin entlang einer Antriebsachse (9) zwischen einem ersten (11 ) und einem zweiten (12) Lau- ferumkehrpunkt um eine Läufernulllage (13) hin und her beweglichen Läufer (5) aufweist, und/oder mit einem Linearverdichter (3), der ein Kolbengehäuse (7) und einen darin entlang einer Kolbenachse (8) zwischen einem ersten (21 ) und einem zweiten (22) Kolbenumkehrpunkt um eine Kolbennulllage (23) hin und her beweglichen, von dem Linearantrieb (2) antreibbaren Verdichterkolben (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Linearverdichter (3) bzw. vom Linearantrieb (2) verrichtbare mechanische Leistung reduziert werden kann, insbesondere von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6, vorzugsweise von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.5, wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei der Änderung der mechanischen Leistung stets größer als 60 %, insbesondere größer als 70%, vorzugsweise größer als 80%, ist, und /oder wobei der elektromechanische Wirkungsgrad bei Reduktion der mechanischen Leistung von einem normierten nominalen Leistungswert von 1 auf 0.6 im Durchschnitt mit einer Steigung kleiner als 0.8, insbesondere mit einer Steigung kleiner als 0.5, vorzugsweise mit einer Steigung kleiner als 0.2, besonders bevorzugt mit einer Steigung kleiner als 0.1 , fällt.
4. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebsspule (16), die mit einer elektromagnetischen Kraft auf den Läufer (5) bzw. auf den Verdichterkolben (6) einwirkt, und ein Mittel (17) zur Steuerung der Antriebsspule (16) vorgesehen sind, wobei mit dem Mittel (17) die Lage des ersten Läuferumkehrpunkts (1 1 ) bzw. des ersten Kolbenumkehrpunkts (21 ) verstellbar ist.
5. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Läufernulllage (13) relativ zum ersten Läuferumkehrpunkt (1 1 ) bzw. die Kolbennulllage (23) relativ zum ersten Kolbenumkehrpunkt (21 ) derart verstellbar ist, dass der Läufer (5) bzw. der Verdichterkolben (6) bei Änderung des Umkehrpunkts (1 1 , 21 ) eine im Wesentlichen symmetrische Schwingung um die verstellte Nulllage (13, 23) ausführen kann.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (5) und/oder der Verdichterkolben (6) zwischen einem arbeitssei- tigen Federelement (14) und einem hierzu gegenüberliegenden Federelement (15) eingespannt ist.
7. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) verschiedene Federkonstanten und/oder verschiedene Federlängen (L1 , L2) aufweisen.
8. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) für jede Position des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolbens (6) eine Länge aufweisen, die kleiner als 95% der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere kleiner als 90% der ungedrückten Federelementlänge, ist.
9. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (14, 15) für jede Position des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolbens (6) eine Länge (L1 , L2) aufweisen, die größer als 40% der ungedrückten Federelementlänge, insbesondere größer als 50% der ungedrückten Federelementlänge, ist.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens eines der folgenden Merkmale (α1 ) bis (α6):
(α1 ) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine Federkonstante im Bereich von 1 N/mm bis 5 N/mm, insbesondere im Bereich von 1 ,8 N/mm bis 3,6 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 2,3 N/mm bis 2,9 N/mm, auf;
(α2) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine Federkonstante im Bereich von 4 N/mm bis 12 N/mm, insbesondere im Bereich von 6,5 N/mm bis 9,5 N/mm, vorzugsweise im Bereich von 7,5 N/mm bis 8,5 N/mm, auf;
(α3) das arbeitsseitige Federelement (14) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 40 mm bis 60 mm, insbesondere im Bereich von 48 mm bis 62 mm, auf;
(α4) das gegenüberliegende Federelement (15) weist eine ungedrückte Federlänge im Bereich von 25 mm bis 40 mm, insbesondere im Bereich von 30 mm bis 36 mm, auf; (α5) der Hub des Läufers (5) bzw. des Verdichterkolben (6) beträgt zwischen 10 mm und 30mm, insbesondere zwischen 12 mm und 20 mm;
(a6) der erste Läuferumkehrpunkt (1 1 ) bzw. der erste Kolbenumkehrpunkt (21 ) kann um mindestens 5 mm, insbesondere um mindestens 10 mm, vorzugsweise um 20 mm, verschoben werden.
1 1. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Läuferumkehrpunkt (12) und/oder der zweite Kolbenumkehrpunkt (22) fixiert ist.
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Kühlgerät (20), insbesondere als Kühl- und/oder Gefrierschrank oder als Klimaanlage, ausgestaltet ist.
13. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 in Verbindung einem der Ansprüche 2 bis 12 umfassend die Merkmale des Anspruchs 2 und/oder des Anspruchs 3.
14. Verfahren zum Kühlen einer Ware (17) und/oder Verdichten eines Fluids (18), dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine Vorrichtung (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 verwendet.
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