EP1991783B1 - Verfahren zum justieren eines kolbens in einem linearverdichter - Google Patents

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EP1991783B1
EP1991783B1 EP07704139A EP07704139A EP1991783B1 EP 1991783 B1 EP1991783 B1 EP 1991783B1 EP 07704139 A EP07704139 A EP 07704139A EP 07704139 A EP07704139 A EP 07704139A EP 1991783 B1 EP1991783 B1 EP 1991783B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
armature
end position
winding
current
piston
Prior art date
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Not-in-force
Application number
EP07704139A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1991783A1 (de
Inventor
Mario Bechtold
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
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Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP1991783A1 publication Critical patent/EP1991783A1/de
Application granted granted Critical
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Not-in-force legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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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

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a linear compressor, in particular for a refrigeration device.
  • a linear compressor is eg off US 6506032B2 Next state of the art and US 6641377B2 known. It comprises a reversing linear drive with a winding and an armature displaceable by a magnetic field generated by the winding against a spring force and a compression chamber in which a piston is coupled to the armature movable.
  • the winding is subjected to an alternating current in order to drive a swinging motion of the armature.
  • the amplitude of movement of the piston is strictly predetermined, this is not the case with a linear compressor.
  • the armature can oscillate with different amplitudes depending on the winding supplied electrical drive power, and accordingly, the piston stroke is variable.
  • the amplitude of the armature can become so great that the piston strikes a boundary of the compression chamber. This leads to a strong noise and possibly also to a damage of the compressor. In addition, the vibration of the armature and the driving alternating current get out of phase, so that for this reason the drive loses effectiveness.
  • Tolerances in the manufacture of the linear compressors can cause the path that the armature can travel from its equilibrium position until the piston encounters a limit can vary from one linear compressor to another. If, taking into account the manufacturing tolerances of the armature stroke for all linear compressor is uniformly determined so that the piston can not hit the limit, resulting from one compressor to another significantly different dead volumes and thus different efficiencies.
  • the equilibrium position in which the armature is with the compressor off, depending on the pressure prevailing in the compression chamber, acting on the piston pressure may be different. Different pressures can easily occur when using the linear compressor for compressing refrigerant in a refrigerator, depending on how the average temperature or the ratio of gaseous to liquid refrigerant in the refrigerant circuit of the device. If a refrigeration unit is put into operation new or after a long standstill and the refrigerant circuit has to be cooled down from room temperature, the pressure in the refrigerant circuit is initially higher than in an operating unit in which the cold room and consequently also at least part of the refrigerant clearly colder than room temperature.
  • a vibration amplitude, which results in a usable device, a useful, small dead volume may be insufficient in the case of restart, since here the rest position, by which the armature oscillates, is shifted. If this results in a large dead volume, the efficiency of the compressor can be so far affected in extreme cases that a proper cooling down of the device is not possible.
  • the object of the present invention is to provide a method for operating a linear compressor which avoids the problems described above.
  • a linear compressor comprising a linear drive with a winding and a displaceable by the magnetic field of the coil against a spring force armature and a compressor chamber in which a piston is coupled to the armature movable, wherein in operation, the winding is applied with an alternating current to drive a swinging motion of the armature, this winding is acted upon before operation with a direct current with a first sign to move the armature from a rest position by a first end position, the armature under the action of the Direct current is measured, measured, and during operation, the magnitude of the alternating current, with which the winding is energized, is controlled so that the armature does not reach the first end position or with vanishing speed.
  • the first sign of the DC current is set so that is moved by the resulting from the action of the DC current displacement of the piston, the piston on a valve plate of the compression chamber, since in this direction, the freedom of movement of the piston is necessarily limited and accurate control of the piston stroke is required to ensure a small dead volume and thus a good efficiency.
  • the winding is further supplied with a direct current opposite to the sign of the first sign before commencement of operation, that a second end position which the armature reaches under the effect of this direct current is measured, and that during operation
  • the strength of the alternating current that energizes the winding is controlled so that the armature does not reach the second end position either at or with vanishing speed.
  • the strength of the DC current is expediently increased gradually to avoid that the piston abuts a boundary at high speed.
  • the position of the armature is repeatedly measured, and as the end position, a position of the armature is determined over which the armature does not move with a further increase of the current strength.
  • the deflection counteracts namely only the spring force and possibly the pressure in the compression chamber, it can be assumed that an increase in the current of the direct current also leads to an increase in the deflection, unless the piston has reached the limit.
  • a position of the armature can be determined as the end position in which it triggers a proximity sensor.
  • a proximity sensor may for example be a light barrier,
  • Fig. 1 schematically shows a linear compressor with a linear drive 1 and a compressor unit 2, which are held in a U-shaped frame 3 shown here.
  • An armature 6 is suspended in an air gap between the iron cores 4 by means of diaphragm springs 7, which keep the armature 6 slightly movable in the longitudinal direction of the air gap and rigid in the transverse direction.
  • the armature 6 includes two antiparallel poled permanent magnets 8, 9, which endeavor to align themselves in a magnetic field generated by the windings 5 and the armature 6 thus depending on the direction of current flow through the windings 5 the armature in the perspective of the left or right float.
  • the compressor unit 2 comprises a compression chamber 10, which is bounded on one side by a movable piston 11.
  • the piston 11 is rigidly connected to the armature 6 via a piston rod 12.
  • a support plate 13 On the armature 6, a support plate 13 is mounted, which is alternately provided with reflective or light-absorbing strip.
  • a first light barrier with a light source 14 which emits a focused light beam onto the carrier plate 13 and a light sensor 15 aligned with the carrier plate 13 is mounted on one of the iron cores 4. Depending on whether the light beam of the light source 14 strikes a reflective or an absorbing strip of the carrier plate 13, the light sensor 15 receives more or less light.
  • a comb-like structure may also be mounted on the armature 6, and light source 14 and light sensor 15 of the light barrier are mounted on the iron cores 4 on both sides of the comb structure, so that depending on the position of the armature 6, a tine of the comb structure the light sensor 15th shaded or the light beam from the light source 14 through a gap between two prongs reaches the light sensor 15.
  • a comb structure may also be provided a transparent support which is provided with spaced light-impermeable strips.
  • a second light barrier is arranged offset by a quarter period of the regular strip arrangement.
  • a control circuit 16 is connected, which supplies the windings 5 with electricity.
  • the control circuit 16 receives from the outside, for example from a thermostat control of a refrigerator, in which the linear compressor of Fig. 1 is installed, a commissioning command.
  • the control circuit 16 then acts on the windings 5 with a direct current whose current intensity I, as indicated by a dashed line in the diagram of Fig. 2 shown, increases linearly with time t. Proportional to the current I increases the force acting on the armature 6 magnetic force, the armature 6 in the perspective of the Fig. 1 drives to the right.
  • the principle of the invention is also applicable if this is not exactly the case:
  • the control circuit 16 With increasing displacement of the armature 6 a strip of the carrier plate 13 after the other passes the photocells.
  • the control circuit 16 detects the direction in which the armature 6 moves and increments (decrements, depending on the detected direction of movement) each time a stripe passes the first photoelectric switch 14,15 ) the control circuit 16 has a counter whose count n is thus representative of the distance traveled by the armature 6 from its rest position.
  • the count value n thus forms a likewise in the diagram of Fig. 2 illustrated step function of the time t.
  • the freedom of movement of the armature 6, measured in steps of the said counter, a fixed predetermined and stored in the control circuit 16 integer N.
  • the control circuit corresponding to the contact of the piston 11 with the valve plate 17 count value with the number N
  • a calibration of the position measurement is achieved: the limits of the permissible range of motion of the armature 6 correspond to a count of 0 and N.
  • the control circuit reduces the current I in the windings 5 from the time t 1 , to a reversal of their sign, while counted in the opposite direction, the strips which pass through the light barrier, from zero upwards. This happens until again increasing the amount of current no longer leads to a further increase in the meter reading.
  • the counter reading N thus obtained thus represents a measured value of the actual freedom of movement of the armature 6; he will be in the used the same way, as stated above for the fixed preset count N and explained in more detail below.
  • the diagrams of Fig. 3 illustrate the recording of the oscillating operation of the linear compressor.
  • the middle diagram schematically shows the time evolution of the position of the armature 6 and its target reversal points, the upper and the lower diagram respectively corresponding to the time evolution of the charge quantities Q + , Q - of positive and negative half-waves of one of the control circuit 16 to the windings 5 output excitation current.
  • the control circuit In order now to bring the oscillating movement of the armature 6 in motion, the control circuit first sets the armature position, which corresponds to the count N / 2, as the center of the oscillatory motion. The initial resting position of the armature then corresponds to a count denoted n 0 , which will generally be different from N / 2. At time t 2 in Fig. 3 The control circuit starts to excite the swinging motion.
  • the control circuit 16 initially acts on the windings only with positive half waves to raise the armature.
  • the time evolution of the charge amount Q + of the upper half-waves is shown in the upper diagram of FIG Fig. 3 shown; it starts with an initial value Q + (t 2 ) at time t 2 , which is proportional to the deviation between the armature rest position n 0 and the desired midpoint N / 2 of its swinging motion, and takes as the setpoint position u + of the upper reversal point with time t too.
  • the target position of the lower reversal point u - crosses the rest position n 0 .
  • the control circuit 16 starts to output negative half-waves.
  • the time evolution of their charge quantity Q - is in the lower diagram of Fig. 3 shown.
  • the control circuit 16 reduces the charge amount of the positive half-waves, if it detects a movement of the armature beyond the upper target turning point N- ⁇ and accordingly increases the amount of charge of the lower half-waves, such a displacement of the movement is avoided, so that the compressor unit. 2 works at any time with minimal dead volume, without it comes to striking the piston 11 in the compression chamber 10.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Linearverdichters, insbesondere für ein Kältegerät. Ein solcher Linearverdichter ist z.B. aus US 6506032B2 nächster Stand der Technik und US 6641377B2 bekannt. Er umfasst einen reversierenden Linearantrieb mit einer Wicklung und einem durch ein von der Wicklung erzeugtes Magnetfeld gegen eine Federkraft verschiebbaren Anker sowie eine Verdichterkammer, in der ein Kolben an den Anker gekoppelt bewegbar ist. Im Betrieb wird die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt, um eine Schwingbewegung des Ankers anzutreiben.
  • Während bei einem herkömmlichen rotatorisch angetriebenen Verdichter die Bewegungsamplitude des Kolbens strikt vorgegeben ist, ist dies bei einem Linearverdichter nicht der Fall. Der Anker kann je nach der Wicklung zugeführter elektrischer Antriebsleistung mit unterschiedlichen Amplituden schwingen, und dementsprechend ist auch der Kolbenhub variabel.
  • Je kleiner die Antriebsleistung und dementsprechend auch die Amplitude des Ankers ist, umso größer ist das Totvolumen der Pumpkammer am oberen Umkehrpunkt der Bahn des Kolbens. Ein großes Totvolumen führt zu einem geringen Wirkungsgrad des Verdichters, da die zum Komprimieren des Gases im Totvolumen geleistete Arbeit nicht genutzt wird und nach Überwindung des oberen Totpunktes das Gas sich wieder entspannt und dabei den Kolben zurücktreibt.
  • Wenn hingegen die Wicklung mit einer zu hohen Antriebsleistung beaufschlagt wird, kann die Amplitude des Ankers so groß werden, dass der Kolben an eine Begrenzung der Verdichterkammer anschlägt. Dies führt zu einer starken Geräuschentwicklung und evtl. auch zu einer Beschädigung des Verdichters. Darüber hinaus geraten die Schwingung des Ankers und der antreibende Wechselstrom außer Phase, so dass auch aus diesem Grund der Antrieb an Effektivität verliert.
  • Um einen Linearverdichter stabil mit gutem Wirkungsgrad betreiben zu können, ist es daher erforderlich, die Amplitude des Ankers zu überwachen und den Wechselstrom, mit dem die Wicklung beaufschlagt wird, so zu steuern, dass die Amplitude stets knapp unter einem Grenzwert bleibt, bei dessen Überschreitung der Kolben an eine Begrenzung stößt.
  • Toleranzen bei der Fertigung der Linearverdichter können dazu führen, dass der Weg, den der Anker aus seiner Gleichgewichtslage zurücklegen kann, bis der Kolben an eine Begrenzung stößt, von einem Linearverdichter zum anderen variieren kann. Wenn unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen der Ankerhub für alle Linearverdichter einheitlich so festgelegt wird, dass der Kolben nicht an die Begrenzung stoßen kann, so ergeben sich von einem Verdichter zum anderen erheblich unterschiedliche Totvolumina und damit unterschiedliche Wirkungsgrade.
  • Ein weiteres Problem ist, dass die Gleichgewichtsstellung, in der sich der Anker bei ausgeschaltetem Verdichter befindet, je nach in der Verdichterkammer herrschendem, auf den Kolben wirkendem Druck unterschiedlich sein kann. Unterschiedliche Drücke können bei Nutzung des Linearverdichters zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät leicht auftreten, je nachdem, wie die mittlere Temperatur bzw. das Verhältnis von gasförmigem zu flüssigem Kältemittel im Kältemittelkreislauf des Gerätes ist. Wenn ein Kältegerät neu oder nach längerem Stillstand in Betrieb genommen wird und der Kältemittelkreislauf von Zimmertemperatur aus heruntergekühlt werden muss, ist der Druck im Kältemittelkreislauf zunächst höher als bei einem in Betrieb befindlichen Gerät, bei dem der Kühlraum und folglich auch wenigstens ein Teil des Kältemittels deutlich kälter als Zimmertemperatur sind. Eine Schwingungsamplitude, die bei einem in Betrieb befindlichen Gerät ein brauchbares, kleines Totvolumen ergibt, kann im Fall der Neuinbetriebnahme unzureichend sein, da hier die Ruhelage, um die der Anker oszilliert, verschoben ist. Wenn hierdurch ein großes Totvolumen entsteht, kann der Wirkungsgrad des Verdichters im Extremfall so weit beeinträchtigt sein, dass ein ordnungsgemäßes Herunterkühlen des Geräts nicht möglich ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren zum Betreiben eines Linearverdichters zu schaffen, das die oben beschriebenen Probleme vermeidet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem bei einem Linearverdichter, der einen Linearantrieb mit einer Wicklung und einem durch das Magnetfeld der Wicklung gegen eine Federkraft verschiebbaren Anker und eine Verdichterkammer umfasst, in der ein Kolben an den Anker gekoppelt bewegbar ist, wobei im Betrieb die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, um eine Schwingbewegung des Ankers anzutreiben, diese Wicklung vor Aufnahme des Betriebs mit einem Gleichstrom mit einem ersten Vorzeichen beaufschlagt wird, um den Anker aus einer Ruheposition zu verschieben, indem eine erste Endposition, die der Anker unter der Wirkung des Gleichstroms erreicht, gemessen wird, und indem während des Betriebs die Stärke des Wechselstroms, mit dem die Wicklung erregt wird, so gesteuert wird, dass der Anker die erste Endposition nicht oder mit verschwindender Geschwindigkeit erreicht.
  • Durch die Gleichstrombeaufschlagung und Messung der daraus resultierenden Ankerposition wird ein Messwert für eine maximal zulässige. Auslenkung des Ankers erhalten, in welchem sowohl Fertigungstoleranzen als auch eine durch den Druck in der Verdichterkammer verursachte Verschiebung der Ruheposition des Ankers automatisch berücksichtigt sind.
  • Vorzugsweise ist das erste Vorzeichen des Gleichstroms so festgelegt, dass durch die aus der Wirkung des Gleichstroms resultierende Verschiebung des Ankers der Kolben auf eine Ventilplatte der Verdichterkammer zu bewegt wird, da in diese Richtung die Bewegungsfreiheit des Kolbens notwendigerweise beschränkt ist und eine genaue Regelung des Kolbenhubs erforderlich ist, um ein kleines Totvolumen und damit einen guten Wirkungsgrad zu gewährleisten.
  • Es kann vorgesehen werden, dass die Wicklung ferner vor Aufnahme des Betriebs mit einem Gleichstrom mit zu dem ersten Vorzeichen entgegengesetztem Vorzeichen beaufschlagt wird, dass eine zweite Endposition, die der Anker unter der Wirkung dieses Gleichstroms erreicht, gemessen wird, und dass während des Betriebs die Stärke des Wechselstroms, mit dem Wicklung erregt wird, so gesteuert wird, dass der Anker auch die zweite Endposition nicht oder mit verschwindender Geschwindigkeit erreicht. Auf diese Weise wird die Bewegungsfreiheit des Kolbens in beide Richtungen gemessen, und die verfügbare Bewegungsfreiheit des Kolbens kann unabhängig von durch Fertigungstoleranzen bedingten Streuungen optimal ausgenutzt werden.
  • Alternativ besteht die Möglichkeit, eine zweite Endposition in einem vorgegebenen Abstand von der ersten Endposition zu berechnen.
  • Die Stärke des Gleichstroms wird zweckmäßigerweise nach und nach erhöht, um zu vermeiden, dass der Kolben mit hoher Geschwindigkeit an eine Begrenzung stößt.
  • Vorzugsweise wird während des Erhöhens der Stromstärke die Position des Ankers wiederholt gemessen, und als Endposition wird eine Position des Ankers bestimmt, über die sich der Anker bei einer weiteren Erhöhung der Stromstärke nicht hinausbewegt. Solange der Auslenkung nämlich nur die Federkraft und ggf. der Druck in der Verdichterkammer entgegenwirkt, kann davon ausgegangen werden, dass eine Erhöhung der Stromstärke des Gleichstroms auch zu einer Erhöhung der Auslenkung führt, es sei denn, der Kolben hat die Begrenzung erreicht.
  • Alternativ kann als Endposition eine Position des Ankers bestimmt werden, in der dieser einen Näherungssensor auslöst. Ein solcher Näherungssensor kann beispielsweise eine Lichtschranke sein,
  • Um die Schwingbewegung des Ankers in Gang zu setzen, wird vorzugsweise die Wicklung mit einem Wechselstrom beaufschlagt, bei dem die Ladungsmengen von positiven und negativen Halbwellen im Laufe der Zeit zunehmen, so dass auch die Amplitude der Schwingbewegung im Laufe der Zeit wächst. Dies gibt die Möglichkeit, die Entwicklung der Amplitude in Abhängigkeit von den Ladungsmengen der Halbwellen zu verfolgen und deren Anstieg so zu dosieren, dass keine der zuvor festgelegten Endpositionen überschritten wird.
  • Insbesondere aufgrund einer Verschiebung der Ruheposition des Ankers durch den in der Verdichterkammer herrschenden Druck kann es erforderlich sein, die Ladungsmengen der positiven und der negativen Halbwellen getrennt zu regeln, um jeweils einen gleichen Abstand der zwei Umkehrpunkte der Schwingbewegung von der ersten bzw. zweiten Endposition zu gewährleisten.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
    • Fig.1
    eine schematische Ansicht, teils in Draufsicht, teils im Schnitt, eines Linearverdichters;
    Fig. 2
    die zeitliche Entwicklung eines auf die Wicklungen des Linearverdichters aus Fig. 1 gegebenen Gleichstroms und des daraus resultierenden Messwerts der Ankerauslenkung; und
    Fig. 3
    die zeitliche Entwicklung der Schwingungsamplitude und der Ladungsmengen der positiven und negativen Halbwellen des Wicklungsstroms beim Ingangsetzen der Schwingbewegung.
  • Fig. 1 zeigt schematisch einen Linearverdichter mit einem Linearantrieb 1 und einer Verdichtereinheit 2, die in einem hier U-förmig dargestellten Rahmen 3 gehalten sind. An zwei parallelen Schenkeln des Rahmens 3 sind einander zugewandt Eisenkerne 4 von E-förmigem Querschnitt und Wicklungen 5 montiert. In einem Luftspalt zwischen den Eisenkernen 4 ist ein Anker 6 mit Hilfe von Membranfedern 7 aufgehängt, die den Anker 6 in Längsrichtung des Luftspalts leicht beweglich und in Querrichtung dazu starr halten. Der Anker 6 enthält zwei antiparallel gepolte Permanentmagnete 8, 9, die bestrebt sind, sich in einem von den Wicklungen 5 erzeugten Magnetfeld auszurichten und den Anker 6 somit je nach Stromflussrichtung durch die Wicklungen 5 den Anker in der Perspektive der Fig. nach links oder rechts treiben.
  • Die Verdichtereinheit 2 umfasst eine Verdichterkammer 10, die an einer Seite durch einen beweglichen Kolben 11 begrenzt ist. Der Kolben 11 ist mit dem Anker 6 über eine Kolbenstange 12 starr verbunden. Durch einen Überdruck in der Verdichterkammer 10 ist die Ruheposition des Ankers 6 gegenüber einer Position, in der die Blattfedern 7 entspannt sind, leicht nach links versetzt.
  • Auf dem Anker 6 ist eine Trägerplatte 13 montiert, die abwechselnd mit spiegelnden bzw. lichtabsorbierenden Streifen versehen ist. Eine erste Lichtschranke mit einer Lichtquelle 14, die einen gebündelten Lichtstrahl auf die Trägerplatte 13 emittiert, und einem auf die Trägerplatte 13 ausgerichteten Lichtsensor 15 ist an einem der Eisenkerne 4 montiert. Je nachdem, ob der Lichtstrahl der Lichtquelle 14 auf einen spiegelnden oder einen absorbierenden Streifen der Trägerplatte 13 trifft, empfängt der Lichtsensor 15 mehr oder weniger Licht.
  • Alternativ kann anstelle der Trägerplatte 13 auch eine kammartige Struktur an dem Anker 6 montiert sein, und Lichtquelle 14 und Lichtsensor 15 der Lichtschranke sind an den Eisenkernen 4 beiderseits der Kammstruktur montiert, so dass je nach Stellung des Ankers 6 ein Zinken der Kammstruktur den Lichtsensor 15 beschattet oder der Lichtstrahl von der Lichtquelle 14 durch einen Zwischenraum zwischen zwei Zinken den Lichtsensor 15 erreicht. Anstelle einer Kammstruktur kann auch ein transparenter Träger vorgesehen sein, der mit beabstandeten lichtundurchlässigen Streifen versehen ist.
  • Eine nicht dargestellte zweite Lichtschranke ist um eine Viertelperiode der regelmäßigen Streifenanordnung versetzt angeordnet.
  • An die Lichtschranken ist eine Steuerschaltung 16 angeschlossen, die die Wicklungen 5 mit Strom beaufschlagt.
  • Die Arbeitsweise der Steuerschaltung bei der Inbetriebnahme des Linearverdichters wird anhand der Fig. 2 und 3 erläutert. Zu einem Zeitpunkt t = 0 empfängt die Steuerschaltung 16 von außen, z.B. von einer Thermostatregelung eines Kältegeräts, in das der Linearverdichter der Fig. 1 eingebaut ist, einen Inbetriebnahmebefehl. Die Steuerschaltung 16 beaufschlagt daraufhin die Wicklungen 5 mit einem Gleichstrom, dessen Stromstärke I, wie durch eine strichpunktierte Linie in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellt, linear mit der Zeit t zunimmt. Proportional zur Stromstärke I wächst die auf den Anker 6 einwirkende Magnetkraft, die den Anker 6 in der Perspektive der Fig. 1 nach rechts treibt. In der Darstellung der Fig. 2 ist vereinfachend angenommen, dass die daraus resultierende Verlagerung des Ankers 6 linear proportional zur Stromstärke I ist. Das Prinzip der Erfindung ist aber auch anwendbar, wenn dies nicht exakt der Fall ist:
  • Mit zunehmender Verlagerung des Ankers 6 passiert ein Streifen der Trägerplatte 13 nach dem anderen die Lichtschranken. Durch einen Vergleich der Phasen der von den Lichtschranken gelieferten Zählimpulse erkennt die Steuerschaltung 16 die Richtung, in der sich der Anker 6 bewegt, und jedes Mal wenn ein Streifen die erste Lichtschranke 14,15 passiert, inkrementiert (bzw. dekrementiert, je nach erfasster Bewegungsrichtung) die Steuerschaltung 16 einen Zähler, dessen Zählwert n somit repräsentativ ist für den vom Anker 6 aus seiner Ruheposition zurückgelegten Weg. Der Zählwert n bildet somit eine ebenfalls in dem Diagramm der Fig. 2 dargestellte Stufenfunktion der Zeit t.
  • Wenn die Stromstärke I stark genug ist, um den Kolben 11 mit der Ventilplatte 17 der Verdichtereinheit 2 in Kontakt zu bringen, wächst der Zählwert n auch bei weiter steigender Stromstärke nicht mehr an. Dies wird von der Steuerschaltung 16 zu einem in Fig. 2 mit t1 bezeichneten Zeitpunkt erkannt, an dem die Stromstärke I einen Wert I(nmax) erreicht, an ein dem bei Fortschreibung des bisher beobachteten Zusammenhangs zwischen I und n zu erwartendes Inkrement von n ausbleibt.
  • Einer ersten Ausgestaltung zufolge ist die Bewegungsfreiheit des Ankers 6, gemessen in Schritten des besagten Zählers, eine fest vorgegebene und in der Steuerschaltung 16 gespeicherte ganze Zahl N. Indem die Steuerschaltung den dem Kontakt des Kolbens 11 mit der Ventilplatte 17 entsprechenden Zählwert mit der Zahl N überschreibt, wird eine Kalibrierung der Positionsmessung erreicht: die Grenzen des zulässigen Bewegungsbereichs des Ankers 6 entsprechen jeweils einem Zählwert von 0 bzw. N. Durch Auf- oder Abwärtszählen der von der Lichtschranke erfassten Streifen, je nach Bewegungsrichtung des Ankers 6, "kennt" die Steuerschaltung 16 zu jeder Zeit den Ort des Ankers 6.
  • Einer zweiten Ausgestaltung zufolge reduziert die Steuerschaltung ab dem Zeitpunkt t1 die Stromstärke I in den Wicklungen 5, bis hin zu einer Umkehr von deren Vorzeichen, und zählt währenddessen in Gegenrichtung die Streifen, welche die Lichtschranke passieren, von Null aufwärts. Dies geschieht, bis erneut eine Erhöhung des Betrags der Stromstärke nicht mehr zu einer weiteren Erhöhung des Zählerstandes führt. Der so erhaltene Zählerstand N stellt somit einen Messwert der tatsächlichen Bewegungsfreiheit des Ankers 6 dar; er wird in der selben Weise genutzt, wie oben für den fest vorgegebenen Zählwert N angegeben und im Folgenden noch genauer erläutert.
  • Die Diagramme der Fig. 3 veranschaulichen die Aufnahme des Schwingbetriebs des Linearverdichters. Das mittlere Diagramm zeigt schematisch die zeitliche Entwicklung der Position des Ankers 6 und seiner Soll-Umkehrpunkte, das obere und das untere Diagramm jeweils entsprechend die zeitliche Entwicklung der Ladungsmengen Q+, Q- von positiven und negativen Halbwellen eines von der Steuerschaltung 16 an die Wicklungen 5 ausgegebenen Erregungsstromes.
  • Um nun die Schwingbewegung des Ankers 6 in Gang zu bringen, legt die Steuerschaltung zunächst die Ankerposition, die dem Zählwert N/2 entspricht, als Mittelpunkt der Schwingbewegung fest. Der ursprünglichen Ruheposition des Ankers entspricht dann ein mit n0 bezeichneter Zählwert, der im allgemeinen von N/2 verschieden sein wird. Zur Zeit t2 in Fig. 3 beginnt die Steuerschaltung, die Schwingbewegung anzuregen. Um die Amplitude der Schwingung allmählich anwachsen zu lassen, werden Soll-Umkehrpunkte u+ u- für die Ankerschwingung vorgegeben, die sich im Laufe der Zeit symmetrisch von N/2 entfernen, z.B. als lineare Funktionen der Zeit u+ = N/2 + a(t-t2), u- = N/2 - a(t-t2), um schließlich stationäre Werte N-ε bzw. ε anzunehmen, wie in dem mittleren Diagramm von Fig. 3 dargestellt. Dabei stellt ε ein Sicherheitsabstand von wenigen Zählerschritten dar, der dazu dient, im stationären Betrieb ein Anstoßen des Kolbens an eine Begrenzung sicher zu vermeiden. Ein typischer Ablauf der Ankerbewegung ist als Kurve p in dem mittleren Diagramm der Fig. 3 eingezeichnet. Zur Zeit t2 befindet sich der Anker 6 deutlich unterhalb der Kurve u+ des oberen Umkehrpunkts. Die Steuerschaltung 16 beaufschlagt daher zunächst die Wicklungen nur mit positiven Halbwellen, um den Anker anzuheben. Die zeitliche Entwicklung der Ladungsmenge Q+ der oberen Halbwellen ist in dem oberen Diagramm der Fig. 3 dargestellt; sie beginnt mit einem Anfangswert Q+(t2) zur Zeit t2, der proportional zur Abweichung zwischen der Ruheposition n0 des Ankers und dem gewünschten Mittelpunkt N/2 seiner Schwingbewegung ist, und nimmt wie die Soll-Position u+ des oberen Umkehrpunkts mit der Zeit t zu. Zum Zeitpunkt t3 kreuzt die Soll-Position des unteren Umkehrpunkt u- die Ruheposition n0. Nun beginnt die Steuerschaltung 16, auch negative Halbwellen auszugeben. Die zeitliche Entwicklung von deren Ladungsmenge Q- ist in dem unteren Diagramm von Fig. 3 gezeigt.
  • Die Ladungsmengen Q+, Q- nehmen zu, bis die Soll-Auslegungen u+, u- die Endpositionen N-ε bzw. ε erreicht haben und somit der stationäre Betriebszustand des Linearverdichters erreicht ist. Auch hier sind Ladungsmengen der positiven und negativen Halbwellen noch unterschiedlich, um die Abweichung zwischen der vom Druck des Kältemittels in der Verdichterkammer beeinflussten Ruheposition n0 des Ankers 6 und der Mittelposition N/2 der Ankerbewegung zu kompensieren.
  • Wenn sich im Laufe des Betriebs des Linearverdichters das Kältegerät abkühlt und der Kältemitteldruck, gegen den die Verdichtereinheit 2 anarbeitet, verringert, verlagert sich auch die Ruheposition, die der Anker 6 bei ausgeschaltetem Antrieb einnehmen würde. Dies würde, wenn nicht gegengesteuert wird, zu einer Verlagerung der gesamten Ankerbewegung nach rechts in Fig. 1 und damit schlüssig zu einem Anschlagen des Kolbens 11 gegen die Ventilklappe 17 führen. Indem die Steuerschaltung 16 die Ladungsmenge der positiven Halbwellen reduziert, wenn sie eine Bewegung des Ankers über den oberen Soll-Umkehrpunkt N- ε hinaus erfasst und dementsprechend die Ladungsmenge der unteren Halbwellen erhöht, wird eine solche Verlagerung der Bewegung vermieden, so dass die Verdichtereinheit 2 jederzeit mit minimalem Totvolumen arbeitet, ohne dass es zum Anschlagen des Kolbens 11 in der Verdichterkammer 10 kommt.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Linearverdichters, der einen Linearantrieb (1) mit einer Wicklung (5) und einem durch das Magnetfeld der Wicklung (5) gegen eine Federkraft verschiebbaren Anker (6) und eine Verdichterkammer (10) umfasst, die durch einen an den Anker (6) gekoppelt bewegbaren Kolben (11) begrenzt ist, bei dem im Betrieb die Wicklung (5) mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird, um eine Schwingbewegung des Ankers (6) anzutreiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) vor Aufnahme des Betriebs mit einem Gleichstrom (I) mit einem ersten Vorzeichen beaufschlagt wird, um den Anker (6) aus einer Ruheposition zu verschieben, dass eine erste Endposition, die der Anker unter Wirkung des Gleichstroms (I) erreicht, gemessen wird, und dass während des Betriebs die Stärke des Wechselstroms, mit dem die Wicklung erregt wird, so gesteuert wird, dass der Anker die erste Endposition nicht oder mit verschwindender Geschwindigkeit erreicht.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Vorzeichen so gewählt ist, dass der Kolben (11) auf eine Ventilplatte (17) der Verdichterkammer (10) zu bewegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (5) vor Aufnahme des Betriebs ferner mit einem Gleichstrom (I) mit zu dem ersten Vorzeichen entgegengesetztem Vorzeichen beaufschlagt wird, dass eine zweite Endposition, die der Anker (6) unter Wirkung des Gleichstroms (I) erreicht, gemessen wird, und dass während des Betriebs die Stärke des Wechselstroms, mit dem die Wicklung (5) erregt wird, so gesteuert wird, dass der Anker (6) die zweite Endposition nicht oder mit verschwindender Geschwindigkeit erreicht.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Endposition in einem vorgegebenen Abstand von der ersten Endposition berechnet wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke des Gleichstroms (I) nach und nach erhöht wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während des Erhöhens der Stromstärke (I) die Position des Ankers (6) wiederholt gemessen wird, und dass als Endposition eine Position des Ankers (6) bestimmt wird, über die sich der Anker (6) bei einer weiteren Erhöhung der Stromstärke (I) nicht hinausbewegt.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Endposition eine Position des Ankers bestimmt wird, in der der Anker einen Näherungssensor auslöst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor eine Lichtschranke ist.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingbewegung des Ankers (6) in Gang gesetzt wird durch Beaufschlagen der Wicklung (5) mit einem Wechselstrom, bei dem die Ladungsmengen (Q+, Q-) der positiven und der negativen Halbwellen im Laufe der Zeit zunehmen.
  10. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsmengen (Q+, Q-) der positiven und der negativen Halbwellen getrennt geregelt werden, um jeweils einen gleichen Abstand (ε) der zwei Umkehrpunkte der Schwingbewegung von der ersten bzw. zweiten Endposition (N, 0) zu gewährleisten.
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