EP1991784A1 - Linearverdichter mit carbonfaserverstärkter feder - Google Patents

Linearverdichter mit carbonfaserverstärkter feder

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EP1991784A1
EP1991784A1 EP07712086A EP07712086A EP1991784A1 EP 1991784 A1 EP1991784 A1 EP 1991784A1 EP 07712086 A EP07712086 A EP 07712086A EP 07712086 A EP07712086 A EP 07712086A EP 1991784 A1 EP1991784 A1 EP 1991784A1
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EP
European Patent Office
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compressor
linear compressor
piston
elastic element
compressor piston
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EP07712086A
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EP1991784B1 (de
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Jan-Grigor Schubert
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BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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Publication date
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Publication of EP1991784B1 publication Critical patent/EP1991784B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/144—Adaptation of piston-rods
    • F04B53/145—Rod shock absorber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/144—Adaptation of piston-rods
    • F04B53/146—Piston-rod guiding arrangements

Definitions

  • the invention relates to a linear compressor comprising a piston housing and a compressor piston reciprocable therein along an axis, comprising means for guiding the compressor piston in a direction transverse to the axis and means for temporarily storing the kinetic energy of the reciprocating compressor piston; a refrigerator, in particular a refrigerator and / or freezer or air conditioning; and a method of cooling goods and a method of compressing a fluid.
  • the compressor piston reciprocating along an axis between first and second reverse points must be supported in a direction transverse to the axis.
  • the kinetic energy of the reciprocating compressor piston at the reversal points i. at the points at which reverses the direction of movement of the compressor piston, are temporarily stored in order to allow the least loss possible reversal of the direction of movement of the compressor piston.
  • the diaphragm springs are designed to be so thin and soft that the springs in the sum of their transverse stiffnesses can absorb the forces of the overall system perpendicular to the direction of oscillation with sufficient certainty.
  • Spring arrangements are known in which diaphragm springs are supported by one or more coil springs or coil spring assemblies.
  • the linear compressor comprises a piston housing and a compressor piston reciprocable therein along an axis, comprising means for guiding the compressor piston in a direction transverse to the axis and a means for temporarily storing the kinetic energy of the reciprocating compressor piston, the means for guiding and / or the means for caching an elastic member made of composite material.
  • the structure of the linear compressor can be significantly simplified and the operation of the linear compressor can be made more reliable, energy-efficient and efficient.
  • the compressor piston can be oil-free, for example by means of a gas pressure bearing, be stored in the piston housing.
  • the means for guiding the compressor piston is guided in a direction transverse to the axis in the housing such that the friction between the compressor piston and the piston housing is as small as possible to keep the wear of the compressor piston and the piston housing low.
  • the means for guiding the compressor piston guides the compressor piston in a radial direction and prevents the compressor piston from tilting in the piston housing. Excessive rubbing of the compressor piston on the housing walls or uncontrolled striking is thus prevented.
  • the kinetic energy of the reciprocating parts located in the linear compressor, in particular of the compressor piston interim recorded, the moving parts braked during their forward movement just before a turning point and during their To be accelerated shortly after the reversal point.
  • the buffering means is capable of accommodating at least the kinetic energy of the moving parts which can accommodate the moving parts in a reciprocating motion.
  • the kinetic energy over a distance of at least 5%, preferably at least 10%, for example, over a distance of 30%, the entire stroke of the compressor piston in potential energy, such as by compression of a spring implemented.
  • the means for temporary storage thus forms part of a vibratory system.
  • the oscillatory system can be considered approximately as a harmonic oscillator, with which an oscillatory compression process can be performed.
  • at least 85%, in particular at least 95%, preferably at least 98%, particularly preferably substantially 100%, of the kinetic energy of the compressor piston can be picked up before a reversal point and subsequently returned to the compressor piston.
  • the means for temporarily storing the kinetic energy is formed by an elastic element, in particular a spring, preferably a diaphragm spring, made of composite material.
  • the linear compressor can be simplified and made energy-efficient. Furthermore, the linear compressor can be constructed more compact and lighter, which in particular further uses of the linear compressor, especially for mobile applications, offers.
  • a composite is a construction material consisting of 2 or more different materials, e.g. As fibers, plastic, metal, ceramic. At least one component, for example fibers, is embedded in the basic structure, a so-called matrix.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • GfK glass fiber reinforced plastic
  • TiGr composite d. H. a compound of titanium, graphite and epoxy, and others are used.
  • a spring constant of the elastic element can be specified precisely.
  • the spring properties can be positively, in particular direction-dependent, influenced.
  • the ratio of the axial to transverse stiffness can be specified and tailored.
  • the greatest possible transverse stiffnesses are sought in order to bring about as low a design as possible movement of the moving parts, in particular of the compressor piston in a direction transverse to the axis.
  • the axial stiffness of the elastic element along the axis is to be dimensioned so that the kinetic energy of the moving parts can be completely absorbed.
  • the ratio of the axial to the transverse rigidity lies in particular in a range from 1:20 to 1: 200, in particular in a range from 1:40 to 1: 100.
  • the spring element which combines the properties of all the different spring elements of a linear compressor in itself.
  • the spring element can have both the function of a lateral guidance of the moving parts in the linear compressor and the function of temporarily storing the kinetic energy during a movement direction reversal.
  • the structure of the linear compressor is significantly simplified and it will be the number of parts, the costs and assembly costs are considerably reduced.
  • the external dimensions and the weight are reduced considerably.
  • the elastic element is advantageously fiber-reinforced, wherein in particular carbon fibers, glass fibers and / or aramid fibers can be used.
  • Aramid fibers marketed under the trade name Kevlar, are fibers of aromatic polyamides, distinguishing between meta-aramids and para-aramids.
  • aramids or aromatic polyamides are not referred polyamides having aromatic groups in the main chain per se, but, according to a definition of the US Federal Trade Commission, only those long-chain synthetic polyamides in which at least 85% of the amide groups directly to 2 aromatic Rings are tied.
  • polyphenylene terephthalamides can be used.
  • the elastic element may further comprise a plastic, in particular a polymer, such as. As a resin or epoxy resin included.
  • the elastic element is advantageously adapted to store and release the kinetic energy of the reciprocating compressor piston.
  • the elastic element can absorb the kinetic energy of the reciprocating parts substantially completely, but it is also possible to make the capacity of the spring smaller and a part of the kinetic energy with the aid of a compressor piston associated with the help another elastic element or with the help of a drive.
  • part of the kinetic energy of the compressor piston may be electrically, e.g. be cached by means of a capacitor and / or a coil.
  • the elastic element emits a large part of the energy stored by it, in particular at least 80%, in particular at least 90%, preferably at least 98%, again.
  • an improved efficiency of the linear compressor is achieved.
  • the compressor piston is guided by the elastic element, in particular by the spring, in a direction transverse to the axis.
  • the elastic element fulfills two functions, namely on the one hand causes a guide in a radial direction, on the other hand forms an energy storage.
  • the means for guiding the compressor piston in a direction transverse to the axis and the means for temporarily storing the kinetic energy of the reciprocating compressor piston are thus realized with the same component. As a result, the construction of the linear compressor is considerably simplified.
  • the mass of the reciprocating compressor piston may be between 20 and 200 g, in particular between 40 and 60 g.
  • the compressor piston is operated in the piston housing at a frequency in the range of 20 Hz to 200 Hz, in particular between 40 Hz and 60 Hz.
  • the frequency of the reciprocating motion is selected according to the resonance maximum occurring during operation of the linear compressor.
  • the moving parts and the means for intermediate storage form a vibration system which is coupled to the fluid and which has natural frequencies with corresponding resonance curves.
  • the operating frequency of the linear compressor is advantageously close to a resonance frequency. In such a resonance, the efficiency of the linear compressor is particularly high.
  • the compressor piston can be guided in the piston housing by means of a housing wall having at least one opening and a fluid, in particular a coolant, flowing through the opening. By the flowing gaseous fluid, a gas cushion between the piston housing and the housing wall is created, which allows a contactless guidance of the compressor piston in the piston housing.
  • the principle of gas pressure storage can also be applied to liquid fluids.
  • the elastic element has a spring constant in the range of 2000 kg / s 2 to 20000 kg / s 2 , in particular in the range of 3000 kg / s 2 to 6000 kg / s 2 .
  • Such spring constants are advantageous for linear compressors, which are to be used in refrigerators and / or freezers or in an air conditioner, in particular in an air conditioning system for motor vehicles.
  • the ratio of the axial to the transverse stiffness of the elastic element is at least 1:20, in particular at least 1:50, preferably at least 1: 100.
  • the elastic element is very soft in a direction parallel to the axis, so that the compressor piston has a stroke over a distance in the range of 5 mm to 50 mm, in particular in the range from 10 mm to 30 mm, can perform. Due to the high transverse rigidity of the element, the lateral movement of the compressor piston in a direction transverse to the axis is severely restricted and is in particular less than 0.2 mm, in particular less than 0.1 mm, preferably less than 0.05 mm. As a result, a precise lateral guidance of the compressor piston is realized by which the friction between the compressor piston and the piston housing sufficiently limited, so that excessive wear of the linear compressor is avoided.
  • the elastic element forms both the guide means and the intermediate storage means.
  • the elastic element thus has a dual function, which is advantageous against the background of the simplest possible construction of the linear compressor.
  • the refrigerator according to the invention in particular a refrigerator and / or freezer or an air conditioner, in particular an air conditioning system for motor vehicles, comprises the linear compressor according to the invention. Due to the simple construction of the linear compressor according to the invention, the refrigeration device can be made simpler and cheaper. By using a composite material, the structure of the linear compressor and thus also of the refrigeration device can be easily structured and the refrigeration device can be operated reliably, energy-saving and efficient.
  • the inventive method for cooling goods uses the refrigeration device according to the invention and / or the linear compressor according to the invention and the inventive method for compressing a fluid uses the linear compressor according to the invention.
  • the refrigerator according to the invention and / or the linear compressor according to the invention a particularly reliable, energy-saving and rapid cooling of goods or compressing fluids is possible.
  • FIG. 1 shows a known linear compressor in perspective view
  • FIG. 2 shows a perspective view of a linear compressor according to the invention
  • Fig. 3 shows an inventive refrigeration device
  • Fig. 4 shows a detail of another linear compressor according to the invention in a sectional view.
  • Fig. 1 shows a known linear compressor 1 in a perspective view with a drive 13 which is connected via a coupling rod 14 with a piston housing 2 of the linear compressor 1.
  • a compressor piston (not shown) moves back and forth.
  • the kinetic energy of the compressor piston or the moving in the reciprocating motion parts by means of cylinder springs 16 and diaphragm springs 15 is added.
  • the compressor piston moves along an axis 3 back and forth.
  • Fig. 2 shows a linear compressor 1 according to the invention in a perspective view with a drive 13 which is connected via a coupling rod 14 with a compressor piston 4 (see Fig. 4).
  • Piston 4 is guided both in a direction transverse to an axis 3 and decelerated in a direction along the axis 3 by means of an elastic element 7, which is formed as a carbon fiber reinforced springs 8.
  • the spring 8 takes on the kinetic energy of the compressor piston 4 in the meantime and returns them to the reversal of the direction of movement back to this.
  • Fig. 3 shows an inventive cooling device 17, which is designed as a refrigerator and the linear compressor 1 according to the invention to cool goods 18 as quickly as possible, energy-saving and reliable and to keep cool.
  • FIG. 4 shows a sectional view of another linear sealer 1 according to the invention, in which a compressor piston 4 is moved back and forth along an axis 3 by means of a drive 13.
  • the compressor piston 4 is mounted in the piston housing 2 with the aid of openings 10 having a housing wall 1, a gaseous fluid 21 being forced out of a supply line 20 through the openings 10 to the compressor piston 4, so that the compressor piston 4 is replaced by the gas cushion 19 produced in this case in front the housing wall 1 1 is stored without contact.
  • the compressor piston 4 is also guided by a high transverse stiffness of the elastic element 7 in a direction 22 transversely to the axis 3.
  • the elastic member 7 is a spring reinforced with carbon fibers.
  • the spring 8 which is fastened with its ends on the one hand to the piston housing 2 on the other hand to a drive 13 with the compressor piston 4 connecting coupling rod 14, takes the kinetic energy of the compressor piston 4 substantially completely, so that the compressor piston 4 its direction of movement along the axis. 3 changes.
  • the spring 8 is also used to support the compressor piston 4 in a direction transverse to the axis 3.
  • the spring 8 has a dual function and causes on the one hand a lateral mounting of the compressor piston 4, on the other hand, an intermediate storage of the kinetic energy of the compressor piston 4 in the form of potential energy to facilitate a reversal of direction of movement. By this dual function accounts for more guide elements, such. B. a second diaphragm spring, the cylinder springs or other couplings.
  • the invention relates to a linear compressor 1 comprising a piston housing 2 and a compressor piston 4 reciprocating along an axis 3, comprising a means 5 for guiding the compressor piston 4 in a direction transverse to the axis 3 and a means 6 for temporarily storing the kinetic energy of the back and forth movable compressor piston 4 for reversing the direction of movement of the compressor piston 4, wherein the means 5 for guiding and / or the means 6 for buffering a composite elastic element 7, which is in particular formed by a carbon fiber reinforced spring 8; a refrigerator 17 such.
  • the invention enables the construction of a simply structured linear compressor 1 or refrigeration device 17 and provides energy-saving, efficient and reliable method for cooling goods 18 and for compressing a fluid ready. LIST OF REFERENCE NUMBERS

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter (1) umfassend ein Kolbengehäuse (2) und einen darin entlang einer Achse (3) hin und her beweglichen Verdichterkolben (4) umfassend ein Mittel (5) zur Führung des Verdichterkolbens (4) in einer Richtung quer zur Achse (3) und ein Mittel (6) zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens (4) für eine Bewegungsrichtungsumkehr des Verdichterkolbens (4), wobei das Mittel (5) zur Führung und/oder das Mittel (6) zur Zwischenspeicherung ein elastisches Element (7) aus Verbundwerkstoff aufweist, welches insbesondere durch eine Karbonfaser verstärkte Feder (8) gebildet ist; ein Kältegerät (17) wie z. B. ein Kühlschrank umfassend den erfindungsgemäßen Linearverdichter (1); sowie ein Verfahren zum Verdichten eines Fluids und ein Verfahren zum Kühlen von Waren (18). Die Erfindung ermöglicht den Bau eines einfach strukturierten Linearverdichters (1) bzw. Kältegeräts (17) und stellt energiesparende, effiziente und zuverlässig arbeitende Verfahren zur Kühlung von Waren (18) bzw. zum Verdichten eines Fluids bereit.

Description

Linearverdichter mit carbonfaserverstärkter Feder
Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter umfassend ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin und her beweglichen Verdichterkolben umfassend ein Mittel zur Führung des Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse und ein Mittel zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens; ein Kältegerät, insbesondere einen Kühl- und/oder Gefrierschrank oder eine Klimaanlage; sowie ein Verfahren zum Kühlen von Waren und ein Verfahren zum Verdichten eines Fluids.
Bei einem Linearverdichter muss der entlang einer Achse zwischen einem ersten und einem zweiten Umkehrpunkt hin und her bewegliche Verdichterkolben in einer Richtung quer zur Achse gelagert bzw. geführt werden. Darüber hinaus muss die kinetische Energie des hin und her bewegenden Verdichterkolbens an den Umkehrpunkten, d.h. an den Punkten, an denen sich die Bewegungsrichtung des Verdichterkolbens umkehrt, zwischengespeichert werden, um eine möglichst verlustarme Umkehr der Bewegungsrichtung des Verdichterkolbens zu ermöglichen. Durch die Umkehr der Bewegungsrichtung führt der Verdichterkolben in einem Kolbengehäuse eine oszillierende, im Wesentlichen translatorische Hin- und Herbewegung durch. Mit Hilfe der Hin- und Herbewegung wird ein Verdichtungsvorgang ausgeführt.
Es ist bekannt, die bewegenden Teile, insbesondere den Verdichterkolben, berührend oder mit Hilfe eines Gasdrucklagers zu lagern. Bei diesen Systemen werden üblicherweise eine oder mehrere Schraubenfedern zur Zwischenspeicherung der Bewegungsenergie der bewegenden Teile verwendet. Systeme mit offener Bauweise, d.h. einer seriell angeordneten Motor-Pumpe-Anordnung, nutzen ein Federpaket aus einer oder mehreren sehr dünnen Membranfedern oder Membranfederpaketen und einer oder mehreren Schraubenfedern oder Schraubenfederpaketen zur Lagerung des Verdichterkolbens in einer radialen Richtung, d.h. quer zur Achse, und Speicherung der Bewegungsenergie. Derartige Federn werden aus Metall, insbesondere Federstahl, gefertigt. Dabei sind die Membranfedern so dünn und weich ausgelegt, dass die Federn in der Summe ihrer Quersteifigkei- ten die senkrecht zur Schwingungsrichtung entstehenden Kräfte des Gesamtsystems hinreichend sicher aufnehmen können. Zur Erreichung einer optimalen Längssteifigkeit sind Federanordnungen bekannt, bei denen Membranfedern durch eine oder mehrere Schraubenfedern oder Schraubenfederpakete unterstützt werden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearverdichter bzw. ein Kältegerät anzugeben, bei denen eine Hin- und Herbewegung eines verwendeten Verdichterkolbens bei der Verdichtung auf eine einfache Weise zuverlässig und energiesparend realisiert werden kann.
Weiterhin ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Verdichten eines Fluids sowie ein Verfahren zum Kühlen von Waren anzugeben, wobei ein Verdichtungs- bzw. Kühlvorgang mit hoher Zuverlässigkeit besonders energiesparend durchgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Linearverdichter und durch das Kältegerät sowie durch das Verfahren zum Verdichten eines Gases und durch das Verfahren zum Kühlen von Waren, wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln angewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.
Der erfindungsgemäße Linearverdichter umfasst ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin und her beweglichen Verdichterkolben umfassend ein Mittel zur Führung des Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse und ein Mittel zur Zwischen- speicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens, wobei das Mittel zur Führung und/oder das Mittel zur Zwischenspeicherung ein elastisches Element aus Verbundwerkstoff aufweist.
Durch die Verwendung eines Verbundwerkstoffs kann die Struktur des Linearverdichters erheblich vereinfacht werden und der Betrieb des Linearverdichters kann zuverlässiger, energiesparender und effizienter gestaltet werden.
Der Verdichterkolben kann ölfrei, beispielsweise mittels einer Gasdrucklagerung, in dem Kolbengehäuse gelagert sein. Durch das Mittel zur Führung wird der Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse im Gehäuse derart geführt, dass die Reibung zwischen den Verdichterkolben und dem Kolbengehäuse möglichst klein ist, um den Verschleiß des Verdichterkolbens bzw. des Kolbengehäuses gering zu halten. Das Mittel zur Führung des Verdichterkolbens führt den Verdichterkolben in einer radialen Richtung und verhindert, dass der Verdichterkolben sich in dem Kolbengehäuse verkantet. Ein übermäßiges Reiben des Verdichterkolbens an den Gehäusewänden oder ein unkontrolliertes Anschlagen wird so verhindert.
Mit Hilfe des Mittels zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens wird die Bewegungsenergie der im Linearverdichter befindlichen hin und her beweglichen Teile, insbesondere des Verdichterkolbens, zwischenzeitlich aufgenommen, wobei die beweglichen Teile während ihrer Hinbewegung kurz vor einem Umkehrpunkt abgebremst und während ihrer Herbewegung kurz nach dem Umkehrpunkt beschleunigt werden.
Das Mittel zur Zwischenspeicherung ist in der Lage, mindestens die Bewegungsenergie der beweglichen Teile aufzunehmen, die die beweglichen Teile bei einer Hin- und Herbewegung aufnehmen können. Hierbei wird insbesondere die Bewegungsenergie auf einer Strecke von mindestens 5 %, vorzugsweise mindestens 10 %, beispielsweise auf einer Strecke von 30 %, des gesamten Hubes des Verdichterkolbens in potentielle Energie, etwa durch Kompression einer Feder, umgesetzt. Durch das Mittel zur Zwischenspeicherung können sich die beweglichen Teile oszillatorisch hin- und herbewegen. Das Mittel zur Zwischenspeicherung bildet somit einen Teil eines schwingungsfähigen Systems. Das schwingungsfähige System kann näherungsweise als harmonischer Oszillator betrachtet werden, mit dem ein oszillatorischer Verdichtungsvorgang ausgeführt werden kann. Mit dem Mittel zur Zwischenspeicherung kann mindestens 85 %, insbesondere mindestens 95%, vorzugsweise mindestens 98%, besonders bevorzugt im wesentlichen 100%, der Bewegungsenergie des Verdichterkolbens vor einem Umkehrpunkt aufgenommen und anschließend wieder an den Verdichterkolben abgegeben werden.
Das Mittel zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie wird durch ein elastisches Element, insbesondere eine Feder, vorzugsweise eine Membranfeder, aus Verbundwerkstoff gebildet. Durch diese Wahl sind im Vergleich zum Stand der Technik erhebliche Vereinfachungen der Bauweise des Linearverdichters möglich. Darüberhinaus kann damit der - A -
Betrieb des Linearverdichters vereinfacht werden und energiesparsamer gestaltet werden. Weiterhin kann der Linearverdichter kompakter und leichter konstruiert werden, welches insbesondere weitere Einsatzmöglichkeiten des Linearverdichters, insbesondere für mobile Anwendungen, bietet.
Ein Verbundwerkstoff ist ein Konstruktionswerkstoff, der aus 2 oder mehreren unterschiedlichen Materialien besteht, z. B. Fasern, Kunststoff, Metall, Keramik. In die Grundstruktur, eine sogenannte Matrix, wird mindestens eine Komponente, beispielsweise Fasern eingelagert. Dabei wird versucht, die unterschiedlichen Vorteile der einzelnen Werkstoffe im Endwerkstoff zu kombinieren und deren Nachteile auszuschließen. Als Verbundwerkstoff können kohlenstofffaserverstärkte Kunststoffe (CFK), glasfaserverstärkter Kunststoff (GfK), TiGr-Composit, d. h. eine Verbindung aus Titan, Graphit und Epoxidharz, und andere zum Einsatz kommen.
Mit Hilfe des Verbundwerkstoffs kann eine Federkonstante des elastischen Elements präzise vorgegeben werden. Allein aufgrund der Möglichkeit, die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs maßschneidern zu können, können die Federeigenschaften positiv, insbesondere richtungsabhängig, beeinflusst werden.
Insbesondere kann auch das Verhältnis der Axial- zur Quersteifigkeit vorgegeben und maßgeschneidert werden. Hierbei werden möglichst große Quersteifigkeiten angestrebt, um eine möglichst auslegungsarme Bewegung der beweglichen Teile, insbesondere des Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse zu bewirken. Die Axialsteifigkeit des elastischen Elements entlang der Achse ist so zu bemessen, dass die Bewegungsenergie der beweglichen Teile vollständig aufgenommen werden kann. Das Verhältnis der Axial- zur Quersteifigkeit liegt insbesondere in einem Bereich von 1 :20 bis 1 :200, insbesondere in einem Bereich von 1 :40 bis 1 :100.
Durch die Verwendung von Verbundwerkstoff ist es möglich, ein Federelement herzustellen, das die Eigenschaften aller verschiedenen Federelemente eines Linearverdichters in sich vereinigt. Das Federelement kann sowohl die Funktion einer seitlichen Führung der beweglichen Teile im Linearverdichter als auch die Funktion der Zwischenspeicherung der Bewegungsenergie während einer Bewegungsrichtungsumkehr besitzen. Hierdurch wird der Aufbau des Linearverdichters deutlich vereinfacht und es werden die Anzahl der Teile, die Kosten und der Montageaufwand erheblich reduziert. Neben den geringen Gesamtkosten des Linearkompressors verringern sich so auch die Außenmaße so wie das Gewicht erheblich.
Das elastische Element ist vorteilhafterweise faserverstärkt, wobei insbesondere Carbonfasern, Glasfasern und/oder Aramidfasem zum Einsatz kommen können. Aramidfasem, die unter dem Markennamen Kevlar vertrieben werden, sind Fasern aus aromatischen Polyamiden, wobei zwischen Meta-Aramiden sowie Para-Aramiden unterschieden wird. Als Aramide oder aromatische Polyamide (Poly-Aramide) werden nicht Polyamide mit aromatischen Gruppen in der Hauptkette per se bezeichnet, sondern, nach einer Definition der US Federal Trade Commission nur solche langkettigen synthetischen Polyamide, bei denen mindestens 85 % der Amidgruppen direkt an 2 aromatische Ringe gebunden sind. Beispielsweise können Polyphenylenterephthalamide verwendet werden.
Das elastische Element kann weiterhin einen Kunststoff, insbesondere ein Polymer, wie z. B. ein Kunstharz oder Expoxidharz, enthalten.
Das elastische Element ist vorteilhafterweise dazu geeignet, die kinetische Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens zu speichern und wieder abzugeben. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn das elastische Element die kinetische Energie der hin und her beweglichen Teile im Wesentlichen vollständig aufnehmen kann, jedoch ist es auch möglich, das Aufnahmevermögen der Feder kleiner auszugestalten und einen Teil der kinetischen Energie mit Hilfe eines dem Verdichterkolben zugeordneten mit Hilfe eines weiteren elastischen Elements oder mit Hilfe eines Antriebs aufzufangen. Im letzteren Fall kann ein Teil der Bewegungsenergie des Verdichterkolbens elektrisch, z.B. mit Hilfe eines Kondensators und/oder einer Spule zwischengespeichert werden.
Das elastische Element gibt einen Großteil der von ihm gespeicherten Energie, insbesondere mindestens 80 %, insbesondere mindestens 90 %, vorzugsweise mindestens 98 %, wieder ab. Durch eine möglichst geringe innere Dämpfung des elastischen Elements wird ein verbesserter Wirkungsgrad des Linearverdichters erreicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichterkolben durch das elastische Element, insbesondere durch die Feder, in einer Richtung quer zur Achse führbar. Hierdurch wird bewirkt, dass das elastische Element zwei Funktionen erfüllt, nämlich zum einen eine Führung in einer radialen Richtung bewirkt, zum anderen einen Energiespeicher bildet. Das Mittel zur Führung des Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse und das Mittel zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens werden somit mit demselben Bauteil realisiert. Hierdurch wird die Konstruktion des Linearverdichters erheblich vereinfacht.
Die Masse des hin und her beweglichen Verdichterkolbens kann zwischen 20 und 200 g, insbesondere zwischen 40 und 60 g, liegen. Der Verdichterkolben wird in dem Kolbengehäuse mit einer Frequenz in dem Bereich von 20 Hz bis 200 Hz, insbesondere zwischen 40 Hz und 60 Hz, betrieben. Hierbei wird die Frequenz der Hin- und Herbewegung entsprechend des im Betrieb des Linearverdichters auftretenden Resonanzmaximums gewählt. Dabei bilden die beweglichen Teile und die Mittel zur Zwischenspeicherung ein Schwingungssystem, welches an das Fluid gekoppelt ist und welches Eigenfrequenzen mit entsprechenden Resonanzkurven aufweist. Die Arbeitsfrequenz des Linearverdichters liegt vorteilhafterweise in der Nähe einer Resonanzfrequenz. In einer derartigen Resonanz ist der Wirkungsgrad des Linearverdichters besonders hoch. Der Verdichterkolben kann in dem Kolbengehäuse mit Hilfe einer mindestens eine Öffnung aufweisenden Gehäusewand und eines durch die Öffnung strömenden Fluids, insbesondere eines Kühlmittels, geführt werden. Durch das strömende gasförmige Fluid wird ein Gaspolster zwischen dem Kolbengehäuse und der Gehäusewand geschaffen, welches eine berührungslose Führung des Verdichterkolbens im Kolbengehäuse ermöglicht. Grundsätzlich kann das Prinzip der Gasdrucklagerung auch auf flüssige Fluide angewendet werden.
In einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung weist das elastische Element eine Federkonstante im Bereich von 2000 kg/s2 bis 20000 kg/s2, insbesondere im Bereich von 3000 kg/s2 bis 6000 kg/s2 auf. Derartige Federkonstanten sind vorteilhaft für Linearverdichter, die in Kühl- und/oder Gefrierschränken oder in einer Klimaanlage, insbesondere in einer Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, eingesetzt werden sollen.
Das Verhältnis der Axial- zur Quersteifigkeit des elastischen Elements beträgt mindestens 1 :20, insbesondere mindestens 1 :50, vorzugsweise mindestens 1 :100. Das elastische Element ist in einer Richtung parallel zur Achse sehr weich, so dass der Verdichterkolben einen Hub über eine Strecke im Bereich von 5 mm bis 50 mm, insbesondere im Bereich von 10 mm bis 30 mm, ausführen kann. Durch die hohe Quersteifigkeit des Elements ist die seitliche Bewegung des Verdichterkolbens in einer Richtung quer zur Achse stark eingeschränkt und beträgt insbesondere weniger als 0,2 mm, insbesondere weniger als 0,1 mm, vorzugsweise weniger als 0,05 mm. Hierdurch wird eine präzise seitliche Führung des Verdichterkolbens realisiert, durch welche die Reibung zwischen dem Verdichterkolben und dem Kolbengehäuse hinreichend begrenzt, so dass ein übermäßiger Verschleiß des Linearverdichters vermieden wird.
Vorteilhafterweise bildet das elastische Element sowohl das Mittel zur Führung als auch das Mittel zur Zwischenspeicherung. Das elastische Element weist somit eine Doppelfunktion auf, welches vorteilhaft vor dem Hintergrund einer möglichst einfachen Bauweise des Linearverdichters ist.
Das erfindungsgemäße Kältegerät, insbesondere ein Kühl- und/oder Gefrierschrank oder eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, umfasst den erfindungsgemäßen Linearverdichter. Aufgrund der einfachen Bauweise des erfindungsgemäßen Linearverdichters kann das Kältegerät einfacher und preiswerter hergestellt werden. Durch die Verwendung eines Verbundwerkstoffs kann die Struktur des Linearverdichters und damit auch des Kältegeräts einfach strukturiert werden und das Kältegerät kann zuverlässig, energiesparend und effizient betrieben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen von Waren verwendet das erfindungsgemäße Kältegerät und/oder den erfindungsgemäßen Linearverdichter und das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdichten eines Fluids verwendet den erfindungsgemäßen Linearverdichter. Durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kältegeräts und/oder des erfindungsgemäßen Linearverdichters wird ein besonders zuverlässiges, energiesparendes und schnelles Kühlen von Waren bzw. Verdichten von Fluiden ermöglicht.
Weitere Vorteile und besondere Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die Erfindung nicht einschränken sondern lediglich exemplarisch illustrieren soll, näher erläutert. Es zeigen schematisch:
Fig. 1 einen bekannten Linearverdichter in perspektivischer Ansicht, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Linearverdichter in perspektivischer Ansicht;
Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Kältegerät, und
Fig. 4 einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Linearverdichter in einer Schnittansicht.
Fig. 1 zeigt einen bekannten Linearverdichter 1 in perspektivischer Ansicht mit einem Antrieb 13, der über eine Koppelstange 14 mit einem Kolbengehäuse 2 des Linearverdichters 1 verbunden ist. In dem Kolbengehäuse 2 bewegt sich ein Verdichterkolben (nicht dargestellt) hin und her. Bei der Umkehr der Bewegungsrichtung wird die kinetische Energie des Verdichterkolbens bzw. der bei der Hin- und Herbewegung beweglichen Teile mit Hilfe von Zylinderfedern 16 und Membranfedern 15 aufgenommen. Der Verdichterkolben bewegt sich entlang einer Achse 3 hin und her.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Linearverdichter 1 in perspektivischer Ansicht mit einem Antrieb 13, der über eine Koppestange 14 mit einem Verdichterkolben 4 (siehe Fig. 4) verbunden ist. Kolben 4 wird mit Hilfe eines elastischen Elements 7, welches als eine mit Karbonfaser verstärkte Federn 8 ausgebildet ist, sowohl ein einer Richtung quer zu einer Achse 3 geführt als auch in einer Richtung entlang der Achse 3 abgebremst bzw. beschleunigt. Die Feder 8 nimmt die Bewegungsenergie des Verdichterkolbens 4 zwischenzeitlich auf und gibt sie nach der Umkehr der Bewegungsrichtung wieder an diesen ab.
Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes Kühlgerät 17, welches als Kühlschrank ausgebildet ist und den erfindungsgemäßen Linearverdichter 1 aufweist, um Waren 18 möglichst schnell, energiesparend und zuverlässig abzukühlen bzw. kühl zu halten.
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Linearversdichters 1 , bei dem ein Verdichterkolben 4 entlang einer Achse 3 mit Hilfe eines Antriebs 13 hin und her bewegt wird. Der Verdichterkolben 4 wird mit Hilfe einer Öffnungen 10 aufweisenden Gehäusewand 1 1 in dem Kolbengehäuse 2 gelagert wird, wobei ein gasförmiges Fluid 21 aus einer Versorgungsleitung 20 durch die Öffnungen 10 zum Verdichterkolben 4 gedrückt wird, so dass der Verdichterkolben 4 durch das hierbei erzeugte Gaspolster 19 vor der Gehäusewand 1 1 berührungslos gelagert wird. Der Verdichterkolben 4 wird darüber hinaus durch eine hohe Quersteifigkeit des elastischen Elements 7 in einer Richtung 22 quer zur Achse 3 geführt. Das elastische Element 7 ist eine Feder, die mit Karbonfasern verstärkt ist. Die Feder 8, welche mit ihren Enden einerseits an dem Kolbengehäuse 2 andererseits an einer den Antrieb 13 mit dem Verdichterkolben 4 verbindenden Kuppelstange 14 befestigt ist, nimmt die Bewegungsenergie des Verdichterkolbens 4 im Wesentlichen vollständig auf, damit der Verdichterkolben 4 seine Bewegungsrichtung entlang der Achse 3 ändert. Die Feder 8 wird darüber hinaus auch dazu verwendet, den Verdichterkolben 4 in einer Richtung quer zur Achse 3 zu lagern. Damit weist die Feder 8 eine Doppelfunktion auf und bewirkt einerseits eine seitliche Lagerung des Verdichterkolbens 4, anderseits eine Zwischenspeicherung der Bewegungsenergie des Verdichterkolbens 4 in Form potentieller Energie, um eine Bewegungsrichtungsumkehr zu erleichtern. Durch diese Doppelfunktion entfallen weitere Führungselemente, wie z. B. eine zweite Membranfeder, die Zylinderfedern oder weitere Kupplungen.
Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter 1 umfassend ein Kolbengehäuse 2 und einen darin entlang einer Achse 3 hin und her beweglichen Verdichterkolben 4 umfassend ein Mittel 5 zur Führung des Verdichterkolbens 4 in einer Richtung quer zur Achse 3 und ein Mittel 6 zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens 4 für eine Bewegungsrichtungsumkehr des Verdichterkolbens 4, wobei das Mittel 5 zur Führung und/oder das Mittel 6 zur Zwischenspeicherung ein elastisches Element 7 aus Verbundwerkstoff aufweist, welches insbesondere durch eine Karbonfaser verstärkte Feder 8 gebildet ist; ein Kältegerät 17 wie z. B. ein Kühlschrank umfassend den erfindungsgemäßen Linearverdichter 1 ; sowie ein Verfahren zum Verdichten eines Fluids und ein Verfahren zum Kühlen von Waren 18. Die Erfindung ermöglicht den Bau eines einfach strukturierten Linearverdichters 1 bzw. Kältegeräts 17 und stellt energiesparende, effiziente und zuverlässig arbeitende Verfahren zur Kühlung von Waren 18 bzw. zum Verdichten eines Fluids bereit. Bezugszeichenliste
Linearverdichter
Kolbengehäuse
Achse
Verdichterkolben
Mittel zur Führung des Verdichterkolbens 4
Mittel zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her be weglichen Verdichterkolbens 4 elastisches Element
Feder
Richtung quer zur Achse 3
Öffnungen
Gehäusewand
Kühlmittel
Antrieb
Kuppelstange
Membranfeder
Zylinderfeder
Kältegerät
Waren
Gaspolster
Versorgungsleitung
Fluid
Richtung quer zur Achse 3

Claims

Patentansprüche
1 . Linearverdichter (1 ) umfassend ein Kolbengehäuse (2) und einen darin entlang einer Achse (3) hin und her beweglichen Verdichterkolben (4) umfassend ein Mittel (5) zur Führung des Verdichterkolbens (4) in einer Richtung quer zur Achse (3) und ein Mittel (6) zur Zwischenspeicherung der kinetischen Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens (4), dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) zur Führung und/oder das Mittel (6) zur Zwischenspeicherung ein elastisches Element (7) aus Verbundwerkstoff aufweist.
2. Linearverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) eine Feder (8), insbesondere eine Membranfeder, ist.
3. Linearverdichter (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) faserverstärkt ist.
4. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) Carbonfasern aufweist.
5. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) Glasfasern aufweist.
6. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) Aramidfasem aufweist.
7. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) einen Kunststoff, insbesondere ein Polymer, enthält.
8. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (7) die kinetische Energie des hin und her beweglichen Verdichterkolbens (4) speichern und wieder abgeben kann.
9. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterkolben (4) durch das elastische Element (7), insbesondere die Feder (8), in einer Richtung (9) quer zur Achse (3) führbar ist.
10. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichterkolben (4) in dem Kolbengehäuse (2) mit Hilfe einer Öffnungen (10) aufweisenden Gehäusewand (1 1 ) und eines durch die Öffnungen (10) strömenden gasförmigen Fluids (12), insbesondere ein Kühlmittel, geführt wird.
1 1 . Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das elastische Element (7) eine Federkonstante im Bereich von 2000 kg/s2 bis 20000 kg/s2, insbesondere im Bereich von 3000 kg/s2 bis 6000 kg/s2, aufweist.
12. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Quer- zur Axialsteifigkeit des elastischen Elements (7) mindestens 1 :20, insbesondere mindestens 1 :50, vorzugsweise mindestens 1 :100, beträgt.
13. Linearverdichter (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel (5) zur Führung und das Mittel (6) zur Zwischenspeicherung durch das elastische Element (7) gebildet sind.
14. Kältegerät (17), insbesondere ein Kühl- und/oder Gefrierschrank oder eine Klimaanlage, umfassend einen Linearverdichter (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
15. Verfahren zum Kühlen von Waren (18) mit Hilfe eines Kältegeräts (20) nach Anspruch 14 und/oder zum Verdichten eines Fluids (21 ) mit Hilfe eines Linearverdichters (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
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