EP2304234B1

EP2304234B1 - Linearverdichter

Info

Publication number: EP2304234B1
Application number: EP09765859A
Authority: EP
Inventors: Jens Baumbach; Christian Krknjak
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2009-06-17
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2029-06-17
Also published as: RU2010154184A; DE102008029370A1; US20110164991A1; WO2009153279A1; EP2304234A1; CN102084131A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz als Kältemittelverdichter in einem Kältegerät, insbesondere Haushalts-Kältegerät. Ein solcher Linearverdichter ist z.B. aus DE 10 2004 010 403 A1 bekannt.
Das Dokument WO 2004/025120 offenbart einen Linearverdichter mit einem Zylinder und einem sich in dem Zylinder hin- und herbewegenden Kolben. Gegenüber dem Kolben an einer Stirnwand des Zylinders ist eine Ventilplatte angeordnet, in welcher ein induktiver Sensor angeordnet ist.
Das Dokument DE 32 46 731 A1 offenbart eine Einrichtung zum Erfassen einer Position eines Kolbens eines Arbeitszylinders. Der Kolben weist eine zentrisch angeordnete Stange mit einem konisch ausgebildeten Teil aus einem magnetischen Material auf, wobei die Stange in eine Messkammer hineinragt. In der Messkammer ist ein Hallsensor angeordnet.
Der Antrieb eines solchen Linearverdichters umfasst herkömmlicherweise wenigstens eine zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mit Strom beaufschlagbare Erregerwicklung und einen in dem Wechselfeld dieser Erregerwicklung zwischen einem zwei Umkehrpunkten beweglichen magnetischen Anker. Derartige Linearantriebe sind als Antriebe für Verdichter besonders interessant, da sie die reversierende Bewegung des Kolbens eines solchen Verdichters in einem einfachen Aufbau direkt antreiben können, während bei Verwendung eines rotatorischen Antriebs eine Mechanik, die z.B. eine Kurbelwelle und eine daran angelenkte Kolbenstange umfasst, benötigt wird, um die Drehbewegung des Antriebs in die gewünschte reversierende Bewegung des Kolbens umzusetzen. Diese Mechanik verursacht Fertigungskosten und führt zu Reibungsverlusten.
Während jedoch ein Aufbau mit Kurbelwelle und Kolbenstange die Bewegungsamplitude eines Verdichterkolbens exakt vorgibt, ist die Bewegungsamplitude des Kolbens eines Linearverdichters im Allgemeinen nicht fest, sondern in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, mit der die Erregerspule beaufschlagt wird, sowie der Drücke an Ein- und Auslass des Verdichters variabel. Eine geringe Amplitude des Kolbens führt dazu, dass am oberen Totpunkt der Kolbenbewegung das Totvolumen groß und der erzeugte Überdruck gering ist. Um einen guten Wirkungsgrad des Verdichters zu erzielen, muss das Totvolumen so klein wie möglich gehalten werden, d.h. der Kolben muss an seinem oberen Totpunkt einer Stirnwand der Verdichterkammer so nahe kommen wie möglich. Gleichzeitig darf er aber auch nicht an die Stirnwand anschlagen, denn dies würde zu einem schnellen Verschleiß bzw. zur Zerstörung des Verdichters führen.
Es ist daher erforderlich, die Amplitude des Linearantriebs im Betrieb zu überwachen und sie so zu regeln, dass das Totvolumen des Verdichters möglichst klein wird, gleichzeitig aber ein Anschlagen des Kolbens an die Stirnwand der Verdichterkammer mit Sicherheit ausgeschlossen ist.
Um dieses Ziel zu erreichen, sind diverse Konzepte diskutiert worden, wie etwa die optische Abtastung von auf dem Anker des Linearverdichters angebrachten Markierungen, mechanische Kontakte, die vom Kolben bei Annäherung an die Stirnwand betätigt werden, oder ein induktiver Sensor, der auf der Niederdruckseite der Stirnwand angebracht ist, um durch diese hindurch die Annäherung des Kolbens zu erfassen.
Die Messgenauigkeit der induktiven Näherungssensoren ist in der Regel umgekehrt proportional zur Entfernung zwischen dem Sensor und dem zu erfassenden Objekt. Dies führt zu dem Dilemma, dass es zwar wünschenswert ist, die Annäherung des Kolbens an die Stirnwand bereits in einem großen Abstand zu erfassen, um eine Kollision durch eine geringe Korrektur des Erregungsstroms verhindern zu können, dass aber aufgrund der Unsicherheit bei der Abstandserfassung ungewiss bleibt, ob eine Korrektur des Erregungsstromes, die bei der Erfassung aus großer Entfernung nötig erscheint, tatsächlich nötig ist oder der vermeintliche Korrekturbedarf nur aus einer Messungenauigkeit resultiert, und/oder ob die Korrektur überhaupt ausreichend ist, um ein Anschlagen an die Stirnwand zu verhindern. Je kleiner aber der Abstand ist, in dem der Sensor den Kolben erfasst, umso stärkere Korrekturen am Erregungsstrom sind erforderlich, um eine Kollision auszuschließen. Es ist daher wünschenswert, einen Linearverdichter zu schaffen, bei dem sich diese prinzipiellen Schwierigkeiten wenig auswirken.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Linearverdichter mit einem in einer Verdichterkammer oszillierend beweglichen Kolben und einem an einer Stirnwand der Verdichterkammer angeordneten Näherungssensor zur Erfassung einer Annäherung des Kolbens an die Stirnwand der Näherungssensor einer Aussparung der Stirnwand benachbart ist und der Kolben einen Vorsprung trägt, der am oberen Totpunkt der Kolbenbewegung in die Aussparung eingreift. Die ineinander greifenden Konturen von Aussparung und Vorsprung haben nämlich zur Folge, dass der axiale Längsabstand zwischen der Stirnfläche des nach vorne in Richtung Stirnwand der Verdichterkammer abstehenden Kolbens und der Lageebene der Innenseite der Stirnwand der Verdichterkammer nicht der Restbewegungsfreiheit des Kolbens entspricht, d.h. dem Weg, den der Kolben noch in Richtung der Stirnwand zurücklegen kann, bevor er mit ihr kollidiert. Vielmehr ist die Restbewegungsfreiheit des Kolbens etwa um den Überstand des Vorsprungs gegenüber die diesen umgebende Stirnfläche des Kolbens verlängert. Dadurch ergibt sich eine definierte Sicherheitszone für den noch möglichen Vorwärtshub des Kolbens in Richtung Stirnwand, bevor die Stirnfläche des Kolbens, die außen um den Vorsprung herum angeordnet und gegenüber diesem um dessen axiale Länge zurückversetzt ist, mit der kammerinneren, um die Aussparung herum angeordneten Stirnfläche der Stirnwand in Kontakt kommt. So wird der axiale Abstand zwischen Sensor und dem Vorsprung des Kolbens praktisch zu Null gemessen bzw. erfasst, sobald der Vorsprung in die Aussparung eingreift, ohne dass gleichzeitig die Restbewegungsfreiheit des Kolbens verschwindet. Sobald vom Sensor erfasst wird, dass der axiale Längsabstand zwischen dem Vorsprung und der um die Aussparung herum liegende Stirnwandfläche gleich Null ist, ist dem Kolben nur noch ein definierter Vorwärtshubweg ermöglicht, der kleiner als die axiale Länge des Vorsprungs ist, um eine unerwünschte Kollision zwischen der außen um den Vorsprung, vorzugsweise konzentrisch, angeordneten Kolbenstirnfläche und der außen, vorzugsweise konzentrisch angeordneten, kammerinneren Stirnfläche der Stirnwand der Verdichterkammer zu vermeiden. Diese Voraberkennung bzw. Voraberfassung der tatsächlichen Position der vorderen Kolbenstirnseite, bevor diese die Stirnwand der Verdichterkammer kontaktieren würde, erlaubt eine gezielte und definierte Kontrolle der weiteren Kolbenhubbewegung in Richtung auf die vordere Stirnwand der Verdichterkammer zu. So verbessert sich das Verhältnis von Messgenauigkeit zur Restbewegungsfreiheit, und eine genaue Steuerung der Kolbenbewegung ist mit geringen Steuereingriffen möglich.
Insbesondere ist die Stirnwand der Verdichterkammer durch deren Ventilplatte gebildet.
Der Näherungssensor ist vorzugsweise ein preiswert verfügbarer induktiver Sensor.
Um einen Luftspalt zwischen dem Vorsprung und der Aussparung mit Beginn des Eintauchens schnell zu minimieren, weisen vorzugsweise Aussparung und Vorsprung zur axialen Bewegungsrichtung parallele Seitenflächen auf. So kommt es zu Beginn des Eintauchens zu einem abrupten, leicht und präzise erfassbaren Induktivitätsanstieg.
Um den Abstand zwischen Sensor und Kolben weiter zu minimieren, ist der Näherungssensor vorzugsweise auf der der Verdichterkammer zugewandten Seite der Stirnwand angeordnet. Da folglich der Näherungssensor den Kolben nicht durch die Stirnwand hindurch erfassen muss, kann die Stirnwand metallisch sein. Dies hat neben einer hohen Haltbarkeit den Vorteil einer Abschirmung des Sensors gegen äußere Magnetfelder, die seine Messgenauigkeit beeinträchtigen könnten.
Eine Spule des Sensors ist vorzugsweise rings um die Aussparung herum angeordnet.
Indem die Aussparung auf der Längsachse der zylindrischen Verdichterkammer liegt, kann sichergestellt werden, dass unabhängig von einer eventuellen Drehung des Kolbens um seine Längsachse der Vorsprung stets in die Aussparung trifft. Es besteht daher keine Notwendigkeit, die Drehbewegungsfreiheit des Kolbens zu begrenzen, was wiederum den Aufbau des Verdichters vereinfacht.
Die Aussparung kann gleichzeitig einen Durchgang für vom Verdichter umgewälztes Fluid darstellen. Vorzugsweise ist der Durchgang eine Auslassöffnung der Verdichterkammer, da diese keinen Ventilkörper auf Seiten der Verdichterkammer benötigt, dessen Bewegung die Erfassungsergebnisse des Sensors verfälschen könnte.
Um einer Verfälschung der Erfassungsergebnisse durch die Bewegung des Ventilkörpers vorzubeugen, besteht letzterer vorzugsweise aus einem dielektrischen Material, das für den magnetischen Sensor praktisch "unsichtbar" ist.
Sonstige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen zusammen mit deren weiteren Vorteilen werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Längsschnitt eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Linearverdichters; und
Fig. 2: eine perspektivische Ansicht der Stirnwand der Verdichterkammer eines solchen Linearverdichters.

Das Antriebsaggregat des in Fig. 1 gezeigten Linearverdichters für ein Haushalts-Kältegerät umfasst in an sich bekannter Weise ein E-förmiges metallisches Joch 1 mit drei parallelen Fingern, um dessen mittleren Finger eine Erregerwicklung 2 angeordnet ist. In einem Luftspalt zwischen dem Joch 1 und einem gegenüberliegenden Joch 3 ist ein magnetischer Anker 4 an Blattfedern 5 oszillierend beweglich aufgehängt. Die Erregerwicklung 2 ist von einer nicht dargestellten Steuerschaltung mit einem Wechselstrom beaufschlagbar, der in dem Luftspalt Magnetfelder von zeitlich abwechselnder Orientierung erzeugt, die die Bewegung des Ankers 4 antreiben. Das Joch 3 kann wie in der Fig. 1 gezeigt, passiv sein, oder es kann spiegelbildlich zu dem Joch 1 angeordnet und ebenfalls mit einer Erregerwicklung bestückt sein.
Der Anker 4 treibt über eine Kolbenstange 6 einen zylindrischen Kolben 7 in einer Verdichterkammer 8 an. Die Verdichterkammer 8 ist an einem vom Antriebsaggregat abgewandten Ende durch eine Stirnwand 9 abgeschlossen, in der mit Ventilen 10, 11 bestückte Öffnungen 12, 13 gebildet sind. Die Stirnwand ist also vorzugsweise als Ventilplatte der Verdichterkammer ausgebildet. Die Öffnungen 12, 13 bilden Ansaug- bzw. Ausstoßöffnungen für ein von dem Verdichter umgewälztes Kältemittel. Eine der Öffnungen, die Ausstoßöffnung 13, liegt exakt auf der Längsachse der Verdichterkammer 8. Ein zylindrischer Vorsprung 14 auf dem Kolben 7 ist bemessen und platziert, um mit geringem Spiel in die Öffnung 13 einzutauchen, kurz bevor der Kolben 7 die Stirnwand 9 berührt.
Wie insbesondere in Fig. 2 gut zu erkennen, erstreckt sich rings um die Öffnung 13 eine Spule 15 eines induktiven Sensors. Die Induktivität der Spule 15 ist abhängig von der magnetischen Permeabilität ihrer Umgebung und damit vom Abstand des Kolbens 7 von der Stirnwand 9. So lange das - in Fig. 1 durch gestrichelte Linien - angedeutete Magnetfeld der Spule 15 den Kolben 7 im Wesentlichen nicht erreicht, ist die Induktivität der Spule 15 und damit das Messsignal des induktiven Sensors, von dem sie ein Teil ist, weitgehend unabhängig von der Position des Kolbens 7. Wenn der Kolben 7 auf seinem Weg zum oberen Totpunkt beginnt, in das Feld einzudringen, nimmt die Induktivität allmählich zu, und ein starker Zuwachs an Induktivität ist zu verzeichnen, wenn der Vorsprung 14 sich der Öffnung 13 nähert und beginnt, in diese einzudringen. Hier reduziert sich die Breite eines Luftspalts zwischen der metallischen Stirnwand 9 und dem ebenfalls metallischen Kolben 7 im Bereich des Vorsprungs 14 auf nahezu null, obwohl dem Kolben 7 vor einem Kontakt mit der Stirnwand 9 noch eine Restbewegungsfreiheit verbleibt, die in etwa der axialen Länge des Vorsprungs 14 entspricht. So ist der induktive Sensor in der Lage, ein Messsignal, das die Unterschreitung eines vorgegebenen Abstands zwischen Kolben 7 und Stirnwand 9 anzeigt, mit deutlich höherer Genauigkeit zu liefern als im Falle eines herkömmlichen Kolbens mit planer Stirnseite.
Da die Spule auf der der Verdichterkammer 8 zugewandten Seite der Stirnwand 9 liegt, ist das Erfassungsergebnis des induktiven Sensors unabhängig von der Dicke der Stirnwand 9. In der Praxis kann man zweckmäßigerweise die Dicke der Stirnwand in etwa entsprechend einer Entfernung zwischen Kolben und Stirnwand wählen, deren Unterschreitung mit Hilfe des Sensors erfasst werden soll, und der Sensor ist ausgelegt, ein Erfassungssignal jeweils beim Eintauchen des Vorsprungs 14 in die Öffnung 13 zu liefern, d.h. dort, wo die Induktivität am stärksten mit der Kolbenstellung variiert und folglich die exakteste Erfassung möglich ist.
Eine erwünschte Nebenwirkung des Vorsprungs 14 ist eine Verringerung des Totvolumens der Verdichterkammer 8 am oberen Umkehrpunkt, da das verdichtete Kältemittel auch aus der Öffnung 13 weitgehend ausgetrieben wird.
Fig. 2 zeigt eine detaillierte perspektivische Ansicht der Stirnwand 9 und der Ventile 10, 11 des Verdichters aus Fig. 1. Der projizierte Umriss des Kolbens 7 ist an der Stirnwand 9 als gestrichelter Kreis 16 eingezeichnet. Außerhalb des Kreises 16, an den vier Ecken der Stirnwand, sind Bohrungen 17 gebildet, um nicht dargestellte Schrauben aufzunehmen, die die Verdichterkammer 8 mit einem Kopfstück 18 (siehe Fig. 1) jenseits der Stirnwand 9 verbinden und die Verdichterkammer 8 und die Stirnwand 9 dicht gegeneinander gepresst halten. Eine weitere Bohrung 19 verbindet eine druckseitige Kammer 20 des Kopfstücks 18 mit einem die Verdichterkammer 8 umgebenden ringförmigen Hohlraum 21, von dem aus ein kleiner Teil des verdichteten Kältemittels durch feine Bohrung zurück in die Verdichterkammer 8 fließt, um ein Druckgaslager für den Kolben 7 zu bilden.
Zwei weitere Bohrungen 22 in der Stirnwand 9 dienen der Befestigung der Ventile 10, 11, auf deren Aufbau an späterer Stelle noch genau eingegangen wird.
Innerhalb des Kreises 16 erkennt man die zentrale Auslassöffnung 13, die konzentrisch zur Auslassöffnung 13 in eine Nut der Stirnwand 9 eingefügte Spule 15, Anschlussleitungen 23 der Spule 15, die durch dicht verfüllte Bohrungen 24 auf die von der Verdichterkammer 8 abgewandte Seite der Stirnwand 9 durchgeführt sind, sowie die Einlassöffnung 12 in Form eines zur Auslassöffnung 13 konzentrischen Bogens.
Die Ventile 10, 11 sind als Blattfedern ausgeführt, die mit Hilfe von sich durch die Bohrungen 22 erstreckenden Nieten 25 an der Stirnwand befestigt sind. Die Blattfedern der Ventile 11, 12 haben jeweils einen lang gestreckten Fuß 26, in dem zu den Bohrungen 22 komplementäre Löcher 27 für die Nieten 25 gebildet sind, und eine von dem Fuß zur Längsachse hin abstehende elastische Zunge 28.
In die Zunge 28 des Ventils 10 ist eine Öffnung 29 geschnitten, die, wenn das Ventil an der Stirnwand 9 vernietet ist, die Auslassöffnung 13 freilässt. Ein Endabschnitt 30 der Zunge 28, der sich bogenförmig um die Öffnung 29 erstreckt, bildet einen Absperrkörper des Einlassventils 10, der in entspanntem Zustand die Einlassöffnung 12 abdeckt.
Die Zunge 28 des Auslassventils 11 liegt von außen an der Auslassbohrung 13 an, wobei ihre Spitze als Absperrkörper des Auslassventils 11 fungiert.
Die Blattfedern der Ventile 10, 11 können aus einem elastischen dielektrischem Material wie etwa einem Kunststoff bestehen, so dass die Stellung des Einlassventils 10 die Induktivität der Spule 15 nicht maßgeblich beeinflusst. Alternativ kann das Ventil 10 auch aus Federstahl gefertigt sein, wenn seine Öffnung 28 groß genug ist, um die Spule 15 freizulassen.
An Stelle einer aus Draht gewickelten Spule 15 kommt auch eine auf einer Leiterplatte gedruckte Spule in Betracht.

Claims

Linearverdichter mit einem in einer Verdichterkammer oszillierend beweglichen Kolben (7) und einem an einer Stirnwand (9) der Verdichterkammer (8) angeordneten Näherungssensor (15) zur Erfassung einer Annäherung des Kolbens (7) an die Stirnwand (9), dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (9) einer Aussparung (13) der Stirnwand (9) benachbart ist, und dass der Kolben (7) einen Vorsprung (14) trägt, der am oberen Totpunkt der Kolbenbewegung in die Aussparung (13) eingreift.
Linearverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (15) ein induktiver Sensor ist.
Linearverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Aussparung (13) und Vorsprung (14) zur axialen Bewegungsrichtung des Kolbens (7) parallele Seitenflächen aufweisen.
Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (15) auf der der Verdichterkammer (8) zugewandten Seite der Stirnwand (9) angeordnet ist.
Linearverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnwand (9) metallisch ist.
Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (15) eine die Aussparung umgebende Spule (15) umfasst.
Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (13) auf der Längsachse der zylindrischen Verdichterkammer (8) liegt.
Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (13) ein Durchgang (13) für vom Verdichter umgewälztes Fluid ist.
Linearverdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchgang (13) eine Auslassöffnung (13) der Verdichterkammer (8) ist.
Linearverdichter nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Durchgang (13) ein Ventilkörper (11) aus dielektrischem Material zugeordnet ist.
Kältegerät, insbesondere Haushalts-Kältegerät, mit mindestens einem Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche.