EP2513479B1

EP2513479B1 - Kältemittelverdichter mit linearantrieb

Info

Publication number: EP2513479B1
Application number: EP10807312.3A
Authority: EP
Inventors: Hans Peter SCHÖGLER
Original assignee: Secop Austria GmbH
Current assignee: Secop Austria GmbH
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2030-12-14
Also published as: EP2513479A1; AT12038U1; CN102741551A; US20130034456A1; WO2011079330A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kältemittelverdichter mit einem hermetisch dichten Verdichtergehäuse, in dessen Innerem eine ein Kältemittel verdichtende Kolben-Zylinder-Einheit angeordnet ist, deren Zylindergehäuse stirnseitig mittels eines Zylinderkopfs verschlossen ist, in welchem eine Saugöffnung sowie eine Drucköffnung vorgesehenen sind, über welchen Kältemittel über ein,Saugventil durch die Saugöffnung angesaugt sowie über ein Druckventil durch die Drucköffnung verdichtet wird, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit mindestens einen in einer Kolbenbohrung des Zylindergehäuses geführten Kolben aufweist, wobei zwischen dem Zylinderkopf und einer ersten Stirnseite des Kolbens ein Arbeitsraum zur Verdichtung eines Kältemittels ausgebildet wird, wobei ein Linearantrieb vorgesehen ist, umfassend mindestens einen von einer Erregerwicklung umgebenen Schwingkörper, welcher mit dem Kolben verbunden ist, um diesen entlang einer Kolbenlängsachse oszillierend zu bewegen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Der Kältemaschinenprozess mit azeotropen Gasen als solcher ist seit langem bekannt. Das Kältemittel wird dabei durch Energieaufnahme aus dem zu kühlenden Raum in einem Verdampfer erhitzt und schließlich überhitzt, was zum Verdampfen führt und mittels einer Kolben-Zylinder-Einheit des Kältemittelverdichters auf ein höheres Druckniveau verdichtet, wo es Wärme über einen Kondensator abgibt und über eine Drossel, in der eine Druckreduzierung und Abkühlung des Kältemittels erfolgt, wieder zurück in den Verdampfer befördert wird. Derartige Kältemittelverdichter finden im Haushalts- und Industriebereich Einsatz, wo sie zumeist an der Rückseite eines Kühlschranks oder Kühlregals angeordnet sind. Die Kolben-Zylinder-Einheit umfasst ein mit einer Kolbenbohrung versehenes Zylindergehäuse, in welchem ein oszillierender Kolben geführt ist.
Die Kolbenbohrung des Zylindergehäuses ist in einem ersten axialen Endbereich von einem Zylinderkopf bzw. von einer Ventilplatte verschlossen, während die Kolbenbohrung in einem zweiten axialen Endbereich offen für die Aufnahme des Kolbens ist bzw. im Montagezustand des Kältemittelverdichters von einem Pleuel durchsetzt ist.
Der Zylinderkopf kann generell einerseits als massiver, kappenförmiger Bauteil, etwa mit einer Druck- und einer Saugkammer, ausgeführt sein, der an seiner Innenseite eine Ventilplatte trägt. Er kann als ringförmiger Bauteil ausgeführt sein, der die Ventilplatte am Zylindergehäuse hält, er kann aber auch nur als Ventilplatte ausgeführt sein, die mittels einer Klemmvorrichtung auf den zylindrischen Teil des Zylindergehäuses geklemmt wird. In der Ventilplatte ist dann die Saugöffnung zum Ansaugen des Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf angeordnet, sowie die Drucköffnung, durch welche das komprimierte Kältemittel nach dem Kompressionsvorgang in den Kältemittelkreislauf durch den Kolben ausgeschoben wird.
Die Ventilplatte ist bei denn am weitesten verbreiteten Kältemittelkolbenkompressoren mit der Stirnseite des Zylindergehäuses verschraubt. Zu diesem Zweck sind sowohl am Zylindergehäuse als auch in der Ventilplatte Bohrungen angeordnet, wobei die Bohrungen im Zylindergehäuse jeweils mit einem Gewinde versehen sind, über welche die Verschraubung vorgenommen wird. Auf der dem Zylindergehäuse gegenüberliegenden Seite der Ventilplatte ist bei dieser am weitesten verbreiteten Art von Kältemittelkolbenkompressoren ein Zylinderdeckel vorgesehen, der eine Druckkammer aufweist, in welcher das aus dem Zylinder ausgestoßene, komprimierte Kältemittel kurz zwischengespeichert wird, um in weiterer Folge in den Kältemittelkreislauf überzuströmen. Es sind auch Ausführungsbeispiele bekannt, bei welchen eine der Druckkammer entsprechende Saugkammer vorgesehen ist, über welche das Kältemittel durch die Saugöffnung in den Zylinder gesaugt wird. Druckkammer und Saugkammer sind in solchen Fällen durch entsprechende bauliche Maßnahmen im Zylinderdeckel voneinander getrennt.
Ein Kältemittelkompressor konventioneller Bauart umfasst einen Elektromotor, welcher über eine Kurbelwelle den in der Kolbenbohrung oszillierenden Kolben antreibt.
Um die Vorsehung einer Kurbelwelle entbehrlich zu machen, existieren diverse Linearverdichter-Lösungen, bei welchen der Kolben direkt von einem elektrischen Linearantrieb angetrieben wird. Hierbei ist der Kolben mit einem Schwingkörper verbunden, welcher von einer Erregerwicklung (auch als Stator bezeichnet) umgebenen um entlang einer Kolbenlängsachse oszillierend in Bewegung versetzt wird. Der Kolbenhub (=Kolbenweg) kann durch eine variabel induzierte Spannung am Linearantrieb bestimmt werden.
Problemtisch bei solchen Lösungen ist die exakte Begrenzung des Kolbenweges während der Oszillation des Kolbens. Einerseits soll verhindert werden, dass der Kolben im Bereich des oberen Totpunkts am Zylinderkopf bzw. an der im Zylinderkopf angeordneten Ventilplatte anschlägt. Andererseits soll aber auch verhindert werden, dass sich der obere Totpunkt des Kolbens zu weit nach unten verschiebt bzw. dass der sich dem Zylinderkopf bzw. der Ventilplatte annähernde Kolben zu früh eine Umkehrbewegung vollzieht und dadurch ein leistungsvermindernder Schadraum entsteht.
In den Druckschriften CN 101240793 A und DE 10 2006 009 270 A werden hierfür mechanische Federelemente zur Pufferung des Kolbens und somit zur Begrenzung des Kolbenweges vorgeschlagen. Aus der DE 10 2006 009 256 A ist es bekannt, den Kolbenweg mittels verstellbarer Federelemente zu verändern.
Der Nachteil derartiger Systeme ist mechanischer Verschleiß in den Federelementen und den Kolbenbauteilen. Die Federelemente beanspruchen wertvollen Platz und erweisen sich als unflexibel, falls die Kälteleistung des Kältemittelkompressors bzw. der Kolbenhub verändert werden sollen.
Die US 6379125 B1 offenbart ebenfalls einen Kältemittelverdichter mit Linearantrieb, bei welchem der Kolben mittels einer Feder rückgestellt wird.
Es existieren auch Linearverdichter, bei welchen der Kolben während seiner Oszillation ausschließlich durch eine elektronische Steuerung des Linearantriebs in Position gehalten wird. Solche z.B. aus der WO 01/48379 A und der WO 2009/103138 A2 bekannte Lösungen zur Begrenzung des Kolbenweges sind jedoch nur unter Vorsehung aufwändiger Sensor- und Auswertetechnik realisierbar. Insbesondere sind Sensoren vorgesehen, welche die Zeitdauer einer Kolbenbewegung ermitteln, welche in weitere Folge von einem Mikroprozessor mit einer auf einem Speichermedium hinterlegten Referenzzeitdauer verglichen und daraus die aktuelle Position des Kolbens errechnet wird. Derartige Systeme sind kostenaufwändig und finden daher in der serienmäßigen Kompressorfertigung kaum Einsatz.
Linearantriebe, bei welchen ein Kolben eine Mittelposition aufgrund der Abstoßung gleichgepolter Permanentmagnete einnimmt, sind im Zusammenhang mit Vakuumpumpen aus der US 2005/112001 A1 und der DE 10314007 A1 bekannt. Die DE 19504751 A1 offenbart ein solches Konzept im Zusammenhang mit einer Magnetpumpe zum Fördern von flüssigen oder gasförmigen Medien, Keine der in den drei zuletzt genannten Dokumenten offenbarten Vorrichtungen erfüllt jedoch die spezifischen Anforderungen an einen Kältemittelverdichter.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und zuverlässige Möglichkeit zur Begrenzung des Kolbenweges bei Kältemittelkompressoren mit Linearantrieb vorzuschlagen, welche sowohl eine Vorsehung mechanischer Federelemente als auch eine Vorsehung aufwändiger Sensor- und Steuerelektronik zur Begrenzung des Kolbenweges entbehrlich macht. Im Zylindergehäuse auftretender Schadraum soll möglichst reduziert werden.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dabei ist vorgesehen, dass die Kolben-Zylinder-Einheit mit mindestens einer Dauermagnetanordnung bestückt ist, umfassend jeweils mindestens einen am Kolben oder an einem mit dem Kolben verbundenen Bauteil angeordneten ersten Dauermagneten und mindestens einen am Zylindergehäuse oder an einem mit dem Zylindergehäuse verbundenen Bauteil angeordneten zweiten Dauermagneten, wobei der erste Dauermagnet und der zweite Dauermagnet mit jeweils gleicher Magnetpolrichtung zueinander weisen, um zur Begrenzung des Kolbenwegs im Bereich des oberen Totpunkts und/oder im Bereich des unteren Totpunkts bei Annäherung des ersten Dauermagneten an den zweiten Dauermagneten eine abstoßende Wirkung zwischen den beiden Dauermagneten zu erzeugen.
Auf diese Weise kann der Kolbenweg des Kolbens einfach und zuverlässig limitiert werden. Ein Anschlagen des Kolbens an Elementen des Zylindergehäuses, insbesondere an der Ventilplatte, wird auch ohne elektronischer Sensor- und Steuerungselemente verhindert.
Grundsätzlich kann eine beliebige Anzahl an ersten und zweiten Dauermagneten in beliebiger Position und Konstellation angeordnet sein.
Bei dem mit dem Kolben verbundenen Bauteil, an welchem der mindestens eine erste - bewegliche - Dauermagnet angeordnet ist, kann es sich in einer speziellen Ausführungsvariante der Erfindung um den Schwingkörper oder um einen den Kolben mit dem Schwingkörper verbindenden Kolbenschaft handeln.
Beim mit dem Zylindergehäuse verbundenen Bauteil, an bzw. in welchem der mindestens eine zweite - fixe - Dauermagnet angeordnet ist, handelt es sich in einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung um den Zylinderkopf.
Dabei kann im Zylinderkopf eine Ventilplatte angeordnet sein, wobei der mindestens eine zweite Dauermagnet an der
Ventilplatte, vorzugsweise zumindest abschnittsweise in der Ventilplatte versenkt, angeordnet ist. Auf diese Weise wird der Kolbenweg im Bereich des oberen Totpunkts begrenzt. Der zweite Dauermagnet kann dabei sowohl außen als auch innen an oder sogar ganz oder teilweise in der Ventilplatte angeordnet sein. Die Begrenzung des Kolbenwegs im unteren Totpunkt kann ebenfalls mit Dauermagneten erfolgen, sie kann aber auch konventionell, etwa mittels Federelementen, erfolgen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist der mindestens eine zweite Dauermagnet innerhalb der Kolbenbohrung des Zylindergehäuses, insbesondere innerhalb des Arbeitsraumes bzw. den Arbeitsraum begrenzend angeordnet. So könnte beispielsweise einer der Dauermagnete so in das Zylindergehäuse versenkt sein, dass er mit seiner Stirnseite den Arbeitsraum begrenzt. Der Arbeitsraum wird vom Zylindergehäuse gebildet und bezeichnet den vom Kolben während seiner Oszillation durchstrichenen Raum innerhalb des Zylindergehäuses.
Wie bereits erwähnt, wäre es gemäß einer weiteren Ausführungsvariante der Erfindung auch möglich, den zweiten Dauermagneten außerhalb der Kolbenbohrung bzw. des Arbeitsraumes anzuordnen.
Selbstverständlich kann auch der mindestens eine erste Dauermagnet außerhalb der Kolbenbohrung bzw. des Arbeitsraumes angeordnet sein, z.B., wie bereits vorangehend vorgeschlagen, am Schwingkörper oder am Kolbenschaft.
Eine besonders einfache Ausführungsform sieht vor, dass der mindestens eine erste Dauermagnet im Bereich der dem Zylinderkopf zugewandten ersten Stirnseite des Kolbens angeordnet ist.
Um Schadraumverluste zu vermeiden, kann vorgesehen werden, dass - wie schon bei den zweiten Dauermagneten - der mindestens eine erste Dauermagnet abschnittsweise oder ganz in der Stirnseite und/oder im Kolbenschaft versenkt ist. Insbesondere ist es möglich, dass der versenkte erste und/oder zweite Dauermagnet vom Material des Kolbens oder des Zylinderkopfes bzw. der Ventilplatte ummantelt, vorzugsweise allseitig ummantelt ist.
Gemäß einer Fortbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Dauermagnete so in den Stirnseiten des Kolbens und/oder der Ventilplatte versenkt sind, dass zwischen Dauermagnet und Kolben bzw. Dauermagnet und Ventilplatte mindestens ein freier Raum vorhanden ist, der mit dem Arbeitsraum kommuniziert. Dieser freie Raum erstreckt sich vorzugsweise entlang des gesamten Umfangs des Dauermagneten. Die spaltförmige Ausnehmung begünstigt eine freie Entfaltung der magnetischen Wirkung des Dauermagneten bzw. ein Expandieren der vom Dauermagneten ausgehenden magnetischen Feldlinien.
Ein Expandieren der vom Dauermagneten ausgehenden magnetischen Feldlinien wird weiter begünstigt, indem der freie Raum gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung als Spalt ausgeführt ist, dessen lichte Öffnungsweite sich in Richtung des Arbeitsraumes erweitert.
Der freie Raum kann mit einem nicht ferromagnetischen Material, etwa Kunststoff, gefüllt sein. Durch eine solche Ausfüllung der Ausnehmung kann unerwünschter Schadraum (verbleibender Raum zwischen Kolben und Zylinderkopf bzw. Ventilplatte im oberen Totpunkt des Kolbens), welcher die Leistung des Kältemittelkompressors verringern würde, vermieden werden.
Zur optimalen Paarung der kolbenseitig angeordneten ersten und der zylindergehäuseseitig angeordneten zweiten Dauermagneten sind im Folgenden erfindungsgemäße Maßnahmen vorgeschlagen. Es soll jeweils eine fokussierte Wirkung der Dauermagnete aufeinander und eine stabile Lage des Kolbens, insbesondere während seiner Umkehrbewegung an den Totpunkten, gewährleistet sein.
Die Dauermagnete können etwa im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt sein.
Insbesondere können die Dauermagnete im Wesentlichen ringförmig ausgeführt sein, wobei die Ringform vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Kolbenlängsachse verläuft. Die Dauermagnete weisen hierbei vorzugsweise eine ringzylindrische Form auf, sodass versenkte Dauermagnete von einem freien Raum in Form eines Ringspalts umgeben sein können.
Die Dauermagnete können aber auch rotationssymmetrisch zu einer Achse angeordnet sein, die zur Kolbenlängsachse parallel ist.
Es sind auch beliebige Modifikationen zur Ringform möglich z.B. ovale oder elliptische Formen. Alternative Ausführungsvarianten wären z.B. spiralförmige oder gitterförmige Dauermagneten. In einer speziellen Ausführungsvariante sind mehrere Dauermagnete konzentrisch um die Kolbenlängsachse angeordnet.
Wenn die Stirnseite des kolbenseitig angeordneten mindestens einen ersten Dauermagneten im Wesentlichen parallel zur Stirnseite des zylindergehäuseseitig angeordneten mindestens einen zweiten Dauermagneten verläuft, ist eine gleichmäßige Ausbildung des Magnetfeldes gewährleistet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung weist der kolbenseitig angeordnete erste Dauermagnet im Wesentlichen eine gleich große Feldstärke, bei gleichem Material also vorzugsweise eine im Wesentlichen gleich große Masse, auf wie der zylindergehäuseseitig angeordnete zweite Dauermagnet. Dadurch wird ein symmetrisches Magnetfeld erzeugt.
Ein gleichmäßiges Magnetfeld wird auch erreicht, wenn mehrere Dauermagnete auf einem konzentrisch zur Kolbenlängsachse verlaufenden Kreis angeordnet sind, wobei der Winkelabstand benachbarter Dauermagnete im Wesentlichen gleich groß ist. Sinnvoller Weise sind dabei jeweils die kolbenseitigen und die zylindergehäuseseitigen Dauermagnete auf einem Kreis angeordnet, wobei sich kolbenseitige und zylindergehäuseseitige Dauermagnete gegenüberliegen (also in Kolbenlängsachse gesehen decken).
In einer speziellen Bauweise kann der Kolben als Doppelkolben ausgeführt sein, umfassend zwei an gegenüberliegenden Endbereichen des Doppelkolbens angeordnete, jeweils eine Stirnseite des Doppelkolbens ausbildende Kolbenabschnitte. Zwischen der ersten Stirnseite des Doppelkolbens und einem eine erste Ventilplatte umfassenden ersten Zylinderkopf ist ein erster Arbeitsraum und zwischen der zweitem Stirnseite des Doppelkolbens und einem eine zweite Ventilplatte umfassenden zweiten Zylinderkopf ist ein zweiter Arbeitsraum ausgebildet. Der Schwingkörper ist zwischen den beiden Stirnseiten des Doppelkolbens, vorzugsweise vom Doppelkolben eingeschlossen, angeordnet, wobei für jede Zylinderkopf-Kolbenabschnitt-Paarung eine erfindungsgemäße Anordnung von Dauermagneten vorgesehen ist.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Festlegung des Kolbenweges eines Linearverdichters in einem Kältemittelkompressor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, ist vorgesehen, dass die Kolben-Zylinder-Einheit nach einem der Ansprüche 1 bis 20 ausgebildet ist und bei vorgegebenen Dauermagneten die Antriebsstärke des Linearantriebs so eingestellt wird, dass der Kolben in einem vorgegebenen oberen Totpunkt und/oder unteren Totpunkt seine Bewegungsrichtung ohne Verwendung eines mechanischen Federelements ändert.
Es kann z.B. vorgesehen sein, dass der Kolben sowohl am oberen als auch am unteren Totpunkt seine Bewegungsrichtung nur aufgrund von jeweils einer Dauermagnetanordnung ändert. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Kolben nur in einem Totpunkt seine Bewegungsrichtung aufgrund einer Dauermagnetanordnung ändert, während für die Änderung der Bewegungsrichtung im anderen Totpunkt ein bekanntes Federelement verwendet wird.
Mit den Dauermagneten bildet der Kolben gemeinsam mit Schwingkörper und gegebenenfalls dem Kolbenschaft ein nichtlineares Masse-Federsystem. Dadurch sind in diesem Masse-Federsystem unterschiedliche Resonanzfrequenzen möglich, wenn man nicht den vollen Weg des Masse-Federsystems ausnützt, während in einem linearen Masse-Federsystem, wie etwa bei ausschließlicher Verwendung von Federelementen, nur eine Resonanzfrequenz auftritt, bei welcher der Kolben normalerweise betrieben wird. Erfindungsgemäß sind daher unterschiedliche Kolbenfrequenzen und damit unterschiedliche Kälteleistungen möglich.
Entsprechend kann daher vorgesehen sein, dass - zum Erzielen unterschiedlicher Kälteleistungen - zusätzlich eine bestimmte Frequenz des Linearantriebs vorgegeben wird.
Als zusätzliche Sicherheitsmaßnahme, damit der Kolben nicht an der Ventilplatte anschlägt, kann vorgesehen sein, dass Antriebsstärke und/oder Frequenz des Linearantriebs aufgrund von gemessenen Positionsdaten des Kolbens oder magnetischen Feldstärken eingestellt werden. Hierzu können etwa Hallsensoren wie in induktiven Gebern oder Strom-Spannungmessungen der Erregerwicklung Einsatz finden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Linearverdichters
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit
Fig. 3: eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Federelement
Fig. 4: eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit Dauermagneten am Schwingkörper des Linearantriebs
Fig. 5: die Ausführungsvariante gemäß Fig. 4, wobei sich der Kolben in seinem unteren Totpunkt befindet
Fig. 6: ein Detail "B" aus Fig. 4
Fig. 7: eine Modifizierung der Ausführungsvariante gemäß Fig. 4 mit Federelement
Fig. 8: eine schematische Darstellung der im Bereich der Dauermagnete entwickelten Magnetfelder in Form von Feldlinien (Kolben im unteren Totpunkt)
Fig. 9: Darstellung wie in Fig. 8 (Kolben am Weg Richtung oberer Totpunkt)
Fig. 10: Darstellung wie in Fig.8 (Kolben erreicht oberen Totpunkt)
Fig. 11: ein Kraft-Weg-Diagramm zur Darstellung des Anstiegs der Magnetkraft bei Annäherung des ersten an den zweiten Dauermagneten
Fig. 12: eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit Doppelkolben
Fig. 13: eine schematische Darstellung eines in einem Verdichtergehäuse angeordneten erfindungsgemäßen Linearverdichters

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise den Aufbau eines erfindungsgemäßen Linearverdichters 23, welcher mittels einer Aufhängevorrichtung 28 innerhalb eines in Fig.13 dargestellten, hermetisch abgedichteten Verdichtergehäuses 29 eines Kleinkältemittelverdichters angeordnet ist. Der Linearverdichter 23 umfasst eine Kolben-Zylinder-Einheit 21 mit mindestens einem in einer Kolbenbohrung 2 eines Zylindergehäuses 1 geführten Kolben 3. Das Zylindergehäuse 1 ist stirnseitig mit einem Zylinderkopf 4, genauer gesagt, mit einer im Zylinderkopf 4 gehaltenen Ventilplatte 5 verschlossen.
Der Kolben 3 ist von einem Linearantrieb 6 entlang einer Kolbenlängsachse 9 oszillierend bewegbar. Der Linearantrieb 6 umfasst in bekannter Weise einen von einer Erregerwicklung (einem Stator) 8 umgebenen Schwingkörper 7, welcher mit dem Kolben 3 starr oder gelenkig verbunden ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Schwingkörper 7 mittels einer Kolbenstange bzw. eines Kolbenschafts 22 mit dem Kolben 3 verbunden.
Erfindungsgemäß ist die Kolben-Zylinder-Einheit 21 mit mindestens einer Dauermagnetanordnung (nämlich hier zwei: 11a und 12a; 11b und 12b) bestückt, umfassend jeweils mindestens einen am Kolben 3 oder an einem mit dem Kolben 3 verbundenen Bauteil - hierbei könnte es sich insbesondere um den Schwingkörper 7 oder um den Kolbenschaft 22 handeln-angeordneten ersten Dauermagneten 11a, 11b sowie mit mindestens einen am Zylindergehäuse 1 oder an einem mit dem Zylindergehäuse 1 verbundenen Bauteil angeordneten zweiten Dauermagneten 12a, 12b. Hierbei weisen der mindestens eine erste Dauermagnet 11a, 11b und der der mindestens eine zweite Dauermagnet 12a, 12b mit jeweils gleicher Magnetpolrichtung zueinander, sodass bei Annäherung des mindestens einen ersten Dauermagneten 11 an den mindestens einen zweiten Dauermagneten 12 eine abstoßende Wirkung zwischen den beiden Dauermagneten 11 und 12 und somit eine den Kolbenweg im Bereich des oberen Totpunkts und/oder im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens 3 begrenzende Wirkung entsteht.
Im Fall der Fig. 1 sind an der Stirnseite des Kolbens 3 ein erster Dauermagnet 11a, an der gegenüberliegenden Seite ist ein weiterer erster Dauermagnet 11b angebracht, nämlich ein ringförmiger Dauermagnet. Am Zylinderkopf 4 bzw. an dessen Ventilplatte ist ein zweiter Dauermagnet 12a angebracht, an der gegenüberliegenden Seite des Zylindergehäuses 1, wo der Kolbenschaft 22 durch das Zylindergehäuse 1 tritt, ein weiterer zweiter Dauermagnet 12b. Letzterer ist ringförmig ausgebildet. Dabei wirken die Dauermagneten 11a und 12a zusammen und bestimmen aufgrund ihrer Feldstärke den Kraftanstieg in Richtung des oberen Totpunkts des Kolbens 3, während die Dauermagnete 11b und 12b zusammenwirken und aufgrund ihrer Feldstärke den Kraftanstieg in Richtung des unteren Totpunkts des Kolbens 3 festlegen. Je nach Last können die Punkte an denen der Kolben 3 tatsächlich umkehrt, variieren.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform ähnlich jener in Fig. 1 dargestellt, nur das in Fig. 2 in der ersten Stirnseite 3a des Kolbens 3 ein ringförmiger Dauermagnet 11 und korrespondierend dazu in der Ventilplatte 5 des Zylinderkopfes 4 ein ringförmiger zweiter Dauermagnet 12 versenkt ist. Die dem Arbeitsraum 14 zugewandte Oberfläche des ersten Dauermagneten 11 ist in einer Ebene mit der ersten Stirnseite 3a des Kolbens 3. Die dem Arbeitsraum 14 zugewandte Oberfläche des zweiten Dauermagneten 12 ist in einer Ebene mit der ebenen Innenfläche der Ventilplatte 5.
Die Ventilplatte 5 weist eine Saugöffnung 17 auf, die an der Innenseite der Ventilplatte 5 mit einem Saugventil 15 verschließbar ist. Sie weist weiters eine Drucköffnung 18 auf, die an der Außenseite der Ventilplatte 5 mit einem Druckventil 16 verschlossen werden kann.
Beim hier dargestellten Ansaugtakt (der Kolben 3 bewegt sich nach rechts) strömt das Kältemittel über die Saugöffnung 17 am geöffneten Saugventil 15 vorbei in einen zwischen der Ventilplatte 5 und einer dieser zugewandten ersten Stirnseite 3a des Kolbens 3 ausgebildeten Arbeitsraum 14 ein. Beim Verdichtungstakt (der Kolben 3 bewegt sich dann nach links) wird Kältemittel über die Drucköffnung 18 wieder aus dem Inneren des Zylindergehäuses 1 hinausbefördert. Der Kolbenschaft 22 ist in Fig. 2 nicht dargestellt.
Die beiden Dauermagnete 11, 12 haben identische Abmessungen und sind aus dem gleichen ferromagnetischen Material gefertigt, sodass sie gleiche magnetische Feldstärke aufweisen. Sie sind als Ringzylinder ausgebildet, die inneren und die äußeren Oberflächen haben folglich die Form eines Zylindermantels, die Auflagefläche am Kolben 3 hat die Form eines Kreisrings, ebenso wie die dem Arbeitsraum 14 zugewandte Oberfläche der Dauermagnete 11, 12.
Beide Dauermagnete 11, 12 sind in ringförmige Vertiefungen des Kolbens 3 bzw. der Ventilplatte 5 versenkt, sodass die dem Arbeitsraum 14 zugewandte Oberfläche der Dauermagnete 11, 12 mit der ersten Stirnseite 3a des Kolbens bzw. mit der Innenseite der Ventilplatte 5 eben abschließt. Die Dauermagnete 11, 12 liegen jeweils am Boden der ringförmigen Vertiefung auf, zwischen der als Zylindermantel ausgebildeten äußeren Oberfläche der Dauermagnete 11, 12 und der Wand der Vertiefung ist jedoch ein freier Raum 13 vorgesehen, sodass die magnetischen Feldlinien - vom metallischen Material des Kolbens 3 bzw. der Ventilplatte 5 ungestört - durch die Zylindermantel-förmige äußere Oberfläche der Dauermagneten 11, 12 austreten können. Der freie Raum 13 kann auch, wie beim Kolben 3 eingezeichnet, mit nicht ferromagnetischem Material ausgefüllt sein, etwa mit Kunststoff. Dadurch wird der Schadraum verringert, also jener Raum zwischen Kolben im Totpunkt und Ventilplatte, der mit Kältemittel ausgefüllt sein kann.
Mit der Ausführung gemäß Fig. 2 ist der Kolbenweg am oberen Totpunkt durch die Dauermagnete 11, 12 begrenzt. Zur Begrenzung des Kolbenwegs am unteren Totpunkt kann entweder auf der zweiten Stirnseite 3b des Kolbens 3 ebenfalls ein weiterer erster Dauermagnet, wie Dauermagnet 11b in Fig. 1, angeordnet werden, mit einem entsprechenden Dauermagnet 12b am Zylindergehäuse.
Oder es kann, wie in Fig. 3 dargestellt, ein Federelement 27 vorgesehen sein, das den unteren Totpunkt des Kolbens 3 festlegt. Die Ausführung der Kolben-Zylinder-Einheit gleicht jener von Fig. 2. Zusätzlich ist in Fig. 3 noch die Erregerwicklung 8 eingezeichnet.
In der Ausführungsvariante gemäß der Fig. 4-6 sind die ersten Dauermagneten 11a, 11b nicht am Kolben 3, sondern am zylindrischen Schwingkörper 7 des Linearantriebs 6 angeordnet. Die korrespondierenden zweiten Dauermagneten 12a, 12b sind an der Innenseite des Gehäuses 24 des Linearantriebs 6 angeordnet, sodass sie in Richtung der Kolbenlängsachse 9 mit den Dauermagneten 11a, 11b fluchten.
Die Dauermagneten 11a, 11b, 12a, 12b sind auch hier als Ringzylinder ausgebildet, jedoch nicht im Schwingkörper 7 bzw. Gehäuse 24 versenkt, sondern an den kreisförmigen Oberflächen des Schwingkörpers 7 bzw. an gegenüber liegenden Innenwänden des Gehäuses 24 befestigt. Die Ringzylinder sind dabei konzentrisch zur Kolbenlängsachse 9 angeordnet.
Wenn sich der Kolben 3 im oberen Totpunkt befindet, siehe Fig. 4, dann haben die Dauermagnete 11a und 12a - in Richtung der Kolbenlängsachse 9 gesehen - den aufgrund der auf den Schwingkörper 7 wirkenden Kraft des Linearantriebs 6 geringst möglichen Abstand voneinander. Die Dauermagnete 11b und 12b haben jedoch den größtmöglichen Abstand voneinander, der im Wesentlichen dem Kolbenhub des Kolbens 3 entspricht.
Befindet sich der Kolben 3 im unteren Totpunkt, siehe Fig. 5, dann haben die Dauermagnete 11b und 12b - in Richtung der Kolbenlängsachse 9 gesehen - den aufgrund der auf den Schwingkörper 7 wirkenden Kraft des Linearantriebs 6 geringst möglichen Abstand voneinander. Die Dauermagnete 11a und 12a haben jedoch den größtmöglichen Abstand voneinander, der im Wesentlichen dem Kolbenhub des Kolbens 3 entspricht.
In Fig. 6 ist Detail B aus Fig. 4 vergrößert dargestellt. Von der einen Dauermagnetanordnung (a) sind die Dauermagnete 11a und 12a zu sehen, von der zweiten Dauermagnetanordnung (b) nur Dauermagnet 11b. Der radiale Außendurchmesser der Dauermagnete 11a und 11b entspricht fast dem radialen Durchmesser des zylindrischen Schwingkörpers 7, der Durchmesser der Dauermagnete 11a, 11b, 12a, 12b ist nur um etwa 1-5% kleiner als jener des Schwingkörpers 7.
Fig. 7 zeigt eine Modifizierung der Ausführungsvariante gemäß Fig. 4, indem die Dauermagnetanordnung zur Festlegung des unteren Totpunkts durch aus Fig. 4 durch ein mit Federelement 27 ersetzt wird. Die Dauermagnete 11a und 12a aus Fig. 4 werden beibehalten, die Dauermagnete 11b und 12b werden durch das Federelement 27 ersetzt.
Fig. 8 zeigt eine schematische Darstellung der im Bereich der Dauermagnete 11, 12 der Fig. 2 und 3 entwickelten Magnetfelder in Form von Feldlinien 25 bzw. 26, wobei sich der Kolben 3 dabei im Bereich seines unteren Totpunkts befindet. Magnetische Feldlinien sind geschlossen, sie treten jeweils am sogenannten "Nordpol" aus dem Dauermagneten aus und am sogenannten "Südpol" in diesen ein. Wenn ein Dauermagnet mit seinem Südpol an den Nordpol eines anderen Dauermagneten angenähert wird, ziehen sich die Dauermagneten an und bleiben aneinander haften. Wird ein Dauermagnet mit seinem Nordpol an den Nordpol eines anderen Dauermagneten (oder mit seinem Südpol an den Südpol eines anderen Dauermagneten) angenähert, so stoßen sich die beiden Dauermagneten ab, es ist nicht bzw. nur mit einer bestimmten Kraft möglich, die Dauermagneten so weit aneinander anzunähern, dass sich ihre Südpole berühren. Dieses Prinzip wird bei dieser Erfindung ausgenützt. Da die abstoßende Kraft zwischen den gleichnamigen Magnetpolen umgekehrt proportional zum Abstand der Magnetpole ist, ist auch die Kraft zum Annähern des Kolbens 3 an die Ventilplatte 5 nicht linear zum Abstand zwischen Kolben 3 und Ventilplatte 5. Dies ist ein wesentlicher Unterschied zu einem zwischen Ventilplatte 5 und Kolben 3 angeordneten Federelement, bei welchem die Kraft linear vom Abstand zwischen Ventilplatte 5 und Kolben 3 abhängt.
Sowohl Ventilplatte 5 als auch Kolben 3 sind in diesem Ausführungsbeispiel aus Stahl gefertigt, sind also selbst ferromagnetisch, die magnetischen Feldlinien 25, 26 können daher in die Ventilplatte 5 und den Kolben 3 eindringen. Der Abstand zwischen Kolben 3 und Kolbenbohrung 2 ist hier übertrieben groß dargestellt.
Fig. 9 zeigt die Kolben-Zylinder-Anordnung 21 bei fortschreitendem Verdichtungstakt, der Kolben ist am Weg Richtung oberer Totpunkt. Der an der ersten Stirnseite 3a des Kolbens 3 angeordnete erste Dauermagnet 11 nähert sich dem in der Ventilplatte 5 versenkten, ortsfesten zweiten Dauermagneten 12 an. Die Magnetfelder der beiden Dauermagneten 11, 12 beeinflussen einander deutlich mehr als in Fig. 8. Im Arbeitsbereich 14 verringert sich der Abstand zwischen den eigenen Feldlinien 25, 26 des Dauermagneten, die magnetische Feldstärke wird größer, die Feldlinien werden gleichsam wie eine Feder "gespannt".
Gemäß Fig. 10 hat der Kolben 3 seinen oberen Totpunkt erreicht. Ein Anschlagen der ersten Stirnseite 3a des Kolbens 3 an die Ventilplatte 5 ist verhindert, da die beiden Dauermagneten 11 und 12 mit jeweils gleicher Magnetpolrichtung (mit dem "Nordpol") zueinander weisen und sich daher voneinander abstoßen. Würde man das Erregerfeld der Erregerwicklung 8 nun abschalten, würde der Kolben 3 durch die abstoßende Kraft der Dauermagneten 11, 12 nach rechts verschoben werden.
Auf dieselbe prinzipielle Weise, wie der Kolbenweg gemäß den Fig. 8-10 im Bereich des oberen Totpunkts begrenzt wird, kann auch eine Begrenzung des Kolbenweges im Bereich des unteren Totpunkts erfolgen.
Fig. 11 zeigt ein Kraft-Weg-Diagramm zur Darstellung des Anstiegs der Magnetkraft bei Annäherung des ersten 11 an den zweiten Dauermagneten 12. Auf der waagrechten Achse ist der Abstand zwischen erstem 11 und zweitem Dauermagneten 12 in cm aufgetragen, auf der senkrechten Achse die Magnetkraft F in %, wobei 100% die abstoßende Magnetkraft im oberen Totpunkt darstellt. Diese Kraft muss der Linearantrieb 6 und die Massenträgkeit des Kolbens 3 mit dem Schwingkörper 7 aufbringen, um den Kolben 3 für kurze Zeit im oberen Totpunkt zu halten. Der obere Totpunkt ist in diesem Beispiel bei einem Abstand von 0,05-0,5 mm zwischen erstem 11 und zweitem Dauermagneten 12 gegeben. Es sind sowohl die rautenförmigen Messpunkte als auch die aufgrund der Messpunkte interpolierte Messkurve eingezeichnet.
Fig. 12 zeigt eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Doppelkolben. Der Kolben 3 ist als Doppelkolben ausgeführt und umfasst zwei an gegenüberliegenden Endbereichen angeordnete, jeweils eine Stirnseite 3a, 3b des Doppelkolbens ausbildende Kolbenabschnitte 19, 20. Zwischen der ersten Stirnseite 3a des Doppelkolbens und einem eine erste Ventilplatte 5 umfassenden ersten Zylinderkopf 4 wird ein erster Arbeitsraum 14 gebildet und zwischen der zweiten Stirnseite 3b des Doppelkolbens und einem eine zweite Ventilplatte 5' umfassenden zweiten Zylinderkopf 4' ein zweiter Arbeitsraum 14'. Der Schwingkörper 7 ist zwischen den beiden Stirnseiten 3a, 3b des Doppelkolbens angeordnet, vorzugsweise vom Doppelkolben 3 eingeschlossen. Für jede Zylinderkopf-Kolbenabschnitt-Paarung 4/19 bzw. 4'/20 ist eine erfindungsgemäße Dauermagnetanordnung 11a, 12a bzw. 11b, 12b vorgesehen.

Bezugszeichenliste:

1: Zylindergehäuse
2: Kolbenbohrung
3: Kolben
3a: erste Stirnseite des Kolbens
3b: zweite Stirnseite des Kolbens
4: Zylinderkopf
4': zweiter Zylinderkopf
5: Ventilplatte
5': zweite Ventilplatte
6: Linearantrieb
7: Schwingkörper
8: Erregerwicklung (Stator)
9: Kolbenlängsachse
11,11a,11b: Erster Dauermagnet
12,12a,12b: Zweiter Dauermagnet
13: Freier Raum
14: Arbeitsraum des Kolbens 3
14': zweiter Arbeitsraum des Kolbens 3
15: Saugventil
15': zweites Saugventil
16: Druckventil
16': zweites Druckventil
17: Saugöffnung
17': zweite Saugöffnung
18: Drucköffnung
18': zweite Drucköffnung
19: Erster Kolbenabschnitt des Doppelkolbens
20: Zweiter Kolbenabschnitt des Doppelkolbens
21: Kolben-Zylinder-Einheit
22: Kolbenschaft
23: Linearverdichter
24: Gehäuse des Linearantriebs
25: Feldlinien des ersten Dauermagnets
26: Feldlinien des zweiten Dauermagnets
27: Federelement

Claims

Kältemittelverdichter mit einem hermetisch dichten Verdichtergehäuse, in dessen Innerem eine ein Kältemittel verdichtende Kolben-Zylinder-Einheit (21) angeordnet ist, deren Zylindergehäuse (1) stirnseitig mittels eines Zylinderkopfs (4) verschlossen ist, in welchem eine Saugöffnung (17) sowie eine Drucköffnung (18) vorgesehenen sind, über welchen Kältemittel über ein Saugventil (15) durch die Saugöffnung angesaugt sowie über ein Druckventil (16) durch die Drucköffnung verdichtet wird, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit (21) mindestens einen in einer Kolbenbohrung (2) des Zylindergehäuses (1) geführten Kolben (3) aufweist, wobei zwischen dem Zylinderkopf (4) und einer ersten Stirnseite (3a) des Kolbens (3) ein Arbeitsraum (14) zur Verdichtung eines Kältemittels ausgebildet wird, wobei ein Linearantrieb (6) vorgesehen ist, umfassend mindestens einen von einer Erregerwicklung (8) umgebenen Schwingkörper (7), welcher mit dem Kolben (3) verbunden ist, um diesen entlang einer Kolbenlängsachse (9) oszillierend zu bewegen, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit (21) mit mindestens einer Dauermagnetanordnung bestückt ist, umfassend jeweils mindestens einen am Kolben (3) oder an einem mit dem Kolben (3) verbundenen Bauteil angeordneten ersten Dauermagneten (11), dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Dauermagnetanordnung mindestens einen am Zylindergehäuse (1) oder an einem mit dem Zylindergehäuse (1) verbundenen Bauteil angeordneten zweiten Dauermagneten (12) umfasst, wobei der erste Dauermagnet (11) und der zweite Dauermagnet (12) mit jeweils gleicher Magnetpolrichtung zueinander weisen, um zur Begrenzung des Kolbenwegs im Bereich des oberen Totpunkts und/oder im Bereich des unteren Totpunkts bei Annäherung des ersten Dauermagneten (11) an den zweiten Dauermagneten (12) eine abstoßende Wirkung zwischen den beiden Dauermagneten (11, 12) zu erzeugen, dass der mit dem Zylindergehäuse (1) verbundene Bauteil, an bzw. in welchem der mindestens eine zweite Dauermagnet (12) angeordnet ist, der Zylinderkopf (4) ist, dass im Zylinderkopf (4) eine Ventilplatte (5) angeordnet ist und der mindestens eine zweite Dauermagnet (12) an der Ventilplatte (5), vorzugsweise zumindest abschnittsweise in der Ventilplatte (5) versenkt, angeordnet ist, um den Kolbenweg im Bereich des oberen Totpunkts zu begrenzen, dass die Dauermagnete (11, 12) so in den Stirnseiten (3a, 3b) des Kolbens (3) und/oder der Ventilplatte (5) versenkt sind, dass zwischen Dauermagnet und Kolben bzw. Ventilplatte mindestens ein freier Raum (13) vorhanden ist, der mit dem Arbeitsraum (14) kommuniziert, und dass sich dieser freie Raum (13) entlang des gesamten Umfangs der Dauermagneten (11, 12) erstreckt.
Kältemittelkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mit dem Kolben (3) verbundene Bauteil, an welchem der mindestens eine erste Dauermagnet (11) angeordnet ist, der Schwingkörper (7) oder ein den Kolben (3) mit dem Schwingkörper (7) verbindender Kolbenschaft (22) ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Dauermagnet (12) innerhalb der Kolbenbohrung (2) des Zylindergehäuses (1) angeordnet ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine zweite Dauermagnet (12) innerhalb des Arbeitsraumes (14) bzw. den Arbeitsraum (14) begrenzend angeordnet ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Dauermagnet (11) im Bereich der dem Zylinderkopf (4) zugewandten ersten Stirnseite (3a) des Kolbens (3) angeordnet ist.
Kältemittelkompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Dauermagnet (11) abschnittsweise oder ganz in der Stirnseite (3a) und/oder im Kolbenschaft (22) versenkt ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Raum (13) als Spalt ausgeführt ist, dessen lichte Öffnungsweite sich in Richtung des Arbeitsraumes (14) erweitert.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der freie Raum (13) mit einem nicht ferromagnetischen Material gefüllt ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Dauermagnet (11) gegenüberliegend zu dem mindestens einen zweiten Dauermagneten (12) angeordnet ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnete (11, 12) im Wesentlichen ringförmig ausgeführt sind, wobei die Ringform vorzugsweise rotationssymmetrisch zur Kolbenlängsachse (9) verläuft und/oder der freie Raum vorzugsweise als Ringspalt ausgebildet ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (11a) des mindestens einen ersten Dauermagneten (11) im Wesentlichen parallel zu einer Stirnseite (12a) des mindestens einen zweiten Dauermagneten (12) verläuft.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine erste Dauermagnet (11) im Wesentlichen eine gleich große Feldstärke, vorzugsweise eine im Wesentlichen gleich große Masse, aufweist wie der mindestens eine zweite Dauermagnet (12).
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Dauermagnete (11, 12) auf einem konzentrisch zur Kolbenlängsachse (9) verlaufenden Kreis angeordnet sind, wobei der Winkelabstand benachbarter Dauermagnete (11, 12) im Wesentlichen gleich groß ist.
Kältemittelkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) als Doppelkolben ausgeführt ist, umfassend zwei an gegenüberliegenden Endbereichen des Doppelkolbens (3) angeordnete, jeweils eine Stirnseite (3a, 3b) des Doppelkolbens ausbildende Kolbenabschnitte (19, 20), wobei zwischen der ersten Stirnseite (3a) des Doppelkolbens (3) und einem eine erste Ventilplatte (5) umfassenden ersten Zylinderkopf (4) ein erster Arbeitsraum (14) und zwischen der zweitem Stirnseite (3b) des Doppelkolbens (3) und einem eine zweite Ventilplatte (5') umfassenden zweiten Zylinderkopf (4') ein zweiter Arbeitsraum (14') ausgebildet ist und wobei der Schwingkörper (7) zwischen den beiden Stirnseiten (3a, 3b) des Doppelkolbens (3) angeordnet, vorzugsweise vom Doppelkolben (3) eingeschlossen ist, und für jede Zylinderkopf-Kolbenabschnitt-Paarung (4/19, 4'/20) eine Dauermagnetanordnung gemäß einem der vorangehenden Ansprüche vorgesehen ist.