WO2009013131A1

WO2009013131A1 - Hubgeregelter linearverdichter

Info

Publication number: WO2009013131A1
Application number: PCT/EP2008/058904
Authority: WO
Inventors: Heinz Schmidt
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2009-01-29
Also published as: RU2010103529A; EP2171274A1; CN101755124A; US20100183450A1; DE102007034293A1

Abstract

Linearverdichter mit wenigstens einem Elektromagneten (7), wenigstens einem in einem Wechselfeld des Elektromagneten (7) oszillierend beweglich geführten Schwingkörper (2), wenigstens einem mit dem Schwingkörper (2) verbundenen, in einem Zylinder (1) hin und her beweglichen Kolben (2) und einer Stromversorgungsschaltung (19) zum Versorgen des Elektromagneten (7) mit einem Wechselstrom, gekennzeichnet durch einen Näherungssensor (14) zum Erfassen, ob der Abstand zwischen dem Kolben (2) und einer Stirnfläche (15) des Zylinders (1) einen Grenzwert (ε) unterschreitet oder nicht, und eine Regelschaltung (19) zum Erfassen einer Zeitspanne (Δteιn), in der der Abstand zwischen dem Kolben (2) und der Stirnfläche (15) den Grenzwert (ε) unterschreitet und zum Regeln der Amplitude und/oder Phase des Wechselstroms im Falle einer Abweichung der Zeitspanne (Δteιn) von einem positiven Sollwert.

Description

Hubgeregelter Linearverdichter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät. Ein solcher Linearverdichter umfasst herkömmlicherweise einen Elektromagneten zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes, einen Schwingkörper, der in dem Feld des Elektromagneten hin und her beweglich geführt ist, und einen gekoppelt an den Schwingkörper in einem Zylinder hin und her beweglichen Kolben.

Bei einem Verdichter mit einem durch die Drehung einer Kurbelwelle angetriebenen Kolben ist der Hub der Kolbenbewegung festgelegt durch den Bahndurchmesser eines Punktes, an welchem eine Kolbenstange an der Kurbelwelle angreift. Das Totvolumen des Verdichters kann daher extrem klein gemacht werden, ohne dass ein Anschlagen des Kolbens an eine gegenüberliegende Stirnseite der Pumpkammer zu befürchten ist. Eine Minimierung des Totvolumens ist wichtig, um einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters zu erreichen.

Bei einem Linearverdichter fehlt eine solche bauartbedingte Begrenzung des Kolbenhubs. Der Kolbenhub kann je nach Arbeitsbedingungen des Verdichters variieren.

Um einen Linearverdichter mit geringem Totvolumen zu betreiben und dabei ein Anschlagen des Kolbens an die gegenüberliegende Seite der Pumpkammer, das auf die Dauer zu einer Zerstörung des Verdichters führen wurde, zu vermeiden, ist eine aktive Regelung des Kolbenhubs erforderlich. Im einfachsten Fall kommt in Betracht, zu erfassen, ob der Kolben im Laufe seiner Bewegung irgendwann einen vorgegebenen Mindestabstand zu der gegenüberliegenden Seite unterschreitet und, wenn dies der Fall ist, die Amplitude der Kolbenbewegung herunterzuregeln. Dabei tritt jedoch das Problem auf, dass kein Aufschluss über die Amplitude der Kolbenbewegung erhalten werden kann, wenn diese den Mindestabstand zur gegenüberliegenden Seite nicht unterschreitet, und dass einerseits zwar dieser Mindestabstand klein gewählt werden muss, um einen Betrieb mit geringem Totvolumen zu ermöglichen, dass andererseits aber die Gefahr eines Anstoßens des Kolbens an die gegenüberliegende Seite des Zylinders im Falle einer Unterschreitung des Mindestabstandes um so größer ist, je kleiner der Mindestabstand angesetzt ist.

Denkbar ist zwar auch, die Position des Kolbens im Laufe seiner Bewegung kontinuierlich zu überwachen, um so jederzeit die Amplitude der Schwingbewegung zu kennen, egal ob diese einen Mindestabstand unterschreitet oder nicht. Eine solche kontinuierliche Überwachung und die Verarbeitung der Überwachungsergebnisse erfordert jedoch einen hohen apparativen Aufwand, der einen solchen Verdichter teuer machen würde.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Linearverdichter zu schaffen, der es mit einfachen, preiswerten Mitteln ermöglicht, den Verdichter sowohl mit hohem Wirkungsgrad zu betreiben als auch ein Anschlagen des Kolbens an eine ihm gegenüber liegende Stirnseite zuverlässig zu unterbinden.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei einem Linearverdichter mit wenigstens einem Elektromagneten, wenigstens einem in einem Wechselfeld des Elektromagneten oszillierend beweglich geführten Schwingkörper, wenigstens einem mit dem Schwingkörper verbundenen, in einem Zylinder hin und her beweglichen Kolben und einer Stromversorgungsschaltung zum Versorgen des Elektromagneten mit einem Wechselstrom ein Näherungssensor erfasst, ob der Abstand zwischen dem Kolben und einer Stirnfläche des Zylinders einen Grenzwert unterschreitet oder nicht, und eine Regelschaltung eine Zeitspanne, in der der Abstand zwischen dem Kolben und der Stirnfläche den Grenzwert unterschreitet, erfasst und im Falle einer Abweichung dieser Zeitspanne von einem positiven Sollwert Amplitude und/oder Phase des Wechselstroms regelt.

Diese Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Zeitspanne, in der der Grenzwert unterschritten wird, in einer eindeutigen Beziehung zur Amplitude der Bewegung des Kolbens steht. Mit anderen Worten genügt es, diese Zeitspanne zu kennen, um die Amplitude berechnen zu können. Umgekehrt kann man, wenn die maximal mögliche Amplitude des Kolbens, das heißt, der Abstand zwischen Kolben und Stirnfläche des Zylinders in einer Gleichgewichtsstellung des Kolbens, der Grenzwert für den Abstand zwischen Kolben und Stirnfläche sowie die Oszillationsperiode des Kolbens vorgegeben sind, einen Sollwert für die Zeitspanne der Unterschreitung des Abstands-Grenzwertes festlegen, die einer gewünschten Amplitude der Kolbenbewegung entspricht. D.h. durch eine geeignete Wahl der Zeitspanne kann die Kolbenbewegung so geregelt werden, dass sie zwar den Grenzwert des Abstandes unterschreitet, der Kolben aber dennoch mit Gewissheit nicht an die Stirnfläche anschlägt.

Um ein Anstoßen des Kolbens an die Stirnfläche des Zylinders zu unterbinden, sollte der Sollwert Δt_SOιι kleiner als

T _Λ 2(L - ε)

—cos — - π L sein, wobei ε der Grenzwert des Abstandes zwischen Kolben und Stirnfläche, T die Oszillationsperiode des Schwingkörpers bzw. des Kolbens und L der Abstand zwischen der Stirnfläche und dem Kolben in einer Ruhestellung des Kolbens ist.

Je kleiner der Sollwert Δt_son gewählt ist, um so stärker reagiert die Zeitspanne Δt, in der der Grenzwert ε des Abstandes unterschritten ist, auf eine Änderung der Schwingungsamplitude, d.h. um so exakter kann die Schwingungsamplitude geregelt werden. Daher ist vorzugsweise der Sollwert At_80N kleiner als 0,15 T.

Andererseits sollte der Sollwert Dtsoll auch nicht zu nahe an 0 sein, da sonst im Fall einer geringfügigen Abnahme der Schwingungsamplitude überhaupt keine Unterschreitung des Grenzwertes ε mehr erfasst wird und somit keine Messung der Amplitude mehr möglich ist. Daher ist der Sollwert At_80H vorzugsweise größer als 0,02 T gewählt.

Entsprechende Überlegungen gelten für den Grenzwert ε selbst. Einerseits sollte dieser klein sein, um einen präzisen Rückschluss auf die Amplitude der Kolbenbewegung zu ermöglichen. Daher ist vorzugsweise der Grenzwert kleiner als 1/10 des Abstandes zwischen der Stirnfläche und dem Kolben in einer Ruhestellung des Kolbens gewählt.

Andererseits führt ein zu kleiner Wert von ε dazu, dass einer Steigerung der Schwingungsamplitude unter Umständen nicht rechtzeitig gegengesteuert werden kann und es zum Anschlagen des Kolbens an die Stirnfläche kommt. Daher ist der Grenzwert ε vorzugsweise größer als 1/50 des besagten Abstandes gewählt. - A -

Um die Kolbenbewegung nicht zu beeinflussen, wird als Näherungssensor vorzugsweise ein berührungsloser Sensor verwendet, insbesondere ein induktiver Schalter.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Linearverdichter gemäß einer ersten

Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 2 den zeitlichen Verlauf der Kolbenbewegung und eines daraus abgeleiteten Näherungssensorsignals;

Fig. 3 den Zusammenhang zwischen dem Tastverhältnis des Näherungssensorsignals und Amplitude der Kolbenbewegung; und

Fig. 4 einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch einen Linearverdichter gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung.

Der in Fig. 1 dargestellte Linearverdichter umfasst ein zylindrisches Rohr 1 , das an einem Ende durch eine Stirnfläche 15 verschlossen ist, und einen in dem Rohr 1 oszillierend beweglich aufgenommenen Kolben 2. Der Kolben 2 ist becherförmig ausgebildet, wobei ein Boden des Bechers eine der Stirnfläche 15 zugewandte Stirnseite 4 des Kolbens bildet. Eine Wand 6 des Bechers ist wenigstens zum Teil durch einen Permanentmagneten gebildet, der mit einem von einer Spule 7 erzeugten magnetischen Wechselfeld wechselwirkt, um einen Hin- und Herbewegung des Kolbens 2 anzutreiben. Die Spule 7 ist hier exemplarisch als sich um das Rohr 1 erstreckende Ringspule dargestellt; diverse andere Spulenanordnungen sind auf dem Gebiet der Linearverdichter bekannt und im Rahmen der vorliegenden Erfindung ebenfalls geeignet. Es sind auch Spulenanordnungen möglich, die den Kolben 2 auch dann antreiben können, wenn dieser lediglich aus einem ferromagnetischen, aber nicht permanentmagnetisierten Material besteht.

Durch die Stirnfläche 15 erstrecken sich, jeweils mit Rückschlagventilen 10 versehen, ein Einlass 14 und ein Auslass 13 für ein zu verdichtendes Gas, z.B. ein Kältemittel, falls der Verdichter in einer Kältemaschine, insbesondere eines Haushaltskältegeräts, eingesetzt wird..

Ein induktiver Näherungsschalter 17 ist hier durch eine eng um das aus nicht ferromagnetischem Material bestehende Rohr 1 herum gelegte Spule gebildet. Der Näherungsschalter 17 ist in einem geringen Abstand von der Stirnfläche 15 angeordnet, um die Stirnseite 4 des Kolbens 2 zu erfassen, sobald und so lange ihr Abstand von der Stirnfläche 15 einen durch die Platzierung des Näherungsschalters 17 festgelegten Grenzwert ε unterschreitet. Das Ausgangssignal des Näherungsschalters 17 ist somit eine Folge von Rechteckimpulsen, deren Periode der Periode der Kolbenbewegung enstspricht, wobei die Dauer Δt_eιn jedes Impulses die Zeitspanne darstellt, in der der Grenzwert ε unterschritten ist.

Andere Typen von Näherungsschaltern sind im Rahmen der Erfindung ebenfalls brauchbar; so kann z.B. insbesondere wenn der Kolben des Verdichters von einem mit dem magnetischen Wechselfeld der Spule 7 wechselwirkender Schwingkörper nicht wie in Fig. 1 gezeigt, in einem Bauteil verschmolzen sind, sondern der Schwingkörper außerhalb des Rohrs 1 angeordnet und mit dem Kolben verbunden ist, eine Lichtschranke, die einen Teil des Schwingkörpers erfasst, als Näherungsschalter dienen.

Eine Steuerschaltung 19 empfängt das Ausgangssignal des Näherungsschalters 17 und regelt anhand dieses Ausgangssignals, wie später noch genauer beschrieben wird, einen Wechselstrom, mit dem sie die Spule 7 beaufschlagt.

Fig. 2 veranschaulicht den zeitlichen Verlauf der Bewegung des Kolbens 2 und das daraus resultierende Ausgangssignals des Näherungsschalters 17. An der Abszisse des Diagramms ist die Zeit aufgetragen, an der linken Ordinate die Auslenkung des Kolbens in Bezug auf eine mit 0 bezeichnete Gleichgewichtsstellung und an der rechten Ordinate der Ausgangssignalpegel des Näherungsschalters 17. Die Bewegung des Kolbens folgt einer Cosinuskurve 18. Wenn sich der Kolben 2 in der Gleichgewichtsstellung befindet, beträgt der Abstand zwischen Kolben 2 und Stirnfläche 15 1 cm; das heißt, die maximale Amplitude der Kolbenbewegung sind 2 cm. Eine gestrichelte Linie in einer Entfernung x_s von 0,95 cm entspricht der Erfassungsschwelle des Näherungsschalters 17; befindet sich der Kolben 2 jenseits dieser Grenze, so hat das Ausgangssignal des Näherungsschalters 17 den Wert 1 ; anderenfalls ist es O. Es lässt sich zeigen, dass für die Amplitude l_hub einer harmonischen Schwingung gilt:

wobei tei_n die Dauer eines Impulses des Ausgangssignals des Näherungsschalters 17 und T die Periode der Kolbenbewegung ist.

Wenn man annimmt, dass l_hUb kleiner als die maximale Amplitude L (hier L=2cm) der Kolbenbewegung sein soll, bei der der Kolben 2 am Umkehrpunkt seiner Bewegung die Stirnfläche 15 berührt, so ergibt sich aus der obigen Formel für die Impulsdauer t_eιn des Ausgangssignals des Näherungsschalters 17 die Anforderung

Der Zusammenhang zwischen dem Tastverhältnis t_eιn/T des Näherungsschalter- Ausgangssignals und der zugehörigen Schwingungsamplitude des Kolbens 2 ist in Fig. 3 dargestellt. Ein oberer Bereich des Diagramms oberhalb einer Amplitude von 2 cm ist schraffiert dargestellt, um anzudeuten, dass dieser Bereich in der Praxis nicht erreicht werden darf, da sonst der Kolben 2 an die Stirnfläche 15 anschlagen würde. Wenn die Amplitude der Schwingung kleiner ist als 2x_s = 1 ,9 cm, spricht der Näherungsschalter 17 nicht an, und das Tastverhältnis ist 0. Zulässige Werte des Tastverhältnisses liegen somit in einem Intervall von 0 bis 0,1.

Man erkennt, dass bei einer Amplitude der Schwingung knapp über 2x_s das Tastverhältnis t_eιn/T sehr stark mit der Amplitude variiert, während zu größeren Amplituden hin die Abhängigkeit des Tastverhältnisses t_eιn/T von der Amplitude abnimmt. Das heißt, die exakteste Amplitudenmessung ist möglich, wenn diese nur knapp über der Nach- weisgrenze von 2x_s liegt. Daher ist es sinnvoll, den Abstand ε zwischen der Nachweisgrenze des Näherungsschalters 17 und der Stirnfläche 15 klein zu machen, im vorliegenden Fall 0,05 cm. Das Tastverhältnis kann dann maximal den Wert 0,1 erreichen; je näher an diesem Wert der Verdichter betrieben wird, um so höher ist zwar sein Wirkungsgrad, um so höher ist aber auch die Gefahr, dass aufgrund einer unvorhergesehenen Amplitudenschwankung der Kolben 2 an der Stirnfläche 15 anschlägt. Um dies zu vermeiden, regelt die Steuerschaltung 19 Amplitude und/oder Periode eines in die Spule 7 eingespeisten Wechselstroms anhand des Ausgangssignals des Näherungsschalters 17 und eines vorgegebenen Sollwertes für das Tastverhältnis dieses Ausgangssignals, der hier zwischen 0 und 0,1 , zum Beispiel bei 0,05, liegt. Stellt die Steuerschaltung 19 fest, dass das Tastverhältnis den Sollwert überschreitet, so reduziert sie die Amplitude des in die Spule 7 eingespeisten Wechselstroms, oder verstimmt dessen Frequenz gegen die Resonanzfrequenz des Kolbens 2, um so dessen Bewegungsamplitude zu reduzieren. Bei Unterschreitung des Sollwertes erhöht sie die Amplitude des Wechselstroms oder verringert die Abweichung zwischen dessen Frequenz und der Resonanzfrequenz des Kolbens 2, um eine effizientere Schwingungsanregung herbeizuführen.

Wie in Fig. 4 dargestellt, ist das Prinzip der Erfindung auch auf einen Linearverdichter mit zwei gegenläufig bewegten Kolben 2|, 2_r übertragbar. Bei der hier gezeigten Anordnung bilden die Längsenden des zylindrischen Rohres 1 jeweils Einlasse 14 für zu verdichtendes Gas, und durch in den Stirnseiten 4 der sich gegenüberliegenden Kolben 2|, 2_r gebildete Ventile 9 gelangt das Gas in die von dem Rohr 1 und den Kolben 2|, 2_r begrenzte Pumpkammer 5. In einer als gestrichelte Linie dargestellten Mittelebene durch die Wand des Rohres 1 verlaufende Bohrungen 11 führen zu einem Auslass 13.

Bei dieser Ausgestaltung entspricht jeweils die Stirnseite 4 eines der Kolben 2_h 2_r der Stirnfläche 15 des Verdichters aus Fig. 1 , an die die Stirnseite 4 des jeweils anderen Kolbens 2_r, 2| nicht anschlagen darf. Zur Überwachung der Kolbenbewegung sind beiderseits der Mittelebene in einem Abstand ε von dieser Näherungsschalter 17_h 17_r angeordnet. Eine Steuerschaltung 19 beaufschlagt jede Spule 7_h 7_r mit zueinander phasengleichen Wechselströmen I₁, I₁-. Dabei regelt sie die Amplitude jedes Wechselstroms l|, I₁- wie oben beschrieben anhand des Tastverhältnisses t_eι_n/T des Ausgangssignals des jeweils zugeordneten Näherungsschalters 17|, 17_r. Indem die Schwingungsamplituden beider Kolben 2|, 2_r so geregelt werden, dass sie die Mittelebene knapp nicht erreichen, ist ein sicherer Betrieb mit hohem Wirkungsgrad möglich.

Claims

Patentansprüche

1. Linearverdichter mit wenigstens einem Elektromagneten (7), wenigstens einem in einem Wechselfeld des Elektromagneten (7) oszillierend beweglich geführten Schwingkörper (2), wenigstens einem mit dem Schwingkörper (2) verbundenen, in einem Zylinder (1 ) hin und her beweglichen Kolben (2) und einer Stromversorgungsschaltung (19) zum Versorgen des Elektromagneten (7) mit einem Wechselstrom, gekennzeichnet durch einen Näherungssensor (14) zum Erfassen, ob der Abstand zwischen dem Kolben (2) und einer Stirnfläche (15) des Zylinders (1 ) einen Grenzwert (ε) unterschreitet oder nicht, und eine

Regelschaltung (19) zum Erfassen einer Zeitspanne (Δt_eιn), in der der Abstand zwischen dem Kolben (2) und der Stirnfläche (15) den Grenzwert (ε) unterschreitet und zum Regeln der Amplitude und/oder Phase des Wechselstroms im Falle einer Abweichung der Zeitspanne (Δt_eιn) von einem positiven Sollwert.

2. Linearverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert kleiner als —cos^"1 — ist, wobei ε der Grenzwert, T die Oszillationsperiode π L des Kolbens (2) und L der Abstand zwischen der Stirnfläche (15) und dem Kolben (2) in einer Ruhestellung des Kolbens (2) ist.

3. Linearverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert kleiner als 0,15 T ist.

4. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sollwert größer als 0,02 T ist.

5. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (ε) kleiner als ein Zehntel des Abstands zwischen der Stirnfläche (15) und dem Kolben (2) in einer Ruhestellung des

Kolbens (2) ist.

6. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert (ε) größer als ein Fünfzigstel des Abstands zwischen der Stirnfläche (15) und dem Kolben (2) in einer Ruhestellung des Kolbens (2) ist.

7. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (17) ein berührungsloser Sensor ist.

8. Linearverdichter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein induktiver Schalter (17) ist.