Linearverdichteraggregat

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verdichteraggregat, insbesondere ein Linearverdichteraggregat, das zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät geeignet ist.

Ein Verdichter für ein Kältegerät stellt einen Hauptenergieverbraucher innerhalb des Kältegeräts dar, so dass es wünschenswert ist, dass der Verdichter einen möglichst hohen Wirkungsgrad erzielt. Ein wichtiger den Wirkungsgrad einschränkender Faktor sind Energieverluste, die beim Ansaugen des unter niedrigem Druck stehenden Kältemittels in den Verdichter auftreten. Die hierbei auftretende Verlustleistung ist proportional zu δp dV/dt, wobei δp den Druckabfall am Einlass des Verdichters und dV/dt den Volumendurchsatz bezeichnet. Ein Druckabfall am Verdichterauslass fällt demgegenüber aufgrund des am Auslass wesentlich geringeren Volumendurchsatzes kaum ins Gewicht. Eine weitere wichtige Ursache von Verlusten ist eine Erwärmung des Kältemittels vor dem Verdichten, denn aufgrund der Erwärmung verringert sich die Masse des in jedem Zyklus des Verdichters eingesaugten Kältemittels. Eine solche Erwärmung kann insbesondere bei gekapselten Verdichtern wie etwa aus der Patentschrift US 5358 386 A1 bekannt auftreten. Hier ist der Verdichter in einer Kapsel aufgehängt und saugt Kältemittel aus der ihn umgebenden Kapsel an. Je länger sich das Kältemittel in der Kapsel aufhält, bevor es angesaugt wird, um so mehr Abwärme des Verdichters nimmt es auf.

Ein Linearverdichteraggregat nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Patentschrift US 6 328 544 B1 bekannt. Hier liegt einem Sauganschluss des in einer Kapsel aufgehängten Verdichters ein Einlassanschluss der Kapsel direkt gegenüber. Dadurch soll der Weg des Kältemittels vom Einlassanschluss in den Verdichter minimiert werden, so dass das Kältemittel wenig Zeit hat, sich in der Kapsel zu erwärmen. Da der Verdichter im Betrieb hin und her schwingt, liegen sich Einlassanschluss und Sauganschluss nicht ständig gegenüber, so dass der Verdichter während eines Teils seiner Bewegung auch warmes Kältemittel aus der Kapsel ansaugt. Außerdem bewirkt die Bewegung des Verdichters eine Durchmischung von frisch eingesaugtem und bereits länger in der Kapsel befindlichem Kältemittel.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein hinsichtlich des Wirkungsgrades weiter optimiertes Linearverdichteraggregat zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Linearverdichteraggregat, umfassend eine Kapsel und einen in der Kapsel schwingfähig montierten Hauptverdichter, der eine von zwei linear oszillierend gegeneinander beweglichen Elementen begrenzte Hauptverdichterkammer umfasst, eine Vorverdichterkammer von einem ersten der beweglichen Elemente und einem kapselfesten Element begrenzt ist. Durch die oszillierenden Bewegungen der beweglichen Elemente wird eine Schwingung des Hauptverdichters innerhalb der Kapsel hervorgerufen. Da eines der beweglichen Elemente zusammen mit einem fest an der Kapsel angeordneten Element die Vorverdichterkammer bildet, kann die Schwingung des Hauptverdichters gegen eine Innenwand der Kapsel ausgenutzt werden, um das Kältemittel bereits vor seinem Eintritt in den Hauptverdichter zu verdichten. Die damit verbundene Volumenverringerung reduziert die mit dem Druckabfall am Einlass des Verdichters verbundenen Verluste δp dV/dt. Außerdem dämpft sie die Schwingung des Hauptverdichters in Bezug auf die Kapsel, die eine wesentliche Ursache des Betriebsgeräuschs des Verdichters ist.

Wenn hierbei das kapselfeste Element und das zweite bewegliche Element sich beiderseits des ersten beweglichen Elements gegenüberliegen, kann in vorteilhafter Weise eine gegentaktige Volumenänderung von Hauptverdichterkammer und Vorverdichterkammer erreicht werden. D.h. in der Vorverdichterkammer wird immer dann Kältemittel komprimiert, wenn die Hauptverdichterkammer ansaugt, so dass die Vorverdichtung den Ansaugvorgang in idealer Weise unterstützt.

Besondere Vorteile hinsichtlich der Schwingungsbewegungen des Hauptverdichters ergeben sich, wenn der Schwerpunkt des Hauptverdichters auf einer zur Bewegungsrichtung des Hauptverdichters parallelen Symmetrieachse der Vorverdichterkammer liegt. So kann erreicht werden, dass die Schwingungskräfte immer entlang der Symmetrieachse wirken und keine Drehmomente auftreten, die die Effektivität der Schwingung beeinträchtigende Rotations- oder Schlingerbewegungen des Hauptverdichters anregen könnten.

Insbesondere wenn das erste bewegliche Element ein Zylinder und das zweite bewegliche Element ein Kolben der Hauptverdichterkammer ist, so kann die durch den sich im Zylinder hin- und herbewegenden Kolben hervorgerufene Schwingung des Hauptverdichters in vorteilhafter Weise für einen zusätzlichen Verdichtungseffekt ausgenutzt werden.

Für eine besonders kurze Verbindung zwischen Vorverdichterkammer und Hauptverdichterkammer ist es vorteilhaft, wenn ein die Verdichterkammern verbindender Durchgang durch das erste bewegliche Element verläuft. So kann das Kältemittel auf sehr kurzem Weg in die Hauptverdichterkammer gelangen und unterliegt keiner unnötigen Erwärmung.

Vorteile hinsichtlich einer schnellen Durchleitung des Kältemittels ergeben sich zudem, wenn ein Sauganschluss der Kapsel in die Vorverdichterkammer mündet. So wird frisch in die Kapsel eingesaugtes Kältemittel praktisch unverzüglich in den Verdichter eingespeist, und allenfalls eine kleine Menge an erwärmtem Kältemittel aus einem Innenraum der Kapsel kann mit in die Vorverdichterkammer strömen.

Wenn darüber hinaus der Sauganschluss und der Durchgang aus entgegengesetzten Richtungen in die Vorverdichterkammer einmünden, kann dieser Effekt zusätzlich günstig beeinflusst werden, da der Impuls, den das Kältemittel aus dem Sauganschluss mitbringt, es unmittelbar in den Durchgang weitertreibt.

Insbesondere wenn hierbei der Sauganschluss und der Durchgang auf einer Linie liegen, kann eine strömungsgünstige Anordnung erreicht werden, so dass der Durchfluss des Kältemittels weiter optimiert werden kann.

Ein unnötiger Druckverlust für das in die Vorverdichterkammer einströmende Kältemittel kann vermieden werden, indem die Vorverdichterkammer saugseitig nicht durch ein Ventil abgeschlossen ist. Zudem können dadurch konstruktive Vorteile durch die Verringerung der Zahl von Bauteilen bewirkt werden.

Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Vorverdichterkammer mit einem die beweglichen Elemente umgebenden Innenraum der Kapsel über einen Spalt kommuniziert. So kann

ein berührungsloses Aneinandergleiten der die Vorverdichterkammer bildenden Bauteile erreicht und eine Geräuschminimierung im Betrieb des Verdichters bewirkt werden. Zudem wird vermieden, dass aus dem Hauptverdichter leckendes Kältemittel sich in der Kapsel staut.

Vorzugsweise ist der Spalt im Wesentlichen geschlossen, wenn die Vorverdichterkammer sich in einer ersten Totpunktkonfiguration befindet, und ist offen, wenn die Vorverdichterkammer sich in einer zweiten Totpunktkonfiguration befindet. Die erste Totpunktkonfiguration kann sich beispielsweise an einem Ende einer Expansionsphase der Hauptverdichterkammer bzw. einer Kompressionsphase der Vorverdichterkammer einstellen, die zweite Totpunktkonfiguration kann am Beginn der Expansionsphase der Hauptverdichterkammer bzw. der Kompressionsphase der Vorverdichterkammer bestehen. Wenn der Spalt in der ersten Totpunktkonfiguration geschlossen ist, ist sichergestellt, dass der vorverdichtete Inhalt der Vorverdichterkammer so vollständig wie möglich in die Hauptverdichterkammer verdrängt wird und nicht nutzlos ins Innere der Kapsel hinein entweicht. In der Umgebung des zweiten Totpunkts hingegen findet ein Druckausgleich zwischen der Vorverdichterkammer und dem Innenraum der Kapsel statt, so dass sich das Kältemittel nicht im Innenraum aufstauen kann.

Dieser Effekt kann insbesondere dadurch verstärkt werden, dass die Größe des Spalts mit der Nähe zur zweiten Totpunktkonfiguration zunimmt.

Um einen solchen variablen Spalt zu realisieren, weist in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wenigstens eines der die Vorverdichterkammer begrenzenden Elemente eine sich in Oszillationsrichtung divergierende Umfangsfläche auf.

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

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch ein Linearverdichteraggregat gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Vorverdichterkammer in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch die Vorverdichterkammer in einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch die Vorverdichterkammer in einer dritten Ausgestaltung der Erfindung; und

Fig. 5 einen schematischen Schnitt durch die Vorverdichterkammer in einer vierten Ausgestaltung der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein schematischer Teilschnitt durch ein erfindungsgemäßes Linearverdichteraggregat dargestellt. Eine Kapsel 1 umschließt - hermetisch bis auf einen Sauganschluss 19 und einen in der Fig. 1 nicht gezeigten Druckanschluss - einen Linearverdichter, von dem im wesentlichen ein Zylinder 10 und ein in dem Zylinder 10 beweglicher Kolben 21 zu sehen ist. Ein nicht gezeigtes Antriebsaggregat des Linearverdichters umfasst in an sich bekannter Weise einen über eine Kolbenstange 16 mit dem Kolben 21 verbundenen permanentmagnetischen Anker, der in einem Luftspalt eines Elektromagneten in Richtung der Kolbenstange 16 schwingfähig aufgehängt und einem oszillierenden Magnetfeld ausgesetzt ist.

Der gesamte Linearverdichter, mit Antriebsaggregat, Zylinder 10 und Kolben 21 , ist wiederum schwingfähig in der Kapsel aufgehängt. Dies hat zur Folge, dass wenn der Kolben 21 von dem Antriebsaggregat zu einer Schwingbewegung angetrieben wird, der Kolben 21 und der Zylinder 10 gegenläufige Bewegungen ausführen.

Der Zylinder hat 10 einen rohrförmigen Mantel 20 und eine ein Ende des Mantels 20 verschließende Stirnwand 22. Ein Saugdurchgang 24 erstreckt sich axial durch die Stirnwand 22. An seinem in eine von Zylinder 10 und Kolben 21 begrenzte Hauptverdichterkammer 23 einmündenden Ende ist ein Rückschlagventil 25 angeordnet, welches einen Fluss von Kältemittel nur vom Saugdurchgang 24 in die Hauptverdichterkammer 23 zulässt.

Der Mantel 20 und die Stirnwand 22 sind hohl, ein von ihnen begrenzter Hohlraum 30 kommuniziert mit der Hauptverdichterkammer 23 über ein Rückschlagventil 26, das einen Fluss von Kältemittel nur von der Hauptverdichterkammer 23 in den Hohlraum 30 zulässt, sowie über eine Vielzahl von über die Innenseite des Mantels 20 verteilten Bohrungen 29.

Durch die Hin- und Herbewegung von Kolben 21 und Zylinder 10 wird Kältemittel über den Saugdurchgang 24 in die Hauptverdichterkammer 23 eingesaugt und unter Druck in den Hohlraum 30 ausgestoßen. Von dort über die Bohrungen 29 ins Innere des Zylinders 10 zurückfließendes Kältemittel bildet ein Gaskissen, auf dem der Kolben 21 berührungslos hin- und herschwingt, und tritt schließlich an einem nicht gezeigten offenen rückwärtigen Ende des Zylinders in den Innenraum 18 der Kapsel aus.

Eine Druckleitung 27, die von dem Hohlraum 30 ausgeht, verläuft in (nicht dargestellten) Windungen und/oder Biegungen zu dem Druckanschluss, der an dem dem Sauganschluss 19 gegenüberliegenden Ende der Kapsel 1 angeordnet ist. An diesem Druckanschluss tritt das verdichtete Kältemittel aus, das nicht zur Aufrechterhaltung des Gaskissens gebraucht wurde.

Der Saugdurchgang 24 erstreckt sich durch einen von der Stirnwand 22 zum Sauganschluss 19 der Kapsel 1 hin überstehenden Vorsprung 31 , der in einen fest mit der Kapsel 1 verbundenen Rohrabschnitt 32 axial verschiebbar eingreift. Der Vorsprung 31 und der Rohrabschnitt 32 begrenzen eine Vorverdichterkammer 33. Eine gemeinsame Symmetrieachse 34 von Vor- und Hauptverdichterkammer 33, 23 erstreckt sich entlang des Sauganschlusses 19 und des Saugdurchgangs 24. Die Vorverdichterkammer 33 ist zum Sauganschluss 19 hin nicht durch ein Rückschlagventil abgeschlossen.

In einer Ansaugphase der Hauptverdichterkammer 23, wenn der Kolben 21 sich von der Stirnwand 22 entfernt, bewegt sich der Zylinder 10 und mit ihm der Vorsprung 31 auf den Sauganschluss 19 zu. Dadurch verkleinert sich die Vorverdichterkammer 33, und darin enthaltenes Kältemittel wird vorverdichtet. Die Vorverdichtung reduziert das Volumen des Kältemittels, das das Rückschlagventil 25 passieren muss, und verringert so die an dem Rückschlagventil 25 anfallende Verlustleistung. Darüber hinaus sorgt der überdruck in der Vorverdichterkammer 33 dafür, dass auch gegen Ende der Ansaugphase, wenn der Unterdruck in der Hauptverdichterkammer 23 bereits weitgehend ausgeglichen ist,

weiteres Kältemittel in die Hauptverdichterkammer 23 strömt. Dadurch ist in jedem Bewegungszyklus des Verdichters in die Hauptverdichterkammer 23 aufgenommene Masse an Kältemittel deutlich größer als bei einem herkömmlichen Verdichter mit gleich großer Hauptverdichterkammer, aber ohne Vorverdichterkammer.

Die in der Vorverdichterkammer 33 stattfindende Verdichtung dämpft die Schwingung des Verdichters. Da beide Verdichterkammern 23, 33 dieselbe Symmetrieachse 34 haben, liegen die in den beiden Kammern auftretenden Kräfte auf einer gleichen Linie, und es treten keinerlei Drehmomente auf, die eine Schlingerbewegung des Verdichters anregen und zu Reibkontakt der gegeneinander beweglichen Teile der beiden Kammern führen könnten.

Die Darstellungen in den Fig. 2 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung, wobei jede der Figuren einen vergrößerten Schnitt durch die Vorverdichterkammer 33 entlang der Symmetrieachse 34 zeigt.

Fig. 2 ist eine vergrößerte Darstellung der Vorverdichterkammer 33 aus Fig. 1. Der Rohrabschnitt 32 hat einen entlang der Achse 34 gleich bleibenden Durchmesser, genauso wie der als Kolben wirkende Vorsprung 31. Der Durchmesser des Vorsprungs 31 ist geringfügig kleiner als der des Rohrabschnitts 32 , so dass beide einander im Laufe ihrer Bewegung nicht berühren. So wird vermieden, dass Schleifgeräusche in der Vorverdichterkammer 33 entstehen und dass Körperschall vom Antriebsaggregat und der Hauptverdichterkammer 23 auf die Kapsel 1 übertragen und von dieser abgestrahlt wird.

Während einer Kompressionsphase der Vorverdichterkammer 33 kann ein Teil des über den Sauganschluss 19 eingesaugten Kältemittels durch einen Spalt 35 zwischen dem

Vorsprung 31 und dem Rohrabschnitt 32 hindurch in den Innenraum 18 entweichen. Mit zunehmender Länge des dabei zu passierenden Spaltes 35 nimmt diese Menge jedoch ab, so dass gerade in der Nähe des Totpunktes am Ende der Kompressionsphase die

Verluste gering sind und das Kältemittel effektiv in die Hauptverdichterkammer 23 überführt wird. In einer anschließenden Expansionsphase wird Kältemittel durch den Spalt

35 aus dem Innenraum 18 zurück in die Vorverdichterkammer 33 gesaugt.

Fig. 2 zeigt den Vorsprung 31 in einer unteren Totpunktstellung mit maximalem Volumen der Vorverdichterkammer 33 und als gestrichelten Umriss 31 ' eine obere Totpunktstellung des Vorsprungs 31 mit minimalem Volumen der Vorverdichterkammer 33.

Der Bewegungsspielraum des Vorsprungs 31 gegenüber dem Rohrabschnitt 32 ist so festgelegt, dass beide nie komplett außer Eingriff geraten. Wenn der Vorsprung 31 aus dem Rohrabschnitt 31 vollständig ausrücken könnte, dann könnte eine

Seitwärtsbewegung des Vorsprungs 31 dazu führen, dass er nicht in den Rohrabschnitt

32 zurückfindet, und eine Blockade des Verdichters wäre die Folge. Kältemittel, das aus dem Innenraum 18 in die Vorverdichterkammer 33 fließt, muss daher den Spalt 35 passieren. Es ergibt sich so das Problem, dass zwar einerseits ein enger Spalt 35 wünschenswert ist, um Kältemittel aus der Vorverdichterkammer 33 möglichst vollständig in die Hauptverdichterkammer 23 zu überführen, dass aber ein zu enger Spalt 35 das Kältemittel im Innenraum 18 daran hindert, in die Vorverdichterkammer 33 abzufließen, was wiederum für den Wirkungsgrad ungünstig ist.

Eine in dieser Hinsicht verbesserte Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. Hier ist ein dem Sauganschluss19 zugewandtes Ende des Vorsprungs 31 konvex gewölbt, und der Rohrabschnitt 32 ist komplementär dazu rings um den Sauganschluss konvex gewölbt. Auch wenn die Bewegungsfreiheit des Vorsprungs 31 so groß ist, dass dieser an seinem unteren Totpunkt aus dem Rohrabschnitt 32 ausrückt, sorgt die gewölbte Stirnfläche des Vorsprungs 31 dafür, dass dieser zuverlässig wieder in den Rohrabschnitt 32 einrückt. Es ist aber nicht einmal nötig, die Bewegungsfreiheit des Vorsprungs 31 so groß zu machen, denn wenn am unteren Totpunkt der gekrümmte Bereich des Vorsprungs 31 wie in Fig. 3 gezeigt in Höhe des offenen Endes des Rohrabschnitts 32 liegt, wird der Spalt 35 so breit, dass er dem Zustrom von Kältemittel aus dem Innenraum 18 in die Vorverdichterkammer

33 keinen merklichen Widerstand mehr entgegensetzt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform besitzt das dem Sauganschluss 19 zugewandte Ende des Vorsprungs 31 die Form eines Kegelstumpfs, wobei die kleine Grundfläche des Kegelstumpfs in Richtung des Sauganschlusses 19 weist und die Innenwand des Rohrabschnitts 32 eine gegengleiche Vertiefung besitzt, um den Vorsprung 31 aufzunehmen. Eine Achse des Kegelstumpfs fällt mit der Symmetrieachse

34 der Vorverdichterkammer 33 zusammen. Ein Umfang einer Mantelfläche 36 des

Vorsprungs 31 divergiert in Richtung der Schwingungsbewegungen des Verdichters, wobei der kleinste Umfang des Vorsprungs 31 an der stumpfen Kegelspitze erreicht ist.

Diese Ausführungsform ermöglicht ebenfalls einen großen Bewegungsspielraum des Vorsprungs 31 gegenüber dem Rohrabschnitt 32. Die Abdichtungswirkung des Spalts 35 ist allerdings in der Nähe des durch den gestrichelten Umriss 31 ' angedeuteten oberen Totpunktes des Vorsprungs 31 am Ende der Kompressionsphase nicht so effektiv wie in den Ausführungen aus Fig. 2 und Fig. 3.

Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführung sind Merkmale der Ausgestaltungen aus Fig. 2 und Fig. 4 kombiniert. Der Vorsprung 31 trägt hier am dem Rohrabschnitt 32 zugewandten

Ende zunächst wieder einen stumpfkegelförmig schmäler zulaufenden Abschnitt, welcher in Richtung des Rohrabschnitts 32 durch einen Abschnitt mit gleichbleibendem

Durchmesser fortgesetzt ist, so dass die Mantelfläche 36 eine Abstufung aufweist. Die

Vertiefung in der Innenwand des Rohrabschnitts 32 besitzt im Bereich der größten Eintiefung ebenfalls einen Abschnitt mit gleichbleibendem Durchmesser, wobei die

Innenwand eine der Abstufung am Vorsprung 31 gegengleiche Form hat.

Am Ende der Expansionsphase bei maximaler Entfernung zwischen Vorsprung 31 und Rohrabschnitt 32 wird so eine ausreichende Menge des Kältemittels vom Innenraum 18 durch den Spalt 35 in die Vorverdichterkammer 33 angesaugt, jedoch dichtet die ineinandergreifende Form von Vorsprung 31 und Rohrabschnitt 32 bei fortschreitender Annäherung des Vorsprungs 31 an den Rohrabschnitt 32 am Ende der Kompressionsphase den Spalt 35 ab, so dass die Vorverdichterkammer 33 eine sehr effektive Kompressionswirkung erreicht.

Bei den bisher erläuterten Ausführungsformen der Erfindung ist jeweils der dem Innenraum 18 der Kapsel 1 zugewandte Rohrabschnitt 32 fest mit der Kapsel 1 verbunden, während der als Kolben fungierende Vorsprung 31 gegenüber dem Rohrabschnitt 32 und somit gegenüber der Kapsel 1 beweglich ist. In weiteren Ausführungen der Erfindung können Vorsprung 31 und Rohrabschnitt 32 auch vertauscht sein, wobei dann das mit der Kapsel 1 verbundene Ende des Sauganschlusses 19 den Vorsprung 31 trägt, welcher in den Innenraum 18 hineinragt, und das dem Sauganschluss

19 zugewandte Ende des Saugdurchgangs 24 den Rohrabschnitt 32 trägt, der gegen den Vorsprung 31 und somit gegen die Kapsel 1 beweglich ist.

Denkbar ist auch, dass, nicht wie in Fig. 1 gezeigt ein Vorsprung 31 mit geringerem Durchmesser als dem des Zylinders 10 von der Stirnwand 22 übersteht, sondern dass die Stirnwand 22 selber als Kolben der Vorverdichterkammer 33 in den Rohrabschnitt 32 eintaucht.