Linearverdichter und Antriebsaggregat dafür

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät, und ein Antriebsaggregat zum Antreiben einer oszillierenden Kolbenbewegung für einen solchen Linearverdichter.

Aus US 6 596 032B2 ist ein Linearverdichter bekannt, dessen Antriebsaggregat ein Gestell und einen in dem Gestell über eine Membranfeder gelagerten Schwingkörper umfasst. Der Schwingkörper umfasst einen Permanentmagneten, eine mit dem Permanentmagneten starr verbundene Kolbenstange und einen an die Kolbenstange angelenkten Kolben, der in einem Zylinder hin- und her beweglich ist. Die Bewegung des Kolbens ist angetrieben durch einen rings um den Zylinder angeordneten Elektromagneten, der mit dem Permanentmagneten wechselwirkt. Eine scheibenförmige Membranfeder ist mittig an der Kolbenstange verschraubt, und der äußere Rand der Membranfeder ist einem Joch verbunden, das den Zylinder, den Elektromagneten und den Permanentmagneten umgibt.

Die Membranfeder hat gegenüber vielen anderen Federtypen den Vorteil, dass sie quer zur Schwingrichtung nur schwer verformbar ist. Der Schwingkörper ist daher nur mit einem Freiheitsgrad beweglich, anders als z. B. ein an einer Schraubenfeder aufgehängter Schwingkörper, der prinzipiell in drei Freiheitsgraden der Translation beweglich ist und einer Führung bedarf, wenn die Beweglichkeit auf einen einzigen Freiheitsgrad eingeschränkt sein soll. Bei einem an einer Membranfeder gehaltenen Schwingkörper ist eine solche Führung nicht erforderlich. Deshalb ist die Bewegung eines solchen Schwingkörpers mit geringen Reibungsverlusten in die notwendigerweise streng linear geführte Bewegung eines Kolbens in einem Verdichter umsetzbar.

Der Schwingkörper und die Membranfeder bilden ein schwingfähiges System, dessen Eigenfrequenz durch die Masse des Schwingkörpers und der Membranfeder sowie die Steifigkeit der Membranfeder bestimmt ist. Die Membranfeder lässt nur kleine Schwingungsamplituden zu, da jede Auslenkung des Schwingkörpers mit einer Dehnung der Membranfeder verbunden ist. Aufgrund der geringen Schwingungsamplitude ist es schwierig, das Totvolumen des Zylinders zuverlässig klein zu machen. Je größer aber das Totvolumen ist, um so schlechter ist der Wirkungsgrad des Verdichters. Der kleine Hub

zwingt ferner dazu, den Zylinder mit in Verhältnis zur Länge großem Durchmesser auszubilden, um einen gegebenen Durchsatz zu erreichen. Es ist aufwändig, den entsprechend großen Umfang des Kolbens hinreichend abzudichten.

Eine andere Möglichkeit, den Durchsatz zu erhöhen, ist, die Membranfeder sehr steif zu machen, um so die Eigenfrequenz zu erhöhen. Je steifer die Membranfeder ist, um so größer ist aber auch die Gefahr, dass diese bei einer gegebenen Schwingungsamplitude ermüdet. D. h. um die Ermüdung zu vermeiden, muss die Amplitude um so kleiner gemacht werden, je steifer die Feder ist, so dass auch auf diese Weise eine befriedigende Durchsatzsteigerung nicht zu erreichen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Antriebsaggregat für einen Linearverdichter mit einem Gestell und einem in dem Gestell über eine Membranfeder gelagerten Schwingkörper zu schaffen, bei dem die Membranfeder ohne Gefahr von Ermüdung einen großen Hub des Schwingkörpers erlaubt, so dass ein hoher Durchsatz bei geringem Kolbendurchmesser erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zusätzlich zu der Membranfeder eine Schraubenfeder an dem Schwingkörper und dem Gestell befestigt und in Richtung der Bewegung dehn- und stauchbar ist. Dadurch ist es möglich, die Funktionen des Führens des Schwingkörpers und des zeitweiligen Speicherns von dessen Bewegungsenergie aufzuteilen. Die Schraubenfeder ist nur wenig geeignet, den Schwingkörper auf eine exakt definierte geradlinige Bahn zu zwingen, aber es ist nicht schwierig, sie so zu dimensionieren, dass sie sowohl eine gewünschte Bewegungsamplitude als auch eine gewünschte Bewegungsfrequenz des Schwingkörpers ohne Gefahr von Materialermüdung unterstützt. Die Membranfeder darf nur eine geringe Materialstärke aufweisen, um eine gewünschte große Schwingungsamplitude zu erreichen. Eine solche Membranfeder würde, wenn sie allein die Funktion der zeitweiligen Energiespeicherung wahrzunehmen hätte, nur eine niedrige Eigenfrequenz des Schwingkörpers erlauben. Durch Parallelschaltung der zwei Typen von Federn jedoch werden alle drei Anforderungen, die nach einer strengem Führung des Schwingkörpers, nach einer großen Amplitude und einer hohen Schwingfrequenz, gleichzeitig erfüllbar.

Idealerweise sollten die Federn lediglich Kräfte, aber keine Drehmomente auf den Schwingkörper ausüben. Zu diesem Zweck ist die Schraubenfeder vorzugsweise um eine imaginäre Gerade herum angeordnet, auf welche der Schwerpunkt des Schwingkörpers hin und her beweglich ist. Vorzugsweise fällt die Gerade mit einer Längsachse der Spiralfeder zusammen.

Um zu verhindern, dass die Membranfeder ein Drehmoment ausübt, oder um ein solches Drehmoment gering zu halten, hat die Membranfeder vorzugsweise eine Symmetrieachse, die mit der Geraden zusammenfällt, oder eine Symmetrieebene, in welcher die Gerade verläuft.

Um die Kraft der Spiralfeder drehmomentfrei in den Schwingkörper einzuleiten, ist bevorzugt, dass ein Ende der Spiralfeder an der Peripherie eines Federtellers angreift, an dessen Mittelpunkt der Schwingkörper befestigt ist.

Um die Membranfeder in der Bewegungsrichtung leicht verformbar zu machen, weist sie vorzugsweise mehrere gekrümmte Arme auf, von denen jeweils ein Ende am Gestell und ein anderes Ende am Schwingkörper fest ist.

Um die Genauigkeit der Führung des Schwingkörpers entlang der Geraden zu verbessern, sind vorzugsweise wenigstens zwei Membranfedern vorgesehen, die an in Richtung der Schwingbewegung beabstandeten Bereichen des Schwingkörpers angreifen.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Linearverdichter mit einer Arbeitskammer, einem in der Arbeitskammer zum Verdichten eines Arbeitsfluids hin und her beweglichen Kolben und einem Antriebsaggregat wie oben definiert, das zum Antreiben der Hin- und Herbewegung an den Kolben gekoppelt ist. Um einen solchen Linearverdichter kompakt zu machen, kann es zweckmäßig sein, dass die Arbeitskammer wenigstens teilweise von der Schraubenfeder umgeben ist.

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

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;

Fig. 2 eine der zwei Membranfedern des Linearverdichters aus Fig. 1 ;

Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch einen Teil des Linearverdichters entlang einer imaginären Geraden G;

Fig. 4 eine alternative Ausgestaltung der Membranfeder des Linearverdichters; und

Fig. 5 eine nochmals vereinfachte Ausgestaltung der Membranfeder.

Ein Gestell 1 des Linearverdichters umfasst eine Grundplatte 2, von der platten- oder rippenartige Vorsprünge 3, 4, 5 abstehen. An den Schmalseiten der zwei einander gegenüberstehenden Vorsprünge 3 sind zwei Membranfedern 6 des in Fig. 2 dargestellten Typs verschraubt. Die Membranfedern 6 umfassen jeweils an den Stirnseiten der Vorsprünge 3 anliegende Stege 7, von deren Enden Z- bzw. S-förmige Federarme 8 abstehen. Die von den Stegen 7 entfernten Enden der Federarme 8 treffen in einem Mittelabschnitt 9 der Membranfeder 6 aufeinander, in welchem drei öffnungen 10, 11 gebildet sind. Ein Schwingkörper 12 ist zwischen den zwei Membranfedern 6 mit Hilfe von (nicht dargestellten) Schrauben oder Nieten befestigt, die sich durch die oberen und unteren öffnungen 10 der Membranfedern 6 erstrecken. Die öffnung 1 1 bildet einen Durchgang für eine Kolbenstange 13, die sich zwischen dem Schwingkörper 12 und einer von dem Vorsprung 5 getragenen Verdichterbaugruppe 14 erstreckt.

In einem von den Vorsprüngen 3 und den Membranfedern 6 begrenzen Hohlraum sind beiderseits des permanentmagnetischen Schwingkörpers 12 zwei Elektromagnete 15 angeordnet, die bestrombar sind, um zwischen sich einander entgegengesetzte Magnetfelder erzeugen, die den Schwingkörper 12 aus seiner in Fig. 1 gezeigten Gleichgewichtsstellung auf einer durch den Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 verlaufenden Geraden G in die eine oder die andere Richtung auszulenken.

Die Gerade G verläuft axial durch die Kolbenstange 13 und die Verdichterbaugruppe 14, und sie ist gleichzeitig die Symmetrieachse von zwei Federtellern 16, die durch

Spiralfedern 17 gegen die Außenseiten der zwei Membranfedern 6 gedrückt sind. Fig. 3 zeigt einen Längsschnitt durch einen Teil des linearen Verdichters entlang dieser Geraden G. Die Federteller 16 haben jeweils am Rand ihrer von den Membranfedern 6 abgewandten konkaven Seite eine umlaufende Rippe, die eine an dem Federteller 16 anliegende letzte Windung der Schraubenfeder 17 in radialer Richtung fixiert. Die entgegengesetzten Enden der Schraubenfedern 17 sind jeweils durch ins Innere der Federn eingreifende Vorsprünge fixiert. Einer ist ein flacher Vorsprung 18 an der Platte 4 des Gestells 1 , der andere Vorsprung 19 ist ein Teil des Verdichtergehäuses 14.

Die Schraubenfedern 17 sind jeweils zwischen den Federtellern 16 und den sie tragenden Vorsprüngen 18 oder 19 so vorgespannt, dass an keinem Umkehrpunkt der Bewegung des Schwingkörpers 12 eine der Schraubenfedern 17 spannungslos wird. Die Schraubenfedern 17 halten daher ständig die Federteller 16 gegen die Membranfedern 6 gedrückt, auch wenn der Verdichter in Betrieb ist und der Schwingkörper 12 oszilliert. Es ist daher keine feste Verbindung zwischen den Federtellern 16 und den von ihnen berührten Membranfedern 6 erforderlich, um den Kontakt zwischen ihnen stets aufrecht zu erhalten. Da die Kraft der Federn 17 jeweils über den gesamten Umfang der Federteller 16 recht gleichmäßig verteilt auf die Federteller 16 einwirkt, resultiert allenfalls ein geringes Drehmoment, das eine Verkippung der Achsen der Federteller in Bezug auf die Gerade G bewirken könnte. Doch selbst wenn ein solches Drehmoment aufträte, könnte es mangels einer materialschlüssigen Verbindung zwischen den Federtellern 16 und den Membranfedern 6 nicht auf letztere übertragen werden. Auf Grund der zu den Membranfedern 6 hin verjüngten Form der Federteller 16 leiten diese die Kraft der Schraubenfeder 17 sehr nah an der Linie G in die Membranfedern 6 ein, so dass selbst bei einer ungleichmäßigen Kraftverteilung ein daraus resultierendes, auf die Membranfedern 6 einwirkendes Drehmoment klein bleibt. Die Membranfedern 6 und der von ihnen gehaltene Schwingkörper 12 ist also durch die Schraubenfedern 17 im wesentlichen nur exakt in Richtung der Geraden G orientierten Kräften, aber keinen nennenswerten Drehmomenten ausgesetzt, die eine Bewegung des Schwerpunkts des Schwingkörpers 12 abseits der Linie G anregen könnten.

Auch die hochgradige Symmetrie der zwei Membranfedern 6 trägt dazu bei, dass diese den Schwingkörper 12 exakt linear führen.

Der Schnitt der Fig. 3 zeigt auch den inneren Aufbau der Verdichterbaugruppe 14. In einer internen Kammer 20 der Verdichterbaugruppe 14 ist ein von der Kolbenstange 13 gehaltener Kolben 21 hin und her verschiebbar, um über einen Saugstutzen 22 Kältemittel in die Kammer 20 zu saugen und das verdichtete Kältemittel an einem Druckstutzen 23 wieder auszugeben. Mit dem Druckstutzen 23 kommuniziert ein Ringraum 24, der sich becherförmig um die Kammer 20 erstreckt. In der von den Flanken des Kolbens 21 überstrichenen Trennwand 25 zwischen der Kammer 20 und dem Ringraum 24 ist eine Vielzahl von feinen Durchgängen 26 gebildet, durch die ein Teil des verdichteten Kältemittels aus dem Ringraum 24 zurück in die Kammer 20 strömen kann. Das rückströmende Kältemittel bildet zwischen der Trennwand 25 und den Flanken des Kolbens 21 ein Gaskissen, welches im Betrieb einen direkten schleifenden Kontakt zwischen Kolben 21 und Trennwand 25 verhindert und so den Verschleiß der Verdichterbaugruppe 14 gering hält. Auf Grund der exakt geradlinigen Führung des Schwingkörpers 12, die durch die Aufhängung mit Membran- und Schraubenfedern 6, 17 erreicht wird, genügt ein geringer Gasdurchsatz in den Durchgängen 26, um ein wirksam vor Schleifen schützendes Gaskissen zu schaffen.

Um geringfügige Ungenauigkeiten bei der Ausrichtung des Antriebsaggregats und der Verdichterbaugruppe zueinander zu kompensieren, die anderenfalls auch zum Reiben des Kolbens 21 an der Wand 25 führen könnten, sind in der Kolbenstange 13 zwei elastisch biegsame Schwachstellen 27 gebildet. Eine leichte Verbiegung dieser Schwachstellen 27 erlaubt es, einen kleinen Versatz zwischen der Geraden G, auf der sich der Schwerpunkt des Schwingkörpers 12 bewegt, und der Längsmittelachse der Kammer 20 oder auch eine geringfügige Nichtparallelität beider zu kompensieren.

Vereinfachte Ausgestaltungen der Membranfeder sind in Fig. 4 und 5 gezeigt. Die Feder 6' der Fig. 4 entspricht im Wesentlichen einer halbierten Membranfeder aus Fig. 3, mit nur zwei S- bzw. Z-förmig gekrümmten Armen 8, die sich von einem Steg 7 zum Mittelabschnitt 9 erstrecken. Bei der Feder 6" der Fig. 5 sind die gekrümmten Arme durch einen geradlinigen Arm 8" ersetzt. Dessen freies Ende bewegt sich zwar genau genommen nicht exakt auf einer Geraden, sondern auf einem Kreisbogen, doch ist diese Abweichung vernachlässigbar, wenn die Amplitude des Schwingkörpers so begrenzt ist, dass die Seitwärtskomponente der Bewegung des Schwingkörpers kleiner als das seitliche Spiel des Kolbens ist.