NUNNINGER, Stefan (Gebbertstr.160, Erlangen, 91058, DE)
| Patentansprüche
1. Linearverdichter mit einem Zylinder (1 ), der eine Zylinderwand und eine von der Zylinderwand umschlossene Kammer (22) umfasst, einem Elektromagneten (6,10) und einem in der Kammer (22) des Zylinders (1 ) durch ein Magnetfeld des Elektromagneten (6, 10) antreibbaren Kolben (23), wobei eine Außenseite (5) der
Wand wenigstens lokal mit Druckgas beaufschlagbar und mit Durchgangsöffnungen (29) versehen ist, die einen Zutritt des Druckgases in die Kammer (22) ermöglichen, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (23) magnetisch ist und dass Polschuhe (8, 9) des Elektromagneten (6, 10) in axialer Richtung des Zylinders (1 ) beabstandet an von den Durchgangsöffnungen (29) freien
Bereichen der Außenseite (5) der Zylinderwand angeordnet sind.
2. Linearverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Gruppe der Durchgangsöffnungen (29) zwischen zweien der Polschuhe (8, 9) über den Umfang der Zylinderwand verteilt sind.
3. Linearverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Polschuhe (8, 9) an der Zylinderwand von zwei axial beabstandeten Gruppen von über den Umfang der Zylinderwand verteilten Durchgangsöffnungen (29) umgeben ist.
4. Linearverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Gruppe von Durchgangsöffnungen (29) eine sich um den Zylinder (1 ) erstreckende Ringleitung (15) zum Versorgen der Durchgangsöffnungen (29) der Gruppe mit Druckgas zugeordnet ist.
5. Linearverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringleitung (15) einerseits durch die Außenseite (5) der Zylinderwand selbst und andererseits durch einen sich um die Außenseite (5) herum erstreckenden Ring (14, 32) begrenzt ist.
6. Linearverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der
Innenseite des Rings (14, 32) eine umlaufende Nut (15) gebildet ist.
7. Linearverdichter nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der
Ring (14, 32) auf den Zylinder aufgeschrumpft ist. |
Linearverdichter mit druckgasgelagertem Kolben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter mit einem Zylinder, der eine Zylinderwand und eine von der Zylinderwand umschlossene Kammer umfasst, einem Elektromagneten und einem in der Kammer des Zylinders durch ein Magnetfeld des Elektromagneten antreibbaren Kolben, bei dem eine Außenseite der Wand wenigstens lokal mit Druckgas beaufschlagbar und mit Durchgangsöffnungen versehen ist, die einen Zutritt des Druckgases in die Kammer ermöglichen, um ein Druckgaskissen zwischen dem Kolben und der Wand der Kammer zu bilden. Ein Linearverdichter dieser Art ist aus US 6 506 032 B2 bekannt.
Bei diesem bekannten Linearverdichter erstreckt sich rings um die mit den Durchgangsöffnungen versehene innere Zylinderwand eine äußere Zylinderwand, und beide zusammen begrenzen einen sich über im Wesentlichen die gesamte Länge des Zylinders erstreckenden, mit Druckgas beaufschlagten Ringraum. Der Antrieb erfolgt bei diesem bekannten Linearverdichter mit Hilfe eines rings um den Zylinder angeordneten, eine Spule enthaltenden ersten Joches, eines konzentrisch zu dem ersten Joch angeordneten und von diesem durch einen Ringspalt getrennten zweiten Joch und eines beweglichen ringförmigen Magneten, der mit dem Kolben fest verbunden ist und in dem Ringspalt dem Magnetfeld der Spule ausgesetzt ist. Die aus einer Vielzahl von konzentrischen Elementen bestehende Konstruktion gibt diesem Linearverdichter einen im Verhältnis zum Kolbenhub großen Durchmesser.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Linearverdichter mit druckgasgelagertem Kolben zu schaffen, der mit einem einfacheren und kompakteren Aufbau gute Leistungswerte erreicht.
Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Linearverdichter der eingangs angegebenen Art der Kolben selbst magnetisch ist und Polschuhe des Elektromagneten in axialer Richtung des Zylinders beabstandet an von den Durchgangsöffnungen freien Bereichen der Außenseite der Zylinderwand angeordnet sind. Indem im Vergleich zu dem oben erwähnten bekannten Linearverdichter der Magnet in den Kolben hinein verlagert wird, entfällt die Notwendigkeit, ein äußeres Joch und den Ringspalt vorzusehen, so dass die
Gesamtkonstruktion des Linearverdichters wesentlich kompakter gemacht werden kann. Während eine solche Vertauschung bei dem bekannten Linearverdichter aufgrund des Vorhandenseins der inneren und äußeren Zylinderwand und vor allem des Ringraumes zwischen beiden zu einer beträchtlichen Spaltbreite zwischen Elektromagnet und magnetischem Kolben und infolgedessen zu einem schlechten Wirkungsgrad des Antriebs führen würde, erlaubt es die erfindungsgemäße Konstruktion infolge des Fehlens von Durchgangsöffnungen in den Polschuhen gegenüberliegenden Bereichen der Zylinderwand, die Polschuhe direkt an der Zylinderwand anzuordnen und so die Spaltweite zwischen Elektromagnet und Kolben zu minimieren, so dass eine starke Antriebskraft bei geringer in den Elektromagneten eingespeiste elektrische Leistung erzielbar ist.
Da sich der magnetische Kolben in dem Zylinder im Wesentlichen in einem zwischen den Polschuhen des Magneten liegenden Bereich bewegt, sollte wenigstens eine Gruppe der Durchgangsöffnungen zwischen zweien der Polschuhe über den Umfang der Zylinderwand verteilt sein.
Um Schlingerbewegungen des Kolbens um eine quer zur Zylinderlängsachse orientierte Achse zu verhindern, sind zweckmäßigerweise wenigstens zwei axial beabstandete Gruppen von über den Umfang der Zylinderwand verteilten Durchgangsöffnungen beider- seits wenigstens eines der Polschuhe vorgesehen.
Jeder Gruppe von Durchgangsöffnungen ist zweckmäßigerweise eine sich um den Zylinder erstreckende Ringleitung zum Versorgen der Durchgangsöffnungen der Gruppe mit Druckgas zugeordnet.
Diese Ringleitung ist vorzugsweise einerseits durch die Außenseite der Zylinderwand selbst und andererseits durch einen sich um diese Außenseite herum erstreckenden Ring begrenzt. An der Innenseite des Ringes ist vorzugsweise eine umlaufende Nut gebildet. Die Zylinderwand selbst kann dann eine auf der gesamten Länge des Zylinders gleichbleibende, minimale Dicke haben.
Der Ring kann zweckmäßigerweise an dem Zylinder durch Aufschrumpfen befestigt sein.
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 schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;
Fig. 2 einen axialen Schnitt durch den Zylinder des Linearverdichters gemäß einer ersten Ausgestaltung; und.
Fig. 3 einen axialen Schnitt durch den Zylinder gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
Der in Fig. 1 gezeigte Linearverdichter umfasst einen Zylinder 1 mit zwei Stirnseiten 2, an denen jeweils ein Saugstutzen 3, über den ein zu verdichtendes Fluid wie etwa ein gasförmiges Kältemittel in den Zylinder 1 eintritt, und ein Druckstutzen 4, über den das verdichtete Fluid aus dem Zylinder 1 austritt, angebracht sind. An den Saugstutzen 3 ist in an sich beliebiger dem Fachmann bekannter Weise eine Verteilerleitung 18 befestigt, die die Saugstutzen mit einem gemeinsamen Sauganschluss 19 verbindet. In analoger Weide verbindet eine Sammelleitung 20 die beiden Druckstutzen 4 mit einem gemeinsamen Druckanschluss 21 .
An der Mantelfläche 5 des Zylinders sind zwei sich diametral gegenüberliegende, aus Eisenblechen zusammengefügte Joche 6, 7 angeordnet. Das Joch 6 hat eine E-förmige Gestalt mit einem zentralen Arm 8 und zwei dazu parallelen äußeren Armen 9. Um den zentralen Arm 8 ist eine Spule 10 gewickelt, die mit elektrischem Strom beaufschlagbar ist, um ein magnetisches Feld zu induzieren. Dem Zylinder 1 zugewandte Polschuhe des zentralen Armes 8 einerseits und der beiden äußeren Arme 9 andererseits bilden jeweils ungleichnamige Pole dieses Magnetfeldes. Der Strom, mit dem die Spule 10 beaufschlagbar ist, ist ein Wechselstrom, so dass das Magnetfeld periodisch seine Richtung ändert.
Das gegenüberliegende Joch 7 ist ebenfalls E-förmig, allerdings mit im Vergleich zum Joch 6 stark verkürzten Armen 1 1 , 12 und ohne eine um den mittleren Arm 1 1 gewickelte
Spule. Alternativ könnte das Joch 7 auch das exakte Spiegelbild des Jochs 6 darstellen und mit einer eigenen Spule versehen sein.
In Zwischenräumen 13 zwischen den Armen der Joche 6, 7 ist jeweils ein Ring 14 um den Zylinder 1 herumgelegt. An den die Mantelfläche 5 berührenden Innenseiten der Ringe 14 ist eine umlaufende Nut 15 (siehe Fig. 2) gebildet, auf die ein Anschlussstutzen 16 mündet. Die Anschlussstutzen 16 sind mit der Sammelleitung 20 verbunden.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den Zylinder 1 und dessen Umgebung in Richtung von dessen Längsachse. Man erkennt das Joch 7 und jeweils die an der Mantelfläche 5 des Zylinders 1 anliegenden Polschuhe der Arme 8, 9 des Jochs 6. In einer Kammer 22, die sich über den größten Teil der Länge des Zylinders 1 erstreckt, ist ein zylinderförmiger Oszillator 23 aufgenommen, dessen zwei Stirnflächen jeweils Kolbenböden 24 von die Enden der Kammer 22 einnehmenden Verdichtungsräumen 25, 26 bilden. An den Stirnseiten der Verdichtungsräume 25, 26 sind jeweils ein Einlassventil 30 und ein Auslassventil 31 angeordnet. Der Oszillator 23 ist im Wesentlichen gebildet durch einen Stabmagneten 27 der, wie gezeigt, zur Gewichtseinsparung hohl sein kann. Um zu verhindern, dass Material des Magneten 27 im Falle eines Kontaktes mit der Wand des Zylinders 1 abgerieben wird, ist der Stabmagnet 27 bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel in eine allseits geschlossene Hülse 28 aus Stahl aufgenommen. Alternativ wäre es auch möglich, die Mantelfläche des Stabmagneten 27 mit einer verschleißfesten Beschichtung, zum Beispiel einer DLC-(Diamond-like Carbon)-Schicht zu versehen.
In Höhe der beiden Zwischenräume 13 sind in der Wand des Zylinders 1 zwei Gruppen von Durchgangsöffnungen 29 gebildet, über die die Kammer 22 mit den umlaufenden Nuten 15 kommuniziert. Die über die Sammelleitung 20 mit dem Druckstutzen 4 verbundenen Nuten 15 enthalten Gas unter hohem Druck, das durch die Durchgangsöffnungen 29 in die Kammer 22 eindringt. Dabei bildet das Gas ein Polster, das den Oszillator 23 auf seinem gesamten Umfang umspült und einen Kontakt des Oszillators 23 mit der Zylinderwand verhindert, so lange der Verdichter in Betrieb ist und verdichtetes Gas an seinen Druckstutzen 4 bereitsteht. Gas, das in der Verdichtungsphase eines der Verdichtungsräume 25, 26 in den Spalt zwischen Oszillator 19 und Zylinderwand 1 eindringt, gelangt zusammen mit dem über die
Durchgangsöffnungen 29 eintretenden Gas in den jeweils anderen, sich gleichzeitig in einer Ansaugphase befindenden Verdichtungsraum 26 bzw. 25.
Der einzige Luftspalt, der die Polschuhe der Joche 6, 7 von dem Stabmagneten 23 trennt, ist der enge Spalt zwischen der Wand des Zylinders 1 und dem Oszillator 23. Insbesondere unterbricht keine Gasleitung den magnetischen Fluss zwischen den Polschuhen und dem Magneten 27. Es genügt daher eine vergleichsweise geringe in die Spule 10 eingespeiste elektrische Leistung, um eine ausreichende Antriebskraft auf den Oszillator 23 auszuüben. Da der Zylinder 1 abgesehen von den Stutzen 3, 4 hermetisch dicht ist, ist es nicht erforderlich, rings um den Linearverdichter eine Kapselung vorzusehen, um das Entweichen von Gas zu verhindern. Durch den Wegfall der Kapsel verringern sich die Kosten des Linearverdichters deutlich. Da außerdem der hochgradig symmetrische Aufbau des Linearverdichters einen gleichmäßigen Lauf des Oszillators 23 erwarten lässt, ist mit einem geringen Betriebsgeräusch zu rechnen. Dies macht den Verdichter besonders geeignet zur Verwendung in Haushalts-Kältegeräten, wo ein niedriges Betriebsgeräusch ein wichtiges Qualitätsmerkmal ist.
Fig. 3 zeigt einen zu Fig. 2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. Teile, die bereits mit Bezug auf die erste Ausgestaltung der Figs 1 und 2 erläuterten entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Die Ringe 14 in den Zwischenräumen 13 sind entfallen; stattdessen ist an den Kopfenden des Zylinders 1 jeweils ein verbreiterter Ring 32 angebracht, dessen innere Nut 15 jeweils einerseits mit einer das Auslassventil aufnehmenden Kammer 33 und andererseits mit einer Gruppe von benachbart zu den Jochen 6, 7 über den Umfang der Mantelfläche 5 verteilten Durchgangsöffnungen 29 kommuniziert.
Der Magnet 27 erstreckt sich nur über einen mittleren Abschnitt des Oszillators 23; den Stirnseiten 2 zugewandte Endabschnitte des Oszillators 23 sind hohl. Die Lage der Gruppen von Durchgangsöffnungen 29 und die Länge des Oszillators 23 sind so aufeinander abgestimmt, dass in jeder Lage des Oszillators beide Gruppen von Durchgangsöffnungen 29 dem Oszillator gegenüberliegen. Das Verhältnis von Oszillatorhub zu -länge ist bei dieser Ausgestaltung kleiner als bei der der Fig. 2; dafür ist der Aufbau vereinfacht, da keine zusätzlichen Leitungsverbindungen zwischen den Druckstutzen 4 und den Nuten 15 der Ringe 32 erforderlich sind.
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