Linearantrieb und Linearverdichter

Die vorliegende Erfindung betrifft einen reversierenden Linearantrieb sowie einen Verdichter, in dem ein solcher Linearantrieb eingesetzt wird.

Ein solcher Linearantrieb und ein Verdichter sind aus DE 10 2004 010 403 A1 bekannt.

Der Linearantrieb umfasst herkömmlicherweise wenigstens eine zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mit Strom beaufschlagbare Erregerwicklung und einen in dem Wechselfeld der Spule zwischen einem ersten und einem zweiten Umkehrpunkt beweglichen magnetischen Anker. Derartige Linearantriebe sind als Antriebe für Verdichter besonders interessant, da sie die reversierende Bewegung des Kolbens eines solchen Verdichters in einem einfachen Aufbau direkt antreiben können, während bei Verwendung eines rotatorischen Antriebs eine Mechanik, die zum Beispiel eine Kurbelwelle und eine daran angelenkte Kolbenstange umfasst, benötigt wird, um die Drehbewegung des Antriebs in die gewünschte reversierende Bewegung des Kolbens umzusetzen. Diese Mechanik verursacht Fertigungskosten und führt zu Reibungsverlusten. Während jedoch ein Aufbau mit Kurbelwelle und Kolbenstange die Bewegungsamplitude eines Verdichterkolbens exakt vorgibt, ist die Bewegungsamplitude eines Linearantriebs im allgemeinen nicht fest, sondern in Abhängigkeit von der elektrischen Leistung, mit der die Erregerspule beaufschlagt wird, variabel. Eine geringe Amplitude des von einem solchen Linearantrieb angetriebenen Kolbens führt dazu, dass am oberen Umkehrpunkt der Kolbenbewegung das Totvolumen groß und der erzeugte überdruck gering ist. Um einen guten Wirkungsgrad des Verdichters zu erzielen, muss das Totvolumen am oberen Umkehrpunkt so klein wie möglich gehalten werden, das heißt der Kolben muss an seinem oberen Umkehrpunkt einer Stirnseite der Verdichterkammer so nahe kommen wie möglich. Gleichzeitig darf er aber auch nicht an die Stirnseite der Verdichterkammer anschlagen, denn dies würde zu einem schnellen Verschleiß beziehungsweise zur Zerstörung des Verdichters führen.

Es ist daher erforderlich, die Amplitude des Linearantriebs im Betrieb zu überwachen und sie so zu regeln, dass das Totvolumen des Verdichters möglichst klein wird, gleichzeitig

aber ein Anschlagen des Kolbens an die Stirnwand der Verdichterkammer mit Sicherheit ausgeschlossen ist.

Die bereits erwähnte DE 10 2004 010 403 A1 schlägt zu diesem Zweck vor, Position und Geschwindigkeit des Ankers mit Hilfe einer Lichtschranke und eines mit dem Anker beweglichen, von der Lichtschranke durchstrahlten Maßstabs zu verfolgen. Dieser Ansatz erfordert eine präzise und dementsprechend zeitaufwändige Positionierung der Lichtschranke und des Maßstabs in Bezug aufeinander. Außerdem ist es nicht ohne weiteres möglich, einen blockierten Zustand des Ankers, in welchem der Maßstab kein Licht zum Sensor der Lichtschranke durchlässt, von einem Zustand zu unterscheiden, in welchem die Lichtquelle der Lichtschranke ausgefallen ist. Eine Fehlregelung bei ausgefallener Lichtschranke kann jedoch zum Anschlagen des Kolbens und damit zur Zerstörung des Verdichters führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Linearantrieb beziehungsweise einen mit einem solchen Linearantrieb ausgestatteten Linearverdichter zu schaffen, die es erlauben, eine hohe Verdichtung zu erreichen und gleichzeitig ein Anschlagen des Kolbens mit hoher Zuverlässigkeit zu verhindern.

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch einen reversierenden Linearantrieb mit wenigstens einer zum Erzeugen eines magnetischen Wechselfeldes mit Strom beaufschlagbaren Erregerwicklung und einem in dem magnetischen Wechselfeld zwischen einem ersten und einem zweiten Umkehrpunkt beweglichen Anker, bei dem ein

Magnetfeldsensor dem Magnetfeld des Ankers ausgesetzt ist und eine Steuerschaltung einen in die Erregerspule eingespeisten Erregerstrom anhand einer von dem Magnetfeldsensor erfassten Magnetfeldstärke steuert. Da bei dem Magnetismus des

Ankers anders als bei der Lichtquelle einer Lichtschranke kein Ausfallrisiko besteht, kann aus der Tatsache, dass eine auf eine Bewegung des Ankers hindeutende

Magnetfeldänderung nicht erfasst wird, mit Sicherheit geschlossen werden, dass die betreffende Bewegung nicht erfolgt, und der Erregerstrom kann anhand dieses Ergebnisses gesteuert werden, ohne dass die Gefahr einer übermäßigen Amplitude der

Bewegung des Ankers besteht.

Um mit dem Magnetfeldsensor im Laufe der Ankerbewegung eine möglichst starke Magnetfeldänderung erfassen zu können, ist vorzugsweise an dem ersten Umkehrpunkt der Ankerbewegung der Magnetfeldsensor einem ersten Magnetpol des Magnetfelds des Ankers näher benachbart als einem zweiten Magnetpol, während an dem zweiten Umkehrpunkt der Magnetfeldsensor dem zweiten Magnetpol näher benachbart ist als dem ersten.

Die Steuerschaltung ist vorzugsweise eingerichtet, den Erregerstrom abzubrechen, wenn die von dem Magnetfeldsensor erfasste Magnetfeldstärke eine Schwelle überquert. Da in einem den Linearantrieb verwendenden Verdichter derjenigen Ankerbewegung, die zu einem Anschlagen des Kolbens an der Stirnseite der Verdichterkammer führen kann, eine Gegenkraft durch den Druck des in der Verdichterkammer verdichteten Mediums entgegenwirkt, führt der Abbruch des Erregerstroms sofort zu einer starken Verzögerung des Ankers und einer anschließenden Richtungsumkehr.

Indem der Sensor in Bewegungsrichtung des Ankers justierbar gemacht ist, können auch die Umkehrpunkte der Ankerbewegung verstellt werden, und insbesondere ist es möglich, den Abstand zwischen dem Kolben und der Stirnseite der Verdichterkammer am oberen Umkehrpunkt des Kolbens auf einen sehr kleinen Wert einzustellen, der soeben noch ausreicht, um ein Anschlagen des Kolbens an die Stirnwand sicher zu verhindern.

Die Erregerwicklung kann an einem Jochkörper mit wenigstens drei Polschuhen angebracht sein, der entlang des Weges des Ankers angeordnet ist, um auf diesen eine magnetische Antriebskraft in alternierenden Richtungen auszuüben.

In diesem Fall ist es zweckmäßig, dass der Magnetfeldsensor in Höhe des mittleren der drei Polschuhe angeordnet ist, damit er im Laufe der Bewegung des Ankers einer möglichst starken änderung von dessen Magnetfeld ausgesetzt ist.

Insbesondere kann der Magnetfeldsensor zwischen einem Polschuh und einem dem Polschuh zugewandten Magnetpol des Ankers angeordnet sein, so dass er, wenn die Polung des Polschuhs gleichnamig mit dem Magnetpol des Ankers ist, einem schwachen und bei Ungleichnamigkeit einem starken Magnetfeld ausgesetzt ist.

Wenn besagter Jochkörper und ein zweiter Jochkörper einen Spalt begrenzen, der sich in der Bewegungsrichtung des Ankers und einer dazu orthogonalen Richtung erstreckt und in dem der Anker beweglich ist, kann der Magnetfeldsensor auch in dem Spalt in der orthogonalen Richtung dem Anker benachbart angeordnet sein; in diesem Fall ist er einem starken Feld ausgesetzt, wenn sich jeweils gleichnamige Pole des Ankers und der Polschuhe gegenüberliegen, während bei Ungleichnamigkeit de Pole der Magnetfeldsensor ein schwaches Feld erfasst.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Linearverdichter mit wenigstens einem in einer Verdichterkammer reversierend beweglichen Kolben, der durch einen Linearantrieb wie oben definiert angetrieben ist.

Bei einem solchen Linearverdichter ist die Steuerschaltung vorzugsweise eingerichtet, den Erregerstrom abzubrechen, wenn die Entfernung des Kolbens von einer Stirnseite der Verdichterkammer einen Grenzwert unterschreitet, wobei diese Grenzwertunterschreitung aus dem von dem Magnetfeldsensor erfassten Magnetfeld erkennbar ist.

Die Steuerung der Ankerbewegung mit Hilfe des Magnetfeldsensors ermöglicht es, ein Anschlagen des Kolbens an die Stirnseite der Verdichterkammer zuverlässig zu vermeiden, auch wenn der Abstand zwischen Kolben und Stirnseite am oberen Umkehrpunkt der Kolbenbewegung sehr gering ist. So kann die Entfernung des Kolbens von Stirnseite am oberen Wendepunkt auf weniger als 0,2 Millimeter, vorzugsweise sogar weniger als 0,1 Millimeter, eingestellt werden.

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 Darstellung eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Linearantrieb des in Fig. 1 gezeigten Verdichters entlang der Linie N-Il sowie eine Verteilung des Magnetfelds im Luftspalt des Linearantriebs, kurz bevor dessen Anker seinen oberen Umkehrpunkt erreicht; und

Fig. 3 einen zu Fig. 2 analogen Teilschnitt, der die Feldverteilung am oberen Umkehrpunkt zeigt.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Linearverdichter, der beispielsweise als Verdichter für Kältemittel in einem Kältegerät wie etwa einem Kühlschrank, einem Gefrierschrank oder dergleichen anwendbar ist. Ein Linearantrieb dieses Verdichters umfasst zwei E-förmige Joche 1 mit je drei sich paarweise gegenüberliegenden Armen 3, 4, 5. Die einander zugewandten Enden der Arme 3, 4 5 bilden jeweils einen Luftspalt 2 begrenzende Polschuhe 7. Um die mittleren Arme 4 herum ist jeweils eine Erregerwicklung 8 angebracht. Die Erregerwicklungen 8 sind durch eine Steuerschaltung 9 mit Strom beaufschlagbar, wobei die Stromrichtung in den beiden Erregerwicklungen 8 jeweils so festgelegt ist, dass die Polschuhe 7 der mittleren Arme 4 ungleichnamige Magnetpole bilden. Die Polschuhe der äußeren Arme 3 und 5 bilden jeweils zum mittleren Arm 4 ungleichnamige Magnetpole.

In dem Luftspalt 2 ist ein Anker 10 an zwei Federn 11 zwischen einem oberen und einem unteren Umkehrpunkt reversierend beweglich aufgehängt. Die Stellung des Ankers 10 am oberen Umkehrpunkt ist mit durchgezogenen Linien, sie am unteren Umkehrpunkt gestrichelt dargestellt. Die Federn 1 1 sind jeweils aus einem Blechstück ausgestanzte Blattfedern mit mehreren zickzackförmig verlaufenden Armen 12. Die Arme 12 einer Feder 11 erstrecken sich jeweils spiegelbildlich zueinander von einem zentralen Angriffspunkt an dem Anker 10 zu Aufhängungspunkten 13 an einem nicht dargestellten starren Gestell, an dem auch die Joche 1 verankert sind. Durch diese Gestaltung sind die Federn 1 1 in Längsrichtung des Ankers 10 leicht und in jeder dazu orthogonalen Richtung schwer verformbar, so dass sie den Anker 10 in seiner Längsrichtung reversierbar führen.

Der im wesentlichen stabförmige Anker 10 umfasst in seinem mittleren Bereich einen Permanentmagneten 14 mit vier Polen 6a, 6b, 6c, 6d. Während in einer entspannten Stellung der Federn 11 , in der die Arme 12 jeder Feder 11 im wesentlichen in einer gleichen Ebene liegen, der Magnet 14 zentral in dem Luftspalt 2 platziert ist und eine Grenzlinie 15 zwischen seinen in Fig. 1 linken und rechten Polen 6a, 6c bzw. 6b, 6d mittig durch die mittleren Arme 4 verläuft, wird durch Beaufschlagen der Wicklungen 8 mit einem Strom der Anker 10 je nach Stromrichtung nach links oder nach rechts ausgelenkt.

Dabei treibt der Anker 10 einen Kolben 16 in einer ebenfalls an dem nicht dargestellten Gestell befestigten Verdichterkammer 17 an. An einer Stirnseite 18 der Verdichterkammer befinden sich ein Einlassstutzen 19 und ein Auslassstutzen 20 für ein zu verdichtendes Medium, die jeweils mit einem (nicht dargestellten) Ventil versehen sind, um einen Abfluss von Medium aus der Verdichterkammer 17 über den Einlassstutzen 19 beziehungsweise einen Zufluss von Medium über den Auslassstutzen 20 zu verhindern. So wird durch eine Bewegung des Ankers 10 nach links in Fig. 1 Medium in die Verdichterkammer 17 am Einlassstutzen 19 eingesogen und durch eine Bewegung nach rechts über den Auslassstutzen 20 wieder ausgestoßen. Um einerseits eine vollständige Verdrängung des verdichteten Mediums aus der Kammer 17 zu gewährleisten und andererseits eine Beschädigung der Verdichterkammer 17 im Betrieb zu vermeiden, muss der Kolben 16 an einem oberen Umkehrpunkt seiner Bewegung der Stirnseite 18 so nah wie möglich kommen, ohne sie zu berühren.

Zu diesem Zweck ist im Luftspalt 2 in Höhe der mittleren Arme 4 ein Magnetfeldsensor 21 , zum Beispiel eine Hall-Sonde platziert, die an die Steuerschaltung 9 gekoppelt ist, um den Strom, mit dem die Erregerwicklungen 8 beaufschlagt werden, zu steuern.

Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen die Magnetfelder, denen der Magnetfeldsensor 21 in verschiedenen Phasen der Bewegung des Ankers 10 ausgesetzt ist. Bei der in Fig. 2 gezeigten Konfiguration liegen sich in der in Fig. 1 mit N-Il bezeichneten, durch den

Magnetfeldsensor 21 verlaufenden Schnittebene jeweils gleichnamige Pole der Joche 1 und des Ankers 10 gegenüber. Diese Konfiguration ist über einen großen Teil der

Ankerbewegung hinweg gegeben, solange sich die Grenzlinie 15 auf einer von der Verdichterkammer 17 abgewandten Seite des Magnetfeldsensors 21 befindet. In der

Schnittebene stoßen sich die gleichnamigen Pole der Joche 1 und des Ankers 10 ab, statt dessen ziehen die zwei mittleren Arme 4 die zwei linken Pole 6a, 6c des Ankers 10 an, während die zwei rechten Pole 6b, 6d des Ankers 10 von den rechten Armen 5 angezogen werden. Auf den Anker 10 wirkt eine Antriebskraft nach rechts. Die einander entgegengesetzten Magnetfelder des Jochs 1 und des Ankers 10 heben sich gegenseitig am Ort des Magnetfeldsensors 21 auf; so dass die von dem Sensor 21 erfasste magnetische Feldstärke gering ist.

Sobald die Grenzlinie 15 die Schnittebene N-Il passiert hat, liegen sich in der Schnittebene N-Il jeweils ungleichnamige Pole der Joche 1 und des Ankers 10 gegenüber. Die resultierende Feldkonfiguration ist in Fig. 3 gezeigt. Die Felder des Jochs 1 und des Ankers 10 überlagern sich gleichsinnig am Ort des Magnetfeldsensors 21 , so dass dieser eine hohe magnetische Feldstärke erfasst. Dieser Sachverhalt wird ausgenutzt, indem die Steuerschaltung 9 den Erregerstrom für die Wicklungen 8 mit zunehmender am Sensor 21 erfasster Feldstärke abwärts regelt oder einfach den Erregerstrom unterbricht, wenn die vom Sensor 21 erfasste Feldstärke einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.

Wenn der Erregerstrom ausgeschaltet ist, wirkt keine magnetische Antriebskraft auf den Anker 10 mehr, und der Kolben 16 wird durch den Druck des in der Verdichterkammer 17 komprimierten Mediums stark verzögert. Der Weg, um den sich der Kolben 16 nach Abschalten des Erregerstroms noch weiter bewegt, hängt von einer Reihe von Parametern wie etwa der kinetischen Energie von Kolben und Anker bei Abschaltung des Erregerstroms, Rückstellkraft der Federn 11 , Querschnittsfläche des Kolbens 16 und Druck des in der Kammer 17 verdichteten Mediums ab, die sich unter praktischen Einsatzbedingungen nicht oder nicht wesentlich ändern, so dass der Weg, um den sich der Kolben nach Ausschalten des Erregerstroms noch weiter bewegt, in einer gegebenen Anwendung als praktisch konstant angesehen werden kann. Indem der Magnetfeldsensor 21 in Bewegungsrichtung des Ankers 10 justierbar, z.B. an einer (nicht dargestellten) Stellschraube, aufgehängt ist, wie durch Pfeile in Fig. 1 angedeutet, kann die Ankerstellung, an der die Stromabschaltung erfolgt, mit hoher Genauigkeit so eingestellt werden, dass der obere Umkehrpunkt des Kolbens 16 sehr nah an der Stirnseite 18 liegt, ohne dass diese berührt wird. Eine mittlere Entfernung des oberen Umkehrpunkts des Kolbens von der Stirnseite 18 von 0,2 Millimeter oder gar 0,1 Millimeter und weniger ist auf diese Weise realisierbar.

Abweichend von der in Fig. 2 und 3 gezeigten Platzierung des Magnetfeldsensors 21 zwischen einem der Polschuhe 7 und dem Anker 10 kommt auch eine Positionierung zwischen den sich gegenüber liegenden Polschuhen 7 der zwei Joche 1 , neben dem Anker 10, in Betracht, wie in Fig. 2 und 3 durch den gestrichelten Umriss eines Magnetfeldsensors 22 angedeutet. Bei dieser Ausgestaltung überlagern sich in der Ankerstellung der Fig. 2 die Magnetfelder der Joche 1 und des Ankers 10 am Ort des Magnetfeldsensors 22 gleichsinnig, während sie sich in der Stellung der Fig. 3

gegensinnig überlagern. Das heißt, wenn sich der Anker 10 dem oberen Umkehrpunkt nähert, nimmt die vom Sensor 22 erfasste Feldstärke ab, so dass bei dieser Ausgestaltung die Steuerschaltung 9 den Erregerstrom mit abnehmender Feldstärke reduziert oder ihn ganz ausschaltet, wenn die vom Sensor 22 erfasste Feldstärke einen Grenzwert unterschreitet.