Linearverdichter mit vorgespannter Federkolbenstange sowie Kältemaschine

Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter umfassend ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin und her beweglichen Verdichterkolben, wobei der Verdich- terkolben über ein Gestänge mit einem Antrieb für die Hin- und Herbewebung verbunden ist, eine Kältemaschine sowie ein Verfahren zum Kühlen oder Gefrieren einer Ware.

Es ist bekannt, bei ölfrei arbeitenden Linearverdichtern einen Verdichterkolben durch ein Polster aus gasförmigem Kältemittel zu lagern, das durch Mikroöffnungen durch eine Ge- häusewand eines Kolbengehäuses nach innen zum Verdichterkolben einströmt. Für eine Aufrechterhaltung dieser durch das Polster vermittelten Gasdrucklagerung ist eine kontinuierliche Gaszufuhr erforderlich, da es sonst zu einem Kontakt des Verdichterkolbens mit der Gehäusewand kommt, der Reibung bewirkt und damit zu Verschleiß des Linearverdichters führt. Aus der DE 695 26 217 T2 geht hervor, dass insbesondere bei Gasdruck- lagern ein Berühren von Kolben und Zylinder im Arbeitszustand vermieden werden sollte, um die Reibung und damit den Verschleiß des Linearverdichters zu minimieren.

Um den Verbrauch an Gas möglichst gering zu halten sowie die Lebensdauer der Linearverdichter zu verlängern, muss insbesondere bei Linearverdichtern, die eine derartige Gasdrucklagerung aufweisen, die Linearbewegung des Linearantriebs auf den Kolben durch eine Kolbenstange möglichst querkraftfrei übertragen werden.

Die aus der DE 695 26 217 T2 bekannte Kolbenstange sieht einen Federstab bzw. ein Rohr vor, mit dem Kräfte übertragen werden. Ein einfaches Rohr bzw. ein einfacher Fe- derstab reicht jedoch nicht aus, um die nötige Kombination aus geringer Quersteifigkeit zum Aufnehmen der unerwünschten Querkräfte und hoher Axialsteifigkeit zur übertragung eines Arbeitshubes aufzubringen. Aus diesem Grund sehen bekannte Lösungen speziell stabförmig gestaltete Federelemente mit zwei Engstellen vor, die als Biegestellen dienen und für eine möglichst geringe Quersteifigkeit sorgen.

Nachteilig bei bekannten Lösungen ist, dass aufgrund der dünnen Biegestellen die Wahrscheinlichkeit eines Ausknickens auch während des normalen Betriebs vergleichsweise

hoch ist. In der Folge ist es erforderlich, für jeden Anwendungsfall, d.h. für jede Kompressorvariante, eine eigene speziell angepasste Kolbenstange zu entwickeln, damit die konstruktionsbedingte empfindliche Balance aus Quer- und Axialsteifigkeit eingehalten wird. Darüber hinaus ist eine Anbindung der Kolbenstange an Kolben und Linearantrieb aufgrund des geringen Durchmessers der Engstellen aufwendig.

Die aus der DE 695 26 217 T2 bekannte Lösung weist eine zu geringe Axialsteifigkeit auf. Hieraus können Leistungsverluste sowie Störungen während des Betriebs resultieren, so dass der Linearverdichter unter Umständen wenig effizient und zuverlässig arbeitet.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Linearverdichter bzw. eine Kältemaschine anzugeben, wobei eine axial steife jedoch gegenüber Querkräften weiche An- kopplung des Verdichterkolbens an einen Antrieb realisiert werden kann. Weiterhin ist es Aufgabe, ein Verfahren zum Kühlen oder Gefrieren einer Ware anzugeben, welches zuverlässig mit einem hohen Wirkungsgrad arbeitet und in der Lage ist Waren schnell und effizient abzukühlen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Linearverdichter, durch die Kältemaschine sowie durch das Verfahren, wie in den unabhängigen Ansprüchen angegeben, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, die jeweils einzeln an- gewandt oder beliebig miteinander kombiniert werden können, sind Gegenstand der jeweilig abhängigen Ansprüche.

Der erfindungsgemäße Linearverdichter umfasst ein Kolbengehäuse und einen darin entlang einer Achse hin und her beweglichen Verdichterkolben, wobei der Verdichterkolben über ein Gestänge mit einem Antrieb für die Hin- und Herbewegung verbunden ist, wobei das Gestänge eine vorgespannte Feder, insbesondere eine Schraubenfeder, aufweist.

Das Gestänge kann durch eine oder mehrere Kolbenstangen gebildet sein. Mehrere Kolbenstangen können parallel zueinander und/oder in Reihe miteinander verbunden sind.

Der Linearverdichter kann ölfrei sein. Insbesondere weist er eine Gasdrucklagerung auf, durch die der Verdichterkolben berührungsfrei in dem Kolbengehäuse bei der Hin- und Herbewegung gelagert wird.

Das Gestänge zur übertragung einer Kraft des Antriebs auf den Verdichterkolben weist eine vorgespannte Feder auf, d.h. eine Feder, die erst dann ihre Länge ändert, wenn eine vorgegebene Schwelle eines Kraftbetrags überschritten ist.

Die Feder kann aus einem Metall, insbesondere Stahl, wie auch aus Kunststoffen oder Verbundmaterialien hergestellt sein. Insbesondere können faserverstärkte Federn wie z.B. karbon-, glas- und/oder polyaramidfaserverstärkte Federn verwendet werden.

Vorteilhafterweise ist die Feder eine Schraubenfeder, die auf Block liegt, d.h. benachbarte Windungen berühren einander, wobei vorteilhafterweise die Oberflächen von benachbarten Windungen gegeneinander unter Druck aufeinander liegen. Bei einer derartigen Feder muss eine vorgegebene Schwelle einer Kraft, d.h. gewisser vorgegebener Kraftbetrag, überschritten werden, damit benachbarte Federwindungen voneinander getrennt werden. Zwischen zwei benachbarten Windungen der Feder kann entlang der Berührungsfläche ein Kompressionsdruck wirken, der größer als Null ist.

Mit einem derartigen Gestänge können vergleichsweise große axiale Kräfte aufgenommen werden, während vergleichsweise geringe Querkräfte weich abgefedert werden können. Liegt die Feder auf Block kann ein Druckkraft in Längsrichtung von den Seitenflächen der aufeinander liegenden Windungen aufgenommen, so dass eine hohe Längsstei- figkeit erzielt wird. Bei einer vorgespannten Feder wird eine hohe Längssteifigkeit durch die Vorspannung erreicht. Vergleichsweise geringe Querkräfte können jedoch aufgrund eines Hebeleffektes aufgenommen und ausgeglichen werden. Die Feder ist aufgrund des Hebeleffektes und der Möglichkeit, dass eine Windung sich von ihrer benachbarten Windung einseitig abheben kann, in Querrichtung sehr weich.

Aufgrund der Vorspannung führen Kräfte in Längsrichtung weniger zu einer Destabilisie- rung der Feder in Querrichtung als es bei bekannten Kolbenstangen der Fall ist.

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Vorteilhafterweise ist die Vorspannung der Feder größer als eine mit dem Antrieb in dem Gestänge erzeugbare Zugspannung. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Feder nicht weiter gestaucht bzw. gestreckt wird und somit eine harte Kopplung zwischen Antrieb und Verdichterkolben bewirkt wird. Insbesondere wird hierdurch vermieden, dass das Gestänge aufgrund der Feder nicht zu einem in sich schwingenden System wird.

In einer speziellen Ausgestaltung weist das Gestänge an mindestens zwei Abschnitten jeweils eine vorgespannte Feder auf. Besonders bevorzugt ist jedoch, dass das Gestänge als solches durch die Feder gebildet wird. Hierdurch wird eine besonders weiche Kopplung in Querrichtung bewirkt, die verschiedenste Schwingungsmoden, insbesondere S- förmige Verbiegungen des Gestänges aufnehmen kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das Gestänge, insbesondere mit einem Federabschnitt, an dem Antrieb und/oder an den Verdichterkolben angeschraubt. Insbesondere ergibt sich durch die besondere Geometrie einer auf Block Ne- genden Schraubenfeder die Möglichkeit, die Verbindung zwischen dem Verdichterkolben und dem Antrieb jeweils als Schraubverbindung auszuführen, indem die Windungen der Schraubenfeder an den Enden als Gewinde genutzt werden, was gegenüber der bekannten Befestigungstechniken durch Kleben oder Klemmen zuverlässiger und preiswerter ist.

Das Verhältnis von Axial- zur Quersteifigkeit der Feder bzw. des erfindungsgemäßen Gestänges beträgt mindestens 20:1 , insbesondere mindestens 50:1 , vorzugsweise mindestens 200:1 . Das beschriebene Gestänge hat aufgrund seiner Bauweise ein besonders gutes Verhältnis von Axial- zu Quersteifigkeit. In der Folge kann das gleiche Bauteil für verschiedene Linearverdichter, insbesondere Linearverdichter mit unterschiedlichen Leis- tungsstufen, z.B. 40 Watt, 80 Watt, 120 Watt oder 160 Watt, eingesetzt werden. Eine besondere Anpassung des Gestänges auf den jeweiligen Linearverdichtertyp ist nicht mehr erforderlich. Hierdurch werden die Herstellungskosten des Linearverdichters weiter reduziert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichterkolben in dem Kolbengehäuse mit Hilfe einer öffnungen aufweisenden Gehäusewand und eines durch die öffnungen strömenden gasförmigen Fluids, insbesondere eines Kühlmittels, geführt.

Insgesamt kann mit dem erfindungsgemäßen Linearverdichter ein zuverlässiger Betrieb bei einem hohen Wirkungsgrad realisiert werden. Leistungsverluste aufgrund einer übermäßig weichen Kolbenstange in Längsrichtung werden vermieden. Auch werden Leistungsverluste aufgrund eines Verkantens des Verdichterkolbens im Kolbengehäuse durch eine übermäßige Quersteifigkeit der Kolbenstange oder ein Abknicken der Kolbenstange an einer Engstelle vermieden. Insgesamt wird somit der Verschleiß am Linearverdichter verringert und die Störanfälligkeit des Linearverdichters weiter reduziert.

Die erfindungsgemäße Kältemaschine, insbesondere ein Kühl- und/oder Gefrierschrank oder eine Klimaanlage, insbesondere eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge, umfasst den erfindungsgemäßen Linearverdichter. Die vorteilhaften Eigenschaften des erfindungsgemäßen Linearverdichters übertragen sich somit auf die Kältemaschine und erlauben somit einen besonders zuverlässigen wie energiesparenden Betrieb der Kältemaschine, welches die Anwendungsmöglichkeiten der Kältemaschine, insbesondere hinsichtlich mobiler Einsatzgebiete, vergrößert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen oder Gefrieren einer Ware umfasst die erfindungsgemäße Kältemaschine. Aufgrund der hohen Zuverlässigkeit sowie des hohen Wirkungsgrades der Kältemaschine, ist ein besonders zuverlässiges und energiesparendes Kühlen oder Gefrieren von Waren möglich. Hierdurch wird ein besonders schnelles und kostengünstiges Kühlen oder Gefrieren von Waren ermöglicht.

Weitere besondere Vorteile oder Einzelheiten werden anhand der folgenden Zeichnung, welche die Erfindung nicht einschränken sondern lediglich exemplarisch illustrieren soll, näher erläutert. Es zeigen schematisch:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausschnitts eines weiteren erfindungsgemäßen

Linearverdichters,

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Linearverdichter in perspektivischer Ansicht, und

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Kältegerät.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Linearverdichters 1 mit einem Verdichterkolben 4, der innerhalb einer Gehäusewand 14, welche zur Lagerung von Fluid durchströmte öffnungen 12 aufweist, einen Antrieb 6 und ein Ge- stänge 5 zur Verbindung des Verdichterkolbens 4 mit dem Antrieb 6 aufweist. Das als Kolbenstange ausgestaltete Gestänge 5 wird durch eine auf Block liegende Schraubenfeder 7 gebildet, welche unter einer Vorspannung steht. Die Vorspannung beträgt in etwa 5 bis 50 Newton, d.h. es müssen in axialer Richtung des Gestänges 5 mindestens 5 bis 50 Newton aufgewandt werden, um benachbarte Windungen 16 voneinander zu trennen. Aufgrund der Hebelwirkung sind jedoch in Querrichtung lediglich 0,14 bis 1 ,4 Newton erforderlich, um bei dem hier gezeigten Hebel ein Abheben einer Windung von ihrer benachbarten Windung zu bewirken. Der Verdichterkolben 4 bewegt sich in der als Zylinderhülse ausgestalteten Gehäusewand 14 auf einer Achse 3 hin und her. Der Kolben 4 wird mit Hilfe eines Fluids 17, welches zwischen der Gehäusewand 14 und dem Kolbengehäu- se 2 durch die öffnungen 12 strömt, gelagert. Das strömende Fluid bildet ein Gaspolster, so dass eine Gasdrucklagerung erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen Ausschnitt eines weiteren erfindungsgemäßen Linearverdichters 1 , wobei das Gestänge 5 rohrförmig ist und an einem ersten Abschnitt 8 und an einem zweiten Abschnitt 9 als auf Block liegende vorgespannte Federn ausgestaltet sind. Die beiden Abschnitte 8, 9 ermöglichen ein Biegen des Gestänges 5 in diesen Bereichen und ermöglichen somit eine besonders geringe Quersteifigkeit.

Fig. 3 zeigt eine Perspektiv-Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters 1 mit einem Antrieb 6, einem Kolbengehäuse 2, wobei ein Verdichterkolben (nicht dargestellt) durch den Antrieb 6 mit Hilfe eines Gestänges 5 angetrieben wird. Der Kompressionsdruck beträgt 9 bis 10 bar. Die Masse des Verdichterkolbens 6 beträgt 50g. Die Arbeitsfrequenz liegt bei etwas unter 50Hz. Der Hub des Verdichterkolbens beträgt etwa 20 mm und das Volumen, das zusammengedrückt wird, beträgt 1 bis 9 cm ³ .

Fig. 4 zeigt das erfindungsgemäße Kältegerät 13 mit dem erfindungsgemäßen Linearverdichter 1 und einer Ware 15, welche gekühlt wird. Durch die hohe Zuverlässigkeit und den

hohen Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Linearverdichters 1 wird ein besonders zuverlässiges, schnelles und energiesparsames Kühlen der Ware 15 ermöglicht.

Die Erfindung betrifft einen Linearverdichter 1 umfassend ein Kolbengehäuse 2 und eine darin entlang einer Achse 3 hin und her beweglichen Verdichterkolben 4, wobei der Ver- dichterkolben 4 über ein Gestänge 5 mit einem Antrieb 6 für die Hin- und Herbewegung verbunden ist, wobei das Gestänge 5 eine vorgespannte Feder 7 aufweist, sowie eine Kältemaschine und ein Verfahren zum Kühlen oder Gefrieren einer Ware umfassend den erfindungsgemäßen Linearverdichter 1 . Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass aufgrund der Bauweise der vorgespannten Feder ein besonders gutes Verhältnis von Axi- al- zur Quersteifigkeit der Kopplung zwischen Antrieb 6 und Verdichterkolben 4 erreicht werden kann und somit mit einem und demselben Bauteil verschiedene Linearverdichter mit unterschiedlichen Leistungsstufen abgedeckt werden können. Dadurch reduziert sich nicht nur die Varianz der Kolbenstange sondern auch die Anzahl der erforderlichen Befestigungsteile kolben- und antriebsseitig.

Bezugszeichenliste

1 Linearverdichter

2 Kolbengehäuse

3 Achse

4 Verdichterkolben

5 Gestänge

6 Antrieb

7 (Schrauben-)Feder

8 erster Abschnitt

9 zweiter Abschnitt

10 erster Federabschnitt

11 zweiter Federabschnitt

12 öffnungen

13 Kältegerät

14 Gehäusewand

15 Ware

16 Windungen

17 Fluid