Linearverdichter mit zwei Verdichtungsräumen

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät.

Ein solcher Linearverdichter, wie zum Beispiel aus US 6 506 032 B2 bekannt, umfasst einen Zylinder, in welchem ein mit einem Permanentmagneten fest verbundener Kolben unter dem Einfluss eines auf den Permanentmagneten wirkenden alternierenden Magnetfeldes hin- und herbewegt wird. Der Zylinder ist an einem Ende im Wesentlichen offen; das andere Ende begrenzt zusammen mit dem in dem Zylinder beweglichen Kolben einen Verdichtungsraum, in den durch eine Auswärtsbewegung des Kolbens Kältemittel über ein Einlassventil eingesaugt wird, das durch eine anschließende Einwärtsbewegung verdichtet und schließlich aus dem Verdichtungsraum über ein Auslassventil ausgestoßen wird. Da der bewegliche Kolben an der Zylinderwand nicht hermetisch abdichtet, entweicht im Betrieb des Verdichters Kältemittel aus dem Verdichtungsraum durch einen Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand. Um dieses entweichende Kältemittel im Kältekreislauf zu halten, ist der Verdichter in einem hermetisch gekapselten Gehäuse untergebracht, und das Innere des Gehäuses kommuniziert mit dem Einlassventil des Verdichters, so dass entwichenes Kältemittel wieder angesaugt und in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt wird.

Wenn Kältemittel zwischen Kolben und Zylinderwand aus dem Verdichtungsraum entweicht, so geht die zuvor an ihm geleistete Verdichtungsarbeit verloren, und es muss erneut durch das Einlassventil des Zylinders gesogen werden, wofür ebenfalls Energie aufgewendet werden muss.

Da der hermetische Gehäuse dem Zylinder und dessen Antrieb Platz bieten muss, ist es die größte Komponente des gesamten Kompressors. Seine Herstellung trägt daher nicht unwesentlich zu den Gesamtkosten des Kompressors bei.

Aus EP 0 864 750 A1 ist ein Linearverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Dieser Linearverdichter hat ein Gestell mit einem geräumigen zentralen Hohlraum und an entgegengesetzten Enden des zentralen Hohlraums angeordneten Zylin-

dem, in die die Kolbenböden des Oszillators eingreifen. Gas, das aus einem der Verdichtungsräume zwischen Kolbenboden und Zylinderwand hindurch entweicht, gelangt in einen rückwärtigen Raum des betreffenden Zylinders und von dort aus über Druckausgleichsbohrungen aus dem Gestell heraus. Um einen geschlossenen Kältemittelkreislauf ohne Kältemittelverluste zu realisieren, muss der Linearverdichter gemäß EP 0 864 750 A1 ebenfalls in ein hermetisch dichtes Gehäuse eingeschlossen sein.

Es besteht daher zum einen Bedarf nach einem Linearverdichter, der kompakt, einfach und preiswert realisierbar ist. Zum anderen ist es wünschenswert, den Wirkungsgrad der bekannten Linearverdichter zu verbessern, indem verhindert wird, dass die an zwischen Zylinderwand und Kolbenboden aus der Verdichtungskammer entweichendem Gas geleistete Verdichtungsarbeit völlig ungenutzt verloren geht.

Beide Ziele werden erreicht, indem bei einem Linearverdichter mit einem Sauganschluss, einem Druckanschluss, einem Stator und einem magnetisch mit dem Stator gekoppelten Oszillator, dessen zwei in Oszillationsrichtung entgegengesetzte Enden jeweils einen Kolbenboden eines einen Verdichtungsraum begrenzenden oszillierenden Kolbens bilden, wobei jeder Verdichtungsraum über ein Einlassventil mit dem Sauganschluss und über ein Auslassventil mit dem Druckanschluss verbunden ist, die Verdichtungsräume an entgegengesetzten Enden eines gemeinsamen Hohlraums angeordnet sind und der Hohl- räum zum Sauganschluss hin abgesehen von den Einlassventilen hermetisch dicht ist.

Da beide Verdichtungsräume innerhalb des gleichen Hohlraumes angeordnet und zum sauganschluss hermetisch dicht sind, kann Gas, das aus einem jeweils in einer Verdichtungsphase befindlichen Verdichtungsraum entweicht, nur in den jeweils anderen Hohl- räum gelangen, der sich gleichzeitig in der Ansaugphase befindet. Es ist nicht erforderlich, das Gas in eine den Verdichter umgebende hermetische Kapsel zu entlassen, aus der es anschließend wieder durch das Einlassventil hindurch angesaugt wird. Eine solche hermetische Kapsel ist daher neben dem Verdichtungsraum nicht erforderlich, und Arbeit, die ansonsten beim Ansaugen des Gases durch das Einlassventil geleistet werden muss, muss für das von einem Verdichtungsraum zum anderen überströmende Gas nicht geleistet werden.

Indem der Stator außerhalb des Hohlraumes angeordnet ist, können dessen Abmessungen weiter reduziert werden, und es entfällt die Notwendigkeit, eine Stromversorgung hermetisch dicht durch die Wände des Hohlraums zu führen.

Um einen kompakten Aufbau zu erzielen, ist bevorzugt, dass der Oszillator den Hohlraum mit Ausnahme der Verdichtungsräume im Wesentlichen ausfüllt.

Oszillator und Hohlraum können jeweils von zylindrischer Gestalt sein, was insbesondere die Fertigung des Hohlraumes im Vergleich zu bekannten, komplizierteren Strukturen erheblich vereinfacht.

Der Oszillator ist in dem Hohlraum vorzugsweise gasdruckgelagert. Für die Gasdrucklagerung aufgewandtes, in den Spalt zwischen den Wänden des Hohlraums und dem Kolben eingespeistes Gas gelangt dann jeweils in den in der Ansaugphase befindlichen Hohlraum.

Druckgaseingänge sind an den Wänden des Hohlraumes jeweils zwischen dem Stator und jedem der Enden angeordnet, um ein Gaskissen wenigstens in Höhe der Kolbenböden zu bilden.

Wenn der Stator mehrere in Oszillationsrichtung beabstandete Polschuhe aufweist, sind Druckgaseingänge an den Wänden des Hohlraumes vorzugsweise auch jeweils zwischen den Polschuhen angeordnet.

In Höhe der Polschuhe selbst sind die Wände des Hohlraumes vorzugsweise von Durch- gangen frei, um den Luftspalt zwischen den Polschuhen und dem mit ihnen wechselwirkenden magnetischen Kolben minimieren zu können.

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 Er- findung. 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 benach- bart 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 Grup- pen 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.