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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere
für den
Einsatz zum Verdichten von Kältemittel
in einem Kältegerät.
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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.
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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.
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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.
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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 dern, 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.
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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.
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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 Hohlraum zum
Sauganschluss hin abgesehen von den Einlassventilen hermetisch dicht
ist.
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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 Hohlraum 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.
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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.
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Um
einen kompakten Aufbau zu erzielen, ist bevorzugt, dass der Oszillator
den Hohlraum mit Ausnahme der Verdichtungsräume im Wesentlichen ausfüllt.
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Oszillator
und Hohlraum können
jeweils von zylindrischer Gestalt sein, was insbesondere die Fertigung
des Hohlraumes im Vergleich zu bekannten, komplizierteren Strukturen
erheblich vereinfacht.
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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.
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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.
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Wenn
der Stator mehrere in Oszillationsrichtung beabstandete Polschuhe
aufweist, sind Druckgaseingänge
an den Wänden
des Hohlraumes vorzugsweise auch jeweils zwischen den Polschuhen angeordnet.
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In
Höhe der
Polschuhe selbst sind die Wände
des Hohlraumes vorzugsweise von Durchgängen frei, um den Luftspalt
zwischen den Polschuhen und dem mit ihnen wechselwirkenden magnetischen
Kolben minimieren zu können.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;
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2 einen
axialen Schnitt durch den Zylinder des Linearverdichters gemäß einer
ersten Ausgestaltung; und.
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3 einen
axialen Schnitt durch den Zylinder gemäß einer zweiten Ausgestaltung.
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Der
in 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.
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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.
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Das
gegenüberliegende
Joch 7 ist ebenfalls E-förmig, allerdings mit im Vergleich
zum Joch 6 stark verkürzten
Armen 11, 12 und ohne eine um den mittleren Arm 11 gewickelte
Spule. Alternativ könnte
das Joch 7 auch das exakte Spiegelbild des Jochs 6 darstellen
und mit einer eigenen Spule versehen sein.
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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 2)
gebildet, auf die ein Anschlussstutzen 16 mündet. Die
Anschlussstutzen 16 sind mit der Sammelleitung 20 verbunden.
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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.
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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.
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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.
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3 zeigt
einen zu 2 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung. Teile, die bereits mit Bezug auf die erste Ausgestaltung
der 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.
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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 2;
dafür ist
der Aufbau vereinfacht, da keine zusätzlichen Leitungsverbindungen
zwischen den Druckstutzen 4 und den Nuten 15 der
Ringe 32 erforderlich sind.