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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter mit zwei einen Magnetfeldspalt
begrenzenden Ständerteilen, einem in dem Magnetfeldspalt
in einer Längsrichtung um eine Gleichgewichtslage hin und
her beweglichen, einen Verdichterkolben antreibenden Anker und zwei
Blattfedern, die an zwei längs beabstandeten Stellen des
Ankers angreifen und den Anker in die Gleichgewichtslage beaufschlagen,
und von denen jede an wenigstens einem der Ständerteile
befestigt ist. Ein solcher Linearverdichter ist zum Beispiel aus
DE10 2006 009 232
A1 bekannt.
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Bei
diesem bekannten Linearverdichter ist jede Blattfeder beiderseits
des Ankers an den zwei Ständerteilen befestigt, um einen
spiegelsymmetrischen Aufbau zu erhalten, der den Anker exakt linear entlang
der Symmetrieebene führt. Diese strenge Führung
hat den Nachteil, dass, wenn der Anker aus der Gleichgewichtslage
ausgelenkt ist, erhebliche Spannungen in den Blattfedern auftreten.
Es ist daher schwierig, eine befriedigende Langzeitfestigkeit der
Blattfedern zu erreichen, die einen langen und störungsfreien
Betrieb des Linearverdichters ermöglicht.
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Zwar
ließen sich die in den Blattfedern auftretenden Zugspannungen
erheblich reduzieren, indem lediglich an einer Seite des Magnetfeldspalts aufgehängte
Blattfedern verwendet werden, doch führt dies dazu, dass
die den Anker tragenden freien Enden der Federn auf einer im wesentlichen
kreisbogenförmigen Bahn schwingen, so dass der Anker neben
der erwünschten Oszillationsbewegung in der Längsrichtung
eine unerwünschte Bewegung in Querrichtung ausführt,
deren Frequenz doppelt so hoch wie die der Längsbewegung
ist. Um diese Querbewegung zuzulassen, muss der Magnetfeldspalt breiter
gemacht werden, als es bei einem Linearverdichter mit zweiseitiger
Aufhängung nötig ist. Dies beeinträchtigt
den elektrischen Wirkungsgrad des Antriebs.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist, einen Linearverdichter zu schaffen,
der einen hohen Wirkungsgrad mit guter Langzeitstabilität
vereint.
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Die
Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Linearverdichter der
eingangs definierten Art die erste der Blattfedern mit einem der
Ständerteile, an dem die zweite Blattfeder befestigt ist,
unverbunden ist.
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So
wird zumindest bei der ersten Blattfeder das Auftreten von materialbelastenden
Spannungen im Betrieb weitgehend vermieden.
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Die
zweite Blattfeder kann, wie aus dem eingangs genannten Stand der
Technik bekannt, an beiden Ständerteilen befestigt sein.
In diesem Fall ist zumindest die Lebensdauer der ersten Blattfeder
verbessert, wodurch sich statistisch auch die Lebensdauer des gesamten
Linearverdichters erhöht, und in Höhe der zweiten
Blattfeder bleibt der Anker exakt linear geführt.
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In
diesem Fall ist vorzugsweise die zweite Blattfeder dem Verdichterkolben
näher als die erste Blattfeder, um das dem Verdichterkolben
zugewandte Ende des Ankers linear zu führen.
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Einer
bevorzugten Ausgestaltung zufolge ist auch die zweite Blattfeder
nur einseitig befestigt, und zwar ist sie mit dem Ständerteil,
an dem die erste Blattfeder befestigt ist, unverbunden. Dadurch
sind die Angriffspunkte der Blattfedern am Anker auf jeweils gegensinnig
gekrümmten, im wesentlichen kreisbogenförmigen
Bahnen geführt. Die dadurch erreichte Gegenläufigkeit
der Seitwärtsbewegungen der beiden Angriffspunkte führt
dazu, dass sich diese in der Mitte des Magnetspalts zwischen den
beiden Blattfedern weitgehend kompensieren.
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Um
unter Berücksichtigung der Seitwärtsbewegung des
Ankers die Breite des Magnetspalts minimieren zu können,
hat dieser zweckmäßigerweise eine in der Längsrichtung
variable Breite.
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Falls
die zweite Blattfeder an beiden Ständerteilen befestigt
ist, ist die Breite des Magnetfeldspalts zweckmäßigerweise
in Höhe dieser zweiten Blattfeder minimal.
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Bei
jeweils einseitiger Aufhängung der beiden Blattfedern an
verschiedenen Ständerteilen ist die Breite des Magnetfeldspalts
zweckmäßigerweise mittig zwischen den Blattfedern
minimal.
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Um
aus der Seitwärtsbewegung des Ankers resultierende Querkräfte
am Verdichterkolben zu minimieren, ist der Magnetfeldspalt zweckmäßigerweise
so ausgerichtet, dass in der Gleichgewichtslage eine den Anker mit
dem Verdichterkolben verbindende Kolbenstange schräg zu
dem Magnetfeld orientiert ist.
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Vorzugsweise
kreuzt eine Längsachse des Verdichterkolbens den Magnetfeldspalt.
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So
ist es möglich, die Bewegung des Ankers so zu führen,
dass in zwei ausgelenkten Lagen des Ankers beiderseits der Gleichgewichtslage
die Kolbenstange zur Längsachse des Verdichterkolbens parallel
steht, so dass im wesentlichen nur zu der Längsachse parallele
Kräfte auf den Verdichterkolben übertragen werden.
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Um
die im Laufe einer vollständigen Oszillation des Ankers
auf den Verdichterkolben wirkenden Querkräfte zu minimieren,
befinden sich diese ausgelenkten Lagen vorzugsweise jeweils zwischen
der Gleichgewichtslage und einer Umkehrlage des Ankers.
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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
perspektivische Ansicht eines Linearverdichters gemäß einer
ersten Ausgestaltung der Erfindung;
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2 eine
schematische Draufsicht auf den Linearverdichter der 1,
die den Bewegungsablauf des Ankers des Linearverdichters veranschaulicht;
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Linearverdichters gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
zu 2 analoge schematische Draufsicht auf den Linearverdichter
der 3; und
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5 eine
Draufsicht auf den Linearverdichter, die noch stärker schematisiert
ist, um die Besonderheiten der Bewegung des Ankers deutlich zeigen zu
können.
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1 zeigt
beispielhaft den Aufbau eines Linearverdichters zum Verdichten von
Kältemittel in einem Kältegerät gemäß einer
ersten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Der Linearverdichter
hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen,
der aus zwei flachen Wandstücken 1 und einem Bogen 2 zusammengesetzt
ist.
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Zwischen
einander zugewandten Stirnseiten des Bogens 2 und der zwei
Wandstücke 1 ist eine erste Membranfeder 3 eingespannt.
Die aus Federblech gestanzte Membranfeder 4 hat vier Federarme 5,
die sich mäanderförmig von den Wandstücken 1 zu einem
Mittelabschnitt 6 erstrecken, an dem sie einstückig
aufeinandertreffen. Der Mittelabschnitt 6 weist zwei Bohrungen
auf, zwei äußere, an denen mit Hilfe von Schrauben
oder Nieten 7 ein permanentmagnetischer Anker 8 aufgehängt
ist, und eine mittlere Bohrung, durch die sich eine Kolbenstange 10 erstreckt.
Die Kolbenstange 10 verbindet den Anker 8 mit
einem in der 1 nicht sichtbaren Kolben im
Innern eines Zylinders 15, der von dem Bogen 2 getragen
ist. Kältemitteleinlass- und -auslassstutzen des Zylinders 15 sind
mit 16 beziehungsweise 17 bezeichnet. Die Kolbenstange 10 weist
in der Nähe ihres Angriffspunkts am Anker 8 ein
Gelenk oder, wie in der Fig. dargestellten, eine elastisch biegsame Schwachstelle 18 auf.
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Eine
zweite Membranfeder 4 ist an einer von dem Bogen 2 abgewandten
Stirnseite des in der Perspektive der 1 dem Betrachter
zugewandten Wandstücks 1 befestigt und greift
an dem vom Zylinder 15 abgewandten Ende des Ankers 8 an.
Die zweite Membranfeder 4 ist ein Blechstück von
in etwa trapezförmiger Gestalt, wobei die längere
der zwei parallelen Kanten des Trapezes an dem Wandstück 1 und
die kürzere an dem Anker 8 befestigt ist. Die zwei
parallelen Kanten verbindende schräge Kanten des Trapezes
sind einwärts gekrümmt.
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Zwei
Elektromagnete 9 mit E-förmigem Joch 20 bzw. 24 und
einer um den mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils
zwischen dem Anker 8 und den Wandstücken 1 mit
dem Anker 8 zuwandten Polschuhen angeordnet und dienen
zum Antreiben einer Schwingbewegung des Ankers 8. Eine
Steuerschaltung 37 versorgt die Elektromagnete 9 mit
einem Wechselstrom, dessen Frequenz an die Eigenfrequenz des schwingfähigen
Systems angepasst ist, welches durch die Membranfedern 3, 4, den
Anker 8 und den von ihm angetriebenen Kolben gebildet ist.
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Aufgrund
ihres symmetrischen Aufbaus führt die Membranfeder 3 das
dem Zylinder 15 zugewandte Ende des Ankers 8 auf
einer exakt linearen Bahn parallel zur Längsachse des Zylinders 15.
Das vom Zylinder 15 abgewandte Ende des Ankers 8 hingegen
ist von der einseitig aufgehängten Membranfeder 4 auf
einer gekrümmten Bahn geführt, wie insbesondere
aus der Draufsicht der 2 deutlich wird. Während
in der in 2 mit durchgezogenen Linien dargestellten
Gleichgewichtslage des Ankers 8 und der Membranfedern 3, 4 die
Längsachse des Ankers 8 mit denen der Kolbenstange 10 und
des Zylinders 15 überein fällt, ist außerhalb
der Gleichgewichtslage das von der Feder 4 gehaltene Ende
des Ankers 8 zur Seite beziehungsweise in der Perspektive
der 2 nach unten ausgelenkt, wobei die seitliche Auslenkung
ungefähr proportional zum Quadrat der Längsauslenkung
ist. Der Anker 8 führt folglich gleichzeitig mit
seiner Bewegung in Längsrichtung des von den Elektromagneten 9 begrenzten
Spalts 19 eine Drehschwingung aus, deren Mittelpunkt der Angriffspunkt
der Membranfeder 3 am Anker 8 ist.
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Um
einerseits die Breite des Spalts 19 zu minimieren und andererseits
die Drehschwingbewegung des Ankers 8 nicht zu behindern,
hat das Joch 20 des Elektromagneten 9 an der die
Membranfeder 4 tragenden Seite des Rahmens ungleich lange
Arme 21, 22, 23, wobei der der Membranfeder 4 benachbarte
Arm 23 der kürzeste ist. Die Arme des gegenüberliegenden
Jochs 24 hingegen sind alle gleich lang. Mit anderen Worten
ist die Breite des Spalts 19 an seinem dem Zylinder 15 zugewandten
Ende minimal und nimmt mit zunehmender Entfernung vom Zylinder 15 zu.
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Um
eine Übertragung von aus der Drehschwingbewegung des Ankers 8 resultierenden,
quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens im Zylinder 15 orientierten
Kräften auf den Kolben zu verhindern oder zu minimieren,
kann die Kolbenstange 10 gelenkig mit dem Anker 8 verbunden
sein oder, wie in 1 gezeigt, eine leicht biegsame
Schwachstelle 18 an ihrem dem Anker 8 zugewandten
Ende aufweisen.
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3 zeigt
eine zweite Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Linearverdichters, der sich von demjenigen der 1 dadurch
unterscheidet, dass die zweiseitig aufgehängte Membranfeder 3 der 1 durch
eine Membranfeder 25 ersetzt ist, die dieselbe Gestalt
wie die Membranfeder 4 hat, im Gegensatz zu dieser aber
aber zwischen dem Bogen 2 und dem vom Betrachter abgewandten
Wandstück 1 einseitig aufgehängt ist.
Die beiden Membranfedern 4, 25 zwingen die Enden
des Ankers 8, an denen sie angreifen, auf jeweils entgegengesetzt
gekrümmte bogenförmige Bahnen, so dass sich der
Bewegung des Ankers 8 in Längsrichtung des Spalts 19 eine Schlingerbewegung überlagert,
deren Drehachse durch den geometrischen Mittelpunkt des Ankers 8 verläuft.
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Wie
in 4 deutlich wird, erstreckt sich die in dieser
Fig. als strichpunktierte Linie eingezeichnete Längsachse
des Ankers 8 in der Gleichgewichtslage unter einem spitzen
Winkel zur Längsachse des Zylinders 15 und der
mit dieser Längsachse zusammenfallenden Kolbenstange 10.
Diese Maßnahme dient zur Minimierung der über
die Kolbenstange 10 auf den Kolben 16 innerhalb
des Zylinders 15 übertragenen Querkräfte.
Wenn nämlich in der Gleichgewichtslage die Längsachsen
von Anker 8 und Zylinder 15 zusammenfallen, verschwindet
lediglich in der Gleichgewichtslage die über die an Schwachstellen 18 (siehe 3)
elastisch biegsame Kolbenstange 10 auf den Kolben 16 übertragene
Querkraft. Im Falle der Schrägausrichtung, wie in 4 gezeigt,
gibt es zwei in der Fig. jeweils als gestrichelte Umrisse eingezeichnete
Stellungen des Ankers 8, in denen die Längsachsen
des Ankers 8 und des Zylinder 15 mit guter Genauigkeit übereinstimmen,
so dass die auf den Kolben 16 einwirkende Querkraft sowohl
im zeitlichen Mittel als auch in der Spitze kleiner ist als bei gleicher
Schwingungsamplitude in einem Aufbau mit in Gleichgewichtslage zusammenfallenden
Längsachsen.
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Um
darüber hinaus eine ungleichmäßige Belastung
des Kolbens 16 durch überwiegend aus einer gleichen
Richtung kommende Querkräfte zu vermeiden, ist es wünschenswert,
dass die Amplitude der Ankerbewegung noch über die Lagen
mit paralleler Ausrichtung der Achsen hinausreicht. Dies ist in
der schematischen Ansicht der 5 verdeutlicht.
Hier bezeichnet eine dicke durchgezogene Linie den Anker 8 in
seiner Gleichgewichtslage, und zwei strichpunktierte Kreisbögen 27 bezeichnen
den Weg, auf dem die Angriffspunkte der Membranfedern 4, 25 am Anker 8 beweglich
sind. Eine dünne Linie 8a bezeichnet diejenige
zum Zylinder 15 hin ausgelenkte Lage des Ankers 8,
in der dessen Längsachse auf einer Linie mit der hier gestrichelt
dargestellten Kolbenstange 10 und der Längsachse
des Zylinders 15 liegt. Es ist leicht nachzuvollziehen,
dass der Anker 8 auf dem Weg von der Gleichgewichtslage
in die Stellung 8a über die Kolbenstange 10 nicht
nur eine Längskraft, sondern auch eine in der Perspektive
der 5 nach oben gerichtete Querkraft auf den Kolben 16 ausübt. Sobald
der Anker die Lage 8a passiert, wechselt die Querkraft
ihr Vorzeichen; von der Lage 8a bis zu einer dem Zylinder 15 benachbarten
Umkehrlage 8b ist sie abwärts gerichtet. Ähnliches
gilt bei Auslenkung des Ankers 8 in die vom Zylinder 15 abgewandte Richtung.
Wenn sich der Anker 8 von einer hinteren Umkehrlage 8c auf
eine Lage 8d zu bewegt, in der die Längsachsen
zusammenfallen, wirkt eine abwärts gerichtete Querkraft
auf den Kolben 16; zwischen der Lage 8d und der
Gleichgewichtslage ist die Querkraft aufwärts gerichtet.
Bei geeigneter Wahl der Umkehrlagen kann der zeitliche Mittelwert
der auf den Kolben 16 wirkenden Querkraft zu Null gemacht werden.
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Anhand
der 5 ist auch leicht zu erkennen, dass der Spalt 19 zwischen
den Jochen 20, 24, wenn seine Breite minimiert
sein soll, ohne die Bewegung des Ankers 8 zu behindern,
einen geschwungenen Verlauf mit einer engsten Stelle in der Mitte
zwischen den Blattfedern 4, 5 haben muss. Der
Spalt 19 ist inversionssymmetrisch bezüglich seiner
engsten Stelle, was den zusätzlichen Vorteil hat, dass
identische Joche 20, 24 auf beiden Seiten des
Spalts 19 verwendet werden können.
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Anhand
der oben mit Bezug auf 5 gegebenen Erläuterungen
ist unmittelbar nachvollziehbar, dass auch im Falle der Ausgestaltung
der 1 und 2 eine Minimierung der auf den
Kolben wirkenden Querkräfte erreichbar ist, wenn der Rahmen
und die Joche 20, 24 gegenüber der in 2 gezeigten Geometrie
geringfügig im Uhrzeigersinn um den Angriffspunkt der Feder 3 am
Anker 8 gedreht sind, so dass im Laufe der Schwingbewegung
die auf den Kolben übertragene Querkraft ihr Vorzeichen
wechselt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0001]