DE10203703B4

DE10203703B4 - Kolbenverdichter mit elektromagnetischem Linearmotor

Info

Publication number: DE10203703B4
Application number: DE10203703A
Authority: DE
Inventors: Hyeong Kook Lee; Jong Tae Heo
Original assignee: LG Electronics Inc
Current assignee: LG Electronics Inc
Priority date: 2001-08-17
Filing date: 2002-01-31
Publication date: 2006-02-09
Anticipated expiration: 2022-02-01
Also published as: ITMI20020144A1; US20030035743A1; JP4130548B2; DE10203703A1; KR20030015693A; JP2003065228A; KR100438605B1; CN1190592C; US6676388B2; ITMI20020144A0; CN1401900A

Abstract

Kolbenverdichter, umfassend:
einen Linearmotor (20), der eine hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens (120) mit steuerbarem Förderhub erzeugt;
einen Verdichtungszylinder (100), der in einem vorher bestimmten Abstand zum Linearmotor (20) angeordnet ist;
einen Positionssteuerungszylinder (110), der axial versetzt zum Verdichtungszylinder (100) angeordnet ist, wobei der Kolben (120) einerseits im Positionssteuerungszylinder (110) und andererseits im Verdichtungszylinder (100) axial verschieblich angeordnet ist;
eine Resonanzfeder (130), die eine Resonanzbewegung des Kolben (120) verursacht;
eine Auslasskammer (D) für das verdichtete Gas; eine Ventileinheit (150) zum Ansaugen von Gas (120) in den Verdichtungszylinder (100) durch einen Gassaugkanal (F), der im Kolben (120) gebildet ist, und zum Ausstoßen des verdichteten Gases aus dem Verdichtungszylinder (100) in die Auslasskammer (D);
ein Verbindungsrohr (160) zur Übertragung des in der Auslasskammer (D) herrschenden Gasdrucks in den Positionssteuerungszylinder (110), dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucksteuerungseinheit mit einem im Verbindungsrohr (160) angeordneten Regelventil (170) vorgesehen ist,...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter umfassend einen Linearmotor, der eine hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens mit steuerbarem Förderhub erzeugt; einen Verdichtungszylinder, der in einem vorher bestimmten Abstand zum Linearmotor angeordnet ist; einen Positionssteuerungszylinder, der axial versetzt zum Verdichtungszylinder angeordnet ist, wobei der Kolben einerseits im Positionssteuerungszylinder und andererseits im Verdichtungszylinder axial verschieblich angeordnet ist; eine Resonanzfeder, die eine Resonanzbewegung des Kolben verursacht; eine Auslasskammer für das verdichtete Gas; eine Ventileinheit zum Ansaugen von Gas in den Verdichtungszylinder durch einen Gassaugkanal, der im Kolben gebildet ist, und zum Ausstoßen des verdichteten Gases aus dem Verdichtungszylinder in die Auslasskammer; ein Verbindungsrohr zur Übertragung des in der Auslasskammer herrschenden Gasdrucks in den Positionssteuerungszylinder.
Im allgemeinen verdichtet ein Verdichter ein Gas. Ein Kolbenverdichter der vorliegenden Erfindung arbeitet so, daß ein Kolben, der direkt mit einem Motor verbunden ist, welcher eine lineare hin- und hergehende Antriebskraft erzeugt, in einem Zylinder linear hin und her bewegt wird, um ein Kältemittelgas zu verdichten.

Wie in 1 gezeigt enthält ein Kolbenverdichter, wie er beispielsweise aus der DE 199 22 511 A1 bekannt ist, einen geschlossenen Behälter 10, einen Linearmotor 20, der in dem geschlossenen Behälter 10 eingerichtet ist und eine lineare hin- und hergehende Antriebskraft erzeugt, einen hinteren Rahmen 30 und einen mittleren Rahmen 40, die jeweils beide Seiten des Motors 20 unterstützen, einen vorderen Rahmen 50, der mit einer Seite des mittleren Rahmens 40 verkuppelt ist, einen Zylinder 60, der so mit dem vorderen Rahmen 50 verkuppelt ist, daß er einen vorher bestimmten Abstand entlang einer axialen Richtung zum Linearmotor 20 aufweist; einen Kolben 70, der mit dem Linearmotor 20 verbunden und in den Zylinder 60 eingefügt ist, und der eine lineare Hin- und Herbewegung durchführt, wenn er die lineare hin- und hergehende Antriebskraft vom Linearmotor 20 empfängt; eine Ventilanordnung 80, die mit dem Zylinder 60 und dem Kolben 70 kombiniert ist und gemäß eines Druckunterschieds, welcher durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 70 erzeugt wird, Gas ansaugt und in den Zylinder abläßt; und eine Resonanzfedereinheit 90, welche die lineare Hin- und Herbewegung des Linearmotors 20 und des Kolbens 70 elastisch unterstützt.

Der Linearmotor 20 umfaßt einen zylindrischen äußeren Ständer 21, der starr mit dem hinteren Rahmen 30 und dem mittleren Rahmen 40 verkuppelt ist; einen inneren Ständer 22, der mit einem bestimmten Abstand in den äußeren Ständer 21 eingefügt ist; eine Wicklungsspule 23, die innerhalb des äußeren Ständers 21 gewickelt ist; und einen Anker (A), der jeweils mit einem bestimmten Abstand linear hin- und her beweglich zwischen dem äußeren Ständer 21 und dem inneren Ständer 22 eingefügt ist.

Der Anker (A) umfaßt einen zylindrischen Magnethalter 24 und eine Vielzahl von Dauermagneten 25, die mit der äußeren umfänglichen Seite des Magnethalters 24 entlang der umfänglichen Richtung in regelmäßigen Abständen verkuppelt sind. Der Anker (A) ist mit dem Kolben 70 verkuppelt.

Die Resonanzfedereinheit 90 umfaßt einen Halter 91, der gebogen ausgebildet ist, um eine vorher bestimmte Fläche aufzuweisen, dessen eine Seite mit einer Seite des Kolbens 70 oder des Ankers (A) verkuppelt ist, so daß der Halter zwischen dem vorderen Rahmen 50 und dem mittleren Rahmen 40 angeordnet sein kann, eine vordere Feder 92, die zwischen dem vorderen Rahmen 40 und dem mittleren Rahmen 50 angeordnet ist, und eine hintere Feder 93, die zwischen dem Halter 91 und dem mittleren Rahmen 40 angeordnet ist.

Der Ventilzusammenbau 80 umfaßt eine Auslaßumkleidung 81, welche den Verdichtungsraum (P) des Zylinders 60 abdeckt, ein Auslaßventil 82, das in der Auslaßumkleidung 81 angeordnet ist und den Verdichtungsraum (P) des Zylinders 60 öffnet und schließt, eine Ventilfeder 83, die das Auslaßventil 82 elastisch unterstützt, und ein Saugventil 84, das mit einem Ende des Kolbens 70 verkuppelt ist und einen Kühlmittelsaugkanal (F) öffnet und schließt, der im Kolben 70 ausgebildet ist.

Ein Auslaßrohr 2 ist mit einer Seite der Auslaßumkleidung 81 verkuppelt, um Gas, das auf hohe Temperatur und hohen Druck verdichtet ist, dem Auslaß zuzuführen, und ein Saugrohr 1 zur Zuleitung des Kältemittelgases in den geschlossenen Behälter 10 ist mit einer Seite des geschlossenen Behälters 10 verkuppelt, so daß es an der Seite des hinteren Rahmens 30 angeordnet ist.

Es wird nun der Betrieb des herkömmlichen Kolbenverdichters, der wie oben beschrieben gebaut ist, erklärt.

Zuerst wird, wenn der Linearmotor 20 mit einer Spannung beaufschlag wird und Strom durch die Wickelspule 23 fließt, der Anker (A), der den Dauermagneten 25 aufweist, aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluß, der an dem äußeren Ständer 21 und dem inneren Ständer 22 durch den Strom, der durch die Wicklungsspule 23 fließt, gebildet ist, und dem Dauermagneten 25 linear hin und her bewegt.

Wenn die lineare hin- und hergehende Antriebskraft des Ankers (A) auf den Kolben 70 übertragen wird, wird der Kolben 70 im Verdichtungsraum (P) innerhalb des Zylinders 60 linear hin und her bewegt, und gleichzeitig wird der Ventilzusammenbau 80 betrieben, so daß Gas in den Verdichtungsraum (P) des Zylinders gesaugt, verdichtet und abgelassen wird. Und dieser Vorgang wird wiederholt durchgeführt.

Die Resonanzfedereinheit 90 speichert die lineare kinetische Hin- und Herbewegungskraft des Linearmotors 20 als eine elastische Energie und gibt sie ab und verursacht eine Resonanzbewegung.

Wie in 2 gezeigt ist der Kolbenverdichter so zusammengesetzt, daß seine anfängliche Position (a) auf eine Weise eingerichtet ist, daß der Endabschnitt des Kolbens 70, der innerhalb des Zylinders 60 angeordnet ist, am Zentrum eines äußeren oberen Totpunkts (H_max) und eines äußeren unteren Totpunkts (L_max) angeordnet ist, wobei der Abstand zwischen den zwei Punkten einen äußeren Hubabstand (S_max) darstellt.

Im allgemeinen wird der Linearmotor mit einer Spannung beaufschlagt, die so eingestellt wird, daß ein beliebiger Hubabstand (S1) zwischen einem beliebigen oberen Totpunkt (H1) und einem beliebigen unteren Totpunkt (L1) mit Bezug auf die anfängliche Position (a), die das genaue Zentrum zwischen dem äußeren oberen Totpunkt (H_max) und dem äußeren unteren Totpunkt (L_max) darstellt, erzeugt wird, um das Kältemittelgas zu verdichten.

Das heißt, daß in dem Fall, wenn eine relativ hohe Kältemittelgasmenge im Verdichtungsraum (P) des Zylinders 60 verdichtet und abgelassen werden soll, der Hubabstand (S2) des Kolbens 70 erhöht wird, wie in 3 gezeigt, wobei er jedoch unter dem äußeren Hubabstand (S_max) bleibt, um die Menge des verdichteten Kältemittelgases zu erhöhen.

Wenn nun eine relativ geringe Kältemittelgasmenge im Verdichtungsraum (P) des Zylinders 60 verdichtet und abgelassen werden soll, wird der Hubabstand (S3) des Kolbens 70 verringert, wie in 4 gezeigt.

Zu diesem Zeitpunkt wird der Kolben ausgehend von der anfänglichen Position (a) bewegt. Wenn der Hubabstand des Kolbens 70 also verlängert wird, wird der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt des Kolbens 70 und der unteren Oberfläche des Auslaßventils 82, d.h. der obere Freiraum, verkürzt. Wenn nun der Hubabstand des Kolbens 70 verkürzt wird, wird der obere Freiraum, d.h. der Abstand zwischen dem oberen Totpunkt des Kolbens 70 und dem Auslaßventil 82, verlängert.

Obwohl die herkömmliche Bauweise insoweit einen Vorteil aufweist, als die Verdichtungsmenge des Kältemittelgases durch Steuerung des Hubabstandes unter der Spannungssteuerung steuerbar ist, so daß das Gas so weit wie gewünscht verdichtet werden kann, so wird jedoch der obere Freiraum erhöht, da der Kolben entlang des Hubabstands bewegt wird, der auf der Grundlage der anfänglichen Position, der Mitte zwischen dem äußeren oberen Totpunkt und dem äußeren unteren Totpunkt, eingerichtet ist. Aufgrund des erhöhten oberen Freiraums wird ein Totvolumen erhöht, wodurch eine Verdichtungseffizienz herabgesetzt wird.

Aus der DE 605 241 C ist ferner ein Kolbenverdichter bekannt, bei dem neben der üblichen zu Verdichtungszwecken dienenden Kolben-Zylinder-Anordnung noch eine weitere Kolben-Zylinder-Anordnung vorgesehen ist. Die weitere Kolben-Zylinder-Anordnung dient dabei als Dämpfungselement einer Resonanzfedereinheit, um ein Aufschaukeln einer Schwingung zu vermeiden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ausgehend von dem eingangs genannten Kolbenverdichter einen Kolbenverdichter bereitzustellen, der in der Lage ist, einen Kolbenhubabstand zur Steuerung einer Verdichtungsmenge eines Kältemittelgases zu steuern und ein Totvolumen zu minimieren.

Die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe wird bei einem Kolbenverdichter der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß eine Drucksteuerungseinheit mit einem im Verbindungsrohr angeordneten Regelventil vorgesehen ist, durch welches der Druck im Positionssteuerungszylinder derart angesteuert wird, dass der Freiraum zwischen dem Kolben und dem Verdichtungszylinder im oberen Totpunkt des Kolbens in allen Förderzuständen konstant erhalten bleibt.

Die oben genannten und andere Aufgaben, Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung der vorliegenden Erfindung im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlicher hervor.
Die beigefügten Zeichnungen, die enthalten sind, um ein weiteres Verstehen der Erfindung bereitzustellen, und die in der Beschreibung enthalten sind und ein Teil von ihr bilden, zeigen Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Grundsätze der Erfindung zu erklären.
1 ist eine vertikale Querschnittansicht, die einen Kolbenverdichter gemäß der herkömmlichen Technik zeigt;
2 ist eine Querschnittansicht, die einen äußeren oberen Totpunkt, einen äußeren unteren Totpunkt und einen beliebigen Hubabstand (S1) der Bewegung eines Kolbens zeigt, wenn der Kolbenverdichter ein Kältemittelgas eines Verdichters gemäß der herkömmlichen Technik verdichtet;
3 ist eine Querschnittansicht, die einen Hubabstand (S2) der Bewegung des Kolbens zeigt, wenn eine relativ hohe Menge des Kältemittelgases gemäß der herkömmlichen Technik verdichtet wird;
4 ist eine Querschnittansicht, die einen Hubabstand (S3) der Bewegung des Kolbens zeigt, wenn eine relativ geringe Menge des Kältemittelgases gemäß der herkömmlichen Technik verdichtet wird;
5 ist eine vertikale Querschnittansicht, die einen Kolbenverdichter zeigt, welcher eine Gasverdichtungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist;
6 ist eine Querschnittansicht, die eine geänderte anfängliche Position (a4) und einen Hubabstand (S4) in dem Falle zeigt, wenn eine relativ hohe Menge einer Kältemittelgasverdichtungsmenge vorhanden ist, wenn das Kältemittelgas des Kolbenverdichters verdichtet wird; und
7 ist eine Querschnittansicht, die eine geänderte anfängliche Position (a5) und einen Hubabstand (S5) in dem Falle zeigt, wenn eine relativ geringe Menge einer Kältemittelgasverdichtungsmenge vorhanden ist, wenn das Kältemittelgas des Kolbenverdichters verdichtet wird.
Es wird nun detailliert auf die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, die in den beiliegenden Zeichnungen beispielhaft dargestellt sind.
5 ist eine vertikale Querschnittansicht, die einen Kolbenverdichter zeigt, welcher eine Gasverdichtungsvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
Erstens ist, wie in 5 gezeigt, in einem Kolbenverdichter ein Linearmotor 20 zur Erzeugung der linearen hin- und hergehenden Antriebskraft in einem Behälter 10 befestigt, der einen vorher bestimmten Innenraum aufweist, und ein hinterer Rahmen 30 und ein mittlerer Rahmen 40 sind an beiden Seiten des Linearmotors 20 verkuppelt.
Der Linearmotor 20 umfaßt einen zylindrischen äußeren Ständer 21, der starr mit dem hinteren Rahmen 30 und dem mittleren Rahmen 40 verkuppelt ist, einen inneren Ständer 22, der mit einem bestimmten Abstand in den äußeren Ständer 21 eingefügt ist; eine Wicklungsspule 23, die mit dem äußeren Ständer 21 verkuppelt ist, und einen Anker (A), der linear hin- und her beweglich zwischen dem äußeren Ständer 21 und dem inneren Ständer 22 eingefügt ist.
Der innere Ständer 22 ist so ausgebildet, daß er eine zylindrische Form mit einer vorher bestimmten Dicke und Breite aufweist.
Der Anker (A) enthält einen zylindrischen Magnethalter 24 und eine Vielzahl von Dauermagneten 25, die mit dem Magnethalter 24 in einem vorher bestimmten Abstand verkuppelt sind.
Ein vorderer Rahmen 50, der eine vorher bestimmte Form aufweist, ist mit dem mittleren Rahmen 40 verkuppelt, und ein Verdichtungszylinder 100 ist in ein Durchgangsloch gekuppelt, das so ausgebildet ist, daß es den vorderen Rahmen 50 durchdringt.
Ein Positionssteuerungszylinder 110 ist am inneren Ständer 22 des Linearmotors angekuppelt und der variable Kolben 120, der in den Verdichtungszylinder 100 und den Positionssteuerungszylinder 110 eingefügt ist, ist mit dem Anker (A) des Linearmotors 20 verbunden.
Der Verdichtungszylinder 100 umfaßt einen Zylinderkörperabschnitt 101 mit einer vorher bestimmten Länge und einen Absatzabschnitt 102, der erweitert so an einem Endabschnitt des Zylinderkörperabschnitts 101 ausgebildet ist, daß er eine vorher bestimmte Breite und Höhe aufweist.
Der Zylinderkörperabschnitt 101 des Verdichtungszylinders 100 ist in das Durchgangsloch des vorderen Rahmens 50 eingefügt, und der Absatzabschnitt 102 ist am Endabschnitt des vorderen Rahmens 50 in Eingriff genommen.
Der Positionssteuerungszylinder 110 umfaßt einen Zylinderkörperabschnitt 111, der einerseits eine geschlossene und andererseits eine geöffnete Stirnseite aufweist, wobei der Kolben 120 zum Teil in die offene Stirnseite eintaucht und wobei das Verbindungsrohr (160) zwischen dem Kolben 120 und der geschlossenen Stirnseite des Zylinderkörperabschnitts 111 über ein Verbindungsloch 114 in den Innenraum des Positionssteuerungszylinders 110 mündet. Ferner umfaßt der Positionssteuerungszylinder 110 einen Zusatzabschnitt 113, der außen bogenförmig an einem Endabschnitt der geöffneten Stirnseite des Körperabschnitts angeordnet ist, wobei er eine Vielzahl von Gasdurchgangslöchern 112 aufweist, durch welche das Kältemittelgas strömt, und an einem anderen Bauteil befestigt ist sowie ein Verbindungsloch, das so ausgebildet ist, daß es eine Seite des Zylinderkörperabschnitts 111 durchdringt.
Der variable Kolben 120 umfaßt einen zylindrischen Körperabschnitt 121, der eine vorher bestimmte Länge aufweist und dessen beide Enden geschlossen sind, wobei die beiden Enden in den Verdichtungszylinder 100 und in den Positionssteuerungszylinder 110 eingefügt sind, einen Verbindungshalter 122, der erweitert so ausgebildet ist, daß er eine vorher bestimmte Fläche zu einer äußeren Umfangsfläche des zylindrischen Körperabschnitts 121 aufweist, und einen Kältemittelgassaugkanal, der ein Saugloch 123, das an einer Seite des zylindrischen Körperabschnitts 121 ausgebildet ist, und ein Ausflußloch 124 aufweist, durch welches das Kältemittelgas, das in das Saugloch 123 gesaugt wurde, durch den zylindrischen Körperabschnitt 121 in den Verdichtungszylinder 100 eingeführt wird.
Beim variablen Kolben 120 ist die Seite des zylindrischen Körperabschnitts 121, an der das Ausflußloch 124 ausgebildet ist, in den Verdichtungszylinder 100 eingefügt, die entgegengesetzte Seite des zylindrischen Körperabschnitts 121 ist in den Positionssteuerungszylinder 110 eingefügt, und der Verbindungshalter 122 ist mit dem Anker (A) des Linearmotors 20 verbunden.
Eine Vielzahl von Resonanzfedern 130, die den variablen Kolben 120 unterstützen, sind an beiden Seiten des Verbindungshalters 122 des variablen Kolbens 120 angeordnet.
Das heißt, die Vielzahl von Resonanzfedern 130 sind zwischen einer Seite des Verbindungshalters 122 des variablen Kolbens 120 und dem mittleren Rahmen 40 verkuppelt, die Vielzahl von Resonanzfedern 130 sind zwischen der Außenseite des Verbindungshalters 122 des variablen Kolbens 120 und dem vorderen Rahmen 50 verkuppelt.
Eine Auslaßumkleidung 140 ist an einem Endabschnitt des Verdichtungszylinders 100 verkuppelt, um den Verdichtungszylinder 100 abzudecken. Die Auslaßumkleidung 140 bildet bzw. umschließt eine Auslaßkammer (D) zum Ablassen des Kältemittelgases, das im Verdichtungszylinder 100 verdichtet wurde.
Eine Ventileinheit 150 ist vorgesehen, um das Gas durch den Gassaugkanal, der im variablen Kolben 120 ausgebildet ist, gemäß der linearen Hin- und Herbewegung des variablen Kolbens 120 in den Verdichtungszylinder 100 zu saugen, und das Gas, das im Verdichtungszylinder verdichtet wurde, in die Auslaßkammer (D) der Auslaßumkleidung 140 abzulassen.
Die Ventileinheit 150 umfaßt ein Auslaßventil 151, das in der Auslaßumkleidung 140 angeordnet ist, um den Innenraum des Verdichtungszylinders 100 zu öffnen und zu schließen, eine Ventilfeder 152, die das Auslaßventil 151 elastisch unterstützt, und ein Saugventil 153, das mit einem Ende des variablen Kolbens 120 verkuppelt ist, um das Ausflußloch 124, das im variablen Kolben 120 ausgebildet ist, zu öffnen und zu schließen.
Ein Auslaßrohr 2 ist mit einer Seite der Auslaßumkleidung 140 verkuppelt, um das Hochdruckgas, das in die Auslaßkammer (D) abgelassen wurde, dem Auslaß nach außerhalb zuzuführen. Ein Verbindungsrohr 160 ist an das Auslaßrohr 2 angeschlossen, um einen Teil des Kältemittelgases, das in das Auslaßrohr 2 abgelassen wurde, in den Innenraum des Positionssteuerungszylinders 110 zu leiten.
Das Verbindungsrohr 160 umfaßt ein Regelventil 170, das an einer Seite des Verbindungsrohrs 160 ausgebildet und in der Lage ist, den Druck des Kältemittelgases im Verbindungsrohr 160 und im Innenraum des Positionssteuerungszylinders 110 zu steuern.
Es wird als Regelventil 170 ein elektronisches Ventil bevorzugt, das in drei Richtungen zur Durchleitung einer Richtung eines Durchstroms bewegbar ist.
Bezugszeichen 1 bezeichnet ein Saugrohr zur Einleitung des Kältemittelgases.
Es wird nun die Betriebswirkung der Gasverdichtungsvorrichtung für einen Kolbenverdichter beschrieben.
Zuerst wird, wenn der Linearmotor 20 mit einer Spannung beaufschlagt wird und Strom durch die Wickelspule 23 fließt, der Anker (A), der den Dauermagneten 25 aufweist, aufgrund der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluß, der an dem äußeren Ständer 21 und dem inneren Ständer 22 durch den Strom, der durch die Wicklungsspule 23 fließt, gebildet ist, und dem Dauermagneten 25 linear hin und her bewegt.
Wenn die lineare hin- und hergehende Antriebskraft des Ankers (A) auf den variablen Kolben 120 übertragen wird, wird der variable Kolben 120 im Verdichtungszylinder 100 und im Positionssteuerungszylinder 110 linear hin und her bewegt, und gleichzeitig wird die Ventileinheit 150 betrieben, so daß das Kältemittelgas in den Innenraum des Verdichtungszylinders 100 gesaugt, verdichtet und abgelassen wird. Und dieser Vorgang wird wiederholt durchgeführt.
Zu diesem Zeitpunkt wird das Kältemittelgas auf eine Weise in den Verdichtungszylinder 100 gesaugt, daß das Kältemittelgas, welches in das Saugrohr 1 gesaugt wird, aufgrund eines Druckunterschieds im Verdichtungszylinder 100 durch ein Loch (nicht gezeigt) strömt, das durchdringend am mittleren Abschnitt des hinteren Rahmens 30 ausgebildet ist, und durch das Gasdurchgangsloch 112 des Positionssteuerungszylinders 110 in das Saugloch 123 des variablen Kolbens 120 gesaugt wird.
Das Kältemittelgas, das in das Saugloch 123 des variablen Kolbens 120 gesaugt wird, durchströmt das Innere und wird durch das Ausflußloch 124, das am Endabschnitt des variablen Kolbens 120 und des Saugventils 153 ausgebildet ist, in den Innenraum des Verdichtungszylinders 100 gesaugt.
Das Kältemittelgas, das, nachdem es im Verdichtungszylinder 100 verdichtet wurde, abgelassen wird, durchströmt die Auslaßkammer (D) der Auslaßumkleidung 140 und wird durch das Auslaßrohr 2 nach außerhalb abgelassen, und ein Teil des Hochdruckkältemittelgases, das in das Auslaßrohr 2 abgelassen wurde, wird durch das Verbindungsrohr 160 in den Innenraum des Positionssteuerungszylinders 110 eingeleitet, so daß ein Innenraumdruck des Positionssteuerungszylinders 110 auf einem vorher eingerichteten Druckstatus aufrechterhalten wird, um eine anfängliche Position des variablen Kolbens 120 einzurichten. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich das Regelventil 170 im geöffneten Status.
Die Vielzahl von Resonanzfedern 130 speichern die lineare Hin- und Herbewegungskraft des Linearmotors 20 als eine elastische Energie und geben sie ab und verursachen gleichzeitig eine Resonanzbewegung.
Die anfängliche Position des variablen Kolbens 120 ist auf der Grundlage des Endabschnitts des variablen Kolbens 120 angeordnet, der im Verdichtungszylinder 100 angeordnet ist, und der Bezugsendabschnitt des variablen Kolbens 120 ist zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt des variablen Kolbens 120 angeordnet, d.h. genau im Zentrum des Hubabstands.
Nachdem die anfängliche Position des Bezugsendabschnitts des variablen Kolbens 120 an einer beliebigen Bezugsposition, die eingestellt werden soll, angeordnet ist, wird der Linearmotor so mit einer Spannung beaufschlagt, daß die Position des oberen Totpunkts und des unteren Totpunkts der anfänglichen Position des variablen Kolbens 120, d.h., der Hubabstand, eingestellt wird.
Infolgedessen wird, wenn eine relativ hohe Menge Kältemittelgas abgelassen werden soll, der Hubabstand so gesteuert, daß er groß ist, während, wenn eine relativ geringe Menge Kältemittelgas abgelassen werden soll, der Hubabstand so gesteuert wird, daß er gering ist.
Wenn der Öffnungsgrad des Verbindungsrohrs 160 zur selben Zeit gesteuert wird, wenn der Linearmotor mit einer Spannung beaufschlagt wird, wird ein Teil des Hochdruckkältemittelgases, das in das Auslaßrohr 2 abgelassen wurde, nachdem es aus dem Verdichtungszylinder 100 abgelassen wurde, in den Positionssteuerungszylinder 110 eingeleitet, um den Druck im Positionssteuerungszylinder 110 zu steuern.
Dementsprechend wird der variable Kolben 120 aufgrund des Drucks im Positionssteuerungszylinder 110 in den Verdichtungszylinder 100 bewegt, oder er wird in den Positionssteuerungszylinder 110 bewegt und dort hin- und herbewegt.
Der Positionssteuerungszylinder 110 dient dank des Drucks des Kältemittelgases, das hineingefüllt wird, wenn der variable Kolben 120 hin- und herbewegt wird, als Gasfeder.
Mit anderen Worten, in einem Status, in dem eine anfängliche Position des variablen Kolbens 120 entsprechend dem Druckstatus im Positionssteuerungszylinder 110 zum Verdichtungszylinder 100 bewegt wird, saugt der variable Kolben 120 das Kältemittelgas an, verdichtet es und läßt es ab, während er sich im Hubabstand, der durch die Spannung gesteuert wird, bewegt.
6 ist eine Querschnittansicht, die eine geänderte anfängliche Position (a4) und einen Hubabstand (S4) in dem Falle zeigt, wenn eine relativ hohe Menge einer Kältemittelgasverdichtungsmenge vorhanden ist, wenn das Kältemittelgas des Kolbenverdichters verdichtet wird.
Wie in 6 gezeigt, wird in einem Status, in dem der Bezugsendabschnitt des variablen Kolbens 120 im genauen Zentrumsabschnitt (a) zwischen einem äußeren oberen Totpunkt (H_max) und einem äußeren unteren Totpunkt (L_max) angeordnet ist, wenn eine hohe Kältemittelgasmenge, jedoch weniger als die maximal verfügbare Gasverdichtungsmenge, verdichtet werden soll, die Spannung so gesteuert, daß ein Hubabstand (S4) des variablen Kolbens 120 erhalten wird, der für die eingerichtete Verdichtungsmenge geeignet ist, und gleichzeitig wird durch Steuerung des Regelventils 170 ein Teil des Hochdruckkältemittelgases in den Positionssteuerungszylinder 110 eingeleitet, um einen vorher eingerichteten Druckstatus zu erreichen.
Wenn der Bezugsendabschnitt des variablen Kolbens 120 so bewegt wird, daß er an der Bezugsposition (a4) angeordnet ist, wird der variable Kolben 120 durch geeignete Spannungssteuerung zum oberen Totpunkt (H4) oder zum unteren Totpunkt (L4) bewegt, wodurch das Kältemittelgas verdichtet wird.
7 ist eine Querschnittansicht, die eine geänderte anfängliche Position (a5) und einen Hubabstand (S5) in dem Falle zeigt, wenn eine relativ geringe Menge einer Kältemittelgasverdichtungsmenge vorhanden ist, wenn das Kältemittelgas des Kolbenverdichters verdichtet wird.
Wie in 7 gezeigt, wird, wenn eine geringere Menge von Kältemittelgas verdichtet wird, die Spannung so gesteuert, daß ein Hubabstand (S5) erhalten wird, der für die eingerichtete Verdichtungsmenge geeignet ist, und gleichzeitig wird das Regelventil 170 so gesteuert, daß der Druck im Positionssteuerungszylinder 110 erhöht wird. Dann wird die Bezugsendposition des variablen Kolbens 120 von der eingerichteten Bezugsposition (a4) zum Verdichtungszylinder 100 bewegt, so daß sie an der Position (a5) angeordnet ist, wo der variable Kolben 120 im Hubabstand (S5) hin- und herbewegt wird, um das Kältemittelgas zu verdichten.
D.h., daß der Hubabstand des variablen Kolbens 120 abhängig von der Verdichtungsmenge des Kältemittelgases, das abgelassen werden soll, gesteuert wird, und die anfängliche Position des variablen Kolbens 120 wird gesteuert, so daß der obere Freiraum des variablen Kolbens 120 kontinuierlich auf einem bestimmten Abstand aufrechterhalten werden kann.
Folglich wird bei einem relativ großen Hubabstand, um eine relativ hohe Menge des Kältemittelgases zu verdichten, der Druck im Positionssteuerungszylinder 110 erhöht, so daß die Bezugsposition des variablen Kolbens 120 so weit in Richtung des Verdichtungszylinders 100 bewegt wird, wie die Differenz zwischen dem äußeren Hubabstand und dem vorher eingerichteten Hubabstand beträgt, wodurch der obere Freiraum des variablen Kolbens 120 kontinuierlich aufrechterhalten bleibt.
Ist nun der Hubabstand relativ klein, um eine relativ geringe Menge des Kältemittelgases zu verdichten, wird der Druck im Positionssteuerungszylinder 110 erhöht, so daß die Bezugsposition des variablen Kolbens 120 in Richtung des Verdichtungszylinders 100 bewegt wird, wodurch der obere Freiraum des variablen Kolbens 120 kontinuierlich aufrechterhalten bleibt.
Entsprechend bleibt, selbst wenn die anfängliche Position des variablen Kolbens 120 durch Verwendung des Positionssteuerungszylinders 110 zur Verdichtungsmenge des Kältemittelgases, das abgelassen werden soll, geändert würde, der obere Freiraum des variablen Kolbens 120 kontinuierlich aufrechterhalten, so daß ein Totvolumen verringert werden kann.
Wie insoweit beschrieben weist die Gasverdichtungsvorrichtung für einen Kolbenverdichter zahlreiche Vorteile auf.
Erstens kann z.B. die Gasverdichtungsmenge durch Steuerung des Hubabstandes des variablen Kolbens entsprechend der Spannungssteuerung des Motors und gleichzeitig durch Steuerung der Bezugsposition des variablen Kolbens für den Hubabstand des variablen Kolbens gesteuert werden.
Zweitens kann, da der obere Freiraum des variablen Kolbens ständig aufrechterhalten bleibt, das Gas so weit wie erforderlich verdichtet werden, eine Leistungsfähigkeit des Systems kann durch Verhinderung eines Kältemittelgasverdichtungsverlusts erhöht werden.
Schließlich kann, da das Totvolumen minimiert ist, eine Leistungsfähigkeit des Verdichters durch Verhinderung eines Wiederausdehnungsverlusts verbessert werden.

Claims

Kolbenverdichter, umfassend: einen Linearmotor (20), der eine hin- und hergehende Bewegung eines Kolbens (120) mit steuerbarem Förderhub erzeugt; einen Verdichtungszylinder (100), der in einem vorher bestimmten Abstand zum Linearmotor (20) angeordnet ist; einen Positionssteuerungszylinder (110), der axial versetzt zum Verdichtungszylinder (100) angeordnet ist, wobei der Kolben (120) einerseits im Positionssteuerungszylinder (110) und andererseits im Verdichtungszylinder (100) axial verschieblich angeordnet ist; eine Resonanzfeder (130), die eine Resonanzbewegung des Kolben (120) verursacht; eine Auslasskammer (D) für das verdichtete Gas; eine Ventileinheit (150) zum Ansaugen von Gas (120) in den Verdichtungszylinder (100) durch einen Gassaugkanal (F), der im Kolben (120) gebildet ist, und zum Ausstoßen des verdichteten Gases aus dem Verdichtungszylinder (100) in die Auslasskammer (D); ein Verbindungsrohr (160) zur Übertragung des in der Auslasskammer (D) herrschenden Gasdrucks in den Positionssteuerungszylinder (110), dadurch gekennzeichnet, dass eine Drucksteuerungseinheit mit einem im Verbindungsrohr (160) angeordneten Regelventil (170) vorgesehen ist, durch welches der Druck im Positionssteuerungszylinder (110) derart angesteuert wird, dass der Freiraum zwischen dem Kolben (120) und dem Verdichtungszylinder (100) im oberen Totpunkt des Kolbens (120) in allen Förderzuständen konstant erhalten bleibt.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1, wobei der Positionssteuerungszylinder (110) einen Zylinderkörperabschnitt (111) umfaßt, der einerseits eine geschlossene und andererseits eine geöffnete Stirnseite aufweist, wobei der Kolben (120) zum Teil in die geöffnete Stirnseite eintaucht und wobei das Verbindungsrohr (160) zwischen dem Kolben (120) und der geschlossenen Stirnseite des Zylinderkörperabschnitts (111) über ein Verbindungsloch (114) in den Innenraum des Positionssteuerungszylinders (110) mündet.
Kolbenverdichter nach Anspruch 1, wobei ein Auslaßrohr (2) zum Ablassen des verdichteten Gases nach außerhalb an einer Seite einer Auslaßumkleidung (140) der Auslaßkammer (D) angeschlossen ist und eine Seite des Verbindungsrohrs (160) mit dem Auslaßrohr (2) in Verbindung steht.