WO2006069873A1 - Linearverdichter - Google Patents

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Jan-Grigor Schubert
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids

Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor, in particular a linear compressor, which is suitable for compressing refrigerant in a refrigerator.
  • a linear compressor having a pumping chamber in which a piston is reciprocable is fixed to a frame fixed to the pumping chamber, to which a vibrating body is reciprocated by at least one spring, one mounted to the frame Electromagnet for driving the reciprocating motion of the vibrating body and a piston rod known, which connects the vibrating body to the piston.
  • the spring is a diaphragm spring, the edge of which is fastened to the annular space surrounding the pumping chamber and screwed to the center of the cup-shaped oscillating body and one end of the piston rod.
  • the other end of the piston rod is spherical and engages a cup formed on the piston so that the piston rod and the piston are pivotally movable with respect to one another.
  • the pivotal mobility prevents the transmission of torque from the vibrating body via the piston rod to the piston, which could cause the piston in the pumping chamber to tilt and become difficult to move.
  • the piston In order to achieve sufficient security against tilting, the piston must have a considerable length. Accordingly, a lot of space for the piston is required in the pumping chamber, so that the ratio of pumping chamber volume to throughput is rather unfavorable.
  • piston rod can also transmitted transversely to the direction of movement of the piston in the pumping chamber oriented forces on the piston, this against a
  • the gas film formed along the side wall prevents direct contact between the pump chamber wall and the piston, if the gas flow rate is high enough.
  • the object of the invention is to provide a linear compressor in which the transmission of lateral forces from the vibrating body is minimized to the piston.
  • the object is achieved in that the connection of a jointed with the piston Mattertragerstange is formed with the oscillating body by a second joint.
  • the Studentstange can thus essentially only tensile and shear forces transmitted to the piston, but no significant lateral forces.
  • the two joints can be particularly simple and inexpensive each formed by an elastically flexible rod.
  • this rod is formed in one piece with the Sprinttragerstange and thinner than this, in order to achieve the required degree of flexibility.
  • the first joint preferably connects the Studentstange with a rigidly anchored to the piston and guided in the pumping chamber piston rod.
  • Fig. 1 is a perspective view of a linear compressor according to the invention
  • Fig. 2 in detail the Mattertragerstange, the pumping chamber and a part of
  • the linear compressor shown in Figure 1 in perspective view has a rigid, in plan view in approximately U-shaped frame, which is composed of three parts, namely two flat wall pieces 1 and a sheet 2. Between facing narrow sides of the sheet 2 and the two wall pieces 1, a first diaphragm spring 3 is clamped; a second diaphragm spring 4 of the same shape as the diaphragm spring 3 is attached to the side facing away from the bow narrow sides of the wall pieces 1.
  • the stamped from spring plate diaphragm springs 3, 4 each have an elongated edge strip which covers the narrow sides of the wall pieces 1, and four spring arms 5 which extend in a zigzag from the ends of the edge strips to a central portion 6, where they meet.
  • the central portion 6 has three holes, two outer to which by means of screws or rivets 7, a permanent magnetic oscillating body 8 is suspended, and a central bore through which in the diaphragm spring 3 a to the oscillating body 8, z. B. by screw fastened rod portion 10 extends.
  • the rod portion 10 is connected to a transmission rod 9 formed in the present case of spring steel via a flexibly flexible tapered portion 11.
  • a second tapered portion 12 connects the transmission rod 11 integrally with a piston rod 13, which engages in a pumping chamber 14 supported by the arc 2, is guided through a bore in an end wall of the pumping chamber and in the pumping chamber 14 with a movable piston 15 (see Figure 2) is connected.
  • Two electromagnets with E-shaped yoke and a wound around the middle leg of the E coil are each arranged between the oscillating body 8 and the wall pieces 1 with the oscillating body facing pole pieces and serve to drive a vibrating movement of the vibrating body.
  • the pumping chamber 14 is annularly surrounded by a cavity 16 which communicates with the pumping chamber 14 through a plurality of openings 17 in its side wall and which is fed via a passage 18 with compressed gas branched from a pressure port 19 of the pumping chamber.
  • the penetrating through the openings 17 in the pumping chamber 14 compressed gas forms on the side wall a cushion on which the piston 15 slides substantially frictionless.
  • the transmitter rod 9, as shown in Figure 2 extends straight between the vibrating body 8 and the piston 15, and the directions of movement of the vibrating body 8 and the piston 15 are exactly parallel.
  • deviations from such an ideal configuration always occur due to manufacturing tolerances, be it that the pump chamber 14 is not exactly aligned with the oscillating body 8, or that due to tolerances in the attachment of the diaphragm spring 3, 4 on the frame and the oscillating body. 8 the direction of movement of the oscillating body 8 does not coincide with that of the piston 15.
  • FIG. 3 shows in a representation analogous to FIG. 2 the case of a lateral offset between oscillating body 8 and piston 15.
  • the longitudinal axes of head portion 10 and piston rod 13 are parallel, but not collinear. The deviation is absorbed by a slight elastic bending of the tapered sections, 12 and a slight inclination of the Mattertragerstange 9.
  • the piston 15 reciprocates in the pumping chamber 14, without him acting on significant tilting torques or lateral forces, the piston 15 Press against a wall of the pumping chamber 14.
  • the clearance between the piston 15 and pump chamber wall can therefore be kept small, so that only a small gas flow rate is required for the storage of the piston 15 and a correspondingly high efficiency of the compressor can be achieved.
  • Figure 4 shows the case of a not exactly parallel alignment of the directions of movement of the oscillating body 8 and piston 15. This is compensated by means of the flexible tapered sections 11, 12, wherein the Sprintmanbar 9, as shown in each case by dashed lines, not between the reversal points of their movement only a shift, but also performs a slight turn.
  • the tapered sections 11, 12 could also be replaced by ball joints or cardan joints;
  • the version with tapered sections is particularly suitable for miniaturization and inexpensive to manufacture.

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Abstract

Ein Linearverdichter hat eine Pumpkammer (14), in der ein Kolben (15) hin und her beweglich ist, einen mit der Pumpkammer (14) fest verbundenen Rahmen (1, 2), an dem ein Schwingkörper (8) über wenigstens eine Feder (4, 5) hin und her beweglich gehalten ist, wenigstens einen an dem Rahmen (1, 2) montierten Elektromagneten zum Antreiben der Hin- und Herbewegung des Schwingkörpers (8). Eine Übertragerstange (9) ist durch ein erstes Gelenk (12) mit dem Kolben (15) und durch ein zweites Gelenk (11) mit dem Schwingkörper (8) verbunden.

Description

Linearverdichter
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere einen Linearverdichter, der zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät geeignet ist.
Aus US 6 642 377 B2 ist ein Linearverdichter mit einer Pumpkammer, in der ein Kolben hin und her beweglich ist, einem mit der Pumpkammer fest verbundenen Rahmen, an dem ein Schwingkörper über wenigstens eine Feder hin und her beweglich ist, einem an dem Rahmen montierten Elektromagneten zum Antreiben der Hin- und Herbewegung des Schwing körpers und einer Kolbenstange bekannt, die den Schwingkörper mit dem Kolben verbindet.
Die Feder ist eine Membranfeder, deren Rand an dem die Pumpkammer ringförmig umgebenden Rahmen befestigt ist und an deren Mittelpunkt der becherförmige Schwingkörper und ein Ende der Kolbenstange verschraubt sind. Das andere Ende der Kolbenstange ist kugelförmig und greift in einen am Kolben geformten Napf ein, so dass die Kolbenstange und der Kolben in Bezug zueinander schwenkbeweglich sind. Die Schwenkbeweglichkeit verhindert die Übertragung von Drehmomenten vom Schwingkörper über die Kolbenstange auf den Kolben, die dazu führen könnten, dass der Kolben in der Pumpkammer verkantet und schwer beweglich wird. Um eine hinreichende Sicherheit gegen Verkanten zu erzielen, muss der Kolben eine beträchtliche Länge aufweisen. In der Pumpkammer wird dementsprechend viel Platz für den Kolben benötigt, so dass das Verhältnis von Pumpkammervolumen zu Durchsatz eher ungünstig ist.
Die Kolbenstange kann jedoch auch quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens in der Pumpkammer orientierte Kräfte auf den Kolben übertragen, die diesen gegen eine
Seitenwand der Pumpkammer drücken. Ein schleifender Kontakt zwischen dem Kolben und der Seitenwand würde zu erheblichem Reibverschleiß führen, so dass in besagter
Schrift vorgeschlagen wird, zwischen der Seitenwand und dem Kolben ein Luftlager, das einen solchen Kontakt verhindern soll, zu erzeugen, indem verdichtetes Gas von der Hochdruckseite des Linearverdichters abgezweigt und Öffnungen in der Seitenwand in die
Pumpkammer zurückgeführt wird. Der dabei entlang der Seitenwand gebildete Gasfilm verhindert einen unmittelbaren Kontakt zwischen Pumpkammerwand und Kolben, sofern der Gasdurchsatz hoch genug ist.
Je größer die Querkräfte sind, die die Kolbenstange auf den Kolben ausüben kann, um so mehr Gas muss rückgeführt werden, um den Kontakt des Kolbens mit der Wand zu verhindern. Dadurch wird der Wirkungsgrad des Verdichters vermindert.
Aufgabe der Erfindung ist, einen Linearverdichter zu schaffen, bei dem die Übertragung von Querkräften vom Schwingkörper auf den Kolben minimiert ist.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Verbindung einer gelenkig mit dem Kolben verbundenen Übertragerstange mit dem Schwingkörper durch ein zweites Gelenk gebildet ist. Die Übertragerstange kann so im wesentlichen nur Zug- und Schubkräfte auf den Kolben übertragen, aber keine nennenswerten seitlichen Kräfte.
Die zwei Gelenke können besonders einfach und preiswert jeweils durch einen elastisch biegsamen Stab gebildet sein.
Vorzugsweise ist dieser Stab jeweils einteilig mit der Übertragerstange ausgebildet und dünner als diese, um das erforderliche Maß an Biegsamkeit zu erreichen.
Das erste Gelenk verbindet vorzugsweise die Übertragerstange mit einer starr am Kolben verankerten und in der Pumpkammer geführten Kolbenstange.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eins Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearverdichters;
Fig. 2 im Detail die Übertragerstange, die Pumpkammer und einen Teil des
Schwingkörpers bei idealer Ausrichtung; und Figs. 3 und 4 jeweils in Analogie zu Fig. 2 zwei praktisch relevante Fälle von nicht idealer Ausrichtung von Kolben und Schwingkörper.
Der in Figur 1 in perspektivischer Ansicht gezeigte Linearverdichter hat einen steifen, in Draufsicht in etwa U-förmigen Rahmen, der aus drei Teilen, nämlich zwei flachen Wandstücken 1 und einem Bogen 2, zusammengesetzt ist. Zwischen einander zugewandten Schmalseiten des Bogens 2 und der zwei Wandstücke 1 ist eine erste Membranfeder 3 eingespannt; eine zweite Membranfeder 4 von gleicher Gestalt wie die Membranfeder 3 ist an den vom Bogen abgewandten Schmalseiten der Wandstücke 1 befestigt. Die aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben jeweils einen langgestreckten Randstreifen, der die Schmalseiten der Wandstücke 1 überdeckt, und vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den Enden der Randstreifen aus zu einem Mittelabschnitt 6 erstrecken, an dem sie zusammentreffen. Der Mittelabschnitt 6 weist jeweils drei Bohrungen auf, zwei äußere, an denen mit Hilfe von Schrauben oder Nieten 7 ein permanentmagnetischer Schwingkörper 8 aufgehängt ist, und eine mittlere Bohrung, durch die sich bei der Membranfeder 3 ein an den Schwingkörper 8, z. B. durch Verschraubung befestigter Stangenabschnitt 10 erstreckt. Der Stangenabschnitt 10 ist mit einer im vorliegenden Fall aus Federstahl gebildeten Übertragungsstange 9 über einen flexibel biegsamen verjüngten Abschnitt 11 verbunden. Ein zweiter verjüngter Abschnitt 12 verbindet die Übertragungsstange 11 einteilig mit einer Kolbenstange 13, die in eine von dem Bogen 2 getragene Pumpkammer 14 eingreift, durch eine Bohrung in einer Stirnwand der Pumpkammer geführt ist und in der Pumpkammer 14 mit einem darin beweglichen Kolben 15 (siehe Figur 2) verbunden ist.
Zwei Elektromagnete mit E-förmigen Joch und einer um den mittleren Schenkel des E gewickelten Spule sind jeweils zwischen dem Schwingkörper 8 und den Wandstücken 1 mit dem Schwingkörper zugewandten Polschuhen angeordnet und dienen zum Antreiben einer Schwingbewegung des Schwing körpers 8.
Da die starr mit dem Kolben 15 verbundene Kolbenstange 13 in der stirnseitigen Bohrung der Pumpkammer 14 geführt ist, ist der Kolben 15 gegen Verkanten geschützt, auch wenn seine Ausdehnung in Richtung der Hin- und Herbewegung gering ist. Der Kolben 15 belegt daher wenig Platz in der Pumpkammer 14, so dass ein großes wirksames Volumen bei kleinen Außenabmessungen erreicht wird. - A -
Die Pumpkammer 14 ist von einem Hohlraum 16 ringförmig umgeben, der mit der Pumpkammer 14 durch eine Vielzahl von Öffnungen 17 in deren Seitenwand kommuniziert und der über einen Durchgang 18 mit von einem Druckanschluss 19 der Pumpkammer abgezweigtem verdichtetem Gas gespeist ist. Das durch die Öffnungen 17 in die Pumpkammer 14 eindringende Druckgas bildet an der Seitenwand ein Kissen, auf dem der Kolben 15 im wesentlichen reibungsfrei gleitet.
Im Idealfall erstreckt sich die Übertragerstange 9, wie in Figur 2 gezeigt, geradlinig zwischen dem Schwingkörper 8 und dem Kolben 15, und die Bewegungsrichtungen des Schwingkörpers 8 und des Kolbens 15 sind exakt parallel. In der Praxis treten aufgrund von Fertigungstoleranzen stets Abweichungen von einer solchen idealen Konfiguration auf, sei es, dass die Pumpkammer 14 nicht exakt mit dem Schwingkörper 8 fluchtet, oder dass infolge von Toleranzen bei der Befestigung der Membranfeder 3, 4 am Rahmen und am Schwingkörper 8 die Bewegungsrichtung des Schwingkörpers 8 nicht mit der des Kolbens 15 übereinstimmt.
Figur 3 zeigt in einer zu Figur 2 analogen Darstellung den Fall eines seitlichen Versatzes zwischen dem Schwingkörper 8 und dem Kolben 15. Die Längsachsen des Kopfabschnittes 10 und der Kolbenstange 13 sind parallel, aber nicht kollinear. Die Abweichung wird aufgefangen durch eine leichte elastische Verbiegung der verjüngten Abschnitten , 12 und eine geringfügige Schrägstellung der Übertragerstange 9. Der Kolben 15 läuft in der Pumpkammer 14 hin und her, ohne dass auf ihn nennenswerte verkantende Drehmomente oder seitliche Kräfte wirken, die den Kolben 15 gegen eine Wand der Pumpkammer 14 drücken. Das Spiel zwischen Kolben 15 und Pumpkammerwand kann daher klein gehalten werden, so dass zur Lagerung des Kolbens 15 nur ein geringer Gasdurchsatz erforderlich ist und ein entsprechend hoher Wirkungsgrad des Verdichters erzielt werden kann.
Figur 4 zeigt den Fall einer nicht exakt parallelen Ausrichtung der Bewegungsrichtungen von Schwingkörper 8 und Kolben 15. Dies ist mit Hilfe der flexiblen verjüngten Abschnitte 11, 12 kompensierbar, wobei die Übertraberstange 9, wie jeweils durch gestrichelte Umrisse dargestellt, zwischen den Umkehrpunkten ihrer Bewegung nicht nur eine Verschiebung, sondern auch eine geringfügige Drehung ausführt. Grundsätzlich könnten die verjüngten Abschnitte 11,12 auch durch Kugel- oder Kardangelenke ersetzt sein; die Ausführung mit verjüngten Abschnitten ist jedoch besonders zur Miniaturisierung geeignet und preiswert zu fertigen.

Claims

Patentansprüche
1. Linearverdichter mit einer Pumpkammer (14), in der ein Kolben (15) hin und her beweglich ist, einem mit der Pumpkammer (14) fest verbundenen Rahmen (1 , 2), an dem ein Schwingkörper (8) über wenigstens eine Feder (4, 5) hin und her beweglich gehalten ist, wenigstens einem an dem Rahmen (1 , 2) montierten Elektromagneten zum Antreiben der Hin- und Herbewegung des Schwing körpers (8) und einer Übertragerstange (9), die mit dem Schwingkörper (8) und durch ein erstes Gelenk (12) mit dem Kolben (15) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Übertragerstange (9) mit dem Schwingkörper (8) durch ein zweites Gelenk (11) gebildet ist.
2. Linearverdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gelenke (11, 12) jeweils zwei Schwenkfreiheitsgrade haben.
3. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Gelenk (11 , 12) jeweils durch einen elastisch biegsamen Stab gebildet ist.
4. Linearverdichter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (11 , 12) jeweils einteilig mit der Übertragerstange (9) ausgebildet und dünner als diese ist.
5. Linearverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerstange (9) aus Federmaterial gebildet ist.
6. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (15) in der Pumpkammer (14) druckgasgelagert ist.
7. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragerstange (9) durch das erste Gelenk (12) mit einer starr am Kolben (15) verankerten und in der Pumpkammer (14) geführten Kolbenstange (13) verbunden ist.
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