WO2006069881A1 - Linear compressor - Google Patents

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Jan-Grigor Schubert
Georg Slotta
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BSH Bosch und Siemens Hausgeräte GmbH
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the present invention relates to a linear compressor, in particular for use for compressing refrigerant in a refrigeration device.
  • a linear compressor according to the preamble of claim 1 is known.
  • a circumferential cavity is formed in the wall of the cylinder, which is supplied with pressurized fluid and communicates with the interior of the cylinder in which the piston moves through a plurality of openings distributed over the side wall of the cylinder.
  • Pressure fluid entering from these openings into the cylinder chamber forms a cushion on which the piston slides without contact with the side wall. Since the pad prevents frictional contact between the piston and the cylinder, such a linear compressor can operate for a long time in continuous operation, without frictional wear leading to a noticeable decrease in the efficiency.
  • the object of the present invention is to further develop the linear compressor according to the preamble in such a way that it has a constant efficiency even during long-term operation in a practical application such as a refrigeration device.
  • the object is achieved in that facing side surfaces of the piston and the cylinder at least one is provided with an abrasion-resistant sliding layer.
  • Compressor is lower than during continuous operation, the cushion is not sufficiently effective to prevent frictional contact between the side surfaces of the piston and cylinder. In order to prevent wear in these operating phases, the abrasion-resistant sliding layer is required.
  • Fig. 1 is a perspective view of a linear compressor
  • Fig. 2 is a section through the cylinder of the linear compressor.
  • the linear compressor shown in a perspective view in Fig. 1 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 end faces 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 end faces of the wall pieces 1 facing away from the arc.
  • the membrane springs 3, 4 punched from spring plate each have two elongated edge strips 7 which cover the end faces of the wall pieces 1 and of the arch 2, respectively, and four spring arms 5 which extend in zigzag from the ends of the edge strips 7 to a middle section 6, where they meet.
  • the central portion 6 has three holes, two outer, to which by means of screws or rivets 13, 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 screwing, fixed rod portion 10 extends.
  • the rod portion 10 is connected to a transmission rod 9 via a flexibly flexible tapered portion 11.
  • a second tapered portion 12 connects the transmission rod 11 integrally with a piston rod 14, which engages in a pumping chamber 15 supported by the arc 2, is guided through a bore in an end wall of the pumping chamber and in the pumping chamber 15 with a piston 16 therein (see Fig. 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 15 is annularly surrounded by a cavity 17 which communicates with the pumping chamber 15 through a plurality of openings 18 in the side wall thereof and which is fed via a passage 19 with compressed gas branched from a pressure port 20 of the pumping chamber.
  • the pressure gas entering through the openings 18 in the pumping chamber 15 forms on the side wall a cushion on which the piston 16, whose diameter is slightly smaller than the free diameter of the pumping chamber 15, slides substantially without friction.
  • the lateral surface of the piston 16 sliding along the wall of the pumping chamber 15 is coated with a DLC (diamond-like carbon) layer 21.
  • the DLC layer 21 may be a tetrahedral carbon layer (ta-C) or an amorphous hydrogen-containing carbon layer (a-C: H).
  • ta-C tetrahedral carbon layer
  • a-C amorphous hydrogen-containing carbon layer

Abstract

A linear compressor comprises a cylinder (15), a hydraulically borne piston (16) that can be longitudinally oscillated inside the cylinder (15) and a drive unit (1-14) driving the movement of the piston. The compressor is characterized in that at least one of the lateral faces of the piston (16) and the cylinder (15) that face each other is provided with an abrasion-resistant bearing coating (21).

Description

Linearverdichter linear compressor
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearverdichter, insbesondere für den Einsatz zum Verdichten von Kältemittel in einem Kältegerät.The present invention relates to a linear compressor, in particular for use for compressing refrigerant in a refrigeration device.
Aus US6 596 032 B2 ist ein Linearverdichter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 bekannt. Bei diesem Linearverdichter ist in der Wand des Zylinders ein umlaufender Hohlraum gebildet, der mit Druckfluid gespeist ist und mit dem Innenraum des Zylinders, in welchem sich der Kolben bewegt, durch eine Vielzahl von über die Seitenwand des Zylinders verteilten Öffnungen kommuniziert. Aus diesen Öffnungen in die Zylinder- kammer eindringendes Druckfluid bildet ein Kissen, auf dem der Kolben ohne Kontakt mit der Seitenwand gleitet. Da das Kissen einen Reibkontakt zwischen Kolben und Zylinder verhindert, kann ein solcher Linearverdichter im Dauerbetrieb lange Zeit arbeiten, ohne dass Reibverschleiß zu einer merklichen Abnahme des Wirkungsgrades führt.From US 6 596 032 B2 a linear compressor according to the preamble of claim 1 is known. In this linear compressor, a circumferential cavity is formed in the wall of the cylinder, which is supplied with pressurized fluid and communicates with the interior of the cylinder in which the piston moves through a plurality of openings distributed over the side wall of the cylinder. Pressure fluid entering from these openings into the cylinder chamber forms a cushion on which the piston slides without contact with the side wall. Since the pad prevents frictional contact between the piston and the cylinder, such a linear compressor can operate for a long time in continuous operation, without frictional wear leading to a noticeable decrease in the efficiency.
Beim praktischen Einsatz des Verdichters in einem Kältegerät hingegen zeigt sich eine unerwartet schnelle Abnahme des Wirkungsgrades.In practical use of the compressor in a refrigerator, however, shows an unexpectedly rapid decrease in efficiency.
Aus US6 642 377 B2 ist ein Linearverdichter bekannt, bei dem der Kolben nicht druckfluidgelagert ist. Um eine exakte Ausrichtung des Kolbens im Zylinder zu erzielen, wird vorgeschlagen, vor dem Einfügen des Kolbens in die Zylinderkammer eine Beschichtung aus einem festen Gleitmittel wie etwa PTFE oder eine DLC-Schicht an der Oberfläche des Kolbens oder des Zylinders anzubringen, so dass Kolben und Zylinder zusammengefügt werden können und ein zwischen ihnen für den Dauerbetrieb erforderliches Spiel durch Abtragen der Beschichtung in einer Einlaufphase des Verdichters erhalten wird.From US 6 642 377 B2 a linear compressor is known in which the piston is not stored under pressure fluid. In order to achieve an exact alignment of the piston in the cylinder, it is proposed to apply a coating of a solid lubricant such as PTFE or a DLC layer on the surface of the piston or cylinder before inserting the piston into the cylinder chamber, so that piston and Cylinders can be joined together and a game between them required for continuous operation by removing the coating is obtained in an intake phase of the compressor.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, den oberbegriffsgemäßen Linearverdichter so weiterzubilden, dass dieser auch bei lang andauerndem Betrieb in einer praktischen Anwendung wie etwa einem Kältegerät einen gleichbleibenden Wirkungsgrad aufweist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass von einander zugewandten Seitenflächen des Kolbens und des Zylinders wenigstens eine mit einer abriebfesten Gleitschicht versehen ist.The object of the present invention is to further develop the linear compressor according to the preamble in such a way that it has a constant efficiency even during long-term operation in a practical application such as a refrigeration device. The object is achieved in that facing side surfaces of the piston and the cylinder at least one is provided with an abrasion-resistant sliding layer.
Es zeigt sich nämlich, dass unerwarteterweise beim Betrieb eines Linearverdichters vom oberbegriffsgemäßen Typ in einem Kältegerät nach langem Betrieb trotz derIt turns out that unexpectedly in the operation of a linear compressor of the generic type in a refrigeration appliance after a long operation despite the
Druckfluidlagerung Reibverschleißerscheinungen an Zylinder und Kolben auftreten, die zu einem im Laufe der Zeit zunehmenden Entweichen von Fluid aus der Zylinderkammer durch den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand führen. Wenn nämlich das Druckfluid, das zur Aufrechterhaltung des Kissens benötigt wird, von einem Hochdruckanschluss des Verdichters abgezweigt wird, so hat dies zur Folge, dass jeweils zu Beginn und Ende einer Betriebsphase des Verdichters, wenn der Druck am Hochdruckanschluss desPressure fluid bearing Friction wear on cylinder and piston occur, which lead to an increasing over time escape of fluid from the cylinder chamber through the gap between the piston and cylinder wall. Namely, when the pressure fluid needed to maintain the pad is diverted from a high pressure port of the compressor, this results in each case at the beginning and end of an operating phase of the compressor when the pressure at the high pressure port of the compressor
Verdichters niedriger ist als während des kontinuierlichen Betriebs, das Kissen nicht ausreichend wirksam ist, um einen Reibkontakt zwischen den Seitenflächen von Kolben und Zylinder zu verhindern. Um in diesen Betriebsphasen Verschleiß zu verhindern, ist die abriebfeste Gleitschicht erforderlich.Compressor is lower than during continuous operation, the cushion is not sufficiently effective to prevent frictional contact between the side surfaces of the piston and cylinder. In order to prevent wear in these operating phases, the abrasion-resistant sliding layer is required.
Während bei dem Verdichter aus US6 642 377 B2 die DLC- oder PTFE-Gleitschicht nicht abriebfest sein soll, so dass sie abgetragen ist, wenn ein für den Betrieb des Verdichters gewünschtes Spiel zwischen Kolben und Zylinder hergestellt ist, ist es für die vorliegende Erfindung wichtig, dass die Gleitschicht auch vorhanden ist, wenn das für einen effizienten Betrieb der Druckfluidlagerung erforderliche Spiel zwischen den Seitenflächen von Kolben und Zylinder vorhanden ist. Überraschender Weise wurde herausgefunden, dass die Gleitschicht nicht wirkungsgradmindernd wirkt und ein wirkungsgradoptimierter Betrieb des Verdichters über dessen Brauchbarkeitsdauer durch die Gleitschicht erzielt ist.While in the compressor of US6 642 377 B2 the DLC or PTFE sliding layer should not be abrasion resistant so that it is worn away when a clearance between piston and cylinder desired for operation of the compressor is made, it is important to the present invention in that the sliding layer is also present when the backlash between the side surfaces of the piston and cylinder is required for efficient operation of the pressurized fluid bearing. Surprisingly, it has been found that the sliding layer does not have a reduction in efficiency and an efficiency-optimized operation of the compressor over its useful life is achieved by the sliding layer.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:Further features and advantages of the invention will become apparent from the following description of an embodiment with reference to the accompanying figures. Show it:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Linearverdichters; undFig. 1 is a perspective view of a linear compressor; and
Fig. 2 einen Schnitt durch den Zylinder des Linearverdichters. Der in Fig. 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 Stirnseiten 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 Stirnseiten der Wandstücke 1 befestigt.Fig. 2 is a section through the cylinder of the linear compressor. The linear compressor shown in a perspective view in Fig. 1 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 end faces 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 end faces of the wall pieces 1 facing away from the arc.
Die aus Federblech gestanzten Membranfedern 3, 4 haben jeweils zwei langgestreckte Randstreifen 7, der die Stirnseiten der Wandstücke 1 bzw. des Bogens 2 überdecken, und vier Federarme 5, die sich im Zickzack von den Enden der Randstreifen 7 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 13 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.The membrane springs 3, 4 punched from spring plate each have two elongated edge strips 7 which cover the end faces of the wall pieces 1 and of the arch 2, respectively, and four spring arms 5 which extend in zigzag from the ends of the edge strips 7 to a middle section 6, where they meet. The central portion 6 has three holes, two outer, to which by means of screws or rivets 13, 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 screwing, fixed rod portion 10 extends.
Der Stangenabschnitt 10 ist mit einer Übertragungsstange 9 über einen flexibel biegsamen verjüngten Abschnitt 11 verbunden. Ein zweiter verjüngter Abschnitt 12 verbindet die Übertragungsstange 11 einteilig mit einer Kolbenstange 14, die in eine von dem Bogen 2 getragene Pumpkammer 15 eingreift, durch eine Bohrung in einer Stirnwand der Pumpkammer geführt ist und in der Pumpkammer 15 mit einem darin beweglichen Kolben 16 (siehe Fig. 2) verbunden ist.The rod portion 10 is connected to a transmission rod 9 via a flexibly flexible tapered portion 11. A second tapered portion 12 connects the transmission rod 11 integrally with a piston rod 14, which engages in a pumping chamber 15 supported by the arc 2, is guided through a bore in an end wall of the pumping chamber and in the pumping chamber 15 with a piston 16 therein (see Fig. 2) is connected.
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.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. 8
Da die starr mit dem Kolben 16 verbundene Kolbenstange 14 in der stirnseitigen Bohrung der Pumpkammer 15 geführt ist, ist der Kolben 16 gegen Verkanten geschützt, auch wenn seine Ausdehnung in Richtung der Hin- und Herbewegung gering ist. Der Kolben 16 belegt daher wenig Platz in der Pumpkammer 14, so dass ein großes wirksames Volumen bei kleinen Außenabmessungen erreicht wird. - A -Since the piston rod 14 connected rigidly to the piston 16 is guided in the frontal bore of the pumping chamber 15, the piston 16 is protected against tilting, even if its extent in the direction of the reciprocating motion is low. The piston 16 therefore occupies little space in the pumping chamber 14, so that a large effective volume is achieved with small outer dimensions. - A -
Die Pumpkammer 15 ist von einem Hohlraum 17 ringförmig umgeben, der mit der Pumpkammer 15 durch eine Vielzahl von Öffnungen 18 in deren Seitenwand kommuniziert und der über einen Durchgang 19 mit von einem Druckanschluss 20 der Pumpkammer abgezweigtem verdichtetem Gas gespeist ist. Das durch die Öffnungen 18 in die Pumpkammer 15 eindringende Druckgas bildet an der Seitenwand ein Kissen, auf dem der Kolben 16, dessen Durchmesser geringfügig kleiner als der freie Durchmesser der Pumpkammer 15 ist, im wesentlichen reibungsfrei gleitet.The pumping chamber 15 is annularly surrounded by a cavity 17 which communicates with the pumping chamber 15 through a plurality of openings 18 in the side wall thereof and which is fed via a passage 19 with compressed gas branched from a pressure port 20 of the pumping chamber. The pressure gas entering through the openings 18 in the pumping chamber 15 forms on the side wall a cushion on which the piston 16, whose diameter is slightly smaller than the free diameter of the pumping chamber 15, slides substantially without friction.
Die an der Wand der Pumpkammer 15 entlanggleitende Mantelfläche des Kolbens 16 ist mit einer DLC- (diamond-like carbon)-Schicht 21 überzogen. Die DLC-Schicht 21 kann insbesondere eine tetrahedrale Carbonschicht (ta-C) oder eine amorphe wasserstoffhaltige Carbonschicht (a-C:H) sein. Derartige Schichten stellen einen hochwirksamen Schutz vor Reibverschleiß bei extrem geringer Dicke dar. Das heißt, die Dicke der Schicht 21 kann deutlich geringer als das radiale Spiel zwischen Kolben und Zylinder sein, so dass die Schicht 21 auf einen fertigen, in seinen Abmessungen an die Pumpkammer 15 angepassten Kolben 16 aufgebracht werden kann, ohne dass eine nachträgliche Bearbeitung zur Maßanpassung erforderlich wird. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Realisierung der Erfindung, da die Aufbringung der DLC- Schicht 21 auf den Kolben 16 einen einzelnen zusätzlichen Schritt bei der Fertigung der Verdichter darstellt, der in etablierte Fertigungsabläufe derartiger Verdichter leicht eingefügt werden kann, da er keinerlei Folgeanpassungen wie etwa Abmessungsänderungen an anderen Fertigungsschritten erfordert. The lateral surface of the piston 16 sliding along the wall of the pumping chamber 15 is coated with a DLC (diamond-like carbon) layer 21. In particular, the DLC layer 21 may be a tetrahedral carbon layer (ta-C) or an amorphous hydrogen-containing carbon layer (a-C: H). Such layers provide a highly effective protection against fretting at extremely small thickness. That is, the thickness of the layer 21 can be significantly less than the radial clearance between the piston and cylinder, so that the layer 21 on a finished, in its dimensions to the pumping chamber 15 adapted piston 16 can be applied without subsequent processing for customization is required. This allows for a particularly cost effective implementation of the invention, since the application of the DLC layer 21 to the piston 16 represents a single additional step in the manufacture of the compressors, which can be easily incorporated into established manufacturing operations of such compressors, since there are no consequential adjustments such as dimensional changes at other manufacturing steps required.

Claims

Patentansprüche claims
1. Linearverdichter mit einem Zylinder (15), einem in dem Zylinder (15) in dessen Längsrichtung oszillierend beweglichen, druckfluidgelagerten Kolben (16) und einem die Bewegung des Kolbens antreibenden Antriebsaggregat (1-14), dadurch gekennzeichnet, dass von einander zugewandten Seitenflächen des Kolbens (16) und des Zylinders (15) wenigstens eine mit einer abriebfesten Gleitschicht (21) versehen ist.1. A linear compressor with a cylinder (15), in the cylinder (15) in the longitudinal direction of oscillating movable, fluid-pressure bearing piston (16) and a movement of the piston driving drive unit (1-14), characterized in that facing side surfaces at least one of the piston (16) and the cylinder (15) is provided with an abrasion-resistant sliding layer (21).
2. Linearverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der wenigstens einen die Gleitschicht (21) tragenden Seitenfläche des Kolbens (16) oder des Zylinders (15) und der dieser zugewandten Oberfläche des Kolbens (16) oder des Zylinders (15) ein ausreichendes Spiel besteht, um eine Bewegung des Kolbens (16) in der Längsrichtung ohne gegenseitige Berührung der Seitenflächen zu ermöglichen.2. A linear compressor according to claim 1, characterized in that between the at least one sliding layer (21) carrying side surface of the piston (16) or the cylinder (15) and the surface facing the piston (16) or the cylinder (15) sufficient clearance exists to allow movement of the piston (16) in the longitudinal direction without mutual contact of the side surfaces.
3. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Gleitschicht (21) versehene Seitenfläche die Mantelfläche des Kolbens (16) ist.3. Linear compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding layer (21) provided with the lateral surface of the lateral surface of the piston (16).
4. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (21) eine DLC-Schicht ist.4. A linear compressor according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding layer (21) is a DLC layer.
5. Linearverdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem Hochdruckanschluss (20) des Verdichters eine Abzweigung (19) für Druckfluid für die Lagerung des Kolbens (16) gebildet ist. 5. A linear compressor according to one of the preceding claims, characterized in that at a high pressure port (20) of the compressor, a branch (19) for pressurized fluid for the storage of the piston (16) is formed.
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