EP2064446B1

EP2064446B1 - Verdichter mit gasdruckgelagertem kolben

Info

Publication number: EP2064446B1
Application number: EP20070802522
Authority: EP
Inventors: Marco Giacchi; Jan-Grigor Schubert; Thorsten Kusnik
Original assignee: BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Current assignee: BSH Hausgeraete GmbH
Priority date: 2006-09-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: WO2008028737A1; EP2064446A1; RU2009110165A; US20090238701A1; DE102006042021A1; CN101512154A; RU2451210C2

Abstract

Ein Verdichter hat einen Einlassanschluss (12) und einen Auslassanschluss (13) für ein zu verdichtendes Gas und eine Arbeitskammer (1), in der ein Kolben (2) zum Verdichten des Gases bewegbar ist, wobei in einer von dem Kolben (2) überstrichenen Wand (10) der Arbeitskammer (1) mit dem Auslassanschluss (13) kommunizierende Öffnungen (11) gebildet sind. Ein Partikelfilter (7) ist in einem Strömungsweg des Gases zwischen dem Einlassanschluss (12) und dem Auslassanschluss (13) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit gasdruckgelagertem Kolben, insbesondere zur Verwendung als Kältemittelverdichter in einem Haushaltskältegerät.
In Haushaltsgeräten werden herkömmlicherweise Verdichte mit rotatorisch angetriebenem Hubkolben und Ölschmierung eingesetzt. Aufgrund des rotatorischen Antriebs ist der Kolben eines solchen Verdichters im Laufe seiner Hubbewegung in einer Arbeitskammer auch Kräften quer zur Hubrichtung ausgesetzt, die den Kolben gegen die Wand der Arbeitskammer drücken. Um den Verdichter vor Reibverschleiß zu schützen, muss zwischen Kolben und Kammerwand ein kontinuierlicher Ölfilm vorhanden sein. Die Zähigkeit des Öls muss groß genug sein, um auszuschließen, dass unter der Wirkung einer Querkraft das Öl zwischen Wand und Kolben verdrängt wird. Je größer die Querkräfte sind, um so dickflüssiger muss das Öl sein, und um so stärker sind Reibungsverluste aufgrund der Viskosität des Öls.
Um den Wirkungsgrad der Verdichter zu verbessern, sind in letzter Zeit verstärkt Bemühungen unternommen worden, Verdichter mit Linearmotorantrieb zu entwickeln. Ein solcher Linearmotor übt geringere Querkräfte auf den Kolben aus, so dass dünnflüssigere Schmierstoffe verwendet werden können, bis hin zu einer Lagerung des Kolbens durch das zu verdichtende Gas selbst. Bei einem solchen Verdichter mit Gasdrucklagerung sind in einer von dem Kolben überstrichenen Wand der Arbeitskammer Öffnungen gebildet, die mit einem Auslassanschluss des Verdichters kommunizieren, so dass ein kleiner Anteil des verdichteten Mediums vom Auslassanschluss über die Öffnungen zurück in die Arbeitskammer strömen kann und dabei ein Gaskissen zwischen Kolben und Wand erzeugt, welches im Idealfall eine Bewegung des Kolbens völlig ohne Kontakt mit der Wand und somit auch ohne jeglichen Reibverschleiß ermöglicht.
Diese Idealbedingungen erweisen sich jedoch als schwierig zu realisieren. In der Praxis wurde häufig nach relativ kurzer Betriebsdauer ein Ausfall des Linearverdichters aufgrund von Reibverschleiß zwischen Kolben und Kammerwand festgestellt.
Die Offenlegungsschrift WO 2004/106737 A1 (nächster Stand der Technik) zeigt einen Verdichter mit einem Gasfilter, welcher einem Auslassanschluss nachgeordnet ist.
Die Offenlegungsschrift DE 20 18 940 A1 zeigt eine Entspannungsmaschine für Gase in Hubkolbenbauart.
Die Offenlegungsschrift WO 02/35093 A1 zeigt einen Verdichter mit einem Kolben, welcher mittels einer Kolbenstange mit einer Feder verbunden ist.
Die Offenlegungsschrift WO 2007/016943 A1 zeigt eine Fluidmaschine.
Aufgabe der Erfindung ist daher, einen Verdichter mit Druckgaslagerung zu schaffen, der es erlaubt, solchen Reibverschleiß zuverlässig zu verhindern.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verdichter mit einem Einlassanschluss und einem Auslassanschluss für ein zu verdichtendes Gas und einer Arbeitskammer, in der ein Kolben zum Verdichten des Gases bewegbar ist, wobei in einer von dem Kolben überstrichenen Wand der Arbeitskammer mit dem Auslassanschluss kommunizierende Öffnungen gebildet sind, und der gekennzeichnet ist durch ein Partikelfilter, das in einem Strömungsweg des Gases durch den Verdichter zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss angeordnet ist.
Bei genaueren Untersuchungen der ausgefallenen Verdichter wurde nämlich festgestellt, dass darin gefundene Verunreinigungen nicht allein auf Abrieb des Kolbens und der Kammerwand zurückgingen, sondern teilweise auch aus anderen Bereichen des Kältemittelkreislaufs eingetragen waren, und es wird angenommen, dass diese verdichterfremden Verunreinigungen, auch wenn ihre Menge und Partikelgröße an sich nicht ausreicht, um die Beweglichkeit des Kolbens im Verdichter zu beeinträchtigen, wenn sie mit dem Kältemittelstrom zirkulieren, zunächst einzelne der Wandöffnungen verstopfen, wodurch das den Kolben schützende Gaskissen lückenhaft wird. Im Bereich dieser Lücken kann ein Kontakt zwischen Kolben und Wand nicht mehr zuverlässig verhindert werden, so dass der bei Kontakten entstehende Abrieb den Verdichter schnell zerstört.
Abhilfe schafft hier das erfindungsgemäße Partikelfilter, indem es diese Fremdverunreinigungen daran hindert, die Wandöffnungen zu erreichen.
Ein solches Partikelfilter kann an diversen Stellen im Verdichter vorgesehen sein. Einer ersten Ausgestaltung zufolge ist das Partikelfilter zwischen dem Einlassanschluss und der Arbeitskammer angeordnet. Ein solches Partikelfilter hat den Vorteil, dass Fremdverunreinigungen von vorneherein daran gehindert werden, die Arbeitskammer zu erreichen. Dies ist insbesondere im Fall grobkörniger Fremdverunreinigungen wünschenswert, die bereits allein durch ihre Anwesenheit in der Arbeitskammer Schäden verursachen können.
Nachteilig an einer solchen Platzierung des Partikelfilters ist jedoch, dass die damit bewirkte Filterung des vollständigen den Verdichter durchlaufenden Gasstromes eine erhebliche Antriebsleistung erfordert und folglich den Wirkungsgrad des Verdichters beeinträchtigt. Außerdem kann der Druckabfall an einem solchen Partikelfilter niemals größer werden als der Druck am Einlassanschluss selbst, so dass zum Erreichen eines ausreichenden Durchsatzes ein hoher Leitwert und dementsprechend ein großer Querschnitt des Filters erforderlich werden kann. Insbesondere bei Anwendung des Verdichters in einer Kältemaschine ist es wichtig, dass der Partikelfilter keinen zu hohen Staudruck aufbaut, da dieser die Verdunstung des Kältemittels im dem Filter vorgelagerten Verdampfer beeinträchtigen würde.
Einer zweiten Ausgestaltung zufolge ist das Partikelfilter in einer einen Ausgang der Arbeitskammer mit dem Ausgangsanschluss verbindenden Leitung zwischen dem Ausgang und einer zu den Öffnungen führenden Zweigleitung angeordnet. Diese Anordnung des Filters führt nicht zu einer unerwünschten Drucksteigerung am Einlassanschluss des Verdichters. Außerdem kann an einem solchen auf der Druckseite des Verdichters angeordneten Filter ein höherer Druckabfall aufgebaut werden als an dem zuvor beschriebenen einlassseitigen Filter, so dass ein ausreichender Durchsatz auch an einem kompakten Filter erreichbar ist, doch beeinträchtigt ein solcher hoher Druckabfall wiederum den Wirkungsgrad des Verdichters.
Einer dritten, besonders bevorzugten Ausgestaltung zufolge zweigt von einer einen Ausgang der Arbeitskammer mit dem Auslassanschluss verbindenden Druckleitung eine zu den Öffnungen führende Zweigleitung ab, und das Partikelfilter ist in der Zweigleitung angeordnet. Da ein solches Partikelfilter nur auf denjenigen Bruchteil des Gasdurchsatzes wirkt, der zur Erzeugung des Gaskissens benötigt wird, ist die Antriebsleistung, die für die Filterung aufgewandt werden muss, gering, selbst wenn der Druckabfall an dem Partikelfilter der gleiche ist wie an demjenigen gemäß der zweiten Ausgestaltung.
Das in der Zweigleitung angeordnete Filter verhindert zwar nicht von vorneherein, dass Fremdverunreinigungen den Verdichter durchlaufen, fängt sie aber dennoch im Laufe des Betriebs des Verdichters alle ab, sobald sie in die Zweigleitung geraten.
Einer bevorzugten Weiterentwicklung zufolge umfasst die Zweigleitung eine Verteilerkammer und eine die Verteilerkammer mit der Druckleitung verbindende Bohrung, wobei die von dem Kolben überstrichene Wand eine Trennwand zwischen der Arbeitskammer und der Verteilerkammer bildet. Bei einer solchen Zweigleitung kann das Partikelfilter klein und kompakt in der Bohrung angeordnet sein, oder es kann in der Verteilerkammer die Trennwand überdeckend angeordnet sein.
Bei einer Arbeitskammer mit Hubkolben ist die Verteilerkammer vorzugsweise ein sich rings um die zylindrische Arbeitskammer erstreckender Hohlzylinder.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Schnitte durch einen erfindungsgemäßen Verdichter mit saugseitigem Partikelfilter;
Fig. 2: einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter mit druckseitigem Partikelfilter;
Fig. 3: einen zu Fig. 1 analogen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Verdichter mit in einer Zweigleitung angeordnetem Partikelfilter; und
Fig. 4: einen Schnitt durch eine Abwandlung des Verdichters mit in einer Zweigleitung angeordnetem Partikelfilter.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch einen Verdichter gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Der Verdichter ist Teil einer Kältemaschine eines Haushaltskältegeräts, die, da ihre übrigen Komponenten bekannt sind, nicht dargestellt ist. In einer zylindrischen Arbeitskammer 1 des Verdichters ist ein Kolben 2 durch ein nicht dargestelltes, ebenfalls an sich bekanntes Antriebsaggregat hin und her bewegbar. Das Antriebsaggregat kann zum Beispiel ein Linearmotor wie etwa in DE 10 2004 010 849 A1 beschrieben sein, generell kommt aber jedes beliebige Antriebsaggregat in Betracht, das in der Lage ist, eine Antriebskraft zu erzeugen, deren Querkomponenten klein genug sind, damit ein Reibkontakt zwischen den Wänden der Arbeitskammer 1 und dem Kolben 2 sicher vermieden werden kann.
An einer Stirnseite der Arbeitskammer befinden sich ein Saugventil 3 und ein Druckventil 4, die die Arbeitskammer 1 mit einer Saugleitung 5 bzw. einer Druckleitung 6 und über diese mit einem Einlassanschluss 12 bzw. einem Auslassanschluss 13 verbinden. In der Saugleitung 5 ist ein Partikelfilter 7 angebracht. Von der Druckleitung 6 führt eine Bohrung 8 zu einer Verteilerkammer 9 von hohlzylindrischer Form, die die Arbeitskammer 1 umgibt, so dass die von dem Kolben 2 bei seiner Bewegung überstrichene Wand 10 der Arbeitskammer 1 eine Trennwand zwischen der Arbeitskammer 1 und der Verteilerkammer 9 ist. In dieser Wand 10 ist eine Vielzahl von engen Öffnungen 11 verteilt.
Im Betrieb saugt der Kolben 2 bei einer Bewegung nach rechts Kältemittel von dem Einlassanschluss 12 über die Saugleitung 5, das Partikelfilter 7 und das Saugventil 3 in die Arbeitskammer 1 ein. Bei einer Bewegung des Kolbens 2 nach links wird der Inhalt der Arbeitskammer 1 zunächst auf den in der Druckleitung 6 herrschenden Druck verdichtet, bevor das Druckventil 4 öffnet und das verdichtete Gas in die Druckleitung 6 abfließt. Ein kleiner Teil des in der Druckleitung 6 fließenden Gases gelangt durch die Bohrung 8 in die Verteilerkammer 9 und von dort über die Öffnungen 11 der Wand 10 zurück in die Arbeitskammer 1, wo er ein Gaskissen zwischen dem Kolben 2 und der Wand 10 bildet.
Fremdpartikel, die in den diversen anderen Komponenten der Kältemaschine bereits vor deren Zusammenbau vorhanden waren oder durch den Zusammenbau entstanden sind, werden von dem Partikelfilter 7 abgefangen, bevor sie mit dem Kältemittelstrom in die Arbeitskammer 1 gelangen können. So sind die Öffnungen 11 vor Verstopfung durch die Fremdpartikel geschützt. Da das Gaskissen zwischen Kolben 2 und Wand 10 somit lückenlos ist, entsteht kein Abrieb zwischen Kolben und Wand, der seinerseits über die Bohrung 8 und die Verteilerkammer 9 zu den Öffnungen 11 gelangen und diese verstopfen könnte.
Die in Fig. 2 gezeigte Ausgestaltung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 dadurch, dass das Partikelfilter 7 nicht in der Saugleitung 5, sondern in der Druckleitung 6 zwischen dem Druckventil 4 und der Bohrung 8 angeordnet ist. Wie im Falle der Ausgestaltung der Fig. 1 durchläuft das gesamte den Verdichter durchlaufende Kältemittel das Partikelfilter 7. Infolge der Anordnung des Partikelfilters 7 in der Druckleitung 6 kann an dem Partikelfilter 7 ein höherer Druckabfall aufgebaut werden als bei der Ausgestaltung der Fig. 1, so dass auch mit einem kompakten Filter ein ausreichender Durchsatz zu erzielen ist.
Die Ausgestaltung der Fig. 3 unterscheidet sich von den beiden oben erläuterten durch die Platzierung des Partikelfilters 7 in der Verteilerkammer 9. Es liegt dort an der Wand 10 an, so dass es durch die Druckdifferenz zwischen seiner Außen- und Innenseite gegen die Wand 10 gedrückt ist. Da nur ein Bruchteil des Kältemitteldurchsatzes des Verdichters das Filter durchläuft und die beim Filtern verbrauchte Antriebsleistung dem Produkt von Filterdurchsatz und -Druckabfall entspricht, ist der Leistungsmehrbedarf aufgrund der Filterung bei dieser Ausgestaltung nur ein Bruchteil des Mehrbedarfs der ersten beiden Ausgestaltungen.
Die Anbringung des Partikelfilters 7 in der Verteilerkammer 9 hat den Vorteil, dass das Partikelfilter 7 auf einer sehr großen Querschnittsfläche vom Kältemittel durchströmt werden kann, so dass auch bei Verwendung eines sehr engporigen Filters ein zum Aufrechterhalten des Gaskissens ausreichender Durchsatz erzielt werden kann.
Um eine gleichmäßige Verteilung des Gases auf die Öffnungen 11 zu gewährleisten, hat das Partikelfilter 7 hier vorzugsweise eine Schichtstruktur mit einer feinporigen äußeren Schicht 7a und einer grobporigen, gut durchlässigen inneren Schicht, deren Funktion im Wesentlichen ist, einen Abstand zwischen der feinporigen Schicht 7a und der Wand 10 aufrecht zu erhalten, in dem sich das Gas gleichmäßig auf die Öffnungen 11 verteilen kann.
Die derzeit bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Diese Ausgestaltung unterscheidet sich von den zuvor beschriebenen dadurch, dass die Bohrung 8, die die Verteilerkammer 9 mit der Druckleitung 6 verbindet, lang und breit genug ist, um das Partikelfilter 7 in Form einer Filterkartusche 14 aufzunehmen. Die Filterkartusche ist in die Bohrung 8 von deren der Druckleitung 6 zugewandten Ende her eingeführt. Ein druckseitiger Flansch 15 der Filterkartusche liegt an einer am Eingang der Bohrung 8 gebildeten Schulter 16 auf, so dass die Filterkartusche 14 durch den Druckabfall, den sie am hindurchströmenden Kältemittel erzeugt, an die Schulter 16 angepresst wird.
Einer nicht in einer Figur dargestellten Weiterbildung zufolge kann das saugseitige Partikelfilter 7 der Ausgestaltung von Fig. 1 auch mit dem auf dem Weg des Kältemittels von der Druckleitung 6 zu den Öffnungen 11 angeordneten Partikelfilter gemäß Fig. 3 oder 4 kombiniert werden. In diesem Fall kann das saugseitige Partikelfilter ein grobporiges Filter mit geringem Strömungswiderstand sein, das lediglich dazu dient, grobe Verunreinigungen von der Arbeitskammer 1 fernzuhalten, während feinere Verunreinigungen von dem druckseitigen Partikelfilter abgefangen werden.

Claims

Verdichter mit einem Einlassanschluss (12) und einem Auslassanschluss (13) für ein zu verdichtendes Gas und einer Arbeitskammer (1), in der ein Kolben (2) zum Verdichten des Gases bewegbar ist, wobei in einer von dem Kolben (2) überstrichenen Wand (10) der Arbeitskammer (1) mit dem Auslassanschluss (13) kommunizierende Öffnungen (11) gebildet sind, gekennzeichnet durch ein Partikelfilter (7), das in einem Strömungsweg des Gases zwischen dem Einlassanschluss (12) und dem Auslassanschluss (13) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfilter (7) zwischen dem Einlassanschluss (12) und der Arbeitskammer (1) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfilter (7) in einer einen Ausgang (4) der Arbeitskammer (1) mit dem Ausgangsanschluss (13) verbindenden Leitung (6) zwischen dem Ausgang (4) und einer zu den Öffnungen (11) führenden Zweigleitung (8, 9) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von einer einen Ausgang (4) der Arbeitskammer (1) mit dem Ausgangsanschluss (13) verbindenden Druckleitung (6) eine zu den Öffnungen (11) führende Zweigleitung (8, 9) abzweigt und dass das Partikelfilter (7 in der Zweigleitung (8, 9) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweigleitung (8, 9) eine Verteilerkammer (9) und eine die Verteilerkammer (9) mit der Druckleitung (6) verbindende Bohrung (8) umfasst, wobei die von dem Kolben (2) überstrichene Wand (10) eine Trennwand zwischen der Arbeitskammer (1) und der Verteilerkammer (9) bildet.
Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfilter (7) in der Bohrung (8) angeordnet ist.
Verdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelfilter (7) in der Verteilerkammer (9) die Trennwand (10) überdeckend angeordnet ist.
Verdichter nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilerkammer (9) ein sich rings um die zylindrische Arbeitskammer (1=) erstreckender Hohlzylinder ist.
Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) durch einen Linearmotor angetrieben ist.
Kältegerät, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Kältemittelverdichter aufweist.