ЛИНЕЙНЫЙ КОМПРЕССОР
LINEAR COMPRESSOR

Область техники
Изобретение относится к линейному компрессору, содержащему корпус поршня и двигающийся в нем вдоль оси возвратно-поступательно поршень компрессора, причем поршень компрессора содержит средство для направления поршня компрессора в направлении поперек оси и средство для промежуточного накопления кинетической энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора. Также изобретение относится к холодильному аппарату, особенно к холодильнику и/или морозильнику или к кондиционеру. Кроме того, изобретение относится к способу охлаждения продуктов и к способу сжатия рабочей среды.
В линейном компрессоре поршень компрессора, двигающийся вдоль оси возвратно-поступательно между первой и второй точками возврата, должен опираться или проходить в направлении поперек оси. Кроме того, кинетическая энергия двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора должна промежуточно накапливаться в точках возврата, то есть в точках, в которых изменяется направление движения поршня компрессора, чтобы изменение направления движения поршня компрессора происходило по возможности без потерь. Благодаря изменению направления движения, поршень компрессора производит в корпусе поршня осциллирующее, по существу линейное, возвратно-поступательное движение. С помощью возвратно-поступательного движения выполняется процесс сжатия.
Уровень техники
Известно решение, состоящее в том, чтобы опирать движущиеся части, особенно поршень компрессора, контактным образом или с помощью газового подшипника. В этих системах обычно применяются одна или несколько винтовых пружин для промежуточного накопления кинетической энергии движущихся частей. Системы с открытой конструкцией, то есть с последовательно расположенной компоновкой двигатель - насос, используют пружинный пакет с одной или несколькими очень тонкими пружинными мембранами или пакетами пружинных мембран и одной или несколькими винтовыми пружинами или пакетами винтовых пружин для опирания поршня компрессора в радиальном направлении, то есть поперек оси, и для накопления кинетической энергии. Подобные пружины изготавливаются из металла, особенно из пружинной стали. При этом пружинные мембраны рассчитываются такими тонкими и мягкими, что пружины по сумме их поперечной жесткости достаточно надежно могут воспринимать силы всей системы, возникающие перпендикулярно направлению колебаний. Для достижения надлежащей продольной жесткости известны пружинные конструкции, в которых пружинные мембраны поддерживаются одной или несколькими винтовыми пружинами или пакетами винтовых пружин.
Раскрытие изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать линейный компрессор или холодильный аппарат, в которых возвратно-поступательное движение используемого поршня компрессора при процессе сжатия может быть реализовано простым образом, надежно и энергосберегающим образом.
Далее, задача состоит в том, чтобы создать способ сжатия рабочей среды и способ охлаждения продуктов, причем процесс сжатия и охлаждения может быть выполнен с высокой надежностью и особо энергосберегающим образом.
Эта задача решается, согласно изобретению, с помощью линейного компрессора и с помощью холодильного аппарата, а также с помощью способа сжатия газа и с помощью способа охлаждения продуктов, как это сказано в независимых пунктах формулы изобретения. Другие преимущественные варианты реализации и развития, которые могут применяться по отдельности или в любой комбинации друг с другом, являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Предложенный изобретением линейный компрессор содержит корпус поршня и двигающийся в нем по оси возвратно-поступательно поршень компрессора, который содержит средство для направления поршня компрессора поперек оси и средство для промежуточного накопления кинетической энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора, причем средство для направления и/или средство для промежуточного накопления содержит эластичный элемент из композитного материала.
Благодаря применению композитного материала структура линейного компрессора может быть существенно упрощена, а работа линейного компрессора может проходить с большей экономией энергии и эффективнее.
Поршень компрессора может опираться в корпусе поршня безмасляным образом, например, посредством газового опирания.
С помощью средства для направления поршень компрессора направляется в корпусе поперек оси таким образом, что трение между поршнем компрессора и корпусом поршня будет по возможности небольшим, чтобы небольшим был износ поршня компрессора или корпуса поршня. Средство для направления поршня компрессора направляет поршень компрессора в радиальном направлении и предотвращает перекашивание поршня компрессора в корпусе поршня. Таким образом предотвращается чрезмерное трение поршня компрессора о стенки корпуса или неконтролируемое соударение.
С помощью средства промежуточного накопления кинетической энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора периодически принимается кинетическая энергия частей, находящихся и двигающихся возвратно-поступательно в линейном компрессоре, особенно поршня компрессора, причем подвижные части во время их поступательного движения на короткое время тормозятся перед точкой возврата, а во время их возвратного движения на короткое время ускоряются после точки возврата.
Средство промежуточного накопления в состоянии принять по меньшей мере кинетическую энергию движущихся частей, которую движущиеся части могут принять при возвратно-поступательном движении. При этом особенно кинетическая энергия на участке по меньшей мере 5%, предпочтительно по меньшей мере 10%, например, на участке 30% общего хода поршня компрессора преобразуется в потенциальную энергию, например, посредством сжатия пружины. С помощью средства промежуточного накопления подвижные части могут осциллирующим образом двигаться возвратно-поступательно. Средство промежуточного накопления образует, тем самым, часть системы, способной выполнять колебания. Система, способная выполнять колебания, может быть рассмотрена приблизительно как гармонический осциллятор, с помощью которого может быть выполнен осциллирующий процесс сжатия. С помощью средства промежуточного накопления, по меньшей мере 85%, особенно по меньшей мере 95%, предпочтительно по меньшей мере 98%, особенно предпочтительно по существу 100% кинетической энергии поршня компрессора может быть принято перед точкой возврата и затем снова отдано в поршень компрессора.
Средство промежуточного накопления кинетической энергии образуется посредством эластичного элемента, особенно посредством пружины, предпочтительно пружинной мембраны, из композитного материала. Благодаря такому выбору, по сравнению с уровнем техники возможны существенные упрощения конструкции линейного компрессора. Кроме того, тем самым может быть упрощена работа линейного компрессора и выполняться с большей экономией электроэнергии. Далее, линейный компрессор может быть сконструирован более компактно и легко, благодаря чему предлагаются особенно другие возможности применения линейного компрессора, особенно для передвижных применений.
Композитный материал является конструкционным материалом, состоящим из двух или нескольких различных материалов, например, волокна, пластмассы, металла, керамики. В основную структуру, так называемую матрицу, вкладывается по меньшей мере один компонент, например, волокно. При этом делается попытка скомбинировать различные преимущества отдельных веществ в конечном веществе и исключить их недостатки. В качестве композитного материала могут использоваться пластики, армированные углеродным волокном, стеклопластики, титанографитовые композиты, то есть соединение из титана, графита и эпоксидной смолы, а также другие.
С помощью композитного материала может быть точно задан модуль упругости эластичного элемента. На основе одной только возможности точной выверки свойства композитного материала, можно положительно, особенно в зависимости от направления, влиять на пружинные свойства.
Особенно может быть также задано и точно выверено соотношение осевой жесткости к поперечной жесткости. При этом достигается по возможности большая поперечная жесткость, чтобы добиться по возможности небольшого движения движущихся частей, особенно поршня компрессора в направлении поперек оси. Осевая жесткость эластичного элемента вдоль оси рассчитывается таким образом, что полностью может быть принята кинетическая энергия движущихся частей. Соотношение осевой жесткости к поперечной жесткости лежит особенно в диапазоне от 1:20 до 1:200, особенно в диапазоне от 1:40 до 1:100.
Благодаря применению композитного материала, возможно изготовить пружинный элемент, который объединяет в себе свойства всех различных пружинных элементов линейного компрессора. Пружинный элемент может обладать как функцией бокового направления движущихся частей в линейном компрессоре, так и функцией промежуточного сохранения кинетической энергии во время изменения направления движения. Вследствие этого существенно упрощается конструкция линейного компрессора и существенно уменьшаются количество деталей, стоимость и монтажные расходы. Наряду с небольшими общими расходами линейного компрессора существенно уменьшаются также внешние габариты, а также вес.
Эластичный элемент преимущественно армирован волокном, причем особенно углеродным волокном, стекловолокном и/или арамидным волокном. Арамидное волокно, реализуемое под маркой «кевлар», является волокном из ароматических полиамидов, причем делается различие между метаарамидами и параарамидами. Арамидами или ароматическими полиамидами (полиарамидами) обозначаются не полиамиды с ароматическими группами в основной цепочке само собой, а, согласно определению Федеральной комиссии по торговле США, только такие длинноцепные синтетические полиамиды, у которых по меньшей мере 85% амидных групп напрямую связано с двумя ароматическими кольцами. Например, могут использоваться полифенилентерефталамиды.
Эластичный элемент может содержать далее пластмассу, особенно полимер, например, синтетическую смолу или эпоксидную смолу.
Эластичный элемент преимущественно предназначен для того, чтобы сохранять и снова отдавать кинетическую энергию движущегося возвратно-поступательно поршня компрессора. При этом преимущественным будет, если эластичный элемент может по существу полностью принять кинетическую энергию движущихся возвратно-поступательно частей, однако также возможно выполнить приемную способность пружины меньшей и принять часть кинетической энергии с помощью элемента, сопоставленного поршню компрессора, с помощью другого эластичного элемента или с помощью привода. В последнем случае часть кинетической энергии поршня компрессора может быть промежуточно сохранена электрическим образом, например, с помощью конденсатора и/или катушки.
Эластичный элемент снова отдает большую часть сохраненной им энергии, особенно по меньшей мере 80%, особенно по меньшей мере 90%, предпочтительно по меньшей мере 98%. Благодаря по возможности небольшой внутренней амортизации эластичного элемента достигается улучшенный коэффициент полезного действия линейного компрессора.
В преимущественном варианте реализации изобретения поршень компрессора выполнен с возможностью направления посредством эластичного элемента, особенно посредством пружины, в направлении поперек оси. Благодаря этому, достигается то, что эластичный элемент выполняет две функции, а именно, во-первых, способствует радиальному направлению, а во-вторых, образует накопитель энергии. Средство для направления поршня компрессора поперек оси и средство для промежуточного накопления кинетической энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора реализуются, тем самым, с помощью одного и того же узла. Тем самым, существенно упрощается конструкция линейного компрессора.
Масса двигающегося возвратно-поступательно поршня компрессора может лежать в диапазоне от 20 до 200 г, особенно в диапазоне между 40 и 60 г. Поршень компрессора работает с частотой в диапазоне от 20 Гц до 200 Гц, особенно в диапазоне от 40 Гц до 60 Гц. При этом частота возвратно-поступательного движения выбирается в соответствии с резонансным максимумом, возникающим при работе линейного компрессора. При этом подвижные части и средства промежуточного накопления образуют колебательную систему, которая соединена с рабочей средой и которая содержит собственные частоты с соответствующими резонансными кривыми. Рабочая частота линейного компрессора лежит преимущественно вблизи резонансной частоты. В подобном резонансе коэффициент полезного действия линейного компрессора особенно высокий. Поршень компрессора может направляться в корпусе поршня с помощью стенки корпуса, имеющей по меньшей мере одно отверстие, и с помощью протекающей через отверстие рабочей среды, особенно хладагента. Посредством протекающей газообразной среды между корпусом поршня и стенкой корпуса создается газовая подушка, которая способствует бесконтактному направлению поршня компрессора в корпусе поршня. В целом, принцип газового опирания может быть применен и к жидким рабочим средам.
2
2
2
2
В специальном варианте реализации изобретения эластичный элемент имеет модуль упругости в диапазоне от 2000 кг/с до 20000 кг/с, особенно в диапазоне от 3000 кг/с до 6000 кг/с. Подобные модули упругости являются преимущественными для линейных компрессоров, которые должны применяться в холодильниках и/или морозильниках или в кондиционере, особенно в кондиционере для автомобилей.
Соотношение осевой жесткости к поперечной жесткости эластичного элемента составляет по меньшей мере 1:20, особенно по меньшей мере 1:50, предпочтительно по меньшей мере 1:100. Эластичный элемент очень мягкий в направлении параллельно оси, и, таким образом, поршень компрессора может выполнить ход на участке в диапазоне от 5 мм до 50 мм, особенно в диапазоне от 10 мм до 30 мм. Вследствие высокой поперечной жесткости элемента, боковое движение поршня компрессора в направлении поперек оси сильно ограничено и составляет особенно менее 0,2 мм, особенно менее 0,1 мм, предпочтительно менее 0,05 мм. Благодаря этому реализуется точное боковое направление поршня компрессора, причем благодаря такому боковому направлению существенно уменьшается трение между поршнем компрессора и корпусом поршня, и, таким образом, предотвращается чрезмерный износ линейного компрессора.
Преимущественно, эластичный элемент образует как средство для направления, так и средство для промежуточного накопления. Эластичный элемент обладает, тем самым, двойной функцией, что является преимущественным на фоне по возможности простой конструкции линейного компрессора.
Предложенный изобретением холодильный аппарат, особенно холодильник и/или морозильник или кондиционер, особенно кондиционер для автомобиля, содержит предложенный изобретением линейный компрессор. По причине простой конструкции предложенного изобретением линейного компрессора, холодильный аппарат может быть изготовлен более просто и более экономично. Благодаря применению композитного материала, строение линейного компрессора и, тем самым, также строение холодильного аппарата может быть выполнено проще, а холодильный аппарат может эксплуатироваться надежно, с экономией энергии и эффективно.
Предложенный изобретением способ охлаждения продуктов использует предложенный изобретением холодильный аппарат и/или предложенный изобретением линейный компрессор, а предложенный изобретением способ сжатия рабочей среды использует предложенный изобретением линейный компрессор. Благодаря применению предложенного изобретением холодильного аппарата и/или предложенного изобретением линейного компрессора делается возможным особо надежное, энергосберегающее и быстрое охлаждение продуктов или сжатие рабочих сред.
Краткое описание чертежей
Другие преимущества и особые варианты реализации изобретения поясняются с помощью следующих чертежей, которые не ограничивают настоящее изобретение, а только поясняют его в качестве примера. На них показано следующее.
Фиг.1: известный линейный компрессор в аксонометрической проекции.
Фиг.2: предложенный изобретением линейный компрессор в аксонометрической проекции.
Фиг.3: предложенный изобретением холодильный аппарат.
Фиг.4: фрагмент другого предложенного изобретением линейного компрессора в разрезе.
Осуществление изобретения
Фиг.1 показывает известный линейный компрессор 1 в аксонометрической проекции с приводом 13, который через соединительную тягу 14 соединен с корпусом 2 поршня линейного компрессора 1. В корпусе 2 поршня возвратно-поступательно двигается поршень компрессора (поршень компрессора не показан). При изменении направления движения кинетическая энергия поршня компрессора или частей, двигающихся при возвратно-поступательном движении поршня компрессора, принимается с помощью цилиндрических пружин 16 и пружинных мембран 15. Поршень компрессора двигается возвратно-поступательно вдоль оси 3.
Фиг.2 показывает предложенный изобретением линейный компрессор 1 в аксонометрической проекции с приводом 13, который через соединительную тягу 14 соединен с поршнем 4 компрессора (см. фиг.4). С помощью эластичного элемента 7, который выполнен в виде пружины 8, армированной углеродным волокном, поршень 4 как направляется поперек оси 3, так и тормозится или ускоряется в направлении вдоль оси 3. Пружина 8 периодически принимает кинетическую энергию поршня 4 компрессора и снова отдает ее поршню 4 компрессора после изменения направления движения.
Фиг.3 показывает предложенный изобретением холодильный аппарат 17, который выполнен в виде холодильника и содержит предложенный изобретением линейный компрессор 1, чтобы по возможности быстро, с экономией энергии и надежно охлаждать продукты 18 или держать их охлажденными.
Фиг.4 показывает разрез другого предложенного изобретением линейного компрессора 1, в котором поршень 4 компрессора двигается возвратно-поступательно вдоль оси 3 с помощью привода 13. Поршень 4 компрессора опирается в корпусе 2 поршня с помощью стенки 11 корпуса, содержащей отверстия 10, причем газообразная рабочая среда 21 подается под давлением из подающей трубки 20 через отверстия 10 к поршню 4 компрессора. Таким образом, поршень 4 компрессора бесконтактно опирается посредством созданной при этом газовой подушки 19 перед стенкой 11 корпуса. Поршень 4 компрессора, кроме того, направляется посредством высокой поперечной жесткости эластичного элемента 7 в направлении 22 поперек оси 3. Эластичный элемент 7 является пружиной, армированной углеродным волокном. Пружина 8, которая закреплена своими концами, с одной стороны, на корпусе 2 поршня, а с другой стороны, на соединительной тяге 14, соединяющей привод 13 с поршнем 4 компрессора, принимает кинетическую энергию поршня 4 компрессора по существу полностью, чтобы поршень 4 компрессора изменил свою кинетическую энергию вдоль оси 3. Кроме того, пружина 8 применяется также для того, чтобы опирать поршень 4 компрессора в направлении поперек оси 3. Тем самым, пружина 8 обладает двойной функцией и способствует, с одной стороны, боковому опиранию поршня 4 компрессора, а с другой стороны, промежуточному накоплению кинетической энергии поршня 4 компрессора в виде потенциальной энергии, чтобы облегчить изменение направления движения. Благодаря этой двойной функции, отпадает необходимость в других направляющих элементах, например, во второй пружинной мембране, в цилиндрической пружине или в других соединениях.
Изобретение относится к линейному компрессору 1, содержащему корпус 2 поршня и двигающийся в нем вдоль оси 3 возвратно-поступательно поршень 4 компрессора, причем поршень 4 компрессора содержит средство 5 для направления поршня 4 компрессора в направлении поперек оси 3 и средство 6 для промежуточного накопления кинетической энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня 4 компрессора для изменения направления движения поршня 4 компрессора. При этом средство 5 для направления и/или средство 6 для промежуточного накопления содержит эластичный элемент 7 из композитного материала, причем элемент 7 особенно выполнен пружиной 8, армированной углеродным волокном. Также изобретение относится к холодильному аппарату 17, например к холодильнику, содержащему предложенный изобретением линейный компрессор 1, а также к способу сжатия рабочей среды и к способу охлаждения продуктов 18. Изобретение делает возможным изготовление создаваемого простым образом линейного компрессора 1 или холодильного аппарата 17 и предлагает энергосберегающие, эффективные и надежные в работе способ охлаждения продуктов 18 и способ сжатия рабочей среды.
Список обозначений
1 Линейный компрессор
2 Корпус поршня
3 Ось
4 Поршень компрессора
5 Средство для направления поршня 4 компрессора
6 Средство для промежуточного накопления кинетический энергии двигающегося возвратно-поступательно поршня 4 компрессора
7 Эластичный элемент
8 Пружина
9 Направление поперек оси 3
10 Отверстия
11 Стенка корпуса
12 Хладагент
13 Привод
14 Соединительная тяга
15 Пружинная мембрана
16 Цилиндрическая пружина
17 Холодильный аппарат
18 Продукты
19 Газовая подушка
20 Подающая трубка
21 Рабочая среда
22 Направление поперек оси 3