DE7308450U - Kolbenverdichter fuer gasfoermige medien - Google Patents

Description

"Kolbenverdichter für gasförmige Medien" ..

Die Erfindung betrifft einen Kolbenverdichter für gasförmige Medien, mit einem innerhalb eines Zylinders geradlinig hin- und herbewegbaren Kolben, welcher mit einem axial verlaufenden Durchlass für das von der Kolbenunterseite anzusaugende Gas und mit einem am Kclbenkopf ausgebildeten, bei Abwärtsbewegung des Kolbens sich öffnenden und bei Aufwärtsbewegung des Kolbens sich schliessenden Einlassventil ausgestattet ist.

Bekannt sind Kolbenverdichter der eingangs genannten Art, bei welchen ein aus einer herkömmlichen Kolbenlegierung bestehender Kolben innerhalb eines Zylinders bei Antrieb durch Kurbelwelle und Pleuel hin- und her' ewegbar ist, einen Durchlass für das von der Kolben-

7308450 31.08.78

Unterseite anzusaugende Gas und ein seiner Wirkung nach als Flatterventil ausgebildetes Einlassventil aufweist. Die Kolben sind wie bekannt mit Kolbenringen versehen, welche überwiegend aus Spezialgusseisen, Bronze oder aus Stahl gefertigt sind. Infolgedessen bedürfen die Kolben dieser Bauform einer Schmierung, da sonst die Gefahr des sogenannten Fressens besteht. Die verhältnismässig kleinflächigen Kolbenringe sind gewöhnlich geschlitzt ausgebildet und müssen bezüglich ihrer zugehörigen Kolbenringnuten genau auf Passung gearbeitet werden. Im allgemeinen ist die Kolbenringaussenfläche geschliffen oder geläppt, um die erwünschte Abdichtung gegenüber der Zylinderinnenwand zu erreichen.

Infolge der erforderlichen Schmierung arbeiten Kolbenverdichter der genannten Bauform niemals ohne eine gewisse Verunreinigung, d.h. das komprimierte Gas wird durch das Schmiermittel, so beispielsweise durch Öl verunreinigt. Bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen, so bei Verwendung für medizinisch-technische Geräte etc. bestehen jedoch erhöhte Anforderungen an absolute Sauberkeit des komprimierten Gases. Verunreinigte komprimierte Gase erweisen sich im allgemeinen auch als äusserst schädlich, wenn Kolbenverdichter der beschriebenen Konstruktion zum Spritzen von Farbe, also zum Spritzlackieren etc. benutzt werden.

Die für die Abdichtung gegenüber der Zylinderwand verwendeten Führungsund Kolbenringe sind geschlitzt, um den unterschiedlichen Dehnungen und Durchmesseränderungen des Kolbens gerecht zu werden; als Folge dieser geschlitzten Kolbenringe ist unvermeidlich ein gewisser Leckverlust in Kauf zu nehmen. LJieser Leckverlust erweist sich als gravierend, wenn Kolbenverdichter miniaturisiert, also auf kl einstmögliche

-3 -

7308450 31.08.78

• · t ff lilt

I · · ι

II» · · ■ 1

-3 -

Abmessungen abgestellt werden.

Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, dass insbesondere Kolbenverdichter kleinerer Abmessungen relativ teuer sind, da auf die Verwendung der Kolbenringe und auf die kostenaufwendige Nachbearbeitung der verschiedenen Dichtungsflächen nicht verzichtet werden kann.

Die Anforderungen an einen Kolben, nämlich: Ausreichende Festigkeit auch bei hoher Temperatur, Formbeständigkeit während des Betriebes, gute Abdichtung des Arbeitsraumes, gute Laufeigenschaften, geringe Reibungskräfte, geringes Gewicht, geeignete Oberflächengestaltung, Beherrschung der während des Betriebes auftretenden thermischen Beanspruchungen durch entsprechende Kühlung und sichere Verbindung mit den angeschlossenen Antriebsteilen führen bei Kolben bisher bekannter Konstruktion und bei Verwendur;; ier bisher für Kolben benutzten Werkstoffe unvermeidlich zu einem erhöhten konstruktiven Aufwand, insbesondere dann, wenn eine Miniaturisierung im Bau beabsichtigt ist. Bei einer Reduzierung der bislang üblichen konstruktiven Abmessungen - ■ treten beträchtliche Probleme hinsichtlich der Nachbearbeitung von

Kolben, Kolbenringen, Führungsringen und Kolbenbolzenlagern auf, weshalb sich die Kosten beträchtlich erhöhen können.

Davon ausgehend besteht die Aufgabe der Erfindung darin, einen Kolbenverdichter der eingangs genannten Art so auszubilden, dass er trotz verminderten konstruktiven Aufwandes all den oben genannten Anforderungen gerecht wird, welche an einen Kolbenverdichter ausreichender Laufzeit und Leistung gestellt sind.

-A-

7308450 31.08.78

■ ■

t I · ·

1 » 4

Die Lösung der Aufgabe kennzeichnet sich dadurch, dass der Kolben aus Polytetrafluoräthylen besteht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Kolbenverdichters ist gekennzeichnet durch eine stirnseitig in den Kolbenkopf unter geringem Abstand zur Zylinderwand eingelassene Ringnut und ein die radial c-usserhalb der Ringnut bestehende Dichtlippe elastisch in Radialrichtung gegen die Zylinderwand drückendes Federelement.

Die radial ausserhalb der Ringnut bestehende Dichtlippe gestattet, dass der Kolben wächst, sich also radial gegenüber der Zylinderwand dehnt. Da die Dichtlippe durch das Federelement elastisch gegen die Zylinderwand verspannt ist, kann sich die Kolbenhauptmasse infolge der· durch die Ringnut bestehenden Schwächung relativ zur Dichtlippe bewegen. Auf diese Weise l<snr\ auf Kolbenringe und auf Schmierung

an

verzichtet werden. Der sich bei Aufwärtsbewegung/der Kolbenoberseite aufbauende Druck des Gases kommt natürlich auch innerhalb der Ringnut zur Wirkung und unterstützt die radial nach aussen gerichtete Verspannung durch das Federelement. Die Abdichtung auf der zwischen Dichtlippe und Zylinderwand bestehenden Fläche ist also infolge radialer Anpressung gerade dann am besten, wenn sich der Kolben seinem oberen Totpunkt nähert, der Druck des Gases also seinen Höchstwert erreicht.

Der Kolben ist bevorzugt so aufgebaut, dass das Federelement aus einer Schraubenfeder besteht, welche in einer Ringnut an der Innenseite der Dichtlippe eingesetzt ist. Entsprechend der beabsichtigten Verspannung durch das Federelement können demnach zwei- und mehrlagige Schraubenfedern eingesetzt werden.

7308450 31.08.78

Ein zur Erzielung einer besonders guten Abdichtung dienender Aufbau gemäss tier Erfindung kennzeichnet sich durch eine auf dem grössten Teil der Axiallänge des Kolbens sich zwischen oberem und unterem Kolbenrand erstreckende Aussparung in der Mantelfläche des Kolbens. Dut^ch diese Aussparung besitzt der Kolben zwischen oberer und unterer Dichtlippe kleineren Aussendurchmesser als dem Innendurchmesser der in diesem Bereich gegenüberliegenden Zylinderwand entspricht. Der Vorteil dieser Anordnung gemäss der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Reibung des Kolbens auf die Berührungsflächen der unteren und der oberen Dichtlippe begrenzt bleibt, so dass der Kolben sehr leicht und ohne Schmierung bewegt werden Kann. Dennoch gewährleistet das der oberen Dichtlippe zugeordnete Fed er element, dass die Dicht'ippe insbesondere bei Beginn der nach oben gerichteten Verdichterbewegung unter ausreichender Abdichtung gegen die Zylinderwand angedrückt wird. Nähert sich der Kolben bei nach oben gerichteter Verdichterbewegung seinem oberen Totpunkt, dann trägt der erhöhte Druck des Gases bei Wirkung innerhalb der Ringnut in genannter Weise dazu bei, die Dichtlippe unter ausreichender Abdichtung gegen die Zylinderwand anzupressen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Kolbenverdichters gemäss der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, dass das Einlassventil als ein auf der Kolbenoberseite sich auflegender Ventilteller besteht, welcher mittels eines kurzen Schafts mit einer im Inneren des Kolbens angeordneten, sich bei Abwärtsbewegung des Kolbens gegen eine Ringschulter anlegenden Einlaßscheibe verbunden ist. Da die Fläche der Abdichtung zwischen Ventilteller und Kolben erfindungsgemäss auf der Kolbenoberseite gewählt wurde, streicht das von der Kolbenunterseite anzusaugende Gas bei Abwärtsbewegung des Kolbens und gleichzeitigem

-6 -

7308450 31.0878

Öffnen des Einlassventils in Form eines beschleunigten Luftstromes zwischen der Unterseite des Ventil tellers und der Kolbenoberseite radial nach aussen in den Verdichterraum ein. Die durch den beschleunigten Gasstrom entstehende Kühlung kommt demnach dort zur Wirkung, wo sie am meisten benötigt wird, also an der Kolbenoberseite. Dabei ist es zweckmässig, dass das Einlassventil aus korvjsionsbeständigem Metall besteht.

Der Antriebsmechanismus des Kolbens kann von jeder geeigneten Konstruktion sein; ^weckmässigerweise bedient man sich eines Kurbeltriebes. Bei Verwendung eines derartigen Antriebes wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass ein von einem Pleuel getragener Kolbenbolzen an seinen beiden Enden drehbar in Radial bohrungen des Kolbens eingesetzt ist. Der an sich bekannte Kolbenbolzen kann infolge des für den Kolben gewählten Werkstoffs Polytetrafluoräthylen und infolge des dem Kolben eigenen verhältnisnnässig reibungsarmen Laufs ohne Gleit- oder Wälzlager in die Radial bohrungen eingepasst werden und kann sich innerhalb dieser Bohrungen drehen, ohne dass die Gefahr eines Ausschiagens besteht.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert.

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht des Kolbenverdichters gemäss der Erfindung; und

Fig. 2 ist eine vergrösserte Einzel Schnittansicht des in Fig. 1 durch gestrichelte Linien umschlossenen Feldes A.

7308450 31.08.78

Der in den Fig. 1 und 2 dargestellte Kolben 1 des Kolbenverdichters besteht erfindungsgemäss aus Polytetrafluoräthylen und trägt am Kolbenkopf 2 ein aus Metall bestehendes Einlassventil 9. Das Einlassventil ist als ein auf die Kolbenoberseite 11 sich auflegender Ventilteller 10 ausgebildet, welcher über einen Schaft 12 kurzer Baulänge mit einer Einlaßscheibe 14 in Verbindung steht. Der Ventilteller ist aus korrosionsbeständigem Material gefertigt; insbesondere erweisen sich Aluminium, Messing oder Zink als geeignet. Die Einlaßscheibe 14 ist gemäss Darstellung in Fig. 1 und 2 mit Durchlassöffnungen 18 durchsetzt, welche aus in einer Kreisform an der Ein- |

laßscheibe arqeordneten Bohrungen bestehen können. Der Bereich des |

Einlassventils steht über in axialer Richtung den Kolben durchsetzende Durcnlässe bzw. Kanäle (nicht dargestellt) mit der Kolbenunterseite in Verbindur^g, Bei nach unten gerichteter Bewegung des Kolbens legt sich die Einlaßscheibe 14 infolge der ihr eigenen Massenträgheit und infolge des entstehenden Druckunterschiedes an eine im Kolbeninneren befindliche Ringschulter 13 an, während sich der Ventilteller 10 um eine entsprechende Entfernung von der Kolbenoberseite 11 löst. Das von unterhalb des Kolbens über den axialen Durchlass (nicht dargestellt) einströmende Gas kann demnach die Durchlassöffnungen 18 der Einlaßscheibe 14 passieren und tritt über den Ringspalt zwischen Kolbenoberseite 11 und Unterseite des Ventiltellers 10 in den Arbeits- bzw. Verdichtungsraum des Zylinders ein. Infolge seiner Zuordnung zur Kolbenoberseite trägt der Ventilteller zur radialen Strömungsführung des angesaugten Gases, so beispielsweise der Luft in einem Bereich des Kolbens bei, welcher am stärksten erwärmt ist, also besonderer Kühlung bedarf.

Bei nach oben gerichteter Bewegung des beispielsweise über einen Elektromotor und eine Kurbelwelle antreibbaren Kolbens 1 wird das im Arbeits- oder Verdichtungsraum befindliche Gas verdichtet, da sich der Ventilteller 10 bei Beginn dieser Bewegung an die Kolbenoberseite 11 des aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Kolbens auflegt und gegenüber dem Kolben abdichte»:. Da Polytetrafluoräthylen auch Dichtungseigenschaften besitzt, reicht es vollständig aus, die korrespondierenden Dichtflächen von Ventilteller und Koloonoberseite plan zu drehen. Zudem wird der Ventilteller 10 durch den sich aufbauenden Druck des Gases verstärkt gegen die Kolbenoberseite angedrückt. Bei Erreichen eines vorbestimmten Druckes passiert das Gas über eine Bohrung 19 (Fig. 1) ein Rückschlagventil 20, welches sich innerhalb des Zylinderkopfes befindet und über einen Nippel 21 an eine Druckleitung angeschlossen ist. Diese Druckleitung führt zum Ort der Verwendung, so beispielsweise zu einer mit Druckluft zu speisendö"iFarb-Spritzpi stol e.

Gemäss Darstellung in Fig. 1 und 2 erstreckt sich erfindungsgemäss unter geringem Abstand zur Zylinderwand 3 eine Ringnut 4 in den Kolbenkopf 2. Auf diese Weise besteht radial ausserhalb der Ringnut 4 eine Dichtlippe 5, welche bei Kolbenverdichtern kleiner Konstruktion eine Wanddicke von beispielsweise 0,4 - 1,0 mm besitzen kann. Vorzugsweise ist in einer an der Innenseite der Dichtlippe 5 befindlichen Ringnut 7 ein Federelement 6 eingelassen, welches gemäss Darstellung aus einer zweilagigen Schraubenfeder besteht, jedoch auch jede ändert Form besitzen kann. Das Federelement 6 hat die Aufgabe, die Dichtlippe 5 in nachfolgend ausführlich beschriebener Weise gegen die Zylinderwand 3 anzudrücken.

7308450 31.08.78

Die Mantelfläche des Kolbens 1 ist in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise ... ^ .-..-.r-, ^^,^₃*-^_η Teil ihrer Axiallänge mit einer Aussparung 8 versehen, wodurch der Kolben in diesem Bereich kleineren Aussendurchmesser besitzt als an seinem oberen und an seinem unteren Kolbenrand. Auch der untere Kolbenrand kann in einer dem oberen Kolbenrand vergleichbaren Weise mit einer Ringnut und mit einem entsprechenden dis Dichtlippe nach aussen verspannenden Federelement ausgestattet sein. Vorzugsweise wird die erfindungsgemässe Anordnung aus Ringnut und Federelement am Kolbenkopf des Verdichters vorgesehen, da die Erfordernisse hinsichtlich der Abdichtung in diesem Bereich am grössten sind.

Das für den Antrieb des Kolbens 1 verwendete Pleuel 16 trägt einen Kolbenbolzen 15, welcher infoige des für- den Kolben verwendeten Werkstoffs Polytetrafluoräthylen und infolge vergleichsweise geringer Reibung im 3ereich der Dichtüppen ohne Verwendung von Lagerbuchsen oder Wälzlager beidseitig in eine radial den Kolben 1 durchsetzende Bohrung eingesetzt und in dieser drehbar ist. Das Pleuel steht in an sich bekannter Weise mit einer Kurbelwelle in Verbindung, welche durch einen Elektromotor oder einen vergleichbaren Antriebsmechanismus antreibbar ist.

Der Kolben 1 gemäss der Erfindung weist infolge seiner Beschaffenheit aus Polytetrafluoräthylen und infolge seines konstruktiven Aufbaues folgende Vorteile auf:

Wie erwähnt wird die Dichtlippe 5 durch das Federelement 6 elastisch gegen die Zylinderwand 3 angedrückt, um über der zwischen Zylinderwand und C .cntlippe bestehenden Ringfläche ausreichende Abdichtung

- 10 -

7308450 31.08.78

zu erreichen. Führt der Kolben 1 seine nach oben gerichtete Verdichter-

ÜtiWCCjLfrig CLÜä, SO €:Γ"*νν«ίΓ*ϊΤ*ιΰ SiCm OuS rsOMMpPirVuer CG w%Ä3 ΐ.Π ϋΓΊ iJlCr"» LJC—

kannter Weise und erwärmt den Kolbenkopf 2. Dieser beginnt zu "wachsen", sich also insbesondere radial zu dehnen. Diesem Problem wird bei als bekannt anzusehenden Kolben dadurch Rechnung getragen, dass der Aussendurchmesser des Kolbens etwas kleiner gehalten wird, als dem Innendurchmesser der Zylinderwand entspricht, wobei geschlitzte Kolbenringe verhältnismässig kleiner Auflagefläche die Abdichtung gegenüber der Zylinderwand übernehmen. Da die Kolbenringe auf vergleichsweise kleiner Fläche aufliegen ist es erforderlich, dass die Aussenfläche der Kolbenringe geschliffen oder geläppt wird. Demgegenüber wird dem Wachsen des Kolbens in Radial richtung erfindungsgemäss dadurch Rechnung getragen, dass die Ringnut 4 unter geringem Abstsrsd zur Zylinderwsnd in der» Kolbenkopf eingelassen ist. Die Kol— benhauptmasse, also der radial innerhalb der Ringnut bestehende Kolbenkörper kann sich entsprechend seiner thermischen Belastung radial ausdehnen und bewegt sich relativ bezüglich der vergleichsweise dünnwandigen Dichtlippe 5. Die Ringnut 4 verengt sich also geringfügig. In die an der Innenseite der Dichtlippe 5 bestehende Ringnut 7 ist in beschriebener Weise ein Federelement 6 eingelassen, welches die Aufgabe besitzt, die Dichtlippe unter ausreichender Verspannung gegen die Zylinderwand 3 anzudrücken. Nähert sich der Kolben 1 seinem oberen Totpunkt, erreicht also das im Verdichtungsraum des Zylinders befindliche Gas seinen Höchstwert, so kommt es auch innerhalb der Ringnut 4 zur Wirkung, unterstützt demnach die Spannkraft des vorzugsweise als Schraubenfeder ausgebildeten Federelements, um die Dichtlippe 5 gegen die Zylinderwand anzuDressen. Die in der Mantelfläche des Kolbens befindliche Aussparung 8 legt die zur Abdichtung der Dichtlippe 5 gegenüber der Zylinderwand dienende Ringfläche fest und bestimmt auch

- 11 -

7308450 31.08.78

die Ringfläche des unteren Kolbenrandes bei Anlage an der Zylinderwand. So ist es möglich, den Kolbenverdichter ohne jegliche Schmierung, d.h. trocken laufen zu lassen.

Durch die Materialbeschaffenheit des erfindungsgemässen Kolbens 1 besteht ausreichende Gleiteigenschaft zwischen Zylinderwand und Kolbenmantel fläche, so dass keinerlei Gefahr des "Fressens" besteht. Das sogenannte "Fressen" ist auch deshalb nicht möglich, da sich die Dichtlippe 5 bei Auftreten eines etwaigen erhöhten Reibungswiderstandes gegen die Spannung des Federelements 6 nach innen bewegen kann.

Die beschriebene Konstruktion des Kolbens erweist sich als besonders vorteilhaft bei kleinen Verdichtern, welche bis zu Arbeitsdrücken von 15 bar arbeiten sollen. Gerade bei Verdichtern kleiner Bauart kommen f die der erfindungsgemässen Konstruktion eigenen Vorteile insbesondere zur Geltung, da keine über das übliche Maß hinausgehenden Feinbearbeitungen am Kolben erforderlich sind. Der beschriebene konstruktive Aufbau ohne Verwendung der an sich bekannten Kolbenringe, welche unter genauer Passung zu den Kolbenringnuten zu arbeiten sind, bringt es mit sich, dass die Herstellungskosten von Kleinverdichtern beträchtlich reduziert werden können.

Wie erwähnt legt sich der Ventilteller 10 bei nach oben gerichteter Bewegung des Kolbenkopfes 2 auf die Kolbenoberseite 11 auf und dichtet gegenüber der bedeckten Ringfläche der Kolbenoberseite ab. Da das für den Kolben 1 gemäss der Erfindung verwendete Material auch gute Dichteigenschaften besitzt, erübrigt sich die Verwendung konstruktiv aufwendiger und damit teurer Dichtungen im Bereich der Kolbenoberseite. Es reicht aus, sowohl den Ventilteller 10 als auch die Kolben-

- 12 -

7308450 31.08.78

Oberseite 11 plan zu drehen, um die erwünschte Abdichtung herbeizuführen.

Der beschriebene Kolbenverdichter gemäss der Erfindung kann auch als Saug- bzw. Vakuumpumpe eingesetzt werden, ohne dass es.konstruktiver Änderungen des Kolbens bedarf. Es ist lediglich erforderlich, das Wälzlager für die Kurbelwelle mit geeigneten Dichtungen auszustatten und einen Anschluss für eine Saugleitung vorzusehen.

Da der beschriebene Kolbenverdichter seiner Wirkung nach auch als Saug- bzw. Vakuumpumpe eingesetzt werden kann, ohne dass eine über die Dichtungs- und Anschlusselements hinausgehende konstruktive Änderung erforderlich ist, schliesst die Erfindung auch Pumpen- und Kolbenmechanismen vergleichbarer Form ein.

Claims (7)

1. -PA=FeNTMNSPRUCHE:

   1 . Kolbenverdichter für gasförmige Medien, mit einem innerhalb eines Zylinders geradlinig hin- und herbewegbaren Kolben, welcher mit einem axial verlaufenden Durchlass für das von der KoI benuncerseite anzusaugende Gas und mit einem am Kolbenkopf ausgebildeten, bei Abwärtsbewegung des Kolbens sich öffnenden und bei Aufwärtsbewegung des Kolbens sich schliessenden Einlassventil ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (1) aus Polytetrafluorethylen besteht.
2. 2. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Btirnseitig in den Kolbenkopf (2) unter geringem Abstand zur Zylinderwand (3) eingelassene Ringnut (4) und ein die radial ausserhalb der Ringnut bestehende Dichtlippe (5) elastisch in Radiialrichtung gegen die Zylinderwand (3) drückendes Federelement (6).
3. 8. Kolbenverdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (6) aus einer Schraubenfeder besteht, welche in einer Ringnut (7) an der Innenseite der Dichtlippe (5) eingesetzt ist.
4. 4. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine auf dem grössten Teil der Axi&llänge des Kolbens (1) sich zwischen oberem und unterem Kolbenrand erstreckende Aussparung (8) in der Mantelfläche des Kolbens.

   - 14 -

   7308450 31.08.78
5. 5. Kolbenverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aas Einlassventil (9) als ein auf der Kolbenoberseite (11) sich auflegender Ventilteller (10) besteht, welcher mittels eines kurzen Schafts (12) mit einer im Inneren des Kolbens angeordneten, sich bei Abwärtsbewegung des Kolbens gegen eine Ringschulter (13) anlegender. Einlaßscheibe (14) verbunden ist.
6. 6. Kolbenverdichter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (9) aus korrosionsbeständigem Metall besteht.
7. 7. Kolbenverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein von einem Pleuel (16) getragener Kolbenbolzen (15) an seinen beiden Enden drehbar in Radialbohrungen (17) des Kolbens (1) eingesetzt ist.

   7308450 31.08.78