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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für einen Kolbenverdichter zum Pumpen von Gas und/oder Dampf, insbesondere für Kältemaschinen für Geothermiesonden. Der Kolben weist ein Kolbengehäuse mit einer druckseitigen Öffnung an einem druckseitigen Ende und mit einer saugseitigen Öffnung an einem saugseitigen Ende auf sowie einen im Inneren des Kolbengehäuses zu diesem relativ bewegbaren Kolbenkern, der mittels einer Kolbenstange mit dem Gehäuse in einen Pumpanschlag und einen Sauganschlag gebracht werden kann, wobei der Kolbenkern ferner eine mit der druckseitigen Öffnung in Eingriff bringbare Dichtstruktur aufweist.
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Kolbenverdichter, die in besonders engen und schwer zugänglichen Orten betrieben werden, müssen möglichst einfach und kompakt konstruiert sein, um einen wartungsarmen Betrieb bei optimaler Nutzung des verfügbaren Raums zu gewährleisten. Solche Rahmenbedingungen liegen zum Beispiel bei Geothermie-Anwendungen vor, insbesondere bei Kältemaschinen für Geothermiesonden. Grundsätzlich sehen sich jedoch die meisten Hydraulik- und Pneumatikanwendungen mit diesen Optimierungsherausforderungen konfrontiert.
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Herkömmliche Kolbenverdichter sind üblicherweise so aufgebaut, dass ein Kolben in einem Führungszylinder die Verdichtung des Fluids ermöglicht und dass ein Saug-Rückschlagventil im Zylinderkopf den Gasaustausch zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verdichtungshüben steuert. Eine derartige Trennung der Funktionen führt regelmäßig dazu, dass das Saug-Rückschlagventil im Zylinderkopf zu Lasten des Hubweges geht, wenn nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht. Auch ist der Saug-Druckverlust aufgrund der Ventilfeder bzw. des Ventilmechanismus verhältnismäßig hoch, was den Gesamtwirkungsgrad des Kolbenverdichters schmälert.
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Im Stand der Technik gibt es vereinzelt Ansätze, das Saug-Rückschlagventil inklusive der dazugehörigen Steuerung vom Zylinderkopf in den Kolben zu verlagern. Allerdings sind derartige Ansätze technisch kompliziert und führen nicht zu einem nennenswerten Zugewinn an Hubweg, weil der Kolben mit integriertem Ventil eine entsprechend erhöhte Längserstreckung aufweist.
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Beispielsweise offenbaren
DE 102 49 042 A1 und
EP 1 785 626 B1 Kolbenverdichter mit Kolben und Kolbengehäuse mit einer druckseitigen und einer saugseitigen Öffnung. Im Innern des Kolbengehäuse befinden sich zudem bewegliche Teile, die eine mit der druckseitigen Öffnung in Eingriff bedingbare Dichtstruktur aufweisen. Diese Dichtstruktur verschließt die druckseitige Öffnung beim Druckhub, während sie beim Saughub die Öffnungen fluidisch verbindet. Ein zwischen dem druckseitigen Ende und dem Kolbenkern angeordneter Anschlagdämpfer ist nicht vorgesehen.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Kolben aufzuzeigen, der bei reduzierter technischer Komplexität ein möglichst geringes Totvolumen im Kolben erzielt, um so robuster und effizienter betrieben werden zu können.
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Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem Kolben gemäß Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Kolbens sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
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Der erfindungsgemäße Kolben zeichnet sich also dadurch aus, dass im Kolben zwischen dem druckseitigen Ende und dem Kolbenkern ein Anschlagdämpfer angeordnet ist, und dass der Kolbenkern, die Dichtstruktur und die Kolbenstange so ausgeführt sind, dass beim Pumpanschlag die druckseitige Öffnung fluiddicht verschlossen ist und beim Sauganschlag die saugseitige Öffnung mit der druckseitigen Öffnung fluidisch offen in Verbindung steht.
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Im Ergebnis wirkt der erfindungsgemäße Kolben selbst als ein passiv betätigtes Saug-Rückschlagventil, da dieser alleine durch die Zug- bzw. Druckauslenkung der Kolbenstange geschaltet wird.
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Der erfindungsgemäße Kolben bildet immer dann, wenn der Kolbenkern sich im Pumpanschlag befindet, ein Rückschlagventil aus, das die Pump- bzw. Druckseite gegen einen Fluidaustritt verriegelt und das Fluidvolumen bis auf Nenndruck komprimiert. Mit anderen Worten wird beim Komprimieren, verursacht durch die Druckauslenkung der Kolbenstange, der Pumpanschlag im Kolben durch Kräfte aus der Kolbenstange und Druckkräfte aus dem komprimierten Fluid hervorgerufen. Dadurch wirkt der Pumpanschlag selbstverstärkend und abdichtend. Dieser Zustand liegt während des Komprimiervorgangs bis zum Erreichen des oberen Totpunkts vor. Ein Pumpanschlag bildet sich demnach bereits beim Pumpvorgang und vor Erreichen des oberen Totpunkts aus. Je nach Ausgestaltung des Anschlagdämpfers und abhängig davon, welcher Gegendruck am Kolben anliegt, kann der Pumpanschlag unterschiedlich stark ausgeprägt sein. Wenn der Kolben am oberen Totpunkt in Kontakt mit der Zylinderdeckfläche kommt, ist der Pumpanschlag annähernd maximal ausgeprägt.
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Unmittelbar nach dem Erreichen des oberen Totpunkts zieht die Kolbenstange den Kolbenkern und zieht, nachdem sich der Sauganschlag eingestellt hat, auch das Kolbengehäuse nach unten, wobei Fluid in den druckseitigen Bereich des Führungszylinders oberhalb des Kolbens gesaugt wird. Beim Ansaugen sorgt die Reibkraft zwischen Kolben und Führungszylinder dafür, dass der Kolbenkern durch die Kolbenstange nach unten bewegt wird und so nach Erreichen des Sauganschlags das Ventil öffnet. Ein gesteuertes Öffnen des Saugventils am oberen Totpunkt wird demnach ohne zusätzliche Komponenten erreicht. Der Aufbau ist dadurch einfach und robust. Dementsprechend bildet der erfindungsgemäße Kolben immer dann, wenn sich der Kolbenkern im Sauganschlag befindet, ein Saugventil aus, das einen Fluidstrom aus der Saugseite durch den Kolben in die Druckseite des Führungszylinders zulässt.
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Diese passive Ventilschaltung schafft eine einfache und sichere Ventilsteuerung. Zusätzlich wird das Totvolumen im Zylinder auf annähernd Null reduziert, da der erfindungsgemäße Kolben bis auf Anschlag mit der Zylinderdeckelfläche betrieben werden kann. Letzteres wird insbesondere durch das Vorhandensein des Anschlagdämpfers ermöglicht, der verhindert, dass der mechanische Impuls des Anschlags an der Zylinderdeckfläche auf die Kolbenstange und letztlich die Antriebsmaschine übertragen wird. Der Anschlagdämpfer erfüllt idealerweise zwei Funktionen, nämlich die Dämpfung des Anschlags sowie die Abdichtung der druckseitigen Öffnung.
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Dadurch, dass der Anschlagdämpfer im Inneren des Kolbens angeordnet ist, bleibt die Verdichtungskammer frei von zusätzlichen Komponenten, wodurch Totvolumen vermieden und ein stets gleichbleibender Hubraum zur Verfügung steht.
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Unter dem Begriff druckseitig bzw. druckseitiges Ende ist jenes Ende bzw. jene Richtung gemeint, das bzw. die dem Kompressionsraum im Kolbenverdichter zugewandt ist. Entsprechend ist unter dem Begriff saugseitig bzw. saugseitiges Ende das gegenüberliegende Ende bzw. die vom Kompressionsraum weg zeigende Richtung gemeint.
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Unter einer in Eingriff mit der druckseitigen Öffnung bringbaren Dichtstruktur wird jede Struktur oder Oberflächentopologie gemeint, die, wenn diese in Kontakt mit der druckseitigen Öffnung kommt, einen im Wesentlichen flächigen Kontakt ausbildet, wodurch die Öffnung abgedichtet wird. Wie zuvor erwähnt erfolgt die Abdichtung dabei nicht immer allein durch diesen flächigen Kontakt, sondern gegebenenfalls auch im Zusammenspiel mit dem Anschlagdämpfer, der im Pumpanschlag komprimiert wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist der Anschlagdämpfer am Kolbenkern und/oder am druckseitigen Ende des Kolbengehäuses angeordnet. Für die Funktion ist zunächst entscheidend, dass beim Anschlag des Kolbens eine ausreichende Dämpfung und Dichtung des Pumpanschlags vorliegt. Die Anordnung des Anschlagdämpfers am Kolbenkern hat den Vorteil, dass dieser im Vergleich zu der Montage desselben in das Kolbengehäuse leichter auf den Kolbenkern montiert werden kann. Denkbar wäre auch, den Anschlagdämpfer zu einem Teil am Kolbengehäuse und zu einem anderen Teil am Kolbenkern anzuordnen. Grundsätzlich kann eine derartige Aufteilung auch unter dem Gesichtspunkt der Trennung der Funktionen „Dichten“ und „Dämpfen“ erfolgen, etwa mittels unterschiedlicher Werkstoffe.
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Weiterbildend ist es vorteilhaft, wenn der Anschlagdämpfer ein Hochtemperatursilikon aufweist. Für die Dämpfung und Dichtung des Kolbens im Pumpanschlag ist eine möglichst gute Elastizität und Dichteigenschaft des Anschlagsdämpfers entscheidend. Silikon hat den Vorteil, dass es auch bei erhöhten Temperaturen verhältnismäßig lange strukturell stabil bleibt, wodurch ein gleichbleibender Betrieb des Kolbenverdichters gewährleistet werden kann. Silikon zeichnet sich ferner durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus, wodurch auch chemisch aggressivere Fluide gefördert werden können, ohne dass die Funktion des Kolbens durch ein Versagen des Anschlagdämpfers gefährdet wird. Die Erfinder haben festgestellt, dass für die silikonbasierten Anschlagsdämpfer eine höhere Shore-Härte (90/60/40//20) zugunsten einer geringeren Stärke die Ventilfunktion begünstigen. Eine weitere Werkstoffoption, die durch die Erfinder experimentell bestätigt wurde ist der Einsatz von PTFE, dessen Härte durch unterschiedliche Legierungen variiert werden kann. Hier gilt genauso, dass eine höhere Härte, mit niedrigerer Dämpfwirkung, zu Gunsten höherer Haltbarkeit geht.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kolbengehäuse mehrteilig, aufweisend ein Deckelteil, das am druckseitigen Ende angeordnet ist, und ein Bodenteil, das am saugseitigen Ende angeordnet ist, wobei das Deckelteil vorzugsweise mit dem Bodenteil verschraubbar ist. Dadurch können die Fertigung und Montage des Kolbens besonders einfach umgesetzt werden. Für den Zusammenbau, können die im Inneren des Kolbens fest angeordneten Teile zunächst in die betreffenden Gehäuseteile eingesetzt werden, anschließend können die beweglichen Teile eingelegt und die Gehäuseteile alsdann miteinander verschraubt und als fertiger Kolben in einen Führungszylinder eigesetzt werden.
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Grundsätzlich müssen im Inneren des Kolbens stets gewisse Strömungsquerschnitte im Bereich der Kolbenstange und des Kolbenkerns frei bleiben, damit im Sauganschlag Fluid durch den Kolben strömen kann. Diese Strömungsquerschnitte können beispielsweise die Form von Ringspalten haben. Vorteilhafterweise bilden der Kolbenkern und/oder die Kolbenstange gezielt eingebrachte Strömungskanäle aus oder weisen diese auf, insbesondere entlang der Längsrichtung des Kolbens verlaufende Nuten. Mit Hilfe derartiger Nuten kann sichergestellt werden, dass ausreichend dimensionierte Strömungsquerschnitte vorhanden sind, wenn sich der Kolbenkern im Sauganschlag befindet. Unter gezielt eingebrachten Strömungskanälen im Sinne dieser Weiterbildung werden speziell eingebrachte Aussparungen verstanden. Dazu zählen insbesondere Strömungskanäle, die es dem Fluid ermöglichen, das sich am Sauganschlag ausbildende Wirkflächenpaar über eigens vorgesehene Kanäle zu überwinden.
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Weiterbildend ist es vorteilhaft, wenn das Kolbengehäuse an dessen Außenseite zumindest ein Führungselement, ein Dichtelement und ein Spannelement aufweist, wobei das Dichtelement ein Simmering, ein metallener Kolbenring oder ein Kunststoffring ist. Das Führungselement kann vorzugsweise ein Führungsring sein. Das Spannelement kann vorzugsweise eine Spannhülse sein. Vorteilhaft bei dieser Ausführung ist die Trennung der Funktionen „Dichten“ und „Führen“ des Kolbens in einem Führungszylinder. Ferner weist durch das Ausbilden von sowohl eines Dichtelements als auch eines Führungselements der Kolben zwei in Längsrichtung des Kolbens versetzte Linienkontakte auf, wodurch ein Verkanten des Kolbens im Führungszylinder weniger wahrscheinlich wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, das Dichtelement oberhalb des Führungselements anzuordnen, insbesondere das als Simmering, metallener Kolbenring oder Kunststoffring ausgeführte Dichtelement am Deckelteil des Kolbengehäuse anzuordnen und mit dem als Spannhülse ausgeführten Spannelement vorzuspannen und das Führungselement am Bodenteil des Kolbengehäuses anzuordnen. So können die einzelnen Komponenten besonders leicht zu dem fertigen Kolben zusammengebaut und gegebenenfalls leicht separat ausgetauscht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung weist die druckseitige Öffnung eine Bohrung und die Dichtstruktur einen zur Bohrung komplementären Stift auf, wobei der Stift beim Pumpanschlag über eine druckseitige Außenfläche am druckseitigen Ende des Kolbens hinaus erstreckt, und wobei der Anschlagdämpfer um den Stift herum ausgebildet ist. Vorteilhaft ist dabei, dass die Bohrung, der komplementäre Stift und der scheibenförmige Anschlagdämpfer kostengünstig hergestellt werden können. Die Rotationssymmetrie aller besagten Komponenten vereinfacht die Berechnung des Druckprofils und die Dimensionierung der Bauteile. Dadurch, dass der Stift sich über eine druckseitige Außenfläche am druckseitigen Ende des Kolbens hinaus erstreckt, kann die Dichtwirkung nochmals verbessert werden. In diesem Falle ist zusätzlich am Zylinderdeckel eine entsprechend komplementäre Aussparung vorgesehen, in die der Stift am oberen Totpunkt und im Pumpanschlag eindringt. Ein derartiger Stift hat ferner den Vorteil, dass mit dem überstehenden Teil des Stifts ein Schaltvorgang initiiert werden kann, etwa das Öffnen einer Ventilklappe oder dergleichen.
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Vorteilhafterweise weist der Kolbenkern Bronze und/oder das Kolbengehäuse Edelstahl auf. Bronze hat den Vorteil, elastisch, zäh und korrosionsbeständig zu sein, wodurch der Kolbenkern besonders lange in Betrieb sein kann bevor er ausgetauscht werden muss, selbst wenn chemisch aggressivere Stoffe gefördert werden. Durch die Materialpaarung Bronze/Edelstahl wird zwischen dem Kolbenkern und dem Kolbengehäuse die Selbstgleiteigenschaft begünstigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung erstreckt sich die Kolbenstange über die saugseitige Öffnung durch das Kolbengehäuse, wobei die Kolbenstange mit dem Kolbenkern starr oder beweglich verbunden ist. In diesem Fall dient die saugseitige Öffnung als Aufnahme der Kolbenstange und gleichzeitig als Einlassöffnung für das angesaugte Fluid, wenn sich der Kolbenkern im Sauganschlag befindet. Grundsätzlich hat eine starre Befestigung der Kolbenstange mit dem Kolbenkern den Vorteil, dass hierfür eine einfache und sichere Bauteilverbindung verwendet werden kann, die auch auf lange Sicht zuverlässig hält. Eine bewegliche Verbindung der Kolbenstange mit dem Kolbenkern hat den Vorteil, dass etwaige Unwuchten, Schwingungen und/oder andere Störeinflüsse nicht unmittelbar von der Kolbenstange auf den Kolbenkern übertragen werden, was die Betriebssicherheit des Kolbens erhöht.
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Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe mit einem Kolbenverdichter gelöst, der einen erfindungsgemäßen Kolben aufweist sowie einen Förderzylinder mit einer Zylinderdeckfläche, einem Auslassventil sowie einer Zylinderbodenfläche, wobei der Kolben im Betrieb am oberen Totpunkt mit der Zylinderdeckfläche in Kontakt gelangt. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass das Totvolumen im Zylinder weitestgehend, das heißt bis auf am Zylinderdeckel angrenzenden Ventileinlauf des Auslassventils, vermieden werden kann.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist im Inneren des Ventileinlaufs eine Ventilklappe ausgebildet, die nur dann geöffnet ist, wenn die Dichtstruktur im Ventileinlauf anwesend ist. Im einfachsten Fall ist die Ventilklappe vorgespannt und wird von der Dichtstruktur aufgedrängt. Sobald die Dichtstruktur wieder aus dem Ventileinlauf weicht, schließt die Ventilklappe erneut den Ventileinlauf. Mit Hilfe der Ventilklappe kann das Totvolumen des Kolbenverdichters praktisch auf Null reduziert werden, da der gesamte zur Verfügung stehende Leerraum komprimiert wird.
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Weiterbildend ist es vorteilhaft, wenn die Kolbenstange fluidisch dicht im Zylinderboden des Führungszylinders gelagert ist. Die Lagerung im Zylinderboden hat den Vorteil, dass die Kolbenstange keine oder nur geringe Kippmomente auf den Kolbenkern übertragen kann, wodurch die Betriebssicherheit nochmals erhöht wird.
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Die Aufgabe der Erfindung wird des Weiteren mit einer Pumpe gelöst, die einen erfindungsgemäßen Kolbenverdichter aufweist. Der Hauptvorteil einer derartigen Pumpe liegt darin, dass für das Schalten des Kolbenverdichters keinerlei zusätzliche Komponenten notwendig sind. Im Betrieb fördert der Kolbenverdichter durch seine im Kolben integrierte Saug-Rückschlagventilfunktion ein Fluid aus einem saugseitigen Fluidreservoir in ein - gegen Rückschlag gesichertes - druckseitiges Fluidreservoir, ohne dass Steuereingriffe von außen notwendig sind.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand vier in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen und einem Beispiel eines erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens näher erläutert. Darin zeigen schematisch:
- 1 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kolbens in einer neutralen Position;
- 2 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Kolbens gemäß 1 im Pumpanschlag;
- 3 eine Querschnittsansicht des erfindungsgemäßen Kolbens gemäß 1 und 2 im Sauganschlag;
- 4 eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Kolbenverdichters mit einem erfindungsgemäßen Kolben;
- 5 eine Querschnitts-Teilansicht eines Kolbenverdichters mit einem erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 6 eine Querschnitts-Teilansicht eines Kolbenverdichters mit einem erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer zweiten Ausführungsform;
- 7 eine Querschnitts-Teilansicht eines Kolbenverdichters mit einem erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer dritten Ausführungsform; und
- 8 eine Querschnitts-Teilansicht eines Kolbenverdichters mit einem erfindungsgemäßen Kolben gemäß einer vierten Ausführungsform.
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1 veranschaulicht einen erfindungsgemäßen Kolben 1 anhand einer schematischen Querschnittsansicht. Der Kolben wird in dieser Darstellung losgelöst von allen Komponenten des Kolbenverdichters betrachtet. Der Kolben 1 weist ein Kolbengehäuse 2 auf, das sich aus einem Deckelteil 2a und einem Bodenteil 2b zusammensetzt, welche entlang der Längsachse A des Kolbens 1 etwa in der Mitte des Kolbengehäuses 2 miteinander verschraubt sind. Das Deckelteil 2a weist ein druckseitiges Ende 3 mit einer druckseitigen Öffnung 3a auf und das Bodenteil 2b weist ein saugseitiges Ende 4 mit einer saugseitigen Öffnung 4a auf. Im Inneren des Kolbens 1 ist ein verschiebbar gelagerter Kolbenkern 5 angeordnet, der mit einer Kolbenstange 6 verbunden ist, die sich durch die saugseitige Öffnung 4a zur Umgebung hin erstreckt. Sowohl die Kolbenstange 6 als auch der Kolbenkern 5 bilden an den Seiten Fluidkanäle 8 in der Form von Nuten 9 aus, die es ermöglichen, dass Fluid über die verbleibende saugseitige Öffnung 4a in das Innere des Kolbens 1 gelangen kann, wenn der Kolben 1 sich im Sauganschlag SA befindet. Der Kolbenkern 5 weist an seiner zur Druckseite hin orientierten Oberfläche eine Dichtstruktur 5a auf, die komplementär zu der Geometrie der druckseitigen Öffnung 3a ist. In 1 ist die Dichtstruktur 5a ein Stift und die druckseitige Öffnung 3a ist eine Bohrung. Am Kolbenkern 5 ist um den als Stift ein Anschlagdämpfer 7 angeordnet, der in der dargestellten Position, der Neutralstellung des Kolbenkerns 1, in einem entspannten Zustand ist.
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Für die technische Funktion des Kolbens 1 spielt die Neutralstellung keine besondere Bedeutung, da sich aufgrund der Betätigung des Kolbens 1 durch die Kolbenstange 6 der Kolbenkern 5 entweder im Anschlag mit dem Deckelteil 2a, dem Pumpanschlag PA, oder im Anschlag mit dem Bodenteil 2b, dem Pumpanschlag befindet. Diese beiden Zustände werden entsprechend in den 2 und 3 beschrieben.
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2 zeigt den Kolben 1 mit einem Kolbenkern 5, der sich im Pumpanschlag PA befindet. Wie zuvor beschrieben und wie durch den Pfeil angedeutet wird unter Pumpanschlag PA der Zustand verstanden, bei dem der Kolbenkern 5 bis zum Anschlag in Richtung des druckseitigen Endes 3 des Kolbens 1 bewegt wurde und die Dichtstruktur 5a in die komplementäre druckseitige Öffnung 3a eingreift. Der Anschlagdämpfer 7 ist in diesem Zustand komprimiert, was zum einen eine Dämpfung des Kontakts von Kolbenkern 5 und druckseitigem Ende 3 des Kolbengehäuses 2 ermöglicht und zum anderen die Abdichtung des druckseitigen Endes 3a garantiert. Die Fluidkanäle 8 bzw. Nuten 9 sowie die saugseitige Öffnung 4a bleiben fluidisch offen, so dass das bei der Anschlagbewegung verdrängte bzw. angesaugte Fluid um den Kolbenkern 5 strömen kann. Der Pumpanschlag PA wird immer dann erreicht, wenn die Kolbenstange 6 einen Verdichtungshub ausführt und die der Hubbewegung entgegengesetzten Kräfte, insbesondere die Massenträgheit, Reibung des Kolbens und der Gegendruck ausreichend groß sind. Wann der Pumpanschlag PA vollständig erreicht ist, hängt vor allem von den Abmessungen und Stoffeigenschaften des Anschlagdämpfers 7 ab. Entscheidend ist, dass die Dichtung am druckseitigen Ende 3 stets ausreichend groß ist, dass kein Fluid über das Kolbengehäuse 2 von der Druckseite zur Saugseite gelangen kann.
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In 3 befindet sich der Kolbenkern 5a im Sauganschlag SA. Hierzu wurde entsprechend der Kolbenkern 5 mittels der Kolbenstange 6 bis zum Anschlag in Richtung des saugseitigen Endes 4 des Kolbens 1 bewegt. Der Kolbenkern 5 schlägt in diesem Fall am Bodenteil 2b des Kolbengehäuses 2 an. Dies ist immer dann der Fall, wenn die Kolbenstange 6 einen Expansionshub ausführt, wie durch den Pfeil nach unten angedeutet. Durch die Massenträgheit des Kolbengehäuses 2 und der am Kolbengehäuse 2 angreifenden Reibungs- und Trägheitskräfte eilt die Kolbenstange 6 bei Richtungsänderungen dem Kolbengehäuse 2 stets voraus. Von Bedeutung ist, dass die Fluidkanäle 8 bzw. Nuten 9 im Bereich der saugseitigen Öffnung 4a und des Kolbenkerns 5 offen bleiben, um zu gewährleisten, dass Fluid über das Kolbeninnere von der Saugseite zur Druckseite gelangen kann, welches dann beim nächsten Verdichtungshub erneut komprimiert wird. Der Kolben 1 bildet demnach ein passiv betätigtes Saug-Absperrventil aus, dass rein über die Bewegung der Kolbenstange 6 betätigt wird und je nach Bewegungsrichtung der Kolbenstange 6 eine Absperr- oder Ansaugfunktion erfüllt.
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In 4 ist der Kolben 1 im Einbau in einen Kolbenverdichter 10 gezeigt. Der Kolben 1 wird hierzu in einem Führungszylinder 11 geführt und über die Kolbenstange 6 betätigt, die am Zylinderboden 14 des Führungszylinders 11 fluiddicht gelagert ist. Oben am Führungszylinder 11 ist ein Flansch befestigt, auf dem mittig ein Auslassventil 13 mit einem Ventileinlauf 15 angeordnet ist. Der Kolben 1 wird in Betrieb von der Kolbenstange 6 bis zum Anschlag an die Zylinderdeckfläche 12 (nicht abgebildet) bewegt, wo er dann über den Anschlagdämpfer 7 abgebremst wird, dass keine Bauteile des Kolbens 1 Schaden nehmen. Der Ventileinlauf 15 befindet sich dabei unmittelbar oberhalb der druckseitigen Öffnung 3a.
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5 zeigt einen Kolben 1 gemäß einer ersten Ausführungsform im eingebauten Zustand in einem Kolbenverdichter 10. Der Kolben 1 weist ein Kolbengehäuse 2 auf, das aus einem Deckelteil 2a und einem mit dem Deckelteil 2a verschraubten Bodenteil 2b besteht. Im Inneren des Kolbens 1 sind der Kolbenkern 5 mit der daran befestigten Kolbenstange 6 sowie der am Kolbenkern 5 und um die als Stift ausgeführte Dichtstruktur 5a angeordnete Anschlagdämpfer 7 gezeigt. Wie auch in den 1 bis 3 offenbart kann der Kolbenkern 5 mit dem Deckelteil 2a in einen Pumpanschlag PA und mit dem Bodenteil 2b in einen Saugschlag SA gebracht werden, je nach Betätigung der Kolbenstange 6. In der abgebildeten Darstellung befindet sich der Kolbenkern im Sauganschlag SA und bildet damit einen fluidisch offenen Pfad von der saugseitigen Öffnung 4a über die druckseitige Öffnung 3a aus, wodurch Fluid vom Bereich der Kolbenführung 11, der sich unterhalb des Kolbens 1 ausbildet in den Bereich der Kolbenführung 11, der sich oberhalb des Kolbens 1 ausbildet, strömen kann. An der Kontaktfläche wischen dem Kolben 1 und der Kolbenführung 11 soll kein Fluid strömen können. Hierfür weist der Kolben 1 an seiner Außenseite Führungs-, Dicht- und Vorspannelemente auf. Genauer gesagt weist der Kolben 1 gemäß der ersten Ausführungsform im Mantelbereich des Deckelteils 2a als Vorspannelement 19 eine Spannhülse auf und als Führungselement 17 einen Führungsring. Das Dichtelement 18 ist als Simmering 18a ausgebildet. Nach unten, in Richtung des Saugbereichs, werden die Spannhülse und das Dichtelement mit einer Wellenschulter des Bodenteils 2b gesichert. Das Bodenteil 2b selbst weist an seiner Mantelfläche einen umlaufenden Führungsring auf, der in eine entsprechende Fase eingebracht ist. Durch die zweifache Kontaktierung des Kolbens 1 mit der Innenfläche der Kolbenführung 11 kann ein Verkannten des Kolbens 1 verhindert und die Dichtung optimiert werden.
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In 6 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kolbens 1 gezeigt. 6 unterscheidet sich von 5 dahingehend, dass als Dichtelement 18 ein metallener Kolbenring 18b und ein alternatives Vorspannelement 19 verbaut sind.
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Analog hierzu unterscheidet sich 7, die dritte Ausführungsform, von der ersten und zweiten Ausführungsform dahingehend, dass als Dichtelement 18 ein Kunststoffkolbenring 18c mit einem alternativen Vorspannelement 19 verbaut sind.
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8 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Gemäß dieser Ausführungsform ragt die als Stift ausgeführte Dichtstruktur 5a im Pumpanschlag bis in den Ventileinlauf 15 des Auslassventils 13 hinein. Dabei verdrängt der in den Ventileinlauf 15 hineinragende Teil des Stifts eine Ventilklappe 16, die zuvor den Ventileinlauf 15 fluiddicht verschlossen hatte. Sobald der Kolben 1 den oberen Totpunkt OT überwunden hat und sich der Kolbenkern 5 und die Dichtstruktur 5a aus dem Ventileinlauf 15 zurückziehen, schließt die Ventilklappe 16 erneut. Für die darauffolgende Ansaugphase steht damit derselbe Raum in der Zylinderführung 11 zur Verfügung, der auch später bei dem Verdichtungsvorgang zur Verfügung steht. Im Ergebnis ist das Totvolumen im Kolbenverdichter 10 in der vierten Ausführungsform Null.
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Bezugszeichenliste
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- A
- Längsrichtung des Kolbens
- OT
- Oberer Totpunkt
- PA
- Pumpanschlag
- SA
- Sauganschlag
- 1
- Kolben
- 2
- Kolbengehäuse
- 2a
- Deckelteil
- 2b
- Bodenteil
- 3
- Druckseitiges Ende
- 3a
- Druckseitige Öffnung
- 4
- Saugseitiges Ende
- 4a
- Saugseitige Öffnung
- 5
- Kolbenkern
- 5a
- Dichtstruktur
- 6
- Kolbenstange
- 7
- Anschlagdämpfer
- 8
- Fluidkanal
- 9
- Nut
- 10
- Kolbenverdichter
- 11
- Förderzylinder
- 12
- Zylinderdeckfläche
- 13
- Auslassventil
- 14
- Zylinderbodenfläche
- 15
- Ventileinlauf
- 16
- Ventilklappe
- 17
- Führungselement
- 18
- Dichtelement
- 18a
- Simmering
- 18b
- Metallener Kolbenring
- 18c
- Kunststoffkolbenring
- 19
- Spannelement