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EP0953113A1 - Hubkolbenkompressor - Google Patents

Hubkolbenkompressor

Info

Publication number
EP0953113A1
EP0953113A1 EP97900186A EP97900186A EP0953113A1 EP 0953113 A1 EP0953113 A1 EP 0953113A1 EP 97900186 A EP97900186 A EP 97900186A EP 97900186 A EP97900186 A EP 97900186A EP 0953113 A1 EP0953113 A1 EP 0953113A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cylinder
compressor according
support part
support
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP97900186A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0953113B1 (de
Inventor
Heinz Baumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Atlas Copco Schweiz AG
Original Assignee
Maschinenfabrik Burckhardt AG
Maschinenfabrik Sulzer Burckhardt AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=4550854&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0953113(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Maschinenfabrik Burckhardt AG, Maschinenfabrik Sulzer Burckhardt AG filed Critical Maschinenfabrik Burckhardt AG
Priority to DK97900186T priority Critical patent/DK0953113T3/da
Publication of EP0953113A1 publication Critical patent/EP0953113A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0953113B1 publication Critical patent/EP0953113B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/143—Sealing provided on the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/008—Spacing or clearance between cylinder and piston
    • 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
    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides
    • F05C2203/0804—Non-oxide ceramics
    • F05C2203/0808—Carbon, e.g. graphite
    • 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
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/04—Thermal properties
    • F05C2251/042—Expansivity
    • F05C2251/046—Expansivity dissimilar
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S417/00—Pumps
    • Y10S417/01—Materials digest

Definitions

  • the invention relates to a reciprocating compressor according to the preamble of patent claim 1.
  • the piston and the cylinder are each designed with a running surface made of a wear-resistant material, the piston being supported by a rolling element, e.g. a ball, supported on a connecting part coupled to a drive device and movably guided in the cylinder transversely to the longitudinal axis.
  • a rolling element e.g. a ball
  • the known design achieves a dry-running split ring seal, in particular in the case of short-stroke small compressors, which allows a predetermined leakage flow of the compressed medium.
  • the wear-resistant materials of the piston and the cylinder must be selected so that they have at least approximately the same thermal expansion coefficients in order to keep the leakage loss during operation essentially constant.
  • the object of the invention is to develop a reciprocating compressor of the type mentioned at the outset which is suitable for designs having dimensions which can be selected within a relatively wide range
  • a reciprocating compressor of the type mentioned at the outset which is suitable for designs having dimensions which can be selected within a relatively wide range
  • Piston parts can be coordinated. Accordingly, a dry-running split ring seal with an essentially constant, minimal play between the piston and the cylinder can be achieved, so that within a relatively large, operationally predetermined
  • the combination of materials provided according to the invention is also suitable for designs with relatively high piston speeds, the casing body made of plastic in particular preventing the piston from blocking even in the event of a failure of the split ring seal and thus ensuring high operational reliability of the compressor.
  • the plastic of the jacket body can also with a Dry lubricant, for example polyphenylene sulfide (PPS), polytetrafluoroethylene (PTFE), polyethylene (PE) or the like.
  • PPS polyphenylene sulfide
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PE polyethylene
  • a particular advantage of the embodiment according to the invention is that the essentially contact-free guidance of the piston described can be achieved with simple means, in particular without additional, complex guide means, and using inexpensive, relatively easy to machine materials. Accordingly, cost-effective designs with relatively large piston / cylinder and / or stroke dimensions can also be implemented.
  • Reciprocating compressor in a plan view with a partial horizontal section
  • FIG. 2 shows a detail of the reciprocating compressor according to Fig.l in a larger representation.
  • the reciprocating compressor shown a four-stage compressor for oil-free compression of a gas, contains four horizontally arranged, connected in series
  • the cylinders 2 and 4 are centered on a common horizontal axis 6 lying in the plane of the drawing, while the cylinders 1 and 3 are centered on a common horizontal axis set back from the plane of the drawing horizontal axis 7 are centered.
  • the pistons of the cylinders 2 and 4 are each coupled to a slider 12 via a guide part 8 or 10 movable in the direction of the axis 6 and a yoke 11 connecting them.
  • the slider 12 is mounted on a crank pin 13 of a vertically arranged crankshaft 14 and is displaceably guided transversely to the axis 6 between two guideways 15 formed in the yoke 11.
  • the pistons of the cylinders 1 and 3 are each coupled via a guide part 16 and 17 and a second yoke 18 connecting them to a second slider, not shown, mounted on the crank pin 13, which in the second yoke 11 is offset by 90 ° relative to the first yoke 11 Yoke 18 is guided to be displaceable transversely to axis 7.
  • the crankshaft 14 is in a central crank chamber 20 of the
  • Compressor housing arranged and with a motor, not shown, e.g. an electric motor, coupled.
  • the guide part 10 is guided via a connecting part 21 in a bush 22 which is open towards the crank chamber 20 and which is arranged in a housing part 4 a of the cylinder 4.
  • the guide parts 8, 16 and 17 are each guided in a corresponding manner via a connecting part, not shown, in a bushing 22 which is arranged in a housing section 2a or la or 3a of the relevant cylinder 2 or 1 or 3.
  • the pistons in cylinders 1, 2, 3 and 4 each delimit a compression space, which is connected to two check valves arranged on the relevant cylinder head 1b, 2b, 3b and 4b - a suction valve 23 and a pressure valve 24.
  • the suction valve 23 of the cylinder 1 forming a first compression stage can be connected via a suction line 25 to a source of a gas to be compressed.
  • the pressure valve 24 of the cylinder 1 is connected via a connecting line 26 to the Suction valve 23 of the cylinder 2 forming the second compression stage is connected.
  • the pressure valve 24 of the cylinder 2 is connected via a connecting line 27 to the suction valve 23 of the cylinder 3 forming the third compression stage, the pressure valve 24 of which is connected via a connecting line 28 to the suction valve 23 of the cylinder 4 designed for the final pressure.
  • the pressure valve 24 of the cylinder 4 is connected to a pressure line 30 leading away from the compressor.
  • the pistons are guided in cylinders 1, 2, 3 and 4, each running dry.
  • the pistons guided in cylinders 1, 2 and 3 can, e.g. known from the aforementioned EP patent specification 0 378 967, each with a sealing arrangement, not shown, and a guide ring made of a material suitable for dry running, e.g. Teflon.
  • These pistons can each be rigidly connected to the associated yoke 11 or 18 via the guide parts 8, 16 and 17 each forming a piston neck.
  • the piston 5 of the compression stage designed for the final pressure is guided in a cylinder insert 33 arranged in the cylinder 4, the bore of which with the piston 5 defines an annular gap which is open over the entire common length and which defines a predetermined leakage flow of the gas compressed in the compression space 32 of the cylinder 4 against the connecting part 21.
  • Connecting part 21 arranged passage opening 34 allows the leakage gas to flow into the crank chamber 20, from which the leakage gas is discharged via a discharge line (not shown) and, if appropriate, the Suction line 25 can be supplied.
  • the piston 5 is coupled to the yoke 11 via a holder 36, which permits relative movements of the guide part 10 rigidly connected to the yoke 11 and of the connecting part 21 transversely to the longitudinal axis 6 of the piston 5.
  • the running surface of the cylinder insert can be provided with a layer of hard material, for example one made of amorphous diamond-like carbon (ADLC), titanium nitride or the like.
  • the guide part 10 is designed in the form of a sleeve which can be plugged onto a centering projection 37 of the yoke 11 and on which the connecting part 21 is attached.
  • the connecting part 21 is designed in the form of a pot-like guide piston, the outer surface of which is shown with a guide ring 40 made of a self-lubricating material suitable for dry running, e.g. Teflon or polyether ether ketone (PEEK) can be provided.
  • the holder 36 contains a through the connecting part 21 and the guide part 10, screwable into the yoke 11 supporting part 38, one against the
  • Connecting part 21 and the guide part 10 has tensionable head section 41, and a support element movable transversely to the longitudinal axis 6 of the cylinder 4 or the piston 5 in the form of a piston rod 42 which can be inserted between the head section 41 and the piston 5 and which is on the piston 5 and in the head section 41 is held tiltable on all sides.
  • the piston rod 42 is provided with convex support surfaces 43 in the form of spherical caps on its end faces, and is supported by these in each case on an attachment part arranged in the head part 41 or in the piston 5.
  • the support surfaces 43 can each be designed with a radius of curvature r which corresponds essentially to half the length of the piston rod 42 and which is in each case one of Free sliding movement of the relevant support surface 43 on the attachment section is permitted. Due to this relatively large radius r of the spherical caps, a relatively low Hertzian pressure can be achieved in the rolling area and thus a correspondingly favorable one
  • the attachment parts can, as shown, be formed on two bearing parts 46 and 47, which are each arranged in an axial blind bore 44 or 45 of the head part 41 or of the piston 5.
  • the bores 44 and 45 are designed in such a way that they permit deflection movements of the piston rod 42 on all sides, the bore 45 of the piston 5 having a depth such that the depth of penetration of the piston rod 42 is at least approximately half the length, approximately the length of the piston as shown 5 corresponds.
  • the piston 5, which is movably held in its head region can set itself automatically into a position which enables the leakage gas to flow around on all sides.
  • the bore 44 of the head part 41 is, as shown, intended to receive a retaining ring 56 surrounding the bearing part 46.
  • the bearing parts 46 and 47 can each be made of hardened steel or with a contact surface made of a wear-resistant material, e.g. Hard metal.
  • the piston-side end of the piston rod 42 is guided in the bore 45 of the piston 5 by a resilient snap ring 51 arranged in an annular groove 50 of the piston rod 42, which allows deflection movements of the piston rod 42 by rolling movements of the support surface 43 on the bearing part 47.
  • the snap ring 51 is held by a spacer sleeve 52 which can be inserted into the bore 45 and which is supported on a resilient support ring 54 which can be inserted into an inner groove 53 of the piston 5 and through which the Piston rod 42 is held against the bearing part 47.
  • the other end of the piston rod 42 is held by a correspondingly arranged second snap ring 51 in the retaining ring 56 arranged in the bore 44 of the head part 41, which is secured by a second support ring 54 which can be inserted into an inner groove 57 of the head part 51.
  • the retaining ring 56 is designed with a bore 55 which has a shoulder portion 58 intended to receive the snap ring 51 and a shoulder portion 58 which widens conically towards the piston 5 and which correspondingly deflects the piston rod 42 by rolling movements of the support surface 43 on the bearing part 46.
  • the head section 41 can also be provided with a bore 44 which extends deeper into the support part 38 and thus enables a correspondingly longer end section of the piston rod 42 to be accommodated.
  • a longer piston rod 42 with a correspondingly larger radius r of the bearing surfaces 43 can optionally be used.
  • the piston 5 is provided with a bore 45, the depth of which is e.g. that of the bore 44 of the head portion 41 corresponds to the embodiment shown.
  • the piston 5 has a metallic, e.g. made of a Ni-Fe alloy, manufactured base body 61 and a jacket body 62 surrounding it at least partially, as shown essentially over the entire length, which consists of a
  • Plastic material such as a polyether ether ketone (PEEK) is made, and on which the running surface of the piston 5 is formed.
  • PEEK polyether ether ketone
  • the materials of the piston 5 and the cylinder insert 33 receiving it are thus one on top of the other coordinated that the thermal expansion coefficient of the cylinder material corresponds at least approximately to a coefficient of the piston 5 resulting from the combination of the thermal expansion coefficients of the materials of the base body 61 and the jacket body 62.
  • a combination of materials with different thermal expansion behavior enables a compressor design with an annular gap between piston 5 and cylinder 4 or cylinder insert 33 that remains constant over a predetermined temperature range.
  • the casing body 62 can be designed in the form of a sleeve which can be shrunk onto the base body 61 and is continuous over its length, or, as shown in FIG. pressable ring sections 63 can be composed.
  • the casing body 62 can furthermore be designed with a plurality of annular grooves 64 offset in the axial direction, which, as shown, are formed by the abutting ends of the ring sections 63.
  • the ring grooves 64 enable a uniform distribution of the pressure prevailing in the ring gap, which is reduced in each case in the narrow gap between the ring grooves 64.
  • the jacket body 62 or each of the ring sections 63 can be provided with a reinforcing structure made of a plurality of long fibers 65, each of which is arranged in a plane running essentially transversely to the longitudinal axis 6 of the jacket body 62.
  • the long fibers 65 in the embodiment shown carbon fibers, cannot, as indicated in FIG. 2, in each case in a winding that passes through the jacket body 62 in the circumferential direction or, according to another Embodiment shown, each be arranged in a flat structure, which is formed from several, each in a plane transverse to the longitudinal axis 6 crossing long fiber pieces.
  • the reinforcement structure described can ensure that the one-piece or multi-piece jacket body 62 still fits snugly on the base body 61 even at high operating temperatures, since the long fibers 65, in particular carbon fibers, have a significantly lower coefficient of thermal expansion than the plastic of the jacket body 62.
  • a resulting thermal expansion of the piston 5 can be achieved which is adapted to the thermal expansion of the cylinder insert 33.
  • the yoke 11 is guided through the two connecting parts 21 in the housing of the compressor so as to be displaceable in the direction of the longitudinal axis 6 and is connected via the support arrangement described above to the piston 5 under the corresponding final pressure in the direction of the longitudinal axis 6 without play.
  • the described support arrangement also prevents transmission of transverse forces of the yoke 11 slidingly guided through the connecting parts 21 with corresponding lateral play onto the piston 5, so that parallel guidance of the piston 5 within the cylinder 4 or the cylinder insert, which is not influenced by vibrations of the yoke 11, is prevented 33 can be achieved.
  • relatively long-stroke compressors for high pressures for example those from approx.
  • 40 to 1000 bar can each be designed with a dry-running split ring seal which has an annular gap which remains constant during operation and which has a constant piston 5 enveloping its entire length Leakage flow of the compressed gas and thus a kind of storage of the piston 5 guaranteed by the compressed gas.
  • the described embodiment enables the Formation of flow-through ring gaps in compressors, in which the difference between the diameter of the bore of the cylinder insert 33 and the diameter of the piston 5 is less than 0.02 mm, for example 0.005 mm, the thickness of the ring gap being determined by the compression space between them 32 and the crank chamber 20 operationally occurring, considered acceptable leakage loss.
  • Leakage loss of e.g. less than 10% are kept constant.
  • the invention is not restricted to designs of the type described and illustrated above, nor to applications in the high-pressure area.
  • at least one further compression stage such as the cylinder 3 can also be designed according to the invention.
  • the design according to the invention is also suitable for other single-stage or multi-stage designs, e.g. Compressors for low temperature technology, suitable.
  • the compressor contains at least one piston which runs in a dry-running manner and which, with a cylinder insert, delimits an annular gap which is open in each case over the common length section, the one
  • the piston is coupled via a piston rod to a support part which is displaceable in the direction of its longitudinal axis and which is connected to a drive device.
  • the piston rod interacts with the piston and the support part via end convex support surfaces which permit relative movements of the support part with respect to the piston running transversely to the longitudinal axis. Accordingly, one of vibrations of the drive parts Unaffected parallel guidance of the piston in the cylinder insert achieved.
  • the piston has a metallic base body and a jacket body made of a plastic material, on which the running surface of the piston is formed.
  • the cylinder is made of a material whose coefficient of thermal expansion corresponds at least approximately to a resultant coefficient of thermal expansion of the materials of the base body and the jacket body.
  • the compressor according to the invention is particularly suitable for the oil-free compression of a gas.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressor (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

Hubkolbenkompressor
Die Erfindung betrifft einen Hubkolbenkompressor entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei einem aus der EP-Patentschrift 0 378 967 bekannten Hubkolbenkompressor der genannten Art sind der Kolben und der Zylinder je mit einer Lauffläche aus einem verschleissfesten Material ausgeführt, wobei der Kolben über einen Wälzkörper, z.B. eine Kugel, auf einem mit einer Antriebseinrichtung gekoppelten Verbindungsteil abgestützt und im Zylinder quer zur Längsachse beweglich geführt ist. Durch die bekannte Ausführung wird insbesondere bei kurzhubigen Kleinkompressoren eine trockenlaufende Spaltringdichtung erzielt, die eine vorbestimmte Leckströmung des verdichteten Mediums zulässt. Dabei müssen die verschleissfesten Werkstoffe des Kolbens und des Zylinders so gewählt werden, dass sie zumindest annähernd gleiche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, um den Leckageverlust während des Betriebes im wesentlichen konstant zu halten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen weiter entwickelten, für Ausführungen mit innerhalb einer relativ grossen Bandbreite wählbaren Abmessungen geeigneten Hubkolbenkompressor der eingangs genannten Art in einer einfachen, kostengünstig herstellbaren Bauweise zu schaffen, welche mit geringem baulichem Aufwand auch bei relativ langhubigen Ausführungen die Bildung einer trockenlaufenden Spaltringdichtung ermöglicht, die eine konstante. Leckageströmung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die erfindungsgemäss vorgesehene Kombination eines mit einem metallischen Grundkörper und einem diesen umgebenden Mantelkörper aus Kunststoff ausgeführten Kolbens und eines diesen mit einem Ringspalt umgebenden Zylinders kann die Wärmeausdehnung des Kolbens auf besonders einfache, kostengünstige Weise beeinflusst und an den durch das verwendete Material des Zylinders gegebenen Wärmeausdehnungskoeffizienten der den Kolben umgebenden Zylinderpartie angepasst bzw. innerhalb eines vorbestimmten Ausdehnungsbereichs gehalten werden, indem die Materialwahl und das Verhältnis der Teilquerschnitte des Grundkörpers und des Mantelkörpers entsprechend einer vorbestimmten resultierenden Wärmedehnung der beiden
Kolbenteile aufeinander abgestimmt werden. Entsprechend ist eine trockenlaufende Spaltringdichtung mit einem im wesentlichen konstanten, minimalen Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder erzielbar, so dass innerhalb eines relativ grossen, betriebsmässig vorbestimmten
Temperaturbereichs eine berührungslose, von Seitenkräften freie Führung des Kolbens gewährleistet werden kann. Die erfindungsgemäss vorgesehene Materialkombination ist auch für Ausführungen mit relativ hohen Kolbengeschwindigkeiten geeignet, wobei insbesondere der aus Kunststoff gefertigte Mantelkörper auch im Falle eines Versagens der Spaltringdichtung eine Blockierung des Kolbens verhindert und damit eine hohe Betriebssicherheit des Kompressors gewährleistet. Der Kunststoff des Mantelkörpers kann zudem mit einem Trockenschmierstoff, z.B. Polyphenylensulfid (PPS) , Polytetrafluorethylen (PTFE) , Polyethylen (PE) oder dgl. dotiert werden. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Ausführung besteht darin, dass die beschriebene, im wesentlichen berührungsfreie Führung des Kolbens mit einfachen Mitteln, insbesondere ohne zusätzliche, aufwendige Führungseinrichtung, und unter Verwendung von kostengünstigen, relativ leicht zu bearbeitenden Materialien erzielbar ist. Entsprechend sind auch kostengünstige Ausführungen mit relativ grossen Kolben/Zylinder- und/oder Hubabmessungen realisierbar.
In den abhängigen Ansprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung hervorgehoben.
Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Es zeigen:
Fig.l einen erfindungsgemäss ausgeführten
Hubkolbenkompressor in einer Draufsicht mit einem horizontalen Teilschnitt, und
Fig.2 eine Einzelheit des Hubkolbenkompressors nach Fig.l in einer grösseren Darstellung.
Der dargestellte Hubkolbenkompressor, ein vierstufiger Kompressor zum ölfreien Verdichten eines Gases, enthält vier horizontal angeordnete, in Reihe geschaltete
Zylinder 1, 2, 3 und 4 mit darin geführten Kolben, von denen nur ein im Zylinder 4 geführter Kolben 5 dargestellt ist. Die Zylinder 2 und 4 sind auf eine in der Zeichnungsebene liegende, gemeinsame horizontale Achse 6 zentriert, während die Zylinder 1 und 3 auf eine gegenüber der Zeichnungsebene zurückversetzte, gemeinsame horizontale Achse 7 zentiert sind. Die Kolben der Zylinder 2 und 4 sind je über einen in Richtung der Achse 6 beweglichen Führungsteil 8 bzw. 10 und ein diese verbindendes Joch 11 mit einem Gleitstück 12 gekoppelt. Das Gleitstück 12 ist auf einem Kurbelzapfen 13 einer vertikal angeordneten Kurbelwelle 14 gelagert und zwischen zwei im Joch 11 ausgebildeten Führungsbahnen 15 quer zur Achse 6 verschiebbar geführt. Die Kolben der Zylinder 1 und 3 sind je über einen Führungsteil 16 bzw. 17 und ein diese verbindendes zweites Joch 18 mit einem auf dem Kurbelzapfen 13 gelagerten, nicht dargestellten zweiten Gleitstück gekoppelt, welches in dem gegenüber dem ersten Joch 11 um 90° versetzten zweiten Joch 18 quer zur Achse 7 verschiebbar geführt ist. Die Kurbelwelle 14 ist in einem zentralen Kurbelraum 20 des
Kompressorgehäuses angeordnet und mit einem nicht dargestellten Motor, z.B. einem Elektromotor, gekuppelt.
Der Führungsteil 10 ist über einen Verbindungsteil 21 in einer gegen den Kurbelraum 20 offenen Büchse 22 geführt, welche in einer Gehäusepartie 4a des Zylinders 4 angeordnet ist. Die Führungsteile 8, 16 und 17 sind je in entsprechender Weise über einen nicht dargestellten Verbindungsteil in einer Büchse 22 geführt, die in einer Gehäusepartie 2a bzw. la bzw. 3a des betreffenden Zylinders 2 bzw. 1 bzw. 3 angeordnet ist.
Die Kolben begrenzen in den Zylindern 1, 2, 3 und 4 je einen Kompressionsraum, welcher mit zwei am betreffenden Zylinderkopf lb, 2b, 3b bzw. 4b angeordneten Rückschlagventilen - einem Saugventil 23 und einem Druckventil 24 - in Verbindung steht. Das Saugventil 23 des eine erste Verdichtungsstufe bildenden Zylinders 1 ist über eine Ansaugleitung 25 an eine Quelle eines zu verdichtenden Gases anschliessbar. Das Druckventil 24 des Zylinders 1 ist über eine Verbindungsleitung 26 an das Saugventil 23 des die zweite Verdichtungsstufe bildenden Zylinders 2 angeschlossen. In entsprechender Weise ist das Druckventil 24 des Zylinders 2 über eine Verbindungsleitung 27 an das Saugventil 23 des die dritte Verdichtungsstufe bildenden Zylinders 3 angeschlossen, dessen Druckventil 24 über eine Verbindungsleitung 28 an das Saugventil 23 des für den Enddruck ausgelegten Zylinders 4 angeschlossen ist. Das Druckventil 24 des Zylinders 4 ist an eine vom Kompressor wegführende Druckleitung 30 angeschlossen. Die Verbindungsleitungen
26, 27 und 28 enthalten je ein Kühlaggregat 31 zum Kühlen des der jeweils folgenden Verdichtungsstufe zuzuführenden Gases.
Die Kolben sind in den Zylindern 1, 2, 3 und 4 je trockenlaufend geführt. Die in den Zylindern 1, 2 und 3 geführten Kolben können, wie z.B. aus der eingangs genannten EP-Patentschrift 0 378 967 bekannt, je mit einer nicht dargestellten Dichtungsanordnung und einem Führungsring aus einem für den Trockenlauf geeigneten Material, z.B. Teflon, versehen sein. Diese Kolben können über die je einen Kolbenhals bildenden Führungsteile 8, 16 und 17 je mit dem zugehörigen Joch 11 bzw. 18 starr verbunden sein.
Der Kolben 5 der für den Enddruck ausgelegten Verdichtungsstufe ist in einem im Zylinder 4 angeordneten Zylindereinsatz 33 geführt, dessen Bohrung mit dem Kolben 5 einen jeweils über die ganze gemeinsame Länge offenen Ringspalt begrenzt, der eine vorbestimmte Leckströmung des im Kompressionsraum 32 des Zylinders 4 verdichteten Gases gegen den Verbindungsteil 21 hin zulässt. Eine im
Verbindungsteil 21 angeordnete Durchtrittsöffnung 34 gestattet ein Abströmen des Leckgases in den Kurbelraum 20, aus dem das Leckgas über eine nicht dargestellte Abströmleitung abgeführt und gegebenenfalls der Ansaugleitung 25 zugeführt werden kann. Der Kolben 5 ist mit dem Joch 11 über eine Halterung 36 gekoppelt, welche Relativbewegungen des mit dem Joch 11 starr verbundenen Führungsteils 10 und des Verbindungsteils 21 quer zur Längsachse 6 des Kolbens 5 zulässt. Die Lauffläche des Zylindereinsatzes kann mit einer Hartεtoffschicht, z.B. einer solchen aus amorphem diamantartigem Kohlenstoff (ADLC) , Titannitrid oder dgl., versehen sein.
Der Führungsteil 10 ist in Form einer auf einen Zentrieransatz 37 des Jochs 11 aufsteckbaren Hülse ausgebildet, auf welcher der Verbindungsteil 21 angebracht ist. Der Verbindungsteil 21 ist in Form eines topfartigen Führungskolbens ausgebildet, dessen Mantelfläche darstellungsgemass mit einem Führungsring 40 aus einem für den Trockenlauf geeigneten, selbstschmierenden Material, z.B. Teflon oder Polyetheretherketon (PEEK) , versehen sein kann. Die Halterung 36 enthält einen den Verbindungsteil 21 und den Führungsteil 10 durchsetzenden, in das Joch 11 einschraubbaren Stützteil 38, der eine gegen den
Verbindungsteil 21 und den Führungsteil 10 verspannbare Kopfpartie 41 aufweist, und ein quer zur Längsachse 6 des Zylinders 4 bzw. des Kolbens 5 bewegliches Stützelement in Form einer zwischen die Kopfpartie 41 und den Kolben 5 einsetzbaren Kolbenstange 42, die am Kolben 5 und in der Kopfpartie 41 allseitig neigbar gehalten ist.
Wie aus der Fig.2 hervorgeht, ist die Kolbenstange 42 mit an ihren Stirnseiten ausgebildeten konvexen Stützflächen 43 in Form von Kugelkalotten versehen und über diese je an einer in der Kopfpartie 41 bzw. im Kolben 5 angeordneten Aufsetzpartie abgestützt. Die Stützflächen 43 können darstellungsgemass je mit einem Krümmungsradius r ausgeführt sein, der im wesentlichen der halben Länge der Kolbenstange 42 entspricht und der jeweils eine von Gleitreibung freie Abwälzbewegung der betreffenden Stützfläche 43 auf der Aufsetzpartie gestattet. Durch diesen relativ grossen Radius r der Kugelkalotten kann eine relativ geringe Hertzsche Pressung im Abwälzbereich erzielt und damit eine entsprechend günstige
Beanspruchung der zusammenwirkenden Flächenpartien gewährleistet werden. Die Aufsetzpartien können darstellungsgemass an zwei Lagerteilen 46 und 47 ausgebildet sein, welche je in einer axialen Sackbohrung 44 bzw. 45 der Kopfpartie 41 bzw. des Kolbens 5 angeordnet sind. Die Bohrungen 44 und 45 sind so ausgeführt, dass sie allseitige Auslenkbewegungen der Kolbenstange 42 zulassen, wobei die Bohrung 45 des Kolbens 5 eine solche Tiefe aufweist, dass die Eindringtiefe der Kolbenstange 42 mindestens etwa der halben Länge, darstellungsgemass ca. , der Länge des Kolbens 5 entspricht. Dadurch kann der in seinem Kopfbereich beweglich gehaltene Kolben 5 sich jeweils selbsttätig in eine Position einstellen, die eine allseitige Umströmung durch das Leckgas ermöglicht. Die Bohrung 44 der Kopfpartie 41 ist darstellungsgemass zur Aufnahme eines den Lagerteil 46 umgebenden Halteringes 56 bestimmt. Die Lagerteile 46 und 47 können je aus einem gehärteten Stahl ausgeführt oder mit einer Aufsetzfläche aus einem verschleissfesten Material, z.B. Hartmetall, versehen sein.
Das kolbenseitige Ende der Kolbenstange 42 ist in der Bohrung 45 des Kolbens 5 durch einen in einer Ringnut 50 der Kolbenstange 42 angeordneten, federnden Sprengring 51 geführt, welcher Auslenkbewegungen der Kolbenstange 42 durch Abwälzbewegungen der Stützfläche 43 am Lagerteil 47 zulässt. Der Sprengring 51 ist durch eine in die Bohrung 45 einführbare Distanzhülse 52 gehalten, welche auf einem in eine Innennut 53 des Kolbens 5 einsetzbaren, federnden Stützring 54 abgestützt ist und durch welche die Kolbenstange 42 an den Lagerteil 47 anliegend gehalten ist. Das andere Ende der Kolbenstange 42 ist durch einen entsprechend angeordneten zweiten Sprengring 51 in dem in der Bohrung 44 der Kopfpartie 41 angeordneten Haltering 56 gehalten, welcher durch einen in eine Innennut 57 der Kopfpartie 51 einsetzbaren zweiten Stützring 54 gesichert ist. Der Haltering 56 ist darstellungsgemass mit einer Bohrung 55 ausgeführt, welche eine zur Aufnahme des Sprengrings 51 bestimmte, abgesetzte Schulterpartie 58 und einen von dieser gegen den Kolben 5 hin konisch sich erweiternden Endabschnitt 60 aufweist, der entsprechende Auslenkbewegungen der Kolbenstange 42 durch Abwälzbewegungen der Stützfläche 43 am Lagerteil 46 zulässt.
Abweichend von der dargestellten Ausführung kann die Kopfpartie 41 auch mit einer Bohrung 44 versehen sein, welche sich tiefer in den Stützteil 38 erstreckt und damit die Aufnahme eines entsprechend längeren Endabschnitts der Kolbenstange 42 ermöglicht. Dadurch kann gegebenenfalls eine längere Kolbenstange 42 mit entsprechend grösserem Radius r der Auflageflächen 43 verwendet werden. Es ist auch eine Ausführung möglich, bei der der Kolben 5 mit einer Bohrung 45 versehen ist, deren Tiefe z.B. derjenigen der Bohrung 44 der Kopfpartie 41 der dargestellten Ausführung entspricht.
Der Kolben 5 weist einen metallischen, z.B. aus einer Ni-Fe-Legierung, gefertigten Grundkörper 61 und einen diese zumindest teilweise, darstellungsgemass im wesentlichen über die ganze Länge, umgebenden Mantelkörper 62 auf, welcher aus einem
Kunststoffmaterial, z.B. einem Polyetheretherketon (PEEK) gefertigt ist, und an welchem die Lauffläche des Kolbens 5 ausgebildet ist. Die Materialien des Kolbens 5 und des ihn aufnehmenden Zylindereinsatzes 33 sind so aufeinander abgestimmt, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Zylinderwerkstoffs zumindest annähernd einem aus der Kombination der Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Grundkörpers 61 und des Mantelkörpers 62 resultierenden Koeffizienten des Kolbens 5 entspricht. Damit ist durch eine Kombination von Materialien mit je unterschiedlichem Wär edehnungsverhalten eine Kompressorausführung mit einem über einen vorbestimmten Temperaturbereich konstant bleibenden Ringspalt zwischen Kolben 5 und Zylinder 4 bzw. Zylindereinsatz 33 realisierbar.
Der Mantelkörper 62 kann in Form einer auf den Grundkörper 61 aufschrumpfbaren, über dessen Länge durchgehenden Hülse ausgeführt oder, wie in Fig.2 dargestellt, aus mehreren, je einzeln nebeneinander auf dem Grundkörper 61 anbringbaren, z.B. aufpressbaren Ringabschnitten 63 zusammengesetzt sein. Der Mantelkörper 62 kann ferner mit mehreren, in axialer Richtung gegeneinander versetzten Ringnuten 64 ausgeführt sein, welche darstellungsgemass durch die aneinander anliegenden Enden der Ringabschnitte 63 gebildet sind. Die Ringnuten 64 ermöglichen eine gleichmässige Verteilung des im Ringspalt herrschenden Druckes, der jeweils im engen Spalt zwischen den Ringnuten 64 abgebaut wird.
Wie aus der Fig.2 weiter hervorgeht, kann der Mantelkörper 62 bzw. jeder der Ringabschnitte 63 mit einer Verstärkungsstruktur aus mehreren Langfasern 65 versehen sein, welche je in einer im wesentlichen quer zur Längsachse 6 des Mantelkörpers 62 verlaufenden Ebene angeordnet sind. Die Langfasern 65, bei der dargestellten Ausführung Kohlefasern, können, wie in Fig.2 angedeutet, jeweils in einer den Mantelkörper 62 in Umfangsrichtung durchsetzenden Wicklung oder, nach einer anderen, nicht dargestellten Ausführungsform, jeweils in einer flächigen Struktur angeordnet sein, die aus mehreren, je in einer quer zur Längsachse 6 verlaufenden Ebene sich kreuzenden Langfaserstücken gebildet ist. Durch die beschriebene Verstärkungsstruktur kann sichergestellt werden, dass der einstückig oder mehrstückig ausgebildete Mantelkörper 62 auch bei hohen Betriebstemperaturen noch satt auf dem Grundkörper 61 anliegt, da die Langfasern 65, insbesondere Kohlefasern, einen wesentlich geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Kunststoff des Mantelkörpers 62 aufweisen. Entsprechend kann, wie vorstehend beschrieben, eine an die Wärmedehnung des Zylindereinsatzes 33 angepasste, resultierende Wärmedehnung des Kolbens 5 erzielt werden.
Das Joch 11 ist durch die beiden Verbindungsteile 21 im Gehäuse des Kompressors in Richtung der Längsachse 6 verschiebbar geführt und über die vorstehend beschriebene Stützanordnung mit dem unter dem entsprechenden Enddruck stehenden Kolben 5 in Richtung der Längsachse 6 spielfrei verbunden. Durch die beschriebene Stützanordnung wird zugleich eine Uebertragung von Querkräften des durch die Verbindungsteile 21 mit entsprechendem seitlichem Spiel gleitend geführten Joches 11 auf den Kolben 5 verhindert, so dass eine von Schwingungen des Joches 11 unbeeinflusste Parallelführung des Kolbens 5 innerhalb des Zylinders 4 bzw. des Zylindereinsatzes 33 erzielbar ist. Entsprechend können auch relativ langhubige Kompressoren für hohe Drücke, z.B. solche von ca. 40 bis 1000 bar, je mit einer trockenlaufenden Spaltringdichtung ausgeführt werden, welche einen während des Betriebes konstant bleibenden Ringspalt aufweist, der eine konstante, den Kolben 5 auf seiner ganzen Länge umhüllenden Leckströmung des verdichteten Gases und damit eine Art Lagerung des Kolbens 5 durch das verdichtete Gas gewährleistet. Die beschriebene Ausführung ermöglicht die Bildung von durchströmbaren Ringspalten in Kompressoren, bei denen die Differenz zwischen dem Durchmesser der Bohrung des Zylindereinsatzes 33 und dem Durchmesser des Kolbens 5 weniger als 0,02 mm, z.B. 0,005 mm, beträgt, wobei die Dicke des Ringεpaltes durch den jeweils zwischen dem Ko pressionsraum 32 und dem Kurbelraum 20 betriebsmässig sich einstellenden, als akzeptierbar erachteten Leckageverlust bestimmt ist. Je nach Ausführung kann, bei minimalem Abrieb an Kolben 5 und Zylindereinsatz 33, ein betriebsmässig akzeptabler
Leckageverlust von z.B. weniger als 10% konstant gehalten werden .
Die Erfindung ist weder auf Ausführungen der vorstehend beschriebenen und dargestellten Art, noch auf Anwendungen im Hochdruckbereich beschränkt. Beim dargestellten Beispiel kann auch mindestens eine weitere Verdichtungsstufe, etwa der Zylinder 3, erfindungsgemäss ausgebildet sein. Die erfindungsgemäse Ausführung ist auch für andere, ein- oder mehrstufige Ausführungen, z.B. Kompressoren für die Tieftemperaturtechnik, geeignet.
Die Erfindung lässt sich zusammenfassend wie folgt beschreiben: Der Kompressor enthält mindestens einen trockenlaufend geführten Kolben, welcher mit einem Zylindereinsatz einen jeweils über den gemeinsamen Längenabschnitt offenen Ringspalt begrenzt, der eine
Leckströmung des verdichteten Mediums zulässt. Der Kolben ist über eine Kolbenstange mit einem in Richtung seiner Längsachse verschiebbar geführten Stützteil gekoppelt, der mit einer Antriebseinrichtung verbunden ist. Die Kolbenstange wirkt mit dem Kolben und dem Stützteil über stirnseitige konvexe Stützflächen zusammen, welche quer zur Längsachse verlaufende Relativbewegungen des Stützteils gegenüber dem Kolben zulassen. Entsprechend wird eine von Schwingungen der Antriebsteile unbeeinflusste Parallelführung des Kolbens im Zylindereinsatz erzielt. Der Kolben weist einen metallischen Grundkörper und einen aus einem Kunststoffmaterial gefertigten Mantelkörper auf, an dem die Lauffläche des Kolbens ausgebildet ist. Der Zylinder ist aus einem Werkstoff gefertigt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zumindest annähernd einem resultierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Grundkörpers und des Mantelkörpers entspricht. Der erfindungsgemässe Kompressor ist insbesondere zum ölfreien Verdichten eines Gases geeignet.

Claims

Patentansprüche
1. Hubkolbenkompressor mit mindestens einem Zylinder (4) und einem in diesem geführten Kolben (5) , welcher über ein quer zur Längsachse (6) des Zylinders (4) bewegliches Stützelement und einen in Richtung der Längsachse (6) verschiebbar geführten Stützteil (38) mit einer Antriebseinrichtung gekoppelt ist, wobei das Stützelement mit dem Kolben (5) und dem Stützteil (38) je über eine konvexe Stützfläche (43) zusammenwirkt und der Zylinder (4) mit dem Kolben (5) einen jeweils über den gemeinsamen Längenabschnitt offenen, engen Ringspalt begrenzt, der eine vorbestimmte Leckströmung des verdichteten Mediums zulässt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (5) einen metallischen Grundkörper (61) und einen diesen zumindest auf einem Teil seiner Länge umgebenden, aus einem Kunststoffmaterial gefertigten Mantelkörper
(62) aufweist, an welchem die Lauffläche des Kolbens (5) ausgebildet ist, und dass zumindest ein eine entsprechende Lauffläche enthaltender Teil (33) des Zylinders (4) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient zumindest annähernd einem resultierenden Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Grundkörpers (61) und des Mantelkörpers (62) des Kolbens (5) entspricht.
2. Kompressor nach Anspruch 1, bei welchem der Mantelkörper (62) eine ihn durchsetzende
Verstärkungsstruktur aus mehreren Langfasern (65) , z.B. Kohlefasern, enthält, welche je im wesentlichen in einer quer zur Längsachse (6) des Mantelkörpers (62) verlaufenden Ebene angeordnet sind.
3. Kompressor nach Anspruch 1 oder 2 , bei welchem der Mantelkörper (62) durch mehrere, nebeneinander auf den Grundkörper (61) aufpressbare Ringabschnitte (63) gebildet ist.
4. Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem am Mantelkörper (62) mehrere, an seinem Aussenumfang ausgebildete, in axialer Richtung gegeneiander versetzte Ringnuten (64) ausgebildet sind.
5. Kompressor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei welchem als Stützelement eine zwischen den Kolben (5) und den Stützteil (38) einsetzbare, am Kolben (5) und am Stützteil (38) neigbar gehaltene Kolbenstange (42) vorgesehen ist, an deren Enden die konvexen Stützflächen (43) ausgebildet sind, und dass der Kolben (5) und der Stützteil je mit einer der betreffenden Stützfläche (43) zugeordneten Aufsetzpartie versehen sind.
6. Kompressor nach Anspruch 5, bei welchem die Stützflächen (43) der Kolbenstange (42) je in Form einer Kugelkalotte ausgebildet sind, welche mit einem Krümmungsradius (r) ausgeführt ist, der im wesentlichen der halben Länge der Kolbenstange (42) entspricht.
7. Kompressor nach Anspruch 5 oder 6, bei welchem mindestens einer der zu koppelnden Teile - Kolben (5) und Stützteil (38) - eine zur Aufnahme eines Endabschnitts der Kolbenstange (42) bestimmte axiale
Bohrung (45 bzw. 44, 55) aufweist, welche die Kolbenstange (42) mit einem Spiel umgibt, das Auslenkbewegungen der Kolbenstange (42) zulässt.
8. Kompressor nach Anspruch 7, bei welchem die im Kolben (5) vorgesehene axiale Bohrung (45) sich über eine Tiefe erstreckt, welche mindestens der halben Länge des Kolbens (5) entspricht.
9. Kompressor nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei welchem mindestens eine der Aufsetzpartien an einem in die axiale Bohrung (45 bzw. 44, 55) des Kolbens (5) bzw. des Stützteils (38) einlegbaren Lagerteil (47 bzw. 46) ausgebildet ist.
10. Verwendung mindestens eines Kompressors nach einem der vorangehenden Ansprüche als Hochdruckstufe einer aus mehreren in Reihe geschalteten Zylinder/Kolben- Aggregaten bestehenden Anordnung zum ölfreien Verdichten eines Gases.
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