Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren

Abstract

 Ein Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren umfaßt einen zylindrischen Kolbenkörper (1), einen am Außen­umfang des Kolbenkörpers (1) angeordneten Dichtring (3) sowie eine ebenfalls auf dem Außenumfang des Kolbenkörpers auf­gebrachte Führungsauflage (4). Der Kolbenkörper (1) besteht aus duroplastischem Kunststoff, und die Führuhgsauflage (4) ist als in sich geschlossener, fugenloser Führungsring (4) fest mit dem Kunststoff des Kolbens verbunden, wobei sich der Führungsring (4) im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenkörpers (1) erstrecken und eine Wandstärke zwischen 0,2 und 1 mm haben kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren mit einem zylindrischen Kolbenkörper, mit ei­nem am Außenumfang des Kolbenkörpers angeordneten Dichtring und mit einer ebenfalls auf dem Außenumfang des Kolbenkörpers auf­gebrachten Führungsauflage.

[0002] Bekannte Kolben dieser Art werden in erster Linie im Trocken­lauf, d. h. ohne Schmierung, in Tauchkolbenkompressoren einge­setzt, um Luft oder technische Gase zu verdichten.

[0003] Die bekannten Kolben bestehen aus Metall, insbesondere aus Alu­miniumlegierung und werden meist im Spritzgußverfahren herge­stellt, was bedingt, daß die Kolben im allgemeinen noch nach­bearbeitet werden müssen. In mehr oder weniger breiten Umfangs­nuten des Kolbens werden dabei Dicht- und Führungsringe, insbe­sondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) eingelegt. Die Füh­rungsringe können nur etwa 80 - 90% der zur Verfügung stehen­den Kolbenlänge überdecken, sie haben eine Dicke von etwa 3 mm und sind in der Regel (um sie auf den Kolben aufbringen zu können) geschlitzt, so daß im zusammengebauten Zustand eine Stoßfuge entsteht.

[0004] Durch Erwärmung im Betriebszustand tritt aufgrund der großen Schichtdicke der Führungsringe eine beträchtliche Wärmedehnung in radialer Richtung auf, was zu einem temperaturabhängigen Spiel des Kolbens führt. Der Kolben neigt im Betrieb zum Kip­pen und somit zu einer erhöhten Geräuschentwicklung. Bedingt durch das große Spiel und durch die unerläßliche Stoßfuge kann vom Führungsring keine Dichtfunktion übernommen werden. Außer­dem kann wegen der Nutränder die an sich zur Verfügung stehen­de Kolbenlänge nur höchstens bis zu etwa 90% zu Führungszwecken ausgenutzt werden. Schließlich erfordern die bekannten Kolben aufgrund zahlreicher notwendiger Arbeitsvorgänge einen uner­wünscht hohen Herstellungsaufwand.

[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, unter weitgehender Behebung der geschilderten Mängel einen gattungsgemäßen Kolben so zu ver­bessern, daß das Laufspiel im kalten und warmen Zustand so klein wie möglich ist, daß die gesamte zur Verfügung stehende Länge des Kolbens zur Führung ausgenutzt und somit die Stand­zeit erhöht wird, und daß die Kolben in einfacher Weise kosten­günstig in großen Stückzahlen hergestellt werden können.

[0006] Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben erfindungsge­mäß dadurch gelöst, daß der Kolbenkörper aus duroplastischem Kunststoff besteht und die Führungsauflage als in sich geschlos­sener, fugenloser Führungsring mit dem Kunststoff des Kolben­körpers verbunden ist.

[0007] Insbesondere erstreckt sich der Führungsring im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenkörpers, und der Führungsring hat eine Wandstärke zwischen 0,2 und 1 mm.

[0008] Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Figur 1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen von Tauch­kolben gemäß der Erfindung.

[0009] Der in Figur 1 dargestellte Tauchkolben, der sich insbesondere als Tauchkolben in einem Kompressor eignet, besteht aus einem topfförmigen, einseitig geschlossenen Kolbenkörper 1 (auch "Kolbenhemd" genannt). Eine quer zur Achs des Kolbens verlau­fende Bohrung 2 dient der Aufnahme eines ublichen Kolbenbolzens zur Befestigung eines Pleuels oder dergleichen. In eine Nut im oberen Bereich des Kolbenkörpers 1 ist ei Kolbendichtring 3 aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) an sich bekannter Art eingesetzt. Praktisch über die gesamte restliche Länge hinweg ist der Kolben­körper 1 von einer hülsenförmigen Führungsauflage aus PTFE über­deckt, die den Führungsring 4 des Kolbens bildet. Der Führungs­ring 4 ist in sich geschlossen und fugenlos. Führungsring und Kolbenkörper sind fest miteinander verbunden. Die Wandstärke des Führungsringes 4 beträgt etwa 0,5 mm, sie kann grundsätzlich zwischen 0,2 und 1 mm liegen. Der Kolbenkorper 1 besteht aus ei­nem duroplastischen Kunststoff, beispielsweise Phenolharz, Mela­minharz, Harnstoffharz, Epoxidharz oder Polyesterharz.

[0010] Die geringe Wandstärke des Führungsrings bewirkt eine sehr gerin­ge Wärmedehnung, d. h. Kalt- und Warmspiel können gegenüber den bekannten Metallkolben mit dickerem Führungsring erheblich ver­kleinert werden. Dadurch ist die Laufruhe des Kolbens deutlich verbessert. Da der Führungsring 4 fugenlos ist, trägt er auch zur Abdichtung des Kolbens in seinem Laufzylinder bei. Insge­samt wird durch den praktisch die ganze Kolbenlänge überdecken­den Führungsring 4 auch die Lebensdauer des Kolbens erhöht.

[0011] Der Kolben gemäß Figur 1 wird mit Vorteil in folgender Weise in einem Arbeitsgang hergestellt: von einem PTFE-Schlauch oder einem PTFE-Rohr wird ein Abschnitt abgetrennt und in ein üb­liches Spritz-, Preß- oder Spritzpreßwerkzeug eingelegt. Dieser Abschnitt hat die Form einer Hülse und bildet später am fertigen Kolben den Führungsring 4. In den Abschnitt wird ein Duroplast-­Granulat eingefüllt bzw. eingespritzt. Statt eines Granulats können auch vorgepreßte Tabletten oder vorsplastifizierte Duro­plast-Rohlinge eingefüllt werden. Das zunächst offene Werkzeug wird nunmehr geschlossen, worauf unter hohem Druck (100 - 1000 bar) und hoher Temperatur (100 - 200°C) eine hochtemperaturfeste und stabile Verbindung zwischen dem PTFE-Material des Führungs­ringes 4 und dem sich bildenden Duroplast-Kolbenkörper herge­stellt wird. Anschließend wird der fertige, mit dem Führungs­ring 4 versehene Kolben dem Werkzeug entnommen.

[0012] Die Preß- bzw. Spritzwerkzeuge können so gestaltet werden, daß nach dem Entformen eine spanende Bearbeitung des Kolbens nicht mehr notwendig ist. Zur Erzielung einer höheren Maßhaltigkeit kann jedoch auch eine spanende Nachbearbeitung des Kolbenkör­pers vorgenommen werden.

[0013] Die Ausführungsform eines Kolbens gemäß Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 1 im wesentlichen dadurch, daß zur Reduzierung des Wärmedurchgangs durch den Kolben zusätzlich zum Führungsring 4 auf der Stirnfläche des Kolbenkörpers 1 noch eine Temperatur-Isolationsschicht 5 aus PTFE aufgebracht wird, und zwar dadurch, daß diese Schicht in Form einer kreisförmigen Platte ebenfalls in das Formwerkzeug des Kolbens eingelegt wird.

[0014] Bei der Ausführungsform eines Tauchkolbens nach Figur 3 wird statt eines Kolbenringes 3 (Figur 1 und 2) eine sogenannte "Napf- oder Topfmanschette" 6 aus PTFE-Material verwendet. Die Manschette 6 kann vor der Herstellung es Kolbens in das Preß- oder Spritzwerkzeug eingelegt werden.

[0015] Die Figur 4 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform ei­nes Tauchkolbens, die weitgehend der Ausführungsform gemäß Fi­gur 1 entspricht. Der Kolbenkörper 1 weist jedoch an seiner Stirnwand eine Öffnung 7 auf, die, wie lediglich schematisch dargestellt, durch eine Ventilplatte 8 verschlossen ist. Beim Zurückziehen des Kolbens nach dem Kompressionsvorgang öffnet sich die elastische Ventilplatte 8, so daß das zu verdichtende Medium durch den Kolbenkörper 1 hindurch angesaugt wird. Dabei wird der Kolbenkörper durch das einströmende Medium gekühlt. Außerdem wird ein besonderes Ansaugventil im Zylinder eingespart. Auch die Ventilplatte 8 kann vor der Herstellung des Kolbens in das Formwerkzeug eingelegt werden.

[0016] Der den Kolbenkörper 1 bildende duroplastische Kunststoff kann mit Zuschlagstoffen gefüllt sein. Besonder geeignet sind hier­für Glas-, Kohle und/oder Mineralfasern. Der Führungsring 4 kann auch aus einem anderen thermoplastischen Kunststoff als PTFE bestehen, insbesondere aus Polyätherätherketon (PEEK) oder aus Polyätherketon (PEK). Auch der den Führungsring 4 bildende thermoplastische Kunststoff kann mit Zuschlagstoffen gefüllt sein, vorzugsweise mit Glas-, Kohle- und/oder Mineral­fasern.

[0017] Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wird durch die ver­größerte Kolbenführungsfläche die spezifische Flächenpressung des Führungsringes aufgrund der auftretenden Querkräfte redu­ziert. Hierdurch erhöht sich die Standzeit oder Lebensdauer des Kolbens. Der hülsenförmige Führungsring 4 läßt sich, bei­spielsweise durch das beschriebene Spritz- oder Preßverfahren, hochtemperaturfest und unlösbar mit dem duroplastischen Kolben­körper verbinden. Hierdurch erhöht sich die Betriebssicherheit. Im übrigen läßt sich das geschilderte Fertigungsverfahren in einfacher Weise kostengünstig und für hohe Stückzahlen durch­führen.

Ansprüche

1. Tauchkolben für Kompressoren mit einem hohlzylindrischen, einseitig geschlossenen Kolbenkörper, mit einer Querboh­rung am Kolbenkörper zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, mit einem am Außenumfang des Kolbenkörpers angeordneten Dicht­ring und mit einer ebenfalls auf dem Außenumfang des Kol­benkörpers aufgebrachten Führungsauflage aus einem Mate­rial mit Trockenlaufeigenschaften,
dadurch gekennzeichet, daß der Kolbenkörper (1) aus einem duroplastischen Kunst­stoff der Gruppe Phenolharz, Maliminharz, Epoxidharz, Polyesterharz besteht, daß die Führungsauflage als in sich geschlossener, fugenloser Führungsring (4) fest mit dem duroplastischen Kunststoff des Kolbenkörpers verbunden ist, und daß der Führungsring (4) aus Polytetrafluor­äthylen (PTFE), Polyätherätherketon (PEEK) oder Polyäther­keton (PEK) besteht.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Führungsring (4) im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenkörpers (1) erstreckt.

3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des Führungsringes (4) 0,2 is 1,0 mm beträgt.

4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duroplastische Kunststoff mit Zuschlagstoffen gefüllt ist.

5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der duroplastische Kunststoff mit Glas, Kohle und/oder Mine­ralfasern gefüllt ist.

6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Führungsring (4) besteht, mit Zu­schlagstoffen gefüllt ist.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Führungsring (4) bildende Material mit Glas, Kohle und/oder Mineralfasern gefüllt ist.

8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Kolbenkörpers (1) mit einer Isolations- und Schutzschicht (5) aus Polytetrafluoräthylen überzogen ist.

9. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der An­sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungs­ring, gegebenenfalls zusammen mit eine Dichtring in ein offenes Spritz-, Preß- oder Spritzpreßwerkzeug eingelegt, ein duroplastischer Kunststoff eingefüllt und im geschlos­senen Werkzeug unter Druck und Erwärmung der Führungsring mit dem sich bildenden Kunststoffkörper fest verbunden wird.

Zeichnung