DICHTUNGSANORDNUNG AN EINER KOLBEN-ZYLINDER-EINHEIT

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung an einer Kolben-Zylinder-Einheit, mit einem in einem Zylinder mit einer Zylinderbüchse in Richtung einer Zentralachse längsbeweglichen Kolben, mit einem Kolbenmantel und einer berührungsfreien Spaltdichtung zwischen Zylinderbüchse und Kolbenmantel zur Abdichtung eines unter Ueberdruck stehenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit in einem Gehäuse eingebaut ist.

[0002] Dichtungsanordnungen dieser Art finden in bekannter Weise Verwendung bei Kompressoren, Servomotoren, Messkolben oder Stirling-Freikolbenmotoren, welche mit einem gasförmigen, oder im Falle von Servomotoren oder Messkolben unter Umständen auch flüssigen Medium, zusammenwirken. Besondere Probleme treten nun überall dort auf, wo die Kolben-Zylinder-Einheit sowohl gleitreibungsfrei als auch schmiermittelfrei betrieben werden soll. Dies ist beispielsweise bei Sauerstoff-Kompressoren, oder Kompressoren für die Nahrungsmittel-Industrie der Fall. Bekannte Kompressoren dieser Art weisen eine Kolben-Zylinder-Einheit auf, bei welcher die Dichtung zwischen Kolben und Zylinder durch eine Labyrinth-Dichtung gebildet wird. Dabei muss der Kolben im Zylinder möglichst zentrisch geführt werden, um ein Berühren des Kolbenmantels an der Zylinderwand zu vermeiden und entsprechende Beschädigung, bzw. ein Anfressen zu verhindern. Um diesen Führungsbedingungen zu genügen, ist der Kolben mit einer Kolbenstange versehen, welche in einem Kreuzkopf gelagert und geführt ist. Dieser Kreuzkopf wird wiederum in bekannter Weise über eine Kurbelstange von einer rotierenden Kurbelwelle angetrieben. Auf diese Weise werden die notwendigen oszillierenden Bewegungen des Kolbens erzeugt, wobei die gewünschte Führung des Kolbens im Zylinder durch den Kreuzkopf gewährleistet wird. Entsprechende Kompressoren sind im Fachbuch "Kolbenverdichter" von K.H. Küttner, Springer Verlag 1991, Seiten 236 und folgende beschrieben. Ein Nachteil dieser Ausführung besteht nun darin, dass zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand keine sehr engen Spalte vorgesehen werden können, sondern ein relativ grosses Spiel notwendig ist. Dies ist einerseits durch das Laufspiel der Kreuzkopfführung bedingt, und andererseits durch den Umstand, dass ölfreie Kompressoren eine wesentlich längere Bauart benötigen als ölgeschmierte Kolbenkompressoren. Durch die lange Bauart werden die Auslenkungen, bzw. die Abweichungen des Kolbens von der Zentralachse immer grösser, und das freie Spiel, bzw. der Spalt zwischen Kolben und Zylinder muss deshalb entsprechend gross gehalten werden. Dies bedingt dann auch die Anordnung von Labyrinth-Dichtungen, um die gewünschte Abdichtung zwischen der Druckseite des Kolbens und der drucklosen Seite zu erreichen. Da der Kolben bei den translatorischen Bewegungen in Richtung der Zentralachse nicht genau auf dieser Achse gehalten werden kann, weist der Dichtspalt zwischen Kolbenmantel und Zylinderwand keinen kreisringförmigen Querschnitt auf, sondern der Querschnitt ist zumeist sichelförmig. Dies hat zur Folge, dass sich die Dicke des Spaltes an einer Seite nahezu verdoppeln kann, und dementsprechend auch die Dichtigkeit in diesem Bereich erheblich abnimmt. Diese Asymmetrie des Dichtspaltes führt zu erheblichen Problemen und ist unerwünscht, kann jedoch bei derartigen Kompressoren nicht vermieden werden. Entsprechend gross sind auch die Leckverluste im Bereich der Dichtung.

[0003] Aus DE-B 19 33 159 ist eine Kolben-Zylinder-Einheit für eine Stirling-Kolbenmaschine bekannt, bei welcher die Zentrierung des Kolbens und die Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder über O-Ringe erfolgt. Diese Anordnung weist jedoch in der Praxis nur eine sehr kurze Lebensdauer auf, da die Dichtringe bei schmiermittelfreiem Betrieb sehr rasch abgenutzt werden, und damit die Zentrierung und Dichtung nicht mehr gewährleistet ist. Zudem gelangt der Abrieb der Dichtungen in den Kreislauf des Druckmediums, was normalerweise nicht zulässig ist und auch zu erheblichen Störungen führen kann. Auch mit dieser Lösung kann deshalb bei schmiermittelfreiem Betrieb eine genaue Führung des Kolbens auf der Zentralachse und bei langdauerndem Betrieb nicht erreicht werden.

[0004] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Dichtungsanordnung an einer Kolben-Zylinder-Einheit zu schaffen, bei welcher der Kolben translatorische Bewegungen ausführt, welche genau zentrisch zum Zylinder sind, und bei welcher der Kolben keine Auswanderbewegungen gegenüber der Zentralachse des Zylinders aufweist, der Dichtspalt seinen kreisringförmigen Querschnitt beibehält und keine Sichelform annimmt, und dabei minimal klein gestaltet werden kann, bei der Montage der Kolben-Zylinder-Einheit keine radialen Achsverschiebungen zwischen Kolben und Zylinder entstehen, d.h. eine genau zentrische Montage aller Bauteile möglich ist, und im weiteren Massnahmen vorgesehen sind, um Wandberührungen zwischen Kolbenmantel und Zylinderbüchse infolge thermischer Dehnungen zu verhindern.

[0005] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 definierten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.

[0006] Die erfindungsgemässe Führung des Kolbens gewährleistet eine genaue Führung der translatorischen Bewegungen des Kolbens entlang der Zentralachse des Zylinders und verhindert abweichende Bewegungen rechtwinklig zu dieser Zentralachse. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass zwischen dem Kolbenmantel und der Zylinderwand ein minimaler Dichtungsspalt eingestellt werden kann, und damit die Notwendigkeit für die Anordnung von Labyrinth-Dichtungen entfällt. Es besteht auch keine Gefahr, dass der Querschnitt des Dichtspaltes eine sichelförmige Form annimmt, und dadurch die Dichtfähigkeit der Dichtungsanordnung reduziert würde. Bei lagegerechtem Zusammenbau von Kolben und Zylinder wird die Dichtigkeit gegenüber der druckbeaufschlagten Seite des Kolbens durch den bei dieser Anordnung erreichbaren, sehr dünnen Dichtungsspalt gewährleistet. Durch konische Zentrierungen an den Bauteilen des Kolbens und des Zylinders ergibt sich der Vorteil, dass diese Teile genau auf die gleiche Achse ausgerichtet und in dieser Position gehalten werden. Es wird damit sichergestellt, dass sich der Kolben und der Zylinder während des Bewegungsablaufes an keiner Stelle berühren, und der Ringspalt während der gesamten Betriebsdauer konstant bleibt. Die Verbindung des Zylinders mit dem Maschinengehäuse erfolgt ebenfalls über eine konische Zentrierung, oder über mehrere elastische Halterungen. Mindestens drei Halterungen sind am Gehäuse befestigt, wobei elastische Zungen, über eine Mantelfläche eines Gehäuseteiles des Zylinders, die radiale Positionierung und damit Zentrierung des Zylinders bestimmen. Bei nicht zusammengebautem Zustande von Zylinder und Gehäuse definieren Halteflächen an den elastischen Zungen einen Innendurchmesser, welcher kleiner ist als der Aussendurchmesser der Mantelfläche am Gehäuseteil des Zylinders. Dadurch ergibt sich der Vorteil einer radial/ spielfreien Aufnahme und Halterung des Zylinders gegenüber dem Gehäuse. Die Mantelfläche, an welcher die elastischen Halterungen anliegen, kann als Aussenfläche oder als Innenfläche ausgebildet sein, und die Halteflächen an den Halterungen sind entsprechend nach innen oder nach aussen gerichtet. Ein weiterer Vorteil der Anordnung besteht darin, dass die Bauteile des Kolbens und des Zylinders, nämlich der Kolbenmantel und die Zylinderbüchse, welche die Begrenzungsflächen des Spaltes der Spaltdichtung bilden, aus einem Material bestehen, welches einen sehr kleinen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Derartige Materialien sind an sich bekannt, und es werden im vorliegenden Fall hochnickelhaltiger Stahl oder gesinterter Graphit, bzw. Kohle gewählt. Die verschiedenen Bauteile weisen dabei möglichst gleiche thermische Dehnungen bei gleichen Temperaturen auf, wobei der lineare Wärmeausdehnungskoeffizient mindestens um den Faktor 4 kleiner sein soll, als derjenige von unlegiertem Stahl, bzw. Eisen. Dies stellt sicher, dass bei Temperaturdifferenzen zwischen Kolben und Zylinder praktisch keine zusätzlichen Veränderungen des Dichtspaltes auftreten.

[0007] Durch den Einsatz von Graphit an mindestens einem der Bauteile des Kolbens oder des Zylinders, welche die Begrenzungsflächen des Spaltes der Spaltdichtung bilden, wird eine zusätzliche Sicherheit gegen Beschädigungen der Dichtungsflächen bei einem Störfalle erreicht. Ein solcher könnte auftreten, wenn durch äussere Einflüsse, wie seitliche Schläge oder ein Erdbeben, irgendwelche Abweichungen der Achsen auftreten. In diesem Falle würde nicht ein Anfressen der sich berührenden Teile stattfinden, sondern dasjenige Teil, welches aus gesintertem Graphit besteht, oder mit einer Nickelgraphitschicht beschichtet ist, würde abgeschliffen. Damit ergibt sich der Vorteil, dass nach einer Einlaufzeit der Dichtspalt selbständig eingestellt würde, und die Kolben-Zylinder-Einrichtung normal betrieben werden könnte. Diese Ausführungsart hat aber auch noch den weiteren Vorteil, dass Kolben und Zylinder am Anfang praktisch mit einem Passitz zusammengebaut werden und durch entsprechendes Einlaufen das Bauteil aus gesintertem Graphit, oder mit der Nickelgraphitschicht, d.h. der Kolbenmantel oder die Zylinderbüchse, eingeschliffen, und der Dichtspalt durch das Einlaufen ausgebildet wird. Diese Möglichkeit kann eingesetzt werden, wenn möglichst minimale Dichtspalte gewünscht werden, und die entsprechend hohen Kosten für das Einlaufen und anschliessende Entfernen des Abriebes akzeptiert werden können. Anstelle von gesintertem Graphit oder Beschichtungen von Nickelgraphit, können auch andere Materialien eingesetzt werden, welche die gleichen thermischen Eigenschaften und die gleichen Notlaufeigenschaften aufweisen. Die erwähnten Materialien erweisen sich jedoch als besonders geeignet.

[0008] Damit auch bei thermischen Belastungen der Bauteile des Kolbens und des Zylinders während des Betriebes und allfälligen daraus resultierenden Längenänderungen keine Abweichungen des Kolbens und des Zylinders von der Zentralachse möglich sind, sind die einzelnen Bauteile unter Verwendung von elastischen Spannelementen zusammengefügt, welche in Richtung der Achse der konischen Zentrierungen, bzw. der Zentralachse wirken. Durch das Zusammenwirken der konischen Zentrierungen und der Spannkräfte ergibt sich der Vorteil, dass auch bei Temperaturdifferenzen zwischen den Bauteilen in radialer Richtung kein zusätzliches Spiel entsteht, da die Bauteile in den konischen Führungen in axialer Richtung immer aneinander gepresst bleiben. Dies gewährleistet die Einhaltung der Konzentrizität zwischen Kolben und Zylinder.

[0009] Bei der erfindungsgemässen Dichtungsanordnung besteht jede der beiden mit Abstand zueinander angeordneten Führungen aus mehreren plattenförmigen Federelementen. Die vorgeschlagene Anordnung der Führungen mit den Federelementen erbringt den Vorteil, dass der Kolben, welcher oszillierende Linearbewegungen ausführt, genau auf seiner Zentralachse zentriert und geführt wird. Die Führungen weisen keine Teile auf, welche sich gegeneinander bewegen und Gleitverschleiss unterworfen sind. Der Kolben wird durch die beiden Führungen so geführt und zentriert, dass er gegenüber dem Zylinder berührungslos eine rein axiale Relativbewegung ausführen kann. Dies z.B. in einem schmiermittelfreien Sauerstoffkompessor, oder an einem schmiermittelfreien Kolben eines Stirling-Freikolbenmotors. Die Federelemente der einzelnen Führungen sind in einer Ebene angeordnet, welche etwa rechtwinklig zur Zentralachse des oszillierend bewegten Maschinenelementes steht. In dieser Ebene befinden sich die Hauptfederteile, welche plattenförmig ausgebildet sind. Diese Anordnung der Hauptfederteile lässt eine Berechnung der Bewegungs- und Federdaten in bekannter Weise zu, sodass sich auch die Bewegungen des Maschinenelementes genau bestimmen lassen. Im Aussenbereich der langen Hauptfederteile sind kürzere Hilfsfederteile angeordnet, und zwar rechtwinklig zu den Hauptfederteilen, sodass diese Hilfsfederteile etwa parallel zur Zentralachse verlaufen. Die Verbindung der Hilfsfederteile mit den Hauptfederteilen erfolgt über ein zusätzliches Verbindungselement, welches mit entsprechenden Befestigungsmittel zur festen Verbindung der Enden der Haupt- und Hilfsfederteile ausgestattet ist. Durch die Anordnung dieses zusätzlichen Verbindungselementes zwischen jedem Hilfsfederteil und dem zugehörigen Hauptfederteil ergibt sich der Vorteil, dass das Federelement im abgewinkelten Bereich starr ist, und die Deformationen der Federelemente nur in den plattenförmigen Bereichen stattfinden. Die einzelnen Hilfsfederteile und Hauptfederteile, sowie die Verbindungselemente, lassen sich entsprechend den technischen Vorgaben sehr genau herstellen, sodass sie beim Einbau sowohl betreffend Masshaltigkeit wie auch Festigkeitswerten die gewünschten Werte aufweisen. Diese genaue Uebereinstimmung mit vorgegebenen Massen und Festigkeitswerten lässt sich mit herkömmlichen Herstellungsmethoden erreichen, da die Federteile und die Verbindungselemente einfache Formen aufweisen. Die einzelnen Bauteile können zudem einfach geprüft und Teile, welche von den Normdaten abweichen, leicht ausgeschieden werden. Das Zusammensetzen jedes Federelementes aus mehreren einzelnen Federteilen ermöglicht eine Anpassung an unterschiedliche Anforderungen und bringt den erheblichen Vorteil mit sich, dass keine Teile der Federelemente bei der Herstellung deformiert, beispielsweise abgebogen werden müssen. Die plattenförmige Gestaltung der einzelnen Federelementteile lässt jederzeit eine genaue Bearbeitung auf die gewünschten Abmessungen, z.B. durch Schleifen zu. Die Haupt- und die Hilfsfederteile sind im Normalfalle ebene Platten.

[0010] Die plattenförmigen Federelemente jeder Führung werden zweckmässigerweise zentralsymmetrisch angeordnet, sodass sich von der Zentralachse aus in der Ebene der Führung vier, sechs oder mehr Federelementteile radial nach aussen erstrecken. Ungerade Zahlen von Federelementteilen in der Ebene der Führung sind möglich, zweckmässigerweise umfasst jedes Federelement jedoch ein Hauptfederteil, welches sich symmetrisch beidseits der Zentralachse erstreckt. Dadurch, dass zwischen den Federelementen, welche in einer Ebene liegen, je gleich grosse Winkel eingeschlossen werden, ergibt sich der Vorteil, dass das Maschinenelement auf der Zentralachse genau symmetrisch zentriert wird.

[0011] Die Abmessungen der langen Hauptfederteile und der kurzen Hilfsfederteile werden in bekannter Weise so gewählt, dass die Steifigkeit der beiden Führungen, welche den Kolben führen, quer zur Zentralachse mindestens um den Faktor 100 grösser ist als in Richtung der Zentralachse. Abhängig von der gewünschten Führungspräzision im Bereiche des Dichtspaltes und den auftretenden Querkräften werden Führungen mit einem Steifigkeitsverhältnis von 500 und mehr eingesetzt. Bei der erfindungsgemässen Vorrichtung ergeben sich nun weitere Vorteile, indem die Kraftaufnahme, die Steifigkeit oder die Bewegungswege durch Anpassen der einzelnen Federelementteile verändert werden können. Das Steifigkeitsverhältnis lässt sich beispielsweise nicht nur durch Verändern der Abmessungen der plattenförmigen Federteile verändern, sondern auch dadurch, dass mindestens zwei Hilfsfederteile oder Hauptfederteile mit Abstand parallel zueinander angeordnet werden, oder das Hilfs- sowie auch Hauptfederteil so ausgebildet sind. Wird keine Veränderung der Federkonstanten gewünscht, so können in einer Führung in zwei mit Abstand zueinander angeordneten Ebenen zwei Gruppen von plattenförmigen Federelementen angeordnet sein. Dies führt zu einer Erhöhung der Tragfähigkeit der entsprechenden Führung bei etwa gleichbleibendem Steifigkeitsverhältnis. Bei all diesen unterschiedlichen Anordnungen und Ausführungsformen können immer die gleichen Grundelemente von Hauptfederteilen, Hilfsfederteilen und Verbindungselementen verwendet werden, sodass die Berechnungsgrundlagen vereinfacht werden, und auch die Fertigung der Einzelteile erheblich erleichtert wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Hauptfederteil der einzelnen Federelemente ein- oder zweiteilig ausgebildet sein kann. Ist die Führung am Ende einer Achse angeordnet, so kann es vorteilhaft sein, die Hauptfederteile einteilig auszubilden, da sie dann mit Hilfe eines zentralen Verbindungselementes mit der Achse verbunden werden können. Wird die Führung jedoch irgendwo im Achsbereich des Maschinenelementes angeordnet, so ist es oft zweckmässig, die Hauptfederteile zweiteilig auszuführen, und dann die gegen die Zentralachse gerichteten inneren Enden der Hauptfederteile durch entsprechende Befestigungseinrichtungen mit der Achse zu verbinden.

[0012] Mit der beanspruchten Kombination von Elementen, welche die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung bilden, lassen sich Kolben in einem Zylinder so genau führen, dass ein schmiermittelfreier Betrieb ermöglicht wird, und trotzdem Dichtspalte zwischen Kolben und Zylinder von minimalen Abmessungen möglich werden. Durch den Einsatz von zwei identischen Führungen, welche mit Abstand zueinander angeordnet sind, wird der Kolben genau entlang der Zentralachse geführt, und störende Bewegungsabweichungen werden vermieden. Damit wird es beispielsweise möglich, den Kolben oder die Kolbenstange eines Freikolbenmotores, z.B. eines Stirlingmotores, ohne Einsatz von Schmiermittel im Zylinder zu führen, und zwar den Arbeits- wie auch Verdrängerkolben. Eine Verschmutzung des Druckmediums durch Abrieb oder Schmiermittelreste wird vollständig vermieden. Das gleiche trifft auch auf Ausführungen von Sauerstoff-Kompressoren zu, oder auf Kompressoren mit anderen Druckmedien, welche nicht durch Schmiermittel oder Abrieb verschmutzt werden dürfen. Die erfindungsgemässe Dichtungsanordnung benötigt kein Schmiermittel und stellt auch sicher, dass während des Betriebes kein Abrieb im Bereiche des Dichtspaltes entsteht.

[0013] Nachfolgend wird die Erfindung mit Hilfe von Zeichnungen, welche Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

einen Längsschnitt durch einen schematisch dargestellten Kompressor, mit elektromagnetischem Antrieb,

Fig. 2

einen Längsschnitt durch den Kolben-Zylinder-Bereich des Kompressors gemäss Fig. 1, mit einem beschichteten Kolben,

Fig. 3

eine frontale Teilansicht einer der in Fig. 1 und 2 dargestellten Führungen für den Kolben,

Fig. 4

einen Ausschnitt aus einer Führung mit doppelten Federelementen und zweiteiligen Hauptfederteilen,

Fig. 5

einen Ausschnitt aus einer Führung mit zweiteiligen Hauptfederteilen und paarweise angeordneten Haupt- und Hilfsfederteilen,

Fig. 6

einen Ausschnitt aus Fig. 1, mit elastischer Halterung für den Zylinder am Gehäuse, und

Fig. 7

eine Ansicht der Anordnung gemäss Fig. 6 in Richtung der Zentralachse, mit einem Teilschnitt durch Zylinder und Kolben.

[0014] Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen Kompressor 1, wobei nur der obere Teil dargestellt, der untere jedoch zentralsymmetrisch gleich ausgebildet ist. Der Kompressor 1 weist in einem Gehäuse 5 einen elektrischen Antrieb auf, welcher aus einer festen Magnetspule 10 und einem längsbeweglichen Anker 11 besteht. Der Anker 11 ist mit einer Kolbenstange 6 verbunden, wobei Kolbenstange 6 und Anker 11 die gemeinsame Zentralachse 2 aufweisen und in Richtung dieser Zentralachse 2 translatorisch bewegbar sind. Die Kolbenstange 6 ist an zwei Führungen 8 und 9 abgestützt und genau zentrisch geführt, wobei diese beiden Führungen 8 und 9 mit Abstand zueinander angeordnet sind. Am vorderen Ende 16 der Kolbenstange 6 ist ein Kolben 7 mit einem Kolbenmantel 13 befestigt. Dieser Kolben 7 ist von einer Zylinderbüchse 4 umgeben, welche Bestandteil eines Zylinders 3 ist. Der Zylinder 3 ist seinerseits mit dem Gehäuse 5 verbunden und bildet einen Teil desselben. Der Zylinder 3 umfasst einen Arbeitsraum 18 für das Druckmedium und weist in bekannter Weise Einlassventile 19 und Auslassventile 20 auf. Zwischen dem Kolbenmantel 13 und der Zylinderbüchse 4 ist eine Spaltdichtung 12 ausgebildet, wobei der Kolben 7 berührungsfrei in der Zylinderbüchse 4 geführt wird. Diese Ausgestaltung einer berührungsfreien Spaltdichtung wird durch die erfindungsgemässe Ausgestaltung und Anordnung der beiden Führungen 8, 9 ermöglicht. Im dargestellten Beispiel ist es beispielsweise möglich, bei einem Kolbendurchmesser von 45 mm an der Spaltdichtung eine Spaltweite von 0,01 mm auszubilden.

[0015] Der Kolben 7 ist aus mehreren Teilen zusammengefügt. Die Kolbenstange 6 weist einen tellerförmigen Flansch 21 auf, welcher die Halterung für den zylinderförmigen Kolbenmantel 13 bildet. Ein zweiter tellerförmiger Flansch 22 wirkt mit dem anderen Ende des Kolbenmantels 13 zusammen und ist über ein elastisches Spannelement 23 und eine Spannmutter 24 mit dem vorderen Ende 16 der Kolbenstange 6 verbunden. Die beiden tellerförmigen Flansche 21, 22 weisen konische Randbereiche 25 bzw. 25' auf. Die beiden Endflächen des Kolbenmantels 13 sind ebenfalls konisch ausgebildet. Der konische Randbereich 25 des tellerförmigen Flansches 21 zentriert und führt den Kolbenmantel 13 genau zentrisch zur Zentralachse 2. Das elastische Spannelement 23 erzeugt eine stetige Spannkraft in Richtung der Zentralachse 2 und gewährleistet, dass auch bei Längenänderungen infolge Temperaturveränderungen der Kolbenmantel 13 immer genau zentrisch zwischen den beiden tellerförmigen Flanschen 21, 22 eingespannt ist. Das elastische Spannelement 23 besteht dabei aus einer Plattenfeder. Der Kolbenmantel 13 ist im dargestellten Beispiel aus gesintertem Graphit hergestellt, und die Einspannung zwischen den beiden konischen Randbereichen 25 und 25' der tellerförmigen Flansche 21, 22 gewährleistet eine dauernde Druckvorspannung und sichere Halterung für den Sinterkörper 13. Die für den Kolbenmantel 13 und die Zylinderbüchse 4 verwendeten Materialien weisen einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf, welcher mindestens viermal kleiner ist als derjenige von unlegiertem Stahl, wobei letzterer 11,1x10^-6 pro Grad Kelvin beträgt. Ein hoch legierter Nickelstahl mit z.B. 36% Nickel kann einen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 0,9x10^-6 pro Grad Kelvin aufweisen.

[0016] Die Zylinderbüchse 4 ist einerseits über ein elastisches Spannelement 26 und Befestigungselement 27, und andererseits über eine konische Zentrierung 28 im Zylinder 3 abgestützt und zentriert. Das elastische Spannelement 26 besteht ebenfalls aus einer Tellerfeder, kann jedoch auch aus anderen bekannten elastischen Elementen gebildet sein. Im Falle von Längenänderungen der Zylinderbüchse 4 infolge Temperaturdifferenzen wird die Zylinderbüchse immer in Richtung der Zentralachse gegen die konische Zentrierung 28 gepresst. Dadurch wird auch an der Zylinderbüchse sichergestellt, dass diese immer spielfrei geführt ist und keine Abweichungen gegenüber der Zentralachse 2 auftreten.

[0017] Um die Ausrichtung des Zylinders 3 und der Zylinderbüchse 4 auf die Zentralachse 2 zu gewährleisten, ist am Gehäuseteil 61 des Zylinders 3 auch zwischen dem Zylinder 3 und dem Gehäuse 5 eine konische Zentrierung 29 ausgebildet. Die Verbindung zwischen Zylinder 3 und Gehäuse 5 erfolgt über nicht dargestellte Verbindungselemente 30 im Bereiche der konischen Zentrierung 29. Da bei der konischen Zentrierung 29 sowohl das Gehäuse 5, wie auch der Zylinder 3, aus dem gleichen Material bestehen, sind hier keine thermisch bedingten Axialbewegungen zu erwarten. Die konischen Zentrierungen zwischen den einzelnen Bauteilen des Zylinders 3 und des Kolbens 7 stellen sicher, dass die einzelnen Bauteile genau zentrisch zur Zentralachse 2 zusammengefügt werden und bilden damit die Voraussetzungen für die Ausbildung des gewünschten minimalen Spaltes an der Spaltdichtung 12.

[0018] Die beiden Führungen 8 und 9 zentrieren und führen die Kolbenstange 6, bzw. den Kolben 7 so, dass die Mantelfläche 14 des Kolbenmantels 13 berührungsfrei und genau parallel zur Zylinderfläche 15 der Zylinderbüchse 4 verläuft. Dies über die ganze Länge der translatorischen Bewegungen des Kolbens 7 in Richtung der Pfeile 31. Dabei ist die erste Führung 8 in unmittelbarer Nähe des Kolbens 7 angeordnet und die zweite Führung 9 am hinteren Ende 17 der Kolbenstange 6. Diese Führungen 8, 9 sind auf zwei Ebenen 32, 33 ausgerichtet, welche etwa rechtwinklig zur Zentralachse 2 stehen. Die beiden Ebenen 32, 33 und damit die beiden Führungen 8, 9 sind in Richtung der Zentralachse 2 mit Abstand zueinander angeordnet, wobei dieser Abstand durch die Lagerbedingungen, sowie die konstruktiven Gegebenheiten des Kompressors bestimmt ist.

[0019] Jede der beiden Führungen 8, 9 besteht aus mehreren Federelementen 34, was aus Fig. 3 am besten erkennbar ist. Diese Federelemente 34 bestehen je aus einem zweiteiligen langen Hauptfederteil 35 sowie zwei kurzen Hilfsfederteilen 36, welche an den äusseren Enden 37 des Hauptfederteiles 35 starr befestigt und mit dem Gehäuse 5 verbunden sind. Die Hilfsfederteile 36 sind dabei etwa rechtwinklig zum Hauptfederteil 35 angeordnet und verlaufen somit etwa parallel zur Zentralachse 2. Die starre Verbindung zwischen den äusseren Enden 37 des Hauptfederteiles 35 und den Hilfsfederteilen 36 wird mittels Verbindungselementen 38 hergestellt. Die Federelemente 34 sind einerseits über die Hilfsfederteile 36 und Befestigungselemente 39 fest mit dem Gehäuse 5, und andererseits über die Hauptfederteile 35, sowie die Flansche 40 und Klemmelemente 41 mit der oszillierend bewegten Kolbenstange 6 und dem Kolben 7 fest verbunden. Die beiden Führungen 8, 9 sind dabei genau gleich ausgebildet, jedoch wie aus der Fig. 1 erkennbar ist, spiegelverkehrt angeordnet. Die Führung und Zentrierung des Kolbens 7 ist dabei so genau, dass zwischen dem Kolben 7 und der Zylinderbüchse 4 nur ein sehr dünner Spalt 12 notwendig ist. Dadurch kann die Abdichtung des Kolbenraumes 18 durch eine berührungslose Spaltdichtung 12 erfolgen, und es sind keine Dichtungen notwendig und vorhanden, welche durch Relativbewegungen abgerieben, bzw. abgenutzt würden. Das durch die Federelemente 34 jeder Führung 8, 9 gebildete Federsystem wird so ausgestaltet, dass die Steifigkeit in Richtung der Ebenen 32, 33 mindestens um den Faktor 100 grösser ist als dessen Steifigkeit in Richtung der Zentralachse 2. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel ist die Steifigkeit quer zur Zentralachse 2 ca. 200-fach höher als in Richtung der Zentralachse 2. Dazu werden Federteile aus gehärtetem Federstahl eingesetzt mit einer Dicke von 1,18 mm. Pro Führung 8, 9 sind zwei Federelemente 34 vorhanden, welche rechtwinklig zueinander angeordnet sind und je aus zwei Hauptfederteilen 35 und zwei Hilfsfederteilen 36 bestehen. Die Hauptfederteile 35 haben eine Länge von ca. 13 cm und die Hilfsfederteile eine Länge von ca. 2,2 cm. Damit wird ein Kolbenhub von 20 mm möglich. Der Kolbendurchmesser beträgt 45 mm und die Oszillationsfrequenz 50 Schwingungen pro Sekunde.

[0020] Fig. 2 zeigt eine andere Ausbildung des Kolbens 7, wobei die übrigen Teile des Kompressors 1 gleich ausgestaltet sind, wie in Fig. 1. Im Zylinder 3 ist wiederum eine Zylinderbüchse 4 eingesetzt, welche aus einem hochnickelhaltigen Stahl, im dargestellten Beispiel des Types 36% Ni-Alloy hergestellt ist. Die Zentrierung und Einspannung der Zylinderbüchse 4 im Zylinder 3 erfolgt auch hier über die konische Zentrierung 28, und das elastische Spannelement 26, und die Befestigungselemente 27. Der Kolben 7 besteht ebenfalls aus mehreren Teilen. Ein Kolbenmantel 44 ist zwischen einem von der Kolbenstange 6 ausgehenden tellerförmigen Flansch 42 und einem zweiten tellerförmigen Flansch 43 eingespannt. Die Spannkraft wird durch das elastische Spannelement 23 in der Form einer Tellerfeder, und die Spannmutter 24 erzeugt. Dabei ist die Spannmutter 24 auf das vordere Ende 16 der Kolbenstange 6 aufgeschraubt. Der Kolbenmantel 44 besteht aus hochnickelhaltigem Stahl. An der Mantelfläche 45 dieses Kolbenmantels 44 ist eine Beschichtung 46 aus geeignetem Nikkelgraphit aufgebracht, z.B. in der Zusammensetzung von 15-25 Gewichts-% Graphit und 75-85% Nickel. Diese Beschichtung 46 bildet die Grenzfläche der Spaltdichtung 12 gegen die Zylinderbüchse 4. Die konischen Randbereiche 47 bzw. 47' an beiden Enden des zylinderförmigen Kolbenmantels 44 weisen hier eine Neigung auf, welche in Bezug auf den Kolbenmantel 44 eine Zugvorspannung bewirkt. Dies ist wegen des gewählten Materials Stahl zulässig und vorteilhaft.

[0021] Sowohl bei der Ausführungsform des Kolbens 7 gemäss Fig. 1, wie auch gemäss Fig. 2, werden die Abmessungen des Kolbenmantels 13, bzw. 44 und der Zylinderbüchse 4 von Anfang an so gewählt, dass beim Zusammenfügen der Bauteile im Bereiche der Spaltdichtung 12 ein möglichst geringer Spalt gebildet wird. Bei Dichtungsanordnungen zwischen dem Kolben 7 und der Zylinderbüchse 3, bei welchen ein sehr gleichförmiger Kreisringquerschnitt verlangt wird, und gleichzeitig die Dicke des Spaltes der Spaltdichtung 12 absolut minimal sein soll, ist es möglich, die Durchmesser des Kolbenmantels 44 und der Zylinderbüchse 4 so zu wählen, dass fast ein Passitz oder ein relativ strenger Gleitsitz entsteht. Durch vorsichtiges Einlaufen kann das gesinterte Graphitmaterial des Kolbenmantels 13, bzw. die Beschichtung 46 am Kolbenmantel 44 abgerieben und dadurch eine sehr enge Spaltdichtung 12 erzeugt werden. Es ist auch möglich, die Materialkombinationen zwischen Zylinderbüchse 4 und Kolbenmantel 13 auszutauschen. Die genaue Führung des Kolbens 7 über die Führungen 8 und 9, sowie die konischen Zentrierungen der verschiedenen Bauteile des Kolbens 7 und des Zylinders 3 ermöglichen in jedem Falle die Ausbildung einer sehr engen und berührungsfreien Spaltdichtung 12, und damit den schmiermittelfreien Betrieb. Da der Kolben 7 im Normalbetrieb berührungsfrei in der Zylinderbüchse 4 läuft, entsteht kein Abrieb, womit auch die Verschmutzung des Druckmediums verhindert wird.

[0022] Fig. 3 zeigt eine Führung 8, 9, wie sie in den Fig. 1 oder 2 eingesetzt ist, als Teilansicht in Richtung der Zentralachse 2. Es ist ersichtlich, dass in jeder der Ebenen 32, bzw. 33 zwei Federelemente 34 angeordnet sind, wobei zwischen den Federelementen 34, in Umfangsrichtung gesehen, je gleiche Winkel eingeschlossen sind. Jedes der Federelemente 34 besteht dabei aus zwei Hauptfederteilen 35, zwei Hilfsfederteilen 36 und zwei Verbindungselementen 38. Die von den Verbindungselementen 38 abgewendeten Enden der kurzen Hilfsfederteile 36 sind mittels Befestigungselementen 39 am Gehäuse 5 des Kompressors 1 starr befestigt. Die Kolbenstange 6, welche axial oszillierend bewegt wird, weist einen Flansch 40 auf, sowie ein Klemmelement 41, welches zur Verbindung der inneren Enden 53 der Hauptfederteile 35 mit dem Flansch 40 dient. Die kurzen Hilfsfederteile 36 sind aus flachen, rechteckigen Platten gebildet. Die Hauptfederteile 35 sind trapezförmig und gegen das äussere Ende 37 breiter ausgebildet als am inneren Ende 53. Die Form der Federteile 35, 36 wird in bekannter Weise durch die gewünschten Federcharakteristiken bestimmt. Am Flansch 40 sind Rippen 55 angeordnet, welche Anschlagflächen 56 für die inneren Enden 53 der Hauptfederteile 35 bilden. Durch diese Rippen 55 und die entsprechenden Anschlagflächen 56, sowie die entsprechende Formgestaltung der inneren Enden 53 der Hauptfederteile 35, ist deren Position gegenüber der Kolbenstange 6 genau bestimmt. In dieser Position werden die inneren Enden 53 der Hauptfederteile 35 mit Hilfe des Klemmelementes 41 und von Schrauben 58 eingespannt und festgehalten.

[0023] Fig. 4 zeigt eine Führung 50, welche prinzipiell den Anordnungen gemäss Fig. 1 und 2 entspricht. Es sind jedoch an jeder Führung 50 zwei mit Abstand zueinander angeordnete Ebenen 51, 52 vorhanden, in welchen je Federelemente 34 angeordnet sind. Die beiden Ebenen 51, 52 verlaufen dabei parallel zueinander und etwa rechtwinklig zur Zentralachse 2 der Kolbenstange 6. Wie zu Fig. 3 beschrieben und dargestellt wurde, sind auch hier in jeder der Ebenen 51, 52 zwei Federelemente 34 angeordnet, bei welchen zwischen den Federelementen 34, in Umfangsrichtung gesehen, je gleiche Winkel eingeschlossen sind. Zusätzlich zum Flansch 40 und zum Klemmelement 41 sind hier auf der Kolbenstange 6 zwei Zentrierplatten 54 und eine Distanzscheibe 57 angeordnet. Dabei weisen die Zentrierplatten 54 die Rippen 55 mit den Anschlagflächen 56 auf. Die inneren Enden 53 der paarweise angeordneten Federteile 35 sind zwischen je einer zentrierplatte 54 und dem Flansch 40, bzw. dem Klemmelement 41 eingespannt. Die Spannkraft wird mittels der Schrauben 58 erzeugt. Diese in Fig. 4 dargestellte Anordnung einer Führung 50 mit zwei Federebenen 51, 52 kann grössere Längs- und Querkräfte aufnehmen. Sie lässt im übrigen aber die gleichen Bewegungsabläufe zu, wie die in Fig. 1 dargestellte und beschriebene einfache Ausführung. Insbesondere ist die Freiheit der linear oszillierenden Bewegung der Kolbenstange 6 und des zugehörigen Kolbens 7 in Richtung der Pfeile 31 gewährleistet. Die gemäss Fig. 3 und 4 beschriebene Ausführungsform der zweiteiligen Hauptfederteile 35 ist insbesondere dort zweckmässig, wo auf der Zentralachse 2 vor und hinter der Führung 50 weitere Maschinenelemente angeordnet sind, welche ein Aufstecken von durchgehenden einteiligen Federelementen 34 auf die Kolbenstange 6 nicht zulassen. Im weiteren wird aber auch die Herstellung der Hauptfederteile 35 erleichtert, da sie geringere Abmessungen aufweisen, und bei Bedarf auch einzelne Teile eines Federelementes 34 auswechselbar sind. Es ist aber durchaus möglich und im Sinne der Erfindung, z.B. in der Ebene 33 in Fig. 1, einteilige Hauptfederteile 35 einzusetzen. Diese weisen eine zentrale Bohrung auf und können auf die Kolbenstange 6 aufgeschoben und anschliessend festgeklemmt werden.

[0024] In Fig. 5 ist eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemässen Führung für eine Dichtungsanordnung dargestellt, wobei in jedem Federelement 34 sowohl die Hauptfederteile 35, wie auch die Hilfsfederteile 36 paarweise parallel und mit Abstand zueinander angeordnet sind. Die Verbindung der inneren Enden 53 der Hauptfederteile 35 mit dem Flansch 40 der Kolbenstange 6 erfolgt in gleicher Weise, wie zu Fig. 3, bzw. 4 beschrieben. Das Verbindungselement 38 zwischen den äusseren Enden der Hauptfederteile 35 und den daran anstossenden Enden der Hilfsfederteile 36 ist entsprechend ausgebildet und weist Auflageflächen für die paarweise Anordnung der Parallelfedern auf. Zur Verbindung der Hilfsfederteile 36 mit dem Gehäuse 5 sind entsprechende Befestigungs- und Spannelemente 60 vorhanden. Die Ausgestaltung der Führung mit Parallelfedern 35 führt zu einer in beiden Längs-Bewegungsrichtungen symmetrischen Federcharakteristik mit entsprechend günstigerem Spannungsverlauf. Die in Fig. 1 dargestellte einfache Feder weist wegen der Biege- und Kraftverhältnisse in den Einspannbereichen bei der Vorwärts- oder Rückwärtsbewegung des Maschinenelementes nicht die gleiche Federcharakteristik auf. Im Verhältnis zum Nullpunkt sind die positive und die negative Charakteristik der Einfachfeder nicht symmetrisch.

[0025] Bei allen beschriebenen Ausführungsformen der Führungen 8, 9 erweist es sich als zweckmässig, in jeder der Ebenen 32, 33, bzw. 51, 52 mindstens zwei Federelemente 34 anzuordnen, welche zur Zentralachse 2 zentralsymmetrisch ausgebildet sind und deren Orientierungsachsen sich, in Umfangsrichtung gesehen, in einem Winkel von 90° kreuzen. Sofern die Konstruktionsbedingungen und die auftretenden Kräfte dies erfordern, können die Federelemente jedoch auch in einem Winkel von 60° oder 45° zueinander angeordnet sein. Dementsprechend werden dann im Bereiche des oszillierend bewegten Kolbens 7 und am Gehäuse 5 mehr Befestigungs- und Positionierpunkte vorgesehen. Unabhängig von den verschiedenen möglichen Ausgestaltungen der Führungen gewährleisten diese eine genaue Zentrierung des linear oszillierend bewegten Kolbens 7 entlang der Zentralachse 2 und eine Reduktion der Abweichungen von dieser Zentralachse 2 als Folge von Querkräften, welche minimale Spalte zwischen dem bewegten Kolben und der festen Zylinderbüchse 4 und damit berührungslose Spaltdichtungen zulässt.

[0026] Die Fig. 6 und 7 zeigen eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Verbindung zwischen dem Zylinder 3 und dem Gehäuse 5. Das Gehäuseteil 61 des Zylinders 3 weist eine zylindrische Mantelfläche 62 auf, welche genau zentrisch zur Zentralachse 2 ausgebildet ist. Am Gehäuse 5 sind mindestens drei, im dargestellten Beispiel vier elastische Halterungen 65 angeordnet. Diese vier Halterungen 65 sind radial um je 90° versetzt und über Befestigungsteile 67 und bekannte Befestigungsmittel 68, z.B. Schrauben, am Gehäuse 5 befestigt. Jede Halterung 65 weist eine elastische Zunge 69 auf, an deren freien Ende eine Haltefläche 64 angeordnet ist. An die Haltefläche 64 schliesst eine nach aussen divergierende schräge Führungsfläche 63 an. Am Gehäuse 5 ist im weiteren eine Anschlagfläche 66 angeordnet, welche in einer Radialebene zur Zentralachse 2 liegt und die Auflage- und Befestigungsfläche für das Gehäuseteil 61 des Zylinders 3 bildet. Vor dem Zusammenbau des Zylinders 3 mit dem Gehäuse 5 werden die Halteflächen 64 der markierten Halterungen 65 so bearbeitet, dass sie einen Innendurchmesser begrenzen, welcher kleiner ist als der Aussendurchmesser der Mantelfläche 63 am Gehäuseteil 61. Wird das Gehäuseteil 61 des Zylinders 3 in Richtung der Zentralachse 2 zwischen die Halterungen 65 geschoben, so werden die Zungen 69 elastisch deformiert, und zwischen der Mantelfläche 62 am Zylinder 3 und den Halteflächen 64 an den Halterungen 65 wird ein spielfreier Passitz gebildet. Die Deformation der elastischen Zungen 69 an den Halterungen 65 bewirkt vier gleich grosse, gegen die Zentralachse 2 gerichtete Radialkräfte, welche das Gehäuseteil 61 und damit den Zylinder 3 gegenüber der Zentralachse 2 spielfrei zentrieren. In der zentrierten Einbauposition liegt das Gehäuseteil 61 des Zylinders 3 an der Anschlagfläche 66 des Gehäuses 5 an und ist mittels bekannten Verbindungselementen 30, z.B. Schrauben, mit dem Gehäuse 5 verbunden. Diese Ausführungsform der Verbindungen zwischen Zylinder 3 und Gehäuse 5 gewährleistet eine spielfreie Zentrierung und Befestigung, bei welcher der Einfluss der Verbindungselemente 30 auf die Zentrizität der Anordnung vermieden wird. Im weiteren ist es auch möglich, die Mantelfläche 62 an einem ringförmigen Kragen, oder in einer Nute an der gegen das Gehäuse 5 gerichteten Stirnfläche 70 des Gehäuseteiles 61 anzuordnen. Die Mantelfläche 62 ist dann als Aussenfläche oder als Innenfläche ausgebildet. Die Halterungen 65 sind dann entsprechend im Innenbereich des Gehäuses 5 angeordnet, und die Halteflächen 64 an den elastischen Zungen 69 sind dann in Abhängigkeit von der Ausrichtung der Mantelfläche 61 nach innen oder nach aussen gerichtet. Im Falle, wo die elastischen Zungen 69 aussen angeordnete Halteflächen 64 aufweisen, welche in einem Kragen oder einer Nute am Gehäuseteil 61 eingreifen, ist der Anfangsdurchmesser in nicht zusammengebautem Zustande grösser, als der Durchmesser der Mantelfläche 62 am Gehäuseteil 61 des Zylinders 3. Die spielfreie Führung ist dadurch, wie oben beschrieben, bei jeder Ausführungsform gewährleistet.

Ansprüche

1. Dichtungsanordnung an einer Kolben-Zylinder-Einheit, mit einem in einem Zylinder (3) mit einer Zylinderbüchse (4) in Richtung einer Zentralachse (2) längsbeweglichen Kolben (7), mit einem Kolbenmantel (13) und einer berührungsfreien Spaltdichtung (12) zwischen Zylinderbüchse (4) und Kolbenmantel (13), zur Abdichtung eines unter Ueberdruck stehenden flüssigen oder gasförmigen Mediums, wobei die Kolben-Zylinder-Einheit in einem Gehäuse (5) eingebaut ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) starr mit zwei, in Richtung der Zentralachse (2) mit Abstand zueinander angeordneten, und am Gehäuse (5) befestigten Führungen (8, 9; 50) verbunden ist, Teile (35) dieser Führungen (8, 9; 50) in Richtung der Zentralachse (2) begrenzt bewegbar sind, und den Kolben (7) in Richtung der Zentralachse (2) elastisch führen, die Führungen (8, 9; 50) rechtwinklig zur Zentralachse (2) mindestens um den Faktor 100 steifer sind als in Richtung der Zentralachse (2), und den Kolben (7) genau zentrisch zur Zentralachse (2) halten, der Kolbenmantel (13) und die Zylinderbüchse (4), welche sich im Bereiche der Spaltdichtung (12) gegenüberliegen, im wesentlichen glatte Mantelflächen (14, 15) aufweisen, und diese Teilbereiche (4, 13) des Zylinders (3), bzw. des Kolbens (7) aus Materialien gebildet sind, welche einen linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, der mindestens um den Faktor vier kleiner ist als derjenige von unlegiertem Stahl.

2. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (7) und der Zylinder (3) aus mehreren Bauteilen (13, 21, 22, bzw. 3, 4) zusammengefügt sind, und diese Bauteile gegenseitig in konischen Zentrierungen (25, 28) eingespannt, und gegenüber der Zentralachse (2) spielfrei zentriert sind.

3. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuseteil (61) des Zylinders (3) gegenüber dem Gehäuse (5) in einer konischen Zentrierungen (29) eingespannt ist, oder dieses Gehäuseteil (61) über eine Mantelfläche (62) mittels mindestens drei elastischen, am Gehäuse (5) befestigten Halterungen (65) spielfrei geführt und mit Verbindungselementen (30) axial gegen eine Anschlagfläche (66) des Gehäuses (5) gespannt ist, und das Gehäuseteil (61), und damit der Zylinder (3), gegenüber der Zentralachse (2) spielfrei zentriert ist.

4. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Bauteilen des Kolbens (7) und/oder des Zylinders (3), welche zusammengefügt sind, elastische Spannelemente (23, 26) angeordnet sind, und diese elastischen Spannelemente (23, 26) in Richtung der Achse der konischen Zentrierung (25, 28, 29) wirken.

5. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenmantel (13) des Kolbens (7), welcher den Spalt der Spaltdichtung (12) begrenzt, aus gesintertem Graphit, und die Zylinderbüchse (4) des Zylinders (3), welche diesen Spalt begrenzt, aus hochnickelhaltigem Stahl, gebildet ist.

6. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenmantel (44) des Kolbens (7) und die Zylinderbüchse (4), welche den Spalt der Spaltdichtung (12) begrenzen, aus hochnickelhaltigem Stahl gebildet sind, und am Kolbenmantel (44) die gegen diesen Spalt gerichtete Fläche (14) mit einer Nickelgraphitschicht beschichtet ist.

7. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Führungen (8, 9; 50) aus mehreren plattenförmigen Federelementen (34) besteht, welche in einer zur Zentralachse (2) des Kolbens (7) etwa rechtwinklig verlaufenden Ebene (32, 33; 51, 52) angeordnet sind, jedes der Federelemente (34) einerseits im Bereiche der Zentralachse (2) mit dem Kolben (7), und andererseits im Bereiche der äusseren Enden der Federelemente (34) mit dem Gehäuse (5) fest verbunden ist, jedes der Federelemente (34) mindestens einen langen Hauptfederteil (35), welcher in der Ebene (32, 33; 51, 52) rechtwinklig zur Zentralachse (2) liegt, und an jedem gegen das Gehäuse (5) gerichteten Ende mindestens einen kurzen Hilfsfederteil (36), welcher etwa parallel zur Zentralachse (2) angeordnet ist, aufweist, zwischen jedem Hilfsfederteil (36) und dem zugehörigen Hauptfederteil (35) ein Verbindungselement (38) angeordnet ist, und die Hilfsfederteile (36) über diese Verbindungselemente (38) starr mit den äusseren Enden (37) der Hauptfederteile (35) verbunden sind.

8. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jede der beiden Führungen (8, 9; 50) mindestens zwei zentralsymmetrische Federelemente (34) umfasst, welche in einer Ebene (32, 33; 51, 52) rechtwinklig zur Zentralachse (2) des Kolbens (7) angeordnet sind, und diese Zentralachse (2) radial schneiden, wobei zwischen den Federelementen (34) in Umfangsrichtung gesehen je gleich grosse Winkel eingeschlossen sind.

9. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Führungen (8, 9; 50) zwei Ebenen (51, 52) mit Federelementen (34) aufweist, wobei diese Ebenen (51, 52) parallel und in Richtung der Zentralachse (2), mit Abstand zueinander, sowie rechtwinklig zur Zentralachse (2) verlaufen.

10. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Federelemente (34) aus einem ein- oder mehrstückigen Hauptfederteil (35) und je zwei Paaren von parallel verlaufenden Hilfsfederteilen (36) besteht.

11. Dichtungsanordnung nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Federelemente (34) aus einem Paar von parallel angeordneten, ein- oder mehrstückigen Hauptfederteilen (35) und je zwei Paaren von parallel verlaufenden Hilfsfederteilen (36) besteht.

12. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, das Kolben (7), Zylinder (3) und Führungen (8, 9; 50) Teile eines Stirling-Freikolbenmotors sind.

13. Dichtungsanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Kolben (7), Zylinder (3) und Führungen (8, 9; 50) Teile eines Kompressors (1) mit linear oszillierendem Antrieb (10, 11) sind.

Claims

1. Sealing arrangement for a piston-cylinder unit, having a piston (7) which is longitudinally movable in the direction of a central axis (2) in a cylinder (3) with a cylinder liner (4), having a piston skirt (13) and a contactless gap seal (12) between cylinder liner (4) and piston skirt (13), for sealing off a pressurized liquid or gaseous medium, the piston-cylinder unit being installed in a housing (5), characterized in that the piston (7) is rigidly connected to two guides (8, 9; 50), which are disposed a distance apart from one another in the direction of the central axis (2) and fastened to the housing (5), parts (35) of said guides (8, 9; 50) are movable to a limited extent in the direction of the central axis (2), and guide the piston (7) elastically in the direction of the central axis (2), the guides (8, 9; 50) at right angles to the central axis (2) are at least 100 times stiffer than in the direction of the central axis (2), and hold the piston (7) exactly centrically relative to the central axis (2), the piston skirt (13) and the cylinder liner (4), which lie opposite one another in the region of the gap seal (12), have substantially smooth lateral surfaces (14, 15), and said sub-regions (4, 13) of the cylinder (3) and of the piston (7) are made cf materials having a coefficient of linear thermal expansion which is at least 4 times lower than that of plain steel.

2. Sealing arrangement according to claim 1, characterized in that the piston (7i and the cylinder (3) are composed of a plurality of structural parts (13, 21, 22 and 3, 4 respectively), and said structural parts are mutually clamped in conical centring devices (25, 28), and centred without play relative to the central axis (2).

3. Sealing arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that a housing part (61) of the cylinder (3) is clamped relative to the housing (5) in a conical centring device (29), or said housing part (61) via a lateral surface (62) is guided without play by means of at least three elastic holding devices (65) fastened to the housing (5) and is clamped axially against a stop face (66) of the housing (5), and the housing part (61), and hence the cylinder (3), is centred without play relative to the central axis (2).

4. Sealing arrangement according to one of claims 1 to 3, characterized in that elastic clamping elements (23, 26) are disposed on the structural parts of the piston (7) and/or of the cylinder (3) which are assembled, and said elastic clamping elements (23, 25) act in the direction cf the axis of the conical centring device (25, 28, 29).

5. Sealing arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piston skirt (13) of the piston (7) which delimits the gap of the gap seal (12) is made of sintered graphite, and the cylinder liner (4) of the cylinder (3) which delimits said gap is made of steel with a high nickel content.

6. Sealing arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the piston skirt (44) of the piston (7) and the cylinder liner (4), which delimit the gap of the gap seal (12), are made of steel with a high nickel content, and the surface (14) of the piston skirt (44) directed towards said gap is coated with a nickel graphite layer.

7. Sealing arrangement according to one of claims 1 to 6, characterized in that each of the two guides (8, 9; 50) comprises a plurality of plate-like spring elements (34) which are disposed in a plane (32, 33; 51, 52) extending substantially at right angles to the central axis (2) of the piston (7), each of the spring elements (34) is firmly connected on the one hand in the region of the central axis (2) to the piston (7) and on the other hand in the region of the outer ends of the spring elements (34) to the housing (5), each of the spring elements (34) comprises at least one long main spring part (35), which lies in the plane (32, 33; 51, 52) at right angles to the central axis (2), and at each end directed towards the housing (5) at least one short auxiliary spring part (36), which is disposed substantially parallel to the central axis (2), a connecting element (38) is disposed between each auxiliary spring part (36) and the associated main spring part (35), and the auxiliary spring parts (36) are connected by said connecting elements (38) rigidly to the outer ends (37) of the main spring parts (35).

8. Sealing arrangement according to claim 7, characterized in that each of the two guides (8, 9; 50) comprises at least two centrosymmetric spring elements (34), which are disposed in a plane (32, 33; 51, 52) at right angles to the central axis (2) of the piston (7) and radially cut said central axis (2), angles each of identical size being formed between the spring elements (34) viewed in a peripheral direction.

9. Sealing arrangement according to claim 7, characterized in that at least one of the guides (8, 9; 50) comprises two planes (51, 52) with spring elements (34), said planes (51, 52) extending parallel to one another and in the direction of the central axis (2), at a distance from one another, as well as at right angles to the central axis (2).

10. Sealing arrangement according to claim 7, characterized in that each of the spring elements (34) comprises a one- or multi-part main spring part (35) and two pairs each of parallel-running auxiliary spring parts (36).

11. Sealing arrangement according to claim 7, characterized in that each of the spring elements (34) comprises a pair of parallel, one- or multi-part main spring parts (35) and two pairs each of parallel-running auxiliary spring parts (36).

12. Sealing arrangement according to one of claims 1 to 11, characterized in that the piston (7), cylinder (3) and guides (8, 9; 50) are parts of a Stirling free-piston engine.

13. Sealing arrangement according to one cf claims 1 to 11, characterized in that piston (7), cylinder (3) and guides (8, 9; 50) are parts of a compressor (1) with a linearly oscillating drive (10, 11).

Revendications

1. Dispositif d'étanchéité d'une unité de piston-cylindre, comprenant un piston (7) déplaçable longitudinalement dans un cylindre (3) présentant une douille cylindrique (4), suivant la direction d'un axe central (2), une enveloppe de piston (13) et un organe d'étanchéité de fente sans contact (12) entre la douille cylindrique (4) et l'enveloppe de piston (13), pour étanchéifier un milieu liquide ou gazeux en surpression, l'unité de piston-cylindre étant incorporée dans un boîtier (5), caractérisé en ce que le piston (7) est relié de manière rigide à deux guidages (8, 9; 50) agencés à distance l'un de l'autre dans la direction de l'axe central (2) et fixés sur le boîtier (5), en ce que des pièces (35) de ces guidages (8, 9; 50) sont déplaçables de manière limitée suivant la direction de l'axe central (2) et guident de manière élastique le piston (7) suivant la direction de l'axe central (2), en ce que les guidages (8, 9; 50) sont plus rigides d'au moins le facteur 100 perpendiculairement à l'axe central (2) que suivant la direction de l'axe central (2), et maintiennent le piston (7) de manière précisément centrée par rapport à l'axe central (2), en ce que l'enveloppe de piston (13) et la douille cylindrique (4), qui sont situées l'une en face de l'autre dans la zone de l'organe d'étanchéité de fente (12), présentent des surfaces d'enveloppe sensiblement lisses (14, 15), et en ce que ces zones partielles (4, 13) du cylindre (3) et respectivement du piston (7) sont faites en des matières qui présentent un coefficient de dilatation thermique linéaire, qui est plus petit d'au moins le facteur quatre que celui d'un acier non allié.

2. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le piston (7) et le cylindre (3) sont assemblés à partir de plusieurs pièces de construction (13, 21, 22, et respectivement 3, 4) et en ce que ces pièces de construction sont réciproquement enserrées dans des centrages coniques (25, 28) et centrées sans jeu par rapport à l'axe central (2).

3. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une partie de boîtier (61) du cylindre (3) est, par rapport au boîtier (5), enserrée dans un des centrages coniques (29) ou cette partie de boîtier (61) est guidée sans jeu par l'intermédiaire d'une surface d'enveloppe (62) au moyen d'au moins trois supports (65) élastiques, fixés sur le boîtier (5), et est, avec des éléments de liaison (30), serrée axialement contre une surface de butée (66) du boîtier (5), et en ce que la partie de boîtier (61), et avec elle le cylindre (3), est centrée sans jeu vis-à-vis de l'axe central (2).

4. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des éléments de serrage élastiques (23, 26) sont agencés sur les pièces de construction du piston (7) et/ou du cylindre (3), qui sont assemblées, et en ce que ces éléments de serrage élastiques (23, 26) agissent en direction de l'axe du centrage conique (25, 28, 29).

5. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (13) du piston (7), qui limite la fente de l'organe d'étanchéité de fente (12), est formée à base de graphite fritté et en ce que la douille cylindrique (4) du cylindre (3), qui limite cette fente, est formée d'acier à haute teneur en nickel.

6. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'enveloppe (44) du piston (7) et la douille cylindrique (4), qui limitent la fente de l'organe d'étanchéité de fente (12), sont formées d'acier à forte teneur en nickel et en ce que, sur l'enveloppe de piston (44), la surface (14) dirigée vers cette fente est revêtue d'une couche de nickel-graphite.

7. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que chacun des deux guidages (8, 9; 50) est constitué de plusieurs éléments de ressort (34) en forme de plaques, qui sont agencés dans un plan (32, 33; 51, 52) s'étendant approximativement perpendiculairement à l'axe central (2) du piston (7), en ce que chacun des éléments de ressort (34) est relié de manière fixe, d'une part, au piston (7) dans la zone de l'axe central (2) et, d'autre part, au boîtier (5), dans la zone des extrémités extérieures des éléments de ressort (34), en ce que chacun des éléments de ressort (34) présente au moins une longue pièce de ressort principal (35), qui se trouve dans le plan (32, 33; 51, 52) perpendiculairement à l'axe central (2), et, à chaque extrémité dirigée vers le boîtier (5), au moins une courte pièce de ressort auxiliaire (36), qui est disposée approximativement parallèlement à l'axe central (2), en ce qu'un élément de liaison (38) est agencé entre chaque pièce de ressort auxiliaire (36) et la pièce de ressort principal (35) correspondante, et en ce que les pièces de ressort auxiliaire (36) sont, par l'intermédiaire de ces éléments de liaison (38), reliées de manière rigide aux extrémités extérieures (37) des pièces de ressort principal (35).

8. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des deux guidages (8, 9; 50) comporte au moins deux éléments de ressort (34) centralement symétrique, qui sont agencés dans un plan (32, 33; 51, 52) perpendiculairement à l'axe central (2) du piston (7) et croisent radialement cet axe central (2), un angle identiquement grand étant chaque fois formé entre les éléments de ressort (34), vu dans le sens périphérique.

9. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'au moins un des guidages (8, 9; 50) présente deux plans (51, 52) avec des éléments de ressort (34), ces plans (51, 52) s'étendant parallèlement et à distance l'un de l'autre le long de l'axe central (2), ainsi que perpendiculairement à l'axe central (2).

10. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des éléments de ressort (34) est constitué d'une pièce de ressort principal (35) en une ou plusieurs pièces et de chaque fois deux paires de pièces de ressort auxiliaire (36) s'étendant parallèlement.

11. Dispositif d'étanchéité suivant la revendication 7, caractérisé en ce que chacun des éléments de ressort (34) est constitué d'une paire de pièces de ressort principal (35) en une ou en plusieurs pièces, agencées parallèlement, et de chaque fois deux paires de pièces de ressort auxiliaire (36) s'étendant parallèlement.

12. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le piston (7), le cylindre (3) et les guidages (8, 9; 50) sont des parties d'un moteur à pistons libres Stirling.

13. Dispositif d'étanchéité suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le piston (7), le cylindre (3) et les guidages (8, 9; 50) sont des parties d'un compresseur (1) à organe d'entraînement oscillant linéaire (10, 11).

Zeichnung