Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit, insbesondere für einen Kompressor zur Erzeugung eines Druckfluids, mit einem Zylinder, einem Kolben, der zwischen einer ersten Kolbenstellung, in der das vom Kolben und vom Zylinder umschlossene Zylindervolumen maximal ist, und einer zweiten Kolbenstellung, in der dieses Zylindervolumen minimal ist, in Axialrichtung des Zylinders hin- und herbewegbar ist, sowie einer zwischen dem Kolben und dem Zylinder vorgesehenen Fluidlagerung, die den Kolben im Zylinder axial bewegbar lagert und die eine den Umfang des Kolbens zumindest über einen Teil des Axialerstreckung des Kolbens umgebende kolbenseitige Lagerfläche bestimmt, wobei die Fluidlagerung eine Mehrzahl von in der Innenumfangswand des Zylinders vorgesehenen Austrittsdüsen für das Fluid aufweist.

Eine derartige Kolben-Zylinder-Einheit ist aus der US 5,525,845 A bekannt. Bei dieser bekannten Kolben-Zylinder-Einheit sind Austrittsdüsen in der Zylinderwandung vorgesehen, die den Kolben sowohl in seiner ersten Kolbenstellung als auch in seiner zweiten Kolbenstellung abstützen. Um dies zu ermöglichen, sind die Austrittsdüsen verhältnismäßig weit vom Zylinderboden, das heißt von der stirnseitigen Innenwand der Zylinderbohrung, entfernt. Dies hat zur Folge, daß das zwischen dem Kolbenumfang und dem Zylinderinnenumfang gebildete Fluidpolster zur Lagerung des Kolbens im Zylinder im Bereich des vorderen, dem Kolbenboden benachbarten Umfangsbereich schwächer wird, je weiter der Kolben in seine zweite Kolbenstellung, also in die Kompressionsstellung, wandert. Durch den gleichzeitig während der Kompression im Zylindervolumen entstehenden hohen Druck dringt komprimiertes Fluid aus dem Zylindervolumen in den Lagerspalt zwischen dem Kolbenaußenumfang und dem Zylinderinnenumfang ein, was bei asymmetrischem Eindringen entlang des Umfangs zu einer seitlichen Auslenkung des Kolbens und damit zu einem unerwünschten Verkippen des Kolbens führt.

Aus der JP 2002-349 435 A ist eine Kolben-Zylinder-Einheit bekannt, die von einem Linearmotor angetrieben ist und bei der kolbenringlose Kolben auf einem Gaspolster frei geführt ist. Zur Stabilisierung dieses Gaspolsters ist der Kolben an seinem Umfang mit einer Umfangsnut versehen. Diese Umfangsnut soll die Gefahr des Verkippens des Kolbens im Zylinder reduzieren. Die umlaufende Nut schwächt nicht nur die für die Lagerung des Kolbens nachteilige Querkraft, sondern auch das Luftlager insgesamt, so daß die auf das Luftlager bezogene Wirkung der umlaufenden Nut eher nachteilig ist.

Die Druckschrift US 2 907 304 A offenbart Vorrichtungen mit Kolben und Gehäusen, wobei Fluide unter Druck durch Öffnungen in die Kammer eingebracht werden.

Die Druckschrift US 5 525 845 A1 beschreibt Fluidlager mit einer nachgiebigen Kopplung zum Zentrieren von pendelnden Körpern.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine gattungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit so auszubilden, daß auch dann, wenn sich der Kolben in die Kompressionsstellung bewegt oder sich in der Kompressionsstellung befindet, eine ausreichende, zuverlässige Lagerung des Kolbens im Zylinder und damit eine Sicherheit gegen seitliches Auslenken des Kolbens gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Kolben-Zylinder-Einheit mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Die Anordnung der Austrittsdüsen derart, daß dann, wenn sich der Kolben in seiner zweiten Kolbenstellung befindet, erste Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung vorderen Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche und zweite Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung mittleren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche mit Druckfluid versorgen, sorgt für eine zuverlässige Lagerung und radiale Positionierung des Kolbens im Zylinder, ohne daß der Kolben mit dem Zylinder in Berührung geraten kann. Durch die Anordnung der Austrittsdüsen im vorderen und mittleren Bereich wird erreicht, daß der Lagerschwerpunkt beim Eindringen von Druck aus dem Kompressionsraum in den den Kolben umgebenden Lagerspalt im mittleren beziehungsweise vorderen Bereich des Kolbens verbleibt und allenfalls nur geringfügig nach hinten wandert, wodurch eine zuverlässige radiale Abstützung des Kolbens über das Lagerfluid im mittleren und auch im vorderen Bereich des Kolbens gewährleistet ist, so daß der Einfluß des Drucks im Kompressionsraum auf den im Lagerspalt herrschenden Druck gegenüber herkömmlichen Lösungen deutlich herabgesetzt ist.

Vorteilhaft ist dabei, wenn die Düsenanordnungen so angeordnet sind, daß auch in dem Bereich der Innenumfangswandung des Zylinders, dem der Kolben in der zweiten Kolbenstellung, nicht aber in der ersten Kolbenstellung gegenüberliegt, Austrittsdüsen vorgesehen sind. Dadurch wird auch im Kompressionszustand zuverlässig ein Fluidpolster zwischen der Innenumfangswand des Zylinders und der Außenumfangswand des Kolbens gebildet, ohne daß dies durch Eindringen von komprimiertem Fluid aus dem Zylindervolumen verdrängt wird. Bei dieser Ausführungsform ist der Kolben in der zweiten Kolbenstellung, also in der Kompressionsstellung des Kolbens, noch zuverlässiger gegenüber der Innenumfangswand des Zylinders auf dem Fluidpolster abgestützt.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Austrittsdüsen so angeordnet, daß dann, wenn sich der Kolben in seiner zweiten Kolbenstellung befindet, erste Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung vorderen Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche und zweite Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung mittleren oder hinteren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche mit Druckfluid versorgen. Sind dabei die Austrittsdüsen im vorderen und hinteren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche vorgesehen, so wird in der Kompressionsstellung des Kolbens eine besonders gleichmäßige Abstützung des Kolbens über dessen Längserstreckung erzielt. Es ist aber auch vorteilhaft, wenn die ersten Austrittsdüsen im vorderen Bereich und die zweiten Austrittsdüsen im mittleren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche vorgesehen sind, wodurch sich der Lagerschwerpunkt nach vorne, also zum Kolbenboden hin erstreckt. Dadurch wird im Bereich des vorderen Endes des Ringspalts zwischen Kolben und Zylinder, also zum Zylindervolumen hingewandt, ein höherer Druck im Fluidlager zwischen Kolben und Zylinder aufgebaut, der dem Kompressionsdruck im Zylindervolumen einen höheren Widerstand bietet und somit noch besser verhindert, daß komprimiertes Druckfluid aus dem Zylindervolumen in den Lagerspalt eindringt.

In einer weiteren optionalen Ausführungsform sind die Austrittsdüsen so angeordnet, daß dann, wenn sich der Kolben in seiner ersten Kolbenstellung befindet, die zweiten Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung vorderen Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche und dritte Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung hinteren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche mit Druckfluid versorgen. Diese optional vorgesehenen dritten Austrittsdüsen im hinteren Bereich können eine verbesserte Abstützung des Kolbens in dessen zurückgezogener Lage bewirken.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die Fluidlagerung von einem Gasdrucklager gebildet ist, wobei die Austrittsdüsen von Gasaustrittsdüsen gebildet sind; eine vorteilhafte und besonders bevorzugte Ausführungsform ist die eines Luftlagers.

Vorzugsweise bilden jeweils eine Mehrzahl von Austrittsdüsen Düsenanordnungen.

Die Düsenanordnungen sind bevorzugt in Axialrichtung der Kolben-Zylinder-Einheit voneinander beabstandet und vorzugsweise ringförmig um die Zylinderachse ausgebildet. Hierdurch wird ein besonders gleichmäßiges Fluid- oder Gaspolster zwischen dem Kolben und dem Zylinder aufgebaut.

Vorteilhaft zur Ausbildung eines besonders gleichmäßigen Fluid- oder Gaspolsters zwischen dem Kolben und dem Zylinder ist es auch, wenn jeder Düsenring eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandeten Austrittsdüsen aufweist.

Vorzugsweise sind die Austrittsdüsen von mittels eines energiereichen Strahls gebohrten Mikrolöchern gebildet, die weiter vorzugsweise kegelförmig ausgebildet sind, wobei deren engster Querschnitt an der Mündung in die zylinderseitige Lagerfläche gelegen ist. Die auf diese Weise erzeugten Mikrolöcher erzeugen ein Fluid- oder Gaspolster von hoher Gleichmäßigkeit und hoher Tragfähigkeit.

Bevorzugt werden diese Mikrolöcher mittels eines Laserstrahls gebohrt.

Wird das Druckfluid zur Versorgung der Austrittsdüsen von einem durch Kompression des Zylindervolumens erzeugten Fluidstrom abgeleitet, beispielsweise aus dem Auslaßkanal, so kann ein einfacher Aufbau der Kolben-Zylinder-Einheit erzielt werden und gleichzeitig kann dabei auf einen zusätzlichen Druckerzeuger für das Druckfluid zur Versorgung der Austrittsdüsen verzichtet werden, was zu einer kostengünstigen Herstellung einer derartigen Kolben-Zylinder-Einheit beiträgt.

Besonders bevorzugt wird diese Kolben-Zylinder-Einheit dann, wenn der Kolben zum hin- und herbewegenden Antrieb von einem beweglichen Teil eines Linearantriebs beaufschlagt ist.

Eine besonders hervorzuhebende und vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit erfolgt in einem Kompressor zur Erzeugung eines Druckfluids, vorzugsweise in einem von einem Linearmotor angetriebenen Linearkompressor.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den verbleibenden Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

Fig. 1

einen schematischen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Anordnung mit dem Kolben in einer ersten Kolbenstellung und

Fig. 2

dieselbe Kolben-Zylinder-Einheit mit dem Kolben in Kompressionsstellung.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder-Einheit 1 mit einem Zylinder 2 und einem Kolben 3 gezeigt. Der Zylinder 2 ist mit einer Zylinderbohrung 10 versehen, in der der Kolben 3 in Richtung der Längsachse X der Zylinderbohrung 10 hin- und herbewegbar und frei geführt aufgenommen ist. Die an einem Zylinderkopf 23 ausgebildete kopfseitige Stirnwand 12 der Zylinderbohrung 10, die Innenumfangswand 14 der Zylinderbohrung 10 und der Kolbenboden 16 begrenzen das Zylindervolumen 18.

In die kopfseitige Stirnwand 12 der Zylinderbohrung 10 mündet ein mit einem schematisch gezeigten Ventil 20 versehener Einlaßkanal 22. Ebenfalls in der kopfseitigen Stirnwand 12 ist ein Auslaßkanal 24 vorgesehen, der ein entsprechendes Ventil 26 aufweist; auch dieser Auslaßkanal mündet in die Zylinderbohrung 10.

In Fig. 1 ist weiterhin dargestellt, daß sich eine zylinderseitige Lagerfläche 15 von einer vorderen Begrenzungsebene Z1, die mit einer vorderen, kolbenseitigen Begrenzungsebene K1 einer kolbenseitigen Lagerfläche 38 zusammenfällt, wenn sich der Kolben 3 in der in Fig. 2 dargestellten zweiten Kolbenstellung befindet, und einer hinteren Begrenzungsebene Z2, die mit einer hinteren, vom Kolbenboden 16 abgewandten Begrenzungslinie K2 der kolbenseitigen Lagerfläche 38 zusammenfällt, wenn sich der Kolben 3 in seiner in Fig. 1 dargestellten ersten Kolbenstellung befindet. Die Länge L der zylinderseitigen Lagerfläche 15 wird von einer Lagerflächenmittelebene E, die rechtwinklig auf der zylinderseitigen Lagerfläche 15 steht, in zwei Hälften von jeweils der Länge L/2 geteilt.

Fig. 1 zeit auch, daß mehr Austrittsdüsen 30', 32' im vorderen Bereich der zylinderseitigen Lagerfläche 15 vorgesehen sind, als in deren hinteren Bereich, wo lediglich die optional vorgesehenen Austrittsdüsen 34' dargestellt sind. Diese asymmetrische Anordnung der Austrittsdüsen bezüglich der Lagerflächenmittelebene E bewirkt, daß die Verteilung der Düsenquerschnittsflächen der Austrittsdüsen über die Länge L der zylinderseitigen Lagerfläche 15 bezüglich der Lagerflächenmittelebene E ebenfalls asymmetrisch ist. Eine derartige Asymmetrie kann nicht nur durch das Vorsehen einer unterschiedlichen Anzahl von Austrittsdüsen im vorderen beziehungsweise hinteren Bereich der zylinderseitigen Lagerfläche 15 erreicht werden, sondern beispielsweise auch dadurch, daß die Austrittsdüsen im vorderen Bereich der zylinderseitigen Lagerfläche 15 einen größeren Düsendurchmesser und damit eine größere Düsenquerschnittsfläche aufweisen als jene Austrittsdüsen, die im hinteren Bereich der zylinderseitigen Lagerfläche 15 gelegen sind.

Bei einer Bewegung des Kolbens 3 in Fig. 2 nach links wird durch den Einlaßkanal 22 und das Einlaßventil 20 Fluid in den Zylinderraum 18 angesaugt und bei einer Bewegung des Kolbens 3 nach rechts wird dieses Fluid im komprimierten Zustand durch das Auslaßventil 26 und den Auslaßkanal 24 ausgestoßen. Die gezeigte Kolben-Zylinder-Einheit 1 ist Teil einer Kolbenarbeitsmaschine, bei der das ausgestoßene Fluid gasförmig ist, wie dies beispielsweise der Fall ist bei einem Kompressor. Die Erfindung ist grundsätzlich aber auch bei anderen Kolbenarbeitsmaschinen einsetzbar, wie beispielsweise bei Verbrennungsmotoren oder Pumpen.

Ein Teil des ausgestoßenen gasförmigen Fluids wird aus dem Auslaßkanal 24 durch einen Verbindungskanal 28, der im Zylinderkopf 23 und im Gehäuse 21 des Zylinders 2 vorgesehen ist, in Ringkanäle 30, 32, 34 geleitet, die ebenfalls im Gehäuse 21 des Zylinders 2 vorgesehen sind und die die Zylinderbohrung 10 ringförmig umgeben. Die Ringkanäle 30, 32, 34 sind in Richtung der Längsachse X der zylinderbohrung 10 voneinander beabstandet. Jeder der Ringkanäle 30, 32, 34 ist mit einer Vielzahl von Mikrolöchern 30', 32', 34' versehen, die über den Umfang der Zylinderbohrung 10 gleichmäßig verteilt den jeweiligen Ringkanal 30, 32, 34 mit dem Inneren der Zylinderbohrung 10 verbinden und dabei die Innenwand 14 des Zylinders durchdringen. Die Mikrolöcher 30', 32', 34' eines jeden Ringkanals 30, 32, 34 bilden so eine jeweilige ringförmige Düsenanordnung 30", 32", 34". Druckgas, welches durch den Verbindungskanal 28 in die Ringkanäle 30, 32, 34 geleitet wird, kann somit durch die Mikrolöcher 30', 32', 34' austreten und zwischen der zylinderseitigen Lagerfläche 15 auf der Innenumfangswand 14 des Zylinders 2 und einer kolbenseitigen Lagerfläche 38 auf der Außenumfangswand 36 des Kolbens 3 ein den Kolben seitlich abstützendes Gaspolster ausbilden.

Der erste Ringkanal 30 mit den ihm zugeordneten Mikrolöchern 30' ist in einem Bereich gelegen, in dem der Kolben die Mikrolöcher 30' nur dann abdeckt, wenn er sich in der Nähe der Kompressionsstellung befindet, also dann, wenn das Zylindervolumen 18 minimiert ist, wie in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Fall deckt der Kolben 3 die vorderen, ersten Mikrolöcher mit der Lagerfläche 38 im vorderen Bereich 3" ab.

In der in Fig. 1 gezeigten Stellung, in der das Zylindervolumen 18 maximal ist, tragen die vordersten Mikrolöcher 30' nicht zu der Bildung eines Gaspolsters zwischen der Innenumfangswand 14 des Zylinders 2 und der Außenumfangswand 36 des Kolbens bei. Aufgrund des äußerst geringen Querschnitts der Mikrolöcher 30' ist der so entstehende Druckverlust jedoch nicht gravierend. Es kann aber auch eine (nicht gezeigte) Ventilanordnung vorgesehen sein, die den ersten Ringkanal 30 nur dann mit Druckgas beaufschlagt, wenn der Kolben 3 die Mikrolöcher 30' abdeckt.

Der zweite Ringkanal 32 ist so angeordnet, daß die ihm zugeordneten Mikrolöcher 32' stets vom Kolben 3 abgedeckt sind, so daß die Mikrolöcher 32' über den gesamten axialen Bewegungsweg des Kolbens 3 zur Bildung des Gaspolsters zwischen der Innenumfangswand 14 des Zylinders ₂ und der Außenumfangswand 36 des Kolbens 3 beitragen.

Der dritte Ringkanal 34 ist am weitesten von der kopfseitigen Stirnwand 12 der Zylinderbohrung 10 entfernt. Die dem dritten Ringkanal 34 zugeordneten Mikrolöcher 34' sind somit nur dann vom Kolben 3 überdeckt, und zwar von der Lagerfläche 38 im hinteren Bereich 3' des Kolbens, wenn sich der Kolben 3 im Bereich seiner zurückgezogenen Position befindet, in der das Zylindervolumen 18 maximal ist. Das Vorsehen des dritten Ringkanals 34 mit den ihm zugeordneten Mikrolöchern 34' ist optional und dient nur zur weiteren Verbesserung der Laufeigenschaften des Kolbens 3 in der Zylinderbohrung 10.

Der hintere Bereich 3' des Kolbens ist dabei definiert als ein bezüglich einer orthogonal auf der kolbenseitigen Lagerfläche 38 stehenden Mittelebene M (Fig. 2) vom Kolbenboden 16 abgewandter Bereich. Der vordere Kolbenbereich 3" ist dementsprechend ein bezüglich der Mittelebene M und dem vorderen, kolbenbodenseitigen Ende des Kolbens 3 zugewandter Bereich. Zwischen dem hinteren Kolbenbereich 3' und dem vorderen Kolbenbereich 3" ist ein mittlerer Kolbenbereich 3"' definiert als ein Bereich vor und hinter der Kolbenmittelebene M. Die Kolbenmittelebene M steht orthogonal zur kolbenseitigen Lagerfläche 38 und liegt bezüglich der Lagerflächenlänge a der kolbenseitigen Lagerfläche 38 in der Mitte bei der halben Lagerflächenlänge a/2. Der mittlere Kolbenbereich 3"' grenzt sich zum vorderen Kolbenbereich 3" ab durch eine vordere Umfangslinie U1, die eine gedachte Umfangslinie ist, die in einer Ebene parallel zur Kolbenmittelebene M verläuft. In gleicher Weise grenzt sich der mittlere Kolbenbereich 3"' gegen den hinteren Kolbenbereich 3' durch eine hintere Umfangslinie U2 ab, die eine gedachte Linie ist, welche in einer Ebene parallel zur Kolbenmittelebene M verläuft. Die vordere Umfangslinie U1 und die hintere Umfangslinie U2 weisen jeweils zur Kolbenmittelebene M einen axialen Abstand von bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 15 %, weiter vorzugsweise bis zu 10 % der Lagerflächenlänge a auf. Dabei muß der Abstand der vorderen Umfangslinie U1 zur Kolbenmittelebene M nicht gleich dem Abstand der von der hinteren Umfangslinie U2 zur Kolbenmittelebene M sein, obwohl eine symmetrische Anordnung der Umfangslinien U1, U2 zur Kolbenmittelebene M bevorzugt ist.

Zwischen den Ringkanälen 30, 32, 34 mit den ihnen zugeordneten Mikrolöchern 30', 32', 34', die jeweils die ringförmigen Düsenanordnungen 30", 32", 34" bilden, können weitere in gleicher Weise aufgebaute ringförmige Düsenanordnungen in der Innenwand 14 der Zylinderbohrung 10 vorgesehen sein.

In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit, die sich praktischen Einsatz bewährt hat, sind die ersten Austrittsdüsen 30' und die zweiten Austrittsdüsen 32' so angeordnet, daß sie in der zweiten, vorderen Kolbenstellung, die in Fig. 2 dargestellt ist, den mittleren Bereich 3 " ' des Kolbens 3 mit Druckfluid beaufschlagen, während in dieser Kolbenstellung keine Austrittsdüsen den hinteren Kolbenbereich 3' beaufschlagen. Die Austrittsdüsen 30', 32' können dabei, wie in Fig. 2 dargestellt ist, geringfügig bezüglich der Kolbenmittelebene M in Richtung auf den vorderen Kolbenbereich 3' versetzt sein.

Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen, wie in dem angehängten Ansprüchen definiert.

Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.