Durch das verarbeitete Mittel geführter, berührungsfreier Kolben für Kolbenmaschinen Es sind bereits Kolben für einfach wirkende Kolbenmaschinen, die berührungsfrei in der Zylin derbohrung durch das verarbeitete Mittel geführt werden sollen, bekanntgeworden, bei denen zur zen trierten Führung des Kolbens in der Zylinderboh rung das im Hubraum verarbeitete Mittel durch Ka näle mit Drosselstellen, die im Kolben angeordnet sind, aus dem Hubraum in am Kolbenmantel ver teilt angeordnete Drucktaschen einwirken kann.
So lange so ein Kolben zentriert steht oder sich bewegt, ist der Druck in allen Drucktaschen gleich und ist bestimmt durch den Druck des verarbeiteten Mittels im Hubraum, durch das Ausmass der Drosselung in den Kanälen zu den Drucktaschen und durch den durch das Kolbenspiel bedingten Spalt zwischen den die Drucktaschen umgebenden Teilen des Kolben mantels und der Zylinderbohrung. Wird durch ir gendwelche auf den Kolben einwirkende Normal kräfte der Kolben aus dem Mittel gebracht, dann verkleinert sich auf einer Seite das Kolbenspiel und somit der Spalt zwischen Kolbenmantel und Zylin der, während diese auf der gegenüberliegenden Seite um denselben Wert grösser werden.
Dadurch kann sich an der Stelle des verringerten Kolbenspiels ein erhöhter Druck aufbauen, während an der Stelle des vergrösserten Kolbenspiels der Druck entweicht, so dass eine entgegen der Normalkraft wirkende, in die zentrierte Lage des Kolbens gerichtete Kraft entsteht. Durch den Umstand, dass das verarbeitete Mittel bei einfach wirkenden Kolbenmaschinen im Hubraum grossen Druckschwankungen unterworfen ist, kann jedoch nicht immer eine nach Grösse und Wirkungs dauer ausreichende zentrierende Kraft erzeugt wer den, so dass ein unter allen Umständen berührungs freier Lauf des Kolbens in dem Zylinder nicht zu gewährleisten ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen durch das verarbeitete Mittel geführten, berührungsfreien Kolben für Kolbenmaschinen, mit einem im wesent lichen zylindrischen Kolbenmantel ohne Dichtungs elemente, doch mit Zentrierräumen zur berührungs freien Führung im Zylinder, die über seinen Umfang verteilt angeordnet sind und mittels mit Drosselstel len versehenen Strömungswegen für das verarbeitete Mittel mit dem Hubraum in Verbindung stehen, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass am hub- raumseitigen Beginn der Strömungswege Absperror gane vorgesehen sind,
die eine Strömung vom Hub raum zu Zentrierräumen zulassen, eine entgegen gesetzte Strömung jedoch verhindern.
Dadurch bleiben die die Zentrierung erzeugen den Kräfte durch Druckhaltung in den Zentrierräu- men bzw. Drucktaschen noch wirksam, wenn der Druck des verarbeiteten Mittels im Hubraum bereits wieder abgesunken ist. Durch die Absperrorgane wird ein Druckaufbau in den Zentrierräumen bzw. in den Drucktaschen nicht behindert, während ein Druck abbau infolge Rückströmen durch den Kanal und das Absperrorgan ausgeschlossen ist.
Durch diese Anordnung ist es nicht nur möglich, bei einfach wir kenden Maschinen die in den Drucktaschen erzeugten Zentrierkräfte über längere Zeiträume zu erhalten, sondern durch Ausführung dieser Anordnung auf bei den Stirnflächen des Kolbens wird im besonderen Masse die Anwendung eines durch das verarbeitete Mittel geführten berührungsfreien Kolbens auf dop pelt wirkende Kolbenmaschinen ermöglicht. Um die Wirksamkeit der zentrierenden Kräfte in den Druck taschen mit Sicherheit über den gesamten Zeitraum eines Arbeitsspieles zu erhalten, ist es besonders vor teilhaft, wenn zwischen den Absperrorganen und den Drosselstellen Druckspeicherräume vorgesehen sind.
Zur besseren Beherrschung der veranlassten Vorgänge und insbesondere für Kolben in doppelt wirkenden Maschinen ist es vorteilhaft, wenn die Zentrierräume zumindest teilweise von Entlastungskanälen umge ben sind. Diese Entlastungskanäle sind dann vorzugs weise über eine Sammelleitung und über als Rück schlagventil arbeitende Absperrorgane mit den Hub räumen in Verbindung stehend. Insbesondere bei Kolben für doppelt wirkende Maschinen ist es sinn voll, am Kolbenmantel in axialer Richtung mehrere Zentrierräume hintereinander anzuordnen, die durch Entlastungskanäle gegenseitig abgegrenzt sind.
Um den Kolbenkörper ohne jede Berührung an der Zy linderwand zu führen, und um eventuell folgen schwere Nachteile einer halbtrockenen oder trocke nen Reibung auszuschalten, war bisher eine exakte Dimensionierung der Drosselstellen in Abhängigkeit von ihrer Anzahl, vom zur Verfügung stehenden Druck des verarbeiteten bzw. des führenden Mittels und in Abhängigkeit von der Grösse der Zentrier räume und dem Spiel zwischen Kolbenmantel und Zylinderlaufbahn erforderlich.
Durch eine Modifikation des Kolbens kann die Ausführung dieser Drosselstellen wesentlich verein facht und verbilligt werden, indem die Drosselstel len zweckmässig als durch poröses, insbesondere mi kroporöses, Material ausgefüllte Öffnungen ausgeführt sind.
Die Drosselung erfolgt dabei nicht mehr in engen, mit Präzision hergestellten Bohrungen oder Spalten, sondern in den Kapillaren von porösem Material. An Stelle der feinen, oft nur wenig mehr als 10 ,u breiten Spalten oder Bohrungen treten zweckmässig Öffnungen, deren Durchmesser in Millimeter gemes sen werden können, und die einen bestimmten Quer schnitt des porösen Materials, den sogenannten Dros selquerschnitt, freigeben.
Als poröses, insbesondere mikroporöses, Dich tungsmaterial kann beispielsweise Porzellan, Sinterme- tall oder Kunststoff entsprechenden Porositätsgrades vorgesehen sein.
Die Drosselung des führenden Mediums lässt sich auf verschiedene Art erreichen.
Beispielsweise kann ein Druckspeicherraum, von dem aus Stauräume in den Spaltraum führen, durch einen innerhalb des Kolbenkörpers angeordneten hohlzylinderförmigen Mantel aus porösem Material vom Spaltraum getrennt sein.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, nicht sämtliche Stauräume durch einen einzigen Bauteil, nämlich den porösen Mantel, vom Lagerspaltraum zu trennen, sondern in jeden Stauraum einen einzel nen Bauteil aus porösem Material einzulassen.
Schliesslich kann man den Mantel, anstatt ihn innerhalb des Kolbenkörpers anzuordnen, auch aussen auf den Kolbenkörper aufschieben. Der Drosselquer schnitt wird dann durch Bohrungen am Kolbenum fang freigegeben. Zweckmässig sind der Kolbenkörper und der Kol bendeckel aus einem Material mit Notlaufeigenschaf- ten hergestellt.
Ein Material mit Notlaufeigenschaften ist bei spielsweise bleihaltige Bronze. Bei einer etwaigen Berührung der gegeneinander bewegten Teile würde durch Ausschmelzen von Blei-Partikeln ein Fressen in den Lagerflächen vermieden.
Allgemein definiert besteht bei zwei aufeinander gleitenden Teilen eine Notlaufeigenschaft, wenn durch die Eignung bzw. Paarung der Baustoffe, des strukturellen Aufbaues, gegebenenfalls auch der Oberflächengestaltung oder der Oberflächenbehand lung, Vorsorge getragen ist, dass auch nach Fortfall des zwischen diesen Teilen wirksamen Schmierfilmes ein noch ausreichendes Gleitvermögen bis zur Wieder herstellung des Schmierfilms sichergestellt ist.
Zur näheren Erläuterung sollen die in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispiele des Erfin dungsgegenstandes dienen. Es zeigen: Fig. 1 einen Schnitt durch den Zylinder und den Kolben einer doppelt wirkenden Kolbenmaschine, Fig. 2 einen Schnitt durch eine zweite beispiels weise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens für eine doppelt wirkende Kolbenmaschine, Fig. 3a einen Schnitt durch eine weitere beispiels weise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens mit Druckeinlassöffnungen in jeder Stirn fläche, Fig. 3b eine Seitenansicht eines erfindungsgemä ssen Kolbens, bei dem die Drosselstellen als durch poröses Material ausgefüllte Öffnungen ausgeführt sind,
Fig. 4a einen Schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens, bei dem am äusseren Umfang des Kolbenkörpers eine Büchse aus porösem Material angeordnet ist, Fig. 4b eine Seitenansicht des in Fig. 4a dar gestellten Kolbens, Fig. 5a einen Schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens, bei dem ein poröser Mantel innerhalb des Kolben körpers angeordnet ist, Fig. <I>5b</I> eine Seitenansicht des in Fig. 5a dar gestellten Kolbens, Fig. 5c einen Schnitt entlang der Linie<I>A -B</I> in Fig. 5a,
Fig. 6a einen Schnitt durch eine beispielsweise Ausführungsform eines erfindungsgemässen Kolbens ohne Ventile, Fig. 6b eine Seitenansicht des in Fig. 6a dar gestellten Kolbens und Fig. 6c einen Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 6a.
Fig. 1 stellt den auszugsweisen Schnitt durch den Zylinder 101 einer doppelt wirkenden Kolbenma schine dar, in dem ein durch das verarbeitete Mittel geführter, berührungsfreier Kolben 102 hin und her beweglich ist. In den beiden Stirnflächen 103, 104 des Kolbens sind Rückschlagventile 105, l06... vor- gesehen, von denen Kanäle mit Drosselstellen 107, 108... in am Kolbenmantel angeordnete Drucktaschen oder Zentrierräume 109, 110, 111... führen. Der Kol ben 102 ist mit einem allseitig gleich grossen Kolben spiel 112 in den Zylinder 101 eingezeichnet.
Wäh rend des Betriebes der Maschine geht der Kolben hin und her, wodurch jeweils einer der Hubräume 113, 114 verkleinert wird, so dass das in ihm ver arbeitete Mittel auf höheren Druck gebracht wird. Durch diesen höheren Druck strömt das zur Führung des Kolbens 102 erforderliche Mittel durch die Rück schlagventile und die Kanäle mit der Drosselstelle in die Drucktaschen 109, 110, 111... und baut dort, da die Abströmung durch die Spalte, die durch das Kolbenspiel bestimmt und zwischen dem Kolben mantel 115 und der Zylinderlaufbahn 116 vorhan den sind, kleiner ist als die Zuströmquerschnitte, einen dem Druck im Hubraum entsprechenden und den Kolben 102 allseitig belastenden, d. h. zentrie renden Druck auf.
Solange die Zuström- und Ab- strömquerschnitte alle für sich gleich gross sind, müs sen die Drücke in den um den Kolbenmantel an geordneten Zentnerräumen oder Drucktaschen gleich hoch sein, und da die Flächen gleich gross sind, auf die der Druck einwirken kann, sind auch die durch den Druck erzeugten Kräfte, deren Resultierende in jedem Zentrierraum radial gerichtet ist, gleich gross und heben sich gegenseitig auf. Der Kolben läuft für den Fall, dass diese zentrierenden Kräfte wirk sam sind und keine den Kolben aus der zentrierten Lage bringenden, sogenannten Normalkräfte vorhan den sind, berührungsfrei im Zylinder 101.
Durch die eingebauten Rückschlagventile 105, 106... bleibt der Druck in den Drucktaschen 109, 110, 111... länger erhalten als im Hubraum 113 oder 114, so dass auch in den Zeiten, während denen in den Hub räumen 113 oder 114 kein höherer Druck erzeugt ist, noch genügend Druck in den Drucktaschen 109, 110, 111... vorhanden ist, um zentrierende Kräfte zu erzeugen. Kommt der Kolben 102 durch irgendeine einwirkende Normalkraft aus seiner zentrierten Stel lung, so verändert sich der Spalt 112 zwischen dem Kolbenmantel 115 und der Zylinderwandung 116, so dass dieser in Richtung der wirkenden Kraft klei ner wird, während er auf der anderen Seite sich gleichzeitig um denselben Betrag vergrössert.
Durch diesen vergrösserten Spalt kann nunmehr der in den dort liegenden Drucktaschen befindliche Druck rasch entweichen, während er sich auf der anderen Seite zumindest im verringerten Umfang abbaut, unter Umständen, d. h. für den Fall des aufbauenden Druckes im Hubraum, sich noch vergrössert. Durch diese Druckunterschiede entstehen unterschiedliche Radialkräfte auf den Kolben 102, die der Normal kraft entgegenwirken und diese überwindend, den Kolben 102 wieder in seine zentrierte Lage zurück führen.
Fig. 2 zeigt den Längsschnitt durch einen Zylin der 21 mit einem Kolben 22 für doppelt wirkende Maschinen. Der Kolben 22 ist aus einem Grundkör- per, der auch die vordere Stirnfläche 23 bildet, den ringförmigen Mantelteilen 24 und 25, dem ringförmi gen, die hintere Stirnfläche 26 bildenden Bodenteil 27 zusammengesetzt, wobei letzterer durch die an gedeutete Schraubverbindung 28 mit dem Grundkör per verbunden ist. Auch bei dieser Ausführung be finden sich in den Stirnflächen 23 bzw. 26 je eine Anzahl von Rückschlagventilen 105 bzw. 106.
Zwi schen dem die Kolbenstange 29 umschliessenden Grundkörper des Kolbens und den ringförmigen Man telteilen 24, 25 und dem Bodenteil 27 befindet sich ein ringförmiger Druckspeicherraum 30, der über die Rückschlagventile 105... bzw. 106... mit den Hub räumen 113 bzw. 114 in Verbindung steht. Von dem Druckspeicherraum 30 führen radiale Bohrungen 31 und Ringkanäle 32 zu den Drosselspalten 33, 34 und 35, die an der äusseren Mantelfläche 36 des Kolbens 22 münden. Zwischen den Drosselspalten 33 und 34 und 34 und 35 befinden sich Entlastungs kanäle 37 und 38 in Form von um die Mantelfläche 36 geführte Ringnuten.
Von diesen Ringnuten füh ren radiale Bohrungen 39, 40 zu einer Sammelleitung 41, die über die Rückschlagventile 42 und 43 mit den Hubräumen 113 bzw. 114 in Verbindung steht.
Ist der Druck in einem der Hubräume 113 bzw. 114 grösser als im Druckspeicherraum 30, strömt durch die betreffenden Rückschlagventile 105... oder 106... verarbeitetes Mittel in den Druckspeicherraum 30 und verteilt sich von dort auf die Drosselspalten 33, 34 und 35, durch die eine je nach Bemessung dieser Drosselspalte festgelegte Menge des verarbei teten Mittels strömen kann.
Im Spalt zwischen Kol- benmantelfläche 36 und Zylinderfläche 21 baut sich nun, von den Drosselspalten 33, 34 und 35 ausge hend, je ein Polster von führendem Mittel auf, des sen Druck gegen die Entlastungskanäle 37 und 38 und gegen das jeweilige Stirnende des Kolbens, das den entspannten Hubraum begrenzt, abnehmend ist. Aus den Entlastungskanälen 37, 38 kann das Mittel dann ungehindert durch Radialkanäle 39, 40 und die Sammelleitung 41 über Rückschlagventile 42 oder 43 in den entlasteten Hubraum 113 oder 114 über strömen. Je kleiner der Spalt zwischen Kolbenmantel fläche 36 und Zylinderlaufbahn 21 ist, um so grösser kann der Druck des Druckpolsters sein.
Dadurch ent steht eine den Kolben 22 in der Zylinderlaufbahn 21 zentrierende Kraft, die geeignet ist, die auf den Kolben einwirkenden Normalkräfte zu überwinden und dadurch diesen während seiner Hin- und Her bewegung berührungsfrei in der Zylinderlaufbahn zu führen.
Als verarbeitetes Mittel kommen alle Flüssigkei ten und Gase in Betracht. Insbesondere natürlich solche, die sich mit einem Ölfilm schlecht vertragen bzw. durch das Vorhandensein einer Ölschmierung verunreinigt würden.
In dem in Fig. 3a dargestellten Kolben sind, um eine zentrierende Wirkung in beiden Bewegungsrich tungen sicherzustellen, in jeder Stirnfläche des Kol bens Druckeinlassöffnungen 11 vorgesehen. Der Kolbendeckel ist mit 7 bezeichnet. Jede die ser Öffnungen ist mit einem Rückschlagventil 5 aus gerüstet, welches sich nur gegen den jeweils unter Druck stehenden Hubraum hin öffnet. Im Kolben körper 2 ist nur ein einziger ringförmiger Druck speicherraum 9 vorgesehen, in den sämtliche öff- nungen 11 münden.
Der Druckspeicherraum 9 ist auf diese Weise nur mit dem jeweils unter Druck stehenden Hubraum verbunden und vom anderen ab geschlossen. Am äusseren Umfang des Druckspeicher raumes 9 ist ein an den Stellen 10 mit Dichtungen versehener einteiliger poröser Mantel 1 angeordnet, durch dessen Kapillaren das unter Druck stehende Medium zu den in den Spaltraum 12 (vgl. Fig. 3b) mündenden Stauräumen 3 gelangt, welche grössere, in den Kolbenmantel eingearbeitete Schlitze oder Bohrungen beliebiger, z. B. runder, quadratischer oder rechteckiger Form darstellen.
Die Abmessungen der Stauräume ergeben sich aus dem Verhältnis der durch sie freigegebenen Kapillarquerschnitte (Dros selquerschnitte) des porösen Mantels 1 und dem freien Gasabflussquerschnitt, welcher sich aus dem seitlichen Kolbenspiel, dem Kolbendurchmesser und der Anzahl der Abflussquerschnitte ergibt. Von den Stauräumen 3 ausgehend baut sich im Spaltraum 12 ein Druck auf, der in Richtung auf den jeweils nicht unter Druck stehenden Hubraum hin abfällt.
Eine zusätzliche Möglichkeit, den im Spaltraum herrschen den Druck zu vermindern, ist dadurch gegeben, dass am Kolbenumfang umlaufend Entlastungsringka- näle 4 vorgesehen sind, welche durch Bohrungen 4a mit einer Sammelleitung 4b in Verbindung stehen. Die Leitung 4b ist durch zwei Rückschlagventile 6 von den beiden Hubräumen abgeschlossen; bei über druck in den Ringkanälen 4 wird sie gegen den je weils nicht unter Druck stehenden Hubraum hin ge öffnet.
Fig. 3b zeigt die Seitenansicht eines derartigen Kolbens mit schlitzförmigen Stauräumen 3, die Quer schnitte des porösen Materials freigeben, mit Ent- lastungsringkanälen 4 und Bohrungen 4a.
Fig. 4a, in der ebenso wie in den folgenden Fi guren für gleiche Teile die gleichen Bezeichnungen wie in Fig. 3 gewählt wurden, gibt den Querschnitt durch einen Kolben wieder, in dem der Erfindungs gedanke auf andere Weise verwirklicht ist. Am äusse ren Umfang des Kolbenkörpers 2 ist eine Büchse 1 aus porösem Material angeordnet. Ihr Durchmesser wird vorzugsweise etwas grösser gewählt als der des Kolbenkörpers 2 und des Kolbendeckels 7. Die öff- nungen 13 im Kolbenkörper 2 geben den erforderli chen Drosselquerschnitt frei. Die Stauräume 3 entfal len. Die Entlastungskanäle 4 sind in den porösen Mantel 1 eingearbeitet. Die Öffnungen 13 können beliebige Form haben.
Fig. 4b zeigt eine Seitenansicht des Kolbens mit den in den Mantel 1 eingearbeiteten Entlastungska nälen 4 und den Öffnungen 4a. Die Öffnungen 13, welche die Verbindung zwischen dem Druckspeicher- raum 9 und den Kapillaren herstellen, sind gestri chelt angedeutet.
Bei dem in Fig. 5a dargestellten Kolben ist der poröse Mantel 1 wieder innerhalb des Kolbenkör pers 2 angeordnet. Die Stauräume 3 sind hier als Längsschlitze ausgebildet. Sie können parallel oder schräg zur Kolbenstange angeordnet sein. Auf die Auslassventile 6 ist verzichtet worden, indem die Entlastungskanäle 4 nicht mehr als Ringkanäle, son dern als Längsnuten in den Kolbenmantel eingear beitet wurden. Vorteilhafterweise ist zwischen zwei Stauräumen immer ein Entlastungskanal 4 angeord net; die Kanäle 4 sind abwechselnd zu der einen und der anderen Stirnfläche des Kolbens geführt, wie aus Fig. 5b ersichtlich ist.
Fig. 5c zeigt einen Schnitt entlang der Linie A-B in Fig. 5a.
In Fig. 6a ist ein Kolben gemäss der Erfindung dargestellt, bei dem auf sämtliche Ventile verzichtet wurde. Um die zentrierende Wirkung in beiden Be wegungsrichtungen zu gewährleisten, sind in beiden Stirnflächen des Kolbens symmetrisch verteilt Druck einlassöffnungen 11 vorgesehen, von denen jede in einen geschlossenen Druckspeicherraum 9 mündet. Von jedem der Druckspeicherräume führt ein schlitz- förmiger Stauraum 3 in den Spaltraum 12 (vgl. Fig. 6b). Die Drosselung des führenden Mittels erfolgt in den Kapillaren der in die Druckspeicherräume 9 eingeschobenen porösen Rohre 1.
Ausser den Stau raumlängsschlitzen 3 sind in den Umfang des Kol benkörpers 2 Entlastungskanäle 4 eingearbeitet, und zwar ist jeder Stauraum von zwei parallel zur Kol benstange verlaufenden Entlastungskanälen flankiert, die in denjenigen Hubraum münden, mit dem der zugehörige Druckraum 9 nicht in Verbindung steht. Die Anordnung der Stauräume und Entlastungska näle geht deutlich aus Fig. 6b hervor.
Fig. 6c zeigt einen Schnitt an der Stelle<I>A -B</I> der Fig. 6a. An Stelle der porösen Rohre können auch ein zelne poröse Bauteile in die Stauräume 3 eingelas sen werden.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, sämtliche angeführten Einzelmerkmale - soweit es sinnvoll ist miteinander in beliebiger Weise zu kombinieren.