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PATENTANSPRÜCHE
1. Kolbenkompressor mit mindestens einem einfachwirkenden Kolben, der mindestens über einen wesentlichen Teil seiner Länge eine mit der umgebenden Wand zusammenwirkende, berührungslose Labyrinthdichtung aufweist, gekennzeichnet durch eine solche Formgebung von Kolben und umgebender Wand, dass - vom Kompressionsraum ausgehend - ein sich verengender Ringspalt zwischen der die Labyrinthdichtung aufweisenden Kolbenfläche und der umgebenden Wand gebildet ist.
2. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei zylindrischer Gestaltung der umgebenden Wand der Kolben sich vom Kompressionsraum aus zum kolbenstangenseitigen Ende hin erweitert.
3. Kolbenkompressor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den Labyrinthnuten befindlichen Spitzen der Kolbenmantelfläche auf einer geraden Erzeugenden liegen.
4. Kolbenkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Kompressionsraum zugewendeten Ende des Kolbens und/oder das kolbenstangenseitige Ende des Kolbens mit einem Konus mit glatter Kegelfläche versehen ist bzw. sind.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenkompressor mit mindestens einem einfachwirkenden Kolben, der mindestens über einen wesentlichen Teil seiner Länge eine mit der umgebenden Wand zusammenwirkenden, berührungslose Labyrinthdichtung aufweist.
Bei bekannten Kolbenkompressoren dieser Art hat der die Labyrinthdichtung aufweisende Abschnitt des Kolbenmantels zylindrische Form und auch die die Kolbenmantelfläche umgebende Wand ist zylindrisch.
Im Betrieb socher Kompressoren kann es vorkommen, dass die den Kolben tragende Kolbenstange sich etwas verbiegt, z.B. infolge ungleicher thermischer Beeinflussung, so dass sich die Achse des Kolbens zur Achse des Zylinderraumes schief stellt. Dabei gelangt das dem Kompressionsraum zugewendete Ende des Kolbens mit einem Teil seines Randes in die Nähe der umgebenden Wand und bildet hier einen engen Spalt, der sich zum kolbenstangenseitigen Ende des Kolbens hin erweitert. Auf der dem engen Spalt diametral gegenüberliegenden Seite des dem Kompressionsraum zugewendeten Kolbenendes entsteht dagegen ein weiter Spalt zwischen dem Kolbenrand und der umgebenden Wand; dieser weite Spalt verengt sich zum kolbenstangenseitigen Ende hin.
In dem zuletzt genannten Spalt wirkt nun der hohe Druck des im Kompressionsraum befindlichen Gases, während in dem diametral gegenüberliegenden Spalt wegen der als Drossel wirkenden verengten Stelle ein niedrigerer Druck herrscht.
Wegen dieses Druckunterschiedes kann der Kolben noch weiter ausgelenkt werden, so dass es zu einer Berührung zwischen dem dem Kompressionsraum zugewendeten Kolbenende und der umgebenden Wand im Bereich der verengten Stelle kommen kann. Diese Berührung führt zu Verschleiss und eventuell auch zur Beschädigung der Labyrinthdichtung.
Die beschriebene Erscheinung lässt sich auch nicht dadurch vermeiden, dass in bekannter Weise am oberen und/ oder unteren Kolbenende ein Konus mit glatter Kegelfläche angebracht wird, der bzw. die eine durch Gaskräfte hervorgerufene Zentrierwirkung auf den Kolben ausübt bzw.
ausüben. Diese Zentrierkräfte sind unter gewissen Umständen zu klein, um die durch ein Verbiegen der Kolbenstange hervorgerufene Schrägstellung und Auslenkung des Kolbens rückgängig zu machen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenkompressor der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass auf konstruktiv einfache Weise die geschilderte Schiefstellung des Kolbens relativ zur umgebenden Wand hingenommen werden kann, ohne dass die damit verbundenen
Nachteile auftreten können, so dass die Lebensdauer des
Kompressors erhöht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Kolben und die umgebende Wand eine solche Formgebung erhalten, dass - vom Kompressionsraum ausgehend ein sich verengender Ringspalt zwischen der die Labyrinthdichtung aufweisenden Kolbenfläche und der umgebenden Wand gebildet ist.
Durch diese Gestaltung wird erreicht, dass auch bei ausgelenkter und schiefer Stellung des Kolbens in bezug auf die Achse des Kompressionsraumes des Ringspalt eine Form hat, der an dem dem Kompressionsraum zugewendeten Ende grösser ist als an dem der Kolbenstange zugewendeten Ende.
Damit ist es nicht mehr möglich, dass sich auf diametral gegenüberliegenden Seiten des Kolbenmantels stark unterschiedliche Gasdrücke einstellen. Eine durch eine Verbiegung der Kolbenstange hervorgerufene Schiefstellung des Kolbens wird also nicht mehr durch die am Kolben wirkenden Gaskräfte unterstützt.
In der folgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Vertikalschnitt durch einen Kolbenkompressor mit einfachwirkendem Kolben nach der Erfindung und
Fig. 2 den Kolben in ausgelenkter Stellung zum Zylinder.
Gemäss Fig. 1 enthält ein Kompressorgehäuse 1 einen gestrichelt angedeuteten Kurbelbetrieb 2, der über eine Pleuelstange 4 mit dem unteren Ende einer Kolbenstange 5 gelenkig verbunden ist. Die Kolbenstange 5 erstreckt sich durch eine Geradführung 6 und trägt an ihrem oberen Ende einen Kolben 7, der durch eine Mutter 14 an der Stange 5 befestigt ist. Der Kolben 7 bewegt sich berührungslos im Zylinder 8, der an seinem oberen Ende durch einen Zylinderdeckel 9 abgeschlossen ist, der ein Saugventil 10 und ein Druckventil 11 enthält. Der Zylinder 8 und der Zylinderdeckel 9 sind wassergekühlt. Am unteren Ende des Zylinders 8 ist ein Auslass 12 für Leckgas vorgesehen.
Die Mantelfläche des Kolbens 7 verjüngt ihren Durchmesser zum Kompressionsraum 13 hin und ist mit über den Umfang verlaufenden Nuten versehen, die zusammen mit der den Kolben umgebenden Wand des Zylinders 8 als Labyrinthdichtung wirken.
Durch die konische Ausbildung des Kolbens 7 ist der Ringspalt 3 zwischen dem Kolben und der umgebenden Zylinderwand an dem dem Kompressionsraum 13 zugewendeten Ende des Kolbens grösser als an dem kolbenstangenseitigen Ende des Kolbens. Dieser sich zur Kolbenstange hin verengenden Ringspalt 3 bleibt auch erhalten, wenn - wie dies in Fig. 2 angedeutet ist - der Kolben 7 aus seiner achsparallelen Lage in eine schiefe Lage ausgelenkt wird. Dies kann eintreten, wenn sich die Kolbenstange 5 z.B. durch ungleichmässige Erwärmung etwas verbiegt. Wie Fig. 2 zeigt, ist der Ringspalt trotz der Schiefstellung des Kolbens 7 am oberen Ende des Kolbens weiter als an dessen unterem Ende.
In Fig. 1 und 2 sind das Spiel zwischen dem Zylinder 8 und dem Kolben 7 bzw. die Verbiegung der Kolbenstange 5 übertrieben gross gezeichnet. In der Praxis ist das Spiel zwischen dem unteren Kolbenende und dem Zylinder 8 sehr viel kleiner. Der Kegelwinkel des Kolbens beträgt beispielsweise 0,5 bis 1,5%o.
Abweichend von der in Fig. 1 dargestellten Ausführungs
form ist es auch möglich, sowohl den Zylinderdurchmesser als auch den Durchmesser der die Labyrinthnuten aufweisenden Kolbenfläche zum Kompressionsraum hin schwach zu verjüngen, wobei der Kegelwinkel des Kolbens etwas grösser ist als der der umgebenden Wand. Eine solche Ausführungsform hätte den Vorteil, dass die Grösse des Ringspaltes am der Kolbenstange zugewendeten Kolbenende in Abhängigkeit des Kolbenhubes kleiner wird, im oberen Totpunkt also ein Minimum wäre.
Es ist dagegen auch möglich, der die Labyrinthnuten aufweisenden Mantelfläche des Kolbens zylindrische Form und der Mantelfläche der den Kolben umgebenden Wand eine schwach kegelförmige Form zu geben, wobei der Durchmesser des Kompressionsraumes oben grösser ist als unten.
Auch in diesem Falle verringert sich - vom Kompressionsraum ausgehend - der Ringspalt zwischen der die Labyrinthdichtung aufweisenden Kolbenfläche und der umgebenden Wand.
Schliesslich ist es auch möglich, der die Labyrinthnuten aufweisenden Mantelfläche des Kolbens eine schwach konvexe Form zu geben, so dass die spitzen Enden zwischen den Labyrinthnuten - statt auf einer geraden Erzeugenden - auf einer gekrümmten Erzeugenden liegen.
Die erfindungsgemässe Formgebung erscheint auch anwendbar bei Labyrinthkolben, die aus sogenannten Schulterringen aufgebaut sind. Weiterhin kann zusätzlich beim erfindungsgemässen Kolben am oberen und/oder unteren Ende ein Konus mit glatter Kegelfläche vorgesehen sein, der bzw. die dann der bekannten Zentrierung durch Gaskräfte dient bzw. dienen.
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PATENT CLAIMS
1. Piston compressor with at least one single-acting piston, which has at least a substantial part of its length interacting with the surrounding wall, non-contact labyrinth seal, characterized by such a shape of piston and surrounding wall that - starting from the compression space - a narrowing annular gap between the piston surface having the labyrinth seal and the surrounding wall is formed.
2. Piston compressor according to claim 1, characterized in that with a cylindrical design of the surrounding wall of the piston extends from the compression space to the piston rod end.
3. Piston compressor according to claim 2, characterized in that the tips of the piston jacket surface located between the labyrinth grooves lie on a straight generatrix.
4. Piston compressor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compression chamber facing the end of the piston and / or the piston rod end of the piston is or are provided with a cone with a smooth conical surface.
The invention relates to a piston compressor with at least one single-acting piston, which has at least a substantial part of its length interacting with the surrounding wall, non-contact labyrinth seal.
In known piston compressors of this type, the portion of the piston jacket which has the labyrinth seal has a cylindrical shape and the wall surrounding the piston jacket surface is also cylindrical.
When operating such compressors, it can happen that the piston rod carrying the piston bends slightly, e.g. due to unequal thermal influence, so that the axis of the piston is inclined to the axis of the cylinder space. The end of the piston facing the compression chamber comes with a part of its edge near the surrounding wall and forms a narrow gap here, which widens towards the end of the piston on the piston rod side. On the other hand, on the side of the piston end facing the compression chamber diametrically opposite the narrow gap, there is a further gap between the piston edge and the surrounding wall; this wide gap narrows towards the piston rod end.
The high pressure of the gas located in the compression space now acts in the last-mentioned gap, while in the diametrically opposite gap there is a lower pressure because of the constricted point acting as a throttle.
Because of this pressure difference, the piston can be deflected even further, so that there can be contact between the piston end facing the compression space and the surrounding wall in the region of the narrowed point. This contact leads to wear and possibly damage to the labyrinth seal.
The described phenomenon cannot be avoided by attaching a cone with a smooth conical surface to the upper and / or lower piston end in a known manner, which cone or has a centering effect on the piston caused by gas forces or
exercise. Under certain circumstances, these centering forces are too small to reverse the inclination and deflection of the piston caused by bending the piston rod.
The invention has for its object to improve a piston compressor of the type mentioned so that the described oblique position of the piston relative to the surrounding wall can be accepted in a structurally simple manner without the associated
Disadvantages can occur, so that the life of the
Compressor is increased.
This object is achieved according to the invention in that the piston and the surrounding wall are given such a shape that - starting from the compression space, a narrowing annular gap is formed between the piston surface having the labyrinth seal and the surrounding wall.
This configuration ensures that, even when the piston is deflected and inclined with respect to the axis of the compression space of the annular gap, it has a shape which is larger at the end facing the compression space than at the end facing the piston rod.
It is therefore no longer possible for very different gas pressures to occur on diametrically opposite sides of the piston skirt. A misalignment of the piston caused by a bending of the piston rod is therefore no longer supported by the gas forces acting on the piston.
In the following description, exemplary embodiments of the invention are explained with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 shows a schematic representation of a vertical section through a piston compressor with a single-acting piston according to the invention and
Fig. 2 shows the piston in the deflected position to the cylinder.
1, a compressor housing 1 contains a crank mechanism 2, indicated by dashed lines, which is articulated via a connecting rod 4 to the lower end of a piston rod 5. The piston rod 5 extends through a straight guide 6 and carries at its upper end a piston 7 which is fastened to the rod 5 by a nut 14. The piston 7 moves without contact in the cylinder 8, which is closed at its upper end by a cylinder cover 9, which contains a suction valve 10 and a pressure valve 11. The cylinder 8 and the cylinder cover 9 are water-cooled. At the lower end of the cylinder 8, an outlet 12 for leak gas is provided.
The outer surface of the piston 7 tapers its diameter towards the compression space 13 and is provided with grooves running over the circumference, which together with the wall of the cylinder 8 surrounding the piston act as a labyrinth seal.
Due to the conical design of the piston 7, the annular gap 3 between the piston and the surrounding cylinder wall is larger at the end of the piston facing the compression space 13 than at the end of the piston on the piston rod side. This annular gap 3, which narrows towards the piston rod, is also retained if, as is indicated in FIG. 2, the piston 7 is deflected from its axis-parallel position into an oblique position. This can occur if the piston rod 5 e.g. bend something due to uneven heating. As shown in FIG. 2, the annular gap is wider at the upper end of the piston than at the lower end, despite the inclination of the piston 7.
In Fig. 1 and 2, the game between the cylinder 8 and the piston 7 and the bending of the piston rod 5 are exaggerated. In practice, the game between the lower piston end and the cylinder 8 is much smaller. The cone angle of the piston is, for example, 0.5 to 1.5% o.
Deviating from the embodiment shown in FIG. 1
form, it is also possible to slightly taper both the cylinder diameter and the diameter of the piston surface having the labyrinth grooves toward the compression space, the cone angle of the piston being somewhat larger than that of the surrounding wall. Such an embodiment would have the advantage that the size of the annular gap at the piston end facing the piston rod becomes smaller as a function of the piston stroke, so that would be a minimum at top dead center.
On the other hand, it is also possible to give the labyrinth grooves of the outer surface of the piston cylindrical shape and the outer surface of the wall surrounding the piston a slightly conical shape, the diameter of the compression space being larger at the top than at the bottom.
In this case too - starting from the compression space - the annular gap between the piston surface having the labyrinth seal and the surrounding wall is reduced.
Finally, it is also possible to give the lateral surface of the piston which has the labyrinth grooves a slightly convex shape, so that the pointed ends between the labyrinth grooves lie on a curved generator instead of on a straight generator.
The shape according to the invention also appears to be applicable to labyrinth pistons which are constructed from so-called shoulder rings. Furthermore, in the piston according to the invention, a cone with a smooth conical surface can be provided at the upper and / or lower end, which then serves or serve the known centering by gas forces.