DE10133102A1

DE10133102A1 - Kolbenmaschine

Info

Publication number: DE10133102A1
Application number: DE10133102A
Authority: DE
Inventors: Klaus Reithofer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-23
Also published as: US20030010200A1

Abstract

Bei einer Kolbenmaschine, insbesondere Kompressor oder Stirlingmaschine, mit zumindest einem Kolben (2), welcher in einem Zylinder (3) linear gegen einen Zylinderkopf (7) bewegbar gelagert ist und der Kolben (2) mit zumindest einem Antriebselement (6), insbesondere Kurbelwelle, in Verbindung steht, soll zwischen Kolben (2) und Zylinder (3) oder Zylinderkopf (7) ein um den Kolben (2) umlaufendes, elastisches, verformbares Element (10) eingesetzt sein.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine, insbesondere Kompressor oder Stirlingmaschine mit zumindest einem Kolben, welcher in einem Zylinder linear gegen einen Zylinderkopf bewegbar gelagert ist und der Kolben mit zumindest einem Antriebselement, insbesondere Kurbelwelle in Verbindung steht.
Derartige Kolbenmaschinen sind in vielfältiger Form und Ausführung auf dem Markt bekannt und erhältlich. Sie sind bekannt als herkömmliche Stirlingmaschinen, Kompressoren, die mittels eines Mediums angetrieben werden oder ein beliebiges Medium komprimieren.
Nachteilig bei derartigen Kolbenmaschinen ist, dass sie meist nicht ölfrei arbeiten und einem grossen Verschleiss unterliegen. Zudem treten häufig Dichtungsprobleme bei zu hohem Energieverbrauch auf.
Häufig weisen derartige Kolbenmaschinen grosse Totvolumina auf, was ebenfalls unerwünscht ist, da diese den Wirkungsgrad beeinträchtigen. Zudem unterliegen diese einem hohen Verschleiss, verursacht durch Reibung, was ebenfalls unerwünscht ist.
Ferner ist nachteilig, dass diese bedingt durch Dichtungsprobleme geringe Wirkungsgrade aufweisen und nur bedingt druckfest sind.
Zudem sind Verbrennungsmotoren und Kompressoren bekannt, bei welchen herkömmlich Kolben ölgeschmiert in Zylindern hin- und herbewegbar sind. In der Lebensmittelindustrie jedoch ist eine Ölschmierung des Kolbens in Kolbenmaschinen ebenfalls bei Geräten in der Medizintechnik unerwünscht. Auch bei Sterlingmaschninen sind ölgeschmierte Kolben von grossem Nachteil, da deren Regenerator ebenso wie viele kleine Wärmetauscher durch Verkohlung oder Ölnebel nach kurzer Betriebsdauer unbrauchbar werden würden.
Bei den ölfreien, herkömmlichen Kolbenmaschinen, kommen meist speziell beschichtete Zylinder- und Kolben- Laufflächen sowie Kolbenringe aus Teflon Legierungen zum Einsatz, die jedoch einem grossen Verschleiss unterliegen und dabei eine geringe Lebensdauer aufweisen. Zudem sind sie auch nur für beschränkte Temperaturbereiche geeignet und einsetzbar.
Ein weiteres Problem bei herkömmlichen Kolbenmaschinen ist, dass die Abdichtung des Zylinders gegenüber dem Kurbelgehäuse, insbesondere beim Verdichten von Edelgasen wie bspw. Helium und anderen Gasen insbesondere vor allem aber auch bei Stirlingmaschine sowie bei Kompressoren einen enormen Aufwand an Energie erfordert. Daher muss häufig ein austretender Gasverlust entweder laufend ersetzt werden oder das Kurbelgehäuse muss zusätzlich hermetisch abgeschlossen und druckfest ausgeführt sein, was ebenfalls unerwünscht ist.
Um bei Kältemittelverdichtern ein Gasverlust zu verhindern ist es herkömmlich üblich die Aggregate, Motor und die Kompressoren in ein geschlossenes Gehäuse einzubauen, was aperativ aufwendig und teuer ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Kolbenmaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die genannten Nachteile beseitigt und mit welcher Wirkungsgrade verbessert, die Totvoluminas reduziert, eine Reibung beseitigt und auf eine Verwendung von Schmiermittel verzichtet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe führt, dass zwischen Kolben und Zylinder oder Zylinderkopf ein um den Kolben umlaufendes, elastisches, verformbares Element eingesetzt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung sind die elastisch verformbaren Elemente, die eine berührungsfreie Bewegung eines Kolbens in einem Zylinder gewährleisten zwischen Kolben und Zylinder oder Zylinderwand eingesetzt und bilden einen hermetisch abgeschlossenen druckfesten und dichten Arbeitsraum. Gleichzeitig bildet das elastisch verformbare Element eine lineare Führung des Kolbens, welcher berühungslos im Zylinder bzw. entlang der Zylinderwand hin- und herbewegbar ist. Das Element besteht vorzugsweise aus Federelementen, die aus einem Stapel von tellerfederartigen Ringen od. dgl. gebildet sind. Diese Federelemente sind abwechselnd am Innen- und Aussenradius gegenseitig miteinander verbunden, vorzugsweise verschweisst oder durch hartlot druckfest verbunden oder sogar verklebt. Der Kolben ist über die Federelemente so am Zylinder vorzugsweise koaxial befestigt, dass das Gasvolumen zwischen den Federelementen bei der Kompressionsbewegung des Kolbens ebenfalls verdrängt wird. Dadurch beleibt nun ein sehr geringes Totvolumen im Zylinder, was ungefähr dem minimalen Spielraum zwischen Kolben und Zylinderwand entspricht, wodurch ein hohes Verdichtungsverhältnis realisierbar ist. Da bei dieser Anordnung der Federelemente kein Totvolumen bzw. ungenützter Hubraum anfällt, kann die Anzahl der gestapelten Federelementen bzw. Federringen nach Bedarf dem gewünschten Kolbenhub angepasst werden.
Bei der Formgebung der Federringe ist ebenfalls möglich, dass diese einen grossen Federweg je Element erreichen, eine hohe Druckfestigkeit gewährleisten und zudem einer Dauerbelastung mit hohen Hubfrequenzen standhalten.
Beim Zusammendrücken der einzelnen Federelemente, insbesondere der Tellerfedern, wird der Innenradius kleiner und der Aussenradius grösser, wodurch das Material in radialer Richtung hauptsächlich auf Druck beansprucht wird, was eine sehr hohe Steifigkeit bewirkt. Hierdurch wird gewährleistet, dass der Kolben linear zentriert und berührungslos im Zylinder bzw. innerhalb der Zylinderwand hin- und herbewegbar ist.
Um Tellerfedern fest miteinander zu verbinden, müssen diese derart geformt werden, dass sie eine plane Verbindungsfläche am Innen- bzw. am Aussenradius aufweisen, wodurch die Steifigkeit noch erhöht werden kann bzw. ein Federweg dann eingeschränkt werden kann. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen.
Um einen grossen Federweg jedoch zu erhalten, können querschnittlich sinusartig ausgebildete Federelemente verwendet werden, so dass eine Nachgiebigkeit in radialer Richtung entsteht, welche enormen Zug- und/oder Druckbelastungen standhält und eine Hubbewegung durch kleine Biegekräfte ermöglicht.
Bei der vorliegenden Erfindung ist eine Kolbenmaschine geschaffen, die eine Vielzahl von Ausführungen und Anwendungsmöglichkeiten zu lässt. Da zwischen Kolben und Zylinderwand ein Spielraum vorgesehen ist, müssen bei der Fertigung keine aufwendigen engen Toleranzen eingehalten werden, was die Fertigungskosten erheblich minimiert. Zylinder und Kolben können daher besonders kostengünstig aus bspw. tiefgezogenen Stahlblechen hergestellt werden. Neben zylinderischen Formen sind auch andere Formen, wie bspw. konische Formen möglich. Die entsprechenden Kolbenböden bzw. Zylinderköpfe können dabei entsprechend dieser Form angepasst werden und zur Minimierung der bewegten Massen, insbesondere von stabilen Formen als Kegel oder halbkugelartigen ausgebildeten Formen ausgeführt werden. Dies sei ebenfalls vom vorliegenden Erfindungsgedanken mit umfasst.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig. 1 einen schematisch dargestellten Querschnitt durch einen Bestandteil einer Kolbenmaschine;
Fig. 2a bis 2d schematisch dargestellte Ausführungsbeispiele von Bestandteilen der Kolbenmaschine gemäss Fig. 1;
Fig. 3a bis 3d schematisch dargestellte Querschnitte durch mögliche Ausführungsbeispiele von elastischen Elementen insbesondere Federelementen;
Fig. 4 ein schematisch dargestellter Teilquerschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Kolbenmaschine, insbesondere einer Stirlingmaschine.
Gemäss Fig. 1 weist eine erfindungsgemässe Kolbenmaschine R₁, ein Kurbelgehäuse 1 auf, in welchem zwei gegenüberliegend angeordnete Kolben 2 entlang einem Zylinder 3, insbesondere entlang einer Zylinderwand berührungslos und zueinander beabstandet über einen Abstandhalter 4 hin- und herbewegbar sind. Zumindest ein Kolben 2 ist über ein Pleul 5 mit einem Arbeitselement, bevorzugt mit einer Kurbelwelle 6 verbunden.
Stirnseitig schliesst an die Zylinderwand 3 jeweils beiderends ein Zylinderkopf 7 an. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel münden in den Zylinderkopf 7 Einlassleitungen 8 und Auslassleitungen 9, die jedoch auch als Einlassventile oder Auslassventile ausgebildet sein können an.
Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist, dass der zumindest eine Kolben 2 berührungslos in der Zylinderwand 3 linear, wie in Doppelpfeilrichtung X dargestellt, hin- und herbewegbar ist. Hierzu ist erfindungsgemäss zwischen dem Zylinderkopf 7 und dem Kolben 2 ein elastisch verformbares Element 10 eingesetzt, wobei dieses einends mit dem Zylinderkopf 7 fest verbunden, bevorzugt verschweisst und andernends mit einem Flansch 11 oder Absatz 12 fest verbunden, insbesondere verschweisst ist.
Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist, dass das elastische Element 10 koaxial eine Kolbenwand 13 umfängt und einem Arbeitsraum 14 vollständig hermetisch abdichtet. Der Arbeitsraum 14 ist begrenzt über den Zylinderkopf 7, den Kolben 2 und dem elastischen Element 10. Das Kurbelgehäuse 1 hingegen ist drucklos und ggf. zur Umgebung hin offen.
Das elastische Element 10 hat zudem die Aufgabe den Kolben 2 berühungslos linear bewegbar in dargestellter X-Richtung zu lagern bzw. zu zentrieren so dass der Kolben 2 völlig abgedichtet gegenüber dem Zylinderkopf 7 in dargestellter Doppelpfeilrichtung X bewegbar gelagert ist. Bevorzugt wird das elastische Element 10 fest mit dem Zylinderkopf 7 oder der Zylinderwand 3 einends und andererseits mit dem Flansch 11 bzw. Absatz 12 des Kolbens 2 fest verschweisst.
Wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist, der obere Kolben 2 gegen den oberen Zylinderkopf 7 bewegt, so lässt sich im oberen Totpunkt 15 ein Totvolumen des Arbeitsraumes 14 vermindern bzw. dieses ist nahezu Null.
Gleichzeitig wird durch das Bewegen des Kolbens 2 gegenüber Zylinderkopf 7 das elastische Element 10 zusammengedrückt, so dass ebenfalls ein Totvolumen des Elementes 10 reduziert wird, oder es nahezu bei Null liegt.
Bevorzugt ist das Element 10 aus einzelnen Federelementen 16 gebildet, die sich zusammendrücken lassen.
Liegen die einzelnen Federelemente 16 aufeinander im zusammengedrückten Zustand, so können diese gleichzeitig einen Anschlag, insbesondere eine Dämpfung des oberen Totpunktes 15 für den Kolben 2 bilden.
Wichtig ist jedoch, dass die einzelne Federelemente 16 fest miteinander und umlaufend verschweisst, verlötet oder miteinander verklebt sind. Diese sind hochtemperatur und druckbeständig miteinander verbunden.
Hierdurch lässt sich völlig reibungsfrei, berührungslos und spielfrei der Kolben 2 gegenüber dem Zylinderkopf 7 im Zylinder 3 hin und her bewegen.
Hierdurch kann ein hoher Druck im Arbeitsraum 14 erzeugt werden, wobei der Kolben 2 eine ölfreie Kompression im Arbeitsraum 14 erzeugen kann.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass eine absolute Abdichtung zwischen Kolben 2 und dem elastischen Element 10 und dem Zylinderkopf 7 gebildet ist, wobei gleichzeitig Kolben 2 innerhalb des elastischen Elementes 10 linear bewegbar, radial zentriert und gehalten ist.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss den Fig. 2a bis 2d sind einzelne Kolben 2 innerhalb von Zylinderwänden 3 mit anschliessendem Zylinderkopf 7 geführt, wobei die Form des Kolbens 2 in etwa der Form des Zylinderkopfes 7 entspricht.
Dabei kann, wie es insbesondere in Fig. 2a dargestellt ist, der Kolben 2 plan sein und auf einen planen Zylinderkopf 7 in dargestellter Doppelpfeilrichtung X bewegt werden, um das Volumen im Arbeitsraum 14 bspw. zu verdichten oder bei Überdruck im Arbeitsraum 14 den Kolben 2 anzutreiben. Hierauf sei die vorliegende Erfindung nicht beschränkt.
In den Fig. 3a bis 3d sind jeweils Ausführungsbeispiele des elastisch verformbaren Elementes 10 dargestellt, wobei das elastische Element 10 jeweils aus einzelnen Federelementen 16 zusammengesetzt ist. Bevorzugt werden tellerfederartige Federelemente 16 gegenseitig jeweils abwechselnd aufeinander gelegt und abwechselnd an dessen Aussenradius 17 bzw. Innenradius 18 rund umlaufend fest miteinander verschweisst, so dass diese druckbeständig und hermetisch abgedichtet miteinander verbunden werden.
Dabei können die einzelnen Federelemente 16 auch miteinander verklebt oder hartgelötet werden. Hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt.
Auch können die Federelemente 16 als flache Tellerfedern und gewölbt ausgebildete Federelemente 16 vorgesehen sein. Hierauf sei die Erfindung nicht beschränkt. Bevorzugt werden jedoch Federelemente 16 verwendet, die von einer gleichen Form und Beschaffenheit sind, so dass diese bei Druckbeaufschlagung aneinander anliegen und kein Volumen dazwischen gebildet ist. Hierdurch lässt sich ebenfalls das Totvolumen im zusammengedrückten Zustand bzw. im oberen Totpunkt 15 des Kolbens 2 nahe des Zylinderkopfes 7 erheblich reduzieren.
In dem letzten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gemäss Fig. 4 ist die Kolbenmaschine R₂ als Stirlingmaschine mit zwei Kolben aufgezeigt, wobei das Kurbelgehäuse 1 drucklos ausgebildet ist und diesem ölfrei die Kolben 2 in den Zylinderwänden 3 hin- und herbewegbar sind.
Wird das elastisch verformbare Element 10, zusammengedrückt, so ist kein Totvolumen gebildet, was den Wirkungsgrad der Kolbenmaschine R₁, R₂ erheblich erhöht und zudem der Kolben 2 völlig reibungsfrei im Zylinder 3 gegen den Zylinderkopf 7 hin- und herbewegbar geführt und radial über das Element 10 gelagert ist.
An den oberen Zylinderkopf 7 schliesst ein Erhitzer 19, daran ein Regenerator 20 und anschliessend ein Kühler 21 an, welcher mit dem zweiten Zylinderkopf 7 in Verbindung steht.
An dieser Stelle wird auf die nähere Funktionsweise der Stirlingmaschine nicht eingegangen, diese ist in vielfältiger Form und Ausführung im Stand der Technik beschrieben und bekannt.
Wichtig bei der vorliegenden Erfindung ist jedoch, dass durch die Arbeitsweise des Kolbens 2, insbesondere durch dessen Lagerung mittels des Elementes 10 und Führung ein Totvolumen minimiert ist. Der Kolben 2 ist spielfrei, berührungslos gegen den Zylinderkopf 7 bewegbar. Die derartige Kolbenmaschine lässt sich bspw. als Kompressor, als Stirlingmaschine, als Wärmepumpe insbesondere als ölfreier Kompressor einsetzen. Sie dient auch zur Verdichtung von Gasen in bspw. der chemischen Industrie, wobei keine ölhaltigen Bestandteile in der Maschine enthalten sein müssen.
Auch kann sie als Kühlaggregat dienen wobei jedes Kältemittel hier verarbeitet bzw. komprimiert werden kann. Dies soll ebenfalls im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen. Positionszahlenliste 1 Kurbelgehäuse
2 Kolben
3 Zylinder
4 Abstandhalter
5 Pleul
6 Antriebselement
7 Zylinderkopf
8 Einlassleitung
9 Auslassleitung
10 Element
11 Flansch
12 Absatz
13 Kolbenwand
14 Arbeitsraum
15 Oberer Totpunkt
16 Federelement
17 Aussenradius
18 Innenradius
19 Erhitzer
20 Regenerator
21 Kühler
R₁ Kolbenmaschine 1
R₂ Kolbenmaschine
X Richtung

Claims

1. Kolbenmaschine, insbesondere Kompressor oder Stirlingmaschine mit zumindest einem Kolben (2) welcher in einem Zylinder (3) linear gegen einen Zylinderkopf (7) bewegbar gelagert ist und der Kolben (2), mit zumindest einem Antriebselement (6), insbesondere Kurbelwelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben (2) und Zylinder (3) oder Zylinderkopf (7) ein um den Kolben (2) umlaufendes, elastisches, verformbares Element (10) eingesetzt ist.

2. Kolbenmaschine, insbesondere Kompressor oder Stirlingmaschine mit zumindest einem Kolben (2), welcher in einem Zylinder (3) linear gegen einen Zylinderkopf (7) bewegbar gelagert ist und der Kolben (2) mit zumindest einem Antriebselement (6), insbesondere Kurbelwelle in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kolben (2) berührungslos im Zylinder (3) bewegbar und mittels zumindest einem elastischen Element (10) der Kolben (2) im Zylinder zentrierbar ist.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben (2) und Zylinder (3) oder Zylinderkopf (7) und dem dazwischen eingesetzten elastischen verformbaren Element (10) ein Arbeitsraum (14) gebildet ist, welcher hermetisch dicht gegenüber einem Kurbelgehäuse (1) ausgebildet ist.

4. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (10) den Kolben (2) koaxial umfängt und mit dem Zylinder (3) oder dem Zylinderkopf (7) hermetisch dicht verbunden ist, wobei eine Form des Kolbens (2) in etwa einer Form des Zylinderkopfes (7) entspricht.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Totpunkt (15) des Kolbens (2) nahe am Zylinderkopf (7) ein Totvolumen des Arbeitsraumes (14) reduziert ist, insbesondere nahezu Null ist.

6. Kolbenmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im oberen Totpunkt (15) ein Totvolumen des elastisch verformbaren Elementes (10) reduziert, insbesondere nahezu Null ist.

7. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Element (10) aus einer Mehrzahl von Federelementen (16) gebildet ist.

8. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Element (10) einends mit dem Zylinderkopf (7) und andernends mit dem Kolben (2) fest, insbesondere hermetisch dicht verbunden ist.

9. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kolben (2) einen nach aussen abragenden Flansch (11) oder Absatz (12) aufweist, mit welchem einends das elastisch verformbare Element (10) hermetisch dicht verbunden, insbesondere verschweisst und andernends hermetisch dicht mit dem Zylinderkopf (7) oder dem Zylinder (3) verbunden, insbesondere verschweisst ist.

10. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (10) aus einer Mehrzahl von einzelnen Federelementen (16), insbesondere aus einem Stapel von tellerfederartigen Ringen zusammengesetzt sind, wobei jeweils abwechselnd am Aussen- und Innenradius (17, 18) diese miteinander gegenseitig verbunden, insbesondere verschweisst oder durch Hartlöten verbunden oder verklebt sind.

11. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Totvolumen des Kolbens (2) beim Bewegen des Kolbens (2) gegen den Zylinderkopf (7) und gleichzeitig ein Totvolumen des elastisch verformbaren Elementes (10), insbesondere der Federelemente (16), gleichzeitig verringerbar sind.

12. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass über die Anzahl der einzelnen Federelemente (16) ein Hub des Kolbens (2) beeinflussbar ist.

13. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Form des Kolbens (2) in etwa der Form des Zylinderkopfes (7) angepasst ist, wobei der Kolben (2) über das zumindest eine, im Kolben (2) koaxial umfangende, elastische Element (10) berührungslos gegen den Zylinderkopf (7) bewegbar ist.

14. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Federelemente (16) übereinander jeweils abwechselnd am Innenradius (18) bzw. am Aussenradius (17) verbunden sind und aus ein und derselben Form hergestellt sind, welche bei einer Druckbeaufschlagung aneinander anliegen, ohne dass ein Totvolumen zwischen den einzelnen Federelementen (16) gebildet ist.

15. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kurbelgehäuse (1) drucklos und ggf. offen zur Umgebung ausgebildet ist.

16. Kolbenmaschine nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Element (10) den zumindest einen Kolben (2) radial lagert.