DE102006004027A1

DE102006004027A1 - Ölfreier/Trockenlauf-Luftkompressor mit einer verbesserten Dichtung

Info

Publication number: DE102006004027A1
Application number: DE102006004027A
Authority: DE
Inventors: Valery Fairview Park Dunaevsky; Gene Elyria Gilbert
Original assignee: Bendix Commercial Vehicle Systems LLC
Current assignee: Bendix Commercial Vehicle Systems LLC
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2006-01-27
Publication date: 2006-08-31
Also published as: US7140291B2; US20060169134A1

Abstract

Ölfreier/Trockenlauf-Luftkompressor mit einem Kolben, der zum Hin- und Hergehen in einer Bohrung positioniert ist, wobei der Kolben eine ersten Kolbenringanordnung, die aus einem harten Hochtemperaturpolymer hergestellt ist, und eine zweite Kolbenringanordnung aufweist, welche einen ersten Bereich, der mit der Bohrung in Eingriff kommt, wobei der erste Bereich aus einem verhältnismäßig weichen, selbstschmierenden Polymer hergestellt ist, und einen zweiten Bereich aufweist, welcher den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt.

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ölfreie/Trockenlauf-Luftkompressoren bzw. -verdichter. Sie findet insbesondere Anwendung in Verbindung mit ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressoren mit einem Kolbenringsatz, der für eine verbesserte Dichtung zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung vorgesehen ist. Es wird jedoch erkannt werden, dass die Erfindung ebenfalls für andere Anwendungen zugänglich ist.

Ölfreie/Trockenlauf-Luftkompressoren sind in der Technik bekannt und beziehen sich allgemein auf die Familie von Luftkompressoren, welche kein Öl verwenden, um die Region von Kolben-Zylinderbohrung zu schmieren, stattdessen stützen sie sich auf die selbstschmierende Art des Ringmaterials für die Schmierung. 1 veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht eines Abschnitts eines Kolbens 10 und einer Zylinderbohrungswand 12 eines herkömmlichen ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressors. Im Allgemeinen verwenden ölfreie/Trockenlauf-Luftkompressoren einen Kolben 10 mit einer Krone bzw. Deckplatte 14, einer oberen ringförmigen Ausnehmung bzw. Aussparung 16, und einer ringförmigen Reiterring-Ausnehmung bzw. -Aussparung 18. Die obere ringförmige Ausnehmung 16 nimmt einen Kompressionsring 20 zum Dichten bzw. Abdichten zwischen dem Kolben 10 und der Zylinderbohrungswand 12 auf. Die ringförmige Reiterring-Ausnehmung 18 nimmt einen Reiterring 22 zum Verhindern einer Berührung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand 12 auf, um eine resultierende Beschädigung an diesen Teilen zu vermeiden. Der Reiterring 22 ergibt in typischer Weise nicht irgendeine Dichtung zwischen dem Kolben 10 und der Zylinderbohrungswand 12.

Kolbenringe für ölfreie/Trockenlauf-Luftkompressoren werden in typischer Weise aus rundgesinterten Rohren bzw. Röhren hergestellt, die aus verhältnismäßig weichen, konformen polymeren Materialien, z. B. auf Polytetrafluorethylen (PTFE) beruhenden Materialien hergestellt sind. Jedoch ermangelt es herkömmlichen PTFE-Ringen einer ausreichenden inneren Spannung, um den Ring mit Verformungen in einer Zylinderbohrung in Übereinstimmung zu bringen. Darüber hinaus können hohe Arbeitstemperaturen in einem Undichtsein von herkömmlichen PTFE-Ringen resultieren, welche Spannung sie auch haben, und hoher Einfahr- bzw. Einlaufverschleiß an den Weichpolymerringen kann die Ringe am wirksamen Dichten hindern. Um die Dichtung zu verbessern, verwenden manche Kolben von ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressoren Mehrfach-PTFE-Kompressionsringe oder sie verwenden Kolbenringe aus hartem Hochtemperatur-Polymer. Jedoch kommen harte Polymerringe aufgrund ihrer Härte mit Bohrungsverformungen nicht gut in Übereinstimmung.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird in Betracht gezogen, einen verbesserten, dichtenden bzw. abdichtenden Kolbenringsatz für einen ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressor zu schaffen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein ölfreier/Trockenlauf-Luftkompressor einen Kolben auf, der positioniert ist, um in einer Bohrung hin- und herzugehen. Der Kolben weist eine erste Kolbenringanordnung auf, die aus einem harten, selbstschmierenden Polymer hergestellt ist. Der Kolben weist weiter eine zweite Kolbenringanordnung auf, welche einen ersten Bereich aufweist, der mit der Bohrungswand in Eingriff kommt. Der erste Bereich ist aus einem verhältnismäßig weichen, selbstschmierenden Polymer hergestellt. Ein zweiter Bereich der Kolbenringanordnung spannt den ersten Bereich gegen die Bohrungswand vor.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein ölfreier/Trockenlauf-Luftkompressor einen Kolben auf, der positioniert ist, um in einer Bohrung hin- und herzugehen. Der Kolben weist eine Kolbenringanordnung auf, welche einen ersten Bereich aufweist, der mit der Bohrungswand in Eingriff kommt. Der erste Bereich ist aus einem verhältnismäßig weichen, selbstschmierenden Polymer hergestellt. Ein zweiter Bereich der Kolbenringanordnung spannt den ersten Bereich gegen die Bohrungswand vor. Der zweite Bereich ist mit dem ersten Bereich verbunden.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Dichten bzw. Abdichten zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung eines Trockenlauf-/ölfreien Luftkompressors.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den beigefügten Zeichnungen, welche in die Patentschrift mit einbezogen sind und einen Bestandteil dieser bilden, sind Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht, welche zusammen mit der oben gebrachten, allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der unten gebrachten, detaillierten Beschreibung dazu dienen, die Ausführungsformen der Erfindung durch Beispiele zu erläutern, wobei zeigen:
1 eine seitliche Schnittansicht eines Kolbens eines Luftkompressors nach dem Stand der Technik, wobei Kolbenringanordnungen gezeigt sind, die in den ringförmigen Ausnehmungen bzw. Aussparungen des Kolbens positioniert sind;
2 eine seitliche Schnittansicht eines ersten Beispiels eines Luftkompressors gemäß der vorliegenden Erfindung;
3A eine seitliche Schnittansicht eines Kolbens des Beispiels des Luftkompressors nach 2, wobei die Kolbenringanordnungen in den ringförmigen Ausnehmungen bzw. Aussparungen an dem Kolben positioniert sind;
3B eine vergrößerte, seitliche Schnittansicht einer ersten Kolbenringanordnung des Beispiels des Luftkompressors nach 2, wobei die erste Kolbenringanordnung in einer ersten ringförmigen Ausnehmung des Kolbens positioniert ist;
3C eine vergrößerte, seitliche Schnittansicht einer zweiten Kolbenringanordnung des Beispiels des Luftkompressors nach 2, wobei die zweite Kolbenringanordnung in einer zweiten ringförmigen Ausnehmung des Kolbens positioniert ist;
4 eine Draufsicht auf die zweite Kolbenringanordnung des ersten Beispiels des Luftkompressors nach 2;
5A eine seitliche Schnittansicht einer Kolbenringanordnung eines anderen Beispiels eines Luftkompressors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
5B eine seitliche Schnittansicht einer Kolbenringanordnung eines anderen Beispiels eines Luftkompressors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressor. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf einen ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressor mit einem Kolbenringsatz für eine verbesserte Dichtung bzw. Abdichtung zwischen dem Kolben und der Zylinderbohrung.
Als für die vorliegende Erfindung repräsentativ, veranschaulicht 2 eine seitliche Schnittansicht eines Beispiels eines ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressors 30 gemäß einer ersten beispielgebenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Allgemeinen weist ein ölfreier/Trockenlauf-Luftkompressor 30, wie in der Technik bekannt ist, ein Kurbelgehäuse 32 auf, welches eine dreh- bzw. rotierbar angebrachte Kurbelwelle 34 aufnimmt. Eine Leistungs- bzw. Energiequelle, in typischer Weise eine (nicht gezeigte) Maschine oder Motor, treibt die Kurbelwelle 34 an.
Das Kurbelgehäuse 32 weist ferner eine Pleuelstange 36 auf, welche die Kurbelwelle 34 mit einer Kolbenanordnung 38 operativ verbindet. Die Kolbenanordnung 38 befindet sich innerhalb einer zylindrischen Bohrung 39 mit einer Zylinderbohrungswand 40 und geht innerhalb der Bohrung 39 hin und her, wenn sich die Kurbelwelle 34 dreht bzw. rotiert. Ein Zylinderkopf 42 schließt die Zylinderbohrung an einem Ende. Der Zylinderkopf 42 weist in typischer Weise ein Einlass- bzw. Ansaugventil 44 und ein Auslassventil 46 auf, um es Luft zu erlauben, in die Zylinderbohrung 39 einzutreten bzw. aus der Zylinderbohrung 39 auszutreten. Das Einlassventil 44 und das Auslassventil 46 müssen jedoch nicht innerhalb des Zylinderkopfs 42 sein. Beispielsweise sind herkömmliche ölfreie/Trockenlauf-Luftkompressoren ebenfalls in der Technik bekannt, um das Einlassventil 44 in dem Kurbelgehäuse 32 im Gegensatz zur Positionierung in dem Zylinderkopf 42 zu positionieren.
Die Kolbenanordnung 38 weist einen Gelenkzapfen 50 auf, welcher einen Kolben 48 mit der Pleuelstange 36 dreh- bzw. rotierbar verbindet. Der Kolben 48 weist eine Mehr- bzw. Vielzahl von ringförmigen Ausnehmungen bzw. Aussparungen 52, 54, 56 auf, welche jeweils entsprechende Kolbenringanordnungen 58 und 60 und einen Reiterbereich 62 aufnehmen. Die Ausführungsformen in 1 bis 5 werden mit drei ringförmigen Ausnehmungen 52, 54, 56 beschrieben. Der Fachmann wird jedoch erkennen, dass weniger oder zusätzliche ringförmige Ausnehmungen mit entsprechenden, hierin positionierten Kolbenringanordnungen bei dem Kolben 48 verwendet werden können.
3A-C veranschaulichen seitliche Schnittansichten des Kolbens 48 des Beispiels des Luftkompressors 30 nach 2 mit den Kolbenringen 58, 60 und einem Reiterbereich 62, die jeweils in den ringförmigen Ausnehmungen 52, 54, 56 des Kolbens 48 positioniert sind. Der Kolben 48 des Beispiels des Luftkompressors kann eine Krone bzw. Deckplatte 64, eine erste ringförmige Ausnehmung 52, eine zweite ringförmige Ausnehmung 54 und eine ringförmige Reiterbereichs-Ausnehmung 56 aufweisen. Die zweite ringförmige Ausnehmung 54 ist von der Krone 64 axial mehr entfernt als die erste ringförmige Ausnehmung 52, während die ringförmige Reiterbereichs-Ausnehmung 56 von der Krone mehr axial entfernt ist als die zweite ringförmige Ausnehmung 54.
Der Kolben 48 der beispielgebenden Ausführungsform nach 3A-C kann, jedoch nicht notwendigerweise, einen Reiterbereich 62 aufweisen, der in der ringförmigen Reiterbereichs-Ausnehmung 56 aufgenommen ist. Es ist in der Technik für einen Trockenlauf-Luftkompressorkolben/ölfreien Luftkompressorkolben wohlbekannt, einen Reiterbereich 62 aufzuweisen. Jedoch ist ein Reiterbereich 62 für die vorliegende Erfindung nicht kritisch und wird unten beschrieben, wie er in der Technik allgemein bekannt ist. Der Reiterbereich 62 kann ein diskontinuierlicher Ring mit einem im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt sein, der sich entlang des Kolbens 48 axial erstreckt, wie in 3A veranschaulicht. In typischer Weise ist der Reiterbereich aus einem Material mit niedriger Reibung, z. B. einem Material auf PTFE-Basis hergestellt. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass der Reiterbereich 62 kontinuierlich sein kann (d. h., keinen Spalt bzw. Lücke enthalten kann) und/oder eine von der rechteckförmigen verschiedene Querschnittsgestalt aufweisen kann. Beispielsweise ist ein Reiterbereich, der einen Schulterabschnitt aufweist, in der Technik bekannt. Darüber hinaus kann der Reiterbereich ohne Verwendung einer ringförmigen Reiterbereichs-Ausnehmung konfiguriert bzw. ausgestaltet sein. Beispielsweise ist eine mit einem Material auf PTFE-Basis beschichtete, spalt- bzw. lückenlose bzw. geschlossene Hülle bzw. Umhüllung bzw. Mantel, welcher über bzw. auf eine Region des Kolbens passt, in der Technik bekannt. Weiterhin kann der Reiterbereich aus einer Beschichtung mit niedriger Reibung, z. B. PTFE, bestehen, welche auf den Kolben aufgebracht wird und als eine Barriere bzw. Schranke zwischen der Zylinderbohrungswand und dem Kolben wirkt.
Die erste ringförmige Ausnehmung 52 der ersten beispielgebenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung nimmt eine erste Kolbenringanordnung 58 auf. Die erste ringförmige Ausnehmung 52 weist einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einer oberen Fläche 66, einer unteren Fläche 68, und einer inneren Fläche 70 auf. Des gleichen weist die erste Kolbenringanordnung 58 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Bohrungs-Grenzflächenbereich 72, welcher an der Zylinderbohrungswand 40 angreift, eine axiale Dicke h₁, und eine radiale Dicke t₁ auf. Der Fachmann wird erkennen, dass die erste ringförmige Ausnehmung 52 und die erste Kolbenringanordnung 58 von der rechteckförmigen verschiedene Querschnittsgestalten aufweisen können. Beispielsweise ist es in der Technik bekannt, über Ring und Ausnehmung in Form von Schlussstein bzw. keilförmigem Stein ("keystone-shaped") zur Verwendung bei manchen Anwendungen zu verfügen. Weiterhin ist es in der Technik bekannt, eine innere Ecke der Kolbenringanordnung abzuschrägen, um die Art und Weise zu beeinflussen, in welcher die Kolbenringanordnung mit der Zylinderbohrungswand 40 in Eingriff kommt.
Die erste Kolbenringanordnung 58 wirkt in Zusammenarbeit mit der ersten ringförmigen Ausnehmung 52 und der Zylinderbohrungswand 40 als eine Dichtung, welche es dem Kolben 48 erlaubt, die zwischen dem Kolben 48 und dem Zylinderkopf 42 (vgl. 2) eingefangene Luft zu komprimieren bzw. verdichten. Wie in 3 gezeigt, ist die axiale Dicke h₁ der ersten Kolbenringanordnung 58 geringer als der axiale Abstand zwischen der oberen Fläche 66 und der unteren Fläche 68 der ersten ringförmigen Ausnehmung 52. Weiterhin ist die radiale Dicke t₁ der ersten Kolbenringanordnung 58 geringer als der radiale Abstand zwischen der Zylinderbohrungswand 40 und der inneren Fläche 70 der ersten ringförmigen Ausnehmung 52. Der Fachmann wird erkennen, dass der Maßstab der Abstände, die in 3A-C und 5A-B gezeigt sind, und die weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert werden, für die Zwecke der Erläuterung übertrieben ist.
Wie unter Bezugnahme auf 1 beschrieben, ist der obere Kompressionsring 20 in einem herkömmlichen ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressor in typischer Weise aus einem Material aus PTFE-Basis hergestellt. Im Gegensatz hierzu ist unter Bezugnahme auf 2 die erste Kolbenringanordnung 58 des ersten Beispiels des Luftkompressors 30 gemäß der vorliegenden Erfindung aus einem harten Hochtemperatur-Polymer hergestellt. Beispiele für ein geeignetes Polymer für die erste Kolbenringanordnung 58 weisen ein Polyimid, Polyamid, Polyester, Polyetheretherketon, Polyamidimid, Polyetheremid, Polyphenylensulfid, und Polybenzimidazol auf. Die erste Kolbenringanordnung 58 einer ersten beispielgebenden Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise durch Spritzguss hergestellt. Es können herkömmliche Spritzgussverfahren dazu verwendet werden, um die Kolbenringanordnung 58 auszubilden, jedoch können alternativ andere Herstellungsverfahren, z. B. maschinelle bzw. spanabhebende Bearbeitung, verwendet werden.
Die erste Kolbenringanordnung 58 verwendet Gasdruck, der während der Kompressoroperation entwickelt wird, und die innere Spannung in der ersten Kolbenringanordnung 58, um dazu beizutragen, eine Dichtung zwischen dem Kolben 48 und der Zylinderbohrungswand 40 zu erzeugen. Das Profil und die innere Spannung in einer Kolbenringanordnung wird in Einzelheiten weiter unten im Hinblick auf die zweite Kolbenringanordnung 60 nach 4 beschrieben, ist jedoch gleichfalls bei der ersten Kolbenringanordnung 58 anwendbar.
Die zweite ringförmige Ausnehmung 54 des Kolbens 48 nimmt eine zweite Kolbenringanordnung 60 auf. Die zweite ringförmige Ausnehmung 54 weist einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einer oberen Fläche 74, einer unteren Fläche 76, und einer inneren Fläche 78 auf. Des gleichen weist die zweite Kolbenringanordnung 60 einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt mit einem Bohrungs-Grenzflächenbereich 80, der an der Zylinderbohrungswand 40 angreift, eine axiale Dicke h₂, und eine radiale Dicke t₂ auf. Der Fachmann wird erkennen, dass die zweite ringförmige Ausnehmung 54 und die zweite Kolbenringanordnung 60 von der rechteckförmigen verschiedene Querschnittsgestalten aufweisen können. Beispielsweise weist die zweite Kolbenringanordnung 60 bei den beispielgebenden Ausführungsformen, die in 5A und 5B veranschaulicht sind und weiter unten in näheren Einzelheiten erläutert werden, nichtrechteckigförmige Querschnitte auf.
Wie oben unter Bezugnahme auf die erste Kolbenringanordnung 58 erläutert, wirkt die zweite Kolbenringanordnung 60 als eine Dichtung zwischen dem Kolben 48 und der Zylinderbohrungswand 40. Wie bei dem ersten Kolbenring 58 ist die axiale Dicke h₂ der zweiten Kolbenringanordnung 60 geringer als der axiale Abstand zwischen der oberen Fläche 74 und der unteren Fläche 76 der zweiten ringförmigen Ausnehmung 54. Weiterhin ist die radiale Dicke t₂ der zweiten Kolbenringanordnung 60 geringer als der radiale Abstand zwischen der Zylinderbohrungswand 40 und der inneren Fläche 78 der zweiten ringförmigen Ausnehmung 54. Zusätzlich ist, weil die zweite ringförmige Ausnehmung 54 von der Krone 64 axial mehr entfernt ist als die erste ringförmige Ausnehmung 52, die zweite Kolbenringanordnung 60 in typischer Weise einem geringeren Druck und einer geringeren Temperatur als die erste Kolbenringanordnung 58 ausgesetzt. In Folge dessen kann die axiale Dicke h₂ der zweiten Kolbenringanordnung 60, jedoch nicht notwendigerweise, geringer sein als die axiale Dicke h₁ der ersten Kolbenringanordnung 58.
Die zweite Kolbenringanordnung 60 weist einen ersten Bereich 82 und einen zweiten Bereich 84 auf. Der erste Bereich 82 weist einen Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 auf, der an der Zylinderbohrungswand 40 angreift. Der Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 kann, wie in 3 veranschaulicht, im Wesentlichen flach bzw. eben sein, um der Zylinderbohrungswand 40 zu entsprechen. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass der Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 eine Vielzahl von Konfigurationen bzw. Ausgestaltungen aufweisen kann. Beispielsweise ist es in der Technik für den Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 bekannt, tonnen- bzw. fassförmig bearbeitet zu sein, kegelförmig bzw. konisch bearbeitet zu sein, oder mehrfache Regionen aufzuweisen, die an der Bohrungswand 40 angreifen.
Wenn mit dem harten Hochtemperatur-Polymer der ersten Kolbenringanordnung 58 verglichen, ist das Material des ersten Bereichs 82 der zweiten Kolbenringanordnung 60 ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer. Ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer ist mehr "complaint" und weist einen geringeren Elastizitätsmodul als das harte Hochtemperatur-Polymer der ersten Kolbenringanordnung 58 auf. Zusätzliche wird das Material des ersten Bereichs 82 seine funktionellen und strukturellen Eigenschaften beibehalten und an der Zylinderbohrungswand 40 bei Temperaturen bis zu mindestens 600 Grad Fahrenheit nicht anhaften. Ein Material auf PTFE-Basis ist für den ersten Bereich 82 geeignet und vorzuziehen. Wie in der Technik bekannt ist, kann Material auf PTFE-Basis Füller, z. B. Kohlenstoff und Graphit, enthalten, um Funktions- bzw. Leistungskennwerte, z. B. Verschleißwiderstand und Wärmewiderstand, zu verbessern. Der erste Bereich 82 kann jedoch aus irgendeinem selbstschmierenden, verhältnismäßig weichen, geringe Reibung aufweisendem Material mit ausreichendem Wärme- und Verschleißwiderstand für eine Anwendung in einem ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressor hergestellt sein.
Die zweite Kolbenringanordnung 60 des ersten Beispiels des Luftkompressors 30 (vgl. 2) weist ferner einen zweiten Bereich 84 auf. Der zweite Bereich 84 der zweiten Kolbenringanordnung 60 kann im Wesentlichen rechteckförmig sein, wie in 3 gezeigt. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass der zweite Bereich 84 eine von der im Wesentlichen rechteckförmigen verschiedene Querschnittsgestalt aufweisen kann.
Beispielsweise weist der zweite Bereich 84 bei den in 5A bzw. 5B veranschaulichten, beispielgebenden Ausführungsformen, die weiter unten in Einzelheiten erläutert werden, einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt bzw. einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf. Es ist eine Vielzahl von Konfigurationen bzw. Ausgestaltungen für einen vorspannenden Bereich in der Technik bekannt und als ein zweiter Bereich der vorliegenden Erfindung gleichfalls anwendbar. Beispielsweise kann der zweite Bereich 84 ein Spulen-Expander ("coil expander") sein, wie in dem US-Patent No. 6,205,908 beschrieben.
Der zweite Bereich 84 befindet sich radial einwärts von wenigstens einem Abschnitt des ersten Bereichs 82 und spannt den ersten Bereich 82 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vor. Bei der ersten beispielgebenden Ausführungsform kann der zweite Bereich 84 an den ersten Bereich 82 anschlagen bzw. anstoßen und kann vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, mit dem ersten Bereich 82 verbunden sein. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass der zweite Bereich 84 in einer Vielzahl von Art und Weisen ausgestaltet und immer noch dazu befähigt sein kann, den ersten Bereich 82 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vorzuspannen. Beispielsweise kann der zweite Bereich 84 von dem ersten Bereich 82 getrennt, mit dem ersten Bereich 82 verbunden oder an diesem angebracht oder in dem ersten Bereich 82 integriert und durch diesen umgeben (z. B. innerhalb des ersten Bereichs geformt) sein.
Der zweite Bereich 84 der ersten beispielgebenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann aus einem Metall, z. B. Gusseisen oder Stahl, hergestellt sein, und er ist vorzugsweise aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt. Wenn der zweite Bereich aus einem Metall hergestellt ist, können der erste Bereich 82 und der zweite Bereich 84 durch Verfahren verbunden werden, die in der Technik bekannt sind, z. B. das Verfahren, das in dem US-Patent No. 5,198,053 beschrieben ist. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass der zweite Bereich nichtmetallisch sein kann. Beispielsweise kann der zweite Bereich 84 aus einem harten Polymer, z. B. einem Polyimid, hergestellt sein, wie in Bezug auf die erste Kolbenringanordnung 58 beschrieben.
4 veranschaulicht eine Draufsicht auf die zweite Kolbenringanordnung 60 des ersten Beispiels des Luftkompressors nach 2. Wie in 4 gezeigt, ist die zweite Kolbenringanordnung 60, ebenso wie die erste Kolbenringanordnung 58, ringförmig, jedoch diskontinuierlich. Das heißt, die zweite Kolbenringanordnung 60 weist eine Lücke oder Spalt 86 auf. 4 veranschaulicht die zweite Kolbenringanordnung 60 in dem freien Zustand. Der freie Zustand bezieht sich auf den Zustand, in dem die zweite Kolbenringanordnung 60 keinen radialen oder tangentialen Kräften unterliegt, die ausreichend sind, um die zweite Kolbenringanordnung 60 ab- bzw. auszulenken bzw. abzubiegen oder zusammenzudrücken.
In dem freien Zustand ist der Durchmesser d der zweiten Kolbenringanordnung 60 größer als der Durchmesser der Zylinderbohrungswand 40. Um die zweite Kolbenringanordnung 60 in der Zylinderbohrungswand 40 zu positionieren, wird die zweite Kolbenringanordnung 60 radial zusammen gedrückt. Auf Grund der nachgiebig federnden bzw. rückstellfähigen Art des für den zweiten Bereich 84 verwendeten Materials, erzeugt ein radiales Zusammendrücken der zweiten Kolbenringanordnung 60 eine innere Spannung in dem zweiten Bereich 84, welcher der Zusammendrückung widersteht. Wenn sich die zweite Kolbenringanordnung 60 in der Zylinderbohrungswand 40 befindet, spannt die innere Spannung in dem zweiten Bereich 84 den Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 des ersten Bereichs 82 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vor.
Die zweite Kolbenringanordnung 60 ist in 4 so veranschaulicht, dass sie ein im Wesentlichen kreisförmiges Profil aufweist. Jedoch können die zweite Kolbenringanordnung 60 und die erste Kolbenringanordnung 58 ein vorbestimmtes, nicht kreisförmiges Profil in dem freien Zustand aufweisen. Ein vorbestimmtes, nicht kreisförmiges Profil kann so vorgesehen sein, um das Ausmaß und die Verteilung von Druck zwischen dem Bohrungs-Grenzflächenbereich 80 und der Zylinderbohrungswand 40 zu optimieren, wenn die Ringanordnungen eingebaut sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass alternative Kolbenringausführungen, z. B. ein überlappender Ring, wie allgemein in dem US-Patent 4,206,930 beschrieben, und ein Spiralring, wie allgemein in dem US-Patent 4,576,381 beschrieben, diskontinuierlich sind und die vorliegende Erfindung gleichfalls bei solchen und anderen Ringausführungen anwendbar ist.
Die zweite Kolbenringanordnung 60 kann durch eine Vielzahl von Verfahren hergestellt werden. Beispielsweise kann der zweite Bereich 84 gegossen oder maschinell bzw. spanabhebend bearbeitet werden. Weiterhin kann das auf PTFE beruhende Material in zahlreichen Arten und Weisen bearbeitet werden. Beispielsweise ist PTFE für Pulverbeschichtungsanwendungen geeignet. Auf PTFE beruhendes Material kann ebenfalls formgepresst oder stranggepresst werden. Ein Beispiel eines Verfahrens zum Herstellen der zweiten Kolbenringanordnung kann das Vorsehen eines gesinterten Stahlrohres oder eines wärmebehandelten Drahtes, Verbinden eines auf PTFE beruhenden Materials mit dem Rohr oder Draht durch ein in der Technik bekanntes Verfahren, und maschinelles Bearbeiten des verbundenen Rohres oder Drahtes zu Kolbenringanordnungen aufweisen.
5A veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht einer Kolbenringanordnung eines anderen Beispiels eines Luftkompressors gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Kolbenringanordnung 90 der zweiten beispielgebenden Ausführungsform weist einen ersten Bereich 92 und einen zweiten Bereich 94 auf. Der erste Bereich 92 ist im Wesentlichen zu dem ersten Bereich 82 der ersten beispielgebenden Ausführungsform nach 2 bis 4 ähnlich. Jedoch weist der zweite Bereich 94 einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Wie bei dem zweiten Bereich 84 der ersten beispielgebenden Ausführungsform (vgl. 2-4) befindet sich der zweite Bereich 94 der zweiten beispielgebenden Ausführungsform radial einwärts von wenigstens einem Abschnitt des ersten Bereichs 92. Der zweite Bereich 94 spannt den ersten Bereich 92 gegen die Bohrungswand 40 in einer Art und Weise vor, die zu dem zweiten Bereich 84 der ersten beispielgebenden Ausführungsform ähnlich ist, welcher den ersten Bereich 82 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vorspannt (vgl. 2-4).
5B veranschaulicht eine seitliche Schnittansicht einer Kolbenringanordnung eines anderen Beispiels eines Luftkompressors gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die zweite Kolbenringanordnung 100 der dritten beispielgebenden Ausführungsform weist einen ersten Bereich 102 und einen zweiten Bereich 104 auf. Der erste Bereich 102 weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einer ersten Seitenwand 106, einer zweiten Seitenwand 108, und einer unteren Wand 110 auf, welche die erste Seitenwand 106 und die zweite Seitenwand 108 verbindet. Die U-förmige Ausgestaltung erzeugt einen Hohlraum 112, der dazu befähigt ist, den zweiten Bereich 104 aufzunehmen.
Der zweite Bereich 104 weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einer ersten Seitenwand 114, einer zweiten Seitenwand 116, und einer unteren Wand 118 auf, welche die erste Seitenwand 114 und die zweite Seitenwand 116 verbindet. Wenigstens ein Teil des zweiten Bereichs 104 befindet sich innerhalb des Hohlraums 112 und wirkt auf den ersten Bereich 102 ein, um die erste Seitenwand 106 gegen die Zylinderbohrungswand 40 und die zweite Seitenwand 108 gegen die innere Fläche 78 vorzuspannen.
Der zweite Bereich 104 der dritten beispielgebenden Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung kann den ersten Bereich 102 gegen die Zylinderbohrungswand 40 in einer Art und Weise vorspannen, die zu dem zweiten Bereich 84 bei der ersten beispielgebenden Ausführungsform ähnlich ist, welcher den ersten Bereich 82 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vorspannt (vgl. 2-4). Zusätzlich kann, wenn sich die zweite Kolbenringanordnung 100 in der zweiten ringförmigen Ausnehmung 54 befindet und sich der Kolben 48 in der Zylinderbohrungswand 40 befindet, die zweite Kolbenringanordnung 100 zwischen der Zylinderbohrungswand 40 und einer inneren Fläche 78 der zweiten ringförmigen Ausnehmung 54 zusammen gedrückt werden. In Folge dessen wird die erste Seitenwand 114 des zweiten Bereichs 104 gegen die zweite Seitenwand 116 vorgespannt. Auf Grund der nachgiebig federnden bzw. rückstellfähigen Art des für den zweiten Bereich 104 verwendeten Materials, widersteht der zweite Bereich 104 Zusammendrückung und spannt die erste Seitenwand 106 des ersten Bereichs 102 gegen die Zylinderbohrungswand 40 vor.
Während die vorliegenden Erfindung durch die Beschreibung ihrer Ausführungsformen veranschaulicht worden ist, und während die Ausführungsformen in wohl überlegten bzw. wohl überdachten Einzelheiten beschrieben worden sind, so ist es nicht die Absicht der Anmelder, den Umfang der beigefügten Ansprüche auf derartige Einzelheiten einzuschränken oder in irgendeiner Art und Weise zu begrenzen. Zusätzliche Vorteile und Änderungen werden sich für den Fachmann leicht zeigen. Daher ist die Erfindung in ihren breiteren Gesichtspunkten nicht auf die spezifischen Einzelheiten, die repräsentative Vorrichtung, und die gezeigten und beschriebenen, zur Erläuterung dienenden Beispiele begrenzt. Dementsprechend können von derartigen Einzelheiten Abweichungen durchgeführt werden, ohne von dem Gedanken oder Umfang des allgemeinen erfinderischen Konzepts der Anmelder abzuweichen.

Claims

Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor, aufweisend: eine Bohrung; einen Kolben, der zum Hin- und Hergehen in der Bohrung positioniert ist, wobei der Kolben eine Krone, eine erste ringförmige Ausnehmung, und eine zweite ringförmige Ausnehmung aufweist und wobei die zweite ringförmige Ausnehmung von der Kolbenkrone mehr entfernt ist als die erste ringförmige Ausnehmung; eine erste Kolbenringanordnung, die innerhalb der ersten ringförmigen Ausnehmung aufgenommen ist, wobei die erste Kolbenringanordnung aus einem harten, selbstschmierenden Polymer hergestellt ist; und eine zweite Kolbenringanordnung, die innerhalb der zweiten ringförmigen Ausnehmung aufgenommen ist, wobei die zweite Kolbenringanordnung aufweist: einen ersten Bereich, der mit der Bohrung in Eingriff ist, wobei der erste Bereich ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer aufweist, und einen zweiten Bereich, welcher den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 1, bei dem der zweite Bereich mit dem ersten Bereich verbunden ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der zweite Bereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das verhältnismäßig weiche, selbstschmierende Polymer ein Material auf Polytetrafluorethylenbasis ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zweite Bereich nichtmetallisch ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der zweite Bereich nichtrostenden Stahl aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor, aufweisend: eine Bohrung; einen Kolben, der zum Hin- und Hergehen in der Bohrung positioniert ist, wobei der Kolben eine ringförmige Ausnehmung aufweist; und eine Dichtungsanordnung, die innerhalb der ringförmigen Ausnehmungen aufgenommen ist, wobei die Dichtungsanordnung aufweist: einen ersten Bereich, der mit der Bohrung in Eingriff ist, wobei der erste Bereich ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer aufweist, und einen zweiten Bereich, der den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt, wobei der zweite Bereich mit dem ersten Bereich verbunden ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 7, bei dem der zweite Bereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das verhältnismäßig weiche, selbstschmierende Polymer ein Material auf Polytetrafluorethylenbasis ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der zweite Bereich nichtmetallisch ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, bei dem der zweite Bereich nichtrostenden Stahl aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem die zweite Dichtungsanordnung einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem die zweite Dichtungsanordnung diskontinuierlich ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor, aufweisend: eine Bohrung; einen Kolben, der zum Hin- und Hergehen in der Bohrung positioniert ist; und ein Mittel bzw. Einrichtung zum Dichten bzw. Abdichten zwischen dem Kolben und der Bohrung.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 14, bei dem das Mittel zum Dichten aufweist: eine erste Kolbenringanordnung, die innerhalb einer ersten, zusammenarbeitenden, ringförmigen Nut an dem Kolben aufgenommen ist, wobei die erste Kolbenringanordnung ein hartes, selbstschmierendes Polymer aufweist; und eine zweite Kolbenringanordnung, die innerhalb einer zweiten, zusammenarbeitenden, ringförmigen Nut an dem Kolben aufgenommen ist, wobei die zweite zusammenarbeitende, ringförmige Nut unterhalb der ersten zusammenarbeitenden, ringförmigen Nut positioniert ist, wobei die zweite Kolbenringanordnung einen ersten Bereich, der mit der Bohrung in Eingriff ist, und einen zweiten Bereich aufweist, der den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt, und wobei der erste Bereich ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 14, bei dem das Mittel zum Dichten aufweist: eine Kolbenringanordnung, die innerhalb einer zusammenarbeitenden, ringförmigen Nut an dem Kolben aufgenommen ist, wobei die Kolbenringanordnung einen ersten Bereich aufweist, der mit der Bohrung in Eingriff ist, und wobei der erste Bereich ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer aufweist; und einen zweiten Bereich, der den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt, wobei der zweite Bereich mit dem ersten Bereich verbunden ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 15 oder 16, bei dem der zweite Bereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 15 bis 17, bei dem das verhältnismäßig weiche, selbstschmierende Polymer ein Material auf Polytetrafluorethylenbasis ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 15 bis 17 oder 18, bei dem der zweite Bereich nichtmetallisch ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 15 bis 17 oder 18, bei dem der zweite Bereich nichtrostenden Stahl aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 14 bis 20, bei dem das Mittel zum Dichten diskontinuierlich mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt ist.
Dichtungsvorrichtung zwischen einer Bohrung und einem Kolben eines Luftkompressors, aufweisend: eine erste Dichtungsanordnung, die sich in einer ersten zusammenarbeitenden, ringförmigen Kolbenausnehmung eines ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressorkolbens befindet, wobei die erste Dichtungsanordnung aus einem harten, selbstschmierenden Polymer hergestellt ist; und eine zweite Dichtungsanordnung, die sich in einer zweiten zusammenarbeitenden, ringförmigen Kolbenausnehmung eines ölfreien/Trockenlauf-Luftkompressorkolbens befindet, wobei die zweite Dichtungsanordnung aufweist: einen ersten Bereich, der mit der Bohrung in Eingriff ist, wobei der erste Bereich aus einem verhältnismäßig weichen, selbstschmierenden Polymer hergestellt ist, und einen zweiten Bereich, welcher den ersten Bereich gegen die Bohrung vorspannt.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 22, bei dem der zweite Bereich mit dem ersten Bereich verbunden ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach Anspruch 22 oder 23, bei dem der zweite Bereich einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 22 bis 24, bei dem das verhältnismäßig weiche, selbstschmierende Polymer ein Polytetrafluorethylen-Material ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem der zweite Bereich nichtmetallisch ist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 22 bis 25, bei dem der zweite Bereich nichtrostenden Stahl aufweist.
Trockenlauf-/ölfreier Luftkompressor nach einem der Ansprüche 22 bis 27, bei dem die zweite Dichtungsanordnung einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist.
Verfahren zum Dichten bzw. Abdichten zwischen einem Kolben und einer Zylinderbohrung eines Trockenlauf-/ölfreien Luftkompressors, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Vorsehen bzw. Bereitstellen eines Kolbens mit einer Krone, einer ersten ringförmigen Ausnehmung, und einer zweiten ringförmigen Ausnehmung, wobei die zweite ringförmige Ausnehmung von der Kolbenkrone mehr entfernt ist als die erste ringförmige Ausnehmung; Vorsehen bzw. Bereitstellen einer ersten Dichtungsanordnung, die sich in der ersten ringförmigen Kolbenausnehmung befindet, wobei die erste Dichtungsanordnung ein hartes, selbstschmierendes Polymer aufweist; und Vorsehen bzw. Bereitstellen einer zweiten Dichtungsanordnung, die sich in der zweiten zusammenarbeitenden, ringförmigen Kolbenausnehmung befindet, wobei die zweite Dichtungsanordnung einen ersten Bereich, welcher mit der Bohrung in Eingriff ist, wobei der erste Bereich ein verhältnismäßig weiches, selbstschmierendes Polymer aufweist, und einen zweiten Bereich aufweist, welcher den ersten Bereich gegen die Zylinderbohrung vorspannt.
Verfahren nach Anspruch 29, weiterhin den Schritt des Verbindens des ersten Bereichs mit dem zweiten Bereich aufweisend.