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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Zylinder,
in dem ein Kolben durch ein Gasdrucklager ohne Berührung mit
der Zylinderwand beweglich gehalten ist.
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Ein
solcher Verdichter ist zum Beispiel aus
US 6 575 716 A1 bekannt.
Bei diesem herkömmlichen
Verdichter ist in der Innenwand des Zylinders eine umlaufende Nut
gebildet, die über
eine die Zylinderwand kreuzende Bohrung mit Druckgas versorgt wird.
Das Druckgas verteilt sich in der umlaufenden Nut um den gesamten
Umfang des Kolbens und breitet sich von der Nut aus in axialer Richtung
durch einen engen Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand aus, wodurch
es den Kolben auf seinem gesamten Umfang ohne Kontakt mit der Zylinderwand
hält. Wenn
eine radiale Kraft auf den Kolben wirkt und diesen aus seiner Gleichgewichtsposition
auslenkt, wird das Druckgas an einer Seite des Kolbenumfanges nicht
nur verdichtet, sondern teilweise auch verdrängt, wobei die Verdrängung u.
a. in einem Ausweichen des Gases zurück in die Nut beruhen kann. Während das
verdichtete Gas auf den Kolben eine Rückstellkraft in Richtung der
Gleichgewichtsposition hervorruft, kann das verdrängte Gas
dies nicht. Aufgrund der Ausweichmöglichkeit ist die Steifigkeit
des Lagers gegen radiale Auslenkung nicht allzu groß.
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Um
die Steifigkeit des Lagers zu verbessern, ist vorgeschlagen worden,
das Druckgas über
radiale Bohrungen mit sehr engem Querschnitt in den Spalt zwischen
Zylinderwand und Kolben einzuführen.
Aufgrund des engen Querschnittes der Bohrungen ist bei einer Auslenkung
des Kolbens ein Rückströmen von Gas
nur in geringem Umfang möglich.
Daher ist bei gleichem Gasdurchsatz eine höhere radiale Steifigkeit des
Lagers erreichbar.
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Um
das Rückströmen des
Druckgases wirksam zu begrenzen, müssen die Versorgungsbohrungen
einen sehr kleinen Durchmesser in ähnlicher Größenordnung wie die Spaltbreite
zwischen Zylinderwand und Kolben haben. In der Praxis bedeutet dies,
dass der Durchmesser der Versorgungsbohrungen nicht mehr als wenige
10 μm betragen
sollte. Die Erzeugung so enger Bohrungen erfordert aufwändige Bearbeitungstechniken
wie etwa Laserablation, Funkenerosion oder dergleichen. Mit diesen
Techniken können die
Versorgungsbohrungen nur einzeln erzeugt werden, was die Produktion
langwierig und kostspielig macht. Außerdem ist die Materialstärke, in
der so enge Bohrungen erzeugt werden können, auf wenige hundert μm begrenzt.
Ein Werkstück
mit einer so geringen Wandstärke
ist leicht verformbar, so dass es schwierig ist, die für ein wirksames
Gasdrucklager erforderliche Formgenauigkeit und -stabilität der Zylinderwand
zu gewährleisten.
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Ziel
der vorliegenden Erfindung ist, einen Verdichter mit einem gasdruckgelagerten
Kolben anzugeben, der mit geringem Aufwand realisierbar ist und
eine Lagerung des Kolbens mit guter radialer Steifigkeit bei geringem
Druckgasdurchsatz ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch einen Verdichter mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder
oszillierend bewegbaren und quer zur Bewegungsrichtung spielhaltigen
Kolben, wobei eine Stirnfläche
des Kolbens in dem Zylinder eine Verdichtungskammer begrenzt, der
dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kolben einen zu der Stirnfläche hin
abnehmenden Durchmesser aufweist. Durch die sich zur Stirnfläche hin
verjüngende
Form des Kolbens wird ein Teil des in der Verdichtungskammer durch
die Kolbenbewegung verdichteten Gases in den Spalt zwischen Kolben
und Zylinderwand hineingeführt,
und es ist die Strömung
des aus der Verdichtungskammer zwischen Kolben und Zylinderwand
entweichenden Gases, die die Gasdrucklagerwirkung entfaltet.
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Um
eine präzise,
von Schlingerbewegungen freie Führung
des Kolbens zu gewährleisten,
hat dieser vorzugsweise neben einem der Verdichtungskammer benachbarten,
den zu der Stirnfläche
hin abnehmenden Durchmesser aufweisenden Abschnitt einen Führungsabschnitt
mit einem gleichbleibenden Durchmesser.
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Um
das Druckgas aus der Verdichtungskammer turbulenzarm in den Spalt
zu führen,
ist die Zunahme des Durchmessers zweckmäßigerweise stetig. Insbesondere
ist bevorzugt, dass die Änderungsrate
des Durchmessers in Richtung der Achse unmittelbar an der Stirnfläche maximal
ist und mit zunehmender Entfernung von der Stirnfläche abnimmt.
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Die
Innenwand des Zylinders kann im einfachsten Falle völlig frei
von Versorgungsbohrungen für
die Zufuhr von Druckgas in den Spalt zwischen Innenwand und Kolben
sein.
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In
diesem Fall kommt die Gasströmung durch
den Spalt bei jeder Oszillation des Kolbens wenigstens einmal zum
Erliegen, so dass zu diesem Zeitpunkt ein Kontakt zwischen dem Kolben
und der Zylinderwand zustande kommen kann. Um insbesondere aber
nicht ausschließlich
in diesem Fall Reibverschleiß zwischen
dem Kolben und der Zylinderwand zu begrenzen, kann der Kolben und/oder
die Innenwand des Zylinders mit einer harten Beschichtung versehen
sein. Die Beschichtung kann aus einem Carbid, zum Beispiel Wolframcarbid,
DLC (diamond-like carbon) oder dergleichen bestehen.
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Um
das Druckgaslager auch zum Zeitpunkt maximaler Ausdehnung der Verdichtungskammer wirksam
zu erhalten, können
Versorgungsbohrungen für
die Zufuhr von Druckgas in einer Innenwand des Zylinders so angeordnet
sein, dass sie einen der Verdichtungskammer zugewandten Abschnitt
des Kolbens an dem Wendepunkt der Kolbenbewegung beaufschlagen,
an dem die Ausdehnung der Verdichtungskammer maximal ist. Diese
Ausgestaltung erlaubt zumindest eine erhebliche Reduzierung der Zahl
der Versorgungsbohrungen im Vergleich zu einem herkömmlichen
Verdichter, bei dem die Lagerwirkung ausschließlich über durch Versorgungsbohrungen
von außen
zugeführtes
Druckgas aufrechterhalten wird.
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Um
radiale Kräfte
auf den Kolben, die diesen gegen die Innenwand des Zylinders drücken könnten, zu
minimieren, hat der Verdichter zweckmäßigerweise ein Antriebsaggregat,
das eine reine Linearbewegung ausführt. Ein solches Antriebsaggregat kann
insbesondere einen an den Kolben gekoppelten magnetischen Anker
umfassen, der in einem magnetischen Wechselfeld parallel zur Bewegungsrichtung des
Kolbens antreibbar ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die beigefügten
Figuren. Es zeigen:
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1 einen
schematischen Schnitt durch Kolben und Zylinder eines Verdichters
gemäß einer ersten
Ausgestaltung der Erfindung;
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2 einen
schematischen Schnitt durch das Antriebsaggregat des Verdichters;
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3 einen
zu 1 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung
der Erfindung;
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4 einen
entsprechenden Schnitt gemäß einer
dritten Ausgestaltung der Erfindung; und
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5 eine
frontale Ansicht einer in der dritten Ausgestaltung verwendeten
Hülse.
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Der
in 1 gezeigte Verdichter umfasst einen Zylinder 21,
der im Wesentlichen aus einem Rohrstück 22, einem ein Ende
des Rohrstückes 22 überdeckenden
Kopfblech 23 und einer an einer von dem Rohrstück 22 abgewandten
Seite des Kopfbleches 23 befestigten Kappe 24 zusammengefügt ist. Rohrstück 22,
Kopfblech 23 und ein in das Rohrstück 22 eingreifender
Kolben 25 begrenzen eine Verdichtungskammer 26.
Die Verdichtungskammer 26 kommuniziert über in der Figur schematisch
dargestellte, vorzugsweise einteilig aus dem aus Federstahl bestehenden
Kopfblech 23 geformte Ventile 27, 28 mit zwei
in der Kappe 24 gebildeten Kammern 29, 30. Die
Ventile 27, 28 sind Rückschlagventile, die einen Gasstrom
jeweils nur von der oberen, saugseitigen Kammer 29 in die
Verdichtungskammer 26 bei einer Auswärtsbewegung des Kolbens 25 bzw.
von der Verdichtungskammer 26 in die untere, druckseitige Kammer 30 bei
einer Einwärtsbewegung
des Kolbens 25 zulassen.
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Der
Kolben hat eine dem Kopfblech 23 zugewandte, ebene Stirnfläche 31,
deren Durchmesser deutlich kleiner ist als der der Verdichtungskammer 26.
An ihren Rändern
geht die Stirnfläche 31 kontinuierlich
gekrümmt
in eine der Innenseite des Rohrstückes 22 zugewandte
Mantelfläche 32 über. Die
Mantelfläche 32 kann
in Bewegungsrichtung des Kolbens 25 in drei Abschnitte
gegliedert werden, einen zylindrischen Mittelabschnitt 33,
dessen Durchmesser um höchstens
wenige 10 μm
kleiner als der der Verdichtungskammer 26 ist, so dass
seine Bewegung in dem Rohrstück 22 spielarm
und im wesentlichen schlingerfrei geführt ist, sowie, jeweils an
den Mittelabschnitt 33 angrenzend, einen inneren und einen äußeren Abschnitt 34 bzw. 35,
deren Durchmesser mit zunehmender Entfernung vom Mittelabschnitt 33 kontinuierlich
abnimmt.
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Die
Breite des Spaltes 36 zwischen der Mantelfläche 32 und
der Innenfläche
des Rohrstückes 22 wächst mit
zunehmendem Abstand vom Mittelabschnitt 33 schneller als
linear.
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Der
sich in dieser Weise zur Verdichtungskammer 26 trichterartig
erweiternde Spalt 36 begünstigt das Eindringen von Druckgas
aus der Verdichtungskammer 26, so dass in Höhe des Mittelabschnittes 33 der
Gasstrom durch den an dieser Stelle engen Spalt 36 deutlich
stärker
ist als bei einem Kolben von exakt zylindrischer Gestalt. Durch
diesen Gasstrom ist eine Lagerwirkung entsprechend der eines herkömmlichen
Gasdrucklagers mit Gaszuführung
in den Spalt über
Versorgungsbohrungen realisierbar.
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Die
Gasdrucklagerwirkung ist nur dann kurzzeitig unterbrochen, wenn
zwischen der Verdichtungskammer 26 und der Rückseite
des Kolbens 25 keine Druckdifferenz besteht. Bei einem
Verdichter, bei dem in herkömmlicher
Weise der gesamte Zylinder 21 in einem hermetischen Gehäuse gekapselt
ist und die Rückseite
des Kolbens 25 mit der saugseitigen Kammer 29 kommuniziert,
kann dies am vom Kopfblech 23 abgewandten Wendepunkt der
Kolbenbewegung der Fall sein.
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Falls
auf dem Weg des Gases von der Kolbenrückseite über die saugseitige Kammer 29 und deren
Ventil 27 in die Verdichtungskammer 26 Strömungshindernisse
liegen, die dazu führen,
dass während
einer Auswärtsbewegung
des Kolbens 25 der Druck in der Verdichtungskammer 26 unter
den Druck an der Kolbenrückseite
abfällt – ein solches Strömungshindernis
kann insbesondere das Ventil 27 selbst sein – wird der
Gasstrom im Spalt 36 in jedem Bewegungszyklus des Kolbens
zweimal – jeweils
kurz vor Erreichen des vom Kopfblech 23 abgewandten Wendepunkts
und danach – unterbrochen, und
es kommt zu einer zeitweiligen Umkehrung der Strömungsrichtung des Gases im
Spalt 36 zwischen Kolben 25 und Rohrstück 22.
Um auch diesen in die Verdichtungskammer 26 gerichteten
Gasstrom so zu verstärken,
dass er eine Lagerwirkung entfaltet, nimmt auch im äußeren Abschnitt 35 der
Durchmesser des Kolbens vom Mittelabschnitt 33 zu einer
rückseitigen
Stirnfläche 37 hin
kontinuierlich ab.
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Um
Reibverschleiß durch
eine Berührung von
Kolben 25 und Rohrstück 22 zum
Zeitpunkt des Stillstands des Gasstroms im Spalt 36 zu
minimieren, ist die Mantelfläche 32 des
Kolbens 25 wenigstens in ihrem mittleren Abschnitt 33 und/oder
die Innenfläche
des Rohrstücks 22 mit
einer harten, abriebfesten Beschichtung, z.B. aus Wolframcarbid,
DLC oder dergleichen versehen.
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2 zeigt
schematisch ein Antriebsaggregat, das zum Antreiben der oszillierenden
Bewegung des Kolbens 25 über eine Kolbenstange 38 einsetzbar
ist. Das Antriebsaggregat umfasst zwei E-förmige Joche 1 mit
drei sich paarweise gegenüberliegenden Armen 3, 4, 5.
Die einander zugewandten Enden der Arme 3, 4, 5 bilden
jeweils einen Luftspalt 2 begrenzende Polschuhe 7.
Um die mittleren Arme 4 herum ist jeweils eine Erregerwicklung 8 angebracht.
Die zwei Erregerwicklungen 8 sind durch eine Steuerschaltung
mit Strom beaufschlagbar, wobei die Stromrichtung in den beiden
Erregerwicklungen 8 jeweils so festgelegt ist, dass die
einander gegenüberliegenden Polschuhe 7 der
mittleren Arme 4 ungleichnamige Magnetpole bilden. Die
Polschuhe der äußeren Arme 3 und 5 bilden
jeweils zum benachbarten mittleren Arm 4 ungleichnamige
Magnetpole.
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In
dem Luftspalt 2 ist ein Anker 10 an zwei Federn 11 zwischen
einem oberen und einem unteren (beziehungsweise einem rechten und
linken Umkehrpunkt in der Darstellung der 2) Umkehrpunkt
reversierend beweglich aufgehängt.
Die Stellung des Ankers 10 am oberen Umkehrpunkt ist mit durchgezogenen
Linien, die am unteren Umkehrpunkt gestrichelt dargestellt. Die
Federn 11 sind jeweils aus einem Blechstück ausgestanzte
Blattfedern mit mehreren zickzackförmig verlaufenden Armen 12.
Die Arme 12 einer Feder 11 erstrecken sich jeweils
spiegelbildlich zueinander von einem zentralen Angriffspunkt an
dem Anker 10 zu Aufhängungspunkten 13 an
einem nicht dargestellten starren Gestell, an dem auch die Joche 1 und
der Verdichter verankert sind. Durch diese Gestaltung sind die Federn 11 in
Längsrichtung
des Ankers 10 und in jeder dazu orthogonalen Richtung schwer
verformbar, so dass sie den Anker 10 in seiner Längsrichtung
reversierbar führen.
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Der
im wesentlichen stabförmige
Anker 10 umfasst in seinem mittleren Bereich einen vierpoligen
Permanentmagneten 14. Während
in einer entspannten Stellung der Federn 11, in der die
Arme 12 jeder Feder 11 im wesentlichen in einer
gleichen Ebene liegen, der Magnet 14 zentral in dem Luftspalt 2 platziert
ist und eine Grenzlinie 15 zwischen seinen in 1 linken
und rechten Polen mittig durch die mittleren Arme 4 verläuft, wird
durch Beaufschlagen der Wicklungen 8 mit einem Strom der
Anker 10 je nach Stromrichtung nach links oder nach rechts
ausgelenkt.
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3 zeigt
eine abgewandelte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters,
der ebenfalls mit dem in 2 gezeigten Antriebsaggregat kombinierbar
ist. Der Verdichter hat ein Kopfblech 23 mit Ventilen 27, 28 und
eine Kappe 24 mit Kammern 29, 30, wie
oben mit Bezug auf 1 beschrieben. Ebenso hat der
Kolben 25 einen Aufbau mit einem zylindrischen Mittelabschnitt 33 und
sich zu den Stirnflächen 31 bzw. 37 hin
verjüngenden
inneren und äußeren Abschnitten 34, 35.
In dem Rohrstück 22 ist
eine Hülse 39 aufgenommen,
die zusammen mit dem Kolben 25 und dem Kopfblech 23 die
Verdichtungskammer 26 begrenzt. Zwischen der Hülse 39 und
dem Rohrstück 22 befindet
sich ein ringförmiger
Hohlraum 40, der an seinem vom Kopfblech 23 abgewandten
Ende durch einen O-Ring 41 oder dergleichen abgedichtet
ist und über
eine schräg
durch das Rohrstück 22 und
das Kopfblech 23 verlaufende Bohrung 42 mit der
druckseitigen Kammer 30 kommuniziert.
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Versorgungsbohrungen 43 mit
einem Durchmesser von wenigen 10 μm
kreuzen die Hülse 39. Die
axiale Position der Versorgungsbohrungen 43 ist so gewählt, dass
am von dem Kopfblech 23 abgewandten Umkehrpunkt der Kolbenbewegung,
in der Figur durch einen gestrichelten Umriss des Kolbens 25 dargestellt,
die Versorgungsbohrungen 42 in Höhe des Mittelabschnittes 33 des
Kolbens liegen, während
am dem Kopfblech 23 zugewandten Umkehrpunkt der Kolbenbewegung
eine axiale Überschneidung
der Positionen der Versorgungsbohrungen 43 und des Kolbens 25 nicht
notwendigerweise gegeben sein muss. Wenn sich der Kolben 25 in
der Nähe
dieses dem Kopfblech 23 zugewandten Umkehrpunktes befindet,
ist der Überdruck
in der Verdichtungskammer 26 ausreichend, um einen für die gewünschte Lagerwirkung
ausreichenden Gasstrom durch den Spalt 36 aufrecht zu erhalten.
Wenn sich der Kolben 25 in der Nähe des vom Kopfblech 23 abgewandten
Umkehrpunktes befindet, an dem kein Überdruck in der Verdichtungskammer 26 einen
Gasstrom durch den Spalt 36 antreibt, wird die Druckgaslagerwirkung
durch die Versorgungsbohrungen 43 aufrechterhalten, so
dass es in keiner Phase der Oszillationsbewegung des Kolbens 25 zu
einem Kontakt mit der Hülse 39 kommt.
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Durch
die Wirkung des Ventils 28 wird in der Kammer 30 ein
kontinuierlicher Überdruck
aufrechterhalten, auch während
sich der Kolben 25 von dem Kopfblech 23 fortbewegt.
Dieser kontinuierliche Überdruck
erlaubt eine kontinuierliche Speisung der Versorgungsbohrungen 43 mit
Druckgas. Denkbar ist aber auch, die Durchgangseigenschaften der Bohrung 42 und
des Hohlraumes 40 so zu optimieren, dass ein Druckstoß, der in
der Kammer 30 immer dann auftritt, wenn das Ventil 28 öffnet und
komprimiertes Gas aus der Verdichtungskammer 26 in die Kammer 30 nachströmt, sich
durch die Bohrung 42 und den Hohlraum 40 ausbreitet
und die Versorgungsbohrungen 43 dann erreicht, wenn sich
der Kolben 25 vor diesen Versorgungsbohrungen 43 befindet.
Hierdurch kann die für
die Lagerung des Kolbens 25 benötigte Druckgasmenge weiter
reduziert werden.
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Da
nur eine relativ kleine Zahl von Versorgungsbohrungen 43 benötigt wird,
ist auch hier eine Verringerung des Fertigungsaufwandes im Vergleich zu
einem herkömmlichen
druckgasgelagerten Verdichter mit axial verteilten Versorgungsbohrungen
realisierbar.
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Eine
harte Beschichtung wie oben beschrieben kann auch bei dieser Ausgestaltung
am Kolben 25 und/oder dem Rohrstück 22 vorgesehen sein,
um Reibverschleiß jeweils
bei Inbetriebnahme des Verdichters, wenn der Druck in der Kammer 30 noch nicht
ausreicht, um an den Versorgungsbohrungen 43 Lagerwirkung
zu entfalten, zu vermeiden.
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4 zeigt
einen zu 1 und 3 analogen
Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters.
Auch hier sind die Kappe 24, das Kopfblech 23 und
der Kolben 25 mit den in 1 gezeigten
identisch. Der Innenraum des Rohrstückes 22 ist lediglich
an seinem vom Kopfblech 23 abgewandten Ende erweitert,
und in die Erweiterung ist eine Hülse 44 eingefügt, die
an eine Schulter 48 der Erweiterung anschlägt und deren
Innenfläche
mit der Innenfläche
des nicht erweiterten Teiles des Rohrstückes 22 bündig abschließt. Rohrstück 22 und
Hülse 44 begrenzen
einen Ringkanal 45, der über eine Bohrung 42 mit
der druckseitigen Kammer 30 kommuniziert.
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5 zeigt
eine frontale Ansicht der Hülse 44.
Man erkennt, dass in eine Stirnseite 46 der Hülse, die
im montierten Zustand an einer die Aufweitung begrenzenden Schulter
des Rohrstückes 22 anliegt, in
Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte
Kerben 47 eingeprägt
sind. Anders als Bohrlöcher
sind die Kerben 47 mit einer Breite und Tiefe von wenigen
10 μm und
einer praktisch beliebigen Länge
gleichzeitig und mit geringem Aufwand realisierbar. Zusammen mit der
Schulter 48 des Rohrstückes 22 begrenzen
sie Versorgungsdurchgänge 43, über die
Druckgas aus dem Ringkanal 45 ins Innere des Rohrstückes 22 einströmen und
den Kolben 25 in der Umgebung seines vom Kopfblech 23 abgewandten
Umkehrpunktes gelagert halten kann.