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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenkühlvorrichtung für
Kolbenmaschinen mit oszillierender, translatorischer Bewegung des
Kolbens und der Kolbenstange, welche beispielsweise für
Prozessgaskompressoren eingesetzt wird. Das Anwendungsgebiet der
Kolbenkühlvorrichtung liegt allgemein bei gattungsgemäßen
Kolbenverdichtern und insbesondere bei solchen, die mit trockenlaufenden
Kolbenringen ausgestattet sind.
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Prozessgaskompressoren
werden immer häufiger mit ungeschmierten Kolbenringen aus
Polymermischungen ausgerüstet. Der ölfreie Betrieb
von Kolbenmaschinen bringt zwar eine Reihe von Vorteilen, aber auch
einige bemerkenswerte Nachteile. In Bezug auf den Stand der Technik
ist der Nachteil bekannt, dass über die Kunststoffkolbenringe
nur wenig Wärme vom Kolben an die Zylinderwand übertragen werden
kann. Der Kolben wird deshalb deutlich warmer als bei vergleichbaren ölgeschmierten
Kompressoren. Durch die daraus resultierende höhere Temperatur
im Zylinderraum werden Liefergrad und Wirkungsgrad des Kompressors
verkleinert. Auch die Lebensdauer der Kolbenringe wird durch den
Trockenlauf bei höheren Temperaturen reduziert.
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Ein ähnliches
Problem tritt an der ebenfalls trockenlaufenden Kolbenstangendichtung
auf. An dieser entsteht deutlich mehr Reibungswarme als an einer ölgeschmierten
Kolbenstangendichtung, wodurch sich die Kolbenstange lokal sehr
stark erwärmen kann. Dies führt unter anderem
zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Kolbenstangendichtung.
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Somit
wird in Bezug auf den Stand der Technik vielfältig nach
Methoden gesucht, wie mit konstruktiven und ökonomisch
einfachen Mitteln Wärme aus dem Kolben und der Kolbenstange
abgeführt werden kann.
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Nach
der
DE 44 05 091 A1 wird
für Zweitaktverbrennungsmotoren eine Wärmerohrvorrichtung, insbesondere
eine Vorrichtung zum Kühlen von Schwingungen ausführenden
Motorteilen, offenbart, welche durch die Verwendung einer motorspezifischen
Einrichtung für die Wärmeabführung von
dem zu kühlenden Motorteil zu einer Wärmesenke
in Form eines hermetisch geschlossenen Wärmeabführrohres
gekennzeichnet ist. Das Wärmeabführrohr steht mit
einem Ende in Wärmeübertragungskontakt mit dem
zu kühlenden Motorteil, hier der Kolben eines Zweitaktverbrennungsmotors,
und steht mit dem anderen Ende in thermischem Kontakt mit der Wärmesenke.
Dabei wird der Heatpipeeffekt ausgenutzt, bei dem phasenwechselnde
Arbeitsmittel in sich längs erstreckenden abgeschlossenen
Hohlräumen eingeschlossen sind. Die Wärmerohre
verbinden Orte höherer Temperatur mit Orten niedrigerer
Temperatur thermisch derart, dass das Arbeitsmittel am Ort höherer
Temperatur Wärme aufnimmt und verdampft, der Dampf zum
Ort niedrigerer Temperatur strömt und dort die Wärme
kondensierend abgibt. Das kondensierte Arbeitsmittel strömt
in dem Wärmerohr dann wieder zurück zum Ort der
Wärmeaufnahme.
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Ein
bekanntes Problem bei Wärmerohren ist die Ausgestaltung
des Stofftransports des Arbeitsmediums des Wärmerohres.
Probleme bestehen insbesondere dann, wenn das Kondensat nicht durch
die Schwerkraft zum Ort der höheren Temperatur gelangt.
Es ist bekannt, in solchen Fällen Kapillarstrukturen vorzusehen,
die es dem flüssigen Arbeitsmittel gestatten, durch die
Kapillarkräfte auch entgegen der Schwerkraft zum Ort der
höheren Temperatur zu gelangen, um dort erneut zu verdampfen
und als Dampf in den Bereich der niedrigeren Temperatur zur Kondensation
zu strömen. Derartige Kapillarstrukturen sind allerdings
in ihrer Effizienz begrenzt, und insbesondere entsteht bei Kolbenmaschinen
mit oszillierenden Bewegungen des Kolbens und der Kolbenstange das
Problem, dass die auf das Arbeitsmittel wirkenden Kräfte
aufgrund der Oszillation ein Vielfaches der Gewichtskraft betragen
und die Kapillarkräfte übersteigen, so dass eine
verlässliche Förderung des Arbeitsmittels zum
Ort der höheren Temperatur nicht sicher gewährleistet
beziehungsweise zu wenig effizient ausgestaltet ist.
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Nach
der
DE 197 12 090
C1 wird eine Hubkolbenbrennkraftmaschine offenbart, die
eine Kühlung des Kolbens und der Kolbenstange durch eine spezielle
Bauweise der Kolbenstange mit Ausnehmungen und einer Kühlung
mittels eines Kühlmittels ausgestaltet ist. Diesem System
haftet der Nachteil an, dass eine direkte Kühlung der Kolbenstange durch
Kühlmittel nur in wenigen Fällen realisierbar und
zudem konstruktiv äußerst aufwändig und
kostenintensiv ist.
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Nach
der
DE 199 62 325
A1 wird eine Hubkolbenmaschine offenbart, bei der wiederum
die Kolbenstange mit Kühlmittel beaufschlagbar ist, wobei
in der Kolbenstange eine Steigleitung vorgesehen ist und im Bereich
des umlaufenden Kolbenmantels achsparallele Kühlbohrungen
vorhanden sind, die über radiale Entsorgungskanäle
mit einer in der Kolbenstange vorgesehenen Rücklaufleitung
kommunizieren. Wiederum ist die konstruktive Ausgestaltung kompliziert
und damit störungsanfällig und kostenaufwändig.
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Dem
genannten Stand der Technik haften diverse Nachteile an. Systeme
mit Wärmerohr sind auf kapillare Strukturen zur Realisierung
des Transports des Kondensats entgegen der Schwerkraft beschränkt.
Systemen mit zusätzlichen Kühlvorrichtungen haftet
der Nachteil an, dass sie technisch aufwändig und nur in
Einzelfällen realisierbar sind, weil die Kühlsysteme
zusätzliche oder zu adaptierende Kühlmittelkreisläufe
erfordern, was zu technischen Zusatzaufwendungen führt,
welche die Systeme unadäquat verteuern.
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Im
Unterschied zu den Lösungsansätzen für Verbrennungsmotoren
sind für Prozessgaskompressoren nach dem Hubkolbenprinzip
Erfolg versprechende Lösungsansätze nicht bekannt.
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Somit
stellt sich die Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenkühlvorrichtung
für Kolbenmaschinen zur Verfügung zu stellen,
die einfach aufgebaut und effizient eine Wärmeübertragung
vom Kolben und der Kolbenstange an die Umgebung ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kolbenkühlvorrichtung
für Kolbenmaschinen gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Die
erfindungsgemäße Kolbenkühlvorrichtung
für Kolbenmaschinen mit oszillierender, translatorischer
Bewegung des Kolbens und der Kolbenstange ist konstruktiv- und verfahrensmäßig
dadurch gekennzeichnet, dass der eine höhere Temperatur aufweisende
Kolben mit einer Kolbenstange und diese wiederum mit einem eine
niedrigere Temperatur aufweisenden Befestigungselement thermisch
leitend verbunden ist. Eine effiziente thermische Leitung wird dadurch
erreicht, dass die Kolbenstange und der Kolben ein gemeinsames Innenvolumen
aufweisen, in welchem ein Arbeitsfluid zur Wärmeübertragung
eingeschlossen und angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind
Mittel zur Beeinflussung der Strömung und Strömungsrichtung
des Arbeitsfluids derart an der Kolbenstange vorgesehen, dass das
Arbeitsfluid durch diese Mittel und die oszillierende, translatorische
Bewegung der Kolbenstange zwischen den Orten verschiedener Temperatur
auch zwangsgeführt zur Kühlung des Kolbens und
Wärmeabgabe über das Befestigungselement zirkuliert.
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Die
Konzeption der Erfindung besteht somit darin, dass Mittel zur Erzeugung
einer gezielten Zirkulation des Arbeitsmittels im Innenvolumen vorgesehen
sind.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Mittel zur Beeinflussung
der Strömung und Strömungsrichtung des Arbeitsfluids
eine Oberflächenstruktur ausgebildet, die im Gegensatz
zu einer kapillaren Struktur nach dem Stand der Technik in Strömungsrichtung
des Arbeitsfluids alternierend einen engen und einen weiten Querschnitt
bildet.
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Als
besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn der Querschnitt in
Strömungsrichtung des Arbeitsfluids zunächst langsam
stetig sich verengt und sich dann schlagartig weitet. Derartige
Strukturen erinnern an Düsen oder Venenklappen, wobei die Strukturen
starr oder flexibel ausgebildet sind.
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Ein
Rückströmen des Arbeitsfluids wird durch das Auffangen
des Fluids bei einer Gegenbewegung durch die Oszillation der Kolbenstange
teilweise verhindert. Bewegt sich die Kolbenstange nun wiederum
in Richtung der Schwerkraft beispielsweise nach unten, so strömt
wegen der Trägheitskräfte das Arbeitsfluid durch
den sich verengenden Querschnitt nach oben, um anschließend
in die nächste Ebene – nach Aufweitung des Querschnitts – einzuströmen
und wiederum bei der Abwärtsbewegung der Kolbenstange durch
die sich bildenden taschenartigen Strukturen zurückgehalten
zu werden.
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Alternativ
zu der geschilderten Ausgestaltung der Mittel zur Beeinflussung
der Strömung und Strömungsrichtung des Arbeitsfluids
können auch Rückschlagventile vorteilhaft vorgesehen
werden.
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Nach
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist
neben dem Kolben und der Kolbenstange auch das Befestigungselement
der Kolbenstange ein Innenvolumen auf, welches mit dem Innenvolumen
der Kolbenstange und dem Innenvolumen des Kolbens verbunden ist.
Dadurch wird die Wärmeleitung durch das Wärmerohr
vom Kolben über die Kolbenstange bis zum Befestigungselement
hin ermöglicht.
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Eine
vorteilhafte konstruktive Ausgestaltung des Befestigungselements
ist die Ausbildung als Kreuzkopfgelenk. Eine vorteilhafte Weiterbildung
dieser Gestaltung besteht darin, dass der Kreuzkopf in einer als
Wärmeübertrager ausgebildeten Kreuzkopfführung
angeordnet ist, wobei die Kreuzkopfführung als Wärmesenke
ausgebildet ist.
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Prinzipiell
ist festzustellen, dass die Kolbenkühlvorrichtungen mit
phasenwechselnden Kältemitteln aber auch mit Einphasenarbeitsmitteln
als Arbeitsfluid betreibbar sind.
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Eine
höhere Effizienz der Wärmeübertragung
wird aber üblicherweise dadurch erreicht, dass als Arbeitsfluid
ein phasenwechselndes Kältemittel vorgesehen ist.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das
Innenvolumen der Kolbenstange zumindest über einen Teilbereich
in zumindest zwei Kanäle geteilt, wobei die Kanäle
beispielsweise durch eine Zwischenwand im Innenvolumen im Bereich
der Kolbenstange gebildet werden können.
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Alternativ
dazu ist die Bildung der Kanäle beispielsweise durch koaxiale
Zylinder in der Kolbenstange ausbildbar.
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Um
das Arbeitsfluid austauschen oder auffüllen zu können,
ist das Innenvolumen der Kolbenkühlvorrichtung über
einen Anschluss evakuierbar und mit Arbeitsfluid befüllbar
ausgestaltet.
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Besonders
vorteilhaft an der dargestellten Erfindung ist, dass der Liefergrad,
der Wirkungsgrad und die Zuverlässigkeit von ungeschmierten
Kolbenkompressoren mit der dargestellten Erfindung deutlich verbessert
werden können.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die Oberflächenstrukturen
relativ einfach mechanisch erzeugt werden können und im
Unterschied zu kapillaren Strukturen auch robuster ausgebildet sind
und nicht durch Verschmutzungen Funktionsbeeinträchtigungen
erleiden.
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Weitere
Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen
mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
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1:
Kolbenkühlvorrichtung mit Mitteln zur Beeinflussung der
Strömung und der Strömungsrichtungsrichtung des
Arbeitsfluids im Bereich der Kolbenstange und
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2:
Kolbenkühlvorrichtung mit Rückschlagventilen.
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Die
dargestellten Ausführungen finden insbesondere Anwendung
bei doppelt wirkenden Kolbenkompressoren, bei denen die Kolbenstange
entweder senkrecht mit einem warmen Ende oben oder horizontal angeordnet
ist. Die Kolbenstange bewegt sich oszillierend in ihrer Längsrichtung
mit einer mittleren Kolbengeschwindigkeit von zwei Meter pro Sekunde
bis fünf Meter pro Sekunde bei einer Frequenz von fünf
Hertz bis zwanzig Hertz. Dies ist gleichbedeutend mit einer Beschleunigung
von 20 bis 600 Meter pro Quadratsekunde, also zwei bis sechzig g. Da
die Beschleunigung größer ist als die Erdanziehung,
ist die Kolbenstange in der Lage, Flüssigkeit bei einem
phasenwechselnden Kältemittel auch gegen die Erdanziehung
aufwärts zu beschleunigen. Somit wird konzeptionsgemäß für
den Transport der Flüssigkeit im Wärmerohr in
der Kolbenstange die Trägheitskraft nutzbar gemacht.
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Die
Konzeption der Erfindung bedient sich konsequent der Ausnutzung
der Trägheitskräfte des Arbeitsfluids bei oszillierender,
translatorischer Bewegung. Durch die technisch und konstruktiv relativ einfach
ausbildbaren Mittel zur Beeinflussung der Strömung und
Strömungsrichtung des Arbeitsfluids, insbesondere durch
die schuppenartigen Oberflächenstrukturen des Innenvolumens
oder die Rückschlagventile, wird erreicht, dass das kondensierte Arbeitsfluid
unstetig in eine Richtung – auch entgegengesetzt zur Gewichtskraft – gefördert
wird und das Zurücklaufen entgegen der Förderrichtung
durch die eingesetzten technischen Mittel verhindert bzw. reduziert
wird.
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In
der Konfiguration nach 1 wird die Kolbenstange 2 hohl
ausgeführt. Der Hohlraum ist mit dem Arbeitsfluid 7 gefüllt.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung mit verschiedenen Kanälen 15, 16 innerhalb
des Innenvolumens 5 über den Bereich der Kolbenstange 2.
Durch einen Kanal 15 strömt warmes Arbeitsfluid 7 vom
Kolben 1 zum Kreuzkopf 3, wohingegen durch den
anderen Kanal 16 kälteres Arbeitsfluid 7 vom
Kreuzkopf 3 zum Kolben 1 strömt.
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Alternativ
kann durch den Einbau – gemäß 2 – von
einem oder zwei Rückschlagventilen 11 sichergestellt
werden, dass die Strömung in den beiden Kanälen 15, 16 jeweils
nur in die gewünschte Richtung erfolgt.
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Bei
den eingesetzten Arbeitsfluiden 7, die phasenwechselnd
Flüssigkeitsdampfgemische bilden, wird der Dampf üblicherweise
selbstständig vom Kolben 1 zum Kreuzkopf 3 strömen;
für das Fließen des Kondensats vom Kreuzkopf 3 zum
Kolben 1 sind jedoch die erfindungsgemäßen
besonderen Mittel 9 zur Beeinflussung der Strömung
und Strömungsrichtung einzusetzen. Der Transport der kondensierten Phase
des Arbeitsfluids 7 wird durch die oszillierende Bewegung
der Kolbenstange 2 angetrieben und durch Rückschlagventile 11 oder
die Mittel 9 zur Beeinflussung der Strömung und
Strömungsrichtung in Form von schuppenartigen oder düsenartigen
Strukturen in der Flüssigkeitsleitung 16 gerichtet
zurückgeführt.
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In
den 1 und 2 ist der grundsätzliche
Aufbau dargestellt, wobei das Arbeitsfluid 7 als Dampf
durch den inneren Kanal 15 zum Kreuzkopf 3 strömt und
das Kondensat im einen Ringraum bildenden Kanal 16 zum
Kolben 1 gefördert wird. Durch das im äußeren
Kanal 16 strömende Kondensat wird eine optimale
Kolbenstangenkühlung realisiert.
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Alternativ
ist die umgekehrte Anordnung der Kanäle 15 und 16 ausbildbar.
Dabei ist das Arbeitsfluid 7 und insbesondere der Dampf
im einen Ringraum bildenden äußeren Kanal 15 und
das Arbeitsfluid 7 als Kondensat im ein Innenrohr bildenden
Kanal 16 vorgesehen. Wiederum alternativ sind auch nicht
dargestellte nebeneinanderliegende Kanäle 15, 16 zur
Förderung der Fluide in der Kolbenstange 2 ausbildbar.
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Besonders
bevorzugt ist jedoch die koaxiale Ausbildung der Kanäle 15 und 16 in
der in den 1 und 2 dargestellten
Weise.
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In 1 ist
schematisch eine Kolbenkühlvorrichtung für Kolbenmaschinen
mit oszillierender und translatorischer Bewegung des Kolbens 1 und
der Kolbenstange 2 dargestellt. Dabei befindet sich innerhalb
der Zylinderwand 13 der Kolben 1, welcher mit
der Zylinderwand 13 über einen Führungsring/Kolbenring 12 in
Kontakt steht. Die translatorische Bewegung in Längsrichtung 4 ist
durch einen Doppelpfeil dargestellt. Der Kolben 1 ist mit
der Kolbenstange 2 verbunden, und die Kolbenstange 2 ist mit
dem Befestigungselement 3, welches als Kreuzkopf 3 ausgebildet
ist, verbunden. Die Elemente Kolben 1, Kolbenstange 2 und
Kreuzkopf 3 weisen ein gemeinsames Innenvolumen 5 auf,
in welchem ein Arbeitsfluid 7 angeordnet ist. Das Kreuzgelenk
beziehungsweise der Kreuzkopf 3 gleitet in einer Kreuzkopfführung 8,
welche als Wärmeübertrager und Wärmesenke
ausgebildet ist. Der Kreuzkopf 3 bildet damit das kalte
Ende des durch das Innenvolumen 5 gebildeten Wärmerohrs,
und der Teil des Innenvolumens 5 im Kolben 1 bildet
das warme Ende des Wärmerohrs. Die Wärmeleitung
vom warmen Ende an das kalte Ende erfolgt durch das Arbeitsfluid 7,
welches im Falle eines phasenwechselnden Kältemittels in
Form von Kältemitteldampf 7b vom warmen Ende zum
kalten Ende strömt und an den Wärmeübertragerflächen
des Kreuzkopfes 3 kondensiert.
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Die
Kolbenstange 2 bewegt sich in einer Kolbenstangendichtung 14 und
weist zumindest im Bereich der Kolbenstange 2 bzw. einem
Teilbereich davon eine Zwischenwand 10 auf, die in der
dargestellten Ausgestaltung als koaxial angeordneter Innenzylinder
ausgeführt ist.
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Unmittelbar
am Kreuzkopf 3 ist ein Anschluss 6 zur Evakuierung
und Füllung des Innenvolumens 5 mit Arbeitsfluid 7 vorgesehen,
um Leckagen des Arbeitsfluids 7 auszugleichen oder das
Arbeitsfluid wechseln zu können.
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Beide
Ausgestaltungen nach 1 oder 2 haben
jeweils spezifische Vorteile.
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Gemeinsam
ist den eingesetzten Mitteln 9 oder 11, dass sie
mechanisch wirken und den Rückfluss des Kondensats in den
kalten Teil des Innenvolumens 5 verhindern bzw. reduzieren.
Diese Wirkung wird sowohl durch geeignet dimensionierte Rückschlagventile 11 als
auch durch Oberflächenstrukturen erreicht. Derartige Oberflächenstrukturen
sind schuppenartig oder auch düsenartig ausgebildet. Der Effekt
ist jeweils, dass die Strömung des Kondensats in einer
Richtung ohne größere Beeinträchtigung
ermöglicht und in der anderen Richtung jedoch erschwert
bzw. verhindert wird. Dabei können die Oberflächenstrukturen
starr oder teilweise flexibel ausgebildet sein. Die flexible Ausbildung
der Strukturen in der Art von Venenklappen beispielsweise führt
zu besonders vorteilhafter Effizienz der Mittel 9, 11,
wohingegen fertigungstechnisch unaufwändiger starr gestaltete
Mittel 9 immer noch eine hervorragende Brauchbarkeit aufweisen.
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- 1
- Kolben
- 2
- Kolbenstange
- 3
- Kreuzkopf,
Befestigungselement
- 4
- Längsrichtung
- 5
- Innenvolumen
- 6
- Anschluss
- 7
- Arbeitsfluid,
Arbeitsmittel
- 7a
- Kondensat
- 7b
- Dampf
- 8
- Kreuzkopfführung
- 9
- Mittel
zur Beeinflussung der Strömung und Strömungsrichtung,
Oberflächenstruktur
- 10
- Zwischenwand
- 11
- Rückschlagventil
- 12
- Führungsring/Kolbenring
- 13
- Zylinderwand
- 14
- Kolbenstangendichtung
- 15
- Warmer
Kanal
- 16
- Kalter
Kanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 4405091
A1 [0005]
- - DE 19712090 C1 [0007]
- - DE 19962325 A1 [0008]