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Die Erfindung betrifft eine Kolben-Zylinder-Einheit mit einem im Zylinder fluiddruckgelagerten linear bewegbaren Kolben gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei derartigen Kolben-Zylinder-Einheiten besteht dann, wenn der Druck im Kompressionsraum größer ist als der Druck im Lagerspalt die Gefahr, dass der Kolben durch asymmetrisch in den Lagerspalt eintretendes Fluid aus dem Kompressionsraum aus seiner mit dem Zylinder koaxialen Lage seitlich verkippt wird, wodurch sich zumindest partiell die Dicke des Lagerspalts verändert und wodurch in Folge die Tragfähigkeit des Fluiddrucklagers zwischen dem Zylinder und dem Kolben schlagartig abnimmt. Insbesondere dann, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit als Kompressor ausgestaltet ist, ist aber die Kippstabilität des Kolbens zu gewährleisten.
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Aus der
DE 10 2004 061 941 A1 , deren Offenbarung in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung vollumfänglich einbezogen wird, ist bereits eine Kolben-Zylinder-Einheit bekannt, die eine erhöhte Kippstabilität des Kolbens ermöglicht. Diese vorbekannte Kolben-Zylinder-Einheit ist in
1 als Stand der Technik dargestellt. Diese Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Kolben-Zylinder-Einheit
1 mit einem Zylinder
2 und einem Kolben
3. Der Zylinder ist mit einer Zylinderbohrung
10 versehen, in der der Kolben
3 in Richtung der Längsachse X der Zylinderbohrung
10 hin und her bewegbar und frei geführt aufgenommen ist. Der Kolben
3 ist über eine Kolbenstange
4 mit einem (nicht gezeigten) Antrieb oder Abtrieb verbunden. Die an einem Zylinderkopf
23 ausgebildete Zylinderstirnwand
12, die den stirnseitigen Abschluss der Zylinderbohrung
10 bildet, die Innenumfangswand
14 der Zylinderbohrung
10 und die Kolbenstirnwand
16 begrenzen das Zylindervolumen und bilden einen Kompressionsraum
18.
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In die Zylinderstirnwand 12 mündet ein mit einem schematisch gezeigten Ventil 20 versehener Einlasskanal 22. Ebenfalls in der Zylinderstirnwand 12 ist ein Auslasskanal 24 vorgesehen, der ebenfalls ein entsprechendes Auslassventil 26 aufweist; auch dieser Auslasskanal mündet in die Zylinderbohrung 10.
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Wird der Kolben in 1 nach rechts bis zu der gestrichelt gezeigten Lage des Kolbens 3 bewegt, in der dieser seinen oberen Totpunkt OT erreicht, wo er seine Bewegungsrichtung umkehrt, so wird das im Zylindervolumen 18 befindliche Fluid, das beispielsweise gasförmig ist, wenn es sich bei der Kolben-Zylinder-Einheit um einen Kompressor handelt, komprimiert. Das Zylindervolumen 18 bildet dann einen Kompressionsraum. Wenn dann das Auslassventil 26 öffnet, strömt das komprimierte Fluid aus dem Kompressionsraum 18 durch den Auslasskanal 24, beispielsweise zu nachgeschalteten Verbrauchern, ab.
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Ein Teil des ausgestoßenen Fluids wird aus dem Auslasskanal 24 durch einen Verbindungskanal 28, der im Zylinderkopf 23 und im Gehäuse 21 des Zylinders 2 vorgesehen ist, in Ringkanäle 30, 32, 34 geleitet, die ebenfalls im Gehäuse 21 des Zylinders 2 vorgesehen sind und die die Zylinderbohrung 10 ringförmig umgeben. Die Ringkanäle 30, 32, 34 sind in Richtung der Längsachse X der Zylinderbohrung voneinander beabstandet. Jeder der Ringkanäle 30, 32, 34 ist mit einer Mehrzahl von Mikrolöchern 30', 32', 34' versehen, die über den Umfang der Zylinderbohrung 10 gleichmäßig verteilt den jeweiligen Ringkanal 30, 32, 34 mit dem Inneren der Zylinderbohrung 10 verbinden und dabei die Innenumfangswand 14 des Zylinders durchdringen. Die Mikrolöcher 30', 32', 34' eines jeden Ringkanals 30, 32, 34 bilden so eine jeweilige ringförmige Düsenanordnung 30'', 32'', 34''. Druckfluid, vorzugsweise unter Druck stehendes Gas wie zum Beispiel Druckluft, welches durch den Verbindungskanal 28 in die Ringkanäle 30, 32, 34 geleitet wird, kann somit durch die Mikrolöcher 30', 32', 34' austreten und in einem Lagerspalt 19 zwischen einer zylinderseitigen Lagerfläche 15 auf der Innenumfangswand 14 des Zylinders 2 und einer kolbenseitigen Lagerfläche 38 auf der Außenumfangswand 36 des Kolbens ein den Kolben seitlich abstützendes Fluidpolster, beispielsweise ein Gaspolster, ausbilden.
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Der der Zylinderstirnwand 12 nächstgelegene erste Ringkanal 30 mit den ihm zugeordneten Mikrolöchern 30' ist in einem Bereich gelegen, in dem der Kolben die Mikrolöcher 30' nur dann abdeckt, wenn er sich in der Nähe der Kompressionsstellung, also des oberen Totpunkts OT, befindet, also dann, wenn das Zylindervolumen 18 minimiert ist. In diesem Fall deckt der Kolben 3 die vorderen, ersten Mikrolöcher 30' mit der Lagerfläche 38 im vorderen Bereich 3'' ab. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass der Kolbenabschnitt, der der Kolbenstirnwand 16 benachbart ist, in seiner Lage nahe dem oberen Totpunkt OT seitlich stabilisiert ist, so dass die Gefahr, dass der Kolben durch aus dem Kompressionsraum in den Lagerspalt eintretendes Fluid seitlich ausgelenkt wird, im Wesentlichen ausgeschlossen ist.
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Der zweite Ringkanal 32 ist so angeordnet, dass die ihm zugeordneten Mikrolöcher 32' stets vom sich bewegenden Kolben 3 abgedeckt sind, so dass die Mikrolöcher 32' über den gesamten axialen Bewegungsweg des Kolbens 3 zur Bildung des tragenden Gaspolsters zwischen der Innenumfangswand 14 des Zylinders 2 und der Außenumfangswand 36 des Kolbens 3 beitragen.
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Der dritte Ringkanal 34 ist am weitesten von der Zylinderstirnwand 12 entfernt. Die dem dritten Ringkanal 34 zugeordneten Mikrolöcher 34' sind somit nur dann vom Kolben 3 überdeckt, und zwar von der Lagerfläche 38 im hinteren Bereich 3' des Kolbens, wenn sich der Kolben 3 im Bereich seiner zurückgezogenen Position befindet, in der das Zylindervolumen maximal ist.
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Diese bekannte Kolben-Zylinder-Einheit stützt zwar den Kolben in seinem vorderen Umfangsbereich auch in der oberen Totpunktlage ab, doch ist nicht auszuschließen, dass aus dem Kompressionsraum 18 in den Lagerspalt eintretendes Druckfluid eine seitliche Kraft auf den Kolben ausübt, weil der Abstand zwischen der Kolbenstirnwand und dem Auftreffort des aus den Mikrolöchern 30' austretenden Lager-Druckfluids am Kolbenumfang aufgrund der Kolbenbewegung variiert.
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Aus der
JP 2002 349 435 A ist ein Linearkompressor mit einem luftgelagerten Kolben bekannt, bei welchem der Kolben in seinem in Axialrichtung mittleren Abschnitt mit einer Umfangsnut versehen ist. Diese Umfangsnut bewirkt einen Druckausgleich entlang des Umfangs des Kolbens und damit einen in Umfangsrichtung wirkenden Druckausgleich im Lagerspalt. Tritt bei diesem bekannten Linearkompressor Druckluft aus dem Kompressionsraum in den Lagerspalt an einer Stelle des Lagerspalts in diesen ein, so werden die Kräfte, die ein Verkippen des Kolbens bewirken würden, durch den von der Umfangsnut bewirkten Druckausgleich schnell kompensiert, so dass sich der Kolben schnell wieder in seine mit der Zylinderachse koaxiale Lage zurückbewegt oder – im Idealfall – diese Lage gar nicht erst verlässt.
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Diese umlaufende Nut schwächt nicht nur die unerwünschte Querkraft, sondern auch das Luftlager, wodurch die Tragfähigkeit der Luftlagerung herabgesetzt ist.
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Die
DE 10 2008 007 661 A1 zeigt einen Linearverdichter mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolben von einem Linearmotor zu einer reziprozierenden Bewegung angetrieben wird. Der Kolben ist im Zylinder gasdruckgelagert, wozu die Zylinderwandung mit einer Vielzahl von Düsenöffnungen versehen ist. Der Kolben ist an seiner Stirnseite über den Umfang mit einer Vielzahl von Schrägbohrungen oder Radialschlitzen versehen, die sich vom Kolbenboden zum Kolbenumfang erstrecken. Durch diese Bohrungen bzw. Schlitze soll ein Druckausgleich zwischen den Räumen beiderseits des Kolbens stattfinden.
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Aus der
DE 81 32 123 U1 ist eine Gaslagerung einer Kolben-Zylinder-Einheit bekannt, bei der zwischen dem Kompressionsraum und einem Druckraum des Gaslagers eine Fluidverbindung vorgesehen ist.
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Die
US 5 140 905 zeigt und beschreibt einen gasgelagerten Kolben in einer Kolben-Zylinder-Einheit, bei dem im vorderen Endabschnitt Umfangsnuten vorgesehen sind, die isoliert in die Umfangswand eingebracht sind. Diese Umfangsnuten sollen das Gaslager vom oszillierenden Druck im Kompressionsraum isolieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit anzugeben, die auch bei hochdynamischen Anwendungen, also dann, wenn die Kolben-Zylinder-Einheit mit einer hohen Arbeitsfrequenz läuft, eine gesicherte seitliche Abstützung des Kolbens im Bereich der Kolbenstirnwand auch dann gewährleistet, wenn sich der Kolben im Bereich seines oberen Totpunkts befindet und somit der Druck im Kompressionsraum maximal ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Diese erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit weist einen im Zylinder fluiddruckgelagerten linear bewegbaren Kolben auf, wobei der Zylinder, eine Stirnwand des Kolbens und eine Zylinderstirnwand einen Kompressionsraum umgeben, der im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens minimal ist. Dieser Kompressionsraum steht mit einem zwischen einer Zylinderinnenumfangswand und einer Kolbenaußenumfangswand gebildeten Lagerspalt in Fluidverbindung. In zumindest einer Querschnittsebene des Zylinders münden eine Mehrzahl von Fluidaustrittsdüsen in den Lagerspalt, die in der Zylinderinnenumfangswand entlang des Umfangs angeordnet sind.
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Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kolben mit einer Umfangsnut versehen ist, in die eine Abluftleitung mündet, dass die Abluftnut in einem der Kolbenstirnwand benachbarten Umfangsabschnitt des Kolbens ausgebildet ist und dass die Abluftleitung in die Abluftnut eintretendes Druckfluid zu einem Druckniveau ableitet, das niedriger ist als der Druck im Kompressionsraum, wenn sich der Kolben in seinem oberen Totpunkt befindet oder sich in der Nähe des oberen Totpunkts auf den oberen Totpunkt zu bewegt.
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Durch das Vorsehen einer solchen Abluftleitung in der Umfangsnut wird über die Lehre aus dem Stand der Technik hinaus nicht nur ein Druckausgleich entlang des Umfangs des Kolbens, also entlang des Umfangs des Lagerspalts, vorgesehen, sondern darüber hinaus wird in diese Umfangsnut eintretendes Druckfluid zu einem niedrigeren Druckniveau abgeleitet, was dazu führt, dass aus dem Kompressionsraum in den Lagerspalt eintretendes Druckfluid für das durch die Mikrolöcher in den Lagerspalt eintretende Lager-Druckfluid keine Barriere darstellt. Dadurch wird verhindert, dass sich die Tragfähigkeit des Lagers verschlechtert, wenn sich der Kolben in der Nähe des oberen Totpunkts oder im oberen Totpunkt befindet und der Druck im Kompressionsraum wesentlich höher ist als der Lager-Fluiddruck.
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Durch die Anordnung der Abluftnut in einem der Kolbenstirnwand benachbarten Umfangsabschnitt des Kolbens wird ermöglicht, dass aus dem Kompressionsraum in den Lagerspalt eintretendes Druckfluid bereits unmittelbar nach dem Eintreten in den Lagerspalt abgeleitet wird, so dass die auf den Kolben einwirkenden Querkräfte minimiert sind.
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Das Lager-Druckfluid kann somit auch in Richtung der Umfangsnut strömen, wodurch die Tragfähigkeit des Fluiddrucklagers zwischen Kolben und Zylinder deutlich verbessert wird.
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Vorzugsweise steht die Abluftnut mit einem Raum in Fluidverbindung, in dem das niedrigere Druckniveau herrscht.
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Vorzugsweise ist zwischen der Kolbenstirnwand und der Abluftnut eine Druckausgleichs-Umfangsnut vorgesehen, die bewirkt, dass der Druck im Lagerspalt entlang des Kolbenumfangs stets ausgeglichen wird und es zu keiner asymmetrischen Druckverteilung kommt. Der Kolben behält dadurch stets seine zentrierte Position bei.
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In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Kolben im Bereich der Kolbenstirnwand einen Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser auf. Die Abluftnut ist dabei im verbleibenden Kolbenbereich mit nichtreduziertem Durchmesser vorgesehen.
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Das Vorsehen des Kolbenabschnitts mit reduziertem Durchmesser im Bereich der Kolbenstirnseite bewirkt, dass dann, wenn der Druck des komprimierten Fluids im Kompressionsraum höher ist als der Druck im Lagerspalt, das komprimierte Fluid aus dem Kompressionsraum in den den Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser umgebenden Ringraum eintritt und den Kolben dadurch in seiner zentrierten Lage stabilisiert.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Durchmesser des Kolbenabschnitts mit reduziertem Durchmesser von der Kolbenstirnwand ausgehend in Axialrichtung des Kolbens zunimmt. Das aus dem Kompressionsraum in den den Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser umgebenden Ringraum eintretende komprimierte Fluid wird wie bei einem auslassgedrosselten Fluidlager radial kräftewirksam. Dabei ist es günstig, wenn die engste Stelle des Ringraums, also der Übergang vom Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser zum Kolbenabschnitt mit nicht reduziertem Durchmesser, vor den ersten Fluidaustrittsdüsen der Druckfluidlagerung für den Kolben liegt.
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Die Zunahme des Durchmessers im Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser kann bevorzugt linear oder auch nichtlinear sein.
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Vorteilhaft ist auch, wenn in zumindest einer Querschnittsebene des Kolbens auf der von der Kolbenstirnwand abgewandten Seite der Abluftnut eine Mehrzahl von Fluidaustrittsdüsen in der Kolbenaußenumfangswand entlang des Umfangs angeordnet sind, die in den Lagerspalt münden. Auf diese Weise wird der Kolben unabhängig von seiner Position im Zylinder stets mittels des aus den kolbenseitigen Fluidaustrittsdüsen austretenden Druckfluids an seiner der Kolbenstirnwand benachbarten Vorderseite gegen die Zylinderinnenumfangswand abgestützt. Die Fluidaustrittsdüsen sind somit in jeder Kolbenstellung von der Gegenfläche an der Zylinderinnenumfangswand überdeckt und der Abstand zwischen den Fluidaustrittsdüsen und dem Rand der Lagerfläche, also der Kolbenstirnwand, ist in jeder Kolbenstellung konstant. Der Kolben ist dadurch auch in der Nähe des oberen Totpunkts, also bei maximaler Kompression im Kompressionsraum, wesentlich kippstabiler als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die zumindest eine Querschnittsebene des Kolbens mit den Fluidaustrittsdüsen in jeder Stellung des sich im Betrieb hin und her bewegenden Kolbens zwischen der zumindest einen Querschnittsebene des Zylinders mit den Fluidaustrittsdüsen und der Zylinderstirnwand gelegen ist. Diese vorteilhafte Weiterbildung gewährleistet, dass der vordere, der Kolbenstirnwand benachbarte Abschnitt, stets von dem aus den kolbenseitigen Fluidaustrittsdüsen ausströmenden Druckfluid abgestützt wird, während der rückwärtige Kolbenabschnitt durch das Druckfluid abgestützt wird, welches aus den zylinderseitigen Fluidaustrittsdüsen austritt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
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1 eine Kolben-Zylinder-Einheit nach dem Stand der Technik;
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2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit;
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3 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit;
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4 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit;
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5 einen Kolben der dritten Ausführungsform mit konischem vorderen Endabschnitt;
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6 einen Kolben der dritten Ausführungsform mit konkavem vorderen Endabschnitt;
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7 einen Kolben der dritten Ausführungsform mit konvexem vorderen Endabschnitt;
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8 eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit.
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1 zeigt die bereits in der Beschreibungseinleitung beschriebene Kolben-Zylinder-Einheit nach dem Stand der Technik gemäß der
DE 10 2004 061 904 A1 .
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In 2 ist nun die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit dargestellt, wobei für die mit der 1 gleichen Elemente in der 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.
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Der Kolben 203 ist in einer mittleren Position zwischen seinem unteren Totpunkt UT und seinem oberen Totpunkt OT dargestellt. Der zweite Ringkanal 32 und der dritte Ringkanal 34 sind – ähnlich wie in der in 1 gezeigten Kolben-Zylinder-Einheit – im Zylinder angeordnet. Die Lage der dem zweiten Ringkanal 32 zugeordneten, Fluidaustrittsdüsen bildenden Mikrolöcher 32' in der Querschnittsebene Q2 und die Lage der dem dritten Ringkanal 34 zugeordneten, Fluidaustrittsdüsen bildenden Mikrolöcher 34' in der Querschnittsebene Q3 sowie der Abstand zwischen der zweiten ringförmigen Düsenanordnung 32'' und der dritten ringförmigen Düsenanordnung 34'' in Axialrichtung sind so gewählt, dass die Mikrolöcher 32' und 34' während der gesamten Axialbewegung des Kolbens 203 von der Außenumfangswand 236 des Kolbens 203 bedeckt sind. Die beiden zylinderseitigen Luftlager, nämlich das von der zweiten ringförmigen Düsenanordnung 32'' und das von der dritten ringförmigen Düsenanordnung 34'' gebildete zweite beziehungsweise dritte Luftlager, sind somit während der gesamten Kolbenbewegung aktiv und stützen den Kolben 203 in einem hinteren Kolbenabschnitt 203' und in einem vorderen Kolbenabschnitt 203'' in Radialrichtung ab.
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Der Kolben 203 ist im vorderen Kolbenabschnitt 203'' in der Kolbenaußenumfangswand 236 in unmittelbarer Nähe zur Kolbenstirnwand 216 mit einer sich entlang des Umfangs erstreckenden Abluftnut 233 versehen, in die eine Abluftöffnung 233' mündet, welche über einen im Inneren der Kolbenstange 204 verlaufenden Kanal 233'' mit einem Raum in Fluidverbindung steht, in dem ein Fluiddruck herrscht, der niedriger ist als der Druck im Kompressionsraum 18, wenn sich der Kolben 203 in seinem oberen Totpunkt OT befindet oder sich auf den oberen Totpunkt OT zu bewegt; zumindest muss der in der Abluftnut 233 herrschende Druck niedriger sein als der Druck im Lagerspalt 19 vor und hinter der Abluftnut 233.
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3 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform nach 2, bei welcher zwischen der Kolbenstirnwand 216 und der Abluftnut 233 eine weitere Umfangsnut 235 in der Kolbenaußenumfangswand 236 in unmittelbarer Nähe zur Kolbenstirnwand 216 ausgebildet ist. Diese weitere Umfangsnut 235 bildet eine Druckausgleichs-Umfangsnut, welche dafür sorgt, dass bei aus dem Kompressionsraum 18 einseitig in den Lagerspalt 19 eintretendem Druckfluid ein Druckausgleich entlang des Umfangs des Kolbens 203 erfolgt und somit der Kolben in seiner zentrierten Position bezüglich der Zylinderachse X verbleibt und nicht seitlich ausgelenkt wird.
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4 zeigt eine andere Variante des mit der Abluftnut 233 versehenen Kolbens 203, bei welcher der Kolben 203 in seinem vorderen Kolbenabschnitt 203'' im Bereich der Kolbenstirnwand 216 einen Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser aufweist. Dieser Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser ist von der Abluftnut 233 in Axialrichtung beabstandet, so dass die Abluftnut 233 im verbleibenden Teil des vorderen Kolbenbereichs 203'' mit nicht reduziertem Durchmesser ausgebildet ist.
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Durch das Vorsehen des Kolbenabschnitts 237 mit reduziertem Durchmesser ist zwischen der Zylinderinnenumfangswand 14 und der Außenumfangswand 237' des Kolbenabschnitts 237 mit reduziertem Durchmesser ein Ringspalt 19' geschaffen, dessen Radialerstreckung, also dessen radiale Dicke, größer ist als die des Lagerspalts 19. Tritt nun bei der Kompressionsbewegung des Kolbens 203 komprimiertes Druckfluid aus dem Kompressionsraum 18 in diesen vorderen Ringraum 19' ein, so zentriert das in den Ringspalt 19' eintretende Druckfluid den Kolben 203.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist der Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser zylindrisch ausgebildet. Er kann aber genausogut auch von der Kolbenstirnwand 216 ausgehend in Axialrichtung des Kolbens mit zunehmendem Durchmesser ausgestaltet sein. Dies kann beispielsweise als Kolbenabschnitt mit einer konischen Umfangskontur 239 realisiert sein, wie es in 5 dargestellt ist, wobei die Zunahme des Durchmessers im Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser linear ist. Die Zunahme des Durchmessers im Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser kann aber ebenso gut nichtlinear sein, wie in den 6 und 7 dargestellt ist. Der Kolbenabschnitt kann also auch eine konkave Umfangskontur 239' (6) oder eine konvexe Umfangskontur 239'' (7) aufweisen.
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Die Ausgestaltung des Kolbens 203 mit dem vorderen Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser kann auch bei der in 3 dargestellten Ausführungsform des Kolbens mit zusätzlicher Druckausgleichs-Umfangsnut 235 vorgesehen sein.
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Ebenso kann, wie in 8 gezeigt ist, der erfindungsgemäß mit der Abluftnut 233 versehene Kolben 203 in seinen in dieser Beschreibung wiedergegebenen unterschiedlichen Ausführungsformen gemäß der 2 bis 7 zusätzlich mit einem vorderen kolbenseitigen Fluidlager versehen sein.
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Dazu ist der Kolben 203 in einer Querschnittsebene Q1 in der Kolbenaußenumfangswand 236 in unmittelbarer Nähe zur Abluftnut 233, aber von dieser axial beabstandet, auf der von der Kolbenstirnwand 216 abgewandten Seite der Abluftnut 233 mit über den Umfang verteilt und gleichmäßig voneinander beabstandeten und Fluidaustrittsdüsen bildenden Mikrolöchern 230' versehen. Diese Mikrolöcher 230' münden in einen im Inneren des Kolbens 203 ausgebildeten Ringkanal 230 und bilden eine erste, vordere ringförmige Düsenanordnung 230''. Der Ringkanal 230 im Inneren des Kolbens 203 ist über einen ebenfalls im Inneren der Kolbenstange 204 verlaufenden Kanal 231 und über eine (nicht gezeigte) Versorgungsleitung mit dem Verbindungskanal 28 verbunden. Das in den Verbindungskanal 28 einströmende Druckfluid wird somit auch in den Ringkanal 230 im Inneren des Kolbens 203 geleitet und strömt aus den ersten Mikrolöchern 230' in den Lagerspalt 19 ein.
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Auf diese Weise wird auch im vorderen Kolbenabschnitt 203'' von der dort vorgesehenen ringförmigen Düsenanordnung 230'' ein Fluidlager, beispielsweise ein Luftlager, gebildet, das den Kolben 203 im vorderen Kolbenabschnitt 203'' radial gegen die die Lagerfläche 15 bildende Zylinderinnenumfangswand 14 abstützt. Da dieses vordere Fluidlager mit dem Kolben mitwandert, sind die für die radiale Abstützung des Kolbens 203 in diesem Bereich aufgebrachten Kräfte über die gesamte Kolbenbewegung nahezu konstant. Ein seitliches Auslenken des Kolbens (quer zur Längsachse X) ist daher selbst dann so gut wie ausgeschlossen, wenn trotz der vorstehend geschilderten weiteren Maßnahmen (Druckausgleichs-Umfangsnut 235, Kolbenabschnitt 237 mit reduziertem Durchmesser) ein asymmetrischer Eintritt von komprimiertem Fluid aus dem Kompressionsraum 18 in den Lagerspalt erfolgen sollte.
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Die erfindungsgemäße Kolben-Zylinder-Einheit ist in einer bevorzugten Anwendung Teil eines Linearkompressors, wobei das komprimierte Fluid ein Gas, beispielsweise Luft, ist. Die Fluidlager sind dabei als Gasdrucklager, beispielsweise als Luftlager, ausgebildet. Eine bevorzugte Anwendung ist ein Kälteanlagen-Linearkompresssor, wobei das Fluid ein gasförmiges Kältemittel ist.
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Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das lediglich der allgemeinen Erläuterung des Kerngedankens der Erfindung dient. Im Rahmen des Schutzumfangs kann die erfindungsgemäße Vorrichtung vielmehr auch andere als die oben beschriebenen Ausgestaltungsformen annehmen. Die Vorrichtung kann hierbei insbesondere Merkmale aufweisen, die eine Kombination aus den jeweiligen Einzelmerkmalen der Ansprüche darstellen.
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Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kolben-Zylinder-Einheit
- 2
- Zylinder
- 3
- Kolben
- 3'
- hinterer Bereich
- 3''
- vorderer Bereich
- 10
- Zylinderbohrung
- 12
- Zylinderstirnwand
- 14
- Zylinderinnenumfangswand
- 15
- Lagerfläche
- 16
- Kolbenstirnwand
- 18
- Zylindervolumen/Kompressionsraum
- 19
- Lagerspalt
- 20
- Ventil
- 21
- Gehäuse
- 22
- Einlasskanal
- 23
- Zylinderkopf
- 24
- Auslasskanal
- 26
- Auslassventil
- 28
- Verbindungskanal
- 30
- erster Ringkanal
- 30'
- Mikrolöcher
- 30''
- ringförmige Düsenanordnung
- 32
- zweiter Ringkanal
- 32'
- Mikrolöcher
- 32''
- ringförmige Düsenanordnung
- 34
- dritter Ringkanal
- 34'
- Mikrolöcher
- 34''
- ringförmige Düsenanordnung
- 36
- Kolbenaußenumfangswand
- 38
- Lagerfläche
- 203
- Kolben
- 203'
- hinterer Kolbenabschnitt
- 203''
- vorderer Kolbenabschnitt
- 204
- Kolbenstange
- 216
- Kolbenstirnwand
- 230
- Ringkanal
- 230'
- Mikrolöcher
- 230''
- vordere ringförmige Düsenanordnung
- 231
- Kanal
- 233
- Abluftnut
- 233'
- Abluftöffnung
- 233''
- Kanal
- 235
- Umfangsnut
- 236
- Kolbenaußenumfangswand
- 237
- Kolbenabschnitt
- 237'
- Außenumfangswand
- 239
- konische Umfangskontur
- 239'
- konkave Umfangskontur
- 239''
- konvexe Umfangskontur
- OT
- oberer Totpunkt
- UT
- unterer Totpunkt
- Q1
- Querschnittsebene
- Q2
- Querschnittsebene
- Q3
- Querschnittsebene
- X
- Längsachse
