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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolbenring und ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings. Kolbenringe kommen insbesondere in Kolbenvorrichtungen, beispielsweise Kolbenkompressoren, zum Einsatz. Insbesondere werden Kolbenringe in trockenlaufenden Kolbenkompressoren, welche ohne ein Schmiermittel im Zylinder auskommen, verwendet.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolbenring bereitzustellen, welcher einfach aufgebaut ist und eine effiziente Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kolbenring für eine Kolbenvorrichtung gelöst, wobei der Kolbenring einen ringförmigen Grundkörper umfasst, welcher zwei offene Enden aufweist, die sich in einem Überlappungsabschnitt überlappen und mit jeweils mindestens einem Anlageabschnitt aneinander anliegen, wobei mindestens ein Anlageabschnitt mindestens eines Endes mit einer Beschichtung versehen ist.
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Der Anlageabschnitt umfasst vorzugsweise eine Oberfläche eines Endes, welches dem anderen Ende zugewandt ist und ohne eine Beschichtung desselben in unmittelbaren Kontakt mit dem anderen Ende kommen würde.
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Ein Anlageabschnitt umfasst insbesondere eine Berührfläche, mit welcher die zwei Enden des Grundkörpers einander berühren. Ferner ist der Anlageabschnitt vorzugsweise durch diese Berührfläche gebildet.
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Günstig kann es sein, wenn eines der zwei Enden im Überlappungsabschnitt einen zumindest näherungsweise L-förmigen Querschnitt aufweist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass ein weiteres Ende der zwei Enden im Überlappungsabschnitt einen zumindest näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweist.
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Die beiden Enden des Grundkörpers ergänzen sich im Überlappungsabschnitt vorzugsweise derart, dass die beiden Enden gemeinsam einen zumindest näherungsweise rechteckigen Querschnitt aufweisen.
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Insbesondere ist ein Querschnitt des Grundkörpers im Überlappungsabschnitt, welcher durch die zwei aneinander anliegenden Enden gebildet ist, hinsichtlich Form und Dimension zumindest näherungsweise identisch mit einem Querschnitt des Grundkörpers in einem zwischen den Enden liegenden Mittelabschnitt des Grundkörpers.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper in einem zwischen den Enden liegenden Mittelabschnitt abschnittsweise einen L-förmigen oder U-förmigen Querschnitt aufweist. Hierdurch kann insbesondere eine Anlagefläche zur Reibungsminimierung reduziert werden.
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Lediglich in einem kurzen Übergangsabschnitt ist der Grundkörper vorzugsweise derart ausgebildet, dass dieser einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
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Die beiden Enden des Grundkörpers des Kolbenrings sind vorzugsweise so ausgebildet, dass ein sogenannter gasdichter Stoß oder ein einfach überlappender Stoß gebildet ist.
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Unter einem Querschnitt ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein Schnitt durch den Kolbenring derart zu verstehen, dass der Kolbenring in einer Ebene geschnitten wird, in welcher eine Symmetrieachse des Kolbenrings verläuft.
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Der Grundkörper des Kolbenrings ist vorzugsweise aus einem Polymerwerkstoff, insbesondere einem PTFE-Werkstoff, gebildet.
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Vorzugsweise ist die Beschichtung eine Gleitbeschichtung, welche aus einem von einem Material des Grundkörpers verschiedenen Material gebildet ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von mindestens ungefähr 5 µm, insbesondere mindestens ungefähr 10 µm, aufweist.
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Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von höchstens ungefähr 100 µm, insbesondere höchstens ungefähr 50 µm, aufweist.
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Die genannte Schichtdicke ist insbesondere eine Schichtdicke auf einem Ende des Grundkörpers, wenn nur dieses eine Ende mit einer Beschichtung versehen ist.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die genannte Schichtdicke eine Gesamtschichtdicke der Beschichtungen auf beiden Enden des Grundkörpers ist, wenn beide Enden mit einer Beschichtung versehen sind.
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Durch Variation der Form der beiden offenen Enden können vorzugsweise auch andere, insbesondere größere, Schichtdicken realisiert werden.
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Vorzugsweise ist die Schichtdicke so gewählt, dass die Form und Dimension des Querschnitts des Kolbenrings im Überlappungsabschnitt einschließlich der Beschichtung zumindest näherungsweise identisch mit der Form und der Dimension des Querschnitts des Kolbenrings im Mittelabschnitt ist.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels der Beschichtung des einen Endes oder beider Enden ein durch das Auftrennen eines zunächst ringförmig geschlossenen Grundkörpers zur Herstellung der beiden offenen Enden erzeugter Materialabtrag zwischen den beiden offenen Enden ausgeglichen und/oder aufgefüllt wird.
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Die Beschichtung ist insbesondere eine Trennlage oder trennende Lage, welche das Material des einen Endes des Grundkörpers räumlich von dem Material des anderen Endes des Grundkörpers trennt und/oder auf Abstand hält.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung Graphit, kolloidales Graphit, Gleitlack, Molybdändisulfid (MoS2), Kohle, ein metallisches Material und/oder Bornitrid, insbesondere hexagonales Bornitrid, umfasst.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung aus Graphit, kolloidalem Graphit, Gleitlack, Molybdändisulfid (MoS2), Kohle, einem metallischen Material und/oder Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, gebildet ist.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung ein vernetzendes Polymer umfasst oder aus einem vernetzenden Polymer gebildet ist.
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Beispielsweise kann die Beschichtung ein Phenolharz oder Epoxidharz umfassen oder aus einem Phenolharz oder Epoxidharz gebildet sein. Das Phenolharz oder Epoxidharz kann dabei frei von Trockenschmierstoffen oder aber mit Trockenschmierstoffen versetzt sein.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine radial äußere Anlagefläche des Grundkörpers, mit welcher der Grundkörper im Benutzungszustand desselben gleitend an einer Zylinderwand der Kolbenvorrichtung anliegt, unbeschichtet ist.
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Die Beschichtung erstreckt sich vorzugsweise nicht bis auf eine radial äußere Anlagefläche des Grundkörpers.
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Vorzugsweise ist der Grundkörper auch an einer radial innenliegenden Fläche und/oder an einer oder beiden axial seitlichen Flächen des Grundkörpers unbeschichtet.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Beschichtung ausschließlich auf Flächen der beiden Enden des Grundkörpers angeordnet und/oder ausgebildet ist, welche im Benutzungszustand des Kolbenrings dem jeweils anderen Ende des Grundkörpers zugewandt sind.
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Die mit der Beschichtung versehenen Flächen sind vorzugsweise innenliegende Flächen, welche im Benutzungszustand des Kolbens in radialer Richtung und/oder in axialer Richtung zwischen den beiden Enden des Grundkörpers angeordnet sind.
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Der erfindungsgemäße Kolbenring eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Kolbenvorrichtung, beispielsweise einer trockenlaufenden Kolbenvorrichtung.
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Die vorliegende Erfindung betrifft daher auch eine Kolbenvorrichtung, insbesondere einen Kolbenkompressor.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, insbesondere eines erfindungsgemäßen Kolbenrings.
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Der Erfindung liegt diesbezüglich die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings bereitzustellen, mittels welchem ein einfach aufgebauter und effizient abdichtender Kolbenring herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verfahren zur Herstellung eines Kolbenrings, insbesondere eines erfindungsgemäßen Kolbenrings, Folgendes umfasst:
Bereitstellen eines ringförmigen Grundkörpers eines Kolbenrings, wobei der Grundkörper zwei offene Enden aufweist, die sich in einem Überlappungsabschnitt überlappen und mit jeweils mindestens einem Anlageabschnitt aneinander anliegen;
Beschichten mindestens eines Anlageabschnitts.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kolbenring beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Ferner weist der erfindungsgemäße Kolbenring vorzugsweise einzelne oder mehrere der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
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Günstig kann es sein, wenn der Grundkörper als ein geschlossener Ring hergestellt und anschließend aufgeschnitten wird, so dass die zwei Enden und der Überlappungsabschnitt gebildet werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass der mindestens eine Anlageabschnitt beschichtet wird, nachdem der Grundkörper hergestellt und/oder aufgeschnitten wurde.
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Bei einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper an einer radial äußeren Anlagefläche des Grundkörpers, mit welcher der Grundkörper im Benutzungszustand desselben gleitend an einer Zylinderwand der Kolbenvorrichtung anliegt, von einer Beschichtung befreit wird. Diese Beschichtung ist insbesondere eine bei der Beschichtung des mindestens einen Anlageabschnitts unerwünschter Weise auf der radial äußeren Anlagefläche erzeugte Beschichtung.
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Die Beschichtung ist vorzugsweise reibungsarm und/oder temperaturbeständig bis mindestens ungefähr 250°C, insbesondere bis mindestens ungefähr 300°C, vorzugsweise bis mindestens ungefähr 400°C.
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Weitere bevorzugte Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
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In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine schematische Draufsicht auf einen herkömmlichen Kolbenring, welcher einen gasdichten Stoß aufweist;
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2 einen schematischen Querschnitt durch den Kolbenring aus 1, in einem montierten Zustand des Kolbenrings in einer Kolbenvorrichtung;
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3 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Kolbenrings, bei welcher ein Anlageabschnitt eines Endes eines Grundkörpers des Kolbenrings mit einer Beschichtung versehen ist; und
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4 eine der 3 entsprechende schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Kolbenrings, bei welcher die Anlageabschnitte beider Enden des Grundkörpers mit einer Beschichtung versehen sind.
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Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine in den 1 bis 2 dargestellte herkömmliche Ausführungsform eines als Ganzes mit 100 bezeichneten Kolbenrings findet insbesondere in Kolbenvorrichtungen 102, beispielsweise trockenlaufenden Kolbenkompressoren, Anwendung.
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Der Kolbenring 100 umfasst insbesondere einen ringförmigen Grundkörper 104, welcher zwei offene Enden 106 aufweist, die sich in einem Überlappungsabschnitt 108 überlappen.
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Der Grundkörper 104 ist hierdurch insbesondere in einer Umfangsrichtung 110 in gewissem Umfang elastisch ausgebildet.
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Insbesondere sind die beiden Enden 106 relativ zueinander beweglich, wodurch sich ein Durchmesser des Grundkörpers 104 geringfügig variieren lässt.
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Der Kolbenring 100 ist hierdurch in der Lage, sich an eine Kolbenringnut 112 und/oder einen Zylinder 114 der Kolbenvorrichtung 102 anzupassen, um eine optimale Dichtwirkung zu erzielen.
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Die beiden Enden 106 sind insbesondere so ausgebildet, dass ein einfach überlappender Stoß oder ein gasdichter Stoß 116 des Kolbenrings 100 gebildet ist.
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Hierbei ist ein erstes Ende 106a des Grundkörpers 104 vorzugsweise so ausgebildet, dass ein Querschnitt im Wesentlichen L-förmig ist.
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Ein zweites Ende 106b des Grundkörpers 104 weist vorzugsweise einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf.
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Vorzugsweise sind das erste Ende 106a und das zweite Ende 106b derart ausgebildet, dass sie im Überlappungsabschnitt 108 gemeinsam einen im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen (siehe 2).
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Der Querschnitt der beiden Enden 106a, 106b im Überlappungsabschnitt 108 entspricht vorzugsweise im Wesentlichen einem Querschnitt des Grundkörpers 104 in einem zwischen den beiden Enden 106a, 106b angeordneten Mittelabschnitt 118.
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Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, ist der Kolbenring 100 in einem montierten Zustand desselben vorzugsweise in einer Kolbenringnut 112 eines Kolbens 120 angeordnet und liegt mit einer radial äußeren Anlagefläche 122 des Kolbenrings 100 an einer Lauffläche 124 des Zylinders 114 an.
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Die Lauffläche 124 ist insbesondere eine Innenseite einer Zylinderwand 126 des Zylinders 114.
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Der Kolbenring 100, der Kolben 120 und der Zylinder 114 sind dabei vorzugsweise im Wesentlichen rotationssymmetrisch bezüglich einer gemeinsamen Symmetrieachse 128 ausgebildet und/oder koaxial zueinander angeordnet.
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Im Betrieb der Kolbenvorrichtung 102 gleitet der Kolbenring 100 längs der Lauffläche 124 des Zylinders 114 und dichtet dabei einen äußeren Spalt zwischen dem Kolben 120 und dem Zylinder 114 ab.
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Der Kolbenring 100 wird dabei in vielerlei Hinsicht thermisch, mechanisch und fluiddynamisch belastet.
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Insbesondere kann sich eine Relativbewegung der beiden Enden 106a, 106b relativ zueinander ergeben.
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Die beiden Enden 106a, 106b reiben dann insbesondere in einander zugewandten Anlageabschnitten 130 aneinander.
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Diese Reibung zwischen den beiden Enden 106a, 106b kann zu einer unerwünschten Beeinträchtigung der Funktionsweise des Kolbenrings 100 führen, was letztlich eine reduzierte Dichtwirkung und somit eine Beeinträchtigung der Funktionsweise der Kolbenvorrichtung 102 zur Folge haben kann.
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In einer optimierten Ausführungsform des Kolbenrings 100 ist vorgesehen, dass mindestens ein Anlageabschnitt 130 mindestens eines Endes 106 des Grundkörpers 104 mit einer Beschichtung 132 versehen ist (siehe 3).
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Die Beschichtung 132 ist insbesondere eine Gleitbeschichtung 134, welche es ermöglicht, dass die Enden 106a, 106b ohne einen direkten Materialkontakt zwischen dem Material des Grundkörpers 104 am ersten Ende 106a und dem Material des Grundkörpers 104 am zweiten Ende 106b relativ zueinander verschiebbar sind.
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Mittels der Beschichtung 132 ist somit insbesondere eine Trennlage 136 zwischen den beiden Enden 106a, 106b gebildet.
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Die Beschichtung 132 kann beispielsweise auf dem Anlageabschnitt 130 des ersten Endes 106a oder aber auf dem Anlageabschnitt 130 des zweiten Endes 106b angeordnet und/oder festgelegt sein.
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Die Beschichtung 132 ist vorzugsweise ausschließlich innerhalb des Kolbenrings 100 angeordnet.
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Insbesondere ist die radial äußere Anlagefläche 122 des Grundkörpers 104 des Kolbenrings 100 nicht mit der Beschichtung 132 versehen.
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Eine Schichtdicke der Beschichtung 132 ist vorzugsweise so gewählt, dass ein äußerer Querschnitt des Kolbenrings 100 im Überlappungsabschnitt 108 im Wesentlichen identisch mit dem äußeren Querschnitt im Mittelabschnitt 118 ist.
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Mittels der Beschichtung 132 ist dabei insbesondere ein zwischen den zwei Enden 106a, 106b gebildeter Spalt aufgefüllt.
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Dieser Spalt kann sich insbesondere dadurch ergeben, dass der Kolbenring 100 zunächst als ein geschlossener Grundkörper 104 ausgebildet ist und dass anschließend durch Aufschneiden des geschlossenen Grundkörpers 104 die zwei offenen Enden 106a, 106b gebildet werden.
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Das Aufschneiden des zunächst geschlossenen Grundkörpers 104 kann zu einem Materialabtrag zwischen den beiden Enden 106a, 106b und somit zu einem Spaltbereich führen, welcher insbesondere mittels der Beschichtung 132 auffüllbar ist.
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Im Übrigen stimmt die in 3 dargestellte bevorzugte Ausführungsform des Kolbenrings 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Eine in 4 dargestellte weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kolbenrings 100 unterscheidet sich von der in 3 dargestellten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass sowohl der Anlageabschnitt 130 des ersten Endes 106a als auch der Anlageabschnitt 130 des zweiten Endes 106b jeweils mit einer Beschichtung 132 versehen sind.
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Insbesondere kann hierdurch bewirkt werden, dass das Material des Grundkörpers 104 innerhalb des Grundkörpers 104 nicht durch die Relativbewegung der beiden Enden 106a, 106b mechanisch belastet wird.
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Die beiden Beschichtungen 132 sind somit insbesondere Schutzschichten für das Material des Grundkörpers 104 im Bereich des Überlappungsabschnitts 108.
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Vorzugsweise ist jedoch auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform des Kolbenrings 100 vorgesehen, dass die Beschichtung 132 ausschließlich an denjenigen Flächen der Enden 106a, 106b angeordnet sind, welche dem jeweils dem anderen Ende 106b, 106a zugewandt angeordnet sind.
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Die Beschichtung 132 ist somit auch bei der in 4 dargestellten Ausführungsform des Kolbenrings 100 ausschließlich innerhalb des Kolbenrings 100 vorgesehen.
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Im Übrigen stimmt die in 4 dargestellte Ausführungsform des Kolbenrings 100 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 3 dargestellten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Bei sämtlichen beschriebenen Ausführungsformen des Kolbenrings 100 können verschiedene Materialien für den Grundkörper 104 und/oder die Beschichtung 132 vorgesehen sein.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Grundkörper 104 aus einem Polymerwerkstoff, insbesondere einem PTFE-Werkstoff, gebildet ist.
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Die Beschichtung 132 ist vorzugsweise aus einem vernetzenden Polymer gebildet. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Beschichtung 132 aus Graphit, kolloidalem Graphit, Gleitlack, Molybdändisulfid, Kohle, einem metallischen Material und/oder Bornitrid, insbesondere hexagonalem Bornitrid, gebildet ist.
