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Die vorliegende Erfindung betrifft einen ölfreien Kompressor mit zumindest einem in einem zugehörigen Zylinder geführten Kolben.
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Kompressoren sind aus dem Stand der Technik vielfältig bekannt, insbesondere beispielsweise im Bereich von Turboladern, und können generell in ölgeschmierte und sogenannte ölfreie Kompressoren unterteilt werden. Besonders bei ölfreien Kompressoren, bei welchen Öl als Schmiermittel nicht zur Verfügung steht, ist ein möglichst geringer Gleitwiderstand von Kolben in zugehörigen Zylindern für einen verschleißarmen Betrieb, eine lange Lebensdauer und eine hohe Wirtschaftlichkeit von entscheidender Bedeutung. Um einen möglichst geringen Gleitwiderstand zu erhalten, sind generell schon Kolben mit insbesondere in einem Schaftbereich aufgeklebten Folien aus Polytetrafluorethylen (PTFE) bekannt. Nachteilig bei derartig aufgeklebten Beschichtungen sind jedoch deren vergleichsweise geringe Temperaturbeständigkeit und auch deren vergleichsweise überschaubare Lebenserwartung.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu überwinden.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, erstmals das gesamte tribologische System in einem ölfreien Kompressor zu betrachten und gänzlich zu optimieren, indem sowohl eine Zylinderlauffläche, ein Kolbenring eines darin verstellbaren Kolbens sowie der Kolben selbst tribologisch optimiert werden. Der erfindungsgemäße ölfreie Kompressor weist dabei zumindest einen in einem zugehörigen Zylinder translatorisch verstellbaren Kolben auf, der wiederum zumindest einen Kolbenring und einen Kolbenschaft besitzt. Erfindungsgemäß weist nun zumindest der Kolbenschaft des Kolbens eine Gleitschicht auf mit einem Polymer aus der Gruppe PAI (Polyamid-Imid), EpoxyVerbindungen, PEEK (Polyetheretherketon), PEK (Polyetherketon), PEKK (Polyetherketonketon), PAEK (Polyaryletherketon), einem Festschmierstoff aus der Gruppe Graphit, MoS2 (Molybdändisulfid), WS2 (Wolframdisulfid), hBN (hexagonales Bornitrid), PTFE (Polytetrafluorethylen) und ZnS (Zinksuflid)und auch Hartstoffpartikel wie WC (Wolframcarbid). Zusätzlich ist der Kolbenring aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet und eine Zylinderlauffläche des Zylinders ist mit einer Nickel als Hauptbestandteil aufweisenden Linerschicht beschichtet. Durch dieses tribologische System aus Kolben mit Gleitschicht, PTFE-Kolbenring und Zylinderlauffläche mit Linerschicht kann nicht nur die Reibung des Kolbens im Zylinder deutlich reduziert werden, sondern zudem kann nun auch durch die direkt auf den Kolbenschaft aufgebrachte Gleitschicht die bei der Reibung entstehende Temperatur um bis zu 30 K gesenkt werden, wodurch sich eine geringere Reibung und ein geringerer Verschleiß des Kolbenrings ergeben und dadurch dessen Lebensdauer und auch die Lebensdauer des Gesamtsystems deutlich gesteigert werden können, da insbesondere der Kolbenring das schwächste Glied in Bezug auf das Gesamtsystem darstellt. Des Weiteren ist die nun nicht mehr als Folie aufgebrachte Gleitschicht, sondern die direkt auf den Kolbenschaft aufgebrachte Gleitschicht temperaturbeständiger, wodurch höhere Betriebsparameter für einen ölfreien Kolbenkompressor ermöglicht werden. So kann beispielsweise bei einem ölfreien Kompressor, der einen vordefinierten Enddruck erbringen muss, welcher vorher nur mit zwei Verdichterstufen erreicht werden konnte, nunmehr lediglich noch eine Verdichterstufe vorgesehen werden, was zu einer erheblichen Kosteneinsparung führt.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Gleitschicht eine Dicke dG von 45 µm < dG < 100 µm, bevorzugt von 70 µm < dG < 90 µm. Die erfindungsgemäße Gleitschicht ist somit erheblich dünner als bislang hierfür eingesetzte PTFE-Folien, die eine Dicke von ca. 300 µm aufwiesen. Durch die dünnere Gleitschicht, die zudem direkt auf zumindest den Kolbenschaft, aber auch auf eine gesamte Mantelfläche, inklusive Ringpartie, des Kolbens aufgebracht ist, kann ein geringeres Spiel zwischen Kolben und Zylinder ausgeführt werden, was zu einer erheblichen Geräuschemissionsminderung führt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kompressors ist die Gleitschicht im Siebdruckverfahren aufgebracht. Beim Siebdrucken wird das Material der Gleitschicht durch ein feinmaschiges Gewebe auf die zu bedruckende Oberfläche aufgedruckt, wobei es mittels des Siebdruckverfahrens insbesondere möglich ist, auch gewölbte Oberflächen gleichmäßig und im vorliegenden Fall besonders dünn zu beschichten. In einer weiteren Ausführungsform kann die Beschichtung in einem speziellen Mehrfachspritzverfahren aufgebracht werden. Die mehrlagige Beschichtung benötigt spezielle Zwischentrocknungsschritte, diese sind bzgl. einer wirtschaftlichen Abbildung des Prozesses in einem IR - (Infrarot) Verfahren durchführbar.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist die Linerschicht auf der Zylinderlauffläche des Zylinders hauptsächlich Nickel und insbesondere zusätzlich Siliciumcarbid (SiC) auf. Siliciumcarbidpartikel wiederum besitzen eine hohe Härte und einen hohen Schmelzpunkt, wodurch die Verschleißbeständigkeit der Linerschicht deutlich erhöht werden kann.
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Zweckmäßig weist die Linerschicht ca. 2 bis 6 Gew.-% Siliciumcarbid auf. Bereits ein so geringer Anteil an Siliciumcarbid reicht für die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit aus, ohne dass hierdurch die Gleitschutzeigenschaften der umgebenden Nickelmatrix der Linerschicht beeinträchtigt werden würden.
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Zweckmäßig weist die Linerschicht eine Dicke dL auf von 40µm < dL < 100µm, bevorzugt von dL = 50µm. Bereits eine solch dünne Linerschicht ermöglicht einerseits einen effektiven Gleitschicht für die Zylinderlauffläche und damit den Zylinder und zum anderen die Erhöhung der Verschleißbeständigkeit durch die in die Nickelmatrix eingebetteten Siliciumcarbidpartikel.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist zwischen der Linerschicht und dem Zylinder eine Zwischenschicht, insbesondere in der Art einer Vornickelschicht, mit einer dZ von 4µm < dZ < 40µm aufgebracht. Eine derartige Vornickelschicht dient dabei insbesondere als Haftschicht für die später darauf aufgebrachte Linerschicht, kann jedoch lediglich auch nur prozessbedingt erforderlich sein.
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Zweckmäßig besitzt die Linerschicht einen Mittenrauwert von Ra ungefähr 0,1 µm, der insbesondere mittels Honen hergestellt werden kann. Bei einem derartigen Mittenrauwert von Ra ca. 0,1 µm sind keine sichtbaren Bearbeitungsspuren mehr vorhanden und die Oberfläche im Wesentlichen glatt. Hierdurch kann eine besonders verschleißarme Bewegung des Kolbens und insbesondere auch des Kolbenrings auf der Liner-Schicht erreicht werden, wodurch die Lebensdauer des Kolbens, des Kolbenrings und damit insgesamt auch des Kompressors erhöht werden kann.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen ölfreien Kompressor,
- 2 eine Detailschnittdarstellung im Bereich des Kolbenschaftes des Kolbens mit darauf aufgebrachter Gleitschicht,
- 3 eine Detailschnittdarstellung durch eine Zylinderwandung mit Linerschicht und Zwischenschicht.
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Entsprechend der 1, weist ein ölfreier Kompressor 1 zumindest einen in einem zugehörigen Zylinder 2 translatorisch verstellbaren Kolben 3 auf, der zumindest einen Kolbenring 4 und einen Kolbenschaft 5 besitzt. Erfindungsgemäß weist nun der Kolben 3 zumindest im Bereich seines Kolbenschaftes 5 eine Gleitschicht 6 (vergleiche auch 2) auf, mit einem Polymer aus der Gruppe Polyamid-Imid (PAI), Epoxyverbindungen, PEEK, PEK, PEKK, PAEK sowie einem Festschmierstoff aus der Gruppe Graphit, Molybdändisulfid (MoS2), Wolframdisulfid (WS2), hBN (Bornitrid), PTFE (Polytetrafluorethylen) und Zinksulfid (ZnS), bevorzugt Wolframcarbid (WC) wobei das letztere ein Hartstoffpartikel ist. Zusätzlich ist der Kolbenring 4 aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet und eine Zylinderlauffläche 7 des Zylinders 2 ist mit einer als Hauptbestandteil Nickel (Ni) aufweisenden Linerschicht 8 (vergleiche 3) beschichtet. Durch das in dieser Art und Weise geschaffene tribologische System von Zylinder 2, Kolben 3 und Kolbenring 4 kann ein besonders verschleißarmer und damit eine hohe Lebenserwartung aufweisender Kompressor 1 geschaffen werden.
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Die Gleitschicht 6 weist dabei eine Dicke dG von 45µm < dG < 100µm, bevorzugt von 70µm < dG < 90µm auf (vergleiche 2). Dies ist im Vergleich zu bislang aus dem Stand der Technik auf den Kolbenschaft 5 aufgeklebten PTFE-Folien deutlich dünner, wodurch auch ein deutlich reduziertes Spiel zwischen dem Kolben 3 und dem Zylinder 2 einstellbar ist, wodurch dessen Geräuschemission erheblich reduziert werden kann.
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Durch das direkte Aufbringen der Gleitschicht 6 zumindest auf den Kolbenschaft 5 können darüber hinaus ein besonders haftbeständiges Applizieren und - wie bereits erwähnt - eine deutlich geringere Gesamtdicke der Gleitschicht 6 erreicht werden. Eine mögliche Aufbringungsform für die Gleitschicht 6 ist dabei das Siebdruckverfahren, welches nicht nur ein qualitativ hochwertiges, sondern auch kostengünstiges Aufbringen der Gleitschicht 6 auf zumindest den Kolbenschaft 5 ermöglicht.
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Durch die Auswahl des Kunststoffes Polytetrafluorethylen für den Kolbenring 4 kann dieser besonders leichtgängig, das heißt mit geringem Gleitwiderstand, an der Zylinderlauffläche 7 entlang gleiten. Außerdem ist die Haftreibung genauso groß wie die Gleitreibung, so dass ein Übergang vom Stillstand zur Bewegung, insbesondere beim Start des Kompressors, ohne Ruck stattfinden kann. Darüber hinaus ist PTFE schwierig zu benetzen und kaum zu verkleben, da beispielsweise der Kontaktwinkel mit Wasser 126° beträgt. Von besonderem Vorteil ist des Weiteren, dass PTFE äußerst beständig gegenüber allen Basen, Alkoholen, Ketonen, Benzinen und Ölen ist und Einsatztemperaturen von bis zu 260° aufweist.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weist die Linerschicht 8 eine Dicke dL von 40µm < dL < 100µm, insbesondere bevorzugt von dL von ca. 50µm auf. Da der Hauptbestandteil der Linerschicht 8 Nickel ist, kann mit dieser eine hocheffektive Gleitschicht für die Zylinderlauffläche 7 und damit den Zylindern 2 geschaffen werden. Um darüber hinaus die Verschleißbeständigkeit und damit auch die Lebenserwartung der Linerschicht 8 steigern zu können, weist diese Siliciumcarbid (SiC) auf, insbesondere derart von Siliciumcarbidpartikel 10 auf, und zwar in einem Gewichtsprozentanteil von 2-4 Gew-%. Dabei werden/wird Siliciumcarbid und/oder Siliciumcarbidpartikel 10 eingesetzt, die in die Nickelmatrix eingebettet sind und die einen Durchmesser dS von 1µm < dS < 4µm, bevorzugt einem Durchmesser von dS von ca. 2,5 µm aufweisen. Der Partikeldurchmesser dS ist somit erheblich kleiner als die Dicke dL der Linerschicht 8 und dadurch problemlos in diese integrierbar.
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Betrachtet man nochmals die 3, so kann man erkennen, dass zwischen der Linerschicht 8 und dem Zylinder 2 eine Zwischenschicht 9 mit einer Dicke dZ von 4µm < dZ < 40µm aufgebracht ist.
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Nach dem Aufbringen der Linerschicht 8 oder nach dem Aufbringen sowohl der Zwischenschicht 9 als auch der Linerschicht 8 wird die Zylinderlauffläche 7 vorzugsweise gehont, um dadurch eine hohe Oberflächengüte herstellen zu können. Durch das Honen kann insbesondere ein Mittenrauwert von Ra von ca. 0,1 µm erreicht werden, so dass vorzugsweise keinerlei Bearbeitungsspuren mehr vorhanden sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Kompressor 1 und dem darin eingesetzten Kolben 3, dem Kolbenring 4 und der Linerschicht 8 auf der Zylinderlauffläche 7 kann erstmals ein tribologisches System geschaffen werden, welches nicht nur aufgrund einer hohen Verschleißbeständigkeit und einer geringen Gleitreibung eine hohe Lebensdauer aufweist, sondern zudem auch kostengünstig herstellbar ist. Durch das indirekte Aufbringen der Gleitschicht 6 auf den Kolbenschaft 5 kann ein Aufkleben einer PTFE-Folie, wie dies bislang erfolgte, entfallen, wodurch die Gleitschicht 6 an sich deutlich dünner ausgebildet werden kann, was erhebliche Vorteile hinsichtlich einer Reduzierung der Geräuschemissionen bringt.
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Durch Beimengung von feinskaligen Hartstoffen, wie z.B. WC, kann die Verschleißbeständigkeit der Gleitschicht 6 auf dem Kolben 3 gesteigert werden. Die chemische Zusammensetzung des Gleitlacks bzw. der Gleitschicht 6 ermöglicht eine bessere Wärmeabfuhr über die Zylinderwand 7 und reduziert damit deutlich die Betriebstemperatur.
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Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass die Schichtdicke des Gleitlackes bzw. der Gleitschicht 6 im Vergleich zum Stand der Technik (PTFE Folien) deutlich geringer ist und somit die Temperaturabfuhr vereinfacht wird.
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Dies führ dazu, dass der Kolbenring 4 geringer belastet wird und somit der Verschleiß am Kolbenring 4 deutlich abnimmt.
