DE1230632B

DE1230632B - In einem Zylinder axial beweglicher Freikolben

Info

Publication number: DE1230632B
Application number: DEP23433A
Authority: DE
Inventors: George Kielkopf Porter Jun
Original assignee: GEORGE KIELKOPF PORTER JUN
Current assignee: GEORGE KIELKOPF PORTER JUN
Priority date: 1958-08-28
Filing date: 1959-08-27
Publication date: 1966-12-15
Also published as: GB930577A; NL242780A; US2927829A; NL107787C

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

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DEUTSCHES ^T^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

F16 j

Deutsche KL: 47 f-19/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1230 632
P 23433 XII/47 f
27. August 1959
15. Dezember 1966

Die Erfindung bezieht sich auf einen in einem Zylinder axial beweglichen Freikolben, der mittels eines aus einer Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung gebildeten Ringes gegen den eine von der Flüssigkeit möglichst schwach benetzbare Innenfläche aufweisenden Zylinder abgedichtet ist, wobei der Flüssigkeitsring in einer am Kolbenumfang enthaltenen ringförmigen Ausnehmung gehalten ist.
.·.. Ein derart ausgebildeter und angeordneter Kolben ist bekannt. Er besteht aus zwei mittels einer dünnen Verbindungsstange in Abstand gehaltenen Stirnplatten. Die Stirnplatten bewirken die Führung des Kolbens im Zylinder. Ein Teil des zwischen den Stirnplatten begrenzten Raumes ist mit einer die Abdichtung bewirkenden Flüssigkeit, Quecksilber, gefüllt. Nachteilig ist bei diesem Kolben, daß er wegen seiner Quecksilberfüllung eine sehr große Masse aufweist und somit wegen seiner hohen Trägheit insbesondere für Feininstrumente nicht verwendet werden kann. Darüber hinaus wird die axiale Führung des Kolbens durch die beiden Stirnplatten bewirkt, was eine trockene Reibung zur Folge hat. Dazu kommt, daß die große Quecksilbermasse ην folge Schwerkraft in ihrem unteren Bereich gegen die Zylinderwandung gedrückt wird, wodurch auch die flüssige Reibung merkliche Werte annimmt. Der bekannte Kolben hat somit eine erhebliche Reibung, die seine Empfindlichkeit verringert, so daß er für extreme Feinmeßgeräte nicht mehr verwendbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die dem bekannten Kolben anhaftenden Nachteile zu vermeiden und diesen so auszubilden, daß er mit extrem niedrigem Reibungskoeffizienten im Zylinder verschiebbar ist und dennoch eine hermetische Abdichtung zwischen den axial einander gegenüberliegenden Zylinderräumen bewirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Ausnehmung am Kolbenumfang zur Aufnahme des Flüssigkeitsringes eine an sich bekannte, zur axialen Länge des Kolbens schmale Umfangsnut ist, die in an sich bekannter Weise keine Durchbrechungen im Kolbenkörper aufweist und von einem Teil des Flüssigkeitsringes voll ausgefüllt ist.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß an Stelle der großen Quecksilbermasse nur ein Quecksilberring von geringem Querschnitt zur Abdichtung benutzt wird, während der Kolbenkörper extrem leicht ausgeführt werden kann. Die Gesamtmasse des erfindungsgemäß ausgebildeten Kolbens ist damit gering. Die Führung des Kolbens In einem Zylinder axial beweglicher Freikolben

Anmelder:

George Kielkopf Porter jun.,

Sellersville, Pa. (V. St. A.)

ίο Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27

Als Erfinder benannt:
George Kielkopf Porter jun.,
Sellersville, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 28. August 1958 (757 799)

gemäß der Erfindung wird allein durch einen Flüssigkeitsring, d. h. Quecksilberring, bewirkt.

Jegliche trockene Reibung wird vermieden. Der Bereich, in welchem eine Berührung zwischen Kolben und Zylinder stattfindet, ist äußerst gering und besteht theoretisch in einer Umfangslinie. Der erfindungsgemäße Kolben arbeitet somit nahezu trägheitslos und weist eine hohe Empfindlichkeit auf. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Umfangsnut im Schnitt von einer gekrümmten Umfangslinie einer solchen Form begrenzt ist, daß die Verbindungsgerade der zwei am weitesten voneinander entfernten Punkte eine Mantellinie des Kolbens ist. Insbesondere hat die Umfangsnut einen halbkreisförmigen Querschnitt. Als Flüssigkeit wird vorzugsweise Quecksilber verwendet.

Vorteilhaft ist es, die Zylinderinnenfläche aus Glas herzustellen, da Glas mit Quecksilber eine minimale Benetzung ergibt.

An Hand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Längsschnitt durch den Zylinder,

F i g. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1 und

609 747/Ί79

Fig. 3 eine vergrößerte Längsschnittansicht mit Darstellung der Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder.

Das Rohr oder der Zylinder 10 ist mit hoher Genauigkeit gearbeitet und hat einen gleichmäßigen inneren Durchmesser über dem gesamten Bewegungsbereich des Kolbens 11, sowie eine innere Oberfläche 8 und eine: äußere Oberfläche 9. Der Kolben 11 ist zylindrisch mit Stirnflächen 12 und 13 versehen und peripher etwa in der Mitte des Kolbens bei 14 ausgespart.

Der Zylinder 10 kann aus irgendeinem geeigneten Material bestehen, das transparent oder opak, magnetisch transparent oder opak elektrisch leitend oder isolierend, metallisch oder nichtmetallisch, beschichtet oder unbeschichtet, je nachdem wie es die einzelnen Erfordernisse bedingen, sein kann. Der Kolben 11 gleitet berührungsfrei im Zylinder 10, wobei das Spiel zwischen dem zentrierten Kolben und der inneren Oberfläche des Zylinders ungeachtet der tatsächlichen Durchmesser in der Größenordnung von maximal 0,25 mm liegt.

Eine Flüssigkeitsabdichtung 15 ist in der Aussparung 14 gehalten und erstreckt sich über den Umfang des Kolbens weit genug hinaus, so daß die innere Oberfläche 8 des Zylinders gleichmäßig benetzt wird. Die. Flüssigkeit kann erfindungsgemäß Quecksilber sein. Die Ringnut 14 kann über radiale Bohrungen mit einer axialen Bohrung im Kolben in Verbindung stehen und über diese mit Quecksilber gefüllt werden, wobei die axiale Bohrung durch einen Gewindestopfen, mittels dem das Quecksilber in die Bohrungen hineingedrückt werden kann, verschlossen wird.

Eine andere Möglichkeit für das Füllen der Ringnut 14 besteht darin, ein Ende des Zylinders abzuschließen, das Abdichtungsmittel auf dem Abschluß abzulagern und dann den Kolben dagegen zu bewegen, wodurch das, Abdichtungsmittel durch den kapillaren Zwischenraum zwischen dem Kolben und dem Zylinder in die Aussparung hineingedrängt wird. Nachdem ein kompletter Ring auf diese Weise erstellt worden ist, wird der Überschuß entfernt.

In Verbindung mit den Funktionen des Abdichtungsringes relativ zu. der inneren Oberfläche oder der Bohrung 8 des Zylinders wird klar, daß die Beschaffenheit der Oberflächen derart sein muß, daß der Abdichtungsring weder die Oberfläche der Bohrung 8 des Zylinders 10 noch den Teil des Kolbens benachbart der Aussparung 14 »benetzt«. Natürlich sind in diesem Zusammenhang die Ausdrücke »benetzt« bzw. das Gegenteil »nicht benetzt« keine absoluten Bezeichnungen, sondern rein relativ gemeint.

Im Hinblick auf eine minimale Benetzung der Zylinderwand ist Quecksilber die am besten geeignete Flüssigkeit; es können jedoch auch andere Flüssigkeiten, wie z. B. Wasser oder wäßrige Lösungen verwendet werden, wenn die Oberflächen wasserabstoßend sind oder mittels Silikonlacken, Wachs, Karbonschichten u. dgl. wasserabstoßend gemacht werden.

Abgesehen davon, daß es kein absolutes Nichtbenetzen gibt, ist ein minimales Benetzen für die Haftung der Flüssigkeit am Kolben von Bedeutung. Wäre dies nicht der Fall, würde der Flüssigkeitsring vom Kolben 11 abreißen und zwischen diesem und der Bohrung 8 des Zylinders 10 versprüht werden.

Wenn Kolben und Zylinder vertikal angeord net sind, wird der Kolben durch die Flüssigkeits abdichtung abgestützt und zentriert. Die Anordnung kann auch geneigt ausgebildet sein, ohne die Ab dichtung zu beeinflussen; denn obgleich der Kolbei auf Grund der Schwerkraft dazu neigt, auf die unten Oberfläche des Zylinders zuzugehen, konzentrier sich auch die Abstützung des Kolbens durch dif Flüssigkeit auf Grund der Schwerkraft im Bereicl·

ίο der am nächsten beieinanderliegenden Oberflächei des Kolbens und des Zylinders, insbesondere dann wenn die Flüssigkeit Quecksilber ist.

Es sei bemerkt, daß mit der vorliegenden Erfindung gesteuerte Kolbenbewegungen mit kleinerer unterschiedlichen Gasdrücken als diejenigen, die erforderlich sind, um irgendeinen der bisherigen Kolben zu bewegen, bewirkt worden sind. Es scheint, als ob bei ausreichender, jedoch minimal benetztei Fläche zwischen dem Quecksilberring 15 und dei Bohroberfläche 8 bei der Bewegung des Kolbens eine konstant erneuerte Benetzung der Oberfläche vorhanden ist, wobei ein Teil des Quecksilbers in sich selbst rotiert. In der Tat bildet das Quecksilber eine unendliche Anzahl von Kugellagern zwischen dem Kolben und dem Rohr, welche eine geringstmögliche Wandreibung gewährleisten.

Es wurde festgestellt, daß bei gewöhnlichen Glasröhren durch die Bewegung des Kolbens in dem Zylinder 10 statische Ladungen auf den Rohroberflächen induziert werden, die, falls sie nicht entfernt werden, den glatten Bewegungsablauf des Kolbens schädlich beeinflussen und Fehler einführen. Eine einfache Lösung dieses Problems besteht darin, sowohl die innere als auch die äußere Oberfläche 8 bzw. 9 des Zylinders 10 mit einer geeigneten nicht statisch aufladbaren Schicht, z. B. Triäthylamilamine, zu beschichten. Auch kann das Rohr aus elektrisch leitendem Glas bestehen. Wie bereits bemerkt, kann das Rohr oder der Zylinder aus geeignetem Metall bestehen, obgleich dies eine zusätzliche Ausrüstung zum Abtasten der Kolbenlage erfordert. Der Kolben kann aus Metall oder Kunststoff, z. B. aus einem thermoplastischen Harz, bestehen.

Claims

Patentansprüche:

1. In einem Zylinder axial beweglicher Freikolben, der mittels eines aus einer Flüssigkeit mit hoher Oberflächenspannung gebildeten Ringes gegen den eine von der Flüssigkeit möglichst schwach benetzbare Innenfläche aufweisenden Zylinder abgedichtet ist, wobei der Flüssigkeitsring in einer am Kolbenumfang enthaltenen ringförmigen Ausnehmung gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung eine an sich bekannte, zur axialen Länge des Kolbens (11) schmale Umfangsnut (14) ist, die in an sich bekannter Weise keine Durchbrechungen im Kolbenkörper aufweist und von einem Teil des Flüssigkeitsringes (15) voll ausgefüllt ist.

2. Freikolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsnut in an sich bekannter Weise im Schnitt von einer gekrümmten Umfangslinie einer solchen Form begrenzt ist, daß die Verbindungsgerade der zwei am weitesten voneinander entfernten Punkte eine Mantellinie des Kolbens ist.

3. Freikolben nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umf angsnut (14) in an sich bekannter Weise einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist.

4. Freikolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die Flüssigkeit Quecksilber ist.

5. Freikolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderinnenfläche aus Glas besteht, die mit Quecksilber eine minimale Benetzung ergibt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 290 300, 875 765; französische Patentschrift Nr. 853 765; USA.-Patentschriften Nr. 2211456, 2593193, 542.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen