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Vorrichtung mit mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial
bewegbaren Kolben, die gegeneinander durch eine Rollmembran abgedichtet sind Zusatz
zum Patent: 1231980 Im Patent 1231980 ist eine Vorrichtung beschrieben mit
mindestens einem Zylinder und einem in diesem axial bewegbaren Kolben, die gegeneinander
durch eine Rollmembran abgedichtet sind, deren eine Seite einen Teil der Begrenzung
eines Arbeitsraumes bildet und deren andere Seite zusammen mit den Wandteilen von
Zylinder und Kolben einen Raum einschließt, der zur Abstützung der Rollmembran gegenüber
dem Druck im Arbeitsraum mit einem nahezu inkompressiblen Medium gefüllt ist und
wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, daß an der Rollmembran eine wenigstens
pro Hub nahezu konstante Druckdifferenz gewährleistet ist. Das Wesen dieser Vorrichtung
besteht darin, daß der Kolben aus zwei axial zueinander beweglichen und durch Federn
miteinander verbundenen kolbenförmigen Körpern besteht, wobei der zwischen dem Arbeitsraum
begrenzenden und mit der Rollmembran dicht verbundenen Körper und dem mit dem Triebwerk
verbundenen Körper gebildete Raum mit einem inkompressiblen fließfähigen Medium
gefüllt ist und mit dem vorstehend genannten Raum unter der Rollmembran in offener
Verbindung steht.
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Es hat sich herausgestellt, daß bei der Vorrichtung nach dem Hauptpatent,
obwohl über die Rollmembran eine konstante Druckdifferenz, die infolge der Abstützung
der Rollmembran durch das inkompressible Medium gering ist, vorherrscht, doch ein
Kriechen der Rollmembran, also eine langsame Dehnung bei geringerer Spannung auftritt.
Dabei wird die Rollmembran im Laufe der Zeit länger und somit auch dünner. Bei der
Vorrichtung nach dem Patent 1231980 liegen die Wände des Spaltes, in dem die Rollmembran
angeordnet ist, parallel zueinander, was bedeutet, daß unabhängig von dem Maße der
Dehnung der Rollmembran deren Oberfläche, an der der Druckunterschied herrscht,
stets gleich ist und somit auch die von der Rollmembran aufzunehmende Gesamtkraft
stets gleich ist. Wenn nun infolge der Dehnung die Rollmembran dünner wird, erhöht
sich ihre Spannung, so daß die Dehnungsgeschwindigkeit stets größer wird.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß diese beschleunigte
Dehnung dann vermeidbar ist, wenn durch geeignete Maßnahmen die Spannung in der
Rollmembran beim Dehnen weniger schnell oder überhaupt nicht zunimmt.
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Um diese Erkenntnis zu verwirklichen, weist die Vorrichtung nach dem
Patent gemäß der Erfindung das Kennzeichen auf, daß die den Spalt bildenden und
die Rollmembran aufnehmenden Wandteile des den Arbeitsraum begrenzenden und mit
der Rollmembran dicht verbundenen Kolbens und Zylinders in an sich bekannter Weise
einen von der Befestigung der Rollmembran an diesen Wandteilen her in Richtung,
auf den Raum, dem die konvexe Seite der Rollmembran zugekehrt ist, zueinander konvergierenden
Verlauf aufweisen.
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Wenn nun die Rollmembran durch Dehnung länger und dünner wird, verkleinert
sich auch ihre Oberfläche, an der der Druckunterschied wirksam ist. Hierdruch wird
auch die von der Rollmembran aufzunehmende Gesamtkraft geringer, und die Spannung
in der Rollmembran wird sich daher nahezu nicht ändern. Auf diese Weise wird mit
einfachen Mitteln verhütet, daß ein stets anwachsendes Dehnen der Rollmembran auftritt.
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Durch die konvergierende Ausbildung der Wandteile, mit denen die Rollmembran
zusammenarbeitet, wird beim Bewegen des Kolbens das Volumen des Raumes unterhalb
der Rollmembran sich in einer Weise ändern, die es nicht mehr ermöglicht diese Volumenänderungen
mit Hilfe einer gestuften Ausbildung von Kolben und Zylinder zu kompensieren. Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden diese
Volumenänderungen
dadurch kompensiert, daß der Abstand zwischen den beiden Kolbenkörpern sich derart
anpaßt, daß das Gesamtvolumen des Flüssigkeitsraumes konstant bleibt. Dies ermöglicht
es, die Druckdifferenz über die Rollmembran konstant zu halten.
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Bemerkt sei, daß es aus der deutschen Patentschrift 245 200 an sich
bekannt ist, bei einer pneumatisch federnden Einrichtung die Dichtung zwischen Kolben
und Zylinder als Rollmembrandichtung auszubilden, wobei die Rollmembran in einem
konvergierenden Spalt angeordnet ist. Dabei ist aber die Rollmembran nicht durch
Flüssigkeit unterstützt, so daß eine wechselnde Druckdifferenz über diese Rollmembran
vorherrscht. Deshalb tritt bei dieser Einrichtung die Kombination von durch die
Erfindung gelösten Problemen, nämlich Konstanthaltung des Druckunterschiedes und
Beseitigung des Kriechens der Rollmembran, nicht auf.
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Die konvergierenden Wandteile sind nicht an eine bestimmte geometrische
Form gebunden; die einzige Bedingung ist, daß der Spalt sich verengt. Zum Beispiel
können diese Wandteile kegelförmig ausgebildet sein, was den Vorteil hat, daß sie
sich leicht herstellen lassen.
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Eine weitere günstige Ausführungsform der Vorrichtung nach der Erfindung
weist das Kennzeichen auf, daß die konvergierenden Wandteile derart verlaufen, daß
der Quotient
für jede Länge der Rollmembran den gleichen Wert hat, wobei d die Dicke der Rollmembran
in ihrem außer Berührung mit den Wandteilen liegenden Teil und s die Breite des
Spaltes an der Stelle darstellt, an der die Rollmembran außer Berührung mit den
Wandteilen kommt.
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Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, daß die Spannung in der
Rollmembran stets den gleichen Wert hat. Hierdurch wird also eine Beschleunigung
der Dehnung vollständig vermieden, was naturgemäß auf die Lebensdauer der Rollmembran
einen günstigen Einfluß hat.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt eine bekannte Vorrichtung, bei der die Rollmembran
in einem Spalt angeordnet ist, dessen Wände parallel zueinander verlaufen; die F
i g. 2 und 3 zeigen im Schnitt zwei Vorrichtungen, bei denen die Rollmembranen in
sich verengenden Spalten angeordnet sind; in F i g. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt,
bei der als Abdichtung zwischen einem Kolben und seinem Zylinder zwei Rollmembranen
angeordnet sind; F i g. 5 zeigt eine Vorrichtung, bei der die Rollmembran in einem
Spalt angeordnet ist, dessen Wände gemäß gekrümmten Linien konvergieren.
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In F i g. 1 ist mit 1 ein Zylinder bezeichnet, in dem zwei Kolben
2 und 3 beweglich sind. Zwischen den Kolben 2 und 3 befindet sich ein mit Flüssigkeit
gefüllter Raum 4. Der Kolben 3 besitzt eine Kolbenstange 5, die ihrerseits mit einem
nicht dargestellten Getriebe verbunden sein kann. An den Raum 4 schließt eine Flüssigkeitszuführungsleitung
an. Der Kolben 2 kann mit seiner Oberseite das Volumen eines Arbeitsraumes 7 ändern.
An der Unterseite ist der Kolben 2 mit einem Regelstift 8 versehen,
der einen Kranz von Löchern 9 aufweist. Eine Feder 10
sorgt dafür, daß der
Drück in der Flüssigkeit im Raum 4 stets niedriger ist als der Druck im Raum 7.
Wenn durch die Leitung 6 zuviel Flüssigkeit zugeführt wird, so daß der Druckunterschied
den gewünschten Druckunterschied unterschreiten würde, so wird der Abstand zwischen
den Kolben 2 und 3 etwas größer, und die Löcher 9 kommen frei, so daß Flüssigkeit
aus dem Raum 4 zum Kurbelkasten fließen kann.
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Als Abdichtung zwischen dem Kolben 2 und dem Zylinder 1 ist
die Rollmembran 11 vorgesehen. An dieser Rollmembran steht somit der von
der Feder 10 verursachte Druckunterschied d p. Infolge dieses Druckunterschieds
unterliegt das Material der Rollmembran einer Dehnung. In der Figur ist die Ausgangslage
der Rollmembran in voll ausgezogenen Linien dargestellt. In dieser Lage hat die
Rollmembran eine Dicke dl. Die Breite des Spaltes ist mit S ..bezeichnet. Bezogen
auf den axialen Schnitt, wirkt auf die Rollmembran eine Kraft K = S - d p.
Diese verursacht in ihr eine Spannung F, die gleich ist.
Unter Einwirkung dieser Spannung beginnt die Rollmembran sich zu dehnen.
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Nach einem gewissen Zeitablauf hat die Rollmembran eine Lage angenommen,
die in der Figur durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Die Rollmembran ist
dann etwas länger geworden, was mit einer Abnahme der Dicke einhergeht. Die Dicke
d ist somit kleiner als die Dicke dl. Auf die Rollmembran wirkt noch stets die gleiche
Kraft K = S - d p. Die Spannung in der Rollmembran ist dann
Die Spannung ist also größer geworden, was bedeutet, daß die Dehnung stets schneller
erfolgt und zunimmt. Um dieses Ansteigen der Dehnungsgeschwindigkeit zu verhüten,
sind in den F i g. 2 bis 5 die Rollmembranen in sich verengenden Spalten angeordnet.
In diesen Figuren sind die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 verwendet.
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In F i g. 2 ist eine Vorrichtung dargestellt, die die gleichen Einzelteile
wie die Vorrichtung nach F i g. 1 aufweist. Der einzige Unterschied besteht darin,
daß die Wände 12 und 13 des Zylinders 1 bzw: des Kolbens 2 nicht parallel zueinander
verlaufen, sondern konvergieren. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist im übrigen
ähnlich der der Vorrichtung nach F i g. 1. An der Rollmembran 11 wirkt wieder der
Druckunterschied d p. Die Ausgangslage der Rollmembran ist wieder in voll
ausgezogener Linie dargestellt. Die Dicke der Rollmembran in dieser Lage ist wieder
dl, und die Spaltbreite an der Stelle, an der die Rollmembran 11 außer Berührung
mit den Wandteilen 12 und 13 kommt, ist mit S1 bezeichnet. Bezogen auf den axialen
Schnitt, wirkt an der eine Kraft K1 = S - d p. Die Spannung in der Rollmembran
beträgt dann
Nach einiger Zeit hat die Rollmembran infolge der auftretenden Dehnung eine Lage
erreicht, die in F i g. 2 durch gestrichelte Linien dargestellt ist. Die Dicke der
Rollmembran beträgt dann d2, wobei d2 kleiner ist als dl. Die Spaltbreite an der
Stelle, an der die Rollmembran 11 außer Berührung mit den Wandteilen 12 und 13 kommt,
ist dann S2, wobei, SZ kleiner ist als S1. Die auf die Rollmembran wirkende Kraft
beträgt dann KZ = SZ d p. Die Spannung in der Rollmembran beträgt
dann Da dann sowohl d2 als auch KZ kleiner sind
als dl und K,
wird die Spannung FZ gleich der Spannung F1 sein können.
Dies ist der Fall, wenn
Deshalb wird die Dehnungsgeschwindigkeit also nicht größer. Es ist sogar möglich,
die Wandteile 12 und 13 so stark konvergieren zu lassen, daß die Spannung FZ kleiner
ist als die Spannung F1, so daß die Dehnungsgeschwindigkeit kleiner wird.
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Ein zusätzlicher Vorteil dieses konischen Spaltes ist weiterhin, daß
die Rollmembran auch für Änderungen des Druckunterschieds weniger empfindlich wird.
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In F i g. 3 ist eine Vorrichtung ähnlich der nach den F i g. 1 und
2 dargestellt, bei der aber die konvexe Seite der Rollmembran 11 dem Arbeitsraum
7 zugekehrt ist. Der Spalt zwischen den Wandteilen 12 und 13 verengt sich in diesem
Fall in Richtung auf den Arbeitsraum 7. Bei dieser Lage der Rollmembran 11 muß die
Feder 10 als Zugfeder ausgebildet sein, so daß der Druck in der Flüssigkeit im Raum
4 höher ist als der Druck im Arbeitsraum 7. Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist
im übrigen ähnlich der der Vorrichtung nach F i g. 2.
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In F i g. 4 ist eine Vorrichtung dargestellt, deren Hauptteile denen
der Vorrichtungen nach den F i g. 2 und 3 entsprechen. Als Abdichtung zwischen dem
Kolben 2 und dem Zylinder 1 sind in dieser Ausführung zwei Rollmembranen 14 und
15 angebracht, deren konkave Seiten einander zugekehrt sind. Im Raum 16 zwischen
den Rollmembranen befindet sich so viel Flüssigkeit, daß in diesem Raum ein Druck
herrscht, der um einen konstanten Betrag höher ist als der Druck im Arbeitsraum
7 und im Raum 4. Um die Dehnungsgeschwindigkeit der Rollmembranen innerhalb zulässiger
Grenzen zu beschränken, wirken die beiden Rollmembranen mit konvergierenden Wandteilen
zusammen. Dabei verengt sich der Spalt zwischen den Wandteilen 17 und 18, mit denen
die Rollmembran 14 zusammenwirkt, in einer Richtung entgegengesetzt zur Richtung,
in der die Wandteile 19 und 20, mit denen die Rollmembran 15 zusammenwirkt, konvergieren.
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Die Kolben-Zylinder-Kombination, wie sie in den Figuren dargestellt
ist, eignet sich besonders zur Verwendung in Kompressoren, Kaltgaskühlmaschinen,
Heißgasmotoren, Expansionsmaschinen usw.
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In der Zeichnung sind nur einige Beispiele von Rollmembranen dargestellt.
Obwohl bei den dargestellten Ausführungen sowohl der Wandteil des Kolbens als auch
der des Zylinders kegelstumpfartig verlaufen, kann einer dieser Wandteile auch zylindrisch
gestaltet sein und nur der andere Wandteil einen kegelstumpfartigen Verlauf aufweisen.
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In F i g. 5 ist eine Rollmembranabdichtung dargestellt, bei der die
Wandteile 12 und 13 nicht geradlinig verlaufen. Auch bei dieser Ausführung ist das
Auftreten einer beschleunigten Dehnung dadurch vermieden, daß sich der Spalt zwischen
den Wandteilen 12 und 13 verengt.