DE1625923A1

DE1625923A1 - Kolbenmaschine mit gasgeschmiertem Kolben

Info

Publication number: DE1625923A1
Application number: DE19671625923
Authority: DE
Inventors: Clarke Michael Edward; Bryan Morrell
Original assignee: British Oxigen Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1966-08-04
Filing date: 1967-07-19
Publication date: 1970-08-06
Also published as: NL6710705A; US3538815A; GB1125524A

Description

ing. R. HOLZEB

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Augsburg, den 18. Juli 1967

Ehe British Oxygen Company Limited, Hammersmith House,

London, W_e6., England

Kolbenmaschine mit gasgeschmiertem Kolben

Die Erfindung betrifft Kolbenmaschinen, bei welchen ein Kolben innerhalb eines Zylinders "verschiebbar ist, wodurch innerhalb dieses Zylinders entsprechend den Kolbenbewegungen Druckveränderungen hervorgerufen werden« Diese Druckveränderungen können entweder in einfaohwirlsender Arbeitsweise jeweils an einem Zylinderende oder in doppeltwirkender Arbeitsweise jeweils an entgegengesetzten Zylinderenden vorgenommen werden.

B@i derartigen EolbenmasoSiineaj iasbeaonders bei .

kleinen Expansionsmaschinen oder Verdichtern, wie" sie beispielsweise in Kühlanlagen für den Tieftemperaturbereich "verwendet werden, ist es von Vorteil, einen Ereikolben zu verwenden, d.h. einen ungeführt en Kolben ohne Kolbenringe, welcher in einer Druckgasschicht schwimmt. Diese Druckgasschicht wird üblicherweise dadurch erzeugt, daß mittels einer besonderen Anordnung von der Hochdruck-Seite her an einer oder mehreren Stellen längs des Kolbenweges Druckgas in den umfänglichen Zwischenraum zwischen Kolben und Zylinder eingeführt wird.

Bei einer bekannten Ausführungsform solcher Freikolbenmasohinen dient eine Anzahl von im Bereich der Druckgas-Zuführungsstellen im Kolben gebildeten Umfangsnuten als Schmiervorrichtung, weiche ähnlich wie die üblichen Kolbenschmierringe wirkt.

Diese bisher bekannten gasgescamierten Kolbenmaschinen erwiesen sich im Betrieb insofern als nicht zuverlässig, als ihre Kolben dazu neigen,, um die Zylinderlängsache zu kippen oder sich seitlich äarart zu versetzen, daß sie an der Zylinderwandung reiben«

Die Neigung der Kolben sum Kippen oder zur seitlichen

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Versetzung scheint daher zu kommen, daß aufgrund des zwischen den entgegengesetzten Kolhenenden herrschenden Druckunterschiedes in der schmierenden Gasschicht ein Druckgefälle entsteht.

Außerdem verändert sich dieses Druckgefälle mit der Weite des jeweils zwischen Kolben und Zylinderwandung "befindlichen Spaltes. Wird "beispielsweise angenommen, daß der Korben in bezug auf die Zylinderachse leicht versetzt ist, so daß beispielsweise der Spalt zwischen Kolben und Zylinderwandung an der einen Seite größer als an der anderen Seite ist, so wird an der Seite, an welcher sich der Kolben dicht an der Zylinderwandung befindet, der Gasdruck von der Einlaßstelle her zu einer Auslaßstelle hin schnell, cLh«. nicht linear, abfallen, wohingegen an der Seite des größeren Spaltes der Gasdruck von der Einlaßstelle her zur Auslaßstelle hin im wesentlichen linear abfällt_o Hierdurch wird auf den Kolben eine resultierende. Kraft ausgeübt, welche den bereits vorhandenen Versatz des Kolbens in bezug auf die Zylinderachse so lange weiter vergrößert, bis der Kolben an der Zylinderwandung reibt*

-Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden,

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bei gasgeschmierten Freikolbenmaschine!!, ein Kippen des Kolbens um die Zylinderachse und ein seitliches Versetzen des Kolbens mit Bezug auf den Zylinder zu vermeiden.

Im Sinne der Lösung dieser Aufgabe beinhaltet die Erfindung eine Kolbenmaschine mit druckgasgeschmiertem Kolben, welche gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet ist, daß an der inneren Zylinderwandung mindestens drei mit Bezug auf den Zylinderumfang gleichmäßig verteilte Längsnuten zur Zuführung des Schmier-Druckgases angeordnet sind, deren axiale Länge mit Bezug auf den Kolbenweg so groß ist, daß die Nuten vom Kolben an Stellen niederen Druckes innerhalb des Zylinders nicht freigegeben werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die axiale Anordnung und Länge der Druckgas-Schmiernuten innerhalb des Zylinders derart, daß der Kolben diese rTuten an Stellen hohen Druckes innerhalb des Zylinders teilweise freigibt.

In Abwandlung dessen kann gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform der Erfindung die axiale Anordnung und Länge der Druckgas-Schmiernuten innerhalb des Zylinders derart sein, daß sie in allen Kolbenstellungen vom Kolben abge-

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deckt werden, und außerdem können Mittel vorgesehen sein, mittels welcher den Dr uckgas-Schmiernut en iron einer außerhalb des Zylinders gelegenen Druckgasquelle her SchmierDruckgas zugeführt wird.

Die Hüten sind so tief, daß durch das in ihnen befindliche Schmier-Druckgas zwischen Kolben und Zylinderwandung ein Polster gebildet wird. Die Hüten sind jedoch wiederum nicht so tief, daß von der Gaseintrittsstelle her längs des Kolbens ein übermäßiger Druckgasverlust auftritt. Die Hüten haben vorzugsweise eine Länge von etwa zwischen einem Viertel und drei Vierteln der Zylinderlänge, sind gleichmäßig um den Zylinderumfang herum verteilt und verlaufen parallel zur Zylinderachse. Die Ruten können jedoch auch mit Bezug auf die Zylinderachse schräg verlaufen, vorausgesetzt, daß die einzelne Hut· nicht weiter als um ein Drittel des Zylinderumfanges sich um diesen herum windet» Die Hüten können auf beliebige herkömmliche Weise hergestellt werden, beispielsweise durch örtliches Ätzen der Zylinderinnenwandung.

Die Erfindung v/ird nunmehr mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen anhajtKL zweier Expansionsmaschinen für

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kleine Kühlgeräte beispielsweise beschriebene Es stellen dar: ·

Figur 1 ein Schema eines Zylinders gemäß

der Erfindung mit einem darin angeordneten Kolben, welcher gerade eine Anfangsstellung vor Beginn eines Arbeitsspieles einnimmt,

Figur 2 ein Schema der in Figur 1 der

Zeichnungen dargestellten Anordnung, welches den Kolben in einer Endstellung nach einer Expansion zeigt, und

Figur 3 ein Schema einer abgewandelten Aus

führungsform eines erfindungsgemäßen Zylinders mit einem darin angeordneten Kolben, welcher gerade eine Anfangsstellung vor Beginn eines Arbeitsspieles einnimmt.

Bei der in den Figuren 1 und 2 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist ein

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Zylinder 8, in welchem ein Kolben-7 frei verschiebbar angeordnet .ist, gemäß der Erfindung mit einer Druckgasquelle verbundene Einlaßöffnungen 9 und zum Ausschub des expandierten Gases mit einer Abgasleitung verbundene Auslassöffnungen 10 aufo Der Kolben 7 weist gemäß der Erfindung diametral einander gegenüberliegende Radialbohrungen 11 sowie eine axiale Sackbohrung 12 auf, über welche die Einlaßöffnungen 9 mit einer Expansionskammer stets dann verbunden sind, wenn sich der Kolben bei Beginn Jeweils eines Arbeitsspieles in seiner Anfangsstellung befindet, die in Figur 1 der Zeichnungen dargestellt ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kolben eine Länge und einen Durchmesser von jeweils 31,75 mm auf, während der radiale Spielraum zwischen Kolben und Zylinder?^ndung 0,00508 mm beträgt.

Der in.den Zeichnungen dargestellte Zylinder weist gemäß der Erfindung gleichmäßig auf seinem Umfang verteilte, durch loknies Ätzen der Zylinderinnenwandung gebildete Längsnuten 14 aufo Jede Längsnut ist gemäß der Erfindung 0,254- mm breit und. hat eine Tiefe von 0,00762 mm bis 0,001778 mm»

Im Betrieb strömt das Druckgas von den Einlaßöff-

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nungen 9 her über die Bohrungen 11 und 12 des Kolbens in die Expansionskammer 13, wo das Gas expandiert und hierdurch den Kolben während des Expansionshubes in eine bestimmte Richtung bewegt. Nach Beendigung des Expansionshubes steht die Expansionskammer 13 in Verbindung mit den Auslaßöffnungen 10, wodurch das Gas aus dem Zylinder ausströmen und der Kolben sich wieder in seine ursprüngliche Stellung zurückbewegen kann, so daß der Kolben nunmehr wieder für ein neues Arbeitsspiel bereitsteht.

Bei der in den Figuren 1 und 2 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind die Längsnuten 14 derart bemessen und angeordnet, daß sie während der Kolbenbewegungen durch den Kolben 7 jeweils an dem mit niedrigem. Druck beaufschlagten Zylinderende nicht aufgedeckt sind, während sie an der mit hohem Druck beaufschlagten Zylinderseite immer teilweise frei bleiben.

Infolgedessen kann das Druckgas von den Einlaßöffnungen 9 her zwischen dem Kolben 7 und dem Zylinder 8 hindurch in die Längsnuten 14 einströmen und hierdurch sechs gleichmäßig voneinander unterteilte Gaspolster bilden, wobei das Druckgas nicht von den Längsnuten her

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zur Mederdruckseite des Zylinders 8 hin entweichen kann» Diese Gaspolster; dienen zur Zentrierung des Kolbens 7 innerhalb des Zylinders 8 und sollen verhindern} äaß der Kalben an der Zylinderiri&enwandüng reibt.

Eine in Figur 3 der Zeichnungen dargestellte weitere Ausführungsform einer Expansionsmaschine gemäß der Erfindung weist im wesentlichen denselben Aufbau und dieselbe Betriebsweise auf wie die in den "figuren 1 und 2 der Zeichnungen dargestellte Ausführungsform, mit Ausnahme dessen, daß die in der Zylinderinnenwandung gebildeten Iiängsnuten 15 bei dieser Äusführungsform derErfindung so kurz sind* daß sie in allen Kolbensteliungeh durch den Kolben 7 abgedeckt werden. Das Schmier-Druckgas wird bei dieser Ausführurigsform der Erfindung den als Drückgas-Söhmiernuten dienenden Bäiigsnuten 14 über eine besondere Leitung 16 z

Claims

It lölBermiäsünine mit druckgasgescnmieitern dadureii geiennzeiönnet* daß an der inneren Zylinderwandung mindestens drei mit Bezug auf den Zylindgruiöfang gleiöhmäßig verteilte Längsnüten (14 bzw«. 15) zur Zufiüirung etes Sobittier-iriiöklases angeordnet sind j deren axiale Länge mit Bezug auf ilen Eöiläenweg so groß ist, daß die Miiten vom Kolleri an Ütelien ttieieren Druckes innerlialiD dös ßiefet- fr:e:igege"ben werden^
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mittels welcher den Druckgas-Schmiernuten von einer außerhalb des Zylinders gelegenen Druckgasquelle her Schmier-Druckga's zugeführt wird.

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