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Hin- und hergehender Verdichter Die Erfindung betrifft einen im folgenden
Kolbentompressor genannten hin- und hergehenden Verdichter für Gas- der -t;okkenen
Bauart, d.h. einen Verdichter, der ohne-Schmierung arbeitet, bei dem die Reibungen
des Kolbens in dem Zylinder vernachlässigbar sind, die Teile in relativer Bewegung
untereinander nicht reiben und folglich die bntzung- Null ist. Ein solcher Kompressor
ist hermetisch abgeschlossen und erfordert keine Stopfbüchse.
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Es ist bereits bei Verdichtern oder Pumpen mit einem Kolben vorgeschlagen
worden, dem Kolben gleichzeitig mit seiner Translasionsbewegung eine Rotationsbewegung
zu erteilen.
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Im allgemeinen wird diese Rotationsbewegung durch eine mechanische
Anordnung erzeugt und ist der hin- und hergehenden Translationsbewegung zugeordnet.
Aufgrund dessen ist die Rotation jedoch, sei sie abwechselnd, sei sie kontinuierlich,
langsam.
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Bei dieser Anordnung treten die üblichen Probleme einer mechanischen
Verbindung mit der Notwendigkeit der Schmierung auf.
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Ziel der Erfindung ist es, jegliche mechanische Verbindung beseitigen
und die Bewegung des Kolben ohne irgendeine Schmierund zu erreichen.
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Dieses Resultat wird gemäß der Erfindung durch die Kombination einer
genauen Einpassung des Kolbens in den Zylinder, eines antriebs des Kolbens durch
eine Vorrichtung außerhalb des Zylinders und einer ausreichenden Rotationsgeschwindigkeit
des Kolbens erreicht, wobei dadurch das Tragen des Kolbens ohne Berührung mit dem
Zylinder nach Art der fluid-Lager gewährleistet ist.
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Gegenstand der Erfindung ist ein dichter Kolben-Komressor, d. h. ein
Kompressor ohne Stopfbüchse, der ohne Schmierung arbeitet, bei dem der Kolben gleichzeitig
mit seiner hin- und hergehenden Translationsbewegung eine Rotationsbewegung erfährt,
und der keine merkliche Reibung aufweist, und dieser Kolben-Kompressor kennzeichnet
sich dadurch, daß der Kolben ohne äußere mechanische Verbindung angetrieben durch
mawgaetische oder elektromagnetische Wirkung in dem Zylinder mit Spiel angebracht
ist, und daß der Kolben mit einer solchen Geschwindigkeit angetrieben ist, daß die
Bewegung des Kolbens im Auftrieb mit strenger Zentrierung nach Art der Fluid-Lager
gewährleistet ist.
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Gemäß der Erfindung sind also das aus der strengen Sinpas-.
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sung zwischen Kolben und Zylinder resultierende Spiel und die Drehzahl
des Kolbens um sich selber vorbestimmt, so daß; der Kolben mit dem Zylinder ein
Fluid-Lager der "hydrodynamischen" Art bildet, d. h. von der Art, daß der Kolben
in seiner Lagerung auf einem gasförmigen Film schwimmt-Das EhSnomen der hydrodynamischen
Fluid-Lager ist berefts' bekannt und ist schon in Arbeitsgeräten von hoher Präzision
oder in Einrichtungen angewendet worden, wo gleichzeitig
mit einer
sehr großen Empfindlichkeit eine sehr große Zuverlässigkeit gefordert wird.
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Man hat in der Tat bei diesen Anwendungen festgestellt, daß dank der
Viskosität des gasförmigen Filmes zwischen der beweglichen und der feststehenden
Oberfläche die einzige Reibung, die auftritt, die Reibung-des Gases ist; eine Reibung,
die in den vorgesehenen Anwendungsfällen pralctisch vernachlässigbar ist. Anwendung
und Ausnutzung dieses Phänomens bei Kolbenverdichtern bildet ein wesentliches Merkmal
der Erfindung.
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Bei dieser Anwendung beträgt das Spiel zwischen dem Zylinder und dem
Kolben, derenin Berührung stehende Oberflächen poliert worden sind, einige /um.
Beispielsweise beträgt bei einem Kolben von 40 mm Durchmesser und 100 mm Länge das
diametrale Spiel, um den gewünschten Effekt zu erreichen, in Luft etwa 4 /um für
eine Drehzahl von 200 bis 300 U/min.
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Für leichtere Gase, wie beispielsweise Helium, muß man entweder das
diametrale Spiel verringern oder die Drehzahl erhöhen oder beide Maßnahmen gleichzeitig
ergreifen.
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Es ist klar, daß Einpassungen von einer solchen Präzision durch sich
selbst einen sehr reduzierten Leckverlust gewährleisten, was sich günstig auf einen
guten Wirkungsgrad des Verdichters auswirkt. Auf grund der hohen Drehzahl des Kolbens
wird der Leckverlust noch einmal merklich vermindert.
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Es können auch kreisförmige Nuten, die Stauelemente bilden-, auf dem
Kolben -vorhanden sein, die diese Verringerung des Leckverlustes steigern.
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Um den Effekt der hydrodynamischen Fluid-Lager bei unterschiedlichen
temperaturen aufrecht zu erhalten, ist es erforderlich, das Spiel zwischen dem Kolben
und dem Mantel in dem zweckmaBigçn Bereich durch die Anwendung geeigneter Materialien
zu halten. Besonders wenn die den Kolben und den Zylinder bildenden Materialien
unterschiedlich sind, müssen sie genügend nahe beieinander liegende Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen, um die zulässigen Toleranzen des Spiels bei den Betriebstemperaturen
zu berücksichtigen.
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Im Hinblick darauf ist es vorteilhaft, den Kolben und den Zylinder
in Keramik mit einem hohen Gehalt an Aluminiumoxyd oder an Berylliumoxyd oder einem
anderen Oxyd (in der Größenordnung von 95 bis 99 %) herzustellen. Diese Materialien
weisen den Vorteil einer außergewölmlichen Dimensions-Stabilität über die Zeit und
bei Temperaturzyklen auf.
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Sie besitzen überdies eine sehr große Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionen
chemischer Art; das ist eine wertvolle Eigenschaft im Hinblick auf die Verdichtung
von korrodierenden Gasen, wie beispielsweise Uranhexafluorid.
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Die gleichzeitigen Rotations- und hin- und hergehenden Translationsbewegungen
des Kolbens können durch beliebige mechanische oder andere Mittel erzeugt sein.
Es ist dennoch vorteilhaft, sie durch einen magnetischen oder elektrischen Antrieb
durch eine Vorrichtung zu erhalten, die auf den Kolben quer durch die Wand des Zylinders,
die zu diesem Zweck diamagnetisch oder isolierend ist, hindurch ohne materiellen
Kontakt mit dem Kolben einwirkt. Aufgrund dessen kann der Zylinder hermetisch abgeschlossen
sein, wodurch jegliche Stopfbüchse überflüssig ist und kein Leckverlust auftritt.
Dieser Vorteil ist insbesondere bei
der Verdichtung von korrodierenden
oder geS;åhrlichen Gasen, oder einfach von Gasen hoher Reinheit von Bedeutung, wie.
sie beispielsweise in. Kernanlagen vorkommen.
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Eine Ausführungsform eines magnetischen Antriebs besteht darin, daß
in dem Kolben aus diamagnetischem Material ein Hohlraum vorgesehen ist, in welchem
eine Vorrichtung aus Permanentmagneten oder Eisenkernen angeordnet ist, während
außerhalb des Zylinders und konzentrisch zu diesem ein Käfig vorgesehen ist, der
in gleicher Weise eine Vorrichtung-aus Nagneten trägt. Wenn der Käfig gedreht wird,
versetzt er den Kolben in Drehung, während eine dem Käfig durch eine Winde oder
eine andere Antriebsart aufgezwungene Hin- und Herbewegung die Transiationsbewegung
des Kolbens gewährleistet, Es sei bemerkt, daß die erforderliche Leistung, um auf
den Kolben die ununterbrochene Rotationsbewegung zu übertragen, extrem gering ist.
Wenn die Rotationsbewegung einmal in Gang gesetzt ist, setzt sie sich ohne merklichen
Energiebedarf fort.
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Ein elektrischer Antrieb kann durch ein Drehfeld vorgesehen sein,
das durch eine äußere, sich nicht drehende Induktor-Wicklung, die als Stator arbeitet,
und mit einer in dem Kolben gelegenen Wicklung zusammenwirkt, die als Anker und
Rotor arbeitet, erzeugt wird.
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In dieser AusfuhrWngsform bestehen der Zylinder und der Kolben aus
einem elektrisch isolierendem Material.
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Mit der Rotation durch das Drehfeld ist eine Translationsbewegung
der Induktor-Wicklung durch eine Winde oder eine
elektromagnetische
Vorrichtung verbunden; die Bewegung überträgt sich auf den Kolben-Läufer. Besonders
der Translationsantrieb kann durch eine Anordnung in Form eines Linear-Motors ausgeführt
sein.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert;
in dieser zeigt: Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kompressors
gemäß der Erfindung Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Kompressor in Fig. 1 und
Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform.
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Der Verdichter gemäß den Figuren 1 und 2, im folgenden Kompressor
genannt, umfaßt einen Körper oder Zylinder 1, in dessen Inneren der Kolben 2 sich
hin- und herbewegt.
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Der Zylinder ist an einem Ende 3 geschlossen. Am anderen Ende trägt
er eine Kammer mit Klappen 4.
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Der Zylinder 1 und der-Eolben 2 sind erfindungsgemäß mit einem sehr
geringen Spiel in der Größenordnung von einigen /uin angepaßt. Sie bestehen vorzugsweise
aus einem keramischen Material mit einem hohen Gehalt an Aluminiumoxyd.
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Mit einer so strengen Einpassung des Kolbens 2 in den Zylinder 1 würde
die Verschiebung des Kolbens praktisch umnöglich sein. Aber, und das ist ein wesentliches
Merkmal der Erfindung, wean man dem Kolben eine Rotationsbewegung erteilt, wie sie
der Pfeil A angibt, zeigt das Experiment, daß sich die Längsverschiebung des Kolbens
sehr leicht
und ohne nennenswerte Reibung vollzieht, indem der Kolben
nach Art von hydrodynamischen Fluid-Lagern auf dem in dem Spielraum zwischen den
Teilen 1 und 2 zurückgehaltenen Gasfilm schwimmt.
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Um dem Kolben 2 diese Rotation ebenso wie seine Hin- und Herbewegung
gemäß dem Pfeil B, die ihn als Verdichter arbeiten läßt, zu erteilen, bringt man
den Kolben 2 und einen äußeren ringförmigen Käfig 5 in magnetische oder elektrische
Zusanmenwirkung. Es genügt dann, den Käfig 5 zu drehen und ihm eine hin- und hergehende
Bewegung zu erteilen, um die gleichzeitige Rotations- und Translationsbewegung des
Kolbens 2 zu erzielen.
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Fig. 2 zeigt ein-Ausführungsdetail. Der Kolben 2 ist verbunden mit
einem Endstück 6 gezeigt, das einen Hohlraum 7 aufweist, welcher eine Vorrichtung
8 mit Permanentmagneten aufnimmt. Der Käfig 5 ist selbst-mit einer magnetischen
Anordnung 9 ausgestattet. Der Käfig erfährtdurch irgendeine Vorrichtung eine ununterbrochene
Drehbewegung. Die Drehbewegung kann auf ihn beispielsweise durch einen Riemen 10
übertragen werden. Sie kann ebenso durch eine magnetische Kopplung erzeugt werden,
wobei die führende Achse mit der Achse eines elektrischen Motors schwacher Leistung
verkeilt ist. Alle anderen direkten oder indirekten Antriebsmöglichkeiten können
vorgesehen werden.
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Der Käfig 5 ist andererseits durch ein Stück 11 an der Stange 12 einer
doppelt wirkenden hydraulischen Winde 13 befestigt. Die Bewegung der Winde wird
durch ein Druckfluid gesteuert, welches wechselweise den zwei Stirnflächen der Winde
mittels eines Umkehrverteilers 14 zugeführt wird.
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Es versteht sich, daß der Hub der Winde dem freien Raum des Kolbens
2 in dem Zylinder 1 entspricht, Die Kammer 4-weist eine Ansaugklappe 15 und eine
Förderklappe 16 auf, welche mit Leitungen für eine Zuführung 17 bzw. eine Abführung
18 des Gases vor und nach der Verdichtung verbunden sind. Diese Klappen gehören
beispielsweise zu der Bauart, bei der eine Scheibe durch Federkraft äuf einen geeigneten
Sitz aufgedrückt ist.
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Wie weiter oben ausgeführt ist, kann die dargestellte magnetische
Antriebsvorrichtung durch ein Induktor-Läufer-System mit Drehfeld ersetzt werden.
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Die Variante näch Fig. 3 stellt einen Kompressor gemäß der Erfindung
dar, der einen freien Kolben aufweist-und gemäß der unter dem Namen "Zweizylinder-Boxeranordnung
(fiat twin)" bekannten Technik arbeitet.
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In dieser Ausführungsform wird der Körper des Verdichters von einem
Zylinder 20 gebildet, der an jedem seiner Enden eine Klappenkammer 21 - 22 aufweist.
Die Kammern sind mit Ansaugleitungen 23, 24 und Förderleitungen 25, 26 verbunden.
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In dem Inneren des Zylinders 20 ist der streng eingepaßte Kolben 27
angeordnet, der aber eine ununterbrochene Deh= bewegung A erfahrt, die; wie weiter
oben ausgeführt, die Verschiebung ohne Reibung zuläßt.
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Der Kolben ist hohl und nimmt bei 28 die magnetischen bier elektiisdhen
Elemente auf, iiiiir geeignet sind, sir
dìe Verschiebungen hinsichtlich
der Rotation und Translation durch den äußeren ringförmigen Käfig 29 zu erteilen.
Der Käfig ist in gleicher Weise magnetisch oder elektrisch ausgestattet, um mit
den Elementen 28 des Kolbens zusammenzuwirkens, und erfährt eine Rotationsbewegung
durch die Vorrichtung 30 und eine Transiationsbewegung durch die Winde 31.