DE2739837C2 - Kolbenmaschine mit einer berührungslosen Dichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenmaschine mit einer berührungslosen Dichtung zwischen Kolbt-n- und Zylinderwand, wobei an die Kolben- und Zylinderwand eine gleichnamige elektrische Spannung angelegt ist und die Dichtung aus im Spalt zwischen Kolben- und Zylinderwand in wenigstens einem geschlossenen Umfangbereich durch elektrische Felder zusammengehaltenen, durch Anlagerung emittierter Elektronen gebildeten Gasionen gebildet wird.

Um die bei Kolbenmaschinen zur Dichtung gebräuchlichen Kolbenringe zu ersetzen, wurde vom Anmelder bereits vorgeschlagen, an die Kolben- und Zylinderwand eine negative elektrische Spannung anzulegen, wobei dann auf den Kolben entsprechende Führungskette durch elektrische Abstoßung wirken (US-PS 21 985). Dabei wird der Umstand ausgenützt, daß beim üblichen Kolbenspiel von wenigen Hundertstel Millimetern die erforderliche elektrische Spannung in vergleichsweise mäßigen Grenzen bleibt. Die durch die elektrische Abstoßung auf den Kolben wirkenden Kräfte heben sich zwar für seine Mittellage auf, doch genügt bereits eine geringfügige Außermittigkeit in der Größenordnung von 0,005 nun. um ausreichende Rückstellkraft entstehen /u lassen.

Die Dichtung des Spaltes zwischen Kolben- und Zylinderwand wird dabei durch eine Gasionensperre erreicht, die dadurch entsteht, daß der Kolben entlang eines geschlossenen Umfangbereiches eine Oberflächenschicht erhält, die bei entsprechender Erwärmung Elektronen emittiert. Durch diese Emission werden durch Anlagerungsvorgänge Gasionen gebildet, die durch entsprechende elektrische Felder im betreffenden Umfangbereich zwischen Zylinder- und Kolbenwand zusammengehalten werden.

Nachteilig bei dieser Konstruktion ist. daß zur Erzielung der gewünschten Elektronenemission eine vergleichsweise hohe Temperatur benötigt wird und die erforderliche Gasionenkonzentration nicht ohne weiteres aufrecht erhalten werden kann, weil die hierfür notwendigen elektrischen Feldstärken besondere Maßnahmen erfordern. Außerdem bereitet auch die verlaßliche Aufrechterhaltung der Elektronenemission aus einer Oberflächenschicht bei den auftretenden Gasdrücken Schwierigkeiten.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenmaschine mit einer berührungslosen Dichtung zwischen Kolben- und Zylinderwand der eingangs geschilderten Art so zu verbessern, daß mit einfachen

Mitteln im Spalt zwischen Kolben und Zylinder eine

konzentrierte, eng begrenzte Gasionensperre erzeugt und aufrecht erhalten werden kann.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch ge-

löst, daß entweder die Zylinder- oder Kolben wand im Bereich der Dichtung einen zu einer Ringkammer führenden, in sich geschlossenen Umfangschlitz aufweist, daß in der Ringkammer ein umlaufender Hohlleiter angeordnet ist, der wenigstens eine Kathode und eine Anode enthält, und daß die dem zu dichtenden Spalt zugekehrte Hohlleiterwand gegenüber dem Umfangsschlitz konkav gekrümmt ist und Durchbrechungen besitzt In der Zeichnung ist der Erfindungsgegensiand an zwei Ausführungsbeispielen schematisch dargestellt. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch den Zylinder einer erfindungsgemäßen Kolbenmaschine mit einer bcriihrungslosen Dichtung, bei der der Umfarigachlitz in der Zylin- derwand angeordnet ist,

F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Darstellung, bei der jedoch der Umfangschlitz in der Kolbenwand angeordnet ist, und

Fig.3 einen Schnitt durch eine gemäß Fig. 1 ange-

ordnete Ringkammer in einem gegenüber den F i g. I und 2 wesentlich größeren Maßstab.

Wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, kann die Gasionendichtung sowohl im Zylinder 1 als auch im Kolben 2 der Kolbenmaschine eingebaut sein. Da die Strom- und Spannungsversorgung zum Kolben hin erheblich aufwendiger ist als zum Zylinder, wird man, wenn dem nicht andere, z. B. Platzgründe entgegenstehen, der Ausführung nach F i g. I den Vorzug geben. Bei dieser Ausführung erhält die Wand des Zylinders 1 einen geschlos- senen Umfangschlitz 3, der zu einer Ringkammer 4 führt. Die Ringkammer 4 bildet einen Teil des Zylinders 1 und wird zwischen zwei Zylinderflanschen 5 gehalten, wobei über die Ringkammer 4 die Zylinderteile mit den Flanschen 5 verbunden werden.

In der Ringkammer 4 befindet sich ein umlaufender Hohlleiter 6, dessen dem Umfangschlitz 3 zugekehrte Wand 7 Durchbrechungen 8 besitzt. Diese mit Durchbrechungen 8 versehene Hohlleiterwand 7 weist außerdem eine zum Umfangschlitz 3 konzentrische Kriiin- mung auf, wie dies in F i g. 3 dargestellt ist.

Im Hohlleiter 6 befinden sich eine umlaufende, hier als Ring ausgebildete Anode 9 und zwei symmetrisch dazu liegende Kathoden 10. Der Anschluß der Anode 9

und der Kathoden 10 an entsprechende Spannungsquellen ist der Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt, zumal diese Anschlüsse völlig problemlos vorgenommen werden können.

Der Hohlleiter 6 liegt gemäß dem Ausführungsbeispiel in einer Isolierung 11 eingebettet, die die Ringkammer 4 auskleidet und einen sich im Querschnitt keilförmig von der J-lohlleiterwand 7 zum Umfangschlitz 3 hin verjüngenden Ringraum 12 freiläßt. Wird nun an die Kathoden 10 und die Anode 9 Spannung angelegt, so entsteht von der Kathode zur Anode ein Elektronenstrom, der zum Teil auch auf die Wand des Hohlleiters 6 auftrifft und diesen statisch auflädt. Bedingt durch diese statische Aufladung entsteht um den Hohlleiter 6 ein äußeres elektrisches Feld, von dem jedoch nur der zum Umfangschlitz 3 hin gerichtete Teil interessiert. Die gegenüber dem Umfangschlitz 3 konvexe, im Ausführungsbeispiel kreisförmige Krümmung der Hohlleiterwand 7 bewirkt dabei eine Fokussierung des äußeren Feldes im Bereich des Umfangschlitzes 3. Wegen der Durchbrechungen 8 in der Hohiieiierwand 7 entsteht im Innern des Hohlleiters 6 ein gegen die Durchbrechungen von innen nach außen gerichtetes Feld. Dieses innere Feld überlagert sich dem Kathoden-Anoden-Feld, so daß die Emission zum Großteil in den keilförmigen Ringraum 12 getrieben wird. Die nicht durch die Durchbrechungen 8 durchtretenden, sondern auf die Hohiieiierwand auftreffenden Ladungsteilchen halten dabei die statische Aufladung des Hohlleiters aufrechl. Um die Anode 9 elektrostatisch abzuschirmen, ist der mittlere Bereich 13 der Hohlleiterwand 7 ohne Durchbrechungen ausgeführt.

Das elektrische Feld im Ringraum 12 treibt nun die durch Anlagerung von Elektronen an neutrale Gasmoleküle gebildeten Gasionen in den Umfangschlitz 3, wobei die Gasionen durch die aufgeladene Kolbenwand, durch die elektrischen Spitzenfelder der den Umfangschlitz 3 begrenzenden Zylinderkanten und durch das gegen den Umfangschliiz 3 konzentrierte Feld des Rinjrraums 12 in einem winzigen Querschnitt zusammengehallen werden. Es entsteht eine Gasionensperre, deren Querschnitt etwa dem Quadrat des halben Kolbenspiels entspricht.

Für die Stabilität dieser Gasionensperre ist die Spaltweite /wischen Kolben und Zylinder maßgeblich, denn die für die hohen Gasdrücke erforderlichen Feldstärken sind nur für die Größenordnung etwa des halben Kolbenspiels vorhanden. Die Verhältnisse liegen aber so, daß die größte Exzentrizität des Kolbens und damit der einseitig größte Spalt zwischen Kolben- und Zylinderwand erst in der Mitte des Kolbenhubs auftritt, wo die Gasdrücke bereits auf etwa den halben Größtwert abgesunken sind. Dazu kommt noch, daß diese Spaltvergrößerung in sebr kleinen Grenzen bleibt, so daß die Gasionensperre zwischen dem oberen Totpunkt und der !Mittelstellung des Kolbens annähernd der gleichen Belastung ausgesetzt ist. Die untere Hubhälfte ist dagegen ohne Belang.

Die Spannungswerte zufolge der vorstehend beschriebenen Aufladungsvorgänge dürfen nicht zu hohe Werte erreichen. Dies kann in einfacher Weise durch entsprechende Bemessung der Isolation oder durch besondere Ableitungen über angepaßte Widerstände sichergestellt werden. Der Kolben 2 muß zwar wie auch der Zylinder 1 entsprechend aufgeladen werden, doch könnte sich eine eigene Zuleitung zum Kolben unter Umständen erübrigen, weil die von der Gasionensperre an die Kolbenwand übergehende Ladungsmenge für die Aufladung der Kolbenwand ausreichen dürfte. Auch die Spitzenfelder der Zylinderkanten müssen den auftretenden größten Gasdrücken angepaßt werden. Wenn hierzu die Zylinderwandspannung nicht paßt, müßte die Ringkammer 4 elektrisch isoliert zwischen die Zylinderflansche 5 eingefügt werden.

Hinsichtlich des Stromverbrauches ist festzustellen, daß ein eigentlicher Stromfluß und damit ein entsprechender Energieverbrauch bis auf den Strombedarf der Kathoden nirgends auftritt. Aber auch der Eigenverbrauch der Kathoden bleibt wegen des geringen Emissionsbedarfes sehr gering.

Für Kathoden 10 als Emissionsquellen eignet sich für die gegenständlichen Verhältnisse die Tunnelkathode, etwa die Al—AI2O3—Au-Ausführung mit einer Betriebsspannung von 5 bis 10 V. Fig.2 zeigt eine der FIg. 1 und 3 ähnliche Anordnung, bei der jedoch die Ringkammer 4 im Kolben 2 untergebracht ist. Abgesehen von der hierbei etwas aufwendigeren Strom- und Spannungsversorgung, ergeben sich dabei die gleichen Verhältnisse hinsichtlich der Gasionenspcrrc.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Kolbenmaschine mit einer berührungslosen Dichtung zwischen Kolben- und Zylinderwand, wobei an die Kolben- und Zylinderwand eine gleichnamige elektrische Spannung angelegt ist. und die Dichtung aus im Spalt zwischen Kolben- und Zylinderwand in wenigstens einem geschlossenen Umfangsbereich durch elektrische Felder zusammengehaltenen, durch Anlagerung emittierter Elektronen gebildeten Gasionen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß entweder die Zylinder- oder Kolbcnwand im Bereich der Dichtung einen zu einer Ringkammer (4) führenden, in sich geschlossenen Umfangsschlitz (3) aufweist, daß in der Ringkammer (4) ein umlaufender Hohlleiter (6) angeordnet ist, der wenigstens eine Kathode (10) und eine Anode (9) enthält, und daß die dem zu dichtenden Spalt zugekehrte Hefe!leiterwand (7) gegenüber dem Umfangsschlitz (3) konkav gekrümmt ist und Durchbrechungen (8) besitzt.

2. Kolbenmaschine nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zu dichtenden Spalt zugekehrte Hohlleiterwand (7) konzentrisch zum Umfangsschlitz (3) gekrümmt ist

3. Kolbenmaschine nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringkammer (4) mit einer Isolierung (11) ausgekleidet ist, die einen sich im Querschnitt keilförmig von der die Durchbrechungen (8) aufweisenden Hohlleiterwand (7) zum Umfp.ngsschlitz/3) hin ■· .'rjüngenden Ringraum (12) freiläßt.

4. Kolbenmaschine nach de ; Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsschlitz (3) kolbcnseitig durch scharfe Kanten begrenzt ist.