DE2951614A1

DE2951614A1 - Verfahren zum anbringen einer waermedaemmenden schicht an einem kolbenboden

Info

Publication number: DE2951614A1
Application number: DE19792951614
Authority: DE
Inventors: Kurt Boppart; Hans Wanner
Original assignee: Fritz Haug AG
Current assignee: Fritz Haug AG
Priority date: 1979-03-15
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1980-10-02
Also published as: CH639736A5; US4312106A; DE2951614C2

Description

DlpL-Ing. Udo Sknhra Patentanwalt

Ndiard-StrauO-Str. 9, Tel. 089 /4 70 4170 D-8000 Manchen 80

P0285H

20. Dezember 1979

Fritz Haug AG, Industriestr. 6, 9015 St.Gallen-Winkelη

Verfahren zum Anbringen einer wärmedämmenden Schicht an einem Kolbenboden

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Anbringen einer wärmedämmenden Kunststoffschicht am Kolbenboden von Kolbenmaschinen, insbesondere Kolbenkompressoren, sowie einen Kolben mit einer derartigen Wärmedämmungsschicht.

Die bei Kolbenkompressoren auftretenden Kühlungsprobleme sind dem Fachmann hinreichend bekannt. Insbesondere bei Trockenrauf- -Kompressoren, deren Kolben auf grossflächigen Führungs-^ und Kqmpressionsringen aus PTFE (Teflon) gleiten, treten spezielle Wärmeprobleme auf. Die vom Kolbenboden her auf den Kolben einwirkende Wärme wirkt einen negativen Einfluss auf die Gleiteigenschaften der Kolbenringe aus, verkürzt deren Lebensdauer und führt 1m Extremfall zur Beschädigung der Kolbenringe.

Wärmeprobleme treten an sich auch bei Brennkraftmaschinenkolben auf, so dass schon relativ früh nach befriedigenden Lösungen gesucht wurde.

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So beschreibt z.B. die DT-PS 731 632 einen Kolben, dessen Kolbenboden mit einer Einlage aus Quarzglas versehen ist. Ein anderer Vorschlag enthält die DT-AS 1 148 813, bei der eine wärmedämmende Schicht aus mineralischen Stoffen in den Kolbenboden eingeschlossen wird. Die bisher bekannten Kolben mit einer wärmedämmenden Schicht am Kolbenboden bzw. die Verfahren zu deren Herstellung sind mit verschiedenen Nachteilen verbunden. Die Verfahren zum Anbringen der wärmedämmenden Schicht sind in der Regel kompliziert und erhöhen daher die Kosten der Herstellung. Ausserdem entstehen Probleme durch die unterschiedlichen Ausdehnungs-Koeffizienten von Kolben und starrer Dämmschicht.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden und ein Verfahren zum Anbringen einer wärmedämmenden Schicht an einem Kolbenboden zu schaffen, welches geringe Kosten verursacht und ohne aufwendige Hilfsmittel durchzuführen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Kolben mit einer wärmedämmenden Schicht zu schaffen, welche dauerhaft mit dem Kolbenboden verbunden ist und welche die unteren Partien des Kolbens ausreichend gegen Wärmeeinwirkung schützt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass der Kolbenboden zuerst mit einer Vertiefung zur Aufnahme der wärmedämmenden Schicht versehen wird, dass dem Kolbenboden in vertikaler Lage eine Giessvorrichtung aufgesetzt wird, welche den Kolbenboden an seinem Umfang formschlüssig umgreift und wenigstens die Vertiefung gefässartig verlängert, dass anschliessend die Vertiefung im Kolbenboden derart mit flüssigem, beim Erhärten an Volumen verlierenden Kunststoffmaterial ausgegossen wird, dass das Niveau der Gussmasse, deren radiale Ausdehnung durch die Giessvorrichtung begrenzt wird, vor dem Erhärten höher liegt als die Oberkante des Kolbenbodens, und dass nach dem Erkalten der Gussmasse die Giessvorrichtung entfernt wird. Dieses Verfahren lässt sich optimal einfach durchführen und benötigt als Hilfsmittel lediglich eine Gussvorrichtung, welche das Auffüllen

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der Vertiefung mit der Gussmasse ermöglicht. Die Vertiefung am Kolbenboden kann bereits bei der Fabrikation des Kolbens angebracht werden. Die Giessvorrichtung begrenzt die Ausdehnung der Gussmasse und ermöglicht es, dass die Vertiefung über die Oberkante des Kblbenbodens hinaus aufgefüllt werden kann. Auf diese Weise kann der Material schwund, der beim Erkalten der Gussmasse eintritt, derart vorkalkuliert werden, dass die Oberfläche der Gussmasse nach dem Erkalten etwa auf dem gleichen Niveau liegt wie die Oberkante des Kolbenbodens. Die Giessvorrichtung verhindert ausserdem, dass die Gussmasse über die Oberkante des Kolbenbodens fliesst und die Seitenwand des Kolbens verschmutzt. Nach dem Entfernen der Giessvorrichtung benötigt der Kolben in der Regel keine weitere Bearbeitung mehr und die wärmedämmende Schicht ist fest mit dem Kolbenboden verbunden.

Das Verfahren lässt sich besonders einfach durchführen, wenn als Gussmasse ein Silikon-Kautschuk verwendet wird. Silikon-Kautschuk lässt sich einfach verarbeiten und besitzt bezüglich Wärmeisolation gute Eigenschaften.

Die Giessvorrichtung besteht vorteilhaft aus einem Ring, dessen Innendurchmesser in dem den Kunststoff aufnehmenden Bereich dem Aussendurchmesser der Vertiefung des Kolbenbodens angepasst ist. Bei entsprechender Wahl der Toleranzen kann die relativ zähflüssige Gussmasse ersichtlicherweise nicht zwischen die Giessvorrichtung und die Aussenwand des Kolbens eindringen. Damit der Ring gleichmässig auf dem Kolbenboden aufliegt, wird er vorteilhaft mit einer Stützschulter versehen, an der er an der Kolbenoberkante abstützbar ist. Je nach der Dimensionierung der Stützschulter kann mit dieser die radiale Ausdehnung der Gussmasse wahlweise begrenzt werden.

Besonders gute Resultate wurden mit einer Vertiefung erzielt, welche mit schräg nach oben zulaufenden Seitenwänden etwa kegelstumpf förmig ausgebildet ist. Diese Konfiguration gewährleistet eine leichte Ausbreitung der Gussmasse und verhindert Luftein-

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Schlüsse oder Spalten. Um zu verhindern, dass sich die wärmedämmende Einlage bis an die Aussenwand des Kolbens erstreckt, ist der Durchmesser der Vertiefung an der oberen Begrenzungsfläche des Kolbenbodens vorteilhaft kleiner als der Aussendurchmesser des Kolbens. Auf dem so entstehenden schmalen Materialrand an der Oberkante des Kolbenbodens kann gleichzeitig die Schulter der Giessvorrichtung abgestützt werden. Um eine ausreichende Wärmeisol ation zu gewährleisten, beträgt die axiale Hohe der Vertiefung wenigstens 1 mm. Diese Schichtdicke ermöglicht noch ein sauberes Ausgiessen und gewährleistet bei kleinen Kolbendurchmessern eine ausreichende Wärmeisolation.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachstehend genauer beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Einen vereinfacht dargestellten Querschnitt durch einen

Kolben im Gehäuse,
Fig. 2 Einen Teilquerschnitt durch den Kolbenboden in vergrös-

sertem Massstab und
Fig. 3 Den Kolbenboden gemäss Fig. 2 nach dem Erhärten der Kunststoffmasse.

Gemäss Figur 1 gleitet ein Kolben 4 auf Kolbenringen 5 aus Kunststoffmaterial in einem Kolbengehäuse 1. Das Kolbengehäuse 1 ist mit dem Kolbendeckel 2 verschlossen, an dem sich je nach Bauart Ventilöffnungen 3 befinden. Kolben und Kolbengehäuse bestehen normalerweise aus Aluminium oder aus einer anderen Leichtmetall-Legierung. Die Kolbenringe 5 bestehen aus legiertem, wärmebeständigem PTFE (Teflon). Um die Kolbenringe 5 vor der im Kompressionsraum 8 auftretenden Wärme zu schützen, ist der Kolbenboden 13 mit einer wärmedämmenden Einlage versehen. Die wärmedämmende Einlage besteht vorteilhaft aus einer Silikon-Kautschuk-Masse. Selbstverständlich sind auch andere giessbare Massen wie z.B. Kunstharz denkbar.

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Figur 2 zeigt einen Teilquerschnitt durch den Kolbenboden 13 unmittelbar nach dem Einfüllen der noch nicht erhärteten Gussmasse 14. Um eine möglichst gute Haftung der Gussmasse 14 in der Vertiefung 6 zu gewährleisten, sollte die Vertiefung 6 eine relativ rauhe Oberfläche aufweisen. Diese wird beispielsweise durch Schruppen ohne zusätzliche Oberflächenbehandlung erzielt. Die Giessvorrichtung 9 besteht aus einem einfachen Ring, der die Aussenwand 10 des Kolbenbodens 13 umgreift und eine gefässartige Verlängerung der Kolbenoberkante 15 bildet. Die Giessvorrichtung 9 weist auf der Innenseite eine Stützschulter 12 auf, an deren Unterseite die Giessvorrichtung auf der Oberkante 15 des Kolbenbodens 13 aufliegt. Die Vertiefung 6 ist etwa kegel stumpfförmig ausgebildet. Dadurch wird an der Aussenseite der Kolbenoberkante ein Ringwulst 11 gebildet. Selbstverständlich kann die Vertiefung 6 auch jede andere Konfiguration aufweisen. So wäre es z.B. auch denkbar, dass der Kolbenboden 13 zum Anbringen der wärmedämmenden Schicht eine Mehrzahl von konzentrischen, kreisförmigen Rillen aufweist. Um zu verhindern, dass sich die wärmedämmende Schicht bis an die Aussenwand 10 des Kolbenbodens 13 erstreckt, wird der Durchmesser d an der oberen Begrenzungsfläche des Kolbenbodens 13 vorteilhaft kleiner gewählt als der Aussendurchmesser des Kolbens. An der so entstehenden Kreisringfläche an der Oberkante 15 kann gleichzeitig die Stützschulter 12 der Giessvorrichtung 9 abgestützt werden. Besonders optimale Resultate können dabei erzielt werden, wenn der Innendurchmesser der Stützschulter 12 dem Durchmesser d der Vertiefung 6 entspricht.

Beim Erhärten der Gussmasse 14 tritt ein Material schwund ein. Ohne Berücksichtigung dieses Material Schwundes würde dies dazu führen, dass die Oberfläche der Gussmasse 14 sich nach dem Erkalten an der Mittelachse des Kolbens nach innen wölbt. Beim Ausgiessen der Vertiefung 6 wird daher die Vertiefung über die Oberkante 15 auf ein bestimmtes Niveau N aufgefüllt. Die Schulter 12 der Giessvorrichtung 9 begrenzt dabei die radiale Ausdehnung der Gussmasse 14. Die axiale Höhe der Schulter 12 wird vor-

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teilhaft derart dimensioniert, dass sie etwa dem voraussichtlichen Niveau N der einzufüllenden Gussmasse 14 entspricht. Auf diese Weise kann z.B. mit einem Lineal durch Abstreifen an der Oberseite der Schulter 12 die Gussmasse 14 glatt gestrichen werden. Der'Material schwund beim Erkalten und Trocknen der Gussmasse 14 lässt sich derart vorausberechnen, dass die Oberfläche der Gussmasse 14 nach dem Aushärten auf dem gleichen Niveau liegt wie die Oberkante 15 des Kolbenbodens. Je nach der Beschaffenheit der Gussmasse 14 ruhen die Kolben nach dem Einfüllen der Gussmasse etwa 6 bis 12 Stunden, bevor die Giessvorrichtung 9 entfernt werden kann. Eine nachträgliche Bearbeitung der Kolbenoberfläche ist nicht mehr erforderlich. Die Oberfläche der Einlage 7 bildet dann einen nahtlosen übergang zur Oberkante 15 des Kolbens wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.

Selbstverständlich sind auch Abwandlungen des beschriebenen Beispiels möglich, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. So wäre es z.B. denkbar, den Ring der Giessvorrichtung 9 durch eine Vorrichtung zu ersetzen, welche in mehrere segmentartige Backen unterteilt ist. Anstelle des Ringes könnte die Aussenwand 10 an der Oberkante 15 auch mit einer stabilen Folie umgeben werden. Ausserdem wäre es auch denkbar, das Aushärten der Kunststoffmasse 14 durch geeignete Einrichtungen zu beschleunigen.

Der Kolben der Kolbenmaschine weist an seiner Oberfläche eine wärmedämmende Schicht aus Kunststoffmaterial auf, welche in eine Vertiefung eingegossen wird. Die wärmedämmende Schicht wird dadurch aufgetragen, dass der Kolbenboden zuerst mit einer Vertiefung versehen wird. Anschliessend wird dem in vertikaler Lage gehaltenen Kolben eine Giessvorrichtung aufgesetzt, welche die Oberkante formschlüssig umschliesst und welche ein Überfüllen der Vertiefung mit der Gussmasse ermöglicht. Nach dem Erhärten der Gussmasse wird die Giessvorrichtung entfernt. Durch den Materialschwund beim Aushärten der Gussmasse bildet sich zusammen mit der Oberkante eine plane Kolbenoberfläche.

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L e e r s e i t e

Claims

DtpL-Ing. Udo Skuhra

Patentanwalt ο Q c 1 c 1 /

Wdieid-StrauB-Str.9,Tel.089/470tun ΔΌΌ I O IH

D-8000 Mfindien HO

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20. Dezember 1979

Fritz Haug AG, St. Gallen-Winkeln, Schweiz PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Anbringen einer wärmedämmenden Kunststoffschicht am Kolbenboden von Kolbenmaschinen, insbesondere Kolbenkompressoren, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (13) zuerst mit einer Vertiefung (6) zur Aufnahme der wärmedämmenden Schicht (7) versehen wird, dass dem Kolbenboden (13) in vertikaler Lage eine Giessvorrichtung (9) aufgesetzt wird, welche den Kolbenboden an seinem Umfang formschlüssig umgreift und wenigstens die Vertiefung gefässartig verlängert, dass anschliessend die Vertiefung (6) im Kolbenboden derart mit einem flüssigen, beim Erstarren an Volumen verlierenden Kunststoffmaterial ausgegossen wird, dass das Niveau (N) der Gussmasse (14), deren radiale Ausdehnung durch die Giessvorrichtung (9) begrenzt wird, vor dem Erstarren höher liegt als die Oberkante (15) des Kolbenbodens (13), und dass nach dem Erstarren der Gussmasse (14) die Giessvorrichtung (9) entfernt wird.

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ORIGINAL INSPECTED
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (6) im Kolbenboden (13) mit Silikon-Kautschuk ausgegossen wird.
3. Giessvorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Giessvorrichtung (9) aus einem Ring besteht, dessen Innendurchmesser dem Aussendurchmesser der Vertiefung im Kolbenboden (13) angepasst ist.
4. Giessvorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring eine Stützschulter (12) aufweist, an der der Ring an der Oberkante (15) des Kolbenbodens (13) abstützbar ist.
5. Erzeugnis des Verfahrens nach Patentanspruch 1, bestehend aus einem Kolbenboden mit einer in eine Vertiefung eingegossenen wärmedämmenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefung (6) mit schräg nach oben zulaufenden Seitenwänden etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist.
6. Kolbenboden nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Vertiefung an der oberen Begrenzungsfläche des Kolbenbodens (13) kleiner ist als der Aussendurchmesser des Kolbens.
7. Kolbenboden nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Höhe (h) der Vertiefung (6) wenigstens 1 mm beträgt.

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