DE3431586C2 - Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren mit einer Kolben-Zylinder- Einheit.

Eine nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Tieftemperatur- Kühleinrichtung umfaßt einen Tieftemperatur-Kühlkompressor mit einem sich hin- und herbewegenden Kolben. Der sich hin- und herbewegende Kolben erzeugt eine nahezu sinusför­ mige Druckänderung eines Arbeitsfluids. Dieses Arbeits­ fluid füllt ein Volumen, das den Kopfraum über dem Kom­ pressorkolben und innere Hohlräume in einem Kühlfinger der Tieftemperatur-Kühleinrichtung umfaßt. Im Fall eines ge­ teilten Stirling-Systems umfaßt das Arbeitsvolumen auch eine Gasleitung, die den Tieftemperatur-Kühlkompressor und den Kühlfinger miteinander verbindet. In dem Kühlfinger bewegt sich ein Verdränger in zeitlicher Relation zu den sinusförmigen Druckänderungen des Arbeitsfluids, um eine Kühlung an dem einen Ende des Kühlfingers zu erzeugen.

Typischerweise umfassen nach dem Stirling-Zyklus arbeiten­ de Kühleinrichtungen einen durch einen Elektromotor ange­ triebene Tieftemperatur-Kühlkompressor, und die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine nach dem Stirling-Zyklus arbeitende Kühleinrichtung dieser Art beschrieben. Bei dem Stand der Technik entsprechenden Tieftemperatur-Kühlkom­ pressoren ist die dynamische Dichtung um den Kompressor­ kolben herum im allgemeinen eine ringförmige Lippendich­ tung oder eine Spaltringdichtung.

Ein Problem, das auftritt, wenn solche Tieftemperatur- Kühlkompressoren in geteilten Sterling-Systemen verwendet werden, sind Undichtigkeiten, die an der dynamischen Dich­ tung vorbei zwischen dem sich hin- und herbewegenden Kol­ ben und dem ihn umgebenden Gehäuse auftreten. Diese Un­ dichtigkeiten haben eine Gasströmung zwischen dem Arbeits­ volumen im Kopfraum des Kolbens und einem Steuervolumen oder Totraum hinter dem Kolben zur Folge. Wenn bei der Hin- und Herbewegung des Kolbens in einer Richtung eine größere Undichtigkeit auftritt als in der anderen Rich­ tung, zeigt der mittlere Druck des Arbeitsfluids die Ten­ denz anzusteigen oder zu fallen. Typischerweise sind Kühl­ einrichtungen für einen bestimmten festgelegten mittleren Druck des Arbeitsfluids ausgelegt. Daher tritt dann, wenn im Betrieb des Tieftemperatur-Kühlkompressors die Dichtung schlechter wird und sich der mittlere Druck des Arbeits­ fluids ändert, ein Abfall im Wirkungsgrad bzw. der Wirk­ samkeit der Kühleinrichtung auf. Dieser Abfall des Wir­ kungsgrads hat einen höheren Energieverbrauch und eine ge­ ringere Kühlleistung zur Folge.

In jüngster Zeit wurden Tieftemperatur-Kühlkompressoren dieser Art mit Fluiddichtungen entwickelt, die eine höhere Widerstandsfähigkeit gegen Abnutzung aufweisen und deswe­ gen eine längere Lebensdauer als Dichtringe besitzen. Darüberhinaus ist bei solchen Fluiddichtungen die Wahr­ scheinlichkeit geringer als bei Dichtringen, daß Ver­ schmutzungen in das Arbeitsfluid injiziert werden, die die Kühleigenschaften verschlechtern können. Eine derartige Dichtung kann beispielsweise der EP-0 046 585 A1 entnommen werden.

Außerdem sind aus der DE 29 49 792 A1 ein Kühlsystem und ein Kolbenverdichter mit druckstabilisierender Dichtung bekannt, worin eine Kolbendichtungsanordnung für Tieftem­ peratur-Kühlkompressoren vorgesehen ist, die ein Kolbenge­ häuse und einen Zylinder umfaßt, wobei eine beträchtliche, zwischen zwei Spitzenwerten schwankende Druckänderung an dem einen Ende des Zylinders/Kolbens und ein relativ kon­ stanter Druck am anderen Ende des Zylinders/Kolbens herrscht. Die Dichtung ist im Querschnitt U-förmig und be­ sitzt wenigstens eine ringförmige Lippe; sie ist in einer Nut des Kolbens aufgenommen und wird durch eine Rückhalte­ einrichtung innerhalb dieser Nut so gehalten, daß die Lip­ pe axial beabstandet von einer Seitenfläche der Nut gehal­ ten wird, so daß eine größere Gasleckage an der Dichtung in einer solchen Richtung auftritt, daß ein vorbestimmter Mittelwert des Drucks in der Expansionskammer eines Kühl­ systems auftritt.

Weiter ist aus der DE-OS 25 15 229 und der US-PS 4 197 787 je eine Pumpe bekannt, die einen Zylinder aus keramischem Material und einen in diesem Zylinder axial beweglichen Kolben, der ebenfalls aus keramischem Material besteht, aufweist, wobei der Zylinder jeweils starr in das Pumpen­ gehäuse eingebaut ist.

Darüberhinaus ist aus der DE-PS 8 26 301 ein Kompressor für Kälteerzeugung bekannt, bei dem das Kolbengehäuse aus zwei Teilen besteht und im unteren Teil des Kolbengehäuses eine hülsenförmige Zylinderlaufbüchse in das Kolbengehäuse ein­ gesetzt ist.

Schließlich ist es aus dem Fachartikel "Oxyd- und Cermet- Schutzschichten für Metalloberflächen" von W. Schatt in der Zeitschrift "Neue Hütte", Heft 10, Oktober 1961, Sei­ ten 644-653 bekannt, Cermet-Spritzüberzüge vorzusehen, wenn es gilt, starkem Verschleiß ausgesetzte Maschinen und Ausrüstungen zu schützen, insbesondere an Kolbenstangen von Pumpen, Pumpenplungern, Führungsbuchsen etc. Durch Flammspritzen wird, wie in diesem Fachartikel angegeben ist, bereits eine glatte Oberfläche erhalten, so daß die nachfolgende Oberflächenbearbeitung nur geringfügig zu sein braucht und sich auf das Abschleifen von einigen hundertstel Millimetern beschränken kann, um die geforder­ te Oberflächengüte und Maßgenauigkeit zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kolbendichtungsanord­ nung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren mit einer Kolben- Zylinder-Einheit in der Form einer Fluiddichtung zur Ver­ fügung zu stellen, die bei einer Verzerrung des Zylinders zuverlässig funktioniert und trotzdem einfach hergestellt werden kann. Insbesondere soll diese Kolbendichtungsan­ ordnung für Stirling-Kühleinrichtungen geeignet sein.

Diese Aufgabe wird mit gelöst mit einer Kolbendichtungs­ anordnung für Tieftemperatur-Kühlkompressoren mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, bei welcher zwischen der aus Ke­ ramik oder Cermet bestehenden harten, glatten Innenober­ fläche einer in dem Zylinder befindlichen Hülse und einer ebenfalls aus Keramik oder Cermet bestehenden harten, glatten seitlichen Außenoberfläche des in der Hülse hin- und herbeweglichen Kolbens ein sehr enges Spiel vorgesehen ist, das eine Fluiddichtung beinhaltet, und wobei die Hül­ se zur Vermeidung eines Festfressens des Kolbens in dem Zylinder schwimmend gelagert ist.

Die Erfindung stellt daher eine Kolbendichtungsanordnung zur Verfügung, bei der die Hülse so angeordnet ist, daß sie in dem Zylinder schwimmt. Die Hülse besteht aus Kera­ mik oder Cermet und ist bei Verwendung der Kolbendich­ tungsanordnung in Sterling-Kühleinrichtungen an ihrem einen Ende beträchtlichen Gasdruckänderungen ausgesetzt, während der Gasdruck am anderen Ende der Hülse vergleichs­ weise konstant ist. Der Kolben, der so angeordnet ist, daß er sich in der Hülse hin- und herbewegt, besteht ebenfalls aus Keramik oder Cermet.

Die Hülse kann in dem Kolben durch verschiedene Vorrich­ tungen festgehalten werden, zu denen beispielsweise ein Schnapp- bzw. Federring oder eine Schalter an dem Zylinder oder an der Hülse gehören.

Der Kolben ist dicht bzw. mit sehr engen Toleranzen in der Hülse so angeordnet, daß sich sein Außendurchmesser inner­ halb eines Größenbereichs von vorzugsweise weniger als 0,127 mm (0,005 Zoll) vom Innendurchmesser der Hülse un­ terscheidet. Die Hülse ist jedoch wesentlich loser im Zy­ linder positioniert, so daß sie schwimmen und auf diese Weise Fehlausrichtungen oder Verzerrungen im Zylinder kompensieren kann. Elastische Dichtungen verhindern einen Gasübertritt zwischen der Hülse und dem Zylinder.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist das Keramikmaterial des Kolbens Cermet und etwas wei­ cher als das Keramikmaterial der Hülse.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung ist der Zylinder zweiteilig, wobei das eine die­ ser Zylinderteile im wesentlichen geschlossen ist, so daß es mit dem Kolben einen Kompressionsraum für das Kühlgas bildet. Das andere Zylinderteil ist offen, um eine Verbin­ dung des Kolbens mit einer Antriebseinrichtung zu ermög­ lichen. Diese Antriebseinrichtung ist vorzugsweise ein Elektromotor, der über einen Kurbelarm mit dem Kolben über einen aus Keramik bestehenden Kolbenbolzen verbunden ist, welcher mit dem Kolben ein Lager bildet und durch das Kühlgas der Tieftemperatur-Kühleinrichtung geschmiert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines geteilten, nach dem Stirling-Zyklus arbeitenden Kühlsys­ tems mit einer Kolbendichtungsanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt durch den Kompressorkolben der Fig. 1 und den den Kolben umgebenden Zy­ linder, welcher die Kolbendichtungsanordnung der Fig. 1 in näheren Einzelheiten zeigt;

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Zylinder und eine Hülse mit einer anderen Ausführungsform einer Kolbendichtungsanordnung gemäß der Erfindung; und

Fig. 4 einen Querschnitt durch einen Zylinder und eine Hülse mit einer noch anderen Ausführungsform einer Kolbendichtungsanordnung gemäß der Er­ findung, die insbesondere hinsichtlich der Re­ duzierung der Geräuscherzeugung durch den Tieftemperatur-Kühlkompressor optimiert ist.

In den Figuren bezeichnen durchgehend gleiche Bezugszeichen dieselben Teile. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; es wurden statt dessen einige Teile aus Darstellungsgründen besonders herausgestellt.

Ein geteiltes, nach dem Stirling-Zyklus arbeitendes Tief­ temperatur-Kühlsystem 12 ist in Fig. 1 dargestellt und umfaßt einen Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 und einen Kühlfinger 16. Der Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 er­ zeugt eine sinusförmige Druckänderung in einem Kompres­ sionsraum 18 mit unter Druck stehendem Kühlmittelgas. Diese Druckänderung wird durch die Versorgungsleitung 20 zu dem Kühlfinger 16 übertragen.

Der Kühlfinger 16 umfaßt einen zylindrischen Verdränger 26. Der Verdränger 26 kann sich frei nach oben und unten bewegen und dabei die Volumina eines warmen Raumes 22 und eines kalten Raumes 24 verändern. In dem Verdränger 26 ist ein regenerativer Wärmetauscher 28 untergebracht, der in diesem Fall aus einigen hundert feinmaschigen Kupfer- Gitterscheiben besteht, die so aufeinandergestapelt sind, daß sie eine zylindrische Matrix bilden. Andere übliche regenerative Wärmetauscher verwenden anstelle von Scheiben übereinandergestapelte Bälle bzw. Kugeln. Helium als gas­ förmiges Kühlmittel strömt durch den Kühlfinger 16 zwi­ schen dem warmen Raum 22 und dem kalten Raum 24. Eine Verlängerung 30 erstreckt sich vom Verdränger 28 nach oben zu dem Gasfedervolumen 32 am warmen Ende des Kühlfingers 16.

Der Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 umfaßt ein gasdichtes Gehäuse 34, das einen sich hin- und herbewegenden Kolben 36 umschließt. Der Kolben 36 wird über einen Kurbelmecha­ nismus von einem Elektromotor 38 angetrieben. Der Kurbel­ mechanismus umfaßt eine Kurbelscheibe 40, die an der Motorwelle 42 befestigt ist, sowie einen Kurbelarm 44. Der Kurbelarm 44 wird von der Kurbelscheibe 40 über ein Lager 46 angetrieben, das vorliegend von zwei eng aneinander anliegenden Keramikhülsen gebildet wird. Der Kurbelarm 44 treibt seinerseits den Kolben 36 über einen Kolbenbolzen 48 an. Elektrische Energie wird dem Elektromotor 38 mit Hilfe von elektrischen Leitungen 39 zugeführt, die durch einen Schmelzkeramik-Verbinder 37 hindurchverlaufen. Vom Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 erzeugte Wärme wird durch Kühlrippen 50 an die Umgebungsluft abgegeben, die den Zy­ linder 35 umgeben.

Das in Fig. 1 dargestellte Tieftemperatur-Kühlsystem um­ faßt praktisch drei isolierte Volumina von unter Druck stehendem Gas als Kühlmittel. Das Gehäuse 34 ist herme­ tisch abgedichtet und enthält ein Totvolumen 19 von unter Druck stehendem Gas unterhalb des Kolbens 36. Der Kolben 36 wirkt auf dieses Totvolumen 19 ebenso ein wie auf das Gas im Kompressionsraum 18. Das Arbeits-Gasvolumen umfaßt das Gas im Kompressionsraum 18, in der Versorgungsleitung 20 und im Kühlfinger 16. Der Kühlfinger 16 selbst umfaßt den warmen Raum 22, den kalten Raum 24 und die Freiräume im Wärmetauscher 28. Das dritte Gasvolumen im Tieftempe­ ratur-Kühlkompressor 14 ist das Gasfedervolumen 32, das von dem Arbeitsvolumen des Kühlfingers 16 durch eine Dichtung 54 getrennt ist, welche die Verlängerung 30 umgibt. Als Dichtung 54 ist eine herkömmliche Kolben­ dichtung dargestellt, doch können auch andere Dichtungsan­ ordnungen verwendet werden, wie sie beispielsweise in der EP 0 037 102 A1 beschrieben sind.

Fig. 2 ist ein vergrößerter Querschnitt durch den Tief­ temperatur-Kühlkompressor 14 der Fig. 1, dessen Ansicht gegenüber derjenigen der Fig. 1 um 90° gedreht ist. Der Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 gemäß den Fig. 1 und 2 umfaßt eine schwimmende Hülse 58, die einen Kolbenbetrieb mit einer ein sehr geringes Spiel aufweisenden Fluid­ dichtung 67 über einen großen Temperaturbereich er­ möglicht.

Der Kolben 36 besteht aus Cermet oder Keramik und bewegt sich in einer Hülse 58 hin und her. Der Außendurchmesser des Kolbens 36 ist nahezu derselbe wie der Innendurch­ messer der Hülse 58, und das radiale Spiel bzw. der radiale Freiraum zwischen den beiden Oberflächen beträgt nur 0,5 × 10^-4 mm (2 × 10^-6 Zoll). Eine schwimmend gelagerte Hülse 58 wird verwendet, um es dem Kolben 36 zu ermöglichen, sich in einer so engen Begrenzung frei hin- und herzubewegen, ohne daß es zu einem Festfressen kommt.

Ein Schnappring 62 hält die Hülse 58 in ihrer axialen Lage, während sich die Hülse 58 gegen elastomere Dichtungen 68 und 70 seitlich verschieben kann. Ein relativ großer radialer Spalt 66 von ungefähr 0,025 mm (1 × 10^-3 Zoll) ist zwischen dem aus Aluminium hergestellten Zylinder 35 und der Hülse 58 vorgesehen.

Der Kolben 36 und die Hülse 58 bestehen aus Keramik oder Cermet, um die Abnutzung möglichst gering zu halten und glatte Lageroberflächen zu erzielen. Die Härte dieser Oberflächen sollte auf der Rockwell-C-Skala wenigstens 60 betragen und ist vorzugsweise auf der C-Skala größer als 70. Die Abriebfestigkeit ist so, daß die Abnutzungsrate der beiden sich in enger Passung bewegenden Teile weniger als 0,25 × 10^-4 mm/Stunde (10^-6 Zoll pro Stunde) beträgt. Dies ist dann gegeben, wenn die Teile eine Oberflächengüte von besser als 4064 × 10^-4 mm (16 × 10^-6 Zoll) besitzen. Zusätzlich füllt das gasförmige Kühlmittel den schmalen Spalt zwischen dem Kolben 36 und der Hülse 58 und ergibt so eine Schmierung, die die Abnützung vermindert bzw. we­ sentlich herabsetzt.

Unter Cermet versteht man Materialien, die mit Metall ver­ bundene Keramikpartikel umfassen. Typischerweise umfassen Keramikmaterialien Verbindungen von Metallen oder metall­ ähnlichen Materialien aus den Gruppen 2, 3 oder 4 des pe­ riodischen Systems kombiniert mit einem nichtmetallischen Element. Typischerweise ist das nichtmetallische Element Kohlenstoff, Silizium oder Bor, seltener Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel. Keramikmaterialien sind dadurch gekennzeichnet, daß sie hat und widerstandsfähig gegen Ab­ rieb sind. Beispiele solcher Keramikmaterialien sind Alu­ miniumdioxid, Berylliumoxid, Titandioxid, Titanborid, Bor­ karbid, Siliziumnitrid und pyrolytischer Graphit. Wahlwei­ se können auch andere Elemente zu einem Keramikmaterial hinzugefügt werden, um seine Verwendungseigenschaften zu optimieren. Titankarbid wird mit Legierungsstählen ge­ mischt, um ein bevorzugtes Cermetmaterial zu bilden, das unter dem Warenzeichen Ferr-tic im Handel ist. Obwohl der Kolben und die Hülse nicht vollständig aus Keramik oder Cermet bestehen müssen, sollten sie zumindest eine Ober­ flächenschicht besitzen, die auf irgendeine Weise auf den Arbeitsoberflächen des jeweiligen Teils abgeschieden ist, um ein Fest fressen zu verhindern und eine Oberfläche mit geringer Reibung zu ergeben.

Da der Kolben und die Hülse aus gleichem oder ähnlichem Material bestehen, stellen Wärmeausdehnung und Wärmekon­ traktion kein Problem dar. Da sich die Hülse und der Kol­ ben thermodynamisch ausdehnen oder zusammenziehen, reicht der relativ große Spalt 66 aus, um solche Änderungen auf­ zunehmen. Wäre z. B. diese Hülse mit ihrer ein außerordent­ lich kleines Spiel aufweisenden Fluiddichtung direkt am Zylinder montiert, würde die Kontraktion des Zylinders während eines Betriebes bei niederer Temperatur dazu füh­ ren, daß sich der Kolben in der Hülse festfressen und die Hülse zerbrechen würde. Dieses Problem hat bisher eine Grenze dafür gezogen, wie eng bzw. genau Fluiddichtungen konstruiert werden konnten und daher deren Wirksamkeit begrenzt. Die hier beschriebene Kolbendichtungsanordnung mit außerordentlich kleinem Spiel wäre nicht möglich ohne die Bewegungsfreiheit, die sich durch die schwimmend gela­ gerte Hülse ergibt. Es sei darauf hingewiesen, daß jede Verzerrung des Zylinders 35, die durch eine äußere Bewe­ gung oder eine geringe Beschädigung verursacht wird, kei­ nen Einfluß auf die Kolben-Hülsen-Anordnung hat, was auf der Fähigkeit der schwimmend gelagerten Hülse beruht, ge­ ringfügige Verzerrungen des Zylinders aufzunehmen bzw. zu absorbieren. Auch die Oszillationsbewegung des Kurbelarms 44 bezüglich des Kolbens 36 kann seitlich gerichtetere Kräfte bewirken, die von der schwimmenden Hülse 58 aufge­ nommen werden. Die Kolbendichtungsanordnung, die hier dar­ gestellt ist, kann auch bei einem Verdränger verwendet werden, um sicherzustellen, daß der Gasstrom primär inner­ halb des Wärmetauschers stattfindet.

Es hat sich gezeigt, daß die Verwendung eines Cermet- Fluiddichtungs-Elements, das gegen ein Fluiddichtungsele­ ment aus reinem Keramikmaterial arbeitet, besonders vor­ teilhaft ist. Jeglicher Schmutz bzw. Abrieb, der vom Ke­ ramikmaterial erzeugt wird, wird in dem weicheren Metall des Cermet-Materials gesammelt. Das Keramikmaterial in den beiden Fluiddichtungselementen ergibt noch immer sehr har­ te Oberflächen von mehr als 60 auf der Rockwell-C-Skala, was für die Fluiddichtungselemente wünschenswert ist. Darüber hinaus beseitigt das Keramikmaterial in den beiden Fluiddichtungselementen das Fest fressen. Das Cermetmate­ rial hat gegenüber dem Keramikmaterial den Vorteil, daß es einfacher bearbeitet werden kann, so daß das komplizierte­ re der beiden Elemente bzw. Teile aus Cermet hergestellt werden sollte. Im vorliegenden Fall besteht der Kolben aus Cermet.

Die Dichtungen 68 und 70 federn die Hülse 58 ab und ver­ hindern einen Gasübertritt zwischen dem Kompressionsraum 18 und dem Totraum 19 hinter dem Kolben 36. Die Dichtung 70 könnte als wahlweise zu verwendende Dichtung betrachtet werden, da die Dichtung 68 ausreicht, um ein Gasüberströ­ men zu verhindern; doch ist in bestimmten Fällen die Dich­ tung 70 nützlich, um das Volumen des Totraums 19 möglichst klein zu halten. Die als Dichtring vorgesehene Dichtung 72 hindert die Hülse 58 daran, gegen die Oberfläche 76 des Zylinders 35 zu prellen und nimmt in elastischer Weise jedes Spiel bzw. alle Stöße zwischen dem Zylinder 35 und der Hülse 58 auf.

Der Kurbelarm 44 treibt den Kolben 36 über einen Kolben­ bolzen 48 an, der im Klemmsitz fest mit dem Kurbelarm 44 durch ein Stiftloch im Kolben 36 verbunden ist. Ein he­ liumgeschmiertes Hülsenlager ist zwischen dem Kolbenbolzen 48 und dem Kolben 36 an der Oberfläche 74 ausgebildet, um die Oszillation bzw. Hin- und Herbewegung des Kurbelarms 44 bezüglich des Kolbens 36 zu ermöglichen. Ein ausrei­ chender Spielraum ist zwischen dem Kolben 36 und dem Kol­ benbolzen 48 vorgesehen, so daß unter Druck stehendes He­ liumgas von der Fluiddichtung 67 an dem Kolbenbolzen 48 vorbeströmt und in den Spalt 77 zwischen dem Kurbelarm 44 und dem Kolben 36 eintritt. Dieser Freiraum zwischen dem Kolbenbolzen 48 und dem Kolben 36 beträgt ungefähr 0,5 × 10^-2 mm (2 × 10^-4 Zoll). Abstandsstücke 60 verhindern, daß sich der Kolben 36 auf dem Kolbenbolzen 48 seitlich hin- und herverschiebt. Die Abstandsstücke 60 bestehen vorzugs­ weise aus Werkzeugstahl oder mit Glas gefülltem Polytetra­ fluoräthylen (Teflon) und sind ungefähr 0,254 mm (0,010 Zoll) dick. Ein Spalt von 0,1524 mm bis 0,0762 mm (0,006 bis 0,003 Zoll) bleibt zwischen dem Kolben 36 und den Abstandsstücken 60, um den Durchtritt von Heliumgas zu dem Totraum 19 zu ermöglichen.

In dem Tieftemperatur-Kühlkompressor 14 kann die Fluid­ dichtung 67 als Strömungswiderstand betrachtet werden, der die Strömung von Gas zwischen dem Kompressionsraum 18 und dem Totraum 19 vermindert bzw. abbremst. Daher besteht we­ gen der nahezu sinusförmigen Änderung des Kompressions­ raum-Druckes ein Umkehr-Druckabfall über die Länge der Fluiddichtung 67 sowohl oberhalb als auch unterhalb des Kolbenbolzens 48. Ein Umkehr-Druckabfall wird auch über die engen Spiel-Freiräume des Kolbenbolzenlagers 74 hin­ wegerzeugt, der schmierendes Heliumgas durch das Kolben­ bolzenlager 74 drückt. Die unter Druck stehende Gasströ­ mung, die an dem Kolbenbolzenlager 74 vorbeiströmt, schmiert dasselbe, um die Reibung und Abnutzung zu ver­ ringern. Der Abschnitt der Fluiddichtung 67 zwischen der Nut oder Rille 64 und dem Totraum 19 ist sehr wichtig, weil ohne diesen Fluidwiderstand das Kolbenbolzenlager 74 den Druck des Totraums 19 über seine gesamte Länge an­ nehmen würde. Ohne einen Druckunterschied längs der Länge des Kolbenbolzens 48 gäbe es keine Fluidströmung am Kol­ benbolzen 48 entlang für eine einwandfreie Schmierung des Kolbenbolzenlagers 74. Es sei darauf hingewiesen, daß des­ wegen, weil Helium sehr kleine Gasmoleküle besitzt, die kleinen Spiel-Freiräume, die für das Gas im Kolben 36 vor­ gesehen sind, mehr als ausreichend sind, um einen ständi­ gen Gasstrom zur Schmierung des Kolbenbolzens 48 zu er­ zielen.

Auch der Kolbenbolzen 48 besteht aus einem gehärteten Ma­ terial, wie z. B. Cermet. Da der Kolben 36 aus einem gehär­ teten Material wie z. B. Cermet besteht, sind die Berüh­ rungsoberflächen des Kolbens 36 und des Kolbenbolzens 48 gegen ein Festfressen widerstandsfähig.

Ein Festfressen tritt dann auf, wenn die Reibung zwischen sich bewegenden Teilen genügend groß und die Oberflächen­ festigkeit dieser Teile genügend klein ist, so daß ört­ liche hohe bzw. vorstehende Punkte in dem Metall sich in anliegende Oberflächen eingraben und dort festschweißen können. Die Verwendung von cermetartigem Material ergibt harte Oberflächen, die gegen ein Festfressen widerstands­ fähig sind. Bei dem einen engen Paßsitz aufweisenden Kol­ benbolzen 48, der bezüglich des Kolbens 36 ein Spiel von 0,508 × 10^-2 mm (2 × 10^-4 Zoll) aufweist, sind die Berüh­ rungsbelastungen ausreichend klein, um eine auf Reibung beruhende Beschädigung zu verhindern, wenn der Kolbenbol­ zen 48 durch Heliumgas geschmiert wird. Das Heliumgas kühlt die Oberfläche des Kolbenbolzens 48 und hält den Reibungskoeffizienten klein. Die Abstandsstücke 60 werden ebenfalls durch die Heliumgasströmung geschmiert und sind gegen ein Abreiben durch den Kurbelarm 44 und den Kolben 36 während des Betriebes widerstandsfähig. Sowohl in Fig. 1 als auch in Fig. 2 ist eine zum Druckausgleich vorgesehene Nut oder Rille 64 gezeigt. Diese Nut oder Rille 64 hat das Bestreben, den Druck um den Kolben 36 herum auszugleichen, so daß die Heliumgasströmung am Kolbenbolzen 48 vorbei die Lage des Kolbens 36 in der Hülse 58 nicht beeinflußt.

Die Verwendung eines heliumgeschmierten Kolbenbolzens 48 weist eine Reihe von Vorteilen gegenüber anderen Lagerar­ ten auf, die bisher für denselben Zweck verwendet wurden. Bei der hier beschriebenen Kompressorart sind Käfiglager im allgemeinen zu groß und Hülsenlager im allgemeinen zu zerbrechlich. Es ist daher üblich, bei kleinen Kompressoren ein vollständiges Nadellager zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kolben zu verwenden. Mit Schmiermittel gefüllte Nadel­ lager neigen dazu, ein hochfrequentes Geräusch zu erzeu­ gen, das von der Walzenbewegung im Lager stammt. Die Wal­ zen neigen dazu, gegeneinander und gegen den Kolbenbolzen zu schlagen. Weiterhin kann aus dem mit Schmiermittel ge­ füllten Lager Schmiermittel in die Heliumumgebung austre­ ten. Eine solche Verschmutzung kann zu einer Verschlech­ terung des Kühlungswirkungsgrades führen. Diese Probleme werden durch den heliumgeschmierten Kolbenbolzen vermie­ den, der nahezu geräuschlos ist, und von dem absolut keine Verschutzungsgefahr ausgeht. Es sei darauf hingewiesen, daß der geschmierte Kolbenbolzen dieselben Vorteile in einem Kolben eines Stirling-Motors aufweisen würde.

Der als elastische Dichtung 72 vorgesehene Gummidichtring und die Dichtringe, welche als Dichtungen 68 und 70 vor­ gesehen sind, neigen dazu, die Hülse 58 und den sich hin- und herbewegenden Kolben 36 von dem Zylinder 35 zu iso­ lieren. Dies vermindert zusätzlich die hochfrequenten Ge­ räusche, die von dem sich hin- und herbewegenden Kolben 36 erzeugt werden. Darüber hinaus vermindert der Dichtring Fluktuationen in den Druckunterschieden über den als Dich­ tung 68 vorgesehenen O-Ring und vermindert damit die Ab­ nutzung des O-Rings.

Fig. 3 ist der Querschnitt durch einen Zylinder 78, 80 ähnlich dem in Fig. 2 dargestellten Zylinder 58 mit dem Unterschied, daß hier eine andere Ausführungsform wieder­ gegeben ist. Bei dieser Ausführungsform ist ein zweiteili­ ger Zylinder 78, 80 mit einer Indium-Dichtung 82 zusammen­ gebaut. Wenn die Teile des Zylinders 78, 80 zusammenge­ setzt werden, wird eine Schulter 85 einer Hülse 84 lose in ihrer Lage festgehalten.

Die aus Keramik oder Cermet hergestellte Hülse 84 wirkt im wesentlichen in derselben Weise wie die in Verbindung mit Fig. 2 beschriebene Hülse 58. Ein außerordentlich kleines Spiel ist zwischen dem aus Keramik oder Cermet hergestell­ ten Kolben 36 und der Hülse 84 vorgesehen, während ein großer Spalt zwischen der Hülse 84 und den Teilen des Zy­ linders 78, 80 frei bleibt. Zwei Dichtungen 86 und 88 die­ nen dazu, ein Überströmen von Gas zwischen dem Kompres­ sionsraum 18 und dem Totraum 19 zu verhindern. Dieses Überströmen von Gas würde auftreten, wenn der Gaspfad zwi­ schen der Hülse 84 und dem Kolben 36 offengelassen würde. Die Dichtung 88 begrenzt aus die Größe des Volumens des Totraums 19.

Zusätzlich zu den Vorteilen einer ein kleines Spiel auf­ weisenden Fluiddichtung, die in Verbindung mit dem voraus­ gehenden Ausführungsbeispiel erwähnt wurden, ergibt sich ein Vorteil bei dieser Ausführungsform aus der Ausdehnung der Fluiddichtung selbst. Die Hülse 84 erstreckt sich vom unteren Teil 78 des Zylinders 78, 80 nach unten, um die axiale Länge der Fluiddichtung zu vergrößeren. Während eines großen Teils des Kolbenhubs wird die Fluiddichtung unter Verwendung des gesamten Kolbens 36 gebildet. Je länger die axiale Länge einer solchen Fluiddichtung ist, desto wirksamer ist sie und eine umso kleinere Undich­ tigkeit läßt sie zu.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht in der Einfachheit des Zusammenbaus, die sich durch die Verwen­ dung eines zweiteiligen Zylinders 78, 80 ergibt. Ohne eine schwimmende Hülse 84 wäre es außerordentlich schwierig, zweiteilige Zylinder mit Fluiddichtungen zu bearbeiten. Dies ist deshalb der Fall, weil die exakte Dimensionie­ rung, die bei Fluiddichtungen erforderlich ist, erhebliche Ausrichtungsprobleme für jede zweiteilige Anordnung mit sich bringt. Eng tolerierte Fluiddichtungen in einem zwei­ teiligen Zylinder würden bei winzigsten Zusammenbaufehlern dazu führen, daß sich der Kolben festfrißt. Bei dieser Ausführungsform werden alle geringen Fehlausrichtungen durch den Spalt zwischen der Fluiddichtung und dem Zylin­ der aufgenommen, ohne daß hierdurch das Arbeiten des Kol­ bens beeinflußt wird.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, die besonders für eine Geräuschverringerung optimiert worden ist. Sich hin- und herbewegende Kolben der hier beschriebenen Art neigen da­ zu, hochfrequente Geräusche zu erzeugen. Die in Fig. 4 dargestellte Kolben-Hülsen-Anordnung isoliert den Kolben 36 und die Hülse 84 vom Zylinder in einer Weise, die Geräusche dämpft.

Der Zylinder 79, 81 besteht aus zwei Teilen 79 und 81, die über eine Indium-Dichtung 83 verbunden sind. Die Indium- Dichtung verhindert ein Austreten des Fluids aus dem Kom­ pressor. Dichtringe als Dichtungen 90 und 92 isolieren die Hülse 84 und ihre Vibrationen und ihre Geräusche vom Zy­ linder 79, 81. Die Dichtung 88 verhindert einen Gasüber­ tritt und verkleinert die Größe des Totraums 19. Gummi- Schichtanordnungen, die von den Dichtungen 90 und 92 ge­ bildet werden, erzeugen eine 50%-ige Verringerung der Ge­ räusche in dem Bereich von 500 bis 4000 Hertz im Vergleich mit einem Kompressorkolben mit integralen Hülsen. Zusätz­ lich kann auch das Lager zwischen dem Kurbelarm 44 und der Nockenwelle durch eine Gummi-Schichtanordnung gepolstert bzw. gefedert werden, wodurch hochfrequente Geräusche zu­ sätzlich verringert werden. Ein bevorzugtes Material für die geräuschdämpfenden Dichtungen ist 80, 90 Duro-Poly­ urethan-Gummi.

Hinsichtlich der meisten Gesichtspunkte ist diese Ausfüh­ rungsform ganz ähnlich derjenigen, die unter Bezugnahme auf Fig. 3 beschrieben wurde. Es ist ein großer Spalt zwi­ schen dem Zylinder 79, 81 und der aus Cermet oder Keramik hergestellten Hülse 84 vorhanden, während ein außerordentlich kleiner Freiraum zwischen dem aus Cermet oder Keramik hergestellten Kolben 36 und der Hülse 84 vorhanden ist. Die Hülse 84 selbst schwimmt innerhalb des Zylinders 79, 81 und gleicht dadurch alle Ungleich­ mäßigkeiten aus, die auf temperaturbedingten Änderungen oder einer Fehlausrichtung der beiden Teile des Zylinders 79, 81 beruhen.

Claims (17)

1. Kolbendichtungsanordnung für Tieftemperatur-Kühl­ kompressoren mit einer Kolben-Zylinder-Einheit, bei wel­ cher zwischen der aus Keramik oder Cermet bestehenden har­ ten, glatten Innenoberfläche einer in dem Zylinder (35; 78, 80; 79, 81) befindlichen Hülse (58; 84) und einer ebenfalls aus Keramik oder Cermet bestehenden harten, glatten seitlichen Außenoberfläche des in der Hülse (58; 84) hin- und herbeweglichen Kolbens (36) ein sehr enges Spiel vorgesehen ist, das eine Fluiddichtung (67) beinhal­ tet, und wobei die Hülse (58; 84) zur Vermeidung eines Festfressens des Kolbens (36) in dem Zylinder (35; 78, 80; 79, 81) schwimmend gelagert ist.

2. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmende Lage­ rung der Hülse (58, 84) elastische Dichtungen (68, 70, 72; 86, 88; 88, 90, 92) zwischen dem Zylinder (35; 78, 80; 79, 81) und der Hülse (58, 84) umfaßt, mittels deren die Hülse (58, 84) derart von dem Zylinder (35; 78, 80; 79, 81) be­ abstandet ist, daß sie in Ansprechung auf Seitenkräfte, die auf den sich hin- und herbewegenden Kolben (36) ein­ wirken, schwimmen kann.

3. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (58) in ihrer schwimmenden Lagerung mittels eines Schnapprings (62) festgehalten ist.

4. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (84) in ihrer schwimmenden Lagerung durch zweiteilige Ausbil­ dung des Zylinders (78, 80; 79, 81) festgehalten ist.

5. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (84) auf ihrem Außenumfang eine Stufe aufweist, die in Eingriff mit einer komplementären Stufe an der Verbindungsstelle zwi­ schen den beiden Teilen des Zylinders (78, 80; 79, 81) ist.

6. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtungen (68, 70, 72; 86, 88; 88, 90, 92) einen oder mehrere um den äußeren Umfang der Hülse (58; 84) herum angeordnete Dichtringe um­ fassen.

7. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Dichtring als Dichtung (92) zwischen den beiden Stufen angeordnet ist.

8. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die schwimmende Lagerung der Hülse (58; 84) einen zwischen der inneren Stirnwand des Zylinders (35; 79, 81) und der die­ ser zugewandten Stirnseite der Hülse (58; 84) angeordneten Dichtring als Dichtung (79, 90) umfaßt.

9. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenoberfläche der Hülse (58; 84) aus Keramik besteht, während die Innenoberfläche des Kolbens (36) aus Cermet besteht, oder umgekehrt.

10. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Hülse (58; 84) aus Keramik oder Cermet besteht.

11. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Kolben (36) aus Keramik oder Cermet besteht.

12. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Oberflächen aus Keramik oder Cermet auf der Rockwell-C-Skala wenigstens 60 beträgt.

13. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Härte der Oberflächen aus Keramik oder Cermet auf der Rockwell-C- Skala größer als 70 ist.

14. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Hülse (58; 84) angeordnete Kolben (36) einen Außen­ durchmesser besitzt, der mit einer Genauigkeit von 0,127 mm dem Innendurchmesser der Hülse (58; 84) entspricht.

15. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das radiale Spiel zwischen der Hülse (58; 84) und dem Kolben (36) weniger als 0,00254 mm beträgt.

16. Kolbendichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben-Zylinder-Einheit diejenige eines Tieftemperatur- Kühlkompressors (14) ist.

17. Kolbendichtungsanordnung nach Anspruch 16, da­ durch gekennzeichnet, daß das in dem Raum des Spiels zwischen der Hülse (58; 84) und dem Kolben (36) befindliche Fluid Helium ist.