DE3824780A1 - Kolben, insbesondere tauchkolben fuer kompressoren - Google Patents
Kolben, insbesondere tauchkolben fuer kompressorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Kolben, insbesondere Tauchkolben
für Kompressoren mit einem zylindrischen Kolbenkörper, mit ei
nem am Außenumfang des Kolbenkörpers angeordneten Dichtring und
mit einer ebenfalls auf dem Außenumfang des Kolbenkörpers auf
gebrachten Führungsauflage.
Bekannte Kolben dieser Art werden in erster Linie im Trocken
lauf, d. h. ohne Schmierung, in Tauchkolbenkompressoren einge
setzt, um Luft oder technische Gase zu verdichten.
Die bekannten Kolben bestehen aus Metall, insbesondere aus Alu
miniumlegierung und werden meist im Spritzgußverfahren herge
stellt, was bedingt, daß die Kolben im allgemeinen noch nach
bearbeitet werden müssen. In mehr oder weniger breiten Umfangs
nuten des Kolbens werden dabei Dicht- und Führungsringe, insbe
sondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) eingelegt. Die Füh
rungsringe können nur etwa 80-90% der zur Verfügung stehen
den Kolbenlänge überdecken, sie haben eine Dicke von etwa 3 mm
und sind in der Regel (um sie auf den Kolben aufbringen zu
können) geschlitzt, so daß im zusammengebauten Zustand eine
Stoßfuge entsteht.
Durch Erwärmung im Betriebszustand tritt aufgrund der großen
Schichtdicke der Führungsringe eine beträchtliche Wärmedehnung
in radialer Richtung auf, was zu einem temperaturabhängigen
Spiel des Kolbens führt. Der Kolben neigt im Betrieb zum Kip
pen und somit zu einer erhöhten Geräuschentwicklung. Bedingt
durch das große Spiel und durch die unerläßliche Stoßfuge kann
vom Führungsring keine Dichtfunktion übernommen werden. Außer
dem kann wegen der Nutränder die an sich zur Verfügung stehen
de Kolbenlänge nur höchstens bis zu etwa 90% zu Führungszwecken
ausgenutzt werden. Schließlich erfordern die bekannten Kolben
aufgrund zahlreicher notwendiger Arbeitsvorgänge einen uner
wünscht hohen Herstellungsaufwand.
Es ist Aufgabe der Erfindung, unter weitgehender Behebung der
geschilderten Mängel einen gattungsgemäßen Kolben so zu ver
bessern, daß das Laufspiel im kalten und warmen Zustand so
klein wie möglich ist, daß die gesamte zur Verfügung stehende
Länge des Kolbens zur Führung ausgenutzt und somit die Stand
zeit erhöht wird, und daß die Kolben in einfacher Weise kosten
günstig in großen Stückzahlen hergestellt werden können.
Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben erfindungsge
mäß dadurch gelöst, daß der Kolbenkörper aus duroplastischem
Kunststoff besteht und die Führungsauflage als in sich geschlos
sener, fugenloser Führungsring mit dem Kunststoff des Kolben
körpers verbunden ist.
Insbesondere erstreckt sich der Führungsring im wesentlichen
über die gesamte Länge des Kolbenkörpers, und der Führungsring
hat eine Wandstärke zwischen 0,2 und 1 mm.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der
Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der
weiteren Erläuterung.
Es zeigt
Fig. 1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen von Tauch
kolben gemäß der Erfindung.
Der in Fig. 1 dargestellte Tauchkolben, der sich insbesondere
als Tauchkolben in einem Kompressor eignet, besteht aus einem
topfförmigen, einseitig geschlossenen Kolbenkörper 1 (auch
"Kolbenhemd" genannt). Eine quer zur Achse des Kolbens verlau
fende Bohrung 2 dient der Aufnahme eines üblichen Kolbenbolzens
zur Befestigung eines Pleuels oder dergleichen. In eine Nut im
oberen Bereich des Kolbenkörpers 1 ist ein Kolbendichtring 3 aus
Polytetrafluoräthylen (PTFE) an sich bekannter Art eingesetzt.
Praktisch über die gesamte restliche Länge hinweg ist der Kolben
körper 1 von einer hülsenförmigen Führungsauflage aus PTFE über
deckt, die den Führungsring 4 des Kolbens bildet. Der Führungs
ring 4 ist in sich geschlossen und fugenlos. Führungsring und
Kolbenkörper sind fest miteinander verbunden. Die Wandstärke
des Führungsringes 4 beträgt etwa 0,5 mm, sie kann grundsätzlich
zwischen 0,2 und 1 mm liegen. Der Kolbenkörper 1 besteht aus ei
nem duroplastischen Kunststoff, beispielsweise Phenolharz, Mela
minharz, Harnstoffharz, Epoxidharz oder Polyesterharz.
Die geringe Wandstärke des Führungsrings bewirkt eine sehr gerin
ge Wärmedehnung, d. h. Kalt- und Warmspiel können gegenüber den
bekannten Metallkolben mit dickerem Führungsring erheblich ver
kleinert werden. Dadurch ist die Laufruhe des Kolbens deutlich
verbessert. Da der Führungsring 4 fugenlos ist, trägt er auch
zur Abdichtung des Kolbens in seinem Laufzylinder bei. Insge
samt wird durch den praktisch die ganze Kolbenlänge überdecken
den Führungsring 4 auch die Lebensdauer des Kolbens erhöht.
Der Kolben gemäß Fig. 1 wird mit Vorteil in folgender Weise
in einem Arbeitsgang hergestellt: von einem PTFE-Schlauch oder
einem PTFE-Rohr wird ein Abschnitt abgetrennt und in ein üb
liches Spritz-, Preß- oder Spritzpreßwerkzeug eingelegt. Dieser
Abschnitt hat die Form einer Hülse und bildet später am fertigen
Kolben den Führungsring 4. In den Abschnitt wird ein Duroplast-
Granulat eingefüllt bzw. eingespritzt. Statt eines Granulats
können auch vorgepreßte Tabletten oder vorplastifizierte Duro
plast-Rohlinge eingefüllt werden. Das zunächst offene Werkzeug
wird nunmehr geschlossen, worauf unter hohem Druck (100-1000 bar)
und hoher Temperatur (100-200°C) eine hochtemperaturfeste
und stabile Verbindung zwischen dem PTFE-Material des Führungs
ringes 4 und dem sich bildenden Duroplast-Kolbenkörper herge
stellt wird. Anschließend wird der fertige, mit dem Führungs
ring 4 versehene Kolben dem Werkzeug entnommen.
Die Preß- bzw. Spritzwerkzeuge können so gestaltet werden, daß
nach dem Entformen eine spanende Bearbeitung des Kolbens nicht
mehr notwendig ist. Zur Erzielung einer höheren Maßhaltigkeit
kann jedoch auch eine spanende Nachbearbeitung des Kolbenkör
pers vorgenommen werden.
Die Ausführungsform eines Kolbens gemäß Fig. 2 unterscheidet
sich von derjenigen nach Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß
zur Reduzierung des Wärmedurchgangs durch den Kolben zusätzlich
zum Führungsring 4 auf der Stirnfläche des Kolbenkörpers 1 noch
eine Temperatur-Isolationsschicht 5 aus PTFE aufgebracht wird, und zwar
dadurch, daß diese Schicht in Form einer kreisförmigen Platte
ebenfalls in das Formwerkzeug des Kolbens eingelegt wird.
Bei der Ausführungsform eines Tauchkolbens nach Fig. 3 wird
statt eines Kolbenringes 3 (Fig. 1 und 2) eine sogenannte
"Napf- oder Topfmanschette" 6 aus PTFE-Material verwendet.
Die Manschette 6 kann vor der Herstellung des Kolbens in
das Preß- oder Spritzwerkzeug eingelegt werden.
Die Fig. 4 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform ei
nes Tauchkolbens, die weitgehend der Ausführungsform gemäß Fi
gur 1 entspricht. Der Kolbenkörper 1 weist jedoch an seiner
Stirnwand eine Öffnung 7 auf, die, wie lediglich schematisch
dargestellt, durch eine Ventilplatte 8 verschlossen ist. Beim
Zurückziehen des Kolbens nach dem Kompressionsvorgang öffnet
sich die elastische Ventilplatte 8, so daß das zu verdichtende
Medium durch den Kolbenkörper 1 hindurch angesaugt wird. Dabei
wird der Kolbenkörper durch das einströmende Medium gekühlt.
Außerdem wird ein besonderes Ansaugventil im Zylinder eingespart.
Auch die Ventilplatte 8 kann vor der Herstellung des Kolbens
in das Formwerkzeug eingelegt werden.
Der den Kolbenkörper 1 bildende duroplastische Kunststoff kann
mit Zuschlagstoffen gefüllt sein. Besonders geeignet sind hier
für Glas-, Kohle und/oder Mineralfasern. Der Führungsring 4
kann auch aus einem anderen thermoplastischen Kunststoff als
PTFE bestehen, insbesondere aus Polyätherätherketon (PEEK)
oder aus Polyätherketon (PEK). Auch der den Führungsring 4
bildende thermoplastische Kunststoff kann mit Zuschlagstoffen
gefüllt sein, vorzugsweise mit Glas-, Kohle- und/oder Mineral
fasern.
Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wird durch die ver
größerte Kolbenführungsfläche die spezifische Flächenpressung
des Führungsringes aufgrund der auftretenden Querkräfte redu
ziert. Hierdurch erhöht sich die Standzeit oder Lebensdauer
des Kolbens. Der hülsenförmige Führungsring 4 läßt sich, bei
spielsweise durch das beschriebene Spritz- oder Preßverfahren,
hochtemperaturfest und unlösbar mit dem duroplastischen Kolben
körper verbinden. Hierdurch erhöht sich die Betriebssicherheit.
Im übrigen läßt sich das geschilderte Fertigungsverfahren in
einfacher Weise kostengünstig und für hohe Stückzahlen durch
führen.
Claims (12)
1. Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren
mit einem zylindrischen Kolbenkörper, mit einem am
Außenumfang des Kolbenkörpers angeordneten Dichtring
und mit einer ebenfalls auf dem Außenumfang des Kol
benkörpers aufgebrachten Führungsauflage,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolbenkörper (1) aus duroplastischem Kunst
stoff besteht, und die Führungsauflage als in sich
geschlossener, fugenloser Führungsring (4) fest mit
dem Kunststoff des Kolbenkörpers verbunden ist.
2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
sich der Führungsring (4) im wesentlichen über die
gesamte Länge des Kolbenkörpers (1) erstreckt.
3. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Wandstärke des Führungsringes (4) 0,2-1,0 mm
beträgt.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der duroplastische Kunststoff ein Phenolharz, Melamin
harz, Harnstoffharz, Epoxidharz oder Polyesterharz
ist.
5. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der duroplastische Kunststoff mit Zuschlagstoffen ge
füllt ist.
6. Kolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß
der duroplastische Kunststoff mit Glas-, Kohle- und/
oder Mineralfasern gefüllt ist.
7. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der Führungsring (4) aus einem thermoplastischen Kunst
stoff besteht.
8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Führungsring (4) aus Polytetrafluoräthylen (PTFE),
Polyätherätherketon (PEEK) oder Polyätherketon (PEK)
besteht.
9. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
der thermoplastische Kunststoff mit Zuschlagstoffen
gefüllt ist.
10. Kolben nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
der thermoplastische Kunststoff mit Glas-, Kohle- und/
oder Mineralfasern gefüllt ist.
11. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Stirnseite des Kolbenkörpers (1) mit einer Isola
tions- und Schutzschicht (5) aus Polytetrafluoräthylen
überzogen ist.
12. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der
Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Führungsring, gegebenenfalls zusammen mit ei
nem Dichtring, in ein offenes Spritz-, Preß- oder
Spritzpreßwerkzeug eingelegt, ein duroplastischer Kunst
stoff eingefüllt, und im geschlossenen Werkzeug unter
Druck und Erwärmung der Führungsring mit dem sich bil
denden Kunststoffkörper fest verbunden wird.
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