DE60036716T2

DE60036716T2 - Gaslager und verfahren zum herstellen eines gaslagers für eine freikolbenmaschine

Info

Publication number: DE60036716T2
Application number: DE60036716T
Authority: DE
Inventors: Reuven Z-M. Athens UNGER
Original assignee: Sunpower Inc
Current assignee: Sunpower Inc
Priority date: 1999-09-02
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2008-07-17
Anticipated expiration: 2020-08-04
Also published as: NZ517329A; WO2001016464A1; KR100646895B1; MXPA02002169A; AU6398400A; JP2003508664A; EP1208289B1; AU753580B2; BR0013755A; ATE375437T1; BR0013755B1; DE60036716D1; EP1208289A1; US6293184B1; KR20020044139A; JP3687961B2; EP1208289A4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Freikolbenmaschinen in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 11 und auf ein Verfahren zu Herstellung des Kolbens für eine Freikolbenmaschine in Übereinstimmung mit dem Oberbegriff des Anspruchs 9
Beschreibung des Stands der Technik
Kolben sind in vielen Maschinen mit einer festen mechanischen Verbindung verbunden, wie beispielsweise mit einer Kurbelstange, welche mit einer Kurbelwelle verbunden ist. Diese Kolben sind innerhalb vorbestimmter Positionen eingeschränkt, wie beispielsweise Endgrenzen. Aber es sind auch viele Maschinen bekannt, die einen oder mehrere Freikolben nutzen.
Ein Freikolben bewegt sich in einem Zylinder ohne eine mechanische Verbindung hin und her. Solche Freikolben können durch einen elektromagnetischen Linearmotor angetrieben werden und zum Beispiel als Kompressor oder Pumpe für Gas oder andere Fluide genutzt werden. Freikolben können ebenso in Freikolben-Stirling-Kreislauf-Maschinen wie beispielsweise Freikolben-Stirlingmotoren, Kühlern und Cryokühlern verwendet werden.
Freikolben bewegen sich abgedichtet in einem Zylinder, welcher in einem Gehäuse gebildet ist, hin und her, wobei eine sehr schmale Lücke zwischen der Zylinderwand und der Kolbenwand gebildet wird. Das Gehäuse schließt typischerweise einen Arbeitsraum, der durch ein Ende des Kolbens begrenzt wird und einen zweiten Raum oder Rückraum, der durch das gegenüberliegende Ende des Kolbens begrenzt wird, ein. Ein Arbeitsgas wie zum Beispiel Helium füllt den Arbeitsraum, den Rückraum und andere Bereiche der Maschine innerhalb des Gehäuses aus.
Aufgrund der großen Nähe der Kolbenwand und der Zylinderwand während des Betriebs muss die Lücke, die zwischen den Wänden gebildet wird, geschmiert werden, um schnelle Abnutzung zu verhindern. Es wurde erkannt, dass die effizienteste Schmierung eine dünne Schicht des Arbeitsgases ist, die ein Gas-Gleitlager bildet. Derartige Gas-Gleitlager sind in den Patentschriften US-A-4,412,418 , US-A-4,802,332 und US-A-4,888,950 , sämtlich von Reale, beschrieben.
Um den Kolben zu schmieren, muss Gas an drei oder mehr Punkten entlang des Umfangs des Kolbens in die Lücke geführt werden, nachdem es vom Arbeitsraum oder Rückraum dorthin geführt wurde. Allerdings erfordert das Transportieren und Abgeben des Gases in die Lücke ein komplexes Netz von Durchgängen und Öffnungen. Derartige Durchgänge und Öffnungen können nicht einfach gebildet werden, weil die Teile, in welche die gastransportierenden Strukturen eingeformt werden müssen, klein, empfindlich und mit geringen Toleranzen hergestellt sind.
Es ist bekannt, eine ringförmige Ventilhülsenanordnung mittels Aufschrumpfen zu bilden, wie in der Patentschrift US-A-5,184,643 von Raymond beschrieben. Derartige Anordnungen können für den Zweck der Bildung eines Gas-Gleitlagers in einer Freikolbenmaschine aufgrund des Mangels an Kontrolle über den Gasdruck und des Mangels an Durchgängen für das Führen des Gases gegen die Zylinderwand nicht funktionieren.
US-A-4,802,332 zeigt einen Stirlingmotor mit einem Kolben und einem Zylinder, wobei der Kolben und der Zylinder ineinander passende Oberflächen aufweisen, die in Relation zueinander hin- und hergleiten, wobei eine Vielzahl von Vertiefungen zur Gasspeicherung vorzugsweise gleichförmig entlang wenigstens eines Teils von einer der zueinander passenden Oberflächen verteilt sind. Diese Vertiefungen für Gas sind so konstruiert, dass sie entweder Gas aufnehmen oder Gas abgeben, abhängig vom aktuellen Bedarf an Schmierung in der Lücke zwischen dem Kolben und dem Zylinder. Zu diesem Zweck lehrt die US-A-4,802,332 , radiale Vertiefungen 40 auf der einwärts gerichteten Oberfläche des Zylinders zu bilden. Diese Vertiefungen 40 werden umgeben mit einer Hülle mit größeren fluchtenden Vertiefungen 42, die darin gebildet sind. Eine zweite Hülse 44 verschließt die Öffnungen, so dass das Gas nicht austreten kann. Diese Vertiefungen sind alle radial ausgerichtet (siehe Spalte 1, Zeilen 60–61) und werden durch Bohren gebildet (Spalte 2, Zeilen 64 bis Ende). Das Gas in dem ringförmigen Öffnungsraum zwischen dem Kolben 20 und der Zylinderwand 22 fließt in die radial ausgerichteten Vertiefungen (40 und 42) hinein und wieder hinaus. Dies bildet ein Gas-Lager mit wünschenswerten Eigenschaften.
US-A-3,127,955 beschreibt eine fluid-gestützte Vorrichtung, die ein relativ zu einem anderen Element bewegliches Element in einer engen Oberfläche zu Oberfläche-Anordnung aufweist. Daher muss ein effektiver Schmierfilm zwischen den gegenüberliegenden Oberflächen solcher Elemente zur Verfügung gestellt werden, um Reibung und Abnutzung zu verringern. Mit Blick darauf wird das bewegliche Element mit um den Umlauf laufenden, flachen Nuten ausgestattet. Innerhalb des beweglichen Elements wird eine Kammer zum Sammeln von Fluid angeordnet. Das Fluid wird durch Öffnungen in den peripheren Nuten geführt. Das Fluid, das aus den Nuten austritt, bildet einen Fluid-Film zwischen einer Hülle und dem beweglichen Element (Akkumulator).
US-A-5,140,905 offenbart ein stabilisierendes Gas-Gleitlager für Freikolbenmaschinen. Um dynamische Lasten auf den hin- und herbeweglichen Elementen zu reduzieren, werden Abflussgalerien am Ende des Gas-Lagers eingebaut, um dasselbe einzugrenzen. Weiterhin werden umlaufende, beabstandete Nuten in der Nähe des Abschlussbereichs eingebaut.
US-A-4,644,855 beschreibt einen Linearmotorkompressor mit Freiraumabdichtung und Gaslagern. Ein Gas-Gleitlager-System wird für einen Kolben mit einem Hochdruckreservoir gebildet. Wenn das Arbeits-Fluid in einem Kolbenkopfraum unter hohem Druck steht, wird Gas vom Kolbenkopfraum in das Reservoir eingespeist. Der Gas-Fluss wird in einer Art und Weise zwischen den Kolben und seiner umgebenden Hülle geführt, welche den Kolben in Schwebe weg von der Hülle hält, um derart die Reibung und die Abnutzung, welche der Kolben und die Hülle erfahren, zu reduzieren. Die Kolbenelemente und der umgebende Hüllen-/Kammerzylinder sind eng anliegend, um die Freiraumabdichtungen dazwischen herzustellen. Der Gaskompressorkolben wird durch zwei Ringe von gaslagernden Taschen vom Kontakt mit den inneren Wänden des Zylinders abgefedert. Das Gas fließt aus dem Reservoir innerhalb des Kolbens in die Taschen ringe. Die Taschenringe sind am vorderen Ende und dem zentralen Bereich des Kolbens angeordnet, so dass sie den Kolben in einer Art und Weise unterstützen, die ihn aus dem Kontakt mit den inneren Wänden des Zylinders abfedert. In dieser Hinsicht wird die Kolbenoberfläche mit verschiedenen Durchmessern gebildet, um den Fluss des Gas-Gleitlagers passend zu führen, so dass der Kolben den Zylinder nicht berührt. Das Hochdruckreservoir wird entlang der longitudinalen Zentralachse des Kolbens angeordnet. Von dort erstrecken sich Öffnungen radial zu Kanälen auf der äußeren Oberfläche des Kolbens.
Im Zusammenhang mit derartigen Freikolbenmaschinen besteht ein Bedürfnis dafür, einen Gas-Gleitlager-Aufbau und ein Verfahren zur Herstellung desselben zur Verfügung zu stellen, wobei derartige Gas-Lager-Durchgänge und Öffnungen einfach mit einem Fluid-Fluss mit vorbestimmter Menge und Druck versorgt werden können. Zur Lösung dieses Problems wird die Freikolbenmaschine, die in den unabhängigen Ansprüchen 1, 11 und 12 beschrieben ist, vorgeschlagen. Ein Verfahren zur Herstellung des Kolbens ist in Anspruch 9 beschrieben. Optionale Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung beinhaltet eine verbesserte Freikolbenmaschine mit einem Gas-Gleitlager zwei Teile: einen inneren, zylindrischen Kern und eine äußere, zylindrische Hülse. Der innere Kern weist eine radial auswärts zeigende Oberfläche auf, die an eine radial einwärts zeigende Oberfläche der äußeren Hülse angrenzt, wenn der Kern in einem Durchgang angeordnet ist, der in der Hülse gebildet ist. Eine umlaufende Reservoir-Rinne erstreckt sich vorzugsweise um den Kern, und ein Durchgang mit einem Sperrventil erlaubt es dem Fluid, in das Reservoir zu fließen. Eine longitudinale Rinne erstreckt sich vom Reservoir zu wenigstens einem, und vorzugsweise vier umlaufenden, fluid-dosierenden Rinnen, die in der radial auswärts zeigenden Oberfläche des Kerns gebildet sind. Die fluid-dosierenden Rinnen formen derart Fluid-Durchgangswege, wenn die einwärts gerichtete Oberfläche der Hülse die Rinne überbrückt und überdeckt. Wenigstens drei radiale Durchgänge sind durch die Seitenwand der Hülse in Fluid- Verbindung mit der Rinne gebildet, um in der Rinne befindliches Fluid in den Spalt an der Seitenwand zu führen.
Wenn der verbesserte Kolben sich im Zylinder hin- und herbewegt, fließt Gas vom Arbeitsraum mit dem momentan höheren Druck durch die longitudinale Nut in das Reservoir, durch die fluid-dosierenden Rinnen und in die radialen Hülsendurchgänge, welche das Gas in den Spalt zwischen Kolben und Zylinder entleeren. Dies formt ein Gas-Lager, das die Abnutzung der sich gegenüberliegenden Kolben und Zylinderwände reduziert. Eine derartige Struktur wird gebildet, indem der Kern nach dem Formen der Rinne auf der äußeren Oberfläche des Kerns in die Hülse eingepasst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Gas-Lager ebenso zwischen einen Verdränger-Stab und einer Kernpassage, durch welche sich der Verdränger-Stab erstreckt, gebildet. Ein Verdränger-Stab erstreckt sich durch einen zylindrischen Durchgang durch den Kern und wenigstens drei Durchgänge werden durch die Seitenwand des Kerns gebildet. Die radialen Durchgänge befinden sich in Fluid-Verbindung mit den fluid-dosierenden Rinnen, und bewirken den Fluss von Gas von der dosierenden Rinne durch die radialen Durchgänge und in einen Spalt zwischen einer radial einwärts zeigenden Oberfläche des Kolbens und einer äußeren Oberfläche des Verdränger-Stabs.
Bei einem bevorzugten Verfahren der Herstellung des Kolbens wird die Hülse erhitzt, um sie zu erweitern, und der Kern wird koaxial mit dem zylindrischen Durchgang angeordnet. Der Kern wird an seinen Platz innerhalb der Passage der Hülle geschoben und die beiden Teile gleichen sich bei der Temperatur an. Eine sehr feste Verbindung wird zwischen der auswärts zeigenden Oberfläche des Kolbens und der einwärts zeigenden Oberfläche der Hülse gebildet, wodurch Fluid mit Ausnahme der Stellen, an denen Rinnen gebildet sind, am Durchgang dazwischen gehindert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER UNTERSCHIEDLICHEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, welche die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt, gezeigt in ihrer Betriebsposition in einer Freikolben-Stirling-Kreislauf-Cryo-Kühlmaschine.
2 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die den bevorzugten Kolben darstellt.
3 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die den bevorzugten Kern des Kolbens darstellt.
4 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die die bevorzugte Hülse des Kolbens darstellt.
5 ist eine perspektivische Ansicht, die den bevorzugten Kern des Kolbens darstellt.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen vergrößerten Abschnitt des bevorzugten Kerns des Kolbens darstellt.
7 ist eine Endansicht in Schnittdarstellung entlang der Linien 7-7 aus 5.
8 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
9 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
10 ist eine Endansicht in Schnittdarstellung entlang der Linie 10-10, die den Kern aus 9 zeigt.
11 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
12 ist eine Seitenansicht in Schnittdarstellung, die eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
Bei der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, welche in den Zeichnungen dargestellt ist, wird aus Gründen der Klarheit auf spezifische Terminologie zurückgegriffen. Es ist aber nicht beabsichtigt, dass die Erfindung auf die derart ausgewählten spezifischen Begriffe begrenzt wird und es ist selbstverständlich, dass jeder spezifische Begriff alle technischen Äquivalente beinhaltet, welche in einer ähnlichen Art und Weise funktionieren, um einen ähnlichen Zweck zu erreichen. Zum Beispiel wird das Wort „verbunden" oder ähnliche Begriffe oft genutzt. Diese sind nicht begrenzt auf direkte Verbindungen, sondern beinhalten Verbindungen durch andere Elemente, wenn eine solche Verbindung vom Fachmann als gleichwertig erkannt wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in 1 in einer Freikolben-Stirlingkreislauf-Cryo-Kühlmaschine 10 gezeigt. Nichts desto trotz kann die Erfindung in jeder Freikolbenmaschine genutzt werden, wie es für den Fachmann anhand der folgenden Beschreibung offensichtlich werden wird.
Der Kolben 12 ist gleitfähig innerhalb des Zylinders 14 montiert und antriebsmäßig mit einem kreisförmigen Ring 16, an den Magnete montiert sind, verbunden. Der kreisförmige Ring 16 ist innerhalb eines Spalts angeordnet, in welchem ein zeitabhängig wechselndes, alternierendes Magnetfeld erzeugt wird, welches dazu führt, dass der kreisförmige Ring 16 und damit der antriebsmäßig verbundene Kolben 12 in einer Hin- und Herbewegung angetrieben wird. Der Cryo-Kühler 10 pumpt gemäß einem bekannten thermodynamischen Kreislauf Wärme vom kalten Ende 22 zum wärmeren Ende 24, und erlaubt derart dem Cryo-Kühler, beispielsweise gasförmigen Stauerstoff abzukühlen, um diesen zu kondensieren und den Sauerstoff zu verflüssigen.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung müssen nur der Kolben 12 und seine mitwirkenden Teile beschrieben werden. Der Kolben 12 ist detaillierter in 2 dargestellt und beinhaltet zwei Hauptteile: einen Kern 30 und eine Hülse 50. Der Kern 30 und die Hülse 50 sind mittels Press-Sitz über die Angrenzung ihrer gegenüberliegenden Oberflächen miteinander verbunden. Der Kern 30 ist in 3 alleine gezeigt und die Hülse 50 ist in 4 alleine gezeigt.
Der Kern 30 ist ein länglicher zylindrischer Körper, vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, der eine radial auswärts zeigende Oberfläche 32 und eine radial einwärts zeigende Oberfläche 34, welche einen zylindrischen Durchgang 40 bildet, aufweist. Erste und zweite umlaufende Reservoir-Rinnen 36 und 38 werden in der äußeren Oberfläche des Kerns 30 gebildet. Die radialen Kerndurchgänge 42–49 (die Durchgänge 45 und 49 sind nur in 6 sichtbar) werden abgewinkelt an voneinander entfernten Orten um den Umfang des Kerns 30 in Intervallen von etwa 90 Grad gebildet, und erstrecken sich durch die Kern-Seitenwand 31 von der einwärts zeigenden Oberfläche 34 zur auswärts zeigenden Oberfläche 32.
Die Hülse 50 ist ein länglicher zylindrischer Körper, vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, der eine radial auswärts zeigende Oberfläche 52 und eine radial einwärts zeigende Oberfläche 54, die einen zylindrischen Durchgangsweg 56 bildet, aufweist. Die radialen Hülsendurchgänge 61–68 (die Durchgänge 64 und 68 sind in 4 nicht sichtbar) werden abgewinkelt an voneinander entfernten Orten entlang des Umgangs der Hülse 50 in Intervallen von etwa 90 Grad gebildet und erstrecken sich durch die Hülsen-Seitenwand 58 zwischen der einwärts zeigenden Oberfläche 54 und der auswärts zeigenden Oberfläche 52.
Der Kern 30 wird in den 5 und 6 gezeigt und weist vier umlaufende, fluid-dosierende Rinnen 80, 82, 84 und 86 auf, die in seiner auswärts zeigenden Oberfläche 32 gebildet sind. Jede der dosierenden Rinnen ist etwa 0,025 mm tief und etwa 0,178 mm breit. Natürlich können diese Dimensionen geändert werden mit daraus resultierenden Änderungen im Druckabfall des Fluids, das durch sie fließt.
Die dosierende Rinne 82 erstreckt sich um den Kern 30 und ist in Fluid-Verbindung mit den radialen Kerndurchgängen 46, 47, 48 und 49. Die dosierende Rinne 86 erstreckt sich um den Kern und ist in Fluid-Verbindung mit den radialen Kerndurchgängen 42, 43, 44 und 45. Die dosierenden Rinnen 80 und 84 erstrecken sich um den Kern 30 und sind in Fluid-Verbindung mit den radialen Hülsendurchgängen 61–64 und 65–68, wenn der Kern 30 innerhalb der Hülse 50 positioniert ist.
Wie in 2 gezeigt, ist die auswärts zeigende Oberfläche 32 des Kerns 30 abdichtend an die einwärts zeigende Oberfläche 54 der Hülse 50 angrenzend angeordnet. Die umlaufenden dosierenden Rinnen 80–86 werden von den Teilen der einwärts gerichteten Oberfläche 54 überdeckt, welche die dosierenden Rinnen 80–86 überbrücken. Daher bilden die Wände der dosierenden Rinnen 80–86 und die Teile der einwärts zeigenden Oberfläche 54, die die dosierenden Rinnen 80–86 überdecken, umlaufende Fluidfluss-Wege. Das bevorzugte Fluid, das in Freikolben-Stirling-Cryo-Kühlern genutzt wird, ist ein Gas wie beispielsweise Helium und daher stellen die dosierenden Rinnen 80–86 in der bevorzugten Ausführungsform Gasfluss-Wege dar.
Die Gasfluss-Wege, die durch die dosierenden Rinnen 80–86 mit den bevorzugten Dimensionen gebildet werden, weisen einen vorbestimmten Widerstand gegen den Fluss des Gases durch sie auf, welcher einen bekannten Druckabfall im Gas verursacht, wenn es von einer Quelle durch die dosierenden Rinnen 80–86 in die radialen Kerndurchgänge 42–49 und die radialen Hülsendurchgänge 61–68 fließt. Gas, das aus den radialen Hülsendurchgängen 61–68 fließt, tritt in den Spalt zwischen der Kolbenwand und der Zylinderwand mit einer vorbestimmten Durchfluss-Rate ein, um dort ein Gas-Lager zu bilden. Gas, das aus den radialen Kerndurchgängen 42–49 fließt, tritt in einen Spalt zwischen den Verdränger-Stab 11 und der zylindrischen Passage 40 im Kern 30 bei einer vorbestimmten Durchflussrate ein, um dort ein Gas-Lager zu bilden.
Wie bekannt ist, hängt der Widerstand für das Gas, das in den Spalt zwischen dem Kolben und dem Zylinder fließt, von der Position der Kolbenwand relativ zur Zylinderwand ab. Wenn die Kolbenwand nahe ist, steigt der Widerstand, wodurch der Druck erhöht wird und der Kolben an diesem Teil des Spalts weg von der Zylinderwand gedrückt wird. In dieser Hinsicht ist der Druck in den radialen Durchgängen abhängig von der Spaltgröße.
Im Bezug auf die 6 und 7 werden die longitudinalen Sammel-Rinnen 92, 93, 94 und 95 in der radial auswärts zeigenden Oberfläche 32 des Kerns 30 gebildet. Diese longitudinalen Rinnen verbinden vorzugsweise das erste und das zweite Reservoir 36 und 38 ohne Druckabfall für die einbezogene Durchfluss-Rate und erstrecken sich vorzugsweise wenigstens von der umlaufenden dosierenden Rinne 86 zum linksseitigen Ende des zweiten Reservoirs 38, das in 3 gezeigt ist.
Die longitudinalen Rinnen 92–95 bilden Gas-Durchgänge, wenn die einwärts zeigende Oberfläche der Hülse 50 abdichtend an die auswärts zeigende Oberfläche des Kerns 30 angrenzt und sie überbrückt, in gleicher Weise wie die umlaufenden dosierenden Rinnen 80–86. Jede der longitudinalen Rinnen ist in Fluid-Verbindung mit allen umlaufenden dosierenden Rinnen 80–86 und ermöglicht es dem Gas derart, von den Reservoiren 36 und 38 longitudinal zu jeder der umlaufenden dosierenden Rinnen zu fließen. Weil es vier longitudinale Rinnen gibt, fließt Gas zu vier gleichmäßig voneinander beabstandeten Positionen an jeder der umlaufenden dosierenden Rinnen.
Ein Quelldurchgang 37, der in 1 gezeigt ist und keinen wesentlichen Widerstand gegenüber dem Fluss des Gases aufweist, erstreckt sich longitudinal vom Arbeitsraumende des Kolbens zum ersten Reservoir 36. Ein Einwegventil, vorzugsweise das Sperrventil 100, das in 6 gezeigt ist, erlaubt den Fluss von Gas vom Arbeitsraum nur in das Reservoir 36 und verhindert den Fluss von Gas durch den Quell-Durchgang 37 in die entgegengesetzte Richtung zum Arbeitsraum hin.
Die Ausführungsform, die in den 1–7 gezeigt ist, funktioniert, um ein Gaslager in dem Spalt zwischen der auswärts zeigenden Oberfläche 52, der Hülse 50 und der Zylinderwand 14 und in dem Spalt zwischen der einwärts zeigenden Oberfläche des Kolbens 30 und den Verdränger-Stab 11 zu bilden. Wenn das Arbeitsgas im Arbeitsraum einen höheren Druck als das Gas im ersten Reservoir 36 aufweist, öffnet sich das Sperrventil 100 und Gas fließt in das erste Reservoir 36. Ein Spitzenwert im Gasdruck während des Stirling-Kreislaufs bewirkt, dass Gas in das erste Reservoir 36 fließt und hält derart einen hohen Druck während des Betriebs des Cryo-Kühlers 10 aufrecht.
Das Gas in Reservoir 36 fließt durch die longitudinalen Sammelrinnen 92–95 zu vier beabstandeten Positionen in jeder der umlaufenden dosierenden Rinnen 80–86 und im zweiten Reservoir 38. Das Gas, das durch die longitudinalen Sammelrinnen 92 bis 95 bereit gestellt wird, fließt durch die umlaufenden dosierenden Rinnen bei einer vorbestimmten Durchflussrate und einem vorbestimmten Druck zu den radialen Kerndurchgängen 42–49 und den radialen Hülsen-Durchgängen 61–68. Die radialen Kern-Durchgänge 42–49 führen Gas in den Spalt zwischen dem Kern und den Verdränger-Stab, um dort ein Gas-Lager zu bilden. Die radialen Hülsen-Durchgänge 61–68 führen Gas in den Spalt zwischen der Hülse und der Zylinderwand, um dort ein Gas-Lager zu bilden.
Die umlaufenden dosierenden Rinnen müssen das Gas schnell genug in die radialen Kern- und Hülsendurchgängen abgeben, dass das Gas den Spalt zwischen den bewegenden Oberflächen schmiert, aber nicht so schnell, dass es einen Leckage-Verlust gibt, der die Effizienz des Cryo-Kühlers beeinträchtigt. Es wurde herausgefunden, dass umlaufende Durchgänge der Größe, die oben beschrieben ist, die notwendige Balance von Schmierung ohne wesentliche Effizienzverluste ermöglichen.
Die äußere Oberfläche des Kerns 30 ist leicht größer als der zylindrische Durchgang 56 der Hülse 50, wenn er anfänglich gebildet wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt es eine Differenz von ungefähr 20 Mikrometern zwischen dem äußeren Durchmesser des Kerns 30 und dem inneren Durchmesser der Hülse 50. Daher wird die Hülse vorzugsweise auf etwa 200 Grad Celsius aufgeheizt, um den Kern in der Hülse zu positionieren, anschließend werden Hülse und Kern koaxial aneinander angereiht und dann wird der Kolben in die zylindrische Passage 56 der Hülse geschoben, zur Position, die in 2 gezeigt ist. Nachdem sich die Temperaturen des Kolbens und der Hülse angeglichen haben, gibt es einen Press-Sitz, der jeder relativen Bewegung der Teile widersteht.
Als ein alternatives oder zusätzliches Verfahren könnte der Kern 30 gekühlt werden oder als weitere Alternative könnte die Hülse geheizt und der Kern gekühlt werden. Größere oder kleinere Unterschiede im Durchmesser könnten angepasst werden durch größere bzw. geringere Temperaturunterschiede, wie aus dieser Beschreibung offensichtlich für den Fachmann ist.
Wenn der Kern 30 und die Hülse 50 einmal wie oben beschrieben verbunden sind, um den Kolben 12 zu bilden, fließt Gas nur durch die Durchgänge, die gebildet sind. Kein Gas fließt zwischen der einwärts zeigenden Oberfläche der Hülse und der auswärts zeigenden Oberfläche des Kerns mit Ausnahme dort, wo dosierende, sammelnde oder Reservoir-Rinnen gebildet sind. Dieser Ausschluss von Gas-Fluss ist bedingt durch den extrem festen Sitz zwischen dem Kern und der Hülse.
In einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die in den 8, 9, 10 und 11 gezeigt ist, weist eine dünnwandige zylindrische Hülse 200 eine radial einwärts zeigende Oberfläche 202 auf, die einen zylindrischen Hülsendurchgang 204 bildet. Ein zylindrischer Kern 210 weist eine radial auswärts zeigende Oberfläche 212 auf und eine radial einwärts zeigende Oberfläche 214, die einen zylindrischen Kerndurchgang 216 bildet.
Radiale Kerndurchgänge 218–225 erstrecken sich durch die Kernseitenwand 217 von der einwärts zeigenden Oberfläche 214 zu der auswärts zeigenden Oberfläche 212. Zwei umlaufende dosierende Rinnen 240 und 242, die gleichartig in Abmessungen und Funktion zu den dosierenden Rinnen der bevorzugten Ausführungsform sind, sind in Fluid-Verbindung mit den radialen Kerndurchgängen 218–225 angeordnet. Vier longitudinale Sammelrinnen 227–– 230 erstrecken sich zwischen den umlaufenden dosierenden Rinnen 240 und 242 und dem Hochdruck-Ende der Zylinderwand, um gleichartig zu den longitudinalen Rinnen der bevorzugten Ausführungsform zu arbeiten, in dem ein Flussweg mit geringem oder keinem Widerstand bereit gestellt wird.
Der Kern 210 wird in einer ähnlichen Art und Weise zum Verfahren zur Herstellung der bevorzugten Ausführungsform eingeschoben, bis der Aufbau, der in 11 gezeigt ist, gebildet wird. Der verbundene Aufbau bildet eine Zylinderwand für eine Freikolbenmaschine, wie ein Freikolbenkompressor. Ein Kolben kann gleitfähig innerhalb der Kernpassage 216 montiert werden und die radialen Durchgänge 218–225 bilden ein Gas-Gleitlager für den Kolben während des Betriebs. Die Hülse 200 in der alternativen Ausführungsform dient nur dazu, die Rinnen, die im Kern 210 gebildet sind, zu überdecken.
Die Ausführungsform, die in den 8–11 gezeigt ist, könnte in einem Freikolben-Kompressor genutzt werden. Ein derartiger Kompressor benötigt kein Reservoir, weil das schmierende Gas von der Hochdruckkammer bezogen wird. Die longitudinalen Rinnen 227–232 erstrecken sich von der Hochdruckkammer zu den umlaufenden dosierenden Rinnen 240 und 242, die das Gas in die radialen Durchgänge 218–225 entlassen.
Die bevorzugte Ausführungsform zeigt eine Anzahl von radialen Durchgängen, die als Gas-Gleitlager genutzt werden. Ein Minimum von drei radialen Durchgängen wird benötigt, um ein effektives Gas-Gleitlager zu bilden, aber in der bevorzugten Ausführungsform werden mehr benutzt.
Es ist nicht notwendig, ein Gas-Gleitlager zwischen dem Kolben und dem Verdränger-Stab zu bilden. Bei Freikolben-Kompressoren gibt es beispielsweise keinen Verdränger-Stab, der geschmiert werden müsste.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Rinnen und Durchgänge gebildet, um ein Gas-Gleitlager während des Betriebs zu erzeugen. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, könnte das gleiche Verfahren und die gleiche Struktur genutzt werden, um einen oder mehrere Durchgänge und/oder Rinnen zum Zentrieren des Freikolbens zu bilden.
In einer alternativen Ausführungsform, die in 12 gezeigt ist, ist ein Zylinder 300 gezeigt, der eine äußere Hülse 304 und einen inneren Kern 306 ausweist. Die äußere Hülse 304 weist umlaufende dosierende Rinnen 302 und 310 auf, die in ihrer radial einwärts zeigenden Oberfläche 308 gebildet sind. Der innere Kern 306 wird in der Hülse mit einem Press-Sitz montiert. Der innere Kern 306 weist radiale Öffnungen 311–314 (314 nicht sichtbar in 12) und radiale Öffnungen 315–318 (318 nicht sichtbar in 12) auf. Diese Ausführungsform stellt die Möglichkeit dar, die umlaufenden dosierenden Rinnen auf der einwärts zeigenden Oberfläche einer Struktur zu bilden.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung detailliert offenbart worden sind, ist es selbstverständlich, dass verschiedenen Modifikationen durchgeführt werden können, ohne sich vom Geist der Erfindung oder dem Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche zu entfernen.

Claims

Freikolbenmaschine, bei welcher ein Kolben (12) gleitfähig in einem Zylinder (14), welcher in einem Gehäuse gebildet ist, montiert ist und ein Gas-Gleitlager in dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (14) gebildet wird, wobei der Kolben (12) folgendes aufweist: (a) Einen ersten zylindrischen Körper (30), der eine radial nach innen gerichtete Oberfläche (34) und eine radial nach außen gerichtete Oberfläche (32) aufweist; (b) einen zweiten zylindrischen Körper (50), der koaxial mit dem ersten zylindrischen Körper (30) angeordnet ist und eine radial nach innen gerichtete Oberfläche (54) und eine radial nach außen gerichtete Oberfläche (52) aufweist; (c) wenigstens drei über dem Umfang angeordnete, beabstandete, radial erstreckte Durchgänge (61–68), die sich durch einen (50) der beiden zylindrischen Körper (30, 50) zwischen der radial nach innen gerichteten Oberfläche (54) und der radial nach außen gerichteten Oberfläche (52) des einen zylindrischen Körpers erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass (d) der Kolben weiterhin wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) aufweist, welche in einer (32) der radial gerichteten Oberflächen (32, 34) des ersten zylindrischen Körpers (30) gebildet ist, wobei eine (54) der radial gerichteten Oberflächen (52, 54) des zweiten zylindrischen Körpers (50) dichtend an die radial gerichtete Oberfläche (32) des ersten zylindrischen Körpers (30), auf welcher die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) gebildet ist, angrenzt, wobei ein Teil dieser angrenzenden Oberfläche (54) des zweiten zylindrischen Körpers (50) die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) überbrückt und überdeckt und derart einen Fluid-Flussweg bildet, der dem Fluss des Fluids dort hindurch einen Widerstand entgegensetzt; und (e) die radialen Durchgänge (61–68) in Fluid-Verbindung mit dem Fluid- Flussweg und dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (14) angeordnet sind.
Maschine nach Anspruch 1, wobei die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) auf der radial einwärts gerichteten Oberfläche (34) des ersten zylindrischen Körpers (30) gebildet ist und die radial auswärts gerichtete Oberfläche (52) des zweiten zylindrischen Körpers (50) dichtend an die radial einwärts gerichtete Oberflächen (34) des ersten zylindrischen Körpers (30) angrenzt.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: (a) der erste zylindrische Körper ein zylindrischer Kern (30) ist, der eine Seitenwand (31) mit einer radial auswärts gerichteten Oberfläche aufweist und die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) darauf gebildet ist; (b) der zweite zylindrische Körper eine zylindrische Hülse (50) ist, die koaxial mit dem Kern (30) angeordnet ist, wobei die Hülse (50) eine Seitenwand (58) mit einer radial einwärts gerichteten Oberfläche (54) aufweist, die dichtend an die auswärts gerichtete Oberfläche (32) des Kerns (30) angrenzt, wobei die einwärts gerichtete Oberfläche (54) die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) überbrückt und überdeckt; und (c) die wenigstens drei über dem Umfang angeordneten, beabstandeten radialen Durchgänge (61–68) sich durch die Hülsen-Seitenwand (58) zwischen der einwärts gerichteten Oberfläche (54) der Hülse (50) und der auswärts gerichteten Oberfläche (52) der Hülse (50) erstrecken.
Maschine nach Anspruch 3, welche weiterhin einen zylindrischen Kerndurchgang (40) aufweist, der sich longitudinal durch den Kern (30) erstreckt und die radial einwärts gerichtete Oberfläche (34) bildet, und wenigstens drei radiale Durchgänge (42–49) sich radial durch die Kern-Seitenwand (31) erstrecken und in Fluid-Verbindung mit dem Fluid-Flussweg und dem zylindrischen Kerndurchgang (40) angeordnet sind.
Maschine nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) in der auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist und die umlaufende, fluid-dosierende Rinne in Fluid-Verbindung mit den radialen Hülsen-Durchgängen (61–68) steht.
Maschine nach Anspruch 5, die weiterhin wenigstens eine longitudinale Sammelrinne (92–95), welche in der radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist, aufweist, wobei die longitudinale Sammelrinne (92–95) in Fluid-Verbindung mit der umlaufenden, fluid-dosierenden Rinne (80–86) steht.
Maschine nach Anspruch 5 oder 6, die weiterhin folgendes aufweist: (a) Eine umlaufende Reservoir-Rinne (36, 38), die in der radial auswärts gerichteten Oberfläche des Kerns (30) gebildet ist; (b) ein Quell-Fluid-Durchgang (37), der in der Kern-Seitenwand (31) gebildet ist, wobei der Quell-Fluid-Durchgang sich longitudinal von der umlaufenden Reservoir-Rinne (36, 38) zu einem Kernende erstreckt; und (c) ein Sperrventil (100), das entlang des Quell-Fluid-Durchgangs angeordnet ist, um Fluidfluss aus der Reservoir-Rinne (36, 38) zum Kernende zu verhindern.
Maschine nach Anspruch 3, die weiterhin folgendes aufweist: (a) Einen zylindrischen Kerndurchgang (40), der sich longitudinal durch den Kern (30) erstreckt und die radial einwärts gerichtete Oberfläche (34) bildet; (b) wenigstens drei radiale Kerndurchgänge (42–29), die im wesentlichen gleich beabstanded umlaufend entlang der Kern-Seitenwand (31) angeordnet sind und sich radial durch die Kern-Seitenwand (31) erstrecken, wobei die Kerndurchgänge (42–49) in Fluid-Verbindung mit dem zylindrischen Kerndurchgang (40) angeordnet sind; (c) die wenigstens eine fluid-dosierende Rinne (82, 86), die in der radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist, wobei die fluid-dosierende Rinne (82, 86) in Fluid-Verbindung mit den radialen Kerndurchgängen (42–49) steht; (d) eine zweite umlaufende fluid-dosierende Rinne (80, 84), die in der radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist, wobei die fluid-dosierende Rinne (80, 84) in Fluid-Verbindung mit den radialen Hülsen-Durchgängen (61–68) steht; (e) eine umlaufende Reservoir-Rinne (36, 38), die in der radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist; (f) ein Quell-Fluid-Durchgang (37), der in der Kern-Seitenwand (31) gebildet ist, wobei der Quell-Fluid-Durchgang (37) sich longitudinal von der umlaufenden Reservoir-Rinne (36, 38) zum Kernende erstreckt; (g) ein Sperrventil (100), das entlang des Quell-Fluid-Durchgangs (37) angeordnet ist, um einen Fluidfluss von der Reservoir-Rinne (36, 38) zum Kernende zu verhindern; (h) eine longitudinale Sammelrinne (92–95), die in der radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) des Kerns (30) gebildet ist, wobei die longitudinale Sammelrinne (92–95) in Fluid-Verbindung mit den umlaufenden fluid-dosierenden Rinnen (80–86) und der umlaufenden Reservoir-Rinne (36, 38) steht.
Verfahren zur Herstellung eines Kolbens (12) für eine Freikolbenmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Kolben (12) gleitfähig in einem Zylinder (14) montiert ist und ein Gas-Gleitlager in dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (14) gebildet wird, wobei das Verfahren folgendes aufweist: (a) Das koaxiale Anordnen eines zylindrischen Kerns (30), wobei der Kern (30) eine radial auswärts gerichtete Oberfläche (32) aufweist, mit einer zylindrischen Hülse (50), wobei die Hülse (50) eine Seitenwand (58) mit einer radial einwärts gerichteten Oberfläche (54) und wenigstens drei über den Umfang angeordneten, beabstandeten radialen Durchgängen (61–68), die sich durch die Hülsen-Seitenwand (58) zwischen der einwärts gerichteten Oberfläche (54) der Hülse (50) und einer radial auswärts gerichteten Oberfläche (52) der Hülse (50) erstreckt, aufweist; und (b) das gegenseitige dichtende Anordnen der auswärts gerichtete Kernoberfläche (32) gegen die einwärts gerichtete Hülsen-Oberfläche (54); weiterhin gekennzeichnet durch (c) die Verwendung eines zylindrischen Kerns (30), welcher wenigstens eine umlaufende, fluid-dosierende Rinne (80–86) aufweist, welche in seiner radial auswärts gerichteten Oberfläche (32) gebildet ist; (d) die einwärts gerichtete Hülsen-Oberfläche (54) die umlaufende fluid-dosierende Rinne (80–r) überbrückt und überdeckt, wodurch ein Fluid-Flussweg in der überdeckten Rinne (80–86) gebildet wird, der dem Fluss eines Fluids durch den Fluid-Flussweg einen Widerstand entegegensetzt, wobei die radialen Durchgänge (61–68) in Fluid-Verbindung mit dem Fluid-Flussweg in der umlaufenden fluid-dosierenden Rinne (80–86) angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, welches weiterhin die Änderung der relativen Temperaturen von Kern (30) und Hülse (50) vor dem Verfahrensschritt des gegenseitigen dichtenden Anordnens aufweist.
Freikolbenmaschine, bei welcher ein Kolben (12) gleitfähig in einem Zylinder (11), welcher in einem Gehäuse gebildet ist, montiert ist und ein Gas-Gleitlager in dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (11) gebildet wird, wobei der Zylinder (11) folgendes aufweist: (a) Einen zylindrischen Kern (210), der eine Seitenwand mit einer radial auswärts gerichteten Oberfläche (212) und einen zylindrischen Kerndurchgang (216), welcher sich longitudinal durch den Kern (210) erstreckt und eine radial einwärts gerichtete Oberfläche (214) bildet, aufweist; (b) eine zylindrische Hülse (200), die koaxial mit dem Kern (210) angeordnet ist, wobei die Hülse (200) eine Seitenwand mit einer radial einwärts gerichteten Oberfläche (202) aufweist, die dichtend an die auswärts gerichtete Oberfläche (212) des Kerns (210) angrenzt; (c) wenigstens drei beabstandete, über den Umfang angeordnete radiale Kerndurchgänge (218–224), welche sich durch die Kern-Seitenwand zwischen der einwärts gerichteten Oberfläche (214) des Kerns (210) und der radial auswärts gerichteten Oberfläche (212) des Kerns (210) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass (d) der zylindrische Kern (210) wenigstens eine umlaufende fluid-dosierende Rinne (240, 242), die in seiner radial auswärts gerichteten Oberfläche (212) gebildet ist, aufweist; (e) die einwärts gerichtete Hülsen-Oberfläche (202) die umlaufende fluid-dosierende Rinne (240, 242) überbrückt und überdeckt, wodurch die umlaufende fluid-dosierende Rinne (240, 242) einen Fluid-Flussweg in der Rinne bildet, der dem Fluss von Fluid durch den Fluid-Flussweg einen Widerstand engegensetzt; und (f) die radialen Kerndurchgänge (218–224) in Fluid-Verbindung mit dem Fluid-Flussweg und dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (11) angeordnet sind.
Freikolbenmaschine, bei welcher ein Kolben (12) gleitfähig in einem Zylinder (12), welcher in einem Gehäuse gebildet ist, montiert ist und ein Gas-Gleitlager in dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (12) gebildet wird, wobei der Zylinder (12) folgendes aufweist: (a) Einen zylindrischen Kern (306), der eine Seitenwand mit einer radial auswärts gerichteten Oberfläche und einen zylindrischen Kerndurchgang, welcher sich longitudinal durch den Kern erstreckt und eine radial einwärts gerichtete Oberfläche bildet, aufweist; (b) eine zylindrische Hülse (304), die koaxial mit dem Kern (306) angeordnet ist, wobei die Hülse (304) eine Seitenwand mit einer radial einwärts gerichteten Oberfläche (308) aufweist, die dichtend an die auswärts gerichtete Oberfläche des Kerns (306) angrenzt; (c) wenigstens drei beabstandete, über den Umfang angeordnete radiale Kerndurchgänge (311–318), welche sich durch die Kern-Seitenwand zwischen der einwärts gerichteten Oberfläche des Kerns (306) und der radial auswärts gerichteten Oberfläche des Kerns (306) erstrecken; dadurch gekennzeichnet, dass (d) die zylindrische Hülse (304) wenigstens eine umlaufende fluid-dosierende Rinne (302, 310), die in ihrer radial einwärts gerichteten Oberfläche (308) gebildet ist, aufweist; (e) die auswärts gerichtete Kern-Oberfläche die umlaufende fluid-dosierende Rinne (302, 310) überbrückt und überdeckt, wodurch die umlaufende fluid-dosierende Rinne (302, 310) einen Fluid-Flussweg in der Rinne bildet, der dem Fluss von Fluid durch den Fluid-Flussweg einen Widerstand engegensetzt; und (f) die radialen Kerndurchgänge (311–318) in Fluid-Verbindung mit dem Fluid-Flussweg und dem Spalt zwischen dem Kolben (12) und dem Zylinder (12) angeordnet sind.