DE69005901T2

DE69005901T2 - Ölfreier Hubkolben-Verdichter und Expansionsvorrichtung.

Info

Publication number: DE69005901T2
Application number: DE69005901T
Authority: DE
Inventors: Toshio Iida
Original assignee: Anest Iwata Corp
Current assignee: Anest Iwata Corp
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-27
Publication date: 1994-07-21
Anticipated expiration: 2010-04-28
Also published as: DE69005901D1; EP0400334B1; US5117742A; EP0400334A3; EP0400334A2

Description

Die Erfindung betrifft einen ölfreien Hubkolben-Verdichter und eine ölfreie Hubkolben-Expansionsvorrichtung, insbesondere einen ölfreien Hubkolben-Verdichter und eine ölfreie Hubkolben-Expansionsvorrichtung, die jeweils einen Kolbenkörper aufweisen, in den ein aus einem selbstschmierenden Material gebildeter Kolbenring eingepaßt ist.
Herkömmlicherweise sind ölfreie Kompressoren und ölfreie Expansionsvorrichtungen bekannt, die auf solche Weise aufgebaut sind, daß z.B., um gleichmäßige Gleitfähigkeit zwischen dem Kolben und dem Zylinder zu gewährleisten, ringförmige Nuten 111a, 111b, 111c in mehreren Stufen, wie in Fig. 3 dargestellt, beinahe um die gesamte Außenumfangsfläche der Oberseite des aus Aluminium oder einem anderen metallischen Werkstoff hergestellten Kolbens 101 bis zur Seite des Kolbenhemds hin ausgebildet sind, Kolbenringe 105a, 105b und ein Führungsring 106 aus Fluorkunststoff oder einem anderen selbstschmierenden Kunststoff in die Ringnuten eingesetzt sind, und der Außendurchmesser der Ringe leicht grösser gewählt ist als der Außendurchmesser eines erhabenen Bereichs 102 (ringähnlicher Vorsprung zum Halten der Kolbenringe in der oberen und unteren Ringnut), so daß nur die selbstschmierenden Kolbenringe 105a, 105b und der selbstschmierende Führungsring 106 (nachfolgend als Ringkörper bezeichnet) in Berührung mit dem Zylinder kommen, wodurch gleichmäßige Gleitfähigkeit zwischen dem Kolben und dem Zylinder gewährleistet werden kann.
Da bei einer solchen von Fluid durchsetzten Maschine der Zylinder aus einem metallischen Werkstoff besteht, der härter als der des Kolbenrings ist, wird der Ringkörper durch den Gleitkontakt abgerieben, und wenn der Verschleiß nach langem Betrieb eine Grenze überschreitet, kommt der Außenumfang (der erhabene Abschnitt) des Kolbens direkt und gleitend in Kontakt mit dem Zylinder, und manchmal kommt es zu Fressen oder ähnlichem.
Insbesondere in einem Verdichter, dessen Verdichtungsver hältnis 5 bar oder mehr beträgt, tritt thermische Expansion auf, da zum Zeitpunkt maximaler Kompression eine Kompressionstemperatur von ungefähr 300ºC auf die Oberfläche des Kolbens wirkt, was zur Schwierigkeit führt, daß selbst kleiner Abrieb des Ringkörpers bewirkt, daß der Kolben in Gleitkontakt mit dem Zylinder gelangt.
Um diesen Mangel zu überwinden, wird beim bekannten Kompressor ein Kunststoffmaterial vom Polytetraf luorethylen (PTFE)- Typ mit guter Gleiteigenschaft für den Ringkörper verwendet, und das Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder wird auf 1 bis 2% des Kolbenaußendurchmessers eingestellt (0,5 bis 1 mm für einen Kolbenaußendurchmesser von 50 mm ).
Jedoch wird bei einem solchen Aufbau das Spiel zwischen dein Kolben und dem Zylinder z.B. im frühen Stadium der Kompression oder bei leerarbeitendem Betrieb unnötig und übermäßig groß, und demgemäß besteht die Neigung daß der Verdichtungswirkungsgrad abnimmt.
Um diesen Mangel zu überwinden wurde eine Technik offenbart, bei der die Oberfläche des aus Aluminiummaterial hergestellten Kolbens mit einem selbstschmierenden Kunststoff beschichtet ist, und selbst wenn der Außenumfang des Kolbens direkt und gleitend in Kontakt mit dem Zylinder kommen darf, wird verhindert, daß es zu Fressen oder dergleichen kommt, jedoch erreicht dann, wenn das adiabatische Kompressionsverhältnis auf 5 bar oder darüber gebracht wird, die Kompressionstemperatur leicht die Wärmefestigkeitstemperatur von PTFE oder übersteigt diese, da die Wärmefestigkeit des selbstschmierenden Kunststoffs, wie von PTFE, wie er häufig bei herkömmlichen Kolbenringen oder dergleichen verwendet wird, ungefähr 200 bis 250ºC beträgt, was z.B. zur Möglichkeit einer Beeinträchtigung oder Verformung der Beschichtung der Kolbenfläche oder zur Möglichkeit des Auftretens von Abschälerscheinungen oder Rissen der Kolbenflächenbeschichtung führt, hervorgerufen durch die Differenz zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten des aus Aluminiummaterial hergestellten Kolbenkörpers und der Kolbenflächenbeschichtung. Daher wird diese Technik vom Mangel begleitet, daß sie nur für Niederdruckverdichter verwendet werden kann, bei denen der Temperaturanstieg aufgrund der Kompressionswärme gering ist.
Ferner wird bei jeder der oben angegebenen Techniken aus dem Stand der Technik, obwohl der Kolben selbst aus metallischem Material, insbesondere Aluminiummaterial, um ihm leichtes Gewicht zu verleihen, besteht, die an der obersten Kolbenfläche aufgenommene Wärme an den gesamten Kolben übertragen, da Aluminiummaterial einen hohen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, und insbesondere wird die Temperatur des Zapfenlochabschnitts zum Übertragen der Bewegung der Pleuelstange zum Antreiben des Kolbens über den Kolbenzapfen hoch. Darüber hinaus ist im Fall eines ölfreien Kompressors, da Einrichtungen zum Kühlen des Kolbenzapfenabschnitts mit Öl nicht verwendet werden können und wärmebeständige Lagerteile oder dergleichen verwendet werden müssen die Belastung pro Einheitsfläche auf den Kolbenzapfenabschnitt im Vergleich zum Fall bei einer anderen Lagerung hoch, und infolgedessen muß eine Lagerung mit Wärmebeständigkeit und guter Belastbarkeit verwendet werden, was die Kosten erhöht und dazu führt, daß eine Neigung zum Verringern der Standfestigkeit besteht.
Bei Berücksichtigung der Mängel des Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine ölfreie Hubkolben-Verdichtungs/Expansions-Vorrichtung anzugeben, bei der kein Fressen oder Verringern des Verdichtungswirkungsgrades (Expansionswirkungsgrades) auftritt.
Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es, einen ölfreien Hubkolbenverdichter anzugeben, bei dem dann, wenn viel Kompressionswärme auf die Oberseite des Kolbens wirkt, keine Verformung, Beeinträchtigung oder dergleichen des Kolbens auftreten.
Diese Aufgaben werden durch die Erfindung gelöst, wie sie in Anspruch 1 dargelegt ist. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Das thermisch härtbare, kondensierte, polyzyklische, mehrkernige, aromatische Harz (COPNA-Harz) ist ausführlich in US-A-4,758,653 beschrieben. Das COPNA-Harz enthält zahlreiche kondensierte, mehrkernige, aromatische Kohlenwasserstoffringe, die an den aromatischen Kernen über Methylenverbindungen vernetzt sind. Das vernetzte Harz wird erhalten, indem eine Zusammensetzung, die ein Ausgangsmaterial, das eine kondensierte, mehrkernige, aromatische Verbindung oder mehrere enthält, die mindestens drei kondensierte Benzolringe aufweist, ein Vernetzungsmittel, das eine aromatische Verbindung mit mindestens zwei Hydroxymethyl- oder Halogenmethylgruppen enthält, und einen Säurekatalysator in den in der oben genannten US-Patentschrift angegebenen spezifischen Mengen umfaßt, thermisch gehärtet werden. Das Vernetzen kann in einer Stufe oder in zwei Stufen über ein Kondensations-Zwischenprodukt (Harz der B-Stufe) durchgeführt werden.
Gemäß dem oben angegebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann, da die wärmebedingte Verformungstemperatur des COPNA-Harzes selbst 250ºC oder mehr beträgt, und da der Guß durch ein Gießharz erfolgt, das ferner Graphit oder dergleichen enthält, wobei es sich um ein Material hoher Wärmefestigkeit handelt, die Wärmefestigkeit leicht auf ungefähr 300ºC oder darüber gehalten werden, und daher wird, wenn das adiabatische Kompressionsverhältnis auf 5 bar oder darüber vorgegeben wird (die Kompressionstemperatur beträgt dann ungefähr 300ºC) der Kolben in keiner Weise thermisch verformt und die Wärmefestigkeit wird über eine lange Zeitspanne nicht verschlechtert.
Ferner weist das Verbundmaterial, da es mit Graphit oder dergleichen zum Erhöhen der Gleitfähigkeit vermischt ist und da es gegossen ist, Selbstschmierungsfunktion auf, und im Ergebnis kann, wenn der Kolben selbst in Gleitkontakt mit dem Zylinder kommt, gleichmäßige Gleitfunktion ohne Fressen oder dergleichen erzielt werden.
Ferner treten, da der thermische Expansionskoeffizient desselben viel kleiner als der von Aluminiummaterial ist, dann, wenn das Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder auf einen kleinen Wert eingestellt ist, keine Schwierigkeiten auf und der Kompressionswirkungsgrad kann verbessert werden. ln diesem Fall ist das bevorzugteste Spiel zum Gewährleisten eines hohen Kompressionswirkungsgrades ohne Hervorrufen v on Fressen aufgrund thermischer Expansion dasjenige, das ein festes Einpassen in solchem Ausmaß erlaubt, daß es zu keinem Fressen kommt, und, genauer gesagt, ist das Spiel vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 5% des Kolbendurchmessers bei normalen Temperaturen einzustellen. Speziell gilt, daß, da der Kolben im Vergleich zu einem solchen aus Aluminiummaterial einen niedrigen thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, die an der Oberseite des Kolbens gespeicherte Kompressionswärmemenge groß ist und sich die thermischen Expansionskoeffizienten im oberen und unteren Teil des Kolbens während des Kompressionsvorgangs voneinander unterscheiden, so daß das Spiel zwischen dem Kolben und dem Zylinder ungleichmäßig ist, was zur Neigung führt, daß der Kompressionswirkungsgrad nachteilig beeinflußt wird. Demgemäß wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung der Durchmesser an der oberen Seite des Kolbens relativ kleiner als der Durchmesser an der Unterseite ausgebildet, und vorzugsweise wird er zum Ende hin dicker ausgebildet.
Andererseits bringt die Tatsache, daß das Verbundmaterial im Vergleich zu Aluminiummaterial einen viel geringeren thermischen Expansionskoeffizienten aufweist, eine vorteilhafte Auswirkung auf den Lagerabschnitt betreffend den Kolbenzapfen mit sich.
D.h., daß, gemäß der Ausführungsform von Anspruch 5, das Ausmaß der von der Kolbenoberf läche empfangenen Kompressionswärmemenge, die vom Metallzylinder abgegeben wird, größer ist, als das Ausmaß der Menge, die von dieser Oberseite auf die Seite das Kolbens übertragen wird, da der Kolben aus dem Verbundmaterial mit niedrigem Koeffizienten der thermischen Leitfähigkeit besteht, und im Ergebnis wird ein Temperaturanstieg des Kolbenzapfenlochs unterdrückt. Demgemäß kann der Kolbenzapfenabschnitt ausgebildet werden, ohne daß Wärmefestigkeit berücksichtigt werden muß, und da der Kolben selbst mit Selbstschmierfunktion versehen ist, kann der Kolbenzapfen direkt eingepaßt werden, ohne ein spezielles Lagerungsteil bereitzustellen.
So kann die Anzahl von Teilen verringert werden, die Kosten können gesenkt werden, und da der Zapfenlochabschnitt keinen hohen Temperaturen ausgesetzt ist, kann die Standfestigkeit verbessert werden.
Der Zapfenlochabschnitt erleidet zum Zeitpunkt des Übergangs des Aufwärtsschritts des Kolbens zum Abwärtsschritt oder vom Abwärtsschritt zum Aufwärtsschritt einen Schlag. Bei der ein herkömmliches Lager verwendenden Konstruktion führt der Schlag zu einer Beeinträchtigung oder dergleichen des Lagers, während bei der Erfindung der Kolben den Schlag aufnimmt, da dieser aus elastischem Verbundmaterial bestehende Kolben selbst als Lager wirken kann, wodurch die Standfestigkeit verbessert werden kann.
Da bei der oben angegebenen Ausführungsform die Wärmeleitung des Kolbens selbst im Vergleich zu derjenigen von Aluminiummaterial klein ist, kann verhindert werden, daß der Kolbenzapfen zu sehr aufgeheizt wird, jedoch sammelt sich im Gegensatz viel Wärme an der Oberseite des Kolbens, weswegen die Möglichkeit besteht, daß sich der Kompressionswirkungsgrad verringert, obwohl die Temperatur nicht die Wärmefestigkeitstemperatur des Verbundmaterials selbst überschreitet.
So werden gemäß den Ausführungsformen der Ansprüche 6 bis 8 gleichmäßige Gleitfunktion des Zylinders und des Kolbenzapfenabschnitts sowie die Wärmefestigkeits (Wärmeübertragungs)-Funktion auf der Seite des Oberteils, die dem Auslaß/Ansaug-Ventil gegenüberliegt, d.h. auf der Seite des Kolbenoberteils in Kontakt mit der Kompressionswärme, voneinander getrennt, wobei mindestens derjenige Teil des Außenumfangsabschnitts, der am Zylinder gleitet, sowie der Kolbenzapfenloch-Abschnitt aus selbstschmierendem, wärmebeständigem Material bestehen und das Kolbenoberteil aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit wie Aluminium besteht, um dadurch den oben genannten Mangel zu überwinden.
Da beim vorstehend genannten Aufbau das in Berührung mit der Kompressionswärme stehende Kolbenoberteil aus Aluminium oder dergleichen hergestellt ist, verformt sich das Oberteil selbst dann nicht, oder wird selbst dann nicht beeinträchtigt, wenn das adiabatische Kompressionsverhältnis hoch eingestellt ist und die Kompressionstemperatur auf über 300ºC steigt, wobei das Oberteil durch den Kontakt mit dem kühlen angesaugten Gas gekühlt wird. So sammelt sich die Kompressionswärme nicht an, sondern sie wird leicht über die ausgelassene Luft freigesetzt, und infolgedessen wird die dem aus dem selbstschmierenden, wärmebeständigen Material bestehenden, darunter angeordneten Teil verliehene Temperatur nicht bis auf beinahe die Kompressionstemperatur erhöht, und wenn das selbstschmierende Material z.B. einen Fluorkunststoff enthält, dessen Wärmebeständigkeitstemperatur niedrig ist, kann die Temperatur leicht auf der Wärmebeständigkeitstemperatur oder darunter gehalten werden.
In diesem Fall kann, wenn das erhabene Oberteil, an das die Kompressionswärme leicht übertragen wird, ebenso wie die Oberseite des Kolbens aus einem guten Wärmeleiter hergestellt wird, der Wärmeabgabewirkungsgrad weiter verbessert werden und es wird weiter die Verwendung eines Fluorkohlenwasserstoffs mit niedriger Wärmebeständigkeitstemperatur möglich, jedoch wird in diesem Fall dadurch, daß der Außendurchmesser des oberen, erhabenen Abschnitts leicht kleiner als der Durchmesser des Kolbens darunter ausgebildet ist, um ein Gleiten am Zylinder zu vermeiden, ein Fressen des oberen, erhabenen Abschnitts verhindert und es wird gleichmäßiges Kolbengleitvermögen gewährleistet. D.h., daß zumindest die Außenumfangsf läche des Kolbenkörpers, die am Zylinder gleitet, aus einem selbstschmierenden Material besteht, und da die Außenumfangsfläche die Übertragung der Kompressionswärme so weit wie möglich behindert, kann gleichmäßiges Gleitvermögen selbst dann gewährleistet werden, wenn ein Material mit niedriger Wärmebeständigkeitstemperatur verwendet wird.
Wie in Anspruch 7 ausgeführt, ist der Aufbau der Erfindung dergestalt, daß ein Kolben durch integrales Gießen des Verbundmaterials um einen aus metallischem Material hergestellten Kolbenkern hergestellt wird, wobei speziell derjenige Kolbenaußenumfang, der am Zylinder gleitet, und der Zapfenlochteil unter Verwendung einer dicken Beschichtung des Verbundmaterials an der Kolbenoberseite integral gegossen sein können, wobei der Kern aus metallischem Werkstoff an der Rückseite desselben frei liegt.
Auch besteht, wie dies in Anspruch 8 angegeben ist, der Kolbenkörper aus einem selbstschmierenden, wärmebeständigen Material, ein metallischer Körper mit guter Wärmeleitfähigkeit ist mindestens an der Kolbenoberseite dem Auslaßventil gegenüberliegend angeordnet, und sie können unter Verwendung eines beliebigen Befestigungsmittels integriert sein.
In diesem Fall kann dadurch, daß sich der gute Wärmeleiter an der Kolbenoberseite im wesentlichen bis zur Rückseite der Kolbenoberseite direkt oder über Verbindungskörper wie Niete erstreckt, Wärme von der Innenseite des Kolbens abgegeben werdem, um den Transport von Wärme zur Kolbengleitfläche zu verringern, eine Temperaturerhöhung am Umfangsabschnitt kann so weit wie möglich vermieden werden und es kann gleichmäßige Gleitfähigkeit zwischen dem Kolben und dem Zylinder gewährleistet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein Querschnitt, der einen ölfreien Hubkolbenverdichter zeigt, auf den die Erfindung angewandt ist.
Fig. 2 ist ein Querschnitt, der den Aufbau wesentlicher Teile eines ölfreien Hubkolbenverdichters gemäß einem Ausführungsbeispiel der ersten Erfindung zeigt.
Fig. 3 ist ein Querschnitt, der den Aufbau wesentlicher Teile eines ölfreien Hubkolbenverdichters aus dem Stand der Technik zeigt.
Fig. 4, 5 und 6 sind Querschnitte, die jeweils Kolben von Ausführungsformen der zweiten Erfindung zeigen.
Fig. 7 zeigt einen Kolben eines anderen Ausführungsbeispiels, wobei (a) eine teilgeschnittene Ansicht desselben ist und (b) eine Unteransicht und ein Teilguerschnitt desselben entlang der Linie A-A' ist.
Nun werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht. Jedoch sollen, solange nichts anderes angegeben ist, die Abmessungen, Materialien, Formen, Relativpositionen usw. der Aufbauteile der dargestellten Ausführungsbeispiele den Schutzbereich der Erfindung nicht begrenzen, sondern sie werden nur zum Zweck der Veranschaulichung beschrieben.
Nun werden unter Bezugnahme auf Fig. 1 die wesentlichen Bauteile eines ölfreien Verdichters beschrieben, auf den die Erfindung angewandt ist. Bezugsziffern 2 und 3 kennzeichnen einen Zylinder bzw. einen Zylinderkopf, die aus Aluminium oder einem anderen metallischen Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit bestehen, und ein Abstandshalter 4, in den ein Auslaßventil 4A und ein Ansaugventil 4B eingebaut sind, ist zwischen die Teile 1 und 2 eingefügt. Der Innenraum des Zylinderkopfs 3 wird durch eine Trennwand 3A in Kammern unterteilt, von denen eine mit einer in Verbindung mit dem Ansaugventil 4B stehenden Saugöffnung 3B versehen ist, und die andere mit einer in Verbindung mit dem Auslaßventil 4A stehenden Auslaßöffnung 3C versehen ist.
Andererseits ist ein Kolben 1, in den ein Kolbenring 5 eingepaßt ist, in den Zylinder 2 eingesetzt, und er kann über eine Pleuelstange 6 und einen Kolbenzapfen 7 durch Umdrehung einer Kurbelwelle 8 in bekannter Weise hin- und herbewegt werden, so daß die in den Raum über der Oberseite des Kolbens 1 über das Ansaugventil 4B angesaugte Luft adiabatisch verdichtet wird und über das Auslaßventil 4A zur Auslaßöffnung 3C ausgegeben werden kann, um den vorgegebenen Verdichtungsvorgang auszuführen. Da dieser Vorgang wohlbekannt ist, wird die Beschreibung hierzu weggelassen.
Fig. 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung, und sie zeigt den Aufbau wesentlicher Teile des Kolbens und des Zylinderabschnitts, die in den vorstehend genannten ölfreien Verdichter einzubauen sind.
Der Zylinder 2 besteht aus einer Aluminiumlegierung, wie sie im Stand der Technik bekannt ist, wobei die Außenumf angsfläche mit Rippen 2a versehen ist, und der Kolbengleitabschnitt am Innenumfang ist so behandelt, daß er einen harten Eloxatfilm aufweist.
Bevor die Form des Kolbens 1 beschrieben wird, wird der Herstellablauf für den Kolben 1 detailliert erläutert.
Der Kolben 1 wird unter Verwendung eines Gießmaterials, das, wie dies in US-A-4,758,653 ausgeführt ist, durch Vermischen eines Harzmaterials (unter dem Handelsnamen SK resin (SUMITOMO METALS CO., LTD.) erhältlich und in der Firmenschrift SK-RESIN von Sumitomo Metal lnd. vom Juli 1989 beschrieben) auf Grundlage eines COPNA-Harzes, das durch Vernetzen von Molekülen einer kondensierten, polycyclischen aromatischen Verbindung über Benzolringe mit jeweils zwei Methylenketten in den Parapositionen (Japanische Patentoffenlegung (KOKAI KOHO) Nr. 521, 522/1987) mit Graphitpulver in einem Verhältnis von 6 zu 4 hergestellt wird, unter solchen Gießbedingungen, daß die Gießtemperatur 170 bis 220ºC beträgt, der Gießdruck 200 bis 300 bar beträgt und die Aushärtezeit 1 min pro 1 mm Dicke ist, mit derselben Druckgußeinrichtung wie für das Gießen von Phenolharzen gegossen wird.
Der so hergestellte Kolben 1 verfügt über die folgenden physikalischen Eigenschaften: der thermische Expansionskoeffizient beträgt 4,4 x 10&supmin;&sup5;/Grad und der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit beträgt 4,69 kJ/m/ h ºC. Der thermische Expansionskoeffizient und der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit des so hergestellten Kolbens l waren das 1,9-fache bzw. das 86-fache derjenigen eines herkömmlichen, aus einer bekannten Aluminiumlegierung hergestellten Kolbens 1 (der thermische Expansionskoeffizient beträgt 2,3 x 10&supmin;&sup5;/ Grad und der Koeffizient der thermischen Leitfähigkeit beträgt 0,054 kJ/m/ h ºC), was starke Wärmeisoliereigenschaften und Wärmespeichereigenschaften anzeigt.
Nachfolgend wird die Form des Kolbens 1 beschrieben. Der Außendurchmesser ist von der Kolbenoberseite 13 zum Kolbenhemdabschnitt hin unter Berücksichtigung des Wärmegradienten erhöht, und da die Differenz Δb zwischen den thermischen Expansionskoeffizienten des Kolbens 1 und des Zylinders 2 2,1 x 10&supmin;&sup5;/Grad beträgt, kann, wenn die Temperaturdifferenz zwischen dem oberen und dem unteren Teil des Kolbens 1 als Δt berücksichtigt wird und der Außendurchmesser des Kolbens 1 P ist, das Spiel des Kolbens 1 und des Zylinders 2 beim Verdichtungsbetrieb gleichmäßig gehalten werden, wenn die Durchmesserdifferenz auf Δt P (2,1 x 10&supmin;&sup5;/ /Grad) eingestellt wird.
Da die an der Kolbenoberseite 13 aufgenommene Kompressionswärme zu ungefähr 300ºC führt, tritt, wenn das Spiel bei normalen Temperaturen auf etwa 0,1 bis 0,5% des Durchmessers des Kolbens 1 eingestellt wird, kein Fressen während des Kompressionsbetriebs auf, und das Spiel zwischen dem Kolben 1 und dem Zylinder 2 kann auf einen Minimalwert eingestellt werden, der die Hin- und Herbewegung nicht behindert, wobei dann, da der gesamte Außenumfang des Kolbens 1 dazu veranlaßt werden kann, als an der Oberfläche des Zylinders 2 gleitende Oberfläche zu arbeiten, der Graphit des Kolbens auf den Zylinder übertragen wird, wodurch die Gleitfähigkeit und die Dichtungseigenschaften verbessert werden, wodurch das Auslecken von Gas, was entlang der Umfangsfläche des Kolbens über den Öffnungsguerschnitt des unten angegebenen Kolbenrings 5 usw. erfolgt, verringert werden kann, uni dadurch den Verdichtungswirkungsgrad zu erhöhen.
Der Kolben 1 ist mit einer Ringnut 11 und einem Zapfenloch 12 unter der Ringnut 11 ausgebildet.
Die Ringnut 11 liegt in Form eines Rings vor und ist nahe der Kolbenoberseite 13 angeordnet. Ein aus PTFE-Harz bestehender Kolbenring 5 ist in die Ringnut 11 eingepaßt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht erforderlich, da der Kolben selbst in gewissem Ausmaß mit Abdichtwirkung versehen ist, zwei Kolbenringe 5 anzuordnen, wie in der be-25 kannten Vorrichtung, sondern ein einzelner Kolbenring 5 kann eine vorgegebene Abdichtwirkung gewährleisten.
Das Zapfenloch 12 erstreckt sich ungefähr durch die mittlere Position des Kolbens 1, und es ist so ausgerieben, daß es direkt als Lager wirken kann.
Ein Kolbenzapfen 7 ist in das Zapfenloch 12 eingesetzt, und der Kolben 1 wird durch die Drehbewegung der Kurbelwelle über die pleuelstange 6 auf- und abbewegt.
In diesem Fall erfährt der Kolben 1 am Übergang vom Aufwärtsschritt des Kolbens 1 zum Abwärtsschritt oder beim Übergang vom Abwärtsschritt zum Aufwärtsschritt einen Schlag, und bei der ein herkömmliches Lager verwendenden Struktur tritt eine Beeinträchtigung oder dergleichen des Lagers aufgrund des Schlags auf, jedoch wird bei der Erfindung der Schlag durch den Kolben 1 aufgefangen, da der elastische Kolben 1 selbst als Lager fungieren kann, und daher kann die Standfestigkeit verbessert werden.
Nachdem ein bekannter Kolben 101, wie er in Fig. 3 dargestellt ist, beim oben angegebenen ölfreien Verdichter verwendet wurde, und der erfindungsgemäße Kolben beim oben angegebenen ölfreien Verdichter verwendet wurde (Kolbendurchmesser: 50 mm), wurden sie zerlegt, nachdem sie kontinuierlich bei einer Belastung von 7 bar für 1000 Stunden betrieben wurden. Im Ergebnis zeigte sich eine Freßspur am erhabenen Abschnitt des Kolbens des bekannten Verdichters und es zeigte sich, daß das in das Zapfenloch 12 für den Kolbenzapfen 7 eingesetzte Lager ausgeschlagen war, was starke Geräusche bei Betrieb unter Belastung hervorrief. Andererseits wies ein Ausführungsbeispiel nach Durchlaufen der 1000 Stunden, obwohl es eine übliche Spur auf der Gleitfläche aufwies, keine Freßspur auf, das Ausmaß der Abnutzung am Zapfenloch 12 war sehr klein und es konnte gezeigt werden, daß keine Lockerung zwischen dem Zapfenloch 12 und dem Kolbenzapfen 7 auftrat. Was die Temperatur betrifft, kann im Kolbenabschnitt eine Abnahme von 25ºC beobachtet werden.
Fig. 4 zeigt einen Kolben gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, wie er beim obigen Verdichter verwendet wird; der Kolben 10 wird durch integrales Gießen einer dicken Beschichtung aus dem Verbundmaterial 10B um einen aus metallischem Werkstoff bestehenden Kolbenkern 10A hergestellt.
Der spezielle Aufbau wird kurz beschrieben. Der Kolbenkern 10A besteht aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Oberseite eben ist und die Innenumfangsfläche in axialer Richtung mit einem rippenähnlichen Vorsprung 14 versehen ist. Die dicke Beschichtung des Verbundmaterials 10B ist integral mit dem Außenumfang des Kolbenkerns 10A und dem Kolbenzapfenloch 12 gegossen, um den Kolben 10 zu bilden.
D.h., daß die dicke Beschichtung aus dem Verbundmaterial IOB den Außenumfang des Kolbens 10, der in Gleitkontakt mit dem Zylinder 2 steht, und das Zapfenloch 12 umgibt, wobei die Kolbenoberseite 13 und der Kolbenkern 10A an der Rückseite derselben freiliegen.
Vorzugsweise beträgt die Dicke des Verbundmaterials IOB am Zapfenloch 12 1 bis 3 mm und ungefähr 2 bis 3 mm am Umfangsabschnitt, wenn der Kolben 10 einen Durchmesser von 50 aufweist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel kann dieselbe Wirkung wie beim ersten Ausführungsbeispiel erzielt werden, und da die Oberseite 13 des Kolbens und die Innenumfangsseite, deren Temperaturen am höchsten werden, aus einer Aluminiumlegierung mit guter Wärmeleitfähigkeit bestehen, und die an der Kolbenoberseite 13 erzeugte Verdichtungswärme über die Innenumfangsfläche des Kolbens 10 abgestrahlt wird, kann es in einem Hochdruckverdichter verwendet werden, und daher kann der Verdichtungswirkungsgrad verbessert werden.
Z.B. betrug hinsichtlich des Temperaturanstiegs des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels, bei dem der gesamte Kolben 1 aus Verbundmaterial besteht, und des Temperaturanstiegs des Kolbens 10 bei diesem Ausführungsbeispiel nach Betrieb über 1 Stunde unter einer Last von 7 bar der Temperaturanstieg beim Ausführungsbeispiel 1 an der Rückseite des Kolbens 1 125 bis 130ºC, während bei diesem Ausführungsbeispiel der Temperaturanstieg 80 bis 90ºC betrug, was eine starke Abnahme ist, und am Kolbenzapfenloch 12 lag die verringerte Temperatur ungefähr 10ºC tiefer als beim Ausführungsbeispiel 1, so daß erwartet werden kann, daß die Standfestigkeit verbessert ist.
Fig. 5 zeigt eine Modifizierung des obigen Ausführungsbeispiels, und sie veranschaulicht einen Kolben, bei dem der gesamte Außenumfangsabschnitt eines Kolbens 20 aus dem wärmebeständigen Verbundmaterial 20B besteht, ein vom Kolben umgebener Kopfabschnitt 20A aus einer Aluminiumlegierung besteht und mehrere herunterhängende Abstrahlungsrippen 21 an der Innenumfangsfläche des Kopfabschnitts 10A angeordnet sind, wobei bei diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich zur Wirkung des oben angegebenen Ausführungsbeispiels die Wärmeabgabe des Kolbenoberteils 10 durch die Abstrahlungsrippen 21 erhöht ist, so daß die Kühlwirkung für den Kolben 20 weiter erhöht ist, und da der gesamte Außenumfangsabschnitt 20B aus einem selbstschmierenden, wärmebeständigen Verbundmaterial besteht, ist dessen Reiben am Zylinder vollständig unterbunden.
Im oben angegebenen zweiten Ausführungsbeispiel besteht, da ein Harzmaterial 20B im erhabenen, oberen Abschnitt vorliegt, der direkt die Kcmpressionswärme erhält, keine andere Möglichkeit, als als Harzmaterial ein hochwärmebeständiges COPNA-Harz-Verbundmaterial zu verwenden.
Um den vorstehend angegebenen Mangel zu überwinden, weisen daher das erhabene Oberteil 14 und das Kolbenoberteil 13 über der Ringnut 11 einen aus Aluminiummaterial hergestellten Kolbenkopf 30A mit vorgegebener Dicke und einen Kolbenkörper 30B aus selbstschmierendem, wärmebeständigem Material auf, der integral mit dem Kopf 30A vergossen ist, um einen Kolben zu bilden.
Der Kopf 30A mit dem erhabenen Oberteil 14 und dem Kolbenoberteil 13 mit vorgegebener Dicke, das über der Ringnut 11 liegt, besteht aus Aluminiummaterial, und der darunter angeordnete Kolbenkörper 30B mit der Ringnut 11 ist integral angegossen.
Im Kopf 30A ist der Außendurchmesser des erhabenen Oberteils 14 geringfügig kleiner als der Durchmesser des darunterliegenden Kolbenkörpers 30B, und seine Unterseite 31 ist querschnittsmäßig in Form des Buchstaben L umgebogen, um die Verbindung mit dem Kolbenkörper 30B zu erleichtern.
Der Kolbenkörper 30B kann unter Verwendung eines Gießmaterials aus SK-Harz, in das 40% Graphit eingemischt sind, ähnlich wie beim oben angegebenen Ausführungsbeispiel, durch Gießen und Formen des Gießmaterials integral mit dem zuvor gegossenen und ausgehärteten Kopf 30A ausgebildet werden, oder er kann aus PTFE-Harz oder dessen Verbundmaterial hergestellt werden, ähnlich wie der Kolbenring 5, da die Wärme auf der Seite des Kolbenoberteils 13 nicht in direkte Berührung mit dem Harzkörper kommt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist, da der Kopf 30A mit guter Wärmeleitfähigkeit sowohl das Kolbenoberteil 13 als auch das erhabene Oberteil 14 aufweist, das am meisten der Übertragung von Kompressionswärme unterliegt, aufweist, die Wär- meabgabewirkung weiter verbessert, und da dieses Material für den Kolbenkörper verwendet wird, wird es möglich, einen guten Kolben herzustellen, dessen Wärmebeständigkeitstemperatur 300ºC oder mehr beträgt, was bedeutet, daß er weniger thermisch verformt wird.
Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Kolbens 40 unter Verwendung einer Verbindungseinrichtung mit Nieten, wobei ein Kolbenkörper 40B und ein Kopf 40A getrennt ausgebildet sind und dann durch Nieten 41 integral aneinander befestigt sind.
D.h., daß der Kopf 40A in Form einer Scheibe vorliegt, die dadurch gebildet wird, daß der Kolben 40 horizontal über der Ringnut 11 abgeschnitten wird, deren Durchmesser geringfügig kleiner als der Durchmesser des darunterliegenden Kolbenkörpers 40B ist, der aus selbstschmierendem Harzmaterial besteht, und wie dies in Fig. 7(b) dargestellt ist, sind der Kopf 40A und der Kolbenkörper 40B integral über vier Nieten 41 mit guter Wärmeleitung integral aneinander befestigt, und die Enden der Nieten 41A erstrecken sich bis zur Rückseite des Kolbenoberteils 13. So kann die zum Kopf 40A übertragene Kompressionswärme unter dem Kolben über die Nieten 41 abgegeben werden, oder sie kann über den Kolbenkörper 40B verteilt werden, und wenn der Kopf 40A dünner ausgebildet wirdkann das Ausführungsbeispiel dieselbe Wirkung wie das oben angegebene Ausführungsbeispiel aufweisen, und der Kopf 40A und der Körper werden über Nieten 41 mit guter Wärmeleitung aneinander befestigt, während sich die Nietenden 41A zur Rückseite des Kolbenoberteils 13 erstrecken. So kann die zum Kopf 40A übertragene Kompressionswärme unter dem Kolben über die Nieten 41 abgegeben werden, oder sie kann durch den gesamten Kolbenkörper 40B verteilt werden, so daß, wenn der Kopf 40A dünner ausgebildet wird, ein thermischer Nachteil verhindert werden kann.

Claims

1. Ölfreie Kolbenverdichtungs-/-expansionsvorrichtung Umfassend einen Kolbenkörper (1, 10, 20, 30, 40), in den ein aus einem selbstschmierenden Material gebildeter Kolbenring (5) eingepaßt ist, wobei der Kolben einen Zapfenlochabschnitt (12) zur Befestigung einer Pleuelstange (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der in Gleitkontakt mit dem Zylinder (2) stehende Teil des Kolbenkörpers (10B, 20B, 30B, 40B) und der Zapfenlochabschnitt (12) aus einem selbstschmierenden Verbundmaterial bestehen, das ein wärmehärtbares, kondensiertes, polyzyklisches, polynukleares aromatisches Harz sowie Graphit oder andere wärmebeständige Werkstoffe zur Erhöhung der Gleitfähigkeit enthält.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Kolbenzapfen (7) direkt im Zapfenloch (12), das sich durch den Rohrabschnitt des Kolbenkörpers (1) erstreckt, ohne ein Lager gehalten ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Spiel zwischen dem Kolbenkörper (1) und dem Zylinder (2) zumindest nahe dem Kolbenoberteil (13) auf einen Bereich von 0,1 bis 0,5 % des Kolbendurchmessers bei Normaltemperatur festgesetzt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 3, wobei der Durchmesser der Oberseite des Kolbenkörpers (1) geringer ist als derjenige der Unterseite.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der vollständige Kolbenkörper (1) aus dem selbstschmierenden Verbundmaterial gebildet ist, das ein wärmehärtbares, kondensiertes, polyzyklisches, polynukleares, aromatisches Harz und Graphit oder andere wärmebeständige Werkstoffe zur Erhöhung der Gleitfähigkeit enthält.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein oberer vorspringender Abschnitt (14) am Umfang oberhalb des ersten Kolbenrings (5) sowie das Kolbenoberteil (13) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, und der Außendurchmesser des oberen vorspringenden Abschnitts (14) geringfügig kleiner ist als der Durchmesser des Kolbens (30) unterhalb davon.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein selbstschmierendes Verbundmaterial (10B), das ein wärmehärtbares, kondensiertes, polyzyklisches, polynukleares, aromatisches Harz und Graphit oder andere wärmebeständige Werkstoffe zur Erhöhung der Gleitfähigkeit enthält, integral um einen Kolbenkern (10A), der aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht, zur Bildung des Kolbens (10) gegossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Kolben (40) einen Kolbenkörper (40B) aufweist, der aus einem selbstschmierenden Verbundmaterial besteht, das ein wärmehärtbares, kondensiertes, polyzyklisches, polynukleares, aromatisches Harz und Graphit oder andere wärmebeständige Werkstoffe zur Erhöhung der Gleitfähigkeit enthält, an den ein Kolbenkopf (40A) aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit mittels Fixiereinrichtungen (41) befestigt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Fixiereinrichtungen (41) Nieten sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Material mit guter Wärmeleitfähigkeit metallischer Werkstoff, vorzugsweise eine Aluminiumlegierung ist.