DE6931494U - Kolbenkompressor. - Google Patents

Description

. . DIPL-IMG. FINSTERWALD DIPL-ING. GRÄMKOW

G 69 314 94.9 München, den ^Z2i

Fi/Or - P 2028 A

MICHEL PEQUIGNOT 19» rue Poliveau, Paris 5 Frankreich

Kolbenkompressor >

Die Erfindung betrifft einen im folgenden Kolbenkompressor genannten hin- und hergehenden Verdichter für Gas der trokkenen Bauart, d.h. einen Verdichter, der ohne Schmierung arbeitet, bei dem die Reibungen des Kolbens in dem Zylinder vernachlässigbar sind, die Teile in relativer Bewegung untereinander licht reiben und folglich die Abnutzung Null ist. Ein solcher Kompressor ist hermetisch abgeschlossen und erfordert keine Stopfbüchse.

Es ist bereits bei Verdichtern oder Pumpen mit einem Kolben vorgeschlagen worden, dem Kolben gleichzeitig mit seiner Translationsbewegung eine Rotationsbewegung zu erteilen.

Im allgemeinen wird diese Rotationsbewegung durch eine mechanische Anordnung erzeugt und ist der hin- und hergehenden Translationsbewegung zugeordnet. Aufgrund dessen ist die Rotation jedoch, sei sie abwechselnd, sei sie kontinuierlich, langsam.

Bei dieser Anordnung treten die üblichen Probleme einer mecha nischen Verbindung mit der Notwendigkeit der Schmierung auf.

Dr. MQIIar-Bore DrrManltz · Dr. Deufel · Dipl.-lng. FinaterWald Dlpl.-Ing. GrämkoW Braunschweig, Am Bürgerpark B B München 22, Robert-Koch-StraBe 1 7 Stuttgart-Bad Cannstatt, MarklstraSe 3 Bank: Zentralkasse Bayer.MoMitayilMnyMeachen. Kto.-Nr. 9622 Postscheck: ■'. inchen 95495

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Ziel der Erfindung ist es, jegliche mechanische Verbindung zu beseitigen und die Bewegung des Kolbens ohne irgendeine Schmierung zu erreichen·

Dieses Resultat wird gemäss der Erfindung durch die Kombination einer genauen Einpassung des Kolbens in den Zylinder, eines Antriebs des Kolbens durch eine Vorrichtung ausserhalb des Zylinders und einer ausreichenden Rotationsgeschwindigkeit des Kolbens erreicht, wobei dadurch das Tragen des Kolbens ohne Berührimg mit dem Zylinder nach Art der Fluid-Lager gewährleistet istο

Gegenstand der Erfindung ist ein dichter Kolben-Kompressor, d.h. ein Kompressor ohne Stopfbüchse, der ohne Schmierung arbeitet, bei dem der Kolbenjgleichzeitig mit seiner hin- und hergehenden Translationsbewegung eine Rotationsbewegung erfährt, und der keine merkliche Reibung aufweist, und dieser Kolben-Kompressor kennzeichnet sich dadurch, dass der Kolben ohne äussere mechanische Verbindung angetrieben durch magnetische oder elektromagnetische Wirkung in dem Zylinder mit Spiel angebracht ist, und dass der Kolben mit einer solchen Geschwindigkeit angetrieben ist, dass die Bewegung des Kolbens im Auftrieb mit strenger Zentrierung nach Art der Fluid-Lager gewährleistet ist·

Gemäss der Erfindung sind also das aus der strengen Einpassung zwischen Kolben und Zylinder resultierende Spie_ und die Drehzahl des Kolbens/um sich selber vorbestimmt, so dass der Kolben mit dem Zylinder ein Fluids-Lager der "hydrodynamischen" Art bildet, d.ho von der Art, dass der Kolben in seiner Lagerung auf einem gasförmigen Film schwimmt·

Das Phänomen der hydrodynamischen Fluid-Lager ist bereits be» kannt und ist schon in Arbeitsgeräten von hoher Präzision

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oder in Einrichtungen angewendet worden, wo gleichzeitig mit einer sehr grossen Empfindlichkeit eine sehr grosse Zuverlässigkeit gefordert wird.

Man hat in der Tat bei diesen Anwendungen festgestellt, dars dank der Viskosität des gasförmigen Filmes zwischen der beweglichen und der feststehenden Oberfläche die einzige Reibung, die auftritt, die Reibung des Gases ist; eine Reibung, die in den vorgesehenen Anwendungsfällen praktisch vernachlässigbar ist β Anwendung und, Ausnutzung dieses Phänomens bei Kolbenverdichtern bildet ein wesentliches Merkmal der Erfindung.

Bei dieser Anwendung beträgt das Spiel zwischen dem Zylinder und dem Kolben, deren in Berührung stehende Oberflächen poliert worden sind_f einige/um. Beispielsweise beträgt bei einem Kolben von 40 mm Durchmesser und 100 mm Länge das diametrale Spielj, um den gewünschten Effekt zu erreichen, in Luft etwa 4- ,um für eine Drehzahl von 200 bis 300 U/min»

Für leichtere Gase, «-ie beispielsweise Helium₅ muss man entweder das diametrale Spiel verringern oder die Drehzahl erhöhen oder beide Massnahmen gleichzeitig ergreifen.

Es ist klar, dass Einpassungen von einer solchen Präzision durch sich selbst einen sehr reduzierten Leckverlust gewährleisten, was sich günstig auf einen guten Wirkungsgrad des Verdichters auswirkt« Aufgrund der hohen Drehzahl des Kolbens wird der Leckverlust noch einmal merklich vermindert.

Es können auch kreisförmige Nuten, die Stauelemente bilden, auf dem Kolben vorhanden sein, die diese Verringerung des Leckverlustes steigern.

Um den Effekt d«r hydrodynamischen Fluid-Lager bei urter-

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schiedlichen Temperaturen aufrecht zu erhalten, ist es erforderlich, das Spiel zwischen dem Kolben und dem Mantel in dem zweckmässigen Bereich durch die Anwendung geeigneter Materialien zu halten. Besonders wenn die den Kolben und den Zylinder bildenden Materialien unterschiedlich sind, müssen sie genügend nahe beieinander liegende Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, um die zulässigen Toleranzen des Spiels bei den Betriebstemperaturen zu berücksichtigen.

Im Hinblick darauf ist es vorteilhaft, den Kolben und den Zylinder in Keramik mit einem hohen C-ehclt an Aluminiumoxyd oder an Berylliumoxyd oder einem anderen Oxyd (in der Grössenordnung von 95 bis 99 %~) herzustellen Diese Materialien weisen den Vorteil einer aussergewöhnlichen Dimensions-Stabilität über die Zeit und bei Temperaturzyklen auf. Sie besitzen überdies eine sehr grosse Widerstandsfähigkeit gegen Korrosionen chemischer Art; das ist eine wertvolle Eigenschaft im Hinblick auf die Verdichtung von korrodierenden Gasen, wie beispielsweise Uranhexafxuorid.

Die gleichzeitigen Rotations· und hin- und hergehenden Translationsbewegungen des Kolbens können durch beliebige mechanische oder andere Mittel erzeugt sein. Es ist dennoch vorteilhaft, sie durch einen magnetischen oder elektrischen Antrieb durch Dine Vorrichtung zu erhalten, die auf den Kolben quer durch die Wand des Zylinders, die i:u diesem Zweck diamagnetisch oder isolierend ist, hindurch ohne materiellen Kontakt mit dem Kolben einwirkt» Aufgrund dessen kann der ZyI^- nder hermetisch abgeschlossen sein, wodurch jegliche Stopfbüchse überflüssig ist und kein Leckverlust auftritt. Diecer Vorteil ist insbesondere bei der Verdichtung von korrodierenden oder gefährlichen Gasen, oder einfach von Gasen hoher Reinheit von Bedeutung, wie sie beispielsweise in Kernanlagen vorkommen.

Eine Ausführungsform eines magnetischen Antriebs besteht darin, dass in dem Kolben aus diamagnetischem Material ein Hohlraum vorgesehen ist, in welchem eine Vorrichtung aus Permanentmagneten oder Eisenkernen angeordnet ist, während ausserhalb des Zylinders und konzentrisch zu diesem ein Käfig vorgesehen ist, der in gleicher Weise eine Vorrichtung aus Magneten trägt. Wenn der Käfig gedreht wird, versetzt er den Kolben in Drehung, während eine dem Käfig durch eine Winde oder eine andere Antriebsart aufgezwungene Hin- und Herbewegung die Translationsbewegung des Kolbens gewährleistet_o

Es sei bemerkt, dass die erforderliche Leistung, um auf den Kolben die ununterbrochene Rotationsbewegung zu übertragen, extrem gering ist. Wenn die Rotationsbewegung einmal in Gang gesetzt ist j setzt sie sich ohne merklichen Energiebedarf fort.

Ein elektrischer Antrieb kann durch ein Drehfeld vorgesehen sein, das durch eine äussere, sich nicht drehende Induktor-Wicklung, die als Stator arbeitet, und mit einer in dem Kolben gelegenen Wicklung zusammenwirkt, die als Anker und Rotor arbeitet, erzeugt wird.

In dieser Ausführungsform bestehen der Zylinder und der Kolben aus einem elektrisch isolierenden Material.

Mit der Rotation durch das Drehfeld ist eine Translationsbewegung der Induktor-Wicklung durch eine Winde oder eine elektromagnetische Vorrichtung verbunden; die Bewegung überträgt sich auf den Kolben-Läufer. Besonders der Translationsantrieb kann durch eine Anordnung in Form eines Linear-Motors ausgeführt sein.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:

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Fig. 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines Kompressors gemäss der Erfindung,

Pig· 2 einen Längsschnitt durch den Kompressor in Pig« 1 und Fig. 3 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform.

Der Verdichter gemäss den Figuren 1 und 2, im folgenden Korn= pressor genannt, umfasst einen Körper oder Zylinder 1, in dessen Inneren der Kolben 2 sich hin- und herbewegt. Der Zylinder ist an einem Ende 3 geschlossene Am anderen Ende trägt er eine Kammer mit Klappen 4«

Der Zylinder 1 und der Kolben 2 sind erfindungsgemäss mit einem sehr geringen Spiel in derGrössenordnung von einigen ψ /Um angepasst. Sie bestehen vorzugsweise aus einem keramischen Material mit einem hohen Gehalt an Aluminiumoxyd.

Mit einer so strengen Einpassung des Kolbens 2 in den Zylinder 1 würde die Verschiebung des Kolbens praktisch unmöglich sein. Aber, und das ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, wenn man dem Kolben eine Rotationsbewegung erteilt, wie sie der Pfeil A angibt, zeigt das Experiment, dass sich die Iiängsversehiebung des Kolbens sehr leicht und ohne nennenswerte Reibung vollzieht, indem der Kolben nach Art von hydrodynamischen Fluid-Lagern auf dem in dem Spielraum zwischen den Teilen 1 und 2 zurückgehaltenen Gs'sfilm schwimmt.

Um dem Kolben 2 diese Rotation ebenso wie seine Hin- und Herbewegung gemäss dem Pfeil B, die ihn als Verdichter arbeiten lässt, zu erteilen, bringt man den Kolben 2 und einen äusseren ringförmigen Käfig 5 in magnetische oder elektrische Zu-

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sammenwirkung. Es genügt dann, den Käfig 5 zu drehen und ihm eine hin- und hergehende Bewegung zu erteilen, um die gleichzeitige Rotations- und Translationsbewegung des Kolbens 2 zu erzielen·

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsdetail. Der Kolben 2 ist verbunden mit einem Endstück 6 gezeigt, das einen Hohlraum 7 aufweist, welcher eine Vorrichtung 8 mit Permanentmagneten aufnimmt. Der Käfig 5 ist selbst mit einer magnetischen Anordnung 9 ausgestattet. Der Käfig erfährt durch irgendeine Vorrichtung eine ununterbrochene Drehbewegung. Die Drehbewegung kann auf ihn beispielsweise durch einen Riemen 10 übertragen werden. Sie kann ebenso durch eine magnetische Kopplung erzeugt werden, wobei die führende Achse mit der Achse eines elektrischen Motors schv usher Leistung verkeilt ist. Alle anderen direkten oder indirekten Antriebsmöglichkedten können vorgesehen werden.

Der Käfig 5 ist andererseits durch ein Stüc"- 11 an der Stange 12 einer doppelt wirkenden hydraulischen Winde 13 befestigt. Die bewegung der Winde wird durch ein Druckfluid gesteuert, welches wechselweise den zwei Stirnflächen der Winde mittels eines Uaikehrverteilers 14 zugeführt wird.

Es versteht sich, dass der Hub der Winde dem freien Raum des Kolbens 2 in dem Zylinder 1 entspricht. Die Kammer 4· weist eine Ansaugklappe 15 und eine Förderklappe 16 auf, welche mit Leitungen für eine Zuführung 17 bzw. eine Abführung 18 des Gases vor und nach der Verdichtung verbunden sind-* Diese Klappen gehören beispielsweise zu der Bauart, bei der eine Scheibe durch Federkraft auf einen geeigneten Sitz aufgedrückt ist.

Wie weiter oben ausgeführt ist, kann die dargestellte magne-

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tische Antriebsvorrichtung durch ein Induktor-Läufer-System mit Drehfeld ersetzt werden.

Die "Variante nach Fig. 3 stellt einen Kompressor gemäss der Erfindung dar, der einen freien Kolben aufweist und gemäss der unter dem Warnen "Zweizylinder-Boxeranordnung" bekannten !Technik arbeitet.

In dieser Ausführung^form wird der Körper des Verdichters von einem Zylinder 20 gebildet, der an jedem seiner Enden eine Klappenkammer 21 - 22 aufweist. Die Kammern sind mit Ansaugleitungen 23, 24- und Förderleitungen 25, 26 verbunden.

In dem Inneren des Zylinders 20 ist der streng eingepasste Kolben 27 angeordnet, der aber eine ununterbrochene Drehbewegung A erfährt, die, wie weiter oben ausgeführt, die Verschiebung ohne Reibung zulässt.

Der Kolben ist hohl und nimmt bei 28 die magnetischen oder elektrischen Elemente auf, die geeignet sind, ihm die Verschiebungen hinsichtlich der Rotation und Translation durch den äusseren ringförmigen Käfig 29 zu erteilen. Der Käfig ist in gleicher Weise magnetisch oder elektrisch ausgestattet, um mit den Elementen 28 des Kolbens zusammenzuwirken, und erfährt eine Rotationsbewegung durch die Vorrichtung 30 und eine Translationsbewegung durch die Winde 31·

Claims (4)

DR. MÜLLER-ΒΟΏΕ Dl'iyL-iPMy^. D^. ijiAffJT^OlPlJ.-CHEM. DR. DEUFEL ' DIPL.-INQ. FlKTSTü'RWAUD1 PATENTANWÄLTE G 69 514 94.9 München, den |fl< οκτ· W3 Societe pour 1-Application Fi/Cr - P 2028A des Techniques Avancees Neue Schutzansprüche

1. Kolbenkompressor mit dichtem Abschluss für schmierungs- und weitgehend reibungsfreien Betrieb, mit einem gleichzeitig eine hin- und hergehende Translationsbewegung eine Rotationsbewegung durchführenden Kolben, dadurch gekennzeichnet , dass eine magnetische oder elektromagnetische Vorrichtung zum Antrieb des Kolbens (2) vorgesehen ist, dass der Kolben (2) in einen Zylinder (1) mit Sp"el eingebaut und mit einer derartigen Geschwindigkeit angotrieben ist, und dass der Kolben (2) im Betrieb zentriert im Zylinder (1) auf einem Fluidlager geführt ist,

2. Kilbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (2) und der Zylinder (1) aus einem keramischen Material mit einem hohen Gehalt an Aluminiumoxyd bestehen.

3. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (27) hohl ausgebildet ist und eine Vorrichtung mit permanenter. Magneten oder einen magnetischen Kern, wie einen Kern aus weicheisen, enthält, dass der Kolben (27) mit einem Käfig 29) mit ausüerhalb des Zylinders angeordneten Magneten zusammenwirkt, und dass der Kolben (27) hinsichtlich der Translation durch Verschiebung des Käfigs (29) durch eine doppelt wirkende, hydraulische Winde (51) angetrieben ist.

4. Kolbenkompressor nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η-

Dr. Mütler-Bore Dr. Manltz · Dr. Deufel ■ Dlpl.-Ing. Finsterwald Dlpl.-Ing. Grämkow

Braunschwelg, Am BDrgerpark » 8 Mönchen £2, Ftobert-Koch-StraBe 1 7 Stuttgart-Bad Cannstatt, Marktstraße 3

Telefon (0531) 73887 Telefon (0811) 293645, Telex 5-22050 mbpet Telefon (07Hi 367261

Bank: Zentralkae»eBayer.VJIJ^k*.AI»jäyn._#Kto.-Nr.3e22 Postscheck: Münch«i95495

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z'eichnet, daß In dem Kolben eine Induktionswicklung (28) vorgesehen ist und daß außerhalb des Kolbens (27) ein drehfeiderzeugender Induktor angeordnet ist, wobei der Induktor durch eine hydraulische Winde (31) oder einen Linear-Motor angetrieben is

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