EP0353462A1 - Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren - Google Patents

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EP0353462A1
EP0353462A1 EP89111923A EP89111923A EP0353462A1 EP 0353462 A1 EP0353462 A1 EP 0353462A1 EP 89111923 A EP89111923 A EP 89111923A EP 89111923 A EP89111923 A EP 89111923A EP 0353462 A1 EP0353462 A1 EP 0353462A1
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EP
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piston
guide ring
piston body
filled
piston according
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EP89111923A
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English (en)
French (fr)
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Rolf Haldenwang
Jakob Brandtner
Walter Schuhmacher
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Elring Dichtungswerke GmbH
Original Assignee
Elring Dichtungswerke GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2225/00—Synthetic polymers, e.g. plastics; Rubber
    • F05C2225/04—PTFE [PolyTetraFluorEthylene]
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2253/00—Other material characteristics; Treatment of material
    • F05C2253/12—Coating

Definitions

  • the invention relates to a piston, in particular a plunger for compressors, with a cylindrical piston body, with a sealing ring arranged on the outer circumference of the piston body and with a guide support likewise applied to the outer circumference of the piston body.
  • Known pistons of this type are primarily used in dry running, i.e. H. Without lubrication, used in plunger compressors to compress air or technical gases.
  • the known pistons consist of metal, in particular aluminum alloy, and are usually produced by injection molding, which means that the pistons generally still have to be reworked.
  • Sealing and guide rings in particular made of polytetrafluoroethylene (PTFE), are inserted in more or less wide circumferential grooves of the piston.
  • the guide rings can only cover approx. 80 - 90% of the available piston length, they have a thickness of approx. 3 mm and are usually slotted (in order to be able to apply them to the piston), so that a butt joint is created when assembled.
  • the object is achieved according to the invention in a generic piston in that the piston body consists of thermosetting plastic and the guide support is connected as a self-contained, seamless guide ring to the plastic of the piston body.
  • the guide ring extends essentially over the entire length of the piston body, and the guide ring has a wall thickness between 0.2 and 1 mm.
  • the plunger shown in Figure 1 which is particularly suitable as a plunger in a compressor, consists of a cup-shaped, one-sided closed piston body 1 (also called “piston shirt").
  • a bore 2 extending transversely to the axis of the piston serves to receive a conventional piston pin for fastening a connecting rod or the like.
  • a piston sealing ring 3 made of polytetrafluoroethylene (PTFE) is inserted in a manner known per se.
  • the piston body 1 is covered practically over the entire remaining length by a sleeve-shaped guide support made of PTFE, which forms the guide ring 4 of the piston.
  • the guide ring 4 is self-contained and seamless.
  • the wall thickness of the guide ring 4 is approximately 0.5 mm, it can generally be between 0.2 and 1 mm.
  • the piston body 1 consists of a thermosetting plastic, for example phenolic resin, melamine resin, urea resin, epoxy resin or polyester resin.
  • the small wall thickness of the guide ring causes very little thermal expansion, i. H. Cold and warm play can be significantly reduced compared to the known metal pistons with a thicker guide ring. This significantly improves the smooth running of the piston. Since the guide ring 4 is seamless, it also contributes to the sealing of the piston in its cylinder. Overall, the life of the piston is also increased by the guide ring 4, which covers practically the entire length of the piston.
  • the piston according to Figure 1 is advantageously in the following manner Manufactured in one operation: a section is cut from a PTFE hose or a PTFE tube and inserted into a conventional injection, compression or injection molding tool. This section has the shape of a sleeve and later forms the guide ring 4 on the finished piston. A thermoset granulate is filled or injected into the section. Instead of granules, pre-pressed tablets or pre-plastified thermoset blanks can also be filled.
  • the tool which was initially open, is now closed, whereupon a high-temperature-resistant and stable connection between the PTFE material of the guide ring 4 and the thermoset piston body which is formed is produced under high pressure (100-1000 bar) and high temperature (100-200 ° C) .
  • the finished piston provided with the guide ring 4 is then removed from the tool.
  • the pressing or injection molds can be designed so that machining of the piston is no longer necessary after removal from the mold. To achieve higher dimensional accuracy, however, machining of the piston body can also be carried out.
  • the embodiment of a piston according to FIG. 2 differs from that according to FIG. 1 essentially in that, in order to reduce the heat transfer through the piston, in addition to the guide ring 4, a temperature insulation layer 5 made of PTFE is applied to the end face of the piston body 1, specifically because of this that this layer in the form of a circular plate is also inserted into the mold of the piston.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of a plunger, which largely corresponds to the embodiment according to FIG. 1.
  • the piston body 1 has an opening 7 on its end wall, which, as shown only schematically, is closed by a valve plate 8.
  • the elastic valve plate 8 opens, so that the medium to be compressed is sucked through the piston body 1.
  • the piston body is cooled by the inflowing medium.
  • a special intake valve is saved in the cylinder.
  • the valve plate 8 can also be inserted into the mold before the piston is manufactured.
  • the thermosetting plastic forming the piston body 1 can be filled with additives. Glass, carbon and / or mineral fibers are particularly suitable for this.
  • the guide ring 4 can also be made from a thermoplastic other than PTFE, in particular from polyether ether ketone (PEEK) or from polyether ketone (PEK).
  • PEEK polyether ether ketone
  • PEK polyether ketone
  • the thermoplastic material forming the guide ring 4 can also be filled with additives, preferably with glass, carbon and / or mineral fibers.
  • the specific surface pressure of the guide ring is reduced due to the transverse forces that occur due to the enlarged piston guide surface.
  • This increases the service life or service life of the piston.
  • the sleeve-shaped guide ring 4 can, for example, by the spraying or pressing method described, High temperature resistant and permanent connection to the thermoset piston body. This increases operational reliability.
  • the manufacturing process described can be carried out in a simple manner inexpensively and for large quantities.

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Abstract

Ein Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren umfaßt einen zylindrischen Kolbenkörper (1), einen am Außenumfang des Kolbenkörpers (1) angeordneten Dichtring (3) sowie eine ebenfalls auf dem Außenumfang des Kolbenkörpers aufgebrachte Führungsauflage (4). Der Kolbenkörper (1) besteht aus duroplastischem Kunststoff, und die Führuhgsauflage (4) ist als in sich geschlossener, fugenloser Führungsring (4) fest mit dem Kunststoff des Kolbens verbunden, wobei sich der Führungsring (4) im wesentlichen über die gesamte Länge des Kolbenkörpers (1) erstrecken und eine Wandstärke zwischen 0,2 und 1 mm haben kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen 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 Kolbenkörpers auf­gebrachten Führungsauflage.
  • Bekannte Kolben dieser Art werden in erster Linie im Trocken­lauf, d. h. ohne Schmierung, in Tauchkolbenkompressoren einge­setzt, um Luft oder technische Gase zu verdichten.
  • Die bekannten Kolben bestehen aus Metall, insbesondere aus Alu­miniumlegierung und werden meist im Spritzgußverfahren herge­stellt, was bedingt, daß die Kolben im allgemeinen noch nach­bearbeitet werden müssen. In mehr oder weniger breiten Umfangs­nuten des Kolbens werden dabei Dicht- und Führungsringe, insbe­sondere aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) eingelegt. Die Füh­rungsringe können nur etwa 80 - 90% der zur Verfügung stehen­den 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 Kip­pen und somit zu einer erhöhten Geräuschentwicklung. Bedingt durch das große Spiel und durch die unerläßliche Stoßfuge kann vom Führungsring keine Dichtfunktion übernommen werden. Außer­dem kann wegen der Nutränder die an sich zur Verfügung stehen­de Kolbenlänge nur höchstens bis zu etwa 90% zu Führungszwecken ausgenutzt werden. Schließlich erfordern die bekannten Kolben aufgrund zahlreicher notwendiger Arbeitsvorgänge einen uner­wünscht hohen Herstellungsaufwand.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, unter weitgehender Behebung der geschilderten Mängel einen gattungsgemäßen Kolben so zu ver­bessern, 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 Stand­zeit erhöht wird, und daß die Kolben in einfacher Weise kosten­günstig in großen Stückzahlen hergestellt werden können.
  • Die Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Kolben erfindungsge­mäß dadurch gelöst, daß der Kolbenkörper aus duroplastischem Kunststoff besteht und die Führungsauflage als in sich geschlos­sener, fugenloser Führungsring mit dem Kunststoff des Kolben­körpers 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 zeigen:
    • Figur 1 bis 4 verschiedene Ausführungsformen von Tauch­kolben gemäß der Erfindung.
  • Der in Figur 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 Achs des Kolbens verlau­fende Bohrung 2 dient der Aufnahme eines ublichen Kolbenbolzens zur Befestigung eines Pleuels oder dergleichen. In eine Nut im oberen Bereich des Kolbenkörpers 1 ist ei Kolbendichtring 3 aus Polytetrafluoräthylen (PTFE) an sich bekannter Art eingesetzt. Praktisch über die gesamte restliche Länge hinweg ist der Kolben­körper 1 von einer hülsenförmigen Führungsauflage aus PTFE über­deckt, die den Führungsring 4 des Kolbens bildet. Der Führungs­ring 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 Kolbenkorper 1 besteht aus ei­nem duroplastischen Kunststoff, beispielsweise Phenolharz, Mela­minharz, Harnstoffharz, Epoxidharz oder Polyesterharz.
  • Die geringe Wandstärke des Führungsrings bewirkt eine sehr gerin­ge Wärmedehnung, d. h. Kalt- und Warmspiel können gegenüber den bekannten Metallkolben mit dickerem Führungsring erheblich ver­kleinert 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. Insge­samt wird durch den praktisch die ganze Kolbenlänge überdecken­den Führungsring 4 auch die Lebensdauer des Kolbens erhöht.
  • Der Kolben gemäß Figur 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 üb­liches 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 vorsplastifizierte Duro­plast-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 Führungs­ringes 4 und dem sich bildenden Duroplast-Kolbenkörper herge­stellt wird. Anschließend wird der fertige, mit dem Führungs­ring 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 Kolbenkör­pers vorgenommen werden.
  • Die Ausführungsform eines Kolbens gemäß Figur 2 unterscheidet sich von derjenigen nach Figur 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 Figur 3 wird statt eines Kolbenringes 3 (Figur 1 und 2) eine sogenannte "Napf- oder Topfmanschette" 6 aus PTFE-Material verwendet. Die Manschette 6 kann vor der Herstellung es Kolbens in das Preß- oder Spritzwerkzeug eingelegt werden.
  • Die Figur 4 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform ei­nes Tauchkolbens, die weitgehend der Ausführungsform gemäß Fi­gur 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. Besonder geeignet sind hier­für 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 Mineral­fasern.
  • Bei allen Ausführungsformen der Erfindung wird durch die ver­größerte Kolbenführungsfläche die spezifische Flächenpressung des Führungsringes aufgrund der auftretenden Querkräfte redu­ziert. Hierdurch erhöht sich die Standzeit oder Lebensdauer des Kolbens. Der hülsenförmige Führungsring 4 läßt sich, bei­spielsweise durch das beschriebene Spritz- oder Preßverfahren, hochtemperaturfest und unlösbar mit dem duroplastischen Kolben­körper verbinden. Hierdurch erhöht sich die Betriebssicherheit. Im übrigen läßt sich das geschilderte Fertigungsverfahren in einfacher Weise kostengünstig und für hohe Stückzahlen durch­führen.

Claims (9)

1. Tauchkolben für Kompressoren mit einem hohlzylindrischen, einseitig geschlossenen Kolbenkörper, mit einer Querboh­rung am Kolbenkörper zur Aufnahme eines Kolbenbolzens, mit einem am Außenumfang des Kolbenkörpers angeordneten Dicht­ring und mit einer ebenfalls auf dem Außenumfang des Kol­benkörpers aufgebrachten Führungsauflage aus einem Mate­rial mit Trockenlaufeigenschaften,
dadurch gekennzeichet, daß der Kolbenkörper (1) aus einem duroplastischen Kunst­stoff der Gruppe Phenolharz, Maliminharz, Epoxidharz, Polyesterharz besteht, daß die Führungsauflage als in sich geschlossener, fugenloser Führungsring (4) fest mit dem duroplastischen Kunststoff des Kolbenkörpers verbunden ist, und daß der Führungsring (4) aus Polytetrafluor­äthylen (PTFE), Polyätherätherketon (PEEK) oder Polyäther­keton (PEK) besteht.
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 is 1,0 mm beträgt.
4. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der duroplastische Kunststoff mit Zuschlagstoffen gefüllt ist.
5. Kolben nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der duroplastische Kunststoff mit Glas, Kohle und/oder Mine­ralfasern gefüllt ist.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material, aus dem der Führungsring (4) besteht, mit Zu­schlagstoffen gefüllt ist.
7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Führungsring (4) bildende Material mit Glas, Kohle und/oder Mineralfasern gefüllt ist.
8. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnseite des Kolbenkörpers (1) mit einer Isolations- und Schutzschicht (5) aus Polytetrafluoräthylen überzogen ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der An­sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungs­ring, gegebenenfalls zusammen mit eine Dichtring in ein offenes Spritz-, Preß- oder Spritzpreßwerkzeug eingelegt, ein duroplastischer Kunststoff eingefüllt und im geschlos­senen Werkzeug unter Druck und Erwärmung der Führungsring mit dem sich bildenden Kunststoffkörper fest verbunden wird.
EP89111923A 1988-07-21 1989-06-30 Kolben, insbesondere Tauchkolben für Kompressoren Withdrawn EP0353462A1 (de)

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