EP2092195A1 - Verdichter mit gasdruckgelagertem kolben - Google Patents

Verdichter mit gasdruckgelagertem kolben

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EP2092195A1
EP2092195A1 EP07822074A EP07822074A EP2092195A1 EP 2092195 A1 EP2092195 A1 EP 2092195A1 EP 07822074 A EP07822074 A EP 07822074A EP 07822074 A EP07822074 A EP 07822074A EP 2092195 A1 EP2092195 A1 EP 2092195A1
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
compression chamber
compressor according
compressor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07822074A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan-Grigor Schubert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BSH Hausgeraete GmbH
Original Assignee
BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH filed Critical BSH Bosch und Siemens Hausgeraete GmbH
Publication of EP2092195A1 publication Critical patent/EP2092195A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
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    • F04B39/0284—Constructional details, e.g. reservoirs in the casing
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    • 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 present invention relates to a compressor with a cylinder in which a piston is movably held by a gas pressure bearing without contact with the cylinder wall.
  • Such a compressor is known, for example, from US Pat. No. 6,575,716 A1.
  • a circumferential groove is formed in the inner wall of the cylinder, which is supplied via a cylinder wall crossing bore with compressed gas.
  • the compressed gas is distributed in the circumferential groove around the entire circumference of the piston and extends from the groove in the axial direction through a narrow gap between the piston and the cylinder wall, whereby it keeps the piston on its entire circumference without contact with the cylinder wall.
  • a radial force acts on the piston and deflects it from its equilibrium position
  • the compressed gas is not only compressed on one side of the piston circumference, but also partially displaced, wherein the displacement u. a. may be due to an escape of the gas back into the groove.
  • the compressed gas on the piston causes a restoring force in the direction of the equilibrium position, the displaced gas can not do so. Due to the possibility of avoiding the stiffness of the bearing against radial deflection is not too large.
  • the supply bores In order to effectively limit the backflow of the compressed gas, the supply bores must have a very small diameter of a similar order of magnitude as the gap width between cylinder wall and piston. In practice, this means that the diameter of the supply holes should not be more than a few 10 microns. Creating such close holes requires elaborate machining techniques such as laser ablation, spark erosion, or the like. With these techniques you can The supply holes are only produced individually, which makes the production tedious and expensive. In addition, the material thickness in which such narrow holes can be produced, limited to a few hundred microns. A workpiece with such a small wall thickness is easily deformable, so that it is difficult to ensure the dimensional accuracy and stability of the cylinder wall required for an effective gas pressure bearing.
  • the aim of the present invention is to provide a compressor with a gas-pressure bearing piston, which can be realized with little effort and allows storage of the piston with good radial stiffness at low pressure gas flow.
  • the object is achieved by a compressor with a cylinder and an oscillatingly movable piston in the cylinder and play transversely to the direction of movement, wherein an end face of the piston in the cylinder delimits a compression chamber, which is characterized in that the piston decreasing towards the end face Diameter. Due to the shape of the piston tapering towards the end face, part of the gas compressed in the compression chamber by the piston movement is introduced into the gap between piston and cylinder wall, and the gas escaping from the compression chamber between piston and cylinder wall is the gas pressure bearing effect unfolded.
  • this preferably has adjacent to the compression chamber adjacent, the decreasing to the end face diameter portion having a guide portion with a constant diameter.
  • the increase in the diameter is expediently continuous.
  • the rate of change of the diameter in the direction of the axis immediately at the end face is maximum and decreases with increasing distance from the end face.
  • the inner wall of the cylinder can be completely free of supply bores for the supply of pressurized gas into the gap between inner wall and piston.
  • the gas flow through the gap stops at least once during each oscillation of the piston, so that at this time a contact between the piston and the cylinder wall can come about.
  • the piston and / or the inner wall of the cylinder may be provided with a hard coating.
  • the coating may consist of a carbide, for example tungsten carbide, DLC (diamond-like carbon) or the like.
  • supply holes for the supply of compressed gas may be disposed in an inner wall of the cylinder so as to urge a portion of the piston facing the compression chamber at the inflection point of the piston movement at which the expansion the compression chamber is maximum.
  • the compressor expediently has a drive unit which carries out a purely linear movement.
  • a drive unit may in particular comprise a magnetic armature coupled to the piston, which is drivable in an alternating magnetic field parallel to the direction of movement of the piston.
  • FIG. 1 shows a schematic section through the piston and cylinder of a compressor according to a first embodiment of the invention.
  • FIG. 2 shows a schematic section through the drive unit of the compressor.
  • FIG. 3 shows a section analogous to FIG. 1 according to a second embodiment of the invention;
  • Fig. 5 is a frontal view of a sleeve used in the third embodiment.
  • the compressor shown in FIG. 1 comprises a cylinder 21, which is essentially assembled from a tube piece 22, a head plate 23 covering one end of the tube piece 22 and a cap 24 fastened to a side of the head plate 23 facing away from the tube piece 22.
  • Pipe section 22, head plate 23 and a piston 25 engaging in the pipe section 22 delimit a compression chamber 26.
  • the compression chamber 26 communicates via valves 27, 28, shown schematically in the figure, preferably one-piece from the head plate 23 consisting of spring steel, with two in the cap 24
  • the valves 27, 28 are check valves, the gas flow in each case only from the upper, suction-side chamber 29 in the compression chamber 26 at an outward movement of the piston 25 and from the compression chamber 26 in the lower, pressure-side chamber 30 at allow an inward movement of the piston 25.
  • the piston has a the head plate 23 facing, flat end face 31, whose diameter is significantly smaller than that of the compression chamber 26. At its edges, the end face 31 is continuously curved in one of the inside of the pipe section 22 facing lateral surface 32 on.
  • the lateral surface 32 can be divided into three sections in the direction of movement of the piston 25, a cylindrical central portion 33 whose diameter is at most a few 10 microns smaller than that of the compression chamber 26, so that its movement in the pipe section 22 is guided without play and essentially schlingerok , and, adjacent to the central portion 33, respectively, an inner and an outer portion 34 and 35, whose diameter decreases continuously with increasing distance from the central portion 33.
  • the width of the gap 36 between the lateral surface 32 and the inner surface of the pipe section 22 grows faster with increasing distance from the central portion 33 than linear.
  • the funnel-like widening gap 36 in this way to the compression chamber 26 promotes the penetration of compressed gas from the compression chamber 26, so that in the amount of the central portion 33 of the gas flow through the narrow gap 36 at this point is significantly stronger than a piston of exactly cylindrical shape ,
  • a bearing effect corresponding to that of a conventional gas pressure bearing with gas supply into the gap can be realized via supply bores.
  • the gas pressure bearing effect is only briefly interrupted when there is no pressure difference between the compression chamber 26 and the back of the piston 25.
  • the entire cylinder 21 is encapsulated in a hermetic housing and the back of the piston 25 communicates with the suction-side chamber 29, this may be the case on the turning away from the head plate 23 inflection point of the piston.
  • Compression chamber 26 drops below the pressure on the piston rear - such
  • flow obstruction can be the valve 27 itself - the gas flow in the
  • To these in the Compression chamber 26 directed gas flow to reinforce so that it unfolds a bearing effect decreases continuously in the outer portion 35 of the diameter of the piston from the central portion 33 to a rear end face 37 back.
  • Fig. 2 shows schematically a drive unit, which is used for driving the oscillating movement of the piston 25 via a piston rod 38.
  • the drive unit comprises two E-shaped yokes 1 with three mutually opposite arms 3, 4, 5.
  • the mutually facing ends of the arms 3, 4, 5 each form an air gap 2 defining pole pieces 7.
  • Around the middle arms 4 around is one Excitation winding 8 attached.
  • the two exciter windings 8 can be acted upon by a control circuit with current, wherein the current direction in the two exciter windings 8 is in each case set so that the opposite pole pieces 7 of the middle arms 4 form unlike magnetic poles.
  • the pole shoes of the outer arms 3 and 5 each form the adjacent middle arm 4 unlike magnetic poles.
  • an armature 10 is suspended on two springs 11 between an upper and a lower (or a right and left reversal point in the illustration of FIG. 2) reversing point reversibly movable.
  • the position of the armature 10 at the upper reversal point is shown by solid lines, dashed lines at the lower reversal point.
  • the springs 11 are each punched out of a piece of sheet metal leaf springs with several zigzag extending arms 12.
  • the arms 12 of a spring 11 each extend mirror images of each other from a central point on the anchor 10 to suspension points 13 on a rigid frame, not shown, on which also Yokes 1 and the compressor are anchored.
  • the substantially rod-shaped armature 10 comprises in its central region a four-pole permanent magnet 14. While in a relaxed position of the springs 11 in which the arms 12 of each spring 1 1 lie substantially in a same plane, the magnet 14 centrally in the air gap. 2 is placed and a boundary line 15 extends between its in Fig. 1 left and right poles centered by the middle arms 4, is deflected by applying the windings 8 with a current of the armature 10 depending on the current direction to the left or to the right.
  • Fig. 3 shows a modified embodiment of the compressor according to the invention, which can also be combined with the drive unit shown in Fig. 2.
  • the compressor has a head plate 23 with valves 27, 28 and a cap 24 with chambers 29, 30 as described above with reference to FIG.
  • the piston 25 has a construction with a cylindrical central portion 33 and tapered towards the end faces 31 and 37, respectively, inner and outer portions 34, 35.
  • a sleeve 39 is accommodated, which together with the piston 25 and the head plate 23 limits the compression chamber 26.
  • annular cavity 40 is sealed at its end facing away from the head plate 23 by an O-ring 41 or the like and an obliquely through the pipe section 22 and the head plate 23 extending bore 42 with the pressure-side chamber 30 communicates.
  • Supply holes 43 with a diameter of a few 10 microns cross the sleeve 39.
  • the axial position of the supply holes 43 is selected so that at the opposite of the head plate 23 reversal point of the piston movement, shown in the figure by a dashed outline of the piston 25, the supply holes 42nd in the amount of the central portion 33 of the piston, while at the head plate 23 facing reversal point of the piston movement, an axial overlap of the positions of the supply holes 43 and the piston 25 need not necessarily be given.
  • the overpressure in the compression chamber 26 is sufficient to maintain a gas flow through the gap 36 sufficient for the desired bearing action.
  • a hard coating as described above can also be provided in this embodiment on the piston 25 and / or the pipe section 22 to Reibverschl formulate each time the compressor, when the pressure in the chamber 30 is not sufficient to unfold at the supply holes 43 bearing effect , to avoid.
  • FIG. 4 shows a section analogous to FIGS. 1 and 3 through a third embodiment of the compressor according to the invention.
  • the cap 24, the head plate 23 and the piston 25 are identical to those shown in Fig. 1.
  • the interior of the pipe section 22 is extended only at its end facing away from the head plate 23, and in the extension of a sleeve 44 is inserted, which abuts a shoulder 48 of the extension and the inner surface with the inner surface of the unexpanded portion of the pipe section 22 is flush.
  • Pipe 22 and sleeve 44 define an annular channel 45 which communicates via a bore 42 with the pressure-side chamber 30.
  • FIG. 5 shows a frontal view of the sleeve 44. It can be seen that in an end face 46 of the sleeve, which rests in the mounted state on a shoulder bounding the expansion of the tubular piece 22, uniformly distributed notches 47 are embossed in the circumferential direction. Unlike holes, the notches 47 can be realized with a width and depth of a few 10 microns and a practically arbitrary length simultaneously and with little effort. Together with the shoulder 48 of the pipe section 22 they limit

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Abstract

In einem Verdichter mit einem Zylinder (22, 23) und einem in dem Zylinder (22, 23) oszillierend bewegbaren und quer zur Bewegungsrichtung spielbehafteten Kolben (25), bei dem eine Stirnfläche (31) des Kolbens (25) in dem Zylinder (22, 23) eine Verdichtungskammer (26) begrenzt, weist der Kolben (25) einen zu der Stirnfläche (31) hin abnehmenden Durchmesser auf.

Description

Verdichter mit gasdruckgelagertem Kolben
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verdichter mit einem Zylinder, in dem ein Kolben durch ein Gasdrucklager ohne Berührung mit der Zylinderwand beweglich gehalten ist.
Ein solcher Verdichter ist zum Beispiel aus US 6 575 716 A1 bekannt. Bei diesem herkömmlichen Verdichter ist in der Innenwand des Zylinders eine umlaufende Nut gebildet, die über eine die Zylinderwand kreuzende Bohrung mit Druckgas versorgt wird. Das Druckgas verteilt sich in der umlaufenden Nut um den gesamten Umfang des Kolbens und breitet sich von der Nut aus in axialer Richtung durch einen engen Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand aus, wodurch es den Kolben auf seinem gesamten Umfang ohne Kontakt mit der Zylinderwand hält. Wenn eine radiale Kraft auf den Kolben wirkt und diesen aus seiner Gleichgewichtsposition auslenkt, wird das Druckgas an einer Seite des Kolbenumfanges nicht nur verdichtet, sondern teilweise auch verdrängt, wobei die Verdrängung u. a. in einem Ausweichen des Gases zurück in die Nut beruhen kann. Während das verdichtete Gas auf den Kolben eine Rückstellkraft in Richtung der Gleichgewichtsposition hervorruft, kann das verdrängte Gas dies nicht. Aufgrund der Ausweichmöglichkeit ist die Steifigkeit des Lagers gegen radiale Auslenkung nicht allzu groß.
Um die Steifigkeit des Lagers zu verbessern, ist vorgeschlagen worden, das Druckgas über radiale Bohrungen mit sehr engem Querschnitt in den Spalt zwischen Zylinderwand und Kolben einzuführen. Aufgrund des engen Querschnittes der Bohrungen ist bei einer Auslenkung des Kolbens ein Rückströmen von Gas nur in geringem Umfang möglich. Daher ist bei gleichem Gasdurchsatz eine höhere radiale Steifigkeit des Lagers erreichbar.
Um das Rückströmen des Druckgases wirksam zu begrenzen, müssen die Versorgungsbohrungen einen sehr kleinen Durchmesser in ähnlicher Größenordnung wie die Spaltbreite zwischen Zylinderwand und Kolben haben. In der Praxis bedeutet dies, dass der Durchmesser der Versorgungsbohrungen nicht mehr als wenige 10 μm betragen sollte. Die Erzeugung so enger Bohrungen erfordert aufwändige Bearbeitungstechniken wie etwa Laserablation, Funkenerosion oder dergleichen. Mit diesen Techniken können die Versorgungsbohrungen nur einzeln erzeugt werden, was die Produktion langwierig und kostspielig macht. Außerdem ist die Materialstärke, in der so enge Bohrungen erzeugt werden können, auf wenige hundert μm begrenzt. Ein Werkstück mit einer so geringen Wandstärke ist leicht verformbar, so dass es schwierig ist, die für ein wirksames Gasdrucklager erforderliche Formgenauigkeit und -Stabilität der Zylinderwand zu gewährleisten.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einen Verdichter mit einem gasdruckgelagerten Kolben anzugeben, der mit geringem Aufwand realisierbar ist und eine Lagerung des Kolbens mit guter radialer Steifigkeit bei geringem Druckgasdurchsatz ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verdichter mit einem Zylinder und einem in dem Zylinder oszillierend bewegbaren und quer zur Bewegungsrichtung spielhaltigen Kolben, wobei eine Stirnfläche des Kolbens in dem Zylinder eine Verdichtungskammer begrenzt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Kolben einen zu der Stirnfläche hin abnehmenden Durchmesser aufweist. Durch die sich zur Stirnfläche hin verjüngende Form des Kolbens wird ein Teil des in der Verdichtungskammer durch die Kolbenbewegung verdichteten Gases in den Spalt zwischen Kolben und Zylinderwand hineingeführt, und es ist die Strömung des aus der Verdichtungskammer zwischen Kolben und Zylinderwand entweichenden Gases, die die Gasdrucklagerwirkung entfaltet.
Um eine präzise, von Schlingerbewegungen freie Führung des Kolbens zu gewährleisten, hat dieser vorzugsweise neben einem der Verdichtungskammer benachbarten, den zu der Stirnfläche hin abnehmenden Durchmesser aufweisenden Abschnitt einen Führungsabschnitt mit einem gleichbleibenden Durchmesser.
Um das Druckgas aus der Verdichtungskammer turbulenzarm in den Spalt zu führen, ist die Zunahme des Durchmessers zweckmäßigerweise stetig. Insbesondere ist bevorzugt, dass die Änderungsrate des Durchmessers in Richtung der Achse unmittelbar an der Stirnfläche maximal ist und mit zunehmender Entfernung von der Stirnfläche abnimmt.
Die Innenwand des Zylinders kann im einfachsten Falle völlig frei von Versorgungsbohrungen für die Zufuhr von Druckgas in den Spalt zwischen Innenwand und Kolben sein. In diesem Fall kommt die Gasströmung durch den Spalt bei jeder Oszillation des Kolbens wenigstens einmal zum Erliegen, so dass zu diesem Zeitpunkt ein Kontakt zwischen dem Kolben und der Zylinderwand zustande kommen kann. Um insbesondere aber nicht ausschließlich in diesem Fall Reibverschleiß zwischen dem Kolben und der Zylinderwand zu begrenzen, kann der Kolben und/oder die Innenwand des Zylinders mit einer harten Beschichtung versehen sein. Die Beschichtung kann aus einem Carbid, zum Beispiel Wolframcarbid, DLC (diamond-like carbon) oder dergleichen bestehen.
Um das Druckgaslager auch zum Zeitpunkt maximaler Ausdehnung der Verdichtungskammer wirksam zu erhalten, können Versorgungsbohrungen für die Zufuhr von Druckgas in einer Innenwand des Zylinders so angeordnet sein, dass sie einen der Verdichtungskammer zugewandten Abschnitt des Kolbens an dem Wendepunkt der Kolbenbewegung beaufschlagen, an dem die Ausdehnung der Verdichtungskammer maximal ist. Diese Ausgestaltung erlaubt zumindest eine erhebliche Reduzierung der Zahl der Versorgungsbohrungen im Vergleich zu einem herkömmlichen Verdichter, bei dem die Lagerwirkung ausschließlich über durch Versorgungsbohrungen von außen zugeführtes Druckgas aufrechterhalten wird.
Um radiale Kräfte auf den Kolben, die diesen gegen die Innenwand des Zylinders drücken könnten, zu minimieren, hat der Verdichter zweckmäßigerweise ein Antriebsaggregat, das eine reine Linearbewegung ausführt. Ein solches Antriebsaggregat kann insbesondere einen an den Kolben gekoppelten magnetischen Anker umfassen, der in einem magnetischen Wechselfeld parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens antreibbar ist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch Kolben und Zylinder eines Verdichters gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch das Antriebsaggregat des Verdichters; Fig. 3 einen zu Fig. 1 analogen Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 4 einen entsprechenden Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung; und
Fig. 5 eine frontale Ansicht einer in der dritten Ausgestaltung verwendeten Hülse.
Der in Fig. 1 gezeigte Verdichter umfasst einen Zylinder 21 , der im Wesentlichen aus einem Rohrstück 22, einem ein Ende des Rohrstückes 22 überdeckenden Kopfblech 23 und einer an einer von dem Rohrstück 22 abgewandten Seite des Kopfbleches 23 befestigten Kappe 24 zusammengefügt ist. Rohrstück 22, Kopfblech 23 und ein in das Rohrstück 22 eingreifender Kolben 25 begrenzen eine Verdichtungskammer 26. Die Verdichtungskammer 26 kommuniziert über in der Figur schematisch dargestellte, vorzugsweise einteilig aus dem aus Federstahl bestehenden Kopfblech 23 geformte Ventile 27, 28 mit zwei in der Kappe 24 gebildeten Kammern 29, 30. Die Ventile 27, 28 sind Rückschlagventile, die einen Gasstrom jeweils nur von der oberen, saugseitigen Kammer 29 in die Verdichtungskammer 26 bei einer Auswärtsbewegung des Kolbens 25 bzw. von der Verdichtungskammer 26 in die untere, druckseitige Kammer 30 bei einer Einwärtsbewegung des Kolbens 25 zulassen.
Der Kolben hat eine dem Kopfblech 23 zugewandte, ebene Stirnfläche 31 , deren Durchmesser deutlich kleiner ist als der der Verdichtungskammer 26. An ihren Rändern geht die Stirnfläche 31 kontinuierlich gekrümmt in eine der Innenseite des Rohrstückes 22 zugewandte Mantelfläche 32 über. Die Mantelfläche 32 kann in Bewegungsrichtung des Kolbens 25 in drei Abschnitte gegliedert werden, einen zylindrischen Mittelabschnitt 33, dessen Durchmesser um höchstens wenige 10 μm kleiner als der der Verdichtungskammer 26 ist, so dass seine Bewegung in dem Rohrstück 22 spielarm und im wesentlichen schlingerfrei geführt ist, sowie, jeweils an den Mittelabschnitt 33 angrenzend, einen inneren und einen äußeren Abschnitt 34 bzw. 35, deren Durchmesser mit zunehmender Entfernung vom Mittelabschnitt 33 kontinuierlich abnimmt.
Die Breite des Spaltes 36 zwischen der Mantelfläche 32 und der Innenfläche des Rohrstückes 22 wächst mit zunehmendem Abstand vom Mittelabschnitt 33 schneller als linear. Der sich in dieser Weise zur Verdichtungskammer 26 trichterartig erweiternde Spalt 36 begünstigt das Eindringen von Druckgas aus der Verdichtungskammer 26, so dass in Höhe des Mittelabschnittes 33 der Gasstrom durch den an dieser Stelle engen Spalt 36 deutlich stärker ist als bei einem Kolben von exakt zylindrischer Gestalt. Durch diesen Gasstrom ist eine Lagerwirkung entsprechend der eines herkömmlichen Gasdrucklagers mit Gaszuführung in den Spalt über Versorgungsbohrungen realisierbar.
Die Gasdrucklagerwirkung ist nur dann kurzzeitig unterbrochen, wenn zwischen der Verdichtungskammer 26 und der Rückseite des Kolbens 25 keine Druckdifferenz besteht. Bei einem Verdichter, bei dem in herkömmlicher Weise der gesamte Zylinder 21 in einem hermetischen Gehäuse gekapselt ist und die Rückseite des Kolbens 25 mit der saugseitigen Kammer 29 kommuniziert, kann dies am vom Kopfblech 23 abgewandten Wendepunkt der Kolben beweg ung der Fall sein.
Falls auf dem Weg des Gases von der Kolbenrückseite über die saugseitige Kammer 29 und deren Ventil 27 in die Verdichtungskammer 26 Strömungshindernisse liegen, die dazu führen, dass während einer Auswärtsbewegung des Kolbens 25 der Druck in der
Verdichtungskammer 26 unter den Druck an der Kolbenrückseite abfällt - ein solches
Strömungshindernis kann insbesondere das Ventil 27 selbst sein - wird der Gasstrom im
Spalt 36 in jedem Bewegungszyklus des Kolbens zweimal - jeweils kurz vor Erreichen des vom Kopfblech 23 abgewandten Wendepunkts und danach - unterbrochen, und es kommt zu einer zeitweiligen Umkehrung der Strömungsrichtung des Gases im Spalt 36 zwischen Kolben 25 und Rohrstück 22. Um auch diesen in die Verdichtungskammer 26 gerichteten Gasstrom so zu verstärken, dass er eine Lagerwirkung entfaltet, nimmt auch im äußeren Abschnitt 35 der Durchmesser des Kolbens vom Mittelabschnitt 33 zu einer rückseitigen Stirnfläche 37 hin kontinuierlich ab.
Um Reibverschleiß durch eine Berührung von Kolben 25 und Rohrstück 22 zum Zeitpunkt des Stillstands des Gasstroms im Spalt 36 zu minimieren, ist die Mantelfläche 32 des Kolbens 25 wenigstens in ihrem mittleren Abschnitt 33 und/oder die Innenfläche des Rohrstücks 22 mit einer harten, abriebfesten Beschichtung, z.B. aus Wolframcarbid, DLC oder dergleichen versehen. Fig. 2 zeigt schematisch ein Antriebsaggregat, das zum Antreiben der oszillierenden Bewegung des Kolbens 25 über eine Kolbenstange 38 einsetzbar ist. Das Antriebsaggregat umfasst zwei E-förmige Joche 1 mit drei sich paarweise gegenüberliegenden Armen 3, 4, 5. Die einander zugewandten Enden der Arme 3, 4, 5 bilden jeweils einen Luftspalt 2 begrenzende Polschuhe 7. Um die mittleren Arme 4 herum ist jeweils eine Erregerwicklung 8 angebracht. Die zwei Erregerwicklungen 8 sind durch eine Steuerschaltung mit Strom beaufschlagbar, wobei die Stromrichtung in den beiden Erregerwicklungen 8 jeweils so festgelegt ist, dass die einander gegenüberliegenden Polschuhe 7 der mittleren Arme 4 ungleichnamige Magnetpole bilden. Die Polschuhe der äußeren Arme 3 und 5 bilden jeweils zum benachbarten mittleren Arm 4 ungleichnamige Magnetpole.
In dem Luftspalt 2 ist ein Anker 10 an zwei Federn 11 zwischen einem oberen und einem unteren (beziehungsweise einem rechten und linken Umkehrpunkt in der Darstellung der Fig. 2) Umkehrpunkt reversierend beweglich aufgehängt. Die Stellung des Ankers 10 am oberen Umkehrpunkt ist mit durchgezogenen Linien, die am unteren Umkehrpunkt gestrichelt dargestellt. Die Federn 11 sind jeweils aus einem Blechstück ausgestanzte Blattfedern mit mehreren zickzackförmig verlaufenden Armen 12. Die Arme 12 einer Feder 11 erstrecken sich jeweils spiegelbildlich zueinander von einem zentralen Angriffspunkt an dem Anker 10 zu Aufhängungspunkten 13 an einem nicht dargestellten starren Gestell, an dem auch die Joche 1 und der Verdichter verankert sind. Durch diese Gestaltung sind die Federn 11 in Längsrichtung des Ankers 10 und in jeder dazu orthogonalen Richtung schwer verformbar, so dass sie den Anker 10 in seiner Längsrichtung reversierbar führen.
Der im wesentlichen stabförmige Anker 10 umfasst in seinem mittleren Bereich einen vierpoligen Permanentmagneten 14. Während in einer entspannten Stellung der Federn 11 , in der die Arme 12 jeder Feder 1 1 im wesentlichen in einer gleichen Ebene liegen, der Magnet 14 zentral in dem Luftspalt 2 platziert ist und eine Grenzlinie 15 zwischen seinen in Fig. 1 linken und rechten Polen mittig durch die mittleren Arme 4 verläuft, wird durch Beaufschlagen der Wicklungen 8 mit einem Strom der Anker 10 je nach Stromrichtung nach links oder nach rechts ausgelenkt. Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters, der ebenfalls mit dem in Fig. 2 gezeigten Antriebsaggregat kombinierbar ist. Der Verdichter hat ein Kopfblech 23 mit Ventilen 27, 28 und eine Kappe 24 mit Kammern 29, 30, wie oben mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben. Ebenso hat der Kolben 25 einen Aufbau mit einem zylindrischen Mittelabschnitt 33 und sich zu den Stirnflächen 31 bzw. 37 hin verjüngenden inneren und äußeren Abschnitten 34, 35. In dem Rohrstück 22 ist eine Hülse 39 aufgenommen, die zusammen mit dem Kolben 25 und dem Kopfblech 23 die Verdichtungskammer 26 begrenzt. Zwischen der Hülse 39 und dem Rohrstück 22 befindet sich ein ringförmiger Hohlraum 40, der an seinem vom Kopfblech 23 abgewandten Ende durch einen O-Ring 41 oder dergleichen abgedichtet ist und über eine schräg durch das Rohrstück 22 und das Kopfblech 23 verlaufende Bohrung 42 mit der druckseitigen Kammer 30 kommuniziert.
Versorgungsbohrungen 43 mit einem Durchmesser von wenigen 10 μm kreuzen die Hülse 39. Die axiale Position der Versorgungsbohrungen 43 ist so gewählt, dass am von dem Kopfblech 23 abgewandten Umkehrpunkt der Kolbenbewegung, in der Figur durch einen gestrichelten Umriss des Kolbens 25 dargestellt, die Versorgungsbohrungen 42 in Höhe des Mittelabschnittes 33 des Kolbens liegen, während am dem Kopfblech 23 zugewandten Umkehrpunkt der Kolbenbewegung eine axiale Überschneidung der Positionen der Versorgungsbohrungen 43 und des Kolbens 25 nicht notwendigerweise gegeben sein muss. Wenn sich der Kolben 25 in der Nähe dieses dem Kopfblech 23 zugewandten Umkehrpunktes befindet, ist der Überdruck in der Verdichtungskammer 26 ausreichend, um einen für die gewünschte Lagerwirkung ausreichenden Gasstrom durch den Spalt 36 aufrecht zu erhalten. Wenn sich der Kolben 25 in der Nähe des vom Kopfblech 23 abgewandten Umkehrpunktes befindet, an dem kein Überdruck in der Verdichtungskammer 26 einen Gasstrom durch den Spalt 36 antreibt, wird die Druckgaslagerwirkung durch die Versorgungsbohrungen 43 aufrechterhalten, so dass es in keiner Phase der Oszillationsbewegung des Kolbens 25 zu einem Kontakt mit der Hülse 39 kommt.
Durch die Wirkung des Ventils 28 wird in der Kammer 30 ein kontinuierlicher Überdruck aufrechterhalten, auch während sich der Kolben 25 von dem Kopfblech 23 fortbewegt. Dieser kontinuierliche Überdruck erlaubt eine kontinuierliche Speisung der Versorgungsbohrungen 43 mit Druckgas. Denkbar ist aber auch, die Durchgangseigenschaften der Bohrung 42 und des Hohlraumes 40 so zu optimieren, dass ein Druckstoß, der in der Kammer 30 immer dann auftritt, wenn das Ventil 28 öffnet und komprimiertes Gas aus der Verdichtungskammer 26 in die Kammer 30 nachströmt, sich durch die Bohrung 42 und den Hohlraum 40 ausbreitet und die Versorgungsbohrungen 43 dann erreicht, wenn sich der Kolben 25 vor diesen Versorgungsbohrungen 43 befindet. Hierdurch kann die für die Lagerung des Kolbens 25 benötigte Druckgasmenge weiter reduziert werden.
Da nur eine relativ kleine Zahl von Versorgungsbohrungen 43 benötigt wird, ist auch hier eine Verringerung des Fertigungsaufwandes im Vergleich zu einem herkömmlichen druckgasgelagerten Verdichter mit axial verteilten Versorgungsbohrungen realisierbar.
Eine harte Beschichtung wie oben beschrieben kann auch bei dieser Ausgestaltung am Kolben 25 und/oder dem Rohrstück 22 vorgesehen sein, um Reibverschleiß jeweils bei Inbetriebnahme des Verdichters, wenn der Druck in der Kammer 30 noch nicht ausreicht, um an den Versorgungsbohrungen 43 Lagerwirkung zu entfalten, zu vermeiden.
Fig. 4 zeigt einen zu Fig. 1 und 3 analogen Schnitt durch eine dritte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verdichters. Auch hier sind die Kappe 24, das Kopfblech 23 und der Kolben 25 mit den in Fig. 1 gezeigten identisch. Der Innenraum des Rohrstückes 22 ist lediglich an seinem vom Kopfblech 23 abgewandten Ende erweitert, und in die Erweiterung ist eine Hülse 44 eingefügt, die an eine Schulter 48 der Erweiterung anschlägt und deren Innenfläche mit der Innenfläche des nicht erweiterten Teiles des Rohrstückes 22 bündig abschließt. Rohrstück 22 und Hülse 44 begrenzen einen Ringkanal 45, der über eine Bohrung 42 mit der druckseitigen Kammer 30 kommuniziert.
Fig. 5 zeigt eine frontale Ansicht der Hülse 44. Man erkennt, dass in eine Stirnseite 46 der Hülse, die im montierten Zustand an einer die Aufweitung begrenzenden Schulter des Rohrstückes 22 anliegt, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Kerben 47 eingeprägt sind. Anders als Bohrlöcher sind die Kerben 47 mit einer Breite und Tiefe von wenigen 10 μm und einer praktisch beliebigen Länge gleichzeitig und mit geringem Aufwand realisierbar. Zusammen mit der Schulter 48 des Rohrstückes 22 begrenzen sie
Versorgungsdurchgänge 43, über die Druckgas aus dem Ringkanal 45 ins Innere des Rohrstückes 22 einströmen und den Kolben 25 in der Umgebung seines vom Kopfblech 23 abgewandten Umkehrpunktes gelagert halten kann.

Claims

Patentansprüche
1. Verdichter mit einem Zylinder (22, 23) und einem in dem Zylinder (22, 23) oszillierend bewegbaren und quer zur Bewegungsrichtung spielbehafteten Kolben (25), wobei eine Stirnfläche (31 ) des Kolbens (25) in dem Zylinder (22, 23) eine Verdichtungskammer (26) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kolben (25) einen zu der Stirnfläche (31 ) hin abnehmenden Durchmesser aufweist.
2. Verdichter nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (25) einen der Verdichtungskammer (26) benachbarten Abschnitt (34) mit dem zu der
Stirnfläche (31 ) hin abnehmenden Durchmesser und einen Führungsabschnitt (33) mit gleichbleibendem Durchmesser aufweist.
3. Verdichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (25) ferner einen von der Verdichtungskammer (26) abgewandten Abschnitt (35) mit zu einer rückwärtigen Stirnfläche (37) des Kolbens (25) hin abnehmendem Durchmesser aufweist.
4. Verdichter nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abnahme des Durchmessers stetig ist.
5. Verdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderungsrate von der Mitte (33) des Kolbens zu der Stirnfläche (31 ; 37) hin anwächst.
6. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (22, 23) eine Innenwand aufweist, die frei von Versorgungsbohrungen für die Zufuhr von Druckgas in einen Spalt (36) zwischen Innenwand und Kolben (25) ist.
7. Verdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass
Versorgungsbohrungen (43) für die Zufuhr von Druckgas in einer Innenwand (39) des Zylinders (22, 23) angeordnet sind, um einen der Verdichtungskammer (26) zugewandten Abschnitt (33,34) des Kolbens (25) an einem Wendepunkt der Kolbenbewegung zu beaufschlagen, an dem die Ausdehnung der Verdich- tungskammer (26) maximal ist.
8. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (25) und/oder eine Innenwand des Zylinders (22, 23) mit einer harten Beschichtung versehen ist.
9. Verdichter nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Carbid umfasst.
10. Verdichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Kolben (25) an einen magnetischen Anker (10) gekoppelt ist, der in einem magnetischen Wechselfeld parallel zur Bewegungsrichtung des Kolbens (25) antreibbar ist.
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