EP2908010B1 - Kolbenstange für Kolbenkompressoren und Kolbenkompressor - Google Patents

Kolbenstange für Kolbenkompressoren und Kolbenkompressor Download PDF

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EP2908010B1
EP2908010B1 EP15151804.0A EP15151804A EP2908010B1 EP 2908010 B1 EP2908010 B1 EP 2908010B1 EP 15151804 A EP15151804 A EP 15151804A EP 2908010 B1 EP2908010 B1 EP 2908010B1
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EP
European Patent Office
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piston
piston rod
cavity
solid
filled
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EP2908010A2 (de
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Klaus Hoff
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NEUMAN & ESSER & Co KG GmbH
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NEUMAN & ESSER & Co KG GmbH
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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
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/14—Pistons, piston-rods or piston-rod connections
    • F04B53/144—Adaptation of piston-rods
    • 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
    • F04B39/0022—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 piston rods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B39/06—Cooling; Heating; Prevention of freezing
    • 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
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/08—Cooling; Heating; Preventing freezing

Definitions

  • the present invention relates to a piston rod for reciprocating compressors, which has a base body with a piston-facing end, a piston-remote end and at least one cavity. Furthermore, the invention relates to a piston compressor with such a piston rod.
  • compressors and in particular reciprocating compressors are used for the compression of liquids or gases.
  • compressors with oil lubrication are preferably used.
  • This oil lubrication has the task of producing predominantly hydrodynamic tribological contact between the sliding partners on the piston and guide rings and on the sealing rings of the piston rod seal. By this tribological contact very low rates of wear of these sealing elements can be achieved. Thus, service life of lubricated machines of over 25,000 hours without significant wear can be achieved.
  • oil lubrication there is a risk that lubricants are dissolved in the gases or liquids to be compressed. Consequently, the oil-lubricated compressors are unsuitable for sensitive media such as those used in the food industry or in the medical field.
  • sealing elements are used for example in the DE 10 2006 015 327 B9 described.
  • materials for piston rod seals mainly plastics, for example, filled polymers enforced.
  • a commonly used polymer material is, for example, polytetrafluoroethylene.
  • Solids such as amorphous carbon, graphite, glass fibers, metals, ceramics or solid lubricants are incorporated into the PTFE matrix.
  • a plurality of piston rod sealing rings at least two in the axial direction, arranged one behind the other and form a sealing element set, which is also referred to as a seal pack.
  • the sealing rings of the piston rod seal are in the so-called gasket, which is also referred to as stuffing box arranged.
  • the chambers of the packing are usually cooled with water. However, the cooling is not very effective because a process gas located between the contact surface and the chambers prevents good heat flow.
  • DE-PS 340 086 discloses a piston rod for double-acting internal combustion engines, which has a central bore and a number lying in the vicinity of the surface of the rod bores, so that the surface is cooled by a coolant flowing through the bores.
  • this device has the disadvantage that connections for the coolant flowing through must be provided on the piston rod. Furthermore, a circulating pump must be operated permanently during operation, which pumps the coolant through the piston rod. Both the connections, as well as the pump increase the cost and maintenance of such cooled piston rods. Furthermore, an unnoticed failure of the circulation pump leads to an immediate increase in the temperature of the piston rod and, consequently, damage to the same. Thus, the functionality of the circulation pump must be constantly monitored during operation, which is also associated with increased costs and time.
  • a piston rod which has at least one coolant supply channel and at least one coolant discharge channel.
  • the piston rod has an axial blind bore and the mindeseinedehoffzu 1500kanal and the at least oneoniastoffab technologicalkanal are each arranged laterally to this blind bore.
  • the blind bore results in a reduction in weight, so that when the piston rod is operated horizontally it is intended to reduce friction and thus reduce wear.
  • the JP S63215884 A discloses a piston rod having a cavity divided by a flap into two sections. In a portion of this cavity is a small amount of a cooling liquid, which is moved by the piston movement within the cavity back and forth, evaporated and condensed there.
  • the DE 44 05 091 A1 describes a heat pipe device with a piston rod that is hollow and filled with a certain amount of working fluid. Due to the combustion process occurring in a combustion chamber of a cylinder, a heat flow flows into the head of the piston and into the piston mounting area. From there, part of the heat flow flows into the Piston rod, the wall of which is strongly heated piston head side. The heat is transferred to the working fluid contained in the interior of the piston rod, which thereby evaporates.
  • the GB 771 247 A discloses a soldering iron whose soldering tip consists of an iron shell with a copper core.
  • the copper material should serve to conduct the heat to the tip.
  • the US 2,256,479 A describes a rotor blade of a gas turbine whose core consists of a copper material whose end portion in a chamber contacts a hot cooling liquid.
  • the GB 558 405 A relates to a spark plug with a copper core.
  • the piston rod according to the invention for reciprocating compressors has a base body with a piston-facing end, a piston-remote end and at least one cavity.
  • the piston rod is characterized that the cavity is filled with a solid whose specific thermal conductivity is greater than that of the main body.
  • Under the piston-facing end of the body is understood to be the end of the piston rod, which has the smallest distance to the piston when installed in a compressor.
  • the end remote from the piston represents the opposite end of the piston, which is connectable via a connecting portion in particular with a crosshead.
  • the piston rod may have exactly one cavity which is filled with solids. It is preferred to provide at least two solid cavities.
  • piston rods made of a single material can be dissipated by the filling of the cavity in the body with a solid which has a higher specific thermal conductivity compared to the body, the resulting at the contact point between piston rod seal and piston rod heat energy significantly faster from the seal packing area , The forming within the piston rod temperature gradient between the end facing the piston and the end facing away from the piston is thus significantly reduced compared to the prior art. Consequently, the non-piston end has an elevated temperature so that the heat energy can be dissipated more quickly and effectively by convection to the environment. This allows a much more efficient cooling of the seals of the piston rod seal against piston rods of a single material.
  • the piston rods filled with a solid have a significantly simplified construction. Additional peripherals, such as a pump, are not necessary. Even complex connection constructions for liquid transport are eliminated. Thus, the filled with solid piston rods on a significantly reduced production and maintenance costs and a concomitant cost reduction while good cooling of the piston rod.
  • the piston rod therefore preferably has no cavities for the passage of cooling liquids or internals, such. Pipes, for the passage of coolant. Also, with the exception of vent holes, the piston rod may not have any e.g. chambers filled with air, in particular between the solid and the base body, since such chambers would impair the thermal conductivity of the entire piston rod.
  • the filled with the solid cavity is limited by the body. This means that the solid rests against the base body, whereby the heat energy to be dissipated can be absorbed and discharged directly by the solid.
  • Closure means for the cavity e.g. are arranged in the filling opening for the solid, and optionally provided vents, which are provided on the cavity.
  • the formation of the transfer film is favorably influenced by tribochemical processes between the sealing rings and the piston rod.
  • the wear rate decreases, whereby the life of the sealing rings and thus the entire piston compressor is extended.
  • the specific thermal conductivity of the solid is> 75 W / (m ⁇ k), particularly preferably> 100 W / (m ⁇ k) and in particular> 200 W / (m ⁇ k).
  • piston rod seals can be cooled much more effectively with high thermal conductivity. It is achieved a significantly improved cooling compared to piston rods, which consist of only a homogeneous body.
  • the solid consists of at least one material selected from the group copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, silver and silver alloy.
  • the solid may consist of one of the mentioned materials or else of a mixture of the materials.
  • Both copper, aluminum, silver, and their alloys are each characterized by high thermal conductivity.
  • copper has a thermal conductivity of 400 W / (m ⁇ K), aluminum of 235 W / (m ⁇ K) and silver of 430 W / (m ⁇ K). Due to the relatively high thermal conductivity and the favorable material price, in particular copper or a copper alloy is preferred as a solid.
  • the body can be filled quickly, effectively and inexpensively with the respective solids.
  • the base body has at least one cavity, which is filled with the solid, preferably completely.
  • the main body can be prepared in advance independently of the solid and then filled with the desired solid. The thermal properties can thus be adapted to different requirement profiles of the piston rod.
  • the solid is preferably melted and poured in the liquid state into the cavity.
  • the solid can also be pressed directly into the cavity.
  • a cavity is advantageous, which extends from the end facing the piston at least partially up to the piston end remote from the base body.
  • the piston-facing end is closer to the piston rod seal than the piston-remote end. It is therefore advantageous if the cavity with the solid also begins at this end of the piston rod and extends from there in the direction of the piston-remote end, wherein the cavity does not have to extend completely to this end. The heat energy can be further dissipated from the gasket area the longer this cavity is, which in turn improves the cooling process. It is therefore advantageous if: L H ⁇ 0.3 ⁇ L G , in particular L H ⁇ 0.5 ⁇ L G , where L H denotes the length of the cavity and L G denotes the length of the main body. Preferably, L H ⁇ 0.6 ⁇ L G, and more preferably L H ⁇ 0.75 ⁇ L G.
  • L H L F , where L F denotes the length of the solid-filled cavity section.
  • L F denotes the length of the solid-filled cavity section.
  • L F ⁇ 0.3 L G in particular L F ⁇ 0.5 L G.
  • L F ⁇ 0.6 L G and more preferably L F ⁇ 0.75 L G.
  • the length L F of the solid filled cavity portion extends at least the length of the contact portion of the piston rod contacted by the piston rod seal upon reciprocation of the piston rod.
  • the volume of the cavity and thus the volume of the solid at full filling of the cavity is at least 25%, more preferably at least 50% of the volume of the entire piston rod.
  • the volume of the solid is preferably at least 10%, preferably at least 25%, in particular at least 50%, of the volume of the entire piston rod. The more solid contained in the body, the faster the heat is dissipated.
  • the cavity is in a further advantageous embodiment, a cylindrical cavity, for whose radius R H preferably applies: R H ⁇ 0.5 ⁇ R G , where R G is the radius of the main body of the piston rod.
  • R H preferably applies: R H ⁇ 0.5 ⁇ R G , where R G is the radius of the main body of the piston rod.
  • R G is the radius of the main body of the piston rod.
  • Piston rods for reciprocating compressors generally have a round cross-section. This cross-section allows optimal distribution of force and load within the piston rod. A cylindrical cavity within this piston rod has no significant influence on these load distributions, so that the mechanical stability of the piston rod is only slightly impaired by the cavity. Furthermore, a cylindrical cavity in the piston rod can be easily realized by, for example, a bore. An advantageous embodiment therefore provides that the cavity is a blind hole.
  • the blind hole is preferably introduced from the piston-facing end into the piston rod.
  • the bore ends before the end facing away from the piston, so that only one inlet opening into the cavity, but no outlet opening is formed.
  • a cavity, which is formed by a blind hole, can be produced quickly and inexpensively, on the other hand, this cavity can also be easily filled with the solid.
  • the cavity of the piston rod is closed in a likewise advantageous embodiment of the piston-facing end by means of a connecting pin for the piston.
  • a connecting pin for the piston for example, a thread is cut in or on the end facing the piston, so that the connection pin can be screwed into or screwed into the piston rod.
  • This embodiment allows for quick assembly of the piston rod to the piston.
  • the closure of the cavity protects the solid from external environmental influences. In particular, a favored by the high temperatures oxidation is prevented. This could possibly have negative effects on, for example, the thermal conductivity of the solid.
  • the main body of the piston rod has a cavity, for example in the form of a blind hole, this cavity is preferably provided in the longitudinal axis of the piston rod.
  • the main body of the piston rod has two or more cavities which are each filled with a solid, then these cavities can be filled with the same or with different solids.
  • the cavities preferably extend parallel to one another and / or parallel to the longitudinal axis of the piston rod through the base body.
  • the cavities are preferably arranged on a circle about the longitudinal axis of the base body, preferably evenly distributed.
  • Two or more cavities within the body have the advantage that they can be arranged closer to the surface of the piston rod, without affecting the stability of the piston rod negative.
  • the cavities may be cylindrical and arranged side by side. It is also possible to provide annular cavities which are arranged concentrically. Concentric cavities may also be combined with a cylindrical cavity in the longitudinal axis of the piston rod.
  • the base body has at least one vent opening.
  • This at least one vent opening is preferably formed as a vent hole and preferably extends from the piston end remote from the cavity completely through the main body of the piston rod to the outside.
  • the vent hole may be arranged parallel or perpendicular to the cavity and / or to the longitudinal axis of the piston rod.
  • a venting opening is preferably arranged on each cavity.
  • a vent opening offers the further advantage that the risk of air inclusions during the filling process of the at least one cavity with the solid is greatly reduced. Consequently, the filling process of the cavity simplified, which in turn allows a shorter and more cost-effective production of the piston rod.
  • the invention in addition to a piston rod, relates to a reciprocating compressor having a piston and a piston cylinder having an unlubricated piston rod seal.
  • This piston compressor is characterized in that the piston is connected to a piston rod according to claim 1.
  • the piston rod seal contacts a contact portion on the piston rod due to the reciprocating motion of the piston rod.
  • a solid filled cavity portion extends at least over the contact portion.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a reciprocating compressor 10.
  • the reciprocating compressor 10 has a cylinder 11 which is closed at a first end 11a and at a second end 11b has an opening 18 for the passage of a piston rod 20.
  • a piston 12 In the interior of the cylinder 11, a piston 12 is arranged to be movable in the direction of the longitudinal axis L of the compressor 10.
  • the piston 12 has piston seals 17 and a connection pin 15, which connects the piston 12 with the piston rod 20.
  • the connecting pin 15 extends through the piston 12 and is connected to the piston 12 with a first end 15a. With a second end 15 b of the connecting pin 15 is fixed to the piston rod 20.
  • the piston rod 20 has a piston-facing end 20a and a piston-remote end 20b, wherein the piston-facing end 20a is connected to the connecting pin 15.
  • the piston rod 20 has a base body 21 made of a steel material with a connecting portion 22 to which a crosshead (not shown) can be attached.
  • the main body 21 is partially filled with a solid 26, which has a higher thermal conductivity than the material of the main body 21.
  • the piston rod 20 a cavity 24 which is formed as a blind hole 23 and which is filled with the solid 26.
  • the main body 21 of the piston rod 20 extends through a piston rod seal 13 which is arranged at the second end 11b of the cylinder 11 and which has a plurality of sealing chambers 13a-f with sealing rings 14 which, for example, consist of PTFE. It is an unlubricated piston rod seal 13, which forms in operation between the sealing rings 14 and the base 21 of the piston rod 20 of the above-explained transfer film.
  • the solid filling extends from the piston-facing end 20a to the connecting portion 22, so that not only the contact portion 28 of the piston rod 20, which is contacted during the reciprocation of the piston rod of the piston rod seal 13, but also the exposed portion of the piston rod 20th between the contact portion 28 and the connecting portion 22 is filled with solid such as copper or a copper alloy.
  • solid such as copper or a copper alloy.
  • FIG. 2a In the FIG. 2a is the one in the FIG. 1 contained piston rod 20, which has a length L G , shown enlarged with the connecting pin 15 in section.
  • the blind hole 23 which is located in the longitudinal axis L of the piston rod 20 and has been introduced from the end 20a facing the piston in the main body 21 of the piston rod 20.
  • the blind bore 23 has the length L H and extends to the front of the connecting portion 22.
  • L F the length of the cavity 26 filled with solids cavity portion 24 'is designated.
  • Both L H and L F are ⁇ 0.5 ⁇ L G.
  • the solid 26 By means of the cavity opening 27 located at the end facing the piston 20a, the solid 26 is introduced into the cavity 24 formed by the blind bore 23. After filling with solid 26, the cavity opening 27 is closed by means of the connecting pin 15. The cavity 24 is completely filled with the solid 26 except for the area where the connecting pin 15 is arranged.
  • an internal thread 25 is provided on the inside of the main body 21 of the piston rod 20 at the end 20a facing the piston, and an external thread 16 corresponding to the internal thread 25 is provided on the outside of the second end 15b of the connecting pin 15.
  • a piston rod 20 is shown, in addition to the already in FIG. 2a described cavity 24 of the piston rod 20 has a vent opening 29a.
  • This vent opening 29a is formed as a vent hole and facilitates the filling of the cavity 24 with the solid 26, since the excess air can escape from the cavity 24 through this vent hole.
  • the vent bore extends parallel to the longitudinal axis L and in particular on the longitudinal axis L from the end of the cavity 24 to the piston end facing away from the piston rod 20. In the illustration shown here is also in the vent bore of the solid 26th
  • FIG. 3 is a section along the line AA through the in FIG. 2a shown piston rod 20 which has a cylindrical base body 21.
  • R H1 the radius of the blind hole 23 and thus the radius of the cavity 24 is referred to.
  • R G is the radius of the cylindrical body 21, where R H1 > 0.5 ⁇ R G.
  • the main body 21 may also other cross-sections such. B. rectangular or oval. Also, a plurality of blind holes 23 can be introduced into the main body 21, which are filled with solid 26.
  • FIG. 4 is like in the FIG. 1 a piston compressor 10 is shown. Unlike the FIG. 1 has the piston rod 20 of the FIG. 4 two cavities 24, which are each filled with a solid 26. Furthermore, a vent 29b is arranged in each case at the piston end remote from the cavities 24. These vent openings 29b preferably extend perpendicular to the longitudinal axis L through the main body 21 of the piston rod 20th
  • FIG. 5 In the FIG. 5 is the piston rod 20, which has a length L G , with the connecting pin 15 in section, similar to FIG. 2 represented.
  • the blind holes 23 In contrast to the piston rod 20 off FIG. 2 are in the main body of the piston rod 20 of the FIG. 5 two cavities 24 in the form of blind holes 23, which have been introduced from the piston-facing end 20a in the main body 21 of the piston rod 20.
  • the blind holes 23 each have the length L H and extend parallel to each other to the front of the connecting portion 22.
  • the solid-filled cavity portion 24 ' of the cavity 24 has a length L F. It is also possible for the blind bores 23 to extend into the connecting section 22. In addition, the lengths of the two blind holes 23 may be the same or different.
  • At the ends of the cavities 24 facing away from the piston in each case at least one ventilation opening 29b is arranged in the form of a ventilation bore. These extend, as already in connection with the FIG. 4 has been explained, preferably from the cavity 24 perpendicular to the longitudinal axis L completely through the main body 21 of the piston rod 20.
  • the vent holes contain no solids 26th
  • each cavity 24 can be filled with the same but also with different solids 26.
  • the cavity opening 27 is closed by means of the connecting pin 15.
  • an internal thread 25 and on the outside of the second end 15b of the connecting pin 15 to the internal thread 25 corresponding external thread 16 is provided.
  • FIG. 6 is a section along the line BB through the in FIG. 5 shown piston rod 20 which has a cylindrical base body 21.
  • the two cavities 24 are arranged off-center and close to the surface of the main body 21.
  • R H2 in each case the radius of the cavities 24 and thus the radius of the blind holes 23 is designated. This radius may be identical or different for each blind hole 23.
  • R G is the radius of the cylindrical basic body 21, wherein in the case where the radii R H2 of the blind bores 23 are equal: 2 ⁇ R H2 > 0.5 ⁇ R G.
  • the blind-hole bores 23 have different radii R H2 , the following applies preferably: the sum of the radii R H2 > 0.5 R G.
  • the main body 21 may also other cross-sections such. B. rectangular or oval.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kolbenstange für Kolbenkompressoren, die einen Grundkörper mit einem kolbenzugewandten Ende, einem kolbenabgewandten Ende und mindestens einen Hohlraum aufweist. Ferner betrifft die Erfindung einen Kolbenkompressor mit einer solchen Kolbenstange.
  • Standardmäßig kommen für die Verdichtung von Flüssigkeiten oder Gasen Kompressoren und insbesondere Kolbenkompressoren zum Einsatz. Um die zwischen den beweglichen Bauteilen der Kompressoren auftretenden Reibungskräfte zu minimieren werden bevorzugt Kompressoren mit Ölschmierung eingesetzt. Diese Ölschmierung hat die Aufgabe an den Kolben- und Führungsringen und an den Dichtringen der Kolbenstangendichtung einen vorrangig hydrodynamischen tribologischen Kontakt zwischen den Gleitpartnern herzustellen. Durch diesen tribologischen Kontakt können sehr geringe Verschleißraten dieser Dichtelemente erzielt werden. Somit sind Standzeiten von geschmierten Maschinen von über 25000 Stunden ohne nennenswerten Verschleiß erreichbar.
  • Durch die Ölschmierung besteht jedoch die Gefahr, dass Schmiermittel in den zu verdichtenden Gasen oder Flüssigkeiten gelöst werden. Folglich sind die ölgeschmierten Kompressoren für sensible Medien, wie sie beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder im medizinischen Bereich verwendet werden, ungeeignet.
  • Um dieses Problem zu umgehen, werden Kolbenkompressoren vermehrt mit Kolbenstangendichtungen ohne Ölschmierung eingesetzt. Dies wurde durch die Entwicklung von Dichtelementen auf Kunststoffbasis möglich.
  • Derartige Dichtelemente werden beispielsweise in der DE 10 2006 015 327 B9 beschrieben. Als Materialien haben sich für Kolbenstangendichtringe hauptsächlich Kunststoffe, beispielsweise aus gefüllten Polymeren, durchgesetzt. Ein häufig verwendetes Polymermaterial ist beispielsweise Polytetrafluorethylen. In die PTFE-Matrix werden Feststoffe wie amorpher Kohlenstoff, Graphit, Glasfasern, Metalle, Keramik oder Festschmierstoffe eingebracht. Zur Erhöhung der Standzeit werden üblicherweise mehrere Kolbenstangendichtringe, mindestens zwei in axialer Richtung, hintereinander angeordnet und bilden einen Dichtelementsatz, der auch als Dichtungspackung bezeichnet wird.
  • Ohne die vorhandene Ölschmierung kommt es jedoch zu starken Veränderungen der tribologischen Eigenschaften an den Kontaktstellen der Gleitpartner. Aus dem hydrodynamischen tribologischen Kontakt wird ein tribochemischer Kontakt, der nur dann zu guten Gleitwerten und geringen Verschleißraten führt, wenn sich ein sogenannter Transferfilm ausbildet. Durch mechanische/physikalische Kräfte zwischen den Gleitpartnern kommt es hierbei zu strukturellen Veränderungen der Oberfläche der Gleitschicht. Dies können Oberflächenvergrößerungen, Verringerung von Teilchengrößen, Entstehung frischer Oberflächen, Materialabrieb und teilweise auch Phasenumwandlungen sein, was allgemein unter den Begriffen tribochemischer Kontakt oder tribochemischer Prozess zusammengefasst wird. Dieser Transferfilm muss sich jedoch permanent durch weitere tribochemische Prozesse erneuern. Sobald sich ein stationärer Erneuerungsvorgang eingestellt hat, sind geringe Reibwerte und Verschleißraten möglich, welche aber nach wie vor deutlich über denen der ölgeschmierten Gleitpartner liegen. Üblicherweise können im Trockenlauf heutzutage nur ca. 8000 Betriebsstunden gewährleistet werden.
  • Durch die erhöhten Reibwerte der ölfreien Gleitpartner kommt es durch die Bewegung der Kolbenstange zu einer verstärkten Entwicklung von Reibwärme und damit zu einer erhöhten Temperatur an den Kontaktstellen.
  • Umfangreiche tribologische Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass sich diese erhöhte Temperatur wiederum negativ auf die Verschleißraten der Gleitpartner auswirkt. Dies kann im schlimmsten Fall zu einem vorzeitigen Ausfall des Kompressors führen. Eine effektive Kühlung der Gleitpartner stellt somit ein Hauptproblem bei Trockenschmierungen dar.
  • An den Kolben- und Führungsringen ist eine Kühlung gut zu realisieren, da die Zylinderlaufbüchse und damit auch die Kontaktstelle zwischen Kolben und Zylinderlaufbüchse gekühlt werden kann, jedoch nicht bei einer Kolbenstangendichtung.
  • Die Dichtringe der Kolbenstangendichtung sind in der sogenannten Dichtungspackung, die auch als Stopfbuchse bezeichnet wird, angeordnet. Die Kammern der Dichtungspackungen werden üblicherweise mit Wasser gekühlt. Die Kühlung ist jedoch nicht sehr effektiv, da ein zwischen der Kontaktfläche und den Kammern befindliches Prozessgas einen guten Wärmedurchfluss verhindert.
  • Ein Großteil der eingebrachten Reibungswärme wird über die Wärmeleitung entlang der Kolbenstange von dem Bereich der Dichtungspackung in einen von der Dichtungspackung entfernten Bereich transportiert. Dort wird die Wärme schließlich durch die erzwungene Konvektion der bewegten Kolbenstange an die Umgebung abgeführt.
  • Konventionelle Kolbenstangen bestehen jedoch aus beispielsweise Stahlwerkstoffen und weisen somit nur geringe Wärmeleitfähigkeiten (Stahl: 15-58 W/(m·K)) auf. Diese geringe Wärmeleitfähigkeit führt zwangsläufig zu einem starken Temperaturgefälle von dem Dichtungspackungsbereich (hohe Temperatur) zu dem von der Dichtungspackung entfernten Bereich (niedrige Temperatur).
  • Um jedoch eine verbesserte Kühlung der Kolbenstange zu ermöglichen sind aus dem Stand der Technik aktiv gekühlte Kolbenstangen bekannt.
  • So wird beispielsweise in der DE-PS 340 086 eine Kolbenstange für doppelt wirkende Verbrennungsmotoren offenbart, die eine zentrale Bohrung und eine Anzahl in der Nähe der Oberfläche der Stange liegender Bohrungen aufweist, so dass die Oberfläche durch ein durch die Bohrungen strömendes Kühlmittel kühlbar ist.
  • Diese Vorrichtung hat jedoch den Nachteil, dass an der Kolbenstange Anschlüsse für das durchströmende Kühlmittel vorgesehen sein müssen. Desweiteren muss im laufenden Betrieb permanent eine Umwälzpumpe betrieben werden, die das Kühlmittel durch die Kolbenstange pumpt. Sowohl die Anschlüsse, als auch die Pumpe erhöhen den Kosten- und Wartungsaufwand solcher gekühlten Kolbenstangen. Desweiteren führt ein unbemerkter Ausfall der Umwälzpumpe zu einem sofortigen Anstieg der Temperatur der Kolbenstange und damit einhergehend zu einer Schädigung derselben. Somit muss die Funktionsfähigkeit der Umwälzpumpe im laufenden Betrieb permanent überwacht werden, was ebenfalls mit einem erhöhten Kosten- und Zeitaufwand verbunden ist.
  • Aus der DE 199 01 868 B4 ist eine Kolbenstange bekannt, die mindestens einen Kühlmittelzuführkanal und mindestens einen Kühlmittelabführkanal aufweist. Zusätzlich weist die Kolbenstange eine axiale Sackbohrung auf und der mindeseine Kühlmittelzuführkanal und der mindestens eine Kühlmittelabführkanal sind jeweils seitlich zu dieser Sackbohrung angeordnet.
  • Ergänzend zu einer Kühlung durch die Kühlmittelkanäle erfolgt durch die Sackbohrung eine Gewichtsreduktion, so dass bei horizontalem Betrieb der Kolbenstange eine Reibungsminderung und damit Verschleißminderung erzielt werden soll.
  • Dadurch, dass die Kolbenstange der DE 199 01 868 B4 ebenfalls aktiv mittels Kühlmittel gekühlt wird, treten jedoch die gleichen Nachteile auf, wie sie im Zusammenhang mit der DE-PS 340 086 erläutert wurden.
  • Auch aus der CH 163 967 und der DE-PS 521 491 sind jeweils flüssigkeitsgekühlte Kolbenstangen bekannt, die zwar eine Temperaturverringerung der Kolbenstange bewirken, jedoch ebenfalls die gleichen Nachteile der DE-PS 340 086 aufweisen.
  • Die JP S63215884 A offenbart eine Kolbenstange mit einem Hohlraum, der durch eine Klappe in zwei Abschnitte unterteilt ist. In einem Abschnitt dieses Hohlraumes befindet sich eine geringe Menge einer Kühlflüssigkeit, die durch die Kolbenbewegung innerhalb des Hohlraumes hin und her bewegt wird, verdampft und dort kondensiert.
  • Die DE 44 05 091 A1 beschreibt eine Wärmerohrvorrichtung mit einer Kolbenstange, die hohl ist und mit einer bestimmten Menge einer Arbeitsflüssigkeit gefüllt wird. Durch den in einem Verbrennungsraum eines Zylinders erfolgenden Verbrennungsprozess fließt ein Wärmestrom in den Kopf des Kolbens und in den Kolbenbefestigungsbereich. Von dort fließt ein Teil des Wärmestroms in die Kolbenstange, deren Wandung kolbenkopfseitig dadurch stark erhitzt wird. Die Wärme wird an die im Innenraum der Kolbenstange befindliche Arbeitsflüssigkeit übertragen, die dadurch verdampft.
  • Die GB 771 247 A offenbart einen Lötkolben, dessen Lötspitze aus einem Eisenmantel mit einem Kupferkern besteht. Das Kupfermaterial soll dazu dienen, die Wärme zur Spitze zu leiten.
  • Die US 2,256,479 A beschreibt ein Rotorblatt einer Gasturbine, dessen Kern aus einem Kupfermaterial besteht, dessen Endabschnitt in einer Kammer eine Heißkühlflüssigkeit kontaktiert.
  • Die GB 558 405 A betrifft eine Zündkerze mit einem Kupferkern.
  • Somit ist es Aufgabe der Erfindung eine Kolbenstange für Kolbenkompressoren bereit zu stellen, die einen guten Wärmeabfluss von dem Dichtungspackungsbereich und damit eine zuverlässige Kühlung der Kolbenstangendichtung ermöglicht und gegenüber dem Stand der Technik einfacher herzustellen, robuster und wartungsunempfindlicher ist.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit einer Kolbenstange gemäß Patentanspruch 1 und einem Kolbenkompressor gemäß Patentanspruch 11. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beansprucht.
  • Die erfindungsgemäße Kolbenstange für Kolbenkompressoren weist einen Grundkörper mit einem kolbenzugewandten Ende, einem kolbenabgewandten Ende und mindestens einen Hohlraum auf. Die Kolbenstange ist dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum mit einem Feststoff gefüllt ist, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit größer als die des Grundkörpers ist.
  • Unter dem kolbenzugewandten Ende des Grundkörpers wird das Ende der Kolbenstange verstanden, welches beim Einbau in einen Kompressor den geringsten Abstand zu dem Kolben aufweist. Das kolbenabgewandte Ende stellt das dem kolbenzugewandten Ende gegenüberliegende Ende dar, welches über einen Verbindungsabschnitt insbesondere mit einem Kreuzkopf verbindbar ist.
  • Die Kolbenstange kann genau einen Hohlraum aufweisen, der mit Feststoff gefüllt ist. Es ist bevorzugt, mindestens zwei Hohlräume mit Feststoff vorzusehen.
  • Im Vergleich zu Kolbenstangen aus einem einzigen Material kann durch die Füllung des Hohlraums in dem Grundkörpers mit einem Feststoff, welcher im Vergleich zu dem Grundkörper eine höhere spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist, die an der Kontaktstelle zwischen Kolbenstangendichtung und Kolbenstange entstehende Wärmeenergie deutlich schneller aus dem Dichtungspackungsbereich abgeführt werden. Der sich innerhalb der Kolbenstange ausbildende Temperaturgradient zwischen dem kolbenzugewandten Ende und dem kolbenabgewandten Ende ist somit im Vergleich zum Stand der Technik deutlich reduziert. Folglich weist das kolbenabgewandte Ende eine erhöhte Temperatur auf, so dass die Wärmeenergie schneller und effektiver durch Konvektion an die Umgebung abgegeben werden kann. Dies ermöglicht eine wesentlich effizientere Kühlung der Dichtringe der Kolbenstangendichtung gegenüber Kolbenstangen aus einem einzigen Material.
  • Im Vergleich zu den flüssiggekühlten Kolbenstangen weisen die mit einem Feststoff gefüllten Kolbenstangen einen deutlich vereinfachten Aufbau auf. Zusätzliche Peripheriegeräte, wie beispielsweise eine Pumpe, sind nicht notwendig. Auch aufwändige Anschlusskonstruktionen für den Flüssigkeitstransport entfallen. Somit weisen die mit Feststoff gefüllten Kolbenstangen einen deutlich verminderten Produktions- und Wartungsaufwand und eine damit einhergehende Kostenreduktion bei gleichzeitiger guter Kühlung der Kolbenstange auf.
  • Die Kolbenstange weist deshalb vorzugsweise keine Hohlräume für die Durchleitung von Kühlflüssigkeiten oder Einbauten, wie z.B. Rohre, für die Durchleitung von Kühlflüssigkeiten auf. Auch weist die Kolbenstange gegebenenfalls mit der Ausnahme von Entlüftungsbohrungen vorzugsweise keine z.B. mit Luft gefüllte Kammern insbesondere zwischen dem Feststoff und dem Grundkörper auf, da solche Kammern die Wärmeleitfähigkeit der gesamten Kolbenstange beeinträchtigen würden.
  • Wenn die Kolbenstange keine Einbauten und/oder keine Kammern im Hohlraum aufweist, wird der mit dem Feststoff gefüllte Hohlraum vom Grundkörper begrenzt. Dies bedeutet, dass der Feststoff am Grundkörper anliegt, wodurch die abzuführende Wärmeenergie unmittelbar vom Feststoff aufgenommen und abgeleitet werden kann. Eine Ausnahme bilden z.B. Verschlussmittel für den Hohlraum, die z.B. in der Einfüllöffnung für den Feststoff angeordnet sind, sowie gegebenenfalls vorgesehene Entlüftungsöffnungen, die am Hohlraum vorgesehen sind.
  • Durch die gute Kühlung der Kolbenstange und damit auch der Kontaktfläche wird die Ausbildung des Transferfilms durch tribochemische Prozesse zwischen den Dichtungsringen und der Kolbenstange günstig beeinflusst. Somit sinkt die Verschleißrate, wodurch die Lebensdauer der Dichtringe und damit des kompletten Kolbenkompressor verlängert wird.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform der Kolbenstange ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Feststoffes > 75 W/(m·k), besonders bevorzugt > 100 W/(m·k) und insbesondere > 200 W/(m·k).
  • Je größer die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffes und/oder der Anteil des Feststoffes an der gesamten Kolbenstange ist, desto effektiver und schneller erfolgt der Wärmeenergietransport von dem Kolbenstangenbereich mit höherer Temperatur zu dem Bereich mit niedrigerer Temperatur. Somit können die Kolbenstangendichtungen bei großer Wärmeleitfähigkeit deutlich effektiver gekühlt werden. Es wird eine signifikant verbesserte Kühlung gegenüber Kolbenstangen erreicht, die aus lediglich einem homogenen Grundkörper bestehen.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Feststoff aus wenigstens einem Material ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silber und Silberlegierung besteht. Der Feststoff kann aus einem der genannten Materialien oder aber auch aus einer Mischung der Materialien bestehen.
  • Sowohl Kupfer, Aluminium, Silber, als auch deren Legierungen sind jeweils durch hohe Wärmeleitfähigkeiten gekennzeichnet. So besitzt Kupfer beispielsweise eine Wärmeleitzahl von 400 W/(m·K), Aluminium von 235 W/(m·K) und Silber von 430 W/(m·K). Aufgrund der relativ hohen Wärmeleitzahl und des günstigen Materialpreises wird insbesondere Kupfer oder eine Kupferlegierung als Feststoff bevorzugt.
  • Außer den guten Wärmeleitfähigkeiten zeichnen sich Kupfer, Aluminium oder Silber und deren Legierungen auch durch eine gute Verarbeitbarkeit aus. Somit lässt sich der Grundkörper schnell, effektiv und kostengünstig mit den jeweiligen Feststoffen füllen.
  • In einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform der Kolbenstange weist der Grundkörper mindestens einen Hohlraum auf, der mit dem Feststoff, vorzugsweise vollständig, gefüllt ist. Der Grundkörper kann vorab unabhängig von dem Feststoff hergestellt und anschließend mit dem gewünschten Feststoff befüllt werden. Die thermischen Eigenschaften lassen sich somit an unterschiedliche Anforderungsprofile der Kolbenstange anpassen.
  • Für die Befüllung des Hohlraums wird der Feststoff vorzugsweise aufgeschmolzen und im flüssigen Zustand in den Hohlraum gegossen. Alternativ kann der Feststoff auch direkt in den Hohlraum gepresst werden. Weiterhin ist ein Hohlraum vorteilhaft, der sich von dem kolbenzugewandten Ende wenigstens teilweise bis zu dem kolbenabgewandten Ende des Grundkörpers erstreckt.
  • Bei einer in einem Kolbenkompressor eingebauten Kolbenstange liegt das kolbenzugewandte Ende näher an der Kolbenstangendichtung als das kolbenabgewandte Ende. Es ist deshalb von Vorteil, wenn der Hohlraum mit dem Feststoff auch an diesem Ende der Kolbenstange beginnt und sich von dort in Richtung des kolbenabgewandten Endes erstreckt, wobei sich der Hohlraum nicht vollständig bis zu diesem Ende erstrecken muss. Die Wärmeenergie kann von dem Dichtungspackungsbereich umso weiter abgeleitet werden, je länger dieser Hohlraum ist, was wiederum den Kühlprozess verbessert. Es ist deshalb vorteilhaft, wenn gilt: LH ≥ 0,3·LG, insbesondere LH ≥ 0,5·LG, wobei LH die Länge des Hohlraums und LG die Länge des Grundkörpers bezeichnet. Vorzugsweise ist LH ≥ 0,6·LG und insbesondere bevorzugt ist LH ≥ 0,75·LG.
  • Vorzugsweise ist der Hohlraum über die gesamte Länge LH mit dem Feststoff gefüllt. In deisem Fall gilt LH = LF, wobei LF die Länge des mit Feststoff gefüllten Hohlraumabschnitts bezeichnet. Vorzugsweise ist LF ≥ 0,3 LG, insbesondere LF ≥ 0,5 LG. Vorzugsweise ist LF ≥ 0,6 LG und insbesondere bevorzugt ist LF ≥ 0,75 LG.
  • Vorzugsweise erstreckt sich die Länge LF des mit Feststoff gefüllten Hohlraumabschnitts mindestens über die Länge des Kontaktabschnitts der Kolbenstange, der bei der Hin- und Her-Bewegung der Kolbenstange von der Kolbenstangendichtung kontaktiert wird.
  • Vorzugsweise beträgt das Volumen des Hohlraums und damit das Volumen des Feststoffs bei vollständiger Füllung des Hohlraums mindestens 25 %, besonders bevorzugt mindestens 50 % des Volumens der gesamten Kolbenstange. Vorzugsweise beträgt das Volumen des Feststoffs mindestens 10 %, bevorzugt mindestens 25 %, insbesondere mindestens 50 % des Volumens der gesamten Kolbenstange. Je mehr Feststoff im Grundkörper enthalten ist, desto schneller wird die Wärme abgeleitet.
  • Der Hohlraum ist in einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ein zylindrischer Hohlraum, für dessen Radius RH vorzugsweise gilt: RH ≤ 0,5·RG, wobei RG der Radius des Grundkörpers der Kolbenstange ist. Diese Beziehung der Radien gilt für Grundkörper mit kreisförmigem Querschnitt. Vorzugsweise erstreckt sich der zylindrische Hohlraum oder erstrecken sich die zylindrischen Hohlräume parallel zur Längsachse der Kolbenstange. Andere Querschnitte von Hohlraum und Grundkörper sind ebenfalls möglich.
  • Kolbenstangen für Kolbenkompressoren weisen in der Regel einen runden Querschnitt auf. Dieser Querschnitt ermöglicht eine optimale Kraft- und Lastverteilung innerhalb der Kolbenstange. Ein zylindrischer Hohlraum innerhalb dieser Kolbenstange hat auf diese Lastverteilungen keinen wesentlichen Einfluss, so dass die mechanische Stabilität der Kolbenstange durch den Hohlraum nur geringfügig beeinträchtigt wird. Des Weiteren ist ein zylindrischer Hohlraum in der Kolbenstange leicht durch beispielsweise eine Bohrung realisierbar. Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht daher vor, dass der Hohlraum eine Sacklochbohrung ist.
  • Die Sacklochbohrung wird vorzugsweise von dem kolbenzugewandten Ende in die Kolbenstange eingebracht. Die Bohrung endet vor dem kolbenabgewandten Ende, so dass lediglich eine Eintrittsöffnung in den Hohlraum, jedoch keine Austrittsöffnung gebildet wird. Ein Hohlraum, der durch eine Sacklochbohrung gebildet wird, lässt sich zum einen schnell und kostengünstig herstellen, zum anderen kann dieser Hohlraum auch einfach mit dem Feststoff befüllt werden.
  • Der Hohlraum der Kolbenstange ist in einer ebenfalls vorteilhaften Ausführungsform an dem kolbenzugewandten Ende mittels eines Anschlusszapfens für den Kolben verschließbar. Für diese Verschließbarkeit ist beispielsweise in oder an dem kolbenzugewandten Ende ein Gewinde eingeschnitten, so dass der Anschlusszapfen in die Kolbenstange ein- oder angeschraubt werden kann. Diese Ausführungsform ermöglicht eine schnelle Montage der Kolbenstange an dem Kolben. Außerdem wird durch den Verschluss des Hohlraums der Feststoff vor äußeren Umwelteinflüssen geschützt. Insbesondere wird eine durch die hohen Temperaturen begünstigte Oxidation verhindert. Dies hätte möglicherweise negative Auswirkungen auf beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit des Feststoffs.
  • Wenn der Grundkörper der Kolbenstange einen Hohlraum, beispielsweise in Form einer Sacklochbohrung aufweist, ist dieser Hohlraum vorzugsweise in der Längsachse der Kolbenstange vorgesehen.
  • Weist der Grundkörper der Kolbenstange zwei oder mehr Hohlräume auf, die jeweils mit einem Feststoff gefüllt sind, so können diese Hohlräume mit demselben oder mit unterschiedlichem Feststoff gefüllt sein. Die Hohlräume erstrecken sich vorzugsweise parallel zueinander und/oder parallel zur Längsachse der Kolbenstange durch den Grundkörper. Die Hohlräume sind vorzugsweise auf einem Kreis um die Längsachse des Grundkörpers, vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet.
  • Zwei oder mehr Hohlräume innerhalb des Grundkörpers haben den Vorteil, dass diese näher an der Oberfläche der Kolbenstange angeordnet werden können, ohne die Stabilität der Kolbenstange negativ zu beeinflussen. Je näher der Feststoff mit dessen hoher Wärmeleitfähigkeit an der Oberfläche der Kolbenstange angeordnet ist, desto effektiver kann die Wärmeenergie aus den temperaturbelasteten Bereichen abgeführt werden. Die Hohlräume können zylindrisch ausgebildet sein und nebeneinander angeordnet sein. Es ist auch möglich, ringförmige Hohlräume vorzusehen, die konzentrisch angeordnet sind. Konzentrische Hohlräume können auch mit einem zylindrischen Hohlraum in der Längsachse der Kolbenstange kombiniert sein.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Kolbenstange weist der Grundkörper wenigstens eine Entlüftungsöffnung auf. Diese wenigstens eine Entlüftungsöffnung ist vorzugsweise als Entlüftungsbohrung ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise von dem kolbenabgewandten Ende des Hohlraumes vollständig durch den Grundkörper der Kolbenstange nach außen. Die Entlüftungsbohrung kann parallel oder auch senkrecht zu dem Hohlraum und/oder zur Längsachse der Kolbenstange angeordnet sein. Durch diese wenigstens eine Entlüftungsöffnung steht der Hohlraum mit der Umgebung der Kolbenstange in Verbindung, so dass die im Hohlraum befindliche Luft beim Einfüllvorgang des Feststoffes austreten kann. Der Einfüllvorgang wird dadurch erleichtert.
  • Weist die Kolbenstange zwei oder mehr Hohlräume auf, so ist vorzugsweise an jedem Hohlraum eine Entlüftungsöffnung angeordnet.
  • Eine Entlüftungsöffnung bietet den weiteren Vorteil, dass die Gefahr von Lufteinschlüssen während des Befüllvorgangs des wenigstens einen Hohlraums mit dem Feststoff stark verringert wird. Folglich wird der Befüllvorgang des Hohlraums vereinfacht, was wiederum eine verkürzte und kostengünstigere Herstellung der Kolbenstange ermöglicht.
  • Außer einer Kolbenstange betrifft die Erfindung einen Kolbenkompressor mit einem Kolben und einem Kolbenzylinder, der eine ungeschmierte Kolbenstangendichtung aufweist. Dieser Kolbenkompressor ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben mit einer Kolbenstange gemäß Anspruch 1 verbunden ist.
  • Im Betrieb des Kolbenkompressors kontaktiert die Kolbenstangendichtung aufgrund der Hin- und Her-Bewegung der Kolbenstange einen Kontaktabschnitt an der Kolbenstange. Vorzugsweise erstreckt sich ein mit Feststoff gefüllter Hohlraumabschnitt mindestens über den Kontaktabschnitt.
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung eines Kolbenkompressors im Schnitt mit einem Hohlraum im Grundkörper der Kolbenstange,
    Figur 2a
    eine schematische Darstellung der Kolbenstange mit einem Hohlraum im Schnitt,
    Figur 2b
    eine schematische Darstellung der Kolbenstange im Schnitt mit einem Hohlraum und Entlüftungslöchern
    Figur 3
    eine Querschnittsdarstellung der Kolbenstange mit einem Hohlraum,
    Figur 4
    eine schematische Darstellung eines Kolbenkompressors im Schnitt mit zwei Hohlräumen im Grundkörper der Kolbenstange und
    Figur 5
    eine schematische Darstellung der Kolbenstange mit zwei Hohlräumen im Schnitt.
    Figur 6
    eine Querschnittsdarstellung der Kolbenstange mit zwei Hohlräumen
  • Die Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung eines Kolbenkompressors 10. Der Kolbenkompressor 10 weist einen Zylinder 11 auf, der an einem ersten Ende 11a geschlossen ist und an einem zweiten Ende 11b eine Öffnung 18 für die Durchführung einer Kolbenstange 20 aufweist.
  • Im Innenraum des Zylinders 11 ist ein Kolben 12 in Richtung der Längsachse L des Kompressors 10 beweglich angeordnet. Der Kolben 12 weist Kolbendichtungen 17 und einen Anschlusszapfen 15 auf, der den Kolben 12 mit der Kolbenstange 20 verbindet. Der Anschlusszapfen 15 erstreckt sich durch den Kolben 12 und ist mit einem ersten Ende 15a mit dem Kolben 12 verbunden. Mit einem zweiten Ende 15b ist der Anschlusszapfen 15 an der Kolbenstange 20 befestigt.
  • Die Kolbenstange 20 weist ein kolbenzugewandtes Ende 20a und ein kolbenabgewandtes Ende 20b auf, wobei das kolbenzugewandte Ende 20a mit dem Anschlusszapfen 15 verbunden ist. Die Kolbenstange 20 weist einen Grundkörper 21 aus einem Stahlwerkstoff mit einem Verbindungsabschnitt 22 auf, an dem ein Kreuzkopf (nicht dargestellt) befestigt werden kann. Der Grundkörper 21 ist teilweise mit einem Feststoff 26 gefüllt, der eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Grundkörpers 21. Hierzu weist die Kolbenstange 20 einen Hohlraum 24 auf, der als Sacklochbohrung 23 ausgebildet ist und der mit dem Feststoff 26 gefüllt ist.
  • Der Grundkörper 21 der Kolbenstange 20 erstreckt sich durch eine am zweiten Ende 11b des Zylinders 11 angeordnete Kolbenstangendichtung 13, die mehrere Dichtkammern 13a-f mit Dichtringen 14, die zum Beispiel aus PTFE bestehen, aufweist. Es handelt sich um eine ungeschmierte Kolbenstangendichtung 13, bei der sich im Betrieb zwischen den Dichtringen 14 und dem Grundkörper 21 der Kolbenstange 20 der eingangs erläuterte Transferfilm ausbildet.
  • In der in Figur 1 gezeigten Darstellung erstreckt sich die Feststofffüllung vom kolbenzugewandten Ende 20a bis zum Verbindungsabschnitt 22, so dass nicht nur der Kontaktabschnitt 28 der Kolbenstange 20, der bei der Hin- und Herbewegung der Kolbenstange von der Kolbenstangendichtung 13 kontaktiert wird, sondern auch der freiliegende Bereich der Kolbenstange 20 zwischen dem Kontaktabschnitt 28 und dem Verbindungsabschnitt 22 mit Feststoff, wie beispielsweise Kupfer oder einer Kupferlegierung gefüllt ist. Die im Kontaktabschnitt 28 durch Reibung erzeugte Wärme wird mittels des Feststoffes auf einfache Weise aus dem Kontaktabschnitt 28 in den freiliegenden Bereich abgeführt, wo die Wärme an die Umgebung abgegeben wird.
  • In der Figur 2a ist die in der Figur 1 enthaltene Kolbenstange 20, die eine Länge LG aufweist, mit dem Anschlusszapfen 15 im Schnitt vergrößert dargestellt.
  • Im Grundkörper der Kolbenstange 20 befindet sich die Sacklochbohrung 23, die in der Längsachse L der Kolbenstange 20 liegt und die vom kolbenzugewandten Ende 20a in den Grundkörper 21 der Kolbenstange 20 eingebracht worden ist. Die Sacklochbohrung 23 weist die Länge LH auf und erstreckt sich bis vor den Verbindungsabschnitt 22. Mit LF wird die Länge des mit Feststoff 26 gefüllten Hohlraumabschnitts 24' bezeichnet. Sowohl LH als auch LF sind ≥ 0,5·LG. Die Länge LF des mit Feststoff gefüllten Hohlraumabschnitts 24' erstreckt sich beidseitig über den in Figur 1 eingezeichneten Kontaktabschnitt 28 hinaus. LF erstreckt sich somit mindestens über die Länge des Kontaktabschnitts 28. Es ist auch möglich, dass sich die Sacklochbohrung 23 bis in den Verbindungsabschnitt 22 erstreckt.
  • Durch die am kolbenzugewandten Ende 20a befindliche Hohlraumöffnung 27 wird der Feststoff 26 in den durch die Sacklochbohrung 23 gebildeten Hohlraum 24 eingebracht. Nach dem Befüllen mit Feststoff 26 wird die Hohlraumöffnung 27 mittels des Anschlusszapfens 15 verschlossen. Der Hohlraum 24 ist bis auf den Bereich, wo der Anschlusszapfen 15 angeordnet ist, vollständig mit dem Feststoff 26 gefüllt. Zur Befestigung des Anschlusszapfens 15 ist an der Innenseite des Grundkörpers 21 der Kolbenstange 20 an deren kolbenzugewandten Ende 20a ein Innengewinde 25 und an der Außenseite des zweiten Endes 15b des Anschlusszapfens 15 ein zu dem Innengewinde 25 entsprechendes Außengewinde 16 vorgesehen. Durch diese Schraubverbindung lassen sich die Kolbenstange 20 und der Anschlusszapfen 15 lösbar miteinander verbinden.
  • In der Figur 2b ist eine Kolbenstange 20 dargestellt, die zusätzlich zu dem bereits in Figur 2a beschriebenen Hohlraum 24 der Kolbenstange 20 eine Entlüftungsöffnung 29a aufweist. Diese Entlüftungsöffnung 29a ist als Entlüftungsbohrung ausgebildet und erleichtert das Befüllen des Hohlraums 24 mit dem Feststoff 26, da durch diese Entlüftungsbohrung die überschüssige Luft aus dem Hohlraum 24 entweichen kann. Vorzugsweise erstreckt sich die Entlüftungsbohrung parallel zur Längsachse L und insbesondere auf der Längsachse L von dem Ende des Hohlraums 24 zum kolbenabgewandten Ende 20b der Kolbenstange 20. In der hier gezeigten Darstellung befindet sich auch in der Entlüftungsbohrung der Feststoff 26.
  • In der Figur 3 ist ein Schnitt längs der Linie A-A durch die in Figur 2a gezeigte Kolbenstange 20 dargestellt, die einen zylindrischen Grundkörper 21 aufweist. Mit RH1 wird der Radius der Sacklochbohrung 23 und somit der Radius des Hohlraums 24 bezeichnet. RG ist der Radius des zylindrischen Grundkörpers 21, wobei RH1 > 0,5·RG beträgt.
  • Der Grundkörper 21 kann auch andere Querschnitte wie z. B. rechteckig oder oval aufweisen. Auch können mehrere Sacklochbohrungen 23 in den Grundkörper 21 eingebracht werden, die mit Feststoff 26 gefüllt werden.
  • In der Figur 4 ist wie in der Figur 1 ein Kolbenkompressor 10 dargestellt. Im Unterschied zu der Figur 1 weist die Kolbenstange 20 der Figur 4 zwei Hohlräume 24 auf, die jeweils mit einem Feststoff 26 gefüllt sind. Desweiteren ist jeweils an dem kolbenabgewandten Ende der Hohlräume 24 eine Entlüftungsöffnung 29b angeordnet. Diese Entlüftungsöffnungen 29b verlaufen vorzugsweise senkrecht zu der Längsachse L durch den Grundkörper 21 der Kolbenstange 20.
  • Sämtlich andere Merkmale sind identisch zu Figur 1, so dass an dieser Stelle auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen sein soll.
  • In der Figur 5 ist die Kolbenstange 20, die eine Länge LG aufweist, mit dem Anschlusszapfen 15 im Schnitt, ähnlich zu Figur 2, dargestellt.
  • Im Gegensatz zu der Kolbenstange 20 aus Figur 2 befinden sich im Grundkörper der Kolbenstange 20 der Figur 5 zwei Hohlräume 24 in Form von Sacklochbohrungen 23, die vom kolbenzugewandten Ende 20a in den Grundkörper 21 der Kolbenstange 20 eingebracht worden sind. Die Sacklochbohrungen 23 weisen jeweils die Länge LH auf und erstrecken sich parallel zueinander bis vor den Verbindungsabschnitt 22. Der mit Feststoff gefüllte Hohlraumabschnitt 24' des Hohlraums 24 weist eine Länge LF auf. Es ist auch möglich, dass sich die Sacklochbohrungen 23 bis in den Verbindungsabschnitt 22 erstrecken. Zudem können die Längen der zwei Sackbohrungen 23 gleich oder auch unterschiedlich sein. An den kolbenabgewandten Enden der Hohlräume 24 ist jeweils wenigstens eine Entlüftungsöffnung 29b in Gestalt einer Entlüftungsbohrung angeordnet. Diese erstrecken sich, wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 4 erläutert worden ist, vorzugsweise von dem Hohlraum 24 senkrecht zu der Längsachse L vollständig durch den Grundkörper 21 der Kolbenstange 20. Die Entlüftungsbohrungen enthalten keinen Feststoff 26.
  • Durch die am kolbenzugewandten Ende 20a befindliche Hohlraumöffnung 27 wird der Feststoff 26 in die durch die Sacklochbohrungen 23 gebildeten Hohlräume 24 eingebracht. Durch die Entlüftungsöffnungen 29b kann die überschüssige Luft aus den Hohlräumen 24 entweichen. Dabei kann jeder Hohlraum 24 mit dem gleichen aber auch mit unterschiedlichem Feststoff 26 befüllt werden. Nach dem Befüllen mit Feststoff 26 wird die Hohlraumöffnung 27 mittels des Anschlusszapfens 15 verschlossen. Zu diesem Zweck ist an der Innenseite des Grundkörpers 21 der Kolbenstange 20 an deren kolbenzugewandten Ende 20a ebenfalls ein Innengewinde 25 und an der Außenseite des zweiten Endes 15b des Anschlusszapfens 15 ein zu dem Innengewinde 25 entsprechendes Außengewinde 16 vorgesehen. Durch diese Schraubverbindung lassen sich die Kolbenstange 20 und der Anschlusszapfen 15 lösbar miteinander verbinden.
  • In der Figur 6 ist ein Schnitt längs der Linie B-B durch die in Figur 5 gezeigte Kolbenstange 20 dargestellt, die einen zylindrischen Grundkörper 21 aufweist. Die beiden Hohlräume 24 sind außermittig und nahe der Oberfläche des Grundkörpers 21 angeordnet. Mit RH2 wird jeweils der Radius der Hohlräume 24 und somit der Radius der Sacklochbohrungen 23 bezeichnet. Dieser Radius kann für jede Sacklochbohrung 23 identisch oder unterschiedlich sein. RG ist der Radius des zylindrischen Grundkörpers 21, wobei für den Fall, dass die Radien RH2 der Sacklochbohrungen 23 gleich sind gilt: 2·RH2 > 0,5·RG.
  • Weisen die Sacklockbohrungen 23 jedoch unterschiedliche Radien RH2 auf, so gilt vorzugsweise: die Summe der Radien RH2 > 0,5 RG.
  • Der Grundkörper 21 kann auch andere Querschnitte wie z. B. rechteckig oder oval aufweisen.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kolbenkompressor
    11a
    erstes Zylinderende
    11b
    zweites Zylinderende
    11
    Zylinder des Kolbenkompressors
    12
    Kolben
    13
    Kolbenstangendichtung
    13a-13f
    Dichtungskammer
    14
    Dichtungsring
    15
    Anschlusszapfen
    15a
    erstes Anschlusszapfenende
    15b
    zweites Anschlusszapfenende
    16
    Außengewinde des Anschlusszapfens
    17
    Kolbendichtung
    18
    Öffnung
    20
    Kolbenstange
    20a
    kolbenzugewandtes Ende
    20b
    kolbenabgewandtes Ende
    21
    Grundkörper der Kolbenstange
    22
    Verbindungsabschnitt
    23
    Sacklochbohrung
    24
    Hohlraum
    24'
    mit Feststoff gefüllter Hohlraumabschnitt
    25
    Innengewinde
    26
    Feststoff
    27
    Hohlraumöffnung
    28
    Kontaktabschnitt
    29a
    Entlüftungsloch
    29b
    Entlüftungsloch
    L
    Längsachse
    A-A
    Schnittebene durch die Kolbenstange
    B-B
    Schnittebene durch die Kolbenstange
    LG
    Länge des Grundkörpers
    LH
    Länge des Hohlraums
    LF
    Länge des mit Feststoff gefüllten Hohlraumabschnitts
    RG
    Radius des Grundkörpers
    RH1
    Radius des Hohlraums
    RH2
    Radius des Hohlraums

Claims (12)

  1. Kolbenstange (20) für Kolbenkompressoren, wobei die Kolbenstange (20) einen Grundkörper (21) mit einem kolbenzugewandten Ende (20a) und einem kolbenabgewandten Ende (20b) aufweist, wobei der Grundkörper (21) mindestens einen Hohlraum (24) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Hohlraum (24) mit einem Feststoff (26) gefüllt ist, dessen spezifische Wärmeleitfähigkeit größer als die des Materials des Grundkörpers (21) ist.
  2. Kolbenstange (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    dass die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Feststoffs (26) > 75 W/(m·k) ist.
  3. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Feststoff (26) aus wenigstens einem Material ausgewählt aus der Gruppe Kupfer, Kupferlegierung, Aluminium, Aluminiumlegierung, Silber und Silberlegierung besteht.
  4. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mit Feststoff (26) gefüllte Hohlraum (24) von dem kolbenzugewandten Ende (20a) wenigstens teilweise bis zu dem kolbenabgewandten Ende (20b) des Grundkörpers (21) erstreckt.
  5. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der mit Feststoff gefüllte Hohlraum (24) von dem kolbenzugewandten Ende (20a) mit einer Länge LH in Richtung des kolbenabgewandten Endes (E20b) erstreckt, wobei gilt: LH ≥ 0,5·LG, wobei LG die Länge des Grundkörpers (21) ist.
  6. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Hohlraums (24) mindestens 25 % des gesamten Volumens der Kolbenstange (20) beträgt.
  7. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Feststoffs (26) mindestens 10 % des gesamten Volumens der Kolbenstange (20) beträgt.
  8. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (24) eine Sacklochbohrung (23) ist.
  9. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (24) an dem kolbenzugewandten Ende (20a) mittels eines Anschlusszapfens (15) für einen Kolben (12) verschließbar ist.
  10. Kolbenstange (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (21) mindestens eine Entlüftungsöffnung (29a, b) aufweist.
  11. Kolbenkompressor (10) mit einem Kolben (12) und einem Kolbenzylinder (11), der eine ungeschmierte Kolbenstangendichtung (13) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Kolben (12) mit einer Kolbenstange (20) gemäß Anspruch 1 verbunden ist.
  12. Kolbenkompresor nach Anspruch 11 mit einer Kolbenstangendichtung (13), die im Betrieb des Kolbenkompressors an der Kolbenstange (20) einen Kontaktabschnitt (28) kontaktiert, dadurch gekennzeichnet,
    dass sich ein mit Feststoff gefüllter Hohlraumabschnitt (24') des Hohlraums (24) mindestens über den Kontaktabschnitt (28) erstreckt.
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