DE1918156A1

DE1918156A1 - Kolbenringpaar sowie Kolbenaggregat

Info

Publication number: DE1918156A1
Application number: DE19691918156
Authority: DE
Inventors: Jespen Robert Edward; Luybli Richard Edward; Soll Harold Raymond
Original assignee: Air Products and Chemicals Inc
Current assignee: Air Products and Chemicals Inc
Priority date: 1968-04-18
Filing date: 1969-04-10
Publication date: 1969-10-23
Also published as: CH491306A; US3540746A; GB1260701A

Description

PATENTANWÄLTE

dr. W. Schalk · dipl.-ing. P. Wirth · dipl.-ing. G. Dannenberg . dr.V.Schmied-Kowarzik · dr. P. Weinhold Dr. D. Gudel

6 FRANKFURT AM MAIN

CR. ESCHENHEIMER STR. 39

9. April 1969

Gu/ki BA-H501

AIR PRODUOiES AND CHEMICALS, IMC, Widener Building
1339 Chestnut Street

Philadelphia, Pa. / USA

Kolbenringpaar sowie Kolbenaggregat

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kolbenringpaar sowie auf ein Kolbenaggregat mit einem eine Nut aufweisenden Kolben. Sie .betrifft insbesondere eine Reihe von gegen ein strömungsfähiges Medium abdichtenden Kolbenringen, die beispielsweise bei Kolbenpumpen, Kolbenverdichtern, Expansionsmaschinen und dergleichen Verwendung finden, sowie auf eine Ausbildung eines Mehrfachkolbenrings, bei der der Gesamtbetrag der Abnutzung der Kolbenringe wesentlich verringert wird.

Wie Pig.. 1 und 2 der Zeichnung zeigen, in denen ein Längsschnitt durch die linke Seite eines Kolbenringpaares gezeigt ist, wobei sich also links die Zylinderwand und rechts das Kolbeninnere befinden, wurde in ausgedehnten Untersuchungen über Paktoren, die die Abnutzung der Kolbenringe verursachen, gefunden, daß bei einem Mehrfachringsystem mit zunehmender Entfernung von der Arbeitskammer ein stark fallender Druck-

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gradient des strömungsfähigen Mediums zwischen der Zylinderwand und den Ringen auftritt. Die Pfeile in Fig. 1 stellen dabei die Druckvektoren auf die Kolbenringe dar, die Pfeile in Fig. 2 die Summe dieser Druckvektoren.

Bei den Untersuchungen ergab sich, daß der Druck des aus der Arbeitskammer an die radialen inneren Flächen des Ringes fließenden strömungsfähigen Mediums hinter gedem der Ringe im wesentlichen konstant bleibt (rechte Seite der Fig. 1). Wie Fig. 2 zeigt, wirkt das Druckgefälle des strömungsfähigen Mediums derart auf die radialen Innenflächen der Ringe, daß · der untere des Systems von zwei Ringen stärker dichtend an die Zylinderwand angreift als der obere. Demgemäß ist die Abnutzung des unteren Ringes im allgemeinen fünf- bis sechsmal größer als die des oberen Ringes, so daß der untere Ring im allgemeinen eine viel kürzere Lebensdauer hat als der obere.

Die vorstehend angedeuteten Schwierigkeiten werden noch verstärkt, wenn der obere Ring ein geteilter Ring ist, wie er in der US-Patentanmeldung Nr. 385 947 vom 29. Juli 1964 beschrieben ist. Dieser Ring wird nachstehend als sichelförmig geteilter Ring bezeichnet. Ein solcher Ring bewirkt eine wesentlich verbesserte Dichtung, die den Druck des strömungsfähigen Mediums entlang der Zylinderwand unterhalb dieses Ringes wesentlich verringert. Dadurch wird der unausgeglichene wirksame Druck des strömungsfähigen Mediums, der auf den unteren Ring wirkt, weiter erhöht und bewirkt eine noch größere Abnutzung des unteren Rings. Ferner wurde die absolute Lebensdauer dieser halbmondförmigen Ringe gegenüber derjenigen der bekannten Ringe um ein Vielfaches erhöht, so daß eine noch größere Ungleichheit zwischen der äußerst langen Lebensdauer des oberen sichelförmig geteilten Rings und der relativ kurzen Lebensdauer des unteren Rings besteht, wobei es von der Lebensdauer des. unteren Rings abhängt, wann der Kolben zum Auswechseln der Ringe ausgebaut werden muß.

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Daher besteht ein Bedarf nach einer neuen Ausbildung des unteren Kolbenringes, der bezüglich seiner Lebensdauer wesentlich besser mit den bezüglich Dichtung und Lebensdauer des oberen Kolbenrings verbesserten Eigenschaften vereinbar ist,

Gleichzeitig besteht ein Bedarf nach einer neuen Kombination von zwei Kolbenringen, die zusammen wesentlich bessere Dicht-r eigenschaften bei längerer Lebensdauer aufweisen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kolbenringpaar gelöst, das gekennzeichnet ist durch einen ersten geteilten Ring, dessen Endabschnitte eine abgedichtete Berührungsfläche bilden, durch einen zweiten Ring mit einem Trägerring und durch eine Reihe von von diesem Trägerring getragenen bogenförmigen Segmenten, wobei der Trägerring aus dehnbarem Material und die Segmente aus einem härteren im wesentlichen nicht dehnbaren Material langer Lebensdauer hergestellt sind.

Ferner wird durch die Erfindung ein Kolbenaggregat mit einem eine Nut aufweisenden Kolben geschaffen, das gekennzeichnet ist durch eine Kolbenringanordnung in dieser Hut, einen Durchlaß für strömungsfähige Medien, durch den ein unter Druck stehendes strömungsfähiges Medium radial hinter der Ringanordnung zu dieser Nut geführt werden kann, wobei diese Anordnung einen Trägerring von rinnenförmigem Querschnitt und mindestens einen Satz bogenförmiger Segmente im Trägerring aufweist, die mindestens einen Mehrfachring bilden., wobei der Trägerring aus einem elastischen dehnbaren Material und die Segmente aus einem härteren im wesentlichen nicht dehnbaren Material mit langer Lebensdauer bestehen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:

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. Pig. 1 eine Vektorzeichnung zur Darstellung der in einem Aggregat von Kolben und Zylinder auf die oberen und unteren Kolbenringe einwirkenden Drücke des strömungsfähigen Mediums;

Pig. 2 eine Vektorzeichnung zur Darstellung der Vektorsumme der Drücke nach Pig. 1. Die Vektorsumme drückt dabei die beiden Ringe radial nach außen;

Pig. 3 einen Schnitt durch ein Aggregat von Kolben und Zylinder einschließlich der erfindungsgemäß konstruierten oberen und unteren Kolbenringe;

Pig. 4 einen Schnitt durch den oberen sichelförmig geteilten Ring (crescent ring) in der Ebene 4-4 der Pig. 3; u²¹^

Pig. 5 einen Schnitt durch den unteren Segmentring in der ■ Ebene 5-5 der Pig. 3.

Der Kolben 10 bewegt sich in einem Zylinder 12 hin und her, welcher eine Arbeitskammer 14 begrenzt (Pig. 3). Die Kammer kann man sich beispielsweise als eine Gaskompressions- oder -expansionskammer vorstellen, in der ein Gas, z. B. Helium oder Wasserstoff, komprimiert oder ausgedehnt wird, wie z. B. bei Verfahren der tDiefsttemperatür-Kältete.chnik, wie sie in den ) US-Patentschriften 3 205 679 und 3 199 304 beschrieben sind. Zwar sind die erfindungsgemäßen Ringe nicht auf. diesen Verwendungszweck beschränkt, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß sie besonders bei miniaturisierten Druckeinrichtungen dieser Art Verwendung finden, bei denen das zu komprimierende, absolut trockene, reine Gas seine Reinheit behalten muß, wozu bekannte ölgeschmierte Ringe nicht verwendet werden können.

Der Kolben 10 in Pig. 3 weist einen Hauptteil 16 und einen abnehmbaren oberen Teil 18 auf, die durch eine beliebige geeignete Einrichtung, z. B. eine Maschinenschraube 20, starr

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miteinander verbunden sind. Das obere Ende des Hauptteils 16 hat einen verringerten Durchmesser, so daß beim Zusammenbau der beiden Kolbenteile eine Kolbenringnut 22 entsteht. Die Nut 22 kann auch im Oberteil 18 oder zu einem Teil in jedem Kolbenabsohnitt ausgebildet sein. Bei der dargestellten Ausführungsform hat die Nut 22 eine Axiallänge, die ausreicht, um einen oberen Ring 24 und einen unteren Ring 26 aufzunehmen, wobei noch Spielraum zwischen dem unteren Ende des Kolbenteils 18 und dem oberen Ring 24 frei bleibt. Dadurch kann ein Hochdruckmittel aus der Kammer 14 durch diesen Spielraum in eine radial hinter den Ringen 24 und 26 befindliche von der Nut 22 gebildete ringförmige Kammer strömen. Selbstverständlich könnten auch getrennte Nutenund andere Durchlaßformen vorgesehen sein, durch die Hochdruckmittel aus der Arbeitskammer radial hinter die Ringe gelangen kann.

Wie Pig. 4 am deutlichsten zeigt, ist der obere Ring 24 ein geteilter, vorzugsweise halb sichelförmig geteilter (crescent) Ring, wie er in der US-Patentanmeldung 385 947 und in der US-Patentschrift 3 373 999 genauer beschrieben ist. Im wesentlichen ist dieser Ring dadurch gekennzeichnet, daß er eine bogenförmige Yerbindung oder Berührungsfläche 28 aufweist, die durch überlappende Enden 30 und 32 gebildet wird, welche in dünneren sehr biegsamen Spitzen 34 bzw. 36 enden. Diese überlappenden Enden und die biegsamen Spitzenabschnitte bilden über den gesamten Umfang eine dichtende bogenförmige Berührungsfläche 28 sowohl zu Beginn des Betriebs wie auch dann, wenn die Peripherie des Rings sich abnutzt. Das bedeutet, daß bei Auftreten einer peripheren Abnutzung der Ring sich infolge des Drucks des ' strömungsfähigen Mediums in der Nut 22 ausdehnt, wobei die überlappenden Enden und Spitzenabschnitte sich in Umfangsrichtung in entgegengesetzten Richtungen bewegen, während die abgedichtete Berührungsfläche 28 durch den auf das radiale innere Ende und den Spitzenabschnitt wirkenden Druck des strömungsfähigen Mediums aufrechterhalten wird.

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Wie in. der vorstehend genannten Patentanmeldung und der vorstehend genannten Patentschrift weiter beschrieben, wird der Krümmungsradius R vorzugsweise so gewählt, daß er größer ist als der innere Radius des Ringes, jedoch kleiner als sein Außendurchmesser. Ferner hat es sich gezeigt, daß das Drehzentrum des Radius R sich auf einem Durchmesser des Ringes befinden sollte, und zwar an einer Stelle, die vom Mittelpunkt des Ringes um eine Strecke D entfernt ist, die kleiner ist als der halbe Innendurchmesser des Rings, so daß die radiale innere Spitze 34 weniger abgeschrägt ist als die radiale äußere Spitze 36. Dadurch kann der dickere Spitzenabschnitt 36,der der Abnutzung durch Reibung unterworfen ist, eine maximale Wärmeabführung von der Peripherie ermöglichen, während der dünnere Spitzenabschnitt 34 verformbarer ist und dadurch mit maximaler Dichtwirkung am Ende 32 angreift. Ferner hat es sich gezeigt, daß bei den vorstehend angegebenen Kriterien eine maximale Lebensdauer erzielt wird, wenn der Krümmungsradius R derart gewählt wird, daß die radiale Dicke des Spitzenabschnittes 36 in der Größenordnung von zwei Drittel der gesamten radialen Dicke des Ringes liegt, und zwar gemessen an der mittleren Stelle der bogenförmigen Berührungsfläche.

Der Ring 24 kann aus vielen Materialien hergestellt sein, z. B. aus Metall, Kunststoff, Leder oder Gummi. Jedoch ist es einleuchtend, daß das Material zu der Größe der Druckkraft des Mediums in Bezug gesetzt werden muß, durch die die Enden und Spitzen des Ringes fest und dichtend aneinander und an der Zylinderwand angreifen. In diesem Zusammenhang hat es sich gezeigt, daß die Verwendung von Polytetrafluoräthylenstoffen im Falle der vorstehend erwähnten miniaturisierten Trockengaskompressoren deshalb von besonderem Torteil ist, weil diese Materialien eine hohe Verformbarkeit und niedrige Reibungskoeffizienten haben, was auf diesem Gebiet von wesentlicher Bedeutung ist. Ferner können solche Materialien zum Erreichen der besten Kaltström- und Irockenschmiereigenschaften mit· Stoffen wie z. B. Bronzestaub, Graphit, Kohlenstoff und/oder

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- 7 -MoSp gefüllt oder imprägniert werden.

Da der Ring 24 geteilt ist und aus den vorstehend genannten elastischen Stoffen hergestellt ist, dehnt er sich bei Wirkung des Drucks eines strömungsfähigen Mediums auf seine Innenfläche leicht in radialer Richtung aus. Somit legt sich der Ring schnell gegen die Zylinderwand 14.» wenn der Druck des strömungsfähigen Mediums in der Arbeitskammer^sleigt, z. B. zu Beginn eines Kompressionshubs einer Pumpe oder eines Kompressors. Dadurch wird das strömungsfähige Medium sofort daran gehindert, am oberen Ring vorbeizufließen. Der eingeschlossene Druck steigt in der Hut 22 hinter den Ringen schnell an, so daß sofort eine wirksame Dichtung hergestellt wird.

In Fig. 3 und 5 weist die untere Ringeinrichtung 26 einen ringförmigen Haltering 38 mit rinnenförmigem Querschnitt auf., in den zwei Sätze einzelner bogenförmiger Segmente 40 am Umfang aneinander angrenzend eingesetzt sind, so daß Mehrfachringe und 44 gebildet werden, wobei die dargestellte Ausführungsform pro Ring drei bogenförmige Segmente zeigt. Jedes der Segmente 40 besteht aus einem sehr harten starren Material mit langer Lebensdauer, wie z. B. pyrolytkisehern Graphit oder Wolframkarbid, die bisher als v,iel zu starr und spröde erachtet wurden, um für einen dehnbaren Ring verwendet zu werden. Das heißt, man nahm von diesen Materialien an., daß sie eine viel zu hohe Elastizitätsmodul und/oder eine zu geringe Dehnbarkeit besitzen, um für einen ausdehnbaren Ring Verwendung finden zu können. Es hat sich jedoch gezeigt, daß diese Materialien für ausdehnbare Ringe verwendbar sind, wenn man relativ kurze Segmente aus ihnen herstellt und diese Segmente an einem ausdehnbaren elastomeren Trägerring 38 befestigt, der,z. B, aus Kunststoffen, wie einfachem oder gefülltem Polytetrafluorethylen oder synthetischem Kautschuk oder anderen verformbaren Materialien, bestehen kann, die sich bei Innendruck eines strömungsfähigen Mediums ausdehnen. Somit dehnt sich der Trägerring 38 aus, sobald ein Hochdruckmittel unter die Ringeinrichtung 26 gelassen wird, drückt jedes der Segmente radial nach

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. außen und läßt sie in einer sehr wirksamen Dichtung an die Zylinderwand angreifen (Pig. 5). Natürlich entstehen durch die radiale Auswärtsbewegung der Segmente kleine Lücken zwischen jeweils zwei aneinanderllegenden Segmenten, die jedoch in Fig. 5 stark übertrieben gezeigt sind. Wenn man jedoch zwei oder mehr Ringe 42 vorsieht, wobei die Verbindungen der Segmente in Umfangsrichtung versetzt sind, so kann das strömungsfähige Medium im wesentlichen'nicht durch die Ringanordnung hindurchdringen. Der starke Druck des strömungsfähigen Mediums radial hinter dem-Trägerring und an der Oberseite des oberen Rings hält den Trägerring so, daß er dichtend an den bogenförmigen Segmenten angreift. Zusätzlich dienen obere und

f untere ringförmige Lippen 46, 47 des Trägerrings als zusätzliche Dichtflächen und erhöhen die gesamte Dichtwirkung längs der Zylinderwand. Die untere Lippe 47 liegt auch noch gegen die Unterseite der Nut 22 und hält das strömungsfähige Medium in der Nut hinter der Anordnung eingeschlossen. Ferner können die Lippen 46 und 47 dazu verwendet werden, kontinuierlich ein trockenes, filmartiges Schmiermittel auf die Zylinderwand aufzubringen, wenn der Trägerring 38 mit einem solchen Schmiermittel, z. B. mit Molybdändisulfid, imprägniert ist. Ferner hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn als Material für den Trägerring 38 kohlenstoffgefülltes Polytetrafluoräthylen, genauer eine Mischung aus 64-69 Gew.-$ Polytetrafluoräthylen, 30-34

. Gew.-io Kohlenstoff und 1-2 Gew.-$ Graphit, verwendet wird.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß der obere, sichelförmig geteilte Ring 24 eine erste sehr wirksame Dichtung gegen ein strömungsfähiges Medium bildet, die den Druck entlang der Zylinderwand verringert, wie in Fig. 1 gezeigt, und daß dieser Ring infolge der bogenförmigen Berührungsfläche zwischen den radial überlappenden und den Spitzenabschnitten in der Lage ist-, einen größeren Betrag peripherer Abnutzung auszuhalten, ohne daß sich eine Lücke bildet. Das heißt, die bogenförmige Verbindung 28 bleibt geschlossen und der Ring hält weiter eine schnell wirkende

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und feste Dichtung aufrecht, bis die periphere Abnutzung so groß ist, daß die Spitzen sich in Umfangsrichtung soweit voneinander weg bewegt haben, daß sie nicht mehr radial überlappen. Dadurch hat der obere Ring eine äußerst lange dichtende Lebensdauer und der hohe Grad an durch diesen Ring bewirkter Dichtung schafft eine große, das strömungsfähige Medium ausgleichende Kraft, die auf den unteren Ring wirkt und diesen so ausdehnt, daß er sehr wirksam dichtend an die Zylinderwand angreift. Während normalerweise dieses starke Angreifen des unteren Rings an der Zylinderwand seine Lebens-r dauer verkürzt, ermöglicht die vorliegende Erfindung die Verwendung äußerst harter langlebiger Materialien, wie Wolframkarbid, pyrolytisches Graphit oder imprägnierter Kohlenstoff, die unter anderen Bedingungen zu spröde sind, als daß sie für dehnbare Ringe verwendet werden könnten.

Somit kann die Lebensdauer des unteren Rings verlängert und dadurch der verlängerten Lebensdauer des oberen Rings angepaßt werden. Zum Beispiel wurde die vorstehend beschriebene Verbindung von Ringen in den vorstehend genannten Trockengaskompressoren verwendet. Dabei hat sich gezeigt, daß sie im wesentlichen alle bekannten Ringe in bezug auf absolute Dichtfähigkeit übertrifft. Ihre Lebensdauer übertraf bei dem Versuch die der bekannten Ringe etwa um das Pünffache.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, mehr als zwei Ringe in einer Anordnung zu verwenden, falls einer dieser Ringe die Eigenschaften des oberen Rings"24 und ein anderer die des unteren Rings 26 besitzt.

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Claims

Gu/ki AIR PHODUOTS AND

9. April 1969 · CHEMICALS, ING.

Widener Building
1339 Chestnut Street
-Philadelphia, Pa. /USA
BA-14501

Patentansprüche

1. KoIbenringpaar, gekennzeichnet durch einen ersten geteilten Ring (24), dessen Endabschnitte (30, 32) eine abgedichtete Berührungsfläche (28) bilden, durch einen zweiten Ring (26) mit einem Trägerring (38) und durch eine Reihe /von von
diesem Trägerring getragenen bogenförmigen Segmenten (40),

fe wobei der Trägerring aus dehnbarem Material und die Segmente aus einem härteren im wesentlichen nicht dehnbaren Material langer Lebensdauer hergestellt sind,

2. Kolbenringpaar nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ring (24) atis einem leicht verformbaren, dehnbaren Material besteht und eine erste, schnell wirkende Dichtung ergibt.

3. Kolbenringpaar nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Ring (24) radial überlappende Enden

(30, 32) und sehr biegsame Spitzenabschnitte (34> 36) aufweösfc, die eine abgedichtete bogenförmige Berührungsfläche (28)
bilden.

4. Kolbenringpaar nach Anspruch 1, 2 oder 3» da.durch gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) eine Anzahl von Sätzen
bogenförmiger Segmente (40) aufweist, von denen jeder einen eigenen Mehrfachring (42, 44) bildet.

5. Kolbenringpaar nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch'
gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) aus einem elastomeren Material und die Segmente (40) aus einem nicht elastomeren, spröden Material bestehen.

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Kolbenaggregat mit einem eine Nut aufweisenden Kolben, gekennzeichnet durch eine Kolbenringanordnung in dieser Nut (22), einen Durchlaß für strömungsfähige Medien, durch den ein unter Druck stehendes strömungsfähiges Medium radial hinter der Ringanordnung zu dieser Nut geführt werden kann, wobei diese Anordnung einen Trägerring (38) von rinnenförmigem Querschnitt und mindestens einen Satz bogenförmiger Segmente (40) im !Drägerring aufweist, die mindestens einen Mehrfachring (42, 44) bilden, wobei der Trägerring aus einem elastischen dehnbaren Material und die Segmente aus einem,härteren im wesentlichen nicht dehnbaren Material mit langer Lebensdauer bestehen.

7. Kolbenaggregat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) hauptsächlich aus Polytetrafluorethylen besteht.

8. Kolbenaggregat nach Anspruch 6,. dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) aus einem mit einem trockenen, filmartigen Schmiermittel imprägnierten elastomeren Kunststoff besteht.

9. Kolbenaggregat nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (40) aus Wolframkarbid, pyrolytischem Graphit oder imprägniertem Kohlenstoff bestehen,

10. Kolbenaggregat nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) in erster Linie aus Polytetrafluoräthylen besteht und einen prozentual geringen Kohlenstoffgehalt hat.

11. Kolbenaggregat nach einem der Ansprüche 6 bis 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerring (38) in erster Linie aus Polytetrafluoräthylen besteht und einen prozentual geringen Gehalt an Kohlenstoff und Graphit hat.

Der Patentanwalt

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