Gasdrucklager und Lagerbuchse dafür

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gasdrucklager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie einen Linearverdichter in dem das Gasdrucklager Anwendung findet.

Radial wirkende Gasdrucklager nehmen radiale Kräfte, die auf einen in einer Lagerbuchse beweglich gehaltenen Körper wie etwa eine Welle oder einen Kolben wirken, dadurch auf, dass sie durch kleine Bohrungen in der Wand der Lagerbuchse unter Druck stehendes Gas so gleichmäßig in einen Spalt zwischen Körper und Buchse leiten, dass das entstehende Gaspolster eine Berührung von Körper und Lagerbuchse verhindert.

Wird durch eine radial wirkende Kraft der Körper gegenüber der Lagerbuchse radial verschoben, so verengt sich der Spalt zwischen Körper und Lagerbuchse in Kraftrichtung, und das Gaspolster im verengten Bereich des Spalts wird verdichtet, während ein Bereich des Spalts auf der gegenüberliegenden Seite des Körpers weiter wird und das Gaspolster sich dort entsprechend entspannt. Durch diese Druckdifferenz entsteht eine Rückstellkraft, die um so größer wird, je stärker die radiale Auslenkung des Körpers und damit die Druckdifferenz zwischen den zwei Bereichen des Spalts ist (Federwirkung). Die Stärke der Federwirkung (Steifigkeit) eines Gasdrucklagers wird im Wesentlichen bestimmt durch den Querschnitt der Versorgungsbohrungen. Je kleiner dieser ist, um so wirkungsvoller wird ein Rückströmen des Gases verhindert. Je geringer der Rückströmeffekt, desto stärker ist die Druckerhöhung durch die radiale Verschiebung des Körpers, und desto höher ist daher die Rückstellkraft (Steifigkeit).

Je kleiner der Durchmesser der Versorgungsbohrungen ist, um so geringer ist der für eine befriedigende Lagerwirkung erforderliche Gasdurchsatz durch die Versorgungsbohrungen. Eine Minimierung des Gasdurchsatzes ist insbesondere für Anwendungen wie etwa die Lagerung eines Verdichterkolbens von hoher Bedeutung, bei der von dem Verdichter selbst verdichtetes Gas für den Betrieb des Gasdrucklagers genutzt wird und ein hoher Gasverbrauch den Wirkungsgrad des Verdichters beeinträchtigt.

Es ist also aus verschiedenen Gründen wünschenswert, den Durchmesser der Versorgungsbohrungen in einer Lagerbuchse eines Gasdrucklagers so klein wie möglich zu machen.

Bohrungsdurchmesser im Bereich weniger hundertstel Millimeter können heute effizient mit gepulsten Laserstrahlen oder mit Funkenerosion hergestellt werden. Dabei spielt aber das Aspektverhältnis der Bohrung (Durchmesser d zu Bohrungslänge L) eine besondere Rolle bezüglich Qualität und Wirtschaftlichkeit der Bohrung. Für die industrielle Herstellung liegt der Stand der Technik heute bei Aspektverhältnissen von maximal 1 :20. Ein höheres Aspektverhältnis von bis zu 1 :40 ist bei geeigneter Materialwahl unter Umständen erreichbar, jedoch nur auf Kosten der Wiederholgenauigkeit der Bohrungen.

Wenn man einen praktisch realisierbaren Durchmesser d der Versorgungsbohrungen von 30 μm und ein Aspektverhältnis von 1 :20 annimmt, darf die Wandstärke L der Buchse 0,6 mm nicht überschreiten. Die mechanische Bearbeitung einer solchen dünnwandigen Buchse ist extrem schwierig, da die zum Aufspannen und Zerspanen notwendigen Kräfte die hochgenaue Buchse sehr leicht verformen können. Ein Lösungsansatz, der die Formbeständigkeit der Buchse verbessert und dennoch die Bildung von engen Versorgungsbohrungen ermöglicht, ist, in einer ursprünglich dickwandigen Buchse an einer Außenfläche umlaufende Nuten zu drehen, wodurch die Wandstärke der Buchse im Bereich der Nuten verringert wird, und anschließend die Versorgungsbohrungen am Boden der Nuten zu bilden. Auch hier ergibt sich jedoch das Problem, dass die im Bereich der Nuten sehr dünnwandige Buchse gefährdet ist, durch beim Zerspanen auftretende Kräfte verformt zu werden. Dies zwingt in der Praxis dazu, auch im Bereich der Nuten eine so hohe Restwandstärke beizubehalten, dass reproduzierbar mit einem Aspektverhältnis von ca. 1 :20 fertigbare Versorgungsbohrungen einen unerwünscht großen Durchmesser haben oder Bohrungen mit einem höheren Aspektverhältnis und einer eingeschränkten Reproduzierbarkeit geschaffen werden müssen, die zu einer ungleichmäßigen Verteilung des Gaspolsters zwischen der Lagerbuchse und dem darin gelagerten Körper und damit zu einer eingeschränkt zuverlässigen Lagerwirkung führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Lagerbuchse, die reproduzierbare, enge Versorgungsbohrungen und eine hohe Formbeständigkeit aufweist, sowie Anwendungen für eine solche Lagerbuchse anzugeben.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gasdrucklager mit einem eine Lagerbuchse aufweisenden Gehäuse, die einen Buchsenkörper besitzt, der eine Längsachse definiert und eine Mehrzahl von an einer Außenfläche des Buchsenkörpers gebildeten Vertiefungen und einer Mehrzahl von sich jeweils vom Boden einer dieser

Vertiefungen aus durch den Buchsenkörper zu einer Innenfläche desselben erstreckenden Kapillarbohrungen aufweist, der dadurch gekennzeichnet ist, dass der Buchsenkörper in jedem Schnitt, der quer zu der Längsachse durch eine der

Kapillarbohrungen verläuft, lokal eine höhere Wandstärke aufweist als in unmittelbarer Umgebung der Bohrung. Während bei der herkömmlichen

Lagerbuchse die umlaufende Nut eine über den gesamten Querschnitt gleich bleibende, geringe Wandstärke hat, ermöglicht die erfindungsgemäß lokal erhöhte Wandstärke eine erhöhte Belastbarkeit der Lagerbuchse, insbesondere gegen

Drehmomente mit zur Längsachse parallelem Drehmomentvektor.

Einer ersten Ausgestaltung zu der Erfindung zufolge sind die Vertiefungen jeweils Sackbohrungen, deren Durchmesser größer ist als der der Kapillarbohrungen, und die Kapillarbohrungen gehen jeweils von einer Bodenfläche jeder Sackbohrung aus.

Mit dieser Ausgestaltung ist eine sehr hohe Formbeständigkeit der Lagerbuchse realisierbar, da die Wandstärke des Buchsenkörpers außerhalb der Sackbohrungen nach Bedarf groß gewählt werden kann. Die Fertigung dieser Lagerbuchse ist jedoch vergleichsweise aufwändig, da jede sich durch den Buchsenkörper erstreckende Versorgungsbohrung in zwei Schritten, zunächst der Erzeugung der Sackbohrung und anschließend der Erzeugung der Kapillarbohrung, erzeugt werden muss und bei der Erzeugung der Sackbohrung die Bohrtiefe mit hoher Genauigkeit überwacht werden muss.

Einer einfacher zu fertigenden Ausgestaltung zufolge sind die Vertiefungen segmentförmige Aussparungen an der zylindrischen Außenfläche der Hülse. Diese sind mit gleich bleibender Eindringtiefe leicht zu fertigen, indem beispielsweise die

Lagerbuchse auf einem Bearbeitungstisch platziert wird und über ein Kreissägeblatt oder einen Fräskopf gezogen wird, dessen überstand über die Tischoberfläche geringfügig kleiner als die Wandstärke des Buchsenkörpers ist.

Eine Kapillarbohrung geht bei dieser Ausgestaltung vorzugsweise in einem Schnitt quer zu der Längsachse jeweils mittig von einer Bodenfläche der Aussparung aus, da dort die verbleibende Wandstärke am geringsten ist.

Zweckmäßig ist ferner, wenn jeweils mehrere der besagten Aussparungen zu einer an der Außenfläche umlaufenden Nut verschmolzen sind, da dann ein einziger mit der Nut kommunizierender Versorgungszugang genügt, um alle von der Nut ausgehenden Kapillarbohrungen mit Druckgas zu speisen.

Die Bodenflächen der Aussparungen bilden vorzugsweise im Schnitt ein regelmäßiges Vieleck.

Nicht nur im Fall der oben erwähnten segmentförmigen Aussparungen ist es zweckmäßig, wenn die Vertiefungen Teil wenigstens einer an der Außenfläche umlaufenden Nut mit in Umlaufrichtung variabler Tiefe sind, um eine gemeinsame Speisung aller von der Nut ausgehenden Kapillarbohrungen mit Druckgas zu ermöglichen.

Einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung zufolge hat der Buchsenkörper in einem Schnitt quer zu der Längsachse die Form eines Zahnrades, wobei jeweils von einem Zahnzwischenraum der Zahnradform eine der Kapillarbohrungen ausgeht.

Die Zähne und Zahnzwischenräume bilden vorzugsweise im Schnitt eine geschwungene Kontur.

Die Zahnradform, insbesondere eine Zahnradform mit geschwungener Kontur, ist leicht durch Drehen mit einem oszillierenden Drehmeißel erzeugbar.

Bei einem Gasdrucklager mit einer Lagerbuchse der oben beschriebenen Art und einem die Lagerbuchse aufnehmenden Gehäuse ist vorzugsweise an einer

Innenfläche des Gehäuses wenigstens ein Kanal gebildet, über den mehrere der Vertiefungen kommunizieren, um eine gemeinsame Speisung der mehreren Vertiefungen mit Druckgas zu ermöglichen.

Der Kanal ist vorzugsweise in Richtung der Längsachse ausgedehnt, und die über den Kanal miteinander kommunizierenden Vertiefungen sind in Richtung der Längsachse beabstandet. Insbesondere können die kommunizierenden Vertiefungen zu verschiedenen umlaufenden Nuten gehören.

Gegenstand der Erfindung ist auch ein Linearverdichter, in dem eine Lagerbuchse, und/oder ein Gasdrucklager wie oben definiert verwendet ist.

Weiter 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 axialen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen

Linearverdichter;

Fig. 2 einen radialen Schnitt durch den Linearverdichter entlang der in Fig. 1 mit M-Il bezeichneten Ebene;

Fig. 3 einen Schnitt durch die Lagerbuchse des Linearverdichters entlang der in Fig. 3 mit Ml-Ml bezeichneten Ebene gemäße einer ersten Ausgestaltung;

Fig. 4 einen radialen Schnitt durch einen Linearverdichter gemäß einer zweiten Ausgestaltung;

Fig. 5 eine perspektivische Teilansicht der Lagerbuchse gemäß der zweiten Ausgestaltung; und

Fig. 6 einen zu Fig. 4 analogen Schnitt gemäß einer dritten Ausgestaltung der

Erfindung.

Der in Fig. 1 gezeigte Linearverdichter hat ein Gehäuse 1 mit einem zylindrischen Mantel 2, der an einem Ende durch eine Stirnwand 3 verschlossen ist. Ein Sauganschluss 4 mit einem Rückschlagventil 5 erstreckt sich durch die Stirnwand 3 in einen inneren Hohlraum des Gehäuses 1 . In diesem Hohlraum ist an einer Innenfläche des Mantels 2 anliegend eine zylindrische Lagerbuchse 6 angeordnet, die zusammen mit der Stirnwand 3 eine Arbeitskammer 7 begrenzt. In dieser ist ein Kolben 8 in Richtung der Längsachse 9 der Lagerbuchse 6 verschiebbar. Eine von der Stirnwand 3 fort gerichtete Bewegung des Kolbens 8 saugt ein zu verdichtendes Gas durch den Sauganschluss 4 in die Arbeitskammer 7; eine Bewegung des Kolbens 8 auf die Stirnwand 3 zu verdichtet das Gas und drückt es schließlich in einen Druckauslass 10, in dem ein zweites Rückschlagventil 1 1 angeordnet ist.

Stromabwärts vom Rückschlagventil 1 1 ist eine Verteilerkammer 12 in der Stirnwand 3 gebildet. Der überwiegende Teil des verdichteten Gases verlässt die Verteilerkammer 12 über einen Druckanschluss 13; ein kleiner Teil strömt in Kanäle 14, die sich entlang der Innenfläche des Mantels 2 in axialer Richtung erstrecken und jeweils mit einer Mehrzahl von sich durch den Körper der Lagerbuchse 6 erstreckenden Versorgungsbohrungen 15 kommunizieren. Die Versorgungsbohrungen 15 sind jeweils gebildet durch eine äußere Sackbohrung 16, deren Tiefe exakt bemessen ist, um zwischen dem Boden jeder Sackbohrung 16 und einer Innenseite der Hülse eine Restwandstärke von z. B. 0,6 mm zu gewährleisten. Eine Kapillarbohrung 17 mit einem Durchmesser von z. B. 30 μm erstreckt sich vom Boden jeder Sackbohrung 16 durch den Körper der Lagerbuchse 6 bis zur Arbeitskammer 7. über die Kapillarbohrungen 17 gelangt verdichtetes Gas aus der Verteilerkammer 12 zurück in die Arbeitskammer 7, wo es ein Gaspolster bildet, das den Kolben 8 schwebend ohne Kontakt mit der Lagerbuchse 6 hält und so eine im Wesentlichen reibungsfreie Bewegung des Kolbens 8 ermöglicht.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die Stirnwand 3 des Verdichters in Höhe der Verteilerkammer 12. Die von dort ausgehenden Kanäle 14 können in im Prinzip beliebiger, zur Speisung aller Versorgungsbohrungen 15 mit Druckgas erforderlicher Anzahl vorgesehen sein, wie zum Teil durch gestrichelte Umrisse dargestellt.

Fig. 3 zeigt einen radialen Schnitt durch die Lagerbuchse 6 entlang der Ebene Ill-Ill der Fig. 1 . Eine Mehrzahl von Versorgungsbohrungen 15, hier zwölf Stück, ist gleichmäßig über den Umfang der Lagerbuchse 6 verteilt. Um diese sowie in anderen, zur gezeigten Schnittebene parallelen Ebenen liegende Versorgungsbohrungen 15 zu speisen, sind die Kanäle 14 in entsprechender Zahl an der Innenseite des Mantels 2 verteilt und mit der Verteilerkammer 12 verbunden.

Fig. 4 zeigt einen Schnitt entlang der Ebene Ill-Ill gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung. An der Außenfläche der Lagerbuchse 6 sind durch Sägen oder Fräsen eine Mehrzahl von schmalen, kreissegmentförmigen Vertiefungen 18 gebildet, von denen eine durch eine strichpunktierte Begrenzungslinie zur Verdeutlichung hervorgehoben ist. Die miteinander zu einer umlaufenden Nut 21 überlappenden Vertiefungen 18 reduzieren den Querschnitt der Lagerbuchse 6 in der gezeigten Schnittebene auf ein regelmäßiges Vieleck, hier ein Zwölfeck, wobei sich jeweils eine Kapillarbohrung 17 von der Mitte jeder Seite des Vielecks aus durch den Körper der Lagerbuchse 6 zur Arbeitskammer 7 erstreckt. Die Vieleckform hat zur Folge, dass die Querschnittsfläche der Lagerbuchse 6 in der Schnittebene und damit ihre Steifigkeit größer ist als die einer herkömmlichen Lagerbuchse, bei der Kapillarbohrungen von einer umlaufenden Nut von konstanter Tiefe ausgehen. Der Zuwachs an Querschnittsfläche ist um so größer, je kleiner die Zahl der Ecken des Vielecks ist, wie eine zum Vergleich gestrichelt eingezeichnete Sechseckkontur verdeutlicht. Da die einzelnen Vertiefungen 18 an den Ecken des Vielecks miteinander verschmelzen und so die umlaufende Nut 21 mit variabler Tiefe bilden, genügt eine kleine Zahl von Kanälen 14, um alle Kapillarbohrungen 17 zu speisen. Diese können, wie in Fig. 2 gezeigt, sich entlang der Innenfläche des Mantels 2 erstrecken; in Fig. 4 sind sie in der Lagerbuchse 6 selbst, wie die Vertiefungen 18 durch Fräsen oder Sägen, gebildet. An Stelle der in der Fig. 4 gezeigten zwei Kanäle 14 könnte auch ein einziger genügen.

Fig. 5 zeigt zur Veranschaulichung eine perspektivische Ansicht einer in Höhe einer von den Vertiefungen 18 gebildeten umlaufenden Nut 21 durchgeschnittenen Lagerbuchse 6. Es sind mehrere axial beabstandete umlaufende Nuten 21 und die sie miteinander und mit der Verteilerkammer 12 verbindenden Kanäle 14 zu erkennen.

Einer in Fig. 6 gezeigten dritten Ausgestaltung zufolge sind axial beabstandete umlaufenden Nuten 21 , von denen eine im Schnitt in der Fig. zu sehen ist, an der Außenfläche der Lagerbuchse 6 durch Drehbearbeitung mit einem in radialer Richtung der Lagerbuchse 6 oszillierenden Drehmeißel gebildet. Indem die Oszillationsfrequenz des Drehmeißels auf das Zwölffache der Drehfrequenz der Lagerbuchse 6 gesetzt ist, wird eine zahnradähnliche Querschnittsform mit zwölf Zähnen 19 und zwölf Zahnzwischenräumen 20 erhalten. Nachdem die Wandstärke der Lagerbuchse 6 durch die Drehbearbeitung an den tiefsten Stellen der Zahnzwischenräume 20 auf das gewünschte Maß von 0,6 mm reduziert ist, werden dort die Kapillarbohrungen 17 eingebracht. Die jeweils dazwischen liegenden Zähne 19 gewährleisten eine große Querschnittsfläche der Lagerbuchse 6 in der Schnittebene und damit ein hohes Maß an Formbeständigkeit. Ein Kanal 14 zur Versorgung der Kapillarbohrungen 17 mit Druckgas kann sich wie in Fig. 2 gezeigt entlang der Innenfläche des Mantels 2 oder als Bohrung durch den Mantel 2 hindurch erstrecken oder wie in Fig. 4 und 5 gezeigt in die Lagerbuchse 6 gesägt oder gefräst sein. Denkbar ist auch, die Außenfläche der Lagerbuchse 6 auf ihrer gesamten Länge mit dem oszillierenden Drehmeißel zu bearbeiten, um so zwischen unbearbeitet bleibenden Streifen der Außenfläche jeweils Längskanäle 14 zu erzeugen, die die umlaufenden Nuten 21 mit der Verteilerkammer verbinden.