Die gegenständliche Erfindung betrifft einen Kolben mit einem Kolbenkörper und einer Anzahl von Kolbenringen und Stützringen, die auf dem Kolbenkörper angeordnet sind.

In einem herkömmlichen gebauten Kolben 1 (wie in Fig. 1 gezeigt), z.B. für einen Kolben- kompressor, werden die Kolbenringe 2 in einer starren L-förmigen Scheibe 3 aufgenommen, wobei sich die Kolbenringe 2 an den radialen Schenkeln der L-förmigen Scheiben 3 abstützen. Die L-förmigen Scheiben 3 werden hier direkt auf einer Kolbenstange 6 angeordnet und fixiert. Der Kolben 1 wird im Zylinder 5 durch einen Tragring 4 geführt, womit ein Anlaufen des Kolbens 1 an den Zylinder 5 verhindert wird. Mit zunehmendem Tragringverschleiß er- höht sich jedoch die Beweglichkeit des Kolbens 1 quer zur Hubbewegung (durch Doppelpfeil angedeutet). Bei einem solchen Kolben 1 ist es daher notwendig, dass das Spiel zwischen Kolben 1 (bzw. den L-förmigen Scheiben 3) und Zylinder 5 möglichst groß ist, um einen maximalen Tragringverschleiß erreichen zu können. Aufgrund dieser Notwendigkeit entsteht jedoch zwangsweise ein großes Spiel zwischen Kolben 1 und Zylinder 5, wodurch aber die Kolbenringe 2, die in der Regel aus einem Kunststoff, wie z.B. PTFE, gefertigt sind, in diesen Spalt zwischen L-förmigen Scheiben 3 und Zylinder 5 hineinextrudieren können. Dieses Spiel sollte daher aber möglichst klein sein, damit die Kolbenringe 2 (speziell bei hohen Drücken) nicht in den Spalt extrudieren. Um diese widersprüchlichen Anforderungen mit einem solchen bekannten Kolben 1 zu erfüllen, kann in die Kolbenringnut ein zusätzlicher Backup Ring an- geordnet werden, was aber die Länge des Kolbens vergrößert.

Der Kolben nach der EP 541 482 Al löst dieses Problem durch nachstellbare, geschlitzte Kolbenringe. Die Kolbenringe sind dazu in einem L-förmigen Kammerring und radial innen beabstandet von der Begrenzungsfläche des Kammerringes angeordnet, wobei die Kolbenringe durch benachbarte Kammerringe eingeklemmt werden. In den dadurch entstehenden Ringraum wird der Arbeitsdruck geleitet, wodurch die Kolbenringe gegen die Lauffläche des Zylinders gepresst werden. Eine Stirnseite des Kolbenringes ist, so wie der radiale Schenkel des L-förmigen Kammerringes, abgeschrägt, wobei in der Ausgangslage die beiden parallelen schrägen Fläche beabstandet voneinander angeordnet sind. Mit zunehmendem Verschleiß der Kolbenringe nähern sich die beiden schrägen Flächen zusehends an, bis sie aneinander liegen, womit die Verschleißgrenze erreicht ist. Eine axiale Beweglichkeit des Kolbens wird dadurch unterbunden, dass der Kolben durch die Kolbenringe im Zylinder geführt ist. Das Spiel zwischen Kolben und Zylinder, und in Folge die Extrusionsgefahr, kann dadurch aber verringert werden, da durch die nachstellbaren Kolbenringe verhindert wird, dass der Kolben an den Zylinder anläuft. Ein solcher Kolben ist aber aufgrund der schrägen Flächen und der notwendigen Zuführung des Gasdruckes in den Ringraum fertigungstechnisch aufwendig. Außerdem ergibt sich durch die notwendige axiale Klemmung der Kolbenringe durch benachbarte Kammerringe ein Doppelpassungsproblem, was ebenfalls zu fertigungstechnischen Schwierigkeiten führt. Zudem kann das dazu führen, dass die Kolbenringe mit unterschiedli- chen Andrückkräften gegen den Zylinder gedrückt werden, was wiederum zu unerwünschten unterschiedlichen Verschleißraten der Kolbenringe führen kann.

Es ist daher eine Aufgabe der gegenständlichen Erfindung einen Kolben anzugeben, der die beiden widersprüchlichen Anforderungen, großes Spiel zwischen Kolben und Zylinder einerseits und geringe Extrusion des Kolbenringes andererseits, löst und einfach und kompakt aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Stützring in einer am Kolbenkörper vorgesehenen Umfangsnut angeordnet ist, wobei die axiale Breite der Umfangsnut größer ist, als die axiale Breite des Stützringes, dass zwischen zwei benachbarten Stützringen jeweils ein Kolbenring angeordnet ist, der sich axial an einem Stützring abstützt, wobei der Abstand zwischen zwei benachbarten Stützringen größer ist, als die Breite des dazwischen liegenden Kolbenringes und dass der Stützring radial innen radial beabstandet vom Kolbenkörper angeordnet ist. Durch diese Anordnung wird erreicht, dass ein Stützring bei einer Bewegung des Kolbens quer zur Hubbewegung mit dem Kolben nicht mitbewegt wird, sondern sich lediglich der Kolbenkörper relativ zum Stützring bewegt. Ein Stützring wird da- her durch die Kolbenbewegung nicht gegen die Lauffläche des Zylinders gedrückt, womit das radiale Spiel zwischen Stützring und Lauffläche erheblich verkleinert werden kann. Weiters ergibt sich dadurch eine enorme Platzeinsparung in der notwendigen Länge des Kolbens, da der Stützring die Funktion einer Abstützung und die Funktion der herkömmlichen Kolbenringnut in sich vereint. Bei einem herkömmlichen gebauten Kolben wäre eine L-förmige Kammerscheibe und ein zusätzlicher Backup Ring in der Kolbenringnut notwendig, wodurch eine breitere Kolbenringnut ausgeführt werden müsste.

In einer besonders bevorzugten Ausführung ist eine Anzahl von Kammerringen angeordnet, wobei in einem Kammerring eine Umfangsnut vorgesehen ist, in der ein Stützring angeordnet ist und der Stützring radial innen radial beabstandet vom Grund der Umfangsnut ange- ordnet ist. Damit kann sehr einfach ein gebauter Kolben realisiert werden, da die Kammerringe mit den Stützringen und Kolbenringe einfach auf einem Kolbenteil aufgeschoben werden können.

Zur Führung des Kolbens im Zylinder ist vorteilhaft am Kolbenkörper zumindest ein Tragring vorgesehen. Eine besonders vorteilhafte und einfache konstruktive Anordnung ergibt sich, wenn der Kolbenkörper auf einem Kolbenmittelteil angeordnet ist, wobei an einem axialen Ende des Kolbens ein Kolbenendteil vorgesehen sein kann, der die Kammerringe des Kolbenkörpers am Kolbenmittelteil fixiert.

Um die dynamische Druckkomponente nicht an den Kolbenringen abdichten zu müssen, kann am kompressionsraumseitigen axialen Ende des Kolbens am Kolbenkörper ein erster ungeschnittener Ring angeordnet sein und zwischen diesem ersten ungeschnittenen Ring und einem nächsten Ring ein Zwischenraum vorgesehen sein, wobei der Zwischenraum mit dem Raum vor dem ersten ungeschnittenen Ring verbunden ist. Der erste ungeschnittene Ring dient dabei der Abdichtung der dynamischen Arbeitsdruckkomponente.

Um die axiale Beweglichkeit des Kolbens durch den ersten ungeschnittenen Ring nicht zu beeinträchtigen, kann der ungeschnittene Ringe in einer Umfangsnut angeordnet sein, die an einem axialen Ende von einem Stützring begrenzt ist, wobei die Breite der Umfangsnut größer ist, als die Breite des ungeschnittenen Ringes. Der Stützring kann in einer Umfangsnut des Kolbenkörpers angeordnet sein, wobei die Breite der Umfangsnut größer ist, als die Breite des jeweiligen Stützringes. Damit wird eine axiale Klemmung der ungeschnittenen Ringe bzw. der Stützringe verhindert. Weiters können der ungeschnittene Ring und der Stützring radial innen radial beabstandet vom Grund der Umfangsnut angeordnet sein, um eine relative Beweglichkeit des Kolbenkörpers gegenüber den Ringen zu ermöglichen.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen, beispielhaften, nicht einschränkenden und vorteilhafte Ausgestaltungen zeigenden Figuren 1 bis 7 beschrieben. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Kolben nach dem Stand der Technik, Fig. 2 einen erfindungsgemäßen Kolben, Fig. 3 ein Detail eines erfindungsgemäßen Kolbens,

Fig. 4 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens und Fig. 5 bis 7 Ausgestaltungen der im Kolben verwendeten Ringe.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben. Der Kolben 1 besteht aus einem Kolben- körper 15, der durch eine Anzahl von axial aneinander liegenden Kammerringen 10 gebildet wird. Der Kolbenkörper 15 bzw. die Kammerringe 10 sind hier auf einem Kolbenmittelteil 14 angeordnet und werden darauf mit einem Kolbenendteil 13 fixiert. Dazu kann der Kolbenendteil 13 z.B. auf den Kolbenmittelteil 14 aufgeschraubt sein. Ein Kammerring kann aber auch als Teil des Kolbenendteils 13 oder Kolbenmittelteils 14 ausgeführt sein. Am Kolbenendteil 13 und am Kolbenmittelteil 14 ist hier jeweils ein Tragring 4 angeordnet, um den Kolben 1 im Zylinder 5 zu führen. Der Hub des Kolbens 1 und die Länge des Kolbens 1 legen den axialen Endabstand zwischen Kolben 1 und Zylinderende fest. Das axiale Ende des Kolbens 1 kann für ein Ventil abgestimmt sein, um den Schadraum zu minimieren.

Das freie axiale Ende des Kolbenendteils 13 kann, je nach Bauart der Maschine, in der der Kolben 1 eingesetzt wird, entweder mit einem Pleuel oder einer Kolbenstange 17 (wie in Fig. 2 angedeutet) verbunden sein. Im Falle einer Kolbenstange 17 muss der Kolben 1 nicht fest mit der Kolbenstange 17 verbunden sein, sondern kann an der Kolbenstange 17 auch nur lose aufliegen, da der wirkende Druck im Kompressionsraum 16 dafür sorgt, dass der Kolben 1 mit der Kolbenstange 17 in Kontakt bleibt und damit mitbewegt wird.

Am Kolbenkörper 15 ist eine Anzahl von Kolbenringen 11 angeordnet. Die Kolbenringe 1 1 können grundsätzlich beliebig ausgeführt sein. Bevorzugt werden nachstellende Kolbenringe 11 eingesetzt, die bei fortschreitendem Verschleiß, z.B. durch den wirkenden Druck, immer radial nach außen gegen den Zylinder 5 gedrückt werden. Eine mögliche Ausführung solcher Kolbenringe 11 kann z.B. der AT 505 549 B entnommen werden.

In einem Kammerring 10 ist eine Umfangsnut 20 vorgesehen, in der ein Stützring 12 angeordnet wird. Im gezeigten Beispiel ist die Umfangsnut 20 an einem axialen Ende des Kammerringes 10 angeordnet und wird axial durch den benachbarten Kammerring 10 begrenzt. In einer solchen Ausführung kann ein ungeschnittener Stützring 12 beim Zusammenbau des Kolbens 1 einfach montiert werden. Im Falle geschnittener oder geschlitzter Stützringe kann die Umfangsnut 20 auch beabstandet von den axialen Enden des Kammerringes 10 angeordnet werden. In einer solchen Ausführung kann aber auch auf die Kammerringe 10 verzichtete werden, da die Umfangsnuten 20 dann direkt in den Kolbenkörper 15, z.B. in den Kolbenmitteilteil 14, eingearbeitet sein können. Die Breite der Umfangsnut 20 ist etwas grö- ßer, als die Breite des Stützringes 12, damit der Stützring 12 in der Umfangsnut 20 mit einem axialen Spiel angeordnet ist und axial nicht eingeklemmt wird und vor allem der Kolbenkörper 15 relativ zum Stützring 12 ungehindert bewegbar bleibt. Der freien relativen Beweglichkeit des Kolbenkörpers 15 wirken nur aufgrund der anstehenden Drücke entstehende Reibungskräfte zwischen Stützring 12 und Umfangsnut 20 entgegen. Bei einer Bewegung des Kolbens 1 quer zur Hubrichtung wird somit nur der Kolbenkörper 15 bewegt, die Stützringe 12, werden dabei nicht mitbewegt. Damit liegen die Stützringe 12 schlimmstenfalls mit ihrer eigenen sehr geringen Gewichtskraft an der Zylinderwand an. Es werden jedoch keine Kräfte vom Kolbenkörper 15 auf die Stützringe 12 übertragen.

Auf dem verbleibenden Teil des Kammerringes 10 ist jeweils ein Kolbenring 1 1 angeordnet. Damit ist zwischen zwei benachbarten Kolbenringen 11 jeweils ein Stützring 12 angeordnet,

-A- wobei die Breite eines Kolbenringes 11 etwas kleiner ist, als der sich ergebende Abstand zwischen zwei Stützringen 12, damit der Kolbenring 11 zwischen den beiden benachbarten Stützringen 12 nicht eingeklemmt wird und die radiale Beweglichkeit des Kolbenkörpers 15 nicht gestört wird. Im Betrieb wird ein Kolbenring 11 durch die wirkenden Drücke bzw. durch die Hubbewegung des Kolbens axial an einem Stützring 12 anliegen und der benachbarte Kolbenring 11 axial von diesem Stützring 12 beabstandet sein und am nächsten Stützring 12 axial anliegen, usw. Die Kolbenringe 11 stützen sich axial ausschließlich an den Stützringen 12 ab, die axial wiederum ausschließlich in den Umfangsnuten 20 abgestützt werden

Der in Fig. 2 dargestellte Kolben 1 ist ein einfach wirkender Kolben. Für einen doppelt wir- kenden Kolben könnte für alle Kolbenringe 11 zu beiden Seiten jeweils ein Stützring 12 vorgesehen sein, also hier auch zusätzlich zwischen Kolbenendteil 13 und anliegenden Kolbenring 1 1 , damit sich alle Kolbenringe 1 1 bei beiden Kompressionshüben zur Vermeidung einer Extrusion an einen Stützring 12 abstützen können.

Bei einer Bewegung des Kolbens 1 quer zur Hubbewegung kann sich der Kolbenkörper 15 deshalb durch das radiale Spiel X zwischen Stützring 12 und dem Grund der Umfangsnut 20 in radialer Richtung relativ zum Stützring 12 bewegen, ohne das der Stützring 12 mitbewegt wird. Ein Stützring 12 kann daher mit sehr geringem Spiel Y zwischen Zylinder 5 und äußerer Umfangsfläche des Stützringes 12 eingebaut werden, da keine Gefahr besteht, dass der Stützring 12 durch eine solche Querbewegung an den Zylinder 5 mit erhöhter Kraft ange- drückt wird. Mit einer erfindungsgemäßen Anordnung kann das Spiel Y ohne Probleme auf 0,1 mm verkleinert werden. Eine natürliche Grenze des Spiels Y stellt dabei die Wärmeausdehnung des Stützringes 12 dar, die natürlich nicht dazu führen darf, dass der Stützring 12 radial im Zylinder 5 eingeklemmt wird. Durch das mögliche geringe Spiel Y kann aber auch eine Extrusion des Kolbenringes 11 in den Spalt zwischen Stützring 12 und Zylinder 5 prak- tisch unterbunden werden. Die Kolbenringe 1 1 können radial ebenfalls beabstandet vom Kolbenkörper 15 angeordnet sein, z.B. bei Verwendung von Kolbenringen gemäß der AT 505 549 B, sodass zwischen Kolbenringen 11 und Kolbenkörper 15 ebenfalls ein radiales Spiel entsteht, das mit zunehmenden Kolbenringverschleiß größer wird. In den dadurch entstehenden Ringraum steht hier der wirkende Druck an, der den Kolbenring 1 1 nach außen gegen den Zylinder 5 drückt. Eine allfällige Querbewegung des Kolbenkörpers 15 beeinflusst die Kolbenringe 1 1 daher nicht.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Kolbens 1 , wie in Fig. 4 dargestellt, wird kompressionsraumseitig vor den Kolbenringen 1 1 ein ungeschnittener Ring 21 angeordnet, um die dynamische Druckkomponente des Arbeitsdruckes abzudichten. Da dies definiert ablaufen soll, kann in den zugehörigen Stützring 24 eine radiale Nut 26 eingearbeitet sein und dahinter ein Zwischenraum 25 vorgesehen sein, damit der dynamische Arbeitsdruck nicht nach hinten durchschlägt. Durch die radiale Nut 26 wird der verbleibende Arbeitsdruck in den Zwischenraum 25 geleitet. Axial daran anschließend können noch ein Tragring 4, ein weiterer ungeschnittener Ring 27 und die Kolbenringe 1 1 zum Abdichten der statischen Druckkomponente vorgesehen sein. Eine solche Ringkonfiguration kann aber auch bei jedem anderen Kolben verwendet werden.

Der erste ungeschnittene Ring 21 kann dazu in einer Umfangsnut 28 eines ersten Kammerringes 23 angeordnet werden, der axial an einem zweiten Kammerring 22 anliegt, in dem der zweite ungeschnittene Ring 27 in einer weiteren Umfangsnut 28 angeordnet ist. Der zweite ungeschnittene Ring 27 kann aber auch entfallen. Beide ungeschnittenen Ringe 21 , 27 sind wiederum radial vom Grund der zugehörigen Umfangsnut 28 beabstandet angeordnet und die Breite der Umfangsnut 28 ist jeweils breiter als die Breite des jeweiligen ungeschnittenen Ringes 21 , 27, um eine ungehinderte Querbewegung des Kolbenkörpers 15 zu ermöglichen. Beide ungeschnittenen Ringen 21 , 27 liegen axial an einem Stützring 24, 12 an, der jeweils wiederum in einer Umfangsnut 20 in den Kammerringen 22, 23 angeordnet sind und wieder vom Grund der Umfangsnut radial beabstandet angeordnet sind. Die Stützringe 24, 12 sind in ihren Umfangsnuten 20 wiederum mit einem axialen Spiel eingebaut, damit diese axial nicht eingeklemmt werden. Dasselbe gilt für die ungeschnittenen Ringe 21 , 27. Im zweiten Kammerring 22 ist am dem ersten Kammerring 23 zugewandten axialen Ende eine Ausnehmung, z.B. in Form einer Abdrehung, vorgesehen, die den Zwischenraum 25 ausbildet. Ein Tragring 4 ist hier vor dem zweiten ungeschnittenen Ring 27 im zweiten Kammerring 22 angeordnet. Der Tragring 4 kann aber auch im ersten Kammerring 23 angeordnet sein. Die restliche Konfiguration des Kolbens 1 entspricht dem zu den Figuren 2 und 3 beschrieben Kolben 1.

Mögliche Ausführungen von verwendeten Ringen sind in den Figuren 5 bis 7 dargestellt. Im ungeschnittenen Ring 21 , 27 können Druckausgleichsbohrungen 30 vorgesehen sein. Der ungeschnittene Ring 21 , 27 kann vorteilhaft aus PRFE gefertigt sein, da PTFE-Ringe einen gewissen Verschleiß nachstellen können. Weiters können am Stützring 24 des ersten ungeschnittenen Ringes 21 an einer axialen Stirnfläche eine radiale Nut 31 vorgesehen sein, um den Arbeitsdruck bei beiden Hubbewegungen sicher in den Zwischenraum 25 zu leiten. Beim Kompressionshub lässt diese Nut 31 kein Arbeitsmedium durchströmen, weil der ungeschnittene Ring 21 an der anderen Stirnfläche dichtet. Diese Nut 31 dient dazu beim Saughub das verdichtete Arbeitsmedium in der Kammer 25 wieder zurück in den Kompressionsraum zu lassen, um beim Saughub den ungeschnittenen Ring 21 nicht gegen den Zylinder 5 zu pressen. Der ungeschnittene Ring 21 ist also nicht druckbelastet. Diese Anordnung kann auch so eingestellt werden, dass der zweite ungeschnittene Ring 27 ebenfalls einen Teil des dynamischen Druckes abdichtet. Es ist daher nicht zwingend notwenig, dass der erste ungeschnit- tene Ring 21 den vollen dynamischen Druck abdichtet. Der zweite ungeschnittene Ring 27 kann auch den statischen Druck abdichten, da ja keine radiale Nut in den folgenden Stützring gefräst ist.

Ein in Fig. 6 gezeigter Tragring 4 kann geschnitten ausgeführt sein und kann an der radial äußeren Umfangsfläche axial durchgehende Nuten aufweisen, um den wirkenden Druck zu den Kolbenringen 11 zu leiten. Die in Fig. 7 dargestellte Ausführung eines Kolbenringes 1 1 entspricht der Beschreibung der AT 505 549 B. Es ist aber auch jede andere Ausführung eines Kolbenringes 1 1 denkbar.