DE1426943A1 - Kolbenarbeitsmaschine,insbesondere Kolbenexpansionsmaschine zur Erzeugung tiefer Temperaturen - Google Patents

Description

Dr,InR Robert JK>tL send Prof Or»Ing. Franz Xaver EDEB»

"ffüHChen

"Kolber_arbeite»eechine, Insbesondere Kolbenexpaneloneiealne cur Breeugung tiefer Temperaturen"

Die Erfindung besloht sieb auf eine Kolbenarbelteraaschine, inobeaondore KolbenexpansionsBasohlne «ur Erseugung tiefer Teap«raturen alt einen Zylinder, einen darin vereonlebllohen Arbeitekolben und Ringnuten «n den Laufflächen von Kolben ader Zylinder, wobei in Spalt «wischen Zylinder und Kolben ein unter Hochdruck «tehendee Gae eti-ömt.

Zur JSrsei^uBg tiefer Temperaturen, Insbesondere zsuir Vertiefsiedender Oase, wie Neon, Wasserstoff und

Hellua. ohni* Yorkühlung durch andere höhere ie dende verflüssigte Gase, werdon Expansionsturbinen und Expansions« kolbermaechinen verwendet. Bei beiden Maschlnenarton wird unter Abgabe von meohanlLcher Arbeit das Arbeitsgas von hohe» auf niedrigen Bf¹UCk annähernd adiabatisch entspannt,

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v;obei dieses abgekühlt wird- Da Expansionsturbinen im allgemeinen nur große Gaadurcaeätze und kleine Druckverbalt&iaae alt gütern Wirkungsgrad verarbei ten können, koamen für oiittlere und kleinere Verflüsalgungs- \m.d aaskälltoanlasen ausschließlich Kolbenexpaneionsmaaohinen eur Anwendung.

Bei bekannten Kolbenexpanaioniwnaeohinen zur Erzeugung tiefer

let der Arbeitökoiben an der Lauffläche mit yeraehen und der Spalt zwlaoben ArbeItakolben und Zylinder let ale Parallelepelt ausgebildet« Die Ringnuten haben einer sei te aen Evreak.die Druokabdichtung dee Arbelterauacs gegenüber dom Außenraum su verbessern und andtrerseit· auf dem Umfang des Kolbens den Druck auessugleiohen. JSIn berüt 'ungafreier Lauf d&ß Kolbene Im Zylinder wird bei dleseß bekannten Maschinen nioht erreicht,.

Demzufolge tiJnnon diese Masohinen nur mit verhältniemäßig niedriger Bewiebedrebsaiil betrieben werden? außeraem iet ein Yersohleiß an den Laufflächen unvermeidbar* Ferner werden bei den bekannten Kolbenexpansionemasohinen die EId- iindAugOLäeee deo krhai'seß&Bna mi t*,ele meohaniocU oder elektromagnetisch betätigter Ventilen gesteuert. Diaae Ventile stellen cuaättliche Bauteile dar, komplizieren den Aufbau einer eolghon Kaeohine und beeinträchtigen deren Betriebssicherheit. In Fällen, in denen das Arbeitsgas

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nloht alt eine« Stfrnieraediua In Berührung kommen darf ode:.* bei der Erzeugung tiefer Temperaturen, wo eich die Verwendung einer ölschmierung aus physikalischen Gründen -/erbietet, let ein borührungsfreier Lauf τοπ Kolben Ir Zylinder bisher nicht »dglich

Der vorliegenden Erfindung liegt di's Aufgabe zugrunde, eine Kclbenarbeitsoaschine, Insbesondere Kolbenexpansionsaaeohine so au verbessern, daß ihr Aufbp.u und ihre Steuerung erheblich vereinfacht werden und sie zudem Bit hoher Betrlebsdrehzahl bei nur unwesentlichen Vorochloiö an den bewegten !Feilen betrieben werden kann.

Die Erfindung besteht darin, daß zur Erreichung eines berührungefreien Laufes des Arbeitskolbens In Zylinder unter Anwendung von Gasschmierung der gegenseitige Abstand ewLochen den Ringnuten an Kolben oder Zylinder otws. l/lCDbie 1/20 des KoIbenumfenges beträgt und sJcn die Spaltweite »wischen awei aufeinanderfolgenden Ringnuten in axialer Richtung ändert.

Die Speltweite swiechen je swei aufeinanderfolgenden Ringnuten nimt in Richtung der Spalt streuung ab, entweder auf der ganeen Länge des Kolbens oder nur nuf einen Teil desselben«

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let m@M «in?·; w©lt§resi Mv:^tea;,t dtr Erfindung

und dlt Bin« m& AmsßMsm für d*r; Art^-ftuges sind in d#r

sieh aue den An-Ö-S7- n&QhtoXgtaäta B^solucti^uiis vcm in de?

In der "siohnujig exigent Fig, I und δ ein© eohenatieo^ Ausübt bcw« »in Sruok«

diae?amm F-/.? BrXäuttrung der Strfimungevexiiältnies· in Spalt *visohen Zylinder und ArbeitekoXbeni

Fig. 3 ®ine eohematieohe Ant»iei\t einer erfindungsgsmüß ausgab! 15sten KclboneylindttsEinheit!

Fig. 4 vm& 5 ein© eoheüsatigsHe Aneioht bew. ein Druokdiagraiim 2ur Erläuterung der Struiaungevernaxtniese bei einer geänderten Auefttnriingeforui

Fig. 6 einen ißfeeiaatieohen Vertikal ςohnitt duroh die ZyXinder-

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koloeneinheit einer erfindungegemäSeix Kolben- •xpaaaionaMaQhi&e »ur ürseu^unt tiefer $e»p*ra-

türenj fig« 7 einen eofcematiestoe* V#rtikaleohni,> «lu«r ge~

Änderten AuefUhruagaforai Fig. θ einen vertikalen tellashnltt 4er &yllndorkoJLb«n··

einheit »it einstellbar« Boden dee Ftlllr&yaee ind fig* 9 ein Diagram», dae die Druck- und Vol-meawerte dee

Arbeiteproieeee· verf.^iohaulicht,

Fig. 1 seigt ein· Koloensylindereinhelt nach der Erfindung, bei der die Spaltweite-a ewieohen je svrei aufeinanderfolgenden Ringnuten in Richtung der Spaltatrusung abnimmt, entweder a'if der gansen läng· de· Kolben· oder nur auf eine» Teil deeaelben.

Mit 1 ist der Zylinder bezeichnet, »it 2 der Kolben* 3 und 4 elnd gvci aufeinanderfolgend· Ringnuten* Die Strumungerichtung dea untev Hoohdruok atehenden Saaee im Spalt ist durch den Pfeil angegeben. Sa let hler der <Ja.edruek p¹ in der Ringnut 3 größer ala der uee&ruok ρ·' In der Ringnut 4«

Bei der in der Praxis notwendigen kleinen Spaltwelt· a τοη nur wenigen M, kann man die 3trdsung dee Oaaea in Spalt in guter Näherung ala die sah« Strömung βineβ kompreaalblen Medium« Im laotherven Fall behandeln.

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{ZW& bedeutet, elsS nur öle leifemigskräfte, nicht ab®r die 1b3Sif@kei©litSgt werden« Eompresalbel und iso-Issest® t-_P toi iss te® fe<si der Burehot^ttmung des Spalte© Susi³ 8&piiliert₉ el©^ w@gen 4©s guten Wärmekenta&tse alt den ttan&sn eiah febei nioht abküMt). Bl© ofee Islumdlung il®©a? As»t vo& ipalte^uauas liefert, aiaf €©ü Ball eim©r temsfeatga Spaltweite β ange-, ffe täsa SsiiQjrrsrlaixf iroa p* ®i2^ p¹¹ in Abhttngig« Slag« I

P² - P'² - Cp'² - ρ"²) ι ,

β,Λι* ssinsa quadra tischen iSnaasisaeaii^ing wit ®r qualitativ in Pig. 2 etarola ii® geetrlohelte Ei3ft3 gezeigt 1st. I> ist der lb@tstnS %n AooseBricläti^g gvfi@©ken swei Hingnuten.

-£©igt₉ hängt bei» Parallelepalt der «wisefeen sw®i liagautt® vo», de^ Spaltweite β mioht a^v. »& ieng® ditee h^f ao klein bleibt, daS

i, miter &9xx*n 1) abgeleitet ist, erfüllt

Fig« X g^s©igt©n fall des te Spslte s ©rgilst Ale leobsiraig @in«n

tiv der sollen Kurve in Fig» 2 entepr an !sieht, wenn Man b®rüokeiohtigt_f daß Drosselung S.e& Gases-und desalt der Djpuokgrsäle&t an Stellen ätii ®r»g;- Spaltes gr^S^r sein muß, &1@ im äen Stellen des

t/«itta Spaltes. Men bat daher bei Ringnut 3 erst einen geringen Druckabfall und mit abnehmender Spaltwsifce gegen Ringnut * hin einon tunohmand stärkeren Druckabfall! so daß die volle Kurve immer über der gestrichelten ante.

Die Fig· 3 Eoigt aromatisch einen nach asc. danken ausgeführten Kolben 2 mit Ringnuten_3* ·*, 5» 6,_s«»«. und in Richtung der Gasatr3mung verengten Drosselspaltsen zwischen dan Ringnuten. Sine Stabillsieruogswirkung durch das im Spalt βtröuende Gas kommt nach dem oben Gesagten folgendermaßen zustande t Bei einer exzentrischen Verlagerung des Kolbens im Zylinder, s.B. nach linke, wie in Fig· 3 Κ^θ~ selchnet, ergjben sich rechts und links verschiedene Verhältnisse für die Änderung der Bpaltweite in axialer Richtung relativ zur Spaltireite salbst. Auf der Seite des größeren Spaltes ist die relative Änderung der Bpaltweite in axialer Richtung klein, der Druciverlauf wird ähnlich denjenigen sein, der sich beim Parallelepalt einstellt (gestrichelte Kurve in Fig. 2) und swar umsomohr de größer die Sialtwdite selbst wird. Auf der Gegenseite, der Seite mit dem engeren Spalt, 1st die relative Änderung der Spaltweite in axialer Richtung jroB· Der Druokverlauf ./ird hier wesentlich von dem des P&rallolspaltes abweichen (volle Kurve Fig. 2) und das umsomehr je mehr sich die Laulfläction von Kolben und Zylinder einander nähern· Hieraue «reibt sich auf der Seite des engeren Spaltes ein höherer¹ mittlerer statischer Gasdruck ρ « ^C P (Ό · <*1;

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als auf der gegenüberliegenden Seite mit weiterem Spalt und daher eine resultierende uaakraft, die den Kolben in. dl· sub Zylinder gentrIsche lage surückdrüokt« Die Ringnuten «b Kolbenumfang sorgen dafür, daß an allen Stellen dee Umfang·· dl« gleichen Auegangs- bsw« Eaddrücke für dl· Ströeung im Kellepalt aufrecht erhalten werden· Vorstellend· Betrachtung liefert auch einen Anhalte» Punkt für den «weckmäßigtn Abstand der Ringnuten» Srundeäteilch fiat dl· bei txsentrisoher lage de» Kolbens sich aufbauende unterschiedliche Druckverteilung am Umfang des Kolbens dl· Möglichkeit· sloh durch UrnetrOmen des Kolbens auseugleichen. 3)1· Stabilisierungskräfte werden dadurch umeomehr verschwinden, je mehr dieser Druckausgleich statt» findet. Durch genügend enge Anordnung der Ringnuten kann •rrelofat werden, dsJ der 8trÖmungßwiderstand Im Spalt lange 4·« Vnfaages viel größer wird, als von Ringnut zu Rfngnut. Damit »trumt da» Gas hauptsächlich in axialer Sichtung »flaeh*n den Ringnuten und die Tangentialströmung spielt keine wesentlich· Roll·. Als eweckmSSiger Abstand der Ringnuten ergibt sich etwa 1 bis 1 des Kolben*

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umfanges. Dl· obigen Betrachtungen gelten streng swar nur für den Ib Zylinder ruhenden Kolben« Da aber die In der Praxis vorkommenden Kolbengeschwindlgkeiten viel kleiner als die Gasgeschwindigkeit im Spalt sind, gilt die Betrachtung in guter XSh«rung auch für den bewegten Kolben.

Sine Stabilisierung d·· Kolben» wird nur dann erreicht»

wenn da· Gas in der in Pig. 3 elngeseichneten Richtung »trömt.

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Sine Stabilisierung des Kolbens im ZyIInaer kann auch durch ein· andere Anordnung erreicht werden, die eich Ton der eben beschriebenen dadurch unterscheidet, daß dl· Speltweite «wischen Je zwei aufeinanderfolgenden llngnuten an den Nuträndern ein MinlHum dazwischen ein Maxima beeltst. Bin· derartige Anordnung let in PIg. eohea*tisch wiedergegeben. 1 ist der Zylinder, 2 der Kolben, 3 und 4 sind ewei benachbarte Ringnuten. Die Spaltwelt· · bositst an den Nuträndern einen Kleine wert und in der Kitt· «wischen den Ringnuten bei·7 einen Größtwert. Bei dieser Anordnung ist die StabUlalerung Im Öeg*neet* sur vorbesohriobenen nicht von der Richtung der Durohetrimung dee Spaltes abhängig.

Flg. 5 ««igt qualitativ den Druckverlauf länge des Spaltes fUr die Strömung in Richtung de· e'onehaenden 1 (von unten nach oben). Die gestrichelte Kurve gibt wieder den Druckverlauf bei parallelem Spalt an. Sie voll gezeichnete Kurve gibt qualitativ tfen Bruokverlnuf für das in Fig. 4 gezeigte Profil. Die Einreiheiten dieser Kurve eindt Zu Beginn (unten) großer Druckabfall eufolge des engen Spaltes an dieser Stelle, dtnn ein Gebiet jnit verhältnlsnäßig kleine» Druckabfall wegen des walten Spaltes und schließlich nochmals ein großer Druckabfall am Ende wegen den wledervtft engen Spaltes. Eine Rechnung su dieser Anordnung selgt, daß bei eyaaetrieche« Profil, d.h. bei gleiche» Yer-

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lauf der Spaltweite β eu beiden Seiten der Syannetrielinio S der Schnittpunkt dor vollen Druckkurve mit der gestrichelten ebenfalls auf S liegt. Daraue folgt euch schon anschaulich, daß der zur vollen Kurve gehörende Bittlere statische Druck ρ größer ist ale derjenige, der gestrichelten Kurve entsprechende. Hieraus folgt wieder mit den Ausführungen zu Flg. 3 die stabilisierend« Wirkung der axialen Strömung im Spalt.

Die in den Pig. 6 - β dargestellte, E.B. zur Er Beugung tiefer Serparsturen dienende Kolbenerbe itemasohltie iat unter Anwendung der vorstehend beaabr!ebenen Brf indungemerkmttld aufgebaut. Sie beeltet wie ttblioh, einen Zylinder mit einem darin verechieblichen Arbedtokolben 11, der vorsugswoise mit einer Kolbenstange 12, über die wähxand der Expansion dee Arbeitsgaee's iseohanleoho Arbeit abgogob&n wird» gelenkig verbunden iat. Zylinder 10 und Kolben begrenzen den PUllraua 13 ftir da« Arbeitega·.

Oer Zylinder 3D let erfindungsgemäS lsi Beroioh den Spaltes swisohen Zylinder und Kolben mit einer Ringnut 14 versehen, d:.e durch mehrere radiale Bohrungen 15 mit einem ring» ffcnaigen Einlaßwindkeaael 16 verbunden ist« Dieser 1st Übe." eine Xieitung 17 on eine nloht dargestellte Hochdruclc« quelle für das Arbeitegae angeeohloesen« In der Mhe des

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tmteren 1 otpunktee ttberlKuf t die is Kolben U vorgesehen* Ringnut IS» die fiber radiale Kanäle 19 «it dor Zentralbohrung 20 rerbunden iet, dl« Einlaßringnut 14, wobei der FUllraum 13 alt des Hoohdruckarbeitsgas το» Druck P₁ aufgeladen wird. Beim Aufwärtsgefien des Kolbens wird die Yerbindung ttber die Ringnuten 14» 18 unterbrochen und de? Ittllrorgang beendet. Bei der nun folgenden Expansion des Arbeltagases leistet der Kolben über die Kolbenstange 12 aeohanische Arbelt, deren Äquivalent den ' Wiraeinfcalt des Ar be Itagases entsogen wird. Ab finde der Sspansiott In Wae des oberen Totpunktes gibt die Kolbenunterkants 21 die Ringnut 22 in der Lauffläoho des Zylinders 10 frei, wodurch das entspannte» abgekühlte Arbeitsgae über »ehrere Bonrungen Γ3 in den ringföraigen AuslaßwindJieeeel 24 entweichen kann, Dieeer 1st über die Leitung 25 an den Kreislauf dsa Arbeitegases angesoblosson. Sa· VerhÄltii» τοη füll- su Sndrolimen ist so gewählt, daS dar Druck p₂ ia Fttllrau« 13 aa Bade der Expansion μ größer 1st fIs der Gegendruck p. in der Abgasleitung 25* Bei« fiedergehen des Kolbens 11 wird der AuslaBkanal 22 wieder geschlossen und das Ia PUllruua 13 befindliche Arbsltsgaa rou Druck p. auf p^ rekoapriaiert. Ba p^ kleiner ala p₂ iet, und ftlr dia Rskoppression dasselbe Volumenrerhältnie wie bei dar Bxpaneion vorliegt, 1st P₄ auch kleiner als der SinlaBdruok p^, so daß nach £roi-

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gäbe das EinlaSringkanala 14 eine neue Aufladung des Füllraumea 13 erfolgen kann. Die Bruok- und Volumenwerte für diesen Arboitaproseea sind aus des in Fig. 9 dargestellten Diagramm au entnehmen. V^. und Vg entsprechen dabei dea Füll- bzw. Endvolumen.

Zwischen den Bingnaten 14 und 22 bcatent.dauernd dae Sruokgefälle P₁ - p, und daher entsteht dauernd in Spalt swisohen Kolben und Zylinderlauffläche eine Gasströmung, die die Schmierung des bewegten Kolben« bewirkt und ihn infolgt der Auebildung naoh Fig. 4 bertthrungefrel vcn der Zylinderlauffläche hält.

Sie axiale Zentralbohrung 20 bietet suaätslich den Torteil,. daS der Kolben 11 auch innen vom kalten 3ae durchspült wird. Dies ist besonders von Bedeutung während Oer Abkühlperiode, da in der Hähe der Ziemer temperatur der Wärmoausdehnungskosffisient von Kolben und Zylinder relativ groß ist und deshalb eine möglichst gleichlaufende Abkühlung der beiden feile stattfinden muß. Im anderen besteht die groß· Gefahr, daS die Zylinderabkühlung rascher als die des Kolbens vor sioh geht und dann der Kolben in Zylinder klenmt.

Bein Ausführungsbeispiel naoh Pig. 7 wird der Auslad-Vorgang nicht durch die Kolbenunterkante 21 gesteuert, sondern durch di© Eingnut 18. die auch jsua Einlad ver-

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wendet wird und bei der Aufw&rtabewegung dee Kolbens da« expandiert« Gas über die Zylinderringnut 22 freigibt. Des Arbeitsspiel entspricht wieder dea Magramm nach Pig. 9- Der Aufbau der Kolbensyllndsreiziheit entaprioht bia auf die Anordnung der Bin- und AueläSe der AusfUhrungefoni nach Fig. 6.

Die Regelung der Füllung and des Sxpeneianeverhältnlgaes kamt duroli eine ia Fig. 8 dftrgestellte Anordnung rorgenomaen {

werden. Anstelle de» festen ZyIInderboden« nach Fig. 6 ist ein beweglicher Oegenkolben 26 in den Zylinder 10 eingepaftt und kann s.S. nlttele einer Stellschraube 27 axial ▼erstellt werden. Das untere Ende des Oegenkolbene 26 ist Yorsugewelae aittels eines Beiges 28 Bit den Zylinder ▼erbunden. Bei dieeer Anordnung kann wahrend de* Betriebes daa FüllYolueen ktmtinuierlioh verändert werden. De« Leok» gas, das !■ Spalt swisohen Oegenkolben und Zylinder entweicht, wird über die Leitung 29 in den Abgaswindkessel 24 -zurüokgefuhrt.

dea> Arbeitsgae und

Um einen wechselnden Värseaustauseh swisoheuJden Oberflächen Ton lolben und Zylinder i» Bereich des Arbeiterauaea weltgehend eu rerringern, ist vorsugaweise der Kolbenboden und der Zylinderboden Bit einer wfireeieolierenden Sehieht abgedeakt.

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Bit Erfindung beaotirankt sieh ßioht auf dae dargestellt» Ausführungebeispiel einer Kolbenexpa&siansmaechin« zuc jgreeugung tiefer $e*peraturea_t sonAeni •te ist allgemein anwendbar auf Maschinen und Top· richtungen, boi denen ein Kolben in einem Zylinder Tersohiebbar ist und eine Öleofaaierung nicht angewendet werden kann.

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Claims (1)

1. P a t e η t a η 8 ρ τ Oc he

   X. J IColbenarbeitaaeaohine, inabesondere Kolbenexpanaioneaaiohine sur Brsevgmg tiefer Temperaturen, ait eine« Zylinder, eines darin Tereohiebliohen Arbeitekolben und Ringnuten an den Laufflächen von Kolben oder i Syllader, wobei la 8palt xwiaohen Zylinder and Kolben ein unter Hoohdruok stehendes 6a» etröet, dadurch gekennseiobnet, da8 der gegenaeitlge Abetaud «wischen d$n Ringnuten an Kolben oder Zylinder 1/lQQ - 1/20 des Kolbenuafangea beträgt und dafi eich dl· Spaltweit· swiechen svei attfeinanderfolgendtn liagnuten in axialer Richtung ändert.

   2. Kolhenmrbeiteaaeohine naoh Anspruch 1, da-

   durch gekemmeiohnet, daB dia Spaltweite swieohen ja swei aufeinanderfolgenden Hingnuten in Blehtimg der SpaltetrOanng abnlaat, entweder auf dar gansatt üBnge daa Kalbene, oder nur auf einea fail deeaelben.

   ?· Kolbenarbelt«eaaoBiaa nach Anspruch 1, dadurch gakannselohnett daß die Spaltwaita ewiaohen je swei aufeinanderfolgenden Ringnuten an den Huträndem ein

   9098U/0928 Neue Unterlagen (Art7 8iA^2Nr.iSÄ3*»Äeifcniiieieifc**.a.i9C^_{/n O}p_iG1NAL

   Kinloun, dazwischen ein Maximum besltst.

   4. KolbenarbeitsBaschine nach den Ansprüchen 2 bio 3 alt «in«* voa Zylinder und Kolben begrenzten Arbeitsraum und abhängig von den Kolbenstellungen ge~ steuerten Bin- und Auslässen für ein Arbeitegas, das unter Hochdruck zu- und entspannt ebetröat, dadurch gekennzeichnet, daß Abt Arbeltskolben salbet als Steuer-Schieber ausgebildet iet und die Bin- und Aueläese filr das Arbeltsgas in der Zylinderlauffläche angebracht

   5" Kolben&rbeltcsaachine nach den Ansprüchen bla A, dadurch gekennzeichnet* d&0 die G&eein- and aueläeee von eymiaetrisch über ilen Zyllnd»riijr,fang teilten Ausnehmungen oder von Ringnuten in dor gebildet sind«

   6. Kolbenarbeitanmoohine naoh A»n AneprUcter. I bis 5» daduroh gekennzeichnet, daß der Kolben von, Kolbenboden her alt einer oder mehreren axialen Bohrungen versehen ist, die mit einer Hingnut an der KolbenlaufflKohe an solcher Stelle verbunden iet. daß während eins» kursen Pull hübe β in der Kähe des unteren Totpimkieii dee Kolbens der fttllraum aufgeladen wird, sowie in der Bähe des oberen Totpunktee derselbe Bingkanal de» Kolbens bs«r.

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   -τι -

   die Kolb-mimtericante don Amaaflrlngfraiml dee Zylindern freigibt.

   7. JColbeaarbsitBaaschino naoh den Ansprüchen

   1 tolas 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Boden dee PullrauaoB τοη eine* von auBen «inftellbaron GegenJcolben gebildet ist.

   8. KoItenarbeitöoaachine aaüh den Ansprüchen 1 tils 7, dadurch gekenn sei ohne ti daS kolbenboden und

   alt einer v/äreeieoliercnden Senldht abgedeckt sind. pnentenwe»

   Dipl.-tng. E. Eder

   München 15, E»«abeth«tr. 54

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