CN110249130B - 具有棱柱形活塞的无油真空泵和相应的压缩机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于抽空气态介质的无油真空泵，包括：驱动轴(3)的电动机(4)；具有泵室(10)以及入口(15)和出口(16)的泵壳体(1)；容纳在所述泵室(10)中的棱柱形移位活塞(2)，所述棱柱形移位活塞(2)沿往复工作路径移动、双向作用；以及至少一个压力阀(20)，所述至少一个压力阀(20)使气态介质通过所述出口(16)从所述泵室(10)中流出并阻止流入到所述泵室(10)中。所述移位活塞(2)具有槽(23)，所述轴(3)的驱动力通过曲柄销(33)借助滚柱轴承(31)导入到所述槽(23)中。

Description

具有棱柱形活塞的无油真空泵和相应的压缩机

技术领域

本发明涉及具有棱柱形活塞的无油真空泵及用作无油压缩机的类似设备。

背景技术

真空泵用于气动装置在工艺过程或车辆构造中的许多应用领域。在汽车领域中真空泵是必须的，例如用来调节排气襟翼、具有可变喷嘴几何形状的涡轮增压器的导向叶片、或者用废气门来调节增压压力的旁路。真空泵也可用来促动中央闭锁系统或前灯襟翼。

抽空制动助力器以提高驾驶员施加到制动踏板上的制动系统上的力的功能是特别重要的。为了实现放大效果，在启动车辆时以及在驾驶期间连续地抽空制动助力器的真空室。为此，在操作车辆制动系统的这种应用中，对真空泵的可靠性和耐久性的需求增加。

此外，具有许多辅助设备的现代车辆的发动机舱中的封装仅为真空泵提供了非常有限的安装空间。此外，本应用中的真空泵遭受强烈的温度波动。

在车辆构造中，主要使用周向移位泵，例如叶片泵或旋转叶片泵。由金属材料制成的叶片泵需要在泵的旋转和固定部件之间提供润滑膜，以确保在接触表面上足够的气密密封以及低摩擦磨损。因此，对于此类叶片泵而言，车辆必须提供润滑剂供给或整合到载有润滑剂的系统回路中。

除了这种结构性限制之外，在真空泵中对润滑膜的要求还提出了有关润滑剂的温度依赖性粘度和从排出空气吸收颗粒引起污染的问题。这些缺点与移动应用的波动环境条件有关，若泵安装在车辆的发动机舱中，这种相关性尤其强烈。过去，由于这种真空泵的润滑剂供给不足，存在着在不利情况下制动助力器失效的可能性，因此车辆制造商不得不召回车辆。

此外，具有由能够干式运行的碳材料制成的配合表面的叶片泵是已知的，其用于例如航空工业。除了材料昂贵之外，这种泵具有高摩擦损耗和高噪声等级的缺点。

在除了汽车应用之外的其他工艺技术领域中无油真空泵也是需要的，该无油真空泵在低维护要求方面具有优点，不需要定期润滑驱动元件或供给不会被微量润滑油污染的气体。

除了周向移位泵之外，具有振荡构件的双冲程移位泵在工艺技术中也是已知的，该双冲程移位泵在低摩擦系数下仅使用少量的润滑剂。活塞具有棱柱形形状而不是圆柱形形状已证明是有利的，从而由于横向力或倾斜力矩改进的表面分布实现了活塞滑动表面上较小的点载荷。

迄今，这种具有棱柱形活塞的泵已用于固定应用中。现有技术中已知的实施方案通常具有相对较大的尺寸和不利的结构设计，因此不适合安装在车辆或其他移动应用中。

在US 5,556,267 B中描述了具有棱柱形活塞的这种真空泵的紧凑的实施方案。除了泵组件(其未示出驱动器)的紧凑结构之外，还提到了高容积效率和低制造成本的优点。

描述的双作用泵经由偏心凸轮驱动，该偏心凸轮在滑块中旋转，该滑块转而在多件式活塞中往复移动。滑块的特征通常可以得出这样的结论：在活塞、滑块和偏心凸轮之间没有润滑油的情况下，该驱动器不能运作。此外，活塞由多个配件和部件组装而成，其总和使得在气缸滑动表面内实现窄运行间隙很复杂并且增加了制造的复杂性。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种可无油操作、具有简单且经济构造的真空泵。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征、用于抽空气态介质的无油真空泵来实现。

所述无油真空泵具有：驱动轴的电动机；具有泵室以及入口和出口的泵壳体；容纳在泵室中的棱柱形移位活塞，所述棱柱形移位活塞可沿往复工作路径移动双向作用，其中，所述移位活塞在往复工作路径的两个死点区域中释放了入口和泵室之间的连接并在位于其间的区域中重叠；以及至少一个压力阀，所述压力阀通过出口将气态介质流从泵室中释放出来并阻止流进入到泵室中。

特别地，根据本发明的无油真空泵的特征在于，移位活塞具有长孔，轴的驱动力经由曲柄销借助滚柱轴承导入到该长孔中。

因此，本发明首次提出了一种可无油操作、根据双冲程原理或双向压缩使用止转轭机构作为棱柱形移位活塞有效工作的驱动运动装置的真空泵。

由于长孔中曲柄销上的滚柱轴承吸收滚动摩擦，与现有技术中的驱动运动装置相比，可避免大量摩擦。

由于棱柱形或矩形形状，活塞以低侧向力沿泵室的路径引导。此外，沿矩形形状产生了长的密封间隙。

因此，提供了一种具有少量构件、经济、电动的无油真空泵，其实现了具有低移位摩擦的优异容积效率。

这里，真空泵是基于根据本发明的以下认识：由于其滚动摩擦，经由与长孔的线性接合传递曲柄销的旋转驱动力的油脂润滑的滚柱轴承有利地适合作为传递装置，其能够在真空泵高达约1kW功率范围内永久低磨损的驱动活塞，而无需连续或定期供给润滑油。省去在往复运动构件的间隙处由于振荡和湍流而以细雾化液滴形式通过泵室和出口溢出的润滑油提供了各种优点。

根据本发明的真空泵不需要维护间隔来润滑驱动组件。

在用于抽空车辆中的制动助力器或任何其他气动驱动辅助装置的情况下，根据本发明的真空泵可由于消除了与润滑剂供给装置的连接而根据结构灵活地定位在车辆的发动机舱中，这也导致较低的安装费用。此外，根据本发明的真空泵相对于润滑剂供给是故障安全的。

与类似的双冲程泵类型相比，根据本发明的真空泵也可用于对污染敏感的过程技术应用中。

与例如隔膜泵的干式运行泵类型相比，根据本发明的真空泵具有更好的性能尺寸比。

与具有由工程碳材料制成的干式运行组件构成的构件的叶片类型循环式移位泵相比，根据本发明的真空泵在相似尺寸或驱动功率时产生较低的摩擦损失和较低的噪声。

根据本发明真空泵的其他更多有利的改进方案是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，至少一个压力阀以及至少一个出口通道可布置在移位活塞中，至少一个压力阀以及至少一个出口通道在泵壳体的泵室和出口之间建立了连接以用于流出气态介质。因此，由于通道导向装置或阀座而需要制造更复杂的模制件的结构区域可专门布设在移位活塞的部件中，其中已存在形成长孔的这种要求。由此，泵壳体形成泵室的四个壁的部段可经济地实现为呈方形轮廓的简单铸体。

根据本发明的一个方面，除了压力阀之外，活塞可整体形成为单件式。由此，简化了部件的制造和组装，同时省去了相互配合。

根据本发明的一个方面，可在移位活塞中布置两个压力阀，其分别与一个移位表面相关联。在相对于每个移位表面布置压力阀时，有利地使用了作用于压力阀中弹性预张紧阀体上的惯性扭矩。

根据本发明的一个方面，可在泵壳体中在出口区域中形成有出口袋，其朝向移位活塞中出口通道的口部，并且其延伸部与出口通道的口部的往复运动范围相重叠。这里，出口袋与位移活塞中出口通道的口部的往复运动范围重叠在泵室的静态壳体部分和摆动移位活塞的出口通道之间形成了简单的永久连接。

根据本发明的一个方面，可在泵壳体中在入口区域中形成有入口袋，其朝向移位活塞，并延伸超过移位表面位于移位活塞的往复工作路径内的死点处的位置。这里，在移位活塞的往复工作路径的死点处的入口袋以简单的方式形成两个控制缝隙，其建立了从入口经过移位活塞的向内就位移位表面边缘到泵室中的连接。与具有两个独立的控制缝隙的入口引导装置相比，入口袋提供了更大的流动截面和预处理室，从而在死点的短进气阶段具有较小的进气节流并可实现较大的进气量。由此，提高了真空泵的容积效率。

根据本发明的一个方面，泵室的尺寸和棱柱形移位活塞平行于往复工作路径的滑动表面尺寸可形成间隙密封部。因此，实现了低摩擦和低磨损密封。此外，通过省去密封件进一步简化了组装。

根据本发明的一个方面，尺寸可如此选择，使得泵室中环绕移位活塞的间隙小于50μm。在该大小时，结合沿棱柱形活塞由于构造而限定的大间隙长度可实现泵室中在活塞任一侧上的移位室之间的充分密封。此外，可由此省去密封件或活塞环的使用和安装。

根据本发明的一个方面，可在出口内或出口处布置有噪音阻尼元件。由此，真空泵的噪声级可通过具有多孔结构的柔性材料低成本地降低。

根据本发明的一个方面，曲柄销可连接至轴的自由端。由此，可避免在泵组件的轴向区域中的额外安装，并可因此实现真空泵较小的总轴向尺寸。

根据本发明的一个方面，曲柄销可通过转盘连接至轴的自由端。通过形成盘形连接，可使在驱动组件和泵组件之间的旋转区域中的湍流以及曲柄销的不平衡最小化。

根据本发明的一个方面，电动机的转子可连接至轴的自由端。由此，还可避免在驱动组件的轴向区域中的额外安装，并可实现真空泵较小的总轴向尺寸。

根据本发明的一个方面，轴可借助具有两列滚动元件的单个轴承支承。该构造进一步促进真空泵较小的总轴向尺寸的实现。

根据本发明的一个方面，电动机可如此布置以便与轴承和用于接收轴承的壳体部段轴向重叠。该构造也促进了真空泵较小的总轴向尺寸的实现。

根据本发明的一个方面，具有上述特征的真空泵也可用作无油运行的压缩机。根据本发明的结构的优点在于，没有雾化润滑油从出口长持续时间的排出，特别地提供了在易受污染的系统将被供给压缩空气(例如实验室)应用方面的优点。

附图说明

以下参照附图根据示范实施例详细描述本发明。附图中：

图1是泵壳体和移位活塞的剖视图，其中示出电驱动器的平面图；

图2是泵壳体和移位活塞与图1方向相反的剖视图；

图3是入口和出口的纵向剖视图，其中示出移位活塞的移位表面的平面图；

图4是曲柄销和滚柱轴承的纵向剖视图；以及

图5是移位活塞的出口通道和出口的纵向剖视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，在剖视图中，泵壳体1具有四个壁，该四个壁围住矩形的泵室10。线性往复移动的矩形或方形移位活塞2以可滑动方式容纳于泵室10内。电驱动组件通过法兰连接至泵壳体1。

如图3所示，泵室10在朝向驱动组件的一侧由室壁11闭合，该室壁11基本上呈现泵室10剖面轮廓的矩形轮廓。两个管道在室壁11上形成，入口15和出口16通过该两个管道通向泵室10。在朝向室壁11的一侧，泵室10通过壳体部分13相对于驱动组件闭合。室壁11、泵壳体1以及壳体部分13通过螺丝拧在一起。

壳体部分13连结至容纳有电动机4的电动机壳体14。电动机4基本上由固定在电动机壳体14中的定子41和可径向旋转地布置在定子41内的转子43形成，该转子43位于轴3上并驱动该轴3。

轴3通过在轴3中间轴向部分中的双列轴承31(例如水泵轴承)进行支承。轴承31容纳在壳体部分13中。壳体部分13的接收部分(轴承31适配在其中)在转子43内沿径向和轴向两者延伸。因此，转子43在轴承31的一侧抗转动地固定在轴3的自由端上，并且转子43朝向定子41且包括永磁元件的电动势有效壳部分沿径向和轴向两者延伸超过轴承31的一部分。

圆形承载盘30在轴承31的另一侧抗转动地设置在轴3的另一自由端上。在承载盘30上，曲柄销33沿轴的轴向延长部设置，并偏离轴3的旋转轴线。承载盘30可旋转地收纳在壳体部分13相应的旋转对称凹部中。

如图4所示，滚柱轴承32位于曲柄销33上，曲柄销33通过该滚柱轴承32与容纳在移位活塞2中的长孔23接合。长孔23垂直或横向于移位活塞2的工作路径并沿其整个长度凹陷。

与包括承载盘30在内的轴3相配合，通过曲柄销33和滚柱轴承32形成了止转轭机构，其与长孔23接合，该止转轭机构将偏心驱动运动转换成移位活塞2的交替或往复运动。滚柱轴承32是终身需要润滑的滚柱轴承，其在曲柄销33和长孔23之间的滚动摩擦确保驱动力持久且高速地导入至移位活塞2，而不需要后续的润滑剂。

止转轭机构引发移位活塞2在矩形泵室10内在工作路径上在两个死点之间往复运动。由于这种功能，在轴3的一次旋转期间，两个移位区域在泵室10中在移位活塞2的移位表面22和泵室10的壁之间相继形成。

如图2中看到的，入口袋17在入口15的入口区域中凹入到室壁11中朝向移位活塞2。入口袋17具有矩形轮廓，其尺寸以工作路径的中心为中心，并在任一侧上延伸超过分别由内或被动移位表面22在移位活塞2的死点处所占据的位置。

这样，在移位活塞2改变方向的时段中，移位区域增加的最大体积可填充空气，该空气通过由于膨胀体积造成的局部真空、经由入口12、入口袋17以及内或被动移位表面22与入口袋17相关联的轮廓边缘之间的释放间隙吸入到泵室10中。

如可在图3中看到的，移位活塞2具有两个压力阀20，该两个压力阀20分别指向两个移位表面22中的一个并且是打开的。压力阀20对应于传统止回阀，在该传统止回阀中，球形阀体通过弹簧预张紧而抵靠入口侧阀座。

如图5所示，在移位活塞2内，压力阀20之后是出口通道21，并且压力阀20连接至出口通道21，该出口通道21基本上形成了两个压力阀20与垂直于其且朝向室壁11布置的钻孔之间的连接线。出口通道21的这个钻孔的开口执行移位活塞2相对于静态室壁11的往复运动。

在室壁11中，朝向移位活塞2的出口袋12凹入在出口16的区域中。出口袋12具有矩形轮廓并与出口通道21的开口在移位活塞2的死点处占据的两个位置重叠。通过其开口，连接在压力阀20之后的出口通道21在移位活塞2的整个往复运动过程中总是经由出口袋12连接至出口16。

在填充之后的时段中，移位活塞2移向泵室10的移位区域，并压缩早前吸入的空气。当压缩的空气超过压力阀的设定压力时，越来越多的移位空气体积通过相应的压力阀20、出口通道21并通过其开口经由出口袋12和出口16从泵室10逸出。

未示出的、包括多孔吸声材料(例如泡沫)的消音器连接至出口16，这降低了移位过程脉动的噪声级。

压缩空气在阀座处通过阀体的阀压力借助阀体的弹性预张力设定。阀压力可基本上设定为环境压力或大气压力，使得压力阀仅在回流方向上具有阻碍效果，并实现了最大容积效率。此外，阀压力可结合泵的几何形状设计(例如剩余的少量余隙体积)和期望的操作速度来选择，以在移位活塞2的死点处产生小的剩余空气缓冲区，该剩余空气缓冲区提升了驱动侧的力输入以克服移位活塞2改变方向时的质量惯性。因此，摩擦力和摩擦损失可降至最小化。

移位活塞2是由烧结金属材料制成的铸件。移位活塞2平行于工作路径的四个滑动表面研磨至所选的统一尺寸，以在泵室10的活塞滑动表面形成小于50μm的间隙密封部。

包括泵室10的四个壁在内的泵壳体1制成为铸件或型材件或烧结件，其内壁也研磨至间隙密封部的相应尺寸，以在泵室10的活塞滑动表面中形成间隙密封部。包括入口15和出口16的管道在内的室壁11，以及闭合泵室10的正面并形成活塞滑动表面的壳体部分13也制成为铸件或烧结件，并通过相应的研磨处理设定成间隙密封部的尺寸。

此外，滑动表面以及活塞滑动表面也可具有未详细示出的动态、功能性表面结构，其通过湍流漩涡促进微米范围内局部空气缓冲的形成。这样，扰动了在移位活塞2的滑动表面与泵室10的壁之间的周向间隙中的层流气流，这改进了间隙密封部的动态密封效果以及移位活塞2和活塞滑动表面之间配合面的低摩擦干式运行能力。

真空泵也可用作压缩机。当用作压缩机时，真空泵中连接至待抽空系统的真空管线的入口15打开到大气中。当用作压缩机时，真空泵中通过消音器打开到大气中的出口16连接至气动系统的压力管线等。

在一替代实施方式中，电动机4可设计为磁阻电动机。在该情况下，转子43不具有任何永磁元件，而是由例如电气薄片的层压板的软磁材料制成。此外，这种转子的截面具有极齿和/或扇区，其具有层状气隙结构，该结构在直径上穿过转子产生了交变磁导率。

Claims (15)

1.一种用于抽空气态介质的无油真空泵，包括：

驱动轴(3)的电动机(4)；

具有泵室(10)以及入口(15)和出口(16)的泵壳体(1)；

容纳在所述泵室(10)中的棱柱形移位活塞(2)，所述棱柱形移位活塞(2)可沿往复工作路径移动、双向作用，所述移位活塞(2)释放了在所述往复工作路径的两个死点区域中所述入口(15)和所述泵室(10)之间的连接并覆盖处于其间的区域；以及

至少一个压力阀(20)，所述至少一个压力阀(20)通过所述出口(16)从所述泵室(10)中释放气态介质流并阻止流进入到所述泵室(10)中；

其特征在于，所述移位活塞(2)具有长孔(23)，所述轴(3)的驱动力通过曲柄销(33)借助滚柱轴承(31)导入到所述长孔(23)中。

2.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述至少一个压力阀(20)以及至少一个出口通道(21)设置在所述移位活塞(2)中，所述至少一个压力阀(20)和所述至少一个出口通道(21)在所述泵壳体的所述泵室(10)和所述出口(16)之间建立了用于使所述气态介质流出的连接。

3.根据权利要求1或2所述的无油真空泵，所述移位活塞(2)一体形成为整体件。

4.根据权利要求1所述的无油真空泵，在所述移位活塞(2)中设置有两个压力阀(20)，其分别与移位表面(22)相关联。

5.根据权利要求2所述的无油真空泵，在所述泵壳体(1)中在所述出口(16)的区域中形成有出口袋(12)，所述出口袋(12)朝向所述出口通道(21)在所述移位活塞(2)中的口部，并且所述出口袋的延伸与所述出口通道(21)的所述口部的往复运动区域相一致。

6.根据权利要求5所述的无油真空泵，在所述泵壳体(1)中在所述入口(15)的区域中形成有入口袋(17)，所述入口袋(17)朝向所述移位活塞(2)，并延伸超过移位表面(22)向内位于所述移位活塞(2)的所述往复工作路径的所述死点处的位置。

7.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述泵室(10)和所述棱柱形移位活塞(2)平行于所述往复工作路径延伸的滑动表面的尺寸形成间隙密封部。

8.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述泵室(10)和所述棱柱形移位活塞(2)平行于所述往复工作路径延伸的滑动表面的尺寸选择成使得在所述泵室(10)中绕所述移位活塞(2)的间隙小于50μm。

9.根据权利要求1所述的无油真空泵，在所述出口内或所述出口处设置有噪声阻尼元件。

10.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述曲柄销(33)连接至所述轴(3)的自由端。

11.根据权利要求10所述的无油真空泵，所述曲柄销(33)通过转盘(30)连接至所述轴(3)的所述自由端。

12.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述电动机(4)的转子(43)连接至所述轴(3)的自由端。

13.根据权利要求1所述的无油真空泵，所述轴(3)借助具有两列滚动元件的单个轴承(31)支承。

14.根据权利要求13所述的无油真空泵，其中，所述电动机(4)布置成轴向覆盖所述轴承(31)和接收所述轴承(31)的壳体部段(13)。

15.具有权利要求1至14中任一项所述的无油真空泵作为无油压缩机的用途。

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