DE102015121143B4

DE102015121143B4 - Mehrwellige Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102015121143B4
Application number: DE102015121143.2A
Authority: DE
Inventors: Frank Hotopp; Daniel Schuh; Jonathan Donner
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2015-12-04
Filing date: 2015-12-04
Publication date: 2023-02-02
Anticipated expiration: 2035-12-05
Also published as: DE102015121143A1

Abstract

Mehrwellige Vakuumpumpe (10), insbesondere Wälzkolben- oder Schraubenpumpe, insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen,wobei die Pumpe (10) zumindest ein Ventil (12) umfasst, welches ein erstes Ventilelement (14) und ein zweites Ventilelement (18, 20) aufweist, wobei das erste Ventilelement (14) und das zweite Ventilelement (18, 20) relativ zueinander beweglich sind und sich im Betrieb zumindest zeitweise gegenseitig an einer jeweiligen Berührungsfläche berühren,wobei die Berührungsflächen von einer funkenarmen Materialpaarung gebildet sind und/oder die Berührungsfläche des ersten Ventilelements (14) von einem Kunststoffbauteil (24, 28, 30, 46) gebildet ist, undwobei ein Dämpfungselement (28) zum Dämpfen der Berührung des ersten Ventilelements (14) mit dem zweiten Ventilelement (18) vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, dassdas Dämpfungselement (28) eine FEP-Beschichtung oder FEP-Ummantelung aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine mehrwellige Vakuumpumpe, insbesondere Wälzkolben- oder Schraubenpumpe, insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen, wobei die Pumpe zumindest ein Ventil umfasst, welches ein erstes Ventilelement und ein zweites Ventilelement aufweist, wobei das erste Ventilelement und das zweite Ventilelement relativ zueinander beweglich sind und sich im Betrieb zumindest zeitweise gegenseitig an einer jeweiligen Berührungsfläche berühren.
Eine beispielhafte Wälzkolbenvakuumpumpe des Standes der Technik weist zum Schutz vor thermischer und/oder elektrischer Überlastung ein z.B. gewichtsbelastetes Bypassventil auf, welches auch als Differenzdruckventil bezeichnet wird. Das Bypassventil öffnet, sobald eine zulässige Druckdifferenz der Pumpe zwischen einer Ansaugseite und einer Ausstoßseite überschritten wird, und verbindet hierdurch die Ansaugseite fluidisch mit der Ausstoßseite, um eine Überlastung der Pumpe zu verhindern.
In explosiven Umgebungen und/oder bei der Förderung von explosiven Medien gilt es, Funkenbildung und zu starke Wärmeerzeugung zu vermeiden. Beim Einsatz der beispielhaft beschriebenen Wälzkolbenvakuumpumpe unter derartigen Umständen wird beispielsweise das Bypassventil gesperrt, damit eine Gefahr der Funkenbildung beim Anschlagen eines beweglichen Ventilelements an ein feststehendes Ventilelement des Bypassventils vermieden wird. Hierdurch geht jedoch die Sicherheitsfunktion des Bypassventils verloren und die Druckverhältnisse in der Pumpe müssen aufwendig gesteuert und/oder überwacht werden, um eine Überlastung der Pumpe zu verhindern.
Hierzu wird auf die DE 28 44 019 A1 , die DE 43 01 972 A1 , die DE 10 2006 039 529 A1 und die DE 10 2015 118 022 A1 hingewiesen.
Wenn die Wälzkolbenvakuumpumpe z.B. mit einer Vorvakuumpumpe betrieben wird und die Vorvakuumpumpe ausfällt, kann es außerdem durch einen zu starken Druckanstieg an der Ausstoßseite der Wälzkolbenvakuumpumpe zu einem Durchrutschen einer Kupplung der Wälzkolbenvakuumpumpe kommen. Auch hierdurch können Funken und Wärme entstehen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeentwicklung in einer mehrwelligen Vakuumpumpe so weit wie möglich zu verringern, und insbesondere eine Funkenbildung zu vermeiden.
Diese Aufgabe wird durch eine mehrwellige Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die funkenarme Materialpaarung bzw. durch das Kunststoffbauteil, welches die Berührungsfläche bildet, wird eine Funkenbildung bei einem möglichen Anschlagen des zweiten Ventilelements an das erste Ventilelement vermieden. Das Kunststoffbauteil umfasst z.B. einen Hochleistungskunststoff, wie z.B. PTFE oder PEEK, und kann zusammen mit der Berührungsfläche des zweiten Ventilelements eine funkenarme Materialpaarung bilden. Unter „funkenarm“ wird in der vorliegenden Offenbarung generell auch „funkenfrei“ verstanden, d.h. insbesondere ist eine funkenfreie Materialpaarung eine funkenarme Materialpaarung im Sinne der Erfindung.
Das erste Ventilelement kann insbesondere ein bewegliches Element des Ventils sein und das zweite Ventilelement kann z.B. feststehend ausgebildet sein.
Ein jeweiliges Ventilelement kann durch mehrere Bauteile gebildet sein. Insbesondere kann das zweite Ventilelement einen Ventilsitz und ein Führungselement umfassen, die an separaten Bauteilen ausgebildet sind. Das zweite Ventilelement kann eine metallene Berührungsfläche oder ebenfalls eine Berührungsfläche aus Kunststoff, z.B. nach der vorstehend genannten Art, umfassen.
Bei einer Ausführungsform ist das Ventil ein Bypass-, Überström- und/oder Differenzdruckventil der Pumpe. So lässt sich eine Funkenbildung insbesondere in einem Bypass- oder Überströmkanal verhindern. Das Ventil kann hierbei im geöffneten Zustand eine Ansaug- und eine Ausstoßseite der Pumpe verbinden. Durch einen solchen strömungsmechanischen Kurzschluss kann eine erfindungsgemäße Vakuumpumpe, die zusätzlich mit einer Vorvakuumpumpe betrieben wird, bereits ab Atmosphärendruck eingeschaltet werden, weil ein möglicher Überdruck an der Ausstoßseite der Vakuumpumpe wirksam abgebaut wird.
Das Ventil ist insbesondere in einer Ruhe- oder Ausgangsposition und/oder im Normalfall geschlossen. Das Ventil kann ferner so ausgebildet sein, dass es sich bei einer bestimmten Druckdifferenz öffnet. Ein bewegliches Element des Ventils kann z.B. durch seine Gewichtskraft in seiner Ruhe- oder Ausgangsposition, insbesondere im geschlossenen Zustand, gehalten werden. Dabei kann durch eine Druckdifferenz die Gewichtskraft überwindbar und das bewegliche Element anhebbar sein. Bei nachlassender Druckdifferenz kann dabei das bewegliche Ventilelement durch seine Gewichtskraft zurück in seine Geschlossenposition verschiebbar sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist das erste Ventilelement einen Ventilteller und das zweite Ventilelement einen Ventilsitz für den Ventilteller des ersten Ventilelements auf. Der Ventilsitz kann z.B. an einem Gehäuse der Pumpe, insbesondere mit diesem einstückig, ausgebildet sein. Der Ventilsitz und/oder das Gehäuse können z.B. aus Stahl, wie z.B. EN-GJS-400-15 oder EN-GJS-400-18-LT, hergestellt sein. Demgegenüber kann z.B. an dem Ventilteller die Berührungsfläche durch ein Kunststoffbauteil gebildet sein. Das Kunststoffbauteil kann insbesondere als Ring oder Scheibe ausgebildet sein und kann z.B. mit dem Ventilteller verschraubt oder verklemmt sein.
Insbesondere kann das zweite Ventilelement ein Führungselement zur Führung des ersten Ventilelements aufweisen. Hierbei ist insbesondere auch eine funkenarme Materialpaarung zwischen dem Führungselement und dem ersten Ventilelement an jeweiligen Berührungsflächen vorgesehen.
Das erste Ventilelement kann z.B. eine Führungsbuchse aufweisen, die mit dem Führungselement des zweiten Ventilelements zur Führung des ersten Ventilelements zusammenwirkt, wobei die Führungsbuchse aus Kunststoff, insbesondere PTFE, hergestellt ist. Dies stellt eine besonders einfache Konstruktion einer Führung des ersten Ventilelements dar. Die Führungsbuchse kann insbesondere in eine Bohrung des ersten Ventilelements eingebracht sein und z.B. in diese eingepresst sein, was eine besonders einfache Montage erlaubt.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist das erste Ventilelement eine Hemmeinrichtung zur Hemmung der Relativbeweglichkeit der Ventilelemente auf. Die Hemmeinrichtung ist dabei funkenarm ausgebildet. Durch die Hemmeinrichtung kann insbesondere ein pulsierendes Schlagen eines beweglichen Ventilelements verhindert werden. Die Hemmeinrichtung ist insbesondere derart ausgebildet, dass sie die Reibung bei einer Relativbewegung des ersten und zweiten Ventilelements erhöht. Dazu kann die Hemmeinrichtung z.B. ein Reibelement aufweisen, welches z.B. federbetätigt in Anlage mit einem betreffenden Ventilelement gehalten wird. Das Reibelement ist insbesondere aus Kunststoff hergestellt. Die Hemmeinrichtung kann insbesondere im Bereich eines Führungselements für ein bewegliches Ventilelement angeordnet sein. Konkret kann z.B. ein Reibelement der Hemmeinrichtung gegen das Führungselement gespannt sein und somit eine Reibung an dem Führungselement bewirken.
Bei einer Weiterbildung ist ein Dämpfungselement zum Dämpfen der Berührung des ersten Ventilelements mit dem zweiten Ventilelement vorgesehen. Dies führt zu einer weiter verbesserten Sicherheit gegen Funkenschlag zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement. Das Dämpfungselement kann z.B. an dem zweiten Ventilelement angeordnet oder ausgebildet sein.
Bei einer besonders einfachen und kostengünstigen Ausführungsform ist das Dämpfungselement als ein Elastomerbauteil ausgebildet. Das Elastomerbauteil umfasst z.B. FKM. Das Elastomerbauteil kann insbesondere an einem der Ventilelemente durch seine eigene Elastizität gehalten, insbesondere festgespannt, sein. Hierdurch entfallen zusätzliche Befestigungsmittel, wie z.B. Klebstoff, und die Montage wird vereinfacht.
Das Dämpfungselement kann z.B. als O-Ring ausgebildet sein. O-Ringe sind meist Standardbauteile und somit kostengünstig und in beliebigen Stückzahlen verfügbar.
Insbesondere beim Einsatz der Pumpe in einer explosionsgefährdeten Umgebung oder beim Fördern von explosivem Gas, welches häufig auch korrosive Eigenschaften aufweist, kann es sich als vorteilhaft erweisen, wenn das Dämpfungselement eine FEP-Beschichtung oder FEP-Ummantelung aufweist. Hierdurch wird eine Korrosion des Dämpfungselements wirksam vermindert oder vermieden.
Bei einer Ausführungsform ist eine Mehrzahl an Kunststoffbauteilen vorgesehen, die jeweils an einer von mehreren Berührungsflächen zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement ausgebildet oder angeordnet sind. Insbesondere können alle dauerhaften und möglichen Berührungsflächen durch eine funkenarme Materialpaarung gebildet sein.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung lassen sich den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnung erläutert.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Wälzkolbenvakuumpumpe in einer Schnittdarstellung, wobei sich ein Bypassventil der Pumpe in einer Offenstellung befindet.
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bypassventils in einer Geschlossenstellung.

In 1 ist eine als Wälzkolbenvakuumpumpe ausgeführte mehrwellige Pumpe 10 dargestellt, die zwei in einer Pumpkammer arbeitende Wälzkolben 34 aufweist. Die Pumpe 10 weist ansaugseitig einen Einlass 48 und ausstoßseitig einen Auslass 50 auf. Der Einlass 48 und der Auslass 50 sind durch einen Bypasskanal 52 verbunden, der durch ein Bypassventil 12 verschließbar ist.
Das Ventil 12 ist in 1 in einem geöffneten Zustand dargestellt. Der Einlass 48 und der Auslass 50 sind also im dargestellten Zustand fluidisch miteinander verbunden. Das Ventil 12 ist in einem Gehäuse 16 untergebracht, wobei das Gehäuse 16 bzw. der Bypasskanal 52 durch einen Ventildeckel 18 gegenüber der Umgebung der Pumpe 10 abgeschlossen und durch einen O-Ring 32 abgedichtet ist. Das Gehäuse 16 bildet einen Ventilsitz 20, an dem eine Kunststoffplatte 30 eines Ventiltellers 14 in Anlage kommt, um den Bypasskanal 52 zu verschließen. An dem Ventildeckel 18 ist ein weiterer O-Ring 28 vorgesehen, der ein Anschlagen des Ventiltellers 14 an den Ventildeckel 18 dämpft.
Aufbau und Funktion des Bypassventils 12 der Pumpe 10 werden nun anhand der vergrößerten Darstellung der 2 näher erläutert. In 2 ist das Ventil 12 in einem geschlossenen Zustand, also im Normalzustand ohne unzulässige Druckdifferenz, gezeigt.
Das Ventil 12 ist im Gehäuse 16 der Wälzkolbenvakuumpumpe 10 angeordnet, um den Bypasskanal 52 zu verschließen. Das Ventil 12 weist als bewegliches Ventilelement den Ventilteller 14 auf, der gemeinsam mit dem Ventilsitz 20 des Gehäuses 16 einen Abschluss des Bypasskanals 52 bildet.
Der Ventilteller 14 umfasst eine aus Kunststoff ausgebildete Führungsbuchse 24, die in einer Bohrung des Ventiltellers 14 angeordnet ist. Die Führungsbuchse 24 führt in Zusammenwirken mit einem als Führungszapfen 22 ausgebildeten Führungselement des Ventildeckels 18 den Ventilteller 14 derart, dass der Ventilteller 14 entlang einer vertikalen Führungsachse beweglich ist. Der Ventilteller 14 wird dabei in der dargestellten Geschlossenstellung, also in seiner niedrigsten Position, lediglich durch seine eigene Gewichtskraft gehalten. Es sind jedoch auch alternative oder zusätzliche Rückstellmechanismen für ein bewegliches Ventilelement, wie zum Beispiel eine Rückstellfeder, denkbar.
Wenn der Druck am Auslass 50 (siehe 1) der Pumpe 10 bzw. im Bypasskanal 52 auslassseitig des Ventils 12 um eine bestimmte Druckdifferenz größer ist als am Einlass 48, wird die Gewichtskraft des Ventiltellers 14 überwunden und dieser angehoben, so dass sich das Ventil zum Beispiel entsprechend der Darstellung in 1 öffnet. Bei nachlassendem auslassseitigem Druck senkt sich der Ventilteller 14 selbst durch die eigene Gewichtskraft wieder ab und verschließt wiederum den Bypasskanal 52.
Der Ventilteller 14 weist einen Kunststoffring 30 auf, der über einen Klemmring 38 und eine Mehrzahl an Klemmschrauben 40 mit einem Grundkörper des Ventiltellers 14 verbunden ist. Der Kunststoffring 30 bildet zusammen mit dem Ventilsitz 20 des aus Stahl ausgeführten Gehäuses 16 eine Berührungsfläche. Bei der Berührung des Kunststoffrings 30 mit dem Ventilsitz 20 ist eine funkenarme Materialpaarung realisiert.
An dem Ventildeckel 18, der insbesondere aus Edelstahl hergestellt ist, ist der Führungszapfen 22 einteilig ausgebildet. Im Bereich eines Ursprungs des Führungszapfens 22 ist an dem Ventildeckel 18 ein O-Ring 28 derart befestigt, dass dieser benachbarte Bereiche des Ventildeckels 18 in vertikaler Richtung nach unten hin überragt. Dabei weist der Ventildeckel 18 für den O-Ring 28 eine ringförmige Ausnehmung mit einer Hinterschneidung auf, in der der O-Ring 28 durch seine eigene Elastizität gespannt und damit befestigt ist. Wenn der Ventilteller 14 sich entlang seiner Führungsachse nach oben bewegt, trifft er nicht auf einen metallenen Bereich des Ventildeckels 18, sondern auf den O-Ring 28 und wird durch diesen abgebremst und gedämpft. Gleichzeitig ist zwischen dem O-Ring 28 und dem Ventilteller 14 eine funkenarme Materialpaarung realisiert.
Die aus Kunststoff hergestellte Führungsbuchse 24 überragt den metallenen Grundkörper des Ventiltellers 14 in vertikaler Richtung nach oben. Für den Fall, dass der O-Ring 28 nicht vorhanden ist, weil er beispielsweise gerissen ist, ist somit sichergestellt, dass bei einer Bewegung des Ventiltellers 14 nach oben nur die Führungsbuchse 24 mit dem Ventildeckel 18 in Berührung kommt und somit weiterhin eine Funkenbildung vermieden wird.
An dem Ventilteller 14 ist eine Hemmeinrichtung 26 angeordnet. Die Hemmeinrichtung 26 umfasst einen Reibstift 46, der aus Kunststoff hergestellt ist, eine Feder 42 sowie eine Druckschraube 44. Der Reibstift 46 wird durch die Feder 42, die sich an der Druckschraube 44 abstützt, gegen den Führungszapfen 22 gedrückt. Dadurch wird die Reibung zwischen dem Ventilteller 14 und dem Führungszapfen 22 erhöht und ein Pulsieren des Ventiltellers 14 vermieden. Die Druckschraube 44 ist in einem Gewinde des Ventiltellers 14 eingeschraubt und darin zur Sicherung verklebt. Der Reibstift 46 erstreckt sich durch eine in der Führungsbuchse 24 vorgesehene Bohrung hin zu dem Führungszapfen 22.
Bezugszeichenliste

10: Pumpe
12: Ventil
14: Ventilteller
16: Gehäuse
18: Ventildeckel
20: Ventilsitz
22: Führungszapfen
24: Führungsbuchse
26: Hemmeinrichtung
28: O-Ring
30: Kunststoffring
32: O-Ring
34: Wälzkörper
38: Klemmring
40: Klemmschraube
42: Feder
44: Druckschraube
46: Reibstift
48: Einlass
50: Auslass
52: Bypasskanal

Claims

Mehrwellige Vakuumpumpe (10), insbesondere Wälzkolben- oder Schraubenpumpe, insbesondere für den Einsatz in explosionsgefährdeten Umgebungen, wobei die Pumpe (10) zumindest ein Ventil (12) umfasst, welches ein erstes Ventilelement (14) und ein zweites Ventilelement (18, 20) aufweist, wobei das erste Ventilelement (14) und das zweite Ventilelement (18, 20) relativ zueinander beweglich sind und sich im Betrieb zumindest zeitweise gegenseitig an einer jeweiligen Berührungsfläche berühren, wobei die Berührungsflächen von einer funkenarmen Materialpaarung gebildet sind und/oder die Berührungsfläche des ersten Ventilelements (14) von einem Kunststoffbauteil (24, 28, 30, 46) gebildet ist, und wobei ein Dämpfungselement (28) zum Dämpfen der Berührung des ersten Ventilelements (14) mit dem zweiten Ventilelement (18) vorgesehen ist. dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (28) eine FEP-Beschichtung oder FEP-Ummantelung aufweist.
Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (12) ein Bypass-, Überström- und/oder Differenzdruckventil der Pumpe (10) ist.
Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (14) beweglich und das zweite Ventilelement (18, 20) feststehend ausgeführt ist.
Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement einen Ventilteller (14) und das zweite Ventilelement einen Ventilsitz (20) für den Ventilteller (14) des ersten Ventilelements aufweist.
Vakuumpumpe (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ventilelement (18) ein Führungselement (22) zur Führung des ersten Ventilelements (14) aufweist.
Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (14) eine Führungsbuchse (24) aufweist, die mit dem Führungselement (22) des zweiten Ventilelements (18) zur Führung des ersten Ventilelements (14) zusammenwirkt, wobei die Führungsbuchse (24) aus Kunststoff hergestellt ist.
Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventilelement (14) eine Hemmeinrichtung (26) zur Hemmung der Relativbeweglichkeit der Ventilelemente aufweist, wobei die Hemmeinrichtung (26) funkenarm ausgebildet ist.
Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (28) an dem zweiten Ventilelement (18) angeordnet oder ausgebildet ist.
Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (28) als ein Elastomerbauteil ausgebildet ist.
Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement als O-Ring (28) ausgebildet ist.
Vakuumpumpe (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl an Kunststoffbauteilen vorgesehen ist, die jeweils an einer von mehreren Berührungsflächen zwischen dem ersten und dem zweiten Ventilelement ausgebildet oder angeordnet sind.