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QUERBEZUG
AUF IN BEZIEHUNG STEHENDE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht Priorität aus der
vorläufigen
US-Anmeldung mit
der Serien-Nr. 60/311884, eingereicht am 13. August 2001.
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AUSFÜHRUNGEN ZU VON DER REGIERUNG (DER
VEREINIGTEN STAATEN) GEFÖRDERTEN FORSCHUNG
ODER ENTWICKLUNG
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Nicht anwendbar.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft Pumpen und
insbesondere Pumpen mit verbesserten Kolben-Zylinder-Anordnungen.
Pumpen weisen einen oder mehrere Kolben auf, die auf einer drehbaren
Welle exzentrisch angebracht sind, um die Kolben in einer zylindrischen
Pumpenkammer hin- und herlaufen zu lassen. Wenn die Kolben hin-
und herlaufen, bewegt ein geeigneter Ventilaufbau mit Ansaug- und
Auslassventilen, die während
Ansaug- und Pumphüben
abwechselnd öffnen
und schließen,
Luft in die Pumpenkammer hinein und aus dieser heraus.
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Wenn die Kolben in den Zylindern
hin- und herlaufen, gelangen die Kolben (oder umfangsmäßig vorgesehene
Kolbenringe) in Kontakt mit den Innenwänden des Zylinders. Reibung
erzeugt Wärme,
die die Zylinder und/oder die Kolben (oder die Kolbenringe) im Laufe
der Zeit verschleißt.
Die Wärmeeffekte können auch
abmessungsmäßige Änderungen
in den Kolben oder Zylindern hervorrufen, die dazu ausgelegt sind,
mit engen Toleranzen zu interagieren. Verschiedene Techniken sind
entwickelt worden, um diese ungünstigen
Wirkungen zu verringern.
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Beispielsweise offenbart das US-Patent 1467255
einen Kolben geringer Reibung, der aus monolithischem Kohlenstoffgraphit
besteht. Das US-Patent 2792265 offenbart eine Kolben-Zylinder-Anordnung,
in der der Zylinder Kühlrippen
enthält und
der Kolben mit einem Eisengusskern erstellt ist, der einen Tragring,
Dichtungsringe und eine Buchse trägt, die aus selbstschmierendem
Material, wie etwa Kohlenstoff, hergestellt sind. Das US-Patent 2860935
offenbart eine komplexe Kolbenanordnung mit einstellbaren Ringen.
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Diese Techniken sind nicht auf Luftpumpen mit
axial bewegten Taumelkolben anwendbar, die verschwenken, während sie
hin- und herlaufen.
Taumelkolben besitzen typischerweise ein dünnes Kappenelement, das am
Kopf des Kolbens angebracht ist. Der Außenumfang der Kappe gleitet
am Innendurchmesser des Zylinders. Wenn der Kolben taumelt, biegt
die Peripherie der Kappe aus, um den Schwenkvorgang des Kolbens
aufzunehmen und dicht an den Zylinder zu pressen, um eine wirksame Dichtung
bereit zu stellen.
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Es besteht deshalb ein Bedarf an
einer verbesserten Technik zum Einsatz mit Taumelkolben.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Pumpe
mit einer verbesserten Taumelkolben-Zylinder-Anordnung.
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Insbesondere stellt die Erfindung
eine Pumpe mit einem Gehäuse
bereit, das eine drehbare Welle enthält, die sich in die Pumpenkammer
erstreckt, die einen Kohlenstoffgraphitzylinder aufweist, durch den
sich der Taumelkolben bewegt, der an einem Ende der Welle exzentrisch
angebracht ist und einen Kopf an einem gegenüberliegenden Ende aufweist, das
in Bezug auf die Zylinderachse schwenkbar ist.
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In einer Ausführungsform handelt es sich
bei dem Zylinder um eine offenendige Zylinderbuchse, getrennt von
dem Kurbelgehäuse
und die Pumpenkammer auskleidend. Bei der Zylinderbuchse handelt es
sich bevorzugt um gepresstes, pulverförmiges Kohlenstoffgraphitmaterial,
das mit einem wärmehärtenden
Harz durchtränkt
ist, wie etwa mit einem geeigneten Phenolharz.
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In einer weiteren Ausführungsform
stellt die Erfindung eine Pumpe mit einem Gehäuse bereit, das eine Pumpenkammer
festlegt und eine drehbare Welle enthält, die sich in die Pumpenkammer
hinein erstreckt. Die Pumpenkammer ist mit einem Kohlenstoffgraphitzylinder
ausgekleidet. Ein Taumelkolben ist an der Welle so angebracht, dass
er in dem Zylinder hin- und herläuft
und in Bezug auf eine Zylinderachse verschwenkt. Der Kolben umfasst
eine Kolbenkappe bzw. einen Kolbenboden, die bzw. der fest am Kopf
des Kolbens in Gegenüberlage
zu seiner Verbindung zur Welle angebracht ist. Die Kolbenkappe weist
eine Peripherie bzw. einen Umfang auf, die bzw. der größer ist
als der Kolbenkopf, um am Innendurchmesser des Zylinders während der
gesamten Kompressions- und Ansaughübe des Kolbens anzuliegen.
Die Kolbenkappe besteht bevorzugt aus einer PTFE-Zusammensetzung.
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Eine Mehrzylinderpumpe, wie etwa
eine Zwei- oder Vierzylinderpumpe, kann außerdem mit dem Kurbelgehäuse vorgesehen sein,
das mehrere Pumpenkammern festlegt, von denen jede einen zugeordneten
Taumelkolben und einen zugeordneten Kohlenstoffgraphitzylinder aufweist.
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Der Kohlenstoffgraphitzylinder kann
auf präzise
Abmessungen zu Gunsten einer Grenzfläche mit dem Kontaktabschnitt
des Kolbens maschinell bearbeitet sein. Das Graphitmaterial weist
kleinere Wärmeausdehnungs-
und Reibungskoeffizienten auf als standardmäßige Aluminiumzylinder, wodurch
der Verschleiß verringert
ist und die Zylinder abmessungsmäßig stabiler
sind. Der Zylinder verringert außerdem die Betriebstemperatur
der Kappe, was Ermüdung
und Kaltfließen
bzw. Kriechen verhindert, das anderweitig zu einer dauerhaften Verformung führen würde, wodurch
die Lebensdauer der Kappe verlängert
ist. Das Phenolharz macht den Luftzylinder dicht, da es Hohlräume ausfüllt, die
in dem Graphit vorliegen können.
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Dieser sowie weitere Vorteile der
Erfindung erschließen
sich aus der detaillierten Beschreibung und den Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht einer Zweizylinder-Axialverdrängungs-Taumelkolben-Vakuumpumpe
in Übereinstimmung
mit der Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Unter Bezug auf 1 stellt die vorliegende Erfindung eine
Axialverdrängungs-Taumelkolbenpumpe
bereit, die bevorzugt verwendet wird, um zwangsweise Luftbewegung
in Vakuumpumpen und Luftverdichtern verschiedener Größen und
Kapazitäten
bereit zu stellen; die vorliegende Erfindung kann jedoch auch für andere
Pumpanwendungen und andere Medien zum Einsatz kommen. Eine Doppelzylinder-Vakuumpumpe 10 umfasst
einen Motor 12, wie etwa einen Wechselstromelektromotor,
zum Antreiben eines Paars identischer Pumpeinheiten 14.
Jede Pumpeinheit 14 umfasst ein Gehäuse 16, das einen Taumelkolben 18 enthält, der
an einer Welle 20 angebracht ist, die durch den Motor 12 in
Drehung versetzbar ist. Die Vakuumpumpe 10 enthält zwei
Pumpeinheiten 14; der Einfachheit halber wird jedoch lediglich
eine der Pumpeinheiten 14 näher erläutert, obwohl beide als anwendbar
bezeichnet bzw. mit Bezugsziffern versehen sind.
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Jedes Gehäuse 16 weist ein Motorende 24 und
ein offenes Zugangsende 26 auf, das mit einer (nicht gezeigten)
Endkappe abgedeckt ist, die an dem Gehäuse 16 in geeigneter
Weise angebracht ist. Das Gehäuse 16 legt
ein allgemein zylindrisches Kurbelgehäuse konzentrisch zur Welle 20 und
getrennt vom Motorende 24 durch eine Trennwand fest, die ein
Lager zur Lageraufnahme der Welle 20 am Gehäuse 16 trägt. Bevorzugt
ist der Motorrotor an der Welle 20 fest angebracht, und
die Statorschale ist auf das Motorende 24 des Gehäuses 16 gepresst.
Ein Lüfter 28 ist
an einem Ende der Welle 20 benachbart zum Zugangsende 26 angebracht,
und Belüftungsschlitze
sind in der Endkappe gebildet, um Kühlluft in das Gehäuse 16 zu
saugen.
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Das Gehäuse 16 legt außerdem einen
Kragen 30 fest, der sich senkrecht zur Welle 20 in
Aufwärtsrichtung
erstreckt. Der Kragen 30 weist einen offenen Hals bzw.
Durchbruch 32 durchgehend mit dem Zugangsende 26 des
Gehäuses 16 auf.
Der Kragen 30 legt eine zylindrische Pumpenkammer 34 mit
einer flachen Verstärkungsrippe
(nicht gezeigt) um nahezu seinen gesamten Umfang fest, ohne den offenen
Hals 32, um eine flache Ober fläche zum Tragen der Zylinderbuchse 36 in
der Pumpenkammer 34 zu tragen, die den offenen Hals 32 verschließt.
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Bei der Zylinderbuchse 36 handelt
es sich um einen offenendigen Zylinder, getrennt von dem Gehäuse 16,
mit einem Außendurchmesser,
der so bemessen ist, dass er in die Pumpenkammer 34 passt,
und einem Innendurchmesser, der auf einen Bohrungsdurchmesser maschinell
bearbeitet ist, der für
den Taumelkolben 18 benötigt
wird. Die Zylinderbuchse 36 besteht insgesamt aus Kohlenstoffgraphit einer
geeigneten Qualität.
Das ausgewählte
Kohlenstoffgraphit sollte ausreichend steif sein, dabei jedoch geringe
Reibung und kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten
im geringstmöglichen
Umfang haben. Ungeachtet der gewählten
Qualität
besitzt die Kohlenstoffgraphitzylinderbuchse 36 jedoch
geringere Reibung und kleinere Wärmeausdehnungskoeffizienten
als herkömmliche
Aluminiumzylinder. Bevorzugt ist die Zylinderbuchse 36 aus
Graphitstangen gebildet, die auf die geeigneten Außen- und
Bohrungsdurchmesser maschinell bearbeitet sind. Es wird bemerkt,
dass Kohlenstoffgraphitflachmaterialien bzw. -folien und -blöcke jedoch
ebenfalls verwendet werden können.
Die rohen Kohlenstoffgraphitstangen bestehen bevorzugt aus pulverförmigem Kohlenstoffgraphit,
das gepresst und mit wärmehärtendem
Harz durchtränkt
ist, wie etwa mit Phenolharz, wie an sich bekannt. Das Phenolharz
füllt sämtliche
Hohlräume,
die anderweitig in dem Kohlenstoffgraphit vorhanden sind, um ein
nicht poröses,
luftdichtes Material bereit zu stellen.
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In der Zylinderbuchse 36 befindet
sich der Taumelkolben 18. Der Taumelkolben 18 umfasst
eine Verbindungsstange 38, die bevorzugt ein gepresstes Lager 40 zum
Aufnehmen eines Exzenterelements 42 aufweist, das auf der
Welle 20 durch ein geeignetes Mittel angebracht ist, wie
etwa durch eine Kopf schrauben- bzw. Einstellschraubenverbindung.
Das Exzenterelement 42 weist eine Bohrung entlang der Wellenachse
auf, die exzentrisch zu seinem Außendurchmesser verläuft, so
dass der Kolben 18 auf jeder Seite der vertikalen Zylinderachse 43 derart
hin- und herläuft
und um einige Grad verschwenkt, dass er innerhalb der Zylinderbuchse 36"taumelt", wenn sich die Welle 20 dreht.
Ein Gegengewicht 44 ist außerdem vorgesehen.
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Am gegenüberliegende Ende der Verbindungsstange 38 befindet
sich der Kolbenkopf mit einem kreisförmigen Flansch 46,
der eine Kolbenkappe 48 mit einem Kolbenabstandstück 50 darunter
und einem Kolbenhalter 52 darüber festlegt, die sämtliche an
dem Flansch 46 über
ein geeignetes Befestigungsmittel 54 fest angebracht sind,
das über
dem Zentrum der scheibenförmigen
Bestandteile angeordnet und in die Verbindungsstange 38 geschraubt ist.
Die Kolbenkappe 48 weist ein kappenförmiges Zentrum auf, das nach
oben ausmündet
und eine Peripherie, die sich radial auswärts über den Flansch 46 und
den Halter 52 hinaus derart erstreckt, dass sie an der
Innenbohrung der Zylinderbuchse 36 anliegt. Die Kolbenkappe 48 besteht
bevorzugt aus PTFE-Material, das ausreichend steif, jedoch relativ
zum Rest des Taumelkolbens 18 und der Zylinderbuchse 36 flexibel
ist, so dass die Peripherie der Kolbenkappe 48 sich aus-
bzw. durchbiegt, um den Schwenkvorgang des Kolbenkopfes aufzunehmen.
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Luftströmung in die Pumpenkammer 34 hinein
und aus dieser heraus wird durch einen Ventilkopfaufbau gesteuert,
der eine Ventilplatte 56 mit einem Einlass 58 und
Auslassventile 60 aufweist, die sich in Reaktion auf den
Luftdruck bewegen, wie an sich bekannt, und die sich in Verbindung
mit Einlass- und Auslasskammern 62 und 64 in dem
Ventilkopf 66 befinden. Eine der Einlasskammern 62 weist
einen Anschluss 68 zum Anbringen von Luftleitungen auf, und
der andere ist mit einem Verbinderschlauch 70 verbunden,
der mit der Auslasskammer des Ventilkopfs mit dem Ansauganschluss 68 verbunden
ist. Ein Schalldämpfer 72 ist
mit der Auslasskammer 64 des Ventilkopfes 66 ohne
den Ansauganschluss 68 verbunden. Der Ventilkopf 66 und
die Ventilplatte 56 sind an dem Gehäuse 16 mit Schraubenbefestigungsmitteln 74 festgelegt.
Die Ventilplatte 56 weist eine kreisförmige Nut (auf ihrer Unterseite)
auf, in die der obere Rand der Zylinderbuchse 36 passt,
der verringerte Abmessung aufweist. Ein O-Ring 76 ist um die
Zylinderbuchse 36 im Passsitz und in Anlage an der Unterseite
der Ventilplatte 56 angebracht. Ein geeigneter Dichtungsring
bzw. eine Dichtung 78 ist zwischen der Ventilplatte 56 und
dem Ventilkopf 66 angeordnet, um Luftleckage zu verhindern.
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In einer bevorzugten Ausführungsform
ist das Gehäuse 16 aus
einer geeigneten Aluminiumlegierung hergestellt. Die Kolbenverbindungsstange 38 und
der Kappenhalter 52 sind bevorzugt aus einer Aluminiumlegierung
hergestellt. Der Ventilkopf 66 und die Ventilplatte 56 bestehen
aus Aluminium. Wie vorstehend angeführt, besteht die Kolbenkappe 48 aus
PTFE, und die Zylinderbuchse 36 besteht aus Kohlenstoffgraphit.
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Wenn der Motor 12 betätigt ist,
veranlassen die Exzenterelemente 42 die Kolbenköpfe dazu,
in den Zylinderbuchsen 36 unter Taumelbewegung vor und
zurück
zu laufen. Die Kolben 18 sind so angebracht, dass sie sich
in Bezug aufeinander um 180 Grad außer Phase befinden, so dass
die Kolbenkappen 48 abwechselnd Luft durch die jeweiligen
Einlassventile und in die Pumpenkammern 34 beim Abwärtshub (Verdichtungshub)
saugen und Luft durch die Auslassventile zu den Ventilköpfen 66 beim
Aufwärtshub
(Austraghub) verdrängt
wird. Die Ventile des Ventilkopfs 66 öffnen und schließen abwechselnd
in Reaktion auf die hin und her laufenden Kolben 18, damit
Luft in die rechte Pumpeinheit zuströmen und diese verlassen kann
und in die linke Pumpeinheit über
den Verbindungsschlauch 70 geleitet wird, wo sie über den
Schalldämpfer 72 ausgetragen wird.
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Es wird bemerkt, dass es sich bei
der vorliegenden Pumpe um eine Vakuumpumpe handelt, in der Umgebungsluft
den hohen Druck (Atmosphärendruck)
liefert. Dieselbe Vorrichtung kann jedoch als Luftverdichter betrieben
werden, so dass die Umgebungsluft den geringeren Druck liefert.
In diesem Fall wird die Pumpenkammer während des Verdichtungshubs
unter Druck gesetzt, und die Kolbenkappe biegt unter dem Druck aus
und wird gegen die Innenbohrung der Zylinderbuchse gepresst, wodurch
eine wirksame Dichtung hervorgerufen wird, die verhindert, dass
Luft um den Taumelkolben heraus ausleckt.
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Die Erfindung schafft demnach eine
Pumpe mit einer verbesserten Kolben-Zylinder-Anordnung. Der Kohlenstoffgraphitzylinder
kann auf präzise
Abmessungen zu Gunsten einer Grenzfläche mit der Kolbenkappe maschinell
bearbeitet werden. Das Graphitmaterial besitzt kleinere Wärme- und
Reibungskoeffizienten als standardmäßige Aluminiumzylinder, wodurch
Verschleiß verringert
wird und die Zylinder abmessungsmäßig stabiler sind bzw. gemacht
werden. Der Zylinder verringert außerdem die Betriebstemperaturen
der Kolbenkappe, wodurch Ermüdung
und Kaltverformung verringert sind, die anderweitig zu dauerhafter
Verformung führen
können, wodurch
die Lebensdauer der Kolbenkappe verlängert ist.
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Eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist vorstehend im Einzelnen erläutert worden. Modifikationen
und Abwandlungen der bevorzugten Ausführungsform erschließen sich
dem Fachmann jedoch als im Umfang der Erfindung liegend. Die Er findung
ist deshalb durch die erläuterten
Ausführungsformen
nicht beschränkt.
Der volle Umfang der Erfindung ergibt sich durch die nachfolgend
angeführten
Ansprüche.
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Zusammenfassung
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Eine Zweizylinder-Axialverdrängungs-Taumelkolben-Luftverdichter/Vakuumpumpe
(10) weist ein Paar offenendiger Zylinderbuchsen (36)
auf, die die Pumpenkammern (34) des Gehäuses (16) auskleiden.
Die Zylinderbuchsen sind aus gepresstem, pulverförmigem Kohlenstoffgraphitmaterial
hergestellt, das mit Phenolharz getränkt ist. Die Taumelkolben (18)
umfassen eine Kolbenkappe (48), die aus PTFE-Material hergestellt
ist und einen Durchmesser aufweist, der so bemessen ist, dass sie
an der Bohrung des Zylinders während
der Verdichtungs- und Saughübe des Kolbens
anliegt.