DE10308421A1

DE10308421A1 - Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit Auslassventil

Info

Publication number: DE10308421A1
Application number: DE2003108421
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Burghard; Peter Langer; Rudolf Dr. Bahnen; Josef Prof. Dr. Hodapp
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2003-02-27
Filing date: 2003-02-27
Publication date: 2004-09-09
Also published as: WO2004076860A1; EP1597480A1; AU2003292100A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit mindestens einem Zylinder (2) und einem Kolben (3), mit einem Antrieb für den Kolben sowie mit einem Auslassventil (5); das Verschlussstück des Auslassventils (5) ist ein Ventilteller (6), der einer Stirnseite des Kolbens (3) zugeordnet ist; der Durchmesser des Ventiltellers (6) ist größer als der Durchmesser des Kolbens (3); der im Bereich der Stirnseite (4) des Kolbens (3) befindliche Rand des Zylinders (2) bildet den Ventilsitz (13); das der Öffnungsbewegung dienende Betätigungsglied des Ventiltellers (6) ist der Kolben (3); dem Ventilteller (6) sind Mittel zugeordnet, die auf den Ventilteller (6) Kräfte in Schließrichtung ausüben; um die Hubfrequenz erhöhen zu können, wird vorgeschlagen, dass das Auslassventil ein schnell schließendes Ventil ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-A-196 34 517 ist eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Auslassventil der hier betroffenen Art bekannt. Der Antrieb der Kolben erfolgt über eine Kurbelwelle und über Pleuelstangen. Die Verwendung eines Kurbeltriebs erlaubt es, Kolbenpumpen dieser Art mit relativ großem Hub- und mit relativ niedrigen Drehzahlen, d.h. mit niedrigen Hubfrequenzen zu betreiben. Unter diesen Voraussetzungen erfüllen die in der genannten Schrift offenbarten Auslassventile ihre Funktion.

Aus der jüngeren Schrift WO 00/63555 ist bekannt, bei Kolbenvakuumpumpen einen Linearantrieb (Schwingkolbenantrieb, Reluktanzantrieb, Exzenterantrieb o. dgl.) zu verwenden. Maschinen dieser Art werden mit kleinerem Hub und höheren Hubfrequenzen (Hub etwa 20 mm, Hubfrequenz 30 bis 50 Hz) betrieben. Versuche mit Kolbenvakuumpumpen dieser Art ergaben jedoch, dass ihre vakuumtechnischen Eigenschaften (Enddruck, Saugvermögen) trotz maßgeblicher Erhöhung der Hubfrequenz nicht wesentlich verbessert werden konnten.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, derart auszubilden, dass mit einer Erhöhung der Hubfrequenz auch eine Verbesserung ihrer Fördereigenschaften, insbesondere ihrer vakuumtechnischen Eigenschaften, verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Die Erfindung beruht auf der bei Kolbenvakuumpumpen gewonnenen Erkenntnisse, dass die Konstruktion der Auslaßventile die Ursache der unbefriedigenden Ergebnisse der erwähnten Versuche waren, d.h. dass allein mit einer Erhöhung der Hubfrequenz eine Verbesserung der vakuumtechnischen Eigenschaften nicht erreicht werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung von schnellschließenden Auslassventilen wird eine maßgebliche Verkürzung der Ventilschließzeit und damit der Ventilarbeitsphase insgesamt erreicht. Schädliche Rückströmungen der vom Kolben geförderten und durch das Auslassventil ausgestoßenen Gase sind vernachlässigbar. Vakuumpumpen nach der Erfindung haben ein höheres Saugvermögen und erreichen niedrigere Enddrücke. Entsprechende Vorteile werden bei Kolbenpumpen erreicht, die in Druckbereichen eingesetzt werden, die über dem Atmosphärendruck liegen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen für Kolben-/Zylinder-Anordnungen, die für den Einsatz in Kolbenpumpen bzw. Kolbenvakuumpumpen geeignet sind, erläutert werden. Es zeigen
1 und 2 eine Lösung mit einem von Federarmen geführten Ventilteller,
3 eine Lösung mit elastomeren Vorsprüngen auf der Stirnseite des Kolbens und
4 und 5 Lösungen mit Magneten.
In allen Figuren sind die jeweilige Kolben-/Zylinder-Anordnung mit 1, der Zylinder mit 2, der Kolben mit 3, das der Stirnseite 4 des Kolbens 3 zugeordnete Auslassventil mit 5 und der Ventilteller des Auslassventils 5 mit 6 bezeichnet.
Der Zylinder 2 wird von einer Bohrung im Pumpengehäuse. oder -block 8 gebildet. Der Gaseinlass erfolgt über eine Ringnut 9 in der Zylinderwand, welche in nicht näher dargestellter Weise mit dem Einlass der Pumpe in Verbindung steht. In seinem – in Bezug auf die gewählten Darstellungen – unteren Totpunkt gibt der Kolben die Ringnut 9 frei, so dass Gase in den Hubraum einströmen können. Während des Durchganges der Kolbenbewegung durch seinen oberen Totpunkt erfolgt die Öffnung des Auslassventils 5.
Bestandteil des Auslassventils 5 ist der Ventilteller 6. Er befindet sich in einer Auslasskammer 11, an die sich die Auslassleitung 12 anschließt. Der Durchmesser des Ventiltellers 6 ist größer als der Durchmesser des Kolbens 3. Der stirnseitige Rand des Zylinders 2 hat die Funktion des Ventilsitzes 13.
Bei der Ausführung nach den 1 und 2 ist der Ventilteller 6 mit mindestens 2 Haltearmen 15 ausgerüstet. Sie sind entweder selbst oder (wie dargestellt) über einen äußeren Ring 16 im Gehäuse eingespannt. Die Haltearme 15 erstrecken sich nicht unmittelbar radial sondern abschnittsweise etwa peripher. Diese Gestaltung ermöglicht eine Bewegung des Ventiltellers aus der Ebene des eingespannten Ringes 16 heraus. Die Haltearme 15 erzeugen bei einer solchen Bewegung die gewünschten Rückstellkräfte.
Die Betätigung des Ventils 5 erfolgt in der Regel durch den Kolben 3. Nur zu Beginn einer Betriebsphase kann die geförderte Gasmenge so groß sein, dass bereits komprimiertes Fördermedium die Öffnungsbewegung des Ventiltellers 6 einleitet. Die Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt ist so gewählt, dass er einen geringen Überstand hat, d.h., dass er in dieser Lage in den Auslassraum 11 hinein ragt. Bei seiner Bewegung zum oberen Totpunkt hebt er den Ventilteller 6 von seinem Sitz 13 ab und öffnet damit das Ventil 5. Bei seiner sich anschließenden Bewegung nach unten bewirken die Haltearme 15 die Schließung des Ventils 5.
Um entsprechend der gestellten Aufgabe ein schnelles Schließen des Ventils, werden mehrere Maßnahmen – allein oder in Kombination – vorgeschlagen:

– Der Ventilteller 6 hat eine möglichst kleine. zu beschleunigende Masse. Zweckmäßig besteht er aus Stahlblech und hat eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 mm.
– Der Werkstoff des Ventiltellers 6 und der Haltearme 15 hat eine hohe Steifigkeit C. Die Steifigkeit C ist Bestandteil der Formel
wobei ω die Resonanzfrequenz und m die Masse des Ventiltellers sind. Zweckmäßig ist w wesentlich kleiner als die Hubfrequenz, maximal ein Drittel der Hubfrequenz des Kolbens (> 1200 Hz). Gleichzeitig wird bei einer hohen Steifigkeit die Gefahr des Wölbens des Ventiltellers reduziert, was ebenfalls zu Verzögerungen beim Abdichten des Arbeitsraumes führt.
– Die Haltearme 15 sind so kurz wie möglich ausgebildet, um hohe Rückstellkräfte zu erzielen.
– Der Überstand des Kolbens 3 ist so gewählt, dass der Öffnungshub des Ventiltellers 6 auf bis zu 1 mm begrenzt ist. Ein kurzer Überstand hat außerdem die Wirkung, dass die Beschleunigung des Ventiltellers 6 klein ist.
– Dem Ventilteller 6 ist ein Hubfänger 18 zugeordnet. Der Hubfänger 18 ist – in Bezug auf den Kolben 3 – im wesentlichen zentrisch hinter dem Ventilteller 6 angeordnet und besteht zweckmäßig aus elastomerem Werkstoff, um eine weiche und federnde Begrenzung des Hubs zu erreichen.

Aus Fertigungstoleranzgründen ist es häufig schwierig, den erfindungsgemäß angestrebten, relativ kleinen Kolbenüberstand zu realisieren. 3 zeigt eine Lösung, bei der der Kolben keinen Überstand hat. Seine Stirnseite 4 ist in an sich bekannter Weise mit Vorsprüngen 19 ausgerüstet, die der Öffnungsbewegung des Ventiltellers 6 dienen. Die Schließbewegung des Ventiltellers 6 erzeugt eine Feder 21 aus möglichst leichtem Werkstoff, da sie Bestandteil der Ventilmasse ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik bestehen die Vorsprünge 19 aus einem relativ weichen Elastomer, die sich bei der Berührung des Ventiltellers elastisch verformen und so zum einen die Beschleunigung der Ventilmasse begrenzen und zum anderen zur schnellen Schließbewegung beitragen. Als Werkstoffe sind Silikon oder ähnliche Materialien zweckmäßig.
Bei den Lösungen nach den 4 und 5 wird zur Erreichung schneller Ventilschließzeiten von Magnetkräften Gebrauch gemacht. Bei der Lösung nach 4 ist der Kolben 3 in seinem stirnseitigen Bereich mit einem Magneten 23 ausgerüstet, z.B. wie dargestellt mit einem Magnetring 23 im Inneren des hohlen Kolbens 3. Der Werkstoff des Ventiltellers 6 ist so gewählt, dass der Magnet 23 eine anziehende Wirkung auf ihn ausübt. Dadurch wird erreicht, dass der Ventilteller 6 während seiner Öffnungsbewegung von der Stirnseite 4 des Kolbens 3, der bei dieser Lösung im oberen Totpunkt einen Überstand hat, festgehalten wird. Eine völlig totraumfreie Öffnung des Ventils 5 mit optimal kurzer Ventilöffnungszeit ist möglich. Selbst die Feder 21 kann entfallen.
Die Lösung nach 4 kann auch dann verwendet werden, wenn der Kolben im oberen Totpunkt keinen Überstand hat, d.h. Vorsprünge 19 der zu 3 beschriebenen Art eingesetzt werden müssen.
Bei der Ausführung nach 5 sind sowohl der Kolben 3 als auch der Ventilteller 6 mit einem Magneten 23 bzw. 24 ausgerüstet. Die Polarität der Magneten 23, 24 ist so gewählt, dass sie einander abstoßen. Als spezielle Lösung ist der Einsatz von zwei Magnetringen 23 und 24 etwa gleichen Durchmessers zweckmäßig, von den sich der Magnetring 24 – bezogen auf den Kolben 3 – auf der Rückseite des Ventiltellers 6 befindet. In dieser Ausführung öffnet das Ventil 5, bevor der Kolben den Ventilteller 6 berührt. Der auf den Ventilteller 6 ausgeübte Beschleunigungsimpuls kann klein gehalten werden. Insbesondere in Verbindung mit einem oder mehreren Hubfängern 18 können sehr kurze Ventilarbeitszeiten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Lösung geräuscharm ist, da sich Kolben 3 und Ventilteller 6 nicht berühren.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Idealfall anzustreben, bei dem der Ventilteller 6 exakt der Bewegung des Kolbens 3 (bzw. der Bewegung von Vorsprüngen 19 auf dem Kolben) folgt. Beim Stand der Technik ist das nicht der Fall. Der Kolben nimmt zwar während der Ventilöffnungsphase ((Ventilöffnungszeit) den Ventilteller mit. Nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens setzt jedoch der Ventilteller aufgrund der auf ihn ausgeübten Beschleunigungskräfte seine Öffnungsbewegung fort. Der Kontakt mit dem Kolben wird aufgehoben. Erst nach weiteren unkontrollierten Schwingungsbewegungen beginnt er seine Schließbewegung. Aufgrund dieser gegenüber der Kolbenbewegung verzögerten Schließbewegung des Ventiltellers ergeben sich die relativ langen Ventilschließzeiten. Diese werden noch verlängert, wenn der Ventilteller auch noch nach seinem Aufsetzen auf seinem Sitz Schwingungsbewegungen ausführt.
Gemäß den Vorschlägen nach der Erfindung werden kürzere Ventilschließzeiten und damit Ventilarbeitszeiten insgesamt erreicht. Bei leichten Ventiltellern sind die ausgeübten Beschleunigungskräfte kleiner. Erhöhte Steifigkeiten verhindern die beschriebenen Schwingungsbewegungen.

Claims

Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit mindestens einem Zylinder (2) und einem Kolben (3), mit einem Antrieb für den Kolben sowie mit einem Auslassventil (5); das Verschlussstück des Auslassventils (5) ist ein Ventilteller (6), der einer Stirnseite des Kolbens (3) zugeordnet ist; der Durchmesser des Ventiltellers (6) ist größer als der Durchmesser des Kolbens (3); der im Bereich der Stirnseite (4) des Kolbens (3) befindliche Rand des Zylinders (2) bildet den Ventilsitz (13); das der Öffnungsbewegung dienende Betätigungsglied des Ventiltellers (6) ist der Kolben (3); dem Ventilteller (6) sind Mittel zugeordnet, die auf den Ventilteller (6) Kräfte in Schließrichtung ausüben; das Auslassventil (5) ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein schnell schließendes Ventil ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Schließbewegung des Ventiltel lers (6) Mittel (15,21) zur Erzeugung von Federkräften vorgesehen sind und dass der Ventilteller (6) eine möglichst kleine Masse hat.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) mit federnden Haltearmen (15) ausgerüstet ist, deren Enden im Gehäuse (8) eingespannt sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) unter der Wirkung einer Feder (21) aus möglichst leichtem Werkstoff besteht.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2,3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) aus Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 mm, besteht.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller eine relativ große Steifigkeit besitzt.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) einen Magneten (23) aufweist, der auf den Ventilteller (6) eine anziehende Wirkung ausübt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (23) ringförmig ausgebildet ist und stirnseitig im Inneren des hohlen Kolbens (3) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Kolben (3) als auch der Ventilteller (6) mit jeweils einem Magneten (23,24) ausgerüstet ist und dass die Polaritäten der Magneten so gewählt sind, dass sie einander abstoßen.
Kolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Magneten (23, 24) ringförmig ausgebildet und etwa konzentrisch angeordnet sind.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub des Ventiltellers (6) auf bis zu 1 mm begrenzt ist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseite (4) des Kolbens (3) mit Vorsprüngen (19) ausgerüstet sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (19) aus einem relativ weichen Elastomer bestehen.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Ventilteller (6) ein oder mehrere Hubfänger zugeordnet sind.