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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass
in einer Zylinder-Seitenwand.
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Bei
Kolbenvakuumpumpen und insbesondere bei kleinen Kolbenvakuumpumpen
mit Pumpleistungen von weniger als 4 m
3/h
spielt die Konstruktion des Gaseinlasses und die damit verbundenen
Totvolumina eine große
Rolle für
die Baugröße bzw.
den Wirkungsgrad der Pumpe. Da insbesondere bei kleinen Kolbenvakuumpumpen
der Gaseinlass mangels Bauraum nicht im Bereich des Zylinderbodens
angeordnet werden kann, wird der Gaseinlass in einer Seitenwand
angeordnet. Eine derartige Kolbenvakuumpumpe wird in
DE 196 34 517 beschrieben. Zum Druckausgleich
zu Beginn des Saughubes ist eine Ausgleichsleitung zwischen dem
Auspuff und dem Kompressionsraum vorgesehen, wobei die Mündung der
Ausgleichsbohrung in dem Kompressionsraum nahe dem Zylinderboden
angeordnet ist. Im Verlauf der Ausgleichsleitung ist ein Rückschlagventil
angeordnet, das Bauraum benötigt.
Das Rückschlagventil ist
nicht in der Zylinderwandebene angeordnet, so dass ein den Wirkungsgrad
verschlechterndes Totvolumen in der Ausgleichsleitung gebildet wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es demgegenüber, eine
verbesserte Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass in der Zylinder-Seitenwand
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Gemäß der Erfindung
bildet im Wesentlichen der Kolben die Ausgleichsleitung und das
Ventil. Dies ist so zu verstehen, dass der Kolben die Ausgleichsleitung
und das Ventil jedenfalls teilweise, nicht jedoch notwendigerweise
alleine bildet. Da die Ausgleichsleitung durch den Kolben gebildet
wird, wird für
die Ausgleichsleitung kein Raum im Bereich des Zylinderbodens oder
der Zylinderseite benötigt.
Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des Zylinders ermöglicht.
Auch das Ventil wird im Wesentlichen von dem Kolben gebildet, so
dass sich die Ventilwirkung an der Kolbenstirnwand oder in der unmittelbaren Nähe der Kolbenstirnwand
ergibt. Hierdurch wird ein Totvolumen außerhalb des Zylinderraumes
vermieden, so dass der Wirkungsgrad der Pumpe nicht verschlechtert
wird. Die Ausgleichsleitung und das Ventil können durch den Kolben auf verschiedene
Weise gebildet werden. Das Ventil kann als mechanisches Rückschlagventil,
jedoch auch als Gasdrossel ausgebildet sein. Die Ausgleichsleitung
kann von dem Kolben alleine, aber auch von Kolben und Zylinder gemeinsam
gebildet sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausgleichsleitung in dem Kolben
zwischen einer Kolben-Stirnwandöffnung
und einer Kolben-Bodenwandöffnung
gebildet, wobei die Kolben-Seitenwandöffnung und der Gaseinlass zu
Beginn des Saughubes miteinander verbunden sind. Zu Beginn des Saughubes
besteht dadurch eine Verbindung von dem Gaseinlass zu dem Kompressionsraum,
obwohl der Kolben noch auf Höhe
des Gaseinlasses steht und einen direkten Austritt von Gas aus dem Gaseinlass
in den Kompressionsraum nicht gestattet.
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Vorzugsweise
ist das Ventil ein Rückschlagventil,
das in Richtung Gaseinlass sperrt und in Richtung Kompressionsraum öffnet. Hierdurch
wird während
des Kompressionshubes ein Rückfluss
komprimierten Gases über
die Ausgleichsleitung blockiert. Das Rückschlagventil kann in der
Ebene der Kolbenstirnwand angeordnet sein, so dass das Totvolumen praktisch
gleich Null ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist dem Gaseinlass eine Ringnut in der
Zylinder-Seitenwand und/oder in der Kolben-Seitenwand zugeordnet.
Hierdurch wird eine Vergrößerung des
Gaseinlasses bewirkt bzw. bei ungeführten Kolben ein Gasübertritt
zwischen Zylinder und Kolben in jeder Drehposition des Kolbens ermöglicht.
Die Ringnut kann auch gegenüber
dem Gaseinlass in axialer Erstreckung verbreitert sein, um den Gaseintritt
während des
Saughubes zu verlängern.
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Vorzugsweise
sind die Ausgleichsleitung und das Ventil von einem Spalt zwischen
der Kolben-Seitenwand und der Zylinder-Seitenwand gebildet, wobei die Spaltbreite
zwischen 10 bis 100 μm
liegt. Die Ausgleichsleitung und das Ventil werden also durch die
Kolben-Seitenwand und die Zylinder-Seitenwand begrenzt. Die Spaltbreite
wird so gewählt,
dass während
des Saug hubes ein ausreichender Gasfluss zwischen dem Gaseinlass
und dem Kompressionsraum erfolgt, der Gasfluss vom Kompressionsraum zum
Gaseinlass während
des Kompressionshubes jedoch so niedrig ist, dass er den Wirkungsgrad
der Pumpe nicht wesentlich verschlechtert. Der Spalt zwischen der
Kolben-Seitenwand und der Zylinder-Seitenwand ist gleichzeitig Ausgleichsleitung
und Ventil. Bei Spaltbreiten von 10 bis 100 μ ist dies gewährleistet,
wobei die Spaltbreite bei Differenzdrücken von mehr als 100 mbar
unter 50 μm
liegen muss.
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Vorzugsweise
ist im Verlauf der Ausgleichsleitung in dem Kolben ein Speicherraum
vorgesehen. Der Speicherraum wird bei einer Kolbenposition um den
Todpunkt zwischen Saughub und Kompressionshub gefüllt, so
dass unmittelbar bei Beginn des Saughubes durch die Kolben-Stirnwand
ein Druckausgleich zwischen dem Speicherraum und dem Kompressionsraum
erfolgen kann, während
gleichzeitig der Gaseinlass geschlossen ist.
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Vorzugsweise
werden die Ausgleichsleitung und das Ventil von einer im Wesentlichen
axialen Nut in der Kolben-Seitenwand oder in der Zylinder-Seitenwand
gebildet. Die Nut kann axial verlaufen, kann jedoch auch schräg in Form
einer Schraubenlinie in der Kolben-Seitenwand oder der Zylinder-Seitenwand
ausgebildet sein. Auch auf diese Weise wird eine Ausgleichsleitung
gebildet, die ohne mechanische Elemente auskommt und einfach herzustellen ist.
Die Ventilwirkung ergibt sich aus einer entsprechenden Wahl des
Querschnittes der Nut, der so gewählt wird, dass ein ausreichender
Druckausgleich während
des Saughubes gewährleistet
ist, jedoch keine zu großen
Rückstromverluste
während
des Kompressionshubes auftreten.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausgestaltung ist das Ventil als Drossel ausgebildet.
Das Ventil wird also ohne bewegliche Teile realisiert, wodurch eine hohe
Zuverlässigkeit
erreicht und geringe Herstellungskosten realisiert werden.
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Im
Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der
Erfindung näher
erläutert.
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Es
zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel
einer Kolbenvakuumpumpe mit im Kolben angeordneter Ausgleichsleitung
und Ventil und im Todpunkt des Kolbens zwischen Kompressionshub
und Saughub,
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2 die Kolbenvakuumpumpe
der 1 während des
Saughubes,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel
der Kolbenvakuumpumpe mit einer umlaufenden Gaseinlass-Nut,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel
der Kolbenvakuumpumpe mit einer umlaufenden Gaseinlass-Nut in der
Kolben-Seitenwand,
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel
der Kolbenvakuumpumpe mit einem die Ausgleichsleitung und das Ventil
bildenden Spalt zwischen der Kolben-Seitenwand und der Zylinder-Seitenwand, und
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6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Kolbenvakuumpumpe,
bei der die Ausgleichsleitung und das Ventil von einer axialen Nut
in der Kolben-Seitenwand gebildet wird.
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In
den 1-6 ist jeweils eine Kolben-Zylinderanordnung 10,50,60,70,80 einer
Kolbenvakuumpumpe dargestellt, wobei hier im Wesentlichen nur der
Bereich des Kolbens und des Zylinders gezeigt ist, nicht jedoch
der Kolbenantrieb.
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Die
dargestellten Kolbenvakuumpumpen können einstufig ausgebildet
sein, d.h. mit einem einzigen Kolben und einem einzigen Zylinder,
jedoch kann die Kolbenvakuumpumpe auch mit zwei von einem Kolbenkörper gebildeten
Kolben gebildet sein, die zwei Kompressionsräume bilden. Die Kompressionsräume können in
Reihe hintereinander zu einer zweistufigen Kolbenvakuumpumpe geschaltet
sein, können
jedoch auch parallel zueinander geschaltet sein. Es handelt sich
um Kolbenvakuumpumpen mit kleinem Pumpvolumen, d.h. mit einem Pumpvolumen
von weniger als 4,0 m3/h und einem Kolben- bzw.
Zylinderdurchmesser von weniger als 50 mm.
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Die
Kolben-Zylinderanordnung 10 der 1 und 2 wird
im Wesentlichen gebildet von einem im Querschnitt kreisförmigen Kolben 12,
der in einem kreisförmigen
Zylinder 14 in axialer Richtung beweglich angeordnet ist.
Die Kolbenzylinderanordnung 10 ist zu einer Querebene symmetrisch
aufgebaut, so dass ein einziger Kolbenkörper zwei Kolben 12,12' bildet. Beide
Kolben 12,12' sowie
die beiden zugeordneten Zylinder 14 sind spiegelbildlich
zur Mittelquerebene ausgebildet.
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Der
Zylinder 14 wird im Wesentlichen gebildet von einer Zylinder-Seitenwand 16 und
einem Zylinder-Auslassventil 18, das den Zylinderboden
bildet. Das Zylinder-Auslassventil 18 wird von einem ebenen
Ventilteller 20 und einer Druckfeder 22 gebildet,
die den Ventilteller 20 in seine Schließposition vorspannt.
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Der
Kolben 12 ist ein Hohlkörper
und weist eine zylindrische Kolben-Seitenwand 24 und eine ebene
Kolben-Stirnwand 26 auf. Der Kolben 12 oszilliert
in dem Zylinder 14 zwischen zwei Totpunkten zwischen einem
Saughub und einem Kompressionshub bzw. einem Kompressionshub und
einem Saughub. Der Totpunkt zwischen einem Kompressionshub und einem
Saughub ist in 1 dargestellt.
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In
der Zylinder-Seitenwand 24 sind zwei Gaseinlässe 30 vorgesehen,
die in einem bestimmten Maß axial
entfernt vom Zylinderboden, d.h. vom Ventilteller 20 angeordnet
sind. Die beiden einander gegenüberliegenden
Gaseinlässe 30 sind
so weit entfernt von dem Zylinderboden angeordnet, dass sie von
dem Kolben während
des Saughubes und Kompressionshubes verschlossen werden, wie in 2 dargestellt, solange der
Kolben seinen Totpunkt zwischen Saughub und Kompressionshub nicht
erreicht hat. Erst in diesem Totpunkt hat der Kolben 12 mit seiner
Kolben-Stirnwand 26 die Gaseinlässe 30 vollständig passiert,
so dass das Gas aus den Gaseinlässen 30 direkt
in den von dem Kolben 12 und dem Zylinder 14 gebildeten
Kompressionsraum 28 einfließen kann. Sobald der Kolben 12 den
Kompressionshub beginnt, verschließt er mit seiner Kolben-Seitenwand 24 die
Gaseinlässe 30 wieder.
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Der
Kolben 12 weist in seiner Seitenwand 24 zwei Kolben-Seitenwandöffnungen 32 auf,
die in einen Kolbenhohlraum münden,
der einen Speicherraum 34 bildet. In der axialen Mitte
der Kolben-Stirnwand 26 ist
eine Stirnwandöffnung 36 vorgesehen, die
zusammen mit einer außenseitig
auf der Stirnwand 26 befestigten Federzunge 38 ein
Rückschlagventil 40 bildet.
Das Rückschlagventil 40 öffnet, sobald
der Gasdruck in dem Kolbenspeicherraum 34 über dem
Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 liegt. Dies ist während des
in 2 dargestellten Saughubes
des Kolbens 12 der Fall, so dass während des Saughubes ein Druckausgleich
zwi schen dem Speicherraum 34 und dem Kompressionsraum 28 stattfindet.
Während
des Kompressionshubes des Kolbens 12 bleibt das Rückschlagventil 40 geschlossen.
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Die
Funktionsweise der Kolben-Zylinderanordnung 10 ist wie
folgt:
Während
des Kompressionshubes des Kolbens 12 ist das Rückschlagventil 40 geschlossen
und wird das Gas in dem Kompressionsraum 28 komprimiert. Sobald
der Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 den Auspuffdruck
erreicht, öffnet
sich das Zylinder-Auslassventil 18 und strömt aus dem
Kompressionsraum 28 aus. Am Ende des Kompressionshubes des
Kolbens 12 erreicht der Kolben den in 1 dargestellten Totpunkt. In dieser Kolbenposition
fluchten die beiden Gaseinlässe 30 mit
den Kolben-Seitenwandöffnungen 32,
so dass ein Druckausgleich stattfindet und Gas in den Speicherraum 34 einfließt. Daraufhin
beginnt der Saughub, der in 2 dargestellt ist.
Die Gaseinlässe 30 und
die Seitenwandöffnungen 32 fluchten
nicht mehr miteinander, so dass kein Gas mehr in den Speicherraum 34 nachfließen kann. Sobald
der Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 nennenswert unter
den Gasdruck im Speicherraum 34 fällt, öffnet sich das Rückschlagventil 40,
so dass Gas aus dem Speicherraum 34 in den Kompressionsraum 28 strömt. Hierdurch
wird ein starker Unterdruck in dem Kompressionsraum 28 während des Saughubes
vermieden, so dass die hierfür
erforderliche Antriebsleistung relativ klein ist. Am Ende des Saughubes
und bei Erreichen des ihn beendenden Totpunktes verschließt der Kolben 12 nicht
mehr den Gaseinlass 30, so dass Gas aus dem Gaseinlass 30 direkt
in den Kompressionsraum 28 fließt. Zu Beginn des Kompressionshubes
zum Ende des Saughubes verschließt der Kolben 12 die
Gaseinlässe 30 in
Bezug auf den Kompressionsraum 28 wieder. Während des
an schließenden
Kompressionshubes ist das Rückschlagventil 40 wieder
verschlossen.
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In
der in 3 dargestellten
Ausführungsform
ist ein einziger Gaseinlass 30 vorgesehen, der in eine
Ringnut 52 mündet.
Die Ringnut 52 ist umlaufend und in die Zylinder-Seitenwand 16 eingelassen. In 4 ist eine ähnliche
Kolben-Zylinderanordnung 60 dargestellt, bei der im Unterschied
zu der Ausführungsform
der 3 eine Ringnut 62 in
die Zylinder-Seitenwand 24 eingelassen ist. Die Ringnute 52,62 erstrecken
sich axial über
ein mehrfaches der Weite des Gaseinlasses 30. Hierdurch
besteht noch während
des in den 3 und 4 dargestellten Saughubes
des Kolbens 12 eine Verbindung zwischen dem Gaseinlass 30 und
dem Kolben-Speicherraum 34.
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Die
Kolben-Seitenwandöffnungen 32 und der
Kolben-Speicherraum der Kolben-Zylinderanordnungen der 1-4 bilden eine Ausgleichsleitung zum Ausgleich
des (Unter-)Druckes in dem Kompressionsraum 28 während des
Saughubes des Kolbens 12.
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Bei
den in den 5 und 6 dargestellten Kolben-Zylinderanordnungen 70,80 ist
die Ausgleichsleitung anders ausgebildet als bei den Kolben-Zylinderanordnungen 10,50,60 der 1-4.
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Bei
der Kolben-Zylinderanordnung 70 der 5 ist die Ausgleichsleitung als Spalt 72 zwischen der
Seitenwand 73 des Kolbens 74 und der Seitenwand 75 des
Zylinders ausgebildet. Der Spalt 72 hat eine Spaltbreite
von ungefähr
50 μm. Die
Spaltbreite kann jedoch auch größer oder
niedriger ausfallen und hängt
davon ab, wie groß die
Druckunterschiede zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kompressionsraum 28 sind.
Der Spalt 72 bildet aufgrund seiner Drosselwirkung auch
ein Ventil, so dass der Spalt 72 sowohl die Ausgleichsleitung
als auch das Ventil bildet. Die Spaltbreite wird so gering gewählt, dass
die Rückstromverluste
während
des Kompressionshubes des Kolbens 74 möglichst gering ausfallen. Die Spaltbreite
wird jedoch so groß gewählt, dass
während
des Saughubes ein gewisser Druckausgleich zwischen dem Gaseinlass 30 und
dem Kompressionsraum 28 stattfindet.
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In
dem in 6 dargestellten
Ausführungsbeispiel
einer Kolben-Zylinderanordnung 80 sind die Ausgleichsleitung
und das Ventil als axiale Nut 82 in der Kolben-Seitenwand 84 ausgebildet.
Alternativ können
die Ausgleichsleitung und das Ventil auch als axiale Nut in der
Zylinder-Seitenwand ausgebildet sein.
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Der
Querschnitt der axialen Nut 82 ist so gewählt, dass
während
des Saughubes des Kolbens 86 ein ausreichender Druckausgleich
zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kompressionsraum 28 stattfindet,
jedoch während
des Kompressionshubes des Kolbens 86 die Rückstromverluste
zwischen Kompressionsraum 28 über die Nut 82 in
den Gaseinlass 30 gering ausfallen.