DE19634517A1 - Kolbenvakuumpumpe mit Auslaßventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit mindestens einem Zylinder, einem darin befindlichen Kolben, einem Einlaßventil und einem stirnseitig gelege­ nen Auslaßventil.

Aus der EU-A-85687 ist eine Vakuumpumpe dieser Art be­ kannt. Eine Zylinderstirnseite bzw. der Zylinderkopf ist Träger des Auslaßventils. Die vorbekannte Lösung ist we­ gen der Mehrzahl der einzelnen Bauteile konstruktiv auf­ wendig. Außerdem hat das Auslaßventil einen relativ kleinen Öffnungsquerschnitt und ist empfindlich gegen Verschmutzungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Kolbenvakuumpumpe der eingangs genannten Art die mit einem Auslaßventil ausgerüstete Zylinderstirn­ seite wesentlich einfacher auszubilden und die Empfind­ lichkeit des Auslaßventils gegen Verschmutzungen zu re­ duzieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die gesamte Zylinderstirnseite den Ventilteller und der stirnseitige Rand des Zylinders den Ventilsitz des Aus­ laßventils bilden. Eine Kolbenvakuumpumpe mit diesen Merkmalen ist konstruktiv einfach. Die Öffnung des Ven­ tils erfolgt dadurch, daß der Ventiltellerrand vom stirnseitigen Zylinderrand abhebt, so daß bereits nach einer kleinen Öffnungsbewegung ein relativ großer Öff­ nungsquerschnitt über dem gesamten Zylinderumfang ent­ steht. Kurze Ventilöffnungszeiten sind dadurch möglich. Außerdem wird eine hohe Partikelverträglichkeit er­ reicht.

Die Steuerung des Ventils und die Betätigung des Ventil­ tellers können von außen her durchgeführt werden; beson­ ders zweckmäßig ist es jedoch, wenn der Kolben selbst das Auslaßventil betätigt. Dieses kann dadurch gesche­ hen, daß der Kolbenhub um den Öffnungsweg des Ventils verlängert ist und das Ventil kurz vor dem Erreichen seines Totpunktes aufstößt. Eine andere Lösung besteht darin, daß entweder der Kolben oder der Ventilteller mit Vorsprüngen ausgerüstet ist, welche derart ausgebildet sind, daß sich Kolben und Ventilteller kurz vor dem Er­ reichen des Kolbentotpunktes berühren. Damit ist der Kolben selbst in der Lage, das Auslaßventil zu betäti­ gen.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform haben beide Kol­ benstirnseiten Pumpfunktion und sind beide mit einem er­ findungsgemäßen Auslaßventil ausgerüstet. Da es in aller Regel erforderlich ist, den Kolben mit einer Pleuel­ stange anzutreiben, müssen der pleuelstangeseitige Kom­ pressionsraum und damit auch der Ventilteller kreisring­ förmig gestaltet sein.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Fig. 1 bis 10 erläutert werden. Es zeigen

• - Fig. 1 und 2 Kolben und Zylinder einer Kol­ benvakuumpumpe nach der Erfindung,
• - Fig. 3 bis 7 verschiedene Gestaltungen des Zylinderkopfes mit Auslaßventil,
• - Fig. 8 und 9 Ausführungen, bei denen beide Zylinderstirnseiten Pumpfunktion haben und
• - Fig. 10 eine Ausführung mit einem Entlastungs­ ventil.

In allen Figuren ist jeweils nur derjenige Bereich des Gehäuses 1 einer Kolbenvakuumpumpe nach der Erfindung dargestellt, in welchem sich ein Zylinder 2 mit einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 4 befindet. Entsprechend der gewünschten Stufenzahl der Kolbenvakuumpumpe können eine oder mehrere einstufige Zylinder-Kolbeneinrichtun­ gen oder auch Ausführungen, bei denen beide Zylinder­ stirnseiten Pumpfunktionen haben, im Gehäuse der Pumpe untergebracht sein. Eine Kurbelwelle 5 und eine Pleuel­ stange 6 sind in den Fig. 1, 2, 8 und 10 schematisch angedeutet.

Bei allen Ausführungen sind mit 7 ein in den Kompressi­ onsraum 8 mündender Gaseinlaß und mit 9 ein Gasauslaß bezeichnet. Der Gaseinlaß 7 hat die Form einer in die Wand des Zylinders 2 eingelassenen Ringnut, die mit ei­ nem nicht dargestellten Einlaßkanal in Verbindung steht. Der Gasauslaß 9 ist an eine im Zylinderkopf 4 ausgebil­ dete Kammer 11 angeschlossen. Das Auslaßventil 12 mit seinem Ventilteller 13 und seinem Ventilsitz 14 befindet sich zwischen Gaseinlaß 7 und Gasauslaß 9.

Entsprechend der Erfindung bildet der Ventilteller 13 die gesamte, im Bereich des Zylinderkopfes gelegene Zy­ linderstirnseite. Sein Durchmesser ist größer als der Innendurchmesser des Zylinders 2, so daß der stirnsei­ tige Rand des Zylinders 2 die Funktion des Ventilsitzes 14 hat.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem der etwa kreisscheibenförmige Ventilteller 13 aus einem flexiblen Werkstoff, zum Beispiel aus Federstahl­ blech, besteht. Mit Hilfe eines zentral angeordneten, stiftförmigen Trägers 21 ist er an einer Wandung der Kammer 11 aufgehängt und wird derart in seiner Position gehalten, daß das Ventil 12 selbstdichtend geschlossen ist (Fig. 1). In dieser Figur nimmt der Kolben 3 seinen entfernt vom Zylinderkopf 4 gelegenen Totpunkt ein. Der Gaseinlaß 7 ist zum Kompressionsraum 8 offen. Zu för­ derndes bzw. zu komprimierendes Gas strömt in den Kom­ pressionsraum 8 ein. Teller 13 und Träger 21 können z. B. aus Kunststoff bestehen und einstückig ausgebildet sein.

Die sich an die Stellung des Kolbens 3 in Fig. 1 an­ schließende Kolbenbewegung in Richtung Zylinderkopf 4 bewirkt zunächst ein Schließen des Gaseinlasses 7, da­ nach eine Kompression der eingeströmten Gase und schließlich die Öffnung des Ventils 12, so daß die kom­ primierten Gase in die Kammer 11 gelangen und von dort aus durch den Gasauslaß 9 strömen. Das Ventil 12 wird vom Kolben 3 betätigt. Dazu ist der Kolbenhub um den Öffnungsweg des Ventils verlängert. Kurz vor dem Errei­ chen seines dem Zylinderkopf 4 benachbarten Totpunktes kommen Kolben 3 und Ventilteller 13 in Eingriff. Die sich daran anschließende Kolbenbewegung bis zum Totpunkt ist der Öffnungsweg des Ventils.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 ist die dem Zylinderkopf 4 zugewandte Kolbenstirnseite 16 konkav (muldenförmig, d. h. mit zentraler Vertiefung) ausgebildet. Die Öffnung des Ventils 12 erfolgt dadurch, daß der äußere Rand des flexiblen Ventiltellers 13 vom Ventilsitz 14 abhebt (Fig. 2). Dieses kann dadurch ge­ schehen, daß komprimierte Gase den äußeren Rand des Ven­ tiltellers 13 anheben. Reicht der erzeugte Gasdruck nicht aus, dann bewirkt der Kolben 3 die Öffnung des Ventils 12. Sein äußerer Rand berührt kurz vor dem Er­ reichen seines dem Zylinderkopf benachbarten Totpunktes den äußeren Rand des Ventiltellers 13 und hebt ihn von seinem Ventilsitz 14 ab, so daß das komprimierte Gas ausströmen kann.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kol­ benstirnseite 16 eben ausgebildet ist. Im Bereich des äußeren Randes des Kolbens 3 befinden sich Vorsprünge 17, die kurz vor dem Erreichen des Totpunktes den Ven­ tilteller 13 berühren und das Ventil 12 öffnen. Es kön­ nen diskrete Vorsprünge 17 vorhanden sein. Zweckmäßig bildet jedoch ein umlaufender Rand den Vorsprung 17. Dieser Rand ist wie in Fig. 3 dargestellt Bestandteil einer äußeren aus verschleißarmen werkstoffbestehenden Beschichtung 18 des Kolbens 3.

In Fig. 3 ist noch eine besondere Gestaltung des Ven­ tilsitzes 14 dargestellt. Er umfaßt einen O-Ring 15, der sich in einer in der Stirnseite des Zylinders 2 einge­ lassenen Nut befindet.

Bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 4 und 5 umfaßt die Aufhängung des Ventiltellers 13 einen aus flexiblem Werkstoff, zum Beispiel Kunststoff, bestehenden Träger 21, an dem der Ventilteller 13 befestigt ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der Ventiltel­ ler 13 zusätzlich mit diesem Werkstoff des Trägers be­ schichtet (Schicht 19). Diese Schicht 19 ist auch Träger eines Dichtringes 22. Träger 21, Schicht 19 und Dicht­ ring 22 können einstückig ausgebildet sein und in einem Arbeitsgang auf den Ventilteller 13 aufgebracht (z. B. vulkanisiert) werden.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist die Kolben­ stirnseite 16 konvex ausgebildet. Die Aufhängung 21 des Ventiltellers 13 umfaßt eine Feder 23, die in Schließ­ richtung wirkt. Bei seiner das Ventil 12 öffnenden Bewe­ gung des Kolbens 3 berührt zunächst die Mitte der Kol­ benstirnseite den Ventilteller 13. Besteht dieser aus flexiblem Werkstoff, dann nimmt der Ventilteller 13 bei offenem Ventil 12 etwa die Form der Kolbenstirnseite 16 an. Eine totraumfreie Entleerung des Kompressionsraumes 8 ist dadurch möglich.

Fig. 7 zeigt eine besondere Gestaltung des Ventiltel­ lers 13. Er ist einseitig - z. B. mittels einer Schraube 24 - außerhalb der Dichtung 15 auf dem stirnseitigen Rand fixiert, so daß seine Öffnungsbewegung eine Schwenkbewegung um den Befestigungspunkt ist. Ein die Öffnungsbewegung verursachender Vorsprung 17 ist nur auf der dem Befestigungspunkt gegenüberliegenden Seite des Kolbens 3 vorgesehen.

Der Ventilteller 13 besteht zweckmäßig aus elastischem Stahlblech - z. B. mit Viton beschichtet - und weist ei­ nen durch Bördelung entstandenen Rand 25 auf. Dieser Rand bewirkt eine Versteifung des Ventiltellers 13. Im Bereich des Befestigungspunktes ist die Bördelung 25 un­ terbrochen, um die Schwenkbewegung des Ventiltellers 13 zuzulassen.

Bei der Lösung nach Fig. 7 entfällt ein zentraler Trä­ ger 21. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Gasen eine gezielte Strömungsrichtung zu geben, z. B. in Richtung Auslaß 9. Das Saugvermögen der Pumpe beeinträchtigende Verwirbelungen werden vermieden.

Die Fig. 8 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen beide Stirnseiten der Kolben-Zylinder-Einrichtung Pumpfunktion haben. Wegen der Durchführung der Pleuel­ stange 6 bis in das Innere des Kolbens 3 ist es erfor­ derlich, den dem Zylinderkopf 4 entfernt gelegenen Kom­ pressionsraum 26 ringförmig auszubilden. Dazu ist der Kolben 3 mit einer Abstufung 27 ausgerüstet, die den Stirnwandabschnitt mit 28 und dem zylindrischen Ab­ schnitt 29 umfaßt. Dieser hat gegenüber dem übrigen Teil des Kolbens 3 einen reduzierten Durchmesser.

Der Einlaß der kreisringförmigen Pumpstufe ist ebenfalls als Ringnut in der Wandung des Zylinders 2 ausgebildet und mit 31 bezeichnet. Das Ventil 32 umfaßt den kreis­ ringförmigen Ventilteller 33. Den Ventilsitz 34 bildet wieder die Stirnseite des Zylinders 2. Bei den darge­ stellten Ausführungsbeispielen ist der Ventilteller 33 an einem Träger 36 befestigt, der am kurbelwellenseitig gelegenen Zylinderkopf 37 aufgehängt ist. Der Träger 36 hat die Form einer Hülse, die den zylindrischen Ab­ schnitt 29 des Kolbens 3 führt. Teller 33 und Träger 36 können einstückig ausgebildet sein und z. B. aus Kunst­ stoff bestehen. Im kurbelwellenseitig gelegenen Zylin­ derkopf 37 befindet sich die kreisringförmige Kammer 38, an die sich der Gasauslaß 39 anschließt.

Der stirnseitige Abschnitt 28 des Kolbens 3 ist eben ausgebildet. Die Öffnung des Ventils 32 erfolgt wieder durch eine Verlängerung des Kolbenhubs. Auch alle zu den Fig. 1 bis 6 dargestellten Öffnungsmechanismen können beim kurbelwellenseitig angeordneten Ventil 33 in äqui­ valenter Weise Anwendung finden. So ist beim Ausfüh­ rungsbeispiel nach Fig. 9 beispielsweise der stirnsei­ tige Abschnitt 28 des Kolbens 3 mit Vorsprüngen 41 aus­ gerüstet, die ein Abheben des Ventiltellers 33 von sei­ nem Ventilsitz 34 (mit Dichtungsring 42) bewirken.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 ist das Ventil 12 mit einem Bypass 45 ausgerüstet. Der Bypass 45 verbindet die Kammer 11 mit dem Kompressionsraum 8. Die zum Kom­ pressionsraum führende Mündung 46 sollte möglichst nahe beim Ventilsitz 14 angeordnet sein. Im Bypass 45 befin­ det sich ein Rückschlagventil 47, das geschlossen ist, wenn der Druck im Kompressionsraum 8 größer ist als der Druck in der Kammer 11, und das bei umgekehrten Druck­ verhältnissen öffnet. Der Bypass 45 hat eine den An­ triebsmotor der Kolbenvakuumpumpe entlastende Wirkung. Ohne Bypass erzeugt der Kolben nach dem Schließen des Ventils 12 im Kompressionsraum 8 ein relativ hohes Vaku­ um, das erst nach dem Öffnen des Gaseinlasses 7 gebro­ chen wird. Ist der Bypass 45 vorhanden, gelangt bereits kurz nach dem Schließen des Ventils 12 Gas aus der Kam­ mer 11 in den Kompressionsraum 8. Auch das kurbelwellen­ seitig angeordnete Ventil 32 kann mit einem Entlastungs­ bypass dieser Art ausgerüstet sein.

Claims (22)

1. Kolbenvakuumpumpe mit mindestens einem Zylinder (2), einem darin befindlichen Kolben (3), einem Gaseinlaß (7, 31) und einem stirnseitig gelegenen Auslaßventil (12, 32), dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Zylinderstirnseite den Ventilteller (13, 33) des Auslaßventiles (12, 32) und der stirn­ seitige Rand des Zylinders (2) den Ventilsitz (14, 42) bilden.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (3) in der Stellung, in der er seinen dem Auslaßventil (12, 32) zugewandten Totpunkt ein­ nimmt, über den Zylinderrand um einen Betrag her­ vorragt, der dem Öffnungsweg des Ventiltellers (13, 33) entspricht.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Ventilteller (13, 33) zugewandte Kolbenstirnseite (16, 28) konkav ausgebildet ist.

4. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die dem Ventilteller (13, 33) zugewandte Kolbenstirnseite (16, 28) konvex ausgebildet ist.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Kolben (3) oder der Ventil­ teller (13, 33) mit einem oder mehreren Vorsprüngen (17, 41) ausgerüstet sind, welche derart ausgebil­ det sind, daß sich Kolben (3) und Ventilteller (13, 33) vor dem Erreichen des Kolbentotpunktes berüh­ ren.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Vorsprünge (17, 41) Bestandteil einer Beschichtung (18) des Kolbens (3) sind.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (12) der einer Kurbel­ welle (5) entfernt gelegenen Stirnseite (16) des Kolbens (3) zugeordnet ist, daß der Ventilteller (13) etwa kreisscheibenförmig ausgebildet ist und mit Hilfe eines Trägers (21) am zugehörigen Zylin­ derkopf (4) aufgehängt ist.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Träger (21) und/oder Ventilteller (13) aus einem flexiblen Werkstoff bestehen.

9. Pumpe nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich­ net, daß Träger (21) und Teller (13) einstückig ausgebildet sind.

10. Pumpe nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teller (13) beschichtet ist und daß die Schicht (19) und der Träger (21) einstückig ausgebildet sind.

11. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (21) als Druckfeder (23) ausgebildet ist.

12. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventil (12) der einer Kurbel­ welle (5) entfernt gelegenen Stirnseite (16) des Kolbens (3) zugeordnet ist, daß der Ventilteller (13) etwa kreisscheibenförmig ausgebildet ist und einseitig auf der Stirnseite des Zylinders (2) fi­ xiert ist.

13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilteller (13) aus elastischem Stahlblech besteht.

14. Pumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ventilteller (13) einen durch Bördelung entstandenen Rand (25) aufweist, der im Bereich des Fixpunktes unterbrochen ist.

15. Pumpe nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich der Auslaß (9) der Kammer (11) auf der dem Fixpunkt des Ventiltellers (13) gegen­ überliegenden Seite befindet.

16. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. ein weiteres Ventil (32) der einer Kurbelwelle (5) zugewandten Stirn­ seite (28) des Kolbens (3) zugeordnet ist.

17. Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben auf seiner der Kurbelwelle (5) zugewand­ ten Stirnseite mit einer Abstufung (27) ausgerüstet ist, daß die Abstufung die Stirnseite (28) und ei­ nen zylindrischen Abschnitt (29) umfaßt, daß der zylindrische Abschnitt (29) eine Durchführung für eine Pleuelstange (6) bildet, daß der Ventilteller (33) des Ventils (32) kreisringförmig ausgebildet ist und daß der Ventilteller (33) mit Hilfe eines Trägers (36) am zugehörigen Zylinderkopf (37) auf­ gehängt ist.

18. Pumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (36) als Hülse ausgebildet ist, welche den zylindrischen Abschnitt (29) des Kolbens (3) umgibt.

19. Pumpe nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Ventilteller (33) und Träger (36) einstückig ausgebildet sind.

20. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß mindestens einem der Ven­ tile (12 und 32) ein Entlastungsventil (47) zuge­ ordnet ist.

21. Pumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Entlastungsventil (47) in einem Bypass (45) befindet und als Rückschlagventil ausgebildet ist.

22. Pumpe nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das eine (46) Ende des Bypasses (47) in die Wandung des Zylinders (2) mündet.