DE19917009A1 - Kolbenvakuumpumpe mit Gaseinlass und Gasauslass - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass, mit einem Gasauslass, mit mindestens einem Kolben (2), mit mindestens einem Zylinder (3), mit einem von Kolben (2) und Zylinder (3) gebildeten Schöpfraum (5), mit einem Gaseintritt, mit einem Gaseintrittsventil (12) sowie mit einem Gasaustritt und einem stirnseitig in der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung angeordneten Gasaustrittsventil (7); um die Pumpe in Bezug auf ihren Gaseintritt zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass das Gaseintrittsventil (12) druckgesteuert und derart angeordnet ist, dass es während des Saughubes, vorzugsweise in der ersten Phase des Saughubes, öffnet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein- und mehrstufige Kolbenvakuumpumpen dieser Art sind aus der EU-A-85 687 bekannt. Sie haben sich gegenüber vergleichbaren Rotationskolbenvakuumpumpen als kosten­ günstig und verschleißfest erwiesen und sind deshalb auf dem Markt erfolgreich.

Bei Kolbenvakuumpumpen ist jedes der Zylinder-/Kolben- Systeme mit einem ventilgesteuerten Gaseintritt und mit einem ventilgesteuerten Gasaustritt ausgerüstet. So sind z. B. aus der DE-A-196 34 517 ein kolbengesteuertes Gaseintrittsventil (die Gaseinlassleitung mündet in ei­ ner Ringnut in der Zylinderwand, die vom Kolben selbst verschlossen bzw. freigegeben wird) sowie ein druck- oder kolbengesteuertes Gasaustrittsventil bekannt, das einen sich über die gesamte Zylinderstirnseite erstrec­ kenden Ventilteller aufweist. Bei angehobenem Ventil­ teller gelangt das komprimierte Gas in eine im Zy­ linderkopf befindliche Kammer, an die die Gasauslasslei­ tung angeschlossen ist.

Das Austrittsventil schließt, wenn der Kolben nach dem Erreichen seines Totpunktes seine den Schöpfraum ver­ größernde Bewegungsphase (Saughub) beginnt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Schöpfraum noch nicht mit dem Gasein­ tritt verbunden, so dass der Druck im Schöpfraum ab­ nimmt. Gerade weil Kolbenvakuumpumpen u. a. den Vorteil haben, dass sie totraumfrei gebaut und betrieben werden können, entstehen während der beschriebenen Bewegungs­ phase des Kolbens sehr niedrige Drücke, die die Kolben­ bewegung erschweren und den Kolbenantrieb belasten. Um den Antrieb zu entlasten, ist es aus der DE-A-196 34 517 bekannt, den Schöpfraum über eine Leitung mit einem Rückschlagventil mit der Gasaustrittskammer zu verbin­ den. Bei abnehmendem Druck im Schöpfraum öffnet das Rückschlagventil und verhindert das Entstehen sehr niedriger Drücke. Nachteilig an der vorbekannten Lösung ist, dass bereits geförderte Gase wieder in den Schöpf­ raum gelangen und nochmals oder gar mehrfach gefördert werden müssen.

Der vorliegenden Erfindung liegt zunächst die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenvakuumpumpe der hier betroffenen Art in Bezug auf den Gaseintritt zu verbessern. Weiter­ hin soll der Gaseintritt so gestaltet sein, dass wäh­ rend des Saughubes des Kolbens keine oder lediglich vernachlässigbare Unterdrücke im Schöpfraum entstehen. Schließlich soll die Verwirklichung der Vorteile der aus der DE-A-196 34 517 bekannten Pumpe - großflächige Einlassschlitze für den Gaswechsel bei niedrigen An­ saugdrücken sowie großflächige und schadraumarme Aus­ lassventile - nicht beeinträchtigt sein.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die kenn­ zeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Anders als beim erwähnten Stand der Technik ist bei der erfindungsgemäßen Kolbenvakuumpumpe ein druckgesteuer­ tes Eintrittsventil vorgesehen, das während des Saughu­ bes, vorzugsweise in der ersten Phase des Saughubes, öffnet. Neben einer einfachen und kostengünstigen Kon­ struktion hat diese Lösung den Vorteil, dass den An­ trieb belastende Unterdrücke nicht entstehen. Auch der Nachteil, das Gasanteile mehrfach gefördert werden müs­ sen, besteht nicht mehr.

Das druckgesteuerte Gaseintrittsventil kann als einzi­ ges Eintrittsventil vorhanden sein. Wenn jedoch bei niedrigen Ansaugdrücken großflächige Einlassöffnungen vorhanden sein sollen, um eine möglichst vollständige Füllung des Schöpfraumes vor dem Beginn des Druckhubes zu erreichen, ist es zweckmäßig, wenn der erfindungsge­ mäße Gaseintritt zusätzlich zu einem zweiten Gasein­ tritt vorhanden ist, z. B. ein Gaseintritt mit einem kolbengesteuerten Gaseintrittsventil, wie es aus der DE-A-196 34 517 bekannt ist.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Fig. 1 bis 11 schematisch darge­ stellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 bis 5 Lösungen, bei denen ein Gasein­ trittsventil Bestandteil des Zylinderkopfes ist,

Fig. 6 bis 9 Lösungen, bei denen ein Gasein­ trittsventil in der Kolbenwand angeordnet ist, und

Fig. 10 und 11 weitere Ausführungsbeispiele.

Alle Figuren zeigen jeweils einen Teilschnitt durch ein Kolben-Zylinder-System 1 einer Kolbenvakuumpumpe, die ein- oder mehrstufig (sei es, dass sie mehrere Kolben- Zylinder-Systeme aufweist oder dass beide Kolbenstirn­ seiten Pumpfunktionen haben, vgl. z. B. Fig. 10 in DE- A-196 34 517) ausgebildet sein kann. In allen Figuren sind der Kolben mit 2, die Zylinderwand mit 3, der Zy­ linderkopf mit 4 und der Schöpfraum (Kompressionsraum) mit 5 bezeichnet. Bei allen Ausführungsbeispielen be­ findet sich das Austrittsventil 7 im Bereich der darge­ stellten Stirnseite des Zylinders. Es umfasst einen möglichst großen Ventilteller 8, der am Zylinderkopf 4 befestigt ist. Als Ventilsitz 9 dient der stirnseitige Rand der Zylinderwand 3 (oder ein Abschnitt davon). Im Zylinderkopf 4 befindet sich jeweils eine Gasaustritts­ kammer 11, an die ein nicht dargestellter Gasauslass angeschlossen ist. Das erfindungsgemäße Gaseintritts­ ventil ist jeweils mit 12 bezeichnet.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 5 ist das Eintrittsventil 12 - wie auch das Austrittsven­ til 7 - im Bereich der dargestellten Stirnseite des Zy­ linders angeordnet. Im Zylinderkopf 4 befindet sich au­ ßer der Gasaustrittskammer 11 eine Gaseintrittskammer oder -leitung 14. Das Gaseintrittsventil 12 befindet sich zwischen der Gaseintrittskammer 14 und dem Schöpf­ raum 5. Es ist druckgesteuert und öffnet, sobald wäh­ rend des Saughubs des Kolbens ein ausreichend niedriger Druck im Schöpfraum 5 entsteht.

Beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1a und 1b sind Eintrittsventil 12 und Austrittsventil 7 nebenein­ ander angeordnet. Der Ventilteller 8 des Austrittsven­ tils 7 ist mit Hilfe der Schraube 15 am Zylinderkopf 4 befestigt. Er wird über den Stößel 16 am Kolben 2 betä­ tigt. Das Verschlussstück des Eintrittsventils 12 ist eine Federzunge 18, die Bestandteil eines zwischen Zy­ linder und Zylinderkopf 4 befestigten Ventilblechs 19 ist. Bei geschlossenem Eintrittsventil 12 liegt die Fe­ derzunge 18 der Mündung 20 der Eintrittskammer bzw. -leitung 14 auf.

Die Fig. 2a bis 2c zeigen ein etwa zentral am Zylin­ derkopf 4 befestigtes Eintrittsventil 12, dessen Ver­ schlussstück 21 eine rotationssymmetrisch gestaltete Ventilzunge 22 umfasst, die über kreisringförmige Fe­ derabschnitte 23 mit einem Rand 24 verbunden ist (Fig. 2b). Der Befestigung des als Ventilblech ausgebildeten Verschlussstückes 21 am Zylinderkopf 4 dienen eine Hül­ se 25 mit Kragen 26 sowie eine Befestigungsmutter 27, die in eine Gewindebohrung 28 im Zylinderkopf 4 ein­ schraubbar ist.

Bei geschlossenem Ventil 12 liegt die Federzunge 22 der Mündung 20 der Gaseintrittskammer 14 in den Schöpfraum 5 auf. Entweder die Hülse 26 selbst (z. B. aus Viton) oder ein Elastomerring 29 bilden den Ventilsitz. Der Rand 24 des Verschlussstückes 21 ist eingespannt zwi­ schen der Befestigungsmutter 27 und einem Elastomerring 31. Die Befestigungsmutter 27 hat einen hohlen Schaft, der mit Aussparungen 32 für den Durchtritt der Federab­ schnitte 23 ausgerüstet ist. Es besteht die Möglich­ keit, die Federzunge 22 vorzuspannen, wenn die Ein­ spannebene für den Rand des Verschlussstückes gegenüber der Ebene der Federzunge 22 und einen Betrag a zurück­ gesetzt ist. Der Ventilteller 8 des Gasaustrittsventils 7 umgibt das Einlassventil 12 und kann druckgesteuert oder - über die Stößel 16 - kolbengesteuert sein.

Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3 und 4 ist das Verschlussstück 8 des Gasaustrittsventiles 7 mit Hilfe eines elastischen Balges 35 (Metall oder Ela­ stomerwerkstoff) am Zylinderkopf 4 befestigt. Das Inne­ re des Balges 35 bildet die Gaseintrittskammer 14. Der Gaseintritt in den Schöpfraum 5 erfolgt über eine Boh­ rung 36 im Ventilteller 8.

Bei der Lösung nach Fig. 3 ist der Teller 8 des Gas­ austrittsventiles 7 mit einer Elastomermembran 37 aus­ gerüstet bzw. beschichtet. Im Bereich der Bohrung 36 ist die Membran 37 mit gegenüber der Bohrung 36 ver­ setzt angeordneten Öffnungen 39 ausgerüstet, die bei ausreichendem Unterdruck im Schöpfraum 5 den Durchtritt der Gase ermöglichen (in Fig. 3, linke Hälfte, darge­ stellt). Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 ist der Bohrung 36 eine Federzunge 40 - ähnlich wie bei der Lö­ sung nach Fig. 1 - zugeordnet, die mittels der Schrau­ be 41 am Ventilteller 8 befestigt ist.

Die Lösung nach Fig. 5 zeigt einen in ein Gewinde am Zylinderkopf 4 dicht (Elastomerring 42) eingeschraubten Ventilsitz 43 mit Durchtrittsbohrungen 44. Den auf ei­ nem Kreis angeordneten Durchtrittsbohrungen 44 ist ein ringförmiges Verschlussstück 45 zugeordnet, das unter der Wirkung einer Druckfeder 46 steht. Die Feder 46 stützt sich auf einem Hubbegrenzer 47 ab und bestimmt die Vorspannung des Gaseintrittsventils 12.

Bei den Lösungen nach den Fig. 1 bis 5 wird zwar ein Teil der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung für die Anordnung des Gaseintritts 12 verwendet; der überwie­ gende Teil steht jedoch für den großflächig ausgebilde­ ten Gasaustritt 7 zur Verfügung. Die Position des Gas­ eintrittsventiles 12 ist von besonderem Vorteil, das es unmittelbar nach dem Beginn des Saughubes druckgesteu­ ert seine Öffnungsbewegung einleiten kann.

Bei den Ausführungen nach den Fig. 6 bis 9 erfolgt der Gaseintritt über eine seitlich in den Schöpfraum 5 mündende Öffnung 50 (Bohrung oder Schlitz). Das Ein­ trittsventil 12 befindet sich jeweils in einer Kammer 51 in der Zylinderwand 3. In die Kammer 51 mündet die Gaseintrittsleitung 14. Die Verschlussmechanismen der Lösungen nach den Fig. 6 bis 8 sind den Verschluss­ mechanismen nach den Fig. 1, 2 und 5 ähnlich (Federzungen 18, 21 bzw. federbelastetes, ringförmiges Verschlussstück 45). Bei der Ausführung nach Fig. 9 befindet sich in der Kammer 51 ein an sich bekanntes Rückschlagventil mit einer unter der Wirkung der Druck­ feder 52 stehenden Kugel 53 als Verschlussstück, dem ein konisch ausgebildeter Sitz 54 zugeordnet ist.

Die Bohrungen 50 bei den Lösungen nach den Fig. 6 bis 9 befinden sich jeweils in unmittelbarer Nähe der dem Austrittsventil 7 zugewandten Stirnseite der Zylin­ derwand 3, damit die Ventile 12 möglichst früh bei be­ ginnendem Saughub druckgesteuert öffnen. In an sich be­ kannter Weise ist zweckmäßig ein weiterer, vom Kolben 2 gesteuerter Gaseintritt 55 vorhanden (Fig. 8), der als umlaufende Nut 56 in der Zylinderwand 3 ausge­ bildet ist. In diese Nut 56 mündet ebenfalls die Gas­ eintrittsleitung 14.

Die Lösungen nach den Fig. 6 bis 9 haben den Vor­ teil, dass der Querschnitt des Austrittsventiles 7 durch die Anordnung eines Gaseintrittsventils 12 nicht beeinträchtigt ist und dass seitlich neben dem Zylinder ausreichend Platz für die Unterbringung des Gasein­ trittsventils 12 vorhanden ist. Außerdem ist ein schad­ raumfreies Austritts-Ventil einfach zu realisieren. We­ sentlich bei diesen Lösungen ist, dass sich der Gasein­ tritt 50 in unmittelbarer Nähe der Stirnseite der Zy­ linderbohrung befindet, damit das Gaseintrittsventil 12 in der Lage ist, bei beginnendem Saughub druckgesteuert zu öffnen.

Bei der Lösung nach Fig. 10 ist der Kolben 2 stirnsei­ tig mit einer Manschette 61 mit einer äußeren Lippe 62 ausgerüstet. Weiterhin ist der Kolben 2 mit einer sich axial erstreckenden Nut 63 versehen, die sich - wenn sich der Kolben 2 in seinem oberen Totpunkt befindet - von der Kolbenstirnseite bis zum Gaseintritt 55 (Ringnut 56 in der Zylinderwand 3) erstreckt. Bei be­ ginnendem Saughub und ausreichendem Unterdruck im Schöpfraum 5 hebt die Lippe 62, die zusammen mit der Zylinderwand das Gaseintrittsventil 12 bildet, von der Zylinderwand ab, so dass die Verbindung zwischen Gas­ eintritt 55 und Schöpfraum 5 über die Nut 63 herge­ stellt ist. Die Funktion der Nut 63 kann auch ein Ringspalt zwischen Kolbenhemd und Zylinderwand erfül­ len. Zweckmäßig hat der Einlass 55 die Form eines Boh­ rungskreises, damit die Manschette über den Einlass zum unteren Totpunkt bewegt werden kann.

Schließlich kann sich der Gaseintritt in der Stirnseite 66 des Kolbens 2 befinden. Bei dem in Fig. 11 darge­ stellten Ausführungsbeispiel ist das Gaseintrittsventil 12 als Zungenventil (Fig. 1 und 6) ausgebildet. Die Federzunge 18 ist mit Hilfe der Schraube 65 am Kolben 2 befestigt und liegt im geschlossenen Zustand der Mün­ dung 20 des Gaseintrittskanals 14 auf. Andere Ventil­ formen sind ebenfalls möglich (z. B. Kugelventil). Diese Lösung setzt voraus, dass die Stufe durch das Kurbelge­ häuse ansaugen darf. Dazu muss das Kurbelgehäuse ge­ dichtet sein, und die angesaugten Gase dürfen die Bau­ teile im Kurbelgehäuse nicht schädigen. Vorteilhaft ist an dieser Konstruktion, dass sie sehr einfach und preiswert ist.

In einigen der Figuren ist dargestellt, dass die Bau­ teile der beschriebenen Lösungen beschichtet sein kön­ nen (Ventilteller 8 in Fig. 3, Kolbenstirnseite in den Fig. 4 und 10, Kolbenhemd in Fig. 5, Zylinderwand in Fig. 6). Auch die Verschlusselemente und/oder Sitze der Eintrittsventile 12 können mit einer Schicht ausge­ rüstet sein. Je nach dem, welche Funktion die Beschich­ tung haben soll (Abdichtung, Dämpfung, Verschleiß­ schutz) sind die Werkstoffe gewählt (z. B. Elastomer bzw. Polytetrafluoräthylen). Die Betätigung des Aus­ trittsventiles 7 kann druck- oder kolbengesteuert sein.

Wie im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen be­ schrieben, kommen für die druckgesteuerten Eintritts­ ventile verschiedene Bauformen in Frage:

• a) Zungenventile mit metallischer Dichtung und solche mit Elastomerdichtung.
• b) Federbelastete Ventilteller ggf. mit zentraler Führung.
• c) Ventile aus Federstahlblech, die Ventilteller und Federzungen einteilig kombinieren.
• d) Federbelastete Kugelventile.
• e) Elastomermembranen, die über einen Ventilkörper gespannt sind.
• f) Manschetten am Kolbenkopf, die unter Druckbeauf­ schlagung in Richtung des Arbeitsraumes undicht werden und so einen Druckausgleich ermöglichen. Diese Ventilform ist für die Ansaugung durch das Kurbelgehäuse oder für die Ansaugung über das Kol­ benhemd geeignet.

Durch die erfindungsgemäßen Vorschläge wird erreicht, dass die damit ausgerüstete Kolbenvakuumpumpe die fol­ genden vorteilhaften Eigenschaften hat:

• - preiswert,
• - robust, betriebssicher, unempfindlich gegenüber Verschmutzung,
• - hohe Dichtheit,
• - geringer Totraum,
• - geräuscharm,
• - geringer Eingriff in die Anschlusskonstruktion, platzsparend,
• - einfach zu fertigen und zu montieren,
• - ausreichende Querschnitte und Steuerzeiten.

Claims (16)

1. Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass, mit einem Gasauslass, mit mindestens einem Kolben (2), mit mindestens einem Zylinder (3), mit einem von Kol­ ben (2) und Zylinder (3) gebildeten Schöpfraum (5), mit einem Gaseintritt, mit einem Gasein­ trittsventil (12) sowie mit einem Gasaustritt und einem stirnseitig in der Querschnittsfläche der Zylinderbohrung angeordneten Gasaustrittsventil (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Gasein­ trittsventil (12) druckgesteuert und derart ange­ ordnet ist, dass es während des Saughubes, vor­ zugsweise in der ersten Phase des Saughubes, öff­ net.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gaseintrittsventil (12) ebenfalls stirn­ seitig in der Querschnittsfläche der Zylinderboh­ rung befindet.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, dass das Gaseintrittsventil (12) und das Gas­ austrittsventil (7) Bestandteile eines Zylinder­ kopfes (4) sind.

4. Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass Gaseintrittsventil (12) und Gasaus­ trittsventil (7) nebeneinander in der Quer­ schnittsfläche der Zylinderbohrung angeordnet sind.

5. Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Zylinderkopf (4) eine Gaseintritts­ kammer oder -leitung (14) befindet und dass der Mündung (20) der Gaseintrittskammer (14) in den Schöpfraum (5) das Gaseintrittsventil zugeordnet ist.

6. Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich­ net, dass das Gaseintrittsventil (12) Bestandteil des Ventiltellers (8) des Gasaustrittsventiles (7) ist.

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) an einem elastischen Balg (35) befestigt ist und dass der Innenraum des Balges die Gaseintrittskammer (14) bildet.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (8) mit einer Elastomermem­ bran (37) ausgerüstet ist und dass ein Teil der Elastomermembran Ventilfunktion hat.

9. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte Gaseintrittsventil (12) seitlich neben dem Schöpfraum (5) in der Zylinder­ wand (3) angeordnet ist.

10. Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaseintritt über eine seitlich in den Schöpfraum (5) mündende Öffnung (50) (Bohrung oder Schlitz) erfolgt.

11. Pumpe nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sich das Gaseintrittsventil inner­ halb einer in der Zylinderwand (3) ausgebildeten Kammer (51) befindet, die mit der Gaseintrittslei­ tung (14) in Verbindung steht.

12. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich das druckgesteuerte Gaseintrittsventil (12) in der Kolbenstirnwand (66) befindet.

13. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer, kolbengesteuer­ ter Gaseintritt (55) vorhanden ist.

14. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das druckgesteuerte Ein­ trittsventil (12) als Zungenventil, federbelaste­ tes Ventil, Kugelventil oder dergleichen ausgebil­ det ist.

15. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere ihrer Bau­ teile beschichtet sind, und zwar mit einer der Ab­ dichtung, der Geräusch- oder Vibrationsdämpfung oder dem Verschleißschutz dienenden Schicht.

16. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein kolbengesteuerter Gaseintritt (55) vor­ handen ist, dass der Kolben (2) stirnseitig mit einer Manschette (61) ausgerüstet ist, dass eine Verbindung (63) vorhanden ist, die sich von der Manschette (61) bis zum Gaseintritt (55) er­ streckt, und dass die Manschette (61) zusammen mit der Zylinderwand (3) das druckgesteuerte Gasein­ trittsventil (12) bildet.