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'Gaspumpe- bzw. -verdichter" Die Erfindung betrifft eine Gaspumpe
bzw. einen Gasverdichter zur Evakuierung und/oder Verdichten gasförmiger Medien
wie Luft, mit - vorzugsweise elektromotorisch - bewegten Membranen oder Kolben.
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Nachfolgend wird der Einfachheit halber eine Vorrichtung, die entweder
zum Evakuieren oder zuni Verdichten geeignet ist, lediglich als Pumpe bezeichnet.
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Membranpumpen finden vor allem dort Verwendung, wo es darauf ankommt,
daß das geförderte gasförmige Medium ölfrei bleibt.
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Drehschleber- und Kolbenpumpen geben infolge der notwendigen Schmierung
der beweglichen Teile zwangsläufig OldampS oder Öltröpfchen an das geförderte Medium
ab.
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i Derzeit übliche Membranpumpen bestehen aus einem Gehäuse, das den
Antriebsmechanismus aufnimmt, einem Pumpenkopf, der mit Einlaß- und Auslaßkanälen
versehen ist und einer dazwischen druckdicht eingeßpannten Membran. Mit der Membran
ist ein Pleuel, dem mittels eines Exzenters oder einer Kurbelwelle eine hin- und
hergehende Bewegung erteilt wird5 die sich auf die Membran tbertrXgW,yBç8 dadurch
auftretende
Volumenänderung im Verdichtungsraum wird zur Förderung
oder Verdichtung von Gasen ausgenützt. Derartige Pumpen können im Verdichterbetrieb
eine Liefermenge bis zu einigen Kubikmetern pro Stunde haben. Die erreichbaren Dauerdrücke
liegen bei ca. 7 atü.
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Ein schwerwiegender Nachteil solcher Pumpen, der entscheidendfür
die erreichbaren Grenzdaten verantwortlich ist, liegt darin, daß die Membran nicht
nur eine reine Hubbewegung ausführt, sondern auch eine Taumelbewegung, die durch
den Pleuelantrieb bedingt ist. Durch diese zwangsläufige Taumelbewegung wird die
Membran stark auf Dehnung beansprucht. Es treten also bei jeder Hubbewegung nicht
nur senkrecht auf die Membran sondern auch parallel zu ihr gerichtete Kräfte auf,
die eine Walkung des Membranmaterials zur Folge haben. Diese Walkung führt zu einer
nicht unbeträchtlichen Erwärmung des Membranmaterials, die sich zu der durch die
Gasverdichtung auftretenden Temperaturerhöhung addiert. Die Membran wird dadurch
schon bei niedrig gen Drücken von 5 bis 7 atü einer hohen Temperaturbelastung unterworfen.
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Die heute üblicherweise verwendeten Membranwerkstoffe wie Neoprdne,
Viton, Teflon sind nur für Arbeitstemperaturen bis etwa 1200 C geeignet. Aus den
vorgenannten Gründen ergibt sich daraus ein erreichbarer Dauerdruck von etwa 7 atü.
Höhere Drücke sind zwar erreichbar, führen Jedoch unvermeidbar zu einer weiteren
Temperaturerhöhung im Membranmaterial und lassen so die Lebensdauer der Membran
stark absinken.
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Zur Beseitigung dieses Mangels wurde schon versucht, die Walkung
der Membran durch Verrngerung der Taumelbewegung des Pleuels herabzusetzen. Dies
läßt sich nur dadurch erreichen, daß man den Pleuel extrem lang ausführt. Man kommt
dadurch
Jedoch zu unverhältnismäßig großen Bauhöhen schon relativ kleinvolumiger Membranpumpen.
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Darüberhinaus läßt sich auch mit dieser Maßnahme ein weiterer Nachteil
nicht beseitigen, der konstruktionsbedingt allen mit Pleuelantrieb arbeitenden Membranpumpen
zu eigen ist.
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Der Verdichtungsraum über der Membran muß nämlich nach deren vom Pleuel
verursachten Taumelbewegung ausgelegt werden. Dies führt zu unvermeidbaren Toträumen,
d.h. Räumen, die von der Membran nicht ausgefüllt werden, wenn sie im oberen Totpunkt
steht. Die Folge davon ist sowohl ein relativ geringer Wirkungsgrad als auch ein
nachteiliger Einfluß auf die absolut erreichbare Pumpenleistung.
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Der Erfindung liegt daher die Aurgabe zugrunde, eine Membranpumpe
zu schaffen, bei der eine Taumelbewegung der Membran vee mieden ist und die auch
bei mehrstufiger Ausführung besonders klein und kompakt gehalten werden kann.
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Diese Aufgabe ist bei der Pumpe der einleitend angegebenen Gattung
dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß die einseitig oder beidseitig im Gehäuse gelagerte
Antriebswelle in Gehäusemitte ein exzentrisches Lager trägt, welches seinerseits
mittig in einem Prisma mit parallelen Seitenflächen aufgenommen ist, das sich reibungsarm
wegen die Lauffläche von als Platten ausgebildeten StOBelunterteilen abstützt, deren
Jeweils einander gegenüberliegende Platten über ein Verbindungselement gegeneinander
unverrÜckbar behalten und mit Membrantellern oder Kolben verbunden sind.
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Durch eine derartige Ausbildung der Pumpe ergibt sic der Vorteil,
daß die Membran eine reine Hubbewegung ausführt und somit eine Erwärmung des Membranmaterials
Infolge eine
Taumelbewegung des Antriebs vermieden ist. Infolge
Fortfalls dieser zusätzlichen Erwärmung lassen sich daher bei der erfindungsgemäßen
Pumpe ganz erheblich höhere Dauerdrücke erreichen,ohne daß die zulässige Temperatur
des Menibranmaterials dabei überschritten wird. Ein weiterer Vorteil liegt darin,
daß sich infolge des Fehlens einer Taumelbewegung der Verdichtungsraum im Pumpenkopf
so ausbildenläßt, daß keinerlei Toträume mehr auftreten. Die erfindungsgeniäße Pumpe
arbeitet daher mit einem wesentlich besseren Wirkungsgrad als die bisher bekannten
Pumpen vergleichbarer Größe. Schließlich ist die Pumpe infolge Fortfalls des Pleuels
außerordentlich kompakt aufgebaut.
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Die reibungsarme Abstützung des Prismas gegen die Lauffläche der
als Platten ausgebildeten Stdßelunterteile läßt sich vorteilhaft dadurch verwirklichen,
daß das Prisma mit gehärteten Laufbahnen versehen ist und zwischen diesen und oder
Kugeln den Stößelunterteilen in Flachkäfigen geführte ordnet sind.
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Nach einer konstruktiv besonders günstigen Aus führungs form der
erfindungsgemäßen Pumpe ist das Prisma ein Quader, dem einander gegenüberliegend
zwei als unabhängige Stufen betretbbare Verdichter- oder Pumpenköpfe zugeordnet
sind. Da der Quader (oder das Prisma) ohnehin auf mindestens zwei einander gegenüberliegenden
Seitenflächen geführt werden muß, läßt sich auf diese Weise mit geringem Mehraufwand
und ohne Vergrößerung des Gehäuses beispielsweise die doppelte Fördermenge erzielen.
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Diese beiden voneinander unabhängigen Stufen können nun entweder
parallel oder hintereinander geschaltet werden.
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Diese Parallel- oder HIntereinanderschaltung 1Bt sich besonders vorteilhaft
unter Vermeidung äußerer Verbindungsleitungen dadurch erreichen, daß die Verdichter-
oder Pumpenköpfe sowie das Gehäuse mit die Druckseite einer Stufe mit der Saugseite
einer anderen Stufe verbindenden Bohrungen versehen sind, wobei die Saugseite der
ersten Stufe ge gebenenfalls in das Innere des Gehäuses münden kann> welches
an seiner dem Antrieb gegenüberliegenden Seite eine mit einem geeigneten Filter
versehene ordnung besitzt.
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Ebensogut kann aber auch die eine der Stufen als Pumpe, die andere
als Verdichter arbeiten.
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Die erfindungsgemäße Pumpe zeichnet sich im übrigen durch einehinsichtlich
der Anzahl der Stufen besonders flexible Konstruktion aus, so daß durch entsprechende
Ausbildung des Prismas eine gerade Anzahl von beliebig unterelnander ver bindbaren
Stufen vorgesehen werden kann, wobei die elrwelen, aus den Jeweils untereinander
verbundenen Stufen gebildeten Gruppen als Verdichter oder als Pumpe arbeiten können
Im Gegensatz zu herkömmlichen Meinbranpumpen ist dabei bis zu einer Anzahl von vier
Stufen eine Vergrößerung des Gehäuses nicht nötig, und selbst bei einer sechsstufigen-
oder aehstufigen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe ist nur eine relativ
geringe Vergrößerung erforderlich, wobei die Kompaktheit des Aufbaus nicht verloren
geht. Diese Kompakte heit wird besonders auch dadurch ermöglicht, daß aufgr':'nd
des Konstruktionsprinzips alle Stufen in einer Ebene liegen können, im Gegensatz
zu üblichen Membranpumpen, bei deren aufgrund des Exzenters- oder Kurbelwellenantriebes
die 3tuRen in gegeneinander versetzten Ebenen angeordnet werden müssen.
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Der Erfindungsgedanke tut im übrigen keineswegs auf Membranpumpen
beschränkt, sondern läßt sich in ebenso vorteilhafter
Weise auf
nach dem Kolbenprinzip arbeitende Pumpen anwenden, bei denen dann der oder die Pleuel
in Fortfall kommen können.
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Weitere Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung
der Zeichnung hervor, in der eine Membranpumpe der ert'indungBgem§Ren Art in einer
beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch veranschaulicht ist. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine ttrstuRige Ausführung der Pumpe, Fig. 2 einen
Längsschnitt durch die Pumpe nach Fig. 1, Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt
durch einen Pumpenkopf.
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Aus Fig. 1 läßt sich der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke sowie
der prinzipielle Aufbau einer darnach ausgeführten Pumpe erkennen. Im Pumpengehäuse
1 ist eine Welle 2 mittig gelagert. Die Welle 2 trägt ein exzentrisch aufgesetztes
Lager 3, beispielsweise ein Axialrollenlager. Das Lager 3 sitzt seinerseits dabei
in einem prismatischen Körper mit parallelen Seitenflächen, der im gewählten Beispiels
als Quader 4 ausgebildet ist. Hält man nun den Quader 4 verdrehungssicher, aber
in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen frei verschieblich fest, dann
setzt der Quader die Drehbewegung der Welle in eine reine Hubbewegung längs dieser
beiden Richtungen um, wobei die Verschiebung nacheinander in Richtung Jeder Seitenfläche
erfolgt und der Hub vom Maß der Exzentrizität des Lagers 3 im Verhältnis zu der
Welle 2 bestimmt ist.
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Da die Verschiebung Jeder Seitenfläche aufeinander folgend zunächst
senkrecht, dann parallel zu ih erolgt, muß zwischen den Stößelunterteilen, die als
Platten 9 ausgebildet sind und diesSeitenflächen eine reibungsarme Lagerung vorgesehen
werden. Hierzu können beispielsweise in Flachkäfigen geführte
Nadeln
7 dienen, die zwischen gehärteten Laufflächen abrollen.
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Jeweils einander gegenüberliegende Stößelunterteile sind über entsprechend
geformte Zwischenringe 10 unverrückbar gegeneinander gehalten, so daß die Nadellager
gegenüberliegender Seiten des Quaders ein definiertes Lagerspiel haben.
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Die Verbindung der Stößelunterteile mit den Zwischenringen 10 kann
über übliche Maschinenelemente, wie beispielsweise Pa.ßstifte oder Paßschrauben
geschehen. Auf diese Welse läßt sich eine leichte Montierbarkeit erhalten. Die Stößelun'certeile
sind über kurze Zwischenstücke mit den Membrantelnet-n 12 verbunden, wobei diese
Teile ohne weiteres einstUczig ausgebildet werden können. Jeder Membranteller 12
trägt eine Membran 13, die beispielsweise aus Neoprene, Viton oder Teflon ender
einem anderen geeigneten Membranwerkstorf bestehen kann. Die Membranteller erhalten
ihre Seitenführung lediglich durch die auf ihnen befestigte Membran. Diese ist zwischen
das Gehause 1 und den Pumpenkopf 14 druckdicht eingespannt. Im Pumpenkopf 14 ist
der Verdichtungsraum 15 ausgespart, der info der reinen Hubbewegung der Membran
keinerlei Toträume aufzuweisen braucht. Geeignete, mit Ventilen versehene Kanäle
i6 und 17 dienen als Gaseinlaß bzw. -auslaß.
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Die vorstehend beschriebene Pumpe arbeitet auch dann einwandfrei,
wenn lediglich zwei einander gegenüberliegende Pumpenköpfe vorgesehen werden. Diese
genügen nämlich bereits, um den Quader verdrehungssicher, Jedoch in zwei auf#einander
senkrecht stehenden Richtungen frei beweglich zu halten. Es wäre dementsprechend
auch möglich, die Pumpe nur mit einem Pumpenkopf auszuführen, wobei die gegenüberliegende
Seite anstelle der sonst die FUhrung bildenden Membran eine andere geeignete Führung
erhalten müßte. Angesichts des geringe; Mehraufwandes, den eine zweistufige Ausführung
erfordert, ist dies Jedoch eine unwirtschaftlIche Lösung.
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Bei der praktischen Erprobung hat sich im übrigen herausgestellt,
daß eine zweistufige AusfUhrung der Pumpe auch dann ohne Schaden zu nehmen weiterlaufen
kann, wenn eine der beiden Membranen entfernt oder beschädigt wurde. Auch dies stellt
einen ganz erheblichen Vorteil gegenüber den bisherigen Membranpumpen dar, da dort
bei der überwiegenden Zahl der Geräte die Membranen nicht nach einer bestimmten
Anzahl von Betriebastunden routinemäßig ausgewechselt werden und daher eineaeTages
reissen, was dann, wenn keine Überwachungseinrichtungen zur Abschaltung der Pumpe
in einem derartigen Fall vorgesehen sind, zu Beschädigungen der Maschinen durch
den dann führungslos hin- und herschlagenden Pleuel führt.
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Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Membranpumpe. Es läßt sich dort wiederum die Welle 2 erkennen,
die im Gehäuse 1 mittig über das Lager 15 gelagert ist. Eine an sich mögliche zweite
Lagerung der Welle in der gegenüberliegenden Gehäuse wand ist nicht nötig und erschwert
nur die Montage. Sie kann lediglich dann erforderlich sein, wenn eine in Längsrichtung
versetzte zweite Ebene von Pumpenköpfen vorgesehen werden soll, was ohne weiteres
möglich ist. In Fig. 2 läßt sich weiterhin das exzentrisch auf der Welle 2 sitzende
Axialrollenlager 3 erkennen, dbs mittig in dem Prisma oder Quader 4 ruht. In die
Seitentlächen des Quaders 4 und die plattenrdrmigen Stößelunterteile sind gehärtete
Laufbahnen 8 eingelassen, zwischen denen die in Flachkäfigen geführten Nadeln 7
ruhen. Die Zwischenringe 10 dienen der Verbindung einander gegenüberliegender Stoßelunterteile
und zwar, wie dies tar den rechten Zwischenring angedeutet ist, über Paßschrauben
11.
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Sehr vorteilhaft ist, daß aufgrund der geringen Baubdhe der erfindungsgemäßen
Pumpe diese unmittelbar an den nahezu durch -measergleichen Antriebsmotor ie angeflanscht
werden kann.
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Vorzugsweise findet ein einphasiger Wechselstrommotor mit Mantelkühlung
Verwendung. Der axial gerichtete Kühlluftstrom umspült diesen in der in Fig. 2 durch
einen Pfeil angedeuteten Richtung. Infolge des nahezu gleichen Durchmessers der
Pumpe kann dabei in vorteilhafter Weise dieser Kühlluftstrom gleichzeitig zur Kühlung
der Pumpenköpfe herangezogen werden.
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Ebensogut kann natürlich die Welle 2 frei aus dem Gehäuse herausgeführt
und beispielsweise über eine Riemenscheibe oder ein Stirnrad angetrieben werden.
Die dem Motor abgewandte Stirnfläche des Pumpengehäuses ist mit einer oeffnung versehen,
in die ein geeignetes Filter 19 eingelegt ist. Auf diese Weise läßt sich der Pumpe
gefilterte Luft zuführen.
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Fig. 3 schließlich zeigt einen vergrößerten Teilschnitt durch einen
Pumpenkopf, der allgemein mit 20 bezeichnet ist. Dieser Pumpenkopf ist in üblicher
Weise gegen das Gehäuse 1 abgedichtet und spannt die Membran 17 druckdicht ein.
Erst die geringe Bauhöhe der erfindungsgemäßen Pumpe erlaubt es nun, die Pumpenköpfe
verschiedener Stufen unter Vermeidung von äußeren Rohrleitungen miteinander zu verbinden.
Hierzu dienen zwei Bohrungen 21, die den Einlaßkanal 16 bzw. den Auslaßkanal 17
rechtwinklig schneiden. Am umfangsseituen Ende des Pumpenkopfes sind senkrecht zu
diesen Bohrungen 21 zwei weitere bis in das Gehäuse 1 reichende Bohrungen 22 vorgesehen.
Diese treffen sich mit den entsprechenden wiederum senkrecht dazu verlaufenden Bohrungen
23 der unmittelbar benachbarten ;fe.
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Verschließt man nun die nach außen mUndenden Bohrun- - 21 in geeigneter
Weise, dann ist über die Bohrungen 22 und f eine Verbindung zwischen der Druckseite
der vorhergehenden Stufe mit der Saugseite der nachfolgenden Stufe und gegebenenfalls
der Druckseite dieser Stufe mit der Saugseite der nächstfolgenden Stufe hergestellt.
Verschließt man andererseits die Bohrungen 22 tmd 23, so kann jede Stufe 20 für
sich allein verwendet werden, wobei nun die Bohrungen 21 als Einlaß- bzw. Auslaßkanal
dienen.
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Ferner ist es möglich, eine der Bohrungen 22 (wie in Fig. 3 unten
angedeutet) bis ins Innere des Gehäuses 1 durchgehen zu lassen, so daß diese Stufe
über den Filter 19 gefilterte Luft aus dem Inneren des Gehäuses ansaugt.