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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Pumpen und insbesondere betrifft
sie kompakte Kolbenpumpen.
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Pumpen
für medizinische
Anwendungen, wie sie beispielsweise in Sauerstoffkonzentratoren eingesetzt
werden, müssen üblicherweise
kompakt und leise sein, um zu Hause und in Kliniken diskret zu arbeiten.
Es ist deshalb wichtig, die Arbeitsluft zu dämpfen und die Vibration während des
Betriebs der Pumpe zu verringern.
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Ein
Problem von herkömmlichen
Pumpen besteht darin, dass sie übermäßig Geräusch und
Vibration erzeugen, wenn der Kolben bzw. die Kolben hin und her
laufen, insbesondere dann, wenn diese nicht korrekt ausgeglichen
sind. Ein Grund hierfür
besteht bei entgegengesetzt arbeitenden Kolbenpumpen darin, dass
die Kolben mit der Antriebswelle durch eine einzige Halterung bzw.
ein Exzenterelement zwischen den Verbindungsstangen des Kolbens
verbunden sein können. Üblicherweise
ist ein Exzenterelement an der Antriebswelle angebracht und zwei
Stifte oder Vorsprünge
erstrecken sich axial ausgehend von jeder Seite des Exzenterelements zur
Anbringung der Kolben an der Antriebswelle. Ein Drehmoment oder
ein Schüttelmoment
entsteht, wenn sich die Antriebswelle dreht, und zwar auf Grund
des axialen Abstands zwischen den Kolben.
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Ein
weiteres Problem herkömmlicher
Pumpen betrifft die Abdichtung des Kurbelgehäuses und des Zylinders bzw.
der Zylinder. Eine unzureichende Abdichtung der Zylinder am Kurbelge häuse oder
am Ventilkopf bzw. den Ventilköpfen
kann dazu führen, dass
unter Druck stehende Luft aus der Pumpe entweicht, wodurch jeweils
der Pumpenwirkungsgrad verringert wird und Geräusch entsteht. Typische Dichtungsanordnungen
sind entweder leckageanfällig
oder erfordern teuere, spanabhebende Arbeitsvorgänge an der Ventilplatte. Zahlreiche
Kurbelgehäuse sind
außerdem
mit offenen Stutzen hergestellt, damit die Kolben während der
Montage problemlos in das Kurbelgehäuse geschoben werden können. Typischerweise
enden die Öffnungen
in Stützen
an den Zylindern, die gekrümmte
Außenflächen aufweisen. Dies
gestaltet die Abdichtung des Kurbelgehäuses schwierig und erfordert
typischerweise getrennte Dichtungen zusätzlich zu derjenigen, die das
Ende des Kurbelgehäuses
abdeckt, wodurch die Komplexität
der Montage erhöht
ist und ein potentieller Leckpfad zwischen den Stützendichtungen
und der Enddichtung erzeugt wird.
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Ein
weiteres Problem herkömmlicher
Pumpen besteht darin, dass die Ventilanschläge im Betrieb übermäßiges Geräusch hervorrufen
können.
Typischerweise werden dünne
Klappenventil verwendet, um die Einlass- und Auslassanschlüsse der
Ventilköpfe
zu steuern. Da der Auslassanschluss unter Krafteinwirkung der komprimierten
Luft öffnet,
wird ein Ventilanschlag verwendet, um das Ventil zu stützen und
zu verhindern, dass es über
seinen elastischen Bereich hinaus überstreckt wird. Üblicherweise
weisen die Anschläge
Unterseiten auf, die ausgehend von der Ventilklappe rampenförmig ansteigen, um
das Vorderende des Ventils weiter weg von der Ventilplatte als der
Stutzen des Ventils abzustützen. Die
Ventile bestehen üblicherweise
aus Metall und die Anschläge
können
aus Metall oder Kunststoff bestehen. In jedem Fall kann jedoch der
rasche Kontakt zwischen den beiden Flächen klopfende oder klickende
Schallereignisse erzeugen, die in medizinischen Anwendungen nicht akzeptabel
sind. Ein weiteres Problem besteht in diesem Zusammenhang, dass
das dünne
flache Klappenventil einer Flächenanziehung
zwischen der Klappe und dem Anschlag unterliegen kann und im Wesentlichen
am Anschlag "haften
bleibt" und damit
geöffnet
bleibt.
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Noch
ein weiteres Problem im Hinblick auf die Konstruktion von Pumpen
mit geringem Geräusch
besteht im ausreichenden Dämpfen
der Einlass- und/oder Auslasskammern der Ventilköpfe. Dieses erfolgt durch Anbringen
eines Dämpferelements an
dem Ventilkopf entweder gerichtet oder über geeignete Schläuche. Eine
andere Technik besteht darin, die Auslassluft in das Kurbelgehäuse auf
der druckfreien Seite des Kolbenkopfes zu leiten. Wenn in diesem
Fall das Kurbelgehäuse
geschlossen ist und die Kolben sich in Phase befinden, wird das
Kurbelgehäuse üblicherweise
durch einen Dämpfer
entlüftet,
um die Erzeugung von Pulsationen in der Pumpe zu vermeiden. Selbst
bei Verwendung der zuletzt genannten Technik werden die Ventilköpfe üblicherweise über zu dem
Kurbelgehäuse
führende
Schläuche
entleert, das über
einen Dämpfer
entlüftet
wird, der direkt am Kurbelgehäuse
oder am Ende eines Schlauchs angebracht ist.
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Es
besteht deshalb ein Bedarf an einer verbesserten Pumpe, welche die
vorstehend genannten Probleme berücksichtigt.
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In
der Druckschrift
US
6485266 B2 ist ein Verdichteraufbau offenbart, der ein
Gehäuse
mit einem Lufteinlass aufweist. Eine Zylinderbuchse, die mit einem
Ende in das Gehäuse
mündet,
nimmt einen Kolben auf, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der Kolben
erstreckt sich in das offene Zylinderbuchsenende für eine hin-
und herlaufende Bewegung in der Buchse. Ein relativ am Gehäuse fest
angebrachter Lüfter
veranlasst Luft dazu, durch den Einlass zum Kolben zu strömen. Eine
Ab lenkeinrichtung ist zwischen dem Kolben und dem Einlass angeordnet und
verhindert, dass Luft durch den Einlass strömt und direkt auf dem Kolben
auftrifft.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung zum Verschließen eines
Kurbelgehäuses
mit offenen Stutzen, wobei das Kurbelgehäuse ein offenes Ende und eine
Stutzenöffnung
aufweist, die sich vom offenen Ende bis zu einem Zylinder erstreckt, der
sich im Wesentlichen senkrecht zu den Stutzen erstreckt. Die Anordnung
umfasst eine elastische Dichtung, die durch eine starre Stützplatte
abgestützt ist.
Die Dichtung kontaktiert das offene Ende des Kurbelgehäuses und
besitzt einen Stopfenabschnitt, der sich in die Stützenöffnung erstreckt
und besitzt eine konturierte Dichtfläche, die an dem Zylinder anstößt bzw.
anliegt. Die Stützplatte
deckt das offene Ende des Kurbelgehäuses ab und weist eine Stopfenabstützung auf,
die mit dem Stopfenabschnitt der Dichtung im Kontakt steht.
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Gemäß bevorzugten
Ausführungsformen
ist die Dichtung in ihrem zentralen Bereich offen und erstreckt
sich in das Kurbelgehäuse
hinein, um die offene Seite des Kurbelgehäuses abzudichten. Die Dichtung
ist bevorzugt elastisch; die Tiefendimension der Dichtung verleiht
ihr jedoch eine bestimmte Steifigkeit. Die Dichtungen weisen einen
Stopfenabschnitt für
jede Öffnung
in den Stutzen des Kurbelgehäuses
auf. Die Dichtfläche
des Stopfenabschnitts bzw. der Stopfenabschnitte ist konkav und
die Stopfenabschnitte sind jeweils mit einer Rippe gebildet, die
sich in Gegenüberlage
zur Dichtfläche
befindet, die im Eingriff mit der Stopfenabstützung der Stützplatte
steht. In einem aufeinander zu weisenden Paar von Zylinder pumpen
besitzen die Dichtung und die Abdeckung zwei Stopfenabschnitte und
zwei Stopfenabstützungen,
die um 180 Grad beabstandet sind. Die Dichtung kann außerdem einen
oder mehrere Kanalstopfenabschnitte aufweisen, die mit offenendigen
Kanälen
fluchten, die im Kurbelgehäuse
gebildet sind, und die Stützplatte
besitzt in diesem Fall radial verlaufende Ansätze zum Abstützen der
Kanalstopfen. Die Kanalstopfen verschließen nicht nur die Kanäle, sondern
tragen auch zum korrekten Zentrieren und Ausrichten der Dichtung
auf der Fläche
bzw. Seite des Kurbelgehäuses
bei.
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Diese
sowie weitere Vorteile der Erfindung erschließen sich aus der detaillierten
Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden die bevorzugten
Ausführungsformen
der Erfindung erläutert.
Um den vollen Umfang der Erfindung zu erfassen, ist auf die Ansprüche Bezug
zu nehmen, da die bevorzugten Ausführungsformen nicht die einzig möglichen
Ausführungsformen
im Umfang der Erfindung sind.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer entgegengesetzt wirkenden Kolbenpumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Pumpe, deren Kolben in Explosionsansicht
gezeigt ist,
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3 zeigt
eine weitere perspektivische Ansicht der Pumpe, wobei ihre Zylinder-
und Ventilkopfanordnungen in Explosionsansicht gezeigt sind;
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4 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht einer Ventilanordnung in
Isolation;
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5 zeigt
eine vergrößerte Teilschnittansicht
entlang dem Bogen 5-5 von 9 unter
Darstellung einer Zylinderdichtung in einer Umfangsnut in einem
gewinkelten Ende des Zylinders;
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6 zeigt
eine vergrößerte Teilschnittansicht
entlang der Linie 6-6 von 9 unter
Darstellung einer Anordnung zur Abdichtung des offenen Stutzens
des Pumpengehäuses;
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 7-7 von 1 unter
Darstellung der Pumpe (ohne Einlass- und Auslassventile), deren
Kolben sich 180 Grad außer
Phase befinden, wobei ein Kolben sich im oberen Todpunkt befindet,
während
sich der andere im unteren Todpunkt befindet und bei miteinander
verbundenen Ventilköpfen;
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht ähnlich 7,
jedoch mit dem Unterschied, dass sich die Kolben in Bezug auf 7 in
einer um 180 Grad unterschiedlichen Stellung befinden;
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9 zeigt
eine ähnliche
Querschnittsansicht wie 7 unter Darstellung der Pumpe,
deren Kolben sich am unteren Todpunkt in Phase befinden und wobei
ein Ventilkopf zum Kurbelgehäuse
hin entleert ist, während
der andere zur Last hin entleert ist;
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10 zeigt
eine ähnliche
Querschnittsansicht wie 9 mit der Ausnahme, dass sich
die Kolben im oberen Todpunkt befinden;
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11 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 11-11 von 9;
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12 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 12-12 von 9;
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13 zeigt
eine vergrößerte Teilschnittansicht
von einer Ventilanordnung;
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14 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie 14-14 von 9;
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15 zeigt
eine Schnittansicht entlang der Linie 15-15 von 14,
wobei das entleerungsseitige Klappenventil geschlossen ist;
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16 zeigt
eine ähnliche
Ansicht wie 15 mit der Ausnahme, dass das
Ventil geöffnet gezeigt
ist;
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17 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 17-17 von 12;
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18 zeigt
eine vergrößerte Teilschnittansicht
entlang dem Bogen 18-18 von 17;
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19–21 zeigen
vergrößerte Teilschnittansichten
entlang der Linie 19-10 von 17 unter
Darstellung verschiedener alternativer Konstruktionen eines Überführungsrohrs;
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22 zeigt
eine perspektivische Ansicht einer alternativen Ausführungsform
der Pumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung mit unterschiedlich bemessenen Zylindern und Kolben;
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23 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 23-23 von 22 unter
Darstellung der Pumpe (ohne Einlass- und Auslassventilen), die als Unterdruckpumpe
arbeitet, und deren Kolben sich am unteren Todpunkt in Phase befinden,
und deren größerer Ventilkopf
zum Kurbelgehäuse
entleert ist;
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24 zeigt
eine Schnittansicht ähnlich 23 mit
der Ausnahme, dass die Kolben im oberen Todpunkt gezeigt sind; und
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25 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Linie 25-25 von 22.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1 bis 4 zeigen
eine Pumpe 30 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung. Die Pumpe 30 besitzt üblicherweise
einen Motor 33, der in invertierter Weise in einer oberen Öffnung 34 eines
Gehäuses
oder Kurbelgehäuses 36 angeordnet
ist, das zwei Kolbenanordnungen 38 und 39 enthält. Zwei
Zylinder 40 und 41 sind an dem Kurbelgehäuse 36 in
jeweiligen Seitenöffnungen 42 und 43 angebracht.
Ventilplatten 44 und 45 und Ventilköpfe 46 und 47 sind
an den Außenenden
der jeweiligen Zylinder 40 und 41 angebracht.
Eine Abdeckungs-/Dichtungsanordnung 48 ist am oberen Stutzen 50 des
Kurbelgehäuses 36 über einer
unteren Endöffnung 52 derart
angebracht, dass das Innere des Kurbelgehäuses vollständig eingeschlossen ist, wenn
die Pumpe zusammengebaut ist.
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Mehr
im Einzelnen unter Bezug auf 1, 3 und 5 sind
zur Verbesserung der Abdichtung zwischen den Zylindern 40 und 41 und
den Ventilplatten 44 und 45 die Außenränder von
jedem Zylinder radial einwärts
verjüngt,
um eine Winkelfläche 54 festzulegen
(von denen eine in 5 gezeigt ist), und zwar mit
einer Umfangsnut 56 darin, die so bemessen ist, dass eine
Dichtung 58, bevorzugt ein elastischer O-Ring, aufnehmbar ist.
Jede der Ventilplatten 44 und 45 weist eine Unterseite
mit einer kreisförmigen
gewinkelten Fläche 60 auf,
an der die Dichtung 58 anliegen kann, wenn die Pumpe zusammengebaut
ist. Die Zylinder 40 und 41 sind an das Kurbelgehäuse 36 durch
Befestigungselemente 63 geklemmt, die die Ventilköpfe 46 und 47 mit
dem Kurbelgehäuse 36 verbinden,
das die Dichtungen zwischen den Nuten und den jeweiligen Sitzen
der Ventilplatten zusammendrückt.
Diese Anordnung erbringt eine gute Abdichtung und fördert außerdem die Wartbarkeit
insofern, als die Winkelflächen
bzw. gewinkelten Flächen
das Auftreten eines Haftens des O-Rings an der Ventilplatte im Laufe
der Zeit reduzieren und die Ventilplatte am Zylinder verriegelt.
Außerdem
kann der einwärts
gewinkelte Sitz während
der Gussherstellung der Ventilplatte ohne Notwendigkeit zusätzlicher,
spanabhebender Bearbeitung gebildet werden.
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Wie
in 2 und 6 gezeigt, verbessert die Abdeckungs-/Dichtungsanordnung 48 die
Abdichtung der Bodenöffnung
bzw. unteren Öffnung 52 und
des offenen Stutzens 50 des Kurbelgehäuses 36. Die spezielle
Abdeckungs-/Dichtungsanordnung 48 enthält eine elastische Dichtung 64 und
eine starre bzw. steife Stützplatte 66.
Insbesondere besitzt die Dichtung 64 allgemein ringförmige Struktur
unter Festlegung einer zentralen Öffnung 68, und sie
ist so bemessen, dass sie auf das offene Ende 52 des Kurbelgehäuses 36 passt.
Die Dichtung 64 legt zwei sich axial erstreckende Stutzenstopfen 70 und 71 in
gegenüberliegenden
Positionen auf dem Ring fest, beispielsweise in 12- und 6-Uhr-Positionen.
Die Stutzenstopfen 70 und 71 sind so bemessen
und geformt, dass sie in die Öffnungen 72 und 73 in
den Stützen 50 des
Kurbelgehäuses 36 passen.
Die Stutzenstopfen 70 und 71 legen konkave Dichtflächen 74 und 75 fest,
die so geformt sind, dass sie an den konvexen Umriss der Außenseite
der Zylinder 40 und 41 passen. Die Dichtflä chen 74 und 75 besitzen
spitz zulaufende Enden, die satt an den Schnittflächen des Stutzens 50 und
der Zylinder 40 und 41 anliegen (siehe 6).
Die Dichtung 64 legt außerdem zwei Kanalstopfen 76 und 77,
die sich radial nach außen
ausgehend vom Ring in den 3- und 9-Uhr-Positionen erstrecken. Diese
Kanalstopfen 76 und 77 passen in das Ende der
Kanäle 78 und 79,
die in dem Kurbelgehäuse 36 gebildet
sind (wie nachfolgend erläutert). Die
Dichtung 64 ist durch die Stützplatte 66 gehalten, bei
der es sich um eine allgemein kreisförmige Platte mit vier Öffnungen 80 handelt,
durch die vier Befestigungselemente 82 angeordnet sind,
um die Abdeckungs-/Dichtungsanordnung 48 am Kurbelgehäuse 36 festzulegen.
Die Stützplatte 66 besitzt
sich axial erstreckende Stopfenabstützungen 84 und 85 in Flucht
zu den Stützenstopfen 70 und 71 mit
gekrümmten
Rändern 86 und 87,
die Rippen 88 und 89 kontaktieren, die durch die
Stützenstopfen 70 und 71 festgelegt
sind. Die Stützplatte 66 besitzt
außerdem zwei
Ansätze
bzw. Zungen 57 und 59, die an den jeweiligen Kanalstopfen 76 und 77 der
Dichtung 68 angeordnet und so bemessen sind, dass sie diese
stützen.
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Die
Stopfenabstützungen 84 und 85 tragen dazu
bei, die Dichtung der Stützenstopfen 70 und 71 aufrecht
zu erhalten. Die spitz zulaufenden Ecken der Stützenstopfen 70 und 71 können jedoch
von dem Kurbelgehäuse
und den Zylindern weg um ein bestimmtes Ausmaß ausbiegen, um einen Leckagepfad zu
ermöglichen,
um übergangsmäßige Hochdrucksituationen
zu entspannen. Die Dichtung ist primär für Niederdruckanwendungen ausgelegt,
um Luftleckagen zur Geräuschminderung
abzudichten. Die Ecken der Stützenstopfen
heben sich geringfügig
von ihren Sitzen ab, wenn der interne Druck etwa 15 psi bei einer
Druckentspannung erreicht. Die Anordnung könnte außerdem bei Anwendungen mit
höherem Druck
zum Einsatz kommen, indem ein star reres Elastomer genutzt wird oder
indem die Stützplatte modifiziert
wird, um zu verhindern, dass sich die Dichtung abhebt.
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Wie
in 2 gezeigt, umfassen die Kolbenanordnungen 38 und 39 jeweils
Kolben 90 und 91 mit Köpfen 92 und 93,
die Pfannenabschnitte bilden, die Kolbendichtungen 94 und 95 aufweisen,
die durch Halter 96 und 97 (als Phantom gezeigt)
angebracht sind, und Verbindungsstangen 98 und 99,
die Kreisöffnungen 100 und 101 festlegen.
Lager 102 und 103 (die innere Laufbahnen 104 und 105 aufweisen,
die in Bezug auf äußere Laufbahnen 106 und 107 drehbar
sind) passen in die jeweiligen Öffnungen 100 und 101 durch
Presssitz, um die äußeren Laufbahnen
mit den Verbindungsstangen 98 und 99 fest zu verbinden.
Kreisförmige
Exzenterelemente 108 und 109 werden daraufhin
in jeweiligen Öffnungen 110 und 111 der
Lager im Presssitz angebracht, um sie an den jeweiligen inneren
Laufbahnen 104 und 105 festzulegen. Die Exzenterelemente 108 und 109 besitzen
Durchgangsbohrungen 112 und 113, die von ihren
Zentren radial versetzt sind.
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Wie
in 7, 8, 11 und 12 gezeigt,
sind die Kolbenanordnungen 38 und 39 auf einer
Antriebswelle 114 des Motors 32 im Presssitz angebracht,
und zwar jeweils eine in den Durchgangsbohrungen 112 und 113 der
Exzenterelemente 108 und 109. Die Antriebswelle 114 ist
an dem Kurbelgehäuse 36 durch
ein Lager 116 gelenkig angebracht. Die Kurbelgehäuseöffnungen 42 und 43 und
die Zylinder 40 und 41 sind geringfügig versetzt,
um den unterschiedlichen axialen Positionen jeder Kolbenanordnung 38 und 39 derart
Rechnung zu tragen, dass der Kolben 90 längs der
Mittenlinie des Zylinders 40 hin und her läuft und
der Kolben 91 längs
der Mittenlinie des Zylinders 41 hin und her läuft, wodurch
die Kolbendichtungen 94 und 95 von je der Anordnung eine
Gleitdichtung in Bezug auf die Innenflächen der Zylinder festlegen.
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Wesentlich
ist, dass die Verbindungsstangen 98 und 99 der
Kolben 90 und 91 auf der Antriebswelle 114 derart
angebracht sind, dass die Verbindungsstangen 98 und 99 im
Wesentlichen benachbart zueinander zu liegen kommen, das heißt, innerhalb
von 1/8 Inch (bevorzugt weniger als 1/16'')
oder so nahe wie möglich.
Bevorzugt sind die Kolben auf der Antriebswelle so nahe wie möglich unter
Beibehaltung von lediglich einem Luftspalt zwischen den Verbindungsstangen
angeordnet. Dies dient dazu, das Schüttelmoment um die Antriebswelle 114 zu
verringern, das hervorgerufen ist durch die axiale Verschiebung
der Kolbenanordnungen 38 und 39. Während ein
bestimmtes Moment enthalten bleibt, stellt diese Anordnung eine
signifikante Verbesserung gegenüber
dem Stand der Technik dar, bei dem kein weiteres Element (weder
ein exzentrisches noch ein anderes Element) auf der Welle zwischen
den Kolben vorliegt, so dass ihre axiale Verschiebung minimiert
ist.
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Wie
in 7 und 8 gezeigt, vermag die Pumpe 30 als
Paralleldruck- oder Parallelunterdruckpumpe zu arbeiten, bei der
die Kolben um 180 Grad außer
Phase hin und her laufen. 5 zeigt
den Kolben 90 im oberen Todpunkt, während sich der Kolben 91 im
unteren Todpunkt befindet. 6 zeigt
die Kolben, wenn die Antriebswelle um 180 Grad gedreht ist, so dass
sich der Kolben 90 im unteren Todpunkt befindet, wenn sich
der Kolben 91 im oberen Todpunkt befindet. Diese Konfiguration
der Pumpe resultiert aus den Exzenterelementen 108 und 109,
die an der Antriebswelle 114 derart angebracht sind, dass
sich die Durchgangsbohrungen 112 und 113 in um
180 Grad unter Bezug auf ihre Kolben entgegengesetzten Stellungen
befinden. Beispielsweise befindet sich dann, wenn sich die Bohrung 112 in
der 12-Uhr-Stellung befindet (in Richtung auf den Kolbenkopf), die Durchgangsbohrung 113 in
der 6-Uhr-Position.
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9 und 10 zeigen
eine alternative Konfiguration, demnach die Pumpe als Druck-Unterdruckpumpe
mit Kolben arbeitet, die in Phase hin und her laufen (d. h., sich
in die Zylinder und aus den Zylindern im Gleichklang bewegen). In
diesem Fall sind die Exzenterelemente an der Antriebswelle angebracht,
wenn sich beide in derselben Ausrichtung unter Bezug auf ihre Kolben
befinden, beispielsweise durch Bohrungen in 12-Uhr-Positionen. Diese
Version der Pumpe kann im Übrigen
identisch zu derjenigen sein, die in 1 bis 4 gezeigt
ist.
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Eine
Luftströmung
durch die Zylinder wird gesteuert durch die Druckminderung auf den
Ventilplatten 44 und 45. Wie in 3, 4 und 13 bis 16 gezeigt,
umfasst die Ventilplatte 44 Paare von Einlassöffnungen 120 und
Auslassöffnungen 122.
Die Einlasspaare 120 und die Auslasspaare 122 sind
durch eine Trennwand 124 des Ventilkopfs 46 getrennt,
wodurch zwei Einlasskammern 126 und Auslasskammern 128 festgelegt
sind. Ein speziell geformte Kopfdichtung 130 liegt zwischen
der Ventilplatte 44 und dem Ventilkopf 46 zur
Abdichtung und Isolierung der beiden Kammern 126 und 128.
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Die
Einlassöffnungen 120 und
Auslassöffnungen 122 werden
durch jeweilige Klappenventile 130 und 132 gesteuert.
Die Klappenventile 130 und 132 sind identisch
geformte, dünne
Metallventile. Die Ventile 130 und 132 besitzen
jeweils einen mittleren Abschnitt 134, der eine Öffnung 136 festlegt,
und einen Ausrichtungsansatz bzw. eine Ausrichtungszone 139 sowie
zwei identische Schaufeln 140, die sich ausgehend vom mittleren
Abschnitt 134 in entgegengesetzten Richtungen ungefähr um 30
Grad abweichend von der Vertikalen erstrecken. Die Schau feln 140 besitzen
schmale bzw. enge Stutzen 142 und relativ große flache
Köpfe 144.
Die Köpfe
sind geringfügig
größer bemessen
als die Einlass- und Auslassanschlüsse und die Stutzen sind schmaler
bzw. enger, damit die Ventile unter Krafteinwirkung der unter Druck
stehenden Luft problemloser auslenken können und dadurch den Energie-
bzw. Kraftverbrauch reduzieren. Jedes Klappenventil 130 und 132 ist
an der Ventilplatte 44 durch ein Befestigungselement 146 angebracht,
das durch die Öffnung 136 im
mittleren Abschnitt 134 des Ventils eingesetzt und in Bohrungen
in der Ventilplatte geschraubt ist. Das Einlassventil 130 ist
an der Innenseite des Zylinders 40 angebracht und das Auslassventil 132 ist
in der Auslasskammer 128 angebracht.
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Wie
in 4 und 13 bis 16 gezeigt, wird,
weil das Auslassventil 132 unter Krafteinwirkung der komprimierten
Luft im Zylinder öffnet,
dieses durch einen Ventilanschlag 138 abgestützt, der bevorzugt
aus steifem bzw. starrem Kunststoff hergestellt ist. Kein Ventilanschlag
(abgesehen von Kolben) wird für
das Einlassventil verwendet, das während des Expansionshubs öffnet. Insbesondere
besitzt der Ventilanschlag 138 einen mittleren Körper 148 mit
einem Ausrichtungsansatz 149 und einer Öffnung dort hindurch für das Befestigungselement 146. Zwei
Arme 150 erstrecken sich aus dem Körper 148 unter denselben
Winkeln hinaus, wie die Ventilschaufeln 140. Zwei Hände 152 besitzen
Finger oder Keulen 154, bevorzugt drei derartige Elemente,
die sich auswärts
und unter gleichen Winkeln beabstandet erstrecken. Die Unterseite
der Arme 150 und Hände 152 verjüngt sich
ausgehend weg von der Ventilplatte, bevorzugt mit einer geringfügig konvexen
Kurve, so dass die Keulen 154 von der Ventilplatte 44 weit genug
beabstandet sind, damit die Ventilschaufeln 140 sich ausreichend
zur Öffnung
der Anschlüsse bewegen
können.
Wie in 16 gezeigt, folgen die Schaufeln
dem Umriss der Unterseite der Arme und Keulen im geöffneten
Zustand und sie werden längs ihrer
gesamten Länge
(mit Ausnahme der Vorderenden) getragen bzw. gestützt. Die
Arme 150 entsprechen in etwa der Breite der Ventilschaufelstutzen 142 und
die Keulen 154 sind so bemessen, dass sie die gesamten
Schaufelköpfe 144 tragen,
um zu verhindern, dass sie sich an den schmalen Stutzen übermäßig erstrecken.
Insgesamt besitzt die Unterseite der Keulen 154 eine kleinere
Oberfläche
als die Schaufelköpfe 144 und
enden innerhalb der Grenzen der Köpfe. Diese Konstruktion führt zu einer
Beschränkung
des Oberflächenkontakts
zwischen den Schaufeln und reduziert bzw. vermindert dadurch Ventilklappern.
Diese Konstruktion eines Ventilanschlags besitzt zwei Hauptvorteile:
Der erste besteht darin, die Oberflächenanziehungskräfte bzw. "Haftreibung" zwischen diesen
Elementen zu verringern, die dazu führen könnte bzw. könnten, dass die Ventile am
Anschlag haften und offen bleiben, und den zweiten Vorteil, dass
sie Geräusch/Vibration
in den Ventilen vermindert, das bzw. die anderweitig vorliegen würde, wenn
die Ventilvorderenden mit den Anschlägen in Kontakt stehen. Es wird
außerdem
bemerkt, dass die Ventile an den Ventilplatten angebracht sind,
wobei ihre mittleren Abschnitte über
Eintiefungen 156 zu liegen kommen, die ähnlich geformt sind wie die
mittleren Abschnitte, nur größer. Dies
erlaubt es den Ventilen, montiert und ausgerichtet zu werden durch
eine Halterung mit Stiften, die sich unter der Unterseite der Ventile
und in die Eintiefungen 156 erstrecken. Die Ausrichtungsansätze bzw.
-zungen 139 und 149 gewährleisten, dass sich das Ventil und
der Anschlag in der korrekten Ausrichtung befinden.
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Ein
weiteres Merkmal der Pumpe 30 besteht in der Verwendung
von Überführungsrohren
bzw. -schläuchen 158 mit
Luftdurchlässen,
die im Körper des
Kurbelgehäuses 36 (außerhalb
der In nenkamme) gebildet sind, um entweder eine Einlasskammer oder
Auslasskammer mit dem Innern des Kurbelgehäuses oder die Ventilköpfe miteinander
zu verbinden (parallel zwischen Auslasskammern und/oder zwischen
Einlasskammern oder in Reihe zu der Auslasskammer von einem Ventilkopf,
der mit der Einlasskammer des anderen Ventilkopfs verbunden ist), ohne
die Notwendigkeit von Schläuchen.
Wie in 11, 12 und 17 bis 21 gezeigt,
umfasst die Pumpe 30 kleine, rohrförmige Elemente 158,
die bevorzugt zwei gegenüberliegende
flache Seiten besitzen, die sich ausgehend von den Einlass- und
Auslassüberführungsanschlüssen 160 und 162 durch
die Ventilplatten außerhalb
der Zylinder erstrecken. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind diese Überführungsrohre 158 als
unitärer
Teil der Ventilplatten gebildet (siehe 17 und 19).
Die freien Enden der Überführungsrohre 158 sind
mit zwei Sätzen
von Überführungsöffnungen 164 und 165 in
dem Kurbelgehäuse 36 bevorzugt
mit einer speziellen elastischen Dichtung 166 dazwischen
verbunden, die einen Flansch 168 besitzt, der in die Überführungsöffnungen 164 und 165 in
dem Kurbelgehäuse
passt. Es wird bemerkt, dass die Überführungsrohre nicht integral
mit den Ventilplatten gebildet sein müssen, sondern statt dessen
so vorliegen können,
wie in 20 und 21 gezeigt,
demnach sie vollständig
getrennte Elemente bilden. In 20 handelt
sich bei jedem Überführungsrohr 158A um ein
getrenntes starres bzw. steifes Element mit (oder ohne) gestuften
Enden zur Halterung von elastischen Dichtungen 166A. Wie
in 21 gezeigt, kann alternativ jedes Überführungsrohr 158B insgesamt
aus elastischem Material hergestellt sein, so dass keine getrennten
Dichtungen benötigt
werden. Bevorzugt besitzt es gestufte Enden, die in die entsprechenden Öffnungen
in dem Kurbelgehäuse
und der Ventilplatte passen.
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Wie
vorstehend angesprochen, besitzt das Kurbelgehäuse 36 zwei Sätze innerer
Durchlässe 170 und 171 in
den Wänden
der Kurbelgehäuseöffnung an
bzw. in den Überführungsöffnungen 164 und 165.
Abhängig
vom gewünschten
Betrieb der Pumpe kann lediglich einer dieser Durchlässe 170 und 171 oder
ein Satz aus diesen Durchlässen
in einer Seite des Kurbelgehäuses
vorgesehen sein. Einer oder beide dieser Durchlässe kann bzw. können außerdem in
die Kanäle 78 und 79 münden, die
in das Innere des Kurbelgehäuses
münden.
Dies kann durch Durchbohren des Abschnitts 174 oder Gussformen des
Kurbelgehäuses
so erfolgen, dass die Durchlässe,
so wie erforderlich, voneinander getrennt oder verbunden sind. In
der parallelen Druckausführungsform
der Pumpe, die in 11, 17 und 18 gezeigt
ist, verbinden die Durchlässe 170 und 171 bevorzugt
die Auslasskammern jedes Ventilkopfs mit den Einlasskammern jedes
Ventilkopfs. Auf diese Weise kann die Last an einem Schlauchanschlussstutzen
oder -sockel von entweder den Einlasskammern (zum Ansaugen eines
Unterdrucks) oder den Auslasskammern (zum Bereitstellen von Druck)
oder mit beiden verbunden sein bzw. an beiden anliegen, ohne mit
den Einlasskammern und/oder den Auslasskammern in Verbindung zu
stehen. Ein geeigneter Dämpfer
(nicht gezeigt) kann entweder mit der Einlassseite oder Auslassseite
verbunden sein, falls er nicht anderweitig mit einer Last verbunden
ist.
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22 bis 25 zeigen
eine weitere bevorzugte Druck-Unterdruckausführungsform der Pumpe 30C,
wie sie beispielsweise in einer medizinischen Anwendung verwendet
werden kann, wie etwa als Sauerstoffkonzentrationsvorrichtung. Diese
Ausführungsform
der Erfindung ist identisch zu der vorstehend erläuterten
mit folgenden Ausnahmen. Der Zylinder 40C, die Ventilplatte 44C,
der Ventilkopf 46C und der Kolbenaufbaukopf 38C besitzen
geringere Abmessung (einen kleineren Durchmesser) als der Zylinder 41C,
die Ventilplatte 45C, der Ventilkopf 47C und der
Kolbenaufbaukopf 39C. Bevorzugt handelt es sich bei der
kleineren Seite um die Druckseite und der Zylinder 40C besitzt
einen Durchmesser von 1,5 Inch und die größere Seite bildet die Unterdruckseite, wobei
der Zylinder 41C einen Durchmesser von 2 Inch besitzt.
Bevorzugt befinden sich in dieser Ausführungsform die Kolbenanordnungen 38C und 39C in
Phase, wie in 23 und 24 gezeigt
(obwohl sie sich auch außer
Phase befinden können),
die Druckseite stellt in etwa 5 bis 10 psi Druck bereit und die
Unterdruckseite saugt ein Vakuum bzw. einen Unterdruck von etwa –10 bis –5 psi an,
was für
Sauerstoffkonzentrationsvorrichtungen bzw. -konzentratorvorrichtungen
bevorzugt ist.
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Da
die Kolben unterschiedliche Größen besitzen,
besitzen sie unterschiedliche Massen. Die Differenz der Massen bringt
die Kolben außer
Gleichgewicht und bewirkt dadurch ungleiche Momente auf die Antriebswelle,
was Vibration, Geräusch
und einen geringeren Pumpenwirkungsgrad verursachen kann. Bevorzugt
sind die Halter 96C und 97C so gewählt, dass
sie unterschiedliche Massen im Wesentlichen gleich der Differenz
der Massen der übrigen
Teile des Kolbens besitzen (wie etwa der Verbindungsstangen und
Köpfe/Pfannen).
Bewirkt werden kann dies dadurch, dass die Halter 96C und 97C aus
unterschiedlichen Materialien oder mit unterschiedlichen Dicken hergestellt
werden. Beispielsweise kann der Halter 96C aus einer geeigneten
Zinkverbindung hergestellt sein, so dass er eine größere Masse
(ungeachtet seines kleineren Durchmessers) als der Halter 97C besitzt,
der aus Aluminium hergestellt sein kann. Der schwerere Halter 96C bestimmt
die Massendifferenz des kleineren Kolbens 90C. Das Ergebnis
sind ausgeglichene Kolbenaufbauten und ein verbesserter Betrieb
der Pumpe, wenn die An wendung unterschiedliche Durchsatzvolumina
in den Zylindern erfordert.
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Außerdem unterscheidet
sich die Pumpe von der vorstehend erläuterten dadurch, dass sie lediglich
ein Überführungsrohr 158C besitzt,
das die Auslassseite des Ventilkopfs 47C mit dem Durchlass 171C (durch
eine Überführungsöffnung)
in dem Kurbelgehäuse 36C verbindet.
Der Durchlass 171C liegt auf einer Schnittlinie mit dem
Kanal 78C (wie in 25 gezeigt).
Das Kurbelgehäuse 36C besitzt
keine weiteren internen Durchlässe,
wie dies bei der vorstehend erläuterten
Ausführungsform
der Fall ist.
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Diese
Ausführungsform
der Pumpe ist derart erstellt, dass Luft von der Last (durch einen
(nicht gezeigten) Schlauch, der mit einem Anschlussstutzen 200 verbunden
ist) und in die Einlasskammer des Ventilkopfs 47C gesaugt
werden kann. Umgebungsluft kann außerdem durch den Anschlussstutzen 202 gefördert werden
(an dem bevorzugt ein (nicht gezeigter) Dämpfer angebracht ist). Luft
von der höherdruckseitigen
Auslasskammer des Ventilkopfs 46C wird durch den Anschlussstutzen 204 zu
der Last ausgetragen (nach Durchsetzen von Schläuchen und Ventilen, je nachdem,
wie dies benötigt
wird). Die Auslasskammer des unterdruckseitigen Ventilkopfs 47C trägt durch
das Übertragungsrohr 158C und
den Kurbelgehäusedurchlass 171C zu
der druckfreien Seite des Innern des Kurbelgehäuses 36C aus, das durch
den Anschlussstutzen 206 und einen weiteren (nicht gezeigten)
Dämpfer
entlüftet
wird. Ein Hindurchleiten des Austrags durch das Kurbelgehäuse vor
dem Dämpfer
führt zu
einer zusätzlichen
(zweistufigen) Schallabschwächung
bzw. -dämpfung,
die für
Niedergeräuschanwendungen
nützlich
ist, wie etwa dann, wenn ein Einsatz in medizinischen Vorrichtungen
erfolgt.
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Ferner
wird bemerkt, dass vorstehend bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
erläutert sind.
Zahlreiche Modifikationen und Abwandlungen an diesen bevorzugten
Ausführungsform
erschließen sich
jedoch dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik innerhalb des
Umfangs der anliegenden Ansprüche.
Während
beispielsweise lediglich zwei Zylinderausführungsformen gezeigt sind,
können
die Prinzipien der Erfindung auch auf eine Einzylinderpumpe zur
Anwendung kommen oder auf Drei- oder Vierzylinderpumpen, wie etwa
Pumpen mit Doppelwellenmotor und zusätzlichen Kurbelgehäusen, Zylindern,
Kolben und Ventilköpfen.
Für Mehrzylinderpumpen
können
die Ventilköpfe
sämtlicher
Zylinder in Reihe oder parallel durch die Überführungsrohre und integrale Kurbelgehäusedurchlässe in Verbindung
gebracht sein, wie diejenigen, die vorstehend erläutert sind.
Geteilt genutzte Ventilköpfe
für mehrere
Zylinder können
ebenfalls in einer derartigen Pumpe enthalten sein. Die Pumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung kann außerdem Überführungsrohre enthalten,
die direkt mit den Ventilköpfen/Platten
in Verbindung stehen, um Luftkammern zu vereinigen, ohne mit den
Durchlässen
im Kurbelgehäuse
verbunden zu sein.
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Die
Erfindung ist deshalb nicht auf die erläuterten Ausführungsformen
beschränkt.
Um den Umfang der Erfindung festzulegen, ist auf die nachfolgenden
Ansprüche
Bezug zu nehmen.
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Zusammenfassend
ist festzustellen: Eine Pumpe/ein Kompressor kompakter Bauform mit
einer um 180 Grad gegenüberliegenden
Anordnung von Pumpe und Kompressor minimiert den axialen Abstand
zwischen den Kolben dieser Anordnung auf der Antriebswelle und verringert
dadurch das Schüttelmoment
und Geräusch
beim hin- und herlaufenden Betrieb. Jeder Kolben besitzt sein eigenes
Exzenterelement, das in die Verbindungsstangen press eingesetzt ist,
um den Raum zwischen den Kolben nicht einnehmen zu müssen. Das
Schüttelmoment
kann ferner für
Kolben unterschiedlicher Massen durch Wählen der Masse der Tellerhalter
reduziert werden, um die Differenz der gesamten Kolbenmassen zu kompensieren.
Die Pumpe kann ferner eine verbesserte Zylinderdichtungsanordnung
mit einer Umfangsnut in einer gewinkelten Oberfläche am Ende des Zylinders aufweisen.
Die Pumpe besitzt ferner eine spezielle Abdeckung und eine Dichtung
zum Verschließen
des offenen Stutzens des Pumpenkurbelgehäuses und einen verbesserten
mehrkeuligen Ventilanschlag. Die Pumpe nutzt ferner rohrförmige Überführungselemente
zum Überführen von
Ansaug- und/oder Auslassluft in das Kurbelgehäuse und/oder zwischen den Ventilköpfen.