EP0473616A1 - Faltenbalgpumpe mit mehreren sternförmig angeordneten faltenbälgen - Google Patents

Description

Faltenbalgpumpe mit mehreren sternförmig angeordneten Faltenbälgen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faltenbalgpumpe.

In ihrem DE-U-87 02 659 hat die Anmelderin eine gekapselte Faltenbalgpumpe beschrieben, die insbesondere zum Fördern toxischer oder radioaktiver Fluide oder von solchen verwendet werden kann, an deren Reinheit erhöhte Anforderungen gestellt werden. Diese Pumpe weist eine motorisch angetriebene Welle auf, auf der ein Exzenter befestigt ist. An diesem wiederum ist eine Kolbenstange angelenkt, durch die der Faltenbalg abwechselnd zusammengedrückt und auseinandergezogen wird. Die beschriebene Anordnung der Kolbenstange bewirkt, daß dem Faltenbalg nicht nur eine axiale, sondern auch eine transversale Bewegung mitgeteilt wird, die zu einer unsymmetrischen Stauchung des Faltenbalges führt, wodurch dessen Lebensdauer herabgesetzt werden kann. Ebenfalls ungünstig wirkt sich der Umstand aus, daß das der Welle mitzuteilende Drehmoment im Verlaufe einer Umdrehung derselben recht ungleichmäßig ist.

Um mögliche Leckagen zu verhindern, wird auf das Durchführen von Antriebs- oder Stellorganen durch die Gehäusewand völlig verzichtet, so daß ein sicherer Einschluß des gepumpten Mediums auch dann gewährleistet ist, wenn der die Pumpwirkung bewerkstelligende Faltenbalg infolge Materialermüdung brechen sollte. Das Gehäuse einer solchen Pumpe wird bevorzugt aus einem korrosionsbeständigen, d. h. austenitischen Stahl hergestellt; dieser ist bekanntlich unmagnetisch. In die der Zu- bzw. Abfuhr des gepumpten Mediums dienenden Leitungen sind entsprechend gerichtete Rückschlagventile eingebaut, die den Rückfluß in die Saugleituπg beim Zusammenpressen des Faltenbalges und den Rückfluß aus der Druckleitung bei der Entspannung desselben verhindern. Diese Rückschlagventile können die Gestalt von elastischen Metallklappen haben, die entsprechend der gewünschten Wirkrichtung infolge der ihnen eigenen Federeigenschaften an den Ventilsitz gepreßt werden.

Sollen Pumpen der beschriebenen Art zum Pumpen von Reinstgasen verwendet werden, so müssen diese vor ihrer Inbetriebnahme selbstverständlich zuverlässig evakuiert werden, um eine Kontamination der Gase mit Luftbestandteilen zu verhindern. Diese Evakuierung wird nun durch die Wirkung der beschriebenen Ventile behindert: selbst bei einer Evakuierung über die Druckleitung wird das in dieser eingebaute Ventil gegen Ende des Evakuierungsvorganges, wenn nur noch eine geringe Druck¬ differenz zwischen dem Inneren des Gehäuses und dem Saugraum der Vakuumpumpe besteht, vorzeitig in seine Schließstellung zurückkehren.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Faltenbalgpumpe, bei der die beschriebenen Nachteile vermieden werden und die darüber hinaus bei nur unwesentlich vergrößerten Abmessungen eine erhöhte Leistungsfähigkeit aufweist. Ferner soll die Pumpe an wechselnde Anforderungen bezüglich des Förderdrucks und der Fördermenge angepaßt werden können. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ferner eine Ventil¬ steuerung, die es gestattet, ohne Aufgabe der Integrität des Gehäuses, die Ventile, insbesondere dasjenige in der Druck- leitung bei stillstehender Pumpe auch dann offenzuhalten, wenn kein nennenswertes Druckgefälle von innen nach außen über den Ventilsitz mehr besteht.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Faltenbalgpumpe mehrere sternförmig um eine gemeinsame, in an sich bekannter Weise mit einem Exzenter versehene Antriebsachse angeordnete und vermittels getrennter, am Exzenter befestigter Kolbenstangen betätigbare, sowie mit getrennten Ein- und Auslässen für das gepumpte Fluid versehene Faltenbälge aufweist. Ferner dadurch, daß das Gehäuse aus einem unmagnetischen, die Schließkörper der Ventile dagegen aus einem magnetischen Werkstoff gefertigt und letztere durch an der Außenseite des Gehäuses bewegbar angebrachte Magnete offenbar sind. Mit verhältnismäßig kleinen Magneten können so durch die Gehäusewand hindurch die gewünschten Kräfte auf den Schließkörper des Ventils, z. B. auf eine der angesprochenen Metallzungen ausgeübt werden.

Mit Rücksicht auf eine weiter unten näher erläuterte, kostengünstige Form des Gehäuses einer solchen Pumpe erscheint eine Anzahl von vier, jeweils um 90 ° gegeneinander versetzten Faltenbälgen besonders geeignet. Da sich jeder dieser Faltenbälge jeweils in einem anderen Stadium der Kontraktion bzw. Expansion befindet, erfolgt eine weitgehende Vergleich¬ mäßigung des durch den Antrieb aufzubringenden Drehmomentes. Dabei brauchen sowohl dieser Antrieb als auch das die Pumpe enthaltende Gehäuse gegenüber der oben beschriebenen, "einzylindrigen" Pumpe nur unwesentlich verstärkt bzw. vergrößert zu werden.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Pumpe sind die Auslässe für das gepumpte Fluid hintereinander in Serie schaltbar, womit eine entsprechende Erhöhung des Förderdrucks auf das nfache (n = Anzahl der Faltenbälge) erreicht wird.

In einer alternativen Ausgestaltung hierzu sind die Auslässe für das gepumpte Fluid nebeneinander parallel schaltbar, womit bei gleichbleibendem Förderdruck eine entsprechende Vervielfachung des Fördervolumens erreicht wird. Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn die Pumpe so ausgestaltet wird, daß diese beiden Schaltungsmöglichkeiten nach Belieben abwechselnd realisierbar sind.

Entgegen der wie oben ausgeführt bislang üblichen Konstruktion wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, daß die einzelnen Kolbenstangen am Faltenbalg schwenkbar, am

Exzenter jedoch starr befestigt sind. Damit wird erreicht, daß die Faltenbälge praktisch nur in axialer Richtung betätigt werden und keine unsymmetrische Stauchung derselben mehr auftritt.

Eine weitere erfindungsgemäße Verbesserung der beschriebenen Pumpe besteht darin, daß die Länge der Kolbenstangen veränderbar ist. Hierdurch kann in gewissen Grenzen der erzielbare Förderdruck variiert werden, indem das Verhältnis des auf ein mehr oder minder großes Restvolumen zusammengedrückten Faltenbalges zu demjenigen des auseinandergezogenen Faltenbalges sich ändert. Auch wird so die Möglichkeit einer genauen Justierung der einzelnen Faltenbälge zur Erzielung eines unter sich gleichmäßigen Förderdruckes erleichtert.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Faltenbalgpumpe in einem Gehäuse angeordnet, das aus einem in der Ultrahochvakuumtechnik an sich bekannten Doppelkreuzstück besteht. In einem solchen, verhältnismäßig preiswert als Fertigteil auf dem Markt erhältlichen Stück läßt sich, wie nachstehend anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles näher ausgeführt, eine besonders günstige Anordnung der verschiedenen Pumpenteile realisieren.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung haben die Magnete die Gestalt von auf den Leitungen längsverschieblich angeordneten Ringmagneten. In einfacher Weise wird so die exakte Führung der Magneten sichergestellt, und zwar aus einer ersten Stellung, in der sie die Ventile nicht beeinflussen in eine zweite, konstruktiv zu ermitteltende Stellung, in der sie das betreffende Ventil öffnen.

Die erste Stellung wird üblicherweise in einiger Entfernung vom Pumpengehäuse liegen. Daher ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Magnete in einer von den Ventilen entfernten Lage feststellbar sind, in der sie 1 verbleiben, solange die Ventile nicht bei einem

Evakuierungsvorgang oder aus anderen Gründen gesondert betätigt werden müssen.

' 5 Gemäß der weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Magnete in axialer Richtung magnetisiert, um ihre maximale

* Wirkungskraft ebenfalls in axialer Richtung dort zu entfalten, wo sich nach Lage der Dinge die Ventile befinden.

10 Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar zeigt

Figur 1 eine perspektivische Ansicht der Pumpe ohne ihren

Antrieb,

Figur 2 einen Längsaxialschnitt durch dieselbe, die 15 Figuren 3 und 4 Schaltschemata für deren Ein- und Auslässe und

Figur 5 in vergrößertem Maßstab die Einzelheit V der Fig. 2 mit zusätzlichen Einrichtungen.

Die Pumpe ist in einem Gehäuse 1 angeordnet, wie es als

20 sogenanntes Doppelkreuzstück auf Seite 11.8 des Kataloges HV 200 der Firma Leybold AG vom November 1987 beschrieben ist. Diese Form ergibt sich im wesentlichen aus einem zentralen, kugelförmigen Teil 10, vier im rechten Winkel zueinander daran angeformten Stutzen 11 bis 14 und zwei weiteren Stutzen 15, 16,

25 die senkrecht zur Ebene der Stutzen 11 bis 14 angeordnet sind. Jeder dieser Stutzen 11 bis 16 weist an seinem Ende einen Flansch 21 bis 26 auf, über die das Doppelkreuzstück mit anschließenden, hier nicht gezeigten Rohrleitungen usw. verbunden werden kann.

30

Am Flansch 25 ist eine in der Figur 1 nicht sichtbare Antriebseinheit 30 befestigt, die u. a. (siehe Figur 2) besteht aus einem Elektromotor 31 der erforderlichen Leistung, mittels dessen erste Magnete 32 in Drehung versetzt werden. Diese

35 nehmen zweite Magnete 33 mit, die auf einer Antriebswelle 34 befestigt sind und die von den ersten Magneten 32 fluiddicht durch eine Haube 39 (die ihrerseits ein Teil des Gehäuses 1 bildet) getrennt werden; dadurch ist es möglich, den Motor 31 bei Bedarf auszuwechseln, ohne das Innere des Pumpengehäuses 1 öffnen zu müssen. Auf der Antriebswelle 34 ist im Zentrum des kugeligen Gehäuseteils 10 ein Exzenterinnenring 35 befestigt, auf dem, durch Kugellager 36 getrennt, ein Exzenteraußenring 37 drehbar ist. Gleichmäßig über dessen Umfang verteilt sind Kolbenstangen 41 bis 44 (42 und 44 hier nicht sichtbar) befestigt, die mehr oder weniger tief in entsprechende Gewinde 38 im Exzenteraußenring 37 eingeschraubt und in der gewünschten Position durch Muttern 40 fixiert werden. An ihrem äußeren Ende sind die Kolbenstangen 41 bis 44 an entsprechenden Faltenbälgen 51 bis 54 (52 und 54 hier nicht sichtbar) befestigt, die bei Drehung der Antriebswelle 34 abwechselnd zusammengedrückt und wieder auseinandergezogen werden. Die Kolbenstangen 41 bis 44 sind mit Gleitstücken 46-49 (47 u. 48 hier nicht sichtbar), die in Führungen 91 bis 94 (92 und 94 hier nicht sichtbar), die in Bezug auf das Gehäuse 1 ortsfest angebracht sind; hierdurch wird erreicht, daß die Futterbälge 51 bis 54 nur axial belastet werden und unter dieser Last nicht seitlich ausknickeπ können. Durch Ein- bzw. Auslässe 61, 62, die mit in entgegengesetzten Richtungen sperrenden, erst in der Fig. 5 dargestellten Rückschlagventilen 81; 82 versehen sind, wird das zu pumpende Fluid angesaugt bzw. wieder ausgestoßen. Die Ein-bzw. Auslässe 61, 62 sind in Abschlußdeckeln 71 bis 74 (72 und 74 hier nicht sichtbar) angebracht, die mit Schrauben 70 an den Flanschen 21 bis 24 befestigt werden. Während der Flansch 25 der Befestigung der Antriebseinheit 30 dient, wird der hier nicht benötigte Flansch 26 mit einem Blinddeckel 76 verschlossen.

In der Figur 3 ist eine Serienschaltuπg der Pumpe dargestellt und in der Figur 4 eine Parallelschaltung, wobei in beiden Schemata die gleichen Bezugszeichen Verwendung finden. Die von der Antriebswelle 34 betätigten Faltenbälge 51 bis 54 fördern je für sich über Einlasse 61 und Auslässe 62. Eine gemeinsame Haupteinlaßleitung ist mit 65 und eine gemeinsame Hauptauslaßleitung mit 66 bezeichnet. In der Darstellung der

Figur 3 führt die Haupteinlaßleitung 65 zunächst zum Einlaß 61 des Faltenbalges 54, durch dessen Auslaß 62 in den Einlaß 61 des Faltenbalges 53, aus dessen Auslaß 62 wiederum in den

Einlaß 61 des Faltenbalges 52 und aus dessen Auslaß 62 wiederum in den Einlaß 61 des Faltenbalges 51. Von dessen Auslaß 62 nimmt schließlich die Hauptauslaßleituπg 66 ihren Anfang. In dieser herscht ein gegenüber dem Förderdruck jedes einzelnen

Faltenbalges auf das vierfache erhöhte Druck bei gleichbleibender Fördermeπge.

In der Darstellung der Figur 4 führen von der

Haupteinlaßleitung 65 Stichleitungen zu jedem der Einlaßventile 61 der einzelnen Faltenbälge 51 bis 54. Von deren Auslaßventilen 62 wiederum führen Stichleitungen zur gemeisamen Hauptauslaßleitung 66 , in der schließlich bei unverändertem Druck einer gegenüber der Leistung eines einzelnen Faltenbalges des auf das vierfache erhöhte Fördermenge fließt.

Jeder Einlaß 61 ist durch ein erstes Ventil 81 absperrbar und jeder Auslaß 62 durch ein zweites Ventil 82. Beide Ventile haben die Form von Zungenventilen, sind aus einem magnetischen, federnden Material hergestellt und so gerichtet, daß das erste Ventil 81 den Weg in das Innere des Balges 4 freigibt, wenn dieser gestreckt wird, d. h. sein Volumen vergrößert. Zur gleichen Zeit wird das zweite Ventil 82 gegen seinen Sitz gepreßt und versperrt den Auslaß 62. Bei Umkehr der Balgbewegung wiederum federt das erste Ventil 81 in seinen Sitz zurück und das zweite Ventil 82 gibt dem Pumpendruck nach und öffnet den Auslaß 62. Soll das Innere des Gehäuses 1 evakuiert werden, um Luftreste zu entfernen, die das später damit zu pumpende Reinstgas (z. B. Helium) verunreinigen würden, wird eine hier nur schematisch angedeutete Vakuumpumpe 83 zweckmäßigerweise an den Auslaß 62 angeschlossen. Eine wirklich ausreichende Evakuierung kann jedoch nur erfolgen, wenn das zweite Ventil dabei ständig geöffnet bleibt. Dies erfolgt durch die Wirkung eines Ringmagneten 84, der auf dem Auslaß 62 längsverschieblich angeordnet ist. In seiner dargestellten Position auf dem Abschlußdeckel 73 wirken seine Feldlinien durch diese hindurch auf das zweite Ventil 82 und halten es in seiner geöffneten Stellung. Im Normalbetrieb der Pumpe nimmt der Ringmagnet 84 die gestrichelt angedeutete Stellung ein, in der er durch eine beliebige Arretierung 85 festgehalten wird. In dieser Stellung wirken keine nennenswerten magnetischen Kräfte mehr auf das zweite Ventil 82.

Claims

Patentansprüche

1. Faltenbalgpumpe, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie mehrere sternförmig um eine gemeinsame, in an sich bekannter Weise mit einem Exzenter (35) bis (37) versehene Antriebsachse (34) angeordnete und vermittels getrennter am Exzenter befestigter Kolbenstangen (41) bis (44) betätigbare, sowie mit getrennten Ein- und Auslässen (61, 62) für das gepumpte Fluid versehene Faltenbälge (51) bis (54) aufweist.

2. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auslässe (61, 62) für das gepumpte Fluid hintereinander in Serie schaltbar sind.

3. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Auslässe (61, 62) für das gepumpte Fluid nebeneinander parallel schaltbar sind.

4. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die einzelnen Kolbenstangen (41) bis (44) am jeweiligen Faltenbalg (51) bis (54) schwenkbar (50), am Exzenter jedoch starr (38, 40) befestigt sind.

5. Faltenbalgpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Länge der Kolbenstangen (41) bis (44) veränderbar ist.

6. Faltenbalgpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie in einem Gehäuse (1) angeordnet ist, das aus einem in der Ultrahochvakuumtechnik an sich bekannten Doppelkreuzstück besteht.

7. Faltenbalgpumpe nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche mit aus einem fluiddichteπ Gehäuse (1) austretenden, durch Rückschlagventile (20, 21) gegen einen Rückfluß des gepumpten Mediums absperrbaren Saug- (18) bzw. Druckleitungen (19), wobei die Ventile durch Federdruck in ihre Schließstellung gedrückt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gehäuse (1) aus einem unmagnetischen, die Schließkörper der Ventile (20, 21) dagegen aus einem magnetischen Werkstoff gefertigt und letztere durch an der Außenseite des Gehäuses bewegbar angebrachte Magnete (23) offenbar sind.

8. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnete (23) die Gestalt von auf den Leitungen (18, 19) längsverschieblich angeordneten Ringmagneten haben.

9. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnete (23) in einer von den Ventilen entfernten Lage feststellbar (24) sind.

10. Faltenbalgpumpe nach Anspruch 8 oder 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Magnete (23) in axialer Richtung magnetisiert sind.