EP1618304A1 - Kolbenvakuumpumpe - Google Patents

Kolbenvakuumpumpe

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Publication number
EP1618304A1
EP1618304A1 EP04726853A EP04726853A EP1618304A1 EP 1618304 A1 EP1618304 A1 EP 1618304A1 EP 04726853 A EP04726853 A EP 04726853A EP 04726853 A EP04726853 A EP 04726853A EP 1618304 A1 EP1618304 A1 EP 1618304A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
cylinder
valve
side wall
gas inlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP04726853A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Rudolf Bahnen
Peter Langer
Hans-Josef Burghard
Helge Asarow-Semke
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
Leybold Vacuum GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Vakuum GmbH, Leybold Vacuum GmbH filed Critical Leybold Vakuum GmbH
Publication of EP1618304A1 publication Critical patent/EP1618304A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B37/00—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00
    • F04B37/10—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use
    • F04B37/14—Pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B35/00 for special use to obtain high vacuum
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/0005—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons
    • F04B39/0016—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00 adaptations of pistons with valve arranged in the piston
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/04—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving in which the valving is performed by pistons and cylinders coacting to open and close intake or outlet ports

Definitions

  • the invention relates to a piston vacuum pump with a gas inlet in a cylinder side wall.
  • the design of the gas inlet and the associated dead volumes play a major role in the size and the efficiency of the pump. Since, particularly in the case of small piston vacuum pumps, the gas inlet cannot be arranged in the region of the cylinder base due to a lack of installation space, the gas inlet is arranged in a side wall.
  • Such one Piston vacuum pump is described in DE 196 34 517.
  • a compensating line is provided between the exhaust and the compression space, the mouth of the compensating bore being arranged in the compression space near the cylinder bottom.
  • a non-return valve is arranged in the course of the equalization line, which requires installation space. The check valve is not arranged in the cylinder wall plane, so that a dead volume which deteriorates the efficiency is formed in the compensating line.
  • the object of the invention is to provide an improved piston vacuum pump with a gas inlet in the cylinder side wall.
  • the piston essentially forms the compensation line and the valve.
  • the piston forms the compensating line and the valve in any case partially, but not necessarily alone.
  • the compensating line is formed by the piston, no space is required for the compensating line in the area of the cylinder bottom or the cylinder side. This enables a compact construction of the cylinder.
  • the valve is also essentially formed by the piston, so that the valve action occurs on the piston end wall or in the immediate vicinity of the piston end wall. In this way, a dead volume outside the cylinder space is avoided, so that the efficiency of the pump is not impaired.
  • the Compensating line and the valve can be formed by the piston in different ways.
  • the valve can be designed as a mechanical check valve, but also as a gas throttle.
  • the compensating line can be formed by the piston alone, but also by the piston and cylinder together.
  • the compensating line is formed in the piston between a piston end wall opening and a piston bottom wall opening, the piston side wall opening and the gas inlet being connected to one another at the beginning of the suction stroke.
  • the piston is still at the level of the gas inlet and does not allow gas to exit the gas inlet directly into the compression space.
  • the valve is preferably a non-return valve which blocks in the direction of the gas inlet and opens in the direction of the compression space. As a result, a return flow of compressed gas is blocked via the compensating line during the compression stroke.
  • the check valve can be arranged in the plane of the piston end wall, so that the dead volume is practically zero.
  • annular groove in the cylinder side wall and / or in the piston side wall is assigned to the gas inlet. This results in an enlargement of the gas inlet or, in the case of unguided pistons, enables gas to pass between the cylinder and the piston in any rotational position of the piston.
  • the annular groove can also face the gas inlet in axial extension to be widened to extend the gas inlet during the suction stroke.
  • the compensating line and the valve are preferably formed by a gap between the piston side wall and the cylinder side wall, the gap width being between 10 and 100 ⁇ v.
  • the compensating line and the valve are therefore limited by the piston side wall and the cylinder side wall.
  • the gap width is selected so that there is sufficient gas flow between the gas inlet and the compression space during the suction stroke, but the gas flow from the compression space to the gas inlet during the compression stroke is so low that it does not significantly impair the efficiency of the pump.
  • the gap between the piston side wall and the cylinder side wall is at the same time a compensating line and a valve. This is guaranteed for gap widths of 10 to 100 ⁇ , whereby the gap width must be less than 50 ⁇ m for differential pressures of more than 100 mbar.
  • a storage space is preferably provided in the piston in the course of the compensation line.
  • the storage space is filled at a piston position around the dead center between the suction stroke and the compression stroke, so that a pressure equalization between the storage space and the compression space can take place immediately at the beginning of the suction stroke through the piston end wall, while at the same time the gas inlet is closed.
  • the compensating line and the valve are preferably formed by a substantially axial groove in the piston side wall or in the cylinder side wall.
  • the groove can run axially, but can also be inclined in the form of a Helix be formed in the piston side wall or the cylinder side wall. In this way, too, a compensation line is formed which does not require mechanical elements and is easy to manufacture.
  • the valve effect results from a corresponding choice of the cross section of the groove, which is selected so that sufficient pressure compensation is ensured during the suction stroke, but no excessive backflow losses occur during the compression stroke.
  • the valve is designed as a throttle.
  • the valve is therefore realized without moving parts, which achieves high reliability and low manufacturing costs.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a piston vacuum pump with a compensating line and valve arranged in the piston and at the point of death of the piston between the compression stroke and the suction stroke,
  • 3 shows a second exemplary embodiment of the piston vacuum pump with a circumferential gas inlet groove
  • 4 shows a third embodiment of the piston vacuum pump with a circumferential gas inlet groove in the piston side wall
  • Fig. 5 shows a fourth embodiment of the piston vacuum pump with a gap forming the compensating line and the valve between the piston side wall and the cylinder side wall, and
  • Fig. 6 shows a fifth embodiment of a piston vacuum pump, in which the compensating line and the valve is formed by an axial groove in the piston side wall.
  • FIGS. 1-6 each show a piston-cylinder arrangement 10, 50, 60, 70, 80 of a piston vacuum pump, essentially only the region of the piston and the cylinder being shown here, but not the piston drive.
  • the piston vacuum pumps shown can be designed in one stage, ie with a single piston and a single cylinder, but the piston vacuum pump can also be formed with two pistons formed by a piston body, which form two compression spaces.
  • the compression spaces can be connected in series to form a two-stage piston vacuum pump, but can also be connected in parallel to one another.
  • They are piston vacuum pumps with a small pump volume, ie with a pump volume of less than 4.0 m 3 / h and a piston or cylinder diameter of less than 50 mm.
  • the piston-cylinder arrangement 10 of FIGS. 1 and 2 is essentially formed by a piston 12 which is circular in cross section and which is arranged to be movable in the axial direction in a circular cylinder 14.
  • the piston-cylinder arrangement 10 is constructed symmetrically to a transverse plane, so that a single piston body forms two pistons 12, 12 '. Both pistons 12, 12 'and the two associated cylinders 14 are mirror images of the central transverse plane.
  • the cylinder 14 is essentially formed by a cylinder side wall 16 and a cylinder exhaust valve 18, which forms the cylinder bottom.
  • the cylinder exhaust valve 18 is formed by a flat valve plate 20 and a compression spring 22 which biases the valve plate 20 into its closed position.
  • the piston 12 is a hollow body and has a cylindrical piston side wall 24 and a flat piston end wall 26.
  • the piston 12 oscillates in the cylinder 14 between two dead centers between a suction stroke and a compression stroke or a compression stroke and a suction stroke.
  • the dead center between a compression stroke and a suction stroke is shown in FIG. 1.
  • two gas inlets 30 are provided, which are arranged to a certain extent axially away from the cylinder bottom, ie from the valve plate 20.
  • the two opposing gas inlets 30 are arranged so far away from the cylinder base that they are closed by the piston during the suction stroke and compression stroke, as shown in FIG. 2, as long as the piston is at its dead center between the suction stroke and the compression stroke has not reached. Only at this dead center has the piston 12 with its piston end wall 26 completely passed the gas inlets 30, so that the gas from the gas inlets 30 can flow directly into the compression space 28 formed by the piston 12 and the cylinder 14. As soon as the piston 12 begins the compression stroke, it closes the gas inlets 30 again with its piston side wall 24.
  • the piston 12 has two piston side wall openings in its side wall 24. 32, which open into a piston cavity, which forms a storage space 34.
  • an end wall opening 36 is provided which, together with a spring tongue 38 fastened on the outside on the end wall 26, forms a check valve 40.
  • the check valve 40 opens as soon as the gas pressure in the piston storage space 34 is above the gas pressure in the compression space 28. This is the case during the suction stroke of the piston 12 shown in FIG. 2, so that a pressure equalization takes place between the storage space 34 and the compression space 28 during the suction stroke.
  • the check valve 40 remains closed.
  • the check valve 40 is closed and the gas in the compression space 28 is compressed.
  • the cylinder exhaust valve 18 opens and flows out of the compression space 28 out.
  • the piston reaches the dead center shown in FIG. In this piston position, the two gas inlets 30 are aligned with the piston side wall openings 32, so that pressure equalization takes place and gas flows into the storage space 34.
  • the suction stroke which is shown in FIG. 2, then begins. The gas inlets 30 and the side wall openings 32 are no longer in alignment with one another, so that no more gas can flow into the storage space 34.
  • the check valve 40 opens, so that gas flows from the storage space 34 into the compression space 28. This avoids a strong negative pressure in the compression space 28 during the suction stroke, so that the drive power required for this is relatively small.
  • the piston 12 no longer closes the gas inlet 30, so that gas flows from the gas inlet 30 directly into the compression space 28.
  • the piston 12 closes the gas inlets 30 with respect to the compression space 28 again. The check valve 40 is closed again during the subsequent compression stroke.
  • FIG. 3 shows a similar piston-cylinder arrangement 60, in which, in contrast to the embodiment in FIG. 3, an annular groove 62 is embedded in the cylinder side wall 24.
  • the ring groove 52.62 extend axially over a multiple of the width of the gas inlet 30.
  • the piston side wall openings 32 and the piston storage space of the piston-cylinder arrangements of FIGS. 1-4 form an equalization line for equalizing the (negative) pressure in the compression space 28 during the suction stroke of the piston 12.
  • the compensating line is designed differently than in the piston-cylinder arrangements 10, 50, 60 of FIGS. 1-4.
  • the compensating line is designed as a gap 72 between the side wall 73 of the piston 74 and the side wall 75 of the cylinder.
  • the gap 72 has a gap width of approximately 50 ⁇ m. However, the gap width can also be larger or smaller and depends on how large the pressure differences between the gas inlet 30 and the compression space 28 are. Due to its throttling effect, the gap 72 also forms a valve, so that the gap 72 forms both the compensating line and the valve.
  • the gap width is chosen to be so small that the backflow losses during the compression stroke of the piston 74 are as small as possible. However, the gap width is chosen so large that a certain pressure equalization takes place between the gas inlet 30 and the compression space 28 during the suction stroke.
  • the compensating line and the valve are designed as an axial groove 82 in the piston side wall 84.
  • the compensating line and the valve can also be designed as an axial groove in the cylinder side wall.
  • the cross section of the axial groove 82 is selected such that there is sufficient pressure compensation between the gas inlet 30 and the compression space 28 during the suction stroke of the piston 86, but the backflow losses between the compression space 28 via the groove 82 into the gas inlet 30 occur during the compression stroke of the piston 86 be small.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Kolbenvakuumpumpe weist einen Zylinder (14) und einen Kolben (12) auf, der mit dem Zylinder (14) einen Kompressionsraum (28) bildet. Der Kolben (12) oszilliert in dem Zylinder (14) mit einemKompressionshub und einem Saughub. In einer Seitenwand (16) des Zylinders (14) ist ein Gaseinlass (30) vorgesehen, wobei der Gaseinlass (30) zu Beginn des Saughubes von dem Kolben (12) verschlossen und am Ende des Saughubes offen ist. Ferner ist eine Ausgleichsleitung und ein Ventil vorgesehen, durch die während des Beginns des Saughubes Gas von dem Gaseinlass (30) in den Kompressionsraum (28) fließt. Aufgabe war es, eine einfache Anordnung einer Ausgleichsleitung mit Ventil vorzusehen. Gemäß der Erfindung bildet im Wesentlichen der Kolben die Ausgleichsleitung und das Ventil. Hierdurch kann das Ventil im Bereich der Kolben-Stirnwand wirken, so dass der Totraum minimiert wird.

Description

Ko1benvakuumpumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass in einer Zylinder-Seitenwand.
Bei Kolbenvakuumpumpen und insbesondere bei kleinen Kolbenvakuumpumpen mit Pumpleistungen von weniger als 4 m3/h spielt die Konstruktion des Gaseinlasses und die damit verbundenen Totvolumina eine große Rolle für die Baugröße bzw. den Wirkungsgrad der Pumpe. Da insbesondere bei kleinen Kolbenvakuumpumpen der Gaseinlass mangels Bauraum nicht im Bereich des Zylinderbodens angeordnet werden kann, wird der Gaseinlass in einer Seitenwand angeordnet . Eine derartige Kolbenvakuumpumpe wird in DE 196 34 517 beschrieben. Zum Druckausgleich zu Beginn des Saughubes ist eine Ausgleichsleitung zwischen dem Auspuff und dem Kompressionsraum vorgesehen, wobei die Mündung der Ausgleichsbohrung in dem Kompressionsraum nahe dem Zylinderboden angeordnet ist. Im Verlauf der Ausgleichsleitung ist ein Rückschlagventil angeordnet, das Bauraum benötigt. Das Rückschlagventil ist nicht in der Zylinderwandebene angeordnet, so dass ein den Wirkungsgrad verschlechterndes Totvolumen - in der Ausgleichsleitung gebildet wird.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine verbesserte Kolbenvakuumpumpe mit einem Gaseinlass in der Zylinder-Seitenwand zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst .
Gemäß der Erfindung bildet im Wesentlichen der Kolben die Ausgleichsleitung und das Ventil. Dies ist so zu verstehen, dass der Kolben die Ausgleichsleitung und das Ventil jedenfalls teilweise, nicht jedoch notwendigerweise alleine bildet. Da die Ausgleichsleitung durch den Kolben gebildet wird, wird für die Ausgleichsleitung kein Raum im Bereich des Zylinderbodens oder der Zylinderseite benötigt. Hierdurch wird ein kompakter Aufbau des Zylinders ermöglicht. Auch das Ventil wird im Wesentlichen von dem Kolben gebildet, so dass sich die Ventilwirkung an der Kolbenstirnwand oder in der unmittelbaren Nähe der Kolbenstirnwand ergibt . Hierdurch wird ein Totvolumen außerhalb des Zylinderraumes vermieden, so dass der Wirkungsgrad der Pumpe nicht verschlechtert wird. Die Ausgleichsleitung und das Ventil können durch den Kolben auf verschiedene Weise gebildet werden. Das Ventil kann als mechanisches Rückschlagventil, jedoch auch als Gasdrossel ausgebildet sein. Die Ausgleichsleitung kann von dem Kolben alleine, aber auch von Kolben und Zylinder gemeinsam gebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Ausgleichsleitung in dem Kolben zwischen einer Kolben- Stirnwandöffnung und einer Kolben-Bodenwandöffnung gebildet, wobei die Kolben-Seitenwandoffnung und der Gaseinlass zu Beginn des Saughubes miteinander verbunden sind. Zu Beginn des Saughubes besteht dadurch eine Verbindung von dem Gaseinlass zu dem Kompressionsraum, obwohl der Kolben noch auf Höhe des Gaseinlasses steht und einen direkten Austritt von Gas aus dem Gaseinlass in den Kompressionsraum nicht gestattet.
Vorzugsweise ist das Ventil ein Rückschlagventil, das in Richtung Gaseinlass sperrt und in Richtung Kompressionsraum öffnet. Hierdurch wird während des Kompressionshubes ein Rückfluss komprimierten Gases über die Ausgleichsleitung blockiert. Das Rückschlagventil kann in der Ebene der Kolbenstirnwand angeordnet sein, so dass das Totvolumen praktisch gleich Null ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist dem Gaseinlass eine Ringnut in der Zylinder-Seitenwand und/oder in der Kolben-Seitenwand zugeordnet. Hierdurch wird eine Vergrößerung des Gaseinlasses bewirkt bzw. bei ungeführten Kolben ein Gasübertritt zwischen Zylinder und Kolben in jeder Drehposition des Kolbens ermöglicht. Die Ringnut kann auch gegenüber dem Gaseinlass in axialer Erstreckung verbreitert sein, um den Gaseintritt während des Saughubes zu verlängern.
Vorzugsweise sind die Ausgleichsleitung und das Ventil von einem Spalt zwischen der Kolben-Seitenwand und der Zylinder- Seitenwand gebildet, wobei die Spaltbreite zwischen 10 bis 100 μv liegt. Die Ausgleichsleitung und das Ventil werden also durch die Kolben-Seitenwand und die Zylinder-Seitenwand begrenzt. Die Spaltbreite wird so gewählt, dass während des Saughubes ein ausreichender Gasfluss zwischen dem Gaseinlass und dem Kompressionsraum erfolgt, der Gasfluss vom Kompressionsraum zum Gaseinlass während des Kompressionshubes jedoch so niedrig ist, dass er den Wirkungsgrad der Pumpe nicht wesentlich verschlechtert. Der Spalt zwischen der Kolben-Seitenwand und der Zylinder-Seitenwand ist gleichzeitig Ausgleichsleitung und Ventil. Bei Spaltbreiten von 10 bis 100 μ ist dies gewährleistet, wobei die Spaltbreite bei Differenzdrücken von mehr als 100 mbar unter 50 μm liegen muss.
Vorzugsweise ist im Verlauf der Ausgleichsleitung in dem Kolben ein Speicherraum vorgesehen. Der Speicherraum wird bei einer Kolbenposition um den Todpunkt zwischen Saughub und Kompressionshub gefüllt, so dass unmittelbar bei Beginn des Saughubes durch die Kolben-Stirnwand ein Druckausgleich zwischen dem Speicherraum und dem Kompressionsraum erfolgen kann, während gleichzeitig der Gaseinlass geschlossen ist.
Vorzugsweise werden die Ausgleichsleitung und das Ventil von einer im Wesentlichen axialen Nut in der Kolben-Seitenwand oder in der Zylinder-Seitenwand gebildet. Die Nut kann axial verlaufen, kann jedoch auch schräg in Form einer Schraubenlinie in der Kolben-Seitenwand oder der Zylinder- Seitenwand ausgebildet sein. Auch auf diese Weise wird eine Ausgleichsleitung gebildet, die ohne mechanische Elemente auskommt und einfach herzustellen ist. Die Ventilwirkung ergibt sich aus einer entsprechenden Wahl des Querschnittes der Nut, der so gewählt wird, dass ein ausreichender Druckausgleich während des Saughubes gewährleistet ist, jedoch keine zu großen Rückstromverluste während des Kompressionshubes auftreten.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Ventil als Drossel ausgebildet. Das Ventil wird also ohne bewegliche Teile realisiert, wodurch eine hohe Zuverlässigkeit erreicht und geringe Herstellungskosten realisiert werden.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert .
Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Kolbenvakuumpumpe mit im Kolben angeordneter Ausgleichsleitung und Ventil und im Todpunkt des Kolbens zwischen Kompressionshub und Saughub,
Fig. 2 die Kolbenvakuumpumpe der Figur 1 während des Saughubes,
Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Kolbenvakuumpumpe mit einer umlaufenden Gaseinlass-Nut , Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel der Kolbenvakuumpumpe mit einer umlaufenden Gaseinlass-Nut in der Kolben- Seitenwand,
Fig. 5 ein viertes Ausführungsbeispiel der Kolbenvakuumpumpe mit einem die Ausgleichsleitung und das Ventil bildenden Spalt zwischen der Kolben-Seitenwand und der Zylinder-Seitenwand, und
Fig. 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer Kolbenvakuumpumpe, bei der die Ausgleichsleitung und das Ventil von einer axialen Nut in der Kolben-Seitenwand gebildet wird.
In den Figuren 1-6 ist jeweils eine Kolben-Zylinderanordnung 10,50,60,70,80 einer Kolbenvakuumpumpe dargestellt, wobei hier im Wesentlichen nur der Bereich des Kolbens und des Zylinders gezeigt ist, nicht jedoch der Kolbenantrieb.
Die dargestellten Kolbenvakuumpumpen können einstufig ausgebildet sein, d.h. mit einem einzigen Kolben und einem einzigen Zylinder, jedoch kann die Kolbenvakuumpumpe auch mit zwei von einem Kolbenkörper gebildeten Kolben gebildet sein, die zwei Kompressionsräume bilden. Die Kompressionsräume können in Reihe hintereinander zu einer zweistufigen Kolbenvakuumpumpe geschaltet sein, können jedoch auch parallel zueinander geschaltet sein. Es handelt sich um Kolbenvakuumpumpen mit kleinem Pumpvolumen, d.h. mit einem Pumpvolumen von weniger als 4,0 m3/h und einem Kolben- bzw. Zylinderdurchmesser von weniger als 50 mm. Die Kolben-Zylinderanordnung 10 der Figuren 1 und 2 wird im Wesentlichen gebildet von einem im Querschnitt kreisförmigen Kolben 12, der in einem kreisförmigen Zylinder 14 in axialer Richtung beweglich angeordnet ist. Die Kolbenzylinderanordnung 10 ist zu einer Querebene symmetrisch aufgebaut, so dass ein einziger Kolbenkδrper zwei Kolben 12,12' bildet. Beide Kolben 12,12' sowie die beiden zugeordneten Zylinder 14 sind spiegelbildlich zur Mittelquerebene ausgebildet.
Der Zylinder 14 wird im Wesentlichen gebildet von einer Zylinder-Seitenwand 16 und einem Zylinder-Auslassventil 18, das den Zylinderboden bildet. Das Zylinder-Auslassventil 18 wird von einem ebenen Ventilteller 20 und einer Druckfeder 22 gebildet, die den Ventilteller 20 in seine Schließposition vorspannt.
Der Kolben 12 ist ein Hohlkörper und weist eine zylindrische Kolben-Seitenwand 24 und eine ebene Kolben-Stirnwand 26 auf. Der Kolben 12 oszilliert in dem Zylinder 14 zwischen zwei Totpunkten zwischen einem Saughub und einem Kompressionshub bzw. einem Kompressionshub und einem Saughub. Der Totpunkt zwischen einem Kompressionshub und einem Saughub ist in Figur 1 dargestellt.
In der Zylinder-Seitenwand 24 sind zwei Gaseinlässe 30 vorgesehen, die in einem bestimmten Maß axial entfernt vom Zylinderboden, d.h. vom Ventilteller 20 angeordnet sind. Die beiden einander- gegenüberliegenden Gaseinlässe 30 sind so weit entfernt von dem Zylinderboden angeordnet, dass sie von dem Kolben während des Saughubes und Kompressionshubes verschlossen werden, wie in Figur 2 dargestellt, solange der Kolben seinen Totpunkt zwischen Saughub und Kompressionshub nicht erreicht hat . Erst in diesem Totpunkt hat der Kolben 12 mit seiner Kolben-Stirnwand 26 die Gaseinlässe 30 vollständig passiert, so dass das Gas aus den Gaseinlässen 30 direkt in den von dem Kolben 12 und dem Zylinder 14 gebildeten Kompressionsraum 28 einfließen kann. Sobald der Kolben 12 den Kompressionshub beginnt, verschließt er mit seiner Kolben- Seitenwand 24 die Gaseinlässe 30 wieder.
Der Kolben 12 weist in seiner Seitenwand 24 zwei Kolben- Seitenwandöffnungen . 32 auf, die in einen Kolbenhohlraum münden, der einen Speicherraum 34 bildet. In der axialen Mitte der Kolben-Stirnwand 26 ist eine Stirnwandöffnung 36 vorgesehen, die zusammen mit einer außenseitig auf der Stirnwand 26 befestigten Federzunge 38 ein Rückschlagventil 40 bildet. Das Rückschlagventil 40 öffnet, sobald der Gasdruck in dem Kolbenspeicherraum 34 über dem Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 liegt. Dies ist während des in Figur 2 dargestellten Saughubes des Kolbens 12 der Fall, so dass während des Saughubes ein Druckausgleich zwischen dem Speicherraum 34 und dem Kompressionsraum 28 stattfindet. Während des Kompressionshubes des Kolbens 12 bleibt das Rückschlagventil 40 geschlossen.
Die Funktionsweise der Kolben-Zylinderanordnung 10 ist wie folgt :
Während des Kompressionshubes des Kolbens 12 ist das Rückschlagventil 40 geschlossen und wird das Gas in dem Kompressionsraum 28 komprimiert. Sobald der Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 den Auspuffdruck erreicht, öffnet sich das Zylinder-Auslassventil 18 und strömt aus dem Kompressionsraum 28 aus. Am Ende des Kompressionshubes des Kolbens 12 erreicht der Kolben den in Figur 1 dargestellten Totpunkt. In dieser Kolbenposition fluchten die beiden Gaseinlässe 30 mit den Kolben-Seitenwandöffnungen 32, so dass ein Druckausgleich stattfindet und Gas in den Speicherraum 34 einfließt. Daraufhin beginnt der Saughub, der in Figur 2 dargestellt ist. Die Gaseinlässe 30 und die Seitenwandöffnungen 32 fluchten nicht mehr miteinander, so dass kein Gas mehr in den Speicherraum 34 nachfließen kann. Sobald der Gasdruck in dem Kompressionsraum 28 nennenswert unter den Gasdruck im Speicherraum 34 fällt, öffnet sich das Rückschlagventil 40, so dass Gas aus dem Speicherraum 34 in den Kompressionsraum 28 strömt. Hierdurch wird ein starker Unterdruck in dem Kompressionsraum 28 während des Saughubes vermieden, so dass die hierfür erforderliche Antriebsleistung relativ klein ist. Am Ende des Saughubes und bei Erreichen des ihn beendenden Totpunktes verschließt der Kolben 12 nicht mehr den Gaseinlass 30, so dass Gas aus dem Gaseinlass 30 direkt in den Kompressionsraum 28 fließt. Zu Beginn des Kompressionshubes zum Ende des Saughubes verschließt der Kolben 12 die Gaseinlässe 30 in Bezug auf den Kompressionsraum 28 wieder. Während des anschließenden Kompressionshubes ist das Rückschlagventil 40 wieder verschlossen.
In der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform ist ein einziger Gaseinlass 30 vorgesehen, der in eine Ringnut 52 mündet. Die Ringnut 52 ist umlaufend und in die Zylinder-Seitenwand 16 eingelassen. In Figur 4 ist eine ähnliche Kolben- Zylinderanordnung 60 dargestellt, bei der im Unterschied zu der Ausführungsform der Figur 3 eine Ringnut 62 in die Zylinder-Seitenwand 24 eingelassen ist. Die Ringnute 52,62 erstrecken sich axial über ein mehrfaches der Weite des Gaseinlasses 30. Hierdurch besteht noch während des in den Figuren 3 und 4 dargestellten Saughubes des Kolbens 12 eine Verbindung zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kolben- Speicherraum 34.
Die Kolben-Seitenwandöffnungen 32 und der Kolben-Speicherraum der Kolben-Zylinderanordnungen der Figuren 1-4 bilden eine Ausgleichsleitung zum Ausgleich des (Unter-) Druckes in dem Kompressionsraum 28 während des Saughubes des Kolbens 12.
Bei den in den Figuren 5 und 6 dargestellten Kolben- Zylinderanordnungen 70,80 ist die Ausgleichsleitung anders ausgebildet als bei den Kolben-Zylinderanordnungen 10,50,60 der Figuren 1-4.
Bei der Kolben-Zylinderanordnung 70 der Figur 5 ist die Ausgleichsleitung als Spalt 72 zwischen der Seitenwand 73 des Kolbens 74 und der Seitenwand 75 des Zylinders ausgebildet. Der Spalt 72 hat eine Spaltbreite von ungefähr 50 μm. Die Spaltbreite kann jedoch auch größer oder niedriger ausfallen und hängt davon ab, wie groß die Druckunterschiede zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kompressionsraum 28 sind. Der Spalt 72 bildet aufgrund seiner Drosselwirkung auch ein Ventil, so dass der Spalt 72 sowohl die Ausgleichsleitung als auch das Ventil bildet. Die Spaltbreite wird so gering gewählt, dass die Rückstromverluste während des Kompressionshubes des Kolbens 74 möglichst gering ausfallen. Die Spaltbreite wird jedoch so groß gewählt, dass während des Saughubes ein gewisser Druckausgleich zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kompressionsraum 28 stattfindet. In dem in Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel einer Kolben-Zylinderanordnung 80 sind die Ausgleichsleitung und das Ventil als axiale Nut 82 in der Kolben-Seitenwand 84 ausgebildet. Alternativ können die Ausgleichsleitung und das Ventil auch als axiale Nut in der Zylinder-Seitenwand ausgebildet sein.
Der Querschnitt der axialen Nut 82 ist so gewählt, dass während des Saughubes des Kolbens 86 ein ausreichender Druckausgleich zwischen dem Gaseinlass 30 und dem Kompressionsraum 28 stattfindet, jedoch während des Kompressionshubes des Kolbens 86 die Rückstromverluste zwischen Kompressionsraum 28 über die Nut 82 in den Gaseinlass 30 gering ausfallen.

Claims

PATENTANSPRUCHE
1. Kolbenvakuumpumpe mit
einem Zylinder (14) und einem Kolben (12) , der mit dem Zylinder (14) einen Kompressionsraum (28) bildet und in dem Zylinder (14) mit einem Kompressionshub und einem Saughub oszilliert,
einem Gaseinlass (30) in einer Seitenwand (16) des Zylinders (14) , wobei der Gaseinlass (30) zu Beginn des Saughubes von dem Kolben (12) verschlossen und am Ende des Saughubes offen ist, und
einer Ausgleichsleitung mit einem Ventil, wobei während des Beginns des Saughubes Gas von dem Gaseinlass (30) durch die Ausgleichsleitung und das Ventil in den Kompressionsraum (28) fließt,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,
dass der Kolben (12) die Ausgleichsleitung und das Ventil bildet.
2. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung in dem Kolben (12) zwischen einer Kolben-Seitenwandöffnung (32) und einer Kolben- Stirnwandöffnung (36) gebildet ist, wobei die Kolben- Stirnwandöffnung (36) und der Gaseinlass (30) zu Beginn des Saughubes miteinander verbunden sind. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein Rückschlagventil (40) ist, das in Richtung Gaseinlass (30) sperrt und in Richtung Kompressionsraum (28) öffnet.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (40) an der Kolben-Stirnwand (26) angeordnet ist.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gaseinlass (30) eine Ringnut (52,62) in der Zylinder-Seitenwand (16) und/oder in der Kolben-Seitenwand (24) zugeordnet ist.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass im Verlauf der Ausgleichsleitung in dem Kolben (12) ein Speicherraum (34) vorgesehen ist.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung und das Ventil von einem Spalt (72) zwischen der Kolben-Seitenwand (73) und der Zylinder- Seitenwand (75) gebildet werden, wobei die Spaltbreite zwischen 10 und 100 μm liegt.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsleitung und das Ventil von einer im Wesentlichen axialen Nut (82) in der Kolben-Seitenwand (84) oder in der Zylinder-Seitenwand gebildet werden. Kolbenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Drossel ausgebildet ist .
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