EP3580455A1 - Ölfreie vakuumpumpe mit prismatischem kolben und dementsprechender kompressor - Google Patents

Ölfreie vakuumpumpe mit prismatischem kolben und dementsprechender kompressor

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EP3580455A1
EP3580455A1 EP17822592.6A EP17822592A EP3580455A1 EP 3580455 A1 EP3580455 A1 EP 3580455A1 EP 17822592 A EP17822592 A EP 17822592A EP 3580455 A1 EP3580455 A1 EP 3580455A1
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EP
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oil
vacuum pump
outlet
free vacuum
shaft
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Nidec GPM GmbH
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    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/10—Kind or type
    • F05B2210/12—Kind or type gaseous, i.e. compressible

Definitions

  • the present invention relates to an oil-free vacuum pump with a prismatic piston and a similar device for use as an oil-free running compressor.
  • Vacuum pumps are used in numerous application areas of pneumatics in process engineering processes or in vehicle construction. In the automotive sector, for example, they are required to adjust exhaust flaps, vanes on turbochargers with variable turbine geometry or a bypass for boost pressure control with a wastegate. You can also take over the function to operate a central locking or headlight flaps.
  • Vane pumps In vehicle construction, predominantly rotary positive displacement pumps, such as vane pumps or rotary vane pumps, are used. Vane pumps made of metallic materials require the provision of a lubricating film between the rotating and stationary pump components in order to ensure a sufficiently gas-tight seal and a low frictional wear on the contact surfaces. Thus, for such vane pumps on the vehicle side, a lubricant supply or an integration into a circuit of a lubricant-carrying system must be provided.
  • double-stroke positive displacement pumps with oscillating components are known in the field of process engineering, and these require little lubricant at low coefficients of friction.
  • a prismatic shape instead of a cylindrical shape of the piston has been found to be advantageous, creating a lower punctual load on a piston track is achieved by means of an improved area distribution of transverse forces or tilting moments.
  • Piston is described in US 5,556,267 B.
  • the described Doppelhubpumpe is driven by an eccentric cam, which rotates in a sliding block, which in turn moves back and forth in a multi-part piston.
  • the characteristic of a sliding block generally allows the conclusion that the drive can not be operated without a lubricating oil between piston, sliding block and eccentric cam.
  • the piston is composed of several fits and parts whose sum complicates a realization of close running play in the cylinder bore and increases the complexity of manufacturing.
  • an oil-free vacuum pump for the evacuation of gaseous media having the features of claim 1.
  • This has an electric motor that drives a shaft; a pump housing having a pump chamber and an inlet and an outlet; a prismatic displacer, acting bidirectionally, on a reciprocal Working distance movable, is accommodated in the pump chamber, wherein the displacer exposes a connection between the inlet and the pump chamber in the range of two dead centers of the reciprocal working distance and covered in an intermediate region; and at least one pressure valve that releases a gaseous medium from the pump chamber through the outlet and blocks an inflow into the pump chamber; on.
  • the piston may be formed integrally with the exception of the pressure valves as an integral body.
  • the inlet pocket forms, at the dead points of the reciprocal working distance of the displacer piston, two control slots in a simple manner, which establish a connection from the inlet, past an edge of an inward displacing surface of the displacer piston into the pump chamber.
  • the inlet pocket provides a larger flow area and an antechamber so that in the short Ansaugphasen at the dead center, there is a lower intake throttle or a larger intake volume can be implemented. As a result, the volumetric efficiency of the vacuum pump is increased.
  • the crankpin may be connected via a turntable to the free end of the shaft.
  • the design of a disc-shaped connection turbulence in the rotation region between the drive and pump assembly and an imbalance of the crank pin can be minimized.
  • a rotor of the electric motor may be connected to a free end of the shaft.
  • the shaft may be supported by means of a single shaft bearing with two rows of rolling elements.
  • the electric motor may be arranged in axial overlap with the shaft bearing and a housing portion for receiving the shaft bearing. This embodiment also favors the achievement of a smaller overall axial dimension of the vacuum pump.
  • the vacuum pump having the aforementioned features can also be used as an oil-free running compressor.
  • the advantage of the construction according to the invention that no atomized lubricating oil is permanently discharged from the outlet provides, in particular, an advantage with regard to inserts, such as laboratory applications, in which a contamination-sensitive system is to be supplied with compressed air.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view through the pump housing and the displacer with a plan view of the electric drive.
  • Figure 2 is a cross-sectional view through the pump housing and the displacer in the opposite direction to Fig. 2.
  • FIG. 3 shows a longitudinal sectional view through the inlet and the outlet with a plan view of a displacement surface of the displacement piston
  • Fig. 4 is a longitudinal sectional view through the crankpin and the rolling bearing.
  • Fig. 5 is a longitudinal sectional view through the outlet channel of the displacement piston and the outlet.
  • a chamber wall 11 which occupies substantially the rectangular contour of the cross-sectional profile of the pump chamber 10.
  • two nozzles are formed, through which an inlet 15 and an outlet 16 open into the pump chamber 10.
  • the pump chamber 10 is closed by a housing part 13 to the drive assembly.
  • the chamber wall 11, the pump housing 1 and the housing part 13 of the are screwed together.
  • a motor housing 14 connects, in which an electric motor 4 is received.
  • the electric motor 4 is substantially constituted by a stator 41 fixed in the motor housing 14 and a rotor 43 rotatably disposed radially inside the stator 41, which seats on and drives a shaft 3.
  • the shaft 3 is connected via a double row shaft bearing 31, e.g. a water pump bearing, mounted in a central axial portion of the shaft 3.
  • the shaft bearing 31 is received in the housing part 13.
  • a receiving portion of the housing part 13, in which the shaft bearing 31 is fitted, extends both radially and axially within the rotor 43.
  • the rotor 43 on one side of the shaft bearing 31 is fixed against rotation at a free end of the shaft 3, and an electric motor effective
  • a shell portion of the rotor 43 which faces the stator 41 and includes permanent magnetic elements, extends both radially and axially beyond a portion of the shaft bearing 31.
  • a circular carrier disk 30 is arranged rotationally fixed at the other free end of the shaft 3.
  • On the support plate 30 is offset in axial extension to the shaft end and to the axis of rotation of the shaft 3, a crank pin 33 is arranged.
  • the carrier disk 30 is rotatably received in a corresponding rotationally symmetrical recess of the housing part 13.
  • crank grinding mechanism is formed via the crank pin 33 and the roller bearing 32, which engage in the elongated hole 23, which converts an eccentric drive movement into an alternating or reciprocal movement of the displacer piston 2.
  • the rolling bearing 32 is a lubricated on its life bearings, by the rolling friction between the crank pin 33 and the slot 23, an introduction of the driving force on the displacer 2, without subsequent lubricant requirement is permanently and speed guaranteed.
  • the pump housing 1 which comprises four walls of the pump chamber 10, is made as a casting or profile part or sintered part, the inner wall surfaces are also ground to a corresponding degree of a gap seal to form a gap seal in the piston raceway of the pump chamber 10.
  • the chamber wall 11 including the nozzle for the inlet 15 and the outlet 16 and the housing part 13, which close the end face of the pump chamber 10 and form the piston race are made as a casting or sintered part and adjusted by a corresponding grinding treatment to the extent of a gap seal.
  • the electric motor 4 may be configured as a reluctance motor.
  • the rotor 43 has no permanent-magnetic elements but is made of a soft magnetic material such as a laminated sheet of electric sheet. Further, the cross-section of such a rotor has pole teeth and / or sectors with lamellar air-gap structures that produce an alternating magnetic permeability diametrically through the rotor.

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Abstract

Es wird eine ölfreie Vakuumpumpe zur Evakuierung von gasförmigen Medien vorgeschlagen, die einen elektrischen Motor (4), der eine Welle (3) antreibt; ein Pumpengehäuse (1) mit einer Pumpenkammer (10) sowie einem Einlass (15) und einem Auslass (16); einen prismatischen Verdrängerko Iben (2), der bidirektional wirkend, auf einer reziproken Arbeitsstrecke bewegbar, in der Pumpenkammer (10) aufgenommen ist; und wenigstens ein Druckventil (20), das ein Ausströmen eines gasförmigen Mediums aus der Pumpenkammer (10) durch den Auslass (16) freigibt und ein Einströmen in die Pumpenkammer (10) sperrt; aufweist. Der Verdrängerkolben (2) weist ein Langloch (23) auf, in das eine Antriebskraft der Welle (3) über einen Kurbel zapfen (33) mittels eines Wälzlagers (31) eingeleitet wird.

Description

Beschreibung
Ölfreie Vakuumpumpe mit prismatischem Kolben und dementsprechender
Kompressor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ölfreie Vakuumpumpe mit einem prismatischen Kolben und eine gleichartige Vorrichtung zur Verwendung als ölfrei laufender Kompressor.
Vakuumpumpen werden in zahlreichen Anwendungsgebieten der Pneumatik in verfahrenstechnischen Prozessen oder im Fahrzeugbau eingesetzt. Im Automotive- Bereich sind sie beispielsweise erforderlich, um Abgasklappen, Leitschaufeln an Turboladern mit variabler Turbinengeometrie oder einen Bypass zur Ladedruckregelung mit einem Wastegate zu verstellen. Sie können ebenso die Funktion übernehmen, eine Zentralverriegelung oder Scheinwerferklappen zu betätigen.
Eine besondere Sicherheitsrelevanz kommt der Funktion zur Evakuierung von Bremskraftverstärkern zu, um eine am Bremspedal aufgebrachte Kraft des Fahrers auf das Bremssystem erhöhen. Zur Erlangung der Verstärkungswirkung wird eine Unterdruckkammer eines Bremskraftverstärkers beim Starten des Fahrzeugs sowie während der Fahrt fortlaufend evakuiert. Daher besteht in dieser Anwendung zum Betrieb eines Bremssystems eines Fahrzeugs eine erhöhte Anforderung an die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Vakuumpumpe.
Darüber hinaus gewährt das Packaging im Motorraum eines modernen Fahrzeugs mit zahlreichen Hilfsaggregaten lediglich einen sehr begrenzten Bauraum für die Vakuumpumpe. Ferner ist die Vakuumpumpe in dieser Anwendung starken Temperaturschwankungen ausgesetzt.
Im Fahrzeugbau werden vorwiegend umlaufende Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Flügelzellenpumpen bzw. Drehschieberpumpen eingesetzt. Flügelzellenpumpen aus metallischen Werkstoffen benötigen die Bereitstellung eines Schmierfilms zwischen den rotierenden und feststehenden Pumpenbauteilen, um eine ausreichend gasdichte Abdichtung sowie einen geringen Reibungsverschleiß an den Kontaktflächen zu gewährleisten. Somit muss für derartige Flügelzellenpumpen fahrzeugseitig eine Schmiermittelzufuhr bzw. eine Integration in einen Kreislauf eines schmiermittelführenden Systems bereitgestellt werden.
Neben dieser konstruktiven Restriktion, wirft das Erfordernis eines Schmierfilms in einer Vakuumpumpe ferner eine Problemstellungen hinsichtlich der temperaturabhängigen Viskosität des Schmiermittels und der Verunreinigung durch Absorption von Partikeln aus der abgeführten Luft auf. Diese Nachteile kommen unter schwankenden Umgebungsbedingungen einer mobilen Anwendung und insbesondere verstärkt bei einer Installation in einem Motorraum eines Fahrzeugs zum Tragen. In der Vergangenheit mussten Fahrzeughersteller Rückrufe von Modellen durchführen, da aufgrund einer unzureichenden Schmierölversorgung derartiger Vakuumpumpen unter ungünstigen Umständen ein Ausfall des Bremskraftverstärkers zu befürchten war.
Zudem sind Flügelzellenpumpen mit Flächenpaarrungen aus trockenlauffähigen Kohlenwerkstoffen bekannt, die beispielsweise in der Luftfahrt eingesetzt werden. Neben den kostenintensiven Materialien gehen derartige Pumpen mit den Nachteilen eines hohen Reibungsverluste und Geräuschpegels einher.
Auch abseits des Automotive-Bereichs besteht in der Verfahrenstechnik Bedarf an einer ölfrei laufenden Vakuumpumpe, die Vorteile hinsichtlich des geringen Wartungsbedarfs unter Verzicht auf eine intervallmäßige Abschmierung von Antriebselementen bietet, oder Gase fördert, die nicht durch Spuren von Schmieröl kontaminiert werden dürfen.
So sind aus der Verfahrenstechnik neben umlaufenden Verdrängerpumpen auch Doppelhub- Verdrängerpumpen mit oszillierenden Bauteilen bekannt, die bei geringen Reibwerten mit wenig Schmiermittel auskommen. Dabei hat sich eine prismatische Form anstatt einer zylindrischen Form des Kolbens als vorteilhaft herausgestellt, wodurch eine geringere punktuelle Belastung an einer Kolbenlaufbahn anhand einer verbesserten Flächenverteilung von Querkräften oder Kippmomenten erzielt wird.
Derartige Pumpen mit prismatischen Kolben werden bislang in stationären Anwendungen eingesetzt. Dementsprechend zeigen die im Stand der Technik bekannten Ausführungen typischerweise eine relativ große Abmessung und eine ungünstige Bauform auf, der nicht zur Installation in einem Fahrzeug oder sonstigen mobilen Anwendungen geeignet ist. Eine kompakte Ausführung einer solchen Vakuumpumpe mit prismatischem
Kolben wird in der US 5,556,267 B beschrieben. Neben dem kompakten Aufbau der Pumpenbaugruppe, die ohne Antrieb dargestellt ist, werden die Vorteile einer hohen Volumetrischen Effizienz und eines geringen Fertigungsaufwands genannt. Die beschriebene Doppelhubpumpe wird über eine exzentrische Nocke angetrieben, die in einem Gleitstein rotiert, der sich wiederum in einem mehrteiligen Kolben hin und her bewegt. Das Merkmal eines Gleitsteins lässt im Allgemeinen den Rückschluss zu, dass der Antrieb nicht ohne ein Schmieröl zwischen Kolben, Gleitstein und exzentrischer Nocke betrieben werden kann. Ferner ist der Kolben aus mehreren Passungen und Teilen zusammengesetzt, deren Summe eine Realisierung von engen Laufspielen in der Zylinderlaufbahn erschwert und die Komplexität der Fertigung erhöht.
Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vakuumpumpe mit einem einfachen, kostengünstigen Aufbau zu schaffen, die ölfrei betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine ölfreie Vakuumpumpe zur Evakuierung von gasförmige Medien mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Diese weist einen elektrischen Motor, der eine Welle antreibt; ein Pumpengehäuse mit einer Pumpenkammer sowie einem Einlass und einem mit Auslass; einen prismatischen Verdrängerkolben, der bidirektional wirkend, auf einer reziproken Arbeitsstrecke bewegbar, in der Pumpenkammer aufgenommen ist, wobei der Verdrängerkolben eine Verbindung zwischen dem Einlass und der Pumpenkammer im Bereich von zwei Totpunkten der reziproken Arbeitsstrecke freilegt und in einem dazwischen liegenden Bereich überdeckt; und wenigstens ein Druckventil, das ein Ausströmen eines gasförmigen Mediums aus der Pumpenkammer durch den Auslass freigibt und ein Einströmen in die Pumpenkammer sperrt; auf.
Die erfindungsgemäße ölfreie Vakuumpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Verdrängerkolben ein Langloch aufweist, in das eine Antriebskraft der Welle über einen Kurbelzapfen mittels eines Wälzlagers eingeleitet wird.
Die Erfindung sieht somit erstmals eine Vakuumpumpe mit einem ölfrei betreibbaren Kurbelschleifenmechanismus als Antriebskinematik für einen prismatischen Verdrängerkolben vor, der nach dem Prinzip des Doppelhubs bzw. bidirektional verdichtend wirksam arbeitet.
Durch die Rollreibung, die das Wälzlager auf dem Kubelzapfen in dem Langloch aufnimmt, kann gegenüber herkömmlichen Antriebskinematiken in diesem Einsatzbereich ein großer Reibungsanteil vermieden werden.
Durch die prismatische bzw. rechteckige Form wird der Kolben mit geringen Seitenkräfte in der Laufbahn der Pumpenkammer geführt. Ferner ergeben sich entlang der rechteckigen Form lange Dichtspalte. Somit wird eine kostengünstige elektrische, ölfreie Vakuumpumpe mit wenigen
Bauteilen bereitgestellt, die einen hervorragenden volumetrischen Wirkungsgrad bei geringer Verdrängerreibung realisiert.
Dabei liegt der Vakuumpumpe die erfindungsgemäße Erkenntnis zugrunde, dass durch die Rollreibung eines fettgeschmierten Wälzlagers, das die rotatorische Antriebskraft des Kurbelzapfens auf einen translatorischen Eingriff des Langlochs einleitet, in vorteilhafter Weise als Übertragungsmittel geeignet ist, das einen dauerhaft verschleißarmen Antrieb des Kolbens in einem Leistungsbereich der Vakuumpumpe bis etwa 1 kW, ohne kontinuierliche oder periodische Zufuhr von Schmieröl ermöglicht. Der Verzicht auf ein Schmieröl, das bedingt durch die Oszillation und Turbolenzen an Spaltmaßen der reziprok bewegten Bauteile in Form von fein zerstäubten Tröpfchen durch die Pumpenkammer und den Auslass austritt, verschafft verschiedene Vorteile.
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe benötigt keine Wartungsinterwalle zur Schmierung der Antriebsgruppe. Im Falle einer Anwendung zur Evakuierung eines Bremskraftverstärkers oder anderen pneumatisch betriebenen Hilfseinrichtungen in einem Fahrzeug, kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe durch den Wegfall einer Anbindung an eine Schmiermittelzufuhr flexibel nach den Gegebenheiten im Motorraum eines Fahrzeugs positioniert werden, was ebenso einen geringeren Montageaufwand nach sich zieht. Ferner ist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bezüglich einer Schmiermittelversorgung ausfallsicher.
Gegenüber ähnlichen Doppelhub-Pumpentypen, kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe auch in kontaminationskritischen Anwendungen in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden.
Im Vergleich zu trockenlaufenden Pumpentypen, wie Membranpumpen, weist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe ein überlegenes Leistungs-Abmessungs- Verhältnis auf.
Im Vergleich zu umlaufenden Verdrängerpumpen vom Flügelzellentyp mit Bauteilen aus trockenlauffähigen Komponenten aus technischen Kohlenwerkstoffen, erzeugt die erfindungsgemäße Vakuumpumpe bei ähnlicher Abmessung oder Antriebsleistung geringere Reibungsverluste und einen geringeren Geräuschpegel.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können das wenigstens eine Druckventil sowie wenigstens ein Auslasskanal, die eine Verbindung zum Ausströmen des gasförmigen Mediums zwischen der Pumpenkammer und dem Auslass des Pumpengehäuses herstellen, in dem Verdrängerkolben angeordnet sein. Somit können Bereiche des Aufbaus, die aufgrund einer Kanalführung oder eines Ventilsitzes die Fertigung eines komplexeren Formteils erfordern, ausschließlich in das Bauteil des Verdrängerkolbens verlegt werden, für das ein solches Erfordernis bereits zur Ausformung des Langlochs besteht. Dadurch kann ein Abschnitt des Pumpengehäuses der vier Wände der Pumpenkammer bildet, wiederum als einfacher Gusskörper in der Form eines Vierkantprofils kostengünstig realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Kolben mit Ausnahme der Druckventile als integraler Körper einteilig ausgebildet sein. Hierdurch werden die Herstellung des Bauteils unter Verzicht von gegenseitigen Passungen und der Zusammenbau vereinfacht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können in dem Verdrängerkolben zwei Druckventile angeordnet sein, die jeweils einer Verdrängerfläche zugeordnet sind. Bei der Anordnung eines Druckventils zu jeder Verdrängerfläche werden Trägheitsmomente, die auf einen elastisch vorgespannten Ventilkörper im Druckventil wirken, funktional vorteilhaft genutzt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in dem Pumpengehäuse im Bereich des Auslasses eine Auslasstasche ausgebildet sein, die einer Mündung des Auslasskanals in dem Verdängerkolben zugewandt ist, und deren Erstreckung sich mit einem reziproken Bewegungsbereich der Mündung des Auslasskanals überschneidet. Dabei stellt die Auslasstasche, in Überschneidung mit einem reziproken Bewegungsbereich der Mündung des Auslasskanals in dem Verdrängerkolben, auf einfache Weise eine permanente Verbindung zwischen den statischen Gehäuseabschnitten der Pumpenkammer und dem Auslasskanal des oszillierenden Verdrängerkolbens her. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann in dem Pumpengehäuse im Bereich des Einlasses eine Einlasstasche ausgebildet sein, die dem Verdängerkolben zugewandt ist, und die sich über Positionen der Verdrängerflächen, die an den Totpunkten der reziproken Arbeitsstrecke des Verdrängerkolbens einwärts liegen, hinaus erstreckt. Dabei bildet die Einlasstasche, an den Totpunkten der reziproken Arbeitsstrecke des Verdrängerkolbens, auf einfache Weise zwei Steuerschlitze aus, die eine Verbindung von dem Einlass, vorbei an einer Kante einer einwärts liegenden Verdrängerfläche des Verdrängerkolbens in die Pumpenkammer herstellen. Im Gegensatz zu einer Einlassführung mit zwei separaten Steuerschlitzen, stellt die Einlasstasche einen größeren Strömungsquerschnitt sowie eine Vorkammer bereit, sodass in den kurzen Ansaugphasen an den Totpunkten eine geringere Ansaugdrosselung herrscht bzw. ein größeres Ansaugvolumen umgesetzt werden kann. Hierdurch wird der volumetrische Wirkungsgrad der Vakuumpumpe erhöht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Abmessungen der Pumpenkammer und der Gleitflächen des prismatischen Verdrängerkolbens, die parallel zu der reziproken Arbeitsstrecke verlaufen, eine Spaltdichtung bilden. Somit wird eine reibungs- und verschleißarme Abdichtung realisiert. Durch Verzicht auf Dichtungen wird ferner der Zusammenbau vereinfacht. Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Abmessungen derart gewählt sein, dass ein den Verdrängerkolben umlaufender Spalt in der Pumpenkammer ein Maß von weniger als 50 μπι beträgt. Bei diesem Maß kann im Zusammenhang mit den konstruktionsbedingten großen Spaltlängen entlang des prismatischen Kolbens eine ausreichende Abdichtung zwischen den Verdrängerkammern beiderseits des Kolbens in der Pumpenkammer erzielt werden. Dadurch kann ferner auf die Verwendung und die Montage von Dichtungen oder Kolbenringen verzichtet werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann innerhalb oder an dem Auslass ein Geräuschdämpfungselement angeordnet sein. Hierdurch kann der Geräuschpegel der Vakuumpumpe durch ein flexibles Material mit poröser Struktur auf kostengünstige Weise gedrosselt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Kurbelzapfen mit einem freien Ende der Welle verbunden sein. Hierdurch kann eine weitere Lagerung im axialen Bereich der Pumpenbaugruppe vermieden und eine geringere axiale Gesamtabmessung der Vakuumpumpe realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Kurbelzapfen über einen Drehteller mit dem freien Ende der Welle verbunden sein. Durch die Ausgestaltung einer scheibenförmigen Verbindung können Turbulenzen im Rotationsbereich zwischen Antriebs- und Pumpenbaugruppe sowie eine Unwucht des Kurbelzapfens minimiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Rotor des elektrischen Motors mit einem freien Ende der Welle verbunden sein. Hierdurch kann ebenso eine weitere Lagerung im axialen Bereich der Antriebsbaugruppe vermieden und eine geringere axiale Gesamtabmessung der Vakuumpumpe realisiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Welle mittels eines einzigen Wellenlagers mit zwei Wälzkörperreihen gelagert sein. Durch diese Ausgestaltung wird die Erzielung einer geringen axialen Gesamtabmessung der Vakuumpumpe weiter begünstigt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Motor in axialer Überschneidung mit dem Wellenlager und einem Gehäuseabschnitt zur Aufnahme des Wellenlagers angeordnet sein. Durch diese Ausgestaltung wird ebenfalls die Erzielung einer geringeren axialen Gesamtabmessung der Vakuumpumpe begünstigt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Vakuumpumpe mit den zuvor genannten Merkmalen ebenso als ölfrei laufender Kompressor verwendet werden. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus, dass kein zerstäubtes Schmieröl auf Dauer aus dem Auslass ausgetragen wird, verschafft insbesondere einen Vorteil im Hinblick auf Einsätze, wie Laboranwendungen, in denen ein kontaminationsempfindliches System mit Druckluft zu versorgen ist. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diese zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch das Pumpengehäuse und den Verdrängerkolben mit Draufsicht auf den elektrischen Antrieb;
Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch das Pumpengehäuse und den Verdrängerkolben in entgegengesetzter Richtung zu Fig. 2;
Fig. 3 eine Längsschnittansicht durch den Einlass und den Auslass mit Draufsicht auf eine Verdrängerfläche des Verdängerkolbens;
Fig. 4 eine Längsschnittansicht durch den Kurbelzapfen und das Wälzlager; und
Fig. 5 eine Längsschnittansicht durch den Auslasskanal des Verdängerkolbens und den Auslass.
Wie die Figuren 1 und 2 zeigen, weist das Pumpengehäuse 1 im Querschnittsprofil vier Wände auf, die eine rechteckige Pumpenkammer 10 einschließen. In der Pumpenkammer 10 ist ein rechteckiger bzw. quaderförmiger Verdrängerkolben 2, der sich linear hin und her bewegt, gleitfahig aufgenommen. An das Pumpengehäuse 1 ist eine elektrische Antriebsbaugruppe angeflanscht. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, wird die Pumpenkammer 10 zu einer Seite, die der
Antriebsbaugruppe gegenüberliegt, durch eine Kammerwand 11 abgeschlossen, die im Wesentlichen die rechteckige Kontur des Querschnittsprofils der Pumpenkammer 10 einnimmt. An der Kammerwand 11 sind zwei Stutzen ausgebildet, durch die ein Einlass 15 und ein Auslass 16 in die Pumpenkammer 10 münden. Auf einer gegenüberliegenden Seite der Kammerwand 11 ist die Pumpenkammer 10 durch ein Gehäuseteil 13 zu der Antriebsbaugruppe abgeschlossen. Die Kammerwand 11, das Pumpengehäuse 1 und das Gehäuseteil 13 des sind gemeinsam verschraubt. An das Gehäuseteil 13 schließt sich ein Motorgehäuse 14 an, in dem ein elektrischer Motor 4 aufgenommen ist. Der elektrische Motor 4 wird im Wesentlichen durch einen Stator 41, der in dem Motorgehäuse 14 fixiert ist, und einen radial innerhalb des Stators 41 drehbar angeordneten Rotor 43 gebildet, der auf einer Welle 3 sitzt und diese antreibt.
Die Welle 3 ist über ein doppelreihiges Wellenlager 31, wie z.B. einem Wasserpumpenlager, in einem mittleren axialen Abschnitt der Welle 3 gelagert. Das Wellenlager 31 ist in dem Gehäuseteil 13 aufgenommen. Ein Aufnahmeabschnitt des Gehäuseteils 13, in dem das Wellenlager 31 eingepasst ist, verläuft sowohl radial als auch axial innerhalb des Rotors 43. Somit ist der Rotor 43 auf einer Seite der Wellenlagerung 31 drehfest an einem freien Ende der Welle 3 fixiert, und ein elektromotorisch wirksamer Mantelabschnitt des Rotors 43, der dem Stator 41 zugewandt ist und permanentmagnetische Elemente umfasst, erstreckt sich sowohl radial als auch axial über einen Teil des Wellenlagers 31 hinaus.
Auf der anderen Seite des Wellenlagers 31 ist eine kreisförmige Trägerscheibe 30 an dem anderen freien Ende der Welle 3 drehfest angeordnet. An der Trägerscheibe 30 ist in axialer Verlängerung zu dem Wellenende und zu der Rotationsachse der Welle 3 versetzt, ein Kurbelzapfen 33 angeordnet. Die Trägerscheibe 30 ist in einer entsprechenden rotationssymmetrischen Ausnehmung des Gehäuseteils 13 drehbar aufgenommen.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, sitzt auf dem Kurbelzapfen 33 ein Wälzlager 32, über das der Kurbelzapfen 33 in ein Langloch 23 eingreift, das in dem Verdrängerkolben 2 ausgenommen ist. Das Langloch 23 ist senkrecht bzw. quer verlaufend zu einer Arbeitsstrecke des Verdrängerkolbens 2 ausgerichtet und durchgängig ausgenommen.
In Zusammenwirkung der Welle 3 einschließlich der Trägerscheibe 30 wird über den Kurbelzapfen 33 und das Wälzlager 32, die in das Langloch 23 eingreifen, ein Kurbelschleifenmechanismus gebildet, der eine exzentrische Antriebsbewegung in eine alternierende bzw. reziproke Bewegung des Verdrängerkolbens 2 umsetzt. Das Wälzlager 32 ist ein auf seine Lebensdauer fettgeschmiertes Wälzlager, durch dessen Rollreibung zwischen dem Kurbelzapfen 33 und dem Langloch 23 eine Einleitung der Antriebskraft auf den Verdrängerkolben 2, ohne nachträglichen Schmiermittelbedarf dauerhaft und drehzahlfest gewährleistet ist.
Durch den Kurbelschlaufenmechanismus wird der Verdrängerkolben 2 in der rechteckigen Pumpenkammer 10 in eine reziproke Bewegung auf einer Arbeitsstrecke zwischen zwei Totpunkten versetzt. Durch diese Funktionsweise werden während einer Umdrehung der Welle 3 nacheinander in der Pumpenkammer 10 zwischen den Verdrängerflächen 22 des Verdrängerkolbens 2 und den Wänden der Pumpenkammer 10 zwei Verdrängungsbereiche gebildet.
Wie in Fig. 2 ersichtlich ist, ist im Bereich einer Einmündung des Einlasses 15 eine Einlasstasche 17 in der Kammerwand 11 ausgenommen, die auf den Verdrängerkolben 2 zuweist. Die Einlasstasche 17 weist eine rechteckige Kontur auf, deren Abmessung zu der Mitte der Arbeitsstrecke zentriert ist und sich beiderseits über eine Position hinaus erstreckt, die an den Totpunkten des Verdrängerkolbens 2 von der jeweils innenliegenden bzw. passive Verdrängerfläche 22 eingenommen wird.
Somit kann in einer Zeitdauer, in der ein Richtungswechsel des Verdrängerkolbens 2 erfolgt, das maximal angewachsene Volumen eines Verdrängungsbereichs mit Luft gefüllt werden, die durch einen Unterdruck anhand des expandierten Volumens, über den Einlass 12, die Einlasstasche 17 und einen freigelegten Spalt zwischen der innenliegenden bzw. passiven Verdrängerfläche 22 und der zugeordneten Konturkante der Einlasstasche 17 in die Pumpenkammer 10 eingesaugt wird.
Der Verdrängerkolben 2 weist zwei Druckventile 20 auf, die jeweils zu einer der beiden Verdrängerflächen 22 ausgerichtet und geöffnet sind, wie in Fig. 3 ersichtlich ist. Die Druckventile 20 entsprechen herkömmlichen Rückschlagventilen, in denen ein kugelförmiger Ventilkörper durch eine Feder gegen einen einlassseitigen Ventilsitz vor gespannt wird. Wie in Fig. 5 dargestellt ist, schließt sich im Inneren des Verdrängerkolbens 2 hinter den Druckventilen 20 ein Auslasskanal 21 an, der im Wesentlichen eine Verbindungsstrecke zwischen den beiden Druckventilen 20 und eine senkrecht dazu ausgerichtete Bohrung bildet, die zu der Kammerwand 11 ausgerichtet ist. Eine Mündung dieser Bohrung des Auslasskanals 21 führt die reziproke Bewegung des Verdrängerkolbens 2 gegenüber der statischen Kammerwand 11 aus.
In der Kammerwand 11 ist im Bereich des Auslasses 16 eine Auslasstasche 12 ausgenommen, die auf den Verdrängerkolben 2 zuweist. Die Auslasstasche 12 weist eine rechteckige Kontur auf und überschneidet sich mit den beiden Positionen der Mündung des Auslasskanals 21, die sie an den Todpunkten des Verdrängerkolbens 2 einnimmt. Somit steht der sich nach den Druckventilen 20 anschließende Auslasskanal 21 durch dessen Mündung, über den gesamten reziproken Bewegungsablaufs des Verdrängerkolbens 2 hinweg, stets über die Auslasstasche 12 mit dem Auslass 16 in Verbindung.
In einer auf die Befüllung folgenden Zeitdauer, bewegt sich der Verdrängerkolben 2 auf den Verdrängungsbereich der Pumpenkammer 10 hinzu und die soeben angesaugte Luft wird komprimiert. Wenn die verdichtete Luft einen eingestellten Druck der Druckventile übersteigt, entweicht ein zunehmend verdrängtes Luftvolumen durch das entsprechende Druckventil 20, den Auslasskanal 21 und durch dessen Mündung, über die Auslasstasche 12 und den Auslass 16 aus der Pumpenkammer 10. An den Auslass 16 ist ein nicht dargestellter Geräuschdämpfer angeschlossen, der ein poröses schalladsorbierendes Material, wie beispielsweise Schaumstoff umfasst, wodurch ein Geräuschpegel der Pulsation der Verdrängungsvorgänge vermindert wird.
Der Ventildruck, ab dem die komprimierte Luft den Ventilkörper am Ventilsitz passiert, ist mittels der elastischen Verspannung des Ventilkörpers eingestellt. Der Ventildruck kann im Wesentlichen auf den Umgebungsdruck bzw. Atmosphärendruck eingestellt sein, sodass dem Druckventil funktional lediglich eine Sperrwirkung in einer Rückflussrichtung zukommt und ein maximaler volumetrischer Wirkungsgrad erzielt wird. Der Ventildruck kann ferner im Zusammenhang mit der Auslegung der Pumpengeometrie, wie z.B. einem geringfügigen verbleibenden Totraum, und einer gewünschten Betriebsdrehzahl gewählt sein, um ein kleines Restluftpolster am Totpunkt des Verdrängerkolbens 2 zu erzeugen, das die antriebsseitige Krafteinleitung zur Überwindung der Massenträgheit beim Richtungswechsel des Verdrängerkolbens 2 zu unterstützen. Somit können Reibungskräfte und -Verluste minimiert werden.
Der Verdrängerkolben 2 ist ein Formteil, das aus einem sintermetallischen Werkstoff gefertigt ist. Die vier Gleitflächen des Verdrängerkolbens 2, die parallel zu der Arbeitsstrecke verlaufen, sind auf ein einheitliches Maß geschliffen, das zur Ausbildung einer Spaltdichtung von weniger als 50 μπι in der Kolbenlaufbahn der Pumpenkammer 10 gewählt ist.
Das Pumpengehäuse 1, das vier Wände der Pumpenkammer 10 umfasst, ist als ein Gussteil bzw. Profilteil oder Sinterteil gefertigt, dessen innere Wandflächen ebenfalls auf ein entsprechendes Maß einer Spaltdichtung zur Ausbildung einer Spaltdichtung in der Kolbenlaufbahn der Pumpenkammer 10 geschliffen sind. Auch die Kammerwand 11 einschließlich der Stutzen für den Einläse 15 und den Auslass 16 sowie das Gehäuseteil 13, welche die Stirnseite der Pumpenkammer 10 abschließen und die Kolbenlaufbahn bilden, sind als Gussteil oder Sinterteil gefertigt und durch eine entsprechende Schleifbehandlung auf das Maß einer Spaltdichtung eingestellt.
Die Gleitflächen sowie die Kolbenlaufbahn können ferner eine nicht näher dargestellte, dynamisch funktionale Oberflächenstrukturierung aufweisen, die durch turbulente Verwirbelungen die Bildung von lokalen Luftpolstern im Mikrometerbereich begünstig. Hierdurch wird eine laminare Luftströmung in dem umlaufenden Spalt zwischen den Gleitflächen des Verdrängerkolbens 2 und den Wänden der Pumpenkammer 10 gestört, wodurch eine dynamische Dichtungswirkung der Spaltdichtungen sowie eine reibungsarme Trockenlauffähigkeit der Flächenpaarung zwischen dem Verdrängerkolben 2 und der Kolbenlaufbahn verbessert wird. Die Vakuumpumpe kann ebenso als ein Kompressor eingesetzt werden. Hierzu wird der Einlass 15, der bei der Vakuumpumpe mit einer Unterdruckleitung eines zu evakuierenden Systems verbunden wird, im Falle des Kompressors zur Atmosphäre geöffnet. Der Auslass 16, der bei der Vakuumpumpe über den Geräuschdämpfer zur Atmosphäre geöffnet ist, wird im Falle des Kompressors mit einer Druckleitung eines pneumatischen Systems oder dergleichen verbunden.
In einer alternativen Ausführungsform kann der elektrische Motor 4 als ein Reluktanzmotor ausgestaltet sein. In diesem Fall weist der Rotor 43 keine permanentmagnetischen Elemente auf, sondern besteht aus einem weichmagnetischen Material, wie einem laminierten Paket aus Elektroblech. Ferner weist der Querschnitt eines solchen Rotors Polzähne und/oder Sektoren mit lammellenformigen Luftspaltstrukturen auf, die eine alternierende magnetische Permeabilität diametral durch den Rotor erzeugen.

Claims

Ansprüche 1. Ölfreie Vakuumpumpe zur Evakuierung von gasformigen Medien, aufweisend: einen elektrischen Motor (4), der eine Welle (3) antreibt; ein Pumpengehäuse (1) mit einer Pumpenkammer (10) sowie einem Einlass (15) und einem Auslass (16); einen prismatischen Verdrängerkolben (2), der bidirektional wirkend, auf einer reziproken Arbeitsstrecke bewegbar, in der Pumpenkammer (10) aufgenommen ist, wobei der Verdrängerkolben (2) eine Verbindung zwischen dem Einlass (15) und der Pumpenkammer (10) im Bereich von zwei Totpunkten der reziproken Arbeitsstrecke freilegt und in einem dazwischen liegenden Bereich überdeckt; und wenigstens ein Druckventil (20), das ein Ausströmen eines gasförmigen Mediums aus der Pumpenkammer (10) durch den Auslass (16) freigibt und ein Einströmen in die Pumpenkammer (10) sperrt; dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerkolben (2) ein Langloch (23) aufweist, in das eine Antriebskraft der Welle (3) über einen Kurbelzapfen (33) mittels eines Wälzlagers (31) eingeleitet wird.
2. ölfreie Vakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Druckventil (20) sowie wenigstens ein Auslasskanal (21), die eine Verbindung zum Ausströmen des gasförmigen Mediums zwischen der Pumpenkammer (10) und dem Auslass (16) des Pumpengehäuses herstellen, in dem Verdrängerkolben (2) angeordnet sind.
3. Öl freie Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdrängerkolben (2) als integraler Körper einteilig ausgebildet ist.
4. Öl freie Vakuumpumpe nach Anspruch 2 oder 3, wobei in dem Verdrängerkolben (2) zwei Druckventile (20) angeordnet sind, die jeweils einer Verdrängerfläche (22) zugeordnet sind.
5. Öl freie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Pumpengehäuse (1) im Bereich des Auslasses (16) eine Auslasstasche (12) ausgebildet ist, die einer Mündung des Auslasskanals (21 ) in dem Verdängcrkolben (2) zugewandt ist, und deren Erstreckung sich mit einem reziproken Bewegungsbereich der Mündung des Auslasskanals (21) überschneidet.
6. Ölfrcie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei in dem Pumpengehäuse (1) im Bereich des Einlasses ( 15) eine Einlasstasche (17) ausgebildet ist, die dem Verdängerkolben (2) zugewandt ist, und die sich über Positionen der Verdrängerflächen (22), die an den Totpunkten der reziproken Arbeitsstrecke des Verdrängerkolbens (2) einwärts liegen, hinaus erstreckt.
7. Öl freie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abmessungen der Pumpenkammer (10) und der Gleitflächen des prismatischen Verdrängerkolbens (2), die parallel zu der reziproken Arbeitsstrecke verlaufen, eine Spaltdichtung bilden.
8. Öl freie Vakuumpumpe nach Anspruch 8, wobei die Abmessungen derart gewählt sind, dass ein den Verdrängerkolben (2) umlaufender Spalt in der Pumpenkammer (10) ein Maß von weniger als 50 μηι beträgt.
9. Öl freie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei innerhalb oder an dem Auslass ein Gcräuschdämpfungselement angeordnet ist.
10. Ölfreie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kurbelzapfen (33) mit einem freien Ende der Welle (3) verbunden ist.
11. Ölfreie Vakuumpumpe nach Anspruch 10, wobei der Kurbelzapfen (33) über einen Drehteller (30) mit dem freien Ende der Welle (3) verbunden ist.
12. Ölfreie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei ein Rotor (43) des elektrischen Motors (4) mit einem freien Ende der Welle (3) verbunden ist.
13. Ölfreie Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 11 und 12, wobei die Welle (3) mittels eines einzigen Wellenlagers (31) mit zwei Wälzkörperreihen gelagert ist.
14. Ölfreie Vakuumpumpe nach Anspruch 13, wobei der elektrische Motor (4) in axialer Überschneidung mit dem Wellenlager (31) und einem Gehäuseabschnitt (13) zur Aufnahme des Wellenlagers (31) angeordnet ist.
15. Verwendung der ölfreien Vakuumpumpe als ölfreier Kompressor mit den Merkmalen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14.
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