EP3580455A1 - Oil-free vacuum pump having a prismatic piston and corresponding compressor - Google Patents

Oil-free vacuum pump having a prismatic piston and corresponding compressor

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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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    • F05B2210/10Kind or type
    • F05B2210/12Kind 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.

Abstract

The invention relates to an oil-free vacuum pump for evacuating gaseous media, comprising: an electric motor (4) which drives a shaft (3); a pump housing (1) having a pump chamber (10), as well as an inlet (15) and an outlet (16); a prismatic displacement piston (2) which is accommodated in the pump chamber (10) such that it is bidirectionally active and can be moved on a reciprocal working section; and at least one pressure valve (20) which releases an outflow of a gaseous medium out of the pump chamber (10) through the outlet (16) and blocks an inflow into the pump chamber (10). The displacement piston (2) has a slot (23) into which a drive force of the shaft (3) is introduced via a crankpin (33) by means of a rolling bearing (31).

Description

Beschreibung  description
Ölfreie Vakuumpumpe mit prismatischem Kolben und dementsprechender Oil-free vacuum pump with prismatic piston and accordingly
Kompressor  compressor
Die vorliegende Erfindung betrifft eine ölfreie Vakuumpumpe mit einem prismatischen Kolben und eine gleichartige Vorrichtung zur Verwendung als ölfrei laufender Kompressor. 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.
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. 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.
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. A special safety relevance is the function for evacuation of brake boosters to increase a force applied to the brake pedal force of the driver on the brake system. To obtain the amplification effect, a vacuum chamber of a brake booster is continuously evacuated when starting the vehicle and while driving. Therefore, in this application for operating a brake system of a vehicle, there is an increased demand on the reliability and longevity of the vacuum pump.
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. In addition, the packaging in the engine compartment of a modern vehicle with numerous auxiliary units only provides a very limited space for the vacuum pump. Furthermore, the vacuum pump in this application is exposed to strong temperature fluctuations.
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. 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.
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. In addition to this constructive restriction, the requirement of a lubricating film in a vacuum pump also raises a problem with regard to the temperature-dependent viscosity of the lubricant and the contamination by absorption of particles from the discharged air. These disadvantages come into effect under fluctuating environmental conditions of a mobile application and, in particular, in an installation in an engine compartment of a vehicle. In the past, vehicle manufacturers had to call for model recalls because of poor oil supply to such vacuum pumps under unfavorable circumstances, brake booster failure was to be feared.
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. In addition, vane pumps with Flächenpaarrungen from dry-able carbon materials are known, which are used for example in aviation. In addition to the costly materials such pumps are associated with the disadvantages of high friction losses and noise level.
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. Even outside of the automotive sector, there is a need in the process engineering for an oil-free running vacuum pump, which offers advantages in terms of low maintenance requirements waiving a regular lubrication of drive elements, or promotes gases that must not be contaminated by traces of lubricating oil.
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. Thus, in addition to circulating positive displacement pumps, 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. In this case, 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.
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 prismatischemSuch pumps with prismatic pistons have been used in stationary applications. Accordingly, the prior art designs typically exhibit a relatively large size and design that is not suitable for installation in a vehicle or other mobile applications. A compact design of such a vacuum pump with prismatic
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. Piston is described in US 5,556,267 B. In addition to the compact construction of the pump assembly, which is shown without a drive, the advantages of high volumetric efficiency and low production costs are mentioned. 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. Furthermore, 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.
Demnach besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Vakuumpumpe mit einem einfachen, kostengünstigen Aufbau zu schaffen, die ölfrei betrieben werden kann. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a vacuum pump with a simple, inexpensive structure that can be operated oil-free.
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. This object is achieved by 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.
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. The oil-free vacuum pump according to the invention is particularly characterized in that the displacement piston has a slot into which a driving force of the shaft is introduced via a crank pin by means of a roller bearing.
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. The invention thus provides for the first time a vacuum pump with an oil-free operable crank grinding mechanism as a drive kinematics for a prismatic displacement piston, which operates on the principle of double stroke or bidirectionally compacting effective.
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. By rolling friction, which receives the rolling bearing on the cotter pin in the slot, a large proportion of friction can be avoided compared to conventional drive kinematics in this application.
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 wenigenDue to the prismatic or rectangular shape of the piston is guided with low lateral forces in the raceway of the pump chamber. Furthermore, there are long sealing gaps along the rectangular shape. Thus, a low-cost electric, oil-free vacuum pump with few
Bauteilen bereitgestellt, die einen hervorragenden volumetrischen Wirkungsgrad bei geringer Verdrängerreibung realisiert. Provided components that achieves excellent volumetric efficiency with low Verdrängerreibung.
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. In this case, the vacuum is based on the finding that the rolling friction of a grease-lubricated roller bearing, which initiates the rotational driving force of the crank pin on a translational engagement of the elongated hole, is advantageously suitable as a transmission means, the one permanently Low-wear drive of the piston in a power range of the vacuum pump to about 1 kW, without continuous or periodic supply of lubricating oil allows. The elimination of a lubricating oil, which emerges due to the oscillation and turbulence at gaps of the reciprocally moving components in the form of finely atomized droplets through the pump chamber and the outlet, provides various advantages.
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. The vacuum pump according to the invention requires no maintenance intervals for lubrication of the drive group. In the case of an application for evacuation of a brake booster or other pneumatically operated auxiliary equipment in a vehicle, the vacuum pump according to the invention can be flexibly positioned by eliminating a connection to a lubricant supply to the circumstances in the engine compartment of a vehicle, which also entails a lower assembly costs. Furthermore, the vacuum pump according to the invention is fail-safe with respect to a lubricant supply.
Gegenüber ähnlichen Doppelhub-Pumpentypen, kann die erfindungsgemäße Vakuumpumpe auch in kontaminationskritischen Anwendungen in der Verfahrenstechnik eingesetzt werden. Compared with similar double-stroke pump types, the vacuum pump according to the invention can also be used in contamination-critical applications in process engineering.
Im Vergleich zu trockenlaufenden Pumpentypen, wie Membranpumpen, weist die erfindungsgemäße Vakuumpumpe ein überlegenes Leistungs-Abmessungs- Verhältnis auf. In comparison to dry-running pump types, such as diaphragm pumps, the vacuum pump according to the invention has a superior power-dimension ratio.
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. In comparison with rotary vane-type rotary displacement pumps with components made of engineered carbon materials, the vacuum pump according to the invention, with a similar size or drive power, generates lower friction losses and a lower noise level.
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. Further advantageous developments of the vacuum pump according to the invention are the subject of the dependent claims. According to one aspect of the invention, the at least one pressure valve and at least one outlet channel, which establish a connection for the outflow of the gaseous medium between the pump chamber and the outlet of the pump housing, may be arranged in the displacement piston. Thus, areas of the structure that require the production of a more complex molding due to a channel guide or a valve seat can be laid exclusively in the component of the displacer for which such a requirement already exists for forming the slot. As a result, a portion of the pump housing forms the four walls of the pump chamber, in turn, be realized cost as a simple cast body in the form of a square profile.
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. According to one aspect of the invention, the piston may be formed integrally with the exception of the pressure valves as an integral body. As a result, the production of the component while avoiding mutual fits and assembly are simplified.
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. According to one aspect of the invention, two pressure valves can be arranged in the displacement piston, which are each assigned to a displacement surface. In the arrangement of a pressure valve to each displacement surface moments of inertia, which act on a resiliently biased valve body in the pressure valve, are advantageously used functionally.
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. According to one aspect of the invention, in the pump housing in the region of the outlet, an outlet pocket may be formed, which faces an opening of the outlet channel in the displacement piston, and whose extension overlaps with a reciprocal movement range of the mouth of the outlet channel. In this case, the outlet pocket, in overlap with a reciprocal range of movement of the mouth of the outlet channel in the displacer, easily establishes a permanent connection between the static housing sections of the pump chamber and the outlet channel of the oscillating displacer. According to one aspect of the invention, an inlet pocket may be formed in the pump housing in the region of the inlet that faces the displacement piston and that extends beyond positions of the displacement surfaces that are inward at the dead centers of the reciprocating working distance of the displacement piston. In this case, 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. In contrast to an inlet guide with two separate control slots, 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.
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. According to one aspect of the invention, the dimensions of the pump chamber and the sliding surfaces of the prismatic displacement piston, which run parallel to the reciprocal working distance, form a gap seal. Thus, a friction and low-wear sealing is realized. By dispensing with seals assembly is further simplified. According to one aspect of the invention, the dimensions may be selected such that a gap surrounding the displacer in the pump chamber is a dimension of less than 50 .mu.m. In this measure, a sufficient seal between the displacement chambers on both sides of the piston in the pump chamber can be achieved in connection with the design-related large gap lengths along the prismatic piston. This can be dispensed with the use and installation of seals or piston rings.
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. According to one aspect of the invention, a noise damping element can be arranged inside or at the outlet. As a result, the noise level of the vacuum pump can be throttled by a flexible material having a porous structure in a cost effective manner. According to one aspect of the invention, the crankpin may be connected to a free end of the shaft. In this way, further storage in the axial region of the pump assembly can be avoided and a smaller overall axial dimension of the vacuum pump can be realized.
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. According to one aspect of the invention, 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.
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. According to one aspect of the invention, a rotor of the electric motor may be connected to a free end of the shaft. As a result, further storage in the axial region of the drive assembly can also be avoided and a smaller overall axial dimension of the vacuum pump can be realized.
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. According to one aspect of the invention, the shaft may be supported by means of a single shaft bearing with two rows of rolling elements. By this embodiment, the achievement of a small overall axial dimension of the vacuum pump is further favored.
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. According to one aspect of the invention, 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.
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: According to one aspect of the invention, 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. The invention will now be described in detail by means of an embodiment with reference to the accompanying drawings. In this show:
Fig. 1 eine Querschnittsansicht durch das Pumpengehäuse und den Verdrängerkolben mit Draufsicht auf den elektrischen Antrieb; 1 shows a cross-sectional view through the pump housing and the displacer with a plan view of the electric drive.
Fig. 2 eine Querschnittsansicht durch das Pumpengehäuse und den Verdrängerkolben in entgegengesetzter Richtung zu Fig. 2; Figure 2 is a cross-sectional view through the pump housing and the displacer in the opposite direction to Fig. 2.
Fig. 3 eine Längsschnittansicht durch den Einlass und den Auslass mit Draufsicht auf eine Verdrängerfläche des Verdängerkolbens; 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 eine Längsschnittansicht durch den Kurbelzapfen und das Wälzlager; und Fig. 4 is a longitudinal sectional view through the crankpin and the rolling bearing; and
Fig. 5 eine Längsschnittansicht durch den Auslasskanal des Verdängerkolbens und den Auslass. Fig. 5 is a longitudinal sectional view through the outlet channel of the displacement piston and the outlet.
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 derAs FIGS. 1 and 2 show, the pump housing 1 has four walls in the cross-sectional profile which enclose a rectangular pump chamber 10. In the pump chamber 10 is a rectangular or cuboid displacement piston 2, which moves linearly back and forth, slidably received. To the pump housing 1, an electric drive assembly is flanged. As shown in FIG. 3, the pump chamber 10 becomes a side which is the one
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. Drive assembly opposite, completed by a chamber wall 11, which occupies substantially the rectangular contour of the cross-sectional profile of the pump chamber 10. On the chamber wall 11, two nozzles are formed, through which an inlet 15 and an outlet 16 open into the pump chamber 10. On an opposite side of the chamber wall 11, 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. To the housing part 13, 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.
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. 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. Thus, 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.
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. On the other side 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.
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. As shown in Fig. 4, sits on the crank pin 33, a roller bearing 32 via which the crank pin 33 engages in a slot 23 which is excluded in the displacer 2. The slot 23 is aligned perpendicular or transversely to a working distance of the displacer 2 and excepted throughout.
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. In cooperation of the shaft 3, including the carrier disk 30, a 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.
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. By the crank mechanism, the displacer 2 is set in the rectangular pump chamber 10 in a reciprocal movement on a working distance between two dead centers. As a result of this mode of operation, two displacement regions are formed one after the other in the pump chamber 10 between the displacement surfaces 22 of the displacer piston 2 and the walls of the pump chamber 10 during one rotation of the shaft 3.
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. As can be seen in FIG. 2, in the region of an inlet of the inlet 15, an inlet pocket 17 is recessed in the chamber wall 11, which adjoins the displacer 2. The inlet pocket 17 has a rectangular contour whose dimension is centered to the middle of the working distance and extends on both sides beyond a position which is occupied at the dead centers of the displacer 2 of the respective inner and passive displacement surface 22.
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. Thus, in a period in which a change in direction of the displacer piston 2 takes place, the maximum increased volume of a displacement region can be filled with air, which by a vacuum based on the expanded volume, via the inlet 12, the inlet pocket 17 and an exposed gap between the inner or passive displacement surface 22 and the associated contour edge of the inlet pocket 17 is sucked into the pump chamber 10.
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. The displacer piston 2 has two pressure valves 20 which are each aligned and opened to one of the two displacement surfaces 22, as shown in FIG. 3 can be seen. The pressure valves 20 correspond to conventional check valves in which a spherical valve body is biased by a spring against an inlet-side valve seat before. As shown in FIG. 5, an outlet passage 21, which essentially forms a connecting path between the two pressure valves 20 and a bore oriented perpendicular thereto, which is aligned with the chamber wall 11, adjoins the interior of the displacer piston 2 behind the pressure valves 20. An opening of this bore of the outlet channel 21 performs the reciprocal movement of the displacer 2 with respect to the static chamber wall 11.
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 the chamber wall 11, an outlet pocket 12 is excluded in the region of the outlet 16, which allocates to the displacer 2. The outlet pocket 12 has a rectangular contour and overlaps with the two positions of the mouth of the outlet channel 21, which occupies it at the dead points of the displacement piston 2. Thus, the outlet channel 21 following the pressure valves 20 always communicates with the outlet 16 via the outlet, over the entire reciprocal movement sequence of the displacer piston 2, via the outlet pocket 12.
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. In a subsequent to the filling period, the displacer 2 moves to the displacement region of the pump chamber 10 and the just sucked air is compressed. When the compressed air exceeds a set pressure of the pressure valves, an increasingly displaced volume of air escapes through the corresponding pressure valve 20, the outlet channel 21 and through its mouth, via the outlet pocket 12 and the outlet 16 from the pumping chamber 10. At the outlet 16 is a not connected noise damper comprising a porous sound-absorbing material, such as foam, whereby a noise level of the pulsation of the displacement operations is reduced.
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. The valve pressure at which the compressed air passes the valve body at the valve seat is adjusted by means of the elastic tension of the valve body. The valve pressure may be set substantially to the ambient pressure or atmospheric pressure, so that the pressure valve functionally only a blocking effect in a Return direction is true and a maximum volumetric efficiency is achieved. The valve pressure may also be selected in connection with the design of the pump geometry, such as a slight remaining dead space, and a desired operating speed to produce a small residual air cushion at the dead center of the displacer 2, the drive-side force introduction to overcome the inertia in the direction of change of the displacer 2 support. Thus, frictional forces and losses can be minimized.
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. The displacement piston 2 is a molded part, which is made of a sintered metallic material. The four sliding surfaces of the displacer 2, which run parallel to the working distance, are ground to a uniform level, which is selected to form a gap seal of less than 50 μπι in the piston raceway of the pump chamber 10.
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. 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. Also, 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.
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. The sliding surfaces and the piston raceway may also have a dynamically functional surface structuring, not shown in detail, which promotes the formation of local air cushions in the micrometer range due to turbulent turbulences. As a result, a laminar flow of air in the circumferential gap between the sliding surfaces of the displacer 2 and the walls of the pump chamber 10 is disturbed, whereby a dynamic sealing effect of the gap seals and a low-friction dry-running capability of the surface pairing between the displacer 2 and the piston barrel is improved. The vacuum pump can also be used as a compressor. For this purpose, the inlet 15, which is connected in the vacuum pump with a vacuum line of a system to be evacuated, opened in the case of the compressor to the atmosphere. The outlet 16, which is opened to atmosphere via the silencer in the vacuum pump, is connected in the case of the compressor to a pressure line of a pneumatic system or the like.
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. In an alternative embodiment, the electric motor 4 may be configured as a reluctance motor. In this case, 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.

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. Claims 1. An oil-free vacuum pump for evacuating gaseous media, comprising: an electric motor (4) driving a shaft (3); a pump housing (1) having a pump chamber (10) and an inlet (15) and an outlet (16); a prismatic displacer (2) bidirectionally movable on a reciprocal working path, received in the pump chamber (10), the displacer (2) communicating between the inlet (15) and the pump chamber (10) in the range of two Exposing dead centers of the reciprocal work path and covered in an intermediate area; and at least one pressure valve (20) which releases a gaseous medium from the pump chamber (10) through the outlet (16) and blocks inflow into the pump chamber (10); characterized in that the displacement piston (2) has a slot (23) into which a driving force of the shaft (3) via a crank pin (33) by means of a rolling bearing (31) is introduced.
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. 2. oil-free vacuum pump according to claim 1, wherein the at least one pressure valve (20) and at least one outlet channel (21), which make a connection for the outflow of the gaseous medium between the pump chamber (10) and the outlet (16) of the pump housing, in the Displacer piston (2) are arranged.
3. Öl freie Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verdrängerkolben (2) als integraler Körper einteilig ausgebildet ist. 3. Oil-free vacuum pump according to claim 1 or 2, wherein the displacer (2) is integrally formed as an integral body.
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. 4. Oil-free vacuum pump according to claim 2 or 3, wherein in the displacement piston (2) two pressure valves (20) are arranged, which are each assigned to a displacement surface (22).
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. 5. Oil-free vacuum pump according to one of claims 1 to 4, wherein in the pump housing (1) in the region of the outlet (16) an outlet pocket (12) is formed facing an opening of the outlet channel (21) in the Verdängcrkolben (2) is, and whose extension overlaps with a reciprocal movement range of the mouth of the outlet channel (21).
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. 6. Ölfrcie vacuum pump according to one of claims 1 to 5, wherein in the pump housing (1) in the region of the inlet (15) an inlet pocket (17) is formed, which faces the displacement piston (2), and extending over positions of the Verdrängerflächen (22) which are at the dead centers of the reciprocal working distance of the displacer piston (2) inwardly extending beyond.
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. 7. Oil-free vacuum pump according to one of claims 1 to 6, wherein the dimensions of the pump chamber (10) and the sliding surfaces of the prismatic displacement piston (2), which run parallel to the reciprocal working distance, form a gap seal.
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. 8. Oil-free vacuum pump according to claim 8, wherein the dimensions are selected such that a displacement piston (2) circumferential gap in the pump chamber (10) is a measure of less than 50 μηι.
9. Öl freie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei innerhalb oder an dem Auslass ein Gcräuschdämpfungselement angeordnet ist. The oil-free vacuum pump according to any one of claims 1 to 8, wherein a noise-damping member is disposed inside or at the outlet.
10. Ölfreie Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kurbelzapfen (33) mit einem freien Ende der Welle (3) verbunden ist. 10. Oil-free vacuum pump according to one of claims 1 to 9, wherein the crank pin (33) is connected to a free end of the shaft (3).
11. Ölfreie Vakuumpumpe nach Anspruch 10, wobei der Kurbelzapfen (33) über einen Drehteller (30) mit dem freien Ende der Welle (3) verbunden ist. 11. Oil-free vacuum pump according to claim 10, wherein the crank pin (33) via a turntable (30) with the free end of the shaft (3) is connected.
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. 12. Oil-free vacuum pump according to one of claims 1 to 11, wherein a rotor (43) of the electric motor (4) with a free end of the shaft (3) is connected.
13. Ölfreie Vakuumpumpe nach den Ansprüchen 11 und 12, wobei die Welle (3) mittels eines einzigen Wellenlagers (31) mit zwei Wälzkörperreihen gelagert ist. 13. Oil-free vacuum pump according to claims 11 and 12, wherein the shaft (3) by means of a single shaft bearing (31) is mounted with two rows of rolling elements.
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. 14. Oil-free vacuum pump according to claim 13, wherein the electric motor (4) in axial overlap with the shaft bearing (31) and a housing portion (13) for receiving the shaft bearing (31) is arranged.
15. Verwendung der ölfreien Vakuumpumpe als ölfreier Kompressor mit den Merkmalen nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14. 15. Use of the oil-free vacuum pump as oil-free compressor with the features according to at least one of claims 1 to 14.
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