JP2007247643A - ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｌ形シール要素の利点を有し、しかも部品の摩耗を低減させる、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置を提供する。
【解決手段】本発明は、シリンダ内壁と、およびシリンダ（１）内に移動可能に支持されたピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）との間をシールするための、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置を提供する。Ｌ形シール要素（３）の寿命を増大させ且つ騒音発生を低減させるために、ピストンとシリンダとの間における、シール要素の、圧縮室（５）から離れた側において、ピストンにリング状案内要素（４）を配置することが開示される。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１の上位概念に記載の、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置に関するものである。

ピストン真空ポンプは、かなり以前から、いわゆる「乾式粗引き真空ポンプ」として使用されて有効である。ピストン真空ポンプは、作業流体例えばオイルなしで低真空が発生されなければならない場合、即ち作業流体の容器への逆流が許されない場合に、いたるところで使用される。ピストン真空ポンプは１つまたは複数のシリンダを有し、シリンダ内においてピストンはそれぞれ往復運動を行い、この往復運動により圧縮室は周期的に拡大および縮小される。圧縮室が縮小される時間内にガスは圧縮され、および運動の終了時にガスは排出される。

乾式ピストン・ポンプの機能に対しては、ピストンとシリンダ内壁との間のシールが重要である。シールとして、ドイツ特許公開第１０３３７２９８号に記載されているようなＬ形シール要素が実証されている。このシール要素においては、Ｌ形の片方の脚がピストン内に固定され、これに対して、他方の脚はピストン軸に対して僅かに傾斜し且つその端部においてシリンダ内壁と接触している。このＬ形シール要素はデッド・スペースの少ない構造を可能にする。適切な材料選択が、作業流体なしでのポンプの運転を可能にする。

長期運転において、長期運転特性に対する今日の要求に適合しない摩耗が観察されることから、このＬ形シールは高い荷重を受けていることが確認される。

Ｌ形シール要素の利点を有し、しかも部品の摩耗を低減させる、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置を提供することが本発明の課題である。

この課題は請求項１の特徴により解決される。
従来技術に対して、本発明は、Ｌ形シール要素に追加して案内要素を使用し、案内要素は、シール要素の、圧縮室から離れた側に配置されている。この案内要素は、シール要素から機械荷重を受け取り、機械荷重は、特に周期的直線運動に重ね合わされた振り子運動により発生し、しかも反転点において特に顕著である。荷重が低減されることにより、シール要素の寿命は増大する。同時に、シリンダ／ピストン装置の騒音発生に対する有利な効果がみられる。

請求項２−１０の特徴は本発明の有利な変更形態を示す。
ピストン案内を、ピストンとシール要素自由脚との間に配置されている減衰要素と組み合わせることは、さらに、明らかに低減されたシリンダ／ピストン装置の騒音発生を可能にする。

有利な変更形態は、減衰要素を円形溝内において案内し、円形溝が少なくとも１つのフライス切削面を有していることにある。これにより伸長空間が提供され、減衰要素は圧縮荷重を受けたときにこの伸長空間内において伸長することができる。これは、同様に、減衰要素は、圧縮荷重のもとでＬ形シール要素をきわめて強い力でシリンダ壁に圧着させ且つこれにより局部的に限定して高い摩擦を与えることを回避させる。

ピストン真空ポンプ内の構造に対して、ピストンの反対側端部に他のＬ形シール要素を配置することは有利であり、その理由は、これにより全体装置の気密性が向上されるからである。さらに、ピストンの案内が改善され、摩耗および騒音発生が低下する。請求項７に記載の手段は、案内要素の付加により既に達成された利点をさらに高める。請求項６に記載の案内要素は、シール要素の荷重を軽減し且つさらに改善されたピストン案内を提供し、したがって、このときには著しい騒音の発生はない。

請求項８に記載の手段は、実際に必要なときにのみ案内要素が係合することを可能にする。これは、シリンダ軸からの横変位によって形成されるシール要素に対する荷重が振り子運動によりきわめて高くなった場合である。これに対して、荷重が小さいときには、案内要素はシリンダ内壁と摩擦接触を形成しないので、摩耗は回避される。

請求項１０に記載の手段は、特に簡単且つ有利な装着を示し、したがって、これは部品の容易な交換を可能にする。このようにして、材料および時間の節約によるコスト的な利点が達成される。

図面により本発明を実施例で詳細に説明し且つその利点を考察する。

図１は、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置の、一定縮尺によらない断面図を示す。ハウジング１５内にシリンダ１が配置されている。シリンダ１内においてピストンは周期運動を実行し、これにより、圧縮室５は周期的に拡大／縮小される。以下において「下部反転点」と呼ばれる運動の一方の反転点はガス吸込過程を特徴とする。このために、シリンダ壁内に、開口１０または吸込チャネルと連絡する複数の開口が設けられている。以下において「上部反転点」と呼ばれる他方の反転点はガス排出過程を特徴とする。このために、弁蓋１２が弁座１４から持ち上げられ且つ弁ばね１３の反発力に打ち勝つまで、ピストンはシリンダ内において移動される。次に、圧縮ガスはガス出口１１を介して排出される。

ピストンは、この実施例においては、３つの部分から構成され且つピストン蓋２ｂ、ピストン胴２ａおよびピストン底２ｃを有している。ピストンと結合され且つピストンの周期運動を行わせる連接棒装置は示されていない。

Ｌ形断面を有するリング状Ｌ形シール要素３がピストンに配置され且つピストンとシリンダ内壁との間の隙間をシールする。シール要素の片方の脚はピストンに固定され、一方、他方の脚は自由であり且つシリンダ内壁に軽く圧着している。ピストン真空ポンプは乾式ポンプとして設計されているので、ピストンとシリンダとの間に作業流体が設けられていない。それに対応してシール要素３およびシリンダ１の材料対が選択され、例えば、シール要素に対してＰＴＦＥ成分を有するプラスチックが使用され、一方、シリンダに対しては金属合金が使用され、例えばアルミニウム・ベース上に、場合によりコーティングがなされている。ピストンは周期運動を実行し、この周期運動は理論的にはほぼ直線状である。実際には、振り子運動もまた行われ、振り子運動は、ピストン軸のシリンダ軸に対する傾斜に対応している。これにより、特に反転点において、シール要素の不均一な荷重が発生する。これは低減されるべきであり、このことは、本発明により、案内要素４によって解決される。この案内要素はリング状に形成され且つ例えばほぼ双脚の断面を有している。片方の脚はピストン内に固定され、一方、他方の脚はシリンダ内壁とピストンとの間の空間内に突出している。案内要素の直径Ｆはシリンダの内径Ｚより小さい。自由脚は、それがシール要素より剛であるように形成されている。これにより、振り子運動において、はじめにシール要素に荷重がかかることが達成される。しかしながら、横変位がきわめて大きい場合、案内要素がシリンダ内壁に接触し且つ荷重はシール要素から案内要素へ移行し、ないしは両方に分配される。シール要素の剛性は、特にシール要素がさらにばねたわみ可能なほど十分に小さく形成されている。これは重要なことであり、これにより、振り子運動したがって案内要素の衝突が著しい騒音発生を導くことはない。直径をより小さくすることは、さらに、案内要素は必要とされるときにのみ使用され、およびピストンの正常な直線運動においては案内要素はシリンダ内壁における摩擦による定常摩耗を受けることがないことを可能にする。同等効果を達成する、案内要素に対する他の形態もまた考えられる。即ち、双脚の代わりに矩形断面が使用されてもよく、この場合、このリングは、ピストンに設けられている溝内において案内され、且つピストン軸に対して直角方向に、即ち半径方向に運動可能である。このリングは、このとき、ばね要素により支持されてもよく、またはリングそれ自身が弾性材料から形成されていてもよい。

同様に、騒音を減衰させるために減衰要素６が使用され、減衰要素６は、この実施例においては、エラストマー・リングとして形成されている。エラストマー・リングは、ピストンの振り子運動において、Ｌ形シール要素の自由脚がピストン部分２ａに圧着され、このとき、ピストン部分２ａが騒音を発生することを阻止する。ピストンがふらつき運動をした場合、ないしはピストンが横変位した場合、エラストマー・リングは弾性変形の範囲内において共に圧縮される。このために使用されるエネルギーはふらつき運動から発生するものであり、したがってふらつき運動は減衰される。

シール要素および案内要素の装着を簡単にするために、これらの間にスペーサ７が挿入されている。
一方でピストン真空ポンプの機能を改善し、他方で案内を改善するために、圧縮室から離れたピストン端部に、第２のシール装置が鏡像対称に配置されている。第２のシール装置もまた案内要素２１およびＬ形シール要素２０を有している。

シール装置の単純化もまた考えられる。即ち、シール要素および案内要素の機能を受け持つ単一部品を構成することが可能である。このような部品が図２に示されている。部品２５はリング状であり且つ三脚断面を有している。この脚の１つ２８は保持部分として働き、これにより部品をピストンに保持することができる。第２の脚２６はシール要素として働き且つ最大直径Ｄを有している。第３の脚２７は案内要素の機能を受け持っている。その最大直径Ｆは脚２６の最大直径Ｄより小さい。したがって、脚２７は振り子運動においてのみシリンダ内壁と接触することが保証されている。脚２６の剛性は脚２７の剛性より小さく、この場合、脚２７は、弾性によるばね作用および減衰作用を有するのに十分に柔軟である。

図３は１つの改善実施例を示す。図３の上部部分ａ）に、ピストン蓋２ｂのピストン軸に沿った断面図が示されている。ピストン・ピン・アイ３２内にピストン・ピン３３が保持され、ピストン・ピン３３は連接棒３１のアイ内に差し込まれ、且つそこで、例えば図示されていない転がり軸受により回転可能に支持されている。図３のピストン蓋の上方に、矢印によりピストンの運動が示されている。即ち、一方で理想的な直線運動Ｌ（左側）および他方で理想的なふらつき運動Ｔ（右側）が示されている。図３の部分ｂ）は、ピストン蓋の線Ａ−Ａによる断面図を示す。小さい矢印は、ふらつき運動Ｔにより発生される主荷重の位置を示す。２つの部分図ａ）およびｂ）内において、符号３は円形Ｌ形シール要素を示し、および符号６はエラストマー・リングとして形成されている減衰要素を示す。ふらつき運動が発生したとき、Ｌ形シール要素は、主として、部分図ｂ）内の矢印により示された位置においてピストン蓋の中心方向に圧着される。この場合、それに対応して大きな横変位があったときに減衰要素６が接触し、減衰要素６は弾性範囲内において変形される。改善は、減衰要素がその中で案内される円形溝の周囲に沿って少なくとも１つのフライス切削面３４を設けることにある。このフライス切削面は、減衰要素が変形の間にその中に伸長可能な空間を提供する。この空間がない場合、このとき締付けが発生することがあり、即ち、減衰要素は溝内面とＬ形シール要素との間の隙間を完全に充満し、これにより、シール要素をシリンダ内壁に強く圧着させる。この例においては、周囲に沿った主荷重位置に対して９０°オフセットされた２つの割線状フライス切削面が示されている。

ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置の、一定縮尺によらない断面図である。 一体部品の断面図である。 ピストン蓋の、ａ）シリンダ軸縦方向断面図およびｂ）正面図である。

符号の説明

１ シリンダ
２ａ ピストン胴
２ｂ ピストン蓋
２ｃ ピストン底
３、２０ シール要素
４、２１ 案内要素
５ 圧縮室
６ 減衰要素
７ スペーサ
１０ 開口
１１ ガス出口
１２ 弁蓋
１３ 弁ばね
１４ 弁座
１５ ハウジング
２５ 単一部品
２６、２７、２８ 脚
３１ 連接棒
３２ ピストン・ピン・アイ
３３ ピストン・ピン
３４ フライス切削面
Ｄ シール要素直径
Ｆ 案内要素直径
Ｌ 直線運動
Ｔ ふらつき運動
Ｚ シリンダ内径

Claims (10)

1. シリンダ内壁と、およびシリンダ（１）内に移動可能に支持されたピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）との間を、Ｌ形に形成された少なくとも１つのリング状シール要素（３）を用いてシールするための、ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置であって、この場合、前記Ｌ形シール要素の片方の脚が静的シールのためにピストンに固定支持され、およびシール要素の他方の自由脚が動的にシールするようにシリンダ内壁に当接している、前記ピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置において、
   ピストンとシリンダとの間における、シール要素の、圧縮室（５）から離れた側において、ピストンにリング状案内要素（４）が配置されていることを特徴とするピストン真空ポンプのシリンダ／ピストン装置用シール装置。
2. 案内要素（４）が多脚断面を有し、および片方の脚が（案内要素の軸方向位置を確保するために）ピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）に固定されていることを特徴とする請求項１のシール装置。
3. ピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）とＬ形シール要素自由脚との間に、減衰要素（６）が配置されていることを特徴とする請求項１または２のシール装置。
4. 減衰要素（６）が円形溝内に配置され、円形溝が少なくとも１つのフライス切削面（３４）を有することを特徴とする請求項３のシール装置。
5. 圧縮室（５）から離れた側のピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）端部に、Ｌ形断面を有する第２のリング状シール（２０）が配置され、この場合、Ｌ形の片方の脚が自由であり且つ圧縮室から離れる方向に配置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかのシール装置。
6. 圧縮室（５）と第２のシール（２０）との間においてピストン（２ａ、２ｂ、２ｃ）に、第２のリング状案内要素（２１）が、ピストンとシリンダ内壁との間に配置されていることを特徴とする請求項５のシール装置。
7. 案内要素（４）の剛性は、一方でＬ形シール要素の剛性より高いが、他方で弾性ばね機能を保証するのに十分に小さいことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかのシール装置。
8. 案内要素（４）の直径Ｆがシリンダ（１）の内径Ｚより小さいことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかのシール装置。
9. シール要素（３）と案内要素（４）との間にリング状スペーサ（７）が配置されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかのシール装置。
10. シール要素（３）および案内要素（４）が単一部品（２５）に統合されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかのシール装置。

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