WO2004076860A1 - Kolbenpumpe, vorzugsweise kolbenvakuumpumpe, mit auslassventil - Google Patents

Kolbenpumpe, vorzugsweise kolbenvakuumpumpe, mit auslassventil Download PDF

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Hans-Josef Burghard
Rudolf Bahnen
Josef Hodapp
Peter Langer
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Leybold Vakuum Gmbh
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    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/12—Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons
    • F04B53/121—Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons the valve being an annular ring surrounding the piston, e.g. an O-ring

Definitions

  • Piston pump preferably piston vacuum pump, with outlet valve
  • the invention relates to a piston pump, preferably a piston vacuum pump with the features of the preamble of patent claim 1.
  • the present invention is therefore based on the object of designing a piston pump, preferably a piston vacuum pump, in such a way that an increase in the stroke frequency is also associated with an improvement in its delivery properties, in particular its vacuum technology properties.
  • the invention is based on the knowledge gained in piston vacuum pumps that the design of the exhaust valves was the cause of the unsatisfactory results of the aforementioned tests, i.e. that an increase in the vacuum properties cannot be achieved simply by increasing the stroke frequency.
  • Vacuum pumps according to the invention have a higher pumping speed and achieve lower final pressures.
  • piston pumps that are used in pressure ranges that are above atmospheric pressure. Further advantages and details of the invention are based on shown in the Figures 1 to 5 embodiments of the piston / cylinder assemblies which are suitable for use in piston pumps or 'piston vacuum pumps, will be explained. Show it
  • FIGS. 1 and 2 a solution with a valve disk guided by spring arms
  • Figure 3 shows a solution with elastomeric projections on the end face of the piston
  • the respective piston / cylinder arrangement is denoted by 1, the cylinder by 2, the piston by .3, the exhaust valve assigned to the end face 4 of the piston 3 by 5 and the valve plate of the exhaust valve 5 by 6.
  • the cylinder 2 is formed by a bore in the pump housing or block 8.
  • the gas inlet takes place via an annular groove 9 in the cylinder wall, which is connected to the inlet of the pump in a manner not shown.
  • the piston releases the annular groove 9, so that gases can flow into the displacement.
  • the outlet valve 5 is opened.
  • the valve disk 6 is part of the outlet valve 5. It is located in an outlet chamber 11, to which the outlet line 12 is connected.
  • the diameter of the valve plate 6 is larger than the diameter of the piston 3.
  • the front edge of the cylinder 2 has the function of the valve seat 13.
  • the valve plate 6 is equipped with at least two holding arms 15. They are either clamped themselves or (as shown) via an outer ring 16 in the housing.
  • the holding arms 15 do not extend directly radially but in sections approximately peripherally. This design allows the valve plate to move out of the level. ne of the clamped ring 16 out.
  • the holding arms 15 generate the desired restoring forces with such a movement.
  • the valve 5 is generally actuated by the piston 3. Only at the beginning of an operating phase can the amount of gas delivered be so large that already compressed delivery medium initiates the opening movement of the valve plate 6.
  • the position of the piston at the top dead center is selected so that it has a small projection, that is to say that it projects into the outlet space 11 in this position. When it moves to the top dead center, it lifts the valve plate 6 from its seat 13 and thus opens the valve 5. During its subsequent downward movement, the holding arms 15 cause the valve 5 to close.
  • several measures - alone or in combination - are proposed:
  • the valve disk 6 has the smallest possible mass to be accelerated. It expediently consists of sheet steel and has a thickness of 0.2 to 0.5 mm, preferably 0.3 to 0.4 mm.
  • the material of the valve plate 6 and the holding arms 15 has a high rigidity C.
  • the rigidity C is part of the formula
  • ⁇ is the resonance frequency and m is the mass of the valve head.
  • w is significantly less than the stroke frequency, maximum one third of the stroke frequency of the piston (> 1200 Hz).
  • the risk of the valve disc buckling is reduced, which also leads to delays in sealing the work area.
  • the holding arms 15 are made as short as possible in order to achieve high restoring forces.
  • the protrusion of the piston 3 is selected so that the opening stroke of the valve plate 6 is limited to up to 1 mm.
  • a short overlap also has the effect that the acceleration of the valve plate 6 is small.
  • a stroke catcher 18 is assigned to the valve plate 6.
  • the stroke catcher 18 is arranged essentially centrally with respect to the piston 3 behind the valve plate 6 and is expediently made of elastomeric material in order to achieve a soft and resilient limitation of the stroke.
  • Figure 3 shows a solution in which the piston has no protrusion. Its end face 4 is equipped in a manner known per se with projections 19 which serve the opening movement of the valve plate 6. The closing movement of the valve plate 6 produces a spring 21 made of the lightest possible material, since it is part of the valve mass.
  • the projections 19 consist of a relatively soft elastomer, which deform elastically when touching the valve disk and thus on the one hand limit the acceleration of the valve mass and on the other hand contribute to the rapid closing movement. Silicon or similar materials are expedient as materials.
  • the piston 3 is provided with a • Magnet 23 equipped, for example, as shown with a magnetic ring 23 inside the hollow piston 3.
  • the material of the valve plate 6 is selected so that the magnet 23 exerts an attractive effect on it. It is thereby achieved that the valve plate 6 is held by the end face 4 of the piston 3 during its opening movement, which in this solution has an overhang at the top dead center. A completely dead space-free opening of valve 5 with an optimally short valve opening time is possible. Even the spring 21 can be omitted.
  • both the piston 3 and the valve plate 6 are equipped with a magnet 23 or 24.
  • the polarity of the magnets 23, 24 is chosen so that they repel each other.
  • the valve 5 opens before the piston contacts the valve plate 6.
  • the acceleration pulse exerted on the valve plate 6 can be kept small. Very short valve working times can be achieved in particular in connection with one or more lift catchers 18. Another advantage is that this solution is quiet since the piston 3 and valve plate 6 do not touch.
  • the aim of the present invention is to strive for the ideal case in which the valve plate 6 exactly follows the movement of the piston 3 (or the movement of projections 19 on the piston). This is not the case with the prior art.
  • the piston takes the valve plate with it during the valve opening phase (valve opening time). After reaching the top dead center of the piston, however, the valve plate continues its opening movement due to the acceleration forces exerted on it. Contact with the piston is released. Only after further uncontrolled oscillatory movements It begins its closing movement, which results in a relatively long valve closing time due to the delayed closing movement of the valve plate compared to the piston movement, which is further extended if the valve plate continues to oscillate after it has been placed on its seat.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit mindestens einem zylinder (2) und einem Kolben (3), mit einem Antrieb für den Kolben sowie mit einem Auslassventil (5); das Verschlussstück des Auslassventils (5) ist ein Ventilteller (6), der einer Stirnseite des Kolbens (3) zugeordnet ist; der Durchmesser des Ventiltellers (6) ist grösser als der Durchmesser des Kolbens (3); der im Bereich der Stirnseite (4) des Kolbens (3) befindliche Rand des Zylinders (2) bildet den Ventilsitz (13); das der Öffnungsbewegung dienende Betätigungsglied des Ventiltellers (6) ist der Kolben (3), dem Ventilteller (6) sind Mittel zugeordnet, die auf den Ventilteller (6) Kräfte in Schliessrichtung ausüben; um die Hubfrequenz erhöhen zu können, wird vorgeschlagen, dass das Auslassventil ein schnell schliessendes Ventil ist.

Description

Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit Auslassventil
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aus der DE-A-196 34 517 ist eine Kolbenvakuumpύmpe mit einem Auslassventil der hier betroffenen Art bekannt. Der Antrieb der Kolben erfolgt über eine Kurbelwelle und über Pleuelstangen. Die Verwendung eines Kurbeltriebs erlaubt es, Kolbenpumpen dieser Art mit relativ großem Hub- und mit relativ niedrigen Drehzahlen, d.h. mit niedrigen Hubfrequenzen zu betreiben. Unter diesen Voraussetzungen erfüllen die in der genannten Schrift offenbarten Auslassventile ihre Funktion.
Aus der jüngeren Schrift WO 00/63555 ist bekannt, bei Kolbenvakuumpumpen einen Linearantrieb (Schwingkolbenantrieb; Reluktanzantrieb, Exzenterantrieb o. dgl . ) zu verwenden. Maschinen dieser Art werden mit kleinerem Hub und höheren Hubfrequenzen (Hub etwa 20 mm, Hubfrequenz 30 bis 50 Hz) betrieben. Versuche mit Kolbenvakuumpumpen dieser Art ergaben jedoch, dass ihre vakuumtechnischen Eigenschaften (Enddruck, Saugvermögen) trotz maßgeblicher Erhöhung der Hubfrequenz nicht wesentlich verbessert werden konnten.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, derart auszubilden, dass mit einer Erhöhung der Hubfrequenz auch eine Verbesserung ihrer Fördereigenschaften, insbesondere ihrer vakuumtechnischen Eigenschaften, verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Die Erfindung beruht auf der bei Kolbenvakuumpumpen gewonnenen Erkenntnisse, dass die Konstruktion der Auslaßventile die Ursache der unbefriedigenden Ergebnisse der erwähnten Versuche waren, d.h. dass allein mit einer Erhöhung der Hubfrequenz eine Verbesserung der- vakuumtechnischen Eigenschaften nicht erreicht werden kann.
Durch die erfindungsgemäße Verwendung von schnei1- schließenden Auslassventilen wird eine maßgebliche Verkürzung der Ventilschließzeit, und damit der Ventilarbeitsphase insgesamt erreicht. Schädliche Rückströmungen der vom Kolben geförderten und durch das Auslassventil ausgestoßenen Gase sind vernachlässigbar. Vakuumpumpen nach der Erfindung haben ein höheres Saugvermögen und erreichen niedrigere Enddrücke. Entsprechende Vorteile werden bei Kolbenpumpen erreicht, die in Druckbereichen eingesetzt werden, die über dem Atmosphärendruck liegen. Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen für Kolben-/Zylinder-Anordnungen, die für den Einsatz in Kolbenpumpen bzw.' Kolbenvakuumpumpen geeignet sind, erläutert werden. Es zeigen
Figuren 1 und 2 eine Lösung mit einem von Federarmen geführten Ventilteller,
Figur 3 eine Lösung mit elastomeren Vorsprüngen auf der Stirnseite des Kolbens und
Figuren 4 und 5 Lösungen mit Magneten.
In allen Figuren sind die jeweilige Kolben-/Zylinder- Anordnung mit 1, der Zylinder mit 2, der Kolben mit .3, das der Stirnseite 4 des Kolbens 3 zugeordnete Auslassventil mit 5 und der Ventilteller des Auslassventils 5 mit 6 bezeichnet.
Der Zylinder 2 wird von einer Bohrung im Pumpengehäuse oder -block 8 gebildet. Der Gaseinlass erfolgt über eine Ringnut 9 in der Zylinderwand, welche in nicht näher dargestellter Weise mit dem Einlass der Pumpe in Verbindung steht. In seinem - in Bezug auf die gewählten Darstellungen - unteren Totpunkt gibt der Kolben die Ringnut 9. frei, so dass Gase in den Hubraum einströmen können. Während des Durchganges der Kolbenbewegung durch seinen oberen Totpunkt erfolgt die Öffnung des Auslassventils 5. Bestandteil des Auslassventils 5 ist der Ventilteller 6. Er befindet sich in einer Auslasskammer 11, an die sich die Auslassleitung 12 anschließt. Der Durchmesser des Ventiltellers 6 ist größer als der Durchmesser des Kolbens 3. Der stirnseitige Rand des Zylinders 2 hat die Funktion des Ventilsitzes 13.
Bei der Ausführung nach den Figuren 1 und 2 ist der Ventilteller 6 mit mindestens 2 Haltearmen 15 ausgerüstet. Sie sind entweder selbst oder (wie dargestellt) über einen äußeren Ring 16 im Gehäuse eingespannt. Die Haltearme 15 erstrecken sich nicht unmittelbar radial sondern abschnittsweise etwa peripher. Diese Gestaltung ermöglicht eine Bewegung des Ventiltellers aus der Ebe- . ne des eingespannten Ringes 16 heraus. Die Haltearme 15 erzeugen bei einer solchen Bewegung die gewünschten Rückstellkräfte.
Die Betätigung des Ventils 5 erfolgt in der Regel durch den Kolben 3. Nur zu Beginn einer Betriebsphase kann die geförderte Gasmenge, so groß sein, dass bereits komprimiertes Fördermedium die Öffnungsbewegung des Ventiltellers 6 einleitet. Die Stellung des Kolbens im oberen Totpunkt ist so gewählt, dass er einen geringen Überstand hat, d.h., dass er in dieser Lage in den Auslassraum 11 hinein ragt. Bei seiner Bewegung zum oberen Totpunkt hebt er den Ventilteller 6 von seinem Sitz 13 ab und öffnet damit das Ventil 5. Bei seiner sich anschließenden Bewegung nach unten bewirken die Haltearme 15 die Schließung des Ventils 5. Um entsprechend der gestellten Aufgabe ein schnelles Schließen des Ventils, werden mehrere Maßnahmen - allein oder in Kombination - vorgeschlagen:
Der Ventilteller 6 hat eine möglichst kleine zu beschleunigende Masse. Zweckmäßig besteht er aus Stahlblech und hat eine Dicke von 0,2 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 mm.
Der Werkstoff des Ventiltellers 6 und der Haltearme 15 hat eine hohe Steifigkeit C. Die Steifigkeit C ist Bestandteil der Formel
m
wobei ω die Resonanzfrequenz und m die Masse des Ventiltellers sind. Zweckmäßig ist w wesentlich kleiner als die Hubfrequenz, maximal ein Drittel der Hubfrequenz des Kolbens (> 1200 Hz) . Gleichzeitig wird bei einer hohen Steifigkeit die Gefahr des Wölbens des Ventiltellers reduziert, was ebenfalls zu Verzögerungen beim Abdichten des Arbeits- raumes führt.
Die Haltearme 15 sind so kurz wie möglich ausgebildet, um hohe Rückstellkräfte zu erzielen.
Der Überstand des Kolbens 3 ist so gewählt, dass der Öffnungshub des Ventiltellers 6 auf bis zu 1 mm begrenzt ist. Ein kurzer Überstand hat außerdem die Wirkung, dass die Beschleunigung des Ventiltellers 6 klein ist.
Dem Ventilteller 6 ist ein Hubfänger 18 zugeordnet. Der Hubfänger 18 ist - in Bezug auf den Kolben 3 - im wesentlichen zentrisch hinter dem Ventilteller 6 angeordnet und besteht zweckmäßig aus elastomerem Werkstoff, um eine weiche und federnde Begrenzung des Hubs zu erreichen.
Aus Fertigungstoleranzgründen ist es häufig schwierig, den erfindungsgemäß angestrebten, relativ kleinen Kolbenüberstand zu realisieren. Figur 3 zeigt eine Lösung, bei der der Kolben keinen Überstand hat. Seine Stirnseite 4 ist in an sich bekannter Weise mit Vorsprüngen 19 ausgerüstet, die der Öffnungsbewegung des Ventiltellers 6 dienen. Die Schließbewegung des Ventiltellers 6 erzeugt eine Feder 21 aus möglichst leichtem Werkstoff, da sie Bestandteil der Ventilmasse ist.
Im Gegensatz zum Stand der Technik bestehen die Vorsprünge 19 aus einem relativ weichen Elastomer, die sich bei der Berührung des Ventiltellers elastisch ver- formen und so zum einen die Beschleunigung der Ventilmasse begrenzen und zum anderen zur schnellen Schließbewegung beitragen. Als Werkstoffe sind Silikon oder ähnliche Materialien zweckmäßig.
Bei den Lösungen nach den Figuren 4 und 5 wird zur Erreichung schneller Ventilschließzeiten von Magnetkräften Gebrauch gemacht. Bei der Lösung nach Figur 4 ist der Kolben 3 in seinem stirnseitigen Bereich mit einem • Magneten 23 ausgerüstet, z.B. wie dargestellt mit einem Magnetring 23 im Inneren des hohlen Kolbens 3. Der Werkstoff des Ventiltellers 6 ist so gewählt, dass der Magnet 23 eine anziehende Wirkung auf ihn ausübt. Dadurch wird erreicht, dass der Ventilteller 6 während seiner Öffnungsbewegung von der Stirnseite 4 des Kolbens 3 , der bei dieser Lösung im oberen Totpunkt einen Überstand hat, festgehalten wird. Eine völlig totraumfreie Öffnung des Ventils 5 mit optimal kurzer Ventilöffnungszeit ist möglich. Selbst die Feder 21 kann entfallen.
Die Lösung nach Figur 4 kann auch dann verwendet werden, wenn der Kolben im oberen Totpunkt keinen Überstand hat, d.h. Vorsprünge 19 der zu Figur 3 beschriebenen Art eingesetzt werden müssen.
Bei der Ausführung nach Figur 5 sind sowohl der Kolben 3 als auch der Ventilteller 6 mit einem Magneten 23 bzw. 24 ausgerüstet. Die Polarität der Magneten 23, 24 ist so gewählt, dass sie einander abstoßen. Als spezielle Lösung ist der Einsatz von zwei Magnetringen 23 und 24 etwa gleichen Durchmessers ' zweckmäßig, von den sich der Magnetring 24 - bezogen auf den Kolben 3 - auf der Rückseite des Ventiltellers 6 befindet. In dieser Ausführung öffnet das Ventil 5, bevor der Kolben den Ventilteller 6 berührt. Der auf den Ventilteller 6 ausgeübte Beschleunigungsimpuls kann klein gehalten werden. Insbesondere in Verbindung mit einem oder mehreren Hubfängern 18 können sehr kurze Ventilarbeitszeiten erreicht werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Lösung geräuscharm ist, da sich Kolben 3 und Ventilteller 6 nicht berühren.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, den Idealfall anzustreben, bei dem der Ventilteller 6 exakt der Bewegung des Kolbens 3 (bzw. der Bewegung von Vorsprüngen 19 auf dem Kolben) folgt. Beim Stand der Technik ist das nicht der Fall. Der Kolben nimmt zwar während der Ventilöffnungsphase ( (Ventilöffnungszeit) den Ventilteller mit. Nach dem Erreichen des oberen Totpunktes des Kolbens setzt jedoch der Ventilteller aufgrund der auf ihn ausgeübten Beschleunigungskräfte seine Öffnungsbewegung fort . Der Kontakt mit dem Kolben wird aufgehoben. Erst nach weiteren unkontrollierten Schwingungsbewegungen beginnt er seine Schließbewegung. Aufgrund dieser gegenüber der Kolbenbewegung verzögerten Schließbewegung des Ventiltellers ergeben sich die relativ langen Ventilschließzeiten. Diese werden noch verlängert, wenn der Ventilteller auch noch nach seinem Aufsetzen auf seinem Sitz Schwingungsbewegungen ausführt .
Gemäß den Vorschlägen nach der Erfindung werden kürzere Ventilschließzeiten und damit Veritilarbeitszeiten insgesamt erreicht. Bei leichten Ventiltellern sind die ausgeübten Beschleunigungskräfte kleiner. Erhöhte Stei- figkeiten verhindern die beschriebenen Schwingungsbewegungen.

Claims

Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit AuslassventilPATENTANSPRUCHE
1. Kolbenpumpe, vorzugsweise Kolbenvakuumpumpe, mit mindestens einem Zylinder (2) und einem Kolben
(3), mit einem Antrieb für den Kolben sowie mit einem Auslassventil (5) ; das Verschlussstück des Auslassventils (5) ist ein Ventilteller (6) , der einer Stirnseite des Kolbens (3) zugeordnet ist; der Durchmesser des Ventiltellers (6) ist größer als der Durchmesser des Kolbens (3); der im Bereich der Stirnseite (4) des Kolbens (3) befindliche Rand des Zylinders (2) bildet den Ventilsitz
(13); das der Öffnungsbewegung dienende Betätigungsglied des Ventiltellers (6) ist der Kolben
(3); dem Ventilteller (6) sind Mittel zugeordnet, die auf den Ventilteller (6) Kräfte in Schließrichtung ausüben; das Auslassventil (5) ist dadurch gekennzeichnet, dass es ein schnell schließendes Ventil ist.
2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die Schließbewegung des Ventiltel- lers (6) Mittel (15,21) zur Erzeugung von Federkräften vorgesehen sind und dass der Ventilteller (6) eine möglichst kleine Masse hat.
3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) mit federnden Haltearmen (15) ausgerüstet ist, deren Enden im Gehäuse (8) eingespannt sind.
4. Kolbenpumpe nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) unter der Wirkung einer Feder (21) aus möglichst leichtem Werkstoff besteht.
5. Kolbenpumpe nach Anspruch 2 , 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller (6) aus Stahlblech mit einer Dicke von 0,2 bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,3 bis 0,4 mm, besteht.
6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilteller eine relativ große Steifigkeit besitzt.
7. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) einen Magneten (23) aufweist, der auf den Ventilteller (6) eine anziehende Wirkung ausübt.
8. Kolbenpumpe nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass der Magnet (23) ringförmig ausgebildet ist und stirnseitig im Inneren des hohlen Kolbens (3) angeordnet ist.
9. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Kolben (3) als auch der Ventilteller (6) mit jeweils einem Magneten (23,24) ausgerüstet ist und dass die Polaritäten der Magneten so. gewählt sind, dass sie einander abstoßen.
10. Kolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass beide Magneten (23, 24) ringförmig ausgebildet und etwa konzentrisch angeordnet sind.
11. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungshub des Ventiltellers (6) auf bis zu 1 mm begrenzt ist.
12. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass . die Stirnseite (4) des Kolbens (3) mit VorSprüngen (19) ausgerüstet sind.
13. Kolbenpumpe nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorsprünge (19) aus einem relativ weichen Elastomer bestehen.
14. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurc gekennzeichnet, dass dem Ventilteller (6) ein oder mehrere. Hubfänger zugeordnet sind.
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