WO2004106739A1 - Piston vacuum pump - Google Patents

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WO2004106739A1
WO2004106739A1 PCT/EP2004/005651 EP2004005651W WO2004106739A1 WO 2004106739 A1 WO2004106739 A1 WO 2004106739A1 EP 2004005651 W EP2004005651 W EP 2004005651W WO 2004106739 A1 WO2004106739 A1 WO 2004106739A1
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WO
WIPO (PCT)
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compression stage
piston
compression
cylinder
gas
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/005651
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German (de)
French (fr)
Inventor
Peter Langer
Rainer Hölzer
Original Assignee
Leybold Vakuum Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Leybold Vakuum Gmbh filed Critical Leybold Vakuum Gmbh
Publication of WO2004106739A1 publication Critical patent/WO2004106739A1/en

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F04B25/005—Multi-stage pumps with two cylinders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B25/00—Multi-stage pumps
    • F04B25/02—Multi-stage pumps of stepped piston type

Definitions

  • the invention relates to a vacuum piston pump with a single lifting body, which has a piston at each of its two longitudinal ends, each of which oscillates in a cylinder and forms a first and a second compression stage with this cylinder.
  • Such a vacuum piston pump is known from DE-A-101 49 506 and WO 00/63556.
  • the two compression stages are connected in series by a gas connecting line for multi-stage compression.
  • the displacement of the two compression stages is the same, so that the first is particularly high at high inlet pressures Compression stage in the second compression stage, a significant over-compression is generated, which requires a relatively high drive power.
  • the object of the invention is to provide a vacuum piston pump which manages with a relatively low drive power.
  • vacuum pump is the greater of the piston and the cylinder 'of the first compression stage defined swept volume than that of the second compression stage. 'In this way, the pumping speed of the two compression stages is adapted to one another that in the second compression stage a substantial over-compression is avoided. As a result, less drive power is required for gas compression in the second compression stage.
  • the displacement difference between the first and the second compression stage is preferably realized in that the diameter of the circular piston and the circular cylinder of the first compression stage is larger than the diameter of the cylinder and the piston of the second compression stage.
  • a single lifting body which has pistons with a different cross-section and thus pistons with different lifting volumes, can be realized at its two longitudinal ends.
  • the area between the two pistons is a transition area which is not used for the longitudinal guidance of the lifting body and in which a radial step with a radial step height of approximately half the difference in the diameter of the two pistons is provided.
  • the piston of the second compression stage is smaller.
  • the sealing of the piston with respect to the cylinder is considerably improved, since the circumference of the gap between the piston and the cylinder is also reduced as the piston diameter is reduced.
  • the backflow losses particularly in the case of dry-running piston pumps, are considerably reduced.
  • the gas connecting line between the first compression stage and the second compression stage is arranged exclusively in the lifting body.
  • the shortest possible route is realized for the connecting line between the two compression stages.
  • the connecting line is preferably arranged between an outlet valve of the first compression stage and an inlet valve of the second compression stage, the outlet valve and the inlet valve being arranged on the respective piston end wall.
  • the gas from the first Compression stage thus reaches the shortest route through the outlet valve in the piston end wall into the connecting line in the lifting body and from there through the inlet valve on the piston end wall of the opposite piston into the compression chamber of the second compression stage.
  • the lifting body has a gas intermediate store in the course of the connecting line, the volume of which is greater than the displacement of the second compression stage.
  • the pressure acting on the outlet valve of the first compression stage and the pressure on the inlet valve of the second compression stage is kept more constant during the entire working cycle of the lifting body than would be the case with a small-volume connection between the two compression stages.
  • the pumping speed of the piston pump is improved and a lower pressure can be achieved on the suction side of the piston pump.
  • a strong negative pressure in the compression space of the second stage can thereby be avoided during the entire suction stroke of the second compression stage. This in turn significantly reduces the drive power required for the suction stroke.
  • the gas inlet of the first compression stage is formed by an inlet valve in the piston end wall.
  • the inlet valve is designed as a check valve.
  • gas can flow into the compression chamber through a piston pump inlet already during the beginning suction stroke of the piston of the first compression stage.
  • the gas overflows Corresponding openings in the cylinder and in the piston wall through a closed cylinder interior and finally through the inlet valve in the piston end wall of the first compression stage into the compression chamber during the start of the suction stroke of the piston of the first compression stage.
  • Fig. 1 shows a piston vacuum pump according to the invention with a conventional piston pump gas inlet
  • Fig. 2 shows a second embodiment of a piston vacuum pump according to the invention, in which a gas inlet for the first compression stage is provided in the piston end wall.
  • FIGS. 1 and 2 each show an embodiment of a vacuum piston pump 10, 110, each of which has a first compression stage 11 and a second compression stage 12 arranged in series behind it.
  • the piston pumps 10, 110 each have a single lifting body 14, 114, which has a piston 16, 116, 18 on each of its two longitudinal ends.
  • the pistons 16, 116, 18 and the cylinders 20, 22 are each circular in cross section. Every piston 16,116,18 each oscillates in a cylinder 20,22.
  • the pistons 16, 116, 18 form together with the cylinders 20, 22 assigned to them .
  • the lifting body 14,114 oscillates in the longitudinal direction, whereby the piston 16,116,18 respectively in the longitudinal direction into the associated cylinders 20 oscillate '22nd
  • the lifting body 14, 114 is driven contactlessly by an electromagnetic linear drive, which is not shown.
  • the piston pumps 10, 110 are operated dry, ie without lubricant. In order to make this possible, appropriate materials are selected for the sliding surfaces of the pistons 16, 116, 18 and the cylinders 20, 22.
  • a compression space 24, 26 of different sizes is formed by the piston 16, 116, 18 and the associated cylinder 20, 22.
  • the compression space 24 of the first low-pressure side compression stage 11 is larger than the compression space 26 of the second high-pressure side compression stage 12.
  • the piston and cylinder diameter of the first compression stage 11 is approximately 40 mm, while the diameter of the piston 18 and the cylinder 22 of the second compression stage 12 is approximately 18 mm. While the two pistons 16, 116, 18 are each guided in the associated cylinders 20, 22, the central region of the lifting body 14 is arranged without guidance in a correspondingly enlarged cavity 23.
  • the gas to be pumped out of a recipient passes via a piston pump gas inlet 28 and a cylinder wall inlet valve 30 directly into the compression space 24 of the first compression stage 11 when the piston 16, 116 is in its suction end position or its initial compression position and releases the cylinder wall intake valve 30.
  • the cylinder wall inlet valve 30 is designed as a circumferential annular narrow groove in the cylinder wall.
  • the gas compressed in the compression chamber 24 of the first compression stage 11 passes through an outlet valve 32 into an interior space in the lifting body 14, which extends approximately over the entire length of the lifting body 14.
  • the interior is not designed as a small-volume line, but rather as a large-volume gas buffer store 34, which, however, also forms the connecting line between the first compression stage 11 and the second compression stage 12.
  • the volume of the gas buffer store 34, 34 ', 35 is larger than the compression space 26 of the second compression stage 12.
  • the pressure-controlled outlet valve 32, 132 of the first compression stage 11 is formed by openings 40, 140 in the end wall 42, 142, and a stiffly biased inside the end wall 42, 142 Valve pressure plate 44.144, a compression spring 46.146 and an opening pin 48.148.
  • the opening pin 48, 148 abuts against the cylinder end wall 50, whereby the exhaust valve 32, 132 is opened and the compressed gas from the compression space 24 into the gas buffer store 34, 34 ', 35 in the lifting body 14, 114 flows.
  • the forced opening also ensures opening in the final pressure mode.
  • the outlet valve of the first compression stage 11 can also be positively controlled.
  • an inlet valve 54 is arranged, through which the Gas can flow from the gas buffer store 34, 34 ', 35 into the compression space 26 of the second compression stage 12.
  • the inlet valve 54 is designed as a pressure-controlled spring tongue valve and opens or remains open as long as the pressure in the gas intermediate store is slightly above the pressure in the compression chamber 26 of the second compression stage 12. This is the case in particular during the suction stroke of the piston 18 of the second compression stage 12.
  • the inlet valve can also be designed as an inertia-controlled valve lobe valve.
  • the end wall of the cylinder 22 or the compression space 26 of the second compression stage 12 is formed by a valve plate 60 of an outlet valve 62, which is biased in the closed position by a compression spring 64.
  • the outlet valve 62 is designed as a check valve and opens as soon as the pressure in the compression space 26 of the second compression stage 12 is slightly above the atmospheric pressure which is present at the rear of the valve plate 60. The gas finally flows out of the piston pump through the opened outlet valve 62 through a lateral piston pump gas outlet 80 at approximately atmospheric pressure.
  • the vacuum piston pump 110 of FIG. 2 also has an additional inlet valve 70, which opens during the initial phase of the suction stroke of the piston 116 of the first compression stage 11 in question and allows gas to flow from the gas inlet 28 into the compression chamber 24.
  • an additional inlet valve 70 is designed as a check valve and is formed by an elastic valve plate 78.
  • the additional inlet valve 70 opens during the suction stroke as soon as the gas pressure in the compression space 24 is slightly below the gas pressure in the inlet space 76.
  • the opening of the inlet valve 70 is triggered by the pressure difference, but can also be triggered by inertia forces in another embodiment. As a result, an extreme negative pressure in the compression space 24 is avoided during the suction stroke of the first compression stage, so that the drive power required for the suction stroke is relatively small.
  • the suction pressure at the piston pump gas inlet 28 is in the so-called final pressure mode, i.e. when the target pressures are reached, below 10 mbar.
  • the pressure in the gas intermediate store 34, 34 ', 35 is between 10 and 100 mbar in the final pressure mode.
  • the pressure in the compression chamber 26 of the second compression stage 12 and in the piston pump gas outlet 80 is approximately 30 mbar above atmospheric pressure.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Compressors, Vaccum Pumps And Other Relevant Systems (AREA)

Abstract

The invention relates to a piston vacuum pump (10) with a single reciprocating body (14), comprising a piston (16,18) at each longitudinal end, which each reciprocate in a cylinder (20,22) and, together with said cylinder (20,22), form a first and a second compression stage (11,12). Both compression stages (11,12) are connected to each other by means of a gas connector line (11), whereby the first compression stage (11) precedes the second compression stage (12) in series. The compression chamber (24), formed by the piston (16) and the cylinder (20) of the first compression stage (11), is larger than the compression chamber (26), formed by the piston (18) and the cylinder (22) of the second compression stage (12). Overcompression in the second compression stage is thus reduced on beginning the evacuation of a container. The cross-sectional area of the gap between the piston (18) and the cylinder (22) of the second compression stage is reduced, whereby the pumping effect of the second compression stage is improved.

Description

Vakuum-Kolbenpumpe Vacuum piston pump
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuum-Kolbenpumpe mit einem einzigen Hubkörper, .der an seinen beiden Längsenden jeweils einen Kolben aufweist, der jeweils in einem Zylinder oszilliert und mit diesem Zylinder eine erste und eine zweite Kompressionsstufe bildet.The invention relates to a vacuum piston pump with a single lifting body, which has a piston at each of its two longitudinal ends, each of which oscillates in a cylinder and forms a first and a second compression stage with this cylinder.
Eine derartige Vakuum-Kolbenpumpe ist aus DE-A-101 49 506 und WO 00/63556 bekannt. Bei diesen Kolbenpumpen werden für eine mehrstufige Verdichtung die zwei Kompressionsstufen durch eine Gas-Verbindungsleitung in Reihe miteinander verbunden. Der Hubraum der beiden Kompressionsstufen ist gleich, so dass insbesondere bei hohen Eingangsdrücken der ersten Kompressionsstufe in der zweiten Kompressionsstufe eine erhebliche Überkompression erzeugt wird, die eine relativ hohe Antriebsleistung erfordert.Such a vacuum piston pump is known from DE-A-101 49 506 and WO 00/63556. With these piston pumps, the two compression stages are connected in series by a gas connecting line for multi-stage compression. The displacement of the two compression stages is the same, so that the first is particularly high at high inlet pressures Compression stage in the second compression stage, a significant over-compression is generated, which requires a relatively high drive power.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuum-Kolbenpumpe zu schaffen, die mit einer relativ geringen Antriebsleistung auskommt .The object of the invention is to provide a vacuum piston pump which manages with a relatively low drive power.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst:This object is achieved according to the invention with the features of claim 1:
Bei der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist der von dem Kolben und dem Zylinder 'der ersten Kompressionsstufe definierte Hubraum größer als der der zweiten Kompressionsstufe.' Hierdurch ist das Saugvermögen der beiden Kompressionsstufen derart aneinander angepasst, dass in der zweiten Kompressionsstufe eine erhebliche Überkompression vermieden wird. Hierdurch wird für die Gaskompression in der zweiten Kompressionsstufe weniger Antriebsleistung benötigt.In the inventive vacuum pump is the greater of the piston and the cylinder 'of the first compression stage defined swept volume than that of the second compression stage. 'In this way, the pumping speed of the two compression stages is adapted to one another that in the second compression stage a substantial over-compression is avoided. As a result, less drive power is required for gas compression in the second compression stage.
Vorzugsweise wird der Hubraumunterschied zwischen der ersten und der zweiten Kompressionsstufe dadurch realisiert, dass der Durchmesser des kreisrunden Kolbens und des kreisrunden Zylinders der ersten Kompressionsstufe größer als der Durchmesser des Zylinders und des Kolbens der zweiten Kompressionsstufe ist. Auf diese Weise kann ein einziger Hubkörper, der an seinen beiden Längsenden jeweils Kolben mit einem unterschiedlichen Querschnitt und damit Kolben mit unterschiedlichen Hubvolumina aufweist, realisiert werden. Durch die Verringerung des Kolbendurchmessers der zweiten Kompressionsstufe wird das durch Kolbenstirnwand-Ünebenheiten und den Spalt zwischen Kolben und Zylinder gebildete Totvolumen verringert und damit die Kompression der zweiten hochdruckseitigen Kompressionsstufe erheblich verbessert. Der Bereich zwischen den beiden Kolben ist ein Übergangsbereich, der nicht der Längsführung des Hubkörpers dient, und in dem eine radiale Stufe mit einer radialen Stufenhöhe von ungefähr der halben Differenz der Durchmesser der beiden Kolben vorgesehen ist.The displacement difference between the first and the second compression stage is preferably realized in that the diameter of the circular piston and the circular cylinder of the first compression stage is larger than the diameter of the cylinder and the piston of the second compression stage. In this way, a single lifting body, which has pistons with a different cross-section and thus pistons with different lifting volumes, can be realized at its two longitudinal ends. By reducing the piston diameter of the second compression stage, this is caused by irregularities in the piston end wall and reduces the gap between the piston and cylinder formed dead volume and thus significantly improves the compression of the second high-pressure compression stage. The area between the two pistons is a transition area which is not used for the longitudinal guidance of the lifting body and in which a radial step with a radial step height of approximately half the difference in the diameter of the two pistons is provided.
Gegenüber herkömmlichen Kolbenpumpen mit einem einzigen Hubkörper und zwei Kolben gleichen Durchmessers ist der Kolben der zweiten Kompressionsstufe verkleinert. Zwar ist der Hubraum in der zweiten Kompressionsstufe verkleinert, jedoch wird die Abdichtung des Kolbens gegenüber dem Zylinder erheblich verbessert, da mit Verkleinerung des Kolbendurchmessers auch der Umfang des Spaltes zwischen dem Kolben und dem Zylinder verkleinert wird. Hierdurch werden auch die insbesondere bei trocken laufenden Kolbenpumpen Rückströmverluste erheblich verringert.Compared to conventional piston pumps with a single lifting body and two pistons of the same diameter, the piston of the second compression stage is smaller. Although the displacement is reduced in the second compression stage, the sealing of the piston with respect to the cylinder is considerably improved, since the circumference of the gap between the piston and the cylinder is also reduced as the piston diameter is reduced. As a result, the backflow losses, particularly in the case of dry-running piston pumps, are considerably reduced.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Gas-Verbindungsleitung zwischen der ersten Kompressionsstufe und der zweiten Kompressionsstufe ausschließlich in dem Hubkörper angeordnet. Hierdurch wird für die Verbindungsleitung zwischen den beiden Kompressionsstufen der kürzestmögliche Weg realisiert.According to a preferred embodiment, the gas connecting line between the first compression stage and the second compression stage is arranged exclusively in the lifting body. As a result, the shortest possible route is realized for the connecting line between the two compression stages.
Vorzugsweise ist die Verbindungsleitung zwischen einem Auslassventil der ersten Kompressionsstufe und einem Einlassventil der zweiten Kompressionsstufe angeordnet, wobei das Auslassventil und das Einlassventil an der jeweiligen Kolben-Stirnwand angeordnet sind. Das Gas aus der ersten Kompressionsstufe gelangt also auf kürzestem Weg durch das Auslassventil in der Kolben-Stirnwand in die Verbindungsleitung in dem Hubkörper und von dort aus durch das Einlassventil an der Kolben-Stirnwand des gegenüberliegenden Kolbens in den Kompressionsraum der zweiten Kompressionsstufe.The connecting line is preferably arranged between an outlet valve of the first compression stage and an inlet valve of the second compression stage, the outlet valve and the inlet valve being arranged on the respective piston end wall. The gas from the first Compression stage thus reaches the shortest route through the outlet valve in the piston end wall into the connecting line in the lifting body and from there through the inlet valve on the piston end wall of the opposite piston into the compression chamber of the second compression stage.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Hubkörper im Verlauf der Verbindungsleitung einen Gas-Zwischenspeicher auf, dessen Volumen größer als der Hubraum der zweiten Kompressionsstufe ist. Durch das Vorsehen des Gas- Zwischenspeichers wird der auf das Auslassventil der ersten Kompressionsstufe und der auf das Einlassventil der zweiten Kompressionsstufe wirkende Druck während des gesamten Arbeitszyklus des Hubkörpers konstanter gehalten, als dies bei einer kleinvolumigen Verbindung zwischen den beiden Kompressionsstufen der Fall wäre. Hierdurch wird das Saugvermögen der Kolbenpumpe verbessert und lässt sich ein niedrigerer Druck an der Saugseite der Kolbenpumpe realisieren. Ferner kann hierdurch während des gesamten Saughubes der zweiten Kompressionsstufe ein starker Unterdruck in dem Kompressionsraum der zweiten Stufe vermieden werden. Hierdurch wiederum wird die erforderliche Antriebsleistung für den Saughub erheblich reduziert.According to a preferred embodiment, the lifting body has a gas intermediate store in the course of the connecting line, the volume of which is greater than the displacement of the second compression stage. By providing the gas buffer, the pressure acting on the outlet valve of the first compression stage and the pressure on the inlet valve of the second compression stage is kept more constant during the entire working cycle of the lifting body than would be the case with a small-volume connection between the two compression stages. As a result, the pumping speed of the piston pump is improved and a lower pressure can be achieved on the suction side of the piston pump. Furthermore, a strong negative pressure in the compression space of the second stage can thereby be avoided during the entire suction stroke of the second compression stage. This in turn significantly reduces the drive power required for the suction stroke.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Gaseinlass der ersten Kompressionsstufe durch ein Einlassventil in der Kolben-Stirnwand gebildet. Das Einlassventil ist als Rückschlagventil ausgebildet. Durch das Einlassventil kann bereits während des beginnenden Saughubes des Kolbens der ersten Kompressionsstufe Gas durch einen Kolbenpumpen-Einlass in den Kompressionsraum strömen. Das Gas strömt über korrespondierende Öffnungen in der Zylinder- und in der Kolbenwand durch einen abgeschlossenen Zylinderinnenraum und schließlich durch das Einlassventil in der Kolben-Stirnwand der ersten Kompressionsstufe schon während des Beginns des Saughubes des Kolbens der ersten Kompressionsstufe in den Kompressionsraum ein. Hierdurch wird in der ersten Hälfte des Saughubes ein hoher Unterdr ck in dem Kompressionsraum vermieden, so dass für den Saughub weniger Antriebsleistung erforderlich ist.According to a preferred embodiment, the gas inlet of the first compression stage is formed by an inlet valve in the piston end wall. The inlet valve is designed as a check valve. Through the inlet valve, gas can flow into the compression chamber through a piston pump inlet already during the beginning suction stroke of the piston of the first compression stage. The gas overflows Corresponding openings in the cylinder and in the piston wall through a closed cylinder interior and finally through the inlet valve in the piston end wall of the first compression stage into the compression chamber during the start of the suction stroke of the piston of the first compression stage. As a result, a high negative pressure in the compression space is avoided in the first half of the suction stroke, so that less drive power is required for the suction stroke.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Kolben-Vakuumpumpe mit einem herkömmlichen Kolbenpumpen-Gaseinlass, undFig. 1 shows a piston vacuum pump according to the invention with a conventional piston pump gas inlet, and
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kolben-Vakuumpumpe, bei der ein Gaseinlass für die erste Kompressionsstufe in der Kolben-Stirnwand vorgesehen ist.Fig. 2 shows a second embodiment of a piston vacuum pump according to the invention, in which a gas inlet for the first compression stage is provided in the piston end wall.
In den Figuren 1 und 2 ist jeweils ein Ausführungsbeispiel einer Vakuum-Kolbenpumpe 10,110 dargestellt, die jeweils eine erste Kompressionsstufe 11 und eine in Reihe dahinter angeordnete zweite Kompressionsstufe 12 aufweist. Die Kolbenpumpen 10,110 weisen jeweils einen einzigen Hubkörper 14,114 auf, der an seinen beiden Längsenden jeweils einen Kolben 16,116,18 aufweist. Die Kolben 16,116,18 und die Zylinder 20,22 sind im Querschnitt jeweils kreisrund ausgebildet. Jeder Kolben 16,116,18 oszilliert jeweils in einem Zylinder 20,22. Die Kolben 16,116,18 bilden zusammen mit den ihnen zugeordneten Zylindern 20,22 jeweils die . erste bzw. zweite Kompressionsstufe 11,12. Der Hubkörper 14,114 oszilliert in Längsrichtung, wodurch auch die Kolben 16,116,18 jeweils in Längsrichtung in den zugeordneten Zylindern 20,'22 oszillieren. Der Hubkörper 14,114 wird berührungslos durch einen elektromagnetischen Linearantrieb angetrieben, der nicht dargestellt ist. Die Kolbenpumpen 10,110 werden trocken, d.h. ohne Schmiermittel betrieben. Um dies zu ermöglichen, sind für die Gleitflächen der Kolben 16,116,18 und der Zylinder 20,22 entsprechende Werkstoffe gewählt.FIGS. 1 and 2 each show an embodiment of a vacuum piston pump 10, 110, each of which has a first compression stage 11 and a second compression stage 12 arranged in series behind it. The piston pumps 10, 110 each have a single lifting body 14, 114, which has a piston 16, 116, 18 on each of its two longitudinal ends. The pistons 16, 116, 18 and the cylinders 20, 22 are each circular in cross section. Every piston 16,116,18 each oscillates in a cylinder 20,22. The pistons 16, 116, 18 form together with the cylinders 20, 22 assigned to them . first and second compression stage 11, 12. The lifting body 14,114 oscillates in the longitudinal direction, whereby the piston 16,116,18 respectively in the longitudinal direction into the associated cylinders 20 oscillate '22nd The lifting body 14, 114 is driven contactlessly by an electromagnetic linear drive, which is not shown. The piston pumps 10, 110 are operated dry, ie without lubricant. In order to make this possible, appropriate materials are selected for the sliding surfaces of the pistons 16, 116, 18 and the cylinders 20, 22.
Von dem Kolben 16,116,18 und dem zugeordneten Zylinder 20,22 wird jeweils ein Kompressionsraum 24,26 verschieden großer Volumina gebildet. Der Kompressionsraum 24 der ersten nieder- druckseitigen Kompressionsstufe 11 ist größer als der Kompressionsraum 26 der zweiten hochdruckseitigen Kompressionsstufe 12. Der Kolben- und Zylinderdurchmesser der ersten Kompressionsstufe 11 beträgt ungefähr 40 mm, während der Durchmesser des. Kolbens 18 und des Zylinders 22 der zweiten Kompressionsstufe 12 ungefähr 18 mm beträgt. Während die beiden Kolben 16,116,18 jeweils in den zugeordneten Zylindern 20,22 geführt sind, ist der mittlere Bereich des Hubkörpers 14 ungeführt in einem entsprechend erweiterten Hohlraum 23 angeordnet.A compression space 24, 26 of different sizes is formed by the piston 16, 116, 18 and the associated cylinder 20, 22. The compression space 24 of the first low-pressure side compression stage 11 is larger than the compression space 26 of the second high-pressure side compression stage 12. The piston and cylinder diameter of the first compression stage 11 is approximately 40 mm, while the diameter of the piston 18 and the cylinder 22 of the second compression stage 12 is approximately 18 mm. While the two pistons 16, 116, 18 are each guided in the associated cylinders 20, 22, the central region of the lifting body 14 is arranged without guidance in a correspondingly enlarged cavity 23.
Das aus einem nicht dargestellten Rezipienten abzupumpende Gas gelangt über einen Kolbenpumpen-Gaseinlass 28 und über ein Zylinderwand-Einlassventil 30 direkt in den Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11, wenn der Kolben 16,116 in seiner Saug-Endlage bzw. seiner Kompressions-Anfangslage steht und das Zylinderwand-Einlassventil 30 freigibt. Das Zylinderwand-Einlassventil 30 ist als umlaufende ringförmige schmale Nut in der Zylinderwand ausgebildet.The gas to be pumped out of a recipient (not shown) passes via a piston pump gas inlet 28 and a cylinder wall inlet valve 30 directly into the compression space 24 of the first compression stage 11 when the piston 16, 116 is in its suction end position or its initial compression position and releases the cylinder wall intake valve 30. The cylinder wall inlet valve 30 is designed as a circumferential annular narrow groove in the cylinder wall.
Das in dem Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11 komprimierte Gas gelangt durch ein Auslassventil 32 in einen Innenraum in dem Hubkörper 14, der sich annähernd über die gesamte Länge des Hubkörpers 14 erstreckt. Der Innenraum ist nicht als kleinvolumige Leitung, sondern als großvolumiger Gas-Zwischenspeicher 34 ausgebildet, der jedoch auch die Verbindungsleitung zwischen der ersten Kompressionsstufe 11 und der zweiten Kompressionsstufe 12 bildet. Das Volumen des Gas-Zwischenspeichers 34, 34', 35 ist größer als der Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12. Das druckgesteuerte Auslassventil 32,132 der ersten Kompressionsstufe 11 wird gebildet von Öffnungen 40,140 in der Stirnwand 42,142, von einer innenseitig auf die Stirnwand 42,142 vorgespannten steifen Ventil-Druckplatte 44,144, einer Druckfeder 46,146 sowie einem Öffnungsstift 48,148. Sobald der Kolben 16 der ersten Kompressionsstufe 11 seine Kompressionsendlage erreicht, schlägt der Öffnungsstift 48,148 an die Zylinder-Stirnwand 50 an, wodurch das Auslassventil 32,132 geöffnet wird und das komprimierte Gas aus dem Kompressionsraum 24 in den Gas-Zwischenspeicher 34, 34', 35 in dem Hubkörper 14,114 strömt. Durch die Zwangsöffnung ist auch ein Öffnen im Enddruckbetrieb sichergestellt. Das Auslassventil der ersten Kompressionsstufe 11 kann auch zwangsgesteuert sein.The gas compressed in the compression chamber 24 of the first compression stage 11 passes through an outlet valve 32 into an interior space in the lifting body 14, which extends approximately over the entire length of the lifting body 14. The interior is not designed as a small-volume line, but rather as a large-volume gas buffer store 34, which, however, also forms the connecting line between the first compression stage 11 and the second compression stage 12. The volume of the gas buffer store 34, 34 ', 35 is larger than the compression space 26 of the second compression stage 12. The pressure-controlled outlet valve 32, 132 of the first compression stage 11 is formed by openings 40, 140 in the end wall 42, 142, and a stiffly biased inside the end wall 42, 142 Valve pressure plate 44.144, a compression spring 46.146 and an opening pin 48.148. As soon as the piston 16 of the first compression stage 11 reaches its compression end position, the opening pin 48, 148 abuts against the cylinder end wall 50, whereby the exhaust valve 32, 132 is opened and the compressed gas from the compression space 24 into the gas buffer store 34, 34 ', 35 in the lifting body 14, 114 flows. The forced opening also ensures opening in the final pressure mode. The outlet valve of the first compression stage 11 can also be positively controlled.
In einer Stirnwand 52 des Kolbens 18 der zweiten Kompressionsstufe 12 ist ein Einlassventil 54 angeordnet, durch das das Gas aus dem Gas-Zwischenspeicher 34, 34', 35 in den Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 strömen kann. Das Einlassventil 54 ist als druckgesteuertes Federzungenventil ausgebildet und öffnet bzw. bleibt geöffnet, solange der Druck in dem Gas-Zwischenspeicher geringfügig oberhalb des Druckes in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 liegt. Dies ist insbesondere während des Saughubes des Kolbens 18 der zweiten Kompressionsstufe 12 der Fall. Das Einlassventil kann aber auch als trägheitsgesteuertes Ventillappen-Ventil ausgebildet sein.In an end wall 52 of the piston 18 of the second compression stage 12, an inlet valve 54 is arranged, through which the Gas can flow from the gas buffer store 34, 34 ', 35 into the compression space 26 of the second compression stage 12. The inlet valve 54 is designed as a pressure-controlled spring tongue valve and opens or remains open as long as the pressure in the gas intermediate store is slightly above the pressure in the compression chamber 26 of the second compression stage 12. This is the case in particular during the suction stroke of the piston 18 of the second compression stage 12. However, the inlet valve can also be designed as an inertia-controlled valve lobe valve.
Die Stirnwand des Zylinders 22 bzw. des Kompressionsraumes 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 wird von einer Ventilplatte 60 eines Auslassventils 62 gebildet, die durch eine Druckfeder 64 in Schließposition vorgespannt ist. Das Auslassventil 62 ist als Rückschlagventil ausgebildet und öffnet, sobald der Druck in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 geringfügig oberhalb Atmosphärendruck liegt, der an der Rückseite der Ventilplatte 60 anliegt. Das Gas strömt durch das geöffnete Auslassventil 62 schließlich durch einen seitlichen Kolbenpumpen-Gasauslass 80 ungefähr mit Atmosphären-Druck aus der Kolbenpumpe aus.The end wall of the cylinder 22 or the compression space 26 of the second compression stage 12 is formed by a valve plate 60 of an outlet valve 62, which is biased in the closed position by a compression spring 64. The outlet valve 62 is designed as a check valve and opens as soon as the pressure in the compression space 26 of the second compression stage 12 is slightly above the atmospheric pressure which is present at the rear of the valve plate 60. The gas finally flows out of the piston pump through the opened outlet valve 62 through a lateral piston pump gas outlet 80 at approximately atmospheric pressure.
Die Vakuum-Kolbenpumpe 110 der Figur 2 weist neben dem Einlassventil 30 noch ein zusätzliches Einlassventil 70 auf, das bereits während der Anfangsphase des Saughubes des betreffenden Kolbens 116 der ersten Kompressionsstufe 11 öffnet und Gas aus dem Gaseinlass 28 in den Kompressionsraum 24 strömen lässt. Hierzu ist in der Zylinder-Seitenwand eine sich in Längsrichtung erstreckende Umfangsnut 72 vorgesehen, der entsprechende Öffnungen 74 in der Kolben-Seitenwand gegenüberstehen, durch die Gas aus dem Gaseinlass 28 in einen separaten Einlassraum 76 des Kolbens 116 strömen kann. Das zusätzliche Einlassventil 70 ist als Rückschlagventil ausgebildet und wird von einer elastischen Ventilplatte 78 gebildet. Das zusätzliche Einlassventil 70 öffnet während des Saughubes, sobald der Gasdruck in dem Kompressionsraum 24 geringfügig unterhalb des Gasdruckes in dem Einlassraum 76 liegt. Das Öffnen des Einlassventils 70 wird durch die Druckdifferenz ausgelöst, kann aber auch in einer anderen Ausführung durch Trägheit-skräfte ausgelöst werden. Hierdurch wird während des Saughubes der ersten Kompressionsstufe ein extremer Unterdruck in dem Kompressionsraum 24 vermieden, so dass die für den Saughub erforderliche Antriebsleistung relativ klein ist.In addition to the inlet valve 30, the vacuum piston pump 110 of FIG. 2 also has an additional inlet valve 70, which opens during the initial phase of the suction stroke of the piston 116 of the first compression stage 11 in question and allows gas to flow from the gas inlet 28 into the compression chamber 24. For this purpose, a circumferential groove 72 extending in the longitudinal direction is provided in the cylinder side wall, the corresponding openings 74 in the piston side wall face each other, through which gas can flow from the gas inlet 28 into a separate inlet space 76 of the piston 116. The additional inlet valve 70 is designed as a check valve and is formed by an elastic valve plate 78. The additional inlet valve 70 opens during the suction stroke as soon as the gas pressure in the compression space 24 is slightly below the gas pressure in the inlet space 76. The opening of the inlet valve 70 is triggered by the pressure difference, but can also be triggered by inertia forces in another embodiment. As a result, an extreme negative pressure in the compression space 24 is avoided during the suction stroke of the first compression stage, so that the drive power required for the suction stroke is relatively small.
Der Ansaugdruck an dem Kolbenpumpen-Gaseinlass 28 liegt im sogenannten Enddruckbetrieb, d.h. bei Erreichen der Zieldrücke, bei unter 10 mbar. Der Druck in dem Gas-Zwischenspeicher 34, 34', 35 liegt im Enddruckbetrieb zwischen 10 und 100 mbar. Der Druck in dem Kompressionsraum 26 der zweiten Kompressionsstufe 12 und in dem Kolbenpumpen-Gasauslass 80 liegt ungefähr 30 mbar oberhalb des Atmosphärendruckes.The suction pressure at the piston pump gas inlet 28 is in the so-called final pressure mode, i.e. when the target pressures are reached, below 10 mbar. The pressure in the gas intermediate store 34, 34 ', 35 is between 10 and 100 mbar in the final pressure mode. The pressure in the compression chamber 26 of the second compression stage 12 and in the piston pump gas outlet 80 is approximately 30 mbar above atmospheric pressure.
Durch die Verkleinerung des Kompressionsraumes 26 in der zweiten Kompressionsstufe 12 gegenüber dem Kompressionsraum 24 der ersten Kompressionsstufe 11 wird eine Überkompression in der zweiten Kompressionsstufe 12 vermieden. Hierdurch wird die erforderliche Antriebsenergie erheblich reduziert. Durch die Verkleinerung des Durchmessers bzw. Umfanges des Kolbens 18 und des Zylinders 22 der zweiten Kompressionsstufe 12 wird ferner die Querschnittsfläche des Leckspaltes zwischen dem Kolben 18 und dem Zylinder 22 erheblich verringert. Hierdurch wird die Pumpwirkung der zweiten Kompressionsstufe verbessert. By reducing the compression space 26 in the second compression stage 12 compared to the compression space 24 in the first compression stage 11, over-compression in the second compression stage 12 is avoided. This significantly reduces the drive energy required. By reducing the diameter or circumference of the piston 18 and the cylinder 22 of the second compression stage 12, the cross-sectional area of the leakage gap between the Piston 18 and the cylinder 22 significantly reduced. This improves the pumping action of the second compression stage.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Vakuum-Kolbenpumpe mit einem einzigen Hubkörper (14), der an seinen beiden Längsenden jeweils einen Kolben (16,18) aufweist, der jeweils in einem Zylinder (20,22) oszilliert und mit diesem Zylinder (20,22) eine erste und eine zweite Kompressionsstufe (11,12) bildet,1. Vacuum piston pump with a single lifting body (14), each having a piston (16, 18) at its two longitudinal ends, each oscillating in a cylinder (20, 22) and a first with this cylinder (20, 22) and forms a second compression stage (11, 12),
wobei die beiden Kompressionsstufen (11,12) durch eine Gas-Verbindungsleitung miteinander verbunden sind und die erste Kompressionsstufe (11) der zweiten Kompressionsstufe (12) in Reihe vorgeschaltet ist,wherein the two compression stages (11, 12) are connected to one another by a gas connecting line and the first compression stage (11) precedes the second compression stage (12) in series,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,characterized ,
dass der von dem Kolben (16) und dem Zylinder (20) der ersten Kompressionsstufe (11) definierte Hubraum größer als der von dem Kolben (18) und dem Zylinder (22) der zweiten Kompressionsstufe (12) ist.that the displacement defined by the piston (16) and the cylinder (20) of the first compression stage (11) is greater than that of the piston (18) and the cylinder (22) of the second compression stage (12).
2. Vakuum-Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des kreisrunden Kolbens (16) und Zylinders (20) der ersten Kompressionsstufe (11) größer als der Durchmesser des kreisrunden Kolbens (18) und Zylinders (22) der zweiten Kompressionsstufe (12) ist.2. Vacuum piston pump according to claim 1, characterized in that the diameter of the circular piston (16) and cylinder (20) of the first compression stage (11) larger than the diameter of the circular piston (18) and cylinder (22) of the second compression stage (12) is.
3. Vakuum-Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Verbindungsleitung zwischen der ersten Kompressionsstufe (11) und der zweiten Kompres- sionsstufe (12) ausschließlich in dem Hubkörper (14) angeordnet ist.3. Vacuum piston pump according to claim 1 or 2, characterized in that the gas connecting line between the first compression stage (11) and the second compressor sionsstufe (12) is arranged exclusively in the lifting body (14).
4. Vakuum-Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas-Verbindungsleitung zwischen einem Auslassventil (32) der ersten Kompressionsstufe (11) und einem Einlassventil (54) der zweiten Kompressionsstufe4. Vacuum piston pump according to claim 3, characterized in that the gas connecting line between an outlet valve (32) of the first compression stage (11) and an inlet valve (54) of the second compression stage
(12) angeordnet ist und dass das Auslassventil (32) und das Einlassventil (54) jeweils in der Kolben-Stirnwand(12) is arranged and that the outlet valve (32) and the inlet valve (54) each in the piston end wall
(42,52) vorgesehen sind.(42,52) are provided.
5. Vakuum-Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hubkörper (14) im Verlauf der Verbindungsleitung einen Gas-Zwischenspeicher (34, 34 ',35) aufweist, dessen Volumen größer als der Hubraum der zweiten Kompressionsstufe ist.5. Vacuum piston pump according to one of claims 1-4, characterized in that the lifting body (14) in the course of the connecting line has a gas buffer (34, 34 ', 35), the volume of which is greater than the displacement of the second compression stage ,
6. Vakuum-Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaseinlass der ersten Kompressionsstufe (11) durch ein Einlassventil (70) in der Kolben-Stirnwand gebildet ist.6. Vacuum piston pump according to one of claims 1-5, characterized in that a gas inlet of the first compression stage (11) is formed by an inlet valve (70) in the piston end wall.
7. Vakuum-Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, dass das Auslassventil (32) der ersten Kompressionsstufe (11) druckgesteuert oder zwangsgesteuert ist.7. Vacuum piston pump according to one of claims 4-6, characterized in that the outlet valve (32) of the first compression stage (11) is pressure-controlled or force-controlled.
8. Vakuum-Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (70) der ersten Kompressionsstufe (11) in der Kolbenstirnwand druckgesteuert oder trägheitsgesteuert ist. Vakuum-Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, dass das Einlassventil (54) der zweiten8. Vacuum piston pump according to claim 6, characterized in that the inlet valve (70) of the first compression stage (11) is pressure-controlled or inertia-controlled in the piston end wall. Vacuum piston pump according to one of claims 4-8, characterized in that the inlet valve (54) of the second
Kompressionsstufe (12) druckgesteuert oder trägheitsgesteuert ist. Compression stage (12) is pressure-controlled or inertia-controlled.
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