WO2000077402A1 - Kolbenvakuumpumpe mit auslassventil - Google Patents

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Thomas Dreifert
Jürgen Meyer
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Leybold GmbH
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Leybold Vakuum GmbH
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B39/00—Component parts, details, or accessories, of pumps or pumping systems specially adapted for elastic fluids, not otherwise provided for in, or of interest apart from, groups F04B25/00 - F04B37/00
    • F04B39/10—Adaptations or arrangements of distribution members
    • F04B39/1066—Valve plates

Definitions

  • the invention relates to a piston vacuum pump with the features of the preamble of claim 1.
  • a disadvantage of the known valve concept is the complex sealing of the exhaust valve with respect to the cylinder block, for example in the form of an O-ring in a self-retaining groove surrounding the cylinder bore.
  • the production of the groove and the assembly of this seal are complex.
  • valve plate which is generally made of sheet metal
  • elastomer in order to achieve a seal on the valve block.
  • This solution is also relatively complex. It requires a valve sheet with a relatively large thickness so that it cannot be warped by the elastomer. This makes the mass of the valve plate relatively large, with the result that the pump becomes noisy because the valve has to be pushed open by the piston.
  • the present invention has for its object to simplify the seal of the exhaust valve of the cylinder-piston system of a piston vacuum pump with the features of the preamble of claim 1 and. to improve.
  • this object is achieved in that a cylinder head gasket is provided which has a circular section in the region of the cylinder end face, the edge of which extends into the region of the inner edge of the cylinder bore and at the same time forms the valve gasket.
  • Valve preload and valve seat geometry are variable
  • valve plate can be made thin and is therefore light; the thin sheet bends slightly, so that the valve is pressure-controlled even at relatively small pressure differences; with the displacement control taking place at lower pressure differences, the piston-valve contact is relatively gentle;
  • FIGS. 1 to 6 Show it
  • FIGS. 1 and 2 show a piston vacuum pump in a row design
  • FIGS. 3 to 5 partial sections through the cylinder block and cylinder head in the area of the exhaust valve, which show exemplary embodiments designed according to the invention.
  • Figure 6 shows a further partial section for an embodiment according to the invention with an intermediate plate and a second flat gasket.
  • Figures 1 and 2 show a piston vacuum pump 1 with three cylinders 2, 3, 4, which are arranged in series.
  • the associated pistons are designated 5, 6, 7.
  • the pistons are connected to the crankshaft 11 by means of piston bearings, connecting rods and crank bearings, which are not indicated individually by reference numerals but are indicated only schematically.
  • the bearing supports 12 Crankshaft 11 in the housing 13.
  • the crankshaft drive is denoted by 14, the axis of rotation of the crankshaft 11 by 15.
  • the inlet and outlet of the pump 1 have the reference symbols 16 and 17.
  • the housing 13 is in two parts. It includes the cylinder block 18 and the cylinder head 19.
  • the parting plane 20 lies at the level of the end faces of the cylinders 2, 3, 4 facing away from the crankshaft.
  • the respective exhaust valves not shown in FIGS. 1 and 2, as shown in FIG WO 98/09080 are known, they comprise a valve disk whose diameter is larger than the diameter of the cylinder bore.
  • the front edge of the cylinder forms the valve seat.
  • piston 7 with a larger diameter than the diameters of the other pistons 5, 6.
  • the larger piston 7 is arranged on the inlet side, i.e. the lateral inlet of the associated scooping chamber 22, the volume of which determines the pumping speed of the pump, is directly connected to the inlet 16.
  • the gas flow is indicated by dashed lines. Pistons with smaller diameters can be used on the outlet side, since these no longer require the suction capacity on the inlet side due to the progressive compression in the pump stages.
  • the piston vacuum pump shown in Figure 1 is designed in three stages.
  • the three cylinders are arranged one behind the other.
  • the inlet 16 is connected to the inlet of the pump chamber 22 of the cylinder-piston system 4, 7.
  • the inlet of the scooping chamber 23 of the cylinder-piston system 2, 5 connects to the outlet of the scooping chamber 22 in the cylinder 7 located at the end. Downstream of this is the cylinder-piston system 4, 6 with the scoop space 24.
  • the pumping speed can be increased if - as shown in FIG. 2 - the two cylinder-piston systems 4, 7 and 2, 5 on the inlet side are combined to form a stage and are operated in parallel.
  • the cylinder-piston system 4, 6 forms the second outlet stage.
  • FIGS. 3 to 6 only one cylinder-piston system is partially shown as an example of the solution according to the invention.
  • the system 3, 6 was selected. They each show the exhaust valve 26, the valve plate 27 of which, in the closed state, separates the compression chamber 24 from a chamber 28 provided in the cylinder head 19.
  • the outlet channel 29 is connected to the chamber 28.
  • the valve plate 27 has a larger diameter than the associated bore of the cylinder. Lindner 3. The edge surrounding the cylinder bore forms the valve seat 31.
  • Figure 3 shows an embodiment for holding the valve plate 27 on the cylinder head 19. This is done by means of a compression spring 33, which also serves to generate the desired closing force.
  • the seal between the cylinder block 18 and the cylinder head 19 is a flat gasket 35, e.g. made of an elastomer. This extends so far into the area of the edge 36 of the bore of the cylinder 3 that the valve plate 27 rests on the flat seal 35 in the closed state.
  • the cylinder head gasket 35 which has circular cutouts in the area of the cylinders, thus simultaneously forms the valve gasket.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 differs from the exemplary embodiment according to FIG. 3 in that the edge 36 of the cylinder bore is chamfered. This reduces the contact area of the valve plate on its valve seal.
  • This aim also has the solution according to FIG. 5, in which a bead 37 surrounding the bore of the cylinder 3 is provided. An almost linear contact between the valve disc and valve seal is achieved.
  • FIG. 5 also shows one of the bolts 41 with which the cylinder head 19 is fastened on the cylinder head 18.
  • At the level of the flat seal 35 is one Spacer 42 inserted, with the aid of which a defined compression of the flat seal 35 can be achieved.
  • an intermediate plate 44 lies on the flat gasket 35, which in turn is sealed against the cylinder head 19 by means of a second flat gasket 45.
  • the pumping speed of the piston vacuum pump can be changed with the aid of various intermediate plates 44. They are used to release and close channels that e.g. the operating modes described for Figures 1 and 2 (series connection, parallel connection of cylinder-piston systems) enable.
  • corresponding spacer rings 42, 46 can be provided. It is particularly expedient to use a sleeve 47 (shown in broken lines) instead of the two spacer rings 42, 46.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (13), das aus einem mindestens einen Zylinder (2, 3, 4) aufnehmenden Gehäuseteil (Zylinderblock 18), und einem Zylinderkopf (19) besteht, mit einem im Zylinder oszillierenden Kolben (5, 6, 7) und mit einem Auslassventil (26), das ein Verschlussstück (27), einen Ventilsitz (31) und eine Ventildichtung (35) umfasst, wobei die dem Zylinderkopf (19) zugewandte Stirnseite des Zylinders als Ventilsitz (31) und ein dem Durchmesser des Ventilsitzes (31) angepasster Ventilteller (27) als Verschlussstück dienen; zur Vereinfachung des Aufbaus wird vorgeschlagen, dass eine Zylinderkopfdichtung (35) vorgesehen ist, die im Bereich der Zylinderstirnseite einen Kreisausschnitt aufweist, dessen Rand sich bis in den Bereich der inneren Kante (36) des Zylinders (2, 3, 4) erstreckt und gleichzeitig die Ventildichtung bildet.

Description

KolbenVakuumpumpe mit Auslassventil
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
In Kolbenvakuumpumpen hat sich ein Auslassventil, das die gesamte Bohrung des Zylinders abdeckt, bewährt (vgl. z.B. WO/9809080). Diese Lösung ermöglicht hohe Kompressionsverhältnisse und stellt ausreichende Querschnitte für den Gaswechsel zur Verfügung. Von Bedeutung ist, dass das Ventil je nach Druckniveau druck- oder weggesteuert öffnen kann. Besonders hohe Druckverhältnisse und damit niedrige Enddrücke ermöglichen schadraumarme oder schadraumfreie Konstruktionen.
Nachteilig an dem vorbekannten Ventilkonzept ist die aufwendige Dichtung des Auslassventiles gegenüber dem Zylinderblock, z.B. in Form eines O-Ringes in einer die Zylinderbohrung umgebenden, selbsthaltenden Nut. Die Herstellung der Nut und die Montage dieser Dichtung sind aufwendig. Außerdem ergibt sich ein Schadraum, weil der O-Ring nicht unmittelbar bis an den Rand der Zylinderbohrung reichen kann.
Bekannt ist weiterhin die Beschichtung des in der Regel aus Blech bestehenden Ventiltellers mit Elastomer, um eine Abdichtung auf dem Ventilblock zu erreichen. Diese Lösung ist ebenfalls relativ aufwendig. Sie setzt ein Ventilblech mit relativ großer Dicke voraus, damit es durch das Elastomer nicht verzogen werden kann. Dadurch wird die Masse des Ventiltellers relativ groß mit der Folge, dass die Pumpe laut wird, weil das Ventil vom Kolben aufgestoßen werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Dichtung des Auslassventiles des Zylinder-Kolben- Systems einer Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu vereinfachen und. zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine Zylinderkopfdichtung vorgesehen ist, die im Bereich der Zylinderstirnseite einen Kreisausschnitt aufweist, dessen Rand sich bis in den Bereich der inneren Kante der Zylinderbohrung erstreckt und gleichzeitig die Ventildichtung bildet.
Die erfindungsgemäße Kombination von Zylinderkopfdichtung und Ventildichtung in Form einer Elastomer-Flachdichtung stellt eine besonders einfache Problemlösung dar. Das aus der WO/9809080 bekannte und bewährte Ventilkonzept kann beibehalten werden. Außerdem ergeben sich die folgenden Vorteile: kostengünstig (preiswertes Halbzeug, das einfach bearbeitet werden kann; keine aufwendige Beschichtung der Ventilbleche; keine teuren selbsthaltenden O-Ring-Nuten; einfache Montage) ;
robust, betriebssicher, unempfindlich gegenüber Verschmutzungen (breite Dichtfläche; Elastomer kann aus marktgängigen Halbzeugen optimal ausgewählt werden; der Ventilteller aus hochwertigen Werkstoffen wird nicht negativ durch eine Beschichtung beeinflusst) ;
hohe Dichtheit infolge breiter Dichtfläche;
Ventilvorspannung und Ventilsitzgeometrie sind variabel;
geringer bzw. kein Schadraum (Flachdichtung kann unmittelbar bis an die Zylinderbohrung reichen) ;
geräuscharm; das Ventilblech kann dünn ausgeführt werden und ist deshalb leicht; das dünne Blech biegt sich leicht durch, so dass bereits bei relativ geringen Druckdifferenzen eine Drucksteuerung des Ventils stattfindet; bei der bei geringeren Druckdifferenzen stattfindenden Wegsteuerung ist der Kolben-Ventil-Kontakt relativ sanft;
geringer Eingriff in die Anschlusskonstruktion; platzsparend (kein O-Ring, keine O-Ring-Nut, minimaler Zylinderabstand möglich) ; einfach zu fertigen und zu montieren (Dichtung wird z.B. durch Passstifte positioniert, so dass auch der Ventilsitz präzise ausgerichtet ist) ;
Fertigung der Dichtung z.B. durch Wasserstrahlschneiden oder durch Stanzen sehr präzise möglich.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen an Hand von in den Figuren 1 bis 6 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen
Figuren 1 und 2 eine Kolbenvakuumpumpe in Reihenbauform,
Figuren 3 bis 5 Teilschnitte durch Zylinderblock und Zylinderkopf im Bereich des Ausslassventils, welche erfindungsgemäss gestaltete Ausführungsbeispiele zeigen, und
Figur 6 einen weiteren Teilschnitt für ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung mit einer Zwischenplatte und einer zweiten Flachdichtung.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Kolbenvakuumpumpe 1 mit drei Zylindern 2, 3, 4, die in Reihe angeordnet sind. Die zugehörigen Kolben sind mit 5, 6, 7 bezeichnet. Über im einzelnen nicht mit Bezugszeichen versehene, nur schematisch angedeutete Kolbenlager, Pleuelstangen und Kurbellager stehen die Kolben mit der Kurbelwelle 11 in Verbindung. Über Lagerzapfen 12 stützt sich die Kurbelwelle 11 im Gehäuse 13 ab. Der Kurbelwellenantrieb ist mit 14, die Drehachse der Kurbelwelle 11 mit 15 bezeichnet. Einlass und Auslass der Pumpe 1 tragen die Bezugszeichen 16 und 17.
Das Gehäuse 13 ist zweiteilig. Es umfasst den Zylinderblock 18 und den Zylinderkopf 19. Die Trennebene 20 liegt in Höhe der der Kurbelwelle abgewandten Stirnseiten der Zylinder 2, 3, 4. In diesem Bereich befinden sich die jeweiligen in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellten Auslassventile, wie sie aus der WO 98/09080 bekannt sind, Sie umfassen einen Ventilteller, dessen Durchmesser grösser ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung. Der stirnseitige Rand des Zylinders bildet den Ventilsitz.
Um mit einer möglichst kleinen Kolbenvakuumpumpe ein möglichst grosses Saugvermögen zu erzielen, ist ein Kolben (Kolben 7) mit einem gegenüber den Durchmessern der anderen Kolben 5, 6 größeren Durchmesser vorhanden. Der größere Kolben 7 ist einlassseitig angeordnet, d.h., der seitlich gelegene Einlass des zugehörigen Schöpfraumes 22, dessen Volumen das Saugvermögen der Pumpe bestimmt, steht unmittelbar mit dem Einlass 16 in Verbindung. Die Gasführung ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Auslassseitig können Kolben mit kleineren Durchmessern eingesetzt werden, da diese wegen der fortschreitenden Kompression in den Pumpstufen das einlassseitige Saugvermögen nicht mehr benötigen.
In der Vakuumtechnik ist es häufig erforderlich, die Eigenschaften einer Vakuumpumpe an die jeweilige Appli- kation anzupassen. Dieses gilt insbesondere für das jeweils gewünschte Saugvermögen. Zweckmässig ist es deshalb, wenn die Gaswege innerhalb der Pumpe variiert werden können. Die Figuren 1 und 2 zeigen beispielhaft zwei Varianten.
Die in Figur 1 dargestellte Kolbenvakuumpumpe ist dreistufig ausgebildet. Die drei Zylinder sind hintereinander angeordnet, Der Einlass 16 steht mit dem Einlass des Schöpfraumes 22 des Zylinder-Kolben-Systems 4, 7 in Verbindung. An den stirnseitig gelegenen Auslass des Schöpfraumes 22 im Zylinder 7 schließt sich der Einlass des Schöpfraumes 23 des Zylinder-Kolben-Systems 2, 5 an. Diesem nachgeordnet ist das Zylinder-Kolben-System 4, 6 mit dem Schöpfräum 24.
Das Saugvermögen kann vergrößert werden, wenn - wie in Figur 2 dargestellt - einlassseitig die beiden Zylinder-Kolben-Systeme 4, 7 und 2, 5 zu einer Stufe zusam- mengefasst sind und parallel betrieben werden. Die zweite Auslassstufe bildet das Zylinder-Kolben-System 4, 6.
In den Figuren 3 bis 6 ist als Beispiel für die erfindungsgemäße Lösung jeweis nur ein Zylinder-Kolben-System teilweise dargestellt. Ausgewählt wurde das System 3, 6. Sie zeigen jeweils das Auslassventil 26, dessen Ventilteller 27 in geschlossenem Zustand den Kompressionsraum 24 von einer im Zylinderkopf 19 vorgesehenen Kammer 28 trennt. An die Kammer 28 ist der Auslasskanal 29 angeschlossen. Der Ventilteller 27 hat jeweils einen größeren Durchmesser als die zugehörige Bohrung des Zy- linders 3. Der die Zylinderbohrung umgebende Rand bildet den Ventilsitz 31.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform für die Halterung des Ventiltellers 27 am Zylinderkopf 19. Dieses geschieht mittels einer Druckfeder 33, die gleichzeitig der Erzeugung der gewünschten Schließkraft dient. Der Abdichtung zwischen dem Zylinderblock 18 und dem Zylinderkopf 19 dient eine Flachdichtung 35, z.B. aus einem Elastomer. Diese erstreckt sich derart weit bis in den Bereich der Kante 36 der Bohrung des Zylinders 3, dass der Ventilteller 27 in geschlossenem Zustand auf der Flachdichtung 35 aufliegt. Die Zylinderkopfdichtung 35, die im Bereich der Zylinder jeweils kreisförmige Ausschnitte besitzt, bildet damit gleichzeitig die Ventildichtung.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach Figur 3 dadurch, dass die Kante 36 der Zylinderbohrung abgefast ist. Dadurch wird die Auflagefläche des Ventiltellers auf seiner Ventildichtung verkleinert.
Dieses Ziel hat auch die Lösung nach Figur 5, bei der ein die Bohrung des Zylinders 3 umgebender Wulst 37 vorgesehen ist. Eine nahezu linienförmige Berührung zwischen Ventilteller und Ventildichtung wird dadurch erreicht .
In Figur 5 ist noch einer der Bolzen 41 dargestellt, mit denen der Zylinderkopf 19, auf dem Zylinderkopf 18 befestigt ist. In Höhe der Flachdichtung 35 ist eine Distanzscheibe 42 eingelegt, mit deren Hilfe eine definierte Verpressung der Flachdichtung 35 erzielt werden kann.
Bei der Ausführungsform nach Figur 6 liegt auf der Flachdichtung 35 eine Zwischenplatte 44, die ihrerseits mittels einer zweiten Flachdichtung 45 gegenüber dem Zylinderkopf 19 abgedichtet ist. Mit Hilfe verschiedener Zwischenplatten 44 kann das Saugvermögen der Kolbenvakuumpumpe verändert werden. Sie dienen der Freigabe und dem Verschluss von Kanälen, die z.B. die zu den Figuren 1 und 2 beschriebenen Betriebsweisen (Hintereinanderschaltung, Parallelschaltung von Zylinder- Kolben-Systemen) ermöglichen.
Um auch bei zwei Flachdichtungen 35, 45 eine definierte Verpressung sicherzustellen, können entsprechende Distanzringe 42, 46 vorgesehen sein. Besonders zweckmässig ist es, an Stelle der beiden Distanzringe 42, 46 eine Hülse 47 (gestrichelt dargestellt) einzusetzen.

Claims

Kolbenvakuumpumpe mit AuslassventilPATENTANSPRÜCHE
Kolbenvakuumpumpe (1) mit einem Gehäuse (13), das aus einem mindestens einen Zylinder (2, 3, 4) aufnehmenden Gehäuseteil (Zylinderblock 18), und einem Zylinderkopf (19) besteht, mit einem im Zylinder oszillierenden Kolben (5, 6, 7) und mit einem Auslassventil (26), das ein Verschlussstück (27), einen Ventilsitz (31) und eine Ventildichtung (35) umfasst, wobei die dem Zylinderkopf (19) zugewandte Stirnseite des Zylinders als Ventilsitz (31) und ein dem Durchmesser des Ventilsitzes (31) angepasster Ventilteller (27) als Verschlussstück dienen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zylinderkopfdichtung (35) vorgesehen ist, die im Bereich der Zylinderstirnseite einen Kreisausschnitt aufweist, dessen Rand sich bis in den Bereich der inneren Kante (36) des Zylinders (2, 3, 4) erstreckt und gleichzeitig die Ventildichtung bildet .
2. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Kreisausschnittes unmittelbar bis an die Kante (36) der Bohrung des Zylinders (2,3,4) reicht.
3. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenkante (36) der Bohrung des Zylinders (2, 3, 4) abgefast ist.
4. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand des Zylinders (2, 3, 4) mit einer umlaufenden Wulst (37) ausgerüstet ist .
5. Kolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bolzen
(41) zur Befestigung des Zylinderkopfes (19) am Zylinderkopf (18) vorgesehen sind und dass Distanzscheiben (42) in Höhe der Flachdichtung (35) ihrer definierten Verpressung dienen.
6. Kolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Zylinderblock (18) und Zylinderkopf (19) eine Zwischenplatte (47) befindet, die gegenüber dem Zylinderblock (18) mittels der Flachdichtung (35) und gegenüber dem Zylinderkopf (19) mit einer zweiten Flachdichtung (45) abgedichtet ist.
7. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 5 und Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auch in Höhe der Flachdichtung (45) Distanzscheiben (46) vorgesehen sind.
8. Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Distanzscheiben (42, 46) eine Distanzhülse vorgesehen ist.
9. Kolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich innerhalb der Vakuumpumpe (1) Kolben-Zylinder- Systeme mit unterschiedlichen Durchmessern befinden und dass die Systeme (4, 7) mit größerem Durchmesser einlassseitig angeordnet sind.
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CN108506188A (zh) * 2018-03-22 2018-09-07 李志慧 一种医疗用大型负压发生装置

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