Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolbenverdichter mit den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Patentansprüche 1 und 3.
Aus der US-A-27 51 146 ist ein als Kompressor ausgebildeter Kolbenverdichter mit diesen Merkmalen bekannt. Die Betätigung des Ventiltellers erfolgt zunächst durch komprimierte Gase und danach durch den Kolben selbst, der in seinem oberen Totpunkt über den Rand des Zylinders hinausragt. Die Kolbenstirnseite und der der Kolbenstirnseite zugewandte, relativ dicke Ventilteller sind eben ausgebildet, so dass sie während der Betätigung des Ventiltellers durch die Kolbenstirnseite selbst einen vollflächigen Kontakt haben. Eine Vakuumpumpe mit diesen Merkmalen würde wegen der wesentlich niedrigeren Gasdrücke im Kompressionsraum relativ laut sein. Außerdem hätte das Ventilsystem eine relativ kurze Lebensdauer.
Aus der EP-A-85 687 ist eine Kolbenvakuumpumpe bekannt. Eine Zylinderstirnseite bzw. der Zylinderkopf ist Träger des Auslaßventils. Die vorbekannte Lösung ist wegen der Mehrzahl der einzelnen Bauteile konstruktiv aufwendig. Außerdem hat das Auslaßventil einen relativ kleinen Öffnungsquerschnitt und ist empfindlich gegen Verschmutzungen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem als Vakuumpumpe ausgebildeten Kolbenverdichter der hier betroffenen Art in Bezug auf das Geräuschverhalten und die Lebensdauer zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.
Bei einer Kolbenvakuumpumpe der erfindungsgemäßen Art ist ein sanftes Öffnen des Auslassventiles auch bei sehr niedrigen Ansaugdrücken sicher gestellt. Ein sanfteres Öffnen hat zur Folge, dass Geräuschverhalten und Lebensdauer verbessert sind. Die Öffnung des Ventils erfolgt dadurch, daß der Ventiltellerrand vom stirnseitigen Zylinderrand abhebt, so daß bereits nach einer kleinen Öffnungsbewegung ein relativ großer Öffnungsquerschnitt über dem gesamten Zylinderumfang entsteht. Kurze Ventilöffnungszeiten sind dadurch möglich. Außerdem wird eine hohe Partikelverträglichkeit erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform haben beide Kolbenstirnseiten Pumpfunktion und sind beide mit einem erfindungsgemäßen Auslaßventil ausgerüstet. Da es in aller Regel erforderlich ist, den Kolben mit einer Pleuelstange anzutreiben, müssen der pleuelstangeseitige Kompressionsraum und damit auch der Ventilteller kreisringförmig gestaltet sein.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 10 erläutert werden. Es zeigen
In allen Figuren ist jeweils nur derjenige Bereich des Gehäuses 1 einer Kolbenvakuumpumpe nach der Erfindung dargestellt, in welchem sich ein Zylinder 2 mit einem Kolben 3 und einem Zylinderkopf 4 befindet. Entsprechend der gewünschten Stufenzahl der Kolbenvakuumpumpe können eine oder mehrere einstufige Zylinder-Kolbeneinrichtungen oder auch Ausführungen, bei denen beide Zylinderstirnseiten Pumpfunktionen haben, im Gehäuse der Pumpe untergebracht sein. Eine Kurbelwelle 5 und eine Pleuelstange 6 sind in den Figuren 1, 2, 8 und 10 schematisch angedeutet.
Bei allen Ausführungen sind mit 7 ein in den Kompressionsraum 8 mündender Gaseinlaß und mit 9 ein Gasauslaß bezeichnet. Der Gaseinlaß 7 hat die Form einer in die Wand des Zylinders 2 eingelassenen Ringnut, die mit einem nicht dargestellten Einlaßkanal in Verbindung steht. Der Gasauslaß 9 ist an eine im Zylinderkopf 4 ausgebildete Kammer 11 angeschlossen. Das Auslaßventil 12 mit seinem Ventilteller 13 und seinem Ventilsitz 14 befindet sich zwischen Gaseinlaß 7 und Gasauslaß 9.
Entsprechend der Erfindung bildet der Ventilteller 13 die gesamte, im Bereich des Zylinderkopfes gelegene Zylinderstirnseite. Sein Durchmesser ist größer als der Innendurchmesser des Zylinders 2, so daß der stirnseitige Rand des Zylinders 2 die Funktion des Ventilsitzes 14 hat.
Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem der etwa kreisscheibenförmige Ventilteller 13 aus einem flexiblen Werkstoff, zum Beispiel aus Federstahlblech, besteht. Mit Hilfe eines zentral angeordneten, stiftförmigen Trägers 21 ist er an einer Wandung der Kammer 11 aufgehängt und wird derart in seiner Position gehalten, daß das Ventil 12 selbstdichtend geschlossen ist (Figur 1). In dieser Figur nimmt der Kolben 3 seinen entfernt vom Zylinderkopf 4 gelegenen Totpunkt ein. Der Gaseinlaß 7 ist zum Kompressionsraum 8 offen. Zu förderndes bzw. zu komprimierendes Gas strömt in den Kompressionsraum 8 ein. Teller 13 und Trager 21 können z.B. aus Kunststoff bestehen und einstückig ausgebildet sein.
Die sich an die Stellung des Kolbens 3 in Figur 1 anschließende Kolbenbewegung in Richtung Zylinderkopf 4 bewirkt zunächst ein Schließen des Gaseinlasses 7, danach eine Kompression der eingeströmten Gase und schließlich die Öffnung des Ventils 12, so daß die komprimierten Gase in die Kammer 11 gelangen und von dort aus durch den Gasauslaß 9 strömen. Das Ventil 12 wird vom Kolben 3 betätigt. Dazu ist der Kolbenhub um den Öffnungsweg des Ventils verlangert. Kurz vor dem Erreichen seines dem Zylinderkopf 4 benachbarten Totpunktes kommen Kolben 3 und Ventilteller 13 in Eingriff. Die sich daran anschließende Kolbenbewegung bis zum Totpunkt ist der Öffnungsweg des Ventils.
Beim Ausführungsbeispiel nach den Figuren 1 und 2 ist die dem Zylinderkopf 4 zugewandte Kolbenstirnseite 16 konkav (muldenförmig, d.h. mit zentraler Vertiefung) ausgebildet. Die Öffnung des Ventils 12 erfolgt dadurch, daß der äußere Rand des flexiblen Ventiltellers 13 vom Ventilsitz 14 abhebt (Figur 2). Dieses kann dadurch geschehen, daß komprimierte Gase den äußeren Rand des Ventiltellers 13 anheben. Reicht der erzeugte Gasdruck nicht aus, dann bewirkt der Kolben 3 die Öffnung des Ventils 12. Sein äußerer Rand berührt kurz vor dem Erreichen seines dem Zylinderkopf benachtbarten Torpunktes den äußeren Rand des Ventiltellers 13 und hebt ihn von seinem Ventilsitz 14 ab, so daß das komprimierte Gas ausströmen kann.
Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Kolbenstirnseite 16 eben ausgebildet ist. Im Bereich des äußeren Randes des Kolbens 3 befinden sich Vorsprünge 17, die kurz vor dem Erreichen des Totpunktes den Ventilteller 13 berühren und das Ventil 12 öffnen. Es können diskrete Vorsprünge 17 vorhanden sein. Zweckmäßig bildet jedoch ein umlaufender Rand den Vorsprung 17. Dieser Rand ist wie in Figur 3 dargestellt Bestandteil einer äußeren aus verschleißarmen werkstoffbestehenden Beschichtung 18 des Kolbens 3.
In Figur 3 ist noch eine besondere Gestaltung des Ventilsitzes 14 dargestellt. Er umfaßt einen O-Ring 15, der sich in einer in der Stirnseite des Zylinders 2 eingelassenen Nut befindet.
Bei den Ausführungsbeispielen nach Figur 4 und 5 umfaßt die Aufhängung des Ventiltellers 13 einen aus flexiblem Werkstoff, zum Beispiel Kunststoff, bestehenden Träger 21, an dem der Ventilteller 13 befestigt ist.
Beim Ausführungsbeispiel nach'Figur 5 ist der Ventilteller 13 zusätzlich mit diesem Werkstoff des Trägers beschichtet (Schicht 19). Diese Schicht 19 ist auch Träger eines Dichtringes 22. Träger 21, Schicht 19 und Dichtring 22 können einstückig ausgebildet sein und in einem Arbeitsgang auf den Ventilteller 13 aufgebracht (z.B. vulkanisiert) werden.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 ist die Kolbenstirnseite 16 konvex ausgebildet. Die Aufhangung 21 des Ventiltellers 13 umfaßt eine Feder 23, die in Schließrichtung wirkt. Bei seiner das Ventil 12 öffnenden Bewegung des Kolbens 3 berührt zunächst die Mitte der Kolbenstirnseite den Ventilteller 13. Besteht dieser aus flexiblem Werkstoff, dann nimmt der Ventilteller 13 bei offenem Ventil 12 etwa die Form der Kolbenstirnseite 16 an. Eine totraumfreie Entleerung des Kompressionsraumes 8 ist dadurch möglich. ,
Figur 7 zeigt eine besondere Gestaltung des Ventiltellers 13. Er ist einseitig - z.B. mittels einer Schraube 24 - außerhalb der Dichtung 15 auf dem stirnseitigen Rand fixiert, so daß seine Öffnungsbewegung eine Schwenkbewegung um den Befestigungspunkt ist. Ein die Öffnungsbewegung verursachender Vorsprung 17 ist nur auf der dem Befestigungspunkt gegenuberliegenden Seite des Kolbens 3 vorgesehen.
Der Ventilteller 13 besteht zweckmäßig aus elastischem Stahlblech - z.B. mit Viton beschichtet - und weist einen durch Bördelung entstandenen Rand 25 auf. Dieser Rand bewirkt eine Versteifung des Ventiltellers 13. Im Bereich des Befestigungspunktes ist die Bördelung 25 unterbrochen, um die Schwenkbewegung des Ventiltellers 13 zuzulassen.
Bei der Lösung nach Figur 7 entfällt ein zentraler Träger 21. Außerdem besteht die Möglichkeit, den Gasen eine gezielte Strömungsrichtung zu geben, z.B. in Richtung Auslaß 9. Das Saugvermögen der Pumpe beeinträchtigende Verwirbelungen werden vermieden.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen beide Stirnseiten der Kolben-Zylinder-Einrichtung Pumpfunktion haben. Wegen der Durchführung der Pleuelstange 6 bis in das Innere des Kolbens 3 ist es erforderlich, den dem Zylinderkopf 4 entfernt gelegenen Kompressionsraum 26 ringförmig auszubilden. Dazu ist der Kolben 3 mit einer Abstufung 27 ausgerüstet, die den Stirnwandabschnitt mit 28 und den zylindrischen Abschnitt 29 umfaßt. Dieser hat gegenüber dem übrigen Teil des Kolbens 3 einen reduzierten Durchmesser.
Der Einlaß der kreisringförmigen Pumpstufe ist ebenfalls als Ringnut in der Wandung des Zylinders 2 ausgebildet und mit 31 bezeichnet. Das Ventil 32 umfaßt den kreisringförmigen Ventilteller 33. Den Ventilsitz 34 bildet wieder die Stirnseite des Zylinders 2. Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Ventilteller 33 an einem Träger 36 befestigt, der am kurbelwellenseitig gelegenen Zylinderkopf 37 aufgehängt ist. Der Träger 36 hat die Form einer Hülse, die den zylindrischen Abschnitt 29 des Kolbens 3 führt. Teller 33 und Träger 36 konnen einstückig ausgebildet sein und z.B. aus Kunststoff bestehen. Im kurbelwellenseitig gelegenen Zylinderkopf 37 befindet sich die kreisringförmige Kammer 38, an die sich der Gasauslaß 39 anschließt.
Der stirnseitige Abschnitt 28 des Kolbens 3 ist eben ausgebildet. Die Öffnung des Ventils 32 erfolgt wieder durch eine Verlängerung des Kolbenhubs. Auch alle zu den Figuren 1 bis 6 dargestellten Öffnungsmechanismen können beim kurbelwellenseitig angeordneten Ventil 33 in aquivalenter Weise Anwendung finden. So ist beim Ausführungsbeispiel nach Figur 9 beispielsweise der stirnseitige Abschnitt 28 des Kolbens 3 mit Vorsprüngen 41 ausgerüstet, die ein Abheben des Ventiltellers 33 von seinem Ventilsitz 34 (mit Dichtungsring 42) bewirken.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 10 ist das Ventil 12 mit einem Bypass 45 ausgerüstet. Der Bypass 45 verbindet die Kammer 11 mit dem Kompressionsraum 8. Die zum Kompressionsraum führende Mündung 46 sollte möglichst nahe beim Ventilsitz 14 angeordnet sein. Im Bypass 45 befindet sich ein Rückschlagventil 47, das geschlossen ist, wenn der Druck im Kompressionsraum 8 größer ist als der Druck in der Kammer 11, und das bei umgekehrten Druckverhältnissen öffnet. Der Bypass 45 hat eine den Antriebsmotor der Kolbenvakuumpumpe entlastende Wirkung. Ohne Bypass erzeugt der Kolben nach dem Schließen des Ventils 12 im Kompressionsraum 8 ein relativ hohes Vakuum, das erst nach dem Öffnen des Gaseinlasses 7 gebrochen wird. Ist der Bypass 45 vorhanden, gelangt bereits kurz nach dem Schließen des Ventils 12 Gas aus der Kammer 11 in den Kompressionsraum 8. Auch das kurbelwellenseitig angeordnete Ventil 32 kann mit einem Entlastungsbypass dieser Art ausgerüstet sein.