Kolbenmaschine zur Förderung von Gasen

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Förderung von Gasen. Ein zylindrischer Hubraum (1) ist mit Einlassöffnungen (5) und einem Ausstoßventil (7) versehen. Die Gasförderung wird durch einen im Hubraum (1) oszillierenden Kolben (3) bewirkt. Der Kolbenboden (12) ist gleichzeitig als Ventil ausgebildet. Dazu ist er mit Öffnungen (14) und einer kraftschlüssigen Vorrichtung (16, 21) versehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Kolbenmaschine zur Förderung von Gasen nach dem Oberbegriff des 1. Patentsanspruches.

[0002] Kolbenmaschinen der hier vorgestellten Art werden unter anderem in der Vakuumtechnik zur Förderung von Gasen und zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Druckdifferenzen als Vakuumpumpen eingesetzt. In der US 5,921,755 ist eine solche Pumpe beschrieben. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein- oder mehrstufige Bauweisen. Die Kolben führen eine oszillierende Bewegung zwischen ihre beiden Umkehrpunkten aus. Bei der Aufwärtsbewegung eines Kolbens wird das Gas verdichtet und ausgestoßen. Bei der Abwärtsbewegung entsteht ein Unterdruck im Hubraum. So können Gase über geeignete Ventile in den Hubraum einströmen.

[0003] Die zu leistende Arbeit bei der Abwärtsbewegung des Kolbens resultiert aus der Druckdifferenz zwischen dem Druck im Getrieberaum und dem Unterdruck im Hubraum sowie aus der Oberfläche des Kolbens und der Länge des Hubes. Durch diesen Effekt wird die Leistungsaufnahme des Pumpenantriebes erhöht und es kommt zur Temperaturerhöhung von Pumpenbauteilen, was sich störend auf einen reibungslosen und sicheren Betrieb auswirkt. Die Wärme abzuführen, ist mit zusätzlichem unerwünschten Aufwand verbunden.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Konstruktion vorzustellen, durch welche zusätzlicher unnötiger Energieverbrauch und unerwünschte Erwärmung der Pumpenbauteile vermieden werden. Besondere Aufmerksamkeit ist darauf zu lenken, dass im Bereich der pumpaktiven Bauteile (z. B. Kolben und Ventile) keine Toträume entstehen. Diese schließen während des Pumpvorganges Gase ein und beeinträchtigen somit erheblich die Pumpeigenschaften.

[0005] Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des 1. Schutzanspruches gelöst. Die Ansprüche 2 bis 5 stellen weitere Ausgestaltungsformen der Erfindung dar.

[0006] Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird die zu leistende Arbeit bei der Abwärtsbewegung des Kolbens reduziert. Dabei wird die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Getrieberaum und dem Unterdruck im Hubraum durch das über den Kolbenboden in den Hubraum strömende Gas abgebaut. Dieser Effekt wird durch den Einbau eines Ventils in den Kolbenboden erreicht. Öffnungen im Kolbenboden stellen eine direkte Verbindung zwischen Getrieberaum und Hubraum her. Durch eine solche Konstruktion werden Toträume vermieden und somit ein effektives Pumpverhalten gewährleistet.

[0007] An Hand der Figuren 1 bis 4 soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 Ansaugseite einer Kolbenpumpe mit der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 2 Schnitt entlang A - A' aus Fig. 1,

Fig. 2a Schnitt entlang A - A' aus Fig. 1 einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 4 Schnitt entlang B - B' aus Fig. 3.

[0008] In einem zylindrischen Hubraum 1, der durch die Kolbenzylinderwand 2 begrenzt ist, führt der Kolben 3 eine oszillierende Bewegung aus, wodurch die Förderung von Gas bewirkt wird. Das zu pumpende Gas tritt durch radiale Einlassöffnungen 5 in der Kolbenzylinderwand 2 im Bereich des unteren Druckpunktes des Kolbens in den Hubraum 1 ein und wird über ein Ventil 7 am oberen Ende des Hubraumes ausgestoßen. Die Bewegung des Kolbens wird über ein Pleuel 8 und eine Kolbenstange 10, die mit einer Antriebsvorrichtung verbunden ist, erzeugt. Die axiale Begrenzung des Kolbens 3 wird durch den Kolbenboden 12 gebildet. Der Kolbenboden ist erfindungsgemäß gleichzeitig als Ventil ausgebildet. Dazu ist er mit Öffnungen 14 versehen. Diese Öffnungen werden durch eine Membran abgedeckt, welche je nach Ausführungsform als Kunststoffmembran 16, durchsetzt mit ferromagnetischen Partikeln, oder als magnetische Kunststoffmembran 18 ausgebildet sein kann.

[0009] Zur Funktion des Ventils gehört eine kraftschlüssige Vorrichtung, welche die Membran in geschlossenem Zustand zur Abdichtung der Öffnungen 14 auf diese drückt. Im ersten Fall wird die kraftschlüssige Vorrichtung durch einen in einer Nut 20 eingelassenen Magnetring 21 oder Magnetsegmente 22 zusammen mit der Kunststoff membran 16 gebildet. Im zweiten Fall bilden eine Metallplatte 24 und eine magnetische Kunststoffmembran 18 zusammen die kraftschlüssige Vorrichtung.

[0010] Beim Aufwärtshub werden die Öffnungen 14 durch die Membran 16 bzw. 18 abgedichtet, so dass das vorher durch die Einlassöffnungen 5 in den Hubraum 1 eingeströmte Gas verdichtet und über das Ventil 7 ausgestoßen werden kann. Beim Abwärtshub wird die Membran 16 bzw. 18 auf Grund der Druckdifferenz zwischen dem Unterdruck im Hubraum 1 und dem Druck im Getrieberaum 26 angehoben, und ein Druckausgleich findet statt. Die durch die kraftschlüssige Vorrichtung erzeugten Magnetkräfte sorgen ab einer definierten Druckdifferenz für ein sicheres Haften der Membran und damit für ein gasdichtes Verschließen der Bohrungen.

Ansprüche

1. Kolbenmaschine zur Förderung von Gasen, bestehend im wesentlichen aus einem durch eine Kolbenzylinderwand (2) begrenzten Hubraum (1) mit Gaseinlassöffnungen (5) und einem Gasausstoßventil (7) sowie einem im Hubraum (1) oszillierenden Kolben (3) mit Kolbenboden (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenboden (12) gleichzeitig als Ventil ausgebildet ist, welches aus Öffnungen (14) im Kolbenboden (12) und einer kraftschlüssigen Vorrichtung (16, 21) bzw. (18, 24) besteht, wobei die Öffnungen (14) in Abhängigkeit vom Gasstrom durch die kraftschlüssige Vorrichtung in einem offenen oder geschlossen Zustand gehalten werden.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige Vorrichtung aus einer magnetischen Anordnung (21) und aus einer mit ferromagnetischen Partikeln durchsetzten Kunststoffmembran (16) besteht.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die kraftschlüssige Vorrichtung aus einer Metallplatte (24) und aus einer magnetischen Kunststoffmembran (18) besteht.

4. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Anordnung aus einem in einer Nut (20) eingelassenen ringförmigen Dauermagneten (21) besteht.

5. Kolbenmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Anordnung aus in einer Nut (20) eingelassenen segmentförmigen Dauermagneten (22) besteht.

Zeichnung