EP1835178B1 - Dichtungsanordnung für eine Hubkolbenvakuumpumpe - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System einer Hubkolbenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
• Hubkolbenvakuumpumpen sind seit einigen Jahren als sogenannte "trockene Vorvakuumpumpen" erfolgreich im Einsatz. Sie finden überall dort Anwendung, wo frei von Arbeitsfluid, beispielsweise Öl, ein Vorvakuum erzeugt werden muss, d.h. die Rückströmung von Arbeitsfluid in den Rezipienten nicht toleriert werden kann. Kolbenvakuumpumpen besitzen einen oder mehrere Zylinder, in denen jeweils ein Kolben eine oszillierende Bewegung ausführt, mit der der Kompressionsraum periodisch vergrößert und verkleinert wird. In dem Zeitraum, in dem der Kompressionsraum verkleinert wird, wird Gas verdichtet und am Ende der Bewegung ausgestoßen.
• Wichtig für die Funktion einer trockenen Kolbenvakuumpumpe ist die Abdichtung zwischen Kolben und Innenwand des Zylinders. Bewährt hat sich als Dichtung ein L-förmiges Dichtelement, wie es in der DE-OS 103 37 298 beschrieben ist. Bei diesem Dichtelement ist ein Schenkel des L im Kolben fixiert, während der andere Schenkel leicht gegenüber der Kolbenachse geneigt ist und mit seinem Ende die Zylinderinnenwand berührt. Dieses L-förmige Dichtelement ermöglicht eine Konstruktion mit geringem Totraum. Eine geeignete Materialwahl erlaubt den Betrieb der Pumpe frei von Arbeitsfluid.
• Bei längerem Betrieb stellt man fest, dass das L-förmige Dichtelement hohen Belastungen ausgesetzt sein muss, da ein Verschleiß zu beobachten ist, der den heutigen Anforderungen an die Dauerlaufeigenschaften nicht gerecht wird.
• Die Patente US 3,343,844 und US 3,603,215 stellen Zylinder-Kolben-Systcme vor, welche neben einem Dichtungselement mit L-förmigen Querschnitt ein ringförmiges Führungselement aufweisen.
• Die WO 98/48170 zeigt eine Kolbenvakuumpumpe mit einer L-förmigen Dichtung. Die Wand des Kolbens dient der Führung des Kolbens im Zylinder.
• Die JP 07 133866 schlägt vor, zusätzlich zu einer mittig am Kolben angeordneten Dichtung ein mit der Stirnfläche des Kolbens abschließendes Führungselement vorzusehen.
• Aufgabe ist es daher, eine Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System einer Kolbenvakuumpumpe vorzustellen, welches die Vorteile des L-förmigen Dichtelements aufweist, den Verschleiß dieses Bauteils aber reduziert.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruches.
• Gegenüber dem Stand der Technik benutzt die Erfindung zusätzlich zum L-förmigen Dichtungselement ein Führungselement, welches auf der vom Kompressionsraum abgewandten Seite des Dichtungselements angeordnet ist. Dieses Führungselement nimmt mechanische Belastung vom Dichtungselement, welche insbesondere durch die der periodisch-linearen Bewegung überlagerten Pendelbewegung entsteht und gerade in den Umkehrpunkten besonders ausgeprägt ist. Durch die verminderte Belastung steigt die Lebensdauer des Dichtungselements an. Gleichzeitig beobachtet man eine positive Auswirkung auf die Geräuschentwicklung des Zylinder-Kolben-Systems.
• Die Merkmale der Ansprüche 2 bis 8 stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
• Die Kombination der Kolbenführung mit einem Dämpfungselement, welches zwischen Kolben und freiem Schenkel des Dichtungselements angeordnet ist, bewirkt zudem eine deutlich verminderte Geräuschentwicklung des Zylinder-Kolben-Systems.
• Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, das Dämpfungselement in einer kreisförmigen Nut zu führen, welche mindestens eine Abfräsung aufweist. Hierdurch wird ein Ausdehnungraum geschaffen, in den sich das Dämpfungselement bei Druckbelastung ausdehnen kann. Dies wiederum vermeidet, dass das Dämpfungselement unter Druckbelastung das L-förmige Dichtungselement mit zu starker Kraft gegen die Zylinderwand drückt und so die Reibung örtlich begrenzt hochsetzt.
• Für den Einsatz in einer Kolbenvakuumpumpe von Vorteil ist die Anordnung eines weiteren L-förmigen Dichtelements am entgegengesetzten Ende des Kolbens, da so die Dichtheit der gesamten Anordnung erhöht wird. Zudem wird die Führung des Kolbens verbessert, Verschleiß und Geräuschentwicklung sinken..
  Die Maßnahme nach Anspruch 5 verbessert die durch das Hinzufügen des Führungselements bereits erreichten Vorteile. Ein Führungselement nach Anspruch 6 entlastet das Dichtungselement und sorgt für eine weiter verbesserte Kolbenführung ohne dabei so unnachgiebig zu sein, dass es zu einer merklichen Geräuschbildung kommt.
• Die Maßnahme nach Anspruch 7 bewirkt, dass das Führungselement nur dann eingreift, wenn es wirklich notwendig ist. Dies ist der Fall, wenn die durch eine Auslenkung von der Zylinderachse resultierende Belastung für das Dichtungselement durch die Pendelbewegungen zu hoch ist. Bei geringen Belastungen hingegen steht das Führungselement nicht in reibendem Kontakt mit der Zylinderinnnenwandung, so dass ein Abrieb vermieden wird.
• Mit Hilfe der Abbildungen soll die Erfindung an Ausführungsbeispielen näher erläutert und die Vorteile derselben vertieft werden.

Fig. 1:

Nichtmaßstäblicher Querschnitt durch das Zylinder-Kolben-System einer Kolbenvakuumpumpe.

Fig. 2:

Querschnitt durch ein integriertes Bauteil.

Fig. 3:

Schnitt durch Kolbendeckel a) längs der Zylinderachse und b) Stirnschnitt.

• Die Abbildung zeigt einen nichtmaßstäblichen Schnitt durch das Zylinder-Kolben-System einer Kolbenvakuumpumpe. In einem Gehäuse 15 ist ein Zylinder 1 angeordnet. In diesem führt ein Kolben periodische Bewegungen durch, wodurch ein Kompressionsraum 5 periodisch vergrößert und verkleinert wird. Ein Umkehrpunkt der Bewegung, im folgenden "unterer Umkehrpunkt", ist charakterisiert durch den Gaseinlassvorgang. Dazu ist in der Zylinderwandung eine Öffnung 10 oder eine mit einem Einlasskanal kommunizierende Mehrzahl von Öffnungen vorgesehen. Der andere Umkehrpunkt, im folgenden "oberer Umkehrpunkt", ist charakterisiert durch den Gasauslassvorgang. Dazu wird der Kolben soweit im Zylinder verschoben, dass der Ventildeckel 12 vom Ventilsitz 14 abgehoben wird und die gegenspannende Kraft der Ventilfeder 13 überwindet. Das verdichtete Gas wird dann über den Gasauslass 11 abgeführt.
• Der Kolben ist im Ausführungsbeispiel dreiteilig aufgebaut und besitzt einen Kolbendeckel 2b, eine Kolbenhülse 2a und einen Kolbenboden 2c. Nicht gezeigt ist das Pleuelsystem, welches mit dem Kolben verbunden ist und seine periodische Bewegung bewirkt.
• Ein ringförmiges, L-förmiges Dichtungselement mit L-förmigem Querschnitt 3 ist am Kolben angeordnet und dichtet den Spalt zwischen Kolben und der Zylinderinnenwand ab. Ein Schenkel des Dichtungselements ist am Kolben fixiert, während der andere Schenkel frei ist und leicht gegen die Zylinderinnenwand drückt. Da die Kolbenvakuumpumpe als trockene Pumpe ausgeführt ist, ist zwischen Kolben und Zylinder kein Arbeitsfluid vorgesehen. Entsprechend ist die Materialpaarung von Dichtungselement 3 und Zylinder 1 zu wählen, beispielsweise werden Kunststoffe mit PTFE-Bestandteilen für das Dichtungselement verwendet, während für den Zylinder Metalllegierungen zum Einsatz kommen, beispielsweise auf Aluminiumbasis, eventuell beschichtet. Der Kolben führt eine periodische Bewegung durch, die nur theoretisch weitgehend linear ist. In der Praxis zeigen sich auch Pendelbewegungen, die eine Verkippung der Kolbenachse zur Zylinderachse entsprechen. Hierdurch entstehen, insbesondere in den Umkehrpunkten, ungleichmäßige Belastungen des Dichtungselements. Diese gilt es zu verringern, was erfindungsgemäß durch ein Führungselement 4 gelöst wird. Dieses Führungselement ist ringförmig gestaltet und weist im Beispiel einen im wesentlichen zweischenkligen Querschnitt auf. Einer der Schenkel ist im Kolben fixiert, während der andere in den Raum zwischen Zylinderinnenwand und Kolben ragt. Sein Durchmesser F ist kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders Z. Der freie Schenkel ist so gestaltet, dass er steifer ist als das Dichtungselement. Hierdurch wird erreicht, dass in einer Pendelbewegung zwar zunächst das Dichtungselement belastet wird. Ist die Auslenkung aber zu stark, berührt das Führungselement die Zylinderinnenwand und die Belastung geht von Dichtungs- auf Führungselement über, bzw. wird auf beide verteilt. Das Steifigkeit des Führungselements ist so bemessen, insbesondere gering genug, dass es noch federnd nachgeben kann. Dies ist wichtig, damit die Pendelbewegung und damit das Anschlagen des Führungselements nicht zu einer merklichen Geräuschbildung führt. Der geringere Durchmesser bewirkt zudem, dass das Führungselement nur dann eingesetzt wird, wenn es gebraucht wird und nicht in der normalen, linearen Bewegung des Kolbens beständigem Verschleiß durch Reiben an der Zylinderinnenwand ausgesetzt ist. Denkbar sind andere Ausgestaltungsformen für das Führungselement, die aber eine äquivalente Wirkung erzielen. So kann statt einem zweischenkligen ein rechteckiger Querschnitt verwendet werden, wobei dieser Ring in einer am Kolben vorgesehenen Nut geführt ist und sich quer zur Kolbenachse, also radial, bewegen kann. Dieser Ring kann dann von einem federnden Element unterstützt sein oder selbst aus einem elastischen Material geformt sein.
• Ebenfalls zur Geräuschdämpfung dient ein Dämpfungselement 6, welches in diesem Ausführungsbeispiel als Elastomerringe ausgeführt ist. Er verhindert, dass beim Pendeln des Kolbens der freie Schenkel des L-förmigen Dichtungselements an das Kolbenteil 2a gedrückt wird, denn dies würde Geräusche erzeugen. Der Elastomerring wird bei im Falle der Taumelbewegung, bzw. Auslenkung des Kolbens aus der Zylindermitte im Bereich der elastischen Verformung zusammengedrückt. Die dafür verwendete Energie stammt aus der Taumelbewegung, die somit abgedämpft wird.
• Um die Montage von Dichtungselement und Führungselement zu vereinfachen, ist zwischen diesen ein Abstandshalter 7 eingelegt.
• Zur Verbesserung der Funktion als Kolbenvakuumpumpe einerseits und zur verbesserten Führung andererseits ist an demjenigen Kolbenende, welches dem Kompressionsraum abgewandt ist, eine zweite Dichtungsanordnung spiegelbildlich angeordnet. Auch sie besitzt ein Führungselement 21 und ein L-förmiges Dichtungselement 20.
• Vereinfachungen der Dichtungsanordnung sind denkbar. So ist es möglich, ein einstückiges Bauteil zu konstruieren, welches die Funktion von Dichtungselement und Führungselement übernimmt. Solch ein nicht zur Erfindung gehörendes Bauteil ist der zweiten Abbildung gezeigt. Das Bauteil 25 ist ringförmig und besitzt einen dreischenkeligen Querschnitt. Einer dieser Schenkel 28 wirkt als Halteabschnitt, mit dem das Bauteil am Kolben gehalten werden kann. Ein zweiter Schenkel 26 dient als Dichtungselement und besitzt einen maximalen Durchmesser D. Der dritte Schenkel 27 übernimmt die Funktion des Führungselements. Sein maximaler Durchmesser F ist kleiner als der maximale Durchmesser D des Schenkels 26. Dadurch ist gesichert, dass der Schenkel 27 nur bei den Pendelbewegungen in Berührung mit der Zylinderinnenwand gelangt. Die Steifigkeit des Schenkels 26 ist geringer als die des Schenkels 27, wobei dieser weich genug ist, um eine elastisch federnde und dämpfende Wirkung zu besitzen.
• Eine Verbesserung des Ausführungsbeispiel zeigt die Abbildung 3. Im oberen Teil a) der Abbildung ist ein Schnitt durch den Kolbendeckel 2b entlang der Kolbenachse gezeigt. In Kolbenbolzenaugen 32 ist ein Kolbenbolzen 33 gehalten, welcher durch das Auge eines Pleuel 31 gesteckt und dort beispielweise durch ein nichtgezeigtes Wälzlager drehbar gelagert ist. In der Abbildung sind oberhalb des Kolbendeckels durch Pfeile die Bewegungen des Kolben angedeutet: Zum einen die ideale, lineare Bewegung L (links) und zum anderen die reale Taumelbewegung T (rechts). Teil b) der Abbildung zeigt den Schnitt entlang der Linie A-A durch den Kolbendeckel. Die kleinen Pfeile deuten die Stellen der Hauptbelastung an, die durch die Taumelbewegung T erzeugt wird. In beiden Abbildungsteilen a) und b) bezeichnet 3 das kreisförmige, L-förmige Dichtungselement und 6 das als Elastomerring ausgeführte Dämpfungselement. Bei Einsetzen der Taumelbewegung wird das L-förmige Dichtelement hauptsächlich an den mit den Pfeilen in Abbildungsteil b) markierten Stellen in Richtung Mitte des Kolbendeckels gedrückt. Dabei berührt es bei entsprechend starker Auslenkung das Dämpfungselement 6, welches im elastischen Bereich verformt wird. Die Verbesserung liegt darin, mindestens eine Ausfräsung 34 entlang des Umfangs der kreisförmigen Nut vorzusehen, in der das Dämpfungselement geführt ist. Diese Ausfräsung schafft einen Raum, in den sich das Dämpfungselement während der Verformung ausdehnen kann. Ohne diesen Raum kann es zu einer Klemmung kommen, d.h. das Dämpfungselement füllt den Spalt zwischen Nutinnerem und L-förmigem Dichtungselement komplett aus und sorgt dadurch für ein hohe Anpressung des Dichtelements an die Zylinderinnenwand. Im Beispiel sind zwei sekantenartige Ausfräsungen gezeigt, die entlang des Umfangs um 90 Grad gegenüber den Hauptbelastungsstellen versetzt sind.

Claims (8)

1. Dichtungsanordnung für ein Zylinder-Kolben-System einer Hubkolbenvakuumpumpe zum Abdichten zwischen einer Zylinderinnenwand und einem in dem Zylinder (1) verschiebbar gelagerten Kolben (2a, 2b, 2c) mit mindestens einem L-förmig ausgebildeten ringförmigen Dichtungselement (3), wobei ein Schenkel des L-förmigen Dichtungselements zur statischen Abdichtung am Kolben fixiert gelagert ist und der andere, freie Schenkel des Dichtungselements dynamisch abdichtend an der Zylinderinnenwand anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben als eigenständiges Bauteil ein ringförmiges Führungselcment (4) zwischen Kolben und Zylinder auf der von einem Komprcssionsraum (5) abgewandten Seite des Dichtungselements angeordnet ist, welches einen mehrschenkeligen Querschnitt aufweist und dessen einer Schenkel zur Sicherung der axialen Position des Führungselements am Kolben (2a, 2b, 2c) befestigt ist.
2. Dichtungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben (2a, 2b, 2c) und freiem Schenkel des L-förmigen Dichtungselements ein Dämpfungselement (6) angeordnet ist.
3. Dichtungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungselement (6) in einer kreisförmigen Nut angeordnet ist, die mindestens eine Abfräsung (34) aufweist.
4. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Kompressionsraum (5) abgewandten Seite am Ende des Kolbens (2a, 2b, 2c) eine zweite ringförmige Dichtung (20) mit L-förmigem Querschnitt angeordnet ist, wobei ein Schenkel des L frei und in von dem Kompressionraum abgewandter Richtung orientiert ist.
5. Dichtungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Kolben (2a, 2b, 2c) zwischen Kompressionsraum (5) und der zweiten Dichtung (20) ein zweites ringförmiges Führungselement (21) zwischen Kolben und Zylinderinnenwand angeordnet ist.
6. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des Führungselements (4) einerseits höher als die des L-förmigen Dichtungselements aber andererseits gering genug ist, eine elastisch federnde Funktion zu gewährleisten.
7. Dichtungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser F des Führungselements (4) kleiner als der innere Durchmesser Z des Zylinders (1) ist.
8. Dichtungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Dichtungselement (3) und Führungselement (4) ein ringförmiger Abstandshalter (7) angeordnet ist.

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