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Die
Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des
ersten Anspruchs.
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Im
Stand der Technik sind Hubkolbenvakuumpumpen zur Erzeugung von Grob-
und Feinvakua bekannt. Insbesondere als Trockenläufer,
d. h. ohne Schmier- und Dichtmittel im Bereich des Schöpfraumes,
sind sie aufgrund ihrer Eigenschaften, beispielsweise ihres hohen
Saugermögens für leichte Gase, am Markt erfolgreich.
Der Hubkolben einer solchen Kolbenvakuumpumpe führt in
einer Laufbuchse eine reziprokierende Bewegung aus. Eine diese Laufbuchse
berührende Dichtung dichtet den Spalt zwischen Hubkolben
und Laufbuchse ab. Diese Dichtung unterliegt Verschleiß,
der durch die Schmiermittelfreiheit erhöht wird.
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Verschiedene
Lösungen zur Erhöhung der Standzeit dieser Dichtung
sind bekannt. So schlägt die
DE-A 10 2006 012 532 vor,
die Funktionen von Dichtung und Führung des Hubkolbens
in zwei Bauteile aufzuteilen, welche beide am Hubkolben angeordnet
sind. Obwohl diese Maßnahme zu einer deutlichen Standzeitverlängerung
führt, ist eine weitere Steigerung erwünscht.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenvakuumpumpe zu schaffen,
in der mit einfachen Mitteln die Standzeit der Dichtung verlängert
wird.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenvakuumpumpe mit den
Merkmalen des ersten Anspruchs. Die abhängigen Anspruch
2 bis 6 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
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Das
Kühlungsmittel, welches mit der Laufbuchse in Wärme übertragendem
Kontakt steht, nimmt Wärme von der Laufbuchse auf. Diese
Wärme entsteht durch die Reibung der Dichtung an der Laufbuchsenwandung.
Das Abführen der Wärme führt zu einer
Kühlung der Laufbuchse und der Dichtung. Hierdurch wird
die Standzeit der Dichtung deutlich verlängert. Damit verlängern
sich gleichzeitig die Serviceintervalle der Kolbenvakuumpumpe.
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In
einer ersten Weiterbildung umfasst das Kühlungsmittel einen
Wärmeleitkörper, welcher eine höhere
Wärmeleitzahl als ein die Laufbuchse aufnehmender Zylinder
aufweist. Dies stellt eine einfache Bauform dar, die bei geringen
Beanspruchungen der Kolbenvakuumpumpe durch geringe Gaslasten eine ausreichende
Kühlung und damit Standzeitverlängerung bewirkt.
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In
einer anderen Weiterbildung umfasst das Kühlungsmittel
einen geschlossenen, einen Verdampfer und einen Kondensator aufweisenden Kreislauf,
bei dem der Verdampfer mit der Laufbuchse in Kontakt steht. Ein
solcher Kreislauf ist ein effizientes Mittel, Wärme abzuführen.
Große Wärmemengen können transportiert
werden, so dass auch bei hohen Beanspruchungen der Kolbenvakuumpumpe, beispielsweise
durch hohe Gaslasten, die Temperatur von Laufbuchse und Dichtung
so niedrig gehalten wird, dass die Standzeit der Dichtung erheblich
verlängert wird.
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Die
vorgenannte Weiterbildung lässt sich konstruktiv besonders
einfach gestalten, indem die Laufbuchse eine tangentiale Bohrung
aufweist, in welcher der Verdampfer angeordnet ist. Dies erlaubt eine
einfache Herstellung der Teile und eine leichte Montage. Der Verdampfer
erhält einen sehr guten Wärmekontakt zur Laufbuchse,
so dass eine gute Wärmeableitung entsteht und die Standzeit
der Dichtung deutlich erhöht wird.
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Eine
wiederum andere Weiterbildung schlägt vor, dass das Kühlungsmittel
einen Kühlmittelkanal umfasst, der derart in einem die
Laufbuchse aufnehmenden Zylinder angeordnet ist, dass die Laufbuchse
die ihr zugewandte Begrenzungsfläche des Kanals begrenzt.
In einem solchem Kanal strömt ein Wärme aufnehmendes
Fluid, beispielsweise Kühlwasser. Durch die beanspruchte
Gestaltung gelangt das Fluid in direkten Kontakt mit der Laufbuchse,
so dass ein hervorragender Wärmeübergang gewährleistet
ist. Hieraus resultiert eine sehr gute Standzeitverlängerung.
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Die
bisher genannten Weiterbildungen werden verbessert, indem das Kühlungsmittel
auf halbem Weg zwischen einem ersten und einem zweiten Umkehrpunkt
der periodischen Bewegung angeordnet ist. An dieser Stelle ist die
Relativgeschwindigkeit der Dichtung gegenüber der Laufbuchse
am größten. Damit ist dort die Kühlung
am wirkungsvollsten. Eine solche Anordnung ist einfacher als eine
Kühlung über die komplette Laufbauchsenoberfläche
und spart Kosten bei Teilen und Montageaufwand ein. Die Standzeitverlängerung
wird daher mit geringem Aufwand erreicht.
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Anhand
von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher
erläutert und die Vorteile vertieft werden. Es zeigen:
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1:
Schnitt durch eine Kolbenvakuumpumpe gemäß eines
ersten Ausführungsbeispiels.
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2:
Schnitt senkrecht zur Kolbenachse durch die Zylinderanordnung einer
Kolbenvakuumpumpe gemäß eines zweiten Ausführungsbeipiels.
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3:
Schnitt entlang der Hubkolbenachse durch die Zylinderanordnung einer
Kolbenvakuumpumpe gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels.
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4:
Schnitt senkrecht zur Kolbenachse durch die Zylinderanordnung einer
Kolbenvakuumpumpe gemäß einer Weiterbildung des
dritten Ausführungsbeipiels.
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Eine
Kolbenvakuumpumpe 1 mit einem Gehäuse 2 ist
in 1 gezeigt. Das Gehäuse beherbergt eine
in Wellenlagern 6 und 7 drehbar gelagerte Welle 4.
Die Welle trägt Permanentmagnete 8, welche mit
feststehenden Spulen 10 derart zusammenwirken, dass die
Welle in Drehung versetzt wird. Spulen und Permanentmagnete bilden
in diesem Sinne den Antrieb diese Kolbenvakuumpumpe. Die für
die Drehung notwendige Bestromung der Spulen geschieht durch eine
nicht gezeigte Steuerelektronik. Ein Ende der Welle ragt in den
Kurbelraum 12. Mit diesem Ende der Welle ist eine Kurbelscheibe 14 verbunden,
die einen Kurbelzapfen 16 trägt. Je nach Gestaltung
des Gehäuseteils, der den Antrieb und die Lagerung umfasst,
ist eine Wellendichtung 18 zum Kurbelraum notwendig, so
dass dieser evakuiert werden kann.
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Mit
dem Gehäuse ist ein Zylinder 20 gasdicht verbunden,
welcher eine Laufbuchse 22 aufnimmt. Die Laufbuchse ist über
einen Teil ihrer Längsachse mit einem Schrumpfsitz in die
Bohrung des Zylinders eingepasst. In der Laufbuchse befindet sich
ein Hubkolben 24, der über einen Pleuel 26 mit
dem Kurbelzapfen verbunden ist. Durch diese Verbindung führt
der Hubkolben eine periodische Bewegung aus. In dem in 1 gezeigten
Beispiel bewirkt der Kurbeltrieb aus Welle, Kurbelscheibe und Kurbelzapfen eine
reziprokierende Bewegung zwischen zwei Umkehrpunkten.
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Der
erste Umkehrpunkt 27 liegt zwischen dem dem Kurbelraum
zugewandten Ende der Laufbuchse und Gaseinlassbohrungen 28,
die über den Umfang der Laufbuchse verteilt vorgesehen
sind und eine Gasverbindung zum Einlasskanal 30 herstellen. Dieser
Einlasskanal umgibt die Laufbuchse wenigstens abschnittsweise in
Umfangsrichtung und steht wiederum in Gasverbindung mit dem Pumpengaseinlass 32.
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Der
zweite Umkehrpunkt 33 liegt nahe dem dem Kurbelraum abgewandten
Ende der Laufbuchse. Er ist dabei so bemessen, dass der Hubkolben den
Ventildeckel 34 berührt und vom Ende der Laufbuchse
abhebt. Dieses Ende der Laufbuchse bildet den Ventilsitz auf dem
der Ventildeckel in den anderen Phasen des Hubkolbenhubes sitzt.
Der Ventildeckel ist mit einer Schicht 36 versehen, die
eine Dämpfung der Berührung von Ventildeckel und
Hubkolben und eine Abdichtung bewirkt. Der Ventildeckel ist durch
eine Ventilfeder 38 in Richtung Laufbuchse vorgespannt.
Befindet sich der Hubkolben in der Nähe des zweiten Umkehrpunktes,
wird Gas aus dem Schöpfraum 40 in die Auslasskammer 42 ausgestoßen.
Von dort gelangt es dann zum Pumpengasauslass 44, der zusammen
mit der Auslasskammer, Ventildeckel und Ventilfeder in einem mit
dem Zylinder gasdicht verbundenen Zylinderdeckel 46 angeordnet
ist.
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Zwischen
Laufbuchseninnwand und Hubkolben ist eine Dichtung 48 angeordnet.
Diese dichtet den Spalt zwischen Laufbuchse und Hubkolben und damit
den Schöpfraum gegen den Kurbelraum ab. Diese Dichtung
ist durch die Reibung an der Laufbuchseninnenwand Verschleiß ausgesetzt.
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Ein
Wärmeleitkörper 50 steht in Wärme übertragendem
Kontakt mit der Laufbuchse. Das Material dieses Wärmeleitkörpers
weist eine höhere Wärmeleitzahl auf als das Material
des die Laufbuchse aufnehmenden Zylinders. Typischerweise wird für
den Zylinder eine Aluminiumlegierung verwendet. Als Material für
den Wärmeleitkörper ist Kupfer geeignet. Andere
Materialien mit noch höherer Wärmeleitzahl als
Kupfer sind vorteilhaft verwendbar. Der Wärmeleitkörper
bildet eine Wärmeverbindung zwischen Laufbuchse und dem
Raum außerhalb des Zylinders. Er kann durch Konvektion
der Umgebungsluft oder durch Wärmekontakt mit einem nicht
gezeigten externen Kühlkreislauf gekühlt werden.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel der Kolbenvakuumpumpe ist in 2 in
einem Schnitt senkrecht zur Kolbenachse durch den Zylinder gezeigt. Gegenüber
dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Bereich des Zylinders
geändert. Motor, Kurbeltrieb und Gehäuse entsprechen
dem vorherigen Ausführungsbeispiel. Der Zylinder 220 umgibt
die Laufbuchse 222. Im Zylinder ist ein Durchgangsloch 224 vorgesehen,
welches die Oberfläche des Zylinders mit der Laufbuchse
verbindet. In der Laufbuchse ist eine Bohrung 226 vorgesehen.
Bohrung und Durchgangsloch nehmen ein Wärmerohr 230 teilweise
auf. Das Wärmerohr weist am Verdampferende einen Verdampfer 232 und
am Kondensatorende einen Kondensator 234 auf. Das Wärmerohr
enthält ein Fluid, welches im Verdampfer von einem flüssigen
in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dabei nimmt
es Wärme von der Laufbuchse auf. Im Innenteil 236 des Wärmerohres
wird das verdampfte Fluid dem Kondensatorende zugeführt.
Dort wechselt es unter Abgabe von Wärme in den flüssigen
Zustand zurück und wird dann über das Außenteil
des Wärmerohres wieder dem Verdampferende zugeführt.
Während das Innenteil ein Hohlraum sein kann, wird für
den Außenteil 238 eine porige Struktur verwendet,
die mit Kapillarkräften die Fördung des Fluids
bewirkt.
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Das
Verdampferende ist in der Bohrung angeordnet und steht in Kontakt
mit der Innenwand der Bohrung und damit mit der Laufbuchse. Der
Kontakt entsteht beispielsweise durch eine möglichst enge Passung,
so dass Wärme leicht übertragen werden kann. Die
Wärmeübertragung kann durch Ausfüllen etwaig
zwischen Verdampferende und Innenwand der Bohrung verbleibenden
Leerräumen mit Wärmeleitpaste verbessert werden.
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Das
Konsendatorende befindet sich außerhalb des Zylinders und
steht mit einem Kühlkörper 240 derart
in Kontakt, dass dieser die Wärme vom Kondensatorende aufnimmt
und an die Umgebung abstrahlt. Sollte eine Konvektionskühlung
des Kühlkörpers nicht ausreichen, die Temperatur
der Laubuchse in gewünschtem Maße abzusenken,
wird das Kondensatorende oder der Kühlkörper zwangsgekühlt.
Dies gelingt mit einem Lüfter oder durch Verbinden mit
Kühlmitteln, beispielsweise mit dem Wärmetauscher
eines Kühlwasserkreislaufs.
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Vorteilhaft
sind Verdampferende und Kondensatorende derart gegenüber
der Schwerkraftrichtung 260 orientiert, dass das Kondensatorende
höher als das Verdampferende liegt.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel ist in 3 gezeigt.
Gegenüber den anderen Ausführungsbeispielen ist
der Bereich des Zylinders geändert. Motor, Kurbeltrieb
und Gehäuse entsprechen den vorherigen Ausführungsbeispielen.
In dieser Figur ist die Zylinderanordnung in einem Schnitt entlang
der Zylinderachse dargestellt. Der Kolben 324 bewegt sich
innerhalb der vom Zylinder 320 aufgenommenen Laufbuchse 322 zwischen
dem ersten Umkehrpunkt 327 und dem zweiten Umkehrpunkt 333.
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Im
ersten Umkehrpunkt gibt er die Einlassbohrung 328 frei,
durch die Gas aus dem mit dem zu evakuierenden Gefäß oder
einer weiteren Pumpstufe verbundenen Einlasskanal 330 in
den Schöpfraum 340 gelangt. Der Einlasskanal bildet
einen ringförmigen Raum, der die Laufbuchse umgibt.
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Am
zweiten Umkehrpunkt hebt der Kolben den mit der Ventilschicht 336 versehenen
Ventildeckel 334 gegen die Federkraft der Ventilfeder 338 vom
Ventilsitz ab, so dass das verdichtete Gas aus dem Schöpfraum
ausgestoßen wird. Die Ventilanordnung ist im Zylinderdeckel 346 angeordnet.
Zwischen Kolben und Laufbuchse dichtet die Dichtung 348 ab, so
dass kein Gas dem Schöpfraum über den Spalt zwischen
Kolben und Laufbuchse entweichen kann. Um den Verschleiß der
Dichtung herabzusetzen, weist die Laufbuchse auf der mit der Dichtung
in Berührung kommenden Seite eine Laufbuchsenbeschichtung 323 auf.
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Etwa
auf halber Höhe zwischen den Umkehrpunkten umgibt ein ringförmiger
Kühlmittelkanal 350 die Laufbuchse. In diesem
Bereich ist die Kolbengeschwindigkeit am größten,
soweit ein Kurbeltrieb nach dem ersten Ausführungsbeispiel
zum Einsatz kommt. In dem Kühlmittelkanal zirkuliert ein
Fluid, welches Wärme von der Laufbuchse aufnimmt, beispielsweise
Kühlwasser, welches eine Temperatur in Höhe der
oder unterhalb der Raumtemperatur besitzt. Damit die Wärmeübergabe
bestmöglich stattfindet, gelangt das Fluid direkt in Kontakt
mit der Außenwand der Laufbuchse. Das Kühlungsmittel
umfasst also einen Kühlmittelkanal 350, der derart
in einem die Laufbuchse aufnehmendem Zylinder angeordnet ist, dass
die Laufbuchse die ihr zugewandte Begrenzungsfläche des
Kanals begrenzt. Um Austreten von Fluid in den Einlasskanal zu verhindern,
ist zwischen Kühlmittelkanal 350 und Einlasskanal 330 eine
Dichtung 352 angeordnet. Eine weitere Dichtung 360 dichtet
den Spalt zwischen Laufbuchse und Zylinder und damit den Kühlmittelkanal
gegen die Auslasskammer 342 an.
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Das
Fluid wird über einen Kühlmittelzulauf 354 in
den Kühlmittelkanal eingespeist und dann an den Kühlmittelablauf 356 abgegeben.
Kühlmittelzulauf und -ablauf sind in einer einfachen Ausführung Teil
einer Kühlwasserinstallation. In einer Weiterbildung ist
das Kühlmittel von Kühlmittelzulauf und Kühlmittelablauf
getrennt und gibt die Wärme über einen Wärmetauscher
an diese ab. Zwischen Wärmetauscher und Kühlmittel
ist dann zusätzlich eine Umwälzpumpe vorgesehen.
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Die
in 4 gezeigte Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispiels
bezieht sich auf die Gestaltung der zwischen Einlasskanal 430 und
Kühlmittelkanal 450 vorgesehenen Dichtung. Diese
weist eine Kühlmitteldichtung 452 auf, welche
dem Kühlmittelkanal benachbart ist und den Spalt zwischen
Laufbuchse 422 und Zylinder 420 abdichtet. Eine
Zusatzdichtung 453 ist zwischen Kühlmitteldichtung
und Einlasskanal vorgesehen. Zwischen Kühlmitteldichtung
und Zusatzdichtung befindet sich ein Ringkanal 451, der
die Laufbuchse umgibt. Eine Ringkanalverbindung 458 verbindet
den Ringkanal mit dem Kurbelraum 412. In diesem herrscht
in Kolbenvakuumpumpen Unterdruck, so dass durch die Ringkanalverbindung
der Ringkanal ebenfalls auf Unterdruck gebracht wird. Hierdurch
wird vermieden, dass durch die Kühlmitteldichtung hindurch
tretendes Kühlmittel in den Einlasskanal 430 gelangt.
Gleichzeitig wird die Beanspruchung von Kühlmitteldichtung
und Zusatzdichtung verringert, da der Druckabfall über
jede der Dichtungen herabgesetzt ist. Weiterhin ist eine Dichtung 460 derart
angeordnet, dass Kühlmittelkanal 450 und Auslass 442 gegeneinander
abgedichtet sind.
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Für
alle der gezeigten Beispiele hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
das Kühlungsmittel in Bezug zur Längsachse der
Laufbuchse kürzer als den Abstand der Umkehrpunkte zu gestalten.
Dies erlaubt eine einfache, kostengünstige Konstruktion
und sorgt trotzdem für ausreichende Kühlung. Die
Ausdehnung des Kühlmittels beträgt zwischen einem
Fünftel und der Hälfte des Abstandes zwischen
den Umkehrpunkten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102006012532
A [0003]