EP2196671B1

EP2196671B1 - Kolbenvakuumpumpe

Info

Publication number: EP2196671B1
Application number: EP09014531.9A
Authority: EP
Inventors: Stefan Kallenborn; Ronald Dr. Sachs; Heiko Schäfer
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2008-12-11
Filing date: 2009-11-20
Publication date: 2018-01-24
Anticipated expiration: 2029-11-20
Also published as: EP2196671A2; DE102008061897A1; EP2196671A3

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenvakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
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.
Verschiedene Lösungen zur Erhöhung der Standzeit dieser Dichtung sind bekannt. So schlägt die DE 10 2006 012 532 A1 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.
Ferner ist aus der EP 0 977 948 B1 eine Kolbenvakuumpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Die DE 101 09 514 C1 beschreibt eine ähnliche Kolbenvakuumpumpe.
In der FR 332 224 A ist ein Kompressor beschrieben, bei dem eine Laufbuchse eine Begrenzungsfläche eines Kühlmittelkanals bildet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenvakuumpumpe zu schaffen, in der mit einfachen Mitteln die Standzeit der Dichtung verlängert wird.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Die abhängigen Anspruch 2 bis 4 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
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.
Erfindungsgemäß 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.
Gemäß einer ersten Weiterbildung lässt sich dies 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.
In einer nicht beanspruchten beispielhaften Ausführungsmöglichkeit 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. In einer weiteren nicht beanspruchten beispielhaften Ausführungsmöglichkeit umfasst das Kühlungsmittel einen Kühlmittelkanal, 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.
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.
Anhand von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung näher erläutert und die Vorteile vertieft werden. Es zeigen:

Fig. 1: Schnitt durch eine Kolbenvakuumpumpe, umfassend einen Wärmeleitkörper als Kühlungsmittel (nicht beasnpruchtes Ausführungsbeispiel).
Fig. 2: Schnitt senkrecht zur Kolbenachse durch die Zylinderanordnung einer Kolbenvakuumpumpe gemäß des in den Patentansprüchen definierten Ausführungsbeipiels.
Fig. 3: Schnitt entlang der Hubkolbenachse durch die Zylinderanordnung einer Kolbenvakuumpumpe, umfassend einen Kühlmittelkanal als Kühlungsmittel (nicht beasnpruchtes Ausführungsbeispiel).
Fig. 4: Schnitt senkrecht zur Kolbenachse durch die Zylinderanordnung einer Kolbenvakuumpumpe gemäß einer Weiterbildung des obigen, nicht beanspruchten Ausführungsbeipiels. Ein nicht beanspruchtes Beispiel einer Kolbenvakuumpumpe 1 mit einem Gehäuse 2 ist in Fig. 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.

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 Fig. 1 gezeigten Beispiel bewirkt der Kurbeltrieb aus Welle, Kurbelscheibe und Kurbelzapfen eine reziprokierende Bewegung zwischen zwei Umkehrpunkten.
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.
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.
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.
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. Das beanspruchte Ausführungsbeispiel der Kolbenvakuumpumpe ist in Fig.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.
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.
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.
Vorteilhaft sind Verdampferende und Kondensatorende derart gegenüber der Schwerkraftrichtung 260 orientiert, dass das Kondensatorende höher als das Verdampferende liegt.
Ein nicht beanspruchtes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 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.
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.
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.
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.
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.
Die in Fig. 4 gezeigte Variante eines nicht beanspruchten 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.
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.

Claims

Kolbenvakuumpumpe (1) mit einer Laufbuchse (22; 222; 322; 422), einem in der Laufbuchse beweglich angeordneten Hubkolben (24; 224; 324; 424), einer an dem Hubkolben angeordneten Dichtung (48) zum Abdichten der Raumes zwischen Hubkolben und Laufbuchse und einem Antrieb, welcher eine periodische Bewegung des Hubkolbens bewirkt,
dadurch gekennzeichnet ,
dass ein Kühlungsmittel (230) mit der Laufbuchse in Wärme übertragenden Kontakt steht, dass das Kühlungsmittel (230) einen geschlossenen, einen Verdampfer (232) und einen Kondensator (234) aufweisenden Kreislauf umfasst und dass der Verdampfer (232) mit der Laufbuchse (22; 222; 322; 422) in Kontakt steht.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlungsmittel (230) einen Kühlkörper (240) umfasst, welcher mit einem Ende des Kondensators (234) in Kontakt steht.
Kolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufbuchse eine tangentiale Bohrung (226) aufweist, in welcher der Verdampfer (232) angeordnet ist.
Kolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kühlungsmittel (230) auf halbem Weg zwischen einem ersten (27; 327) und einem zweiten Umkehrpunkt (33; 333) der periodischen Bewegung angeordnet ist.