0 Mehrstufige Drehkolbenvakuumpumpe bzw. - Verdichter

Die Erfindung betrifft eine mehrstufige Drehkolbenvakuumpumpe bzw. - Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

5 Zunehmender Kostendruck bei den Herstellern trockenlaufender Vakuumpumpen bzw. Verdichter hat dazu geführt, dass bei den bereits etablierten Schrauben- oder Schraubenspindelvakuumpumpen große Anstrengungen unternommen werden, um die bisher noch hohen Herstellungskosten für die schraubenspindelförmigen Verdrängerrotoren zu senken. Dennoch bleiben die dreidimensionalen, zumeist

!0 nichtlinearen Oberflächen für die Fertigung eine technische Herausforderung. Außerdem sind die Kosten für die Bearbeitung nach wie vor hoch, da die Geometrien komplex sind und in den allermeisten Fällen im Zahnprofil ein Hinterschnitt vorgesehen werden muss.

!5 Gegenüber den Schrauben- oder Schraubenspindelvakuumpumpen erreichen die gleichfalls trocken laufenden Klauenvakuumpumpen in einstufiger Ausführung nur ein Endvakuum > 50 mbar abs. für kleinere Baugrößen. Bei größeren Baugrößen oberhalb eines Nennvolumenstroms von etwa 160 m ³ /h steigt das erreichbare Endvakuum mit zunehmendem Nennvolumenstrom drastisch bis über 150 mbar abs.

K) an. Aus diesem Grund wurde eine Vielzahl von Klauenvakuumpumpen in mehrstufiger Ausführung geschaffen, die ein Endvakuum < 1 mbar abs. für kleinere

Baugrößen erreichen und seit Jahrzehnten am Weltmarkt etabliert sind. Derartige mehrstufige Klauenvakuumpumpen sind jedoch aufwendig, sowohl in der Herstellung als auch in der Montage und der Wartung. Sie benötigen zudem immer viele Einzelteile und zeigen im Betrieb nicht selten Störungen in Folge von festen oder 5 flüssigen Ablagerungen zwischen den einzelnen Pumpenstufen.

Bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine (DE 29 44 714 A1 ), die nach dem Prinzip zweier gegenläufiger Spiralen arbeitet, ist die Ausbildung derart getroffen, dass Läufer und Zylinder aus einzelnen Scheiben bestehen. Die einzelnen Scheiben

0 sind im Stirnschnitt prinzipiell identisch, erreichen aber durch Variation der Außendurchmesser sowie der Dicke der Scheiben die jeweils gewünschte Verdichtung oder Entspannung des Arbeitsgases. Die Mantelflächen und Kernflächen der einzelnen Rotorscheiben haben jeweils Sektorenwinkel von 180°. Außerdem weisen die Verbindungsflächen zwischen diesen Mantelflächen und

5 Kernflächen einen vom Drehwinkel beim Abwälzen der Rotoren abhängigen veränderlichen Dichtspalt auf. Damit handelt es sich um nicht dicht abschließende Abrollgeometrien, was eine hohe Undichtigkeit zur Folge hat. Aufgrund dieser unzureichenden Abdichtung ist daher eine derartige bekannte Rotationskolbenmaschine für Vakuumpumpen nicht geeignet.

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Bei einer weiteren bekannten Schrauben-Drehkolbenmaschine (DE 29 34 065 A1) besteht lediglich der Rotor aus einzelnen Scheiben in großer Vielzahl. Die Stirnprofile der miteinander kämmenden Scheiben sind identisch. Hierbei wird die angestrebte Entspannung oder Verdichtung des Arbeitsgases durch einen konischen Verlauf von

!5 Rotor und Zylinder sowie durch eine zur Druckseite hin abnehmende Dicke der Scheiben erreicht. Es handelt sich hierbei ebenfalls um eine eingängige Ausführung der Schraubenrotoren, d.h. die Mantelflächen und die Kernflächen der einzelnen Rotorscheiben haben jeweils Sektorenwinkel von 180°. Die Verbindungsflächen zwischen Mantel- und Kernflächen sind omegaartig ausgebildet und schließen die

SO einzelnen Kammern beim Abwälzen der Rotoren mit einem konstanten Dichtspalt ab. Eine derartige Schrauben-Drehkolbenmaschine ist jedoch aufgrund der erforderlichen hohen Anzahl stufenförmiger Begrenzungsflächen nur mit einem

hohen konstruktiven Aufwand zu fertigen. Aus diesem Grund ist sie gleichfalls für Vakuumpumpen bzw. Verdichter nicht geeignet.

Schließlich ist bei einer bekannten Rotationskolbenmaschine der gattungsgemäßen

5 Art (AT 261 792) die Ausbildung derart getroffen, dass mindestens zwei in einem gemeinsamem Gehäuse dicht eingeschlossene, miteinander zwangsläufige drehbare Rotationskolben vorgesehen sind, deren Achsen parallel zueinander verlaufen, wobei jeder Rotationskolben aus einer Mehrzahl von paarweise ineinander greifenden Scheiben besteht.

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Die Verdichtung und Entspannung des Arbeitsgases wird dadurch erreicht, dass die Scheiben an ihrem Umfang konisch sind und/oder in ihrer Breite gegen die Druckseite schmäler werden und außerdem zueinander winkelversetzt sind. Die Mantelflächen und Kernflächen der einzelnen Rotorscheiben haben jeweils

5 Sektorenwinkel von 90°, wobei die Verbindungsflächen dazwischen als verlängerte Epizykloiden ausgebildet sind und die einzelnen Kammern beim Abwälzen der Rotoren mit einem konstanten Dichtspalt abschließen. Als nachteilig hat sich hierbei gezeigt, dass die Anzahl der Scheiben, die zur Ausbildung von mehr als zwei Kammern je Rotor erforderlich ist, zu hoch ist. Damit ist auch hier der

ϊ0 fertigungstechnische Aufwand zur Ausführung als Vakuumpumpe zu hoch.

Hinzu kommt außerdem, dass alle drei vorbeschriebenen Lösungsversuche für ein erfolgreiches Industrieprodukt aus zwei maßgeblichen Gründen ungeeignet sind. So ist zum einen die Vielzahl der erforderlichen, teils sehr dünnen Teilscheiben nicht !5 wirtschaftlich herstellbar, d.h. für eine mechanische Fertigung sogar ungeeignet. Zum anderen führt die Häufung der unvermeidbaren Totvolumina und der langen Gaswege im Vergleich zu alternativen Vakuumpumpen bzw. Verdichtern zu hohen Verlusten in der Arbeitskammer.

\0 Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die mehrstufige Drehkolben- Vakuumpumpe bzw. -Verdichter der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass die aufwendige Herstellung von

Schraubengeometrien oder auch mehrstufigen Klauenvakuumpumpen umgangen ist und dennoch ein gleiches Endvakuum, d.h. bis weit unter 1 mbar abs. erreicht werden kann.

5 Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Der Erfindung liegt der wesentliche Gedanke zugrunde, dass jeweils wenigstens

0 zwei Teilscheiben jedes Drehkolbens einstückig ausgebildet, d.h. aus einem einzigen

Werkstück gefertigt sind, derart, dass bei Hintereinanderreihung der einzelnen

Teilscheiben jedes Rotors eine eingängige Schraubenstufung sowie durch zykloidenförmige Ausbildung der Verbindungsflächen zwischen Mantelfläche und

Kernfläche jeder Teilscheibe eine in sich geschlossene, dichte Arbeitskammer

15 gebildet ist, die saugseitig eine zur Steuerung der Gasfüllung ausgebildete

Steueröffnung sowie druckseitig eine zur Steuerung der Gaskompression ausgebildete Steueröffnung aufweist.

Hierdurch ist auf verblüffend einfache Weise die aufwändige Herstellung von !0 Schraubengeometrien vermieden und gleichzeitig gewährleistet, dass dennoch ein gleich hohes Endvakuum, d.h. bis weit unter 1 mbar abs. erreicht werden kann. Dies gelingt durch aufeinander abwälzende Verdrängerrotoren, die ihrerseits aus einfachen Teilscheiben bestehen, welche, gleichsam als Doppel- oder Dreifacheinheit, durch bewährte zweidimensionale Bearbeitung herzustellen sind. !5

Die Erfindung kann angewendet werden bei sowohl fliegend als auch beidseitig des Arbeitsraumes gelagerte trocken laufende Drehkolbenvakuumpumpen bzw. - Verdichtern, bei denen die Rotoren im Verhältnis 1 :1 synchronisiert, beispielsweise mechanisch durch ein Getriebe oder auch elektronisch mit einem Antriebsmotor je IO Rotorwelle, zwangsläufig und berührungsfrei gegeneinander drehbar angeordnet sind. Hierbei sind einzelne Teilscheiben der in Form von Drehkolben ausgebildeten Rotoren erfindungsgemäß so zusammengefasst, dass jeweils wenigstens zwei

Teilscheiben jedes Drehkolbens aus einer einzigen Scheibe, d.h. aus einem einzigen Werkstück, insbesondere durch einfache Dreh- und Fräsbearbeitung, von jeder der beiden Stirnseiten her gefertigt sind. Aufgrund dieser Herstellung der einzelnen Teilscheiben der Drehkolben wird nicht nur die Bearbeitung der druckseitig dünnen

5 Teilscheiben erst ermöglicht, sondern es wird auch die Abdichtung zwischen den Teilscheiben sowie die Drehmomentenübertragung selbst vereinfacht. Schließlich kann die Gesamtzahl der Teilscheiben der Drehkolben niedrig gehalten werden, und zwar unter anderem dadurch, dass sowohl saugseitig als auch druckseitig zu den Arbeitskammern eine speziell ausgebildete Steueröffnung vorhanden ist. Hierbei wird

0 die Kompression des Arbeitsgases durch Variation der Scheibendicke, ggf. auch durch Variation der Scheibenaußendurchmesser sowie durch Größe und Form der Steueröffnungen festgelegt.

In Weiterbildung der Erfindung ist es auch möglich, die Ausgestaltung derart zu 5 treffen, dass jeder Rotor aus mindestens einem dreistufigen Drehkolben besteht, dessen drei Teilscheiben einstückig ausgebildet, d.h. aus einem einzigen Werkstück gefertigt sind.

Wie schon erwähnt, liegt es im Rahmen der Erfindung, Größe und Form der !0 saugseitigen und/oder druckseitigen Steueröffnung an ausgewählte technische Parameter anzupassen, wie Gasfüllung, Gaskompression, Differenz zwischen den Sektorenwinkeln der Mantel- und Kernfläche der jeweils miteinander kämmenden Teilscheiben usw.

!5 Es ist von Vorteil, wenn die saugseitige Steueröffnung einen radialen äußeren Dichtrand aufweist.

Zweckmäßigerweise kann weiterhin die Ausbildung derart getroffen werden, dass die Dicke und/oder der Außendurchmesser der Teilscheiben eines jeden Rotors von der 50 Saugseite zur Druckseite hin abnimmt.

Die Auswuchtung der Rotoren zusätzlich zu einer abgestimmten Massenverteilung bei der Gestaltung der Drehkolben kann erfindungsgemäß dadurch erreicht werden, dass entsprechendes Material, insbesondere an der saugseitigen Stirnfläche der Teilscheiben, entfernt wird. Dies kann beisp. durch Ausbildung von Taschen in den 5 vorrangig saugseitig dickeren einzelnen Teilscheiben der Drehkolben erreicht werden.

Stattdessen oder zusätzlich ist es erfindungsgemäß auch möglich, die Auswuchtung der Rotoren dadurch zu gewährleisten, dass die Teilscheiben aus Werkstoffen mit 0 unterschiedlicher spezifischer Masse gefertigt werden.

Es liegt schließlich im Rahmen der Erfindung, dass die Dichtung zwischen den miteinander kämmenden Teilscheiben innerhalb der Arbeitskammer, insbesondere an der Saugseite, durch eine zusätzliche statische Abdichtung, beispielsweise durch 5 einen O-Ring, verbessert wird.

Die Erfindung wird im Folgenden in Form mehrerer Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:

!0 Fig. 1 schematisch im Schnitt eine fliegend gelagerte Doppelstufen-Drehkolben- Vakuumpumpe mit insgesamt drei Doppelscheiben;

Fig. 2 einen Schnitt durch das Gehäuse vor den Rotoren gemäß Linie M-Il mit

Blick auf die Saugseite; !5

Fig. 3 einen Schnitt durch die Rotoren gemäß Linie Ill-Ill mit Blick auf die Druckseite der Rotoren von der Getriebeseite her;

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung der saugseitigen, miteinander IO kämmenden Teilscheiben der Rotoren in Draufsicht,

Fig. 5 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 6 in Seitenansicht, wobei die ineinander kämmenden Teilscheiben beider Rotoren gleiche Sektorenwinkel bei Mantel- und Kernflächen, nämlich jeweils 180° aufweisen;

5 Fig. 7 eine abgewandelte Ausführungsform der Teilscheiben der Rotoren mit einem Sektorenwinkel zwischen den Mantel- bzw. Kernflächen von 325° bzw. 35° in Draufsicht,

Fig. 8 in perspektivischer Darstellung und 0

Fig. 9 in Seitenansicht;

Fig. 10 schließlich eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Teilscheiben der Rotoren mit einem Sektorenwinkel zwischen den Mantelflächen bzw. 5 Kernflächen von 270° bzw. 90°, in Draufsicht,

Fig. 11 in perspektivischer Darstellung und

Fig. 12 in Seitenansicht.

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Wie aus der Zeichnung, insbesondere aus Fig. 1 , ersichtlich, wird bei der dargestellten Doppelstufen-Drehvakuumpumpe das Fördermedium über einen nicht näher dargestellten Saugstutzen sowie über eine in einem Gehäuse 1 angeordnete saugseitige Steueröffnung 2 seitlich von jeweils einer der abwechselnd entstehenden

!5 Arbeitskammern 3.1 , 3.2 angesaugt. Das Fördermedium wird sodann durch verschiedene Doppelscheiben 6.1 , 6.2, 6.3 bzw. 7.1 , 7.2, 7.3 vorverdichtet bis zur öffnung der jeweiligen Förderkammer durch eine druckseitige Steueröffnung 4 mit der gewünschten Gesamtkompression dem Gasaustritt zugeführt.

10 Wie leicht erkennbar, bilden die jeweiligen drei Doppelscheiben jeweils einen Rotor 6 bzw. 7 in Form eines mehrstufigen Drehkolbens. Diese sind auf parallelen Wellen 5 bzw. 8 befestigt, die im Verhältnis 1 : 1 synchronisiert gegenläufig angetrieben

werden, und zwar durch einen nicht näher dargestellten Antriebsmotor an der aus dem Gehäuse 1 herausgeführten unteren Welle 8 gemäß Fig. 1.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist hierbei die Saugseite der Rotoren 6, 7 zu erkennen, 5 wobei die saugseitige Steueröffnung 2 in Größe und Form an die gewünschte Gasfüllung angepasst ist.

Fig. 3 zeigt demgegenüber die Druckseite der Rotoren 6, 7 von der Getriebeseite her, wobei auch hier die druckseitige Steueröffnung 4 in geeigneter Weise 0 hinsichtlich Größe und Form ausgebildet, d. h. an die gewünschte erzielbare Gaskompression angepasst ist.

Bei den drei Ausführungsformen gemäß Fig. 4 bis 6 bzw. Fig. 7 bis 10 bzw. Fig. 10 bis 12 sind drei mögliche Varianten dargestellt, mit denen eingängige

5 Doppelscheibenrotoren realisiert werden können. Hierbei sind exemplarisch dargestellt drei verschiedene Sektorenwinkelkombinationen für Kernflächen und Mantelflächen. Der erste Grenzwert besteht darin, dass die jeweils ineinander kämmenden Teilscheiben beider Rotoren 6, 7 gleiche Sektorenwinkel bei Mantel- und Kernflächen, nämlich 180°, aufweisen, wie in Fig. 4 bis 6 dargestellt. Der zweite

!0 Grenzwert besteht in einer Sektorenwinkelkombination, bei der von den jeweils ineinander kämmenden Teilscheiben beider Rotoren 6, 7 die eine Teilscheibe den herstellungs- und festigkeitstechnisch geringstmöglichen Sektorenwinkel, nämlich 35°, der Mantelfläche aufweist und die jeweils korrespondierende Teilscheibe am gegenüber angeordneten Rotor die größtmögliche Mantelfläche, nämlich über einen

!5 Winkel von 325°, erreicht, wie aus Fig. 7 bis 9 ersichtlich. Schließlich zeigen Fig. 10 bis 12 eine Ausführungsform, bei welcher eine Sektorenwinkelkombination gewählt wurde (270° bzw. 90°), die zwischen den vorher erwähnten Grenzwerten liegt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 bis 6 betragen die Sektorenwinkel der

\0 Mantel- und Kernflächen jeder einzelnen Teilscheibe, wie schon erwähnt, jeweils

180°. Hierbei weisen aufeinander abwälzende Teilscheiben identische Stirnprofile auf. Um einen Strömungskanal zu bilden, d. h. eine Arbeitskammer über mehrere

hintereinander angeordnete Teilscheiben zu realisieren, sind die in Richtung der Gasströmung folgenden korrespondierenden Teilscheiben in einem geeigneten Winkel versetzt angeordnet.

5 Hierbei sind aus Fig. 4 die dicht ineinander kämmenden, d. h. abwälzenden zykloidenförmigen übergangsflächen 10, 11 zwischen den Mantelflächen und den Kernflächen der ersten beiden Doppelscheiben 6.1 bzw. 7.1 zu erkennen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der einzelnen Teilscheiben jedes Rotors 6

0 bzw. 7 ergibt sich besonders deutlich aus Fig. 6. Hierbei sind die jeweils miteinander kämmenden Teilscheiben 12, 13, anschließend in Richtung der Druckseite folgend dann die nächst miteinander kämmenden Teilscheiben 14 und 15, 16 und 17, 18 und 19, 20 und 21 sowie 22 und 23 zu erkennen. Hierbei bilden jeweils zwei Teilscheiben ein Einzelteil, d. h. sind aus einem einzigen Werkstück gefertigt. Es bilden also die

5 Teilscheiben 12 und 14, 16 und 18 sowie 20 und 22 den aus drei doppelten Teilscheiben bestehenden Rotor 6. Demgegenüber bilden die Teilscheiben 13 und 15, 17 und 19 sowie 21 und 23 den gleichfalls aus drei doppelten Teilscheiben bestehenden Rotor 7. Dies vereinfacht, wie schon dargelegt, die Herstellung der einzelnen Rotoren 6, 7 ganz wesentlich.

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Bei der abgewandelten Ausführungsform gemäß Fig. 7, 8 und 9 weisen die Sektorenwinkel der miteinander kämmenden Teilscheiben den jeweils größtmöglichen Unterschied bei den Mantelflächen auf. Hierbei beträgt der Sektorenwinkel der Mantelfläche der einen Teilscheibe 325°, während der

!5 Sektorenwinkel der Mantelfläche der hiermit kämmenden anderen Teilscheibe 35° beträgt. Es weisen daher in diesem Fall jeweils miteinander kämmende Teilscheiben keine identischen Stirnprofile auf. Um hierbei eine Arbeitskammer über mehrere hintereinander angeordnete Teilscheiben zu realisieren, sind die in Richtung der Gasströmung folgenden korrespondierenden Teilscheiben in einem geeigneten iθ Winkel zueinander versetzt.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10, 11 und 12 beträgt schließlich der

Sektorenwinkel der Mantelfläche einer der miteinander korrespondierenden

Teilscheiben 270°, während der Sektorenwinkel der hiermit kämmenden anderen jeweiligen Teilscheibe 90° beträgt.

Hinsichtlich vorstehend nicht im Einzelnen näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird abschließend ausdrücklich auf die Patentansprüche sowie auf die Zeichnung verwiesen.