Die Erfindung betrifft einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor.

Schrauben-Vakuumpumpen weisen in einem von einem Gehäuse ausgebildeten Schöpfraum zwei Rotorelemente auf. Die Rotorelemente weisen eine schraubenlinienförmige Kontur auf und werden zum Fördern von Gasen gegenläufig gedreht. Zur Erzielung einer hohen inneren Verdichtung, das heißt eines Volumenverhältnisses zwischen dem Einlass und dem Auslass der Pumpe ist es bekannt, dass das Verdrängerelement des Rotorelements, das heißt die schraubenlinienförmige Kontur eine sich ändernde Steigung aufweist. Auf der Einlassseite bzw. saugseitig ist die Steigung groß und das Volumen der ausgebildeten Kammern je Windung ebenfalls groß. Die Steigung nimmt in Richtung des Auslasses ab, so dass auslass- bzw. druckseitig eine geringe Steigung und auch geringe Kammer-Volumen je Windung ausgebildet sind. Durch Vorsehen einer veränderlichen Steigung kann eine geringe Leistungsaufnahme bei niedrigen Einlassdrücken und gleichzeitig eine geringe thermische Belastung der Pumpe realisiert werden. Das Vorsehen von sich ändernder Steigung erfordert einen aufwendigen und daher teuren Herstellungsprozess. Insbesondere muss das Herstellen wie das Fräsen oder Drehen der Windungen, d.h . der schrau- benlinienförmigen Ausnehmungen in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten erfolgen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor zu schaffen, der bei geringer Leistungsaufnahme und geringer thermischer Belastung der Pumpe kostengünstig herzustellen ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Schraubenvakuumpumpe sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor gemäß Anspruch 1, eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 12, sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 17.

Der erfindungsgemäße Vakuumpumpen-Schraubenrotor weist mindestens zwei auf einer Rotorwelle angeordnete schraubenlinienförmige Verdrängungselemente auf. Durch die Verdrängungselemente ist das Rotorelement ausgebildet. Die mindestens zwei Verdrängungselemente weisen erfindungsgemäß unterschiedliche Steigungen auf, wobei je Verdrängungselement die Steigung konstant ist. Beispielsweise weist der erfindungsgemäße Vakuumpumpen- Schraubenrotor zwei Verdrängungselemente auf, wobei ein erstes saugseitiges Verdrängungselement eine größere konstante Steigung und ein zweites druckseitiges Verdrängungselement eine kleinere konstante Steigung aufweist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von mehreren Verdrängungselementen, die jeweils eine konstante Steigung aufweisen, ist die Herstellung erheblich vereinfacht.

Erfindungsgemäß weist jedes Verdrängungselement mindestens eine schraubenlinienförmige Ausnehmung auf, die über ihre gesamte Länge dieselbe Kontur aufweist. Die Konturen sind vorzugsweise je Verdrängungselement unterschiedlich. Das einzelne Verdrängungselement weist somit vorzugsweise eine konstante Steigung und eine gleichbleibende Kontur auf. Dies vereinfacht die Herstellung erheblich, so dass die Herstellungskosten stark gesenkt werden können. Zur weiteren Verbesserung der Saugleistung ist die Kontur des saugseitigen Verdrängungselements, das heißt insbesondere des in Pumprichtung ersten Verdrängungselements asymmetrisch ausgebildet. Durch die asymmetrische Ausbildung der Kontur bzw. des Profils können die Flanken derart ausgestaltet werden, dass die Leckageflächen, die sogenannten Blaslöcher insbesondere vollständig verschwinden oder zumindest einen geringen Querschnitt aufweisen. Ein besonders geeignetes asymmetrisches Profil ist das sogenannte "Quimby- Profil". Ein derartiges Profil ist zwar relativ schwierig herzustellen, weist jedoch den Vorteil auf, dass kein durchgehendes Blasloch vorhanden ist. Ein Kurzschluss ist nur zwischen zwei benachbarten Kammern gegeben. Da es sich um ein asymmetrisches Profil mit unterschiedlichen Profilflanken handelt, sind für die Herstellung zumindest zwei Arbeitsschritte erforderlich, da die beiden Flanken aufgrund ihrer Asymmetrie in unterschiedlichen Arbeitsschritten hergestellt werden müssen.

Das druckseitige Verdrängungselement, insbesondere das in Pumprichtung letzte Verdrängungselement, ist mit einer symmetrischen Kontur versehen. Die symmetrische Kontur hat insbesondere den Vorteil, dass die Herstellung einfacher ist. Insbesondere können beide Flanken mit symmetrischer Kontur durch einen rotierenden Fingerfräser oder durch einen rotierenden Scheibenfräser in einem Arbeitsschritt hergestellt werden. Derartige symmetrische Profile weisen nur kleine Blaslöcher auf, diese sind jedoch durchgehend, d.h. nicht nur zwischen zwei benachbarten Kammern vorgesehen. Die Größe des Blaslochs verringert sich bei Verringerung der Steigung. Insofern können derartige symmetrische Profile insbesondere bei dem druckseitigen Verdrängungselement vorgesehen werden, da diese in bevorzugter Ausführungsform eine kleinere Steigung als das saugseitige Verdrängungselement und vorzugsweise auch als das zwischen dem saugseitigen und dem druckseitigen Verdrängungselement angeordnete Verdrängungselemente aufweist. Wenngleich die Dichtigkeit derartiger symmetrischer Profile etwas geringer ist, weisen diese den Vorteil auf, dass die Herstellung deutlich einfacher ist. Insbesondere ist es möglich, das symmetrische Profil in einem einzigen Arbeitsschritt und vor- zugsweise mit einem einfachen Fingerfräser oder Scheibenfräser herzustellen . Dies reduziert die Kosten erheblich. Ein besonders geeignetes symmetrisches Profil ist das sogenannte "Zykloiden-Profil".

Das Vorsehen mindestens zweier derartiger Verdrängungselemente führt dazu, dass die entsprechende Schraubenvakuumpumpe bei geringer Leistungsaufnahme niedrige Einlassdrücke erzeugen kann. Auch ist die thermische Belastung gering. Das Anordnen von mindestens zwei erfindungsgemäß ausgestalteten Verdrängungselementen mit konstanter Steigung und gleichbleibender Kontur in einer Vakuumpumpe führt zu im Wesentlichen gleichen Ergebnissen, wie bei einer Vakuumpumpe mit einem Verdrängungselement mit sich ändernder Steigung. Bei hohen eingebauten Volumenverhältnissen können je Rotor drei oder vier Vedrängungselemente vorgesehen werden.

Zur Verringerung des erzielbaren Einlassdrucks und/oder zur Verringerung der Leistungsaufnahme und/oder der thermischen Belastung weist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein druckseitiges, das heißt insbesondere in Pumprichtung letztes Verdrängungselement eine große Anzahl an Windungen auf. Durch eine hohe Anzahl an Windungen kann ein größerer Spalt zwischen dem Schraubenrotor und dem Gehäuse akzeptiert werden bei gleichbleibender Performance. Der Spalt kann hierbei eine Kalt-Spaltweite von 0,1 - 0,3 mm aufweisen. Eine große Anzahl an Auslasswindungen bzw. Anzahl an Windungen bei dem druckseitigen Verdrängungselement ist kostengünstig herstellbar, da erfindungsgemäß dieses Verdrängungselement eine konstante Steigung und insbesondere auch eine symmetrische Kontur aufweist. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellung möglich, so dass das Vorsehen einer größeren Anzahl an Windungen akzeptabel ist. Vorzugsweise weist dieses druckseitige bzw. letzte Verdrängungselement mehr als 8, insbesondere mehr als 10 und besonders bevorzugt mehr als 12 Windungen auf. Das Verwenden symmetrischer Profile hat in besonders bevorzugter Ausführungsform den Vorteil, dass beide Flanken des Profils mit einem Fräser gleichzeitig geschnitten werden können. Hierbei erfolgt zusätzlich ein Abstützen des Fräsers durch die jeweils gegenüberliegende Flanke, so dass ein Verformen bzw. Verbiegen des Fräsers während des Fräsvorgangs und hierdurch hervorgerufene Ungenauigkeiten vermieden sind.

Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten ist es besonders bevorzugt, die Verdrängungselemente und die Rotorwelle einstückig auszubilden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Steigungswechsel zwischen benachbarten Verdrängungselementen unstetig bzw. sprunghaft ausgebildet. Gegebenenfalls sind die beiden Verdrängungselemente in Längsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen zwei Verdrängungselementen eine umlaufende zylinderringförmige Kammer ausgebildet ist, die als Werkzeugauslauf dient. Dies ist insbesondere bei einstückig ausgebildeten Rotoren vorteilhaft, da das die Schraubenlinie herstellende Werkzeug in diesem Bereich auf einfache Weise herausgeführt werden kann. Sofern die Verdrängungselemente unabhängig voneinander hergestellt und sodann auf einer Welle montiert werden, ist das Vorsehen eines Werkzeugauslaufs, insbesondere eines derartigen ringzylindrischen Bereichs nicht erforderlich.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen zwei benachbarten Verdrängungselementen am Steigungswechsel kein Werkzeugauslauf vorgesehen. In dem Bereich des Steigungswechsels weisen vorzugsweise beide Flanken eine Fehlstelle bzw. Ausnehmung auf, um das Werkzeug herausführen zu können. Eine derartige Fehlstelle hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Verdichtungsleistung der Pumpe, da es sich um eine örtlich stark begrenzte Fehlstelle bzw. Ausnehmung handelt.

Der erfindungsgemäße Vakuumpumpen-Schraubenrotor weist insbesondere mehrere Verdrängungselemente auf. Diese können jeweils den gleichen oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bevorzugt ist es hierbei, dass das druckseitige Verdrängungselement einen kleineren Durchmesser als das saug- seitige Verdrängungselement aufweist.

Bei unabhängig von der Rotorwelle hergestellten Verdrängungselementen werden diese beispielsweise durch Presspassungen auf der Welle montiert. Hierbei ist es bevorzugt, Elemente wie Passstifte zur Festlegung der Winkelposition der Verdrängungselemente zueinander vorzusehen .

Insbesondere bei der einstückigen Ausgestaltung des Schraubenrotors aber auch bei einer mehrstückigen Ausgestaltung ist es bevorzugt, diesen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung herzustellen . Besonders bevorzugt ist es, den Rotor aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung insbesondere AISi7Mg oder AISi l7Cu4Mg herzustellen . Die Legierung hat vorzugsweise einen hohen Silicium-Anteil von vorzugsweise mehr als 15 %, um den Ausdehnungskoeffizienten zu verringern .

Das verwendete Aluminium weist in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung einen geringen Ausdehnungskoeffizienten auf. Bevorzugt ist es, wenn das Material einen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 18 * 10 ^~6 /K aufweist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche der Verdrängungselemente beschichtet, wobei insbesondere eine Beschichtung gegen Verschleiß und/oder Korrosion vorgesehen ist. Hierbei ist es bevorzugt eine anodische oder eine andere geeignete Beschichtung je nach Anwendungsgebiet vorzusehen .

Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schraubenvakuumpumpe. Diese weist zwei miteinander kämmende Vakuumpumpen-Schraubenrotoren wie vorstehend beschrieben auf. Die beiden Schraubenrotoren sind in einem von einem Pumpengehäuse ausgebildeten Schöpfraum angeordnet. Üblicherweise ist eine der beiden Schraubenrotoren mit einer Antriebseinrichtung wie einem Elektromotor verbunden . Die beiden Schraubenrotoren können über Zahnräder, die insbesondere auf den Rotorwellen angeordnet sind, miteinander verbunden sein. Hierdurch erfolgt ferner eine Synchronisation der sich gegenläufig drehenden Schraubenrotoren. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist es insbesondere aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schraubenrotoren möglich, eine innere Verdichtung der Schraubenvakuumpumpe von mindestens zwei insbesondere mindestens vier zu erzielen. Eine derart hohe innere Verdichtung ist insbesondere aufgrund der Ausgestaltung der beiden Rotoren mit mindestens zwei Verdichtungselementen mit jeweils konstanter Steigung und insbesondere auch konstanter Kontur bei ferner hoher Windungsanzahl des druckseitigen Verdrängungselements möglich. Dies ist insbesondere möglich, obwohl im Bereich des druckseitigen Verdrängungselements große Spalte zugelassen werden. Die großen Spalte weisen insbesondere den Vorteil auf, dass die thermische Belastung gleichmäßiger auf das druckseitige Verdrängungselement verteilt wird. Insbesondere ist auch die thermische Ausdehnung des entsprechenden Verdrängungselements und somit die Gefahr des Berührens des Verdrängungselements an der Innenseite des Gehäuses vermieden. Ein weiterer diesbezüglicher Aspekt besteht darin, dass die Schraubenrotoren einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse aufweisen. Insbesondere ist der Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses mindestens 5%, und besonders bevorzugt mindestens 10% größer als derjenige der Schraubenrotoren.

Bevorzugt ist es hierbei, dass das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung mit geringerem Siliciumanteil als der Siliciumanteil in dem Material der Schraubenrotoren hergestellt ist. Hierdurch ist eine höhere thermische Ausdehnung des Gehäuses gegenüber den Schraubenrotoren sichergestellt. Hierdurch ist insbesondere sichergestellt, dass im Betrieb, d.h . bei steigender thermischer Belastung, der Spalt zwar geringer werden kann, jedoch stets ein ausreichender Spalt zwischen der Außenseite der Verdrängungselemente und der Innenseite des Schöpfraums verbleibt.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schraubenrotors wie vorstehend beschreiben. Die Herstellung erfolgt hierbei insbesondere derart, dass die Verdrängungselemente und die Rotorwelle einstückig ausgebildet sind. In einem ersten Schritt wird ein Grundkörper für den Schraubenrotor bereitgestellt. Die schraubenlinienförmigen Ausnehmungen zur Herstellung des Verdrängungselements werden mittels eines Formfräsers wie eines Fingerfräsers oder Scheibenfräsers hergestellt. Dies erfolgt je Verdrängungselement in einem gesonderten Schritt, da die Steigung und insbesondere die Kontur der schraubenlinienförmigen Ausnehmungen je Verdrängungselement unterschiedlich sind.

Bevorzugt ist es, dass bei Verdrängungselementen mit symmetrischer Kontur die Ausnehmung mit einem einzigen Werkzeug insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das Werkzeug die Außenkontur der Ausnehmung abbildet, so dass die Herstellung vorzugsweise beider Flanken in einem Arbeitsschritt erfolgen kann. Beim asymmetrischen Teil müssen die Flanken von zwei verschiedenen Werkzeugen bearbeitet werden.

Bevorzugt ist es, dass insbesondere bei einstückig hergestellten Schraubenrotoren vor der Herstellung der schraubenlinienförmigen Ausnehmungen ein Werkzeugauslauf hergestellt wird. Eine derartige ringzylindrische Ausnehmung kann durch Fräsen oder Drehen hergestellt werden.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird kein derartiger Werkzeugauslauf vorgesehen. Stattdessen wird in einer Flanke eines benachbarten Verdrängungselements eine Ausnehmung bzw. Fehlstelle vorgesehen. Hierbei entsteht die Fehlstelle bzw. Ausnehmung beim Herausführen des Fräsers.

Der verwendete Grundkörper ist insbesondere zylindrisch ausgebildet, so dass aus einem einzigen Grundkörper die Rotorwelle mit sich daran gegebenenfalls anschließenden Wellenzapfen sowie insbesondere auch die Verdrängungselemente hergestellt werden können. Ebenso ist es möglich, einen Grundkörper zu verwenden, der als Halbzeug ausgebildete ist und bereits Ausnehmungen und/oder Lagerzapfen aufweist. Die Herstellung des Grundkörpers kann beispielsweise im Gussverfahren erfolgen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen :

Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Schraubenrotors,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Schraubenrotors,

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht von Verdrängungselementen mit asymmetrischem Profil,

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht von Verdrängungselementen mit symmetrischem Profil und

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Schrauben-

Vakuumpumpe.

Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des Vakuumpumpen- Schraubenrotors weist der Rotor zwei Verdrängungselemente 10, 12 auf. Ein erstes saugseitiges Verlängerungselement 10 weist eine große Steigung von ca. 50 - 150 mm/Umdrehung auf. Die Steigung ist über das gesamte Verlängerungselement 10 konstant. Auch die Kontur der schraubenlinienförmigen Ausnehmung ist konstant. Das zweite druckseitige Verdrängungselement 12 weist über seine Länge wiederum eine konstante Steigung und eine konstante Kontur der Ausnehmung auf. Die Steigung des druckseitigen Verdrängungselements 12 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 - 30 mm/Umdrehung. Zwi- - lo schen den beiden Verdrängungselementen ist eine ringzylindrische Ausnehmung 14 vorgesehen. Diese dient dazu, das aufgrund der einstückigen Ausgestaltung des in Fig. 1 dargestellten Schraubenrotors ein Werkzeugauslauf realisiert ist.

Ferner weist der einstückig ausgebildete Schraubenrotor zwei Lagersitze 16 und ein Wellenende 18 auf. Mit dem Wellenende 18 wird beispielsweise ein Zahnrad zum Antrieb verbunden.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Verdrängungselemente 10, 12 gesondert hergestellt und sodann auf einer Rotorwelle 20 beispielsweise durch Aufpressen fixiert. Diese Herstellung ist zwar etwas aufwendiger, jedoch ist der zylindrische Abstand 14 zwischen zwei benachbarten Verdrängungselementen 10, 12 als Werkzeugauslauf nicht erforderlich. Die Lagersitze 16 und die Wellenenden 18 können integraler Bestandteil der Verdrängungselemente sein. Alternativ kann eine durchgehende Welle 20, auch aus einem anderen sich von den Verdrängungselementen 10, 12 unterscheidenden Werkstoff, hergestellt sein.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines asymmetrischen Profils (z. B. ein Quimby-Profil). Bei dem dargestellten asymmetrischen Profil handelt es sich um ein sogenanntes "Quimby-Profil". Die Schnittansicht zeigt zwei Schraubenrotoren, die miteinander kämmen und deren Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene ist. Die gegenläufige Drehung der Rotoren ist durch die beiden Pfeile 15 angedeutet. Bezogen auf eine senkrecht zur Längsachse der Verdrängungselemente verlaufenden Ebene 17 sind die Profile der Flanken 19 und 21 je Rotor unterschiedlich ausgestaltet. Die einander gegenüberliegenden Flanken 19, 21 müssen somit unabhängig voneinander hergestellt werden. Die daher zwar etwas aufwändigere und schwierigere Herstellung hat jedoch den Vorteil, dass kein durchgehendes Blasloch vorhanden ist, sondern lediglich zwischen zwei benachbarten Kammern ein Kurzschluss besteht. Ein derartiges asymmetrisches Profil ist vorzugsweise bei dem saugseitigen Verdrängungselement 10 vorgesehen.

Die schematische Schnittansicht in Fig. 4 zeigt wiederum einen Querschnitt zweier Verdrängungselemente bzw. zweier Schraubenrotoren, die wiederum gegenläufig rotieren (Pfeile 15). Bezogen auf die Symmetrieachse 17 sind die Flanken 23 je Verdrängungselement symmetrisch ausgebildet. Bei dem in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer symmetrisch ausgestalteten Kontur handelt es sich um ein Zykloiden-Profil.

Ein symmetrisches Profil, wie in Fig. 4 dargestellt, ist vorzugsweise bei den druckseitigen Verdrängungselementen 12 vorgesehen.

Bei der weiteren in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform handelt es sich wieder um eine einstückige Ausgestaltung. Zum Herausführen des Werkzeugs, wie eines Fingerfräsers ist in der Flanke des Verdrängungselements 12 eine Ausnehmung bzw. Fehlstelle vorgesehen.

Ferner ist es möglich, dass mehr als zwei Verdrängungselemente vorgesehen sind. Diese können ggf. auch unterschiedliche Kopfdurchmesser und entsprechende Fußdurchmesser aufweisen. Hierbei ist es bevorzugt, dass ein Verdrängungselement mit größerem Kopfdurchmesser am Einlass, d.h. saugseitig angeordnet ist, um in diesem Bereich ein größeres Saugvermögen zu realisieren und/ oder das eingebaute Volumenverhältnis zu vergrößern. Ferner sind Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können ein oder mehrere Verdrängungselemente einstückig mit der Welle oder ein zusätzliches Verdrängungselement unabhängig von der Welle hergestellt und sodann auf der Welle montiert werden.

Eine schematische Schnittansicht einer Vakuumpumpe (Fig. 5) zeigt in einem Gehäuse 22 zwei in einem Schöpfraum 24 angeordnete Vakuumpumpen- Schraubenrotoren 26. Die beiden Rotoren sind über Lager 28 im Gehäuse ge- lagert. Mit zwei Wellenenden 18 sind jeweils Zahnräder 32 verbunden . Diese kämmen miteinander, so dass eine Synchronisation der beiden Wellen gewährleistet ist. Eines der beiden Zahnräder 32 ist mit einer Antriebseinrichtung wie einem Elektromotor verbunden.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, erfolgt das Einsaugen des Gases im Bereich der saugseitigen Verdrängungselemente 10, wie durch einen Pfeil 34 dargestellt. Das Ausstoßen des Gases erfolgt entsprechend wie durch einen Pfeil 36 dargestellt am Ende des zweiten, druckseitigen Verdrängungselementes 12.