[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Flügelzellen-Vakuumpumpe zur Erzeugung eines
Unterdruckes von absolut 100 mbar und weniger in einem Kraftfahrzeug.
[0002] Derartige Vakuumpumpen dienen in Kraftfahrzeugen dazu, den Arbeitsdruck für andere
Aggregate zur Verfügung zu stellen, beispielsweise für einen Bremskraftverstärker.
[0003] Kfz-Vakuumpumpen sind in aller Regel so genannte Flügelzellen-Vakuumpumpen, bei denen
mindestens drei in einem Rotorkörper verschiebbar gelagerte Schieber den Pumpraum
in entsprechend viele rotierende Pumpzellen teilt. Herkömmliche Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpen
weisen einen im Querschnitt kreisförmigen Pumpraum mit einer entsprechend kreisförmig
geformten Umfangswand auf. Die Kreisförmigkeit des Pumpraums hat geometrisch zur Folge,
dass sich das Volumen der rotierenden Pumpzellen stets ändert. Hierdurch liegt zwischen
zwei benachbarten Pumpzellen, die durch den betreffenden Schieber voneinander getrennt
sind, stets ein mehr oder weniger großes Druckgefälle vor. Durch dieses Druckgefälle
wird eine tangentiale Kraft auf den Schieber verursacht, durch die der Schieber in
Umfangsrichtung verkippt wird, so dass entsprechende Klemmkräfte zwischen dem Schieber
und dem Schleberschlitz in dem Rotorkörper generiert werden. Diese Klemmkräfte wiederum
verzehren einen Teil der Antriebsenergie und sind auch für einen erhöhten Verschleiß
der Schieber verantwortlich.
[0004] Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, eine Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe
mit verringertem Schieber-Verschleiß und verringerten Reibungsverlusten zu schaffen.
[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Vakuumpumpe mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1.
[0006] Durch die Schieber wird der Pumpraum in mehrere rotierende Pumpzellen mit einem gleichen
Zellensektorwinkel a geteilt. Die Umfangswand des Pumpengehäuses, die den Pumpraum
radial begrenzt, ist nicht kreisförmig ausgebildet, sondern weist einen Isovolumetriesektor
b mit einem konstanten Radius zur Rotoraxialen auf, wobei der Pumpenrotor exzentrisch
zum Schwerpunkt der Pumpraum-Fläche angeordnet ist. Der Isovolumetriesektor b ist
mindestens 10° größer als der Zellensektorwinkel a. Besonders bevorzugt ist der Isovolumetriesektor
b mindestens 20° größer, und ganz besonders bevorzugt mindestens 30° größer als der
Zellensektorwinkel a.
[0007] Die durch den Isovolumetriesektor wandernde Pumpzelle ändert ihr Volumen auf diese
Weise über einen Winkel von mindestens 10° bzw. 20 oder 30° nicht, bewegt sich also
in diesem Sektor isovolumetrisch. Im Bereich des Isovolumetriesektors ist die Pumpzelle
fluidisch geschlossen, d.h. die Pumpzelle ist weder mit der Einlassöffnung noch mit
der Auslassöffnung verbunden.
[0008] Im Bereich des Isovolumetriesektors herrschen zwischen zwei benachbarten Pumpzellen
gleiche Drücke, so dass keine tangentialen Kräfte generiert werden. Da keine durch
entsprechende Druckdifferenzen erzeugten Kippkräfte auf den Schieber wirken, wird
der Schieber nicht verkippt. Untersuchungen ergeben haben, dass hierdurch Antriebsenergie
eingespart und der Verschleiß der Schieber reduziert wird.
[0009] Vorzugsweise ist der Isovolumetriesektor in Drehrichtung zwischen dem Einlasssektor
mit der Einlassöffnung und dem Auslasssektor mit der Auslassöffnung angeordnet. In
diesen Bereich zwischen dem Einlasssektor und dem Auslasssektor sind die Schieber
am weitesten herausgefahren aus den entsprechenden Schieberschlitzen des Rotorkörpers,
so dass bereits relativ geringe Druckunterschiede zwischen den beiden Seiten des Schiebers
erhebliche Kippkräfte generieren, die entsprechende Klemmkräfte erzeugen. Durch die
Anordnung des Isovolumetriesektors in Drehrichtung zwischen dem Einlasssektor und
dem Auslasssektor wird die Generierung besonders hoher unerwünschter Kippkräfte bzw.
Kippmomente vermieden.
[0010] Alternativ oder ergänzend zu der Anordnung des Isovolumetriesektors zwischen dem
Einlasssektor und dem Auslasssektor kann der Isovolumetriesektor auch in Drehrichtung
zwischen dem Auslasssektor und dem Einlasssektor angeordnet werden.
[0011] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Elektromotor zum Antrieb des Pumpenrotors
vorgesehen. Der Antrieb der Vakuumpumpe durch einen Elektromotor ist insbesondere
deshalb vorteilhaft, weil die Drehzahl der Vakuumpumpe dann nicht unmittelbar von
der Drehzahl des Kfz-Antriebsmotors abhängig ist. Vielmehr kann der Elektromotor in
einer einfachen Ausführung die Vakuumpumpe mit einer annähernd konstanten Drehzahl
drehen, oder aber, in einer aufwändigeren Ausführung, die Drehzahl der Vakuumpumpe
den Randbedingungen anpassen.
[0012] Vorzugsweise ist die Vakuumpumpe trockenlaufend ausgebildet, so dass keine liquide
Pumpenschmierung vorgesehen ist. Diese Ausführung ist konstruktiv einfach und preiswert.
Es muss für die Schieberköpfe einerseits und die Umfangswand andererseits lediglich
eine entsprechend geeignete reibungsarme Werkstoffpaarung gewählt werden.
[0013] Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Querschnitts einer Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe
mit einem Isovolumetriesektor zwischen dem Einlasssektor und dem Auslasssektor, und
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Querschnitts einer Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe
mit einem Isovolumetriesektor zwischen dem Auslasssektor und dem Einlasssektor.
[0014] In den Figuren 1 und 2 ist jeweils eine Flügelzellen-Vakuumpumpe 10; 10' dargestellt,
die für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug bestimmt ist und einen Absolutdruck von
100 mbar und weniger erzeugen kann. Die Vakuumpumpe 10 der Figur 1 weist ein Pumpengehäuse
12 auf, das im Wesentlichen einen Pumpraum 17 umschließt. Das Pumpengehäuse 12 besteht
im Wesentlichen aus einer nicht-kreisförmigen Umfangswand 14 und zwei Deckeln 15,
wobei in beiden Figuren der obenliegende Deckel wegen der Darstellung im Querschnitt
nicht sichtbar ist.
[0015] In dem Pumpraum 17 ist exzentrisch zum Schwerpunkt des Pumpraums 17 ein Pumpenrotor
16 drehbar angeordnet. Der Pumpenrotor 16 weist einen Rotorkörper 18 und fünf Schieber
20 auf, die in entsprechenden Schieberschlitzen 22 des Rotorkörpers 18 mit einer radialen
Komponente verschiebbar gelagert sind. Der Rotorkörper 18 ist derart angeordnet, dass
an einer Stelle der Umfangswand 14 zwischen der Auslassöffnung 26 und der Einlassöffnung
24 ein Dichtspalt 28 mit einer Spalthöhe von ca. 0,1 mm gebildet ist, der eine Gasrückströmung
von der Auslassöffnung 26 zu der Einlassöffnung 24 weitgehend verhindert.
[0016] Die fünf Schieber 20 teilen den Pumpraum 17 in fünf rotierende Pumpzellen auf, die
jeweils den gleichen Zeilensektorwinkel a aufweisen, der vorliegend ungefähr 72° beträgt.
Der Pumpenrotor 16 dreht sich um eine Rotorachse 19 und wird von einem Elektromotor
30 angetrieben.
[0017] Der Pumpraum 17 lässt sich in mehrere Sektoren einteilen, nämlich einen Einlasssektor
32 mit einer Einlassöffnung 24, einen Auslasssektor 34 mit einer Auslassöffnung 26
und einen Isovolumetriesektor 36, der in Drehrichtung des Motors 16 zwischen dem Einlasssektor
32 und dem Auslasssektor 34 angeordnet ist. Der Isovolumetriesektor 36 der Figur 1
erstreckt sich über einen Winkel b von ungefähr 160°, ist also ungefähr 90° größer
als der Zellensektorwinkel a von 72°. Der Radius r der Umfangswand 14 zu der Rotorachse
19 ist über den gesamten Isovolumetriesektor- Winkel b konstant, so dass das Zellenvolumen
der Pumpzelle im Bereich des Isovolumetriesektors 36 konstant ist und sich nicht ändert.
[0018] Bei dem in der Figur 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel ist der Isovolumetriesektor
38 in Drehrichtung zwischen dem Auslasssektor 34 und dem Einlasssektor 32 angeordnet.
Der Radius r' der Umfangswand 14' im Bereich des Isovolumetriesektors 38 ist hier
ebenfalls konstant und entspricht annähernd dem Außenradius des im Querschnitt kreisförmigen
Rotorkörpers 18. Auf einen extrem kleinen Dichtspalt mit einer Spalthöhe in der Größenordnung
von 0, 1 mm kann bei diesem Ausführungsbeispiel unter Umständen verzichtet werden,
da der Isovolumetriesektor-Winkel b' mit vorliegend ungefähr 140° größer als der Zellensektorwinkel
a von 72° ist, so dass der Ringsspalt zwischen dem Rotorkörper 18 und der Umfangswand
14' im Bereich des Isovolumetriesektors 38 stets durch einen oder zwei Schieber 20
unterbrochen, also versperrt ist. Die Spalthöhe kann dann erheblich größer als 0,1
mm ausfallen, beispielsweise in einem Bereich von 0,2 bis 1,0 mm liegen.
1. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10;10') mit einem einen Pumpraum (17;17') umschließenden
Pumpengehäuse (12;12') und einem Pumpenrotor (16), der einen Rotorkörper (18) mit
mindestens drei verschiebbar darin gelagerten Schiebern (20) aufweist, die den Pumpraum
(17;17') in mehrere rotierende Pumpzellen gleicher Zellensektorwinkel (a) teilen,
wobei das Pumpengehäuse (12;12') eine Einlassöffnung (24), eine Auslassöffnung (26)
und eine umlaufende Umfangswand (14;14') aufweist,
wobei die Umfangswand (14;14') einen Isovolumetriesektor (36;38) mit einem konstanten
Radius (r;r') zur Rotoraxialen (19) aufweist, und der Isovolumetriesektor- Winkel
(b;b') mindestens 10° größer als der Zellensektorwinkel (a) ist.
2. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1, wobei der Isovolumetriesektor (36)
in Drehrichtung zwischen einem Einlasssektor (32) mit der Einlassöffnung (24) und
dem Auslasssektor (34) mit der Auslassöffnung (26) angeordnet ist.
3. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei der Isovolumetriesektor (38) in
Drehrichtung zwischen dem Auslasssektor (34) mit der Auslassöffnung (26) und dem Einlasssektor
(32) mit der Einlassöffnung (24) angeordnet ist.
4. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
ein Elektromotor (30) zum Antrieb des Pumpenrotors (16) vorgesehen ist.
5. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
die Vakuumpumpe (10;10') trockenlaufend ausgebildet ist und keine liquide Pumpenschmierung
aufweist.
6. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10;10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der Isovolumetriesektor- Winkel (b) mindestens 20° größer als der Zellensektorwinkel
(a) ist.
7. Kfz-Flügelzellen-Vakuumpumpe (10; 10') nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei
der Isovolumetriesektor- Winkel (b) mindestens 30° größer als der Zellensektorwinkel
(a) ist.