Rotor für eine Vakuumpumpe

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

[0002] Unter den Vakuumpumpen sind Wälzkolbenpumpen und Schraubenpumpen seit Jahrzehnten am Markt erfolgreich und aus der Vakuumerzeugung nicht mehr wegzudenken. Beispielhaft seien hier die Verwendung in Metallurgie, Vakuumtrocknung und Chemietechnik genannt. In beiden Pumpenarten kommen in der Regel zwei Wellen zum Einsatz, auf denen jeweils ein Kolben angeordnet ist. Durch Drehung der Wellen und Zusammenwirken der Kolben, beispielsweise durch Ineinanderkämmen, wird Gas verdrängt und damit die Pumpwirkung erzielt.

[0003] Konventionell werden die Kolben für diese Art Pumpen aus einer Metalllegierung gegossen, wie es beispielsweise in der Einleitung der DE 40 30 702 A1 beschrieben ist. Sie zeichnen sich demnach durch eine im Verhältnis zum Kolbenvolumen hohe Masse aus. Die hierdurch bedingten hohen Massenträgheitsmomente erfordern hohe Antriebsleistungen der Pumpe und führten zu hohen Lagerbelastungen. Die im vorgenannten Patentdokument beschriebene Lösung, den Rotor zur Gewichtsreduzierung aus Scheiben aufzubauen, hat sich nicht durchgesetzt. Dies dürfte an Nachteilen wie beispielsweise der Gefahr virtueller Lecks im Scheibenzwischenraum und dem Aufwand zur Sicherung der mechanischen Stabilität liegen.

[0004] Weiter beschreiben die Druckschriften DE 810419 C und US 2491678 A ein Gebläse, welches jeweils hohle Drehkolbenrotoren aufweisen. Die US 6164945 A zeigt einen hohlen Rotor einer Wälzkolbenvakuumpumpe.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für eine Vakuumpumpe mit einem verbesserten Verhältnis von Volumen zu Masse vorzustellen.

[0006] Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die weiteren Ansprüche 2 bis 8 geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Erfindung an.

[0007] Die in den Ansprüchen definierten Merkmale führten zu einem Kolben mit sehr gutem Verhältnis von Masse zu Volumen, wodurch vorteilhafte Massenträgheitsmomente erreicht werden. Die Bauweise mit einem Mantelkörper erlaubt vergleichsweise dünnwandige Kolben. Der Materialaufwand ist gering, zudem kommen günstige Fertigungsverfahren zum Einsatz, so dass eine günstige Herstellbarkeit erreicht wird. Die notwendige Antriebsleistung wird reduziert, ebenso die Belastung der Lager. Zudem ermöglichen die vorgestellten Maßnahmen höhere Drehzahlen, so dass kompaktere Vakuumpumpen entstehen, die ein höheres Saugvermögen pro Pumpenvolumen besitzen. Die Konstruktion mit geringeren Massen und weniger massiven Bauelementen wirkt sich außerdem vorteilhaft im Falle von Rotor-Rotor- oder Rotor-Gehäuse-Kontakt aus.

[0008] An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.

[0009] Es zeigen:

Fig. 1:

Schnitt in Wellenrichtung durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe,

Fig. 2:

Schnitt senkrecht zur Wellenrichtung durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe entlang 1-1',

Fig. 3:

Schnitt in Wellenrichtung durch einen Rotor für eine Wälzkolbenvakuumpumpe,

Fig. 4:

Teilschnitt durch die Deckplatte und den Mantelkörper,

Fig. 5:

Schnitt in Wellenrichtung durch einen Rotor für eine mehrstufige Wälzkolbenvakuumpumpe.

[0010] In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe, nachfolgend Wälzkolbenpumpe, dargestellt. Im Gehäuse 2 der Wälzkolbenpumpe befindet sich der Schöpfraum 4. Die Wälzkolbenpumpe weist einen ersten Rotor 10 und einen zweiten Rotor 12 auf. Diese sind in Lagern 20, 22 und 24, 26 drehbar gelagert. In einem Getrieberaum 6 sind mit den Rotoren verbundene Synchronisationszahnräder 30 und 32 angeordnet, die eine synchrone Drehung in entgegengesetztem Drehsinn erzeugen und ein berührungsloses Abwälzen der Rotoren aufeinander bewirken. Einer der Rotoren wird über eine Magnetkupplung 34 von einem Motor 36 angetrieben, der sich in einem Antriebsabschnitt 8 des Gehäuses befindet.

[0011] Alternativ kann auf die Magnetkupplung verzichtet werden und ein direkter Antrieb des Rotors vorgesehen sein. Außerdem kann statt der mechanischen Synchronisation mit den Synchronisationszahnrädern eine elektrische Synchronisation vorgesehen sein, bei der dann jeder der beiden Rotoren von einem ihm zugeordneten Motor angetrieben wird.

[0012] Ein Schnitt durch die Wälzkolbenpumpe entlang der Linie 1-1' ist in Fig. 2 dargestellt. Durch einen Gaseintrittsflansch 14 gelangt Gas aus dem hier nicht gezeigten Rezipienten in die Wälzkolbenpumpe. Dort wird es durch die gemäß Pfeilrichtung gegensinnig rotierenden Kolben gefördert, zwischenzeitlich in dem Schöpfraum 4 eingeschlossen und durch den Gasaustrittsflansch 16 ausgestoßen. Die beiden Rotoren 10 und 12 weisen als Wälzkolbenprofil einen in etwa achtförmigen Querschnitt auf, wobei je eine Hälfte der Acht einem Flügel entspricht. In ihrem Inneren sind die Rotoren hohl, wobei der Querschnitt des Hohlraums im Wesentlichen dem achtförmigen Querschnitt folgt. In Weiterbildungen können die Rotoren auch mehr als zwei Flügel aufweisen, beispielsweise drei oder vier.

[0013] Der in Fig. 3 gezeigte Schnitt durch einen der Rotoren entlang der Achse verdeutlicht seinen Aufbau. Er weist einen Kolben 38 auf, mit welchem die Pumpwirkung erzielt wird. An den sich gegenüberliegenden Stirnseiten sind Wellenzapfen 50 und 52 vorgesehen, welche von den Lagern der Wälzkolbenpumpe getragen werden. Auch Antrieb, Magnetkupplung, Synchronisationszahnräder und Ölverteilscheiben werden auf diesen Wellenzapfen angeordnet. Der Kolben ist aus mehreren Teilen aufgebaut, die zusammen den Hohlraum 54 begrenzen. Zu diesen Teilen gehört der Mantelkörper 40, der als Zylinder mit achtförmigen Querschnitt wie in Fig. 2 und Längsachse entlang der Rotationsachse 100 gestaltet ist. Dieser Mantelkörper ist vorzugsweise aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK), glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) oder Aluminium hergestellt. Die Herstellung des Mantelkörpers umfasst bei den ersten beiden Stoffen das Wickeln der Fasern auf einen Formkörper. Bei der Herstellung aus Aluminium kann vorteilhaft Extrudieren, Spritzguss oder Druckguss zum Einsatz kommen. Mit diesen Werkstoffen wird ein vorteilhaftes Verhältnis von Wandstärke des Kolbens zu Volumen erreicht. Dadurch ergeben sich geringe Massen, hohe Stabilität und günstige Herstellung.

[0014] Stirnseitig wird der Mantelkörper von einer ersten Deckplatte 42 und einer zweiten Deckplatte 44 an der gegenüberliegenden Stirnseite verschlossen. Vorzugsweise ist der Übergang von Mantelkörper zu Deckplatte vakuumdicht ausgeführt, so dass ein Gasfluss zwischen Hohlraum 54 und Umgebung des Kolbens, d.h. u.a. dem Schöpfraum, soweit unterbunden ist, dass die Vakuumdaten der Vakuumpumpe nicht durch aus dem Kolben austretendes Gas beeinträchtigt werden.

[0015] In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind beide Deckplatten als Verbundbauteile ausgeführt. Dem Hohlraum zugewandt sind jeweils Verschlussplatten 420 und 440. Sie sind aus dem gleichen Material wie der Mantelkörper. Alternativ können unterschiedliche Materialien eingesetzt werden, wobei dann die Wärmeausdehnungseigenschaften berücksichtig werden müssen. Beispielsweise kann ein Material mit passender Wärmeausdehnung zum Einsatz kommen, d.h. die unterschiedliche Ausdehnung ist derart, dass sie nicht zu Verspannungen führt, welche den Kolben zu stark verformen oder sogar zerstören. Eine zu starke Verformung des Kolbens ist gegeben, wenn die Spalte zwischen den Kolben untereinander oder zum Gehäuse aufgezehrt sind.

[0016] Mit den Verschlussplatten sind Übergangsplatten 422 und 442 verbunden. Deren Funktion ist es, einen Übergang zwischen den Wellenzapfen einerseits und den Verschlussplatten andererseits zu schaffen. Gerade der Einsatz von CFK oder GFK für Mantelkörper und Verschlussplatten würde einen direkten Übergang zum metallischen Wellenzapfen erfordern. Dies ist konstruktiv schwierig und wird durch die Übergangsplatten in vorteilhafter Weise erleichtert. Die Übergangsplatte kann durch Schweißen, Löten, Pressen oder Schrumpfen mit dem Wellenzapfen verbunden werden. Hierzu ist es vorteilhaft, die Übergangsplatte aus einer Metalllegierung zu gestalten. Der Vorteil des Einsatzes von Wellenzapfen ist in der Gewichtsreduzierung und in der Vermeidung ungleicher Wärmeausdehnung von Mantelkörper und Welle zu sehen.

[0017] Zwei vorteilhafte Arten der Verbindung zwischen Übergangsplatte und Verschlussplatte sind in Fig. 3 gezeigt. Eine oder mehrere Schrauben 60 stellen eine direkte Verbindung her. Alternativ oder zusätzlich kann ein Zuganker 56 vorgesehen sein, der den Hohlraum komplett durchsetzt und mit dem die Übergangsplatten gegeneinander und damit auch gegen die Verschlussplatten gezogen werden.

[0018] In einer Weiterbildung ist innerhalb des Hohlraums eine Stützwand 70 vorgesehen, welche eine oder mehrere Bohrungen besitzen kann, durch die die Zuganker hindurchgeführt sind. Diese Stützwand reduziert den Verformungsspielraum für den Mantelkörper und ermöglicht dadurch geringe Wandstärken des Mantelkörpers.

[0019] Der Bereich des Kolbens mit Verschlussplatte, Mantelkörper, Übergangsplatte und Schraube ist in Fig. 4 nochmals detaillierter dargestellt. Mantelkörper 40 und Verschlussplatte 420 sind an der Verbindung 68 miteinander verbunden. Vorteilhaft umgibt der Mantelkörper dabei die Verschlussplatte in radialer Richtung. Die Verbindung erfolgt durch Kleben oder durch Schweißen. Die Übergangsplatte 422 schließt in radialer Richtung bündig mit dem Mantelkörper ab. Auf diese Weise werden Toträume verhindert. Da Unterschiede im Temperaturausdehnungsverhalten zwischen Übergangsplatte und Verschlussplatte nicht ausgeschlossen werden können, ist es vorteilhaft, die Schraube 60 schwimmend anzuordnen. Hierzu ist die Schraube in ein Relativbewegungen zwischen Verschlussplatte und Übergangsplatte erlaubendem Element gefasst. In einfacher, kostengünstiger und zudem vakuumdichter Weise gelingt dies, in dem ein elastomerer Dichtring 66 zwischen dem Schraubenkopf und der Übergangsplatte liegt. Die Schraube durchsetzt eine Bohrung in der Übergangsplatte und ist vertieft angeordnet. In der Verschlussplatte greift das Gewinde der Schraube in das Gewinde einer eingeklebten Gewindebuchse 62. Der Spalt 64 um den Schraubenschaft erlaubt eine ungleichmäßige Ausdehnung von Übergangsplatte und Verschlussplatte, wobei der Schraubenkopf auf der Dichtung 66 schwimmt.

[0020] Einige weitere, vorteilhafte Weiterbildungen des vorstehend beschriebenen Beispiels sind denkbar.

[0021] Anstelle zweier Wellenzapfen kann eine durchgehende Welle verwendet werden. Wird eine solche durchgehende Welle verwendet, ist bei einer Wahl der Materialien von Welle und Mantelkörper mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten dafür Sorge zu tragen, dass Spannungen durch die ungleiche Ausdehnung vermieden werden. Dies gelingt beispielsweise durch eine schwimmende Gestaltung der Verbindung 68.

[0022] Wenn die Verbindung zwischen 420 und 422 vor Verbindung von Deckplatte und Mantelkörper erfolgen soll, ist es vorteilhaft, die Stirnseite 69 des Mantelkörpers mit der Übergangsplatte 422 zu verbinden, beispielsweise durch Kleben oder Schweißen.

[0023] Gemäß einer Weiterbildung können Mantelkörper und wenigstens eine Verschlussplatte aus einem Stück gefertigt sein. Hierdurch werden Dichtheit und Stabilität weiter verbessert.

[0024] Der Rotor kann durch geeignete Form des Mantelkörpers als Schraubenpumpenrotor gestaltet werden. Hierzu wird der Querschnitt des Mantelkörpers angepasst und eine Verwendelung entlang der Rotorachse vorgesehen.

[0025] Eine Weiterbildung des Rotors ist in Fig. 5 im Schnitt entlang der Drehachse gezeigt. Der dort gezeigte Rotor 500 findet in einer zweistufigen Vakuumpumpe Verwendung. Der nachfolgend beschriebene Aufbau lässt sich leicht auf mehr als zwei Pumpstufen erweitern.

[0026] Der Rotor weist einen ersten und einen zweiten Kolben 502 und 504 auf. Die Länge L₁ des ersten Kolbens ist größer als die Länge L₂ des zweiten Kolbens. Der erste Kolben ist somit für die Verwendung in der hochvakuumseitigen Pumpstufe einer zweistufigen Vakuumpumpe angepasst.

[0027] Der erste Kolben weist Deckplatten 520 und 526 auf, die jeweils als Verbund aus einer Verschlussplatte 522 und 528 mit einer Übergangsplatte 524 und 530 gestaltet sind. Zwischen den Deckplatten ist ein Mantelkörper 532 angeordnet. Die Übergangsplatte 530 ist mit einem Wellenzapfen 570 verbunden, der zur Aufnahme in einer Lagerung des Rotors vorgesehen ist.

[0028] Analog zum ersten Kolben weist der zweite Kolben Deckplatten 540 und 546 auf, die ihrerseits durch einen Verbund aus einer Verschlussplatte 542 und 548 mit einer Übergangsplatte 544 und 550 gebildet werden. Zwischen den Deckplatten ist ein Mantelkörper 552 vorgesehen. Die Übergangsplatte 544 ist mit einem Wellenzapfen 560 verbunden, der wiederum zur Aufnahme in einer Lagerung des Rotors vorgesehen ist.

[0029] Beiden Kolben sind durch ein Wellenstück miteinander verbunden. Dieses Wellenstück weist Abschnitte 562 und 566 auf. Der Abschnitt 562 ist mit der Übergangsplatte 550 des zweiten Kolbens, der Abschnitt 566 mit der Übergangsplatte 524 des ersten Kolbens verbunden. Die Verbindung der Abschnitte untereinander muss derart gestaltet sein, dass sie den durch Drehung des Rotors während des Betriebes der Vakuumpumpe entstehenden Drehmomenten standhält. Denkbar ist eine Verklebung oder eine formschlüssige Verbindungen wie ein Schwalbenschwanz. Den geringsten Fluchtungsfehler weist die in Fig. 5 gezeigte Lösung auf. Der Abschnitt 562 besitzt einen Vorsprung 564, der mit einer passenden Ausnehmung des Abschnitts 566 in Eingriff steht und mittels eines Stifts 568 gesichert ist. Der mehrstufige Rotor gemäß Ausführungsbeispiel ist sehr gut für den modularen Aufbau einer Baureihe von mehrstufigen Pumpen geeignet, denn für unterschiedliche Mitglieder können gemeinsame Teile, bspw. Wellenzapfen, Deckplatten, Verschlussplatten, Mantelkörper, usw. verwendet werden..

Ansprüche

1. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe mit einem Kolben (38; 502, 504), wobei der Kolben einen Mantelkörper (40; 532, 552) und eine mit einer Stirnseite des Mantelkörpers verbundene Deckplatte (42, 44; 520, 526, 540, 546) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckplatte (42, 44; 520, 526, 540, 546) eine Verschlussplatte (420, 440; 522, 528, 542, 548) und eine mit der Verschlussplatte verbundene Übergangsplatte (422, 442; 524, 530, 544, 550) umfasst.

2. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine in einem Relativbewegungen zwischen Verschlussplatte und Übergangsplatte erlaubenden Element (66) gefasste Schraube (60) die Verschlussplatte (420, 440; 522, 528, 542, 548) und die Übergangsplatte (422, 442; 524, 530, 544, 550) miteinander verbindet.

3. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verschlussplatte (420, 440; 522, 528, 542, 548) und Mantelkörper (40; 532, 552) vakuumdicht miteinander verbunden sind.

4. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptbestandteil der Übergangsplatte (422, 442; 524, 530, 544, 550) Metall und der Hauptbestandteil von Verschlussplatte (420, 440; 522, 528, 542, 548) und Mantelkörper (40) ein faserverstärkter Verbundwerkstoff ist.

5. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Übergangsplatte (422, 442; 530, 544) ein Wellenzapfen (50, 52; 560, 570) verbunden ist.

6. Rotor (10, 12; 500) für eine Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er einen zweiten Kolben (504) aufweist.

7. Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Rotor (10, 12; 500) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.

8. Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper (40; 532; 552) im Querschnitt ein Wälzkolbenprofil aufweist.

Claims

1. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump having a piston (38; 502, 504), wherein the piston has a jacket body (40; 532, 552) and a cover plate (42, 44; 520, 526, 540, 546) connected to an end face of the jacket body, characterized in that the cover plate (42, 44; 520, 526, 540, 546) comprises a closure plate (420, 440; 522, 528, 542, 548) and a transition plate (422, 442; 524, 530, 544, 550) connected to the closure plate.

2. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump in accordance with claim 1, characterized in that a screw (60) accommodated in an element (66), which allows relative movements between the closure plate and the transition plate, connects the closure plate (420, 440; 522, 528, 542, 548) and the transition plate (422, 442; 524, 530, 544, 550) to one another.

3. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump in accordance with one of the claims 1 or 2, characterized in that the closure plate (420, 440; 522, 528, 542, 548) and the jacket body (40; 532, 552) are connected to one another in a vacuum-tight manner.

4. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump in accordance with any one of the claims 1 to 3, characterized in that the main component of the transition plate (422, 442; 524, 530, 544, 550) is metal and the main component of the closure plate (420, 440; 522, 528, 542, 548) and of the jacket body (40) is a fiber-reinforced composite.

5. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump in accordance with any one of the preceding claims, characterized in that a shaft extension (50, 52; 560, 570) is connected to the transition plate (422, 442; 530, 544).

6. A rotor (10, 12; 500) for a vacuum pump in accordance with any one of the preceding claims, characterized in that it has a second piston (504).

7. A vacuum pump, characterized in that it comprises a rotor (10, 12; 500) in accordance with any one of the preceding claims.

8. A vacuum pump in accordance with claim 7, characterized in that the jacket body (40; 532; 552) has a Roots profile in cross-section.

Revendications

1. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide, comportant un piston (38 ; 502, 504), dans lequel
le piston comprend un corps formant enveloppe (40 ; 532, 552) et une plaque de couverture (42, 44 ; 520, 526, 540, 546) reliée à la face frontale du corps formant enveloppe,
caractérisé en ce que
la plaque de couverture (42, 44 ; 520, 526, 540, 546) comprend une plaque d'obturation (420, 440 ; 522, 528, 542, 548) et une plaque de transition (422, 442 ; 524, 530, 544, 550) reliée à la plaque d'obturation.

2. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide selon la revendication 1, caractérisé en ce que
une vis (60) engagée dans un élément (66) permettant des mouvements relatifs entre la plaque d'obturation et la plaque de transition relie la plaque d'obturation (420, 440 ; 522, 528, 542, 548) et la plaque de transition (422, 442 ; 524, 530, 544, 550) l'une à l'autre.

3. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide selon l'une des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
la plaque d'obturation (420, 440 ; 522, 528, 542, 548) et le corps formant enveloppe (40 ; 532, 552) sont reliés l'un à l'autre de façon étanche au vide.

4. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide selon l'une des revendications 1 à 3,
caractérisé en ce que
le composant principal de la plaque de transition (422, 442 ; 524, 530, 544, 550) est du métal et le composant principal de la plaque d'obturation (420, 440 ; 522, 528, 542, 548) et du corps formant enveloppe (40) est un matériau composite renforcé de fibres.

5. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
un tourillon d'arbre (50, 52 ; 560, 570) est relié à la plaque de transition (422, 442 ; 530, 544).

6. Rotor (10, 12 ; 500) pour une pompe à vide selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
il comprend un second position (504).

7. Pompe à vide,
caractérisée en ce que
elle comprend un rotor (10, 12 ; 500) selon l'une des revendications précédentes.

8. Pompe à vide selon la revendication 7,
caractérisée en ce que
le corps formant enveloppe (40 ; 532 ; 552) présente en section transversale un profil en forme de lobes.

Zeichnung