VERDRÄNGERMASCHINE

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Verdrängermaschine, insbesondere zur Verwendung als Pumpe, mit einem in einem Gehäuse gebildeten Arbeitsraum, der durch zwei Stirnwände und einen Mantel begrenzt ist und über einen Einlass und einen Auslass für ein Arbeitsmedium zugänglich ist sowie mit mindestens einem im Gehäuse beweglich angeordneten, den Arbeitsraum unterteilenden Rotor und mit einem Führungsgetriebe zur Rotorsteuerung und einer ausserhalb des Arbeitsraumes befindlichen Antriebsvorrichtung.

[0002] Derartige Verdrängermaschinen sind in vielen verschiedenen Ausführungsarten bekannt. Sie können sowohl zum Liefern eines Druckmediums, beispielsweise Luft, als auch als Vakuumpumpen ausgelegt und eingesetzt werden. Bei vielen Einsatzgebieten solcher Maschinen, insbesondere in der Verpackungs- und Lebensmittelindustrie, darf das Druckmedium nicht mit Öl kontaminiert werden. Es ist daher wesentlich, dass die Maschinen ohne Öl im Arbeitsraum auskommen. Bezüglich der Rotoren hat man das Problem durch Geometrien gelöst, die einen berührungsfreien Eingriff der Rotoren gestatten, so dass diese nicht mit Öl geschmiert werden müssen. Problematischer ist aber die Lagerung der Rotoren, wie dies im folgenden anhand einiger typischer Beispiele erläutert wird.

[0003] Bei einem ersten Typ von Verdrängermaschinen der eingangs genannten Art sind die Rotoren mittels Gleitlagern gestützt. Es sind heute Gleitlager bekannt, beispielsweise solche mit Beschichtungen aus Siliciumcarbid, die sehr gute Trockenlaufeigenschaften aufweisen. Solche Lager sind zwar in der Lage, für einige Zeit einen Betrieb ohne Schmiermittel ohne Beschädigung zu überstehen, etwa beim Anlauf der Maschine oder beim Ausfall der Schmiermittelversorgung bis zum Stillstand der Maschine, jedoch eignen sie sich nicht für ungeschmierten Dauerbetrieb. Es gibt einige Fälle, in denen das von der Maschine geförderte Medium zur Schmierung der Lager herangezogen werden kann, insbesondere wenn dieses Medium flüssig ist. In allen anderen Fällen bleibt nichts anderes übrig, als die Lager gegen den Arbeitsraum abzudichten, wenn das Arbeitsmedium vor einer Kontamination mit Schmiermitteln geschützt werden soll. Dies geschieht in den meisten Fällen durch dynamische Abdichtungen. Die nicht vollständige Dichtheit sowie die gegebenenfalls auftretende Reibung mit der damit verbundenen Erwärmung und begrenzten Lebensdauer der Dichtungen sind die wesentlichsten Probleme derartiger Konstruktionen. Zu diesem Typ von Verdrängermaschinen gehört beispielsweise der im Dokument DE 31 24 247 C1 beschriebene Schraubenverdichter. Zur Vereinfachung der Herstellung dieses Schraubenverdichters sind beide Läufer zumindest im Bereich des Schraubenprofiles aus Keramikmaterial hergestellt. In diesem Dokument ist auch angegeben, dass es sinnvoll ist, die Läufer mittels Gleitlagern zu lagern, wobei die Laufbuchsen zweckmässigerweise aus infiltriertem Sikiziumcarbid hergestellt und die Welle in den Lagerbereichen in vorteilhafter Weise mit keramischem Material beschichtet sind. Femer wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass für diese Lager ein Schmiermittel benötigt wird und dass dieses vorzugsweise Wasser ist.

[0004] Ein zweiter Typ von Verdrängermaschinen arbeitet mit hydrodynamischen oder hydrostatischen Lagern. Auch hier stellen sich natürlich Abdichtungsprobleme, sobald das Arbeitsmedium nicht mit Schmiermitteln kontaminiert werden darf. Die Bewältigung dieser Abdichtungsprobleme bedingt einen erhöhten Bauaufwand, was das Gewicht der Maschine in unerwünschter Weise erhöht. Ein Beispiel einer Maschine mit hydrostatischen Lagern ist in der Europäischen Patentanmeldung EP 0 376 373 A1 beschrieben. Bei diesem Typ von Verdrängermaschine wird das Gewicht und der Bauaufwand durch die für das Aufbringen des Schmiermitteldruckes notwendigen Einrichtungen noch zusätzlich erhöht.

[0005] Ein dritter Typ von Verdrängermaschinen ist mit Magnetlagern für die Rotorwellen ausgerüstet. Solche Lager weisen an sich schon ein relativ hohes Gewicht auf. Wegen der verhältnismässig geringen Kräfte, die durch magnetische Lager aufgenommen werden können, müssen die Rotoren durch separate, elektronisch synchronisierte Motoren angetrieben werden und können nicht mit einem Führungsgetriebe synchronisiert werden. Für den Fall eines Versagens der Synchronisierschaltung ist aber vielfach dennoch ein mechanisches Not-Synchronisationsgetriebe vorgesehen.

[0006] Ein noch anderer Typ von Verdrängermaschinen weist einseitig gelagerte Wellen auf, wobei die Lagerung auf der Druckseite des Arbeitsraumes vorgesehen ist. Die Deutsche Offenlegungsschrift DE 195 22 551 A1 zeigt eine solche Maschine. Es ist offensichtlich, dass auch bei dieser Art von Verdrängermaschine der Bauaufwand erheblich ist.

[0007] Ein vierter, weit verbreiteter Typ von Verdrängermaschinen arbeitet mit Wälzlagern, die konventionell geschmiert und gegen den Arbeitsraum dynamisch abgedichtet sind. Bei einer ersten Unterart dieses Typs sind die Rotoren beidseitig gelagert, wie dies beispielsweise in der Deutschen Patentschrift DE 37 06 588 C1 gezeigt ist. Auf den Zeichnungen dieses Dokumentes ist deutlich zu sehen, dass bei gegebener Länge des Arbeitsraumes, die Stützlänge zwischen den Lagern durch die zu deren Abdichtung nötigen Dichtungen vergrössert wird. Es ist klar, dass mit zunehmender Stützweite die Tendenz zu transversalen Schwingungen der Rotoren und damit die Gefahr von Rotorberührungen zunimmt. Um dieser Gefahr entgegenzuwirken, muss auch der Kerndurchmesser der Rotoren entsprechend grösser gestaltet werden. Dadurch wird die Baugrösse und das Gewicht der Maschine erhöht. Bei einer anderen Maschine dieser Art gemäss der Deutschen Offenlegungsschrift DE 195 13 380 A1 erfolgt die Lagerung auf einer Seite innerhalb des Rotors, der zu diesem Zwecke anstelle eines Lagerzapfens eine Bohrung aufweist. Damit ist zwar die Stützweite zwischen den Lagern verringert, aber der Aufwand zur Abdichtung der Lager gegen den Arbeitsraum wird nicht reduziert. Eine zweite Unterart des vorgenannten vierten Typs arbeitet mit einseitig gelagerten Rotoren. Eine solche Maschine wurde durch die Anmelderin am 15. Juli 1997 unter der Nummer 1737/97 als Schweizerisches Patent angemeldet. Diese Maschine hat insbesondere den Vorteil, dass nur eine einzige Lagerung abgedichtet werden muss, und zwar die Lagerung auf der Druckseite des Arbeitsraumes. Diese Abdichtung des Arbeitsraumes bietet auch deshalb weniger Probleme, weil die Gefahr einer Kontamination des Arbeitsmediums bei der druckseitigen Dichtung viel geringer ist als bei der saugseitigen. Durch diese Konstruktion wird aber im Vergleich mit der vorstehend erwähnten kein Bauraum eingespart, womit die Anwendung auf kleinere Pumpen begrenzt ist.

[0008] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die mit weniger Aufwand und geringerem Gewicht als bekannte gattungsgemässe Verdrängermaschinen hergestellt werden kann und die insbesondere ohne besondere Schmiermittel für die Lager betrieben werden. Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, dass der Rotor bzw. die Rotoren zumindest teilweise innerhalb des Arbeitsraumes gelagert ist bzw. sind und dass das innerhalb des Arbeitsraumes angeordnete Lager bzw. die innerhalb des Arbeitsraumes angeordneten Lager für das Arbeitsmedium zugänglich und als Wälzlager aus Keramikwerkstoffen ausgeführt ist bzw. sind, wodurch ein schmiermittelfreier Betrieb der Verdrängermaschine möglich ist. Die erfindungsgemässe Maschine kann daher ohne besondere Schmiermittel für die Lager betrieben werden und dadurch ist eine Kontamination des Arbeitsmediums mit Schmiermittel praktisch ausgeschlossen.

[0009] Durch die im Anspruch 2 angegebene Ausführungsart der Erfindung entfällt der Zwang zu beidseitiger Abdichtung, wodurch eine Reduzierung der Stützweiten zwischen den Lagern ermöglicht wird. Dadurch verringert sich auch der Aufwand beim Bau der Maschine sowie deren Gewicht und Bauraum.

[0010] Die besonders bevorzugte Ausführungsart der erfindungsgemässen Verdrängermaschine gemäss Anspruch 3 bringt eine einfache, beidseitige Lagerung der Rotoren unter Reduzierung der Stützweiten sowie einen Betrieb ohne saugseitige dynamische Dichtungen und eine generelle Bauraumreduzierung mit sich. Der Verzicht auf saugseitige Dichtungen ist bei Vakuumpumpen besonders vorteilhaft, weil ein Versagen einer solchen Dichtung bei einer Maschine mit konventionell geschmierten Lagern zu einer Kontamination des Arbeitsmediums oder zum Zusammenbruch des Vakuums führen würde.

[0011] Die Ausführungsart nach Anspruch 4 ermöglicht ebenfalls einen schmiermittelfreien Betrieb der Maschine sowie eine weitere Reduzierung der Rotor-Stützweiten. Darüber hinaus sind bei dieser Ausführungsart die dynamischen Wellendichtungen von aussen zugänglich und austauschbar.

[0012] Im folgenden wird der Stand der Technik und eine besondere Ausführungsart der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:

Figur 1

einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine nach dem Stand der Technik und

Figur 2

einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Verdrängermaschine.

[0013] Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verdrängermaschine nach dem Stand der Technik, die zur Verwendung als Pumpe vorgesehen ist. In einem Gehäuse 1 ist ein Arbeitsraum 2 ausgebildet, der durch zwei Stirnwände 3, 4 und einen Mantel 5 begrenzt ist. Über einen Einlass 6 wird das Arbeitsmedium, beispielsweise Luft, in den Arbeitsraum gesogen und durch und einen Auslass 7 aus diesem ausgestossen. Zwei an ihrem Mantel in bekannter Weise mit ineinandergreifenden schraubenförmigen Profilen versehene Rotoren 8, 9 sind drehbar im Arbeitsraum angeordnet. Ein ausserhalb des Arbeitsraumes angeordnetes und durch eine Antriebsvorrichtung 11 angetriebenes Führungsgetriebe 10 sorgt dafür, dass die beiden Rotoren berührungsfrei in entgegengesetztem Drehsinn drehen. Die Rotoren 8 und 9 sind mit je zwei konventionellen Wälzlagern 12 und 13 in den Stirnwänden 3 bzw. 4 gelagert und gegen den Arbeitsraum 2 mit Dichtungen 14 und 15 abgedichtet. Die sich bei dieser Anordnung ergebende Stützweite ist in Figur 1 mit L1 bezeichnet.

[0014] Bei der erfindungsgemässen Verdrängermaschine, von der ein Ausführungsbeispiel in Figur 2 dargestellt ist, sind die Rotoren 8 und 9 durch Wälzlager 16 und 17 im Arbeitsraum 2 gelagert. Dadurch, dass diese Wälzlager aus Keramikwerkstoffen ausgeführt sind, die ohne Schmierung bzw. mit Schmierung lediglich durch das Arbeitsmedium eine hohe Lebensdauer erreichen, kann auf die in Figur 1 dargestellten Dichtungen 14 und 15 verzichtet werden. Die Rotoren sind somit im Arbeitsraum gelagert, wodurch sich die gegenüber dem in Figur 1 dargestellten Stand der Technik wesentlich geringere Stützweite L2 ergibt. Der Arbeitsraum 2 braucht nur auf der Seite des Führungsgetriebes 10 abgedichtet zu werden, was im vorliegenden Beispiel durch die auf der vom Arbeitsraum abgewandten Seite des Lagers 17 angeordnete dynamische Dichtung 18 erfolgt.

Ansprüche

1. Verdrängermaschine, insbesondere zur Verwendung als Pumpe, mit einem in einem Gehäuse (1) gebildeten Arbeitsraum (2), der durch zwei Stirnwände (3, 4) und einen Mantel (5) begrenzt ist und über einen Einlass (6) und einen Auslass (7) für ein Arbeitsmedium zugänglich ist sowie mit mindestens einem im Gehäuse beweglich angeordneten, den Arbeitsraum unterteilenden Rotor (8) und mit einem Führungsgetriebe (10) zur Rotorsteuerung und einer ausserhalb des Arbeitsraumes befindlichen Antriebsvorrichtung (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor bzw. die Rotoren zumindest teilweise innerhalb des Arbeitsraumes gelagert ist bzw. sind und dass das innerhalb des Arbeitsraumes angeordnete Lager bzw. die innerhalb des Arbeitsraumes angeordneten Lager (16, 17) für das Arbeitsmedium zugänglich und als Wälzlager aus Keramikwerkstoffen ausgeführt ist bzw. sind, wodurch ein schmiermittelfreier Betrieb der Verdrängermaschine möglich ist.

2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (1) zwei parallelachsige, im Ausseneingriff miteinander kämmende Rotoren (8, 9) drehbar gelagert sind und dass jeder Rotor ein einseitig durch eine Bohrung in der ersten Strinwand (3) herausgeführtes Wellenende mit dynamischer Abdichtung aufweist und an der gegenüberliegenden Stirnseite durch ein keramisches Wälzlager (16) gestützt ist, welches innen an der zweiten, als Blinddeckel ausgeführten Stirnwand (4) befestigt und vom Arbeitsraum durch eine reibungsfreie Labyrinthdichtung geschützt oder frei zugänglich ist.

3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2 zur Verwendung als Vakuumpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorgeometrien schraubenförmig oder schraubenähnlich ausgebildet sind und die Maschine somit mit vorwiegend axialer Förderrichtung arbeitet, und dass der Einlass (6) in der Nähe der keramischen Wälzlager (12) an der Blinddeckel-Stirnwand (4) und der Auslass (7) an der Wellenenden-Seite vorgesehen ist.

4. Verdrängermaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlagerungen (17) an der Stirnwand (3) mit den Wellendurchführungen ebenfalls durch innenliegende Keramik-Wälzlager gebildet sind.

Claims

1. Displacement machine, in particular for use as a pump, with a working area (2) formed in a housing (1), which working area is limited by two end walls (3, 4) and a casing (5), and is accessible for a working medium via an inlet (6) and an outlet (7), and at least one rotor (8), subdividing the working area, movably disposed in the housing, and a guide gearing (10) for rotor control, and a drive apparatus (11) situated outside the working area, characterised in that the rotor, or rotors, is, or are, supported at least partially within the working area, and in that the bearing, or bearings (16, 17), disposed within the working area, is, or are, accessible for the working medium and is, or are, designed as rolling bearing made of ceramic materials, making possible a lubricant-free operation of the displacement machine.

2. Displacement machine according to claim 1, characterised in that two rotors (8, 9), having parallel axes and meshing with one another in external engagement, are rotatably supported in the housing (1), and in that each rotor has a shaft end, with dynamic sealing, led out on one side through a bore in the first end wall (3), and is supported on the opposite end face by a ceramic rolling bearing (16) which is fixed on the inside to the second end wall (4), designed as blind cap, and is protected from the working area through a friction-free labyrinth seal or is freely accessible.

3. Displacement machine according to claim 2, for use as a vacuum pump, characterised in that the geometry of the rotors is screw-shaped or screw-like, and the machine thus operates with primarily axial direction of conveyance, and characterised in that the inlet (6) is provided on the blind cap end wall (4) in the vicinity of the ceramic rolling bearing (12) and the outlet (7) on the shaft-end side.

4. Displacement machine according to claim 2 or 3, characterised in that the rotor bearings (17) are likewise formed by inner-situated ceramic rolling bearings on the end wall (3) with the shaft lead-throughs.

Revendications

1. Machine volumétrique, en particulier destinée à l'utilisation comme pompe, comportant une chambre (2) formée dans un corps (1) et délimitée par deux cloisons transversales (3, 4) et une enveloppe (5), accessible à un fluide par une ouverture d'aspiration (6) et une ouverture de sortie (7), ainsi qu'au moins un rotor (8) monté dans le corps de manière à être mobile et divisant la chambre et un réducteur de guidage (10) servant à commander le rotor et un dispositif d'entraînement (11) situé à l'extérieur de la chambre, caractérisée en ce que le ou les rotors ont un ou plusieurs paliers situés tout au moins en partie à l'intérieur de la chambre, et en ce que le ou les paliers (16, 17) situés à l'intérieur de la chambre sont accessibles au fluide et sont exécutés sous la forme de roulements en matières céramiques, ce qui permet à cette machine volumétrique de fonctionner sans lubrifiant.

2. Machine volumétrique selon la première revendication, caractérisée en ce que deux rotors (8, 9) aux axes parallèles et s'engrenant extérieurement l'un dans l'autre sont montés dans le corps (1) de manière à pouvoir tourner, et en ce que chaque rotor présente un bout d'arbre sorti d'un côté par un trou de la première cloison transversale (3) et pourvu d'un joint dynamique et, du côté opposé, s'appuie sur un roulement céramique (16) qui est fixé intérieurement à la deuxième cloison transversale (4), réalisée sous la forme d'un couvercle plein, et qui est protégé, vis-à-vis de la chambre, par un joint à labyrinthe sans frottement, ou libement accessible depuis cette chambre.

3. Machine volumétrique selon la revendication 2, destinée à être utilisée comme pompe à faire le vide, caractérisée en ce que les rotors sont en forme de vis ou de forme analogue et que la machine fonctionne donc avec une direction de refoulement principalement longitudinale, et en ce que l'entrée (6) se trouve au voisinage des roulements céramiques (12) montés sur la cloison transversale (4) réalisée sous la forme d'un couvercle plein et que la sortie (7) se trouve du côté du bout d'arbre.

4. Machine volumétrique selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que les paliers des rotors (17) de la paroi transversale (3), avec les traversées d'arbres, sont également constitués par des roulements céramiques intérieurs.

Zeichnung