[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Scrollpumpe - auch Spiralpumpe genannt -
zur Förderung von Gasen oder Gas-Kondensat-Gemischen. Diese Pumpe besitzt einen Einlass,
einen Auslass, eine feststehende Statorscheibe und eine oszillierende Rotorscheibe,
die auf einer Antriebswelle befestigt ist. Die Statorscheibe und die Rotorscheibe
liegen im wesentlichen parallel zueinander und tragen jeweils spiralförmig verlaufende
Flanken, die unter Bildung von veränderlichen Förderräumen ineinander eingreifen.
[0002] Das Wirkprinzip von Spiralpumpen ist seit langem bekannt. In der DE 28 26 071 C2
ist beispielsweise eine Spiralpumpe beschrieben, wobei dort insbesondere unterschiedliche
Gestaltungen der Spiralelemente gezeigt sind, um Förderdruckpulsationen zu vermeiden.
Generell greifen bei der Spiral- oder Scrollpumpe zwei spiralförmig verlaufende Flanken
oder Rippen ineinander ein, wobei durch die Oszillationsbewegung mindestens einer
dieser Scheiben der zwischen diesen Flanken ausgebildete Förderraum kontinuierlich
von außen nach innen verschoben wird. Dabei wird das im Förderraum eingeschlossene
Medium kontinuierlich entlang der Flanken transportiert und üblicherweise nach Erreichen
des Zentrums der Spiralen aus der Pumpe abgegeben.
[0003] Aus der EP 0 579 888 A1 ist eine rotierende Spiralpumpe bekannt, bei welcher die
spiralförmig verlaufenden Rippen in mehrere Segmente unterteilt sind, um hohe Drücke
zu erzielen und temperaturbedingte Toleranzprobleme zu vermeiden.
[0004] Bisher bekannte Scrollpumpen besitzen das Problem, dass sich zwischen den spiralförmig
verlaufenden Flanken Kondensat sammeln kann, welches nur schwer durch den spiralförmigen
Förderraum abtransportiert werden kann und dadurch die Förderleistung der Pumpe stark
beeinträchtigt. Wenn sich beispielsweise auf Grund des gegen ein üblicherweise vorhandenes
Ausgangsventil aufzubauenden Drucks Kondensat ausbildet und die Pumpe außer Betrieb
genommen wird, verbleibt eine Restmenge des Kondensats in bestimmten Abschnitten des
Förderraums, was insbesondere bei der Förderung aggressiver Medien zu einem erhöhten
Verschleiß der Pumpe führt.
[0005] Bekannte Scrollpumpen haben eine horizontale Antriebswelle, so dass die Scheiben
mit den spiralförmigen Flanken vertikal stehen. Durch diese Anordnung kann auch nach
Abschalten der Pumpe das im Förderraum angesammelte Kondensat nicht entfernt werden.
[0006] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine verbesserte Scrollpumpe
bereit zu stellen, bei welcher die Kondensatansammlung im Förderaum reduziert wird.
Dazu soll das im Förderraum auftretende Kondensat ohne Weiteres nach außen abgeführt
werden und selbst bei stehender Pumpe nicht im Förderraum verbleiben. Eine weitere
Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht außerdem darin, die Neigung zur Kondensatausbildung
innerhalb des Förderraums zu reduzieren. Schließlich ist es Ziel der Erfindung, die
Scrollpumpe unempfindlich gegen aggressive Medien zu gestalten und die Baugröße der
mit einem Antriebsmotor gekoppelten Pumpeneinheit zu reduzieren.
[0007] Die genannte Aufgabe wird von der erfindungsgemäßen Scrollpumpe gelöst, indem die
Antriebswelle im Betriebszustand im wesentlichen vertikal angeordnet ist, so dass
die Scheiben im wesentlichen horizontal liegen. Die Flanken der Scheiben stehen also
bevorzugt vertikal, da sie weitgehend senkrecht zur Ebene der Scheiben verlaufen.
Außerdem geht der Auslass vom Zentrum der unten liegenden Scheibe aus und ist derart
nach außen geführt, dass gegebenenfalls anstehendes Kondensat auf Grund der Schwerkraft
abfließen kann.
[0008] Diese Bauart verhindert die Ansammlung von Kondensat in unteren Bereichen des Förderraums,
da das Kondensat auf Grund der Schwerkraft selbsttätig zum Auslass fließt und von
dort aus abgegeben werden kann. Die Scrollpumpe muss eventuell auftretendes Kondensat
daher nicht aktiv fördern, so dass die Förderleistung nicht beeinträchtigt wird.
[0009] Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist in den Auslass der Scrollpumpe kein Ausgangsventil
eingeschaltet. Dadurch können die geförderten Gase bzw. Dämpfe den Auslass ungehindert
passieren, ohne dass ein Öffnungsdruck eines Ausgangsventils überwunden werden müsste.
Bei der Abgabe des gepumpten Mediums erfährt dieses somit keine Druckerhöhung, die
bei herkömmlichen Pumpen immer die Gefahr des Auskondensierens von Dämpfen in sich
birgt. Diese veränderten Druckverhältnisse reduzieren grundsätzlich die Neigung von
Dämpfen zum Auskondensieren, so dass von vornherein weniger Kondensat im Förderraum
entsteht.
[0010] Bei einer besonders zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist an dem freien
Ende der spiralförmig verlaufenden Flanken eine Spiraldichtung angebracht, welche
zur Abdichtung des Förderraums an der gegenüberliegenden Scheibe anliegt.
[0011] Durch diese Dichtung werden die benachbarten Förderräume zwischen den einzelnen Windungen
der Spirale voneinander getrennt.
[0012] Es ist besonders vorteilhaft, wenn die genannte Spiraldichtung in einer stirnseitigen
Nut in den Flanken eingelegt ist und in axialer Richtung geringfügig über die Flanken
hinaus ragt. Auf diese Weise entsteht am Übergang zwischen Dichtung und Flanke ein
kleiner Kanal, der in jedem Abschnitt der spiralförmigen Flanken den Abfluss von gegebenenfalls
vorhandenem Kondensat gestattet, selbst wenn die Förderscheibe der Scrollpumpe nicht
bewegt wird. Kondensat kann dadurch auch nach Außerbetriebnahme der Pumpe allein auf
Grund der Schwerkraft nach außen abfließen.
[0013] Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn zusätzlich zu der Spiraldichtung eine innere und
eine äußere umlaufende Dichtung angebracht sind, die eine vollständige Abdichtung
des Förderraums gegenüber den Lagern und sonstigen Gehäuseteilen bewirken, so dass
aggressive Medien nur innerhalb des Förderraums auftreten, welcher aus einem resistenten
Material hergestellt sein oder eine geeignete Oberflächenbeschichtung aufweisen kann.
Auf diese Weise kann ein gasdichter Pumpenraum erzeugt werden, in welchen keine Lager
für bewegte Teile integriert werden müssen, so dass beispielsweise auf fehleranfällige
und komplizierte Wellendichtungen oder gasdichte Kugellager verzichtet werden kann.
Außerdem bietet dies den Vorteil, das keine Schmiermittel benötigt werden, so dass
eine Rückdiffusion solcher Stoffe in den vorgeschalteten Vakuumbereich ausgeschlossen
ist.
[0014] Bei einer bevorzugten Ausführungsform geht die Antriebswelle, an welcher die Förderscheibe
befestigt ist, unmittelbar in die Abtriebswelle eines elektrischen Motors über bzw.
ist einstückig mit dieser ausgebildet. Der Antriebsmotor kann auf diese Weise in unmittelbarer
Nähe der Scrollpumpe positioniert werden, so dass die Baugröße der gesamten Einheit
minimiert wird. Außerdem kann dadurch auf Kupplungselemente zwischen den Wellen verzichtet
werden, wodurch sich der Montageaufwand und die Bauteilkosten reduzieren lassen. Bei
abgewandelten Ausführungsformen kann jedoch auch eine andere Verbindung zwischen Scrollpumpe
und Antriebsmotor gewählt werden. Beispielsweise können Standard-Flanschmotoren an
die Pumpe angekoppelt werden.
[0015] Weiter Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform, unter Bezugnahme auf
die Zeichnung.
Es zeigen:
- Fig. 1
- eine vereinfachte seitliche Schnittansicht einer Scrollpumpe mit einem elektrischen
Motor;
- Fig. 2
- eine detailliertere Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der Scrollpumpe;
- Fig. 3
- eine vereinfachte Ansicht der Scrollpumpe von unten;
- Fig. 4
- eine geschnittene Detailansicht einer Statorscheibe und einer Rotorscheibe mit jeweiligen
Flanken;
- Fig. 5
- die Rotorscheibe in einer Draufsicht.
[0016] In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Scrollpumpe in einer seitlichen Schnittansicht
dargestellt. Die Scrollpumpe besitzt ein Gehäuse 1, in welchem eine feststehende Statorscheibe
2 und eine oszillierende Rotorscheibe 3 angeordnet sind. Die feststehende Statorscheibe
kann dabei gleichzeitig Bestandteil des Gehäuses 1 sein. Bei der dargestellten Ausführungsform
liegt die Statorscheibe 2 unterhalb der Rotorscheibe 3. Bei abgewandelten Ausführungsformen
könnte aber auch eine vertauschte Anordnung gewählt werden.
[0017] Die Rotorscheibe 3 ist an eine Antriebswelle 4 gekoppelt, durch welche die Pumpbewegung
der Rotorscheibe hervorgerufen werden kann. Bei der hier dargestellten bevorzugten
Ausführungsform ist die Antriebswelle 4 gleichzeitig Bestandteil eines elektrischen
Motors 5, so dass sie als dessen Abtriebswelle fungiert. Die vom Motor bereit gestellte
Antriebskraft wird daher ohne Getriebe- und Kupplungselemente an die Rotorscheibe
3 übertragen. Dies vereinfacht den Aufbau der kompletten Einheit und reduziert die
erforderliche Baugröße. Abgewandelte Ausführungsformen können jedoch auch eigenständige
Motoren zum Einsatz bringen.
[0018] Die beiden Scheiben 2, 3 besitzen jeweils Flanken 6, die sich ausgehend von der jeweiligen
Scheibe in Richtung zur gegenüberliegenden Scheibe erstrecken. Da die prinzipielle
Funktionsweise einer Spiral- oder Scrollpumpe dem Fachmann bekannt ist, muss der gewöhnliche
Aufbau der Scheiben und der Flanken hier nicht detailliert beschrieben werden. Prinzipiell
sind die Flanken 6 spiralförmig auf der jeweiligen Scheibe angeordnet und greifen
derart ineinander ein, dass zwischen ihnen ein veränderlicher Förderraum 7 bereit
gestellt wird.
[0019] Entscheidend für die verbesserte Funktionsweise der Scrollpumpe ist der Umstand,
dass diese mit vertikal (senkrecht) stehender Antriebswelle 4 betrieben wird. Demzufolge
stehen die Statorscheibe 2 und die Rotorscheibe 3 im wesentlichen horizontal (waagerecht).
Sofern beim Betrieb der Scrollpumpe in dem zwischen den Flanken ausgebildeten Förderraum
7 Kondensat auftritt, sammelt sich dieses auf Grund der Schwerkraft auf der unteren
Scheibe, bei der dargestellten Ausführungsform also auf der Bodenfläche der Statorscheibe
2. Während über einen Einlass 8 an relativ beliebiger Stelle das zu pumpende Medium
in die Scrollpumpe eingeleitet wird, befindet sich ein Auslass 9 am tiefsten Punkt
des Förderraums, etwa im Zentrum der unteren Scheibe. An dieser Stelle sammelt sich
das Kondensat, ohne dass dafür die Förderleistung der Pumpe erforderlich wäre, allein
auf Grund der wirkenden Schwerkraft. Natürlich unterstützt die fördernde Pumpe den
Austrag des Kondensats zusätzlich. Der Auslass 9 wird vorzugsweise ohne Zwischenschaltung
eines Ausgangsventils herausgeführt, so dass das Kondensat (und das geförderte Gas)
druckfrei aus der Scrollpumpe sowohl während des Betriebs als auch im Ruhezustand
abfließen kann. Durch Verzicht auf ein Ausgangsventil muss das geförderte Gas auch
keiner Druckerhöhung am Pumpenausgang unterzogen werden, so dass es kaum zur Kondensation
kommt.
[0020] Fig. 2 zeigt eine detailliertere Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
der Scrollpumpe, aus der sich weitere Einzelheiten erkennen lassen. So ist beispielsweise
ersichtlich, das die Rotorscheibe 3 an ein exzentrisches Ende der Antriebswelle 4
gekoppelt ist, wodurch bei Drehung der Antriebswelle eine exzentrische Bewegung der
Rotorscheibe hervorgerufen wird, wie dies bei Scrollpumpen üblich ist. Aus Fig. 2
ist weiterhin ersichtlich, dass unterhalb der Scheiben 2, 3 ein elektrischer Lüfter
10 angeordnet ist, welcher der Zufuhr von Kühlluft an die komplette Einheit dient.
[0021] Bei einer abgewandelten Ausführungsform wäre auch denkbar, dass lediglich ein Lüfterrad
auf einer Verlängerung der Antriebswelle 4 befestigt wird, wobei in diesem Fall die
Durchfuhr der Antriebswelle durch die Statorscheibe und die Kompensation der Exzenterbewegung
erforderlich wären.
[0022] Wie aus Fig. 2 weiter ersichtlich ist, kann zur Motorkühlung auch oberhalb des Motors
5 ein Lüfterrad 16 angeordnet sein, welches an dem äußeren Ende der Motorwelle angebracht
ist.
[0023] In Fig. 3 ist die Scrollpumpe in einer Ansicht von unten dargestellt. Der Einlass
8 und der Auslass 9 sind seitlich weggeführt. Für die Funktionsweise ist jedoch entscheidend,
dass der Auslass 9 in der Ebene der unteren Begrenzung des Förderraums beginnt.
[0024] Fig. 4 zeigt eine Detailansicht der Statorscheibe 2 und der Rotorscheibe 3. Es ist
erkennbar, dass die jeweiligen Flanken 6 von einer Scheibe ausgehen und benachbart
zueinander in Richtung zur gegenüberliegenden Scheibe verlaufen. Für die Abdichtung
der einzelnen Förderräume 7 ist an der Stirnseite jeder Flanke 6 eine Spiraldichtung
11 angeordnet, wobei in der Fig. 4 zur Vereinfachung nur eine einzige Spiraldichtung
dargestellt ist. Die Spiraldichtung 11 kann durch ein Dichtungsband gebildet sein,
welches an die zu fördernden Medien angepasst ist und außerdem einen geringen Reibungskoeffizienten
aufweisen soll, um die Oszillation der Rotorscheibe 3 nicht unnötig zu behindern.
Die Spiraldichtung 11 liegt auf ihrer der Flanke 6 abgewandten Seite an der Bodenfläche
der gegenüberliegenden Scheibe an.
[0025] Vorzugsweise ist die Spiraldichtung 11 in eine Nut 12 eingelegt, welche in der Stirnseite
der Flanke 6 verläuft. Dadurch dass die Spiraldichtung 11 etwas über die Flanke 6
hinaus ragt, schleift die Stirnseite der Flanke 6 während des Betriebs der Pumpe nicht
auf der Bodenseite der gegenüberliegenden Scheibe. Außerdem verbleibt zwischen der
Spiraldichtung 11 der benachbarten Flanke 6 und der gegenüberliegenden Scheibe ein
kleiner Kanal 13, der auch beim Stillstand der Scrollpumpe ein Abfließen von Kondensat
ermöglicht. Dieser Kanal kann so klein gehalten werden, dass die Förderleistung der
Pumpe kaum beeinträchtigt wird. In diesem Zusammenhang ist zu bedenken, dass die Scrollpumpe
beispielsweise mit etwa 1.500 Umdrehungen pro Minute betrieben werden kann, um Gase
zu fördern. Bei den sich ergebenden Strömungsgeschwindigkeiten wirken sich klein genug
gehaltene Luftspalte bzw. Kanäle nicht negativ auf die Förderleistung aus. Es ist
dadurch auch nicht erforderlich, dass die Flanken 6 während der Rotation der Rotorscheibe
3 aneinander anliegen. Vielmehr wird ein minimaler Luftspalt belassen, um den Verschleiß
der Pumpe klein zu halten.
[0026] Fig. 5 zeigt die Rotorscheibe 3 in einer Draufsicht. Außer der Spiraldichtung 11
sind weiterhin eine umlaufende innere Dichtung 14 und eine umlaufende äußere Dichtung
15 vorgesehen. Die umlaufenden Dichtungen 14, 15 dichten den gesamten Pumpenraum nochmals
gegenüber den Lagern und der Umgebung ab. Es sind daher keine Wellendichtringe oder
andere gasdichte Verbindungen zu Kugellagern erforderlich, wodurch sich ein preiswerter
und funktionssicherer Aufbau ergibt. Außerdem ist sichergestellt, dass keine gepumpten
Medien in die Umwelt gelangen, so dass sich die Scrollpumpe auch zur Förderung aggressiver
Stoffe eignet. Während des Betriebs erfolgt faktisch eine doppelte Abdichtung, da
der Schöpfraum in erster Linie bereits durch die Spiraldichtung 11 abgedichtet ist
und die weitere Abdichtung durch die umlaufenden Dichtungen 14, 15 erfolgt. Die umlaufenden
Dichtungen bestehen vorzugsweise aus dem selben Material wie die Spiraldichtung.
[0027] Bei abgewandelten Ausführungsformen, bei denen z.B. aufgrund der unkritischen zu
fördenden Medien geringer Anforderungen an die Dichtheit gestellt werden, könnte aber
auch auf die separaten umlaufenden Dichtungen verzichtet werden und diese Abdichtung
in herkömmlicher Weise erfolgen.
[0028] Gemäß einer nochmals weitergebildeten Ausführungsform ist die Scrollpumpe mit einer
Gasballastzuführung ausgerüstet. Damit kann während der Verdichtungsphase Umgebungsluft
oder Inertgas zu dem zu fördernden Medium hinzugefügt werden, wodurch die Gefahr einer
unerwünschten Kondensation von Dämpfen in der Pumpe weiter reduziert wird. An die
Gasballastzuführung kann ein geeignetes Einlassventil angeschlossen werden.
[0029] Abwandlungen der hier erläuterten Ausführungsform sind ohne Weiteres möglich. Es
ist jedoch darauf zu achten, dass die vertikale Lage der Antriebswelle und damit die
horizontale Position der Statorscheibe und der Rotorscheibe aufrecht erhalten bleiben,
um die Kondensatabführung zu gewährleisten. Der Auslass ist immer am tiefsten Punkt
des Förderraums anzuordnen, damit das sich dort sammelnde Kondensat auf Grund der
Schwerkraft aus der Pumpe abgeführt werden kann.
Bezugszeichenliste
[0030]
- 1
- Gehäuse
- 2
- Statorscheibe
- 3
- Rotorscheibe
- 4
- Antriebswelle
- 5
- Motor
- 6
- Flanken
- 7
- Förderraum
- 8
- Einlass
- 9
- Auslass
- 10
- Lüfter
- 11
- Spiraldichtung
- 12
- Nut
- 13
- Kanal
- 14
- umlaufende innere Dichtung
- 15
- umlaufende äußere Dichtung
- 16
- Lüfterrad
1. Scrollpumpe zur Förderung von Gasen oder Gas-Kondensat-Gemischen mit einem Einlass
(8), einem Auslass (9), einer feststehenden Statorscheibe (2) und einer oszillierenden
Rotorscheibe (3), die an eine Antriebswelle (4) gekoppelt ist, wobei diese Scheiben
(2, 3) im wesentlichen parallel zueinander liegen und jeweils spiralförmig verlaufende
Flanken (6) tragen, die unter Bildung von veränderlichen Förderräumen (7) ineinander
eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (2, 3) im Betriebszustand im wesentlichen horizontal liegen, dass der
Auslass (9) vom Zentrum der unten liegenden Scheibe ausgeht und so nach außen geführt
ist, dass ggf. anstehendes Kondensat aufgrund der Schwerkraft abfließt.
2. Scrollpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den Auslass (9) kein die druckfreie Abgabe des Gases/Kondensats behinderndes Ausgangsventil
eingeschaltet ist.
3. Scrollpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem freien Ende der spiralförmig verlaufenden Flanken (6) jeweils eine Spiraldichtung
(11) angebracht ist, welche zur Abdichtung der Förderräume (7) an der gegenüberliegenden
Scheibe anliegt.
4. Scrollpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiraldichtung (11) in eine stirnseitige Nut (12) in den Flanken (6) eingelegt
ist und in axialer Richtung geringfügig über die Flanken (6) hinausragt, so dass zwischen
der Spiraldichtung (11) und dem Fuß des benachbarten Flankenabschnitts unter allen
Betriebsbedingungen ein minimaler Kanal (13) verbleibt, der den Abfluss von Kondensat
zum Auslass (9) gestattet.
5. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im zentralen Bereich der Scheiben (2, 3) eine umlaufende innere Dichtung (14) und
an deren äußerem Rand eine umlaufende äußere Dichtung (15) verlaufen, welche den von
den spiralförmig verlaufenden Flanken (6) eingenommenen Raum gegenüber den Lagern
und Gehäuseteilen (1) abdichten.
6. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiraldichtung (11) und/oder die umlaufenden Dichtungen (14, 15) so angeordnet
sind, dass zusätzliche Dichtungen an bewegten Bauteilen zur Abdichtung des Förderraums
(7) nicht erforderlich sind.
7. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (11, 14, 15) als Dichtungsbänder aus Teflon, Graphit und Gummi gestaltet
sind.
8. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) im Betriebszustand im wesentlichen vertikal angeordnet ist,
dass die Rotorscheibe (3) oberhalb der Statorscheibe (2) angeordnet ist und dass die
Antriebswelle einen exzentrischen Endabschnitt besitzt, der die Rotorscheibe (3) in
eine exzentrische Bewegung versetzt.
9. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) einstückig mit der Abtriebswelle eines elektrischen Motors
(5) ausgebildet ist.
10. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (4) weiterhin ein Lüfterrad (16) trägt, welches Kühlluft an die
Scheiben (2, 3) und/oder an den Motor (5) transportiert.
11. Scrollpummpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb der Statorscheibe (2) ein elektrischer Lüfter (10) angeordnet ist, der
Kühlluft an die Statorscheibe (2) bläst.
12. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gasballastzuführung angeordnet ist, über welche dem zu pumpenden Medium Umgebungsluft
oder ein Inertgas beigemischt wird.
13. Scrollpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Förderaum keine mit Schmiermittel behandelten Bauteile angeordnet sind.