CN109642574B - 干压缩式真空泵 - Google Patents

Abstract

一种干压缩式真空泵，特别是螺杆泵，具有两个转子元件(14)，两个转子元件(14)设置在泵室(12)中并且分别由转子轴(22)承载。转子轴(22)的两个轴端突出通过泵壳体(10)的侧壁(28)。在两个轴端(28)上分别设置有一个齿形皮带轮(38)。而且，设置有用于驱动转子轴(22)的驱动装置和电机。根据本发明，转子轴(22)通过齿形皮带(40)来驱动。为了能够将齿形皮带用于驱动目的，在所述两个转子元件(14)之间设置了大于±0.75°的转动侧向间隙，特别是大于±1°的转动侧向间隙。

Description

干压缩式真空泵

【技术领域】

本发明涉及一种干运行式真空泵，特别是涉及一种螺杆泵。

【背景技术】

干压缩式真空泵，诸如，例如螺杆泵，包括设置在吸入室中的两个转子元件。对于螺杆泵，转子元件形成为螺旋位移元件。每个转子元件由转子轴支撑。对于螺杆泵，两个转子元件均设置在由泵壳体形成的吸入室内。两个转子轴均延伸通过限定出吸入室的壳体壁。齿轮与两个转子轴连接。对于螺杆泵，这两个齿轮彼此啮合。因此，一方面，使在相反方向上旋转的两个轴同步；另一方面，驱动了这两个轴。通过设置两个啮合的齿轮，只需要驱动这两个轴中的一个轴。为了实现有效的压缩过程和良好的容积效率，在要求非常精确的同步的转子之间需要狭窄的间隙。通常，可允许在转子之间有±0.25的最大同步误差或圆周侧隙。对于市场上的干压缩式真空泵，这可以通过在轴端上设置啮合齿轮来实现。由于所需的精度和小的容许公差，因此成本较高。

进一步地，当设置用于同步的啮合齿轮时，需要提供油润滑。因此，在轴端延伸通过的壳体壁中需要复杂而繁琐的密封。

这两个转子轴的电子同步也是已知的。然而，这同样也是复杂且高成本的。通常，提供电机作为用于驱动转子轴的驱动装置。为了增加真空泵的转速，驱动装置可以与变频器连接。这也是成本较高的部件。可能地，提供中间齿轮，中间齿轮也必须进行油润滑。

进一步地，例如，从DE 38 23 927中可以知道，通过齿形皮带使螺杆泵的两个转子轴同步。然而，对应的产品在技术上没有实现，也没有在市场上提供过。为了构造通过皮带驱动器驱动的螺杆泵，利用这种泵在对抗大气抽吸时可以实现至少200mbar绝对压力的真空，对应地，在螺杆形转子元件之间必须实现较小同步误差。在使用齿形皮带的情况下，只有当由齿形皮带驱动的齿轮或齿形皮带轮具有非常小的齿隙间隙时，这才是可能的。根据ISO13050，这小于0.1mm或小于0.2mm，取决于剖面。可替代地，对于齿轮，必须提供通常为0.2mm至0.4mm的较大有效直径。这会导致强制齿距误差，从而影响同步。然而，提供较大有效直径显著缩短了所使用的齿形皮带的使用寿命。这在市场上的干压缩式真空泵中是不被接受的。

本发明的目的在于提供一种干压缩式真空泵，该干压缩式真空泵由齿形皮带驱动并且不具有上述缺点。

【发明内容】

根据本发明，该目的利用以下特征来实现。

该干压缩式真空泵包括由泵壳体形成的吸入室。在吸入室中设置有两个转子元件，真空泵特别地为螺杆泵。每个转子元件由转子轴支撑。这两个转子元件延伸通过限定吸入室的壳体壁，使得每个转子轴的一个轴端从吸入室延伸出来。在这两个轴端上分别设置有一个齿形皮带轮。由于这两个转子轴通过齿形皮带来驱动，所以这两个齿形皮带轮不会彼此啮合。进一步地，设置诸如电机等的驱动装置。这里，皮带轮特别地设置在电机的驱动轴上。齿形皮带与两个齿形皮带轮和驱动装置(特别是驱动装置的皮带轮)连接。为了提供用于驱动两个转子轴的齿形皮带，根据本发明在两个转子元件之间设置大于±0.75°的圆周侧隙，特别是大于±1°的圆周侧隙。仅由于提供了这种较大的圆周侧隙，所以可以使用齿形皮带。

虽然圆周侧隙较大，为了在对抗大气而压缩时能够实现特别是小于200mbar绝对压力的高真空，优选对压缩级，即转子轴上设置的位移元件，进行特殊设计，其中，当然，位移元件可以与转子轴一体形成。

由于本发明允许的圆周侧隙较大，所以特别地在吸入侧的压缩元件(即在泵入口下游的压缩元件)处发生相对高的回流。

对于螺距在输送方向上可变的螺杆型转子，由于该处存在的位移元件的螺圈的螺距较大，所以入口区域中的剖面啮合间隙对最大容许同步误差起决定性作用。即使是较小的角度偏差也会导致吸入侧位移元件中的不期望的侧面接触。为了避免这种情况，必须选择较大的圆周侧隙。虽然由此产生的间隙较大，为了实现泵的良好容积效率，优选地，增加在入口区中具有较大螺距和较大剖面间隙的螺圈的数量。特别地，在该区域中优选地设置两个或三个螺圈。附加地或作为替代方案，也可以增加出口区域中(即压力侧上)的螺圈的数量。这造成入口区域中的压力梯度较小，并且因此也造成了回流减少。在出口区域中，螺圈具有较小螺距。

进一步地，在可替代的优选实施例中，两个螺杆转子可以具有多个转子或位移元件或位移级。优选地，设置至少两个位移元件或位移级。这种真空泵螺杆型转子优选地包括设置在转子轴上的至少两个螺旋位移元件。该至少两个位移元件优选地具有不同的螺距，螺距对于相应位移元件而言是恒定的。例如，真空泵螺杆转子包括两个位移元件，其中，吸入侧的第一位移元件具有较大的恒定螺距，而压力侧的第二位移元件具有较小的恒定螺距。由于优选地设置了分别具有恒定螺距的多个位移元件，因此显著地便于制造。

优选地，每个位移元件具有至少一个螺旋凹口，该至少一个螺旋凹口具有沿其长度的相同的轮廓。优选地，各个位移元件的轮廓不同。各个独立的位移元件优选地具有恒定的螺距和不变的轮廓。这显著地便于制造，从而可以极大地降低制造成本。

为了进一步提高吸入能力，吸入侧位移元件(即，特别地，从抽吸方向上看的第一位移元件)的轮廓在形状上是不对称的。由于轮廓或剖面的非对称设计，侧面可以设计为优选地使泄露表面(所谓的气孔)完全消除或至少具有减小的横截面。特别合适的非对称剖面是所谓的“昆比剖面(Quimby profile)”。这种剖面可能相对难以生产，但是具有不存在连续的气孔的优点。只有在两个相邻的腔室之间才存在短路。由于这种剖面是具有不同的剖面侧面的非对称剖面，所以对于制造而言需要至少两个工作步骤，这是因为，由于它们的不对称性，必须在不同工作步骤中制造这两个侧面。

压力侧位移元件，特别是泵浦方向上的最后的位移元件，优选地具有对称轮廓。特别地，对称轮廓的优势在于使制造更简单。具体地，可以在一个工作步骤中利用旋转端铣刀或旋转圆盘铣刀生产具有对称轮廓的两个侧面。这种对称剖面只具有小气孔，但是，这些小气孔是连续的，即不仅仅设置在两个相邻的腔室之间。当螺距减小时，气孔的大小减小。在此方面，这种对称剖面可以特别地设置有压力侧位移元件，这是由于，在优选实施例中，压力侧位移元件的螺距小于吸入侧位移元件的螺距，并且优选地，也小于在吸入侧位移元件与压力侧位移元件之间的位移元件的螺距。虽然这种对称剖面稍微松弛，但是这些对称剖面的优势是使制造显著地更简单。具体地，可以在单个工作步骤中生产对称剖面，并且优选地利用简单的端铣刀或圆盘铣刀。这极大地降低了成本。特别合适的对称剖面是所谓的“摆线剖面(cycloid profile)”。

设置至少两个这种位移元件造成对应的螺杆真空泵能够以低功耗产生低入口压力。进一步地，热负载也很低。在真空泵中设置以优选方式设计的具有恒定螺距和不变轮廓的至少两个位移元件会产生与利用具有变化的螺距的真空泵获得的结果基本相同的结果。在高内置容积比的情况下，每个转子可以设置三个或四个位移元件。

在特别优选的实施例中，压力侧位移元件(即，特别是在泵浦方向上的最后的位移元件)具有大量的螺圈以减小可获得的入口压力和/或减少功耗和/或热负载。通过大量的螺圈，在保持相同性能的同时，可以接受在螺杆型转子与壳体之间的较大间隙。这里，间隙可以具有0.05mm至0.3mm的冷间隙宽度。可以以经济的方式产生大量的出口螺圈或大量的在压力侧位移元件中的螺圈，因为该位移元件具有恒定螺距并且特别地还具有对称轮廓。这实现了简单且经济的制造，从而可以接受设置更多数量的螺圈。优选地，该压力侧位移元件或最后的位移元件具有多于6个(特别是多于8个，并且特别优选地多于10个)螺圈。在特别优选实施例中，使用对称剖面的优势在于可以使用铣刀同时切割剖面的两个侧面。这里，铣刀也由相应的相反的侧面支撑，从而避免了铣刀在铣削操作期间的变形或弯曲以及由此引起的不精确。

为了进一步减少制造成本，特别优选地将位移元件和转子轴形成为一个零件。

在另一优选实施例中，相邻位移元件之间的螺距变化是非连续的或不规则的。可能地，两个位移元件在纵向方向上彼此间隔一定距离设置，从而在两个位移元件之间形成周向的圆柱圆环形腔室以作为工具出口。这对于一体形成的转子特别有利，因为在该区域中可以以简单的方式将产生螺旋线的工具引出。如果位移元件是独立制造并随后安装在轴上，那么不需要设置工具出口，特别是这种圆柱形区域。

在本发明的优选发展中，在两个相邻位移元件之间的螺距变化处没有设置工具出口。在螺距变化的区域中，优选地，两个侧面具有间断或凹口以用于导出工具。由于该间断或凹口是局部非常有限的，因此该间断对泵的压缩性能没有决定性影响。

真空泵螺杆转子优选地包括多个位移元件。这些位移元件可以分别具有相同或不同的直径。在此方面，优选地，压力侧位移元件的直径小于吸入侧位移元件的直径。

对于转子轴的独立制造的位移元件，这些位移元件例如通过压合安装在轴上。在此方面，优选地设置诸如定位销等元件以使位移元件的角度位置相对于彼此固定。

特别地，不仅在螺杆型转子的一体设计的情况下，而且还在多部件设计的情况下，优选地，由铝或铝合金制成转子。特别优选地，由铝或铝合金(特别是AlSi9Mg或AlSi17Cu4Mg)制成转子。优选地，合金具有优选大于9％，特别是大于15％的高比例硅，以便减小膨胀系数。

在本发明的另一优选发展中，用于转子的铝具有低膨胀系数。优选地，材料的膨胀系数小于22·10^-6/K，特别是小于20·10^-6/K。在另一优选实施例中，对位移元件的表面进行涂覆，其中，特别地，设置抗磨损和/防腐蚀的涂层。在此方面，优选地，设置阳极涂层或另一种合适的涂层，这取决于应用。

真空泵具有至少两个压缩级。

进一步，优选地，对于本发明的干压缩式真空泵，真空泵的最大容积效率为至少75％，特别是至少85％。容积效率是无损失泵中实际获得的最大容积流量理论上可能的容积流量相对于吸入室几何形状和运行速度的商。最大容积效率通常达到1mbar至10mbar的范围。

所使用的齿形皮带优选地不仅用于驱动，而且还用于使转子轴同步。对于螺杆泵，转子轴在相反方向上旋转。因此，在优选实施例中，将齿形皮带被设计为双面齿形皮带。因此，在俯视平面图中，齿形皮带优选地在与轴端连接的两个齿形皮带轮之间延伸。

在包括上述转子的优选实施例中，可以接受两个齿形皮带轮的齿隙间隙大于0.10mm。这里，齿隙间隙由所使用的齿形皮带轮的齿形以及齿形皮带的齿的齿形和大小的组合来限定。由于齿隙间隙相对较大，所以显著地延长了齿形皮带的使用寿命。

为了进一步延长齿形皮带的使用寿命，进一步优选地，不增大有效直径，因此不会出现强制齿距误差。

特别地，设置用于驱动两个转子轴和使两个转子轴同步的齿形皮带具有不必提供油润滑的优点。这样做的特别优势在于：可以以明显更经济的方式来设计轴端相对于吸入室的密封。此外，可以使用油脂来润滑滚珠轴承。特别地，两个轴支撑在轴端所穿过的壳体壁中，其中，这些轴承可以是油脂润滑的轴承。在入口侧区域中支撑的相反的轴端优选地支撑在油脂润滑的轴承中，但是也可以使用油润滑的轴承。

进一步地，可以设置皮带张紧装置以不断地保持皮带拉紧。优选地，这是一种自动张紧装置，其中，例如通过弹簧等来产生张力，或者在组装期间施加固定偏置。同样，可以通过配置驱动马达使其可移动来张紧皮带。

根据本发明的齿形皮带驱动器的另一个优点是可以以简单的方式改变真空泵速度。出于这个目的，仅仅需要更换与驱动装置连接的齿形皮带轮。在更换齿形皮带轮时，根据需要，也必须更换齿形皮带。

【附图说明】

下面将参照优选实施例和附图对本发明进行详细说明。

在各图中：

图1是螺杆型真空泵的示意性纵向截面；

图2是真空泵的驱动的示意图；

图3是具有齿隙的齿形皮带和齿形皮带盘的组合的示意图；

图4是没有齿隙的齿形皮带和齿形皮带盘的组合的示意图；

图5是真空泵螺杆型转子的第一优选实施例的示意性俯视平面图；

图6是真空泵螺杆型转子的第二优选实施例的示意性俯视平面图；

图7是具有非对称剖面的位移元件的示意性截面图；以及

图8是具有非对称剖面的位移元件的示意性截面图。

【具体实施方式】

图1是泵壳体10的非常简化的示意图。在泵壳体10内部形成有吸入室，在该室中设置有两个转子元件14。在图示的实施例中，转子元件14是螺杆型转子。螺杆型转子14具有彼此啮合的螺旋压缩元件。两个螺杆型转子14在相反方向上进行驱动。在图示的实施例中，这两个螺杆型转子14具有两个泵级16、18。

这两个转子元件分别设置在转子轴22上。在吸入侧上，两个转子轴22经由轴承元件26支撑在壳体盖24中。在相反一侧上，轴端28延伸通过壳体壁30。两个转子轴22通过油脂润滑的轴承32支撑在壳体壁30中。

干压缩式真空泵将介质通过入口34运输至出口36。

为了驱动这两个转子元件14，两个轴端28分别连接有相应的齿形皮带轮38，其中，这两个齿形皮带轮38不会彼此啮合。经由图1中未示出的齿形皮带40(图2)实现同步。齿形皮带设计为双面齿形皮带，并且在这两个齿形皮带轮之间通过以便使两个齿形皮带轮38或与齿形皮带轮连接的两个轴端28同步。进一步地，设置了驱动装置42，驱动装置42的驱动轴44与齿形皮带盘46连接。

图3示意性地图示了与齿形皮带40连接的齿形皮带盘38或46的齿。齿形皮带40的齿48设计为使阴影线所示的间隙与齿形皮带轮38的两个相邻齿52的齿隙50相对地形成。因此，在齿形皮带40与齿形皮带轮38之间存在一定游隙。两个转子轴22的同步可能因此受到一定程度的影响，但是延长了齿形皮带48的使用寿命。

作为替代方案，可以设置齿形皮带，如图4所示意性示出的。该图示出了在皮带40的齿隙50和齿48之间没有距离，这被称为零间隙。

在真空泵螺杆型转子的第一优选实施例(图5)中，转子具有形成两个泵级16、18的两个位移元件110、112。吸入侧的第一位移元件110具有大约50mm至150mm/转的较大螺距。整个位移元件110的螺距是恒定的。螺旋凹口的轮廓也是恒定的。压力侧的第二位移元件112在其长度上也具有恒定的螺距和恒定的凹口轮廓。压力侧位移元件112的螺距优选地在10mm至30mm/转的范围内。在这两个位移元件之间设置有环形的圆柱形凹口114。由于图5所示的螺杆型转子的一体设计，这同样用于实现工具出口。

进一步地，一体形成的螺杆型转子具有两个轴承座116和轴端118。例如，齿轮与轴端118连接以用于进行驱动。

在图6所示的第二优选实施例中，两个位移元件110、112是单独地制造的，并且然后例如通过压紧而固定到转子轴120上。这种制造方式可能稍微复杂一些，但是不需要将两个相邻位移元件110、112之间的圆柱距离114作为工具出口。轴承座116和轴端118可以是轴120的组成部分。连续的轴120也可以由不同于位移元件110、120的材料的另一种材料制成。

图7图示了非对称剖面(例如昆比剖面)的示意性截面图。图示的非对称剖面是所谓的“昆比剖面”。该截面图示出了彼此啮合的两个螺杆型转子，它们的纵向方向垂直于绘图平面。转子的相反方向的旋转用两个箭头115表示。参照垂直于位移元件的纵向轴线的平面117，每个转子的侧面119和121的剖面设计不同。因此，相反的侧面119、121必须单独制造。因此，制造稍微复杂一些，但是其优点是不存在连续气孔并且仅在两个相邻腔室之间存在短路。

这种非对称剖面优选地设置在吸入侧位移元件110中。

图8中的示意性截面图再次示出了在相反方向(箭头115)上旋转的两个位移元件或两个螺杆型转子的横截面。参照对称轴117，各个位移元件的侧面123是对称设计的。图8所示的对称设计的轮廓的优选实施例是摆线剖面。

如图8所示的对称剖面优选地设置在压力侧位移元件112中。

进一步地，可以设置多于两个的位移元件。这些位移元件也可以具有不同的头部直径和对应的底部直径。在此方面，优选地，在入口处，即在吸入侧，设置具有较大头部直径的位移元件，以便在该区域中实现较高吸入能力和/或增加内置容积比。进一步地，上述实施例的组合也是可能的。例如，一个或多个位移元件可以与轴一体制造，或者附加的位移元件可以与轴独立制造并且然后可以安装在轴上。

Claims (12)

1.一种干压缩式真空泵，其包括：

两个转子元件，所述两个转子元件设置在吸入室中；

两个转子轴，其分别支撑一个转子元件；

两个齿形皮带轮，其分别设置在从所述吸入室延伸的一个轴端上；

驱动所述转子轴的驱动装置；以及

齿形皮带，所述齿形皮带与所述驱动装置和所述齿形皮带轮连接，

其特征在于

在所述两个转子元件之间设置大于±0.75°的圆周侧隙，

所述齿形皮带用于驱动所述转子轴并且使所述转子轴同步。

2.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，在所述两个转子元件之间设置大于±1°的圆周侧隙。

3.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述真空泵在1mbar与10mbar之间的操作点处的最大容积效率为至少75％。

4.根据权利要求3所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述真空泵在1mbar与10mbar之间的操作点处的最大容积效率为至少85％。

5.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，为了使在相反方向上旋转的转子轴同步，所述齿形皮带被设计为双面齿形皮带。

6.根据权利要求5所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述齿形皮带在所述两个齿形皮带轮之间延伸。

7.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述两个齿形皮带轮的齿隙间隙大于0.15mm。

8.根据权利要求7所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述两个齿形皮带轮的齿隙间隙大于0.2mm。

9.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述转子轴由油脂润滑的轴承支撑。

10.根据权利要求9所述的干压缩式真空泵，其特征在于，在壳体壁中为每个转子轴设置一个轴承,所述轴端穿过所述壳体壁。

11.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，所述真空泵对抗大气进行压缩并且产生至少200mbar绝对真空。

12.根据权利要求1所述的干压缩式真空泵，其特征在于，在壳体壁上设置皮带张紧装置。

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