Die vorliegende Erfindung strebt
danach, die beschriebenen Probleme zu lösen und besitzt daher die Aufgabe,
eine Vakuumpumpe mit Schieber vorzusehen, die in der Lage ist, die
Kraft zum Betreiben der Pumpe zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe
mit Schieber gelöst,
die die Merkmale der Ansprüche
1 oder 4 enthält.
Bevorzugte Ausführungsformen sind
durch die abhängigen
Ansprüche
definiert.
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
1 ist
eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Vakuumpumpe
mit Schieber gemäß der vorliegenden
Erfindung, wobei der Deckel weggelassen ist;
2 ist
eine vergrößerte schematische Teilansicht
im Querschnitt entlang der Linie II-II aus 1;
3 ist
eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie III-III
aus 1;
4 ist
eine schematische Querschnittsdarstellung entlang der Linie III-III
aus 1, die einen Rotor
im schräg
gestellten Zustand zeigt;
5 ist
eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vakuumpumpe
mit Schieber gemäß der vorliegenden
Erfindung, betrachtet von der Seite des Deckels, wobei der Deckel weggelassen
ist;
6 ist
eine schematische Darstellung der Vakuumpumpe mit Schieber aus 5, betrachtet von der Seite
des Körpers;
7 ist
eine schematische Querschnittsansicht entlang einer Y-Achse in 5;
8 ist
eine schematische Teilansicht im Querschnitt entlang der X-Achse
in 5;
9 ist
eine schematische Teildarstellung einer dritten Ausführungsform
der Vakuumpumpe mit Schieber;
10 ist
eine schematische Teilansicht einer vierten Ausführungsform der Vakuumpumpe mit Schieber;
11 ist
eine schematische Teilansicht einer fünften Ausführungsform der Vakuumpumpe
mit Schieber;
12 ist
ein schematischer Querschnitt der Vakuumpumpe mit Schieber aus 10;
13 ist
eine schematische perspektivische Ansicht der Umgebung einer Auslassöffnung der
Vakuumpumpe mit Schieber aus 10;
14 ist
ein Diagramm, das das Drehmoment einer Pumpe in einem Vergleichsbeispiel
zeigt;
15 ist
ein Diagramm, das das Drehmoment der Pumpe aus 9 darstellt;
16 ist
ein Diagramm, das das Drehmoment der Pumpe aus 10 darstellt;
17 ist
ein Diagramm, das das Drehmoment der Pumpe aus 11 darstellt;
18 ist
ein Diagramm, das das Einfüllverhalten
der Pumpen der Vergleichsbeispiele und der Pumpen aus 9 bis 11 zeigt;
19 ist
eine schematische Querschnittsansicht einer herkömmlichen Vakuumpumpe mit Schieber;
und
20 ist
eine schematische Querschnittsansicht der herkömmlichen Vakuumpumpe mit Schieber
aus 19, wobei ein Rotor
in einem geneigten Zustand dargestellt ist.
Beschreibung
bevorzugter Ausführungsformen
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung werden nachfolgend unter Verweis auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben.
1 bis 4 stellen eine erste Ausführungsform
der Vakuumpumpe mit Schieber dar, die ein Gehäuse 1 enthält. Bezugnehmend
auf 3 ist das Gehäuse 1 aus
einem Körper 11 und
einem Deckel 12 gebildet, und der Deckel 12 ist
an dem Körper 11 befestigt.
Der Körper 11 ist
in einer im wesentlichen ovalen zylindrischen Gestalt geformt, die
an einem Ende, außer
an einer Position, an der ein später
zu beschreibender Lagerabschnitt 16 angeordnet ist, geschlossen
ist und am andere Ende offen ist. Der Deckel 12 schließt das letztere
offene Ende des Körpers 11.
Der Lagerabschnitt 16 ist in der Gestalt einer im wesentlichen
kreisförmigen
Bohrung in einer der Seitenwände
des Gehäuses 1,
die durch eine Referenzziffer 18 bezeichnet ist, in Schubrichtung
(oder in der gleichen Richtung wie der Axialrichtung eines später zu beschreibenden
Rotors 2, die als die Links-Rechts-Richtung auf einer Ebene
der Zeichnung von 3 dargestellt
wird) gebildet. Die Seitenwand 18 ist eine Wand des Körpers 11,
und eine Seitenwand 19 auf der gegenüberliegenden Seite zur Seitenwand 18 in
Schubrichtung ist eine Wand des Deckels 12. Bezugnehmend
auf 1 ist eine Umfangswand 17 des
Gehäuses 1 mit
einer Einlassöffnung 6 und
einer Auslassöffnung 7 versehen,
die jeweils den Innenraum 10 des Gehäuses 1 mit der Umgebung
verbinden.
Im Innenraum 10 des Gehäuses 1 ist
ein Rotor 2 aufgenommen, der eine im wesentlichen zylindrische
Gestalt besitzt. Der Rotor 2 ist drehbar, wobei er durch
das Gehäuse 1 auf
nur einer Seite abgestützt
wird. Mit anderen Worten zeigt die vorhergehende Ausführungsform
eine sogenannte einfach abgestützte
Vakuumpumpe mit Schieber. Insbesondere ist der Rotor 2 an
einem Ende in Schubrichtung (oder Axialrichtung, dargestellt als
Links-Rechts-Richtung der Ebene der Zeichnung von 3) geschlossen, während er am anderen Ende offen
ist. Von einer Endfläche 25 an
der geschlossenen Seite steht eine Rotorwelle 22 vor, und
die Rotorwelle 22 wird drehbar durch den Lagerabschnitt 16 abgestützt. Der
Lagerabschnitt 16 befindet sich in einer exzentrischen
Position relativ zum Zentrum des Innenraums 10 des Gehäuses 1,
so dass der Rotor 2 in der exzentrischen Position relativ
zum Zentrum des Innenraums 10 abgestützt wird, und eine äußere Umfangsseite 27 des
Rotors 2 gelangt in einem Teil näherungsweise in Berührung mit
der inneren Oberfläche
des Gehäuses 1.
Die Rotorwelle 22 enthält einen Ölzufuhrdurchlass 21,
der sich in einer Endfläche 22a der
Rotorwelle 22 in Richtung auf die Umgebung des Gehäuses 1 öffnet und
sich in der äußeren Umfangsseite 22b der
Rotorwelle 22 öffnet.
Schmieröl
wird an den Ölzufuhrdurchlass 21 zugeführt, wie
es durch einen Pfeil B, der in 3 gezeigt
ist, angegeben ist, und das Öl
wird in das Gehäuse 1 über den Ölzufuhrdurchlass 21 und
den Ölkanal 13 zugeführt, die
in dem Lagerabschnitt 16 des Körpers 11 geformt sind, und
weiter an Zwischenräumen
zwischen dem Rotor 2 und der inneren Oberfläche des
Gehäuses 1.
Der Rotor 2 ist mit einem
Schieberschlitz 20 versehen und ein im wesentlichen plattenförmiger Schieber 3 ist
darin eingesetzt. Der Schieber 3 ist ein sogenannter durchgängiger Schieber,
der den Rotor 2 in seiner Durchmesserrichtung durch die
Mitte des Rotors 2 durchdringt, und der in der Durchmesserrichtung
des Rotors 2 gleitet. Wenn sich der Rotor 2 dreht,
wird der Schieber 3 durch Zentrifugalkraft vorgeschoben
und dreht sich zusammen mit dem Rotor 2, wobei auf der
inneren Oberfläche
des Gehäuses 1 gleitet.
Dabei ist der Schieber 3 an jedem seiner beiden Enden in
Längenrichtung
(oder in Durchmesserrichtung des Rotors 2) mit einem Gleitschuh 31 versehen,
um das gleichmäßige Gleiten
des Schiebers 3 zu unterstützen. Zwischen der Endfläche 32 des Schiebers 3 in
Richtung auf die Rotorwelle 22 in Schubrichtung (oder Axialrichtung
des Rotors 2) und der Rotorwelle 22 ist ein Zwischenraum 4 ausgebildet.
Schmieröl,
das an das Gehäuse 1 wie
oben beschrieben zugeführt
wird, wird auch an den Zwischenraum 4 weitergegeben und
unterstützt
den Schieber 3 beim gleichmäßigen Gleiten im Schieberschlitz 20.
Bezugnehmend auf 3 sind ein vorgegebener Zwischenraum 51 zwischen
der Endfläche 25 des
Rotors 2 und der inneren Seitenfläche 8 des Gehäuses 1 und
ein vorgegebener Zwischenraum 52 zwischen der anderen Endfläche 26 und
der anderen inneren Seitenfläche 9 gebildet,
wobei die thermische Dehnung der einzelnen Bauteile berücksichtigt wird.
Dabei stellt jede der inneren Seitenflächen 8 und 9 eine
innere Oberfläche
des Gehäuses 1 dar, auf
der der Schieber 3 in Schubrichtung gleitet. Die innere
Seitenfläche 8 ist
die innere Oberfläche
der Seitenwand 18, und die innere Seitenfläche 9 ist
die innere Oberfläche
der Seitenwand 19. Jede der inneren Seitenflächen 8 und 9 besitzt
eine im wesentlichen ovale Form. Es sind ferner vorgegebene Zwischenräume zwischen
der äußeren Umfangsseite 22b der
Rotorwelle 22 und der inneren Umfangsseite der Seitenwand
des Lagerabschnitts 16 vorgesehen und zwar in einer Position,
in der die äußere Umfangsseite 27 des
Rotors 2 fast in Berührung
mit der inneren Oberfläche
des Gehäuses 1 gelangt.
Die innere Seitenfläche 8 ist
mit einer Ausnehmung 14 für Öl versehen, während die
innere Seitenfläche 9 mit
einer Ausnehmung 15 für Öl versehen ist.
Bezugnehmend auf 2 und 4 wird der Rotor aufgrund
des Unterdrucks schräg
gestellt, der während
der Rotation ausgeübt
wird. Jede der Ausnehmungen 14 und 15 für Öl befindet
sich in der Nähe
einer Position, in der der äußere Rand 23, 24 des schräg gestellten
Rotors 2 teilweise in Berührung mit jeder der inneren
Seitenflächen 8 und 9 gelangt.
Wie es in 1 dargestellt
ist, erstreckt sich jede der Ausnehmungen 14 und 15 für Öl, die eine
vorgegebene Länge
besitzen, im wesentlichen in Tangentialrichtung relativ zum äußeren Umfang
des Rotors 2. Da der Deckel 12 in 1 weggelassen ist, ist die Ausnehmung 15 für Öl, die in
der inneren Seitenfläche 9 gebildet
ist, durch eine Strich-Zweipunkt-Linie bezeichnet.
Bezugnehmend auf 2 und 4 sind
ferner die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl mit den
inneren Seitenflächen 8 und 9 als
reitende Kontaktbereiche auf den äußeren Rändern des Rotors 23 und 24 gestaltet.
Insbesondere ist die Ausnehmung 14 für Öl derart konfiguriert, dass
sie den Kontaktbereich des äußeren Rands 23 zwischen
den Enden 14a und 14b in ihrer Breitenrichtung
umschließt,
während
die Ausnehmung 15 für Öl derart
konstruiert ist, dass sie den Kontaktbereich des äußeren Rands 24 zwischen
den Enden 15a und 15b in ihrer Breitenrichtung
umschließt.
Dabei sind die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl nur in
der Umgebung der Kontaktbereiche zwischen den äußeren Rändern 22, 24 des
Rotors und den inneren Seitenflächen 8 und 9 gebildet,
abgekürzt
ausdrückt
im Teilbereich ausgebildet. Dies dient dazu, die Dichteigenschaften
von jeder der Kammern zu gewährleisten,
die im Innenraum 10 des Gehäuses 1 gebildet werden.
Wenn beispielsweise die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl entlang
des gesamten Umfangs der äußeren Ränder 23, 24 des
Rotors 2 in Form eines Polygons, in Ringform oder ähnlichem gebildet
sind, geht die Dichteigenschaft in jeder der Kammern, die in dem
Innenraum 10 des Gehäuses gebildet
sind, wie z.B. der Expansionskammer 5, beträchtlich
verloren.
Die Arbeitsweise von derart gebildeten
Vakuumpumpen mit Schieber wird nun unten beschrieben. Wenn die Rotorwelle 22 durch
eine nicht dargestellte Nockenwelle eines Motors oder ähnliches
angetrieben wird, dreht sich der Rotor 2 gegen den Uhrzeigersinn
betrachtet in 1 und
der Schieber 3 dreht sich zusammen mit dem Rotor 2 in
einer Richtung des Pfeils A. Dabei verschiebt die Zentrifugalkraft
den Schieber 3 in dem Schieberschlitz 20 entlang
der Durchmessrichtung des Rotors 2 derart, dass ein Ende
des Schiebers 3 aus dem Rotor 2 vorsteht und das
andere Ende sich in den Rotor 2 zurückzieht. Der Schieber 3 dreht
sich, wobei die vorderen Enden der Gleitschuhe 31 auf der
inneren Oberfläche
des Gehäuses 1 gleiten,
und seine Endflächen 32 und 33 in
Schubrichtung auf den inneren Seitenflächen 8 und 9 gleiten.
Entsprechend ändert
sich das Volumen von jeder der Kammern, die durch den Schieber 3 und
den Rotor 2 innerhalb des Innenraums 10 des Gehäuses abgetrennt
werden, so dass Fluid aus der Einlassöffnung 6 angesaugt
wird, expandiert und dann komprimiert wird, und aus der Auslassöffnung 7 ausgegeben
wird.
Wenn andererseits Schmieröl an den Ölzufuhrdurchlass 21 zugeführt wird,
wie es durch einen Pfeil B in 3 angegeben
ist, wird das Öl
in das Gehäuse 1 über den Ölzufuhrdurchlass 21 und
den Ölkanal 13 eingespeist
und verteilt sich in Richtung auf den Rotor 2 und den Schieber 3 und
um den Rotor 2 und den Schieber 3 bei der Rotation
des Rotors 2 und des Schiebers 3. Schmieröl auf den
inneren Seitenflächen 8 und 9 wird
durch das Kreiseln des Schiebers 3 angetrieben und strömt in im
wesentlichen der gleichen Richtung wie der Längenrichtung der Ausnehmungen 14 und 15 für Öl. Entsprechend
strömt das
Schmieröl
problemlos in die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl, um in
der Umgebung der Ausnehmungen 14 und 15 für Öl einen
ausreichenden Ölfilm
zu bilden.
Bei einem Expansionsvorgang, bei
dem angesaugtes Fluid expandiert, wird ein negativer Druck ausgeübt und der
negative Druck zieht den Rotor 2 und bewirkt, dass der
Rotor 2 in Richtung auf die Expansionskammer 5 geneigt
wird, wie es in 4 gezeigt
ist. Entsprechend gelangen die äußeren Ränder 23 und 24 des
Rotors 2 mit den inneren Seitenflächen 8 und 9 jeweils
in Berührung,
trotz der Zwischenräume 51 und 52,
die zwischen der Endfläche 25 des
Rotors 2 und der inneren Seitenfläche 8 und zwischen
der Endfläche 26 und
der inneren Seitenfläche 9 geformt
sind. Da jedoch ein ausreichender Ölfilm in der Umgebung der Kontaktbereiche
durch Schmieröl
gebildet ist, das wie oben beschrieben, an die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl geliefert
wird, gleiten die äußeren Ränder 23 und 24 über den Ölfilm. Daher
wird die Reibung in den Kontaktbereichen verringert und es wird
verhindert, dass sich die Bereiche abnutzen, so dass die Vakuumpumpe
mit Schieber eine erhöhte
Lebensdauer besitzt. Zusätzlich wird
die Reibung verringert und somit die Kraft zum Betreiben der Pumpe
verringert.
Da die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl als auf
den Kontaktbereichen der äußeren Ränder 23 und 24 des
Rotors mit den inneren Seitenflächen 8 und 9 reitend
gestaltet sind, gelangen die äußeren Ränder 23 und 24 in
Berührung
mit dem Schmieröl, das
in den Ausnehmungen 14 und 15 für Öl gespeichert
ist. Daher wird die Reibung weiter verringert und die Abnutzung
der Pumpe weitergehend verhindert, im Vergleich zu einem Fall, in
dem die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl nicht
als auf den Kontaktbereichen der äußeren Rändern 23 und 24 reitend gestaltet
sind. Folglich wird die Kraft zum Betreiben der Pumpe verringert.
Da ferner die Ausnehmungen 14 und 15 für Öl teilweise
auf den inneren Seitenflächen 8 und 9 wie
oben beschrieben geformt sind, werden die Dichteigenschaften nicht
beeinträchtigt.
Die vorliegende Erfindung wurde als
auf eine Vakuumpumpe mit Schieber angewendet beschrieben, deren
Rotor 2 an lediglich einem Ende abgestützt ist. Der Grund dafür liegt
darin, dass eine Schrägstellung
mit größerer Wahrscheinlichkeit
bei einem einfach abgestützten
Rotor auftritt. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auf eine Vakuumpumpe
mit Schieber angewendet werden, die einen doppelt abgestützten Rotor
enthält,
wenn eine Schragstellung eines kreiselnden Rotors einen Kontakt
mit der inneren Oberfläche
des Gehäuses
hervorruft.
Zwar zeigt die bevorzugte Ausführungsform das
Gehäuse 1,
das mit sowohl der Ausnehmung 14 als auch der Ausnehmung 15 für Öl ausgerüstet ist. Es
ist jedoch auch möglich,
auch nur eine der Ausnehmungen 14 und 15 für Öl auszubilden.
Insbesondere kann nur eine Ausnehmung für Öl in der Umgebung von einem
der beiden Kontaktbereiche zwischen dem äußeren Rand 23 des
Rotors und der inneren Seitenfläche 8 oder
zwischen dem äußeren Rand 24 des
Rotors und der inneren Seitenfläche 9 geformt
sein.
Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform
der Vakuumpumpe mit Schieber gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben, die als Vakuumpumpe P1 mit Schieber bezeichnet
wird. Die Beschreibung derjenigen Bauteile, die funktionsgleich zu
denen der ersten Ausführungsform
sind, wird nach Bedarf weggelassen. Bezugnehmend auf 5 bis 8 enthält die Pumpe P1 ein Gehäuse 201,
und das Gehäuse 201 enthält einen
Körper 211 und
einen Deckel 212. Es ist ein Lagerabschnitt 216 gebildet,
der die Gestalt einer im wesentlichen kreisförmigen Bohrung in einer Seitenwand 218 des
Gehäuses 201 in Richtung
auf den Körper 211 besitzt.
Eine Umfangswand 217 des Gehäuses 201 weist einen
im wesentlichen ovalen Querschnitt auf. Bezugnehmend auf 5 ist die Umfangswand 217 mit
einer Einlassöffnung 206 in
einer Position versehen, die mit einer später beschriebenen X-Achse überlappt.
Die Einlassöffnung 206 enthält ein Rückschlagventil,
und eine Ansaugleitung 230 ist daran angebracht.
In dem Innenraum 210 des
Gehäuses 201 ist ein
Rotor 202 aufgenommen, der eine im wesentlichen zylindrische
Gestalt besitzt. Der Rotor 202 ist an einem Ende in der
Schubrichtung (oder Axialrichtung, dargestellt als Links-Rechts-Richtung
in der Ebene der Zeichnung von 7)
geschlossen, während
er am andere Ende offen ist. Von einer Endfläche 225 an der geschlossenen
Seite steht eine Rotorwelle 222 vor, und die Rotorwelle 222 wird
drehbar durch den Lagerabschnitt 216 abgestützt. Der
Rotor 202 wird in einer exzentrischen Position relativ
zum Zentrum des Innenraums 210 abgestützt, und eine äußere Umfangsseite 227 des
Rotors 202 und eine innere Oberfläche der Umfangswand 217 des
Gehäuses 201 kommen
an einem Punkt G, der in 5 dargestellt
ist, am nächsten
aneinander.
Bezugnehmend auf 8 ist die Rotorwelle 222 mit
einem Ölzufuhrdurchlass 221 versehen. Schmieröl wird an
den Ölzufuhrdurchlass 221 zugeführt und
in das Gehäuse 201 über den Ölzufuhrdurchlass 221 und
einen Kanal 213 für Öl, der in
dem Lagerabschnitt 216 geformt ist, abgegeben.
Der Rotor 202 ist mit einem
Schieberschlitz 220 versehen, und ein im wesentlichen plattenförmiger Schieber 203 ist
darin eingesetzt. Der Schieber 203 ist ein sogenannter
durchgängiger
Schieber und ist an jedem seiner beiden Enden in Längenrichtung mit
einem Gleitschuh 231 versehen. Wie darauf in 7 eingegangen ist, ist zwischen
einer Endfläche 232 des
Schiebers 203 und der Rotorwelle 222 ein Zwischenraum 204 gebildet.
Schmieröl
wird auch an den Zwischenraum 204 geliefert.
Bezugnehmend auf die 7 sind jeweils vorgegebene Zwischenräume zwischen
Endflächen 225 und 226 des
Rotors 202 in der Schubrichtung und inneren Seitenflächen 208 und 209 des
Gehäuses 201 geformt.
Dabei stellt jede der inneren Seitenflächen 208 und 209 eine
innere Oberfläche
des Gehäuses 201 dar,
auf der der Schieber 203 in der Schubrichtung gleitet.
Jede der inneren Seitenflächen 208 und 209 besitzt
eine im wesentlichen ovale Gestalt. Bei dieser Beschreibung beinhaltet
eine im wesentlichen ovale Gestalt eine Form, deren äußerer Umfang
eine Kombination aus zwei Parabeln ist. Vorgegebene Zwischenräume werden
ebenfalls zwischen einer äußeren Umfangsseite
der Rotorwelle 222 und einer inneren Oberfläche der
Seitenwand des Lagerabschnitts 216 gebildet, und an einem Punkt
G, an dem sich die äußere Umfangsseite 227 des
Rotors 202 und die innere Oberfläche des Gehäuses 201 am nächsten aneinander
annähern.
Wie am besten in 5 und 6 zu
erkennen ist, ist die innere Seitenfläche 208 mit einer
Auslassöffnung 207 versehen,
um Schmieröl
und Gas abzugeben. Die Auslassöffnung 207 befindet
sich außerhalb
des Rotors 202, so dass sie sich entlang eines äußeren Rands 224 des
Rotors 202 krümmt,
wenn man sie aus der Schubrichtung betrachtet. Dabei kann man sagen,
dass sich die Auslassöffnung 207 entlang
des äußeren Rands 223 krümmt, da
der äußere Rand 224 mit
dem äußeren Rand 223 überlappt,
betrachtet aus der Schubrichtung. Bezugnehmend auf 5 und unter der Annahme einer Linie, die
durch das Zentrum O des Rotors 2p2 und parallel zu einer
längeren
Achse der im wesentlichen ovalen Gestalt der inneren Seitenfläche 208 läuft, als
X-Achse des Rotors 202, und einer Linie, die durch Zentrum
O senkrecht zur X-Achse
läuft,
als Y-Achse des Rotors 202, befindet sich die Auslassöffnung 207 auf einer
gegenüberliegenden
Seite der Einlassöffnung 206 relativ
zur Y-Achse und in Richtung auf den Punkt G von der X-Achse zu (in
einer unteren Seite in 5),
betrachtet aus der Schubrichtung.
Eine Öffnungsebene 207A der
Auslassöffnung 207 in
der inneren Seitenfläche 208 setzt
sich aus einer Hauptöffnungsebene 207a,
die sich entlang der Umfangsrichtung des Rotors 202 erstreckt,
wobei sie eine im wesentlichen gleichmäßige Breite besitzt, und Seitenöffnungsebenen 207b und 207c zusammen,
die jeweils an beiden Enden der Hauptöffnungsebene 207a in
im wesentlichen halbrunden Formen gebildet sind. Dabei bedeutet
die Breite der Öffnungsebene 207A ihre
Länge in
der Durchmesserrichtung des Rotors 202. Bei der Pumpe P1
reicht die Hauptöffnungsebene 207a von
der Linie L1, die aus der Y-Achse um das Zentrum O um 80° in der Richtung
entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors 207 gedreht
ist, zur Linie L2, die um 50° aus der
Y-Achse gedreht ist, betrachtet aus der Schubrichtung. Die Öffnungsfläche der
Auslassöffnung 207 beträgt etwa
68 mm2.
Bezugnehmend auf 6 ist die Auslassöffnung 207 eine Bohrung
durch den Körper 211 von der
inneren Seitenfläche 208 in
der Schubrichtung. Die Öffnungsebene 207B der
Auslassöffnung 207, die
sich nach außen
zur Umgebung der Pumpe P1 öffnet,
ist durch ein Blattventil 236 bedeckt. Das Blattventil 236 beinhaltet
eine dünne
Blattfeder zum Bedecken der Öffnungsebene 207B,
eine Führungsplatte 237,
die die Blattfeder bedeckt, um das Öffnen der Blattfeder zu regulieren,
und eine Schraube 238, um die Blattfeder und die Führungsplatte 237 an
dem Körper 211 zu
befestigen.
Es ist eine Ölleitung 240 in die
Rotorwelle 222 eingesetzt, und eine Kupplung 241 ist
daran angebracht. Die Rotorwelle 222 ist mit einer nicht
dargestellten Nockenwelle eines Motors durch die Kupplung 241 verbunden.
Anschließend wird die Arbeitsweise
der Vakuumpumpe P1 mit Schieber, die derart konstruiert ist, beschrieben.
Wenn die Rotorwelle 222 durch die Nockenwelle angetrieben
wird, kreiselt der Rotor 202 gegen den Uhrzeigersinn betrachtet
in 5, und der Schieber 203 dreht
sich zusammen mit dem Rotor 202. Dabei verschiebt die Zentrifugalkraft
den Schieber 203 in dem Schieberschlitz 220. Der
Schieber 203 kreiselt mit den auf der inneren Oberfläche des
Gehäuses 201 gleitenden
vorderen Enden der Gleitschuhen 231 und seine Endflächen 232 und 233 gleiten
in der Schubrichtung auf den inneren Seitenflächen 208 und 209.
Dies verändert
das Volumen von jeder der Kammern, die durch den Schieber 203 und
den Rotor 202 innerhalb des Innenraums 210 des
Gehäuses
abgetrennt werden, so dass Gas in den Innenraum 210 aus
der Einlassöffnung 206 angesaugt
wird, expandiert und dann komprimiert wird, und aus der Auslassöffnung 207 abgegeben
wird.
Wenn andererseits Schmieröl von der
Nockenwelle an den Ölzufuhrdurchlass 221 durch
die Ölleitung 240 zugeführt wird,
wird das Öl
in das Gehäuse 201 über den Ölzufuhrdurchlass 221 und
den Ölkanal 213 geliefert
und verteilt sich dann und bildet einen Ölfilm bei der Rotation des
Rotors 202 und des Schiebers 203. Der Zwischenraum
zwischen dem Rotor 202 und der inneren Oberfläche des
Gehäuses 201,
einschließlich
des Zwischenraums am Punkt G, und der Zwischenraum zwischen dem
Schieber 203 und der inneren Oberfläche des Gehäuses 201 werden mit
Schmieröl
abgedichtet, so dass die Dichteigenschaft der einzelnen Kammern
in dem Gehäuse 201 sichergestellt
ist.
Wenn bezugnehmend auf 5 der Schieber 203 zur Überlappung
mit der X-Achse gelangt, wird der Innenraum 210 des Gehäuses 201 in
eine Kammer 228, in der die Expansion beginnt, eine Expansionskammer 205,
und eine Kompressionskammer 229 geteilt. Durch den Schieber 203 überstrichenes
und transportiertes Schmieröl
und in der Kompressionskammer 229 gesammeltes Schmieröl wird aus
der Auslassöffnung 207 abgegeben.
Da die Auslassöffnung 207 entlang
des äußeren Rands 223 gekrümmt ist,
insbesondere entlang der Rotationsrichtung des Schiebers 203 oder
der Strömungsrichtung des
Schmieröls,
gelangt Schmieröl
einfach in die Auslassöffnung 207 und
der Ablasswiderstand wird verringert. Entsprechend wird die Kraft
zum Betreiben der Pumpe verringert. Da ferner die Auslassöffnung 207 außerhalb
des Rotors 202 angeordnet ist, wird die abgedichtete Ebene
zwischen der Endfläche 225 des
Rotors 202 und der inneren Seitenfläche 208 (d.h. einer
Ebene, die durch den Ölfilm
gedichtet ist) nicht verkleinert. Entsprechend bleibt die Abdichtung zwischen
der Endfläche 225 und
der inneren Seitenfläche 208 erhalten.
Als nächstes werden dritte bis fünfte Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben, die als Pumpe P2, P3 bzw. P4 bezeichnet werden.
Die Pumpen P2, P3 und P4 unterscheiden sich von der Pumpe P1 lediglich
im Hinblick auf die Positionen der Auslassöffnung 207, und daher
sind funktionsgleiche Bauteile und Elemente wie diejenigen der Pumpe
P1 mit denselben Referenzziffern bezeichnet und deren Beschreibung
weggelassen.
Bezugnehmend auf 9 ist bei der dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, oder der Vakuumpumpe P2 mit Schieber,
eine Auslassöffnung 207 in
Richtung auf einen Punkt G um 15° von der
Position der Auslassöffnung 207 in
der Pumpe P1 versetzt. Mit anderen Worten reicht eine Hauptöffnungsebene 207a der
Auslassöffnung 207 der
Pumpe P2 von der Linie L3, die aus der Y-Achse um das Zentrum O
um 65° in
der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors 207 gedreht
ist, zu einer Linie L4, die um 35° aus
der Y-Achse gedreht ist, betrachtet aus der Schubrichtung. Die Öffnungsfläche der
Auslassöffnung 207 beträgt etwa
68 mm2.
Bezugnehmend auf 10 ist bei der vierten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, oder der Vakuumpumpe P3 mit Schieber,
eine Auslassöffnung 207 in
Richtung auf einen Punkt G um 30° aus der
Position der Auslassöffnung 207 in
der Pumpe P1 versetzt. Mit anderen Worten, reicht eine Hauptöffnungsebene 207a der
Auslassöffnung 207 der
Pumpe P3 von einer Linie L5, die aus der Y-Achse um das Zentrum
O um 50° in
der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors 207 gedreht
ist, zu einer Linie L6, die um 20° aus
der Y-Achse gedreht ist, betrachtet aus der Schubrichtung. Die Öffnungsfläche der
Auslassöffnung 207 beträgt etwa
68 mm2.
Bezugnehmend auf 11 ist bei der fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, oder der Vakuumpumpe P4 mit Schieber, ein Endbereich 207e der
Hauptöffnungsebene 207a weiter
entfernt vom Punkt G in Richtung auf einen Punkt G um 15° im Vergleich
zu einem Gegenstück
der Pumpe P1 versetzt, und der andere Endbereich 207f der
Hauptöffnungsebene 207a näher am Punkt
G ist in Richtung auf den Punkt G um 30° im Vergleich zu einem entsprechenden
Bauteil der Pumpe P1 versetzt. Mit anderen Worten, weist eine Auslassöffnung 207 der Pumpe
P4 eine Hauptöffnungsebene 207a auf,
die von einer Linie L3 reicht, die aus der Y-Achse um das Zentrum
O um 65° in
der Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors 207 gedreht
ist, zur Linie L6, die um 20° bezüglich der
Y-Achse gedreht ist, betrachtet aus der Schubrichtung. Entsprechend ist
eine Öffnungsfläche der
Auslassöffnung 207 etwa 91
mm2, was größer als diejenige der Pumpen
P1, P2 und P3 ist.
Bei den Pumpen P2, P3 und P4 erstreckt sich
ein Teil der Auslassöffnung 207 zur
Umfangswand 217, so dass ein Bereich der Umfangswand 217,
zu dem sich die Auslassöffnung 207 erstreckt, ausgehöhlt wird.
Entsprechend ist ein Bereich 217a, der in 12 dargestellt ist, verdünnt. Wenn
die Umfangswand 217 bis zur äußersten Grenze ausgehöhlt ist,
die noch die Festigkeit des Bereichs 217a bieten kann,
wird der Ablasswiderstand weiter verringert. Da der Körper 211 durch
Aluminiumdruckguss gebildet wird, wird die Auslassöffnung 207 ebenfalls druckgegossen.
Referenzziffer 250 in 12 stellt einen
Endbereich der Nockenwelle dar.
Es werden nun Testergebnisse der
Pumpen P2, P3 und P4, die derart angeordnet sind, beschrieben. 14 ist ein Diagramm, das
das Drehmoment eines Vergleichsbeispiels zeigt, während 15, 16 und 17 Diagramme
sind, die die Drehmomente der Pumpen P2, P3 bzw. P4 zeigen. Bezugnehmend
auf 5 ist das Vergleichsbeispiel
ein Fall, bei dem die Pumpe mit einer zweiten Auslassöffnung 235 in
der Umfangswand 217 zusätzlich
zur Auslassöffnung 207 versehen
ist. Die Pumpen P2, P3 und P4 sind nicht mit irgendwelchen anderen
Auslassöffnungen als
der Auslassöffnung 207 versehen.
Es ist ein Ziel der Untersuchung, ein Drehmoment von 0,76 Nm oder
weniger bei einer Rotationsrate von 2000 rpm zu erreichen.
Wie aus 14 bis 17 zu
erkennen ist, beträgt
das Drehmoment etwa 1,8 Nm bei einer Rotationsfrequenz von 2000
rpm bei einer Pumpe des Vergleichsbeispiels, ist jedoch auf etwa
1 Nm bei den Pumpen P2 und P4 verringert. Die Pumpe P3 senkt das
Drehmoment weiter auf etwa 0,8 Nm ab, was nahezu das Ziel der Untersuchung
erreicht. Das bedeutet, dass es sich herausstellt, dass die Position
der Auslassöffnung 207 bei
der Pumpe P3 bezüglich
der Verkleinerung des Drehmoments am meisten wünschenswert ist.
Der Grund, warum das Drehmoment des Vergleichsbeispiels
größer als
dasjenige der anderen Pumpen ist, wird wie folgt vermutet: Die Auslassöffnung 207 liegt
nahe an der X-Achse im Vergleichsbeispiel. Somit öffnet sich
ein Ende der Auslassöffnung 207 in
Richtung auf die X-Achse
in der Expansionskammer 205 und Druck leckt aus der Auslassöffnung 207 zur
Expansionskammer 205 aus, ehe der Schieber 203 Schmieröl abgibt,
das in der Kompressionskammer 229 gesammelt ist. Dies erhöht die Druckdifferenz
zwischen der Expansionskammer 205 und der Kammer 228.
Es wird vermutet, dass das Drehmoment
der Pumpe P3 kleiner als diejenigen der anderen Pumpen ist, da die
Auslassöffnung 207 von
der X-Achse beabstandet ist und somit Druck nicht zur Expansionskammer 205 ausleckt,
da das Ende der Auslassöffnung 207 sich
nicht in die Expansionskammer 205 öffnet, bis Schmieröl vollständig abgegeben
ist.
Es wird vermutet, dass das Drehmoment
der Pumpen P2 und P4 zwischen dem Vergleichsbeispiel und dem der
Pumpe P3 liegt, da das Ende der Auslassöffnung 207 in Richtung
auf die X-Achse der Pumpen P2 und P4 zwischen denjenigen des Vergleichsbeispiels
und der Pumpe P3 liegt.
18 ist
ein Diagramm, das das Füllverhalten
der einzelnen Pumpen zeigt, wobei die Linie (1) das Füllverhalten
des Vergleichsbeispiels zeigt, Linie (2) das Füllverhalten
der Pumpe P2 zeigt, Linie (3) das Füllverhalten der Pumpe P3 zeigt
und Linie (4) das Füllverhalten
der Pumpe P4 zeigt. Das Ziel ist es, eine Ziellinie zu übertreffen. 18 zeigt, dass alle Pumpen
das Ziel erreichen.
Aus den vorher beschriebenen Ergebnissen ist
zu erkennen, dass das Drehmoment umso geringer ist, je näher die
Auslassöffnung 207 am
Punkt G liegt. Wenn die Hauptöffnungsebene 207a jedoch
näher an
den Punkt G als die Linie L6 gebracht wird, verschlechtert sich
die Dichteigenschaft am Punkt G, Druck leckt in die Kammer 228 und
somit verringert sich die Pumpenleistung. Entsprechend ist das Gebiet
der Hauptöffnungsebene 207a wünschenswerter Weise
bis zur Linie L6 begrenzt. Im Hinblick auf das Verhindern eines
Drucklecks zur Expansionskammer 205 ist es wünschenswert,
dass der Bereich der Hauptöffnungsebene 207a näher am Punkt
G als die Linie L3 liegt. Mit anderen Worten ist es wünschenswert,
dass die Hauptöffnungsebene 207a in
einem Bereich von der Linie L3 zur Linie L6 liegt. Es ist weiter
wünschenswert,
dass die Hauptöffnungsebene 207a in
einem Bereich zwischen der Linie L5 und der Linie L6 liegt, wie
bei der Pumpe P3.
Die Pumpen P1 bis P4 können Vakuumpumpen
mit Schieber sein, die einen sogenannten doppelt abgestützten Rotor
besitzen.
Ferner sollte die Gestalt der Auslassöffnung 207 nicht
auf die oben beschriebene Gestalt eingeschränkt sein. Insbesondere kann
die Auslassöffnung 207 in
eine Gestalt gebildet sein, die sich nicht entlang des äußeren Rands 223 krümmt, oder
in eine Gestalt, die sich überhaupt
nicht krümmt.
Das bedeutet, dass die Erfindung
nicht auf die hier beschriebenen Ausführungsformen eingeschränkt ist.
Alle Modifikationen innerhalb der beigefügten Ansprüche und Äquivalente dazu sollen im Rahmen
der Ansprüche
enthalten sein.
Bei der Vakuumpumpe mit Schieber
der vorliegenden Erfindung sind die inneren Seitenflächen des
Gehäuses
in der Schubrichtung in der Nähe
von zumindest einem der Kontaktbereiche, wo äußere Ränder des Rotors mit den inneren
Seitenflächen aufgrund
der Neigung des kreiselnden Rotors in Berührung gelangen, mit einer Ausnehmung
für Öl versehen,
die sich im wesentlichen in Tangentialrichtung relativ zum Umfang
des Rotors erstreckt. Schmieröl wird
einfach an die Ausnehmung für Öl aufgrund
der Drehbewegung des Schiebers geliefert, so dass ein ausreichender Ölfilm im
Kontaktbereich gebildet wird, der hohem Druck unterliegt. Durch
die verringerte Reibung im Kontaktbereich wird die Kraft zum Betreiben
der Pumpe verringert. Da zusätzlich
verhindert wird, dass sich die Pumpe abnutzt, erhält die Pumpe
eine verlängerte
Lebensdauer. Ferner sind die Zwischenräume zwischen den Endflächen des Rotors
und den inneren Seitenflächen
des Gehäuses mit
dem Ölfilm
abgedichtet, der durch zugeführtes Schmieröl gebildet
wird, so dass die Dichteigenschaft in den einzelnen Kammern innerhalb
der Pumpe sichergestellt ist.
Wenn jeder der Kontaktbereiche in
seiner Umgebung mit der Ausnehmung für Öl versehen ist, wird ein ausreichender Ölfilm in
jedem der Kontaktbereiche gebildet. Mit verringerter Reibung in
jedem der Kontaktbereiche wird die Kraft zum Antreiben der Pumpe
weiter verringert. Da die Abnutzung verhindert wird, wird ferner
die Lebensdauer der Pumpe weiter erhöht.
Wenn jede der Ausnehmungen für Öl derart konstruiert
ist, dass sie auf dem Kontaktbereich des Außenrands des Rotors reitet,
der mit der inneren Seitenfläche
des Gehäuses
in Berührung
ist, gelangt der Außenrand
in Kontakt mit Schmieröl,
das in der Ausnehmung für Öl gespeichert
ist. Folglich wird die Reibung weiter verringert und die Kraft zum
Betreiben der Pumpe verringert. Ferner wird eine Abnutzung der Pumpe
verhindert, so dass der Pumpe eine noch weiter erhöhte Lebensdauer
gegeben wird.
Ferner ist die Vakuumpumpe mit Schieber der
vorliegenden Erfindung in einer ihrer inneren Seitenflächen mit
einer Auslassöffnung
versehen, um Schmieröl
und Gas abzugeben, und die Auslassöffnung befindet sich außerhalb
des Rotors betrachtet aus der Schubrichtung, und näher an einem
Punkt G, an dem der Rotor und das Gehäuse sich am nächsten aneinander
annähern,
als die X-Achse des Rotors. Diese Anordnung verkleinert die abgedichtete Ebene
zwischen der Endfläche
des Rotors und der inneren Seitenfläche des Gehäuses nicht, wodurch die Dichteigenschaft
aufrechterhalten wird. Da sich die Auslassöffnung in Richtung auf den
Punkt G befindet, wird die Kraft zum Betreiben der Pumpe verringert.
Einer der möglichen
Faktoren, welcher die Kraftverringerung unterstützt, ist eine Verringerung des
Druckverlusts zur Expansionskammer.
Wenn sich die Auslassöffnung außerhalb des
Rotors in gekrümmter
Weise entlang des äußeren Rands
des Rotors betrachtet aus der Schubrichtung befindet, strömt Schmieröl einfach
in die Auslassöffnung,
da die Auslassöffnung
entlang der Strömungsrichtung
des Schmieröls
gekrümmt
ist. Folglich wird der Ablasswiderstand verringert und die Kraft
zum Betreiben der Pumpe verringert.
Durch Anordnen der Hauptöffnungsebene der
Auslassöffnung
innerhalb eines Bereich zwischen einer Linie, die bezüglich der
Y-Achse um 65° in
einer Richtung entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Rotors
gedreht ist, und einer Linie, die um 20° gedreht ist, wird der Druckverlust
zur Expansionskammer aus der Auslassöffnung verringert und somit
die Kraft zum Betreiben der Pumpe verringert. Ferner wird die Dichteigenschaft
am Punkt G beibehalten, da die Auslassöffnung in einem gewissen Ausmaß vom Punkt
G beabstandet ist, an dem der Rotor und das Gehäuse sich am weitesten aneinander
annähern.
Durch Positionieren der Hauptöffnungsebene
derart, dass sie von einer Linie, die um 50° aus der Y-Achse in der Richtung
entgegengesetzt zur Rotationsrichtung des Motors gedreht ist, zu
einer Linie, die um 20° aus
der Y-Achse gedreht ist, reicht, wird ferner die Kraft zum Betreiben
der Pumpe weiter verringert, während
die Dichteigenschaften am Punkt G beibehalten werden.
Die Ausführungsbeispiele sind nicht
als Einschränkung
der Erfindung zu verstehen. Vielmehr sind im Rahmen der vorliegenden
Offenbarung zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich, insbesondere
solche Varianten, Elemente und Kombinationen und/oder Materialien,
die zum Beispiel durch Kombination oder Abwandlung von einzelnen in
Verbindung mit den in der allgemeinen Beschreibung und Ausführungsformen
sowie den Ansprüchen beschriebenen
und in den Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder
Verfahrensschritten für
den Fachmann im Hinblick auf die Lösung der Aufgabe entnehmbar
sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand
oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch
soweit sie Herstell-, Prüf-
und Arbeitsverfahren betreffen.