DE102006004525A1

DE102006004525A1 - Wälzkolben-Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE102006004525A1
Application number: DE200610004525
Authority: DE
Inventors: Dirk Schiller
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-02
Also published as: WO2007088103A1

Abstract

Eine Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) weist zwei um parallele Rotationsachsen (14, 15) rotierende Rotationskolben (16, 17) auf. Ein Gehäuse (12) schließt einen Schöpfraum (11) ein und weist eine Gas-Einlassöffnung (30) und eine gegenüberliegende Gas-Auslassöffnung (40) auf. Die Einlassöffnung (30) und die Auslassöffnung (40) werden jeweils von Steuerkanten (50, 51, 52, 53) begrenzt, die in einem Einlasswinkel (alpha1) bzw. in einem Auslasswinkel (alpha2) zu einer Rotationsachsenebene (58) stehen. Der Einlasswinkel (alpha1) ist größer als der Auslasswinkel (alpha2). Hierdurch wird einerseits ein guter Füllgrad der wandernden Pumpkammer (26) erzielt und durch das späte Öffnen die Rückströmverluste gering gehalten. Hierdurch wird insgesamt der volumetrische Wirkungsgrad der Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) verbessert.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wälzkolben-Vakuumpumpe mit zwei um parallele Rotationsachsen rotierenden Rotationskolben.

Wälzkolben-Vakuumpumpen, auch Rootspumpen genannt, weisen ein einen Schöpfraum einschließendes Gehäuse auf, in dem zwei Rotationskolben aufeinander abwälzen und berührungsfrei gegenüber dem Gehäuse rotieren. Derartige Wälzkolben-Vakuumpumpen sind beispielsweise bekannt aus der CH-A-389817. Der volumetrische Wirkungsgrad herkömmlicher Wälzkolben- Vakuumpumpen liegt bei unter 70% und wird im Wesentlichen durch zwei Effekte negativ beeinflusst:
Insbesondere bei hohen Drehzahlen wird wegen der kurzen Öffnungszeit der Gas-Einlassöffnung der Schöpfraum bzw. die Pumpkammer saugseitig nicht vollständig gefüllt. Der Füllgrad heutiger Wälzkolben-Vakuumpumpen liegt bei 75–80%. Unter Füllgrad wir der massenbezogene Quotient aus tatsächlicher Füllung zur theoretisch möglichen Füllung verstanden.

Herkömmliche Wälzkolben-Vakuumpumpen weisen zwischen dem Rotationskolben und dem Gehäuse zur Vermeidung von Verschleiß einen Spalt mit einer Spaltbreite von wenigen Zehntel Millimetern auf. Dies ermöglicht wiederum eine Rückströmung des Gases durch den Spalt von der Druck- zur Saugseite.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Wälzkolben-Vakuumpumpe mit einem hohen volumetrischen Wirkungsgrad zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Wälzkolben-Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Die Einlassöffnung und die Auslassöffnung werden jeweils durch sogenannte Steuerkanten begrenzt, deren Lage jeweils durch den Einlasswinkel α₁ und den Auslasswinkel α₂ bestimmt wird, d.h. dem Winkel, bei dem der Kopf des Rotationskolbens die durch ihn begrenzte wandernde Pumpkammer gegenüber der Einlassöffnung verschließt, bzw. gegenüber der Auslassöffnung öffnet. Der Einlasswinkel α₁ und der Auslasswinkel α₂ beziehen sich auf eine Rotationsachsenebene, d.h. die Ebene, die zwischen den beiden parallelen Rotationsachsen der Rotationskolben aufgespannt ist.

Bei der erfindungsgemäßen Wälzkolben-Vakuumpumpe ist der Einlasswinkel α₁ größer als der Auslasswinkel α₂. Dies hat zur Folge, dass die Einlassöffnung bei jedem Zyklus länger geöffnet ist als die Auslassöffnung.

Der Gaseinlass über die Einlassöffnung erfolgt also durch eine gegebenenfalls relativ große Einlassöffnung und erfolgt relativ lange. Hierdurch wird insbesondere bei hohen Drehzahlen ein hoher Füllgrad der Pumpkammer erreicht.

Durch die relativ späte und kurze Öffnung der Auslassöffnung wird die Einwirkung des hohen Gasdruckes auf die Pumpkammer auf eine relativ kurze Zeit beschränkt. Durch die Verkürzung der Öffnung der Auslassöffnung wird die Rückströmung von der Druck- zur Saugseite auf eine relativ kurze Zeit und ein relativ geringes Maß verkleinert.

Wenn die Rotationskolben rotieren, bewegen sich von den Rotationskolben und der Schöpfraumwand des Gehäuses gebildeten Pumpkammern von der Saugseite zur Druckseite. Da sich das Volumen der Pumpkammern dabei nicht ändert, findet auch keine innere Kompression des geförderten Gases statt. Die Pumpkammer öffnet sich, sobald der Kopf des Rotationskolbens die betreffende Steuerkante der Auslassöffnung erreicht hat, also ungefähr im Auslasswinkel α₂ steht. Erst dann strömt Gas in die geöffnete Pumpkammer hinein, so dass sich dann in der Pumpkammer der höhere Ausgangsdruck bildet.

Da der Auslasswinkel α₂ kleiner als der Einlasswinkel α₁ gewählt ist, wird die Zeitdauer einer hohen Druckdifferenz an dem Rotationskolben-Gehäuse-Spalt auf eine kurze Zeit reduziert, so dass hierdurch auch die Rückströmung reduziert wird.

Vorzugsweise ist der Einlasswinkel α₁ mindestens 10° größer als der Auslasswinkel α₂, und in besonders bevorzugter Ausführung um mindestens 20° größer. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Einlassöffnung lange geöffnet ist, während die Auslassöffnung nur relativ kurz geöffnet ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Öffnungsflächenverhältnis der Öffnungsfläche der Einlassöffnung zu der Öffnungsfläche der Auslassöffnung mindestens 2:1, d.h. ist die Öffnungsfläche der Einlassöffnung mindestens doppelt so groß wie die Öffnungsfläche der Auslassöffnung. Die Öffnungsfläche der Auslassöffnung darf relativ klein sein, da der Gasausstoß zwangsläufig durch Verdrängung des Gases aus der Pumpkammer durch die Rotationskolben selbst erfolgt. Eine große Öffnungsfläche der Einlassöffnung stellt einen relativ kleinen Strömungswiderstand für das durch die Einlassöffnung in die Pumpkammer einströmende Gas dar, so dass hierdurch ein guter Füllgrad ermöglicht wird.

Vorzugsweise ist der Auslasswinkel α₂ kleiner als 90°. Vorzugsweise ist der Einlasswinkel α₁ kleiner als 80°. Ferner ist bei der bevorzugten Ausführungsform die Summe aus dem Einlasswinkel α₁ und dem Auslasswinkel α₂ kleiner als 170°.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Steuerkanten der Einlassöffnung und der Auslassöffnung gerade und parallel zu den Rotationsachsen.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Figur zeigt schematisch eine trocken verdichtende Wälzkolben-Vakuumpumpe im Querschnitt.
In der Figur ist eine Wälzkolben-Vakuumpumpe 10 dargestellt, die ein Gehäuse 12 und zwei um zwei parallele Rotationsachsen 14, 15 rotierende Rotationskolben 16, 17 aufweist, die durch ein nicht dargestelltes Zahnradgetriebe miteinander synchronisiert sind. Die Rotationskolben 16, 17 werden auf diese Weise berührungsfrei aufeinander abgewälzt. Die Längsenden der Rotationskolben 16, 17 bilden Kolbenköpfe 20, 21. Zwischen den beiden Rotationskolben 16, 17 sowie zwischen den jeweiligen Kolbenköpfen 20, 21 und der Innenseite 24 des Gehäuses 12 besteht jeweils ein kleiner Spalt. Die Spaltbreite des Spaltes beträgt wenige Zehntel Millimeter, so dass die Rotationskolben 16, 17 keinem mechanischen Verschleiß ausgesetzt sind. Zwischen dem Rotationskolben 17 und der Innenseite 24 des Gehäuses wird eine wandernde Pumpkammer 26 gebildet, die geschlossen ist, solange beide Kolbenköpfe 20, 21 mit der genannten Spaltbreite an der Gehäuse-Innenseite 24 entlang gleiten.
Das Gehäuse 12 weist eine Gas-Einlassöffnung 30 und eine Gas-Auslassöffnung 40 auf. Durch die Gas-Einlassöffnung 30 wird Gas beispielsweise von einer Hochvakuumpumpe kommend angesaugt. Durch die wandernden Pumpkammern 26 wird das Gas von der Einlassseite zur Auslassseite ohne innere Kompression transportiert. Erst beim Öffnen der Pumpkammer 26 zur Gas-Auslassöffnung 40 hin strömt das Gas mit einem höheren Auslassdruck aus der Auslassöffnung 40 zunächst in die Pumpkammer 26 und wird das Gas durch die stetige Verkleinerung der geöffneten Pumpkammer 26 aus dieser mit dem Auslassdruck schließlich heraus gedrückt.
Die Gas-Einlassöffnung 30 und die Gas-Auslassöffnung 40 sind in Draufsicht jeweils rechteckig. Die Gas-Einlassöffnung 30 weist zwei zu den Rotationsachsen 14, 15 parallele Seiten auf, die gehäuseinnenseitig Steuerkanten 50, 51 bilden. Die zu den Rotationsachsen 14, 15 parallelen Innenkanten der Gas-Auslassöffnung 40 bilden Auslassöffnungs-Steuerkanten 52, 53. Die Lage der Steuerkanten 50, 51, 52, 53 bestimmt jeweils den Ort, an dem der betreffende Kolbenkopf 20, 21 die Pumpkammer 26 gegenüber der Einlassöffnung 30 abschließt bzw. gegenüber der Auslassöffnung 40 öffnet. Die Lage der Steuerkanten 50, 51, 52, 53 wird vorliegend definiert durch den Einlasswinkel α₁ bzw. den Auslasswinkel α₂, der jeweils den Winkel der betreffenden Steuerkante 50, 51, 52, 53 gegenüber einer Rotationsachsenebene 58 und bezogen auf die jeweilige Rotationsachse 14, 15 angibt. Die Rotationsachsenebene 58 ist die Ebene, die von den beiden Rotationsachsen 14, 15 aufgespannt wird bzw. parallel zu diesen angeordnet ist und diese enthält.
Sowohl der Einlasswinkel α₁ als auch der Auslasswinkel α₂ sind kleiner als 90°, wobei der Auslasswinkel α₂ stets kleiner als der Einlasswinkel α₁ ist. Hierdurch kann zum einen eine relativ große Einlassöffnung 30 zur Verfügung gestellt werden. Durch einen möglichst kleinen Auslasswinkel α₂, der 20–35° kleiner sein kann als der Einlasswinkel α₁, wird eine späte Öffnung der wandernden Pumpkammer 26 zur Auslassöffnung 40 hin realisiert. Durch das späte Öffnen der Pumpkammer 26 erfolgt auch der hiermit verbundene Druckanstieg in der Pumpkammer 26 relativ spät und über einen verkürzten Zeitraum, so dass die Rückströmungsverluste relativ klein sind. Durch die relativ große Einlassöffnung 30 und das relativ späte Schließen der Pumpkammer 26 wird ein guter Füllgrad der Pumpkammer 26 realisiert.
Das Öffnungsverhältnis der Öffnungsfläche der Einlassöffnung 30 und der Öffnungsfläche der Auslassöffnung 40 sollte ungefähr in der Größenordnung des Kompressionsverhältnisses liegen, das in der Praxis zwischen 5:1 und 10:1 liegt.
Die Form der Gehäuse-Innenseite 24 ist in der Nachbarschaft der Auslassöffnung 40 der Form der von den Kolbenköpfen 20, 21 bestrichenen Querschnittsfläche angepasst, so dass sich die Gehäuse-Innenseite in diesem Bereich in das Innere des Schöpfraumes 11 erstreckt. Die Steuerkanten 52, 53 sind im Bereich dieses nach innen eingeformten Bereiches der Gehäuse-Innenseite 24 angeordnet.

Claims

Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) mit zwei um parallele Rotationsachsen (14, 15) rotierenden Rotationskolben (16, 17) und einem einen Schöpfraum (11) einschließenden Gehäuse (12) mit einer Gas-Einlassöffnung (30) und einer gegenüberliegenden Gas-Auslassöffnung (40), wobei die Einlassöffnung (30) und die Auslassöffnung (40) jeweils von Steuerkanten (50, 51, 52, 53) begrenzt sind, die in einem Einlasswinkel (α₁) und in einem Auslasswinkel (α₂) zu einer Rotationsachsenebene (58) stehen, die die zu ihr parallelen Rotationsachsen (14, 15) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasswinkel (α₁) größer als der Auslasswinkel (α₂) ist.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasswinkel (α₁) mindestens 10° größer und vorzugsweise mindestens 20° größer als der Auslasswinkel (α₂) ist.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Öffnungsflächenverhältnis der Öffnungsfläche der Einlassöffnung (30) zu der Öffnungsfläche der Auslassöffnung (40) mindestens 2:1 beträgt.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasswinkel (α₂) kleiner als 90° ist.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlasswinkel (α₁) kleiner als 80° ist.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkanten (50, 51, 52, 53) gerade sind und parallel zu den Rotationsachsen (14, 15) liegen.
Wälzkolben-Vakuumpumpe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe aus dem Einlasswinkel (α₁) und dem Auslasswinkel (α₂) kleiner als 170° ist.