DE102009021642B4 - Vakuumpumpe - Google Patents
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Abstract
Vakuumpumpe (1) mit einem Gaseinlass (2), einem Gasauslass (3), und mit einer Seitenkanalpumpstufe (4), welche ein in Drehung versetztes Laufrad (400, 400') mit einem Rand (403) und wenigstens einer Schaufel umfasst, wobei die Schaufel (402, 402'; 420; 450) eine in Bewegungsrichtung (407) nacheilende Rückseite (405) mit einer Außenkante (408) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (402, 402'; 420; 450) an der Rückseite (405) Außenkante der eine Fase (406; 416; 456) aufweist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
- Aus der
US 6 767 179 B2 geht eine Kraftstoffpumpe hervor, mittels derer sich ein Fahrzeugeinspritzsystem mit Kraftstoff speisen lässt, der von der Pumpe unter Druck gesetzt wird. Diese Pumpe weist ein Laufrad auf, dessen radial außenliegender Rand durch einen umlaufenden ringförmigen Abschnitt gebildet wird, wobei sich innerhalb dieses umlaufenden Rings die Flügel des Laufrads in radialer Richtung erstrecken. - Im Stand der Technik sind Vakuumpumpen mit Seitenkanalpumpstufen bekannt, beispielsweise aus der
DE 19930952 A1 . Die dort vorgestellte Vakuumpumpe ermöglicht es, einen Rezipienten von Atmosphärendruck bis auf weniger als 10-4 mbar zu evakuieren. Dies wird durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Seitenkanalpumpstufen erreicht. Jede dieser Seitenkanalpumpstufen besitzt ein Laufrad, welches an seinem Rand in einem Kanal umlaufende Schaufeln aufweist. - Der Stand der Technik kennt zudem Turbomolekularpumpen, die zusätzlich mit einer Seitenkanalpumpstufe versehen sind, damit sie gegen einen höheren Vorvakuumdruck ausstoßen kann. Solch eine Vakuumpumpe ist beispielsweise in der
EP 1 576 292 gezeigt. - Um eine hinreichend gute Pumpleistung zu erzielen, sind in der Regel mehrere Stufen und aufwändig gestaltete Laufräder der Seitenkanalpumpstufe notwendig. Der zu betreibende Aufwand wird beispielsweise an der Vielzahl von Schaufeln ersichtlich, die zumindest bei kleinen Stückzahlen aufwändig aus Vollmaterial herausgearbeitet werden müssen. Die Vakuumkennwerte wie Saugvermögen und Druckverhältnis zwischen Einlass und Auslass der Seitenkanalpumpstufe hängen von der Gestaltung der Schaufeln, des Kanals und der Spalte zwischen rotierenden und stehenden Teile ab. In der Regel führen gute Vakuumkennwerte zu steigenden Herstellkosten.
- Andererseits besteht die Notwendigkeit, die Kosten für die Herstellung der pumpaktiven Teile der Seitenkanalpumpe gering zu halten.
- Es ist daher Aufgabe, eine Vakuumpumpe zu schaffen, deren Seitenkanalpumpstufe verbesserte Vakuumkennwerte und gleichzeitig eine einfach herzustellende Geometrie der pumpaktiven Bauteile besitzt.
- Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 9 geben vorteilhafte Weiterbildungen an.
- Eine Fase an der Außenkante der in Bezug zur Bewegungsrichtung nacheilenden Rückseite verbessert die Vakuumkennwerte, insbesondere das Druckverhältnis, und ist kostengünstig in vielen Bearbeitungsverfahren herzustellen. Das verbesserte Druckverhältnis ermöglicht es, mit wenigen Seitenkanalpumpstufen zu arbeiten, um einen weiten Druckbereich in einer Vakuumpumpe überdecken zu können. Hierdurch werden Kosten gesenkt. Zudem ist die Fase auch in Bearbeitungsverfahren kostengünstig herstellbar, die bei kleinen und mittleren Serien zum Einsatz kommen, beispielsweise Fräsen und Sägen. Die Fertigung wird noch weiter erleichtert, wenn es sich bei Rückseite und Fase um ebene Flächen handelt.
- Weitere Verbesserungen der Vakuumkennwerte lassen sich durch die Maßnahmen der abhängigen Ansprüche erzielen. Auch diese Gestaltungen sind kostengünstig in Fräs- und Sägebearbeitung herstellbar. Es wurde beobachtet, dass sich die gezeigten Geometrien besonders vorteilhaft in der Kombination mit einer Molekularpumpstufe, beispielsweise einer Holweckstufe, auswirken. Die Arbeitsbereiche der erfindungsgemäßen Seitenkanalpumpstufe und der Molekularpumpstufe berühren sich in vorteilhafter Weise, so dass insgesamt eine gut abgestufte Vakuumpumpe entsteht.
- An Hand eines Ausführungsbeispiels seiner Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
- Es zeigen:
-
1 : Schnitt in Wellenrichtung durch eine Vakuumpumpe mit einer Seitenkanalpumpstufe -
2 : Schnitt quer zur Wellenachse durch die Seitenkanalpumpstufe entlang I-I' -
3 : Schnitt durch die Seitenkanalpumpstufe mit einer alternativen Gestaltung des Laufrades -
4 : Schnitt entlang II-II' durch die Seitenkanalpumpe mit alternativ gestaltetem Laufrad -
5 : Perspektivische Darstellung einer Schaufel mit einer Fase -
6 : Blick auf ein Laufrad mit erster und zweiter Schaufel -
7 : Schnitt durch das Laufrad mit erster und zweiter Schaufel entlang der Linie III-III' -
8 : Sicht auf einen Abschnitt mit einigen Schaufeln in einer Weiterbildung der Erfindung - Die Vakuumpumpe
1 des Ausführungsbeispiels besitzt einen Gaseinlass2 und Gasauslass3 und ein Gehäuse. Das Gehäuse ist mit vier Gehäuseteilen20 ,21 ,22 und23 aufgebaut, welche die Komponenten der Vakuumpumpe beherbergen. Diese Komponenten werden nachfolgend erläutert. - Durch den Gaseinlass in die Vakuumpumpe eintretendes Gas gelangt zunächst in die Molekularstufe
5 . Diese besitzt einen Innenstator505 , der mit einer inneren Gewindenut507 versehen ist, und einen Außenstator506 , der mit einer äußeren Gewindenut508 versehen ist. Zwischen Innenstator und Außenstator ist ein Zylinder502 mit glatter Oberfläche vorgesehen, der mit dem Rotor500 verbunden ist. Die Molekularstufe ist somit als Holweckstufe gestaltet. Die in1 dargestellte Holweckstufe ist symmetrisch mit einem von Statorbauteilen umgebenen zweiten Zylinder502' aufgebaut und arbeitet daher zweiflutig. - Der Rotor ist mit der Welle
8 verbunden, die in Wälzlagern10 und11 drehbar gelagert ist. Anstelle der Wälzlager können auch passive und aktive Magnetlager zum Einsatz kommen. An der Welle ist wenigstens ein Permanentmagnet13 angeordnet, der mit einer stehenden Spule12 zusammenwirkt und zusammen mit dieser den Antrieb7 bildet. Wälzlager10 , Antrieb7 und Molekularstufe5 sind in den Gehäuseteilen20 und21 angeordnet. - Die Welle durchsetzt den Gehäuseteil
22 , welches die Seitenkanalpumpstufe4 beinhaltet. Die Seitenkanalpumpstufe wird von einem Seitenkanal401 und einem Laufrad400 gebildet, wobei am Laufrad wenigstens eine Schaufel402 angeordnet ist, die in dem Seitenkanal durch die Drehung der Welle umläuft und so die Pumpwirkung erzeugt. Gas gelangt durch einen Übergabekanal24 aus der Molekularstufe5 in die Seitenkanalstufe hinein und wird durch einen weiteren Übergabekanal25 ausgestoßen. - Von der Seitenkanalpumpstufe gelangt das Gas durch den Übergabekanal
25 in die Vorvakuumstufe6 . Diese ist ebenfalls als Seitenkanalpumpe gestaltet, wobei hier die Geometrie der am Laufrad600 angeordneten und im Seitenkanal601 umlaufenden Schaufel602 von der Geometrie der Schaufel402 abweicht. Aus dieser Pumpstufe wird das Gas durch den Gasauslass aus der Vakuumpumpe ausgestoßen. - Zwischen den Laufrädern
400 und600 und den Gehäuseteilen21 ,22 und23 befinden sich enge Spalte. Diese erlauben ein freies Drehen des betreffenden Laufrads, sind jedoch so eng gestaltet, dass keine störenden Gasströmungen auftreten. - Die
2 zeigt einen Schnitt durch Gehäuseteil22 entlang der Linie I-I'. Auf der Welle8 sitzt das Laufrad400 . Diese besitzt einen Rand403 , an dem entlang des Umfangs gleichmäßig verteilt Schaufeln402 angeordnet sind. Der Seitenkanal401 umgibt das Laufrad, wobei dieser im wesentlichen ringförmig den Schaufelbereich des Laufrades umgibt. Nur über einen Teil des Umfangs grenzt das Gehäuse dicht an das Laufrad. Dieser Abschnitt bildet den Unterbrecher404 , der Ansaug- und Ausstoßseite voneinander trennt, und an dem das Gasstrom, der sich im Seitenkanal ausbildet und der Drehung des Laufrades folgt, von diesem abgelöst und an den Übergabekanal25 übergeben wird. - In dem Beispiel nach den
1 und2 ist die Schaufel in radialer Richtung am Rand des Laufrades angeordnet. Eine Alternative zu dieser Anordnung zeigen die3 und4 . - Die
3 zeigt daher einen alternativ gestalteten Gehäuseabschnitt22' , der die Seitenkanalpumpstufe aufnimmt und von der Welle8' durchsetzt ist. Der Seitenkanal401' ist hier nicht in der Ebene des Laufrades400' sondern axial in Wellenrichtung versetzt neben dem Laufrad angeordnet. Die Schaufel402' steht nicht in radialer Richtung vom im wesentlichen scheibenförmigen Laufrad ab, sondern steht vom Laufrad in Richtung der Flächennormalen ab. - In
4 ist ein Schnitt entlang der Linie II-II' durch die Anordnung mit dem Gehäuseteil22' und der Welle8' nach3 gezeigt. Die Schaufeln402' stehen auf dem Laufrad und ragen durch eine ringförmige Freiraum409 in den in Seitenkanal401' . Der Seitenkanal bildet im Gegensatz zum ringförmigen Freiraum409 keinen geschlossenen Ring sondern wird von dem Abstreifer404' unterbrochen. Gas, welches durch den Übergabekanal24' in den Seitenkanal hineingelangt und durch die Schaufeln entlang der Seitenkanals bewegt wird, wird am Abstreifer in Richtung des Übergabekanals zur nächsten Pumpstufe gelenkt. - Zur übersichtlicheren Darstellung wurden in
1 und3 die in die Seitenkanalpumpstufe hinein und aus hier herausführenden Übergabekanäle in Bezug auf den Umfang des Laufrades gegenüberliegend dargestellt. Günstig ist es jedoch, diese in einem kleinen Winkelabstand voneinander anzuordnen, so dass sie nur durch den Abstreifer404 und404' getrennt sind. - Eine einzelne Schaufel
402 ist in5 gezeigt. Diese kann sowohl in der Anordnung nach1 und2 als auch in der Anordnung nach3 und4 und damit als Schaufel402' eingesetzt werden. Die Schaufel weist eine in Bezug zur Bewegungsrichtung407 nacheilende Rückseite405 mit einer Außenkante408 auf. An dieser Außenkante ist eine Fase406 angeordnet. Durch diese Fase werden die Vakuumkennwerte, insbesondere das mit dem Laufrad erzielbare Druckverhältnis, entscheidend verbessert. - In einer Weiterbildung umfassen die Rückseite
405 und die Fase406 jeweils eine ebene Fläche. Solche ebene Flächen sind kostengünstig durch Sägen herstellbar. - Dies lässt sich vorteilhaft weiterbilden, indem alle Oberflächen der Schaufel als ebene Flächen gestaltet sind, so dass die Herstellung möglichst einfach wird.
- Eine Weiterbildung der Schaufel und des Laufrades ist in
6 gezeigt. Eine erste Schaufel420 und eine zweite Schaufel412 sind in Bewegungsrichtung407 voneinander beabstandet angeordnet. Zwischen ihnen ist ein Mittelsteg430 ausgebildet. Erste und zweite Schaufel sind gleichförmig gestaltet. Sie weisen zwei Schaufelabschnitte421 und422 auf, welche ihrerseits jeweils eine Abschnittsrückseite425 und426 besitzen. Jeder Abschnitt ist an seiner Abschnittsrückseite mit einer Fase406 versehen. Die Schaufelabschnitte bilden mit der Bewegungsrichtung407 einen Winkel von weniger als 90°, gemessen in Bewegungsrichtung. Durch diesen Winkel ergibt sich eine V-förmige Stellung der Schaufelabschnitte zueinander, wobei das V in Bewegungsrichtung geöffnet ist. Diese Stellung der Schaufelabschnitte wirkt mit der Fase zusammen und verbessert das mit dem Laufrad erzielbare Druckverhältnis. Wie in den2 und4 angedeutet, ist eine Mehrzahl von Schaufeln in regelmäßigem Abstand über den Umfang des Laufrades verteilt vorgesehen. - In einer Weiterbildung ist diese Geometrie besonders kostengünstig herstellbar, wenn wenigstens die Fase und die Abschnittsrückseite als ebene Flächen gestaltet und die Schaufeln derart am Rand des Laufrades angeordnet sind, dass sie sich in der Laufradebene liegend radial von diesem erheben. Der Mittelsteg ist dann am Rand um das Laufrad umlaufend orientiert. Das gemäß Weiterbildung gestaltete Laufrad lässt sich kostengünstig durch Sägen aus einer Vollscheibe herstellen.
- Die
7 zeigt die Anordnung aus6 im Schnitt entlang der Linie III-III'. In dieser Ansicht ist der zwischen den Schaufeln420 und412 vorgesehene Mittelsteg430 im Querschnitt zu sehen. Der Mittelsteg weist wenigstens abschnittsweise eine Mittelsteghöhe431 auf, die geringer als die Schaufelhöhe432 ist. Hierdurch werden die Räume zwischen den Schaufeln beidseits des Mittelsteges miteinander verbunden. Dies resultiert ebenfalls in einer Verbesserung des erzielbaren Druckverhältnisses. - Ein weiteres vorteilhaftes Gestaltungsmerkmal soll anhand von
8 verdeutlicht werden. Diese Abbildung zeigt den Blick auf den Rand des Laufrades. Die Schaufel450 weist zwei Schaufelabschnitte451 und452 mit jeweils eines Abschnittsrückseite453 und454 auf. An den Abschnittsrückseiten ist jeweils am Außenrand eine Fase456 angeordnet. Die Schaufelabschnitte sind in Bewegungsrichtung um einen Versatz461 zueinander versetzt. Die Abschnittsrückseiten der Schaufelabschnitte erstrecken sich bis über die Mitte460 des Laufradrandes. Zudem bildet wenigstens ein Schaufelabschnitt einen Winkel451' von weniger als 90° mit der Bewegungsrichtung. Diese Schaufelgestaltung und Kombination von Gestaltungselementen weist ebenfalls verbesserte Vakuumkennwerte auf.
Claims (9)
- Vakuumpumpe (1) mit einem Gaseinlass (2), einem Gasauslass (3), und mit einer Seitenkanalpumpstufe (4), welche ein in Drehung versetztes Laufrad (400, 400') mit einem Rand (403) und wenigstens einer Schaufel umfasst, wobei die Schaufel (402, 402'; 420; 450) eine in Bewegungsrichtung (407) nacheilende Rückseite (405) mit einer Außenkante (408) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (402, 402'; 420; 450) an der Rückseite (405) Außenkante der eine Fase (406; 416; 456) aufweist.
- Vakuumpumpe nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite (405) und die Fase (406; 416; 456) je eine ebene Fläche umfassen. - Vakuumpumpe nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (402, 402'; 420;450) zwei Schaufelabschnitte (421, 422; 451, 452) mit jeweils einer Abschnittsrückseite (425, 426; 453, 454) umfasst und wenigstens ein Schaufelabschnitt (421, 422; 451, 452) einen Winkel (415; 415') von weniger als 90° mit der Bewegungsrichtung (407) bildet. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (400, 400') eine zweite Schaufel (412) umfasst und zwischen Schaufel (402; 402'; 420) und zweiter Schaufel ein Mittelsteg (430) vorgesehen ist.
- Vakuumpumpe nach einem der
Ansprüche 3 oder4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (402, 402'; 420; 450) zwei Schaufelabschnitte (451, 452) umfasst, welche in Bewegungsrichtung (407) versetzt zueinander angeordnet sind. - Vakuumpumpe nach einem der
Ansprüche 3 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abschnittsrückseiten (453, 454) der Schaufelabschnitte (451, 452) bis über eine Mitte (460) des Laufrades (400, 400') erstrecken. - Vakuumpumpe nach einem der
Ansprüche 4 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelsteg (430) zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schaufeln (420, 412) wenigstens abschnittsweise eine Mittelsteghöhe (431) aufweist, die geringer als eine Schaufelhöhe (432) ist. - Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufel (402; 402'; 420; 450; 412) in radialer Richtung am Rand (403) des Laufrades (400, 400') angeordnet ist.
- Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine für den molekularen Druckbereich angepasste Pumpstufe (5) aufweist, welche zwischen Seitenkanalpumpstufe (4) und Gaseinlass (2) angeordnet ist.
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