DE102013110091B3

DE102013110091B3 - Wälzkolbenpumpe mit zwei Rotoren

Info

Publication number: DE102013110091B3
Application number: DE201310110091
Authority: DE
Inventors: Christopher Kobus
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2033-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit zwei Rotoren, bei der jeder Rotor wenigstens zwei Kolben aufweist, bei der jeder Kolben einen Kolbenkopf und zwei an den Kolbenkopf angrenzende Kolbenflanken aufweist, und bei der zwischen den Kolben jeweils eine Taille und an der Taille angrenzende Rotorlückenflanken angeordnet sind, bei der eine Querschnittskontur der Kolbenflanken und/oder Rotorlückenflanken aus wenigstens zwei Evolventenabschnitten gebildet ist, bei der die wenigstens zwei Evolventenabschnitte stetig ineinander übergehend ausgebildet sind, bei der der an dem Kolbenkopf angrenzende Evolventenabschnitt stetig in den Kolbenkopf und der an der Taille angrenzende Rotorlückenabschnitt stetig in die Taille ineinander übergehend ausgebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenpumpe mit zwei Rotoren, die auf einem Paar paralleler Drehwellen angeordnet sind, bei der die Drehwellen durch ein Gehäuse abgestützt sind, bei der jeder Rotor wenigstens zwei Kolben aufweist, bei der jeder Kolben einen Kolbenkopf und zwei an den Kolbenkopf angrenzende Kolbenflanken aufweist, und bei der zwischen den Kolben jeweils eine Taille und an der Taille angrenzende Rotorlückenflanken angeordnet sind, und bei der die Rotorlückenflanken und die Kolbenflanken angrenzend ausgebildet sind, wobei die Rotoren miteinander eingreifend ausgebildet sind.
Eine Wälzkolbenpumpe hat in der Regel ein Gehäuse und ein Paar zweibogiger oder dreibogiger Rotoren, die in einer Rotorkammer des Gehäuses angeordnet sind. Die Rotoren sind in der Rotorkammer angeordnet, um einen minimalen Abstand zu der Umfangsfläche der Rotorkammer und auch zwischen den Rotoren zu haben. Die zweibogigen Rotoren greifen alle 90° einer Drehung der Rotoren miteinander ein und die dreibogigen Rotoren greifen alle 60° einer Drehung der Rotoren ein.
Aus dem Stand der Technik ( DE 10 2006 000 512 B4 ) ist ein Evolventenrotor eines Wälzkolbenkompressors bekannt, von dem ein Teil durch eine Evolventenkurve ausgebildet ist. Der Evolventenrotor ist derart geformt, dass sein bogiger Abschnitt sich zu seiner Zahnspitze hin verjüngt. Deshalb hat der Evolventenrotor des Wälzkolbenkompressors ein kleines Trägheitsmoment und deshalb kann der Wälzkolbenkompressor bei einer hohen Geschwindigkeit gedreht werden. Zusätzlich kann ein großes Fluidvolumen zwischen den Rotoren und der Umfangsfläche der Rotorkammer eingefangen werden, so dass die Verdrängung pro Umdrehung des Rotors erhöht ist, wodurch sich eine verbesserte Kompressorleistung ergibt.
Da die Zahnspitze des bogigen Abschnitts des Evolventenrotors dünn ist und eine Aussparung in dem ausgesparten Abschnitt des Rotors für ein Verhindern einer Beeinträchtigung des bogigen Abschnitts ausgebildet ist, haben die eingreifenden Rotoren zwischen ihrem bogigen Abschnitt und dem ausgesparten Abschnitt einen Raum ausgebildet. Das Fluid oder Gas, das in dem Raum eingefangen wird, wird bei einer Rotation des Rotors komprimiert, expandiert und dann zu der Rotorkammer freigesetzt. Wenn das Fluid zu der Rotorkammer freigesetzt wird, wird ein lautes Geräusch erzeugt.
Gemäß diesem Stand der Technik ist eine Wälzkolbenmaschine beschrieben, bei der der Rotor einen Aufbau aufweist, der durch eine Kurve definiert ist, die den konvexen Bogen, den konkaven Bogen und des Weiteren eine Evolventenkurve mit einem Grundradius r zwischen dem konvexen und konkaven Bogen hat. Der Grundradius r ist in dem Stand der Technik über den Abstand zwischen den Achsen der Drehwellen mathematisch definiert.
Eine weitere Ausgestaltung der zum Stand der Technik gehörenden Wälzkolbenmaschine sieht Rotoren mit jeweils drei Bogenabschnitten und drei ausgesparten Abschnitten vor. Jeder Bogenabschnitt hat ein Profil eines konvexen Bogens mit einem Radius R und jeder ausgesparte Abschnitt hat ein Profil eines konkaven Bogens, der eine einhüllende Kurve des konvexen Bogenabschnittes ist. Der Rotor hat einen Aufbau, der durch eine Kurve definiert ist, die den konvexen Bogen, den konkaven Bogen und des Weiteren eine Evolventenkurve mit einem Basisradius r zwischen dem konvexen und dem konkaven Bogen hat. Auch dieser Basisradius r ist mathematisch über den Abstand zwischen den Achsen der Drehwellen L definiert.
Diese zum Stand der Technik gehörende Wälzkolbenmaschine weist Kolbenköpfe auf, die einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweisen. Diese kreisabschnittförmigen Querschnitte weisen einen Mittelpunkt auf, der im Kolbenkopf angeordnet ist. Hierdurch unterscheidet sich der Radius des Kolbenkopfes deutlich von dem Radius der Rotorkammer, das heißt des Schöpfraumes. Hierdurch wiederum ist lediglich eine linienförmige Spaltabdichtung ausgebildet, nämlich durch eine Linie, die im Scheitelpunkt des Kolbenkopfes liegt und sich über die axiale Länge des Rotors erstreckt. Diese Ausführungsform weist den Nachteil auf, dass hierdurch keine optimale radiale Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse erzielt wird.
Weiterhin gehört zum Stand der Technik ( EP 0 472 751 B1 ) ein Rotor für eine Wälzkolbenvakuumpumpe. Gemäß diesem Stand der Technik ist die Profilkontur eines Rotors aus vier Fußprofilabschnitten und vier Kopfprofilabschnitten zusammengesetzt, so dass eine im Wesentlichen achtförmige Profilkontur entsteht. Diese Profilkontur weist den Nachteil auf, dass auch bei dieser Profilkontur keine optimale Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse gegeben ist. Insbesondere können sich Gaseinschlüsse ausbilden.
Zum Stand der Technik ( DE 35 27 292 C2 ) gehört darüber hinaus ein Roots-Kompressor zum Komprimieren von gasförmigen Fördermedien. Dieser Roots-Kompressor weist einen Schöpfraum auf, bei dem eine radiale Einstellung des Spaltes zwischen dem Gehäuse des Schöpfraumes und des Rotors einstellbar ist. Dieser zum Stand der Technik gehörende Kompressor ist sehr aufwendig ausgestaltet und beschäftigt sich darüber hinaus nicht mit der Kolbengeometrie.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Wälzkolbenvakuumpumpe anzugeben, bei der die Geometrie der Profilkontur der Rotoren für eine Wälzkolbenvakuumpumpe durch die Einflussnahme auf die Gestaltung der Kolbenflanke und damit auch durch gezielte Beeinflussung der Pumpencharakteristik verbessert werden soll, damit eine Leistungssteigerung der Pumpe erfolgt.
Dieses technische Problem wird durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Wälzkolbenvakuumpumpe mit zwei Rotoren, die auf einem Paar paralleler Drehwellen angeordnet sind, bei der die Drehwellen durch ein Gehäuse abgestützt sind, bei der jeder Rotor wenigstens zwei Kolben aufweist, bei der jeder Kolben einen Kolbenkopf und zwei an den Kolbenkopf angrenzende Kolbenflanken aufweist, und bei der zwischen den Kolben jeweils eine Taille und an der Taille angrenzende Rotorlückenflanken angeordnet sind, und bei der die Rotorlückenflanken und die Kolbenflanken angrenzend ausgebildet sind, wobei die Rotoren miteinander eingreifend ausgebildet sind, zeichnet sich dadurch aus, dass eine Querschnittskontur der Kolben- und/oder Rotorlückenflanken aus wenigstens zwei Evolventenabschnitten gebildet ist und dass die wenigstens zwei Evolventenabschnitte stetig ineinander übergehend ausgebildet sind, und dass der an dem Kolbenkopf angrenzende Evolventenabschnitt stetig in den Kolbenkopf und der an der Taille angrenzende Rotorlückenabschnitt stetig in die Taille ineinander übergehend ausgebildet sind.
Diese mit den Merkmalen des Anspruches 1 festgelegte Rotorquerschnittsgeometrie weist den Vorteil auf, dass die Kolbengeometrie gezielt definiert wird und eine konstante Spalthöhe zwischen den Rotoren am Gesamtumfang während der Drehung der Rotoren gegeben ist. Darüber hinaus wird eine Bildung geschlossener Räume zwischen den Rotoren am Gesamtumfang während der Drehung der Rotoren vermieden. Hierdurch wird eine deutliche Leistungssteigerung der Pumpe erzielt.
Die Rotoren bewegen sich berührungsfrei, das heißt, zwischen den Rotoren ist während der gesamten Drehung ein Spalt vorhanden. Darüber hinaus ist zwischen den Rotoren und dem Gehäuse der Rotorkammer, das heißt des Schöpfraumes, ein Spalt gegeben. Die zylindrische Dichtfläche am Kolbenkopf erzeugt ebenfalls eine Spaltdichtung zwischen dem Rotorkopf und der zylindrischen Innenwand des Pumpengehäuses.
Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Rotoren, bei deren Drehung eine konstante Spalthöhe erzielt wird, wird eine Rückströmung der Gase minimiert und das Kompressionsverhalten der Wälzkolbenvakuumpumpe optimiert. Ein hoher volumetrischer Wirkungsgrad wird durch die konstante und kleine Spaltbreite zwischen den Rotoren einerseits und zwischen den Rotoren und der Schöpfraumwandung andererseits erzielt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kolbenkopf im Querschnitt kreisabschnittsförmig ausgebildet. Die kreisabschnittsförmige Ausbildung bewirkt, dass zwischen dem Kolbenkopf und der zylindrischen Innenwandung der Rotorkammer eine zumindest linienförmige Spaltdichtung erzielt wird.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Mittelpunkt des Kreisabschnittes des Kolbenkopfes in einer Mittelachse der zylindrisch ausgebildeten Rotorkammer angeordnet ist.
Durch diese Ausbildung weisen das zylindrische Innengehäuse der Rotorkammer und der Kolbenkopf einen annähernd gleichen Radius R auf. Der Radius des Kolbenkopfes muss geringfügig kleiner sein, damit ein Spalt zwischen dem Kolbenkopf und der Innenwandung des Schöpfraumes verbleibt. Da die Radien des Kolbenkopfes und der Innenwandung des Schöpfraumes annähernd gleich sind, wird eine flächig wirkende Spaltdichtung erzielt, die einen deutlich erhöhten Wirkungsgrad gegenüber einer linienförmig wirkenden Spaltdichtung aufweist. Hierdurch ist eine weitere erhebliche Steigerung der Leistung der Pumpe möglich.
Vorteilhaft ist ein erster Evolventenabschnitt der Kolbenflanke an einem Abwälzkreis des Rotors beginnend ausgebildet. Hierdurch wird die Flanke des Kolbens der Rotoren festgelegt. Die Flanke wird, wie schon ausgeführt, durch wenigstens zwei Evolventenabschnitte, die stetig ineinander übergehend ausgebildet sind, gebildet.
Der Kolben eines zweiflügligen Rotors besteht aus zwei sich gegenüberliegend angeordneten Kolbenköpfen und zwei sich gegenüberliegend angeordneten Taillen. Der Kolben setzt sich bei dieser Ausbildung aus je einer Kolbenflanke, die an jeden Kolbenkopf angrenzend angeordnet ist, und je einer Rotorlückenflanke, die an jeder Taille angrenzend angeordnet sind, zusammen. Die Kolbenflanken und/oder Rotorlückenflanken bestehen gemäß der Erfindung jeweils aus wenigstens zwei Evolventenabschnitten, die stetig ineinander übergehend ausgebildet sind.
Es besteht auch die Möglichkeit, einen entsprechend gestalteten dreiflügligen Rotor mit drei Kolbenköpfen und drei Taillen auszubilden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind vier bis sechs Evolventenabschnitte vorgesehen, wodurch die bezweckte Bildung des Flankenprofils und der Breite des Kolbenkopfes und damit die Leistungssteigerung und Anpassung der Charakteristik der Pumpe an die Prozessanforderungen möglich sind. Besonders vorteilhaft sind fünf Evolventenabschnitte. Es ist jedoch auch möglich, eine höhere Anzahl von Evolventenabschnitten bei einem größeren mathematischen Aufwand auszubilden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den beiden Rotoren während des Eingreifens des Kolbens des ersten Rotors in die Lücke des benachbarten Rotors zwischen der Kolbenflanke und der Rotorlückenflanke eine konstante Spalthöhe ausgebildet. Hierdurch wird die Bildung geschlossener Räume in der Rotorlücke vermieden, wodurch eine Verbesserung der Pumpenleistung gegeben ist. Dies gilt auch für die konstante Spalthöhe zwischen dem konvexen kreisbogenförmigen Kolbenkopf und der konvexen kreisbogenförmigen Taille der Rotoren.
Vorteilhaft ist, wie schon ausgeführt, dass während der gesamten Drehung der Rotoren zwischen diesen ständig eine konstante Spalthöhe ausgebildet wird. Durch diese leicht zu definierende und konstante Spalthöhe zwischen den beiden Rotoren am vollen Rotorumfang wird eine deutliche Verbesserung der Pumpenleistung erzielt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen den Kolbenköpfen der Rotoren und dem die Rotoren umgebenden Gehäuse der Rotorkammer während eines Zeitraumes der Abdichtung eine konstante Spalthöhe zwischen dem jeweiligen Kolbenkopf und dem Gehäuse der Rotorkammer ausgebildet. Hierdurch wird eine flächig wirkende Spaltdichtung erzielt, die, wie schon ausgeführt, die Pumpenleistung deutlich erhöht.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Wälzkolbenvakuumpumpe zwei Rotoren mit jeweils zwei oder drei Kolben auf. Dies sind im Vakuumpumpenbereich die gängigen Varianten. Es ist jedoch auch möglich, mehr als drei Kolben vorzusehen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Lücken und die Taillen des Rotors durch die einhüllenden Kurven der Abwälzung der Kurven der Flanken und der Kolbenköpfe definiert. Hierdurch wird eine konstante Spalthöhe zwischen den Rotoren während der gesamten Drehung der beiden Rotoren erzielt, wodurch die geschilderte Leistungssteigerung gewährleistet wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der Rotor auf einer Welle aufgesetzt ist. Der Rotor weist hierzu vorteilhaft eine Ausnehmung für die Aufnahme einer Welle auf. Hierdurch ist auch bei höheren Umdrehungszahlen eine zuverlässige Verbindung zwischen Rotor und Welle gewährleistet. Diese Möglichkeit besteht nur, wenn im Bereich der Taillen des Rotors ausreichend Material vorhanden ist, um eine Ausnehmung für die Welle auszubilden. Diese Möglichkeit ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor durch die spezielle Ausgestaltung gegeben.
Für eine spezielle Ausführungsform eines Walzkolbenpumpenrotors mit drei Kolben mit einer abschnittsweise definierten Flankengeometrie gilt Folgendes:
Kolbenanzahl am Pumpenrotor:

n_K = 3

Winkel zwischen den Kolben am Rotor:

α_K 2·π / 3

Pumpenwellenabstand:

A_W

Rotorumkreisdurchmesser:

A_W + 1 / 3·A_W

Rotortaillendurchmesser:

A_W – 1 / 3·A_W

Übergangspunkt Kolbenflanke/Taille:

P_Ü

Koordinaten des Übergangspunktes:
Ein spezielles Ausführungsbeispiel für eine Geometrie der Kolbenflanke, auf welches die Erfindung nicht beschränkt ist, kann folgendermaßen aussehen:
Startwinkel der Evolventenabwicklung des 1. Abschnitts:

α_S = 86°

Evolventenabschnitt 1:
Grundkreisradius der Evolvente:

E1_RG = A_W·0,145

Winkel des Ortsvektors des Mittelpunktes des Evolventengrundkreises:

α_VM1 = 85,70956506892756°

Winkelintervall der Evolventenabwicklung:

α_E1 = {α_S – 101,5°}

Evolventenabschnitt 2:
Grundkreisradius der Evolvente:

E2_RG = E1_RG·0,825

Winkel des Ortsvektors des Mittelpunktes des Evolventengrundkreises:

α_VM2 = 79,6256990493574°

Winkelintervall der Evolventenabwicklung:

α_E2 = {101,5° – 117,85°}

Evolventenabschnitt 3:
Grundkreisradius der Evolvente:

E3_RG = E2_RG·0,836

Winkel des Ortsvektors des Mittelpunktes des Evolventengrundkreises:

α_VM3 = 76,7045636850465°

Winkelintervall der Evolventenabwicklung:

α_E3 = {117,85° – 135,05°}

Evolventenabschnitt 4:
Grundkreisradius der Evolvente:

E4_RG = E3_RG·0,766

Winkel des Ortsvektors des Mittelpunktes des Evolventengrundkreises:

α_VM4 = 75,53743234323481°

Winkelintervall der Evolventenabwicklung:

α_E4 = {135,05° – 153,1°}

Evolventenabschnitt 5:
Grundkreisradius der Evolvente:

E5_RG = E4_RG·0,67920672367792

Winkel des Ortsvektors des Mittelpunktes des Evolventengrundkreises:

α_VM5 = 76,6388433888371°

Winkelintervall der Evolventenabwicklung:

α_E5 = {153,1° – 172,46178921271706°}

Winkel des zylindrischen Abschnittes des Kolbenkopfes = Dichtfläche zwischen Kolbenkopf und Schöpfraumwand:

α_DK = 15,0739°

Spalthöhe zwischen den Rotoren:

Doppelter Betrag des Abstandes einer Innenäquidistanten der Rotorgeometriekurve.

Neu an der erfindungsgemäßen geometrischen Ausgestaltung des Pumpenrotors ist auch, dass sich die Rotorquerschnittsgeometrie auf den Rotorwellenabstand, das heißt den Pumpenwellenabstand A_W bezieht.
Es ist darüber hinaus eine einfache Vorabbestimmung des theoretischen Saugvermögens einer Wälzkolbenpumpe nach der folgenden Formel möglich: S = 0,8406·A_W ^2,00044 [m]·[m]·Rotorlänge [m]·Drehzahl [min^–1].
Es ist besonders vorteilhaft, dass die Geometrie der Kolbenflanke abschnittsweise definiert werden kann, wodurch eine deutliche Abstimmung der Charakteristik der Pumpe mit den Prozessanforderungen und eine wesentliche Verbesserung der Pumpenleistung erzielt wird.
Durch die zylindrische Fläche des Kolbenkopfes wird erfindungsgemäß eine gute radiale Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse mit einer Breite von beispielsweise 15° erhalten, wodurch eine erhebliche Verbesserung der Pumpenleistung erzielt wird.
Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Pumpe den Vorteil auf, dass eine leicht zu definierende und konstante Spalthöhe zwischen den Rotoren am vollen Rotorumfang vorhanden ist, die ebenfalls zu einer Verbesserung der Pumpenleistung führt.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass keine Bildung geschlossener Räume im Bereich der Rotortaille auftritt, wodurch ebenfalls die Pumpenleistung verbessert wird.
Insgesamt weist die erfindungsgemäße Rotorprofilkontur einen gleichförmigen und stetigen Verlauf auf, so dass sich erhebliche Fertigungsvorteile ergeben. Abrupte Profilverlaufänderungen treten nicht auf. Ein minimaler (werkzeugbedingter) Krümmungsradius wird nicht unterschritten.
Nach der Formgebung der Profilkonturabschnitte im Bereich der Flanken und des Kolbenkopfes entsprechend der vorliegenden Erfindung liegt die Form der übrigen Konturabschnitte im Lücken- und Taillenbereich des Rotors und damit das vollständige Rotorprofil fest.
Der Einsatz von Rotoren mit der erfindungsgemäßen Profilkontur in Wälzkolbenvakuumpumpen führt zu einer optimierten Lösung mit wesentlichen Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors oder zweier erfindungsgemäßer Rotoren nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
1 eine horizontale Schnittansicht eines zum Stand der Technik gehörenden Wälzkolbenkompressors;
2 eine Querschnittansicht eines zweibogigen antreibenden und eines zweibogigen angetriebenen Rotors des zum Stand der Technik gehörenden Wälzkolbenkompressors gemäß 1;
3a Bildung des ersten Abschnitts einer Kolbenflanke und einer Rotorlückenflanke;
3b Bildung des zweiten Abschnitts der Kolbenflanke und der Rotorlückenflanke;
3c Bildung des dritten Abschnitts der Kolbenflanke und der Rotorlückenflanke;
3d Bildung des vierten Abschnitts der Kolbenflanke und der Rotorlückenflanke;
3e Bildung des fünften Abschnitts der Kolbenflanke und der Rotorlückenflanke;
3f Bildung der Abschnitte des Kolbenkopfes und der Taille;
4 eine Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen dreiflügligen Rotor;
5 eine Querschnittsansicht durch einen erfindungsgemäßen dreiflügligen Rotor mit Aussparung für die Rotorwelle;
6a eine Querschnittsansicht eines Rotorpaares in der Nullstellung mit Berührpunkt an der Taille;
6b eine Einzelheit A der 6a;
7a eine Querschnittsansicht des Rotorpaares gemäß 4 bei einer Drehung ohne Bildung geschlossener Gasräume;
7b eine Einzelheit B der 7a;
8 eine Anordnung von zwei dreiflügligen Rotoren in einem Gehäuse mit der Darstellung der Spalte zwischen den Rotoren und der Gehäusewand.
1 zeigt einen Wälzkolbenkompressor 10, der eine Gehäusebaugruppe oder ein Kompressorgehäuse aufweist, das ein Rotorgehäuse 12, ein Getriebegehäuse G, das mit dem vorderen Ende des Rotorgehäuses 12 verbunden ist, und ein Motorgehäuse 17 aufweist.
Das Gehäuse 12 weist eine zylindrische Form auf.
Das Kompressorgehäuse weist eine Rotorkammer 11 auf, die in dem Gehäuse 12 angeordnet ist, darüber hinaus ist eine Getriebekammer 16 vorgesehen, die in dem Getriebegehäuse G angeordnet ist. In einer Motorkammer 18 ist ein Elektromotor 19 angeordnet.
Eine Antriebswelle 21 erstreckt sich von dem Elektromotor 19 in dem Kompressorgehäuse bis in das Getriebegehäuse G und dient als Drehwelle. Die Antriebswelle 21 ist in dem Kompressorgehäuse durch Lager 23 drehbar abgestützt, die jeweils in Gehäuseteilen 13, 14 abgestützt sind. Zusätzlich erstreckt sich eine Abtriebswelle 22 parallel zu der Antriebswelle 21 und dient als eine Drehwelle. Die Abtriebswelle 22 ist in dem Kompressorgehäuse durch Lager 23 drehbar abgestützt, die jeweils in den Gehäuseteilen 13, 14 des Rotorgehäuses angeordnet sind. In der Getriebekammer 16 ist ein Antriebszahnrad 25 an der Antriebswelle 21 fixiert und ein Abtriebszahnrad 26 ist an der Abtriebswelle 22 fixiert. Die Zahnräder 25, 26 greifen miteinander ein und synchronisieren die Antriebswelle 21 und die Abtriebswelle 22.
Ein Antriebsrotor 27, der als ein Rotor dient, ist an der Antriebswelle 21 in der Rotorkammer 11 angeordnet und fest montiert. Zusätzlich ist ein Abtriebsrotor 28, der auch als ein Rotor dient, an der Abtriebswelle 22 in der Rotorkammer 11 angeordnet und fest montiert.
Wie in 2 dargestellt, sind in der Rotorkammer 11, das heißt in dem Schöpfraum 11 der Rotor 27 und der Rotor 28 angeordnet. Die Rotoren 27, 28 sind als zweibogige Rotoren ausgebildet. Der Querschnitt der Rotoren ist senkrecht zu einer Achse der Antriebswelle 21 und der Abtriebswelle 22 ausgebildet. Die Form hat annähernd die Form der Ziffer ”8”. Der Antriebsrotor 27 hat zwei Bogenabschnitte 27a und zwei ausgesparte Abschnitte 27b, die jeweils zwischen den beiden Bogenabschnitten 27a ausgebildet sind. In gleicher Weise hat der Abtriebsrotor 28 zwei Bogenabschnitte 28a und zwei ausgesparte Abschnitte 28b, die jeweils zwischen den zwei Bogenabschnitten 28a ausgebildet sind.
Der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28 sind in der Rotorkammer 11 angeordnet, mit einem minimalen Abstand zwischen einer Umfangsfläche 15a der Rotorkammer 11 und der Rotoren 27 und 28. Das bedeutet, dass sich die Spitzen beziehungsweise Scheitel T der Bogenabschnitte 27a, 28a entlang den Achsen der Antriebs- und Abtriebswelle 21, 22 erstrecken und davon abgehalten werden, dass sie in direktem Gleitkontakt mit der Innenfläche 15a der Rotorkammer 11 kommen oder direkt mit ihr eingreifen. Darüber hinaus haben der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28, wenn sie miteinander eingreifen, einen minimalen Abstand a zwischen sich ausgebildet, um zu verhindern, dass sie direkt miteinander eingreifen, beziehungsweise sich behindern. In der Umfangswand 12a des Gehäuses 12 ist eine Ansaugöffnung 31a vorgesehen, damit ein Fluid durch die Ansaugöffnung 12a in die Rotorkammer 11 angesaugt werden kann. Darüber hinaus ist ein Auslassanschluss 32a vorgesehen, damit das komprimierte Fluid aus der Rotorkammer 11 austreten kann. Bei dem Betrieb des Wälzkolbenkompressors 10 wird die Antriebswelle 21 durch den Elektromotor 19 gedreht. Hierdurch wird die Abtriebswelle 22 in Gegenrichtung zu der Antriebswelle 21 durch die Eingreifbeziehung zwischen dem Antriebszahnrad 25 und dem Abtriebszahnrand 26 gedreht und der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28 werden demzufolge gedreht. Der Antriebsrotor 27 dreht in eine Richtung, die durch einen Pfeil D in 6 angezeigt ist. Der Abtriebsrotor 28 dreht in der Richtung, die durch den Pfeil C gekennzeichnet ist.
Der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28 des Wälzkolbenkompressors 10 sind so angeordnet, dass gemäß der Rotation des Antriebsrotors 27 und des Abtriebsrotors 28 ein Bogenabschnitt 27a des Abtriebsrotors 27 und ein ausgesparter Abschnitt 28b des Abtriebsrotors 28 miteinander eingreifen und ein Bogenabschnitt 28a des Abtriebsrotors 28 und ein ausgesparter Abschnitt 27b des Antriebsrotors 27 miteinander eingreifen.
Durch Drehung des Antriebsrotors 27 und des Abtriebsrotors 28 wird ein Fluid in die Rotorkammer 11 durch den Ansauganschluss 31a hindurch angesaugt und das Fluid wird in dem Raum S gefangen, der zwischen der Außenumfangsfläche des Antriebsrotors 27 oder des Abtriebsrotors 28 und der Umfangsfläche 15a der Rotorkammer 15 definiert ist. Anschließend wird das Fluid in dem Raum S gemäß der Drehung des Antriebsrotors 27 und des Abtriebsrotors 28 zu dem Auslassanschluss 32a hin weitergeleitet und wird dann aus der Rotorkammer 11 durch den Auslassanschluss 32a hindurch ausgestoßen.
Gemäß 3a bis 3f wird nun ein dreiflügliger Rotor gemäß der Erfindung genauer beschrieben.
Das Wirkprinzip ist, wie in den 1 und 2 beschrieben, lediglich, dass zwei dreiflüglige Rotoren vorgesehen sind.
3a bis 3f zeigen die gemäß der Erfindung definierten Kolbenflanken, Lückenflanken, Kopf- und Taillenabschnitte eines dreiflügligen Rotors. Die Komplettdarstellung des Rotors 30 ist in 4 gezeigt.
In den 3a bis 3f ist mit 55 ein Abwälzkreis dargestellt. Mit 56 sind Kolbenmittelachsen gekennzeichnet.
In 3a ist ein erster Evolventenflankenabschnitt 57 gezeigt, der außerhalb des Abwälzkreises 55 angeordnet ist, sowie ein erster Lückenabschnitt 59, der innerhalb des Abwälzkreises 55 angeordnet ist. Die Abschnitte 57, 59 schneiden den Abwälzkreis 55 in einem Schnittpunkt 58.
Gemäß 3b ist stetig ineinander übergehend in den Evolventenflankenabschnitt 57 ein zweiter Evolventenflankenabschnitt 60 dargestellt. Gleichfalls ist stetig ineinander übergehend in den ersten Lückenabschnitt 59 ein zweiter Lückenabschnitt 61 darstellt.
In 3c ist ein dritter Evolventenflankenabschnitt 62 sowie ein dritter Lückenabschnitt 63 dargestellt, die jeweils stetig ineinander übergehend mit den benachbarten Abschnitten 60, 61 ausgebildet sind.
Die Flankenabschnitte 57, 59, 60, 61 entsprechen den 3a und 3b.
In 3d ist zu den Abschnitten 57, 59, 60, 61, 62, 63 ein vierter Evolventenflankenabschnitt 64 sowie ein vierter Lückenabschnitt 65 hinzugekommen.
Gemäß 3e ist ein fünfter Evolventenabschnitt 66 sowie ein fünfter Lückenabschnitt 67 hinzugekommen.
In 3f ist eine gesamte Kolbenflanke 68 dargestellt, die sich aus den Evolventenabschnitten 57, 60, 62, 64, 66 und den Lückenabschnitten 59, 61, 63, 65, 67 zusammensetzt. Die einzelnen Abschnitte sind stetig ineinander übergehend ausgebildet. Der fünfte Evolventenflankenabschnitt 66 geht stetig in einen Kolbenkopfkreisabschnitt 69 über und der Lückenabschnitt 67 geht stetig in einen Taillenkreisabschnitt 70 über.
4 zeigt den Rotor 30, der drei Kolben 31, 32, 33 aufweist. Die Kolben weisen jeweils einen Kolbenkopf 34, 35, 36 auf. Angrenzend an den Kolbenkopf 34, 35, 36 sind Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 vorgesehen. Die Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 setzen sich aus Kolbenkopfflanken 37a, 38a, 39a, 40a, 41a, 42a und Rotorlückenflanken 37b, 38b, 39b, 40b, 41b, 42b zusammen. Darüber hinaus weist der Rotor 30 Taillen 43, 44, 45 auf. Die Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 erstrecken sich in einem Bereich zwischen der Rotortaille 43, 44, 45 und dem Kolbenkopf 34, 35, 36. Der Kolbenkopf 34, 35, 36 ist der Bereich der Abdichtung mit der Innenwandung 15a (in 4 nicht dargestellt) des Gehäuses 15 (in 4 nicht dargestellt). Die Lücken- und Kolbenflanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 beginnen an den Taillen 43, 44, 45 und enden an den Kolbenköpfen 34, 35, 36).
Gemäß der Erfindung werden die Kolbenkopfflanken 37a, 38a, 39a, 40a, 41a, 42a der Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 durch wenigstens zwei Evolventenabschnitte gebildet. Die Bildung der fünf Evolventenabschnitte 57, 60, 62, 64, 66 ist in den 3a bis 3e dargestellt.
Es besteht auch die Möglichkeit weniger oder mehr Evolventenabschnitte vorzusehen.
Durch die Ausbildung der Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 mittels der Evolventenabschnitte 57, 60, 62, 64, 66; 59, 61, 63, 65, 67 kann der Rotor 30 mit seinen Flanken 37, 38, 39, 40, 41, 42 derart ausgebildet werden, dass zwei benachbarte, ineinandergreifende Rotoren mit einer konstanten Spalthöhe ineinander eingreifen. Durch diese gemäß der Erfindung definierte und konstante Spalthöhe am vollen Rotorumfang wird die Pumpenleistung deutlich verbessert.
Die Kolbenköpfe 34, 35, 36 sind aus jeweils einem Kreisabschnitt gebildet mit dem Radius R, wie in 3f dargestellt. Der Mittelpunkt M der Kreisabschnitte der Kolbenköpfe 34, 35, 36 liegt in einer Mittelachse des Rotors 30, die gleichzeitig die Mittelachse der zylindrisch ausgebildeten Rotorkammer 11 bildet. Damit haben die Innenwandung 15a der Rotorkammer 11 und der Rotor 30 annähernd den gleichen Radius. Der Radius R des Rotors 30 muss geringfügig kleiner sein, damit ein Spalt zwischen Rotorkopf 34, 35, 36 und Innenwandung 15a der Rotorkammer 11 verbleibt, damit der Rotor 30 sich frei drehen kann.
Gemäß 5 weist der Rotor 30 eine Ausnehmung 52 für die Aufnahme einer Welle 53 auf.
Gemäß 6a sind die Rotoren 30, 50 in der Nullstellung mit einem Berührpunkt P an der Taille 43 dargestellt. Nur in der theoretischen Auslegung entsteht eine Berührung, für die Umsetzung in zu fertigende Teile muss von diesem Ideal abgewichen werden, und man erhält den beschriebenen Spalt.
Gemäß 7a ist ohne Weiteres zu erkennen, dass die Rotoren 30, 50 nach der Drehung um 7° in jeder Winkelstellung derart ineinander greifen, dass keine geschlossenen Räume in der Rotorlücke während der Drehbewegung ausgebildet werden. Hierdurch wird die Pumpenleistung ebenfalls deutlich verbessert.
In 6a sind Pfeile C und D dargestellt. Diese Pfeile C und D geben die Drehrichtung der Rotoren 50, 30 an.
In 6b ist eine Einzelheit der 6a gezeigt. Auch hier ist noch einmal deutlich zu erkennen, dass keine geschlossenen Räume in der Rotorlücke während der Drehbewegung ausgebildet werden.
Gemäß 7a sind die Rotoren 30, 50 um 7° gegenüber der 6a gedreht. Wie in der 7b, die eine Einzelheit der 7a darstellt, gezeigt ist, sind auch bei dieser Stellung während der Drehbewegung keine geschlossenen Räume in der Rotorlücke 38b ausgebildet.
Dies gilt für sämtliche Winkelstellungen, die die Rotoren 30, 50 relativ zueinander einnehmen können.
In 8 ist eine Ausbildung eines Spaltes Z₂ zwischen den Rotoren 30, 50 und der Innenwandung 15a der Rotorkammer 11 schematisch dargestellt. Man erkennt, dass im Bereich der Kolbenköpfe 34, 71, 72 eine flächig wirkende Spaltdichtung zwischen den Kolbenköpfen 34, 71, 72 und der Innenwandung 15a der Rotorkammer 11 ausgebildet wird. Durch diese gute radiale Abdichtung zwischen Rotor 30, 50 und Gehäuse 15 mit einer von der Kolbenflankengeometrie abhängigen Breite von im vorliegenden Beispiel von vorteilhaft 15° erzielt der erfindungsgemäße Rotor 30, 50 eine deutliche Verbesserung der Pumpenleistung.
Mit A_W ist der Pumpenwellenabstand bezeichnet.
Der Spalt Z₂ zwischen dem Rotorkopf 30 und der Innenwandung 15a des Gehäuses 15 sowie der Spalt Z₁ zwischen den Rotoren 30, 50 ist konstant ausgebildet, unabhängig von der Stellung der Rotoren 30, 50 zueinander. Ursprungskonturen 80 der Rotoren 30, 50 sowie Innenäquidistante 81 der Ursprungskonturen 80 nach einer Bearbeitung sind in 8 ebenfalls dargestellt.
Bezugszeichenliste

10: Wälzkolbenkompressor
11: Rotorkammer
12: Rotorgehäuse
12a: zylindrische Umfangswand
13: Gehäuseteil
14: Gehäuseteil
15: Gehäuse
15a: Umfangsfläche der Rotorkammer 15
16: Getriebekammer
17: Motorgehäuse
18: Motorkammer
19: Elektromotor
21: Antriebswelle
22: Abtriebswelle
23: Lager
25: Antriebszahnrad
26: Abtriebszahnrad
27: Antriebsrotor
27a: Bogenabschnitte
27b: Taillen
28: Abtriebsrotor
28a: Bogenabschnitte
28b: Taillen
30: Rotor
31: Kolben
31a: Ansauganschluss
32: Kolben
32a: Auslassanschluss
33: Kolben
34: Kolbenkopf
35: Kolbenkopf
36: Kolbenkopf
37: Flanke
37a: Kolbenkopfflanke
37b: Rotorlückenflanke
38: Flanke
38a: Kolbenkopfflanke
38b: Rotorlückenflanke
39: Flanke
39a: Kolbenkopfflanke
39b: Rotorlückenflanke
40: Flanke
40a: Kolbenkopfflanke
40b: Rotorlückenflanke
41: Flanke
41a: Kolbenkopfflanke
41b: Rotorlückenflanke
42: Flanke
42a: Kolbenkopfflanke
42b: Rotorlückenflanke
43: Taille
44: Taille
45: Taille
50: Rotor
52: Ausnehmung
53: Welle
55: Abwälzkreis
56: Kolbenmittelachsen
57: Evolventenflankenabschnitt
58: Schnittpunkt
59: Lückenabschnitt
60: Evolventenflankenabschnitt
61: Lückenabschnitt
62: Evolventenflankenabschnitt
63: Lückenabschnitt
64: Evolventenflankenabschnitt
65: Lückenabschnitt
66: Evolventenflankenabschnitt
67: Lückenabschnitt
68: Kolbenflanke
69: Kolbenkopfkreisabschnitt
70: Taillenkreisabschnitt
71: Kolbenkopf
72: Kolbenkopf
80: Ursprungskonturen Rotor
81: Innenäquidistante der Ursprungskonturen
C: Rotordrehrichtungspfeil
D: Rotordrehrichtungspfeil
A_W: Pumpenwellenabstand
G: Getriebegehäuse
r: Radius Abwälzkreis
R: Radius Kolbenkopf
M: Mittelpunkt
P: Berührpunkt
S: Rotorkammer oder Schöpfraum
T: Scheitel
Z₁: Spalt zwischen Rotorkopf und Gehäusewand
Z₂: Spalt zwischen den Rotoren

Claims

Wälzkolbenvakuumpumpe mit zwei Rotoren, die auf einem Paar paralleler Drehwellen angeordnet sind, bei der die Drehwellen durch ein Gehäuse abgestützt sind, bei der jeder Rotor wenigstens zwei Kolben aufweist, bei der jeder Kolben einen Kolbenkopf und zwei an dem Kolbenkopf angrenzende Kolbenflanken aufweist, und bei der zwischen den Kolben jeweils eine Taille und an der Taille angrenzende Rotorlückenflanken angeordnet sind, und bei der die Rotorlückenflanken und die Kolbenflanken angrenzend ausgebildet sind, wobei die Rotoren miteinander eingreifend ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittskontur der Kolbenflanken (37a, 38a, 39a, 40a, 41a, 42a) und/oder Rotorlückenflanken (37b, 38b, 39b, 40b, 41b, 42b) aus wenigstens zwei Evolventenabschnitten (57, 60, 62, 64, 66, 65; 59, 61, 63, 65, 67) gebildet ist, dass die wenigstens zwei Evolventenabschnitte (57, 60, 62, 64, 66; 59, 61, 63, 65, 67) stetig ineinander übergehend ausgebildet sind, und dass der an dem Kolbenkopf (34, 35, 36) angrenzende Evolventenabschnitt (66) stetig in den Kolbenkopf (34, 35, 36) und der an der Taille (43, 44, 45) angrenzende Rotorlückenabschnitt (67) stetig in die Taille (43, 44, 45) ineinander übergehend ausgebildet sind.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Rotorlückenflanken (37b, 38b, 39b, 40b, 41b, 42b) aus einhüllenden Kurven der Kolbenflanken (37a, 38a, 39a, 40a, 41a, 42a) gebildet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkopf (34, 35, 36) im Querschnitt kreisabschnittsförmig ausgebildet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittelpunkt (M) des Kreisabschnittes des Kolbenkopfes (34, 35, 36) in einer Mittelachse der zylindrisch ausgebildeten Rotorkammer (11) angeordnet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Evolventenabschnitt (57, 59) der Kolbenflanke (37a, 38a, 39a, 40a, 41a, 42a,) oder ein erster Evolventenabschnitt der Rotorlückenflanke (37b, 38b, 39b, 40b, 41b, 42b) an einem Abwälzkreis (55) des Rotors (30) beginnend ausgebildet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vier bis sechs Evolventenabschnitte (57, 60, 62, 64, 66; 59, 61, 63, 65, 67) vorgesehen sind.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Rotoren (30, 50) während des Eingreifens des Kolbenkopfes (34, 35, 36) des ersten Rotors (30) in die Taille des benachbarten Rotors (50) zwischen dem Kolbenkopf (34, 35, 36) und der Taille eine konstante Spalthöhe ausgebildet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Kolbenköpfen (34, 35, 36) der Rotoren (30, 50) und dem die Rotoren (30, 50) umgebenden Gehäuse (15a) der Rotorkammer (11) während eines Zeitraumes der Abdichtung eine konstante Spalthöhe zwischen dem jeweiligen Kolbenkopf (34, 35, 36) und dem Gehäuse (15) der Rotorkammer (11) ausgebildet ist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkolbenvakuumpumpe zwei Rotoren (30, 50) mit jeweils mindestens zwei Kolben aufweist.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorlücke und die Taille (43, 44, 45) des Rotors (30, 50) durch eine einhüllende Kurve einer Abwälzung der Kurven der Flanken (37, 38, 39, 40, 41, 42) und des Kolbenkopfes (34, 35, 36) definiert sind.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (30, 50) eine Ausnehmung (52) für die Aufnahme jeweils ei- ner Welle (53) aufweisen oder als Teil der Welle (53) ausgebildet sind.
Wälzkolbenvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (30, 50) jeweils fest an den Wellen (53) montiert sind.