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Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit einem Gehäuse mit einem Ansaugflansch und einem Ausstoßflansch.
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Aus der Praxis sind Wälzkolbenvakuumpumpen bekannt. In Wälzkolbenpumpen drehen sich zwei gegenläufig synchron laufende Rotoren berührungslos in einem Gehäuse. Die Rotoren können die Form einer ”8” haben und sind voneinander und vom Stator durch einen engen Spalt getrennt. Das geförderte Gas wird von einer Ansaugöffnung zu einer Auslassöffnung transportiert.
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Eine Welle wird durch einen Motor angetrieben. Die Synchronisation der anderen Welle erfolgt über ein Zahnradpaar in einem Getrieberaum. Die Schmierung beschränkt sich auf den von einem Schöpfraum durch Dichtelemente abgetrennten Getrieberaum.
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Da im Schöpfraum keine Reibung auftritt, kann eine Wälzkolbenpumpe mit hoher Drehzahl bis zu 9.000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Die symmetrische Massenverteilung der Rotoren um die Wellenachse erlaubt zudem eine einwandfreie dynamische Auswuchtung, so dass die Pumpe trotz hoher Drehzahl sehr ruhig läuft.
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Die Lager der Rotorwellen sind in zwei Seitenteilen, den Lagerschilden, des Gehäuses angeordnet. Auf der einen Seite sind die Lager vorteilhaft als Festlager, auf der anderen als Loslager ausgeführt, um die ungleichen Wärmedehnungen zwischen Gehäuse und Kolben zu ermöglichen. Die Schmierung der Lager und Zahnräder erfolgt üblicherweise mit Öl. Die Durchführung der Antriebswelle nach außen wird bei den Standardausführungen mit Sperröl überlagerten Radialwellendichtringen abgedichtet. Zum Schutz der Welle können die Dichtringe auf einer Schonbuchse, die bei Verschleiß ausgewechselt werden kann, laufen.
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Im kontinuierlichen Betrieb und für konstante Bedingungen stellt sich ein Gleichgewicht für eingebrachte Leistung und Abwärme ein. Die verschiedenen Komponenten der Wälzkolbenvakuumpumpe, deren Längenausdehnung von der Temperatur abhängt, weisen in diesem Zustand eine gleichbleibende Spaltgröße zwischen den Teilen auf. Die Spaltgröße zwischen pumpwirksamen Rotor und unbewegten Gehäusebauteilen sind dabei von besonderer Bedeutung für die Betriebssicherheit dieser Pumpe.
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In Ausnahmefällen können die Teile, beispielsweise in Folge von Verunreinigungen oder schnellen Temperaturänderungen, gegeneinander schlagen. Die dann entstehenden Kräfte müssen von den Gehäuse bildenden Komponenten und den dazugehörigen Befestigungselementen aufgenommen werden.
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Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Wälzkolbenvakuumpumpe anzugeben, die ein Gehäuse aufweist, welches im Falle eines Crashs im Pumpeninneren gewährleistet, dass die Gehäusebauteile zusammenhalten.
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Dieses technische Problem wird durch eine Wälzkolbenvakuumpumpe mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Wälzkolbenvakuumpumpe mit einem Gehäuse mit wenigstens zwei Gehäuseteilen, bei der die Gehäuseteile mittels einer Mehrzahl von Schrauben lösbar fest miteinander verbunden sind, zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine Schraube als Schraube mit einer Festigkeitsklasse von 8.8 oder höher ausgebildet ist.
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Die Festigkeitsklasse bei Schrauben besteht aus zwei Zahlen, die durch einen Punkt getrennt werden. Die Zahl links entspricht 1/100 der Nennzugfestigkeit Rm in MPa (Mega-Pascal).
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Die Zahl rechts vom Punkt gibt das Zehnfache des Verhältnisses zwischen Streckgrenze Re und Zugfestigkeit Rm (Streckgrenzenverhältnis) an. Daraus ergeben sich beispielsweise folgende Werte: 0,6/0,8/0,9. Diese Verhältniszahlen werden mit 10 multipliziert und ergeben dann den Wert nach dem Punkt.
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Zum Beispiel weist eine Schraube mit der Zugfestigkeit Rm = 1.000 MPa und einem Streckgrenzenverhältnis von 0,9 eine Festigkeitsklasse 10.9 auf.
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Die Ermittlung der Festigkeitsklasse erfolgt also folgendermaßen:
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Zugfestigkeit
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Streckgrenze
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Re: (1. Zahl × 100) × (2. Zahl ÷ 10)
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Für eine Schraube mit der Festigkeitsklasse 10.9 gilt damit Zugfestigkeit Rm: 10 × 100 = 1.000 MPa Streckgrenze Re: (10 × 100) × (9 ÷ 10) = 1.000 × 0,9 = 900 MPa
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Schrauben mit einer Festigkeitsklasse von mehr als 8.8 werden auch als hochfeste Schrauben bezeichnet.
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Üblicherweise ist der Aufbau eines Gehäuses einer Wälzkolbenvakuumpumpe derart, dass an das Pumpengehäuse Lagerschilde und anschließend eine Kappe oder ein Deckel angeschraubt werden. Im Crashfall entstehen hohe Kräfte und Momente, die in verschiedene Richtungen wirken.
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Schrauben nehmen hierbei die axiale Belastung auf. Die Schrauben sind jedoch empfindlich gegenüber Abscherung. Die Gewindegänge wirken im Bereich oder Trennebenen wie Sollbruchstellen.
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Werden die Schrauben als hochfeste Schrauben gemäß der Erfindung ausgebildet mit einer Festigkeitsklasse von 8.8 oder höher, halten die Schrauben deutlich größeren Belastungen, beispielsweise Querkräften stand, so dass hierdurch das sogenannte Containment, das heißt, das zusammenhalten der Gehäusebauteile besser gewährleistet wird.
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Vorteilhaft ist die wenigstens eine Schraube als Schraube mit einer Festigkeitsklasse von 10.9 oder höher ausgebildet. Hierdurch wird die erfindungsgemäße Aufgabe, das Containment, nämlich das Zusammenhalten der Gehäusebauteile zu gewährleisten, noch besser gelöst.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens zwei Gehäusebauteile mit den Schrauben mit einem Schraubenanzugsmoment von wenigstens 80 Nm (Newtonmeter) miteinander verbunden sind.
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Durch dieses erhöhte Schraubenanzugsmoment wird gewährleistet, dass eine hohe Reibung zwischen den Gehäusebauteilen vorhanden ist. Hierdurch wird die Energie aus Querbelastungen auf einen längeren Zeitraum gestreckt aufgezehrt. Lastspitzen werden ”geglättet”, so dass die Gefahr des Abscherens der Schrauben verringert wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in Verbindungsebenen der wenigstens zwei Gehäuseteile wenigstens ein Zylinderstift vorgesehen ist.
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Zylinderstifte nehmen Querkräfte auf und verhindern somit das Abscheren der Schrauben. Dadurch dass die Zylinderstifte kein Gewinde aufweisen, sind bei den Zylinderstiften keine Sollbruchstellen vorhanden, so dass die Zylinderstifte große Querkräfte oder Scherkräfte aufnehmen können.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der wenigstens eine Zylinderstift als ein in Bohrungen benachbarter Gehäuseteile angeordneter Zylinderstift ausgebildet. Das bedeutet, dass zwei benachbarte Gehäuseteile Bohrungen aufweisen, die deckungsgleiche Öffnungen aufweisen. Die Gehäusebauteile weisen wenigstens ein Paar dieser miteinander korrespondierenden Bohrungen auf, so dass der Zylinderstift in diesem wenigstens einem Bohrungspaar angeordnet werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Zylinderstift eine Festigkeitsklasse von gleich oder weniger als 8.8 auf. Das bedeutet, dass die Zylinderstifte vorteilhaft nicht hochfest sind, sondern eher zäh. Die Zylinderstifte sind demgemäß vorteilhaft nicht gehärtet ausgeführt. Hierdurch nehmen die Zylinderstifte die Querkräfte besser auf.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist wenigstens eine Schraube durch einen Zylinderstift ersetzt, wobei maximal n – 3 Schrauben durch Zylinderstifte ersetzt sind, wobei n die Anzahl der Schrauben zur Befestigung eines Gehäuseteiles an einem anderen Gehäuseteil ist.
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Das bedeutet, dass zur Befestigung des Gehäuseteiles mindestens drei Schrauben vorhanden sind. Die Schrauben werden benötigt, um die notwendige Vorspannung mit einem Anzugsmoment von beispielsweise wenigstens 80 Nm oder auch über 140 Nm zu erzielen, so dass bevorzugt ein Großteil der Anzahl der Schrauben verwendet wird. Dennoch ist es möglich, einen Teil der Schrauben durch Zylinderstifte zu ersetzen und somit Querkräfte durch die Zylinderstifte aufzunehmen.
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Vorteilhaft sind die Gehäuseteile der Wälzkolbenvakuumpumpe aus dem Pumpengehäuse und/oder wenigstens einem Lagerschild und/oder wenigstens einem Deckel gebildet.
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Das Pumpengehäuse nimmt die Kolben auf und bildet den sogenannten Schöpfraum.
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Das wenigstens eine Lagerschild trägt die Lager, mit denen die Welle, die wiederum die Kolben trägt, drehbar gelagert ist. Der wenigstens eine Deckel schließt das Pumpengehäuse lagerschildseitig vakuumdicht und/oder fluiddicht ab.
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Das Pumpengehäuse, welches die Wälzkolben aufnimmt, kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Ist es mehrteilig ausgebildet, werden diese Teile des Pumpengehäuses vorteilhaft ebenfalls mit Schrauben mit einer Festigkeitsklasse von 8.8 oder höher miteinander verbunden. Zusätzlich kann die Anordnung von Zylinderstiften vorgesehen sein.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Schrauben in einer Schraubenbuchse angeordnet sind und dass die Schraubenbuchse in einer Bohrung eines Gehäuseteiles oder in zwei gegenüberliegenden Bohrungen von zwei zu verbindenden Gehäuseteilen angeordnet ist. Durch die Ausführungsform mit einer Schraubenbuchse können diese Buchsen zusätzlich Scherkräfte aufnehmen, wodurch das Zusammenhalten der Gehäuseteile im Crashfall noch besser gewährleistet ist.
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Es besteht auch die Möglichkeit, Durchgangsbohrungen zur Aufnahme der Schrauben aufzuweiten oder anzupassen, das heißt, diese können konisch oder abgestuft ausgebildet sein. Hierdurch werden mehr Querbewegungen ohne ein Abscheren der Schrauben ermöglicht, wobei die axiale Vorspannung erhalten bleibt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Passungen der Zylinderstifte in den Bohrungen kleiner als das Spiel zwischen der wenigstens einen Schraube und der die Schraube aufnehmenden Bohrungen. Auch hierdurch ist gewährleistet, dass im Crashfall als erstes die Zylinderstifte die Querkräfte aufnehmen. Nach einem Verformen oder teilweisen Verformen dieser Zylinderstifte greifen die Querkräfte an den Schrauben an.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass für die Anordnung jedes Lagerschildes und/oder jeden Deckels zwei Schwerspannstifte vorgesehen sind. Die Schwerspannstifte dienen der Ausrichtung des Lagerschildes zum Gehäuse. Üblicherweise erfolgt nach der Ausrichtung des Lagerschildes die Fixierung mit Schrauben. Diese Schwerspannstifte nehmen zusätzlich Querkräfte auf.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spiel von den Schrauben zu den Zylinderstiften zu den Schwerspannstiften in ihren jeweiligen Bohrungen abnehmend ausgebildet ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass als erstes die Schwerspannstifte Querkräfte aufnehmen. Als nächstes greifen die Querkräfte an den Zylinderstiften an und als letztes greifen die Querkräfte an den Schrauben an.
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Durch diese Ausführungsform wird die Belastungsspitze (Peak) der auftretenden Kräfte im Falle eines Crashs gestreckt, so dass ein Zusammenhalten der Gehäusebauteile gewährleistet ist.
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Der Aufbau des Gehäuses der Wälzkolbenvakuumpumpe ist vorteilhaft derart, dass das wenigstens eine Lagerschild mit dem Pumpengehäuse verschraubt ausgebildet ist. Vorzugsweise ist ein Deckel gegen das Lagerschild geschraubt, um einen vakuumdichten oder fluiddichten Abschluss zu bilden. Diese Gehäuseteile sind gemäß der Erfindung mit wenigstens einer Schraube miteinander verbunden, die eine Festigkeitsklasse von 8.8 oder höher aufweist. Grundsätzlich ist es möglich, dass Schrauben mit unterschiedlichen Festigkeitsklassen zum Verbinden der Gehäuseteile vorgesehen sind, das bedeutet, dass wenigstens eine Schraube mit einer Festigkeitsklasse von 8.8 oder höher ausgebildet ist, dass weitere Schrauben jedoch mit einer niedrigeren Festigkeitsklasse ausgebildet sein können.
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Die Erfindung geht davon aus, dass es vorteilhaft ist, die Bewegungsenergie aufzuzehren und Belastungsspitzen über einen verlängerten Zeitraum abzufedern.
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Im Crashfall treten üblicherweise plastische Verformungen von Lagerschild und Deckel und/oder Kappe auf.
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Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, einen Spezialguss zu verwenden, der höheren Kräften standhält. Es besteht auch die Möglichkeit, die Gehäuseteile verzahnend ineinandergreifen zu lassen, um durch diese Ausbildung auftretende Querkräfte aufzunehmen.
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Es besteht auch die Möglichkeit, anstelle von Schrauben und/oder Zylinderstiften oder zusätzlich zu Schrauben und/oder Zylinderstiften scheibenförmige Bauteile zwischen den Gehäuseteilen anzuordnen. Die scheibenförmigen Bauteile weise größere Durchmesser als die Zylinderstifte auf und können deshalb größere Querkräfte aufnehmen.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe nur beispielhaft dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:
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1 ein Gehäuse einer Wälzkolbenvakuumpumpe in perspektivischer Ansicht;
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2 ein Lagerschild in Draufsicht;
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3 einen Querschnitt eines zweibogigen antreibenden und eines zweibogigen angetriebenen Rotors einer zum Stand der Technik gehörenden Wälzkolbenvakuumpumpe.
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1 zeigt eine Wälzkolbenvakuumpumpe 1 mit einem ersten Gehäusebauteil 2, dem eigentlichen Pumpengehäuse, welches Kolben (nicht dargestellt) der Wälzkolbenvakuumpumpe 1 aufnimmt.
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Die Wälzkolbenvakuumpumpe 1 weist darüber hinaus als weiteres Gehäuseteil ein Lagerschild 3 auf sowie einen Deckel 4. Das Lagerschild 3 ist mit Schrauben 5 an dem Pumpengehäuse 2 befestigt. Der Deckel 4 ist mit Schrauben 6 an dem Lagerschild 3 angeordnet.
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Das Gehäuse der Wälzkolbenvakuumpumpe 1 weist einen Ansaugflansch 33 und einen Ausstoßflansch 34 auf. Der Ausstoßflansch 34 ist mit Schrauben 35 an dem Gehäuse befestigt.
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Das Lagerschild 2 ist in 2 dargestellt. Das Lagerschild 2 ist mit sechs Schrauben 5 an dem Pumpengehäuse 2 (nicht dargestellt) befestigt. Die Schrauben 5 sind als sogenannte hochfeste Schrauben mit einer Festigkeitsklasse von 12.9 ausgebildet.
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Darüber hinaus sind vier Zylinderstifte 7 vorgesehen, die in einem Crashfall ebenfalls Querkräfte aufnehmen. Weiterhin sind zwei Schwerspannstifte 8 vorgesehen, die der Zentrierung des Lagerschildes dienen und Belastungsspitzen bei Querkräften dämpfen.
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Das Lagerschild weist zwei Öffnungen 9 für die Durchführung von Wellen (nicht dargestellt) auf.
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Anstelle der Zylinderstifte 7 können auch Scheiben mit einem größeren Durchmesser als der Durchmesser der Zylinderstifte vorgesehen sein. Bei den Zylinderstiften 7 ist der Durchmesser kleiner als die Länge der Zylinderstifte 7. Bei den Scheiben ist der Durchmesser größer als die Länge der Scheiben.
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Wie in 3 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. Der Antriebsrotor 27 wird von einem Motor (nicht dargestellt) angetrieben. Der Abtriebsrotor 28 ist über ein Getriebe (nicht dargestellt) mit dem Antriebsrotor 27 synchronisiert.
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Die Form der Rotoren 27, 28 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.
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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 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 31a in die Rotorkammer 11 (Schöpfraum) angesaugt werden kann. Darüber hinaus ist ein Auslassanschluss 32a vorgesehen, damit das komprimierte Fluid aus der Rotorkammer 11 austreten kann. Bei dem Betrieb der Wälzkolbenvakuumpumpe 10 wird die Antriebswelle 21 durch einen Elektromotor (nicht dargestellt) gedreht. Hierdurch wird die Abtriebswelle 22 in Gegenrichtung zu der Antriebswelle 21 durch die Eingreifbeziehung zwischen einem Antriebszahnrad und einem Abtriebszahnrand gedreht und der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28 werden demzufolge gedreht.
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Der Antriebsrotor 27 und der Abtriebsrotor 28 der Wälzkolbenvakuumpumpe 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.
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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 Abtriebsrotors 28 und der Umfangsfläche 15a des Gehäuses 15 der Rotorkammer 11 definiert ist, in der in 3 dargestellten Stellung der Rotoren 27, 28. 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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wälzkolbenvakuumpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Lagerschild
- 4
- Deckel
- 5
- Schrauben
- 6
- Schrauben
- 7
- Zylinderstifte
- 8
- Schwerspannstifte
- 9
- Bohrungen
- 10
- Wälzkolbenvakuumpumpe
- 11
- Rotorkammer (Schöpfraum)
- 12
- Rotorgehäuse
- 12a
- zylindrische Umfangswand
- 15
- Gehäuse
- 15a
- Umfangsfläche der Rotorkammer 15
- 21
- Antriebswelle
- 22
- Abtriebswelle
- 27
- Antriebsrotor
- 27a
- Bogenabschnitte
- 27b
- Taillen
- 28
- Abtriebsrotor
- 28a
- Bogenabschnitte
- 28b
- Taillen
- 31a
- Ansauganschluss
- 32a
- Auslassanschluss
- 33
- Ansaugflansch
- 34
- Ausstoßflansch
- 35
- Schrauben
- S
- Raum (Teil des Schöpfraumes)
- T
- Scheitel
