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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, die als Vorvakuumpumpe in einer Vakuumanlage verwendet werden kann und die einen Stator, der einen Arbeitsraum der Vakuumpumpe umschließt, und einen in dem Arbeitsraum angeordneten Rotor umfasst. Der Rotor weist eine Drehachse, einen Grundkörper und zumindest zwei an dem Grundkörper beweglich angeordnete Flügelelemente auf.
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Zu solchen Vakuumpumpen gehören Drehschieber-Vakuumpumpen, die auch als Flügelzellen-Vakuumpumpen bezeichnet werden und die schon seit langer Zeit in Vakuumanlagen verwendet werden, um ein Vorvakuum bzw. Feinvakuum (d.h. bis zu einem minimalen Druck von 10-3 mbar) beispielsweise für den Betrieb einer Turbomolekularpumpe bereitzustellen. Dabei stößt die Drehschieber-Vakuumpumpe gegen Atmosphärendruck aus.
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Eine typische Drehschieber-Vakuumpumpe weist mindestens zwei Schieber oder Flügel auf, die in Aussparungen des Rotors der Drehschieber-Vakuumpumpe angeordnet sind und mittels mechanischer Federn gegen eine Innenwand eines Gehäuses bzw. Stators der Drehschieber-Vakuumpumpe gepresst werden. Dadurch bilden die Schieber zusammen mit dem Gehäuse innerhalb eines Arbeitsraums mindestens zwei Teil- oder Schöpfräume der Drehschieber-Vakuumpumpe.
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Die Drehachse des Rotors der Drehschieber-Vakuumpumpe ist bezüglich des Gehäuses und bezüglich des gesamten Arbeitsraums der Vakuumpumpe exzentrisch angeordnet. Dadurch bewegt sich bei einer Drehung des Rotors jeweils einer der Schieber innerhalb des Rotors radial nach außen, und es vergrößert sich während einer Ansaugphase ein Ansaugvolumen, das durch den Schieber und den Stator bzw. das Gehäuse der Drehschieber-Vakuumpumpe gebildet wird. In der sich anschließenden Kompressions- und Ausstoßphase wird das Ansaugvolumen aufgrund der exzentrischen Anordnung des Rotors innerhalb des Stators zu einem Auslassvolumen verkleinert, da der entsprechende Schieber an der Innenwand des Stators entlanggleitet und sich innerhalb des Rotors gegen die Kraft der entsprechenden mechanischen Feder radial nach innen bewegt.
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Aufgrund der exzentrischen Anordnung des Rotors werden insbesondere während der Kompressionsphase Kräfte in radialer Richtung auf eine Seite einer Rotorwelle ausgeübt, die durch entsprechende Gleitlager der Rotorwelle aufgenommen werden müssen. Da der Betrag dieser Kräfte darüber hinaus in unterschiedlichen Druckbereichen, in denen die Drehschieber-Vakuumpumpe arbeitet, unterschiedlich ist, ist es bei herkömmlichen Drehschieber-Vakuumpumpen schwierig, eine geeignete Gleitlagerung zu konstruieren, die in sämtlichen relevanten Druckbereichen gut arbeitet.
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Ein weiterer Nachteil herkömmlicher Drehschieber-Vakuumpumpen besteht in der Verwendung der mechanischen Federn, die ein ungleichmäßiges Anpressen der Schieber gegen den Stator bewirken können. Darüber hinaus sind die mechanischen Federn einer Abnutzung unterworfen, welche die Lebensdauer der Drehschieber-Vakuumpumpe begrenzt.
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Schließlich sind herkömmliche Drehschieber-Vakuumpumpen inflexibel bezüglich der Konstruktion. Es hat sich herausgestellt, dass bei einer Änderung der Anforderungen bezüglich des Saugvermögens und/oder bezüglich der Anzahl der notwendigen Pumpstufen in den meisten Fällen eine Neukonstruktion einer passenden Drehschieber-Vakuumpumpe erforderlich ist.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Vakuumpumpe der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass geringere Anforderungen an die Lagerung eines Rotors der Vakuumpumpe bestehen. Darüber hinaus soll die Vakuumpumpe weniger anfällig gegenüber Verschleiß sein und eine flexible Veränderung der Konstruktion zulassen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und insbesondere dadurch, dass ein Arbeitsraum der Vakuumpumpe, die einen den Arbeitsraum umschließenden Stator und einen im Arbeitsraum angeordneten Rotor umfasst, nicht rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Der Rotor der Vakuumpumpe weist eine Drehachse, einen Grundkörper und zumindest zwei an dem Grundkörper beweglich angeordnete Flügelelemente auf.
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Anstelle der exzentrischen Anordnung eines Rotors bei herkömmlichen Flügelzellen-Vakuumpumpen ist somit erfindungsgemäß die nicht rotationssymmetrische Ausbildung des Arbeitsraums vorgesehen. Da die Asymmetrie somit von dem Rotor als beweglichem Element auf die Form des Stators verlagert ist, lässt sich die Lagerung des Rotors auf einfachere Weise als bei herkömmlichen Flügelzellen-Vakuumpumpen realisieren, da eine symmetrische Anordnung des Rotors innerhalb eines Gehäuses der Vakuumpumpe möglich ist.
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Bei einer symmetrischen Anordnung des Rotors wirken während des Betriebs der Vakuumpumpe im Vergleich zu einer exzentrischen Anordnung geringere Kräfte auf den Rotor bzw. eine Welle des Rotors. Bei einer geeigneten Ausgestaltung des Arbeitsraums können sich zudem entgegengesetzte Kräfte bzw. Kräftepaare gegenseitig kompensieren. Dadurch wird der Verschleiß innerhalb der Lagerung des Rotors verringert.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und in den Zeichnungen angegeben.
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Gemäß einer Ausführungsform verläuft die Drehachse des Rotors durch den Schwerpunkt des Arbeitsraums, und der Grundkörper des Rotors ist bezüglich der Drehachse zentriert angeordnet. Bei einer solchen Anordnung des Rotors bezüglich des Arbeitsraums bzw. bezüglich des Schwerpunkts werden die Kräfte, die während des Betriebs der Vakuumpumpe auf den Rotor wirken, in besonderem Maß verringert, da sich entgegengesetzte Kräfte bzw. Kräftepaare aufgrund der Ausrichtung der Drehachse bezüglich des Schwerpunkts des Arbeitsraums gegenseitig kompensieren.
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Bevorzugt unterteilen die Flügelelemente den Arbeitsraum derart, dass der Arbeitsraum zumindest zwei Ansaug- und zwei Ausstoßräume definiert. Beispielsweise bilden zumindest je ein Ansaug- und ein Ausstoßraum eine Pumpeinheit. Zwischen den genannten Räumen können weitere Räume liegen. Die Räume (Teilräume) befinden sich zwischen den Flügelelementen und werden bei einem Betrieb der Vakuumpumpe um die Drehachse des Rotors herum verschoben, wobei ihr Volumen aufgrund der Asymmetrie des Arbeitsraums zunächst vergrößert (Ansaugen) und anschließend verkleinert wird (Komprimieren und Ausstoßen).
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Drehschieber-Vakuumpumpe sind die Ansaug- und Ausstoßräume bei dieser Ausführungsform jeweils doppelt vorhanden. Dadurch vergrößert sich das Saugvermögen der Vakuumpumpe. Durch das paarweise Vorhandensein der Ansaug- und Ausstoßräume (d.h. von zwei Pumpeinheiten) lässt sich ferner eine gleichmäßige Verteilung der Kräfte um den Umfang des Rotors herum erreichen, und zwar insbesondere dann, wenn die Pumpeinheiten relativ zu der Drehachse des Rotors einander gegenüberliegend angeordnet sind.
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Damit bei dieser Ausführungsform während des Betriebs der Vakuumpumpe keine direkte Verbindung zwischen einem der Ansaugräume und einem der Ausstoßräume auftreten kann (vakuumtechnischer Kurzschluss), sind die Flügelelemente vorzugsweise derart an dem Grundkörper des Rotors angeordnet, dass sich stets ein Flügelelement zwischen einem jeweiligen Ansaugraum und einem jeweiligen Ausstoßraum derselben Pumpeinheit befindet und diese Räume vakuumtechnisch gegeneinander isoliert bzw. abgedichtet werden. Dabei sind insbesondere mindestens vier Flügelelemente vorhanden, wobei zwei in Drehrichtung aufeinanderfolgende Flügelelemente bevorzugt rechtwinklig zueinander angeordnet sind.
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Vorzugsweise ist zwischen benachbarten Pumpeinheiten zumindest ein Kontaktbereich vorhanden, in dem der Grundkörper des Rotors an einer Innenfläche des Stators insbesondere dichtend anliegt. Bei dieser Ausgestaltung kann der Rotor im Arbeitsraum an der Innenfläche des Stators (unterstützend) gelagert und somit sozusagen „selbstlagernd“ im Arbeitsraum angeordnet sein, so dass die Anforderungen an die Lagerung des Rotors weiter verringert werden. Aufwendige Gleitlager an den Enden einer Rotorwelle können im Extremfall sogar entfallen. Insbesondere weist der Stator dabei zumindest einen Kanal auf, mittels welchem dem Kontaktbereich ein Schmiermittel zuführbar ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch als eigenständige Erfindung beansprucht wird, weist die Vakuumpumpe eine hydraulische Anpresseinrichtung auf, mit welcher die Flügelelemente radial gegen eine Innenfläche des Arbeitsraums gepresst werden. Aufgrund der hydraulischen Anpresseinrichtung benötigt die Vakuumpumpe keine mechanischen Elemente, wie beispielsweise Federn, zum Pressen der Flügelelemente gegen die Innenfläche des Arbeitsraums. Dadurch wird der Verschleiß der Vakuumpumpe verringert, dem mechanische Elemente zwangsläufig ausgesetzt sind.
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Vorzugsweise umfasst die Anpresseinrichtung zumindest zwei Aussparungen des Grundkörpers, in denen jeweils eines der Flügelelemente angeordnet ist, wobei die Aussparungen hydraulisch miteinander verbunden sind. Dabei müssen jedoch nicht alle Aussparungen hydraulisch miteinander verbunden sein. Es genügt, wenn jeweils nur ein Teil der Aussparungen oder sogar nur jeweils zwei Aussparungen miteinander verbunden sind. Bei einer Drehung des Rotors der Vakuumpumpe bewirkt die Bewegung der Flügelelemente entlang der Innenfläche des Arbeitsraums, dass ein oder mehrere Flügelelemente in die jeweilige Aussparung hinein verschoben werden und aufgrund der hydraulischen Verbindung der Aussparungen die Flügelelemente, die sich in den hydraulisch verbundenen Aussparungen befinden, aus den entsprechenden Aussparungen heraus in Richtung der Innenfläche des Arbeitsraums verschoben und gegen diese gepresst werden. Dadurch stehen die Enden der Flügelelemente stets mit der Innenfläche in Berührung. Insbesondere sind die Aussparungen über einen Kanal im Inneren des Grundkörpers miteinander verbunden, der mit einem Fluid gefüllt ist.
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Die Vakuumpumpe weist vorzugsweise eine erste und eine zweite Seitenplatte auf, zwischen denen der Stator angeordnet ist und die den Arbeitsraum begrenzen, insbesondere in axialer Richtung. Dabei weisen die erste und/oder die zweite Seitenplatte jeweils einen Fluidraum auf, der mit den Aussparungen des Grundkörpers und mit einem Fluidreservoir in Verbindung steht. Mittels des Fluidraums und dessen Verbindung zum Fluidreservoir wird somit sichergestellt, dass die hydraulische Anpresseinrichtung mit einer ausreichenden Menge an Fluid versorgt ist, um die Flügelelemente mit einer ausreichenden Kraft gegen die Innenfläche des Arbeitsraums zu pressen. Da die erste und die zweite Seitenplatte bei einem Ausführungsbeispiel den Stator auf beiden Seiten abschließen, um den Arbeitsraum zu bilden, weist die Vakuumpumpe vorteilhafterweise einen modularen Aufbau auf, wobei ein pumpaktives Modul zwei Seitenplatten, einen Stator und einen Rotor mit Flügelelementen umfasst. Außerdem wird die Konstruktion des Rotors vereinfacht, da sich die jeweiligen Fluidräume und die Verbindung zum Fluidreservoir in den Seitenplatten und nicht im Rotor befinden.
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Die erste und/oder die zweite Seitenplatte weisen bevorzugt an ihrer jeweils dem Fluidraum abgewandten Seite zumindest einen Kanal auf, der mit dem Fluidraum in Verbindung steht. Dabei ist der Fluidraum insbesondere über eine Venturidüse mit dem Kanal verbunden, die das Ansaugen eines Hydraulikfluids aus dem Fluidreservoir unterstützt. Der Kanal ist vorzugsweise mit dem Fluidreservoir verbunden. Da sich der jeweilige Kanal und der jeweilige Fluidraum auf unterschiedlichen Seiten der ersten bzw. zweiten Seitenplatte befinden, erfolgt somit vorteilhafterweise eine Trennung zwischen der Fluidversorgung, die durch die Venturidüse unterstützt wird, und der Funktion des jeweiligen Fluidraums, der mit der hydraulischen Anpresseinrichtung für die Flügelelemente zusammenwirkt. Da die Venturidüse im Vergleich zu dem Kanal eine verengte Querschnittsfläche aufweist, wird einerseits das Ansaugen des Fluidreservoirs aufgrund des entsprechenden Unterdrucks unterstützt, und andererseits erfolgt eine weitere Abkopplung der Fluidversorgung über den Kanal von dem Fluidraum.
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Bevorzugt weisen die erste und/oder die zweite Seitenplatte Aussparungen auf, die mit dem Arbeitsraum verbundene Einlass- oder Auslassräume bilden. Der Einlass und der Auslass des Arbeitsraums der Vakuumpumpe sind somit nicht direkt am Stator, sondern in der ersten und/oder zweiten Seitenplatte untergebracht. Dies vereinfacht wiederum die Fertigung des Stators und der Vakuumpumpe insgesamt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die auch als eigenständige Erfindung beansprucht wird, umfasst die Vakuumpumpe einen Antriebsmotor und zumindest zwei pumpaktive Module, die jeweils einen durch den Antriebsmotor angetriebenen Rotor aufweisen, der sich in einem von einem Stator definierten Arbeitsraum des jeweiligen pumpaktiven Moduls befindet. Dabei ist der Antriebsmotor zwischen den zwei pumpaktiven Modulen angeordnet. Der Antriebsmotor befindet sich somit zentral zwischen den zwei Modulen und treibt den Rotor beider Module an. Die zentrale Anordnung des Antriebsmotors ermöglicht einen modularen Aufbau einer Vakuumpumpe, bei der je nach Bedarf (insbesondere paarweise) weitere pumpaktive Module bzw. Pumpstufen auf den jeweiligen Seiten des Antriebsmotors hinzugefügt werden können.
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Bevorzugt weist der Antriebsmotor eine zentrale Welle auf, welche mit den jeweiligen Rotoren der zumindest zwei pumpaktiven Module verbunden ist. Dadurch treibt der Antriebsmotor die jeweiligen Rotoren mittels der zentralen Welle direkt an. Aufgrund des direkten Antriebs über die zentrale Welle lässt sich somit eine kompakte Vakuumpumpe mit zwei oder mehr pumpaktiven Modulen bzw. Pumpstufen herstellen.
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Vorzugsweise ist der jeweilige Arbeitsraum der pumpaktiven Module nicht rotationssymmetrisch bezüglich der zentralen Welle, und die Arbeitsräume zweier pumpaktiver Module sind bezüglich der zentralen Welle um einen vorbestimmten Winkel gegeneinander verdreht angeordnet. Die nicht rotationssymmetrische Ausbildung des jeweiligen Arbeitsraums ermöglicht wiederum eine zentrierte Anordnung des jeweiligen Rotors innerhalb des Arbeitsraums, so dass die auf den Rotor wirkenden Kräfte während des Betriebs der Vakuumpumpe verringert sind. Die verdrehte Anordnung der nicht rotationssymmetrischen Arbeitsräume ermöglicht einerseits eine Anpassung der Ausrichtung des jeweiligen pumpaktiven Moduls an Betriebserfordernisse, beispielsweise bezüglich der Anordnung von Einlässen und Auslässen des jeweiligen pumpaktiven Moduls. Ferner können die pumpaktiven Module auch derart verdreht gegeneinander angeordnet sein, dass die Kräfte, die auf die zentrale Welle wirken, einander entgegengesetzt sind und sich dadurch gegenseitig kompensieren. Dadurch werden die Lagereigenschaften der gesamten Vakuumpumpe verbessert.
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Die Erfindung wird nachstehend rein beispielhaft anhand möglicher Ausbildungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es zeigen:
- 1a, 1 b und 1c Elemente eines Stators bzw. eines Rotors einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe,
- 2 eine Querschnittsansicht eines pumpaktiven Moduls der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe im montierten Zustand,
- 3a und 3b eine Innenansicht bzw. Außenansicht einer Seitenplatte der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe,
- 4a und 4b schematische Seitenansichten der Seitenplatte in einem an der Flügelzellen-Vakuumpumpe montierten Zustand,
- 5 eine schematische Draufsicht einer Antriebseinheit für eine erfindungsgemäße Flügelzellen-Vakuumpumpe mit zwei pumpaktiven Modulen,
- 6 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe mit zwei pumpaktiven Modulen,
- 7 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe mit vier pumpaktiven Modulen und
- 8 eine Explosionsansicht einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe mit sechs pumpaktiven Modulen.
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In 1a ist ein Stator 13 eines pumpaktiven Moduls 11 (vgl. 2) für eine erfindungsgemäße Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 (vgl. 6) dargestellt. Von Statoren bekannter Drehschieber-Vakuumpumpen unterscheidet sich der Stator 13 insbesondere dadurch, dass er einen Arbeitsraum 15 umschließt, der nicht rotationssymmetrisch bezüglich einer Drehachse 17 eines Rotors 19 (vgl. 1b) der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 ausgebildet ist.
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Die Nicht-Rotationssymmetrie des Arbeitsraums 15 ist dadurch bedingt, dass der Stator 13 jeweils auf zwei gegenüberliegenden Seiten (in 1a an der Ober- und Unterseite) eine vergrößerte Wandstärke und auf zwei Seiten, die rechtwinklig dazu angeordnet sind (linke und rechte Seite in 1a), jeweils eine verringerte Wandstärke aufweist. Wenn der Rotor 19 im Arbeitsraum 15 angeordnet ist (vgl. 2), entstehen dadurch auf gegenüberliegenden Seiten des Rotors 19 zwei Förderräume 16 des Arbeitsraums 15, die nicht durch den Rotor 19 ausgefüllt werden (vgl. 2). Somit weist der Arbeitsraum 15 aufgrund der Nicht-Rotationssymmetrie eine Querschnittsfläche auf, deren Umfang einer deformierten Ellipse ähnlich ist.
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Der Stator 13 weist ferner einen Versorgungskanal 21 für ein Schmiermittel auf, beispielsweise für Öl. Über den Versorgungskanal 21 wird eine Schmierung des Rotors 19 sichergestellt, wenn sich dieser innerhalb des Arbeitsraums 15 dreht (vgl. 2).
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1b zeigt im Querschnitt einen Grundkörper 23 des Rotors 19. Der im Wesentlichen runde Grundkörper 23 weist insgesamt zwölf Aussparungen 25 auf, die jeweils zur Aufnahme eines Flügelelements 27 (vgl. 1c) des Rotors 19 vorgesehen sind. Der Grundkörper 23 ist an einer zentralen Welle 28 angeordnet, wobei eine Zahnwellenverbindung 29 zwischen der zentralen Welle 28 und dem Grundkörper 23 vorgesehen ist (vgl. 5 und 6).
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2 zeigt die in 1 a bis 1c dargestellten Elemente eines pumpaktiven Moduls 11 der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 in einem montierten Zustand. Zusätzlich ist eine Drehrichtung 30 des Rotors 19 dargestellt. Der Grundkörper 23 des Rotors 19 liegt jeweils in einem von zwei Kontaktbereichen 31 an einer Innenfläche 33 des Stators 13 dichtend an. Der Kontaktbereich 31 wird jeweils mittels eines der Versorgungskanäle 21 des Stators 13 (vgl. 1a) mit einem Schmiermittel versorgt.
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Die Flügelelemente 27 des Rotors 19 sind jeweils verschiebbar in den Aussparungen 25 angeordnet. In den Aussparungen 25 befindet sich jeweils hinter dem inneren Ende der Flügelelemente 27 ein Fluid 35, mit dem die Flügelelemente 27 jeweils gegen die Innenfläche 33 des Stators 13 gepresst werden. Die Aussparungen 25 bilden somit zusammen mit dem Fluid 35 eine hydraulische Anpresseinrichtung für die Flügelelemente 27.
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Jeweils zwei Flügelelemente 27 bilden ferner zusammen mit dem Grundkörper 23 des Rotors 19 und der Innenfläche 33 des Stators 13 Teilräume 36 innerhalb der zwei Förderräume 16. Die Teilräume 36 werden bei einer Drehung des Rotors 19 innerhalb des Arbeitsraums 15 um die Drehachse 17 verschoben und wandern somit sozusagen um die Drehachse 17 herum. Dabei bilden die Teilräume 36 zeitlich nacheinander jeweils sich vergrößernde Ansaugräume 37 und sich verkleinernde Ausstoßräume 39, die jeweils diagonal entgegengesetzt zueinander in einem der Förderräume 16 angeordnet sind.
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Eine Pumpeinheit des pumpaktiven Moduls 11 umfasst somit sämtliche beweglichen und statischen Elemente, die jeweils einen der zwei Förderräume 16 bilden oder sich in diesem befinden. Mit anderen Worten umfasst eine solche Pumpeinheit die Ansaugräume 37 und die Ausstoßräume 39 innerhalb des jeweiligen Förderraums 16 sowie den Grundkörper 23 und die Flügelelemente 25 des Rotors 19 zusammen mit der Innenfläche 33 des Stators 13. Die zwei Kontaktbereiche 31 befinden sich folglich zwischen zwei benachbarten Pumpeinheiten des pumpaktiven Moduls 11 und trennen diese sowie die zwei Förderräume 16 dichtend voneinander.
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Für den Einlass und den Auslass eines zu fördernden Gases umfasst das pumpaktive Modul 11 zwei Seitenplatten 41 (vgl. 3a), die im Außenbereich jeweils vier Aussparungen aufweisen, um zwei Einlassräume 43 und zwei Auslassräume 45 zu bilden. Der Stator 13 ist derart zwischen zwei Seitenplatten 41 angeordnet, dass die zwei Einlassräume 43 jeweils mit einem Ansaugraum 37 innerhalb des Arbeitsraums 15 in Verbindung stehen, während die zwei Auslassräume 45 derart angeordnet sind, dass diese jeweils mit einem Ausstoßraum 39 in Verbindung stehen.
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Die Seitenplatte 41 weist auf ihrer Innenseite (vgl. 3a) ferner zwei ebenfalls durch Aussparungen gebildete Fluidräume 47 auf, die jeweils mit den Aussparungen 25 des Grundkörpers 23 des Rotors 19 in Verbindung stehen, wenn die Seitenplatte 41 am Stator 13 angebracht ist. Die Aussparungen 25 im Grundkörper 23 des Rotors 19 sind somit auf der rechten bzw. der linken Seite von 2 jeweils über einen der Fluidräume 47 der Seitenplatte 41 hydraulisch miteinander verbunden.
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Aufgrund der nicht rotationssymmetrischen Ausbildung des Arbeitsraums 15 werden die Flügelelemente 27 bei einer Drehung des Rotors 19 innerhalb der jeweiligen Aussparung 25 radial nach innen in Richtung der Drehachse 17 verschoben, wenn sich die Flügelelemente 27 entlang der Innenfläche 33 über einen der Auslassräume 45 hinweg in Richtung zu dem Kontaktbereich 31 hin bewegen (vgl. 2 und 4b). Durch diese Verschiebung der Flügelelemente 27 radial nach innen wird das Fluid 35 aus den entsprechenden Aussparungen 25 über den jeweiligen Fluidraum 47 in der Seitenplatte 41 in die Aussparungen 25 solcher Flügelelemente 27 gedrückt, die sich ausgehend von dem anderen Kontaktbereich 31 über einen der Einlassräume 43 hinweg bewegen. Eine radial nach innen gerichtete Verschiebung der Flügelelemente 27 bewirkt somit aufgrund der hydraulischen Verbindung der Aussparungen 25 eine radial nach außen gerichtete Bewegung der Flügelelemente 27, die sich aufgrund der Drehung des Rotors 19 vom Kontaktbereich 31 weg bewegen. Dadurch werden die Flügelelemente 27 nach dem Verlassen des Kontaktbereichs 31 stets gegen die Innenfläche 33 des Stators 13 gepresst, so dass sie mit der Innenfläche 33 in Berührung bleiben und einen jeweiligen Teilraum 36 begrenzen.
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Während des Betriebs der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 wird zu förderndes Gas über einen jeweiligen Einlassraum 43 in einen der Ansaugräume 37 angesaugt, da dieser während der Drehung des Rotors 19 größer wird, wenn sich die Flügelelemente 25 bezüglich der Drehachse 17 radial nach außen verschieben. Der jeweilige Ansaugraum 37 wird dabei durch einen der Teilräume 36 zwischen zwei Flügelelementen 27 gebildet. Im weiteren Verlauf der Drehung des Rotors 19 wird dieser Teilraum 36 zu einem Ausstoßraum 39, in welchem das zu fördernde Gas komprimiert und über einen der Auslassräume 45 in der Seitenplatte 41 ausgestoßen wird. Dieser Auslassraum 45 steht mit dem Ausstoßraum 39 derselben Pumpeinheit in Verbindung, zu der auch der Ansaugraum 37 gehört, in den das zu fördernde Gas zuvor angesaugt wurde (vgl. 4b).
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Um einen ausreichenden Fluiddruck innerhalb der Fluidräume 47 und der Aussparungen 25 aufrechtzuerhalten, ist die Innenseite der jeweiligen Seitenplatte 41 (vgl. 3a) mittels eines Verbindungskanals 49 mit der Außenseite der Seitenplatte 41 (vgl. 3b) verbunden. Innerhalb des Verbindungskanals 49 befindet sich eine Venturidüse 51, d.h. eine Verjüngung des Verbindungskanals 49. Auf der Außenseite der Seitenplatte 41 sind weitere Verbindungskanäle 53 angeordnet, die mit einem nicht dargestellten Fluidreservoir in Verbindung stehen. Die Verbindungskanäle 53 sind über einen Ringkanal 55 miteinander verbunden.
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Mittels der Verbindungskanäle 53, des Ringkanals 55 und der beiden Verbindungskanäle 49 werden die Fluidräume 47 somit mit Fluid 35, beispielsweise mit Öl, aus dem Fluidreservoir versorgt. Dabei unterstützt die Venturidüse 51 das Ansaugen des Fluids 35 aus dem Fluidreservoir.
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In 4a sind die zwei Einlassräume 43, die zwei Auslassräume 45 und die zwei Fluidräume 47 der Seitenplatte 41 mit gestrichelten Linien zusammen mit den Flügelelementen 27, den Aussparungen 25 und dem Grundkörper 23 des Rotors 19 sowie zusammen mit dem Stator 13 dargestellt. Es ist zu erkennen, wie die zwei Fluidräume 47 der Seitenplatte 41 mit den Aussparungen 25 des Grundkörpers 23 in Verbindung stehen. Ebenso ist zu erkennen, dass die zwei Einlassräume 43 und die zwei Auslassräume 45 jeweils einen Ansaugraum 37 und einen Ausstoßraum 39 überdecken, welche jeweils von zwei Flügelelementen 27, dem Grundkörper 23 des Rotors 19 und der Innenfläche 33 des Stators 13 gebildet werden.
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In 4b ist die Funktionsweise des pumpaktiven Moduls 11 der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 im Detail dargestellt. Bei einer Drehung des Rotors 19 in der Drehrichtung 30 erfolgt im oberen Teil des linken Fluidraums 47 und im unteren Teil des rechten Fluidraums 47 ein Fluiddruckaufbau, da sich die entsprechenden Flügelelemente 27 in diesem Bereich in Richtung des Kontaktbereichs 31 bewegen und dabei radial nach innen in die Richtung der Drehachse 17 verschoben werden und das Fluid 35 aus den entsprechenden Aussparungen 25 herausdrücken. Umgekehrt erfolgt im unteren Bereich des linken Fluidraums 47 und im oberen Bereich des rechten Fluidraums 47 ein Fluiddruckabbau, da das Fluid 35, bei dem es sich beispielsweise um ein inkompressibles Hydraulikfluid wie etwa Öl handelt, in die Aussparungen 25 der entsprechenden Flügelelemente 27 gedrückt wird. Dadurch werden diese Flügelelemente 27 von der Drehachse 17 weg radial nach außen verschoben, so dass ihre äußeren Enden mit der Innenfläche 33 des Stators 13 in Kontakt bleiben.
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Aufgrund der nicht rotationssymmetrischen Ausbildung des Arbeitsraums 15 vergrößert sich dabei der jeweilige Ansaugraum 37, der jeweils mit einem der Einlassräume 43 in der Seitenplatte 41 in Kontakt steht. Es wird so lange zu förderndes Gas in den jeweiligen Ansaugraum 37 angesaugt, bis das hintere der zwei Flügelelemente 27, die rechts oben bzw. links unten in 4b dargestellt sind, den Bereich des Einlassraums 43 verlässt. In einer sich anschließenden Kompressions- und Auslassphase wird das zu fördernde Gas komprimiert und über die Ausstoß- und Auslassräume 39, 45 aus dem Arbeitsraum 15 ausgestoßen, wenn sich die Flügelelemente 27 über den Auslassraum 45 der Seitenplatte 41 hinweg in Richtung des Kontaktbereichs 31 bewegen (vgl. rechts unten bzw. links oben in 4b).
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5 zeigt die Elemente einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe 10, die zum Antreiben zweier pumpaktiver Module 11 vorgesehen sind. Im Bereich des oberen und unteren Endes der zentralen Welle 28 ist jeweils eine Zahnwellenverbindung 29 vorgesehen, die mit dem Grundkörper 23 des Rotors 19 (vgl. 1 b und 2) in Verbindung steht, um den Rotor 19 des jeweiligen pumpaktiven Moduls 11 anzutreiben. In der Mitte zwischen den zwei Zahnwellenverbindungen 29 ist ein Rotor 59 eines Antriebsmotors 57 der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 angeordnet. Der Rotor 59 des Antriebsmotors 57 ist beispielsweise mittels einer Schrumpfverbindung oder einer formschlüssigen Verbindung fest mit der zentralen Welle 28 verbunden.
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6 zeigt in einer Explosionsansicht eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe 10, bei welcher der Antriebsmotor 57 zwischen zwei pumpaktiven Modulen 11 angeordnet ist und diese antreibt. In der Mitte von 6 sind die in 5 dargestellten Elemente in einer Perspektivansicht zu erkennen, d.h. die zentrale Welle 28 mit zwei Zahnwellenverbindungen 29 und der Rotor 59 des Antriebsmotors 57.
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Der Antriebsmotor 57 umfasst ferner einen Stator 61 und Deckel 63 (der rechte Deckel ist nicht gezeigt) für den Stator 61, wobei der Stator 61 den Rotor 59 des Antriebsmotors 57 nach der Montage der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 umgibt. Die zwei Zahnwellenverbindungen 29, die an der zentralen Welle 28 vorgesehen sind, befinden sich nach der Montage der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 jeweils im Zentrum des Grundkörpers 23 des jeweiligen Rotors 19 des jeweiligen pumpaktiven Moduls 11. Somit werden bei der in 6 dargestellten ersten Ausführungsform zwei Rotoren 19 zweier pumpaktiver Module 11 über die Zahnwellenverbindung 29 mittels des Antriebsmotors 57 angetrieben, der zwischen den zwei pumpaktiven Modulen 11 angeordnet ist.
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Die pumpaktiven Module 11, die jeweils in einer Seitenansicht in 2, 4a und 4b dargestellt sind, umfassen neben dem Rotor 19 mit dem Grundkörper 23 und den Flügelelementen 27 jeweils einen Stator 13, der den Arbeitsraum 15 umgibt, in dem der Rotor 19 angeordnet ist, sowie zwei Seitenplatten 41, zwischen denen jeweils ein Stator 13 und ein Rotor 19 angeordnet ist.
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Auf der jeweiligen Innenseite der Seitenplatte 41, die dem Rotor 19 zugewandt ist, umfasst die Seitenplatte 41 jeweils radial innen gelegene Fluidräume 47 und jeweils zwei radial außerhalb der Fluidräume 47 angeordnete Einlassräume 43 sowie zwei entsprechende Auslassräume 45. Auf der Rückseite derjenigen Seitenplatten 41, die sich jeweils zwischen dem Antriebsmotor 57 und dem Stator 13 der pumpaktiven Module 11 befinden, sind jeweils Verbindungskanäle 53 und ein Ringkanal 55 angeordnet (vgl. 3b), mittels welcher die Fluidräume 47 über den Verbindungskanal 49 und die Venturidüse 51 mit Fluid versorgt werden. Die Verbindungskanäle 53 und der Ringkanal 55 befinden sich somit auf der Seite der innengelegenen Seitenplatten 41, die den jeweiligen Statoren 13 abgewandt und dem Antriebsmotor 57 zugewandt ist. Die jeweils außen gelegenen Seitenplatten 41 der pumpaktiven Module 11, die als Endseitenplatten 65 der gesamten Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 dienen, umfassen zwar auf der Innenseite jeweils zwei Einlassräume 43, zwei Auslassräume 45 und zwei Fluidräume 47, sie weisen jedoch auf der Außenseite keinen Ringkanal 55 und keine Verbindungskanäle 53 auf. Somit sind nur die weiter innen gelegenen Seitenplatten 41 zur Versorgung der Fluidräume 47 mit Fluid vorgesehen.
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Aufgrund der zentralen Anordnung des Antriebsmotors 57 zwischen den pumpaktiven Modulen 11 weist die erfindungsgemäße Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 den Vorteil auf, dass sie paarweise mit weiteren pumpaktiven Modulen 11 erweitert werden kann, um weitere Pumpstufen bereitzustellen und dadurch das gesamte Saugvermögen der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 zu erhöhen.
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In 7 ist eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 dargestellt, bei der vier pumpaktive Module 11 mittels eines zentralen Antriebsmotors 57 angetrieben werden. Bei einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flügelzellen-Vakuumpumpe 10, die in 8 dargestellt ist, sind hingegen sechs pumpaktive Module 11 vorgesehen.
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Im Unterschied zur ersten Ausführungsform (vgl. 6) sind bei der zweiten Ausführungsform (vgl. 7) an einer verlängerten zentralen Welle 28 insgesamt vier Zahnwellenverbindungen 29 vorgesehen, und zwar jeweils zwei auf jeder Seite des zentralen Antriebsmotors 57. Bei der dritten Ausführungsform der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 (vgl. 8) ist die zentrale Welle 28 im Vergleich zur zweiten Ausführungsform von 7 nochmals länger ausgebildet, so dass jeweils drei Zahnwellenverbindungen 29 auf jeder Seite des Antriebsmotors 57 an der zentralen Welle 28 angebracht sind. Mittels dieser Zahnwellenverbindungen 29 werden sämtliche pumpaktiven Module 11 der in 6, 7 und 8 dargestellten Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 gleichzeitig angetrieben.
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Ferner sind die Arbeitsräume 15, die jeweils von einem Stator 13 eines pumpaktiven Moduls 11 umschlossen sind, nicht rotationssymmetrisch ausgebildet (vgl. auch 2). Um die Lagereigenschaften der Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 zu verbessern, sind die pumpaktiven Module 11 auf einer jeweiligen Seite des Antriebsmotors 57 bei der zweiten und dritten Ausführungsform, die in 7 bzw. 8 dargestellt sind, um einen vorbestimmten Winkel gegeneinander verdreht angeordnet. Bei zweiten Ausführungsform (vgl. 7) sind jeweils zwei pumpaktive Module 11 um 90° gegeneinander verdreht. Das bedeutet, dass sowohl die jeweiligen Arbeitsräume 15 als auch die Seitenplatten 41 mit den jeweiligen Einlassräumen 43, Auslassräumen 45 und Fluidräumen 47 um 90° gegeneinander verdreht sind. Bei der dritten Ausführungsform (vgl. 8) sind hingegen die drei pumpaktiven Module 11 auf einer jeweiligen Seite des Antriebsmotors 57 um einen Winkel von 60° gegeneinander verdreht.
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Aufgrund der Verdrehung der pumpaktiven Module 11 gegeneinander liegt der Grundkörper 23 des jeweiligen Rotors 19 bezogen auf die Drehachse 17 in unterschiedlichen Winkelbereichen an der Innenfläche 33 des Stators 13 an. Somit sind die jeweiligen Kontaktbereiche 31 der pumpaktiven Module 11 auf beiden Seiten des zentralen Antriebsmotors 57 ebenfalls um einen Winkel von 90° (zweite Ausführungsform von 7) bzw. 60° (dritte Ausführungsform von 8) verdreht. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Lagerung der Rotoren 19 und der zentralen Welle 28 im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die pumpaktiven Module 11 nicht gegeneinander verdreht sind. Darüber hinaus ist die Verteilung der Kräfte, die aufgrund der Asymmetrie des Arbeitsraums 15 und der Verschiebung der Flügelelemente 27 während der Drehung der jeweiligen Rotoren 19 auf die zentrale Welle 28 ausgeübt werden, in Umfangsrichtung gleichmäßiger als bei pumpaktiven Modulen, die nicht gegeneinander verdreht sind. Dadurch werden die Laufeigenschaften der Rotoren 19 insgesamt verbessert.
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Der Antriebsmotor 57 ist entweder als ein Motor mit Permanentmagneten oder als ein Asynchronmotor ausgebildet. Es kann somit ein kostengünstiger Antriebsmotor 57 für die Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 verwendet werden. Darüber hinaus stellt die Flügelzellen-Vakuumpumpe 10 bezüglich der Herstellung und des Betriebs eine kostengünstige Vakuumpumpe dar, da nur ein einziger Antriebsmotor 57 erforderlich ist, um mehrere pumpaktive Module 11 bzw. mehrere Pumpstufen anzutreiben. Durch die Verwendung vieler Gleichteile ist die erfindungsgemäße Flügelzelle-Vakuumpumpe 10 überdies kostengünstig in der Herstellung.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Flügelzellen-Vakuumpumpe
- 11
- pumpaktives Modul
- 13
- Stator
- 15
- Arbeitsraum
- 16
- Förderraum
- 17
- Drehachse
- 19
- Rotor
- 21
- Versorgungskanal
- 23
- Grundkörper
- 25
- Aussparung
- 27
- Flügelelement
- 28
- zentrale Welle
- 29
- Zahnwellenverbindung
- 30
- Drehrichtung
- 31
- Kontaktbereich
- 33
- Innenfläche
- 35
- Fluid
- 36
- Teilraum
- 37
- Ansaugraum
- 39
- Ausstoßraum
- 41
- Seitenplatte
- 43
- Einlassraum
- 45
- Auslassraum
- 47
- Fluidraum
- 49
- Verbindungskanal
- 51
- Venturidüse
- 53
- Verbindungskanal
- 55
- Ringkanal
- 57
- Antriebsmotor
- 59
- Rotor des Antriebsmotors
- 61
- Stator des Antriebsmotors
- 63
- Deckel
- 65
- Endseitenplatte
