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Die Erfindung betrifft eine Scrollpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Solche Pumpen weisen eine feststehende Spirale und eine in Zwischenräumen der feststehenden Spirale angeordnete und sich bewegende („orbitierende“) Spirale auf, die sich insgesamt auf einer Kreisbahn bewegt, dabei selbst jedoch keine Drehbewegung durchführt, d.h. die sich bewegende Spirale ändert ihren Winkel relativ zur feststehenden Spirale nicht. Die Spiralen sind als archimedische Spiralen mit konstanter Wandstärke ausgeführt. Durch die orbitierende Bewegung der sich bewegenden Spirale werden zusammen mit der feststehenden Spirale Fluidkammern gebildet, mit welchen ein Gas, bspw. Luft, von einem Einlass zu einem Auslass der Scrollpumpe gefördert wird. Um die Bewegung der orbitierenden Spirale relativ zur feststehenden Spirale vorzugeben, verfügen die aus dem Stand der Technik bekannten Scrollpumpen über eine aufwändige Mechanik (z.B. Kreuzgelenke oder mehrere Exzenter).
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Bei den bekannten Scrollpumpen ist problematisch, dass deren Aufbau insbesondere auf Grund der Vielzahl einzelner Komponenten aufwändig ist. Dies führt zu einem hohen konstruktiven und manuellen Aufwand bei Fertigung und Montage solcher Scrollpumpen, die mit entsprechend hohen Kosten einhergehen. Auch im Platzbedarf solcher Scrollpumpen besteht Optimierungspotential.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Mitteln eine Scrollpumpe mit vergleichsweise einfachem Aufbau bereitzustellen. Dabei ist insbesondere eine kostengünstige und platzsparende Bauweise wünschenswert.
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Die Erfindung löst die voranstehende Aufgabe durch eine Scrollpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Danach zeichnet sich die Scrollpumpe dadurch aus, dass die zweite Spirale einen Führungsabschnitt aufweist, über den die zweite Spirale mittels einer Kulissenführung beweglich mit dem Pumpengehäuse gekoppelt ist und dass die Spiralwindungen zumindest einer der Spiralen eine sich insbesondere wiederholt zwischen einem Minimum und einem Maximum stetig bzw. kontinuierlich verändernde Wandstärke aufweist.
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In erfindungsgemäßer Weise ist erkannt worden, dass zum Erreichen einer hinreichenden Förderwirkung einer Scrollpumpe eine Führung der beweglichen Spirale relativ zur feststehenden Spirale auf einer Kreisbahn (ohne Eigendrehung der beweglichen Spirale) nicht erforderlich ist. Vielmehr ist eine der oben beschriebenen („orbitierenden“) Bewegung möglichst angenäherte Bewegung der beweglichen Spirale zur Gewährleistung einer hinreichenden Förderwirkung ausreichend. Auch bei einer solchen angenäherten Bewegung werden durch die bewegende Spirale zusammen mit der feststehenden Spirale im Pumpenraum (Innenraum) Fluidkammern gebildet, durch die ein Gas (z.B. Luft) von einem Einlass durch den Pumpenraum zu einem Auslass der Scrollpumpe gefördert werden kann. Durch die bewusste Abweichung von der idealen Bewegung ist eine erheblich vereinfachte Lagerung der beweglichen Spirale (zweite Spirale) relativ zur feststehenden (ersten) Spirale ermöglicht. So ist anstelle mehrerer Lagerpunkte lediglich eine Kulissenführung vorgesehen. Diese kann einfacher hergestellt werden und verfügt insgesamt über weniger Komponenten, so dass Herstellung und Montage der Scrollpumpe in erheblichem Maße optimiert sind.
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Die Scrollpumpe kann auch als „Spiralpumpe“ bezeichnet werden. Die Zwischenräume der ersten Spirale (Zwischenräume zwischen Spiralwindungen) sind insbesondere derart bemessen, dass die zweite Spirale (Spiralwindungen) darin angeordnet und relativ zur ersten Spirale bewegt werden kann. Die erste Spirale ist insbesondere feststehend zum Pumpengehäuse oder mit anderen Worten relativ zum Pumpengehäuse drehfest angeordnet. Das Pumpengehäuse weist einen Pumpenraum (Innenraum) auf, in dem die Spiralen angeordnet sind. Unabhängig davon kann die Scrollpumpe als eine Vakuumpumpe ausgebildet sein bzw. als Vakuumpumpe eingesetzt werden.
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Die zweite Spirale (bewegende Spirale) ist relativ zur ersten Spirale bewegbar geführt, insbesondere auf einer in sich geschlossenen Bahnkurve. Die Kulissenführung erlaubt eine hin- und hergehende Bewegung, wobei ein Mitdrehen der zweiten Spirale verhindert ist. Eine geringfügige Schwenkbewegung der zweiten Spirale relativ zur ersten Spirale ist auf Grund der angenäherten Bewegung ermöglicht. Im Konkreten kann die Kulissenführung zwei Freiheitsgrade aufweisen, nämlich Rotation (Linksdrehen und Rechtsdrehen) und Translation (zur Exzenterwelle hin und von der Exzenterwelle weg).
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Im Konkreten können die Spiralwindungen zumindest einer der Spiralen zur stetigen Veränderung der Wandstärke an der Spiralinnenseite und/oder an der Spiralaußenseite jeweils eine angepasste (die sich verändernde Wandstärke bewirkende) Wandungskontur aufweisen. Hierdurch können die Förderwirkung der Scrollpumpe optimiert und ggf. unerwünschter Kontakt zwischen Spiralwindungen vermieden werden. Bspw. kann eine Seite von Spiralinnenseite oder Spiralaußenseite als archimedische Spirale ausgebildet sein und die jeweils andere Seite kann eine angepasste Wandungskontur aufweisen. Ebenso ist denkbar, dass beide Seiten (Spiralinnenseite und Spiralaußenseite) eine angepasste Wandungskontur aufweisen. Hiermit sind eine weitgehende Anpassung und/oder eine genaue Abstimmung der Spiralen möglich.
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In zweckmäßiger Weise können die Spiralwindungen beider der Spiralen (erste Spirale und zweite Spirale) eine sich insbesondere wiederholt zwischen einem Minimum und einem Maximum stetig verändernde Wandstärke aufweisen. Durch Anpassung der beiden Spiralen sind eine Abstimmung der sich zwischen den Spiralen ergebenden Fluidkammern und damit eine Anpassung der Förderwirkung begünstigt. Durch Anpassung beider Spiralen (ggf. an Spiralinnenseite und/oder Spiralaußenseite) sind geringere Anpassungen (Amplituden) möglich, so dass die Spiralen eine gleichmäßigere Wandstärke aufweisen. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Lastverteilung innerhalb der Scrollpumpe.
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Im Konkreten können die Spiralen derart zueinander ausgerichtet sein, dass Abschnitte der jeweiligen Spiralwindungen mit gleichartig veränderter Wandstärke beieinander liegen. Dies trägt zu einer gleichmäßigen Ausgestaltung der zwischen der ersten Spirale und der zweiten Spirale gebildeten Fluidkammern dar.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Wandstärke der Spiralwindungen zumindest einer der Spiralen derart ausgebildet sein, dass sich diese jeweils über eine Spiralwindung hinweg (Spiralabschnitt von 2π bzw. 360°) stetig zwischen einem Maximum und einem Minimum verändert und das Maximum und das Minimum in dieser Spiralwindung einander gegenüberliegen, insbesondere um π bzw. 180° versetzt. Dadurch werden eine gleichmäßige Förderwirkung und ein gleichmäßiger Betrieb der Scrollpumpe begünstigt. Dabei können innerhalb einer Spiralwindung Punkte gleicher Wandstärke sich ebenfalls gegenüberliegen, insbesondere um π bzw. 180° versetzt.
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Anders ausgedrückt kann eine mittlere Wandstärke (positiver Wert, der eine Wandstärke repräsentiert) mit einer periodischen mathematischen Funktion, insbesondere einer trigonometrischen Funktion überlagert werden. Bspw. kann die Wandstärke WS einer Spiralwindung am Winkel α (Wandstärke WS(α)) durch die Formel WS(α) = WSmitt + Komp * sin α beschrieben werden, wobei „WSmitt“ die mittlere Wandstärke und „Komp“ die erforderliche Kompensation (Betrag der Amplitude) ist. Anstelle der Sinusfunktion könnte auch die Cosinusfunktion verwendet werden.
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Die Veränderung der Wandstärke kann umso geringer ausfallen, je weiter die Kulissenführung (z.B. Sperrstift) von der Mitte der Spiralen entfernt ist. Beträgt der Abstand zwischen Spiralenmitte zu Kulissenführung (Sperrstift) bspw. 58mm (Millimeter), dann beträgt die Kompensation (Amplitude) weniger als 0,1mm, bspw. 0,03mm, (bspw. können die erste Spirale und die zweite Spirale an der Spiralaußenseite jeweils eine Wandungskontur in Form einer archimedischen Spirale aufweisen und an der Spiralinnenseite jeweils eine durch die angegebene Kompensation angepasste Wandungskontur aufweisen).
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In vorteilhafter Weise kann die Kulissenführung als Stift-Schlitzverbindung ausgebildet sein. Hiermit ist eine konstruktiv einfache und zugleich stabile Lösung geschaffen. Dabei kann der Stift (Sperrstift) gehäusefest angeordnet sein, wobei der Schlitz im Führungsabschnitt ausgebildet sein kann. Der Führungsabschnitt kann bspw. als Lasche ausgebildet sein. Der Schlitz ist insbesondere in Radialrichtung orientiert. Auch eine umgekehrte Ausgestaltung mit gehäusefest angeordnetem Schlitz und Stift (Sperrstift) im Führungsabschnitt ist denkbar.
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Die Kulissenführung bzw. Stift-Schlitzverbindung kann radial außerhalb der Spiralen angeordnet sein. Dadurch kann die erforderliche Anpassung (Kompensation bzw. Amplitude) der Spiralwindungen gering gehalten werden. Ebenso ist denkbar, dass die Kulissenführung bzw. Stift-Schlitzverbindung radial innerhalb der Spiralen angeordnet ist, bspw. durch Anordnung der Kulissenführung an der von der ersten Spirale abgewandten Seite der zweiten Spirale. Damit lässt sich der Bauraum der Scrollpumpe in radialer Richtung reduzieren.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann die erste Spirale (feststehende Spirale) einstückig mit einem (ersten) Abschnitt des Pumpengehäuses, insbesondere mit einem Deckel des Pumpengehäuses, ausgebildet sein. Hiermit ist eine konstruktiv einfache und stabile Ausführung geschaffen. Durch die einstückige Ausgestaltung können Verbindungsstellen vermieden und die Anzahl der Komponenten der Scrollpumpe reduziert werden. Es kann ein weiterer Abschnitt des Pumpengehäuses vorgesehen sein, der den Pumpenraum bzw. Innenraum der Scrollpumpe an der von dem ersten Abschnitt abgewandten Seite („Deckelgegenseite“) begrenzt.
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In zweckmäßiger Weise kann eine Antriebseinheit zum Antrieb der zweiten Spirale vorgesehen sein, wobei mittels der Antriebseinheit eine um eine Längsachse rotierbare Antriebswelle antreibbar ist, wobei die Antriebswelle an ihrem der zweiten Spirale bzw. dem Pumpenraum zugewandten Ende einen zur Rotationsachse der Antriebswelle exzentrischen Zapfen aufweist, mittels dem die zweite Spirale auf einer in sich geschlossenen Bahnkurve bewegt werden kann. Hiermit kann die Bewegung der zweiten Spirale mit einfachen konstruktiven Mitteln vorgegeben werden.
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In vorteilhafter Weise kann zur Drehentkopplung der zweiten Spirale von der Antriebswelle in der Mitte der zweiten Spirale ein Kugellager angeordnet sein. Hiermit ist eine konstruktiv einfache Lagerung von Antriebswelle und zweiter Spirale geschaffen.
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Im Konkreten kann der Deckel des Pumpengehäuses, insbesondere randseitig, einen Pumpeneinlass aufweisen und/oder einen Pumpenauslass, insbesondere einen zentrischen Pumpenauslass aufweisen. Hiermit lässt sich ein Gas, z.B. Luft, durch den Pumpenraum führen bzw. fördern. Durch Anordnung von Pumpeneinlass und Pumpenauslass am Deckel ist eine kompakte Anordnung der Anschlüsse geschaffen, was einen Einbau der Scrollpumpe, bspw. in einem Fahrzeug, erleichtert.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausgestaltung kann die Antriebseinheit, insbesondere ein Elektromotor, an der vom Deckel abgewandten Seite des Pumpengehäuses angeordnet sein, insbesondere angeflanscht sein. Hiermit ist im Bereich des Pumpenraumes Raum zur Anordnung von Pumpeneinlass und Pumpenauslass geschaffen.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert, wobei gleiche oder funktional gleiche Elemente ggf. lediglich einmal mit Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen:
- 1 eine Ausführungsform einer Scrollpumpe in einem Längsschnitt;
- 2 die Scrollpumpe aus 1 entlang der in 1 eingezeichneten Schnittachse A-A; und
- 3 in einer vergrößerten Teilansicht die erste Spirale und die zweite Spirale mit jeweils sich kontinuierlich verändernder Wandstärke (übertriebene Veranschaulichung).
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1 zeigt eine Scrollpumpe, die insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Scrollpumpe 10 kann insbesondere als Vakuumpumpe eingesetzt werden und wird im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Einfachheit halber als Vakuumpumpe 10 bezeichnet.
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Die Vakuumpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 auf, welches einen Pumpenraum oder Innenraum 14 begrenzt. Die Vakuumpumpe 10 weist eine in dem Pumpengehäuse 12 angeordnete erste Spirale 16 und eine in Zwischenräumen 18 der ersten Spirale 16 angeordnete zweite Spirale 20 auf. Die erste Spirale 16 ist relativ zum Pumpengehäuse 12 feststehend und die zweite Spirale 20 ist relativ zur ersten Spirale 16 bewegbar geführt.
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Die zweite Spirale 20 weist einen Führungsabschnitt 22 auf, über den die zweite Spirale 20 mittels einer Kulissenführung 24 beweglich mit dem Pumpengehäuse 12 gekoppelt ist. Die Spiralwindungen 26, 28 zumindest einer der Spiralen 16, 20 weisen eine sich wiederholt zwischen einem Minimum und einem Maximum kontinuierlich verändernde Wandstärke auf (siehe 3; Wandstärkenveränderung dort übertrieben dargestellt).
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Der Führungsabschnitt 22 ist mit einer Trägerscheibe 25 insbesondere einstückig verbunden, wobei sich die Spiralwindungen 28 von der Trägerscheibe 25 aus erstrecken (siehe 1).
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Die Spiralwindungen 26, 28 zumindest einer der Spiralen 14, 20 können an der Spiralinnenseite 30, 32 und/oder an der Spiralaußenseite 34, 36 jeweils eine angepasste (die sich verändernde Wandstärke bewirkende) Wandungskontur aufweisen.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weisen die Spiralaußenseiten 34, 36 der Spiralen 14, 20 eine Wandungskontur in Form einer archimedischen Spirale auf (unangepasste Wandungskontur auf Grund geometrisch „idealer“ archimedischer Spirale; siehe 3). Die Spiralinnenseiten 30, 32 der Spiralen 14, 20 weisen hingegen eine angepasste Wandungskontur auf.
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Die Spiralwindungen 26, 28 beider Spiralen 14, 20 weisen eine sich wiederholt zwischen einem Minimum (in 3 rechts) und einem Maximum (in 3 links) kontinuierlich verändernde Wandstärke auf. Die Spiralen 14, 20 sind insbesondere derart zueinander ausgerichtet, dass Abschnitte der jeweiligen Spiralwindungen 26, 28 mit gleichartig veränderter Wandstärke beieinanderliegen. Dies ist in 3 veranschaulicht, wo die Abschnitte der Spiralwindungen 26, 28 mit geringerer Wandstärke in der einen Hälfte der Spiralen 14, 20 angeordnet sind (in 3 rechte Hälfte) und die Abschnitte der Spiralwindungen 26, 28 mit höherer Wandstärke in der anderen Hälfte der Spiralen 14, 20.
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Die Wandstärke der Spiralwindungen 26, 28 zumindest einer der Spiralen 14, 20, im vorliegenden Ausführungsbeispiel von beiden Spiralen 14, 20, ist derart ausgebildet, dass sich diese über eine Spiralwindung 26, 28 hinweg (Spiralabschnitt von 2π bzw. 360°) kontinuierlich zwischen einem Maximum und einem Minimum verändert und das Maximum und das Minimum in dieser Spiralbindung 26, 28 einander gegenüberliegen, sozusagen um π bzw. 180° versetzt.
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Auch dies zeigt 3, wo Wandstärkenminima im Bereich der Spiralwindungen 26, 28 im rechten Bildabschnitt und Wandstärkenmaxima entsprechend im linken Bildabschnitt dargestellt sind. Die Punkte gleicher Wandstärke (mittlere Wandstärke) sind ebenfalls einander gegenüberliegend angeordnet (in 3 oben und unten).
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Wie bereits erläutert, sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Spiralwindungen 26, 28 an den Spiralinnenseiten 30, 32 angepasst. Die Wandstärke WS der Spiralwindungen 26, 28 am Winkel α (Wandstärke WS(α)) kann durch die Formel WS(α) = WSmitt + Komp * sin α beschrieben werden, wobei „WSmitt“ die mittlere Wandstärke und „Komp“ die erforderliche Kompensation (Betrag der Amplitude) ist, wie oben erläutert.
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Die Kulissenführung 24 ist vorliegend als Stift-Schlitzverbindung ausgebildet. Ein Stift oder Sperrstift 40 ist gehäusefest, d.h. fest am Pumpengehäuse 12 angeordnet. Ein Schlitz 42 ist im Führungsabschnitt 22 ausgebildet, der laschenartig ausgebildet sein kann. Der Schlitz 42 ist insbesondere in radialer Richtung orientiert. Ebenfalls denkbar ist eine umgekehrte Ausgestaltung mit Schlitz 42 am Pumpengehäuse 12 und einem Stift oder Sperrstift an der Spirale.
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Die erste Spirale 14 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Abschnitt 46 des Pumpengehäuses 12, insbesondere mit einem Deckel 48 des Pumpengehäuses 12 ausgebildet. Ein weiterer Abschnitt 49 des Pumpengehäuses 12 begrenzt den Pumpenraum 14 an der vom Abschnitt 46 abgewandten Seite.
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Zum Antrieb der zweiten Spirale 20 ist eine Antriebseinheit 50 vorgesehen, wobei mittels der Antriebseinheit 50 eine um eine Längsachse 52 rotierbare Antriebswelle 54 antreibbar ist. Die Antriebswelle 54 weist an ihrem der zweiten Spirale 20 zugewandten Ende einen zur Längsachse 52 der Antriebswelle 54 exzentrischen Zapfen 56 auf, mittels dem die zweite Spirale 20 auf einer in sich geschlossenen Bahnkurve bewegt werden kann.
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Zur Drehentkopplung der zweiten Spirale 20 von der Antriebswelle 54 in der Mitte der Spiralen 14, 20 ein Kugellager 58 angeordnet ist.
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Der Deckel 48 des Pumpengehäuses 12 weist einen randseitigen Pumpeneinlass 60 und einen zentrischen Pumpenauslass 62 auf.
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Die Antriebseinheit 50 ist an der vom Deckel 48 abgewandten Seite des Pumpengehäuses 12 angeordnet, insbesondere dort angeflanscht. Die Antriebseinheit 50 ist als ein Elektromotor 64 ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 801182 [0002]
- US 5588820 A [0002]
- US 7467933 B2 [0002]
