DE102020101311A1

DE102020101311A1 - Reibungsoptimierte Vakuum-Orbiterpumpe

Info

Publication number: DE102020101311A1
Application number: DE102020101311.6A
Authority: DE
Inventors: Conrad Nickel; Jakob Schnitzer; Franz Pawellek
Original assignee: Nidec GPM GmbH
Current assignee: Nidec GPM GmbH
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2021-07-22
Also published as: US20210222694A1; CN113217383A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine trockenlaufende, ölfreie Orbiter-Vakuumpumpe, an der eine reibungsoptimierte Oberfläche an Bauteilen vorgesehen ist. Die trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe umfasst u.a. ein Pumpengehäuse (1) mit einer zylindrischen Pumpenkammer (2) und einen Orbiter-Exzenterkolben (3) mit einem Führungsschlitz (4) und einer zylindrischen Außenfläche, wobei ein zylindrischer Querschnitt des Orbiter-Exzenterkolbens (3) kleiner als ein zylindrischer Querschnitt der Pumpenkammer (2) ist. Wenigstens an einem von einem radialen Luftspalt (R) und einem axialen Luftspalt (A), die in der zylindrischen Pumpenkammer (2) zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben (3) und dem Pumpengehäuse (1) gebildet werden, ist wenigstens eine zum Luftspalt (R, A) exponierte Gleitfläche (10, 20, 30) eingerichtet; wobei die wenigstens eine Gleitfläche (10, 20, 30) eine Mikrostruktur aufweist, die Kavitäten zur Verringerung einer exponierten Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) umfasst.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine trockenlaufende, ölfreie Orbiter-Vakuumpumpe, an der eine reibungsoptimierte Oberfläche an Bauteilen vorgesehen ist.
Vakuumpumpen dienen zum Evakuieren gasförmiger Medien, wie beispielsweise zur Erzeugung eines Vakuums in einem Bremskraftverstärker. Im Automotive-Bereich liegen weitere Anwendungen von trockenlaufenden Vakuumpumpen beispielsweise ebenso in der pneumatischen Verstellung von Abgasrückführungsventilen, von Abgasklappen, von Leitschaufeln an Turboladern mit variabler Turbinengeometrie, und von einem Bypass zur Ladedruckregelung mit einem Wastegate, sowie in der Betätigung einer Zentralverriegelung, oder zum Öffnen und Schließen von Scheinwerferklappen. Im Anlagenbau können trockenlaufende Vakuumpumpen im Allgemeinen zur Unterdruckversorgung von elektropneumatischen Ventilen oder pneumatischen Stellgliedern dienen.
Im Stand der Technik sind hierzu vorwiegend umlaufende Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Flügelzellenpumpen bzw. Drehschieberpumpen bekannt und werden weit verbreitet eingesetzt. Einige Pumpen benötigen die Bereitstellung eines Schmierfilms zwischen den rotierenden und feststehenden Pumpenbauteilen, um eine ausreichend gasdichte Abdichtung sowie einen geringen Reibungsverschleiß an Kontaktflächen zu gewährleisten. Das Erfordernis eines Schmierfilms in einer Vakuumpumpe wirft Problemstellungen hinsichtlich der temperaturabhängigen Viskosität des Schmiermittels und der Verunreinigung durch Absorption von Partikeln aus der abgeführten Luft auf. Diese Nachteile kommen unter schwankenden Umgebungsbedingungen einer mobilen Anwendung und insbesondere verstärkt bei einer Installation in einem Motorraum eines Fahrzeugs zum Tragen. Zudem müssen derartige Pumpen stets an eine Schmiermittelzufuhr angebunden bzw. in ein schmiermittelführendes System integriert werden.
Um das zuvor genannte Problem zu vermeiden, sind im Stand der Technik trockenlaufende Vakuumpumpen bekannt. Die DE 10 2015 010 846 A1 derselben Anmelderin beschreibt eine Orbiter-Vakuumpumpe, deren Aufbau der Pumpenbaugruppe dem Aufbau der Pumpenbaugruppe der vorliegenden Erfindung ähnlich ist.
Trockenlaufende Vakuumpumpen werden in der Regel durch einen Festschmierstoff, wie insbesondere durch Graphit geschmiert. Der Festschmierstoff Graphit benötigt Wasser bzw. Feuchtigkeit zum Aufbau einer reibungsarmen Schicht zwischen einem bewegten und einem statischen Pumpenteil. Die Wasserarmut bei Reibungspaarungen im Vakuum führt zu einer Erhöhung des Reibwerts. Wie die Erfinder festgestellt haben, steigt der Reibungskoeffizienten von Graphit im Vakuum einer trockenlaufenden Vakuumpumpe an. Nach einer Kenntnis der Erfinder eignet sich Graphit aufgrund des Verhaltens des Reibungskoeffizienten nicht in der gewünschten Weise als Festschmierstoff für die Anwendung einer trockenlaufenden Vakuumpumpe.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine alternative Lösung für eine trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe bereitzustellen, die im Vakuumbetrieb einen geringen Leistungsverlust aus Reibung gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Orbiter-Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruchs zu der vorliegenden Erfindung gelöst. Die erfindungsgemäße, trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass wenigstens an einem von einem radialen Luftspalt und einem axialen Luftspalt, die in einer zylindrischen Pumpenkammer zwischen einem Orbiter-Exzenterkolben und einem Pumpengehäuse gebildet werden, wenigstens eine zum Luftspalt exponierte Gleitfläche eingerichtet ist; wobei die wenigstens eine Gleitfläche eine Mikrostruktur aufweist, die Kavitäten zur Verringerung einer exponierten Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche umfasst.
Die vorliegende Erfindung sieht erstmals eine Mikrostruktur an einer Gleitfläche an einem Luftspalt bzw. zwischen einem bewegten und einem statischen Pumpenbauteil in einer trockenlaufenden Pumpe für gasförmige Medien vor.
Insbesondere sieht die Erfindung erstmals eine Gleitfläche mit einer Mikrostruktur an einem Orbiter-Exzenterkolben und/oder einer Pumpenkammerwand des Pumpengehäuses einer trockenlaufenden Orbiter-Vakuumpumpe vor.
In ihrer allgemeinsten Form beruht die Erfindung auf den zwei Aspekten der Verringerung einer Oberfläche der Gleitfläche und der Erzeugung eines aerodynamischen Schmierfilms in dem Luftspalt.
Zum einen wird durch die Kavitäten der Mikrostruktur eine reibungswirksame Kontaktoberfläche der Gleitfläche verringert. Die reibungswirksame Kontaktoberfläche der Gleitfläche trägt immer dann zu einem Reibungswiderstand bei, wenn ein Reibkontakt auftritt. Ein solcher Reibkontakt tritt beispielsweise am axialen Luftspalt durch eine schwimmende Lagerung des Orbiter-Exzenterkolbens in der Pumpenkammer auf.
Zum anderen wird durch die Kavitäten der Mikrostruktur ein aerodynamischer Schmierfilm erzeugt, wie nachstehend erläutert. Ein solcher aerodynamischer Schmierfilm wird im Luftspalt erzeugt, wenn geeignete Druckverhältnisse vorliegen. Diese Druckverhältnisse treten insbesondere am radialen Luftspalt durch die Verdrängungsvorgänge des Orbiter-Exzenterkolbens auf. Der radiale Luftspalt wirkt als eine Spaltdichtung zur Trennung der Pumpenkammer in einen Unterdruckbereich und in einen Druckbereich beiderseits des Orbiter-Exzenterkolbens. Aufgrund der Druckdifferenz entsteht eine Leckage in Form eines Luftstroms durch den Dichtungsspalt bzw. den entsprechenden Luftspalt zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben und der gegenüberliegenden Kammerwand.
Jede Kavität der Mikrostruktur bewirkt eine kleine turbulente Verwirbelung des Leckage-Luftstroms. Jede über der Kavität lokal gebundene, kleine turbulente Verwirbelung entfaltet eine äquivalente Wirkung wie ein über der Kavität lokal gebundenes, kleines statisches Luftpolster. Im Vergleich zu einer laminaren Strömung eines Luftstroms zwischen zwei glatten Flächen, erzeugt somit die erfindungsgemäße Gleitfläche einen aerodynamischen Schmierfilm aus kleinen turbulenten Luftwirbeln, die in demselben Luftspalt äquivalent wirken wie eine Summe von kleinen statischen Luftpolstern. Dabei sind eine auseinanderdrängende Wirkung im Sinne eines Luftpolsters bzw. eine reibungsvermindernde Wirkung im Sinne des aerodynamischen Schmierfilms aus lokal gebundenen turbulenten Verwirbelungen anhand einer Anzahl und Flächenverteilung der Kavitäten in der Mikrostruktur einstellbar.
Der erfindungsgemäß bereitgestellte aerodynamische Schmierfilm, der durch die Mikrostruktur der erfindungsgemäßen Gleitfläche erzeugt wird, weist mehrere Vorteile auf.
Durch den statischen Druck in dem aerodynamischen Schmierfilm wird, vergleichbar mit einem Luftpolster, ein direkter axialer Oberflächenkontakt zwischen Stirnflächen des Orbiter-Exzenterkolbens und der Kammerwand weitgehend unterdrückt. Dadurch tritt ein sehr geringer Verschleiß auf, wodurch eine hohe Lebensdauer ohne eine Verschlechterung der Dichtungswirkung des entsprechenden Luftspalts im Sinne einer Spaltdichtung erreicht wird.
Ebenso werden durch den fehlenden direkten Oberflächenkontakt an dem aerodynamischen Schmierfilm sehr geringe Reibwerte erzielt, die zu einer hohen Energieeffizienz der Orbiter-Vakuumpumpe beitragen.
Darüber hinaus stellt der statische Druck in dem aerodynamischen Schmierfilm eine dichtungswirksame separate Druckzone zwischen einem Ansaugdruck und einem Auslassdruck der Orbiter-Vakuumpumpe dar. Die lokal gebundenen Turbulenzen über den Kavitäten der Mikrostruktur erzeugen abwechselnde, diskrete Zonen von unterschiedlichen Drücken. Diskrete Zonen von unterschiedlichen Drücken stellen prinzipiell eine Barriere gegen das Hindurchtreten einer Strömung in einem Dichtungsspalt bzw. dem entsprechenden Luftspalt in der Pumpenkammer dar. Dieses Prinzip ist beispielsweise aus Dichtungen mit Rillen bzw. Kammern zur Bereitstellung mehrerer unterschiedlicher Druckzonen zwischen zwei Dichtungsseiten bekannt. Der erfindungsgemäß bereitgestellte aerodynamische Schmierfilm, der durch die Mikrostruktur erzeugt wird, erzielt somit dauerhaft eine bessere Dichtungswirkung zwischen einer Saugseite und einer Auslassseite der Orbiter-Vakuumpumpe, als bei einer Spaltdichtung, die an demselben Luftspalt anhand von glatten Flächen gebildet wird.
Zusammengefasst setzt der durch die erfindungsgemäße Gleitfläche erzeugte aerodynamische Schmierfilm unter Vermeidung eines direkten Reibkontakts eine Haft- und Gleitreibung zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben und dem Pumpenkammer herab, wodurch eine energetische Effizienz und eine Verschleißbeständigkeit zugunsten der Lebensdauer und Betriebssicherheit der Orbiter-Vakuumpumpe verbessert werden. Zudem stellt der durch die erfindungsgemäße Gleitfläche erzeugte aerodynamische Schmierfilm eine verbesserte Dichtungswirkung des entsprechenden Luftspalts zwischen einem Unterdruckbereich und einem Druckbereich in der Pumpenkammer bereit, wodurch eine volumetrische Effizienz der Orbiter-Vakuumpumpe verbessert wird.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kavitäten der Mikrostruktur eine geschlossene Kontur zur Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche aufweisen. Im Vergleich zu einer Oberflächenrauheit, deren Topologie beliebige Formen von Kavitäten mit undefinierten Konturen enthält, gewährleistet die geschlossene Kontur der Kavitäten eine definierte turbulente Verwirbelung an der Oberfläche und deren lokale Bindung zu der geschlossenen Kontur, wodurch ein gezielter Aufbau des aerodynamischen Schmierfilms im Luftspalt ermöglicht wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kavitäten der Mikrostruktur in einer Tiefenrichtung zur umgebenden Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche eine Abmessung von 10 bis 100 µm aufweisen. Innerhalb des genannten Bereichs wird eine Wirksamkeit der Kavitäten zur Erzeugung turbulenter Verwirbelungen unter den anwendungsspezifischen Betriebsbedingungen und Maßen im Luftspalt der Orbiter-Vakuumpumpe erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kavitäten der Mikrostruktur in einer Richtung der Erstreckung einer Kontur zur umgebenden Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche eine Abmessung von 10 bis 1000 µm Mikrometer aufweisen. Auch in diesem Bereich wird eine Wirksamkeit der Kavitäten zur Erzeugung turbulenter Verwirbelungen unter den anwendungsspezifischen Betriebsbedingungen und Maßen im Luftspalt der Orbiter-Vakuumpumpe erzielt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Kavitäten der Mikrostruktur die Form einer Kugelkalotte, einer ellipsoiden Kalotte, eines Langlochs oder einer Rille aufweisen. Im Vergleich zu der Form einer Kugelkalotte ermöglichen die übrigen aufgeführten Formen eine Ausrichtung oder Formoptimierung der Mikrostruktur in Bezug auf die Rotationsrichtung bzw. der Strömungsrichtung im Luftspalt.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche vermittels einer lasergestützten Materialaufschmelzung in die entsprechende Oberfläche des Pumpengehäuses oder des Orbiter-Exzenterkolbens eingebracht sein. Durch diese Technik wird eine besonders schnelle und präzise Oberflächenbearbeitung der entsprechenden Pumpenbauteile gewährleistet.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann ein Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche eingebracht ist, als ein Oberflächeneinsatz bereit gestellt sein, der in einen Bauteilkörper des Pumpengehäuses oder des Orbiter-Exzenterkolbens eingesetzt ist. Durch diese Ausgestaltung, kann für einen oberflächennahen Bauteilbereich der Gleitfläche ein härteres oder sonstiges optimiertes Material wie z.B. Stahl gewählt werden, während für den verbleibenden Bauteilkörper des Kolbens oder des Gehäuses ein leichteres und spritzgussfähiges oder sonstiges funktional optimiertes Material wie z.B. ein Kunststoff oder Aluminium verwendbar ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche in einem metallischen Material eingebracht sein, das seitens des Pumpengehäuses oder des Orbiter-Exzenterkolbens bereitgestellt ist. Verschiedene Metalllegierungen bieten bevorzugte Materialeigenschaften hinsichtlich der Härte, eine Oberflächengüte und deren Bearbeitbarkeit zur Einbringung der Mikrostruktur, insbesondere mittels eines Lasers.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das metallische Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche eingebracht ist, vermittels einer Hartanodisierung oberflächengehärtet sein. Dadurch kann die Verschleißfestigkeit der Mikrostruktur, und somit eine Lebensdauer der vorteilhaften Wirkung mittels einer höheren Härte seitens des Materials verbessert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann das metallische Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche eingebracht ist, als eine Sinterschicht bereit gestellt sein, die auf einem Material des Pumpengehäuses oder des Orbiter-Exzenterkolbens aufgesintert ist. Hierdurch wird eine alternative Ausgestaltung vorgeschlagen, durch welche es wiederum möglich wird, ein härteres metallisches Material für die Gleitfläche zu wählen, während für den verbleibenden Bauteilkörper ein sonstiges optimiertes Material verwendbar ist.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die wenigstens eine Gleitfläche zusätzlich auch an wenigstens einer Fläche des Sperrschiebers eingerichtet sein; wobei auch die wenigstens eine Gleitfläche an dem Sperrschieber die Mikrostruktur aufweist, die Kavitäten zur Verringerung einer exponierten Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche umfasst. Durch diese Ausgestaltung kann die vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen Gleitfläche mit der Mikrostruktur ebenso in Bezug auf eine Gleitbewegung und Abdichtung zwischen dem Sperrschieber und dem Führungsschlitz genutzt werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung und der begleitenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

1 einen Querschnitt durch die Pumpenkammer einer Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 einen axialen Querschnitt durch die Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus 1; und
3 einen vergrößerten Ausschnitt Z der Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus 2.

Wie in 1 gezeigt ist, wird die Orbiter-Vakuumpumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aus einem Pumpengehäuse 1 gebildet, das eine Pumpenkammer 2 mit einer zylindrischen Kammerwand umfasst. In der Pumpenkammer 2 führt ein Orbiter-Exzenterkolben 3 eine Umlaufbewegung aus, wobei ein umlaufender Gleitkontakt des Orbiter-Exzenterkolbens 3 zu der zylindrischen Kammerwand aufrechterhalten wird. In dem Orbiter-Exzenterkolben 3 ist ein Führungsschlitz 4 ausgebildet, in dem ein Sperrschieber 5 gleitfähig aufgenommen ist. Der Sperrschieber 5 erstreckt sich durch die Pumpenkammer 2 in den Orbiter-Exzenterkolben 3 hinein und ist an einem freien Ende schwenkbar gelagert. Hierzu ist in der Kammerwand zwischen einer Einlassöffnung 6 und einer Auslassöffnung 7 ein Schwenklager 14 angeordnet. Der Pumpeneinlass weist einen Stutzen zum Anschluss eines Vakuumschlauchs auf.
In Abhängigkeit einer Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 auf der Umlaufbewegung in der Pumpenkammer 2, gleitet ein Abschnitt des Sperrschiebers 5, der dem schwenkbar gelagerten Ende gegenüberliegt, in den Führungsschlitz 4 ein und aus. Dadurch wird die Pumpenkammer 2 beiderseits des Sperrschiebers 5 in zwei Volumina aufgeteilt, von denen eines mit der Einlassöffnung 6 und eines mit der Auslassöffnung 7 kommuniziert. Die Volumina beiderseits des Sperrschiebers 5 verändern sich mit dem umlaufenden Gleitkontakt zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und der zylindrischen Kammerwand in gleichen Anteilen gegensätzlich zueinander, sodass ein nachfolgend erläuterter, zyklischer Verdrängungsvorgang vollzogen wird.
Die Darstellung in 1 zeigt eine Lage des Orbiter-Exzenterkolbens 3 etwa auf halber Strecke vor einem oberen Totpunkt, in dem das mit dem Einlass 6 kommunizierende zunehmende Volumen der Pumpenkammer 2, durch das ein Gas angesaugt wird, ein nahezu maximales Volumen erreicht. Nach einem Überschreiten des oberen Totpunkts, d.h. nach dem der Orbiter-Exzenterkolbens 3 das Gleitlager 14 und die Einlassöffnung 6 überschritten hat, wird in der nächsten Umdrehung im Uhrzeigersinn durch ein abnehmendes Volumen auf einer vorlaufenden Seite des umlaufenden Gleitkontakts zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und der zylindrischen Kammerwand das zuvor angesaugte Gas durch den Auslass 7 ausgeschoben, während durch ein zunehmendes Volumen auf einer nachlaufenden Seite des umlaufenden Gleitkontakts, zeitgleich wieder in gleichem Maße neues Gas durch den Einlass 6 in die Pumpenkammer 2 angesaugt wird.
Wie in 2 gezeigt, ist in dem Pumpengehäuse 1 eine Welle 8 mittels eines Wellenlagers drehbar gelagert angeordnet. Die Welle 8 wird durch einen Elektromotor 9 angetrieben. Auf der Welle 8 ist eine Exzenterscheibe 12 mit einem exzentrisch angeordneten Kurbelzapfen 13 fixiert. Der Kurbelzapfen 13 greift in den Mittelpunkt des Orbiter-Exzenterkolbens 3. Während einer Umdrehung der Welle 8 führt die Exzenterscheibe 12 über den Kurbelzapfen 13 die Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 in der Pumpenkammer 2 aus. Der Orbiter-Exzenterkolbens 3 ist in Form einer Kolbentrommel zylindrisch ausgebildet. Vorzugsweise wird der Orbiter-Exzenterkolben 3 als Formteil mittels Spritzguss aus einem Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt.
Die Auslassöffnung 7 wird durch eine in die Pumpenkammer 2 mündende, axial ausgerichtete Bohrung bereitgestellt. Diese bildet in Verbindung mit einem Druckventil 17 einen Ausgang zur Umgebung. Das Druckventil 17 wird durch ein Blechbiegeteil bereitgestellt, das eine Rückseite der Auslassöffnung 7 abdeckt, und durch einen Förderdruck eines aus der Pumpenkammer 2 austretenden Gases zurückgedrängt wird. Eine Seite des Pumpengehäuses 1, auf welcher der Elektromotor 9 aufgenommen ist, wird durch einen Motordeckel 19 abgeschlossen. In dem Motordeckel 19 ist ferner eine Elektronik zur Steuerung einer elektrischen Antriebsleistung angeordnet.
3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt Z aus 2, der sich auf einen Bereich des Gleitkontakts zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und der zylindrischen Kammerwand des Pumpengehäuses 1 in der Pumpenkammer 2 bezieht. Im Scheitelpunkt des Gleitkontakts besteht in der Regel ein geringfügiger radialer Luftspalt R, der zur Veranschaulichung überhöht dargestellt ist. Ebenso besteht zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und einer stirnseitigen Kammerwand des Pumpengehäuses 1 ein axialer Luftspalt A. Auf einer links dargestellten Seite wird die stirnseitige Kammerwand des Pumpengehäuses 1 durch einen Pumpendeckel 11 gebildet.
Der radiale Luftspalt R und der axiale Luftspalt A in der Pumpenkammer 2 sind einerseits erforderlich, um im Rahmen von Fertigungs- und Passungstoleranzen eine reibungsarme Umlaufbewegung des Orbiter-Exzenterkolbens 3 in der Pumpenkammer 2 sicherzustellen. Ferner gewährleisten der radiale Luftspalt R und der axiale Luftspalt A, dass der Orbiter-Exzenterkolben 3 nicht bereits durch geringfügige partikelförmige Verunreinigungen, die mit einem Gasstrom angesaugt werden können, während der Umlaufbewegung verklemmen kann. Das Maß des radialen Luftspalts R und des axialen Luftspalts A betragen vorzugsweise einige 10 µm, beispielsweise 50 µm für den radialen Luftspalt R und beiderseits des Orbiter-Exzenterkolbens 3 jeweils 30 µm für den axialen Luftspalt A. Dabei ist der Orbiter-Exzenterkolben 3 in axialer Richtung schwimmend gelagert, d.h. auf dem Kurbelzapfen 13 frei beweglich aufgenommen, sodass sich aus einem Gleichgewicht von Strömungen und Druckzonen in den axialen Luftspalten A beiderseits eine axiale Position des Orbiter-Exzenterkolbens 3 selbsttätig verschiebbar einstellt.
Dennoch treten aufgrund axialer Bewegungen, äußerer Einwirkungen wie Vibrationen oder Beschleunigungen in einer Systemumgebung, Feuchtigkeit, Verunreinigungen, Temperaturschwankungen oder sonstig verursachten Materialspannungen oder Materialdehnungen, zeitweise oder dauerhaft Herabsetzungen des berührungsfreien Spaltmaßes des axialen Luftspalts A oder des radialen Luftspalts R auf ein Spaltmaß von 0 µm auf, sodass eine Berührung gegenüberliegender Flächen vorliegt. Zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben 3 und den Kammerwänden des Pumpengehäuses 1 bestehen daher punktuell oder flächig auch reibungswirksame Gleitkontakte im axialen Luftspalt A oder im radialen Luftspalt R.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind Orbiter-Vakuumpumpen mit unterschiedlichen Anordnungen und Ausgestaltungen von Gleitflächen vorgesehen, die eine Störung des Pumpenbetriebs oder eine Beeinträchtigung der Effizienz durch reibungswirksame Gleitkontakte im axialen Luftspalt A oder im radialen Luftspalt R verringern.
Bei einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in 3 gezeigt ist, ist an der radialen Außenfläche des Orbiter-Exzenterkolbens 3 eine nachstehend erläuterte, spezifische Gleitfläche 30 bereitgestellt. Die Gleitfläche 30 weist eine Mikrostruktur mit Kavitäten auf, die durch eine karierte Schraffur dargestellt ist. Die Kavitäten sind in einem regelmäßigen Muster gleichmäßig verteilt über die Gleitfläche 30 angeordnet. Ferner weisen die Kavitäten eine geschlossene Kontur zur Oberfläche auf, d.h. jede Kavität ist zu einer benachbarten Kavität in einer beliebigen Richtung durch einen dazwischen liegenden Abschnitt der Oberfläche der Gleitfläche 30 getrennt. Infolgedessen weist die Gleitfläche 30 eine verringerte Oberfläche in Bezug zu einem Reibkontakt im radialen Luftspalt R auf.
Die Kavitäten der Mikrostruktur werden durch einen Laser in die Gleitfläche eingebracht, wobei eine partielle Materialabtragung durch Aufschmelzung von Material an der Oberfläche erzielt wird. Die Form der Kavitäten ist zugunsten einer Bearbeitungsgeschwindigkeit vorzugsweise entsprechend einer projizierten Form des auftreffenden Laserstrahls oder einer Maske gewählt. Eine Kontur der Kavitäten weist daher vorzugsweise eine einfache Form ohne Winkel auf, wie eine Kugelkalotte oder eine elliptische Kalotte. Dabei weisen die Kavitäten eine Tiefe von 10 bis 100 µm auf und einen Durchmesser in einer Erstreckungsrichtung der Kontur von 10 bis 1000 µm auf. In einem Ausführungsbeispiel umfasst die Mikrostruktur der Gleitfläche 30 runde Kavitäten mit einer Tiefe von 20 µm und einem Durchmesser von 100 µm.
Das Material der Gleitfläche 30, in dem die Mikrostruktur mit den Kavitäten eingebracht wird, besteht aus einer hartanodisierten Metalllegierung. Genauer genommen, ist auf dem als Kolbentrommel ausgebildeten Körper des Orbiter-Exzenterkolbens 3, der aus einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt ist, eine Metallschicht aufgebracht. Die Metallschicht ist in Form einer Sintermetallschicht aus einer Sinterlegierung auf dem Material des Orbiter-Exzenterkolbens 3 aufgesintert. Zudem wird die Sintermetallschicht einem Verfahren der Oberflächenhärtung mittels einer Hartanodisierung unterzogen.
In alternativen Varianten der ersten Ausführungsform ist eine Metallschicht zur Einrichtung der Gleitfläche 30 als ein ringförmiger bzw. zylindrischer Materialeinsatz an der Außenfläche des Orbiter-Exzenterkolbens 3 bereitgestellt, oder es besteht der gesamte Körper des Orbiter-Exzenterkolbens 3 aus einem entsprechenden Metall, wie einem rostfreien Stahl.
In einer nicht dargestellten, zweiten Ausführungsform der Erfindung ist an der zylindrischen Kammerwand des Pumpengehäuses 1, die zum radialen Luftspalt R exponiert ist, eine Gleitfläche 20 eingerichtet, die eine Mikrostruktur mit Kavitäten aufweist. Die Mikrostruktur der Gleitfläche 20 entspricht in allen Ausgestaltungen der Kavitäten der zuvor erläuterten Mikrostruktur der Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. Ebenso entspricht eine Materialauswahl eines Metalls mit einer hartanodisierten Oberfläche für die Gleitfläche 20 der bevorzugten Materialauswahl für die Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist das Material für die Gleitfläche 20 jedoch derart bereitgestellt, dass der gesamte Körper des Pumpengehäuses 1 aus einem entsprechenden Metall gefertigt ist.
In alternativen Varianten der zweiten Ausführungsform ist lediglich eine Metallschicht zur Einrichtung der Gleitfläche 20 an dem Pumpengehäuse bereitgestellt. Dabei ist die Metallschicht als ein ringförmiger bzw. zylindrischer Materialeinsatz aus einem rostfreien Stahl an der Innenfläche der zylindrischen Kammerwand des Pumpengehäuses 1 bereitgestellt, oder die Metallschicht ist in demselben Bereich in Form einer Sintermetallschicht aus einer Sinterlegierung auf dem Material des Pumpengehäuses 1 aufgesintert. Bei diesen Varianten kann der Körper des Pumpengehäuses 1 sowohl aus einem anderen Metall wie einer spritzgussfähigen Leichtmetalllegierung oder auch aus einem Kunststoff gefertigt sein.
In einer nicht dargestellten, dritten Ausführungsform der Erfindung ist an den stirnseitigen Kammerwänden des Pumpengehäuses 1 bzw. des Pumpendeckels 11, die zum axialen Luftspalt A exponiert sind, Gleitflächen 10 eingerichtet, die eine Mikrostruktur mit Kavitäten aufweisen. Die Mikrostruktur der Gleitflächen 10 entsprechen in allen Ausgestaltungen der Kavitäten der zuvor erläuterten Mikrostruktur der Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. Ebenso entspricht eine Materialauswahl eines Metalls mit einer hartanodisierten Oberfläche für die Gleitflächen 10 der bevorzugten Materialauswahl für die Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform ist das Material für die Gleitflächen 10 jedoch derart bereitgestellt, dass der Pumpendeckel 11 und der gesamte Körper des Pumpengehäuses 1 aus einem entsprechenden Metall gefertigt sind.
In alternativen Varianten der dritten Ausführungsform ist lediglich eine Metallschicht zur Einrichtung der Gleitflächen 10 an dem Pumpengehäuse 1 und dem Pumpendeckel 11 bereitgestellt. Dabei ist die Metallschicht als ein flächiger Materialeinsatz in Form eines Stahlblechs an der Innenfläche des Pumpendeckels 11 und der stirnseitigen Kammerwand des Pumpengehäuses 1 bereitgestellt, oder die Metallschicht ist in denselben Bereichen in Form einer Sintermetallschicht aus einer Sinterlegierung auf dem Material des Pumpendeckels 11 und dem Material des Pumpengehäuses 1 aufgesintert. Bei diesen Varianten können der Körper des Pumpendeckels 11 und der Körper des Pumpengehäuses 1 sowohl aus einem anderen Metall wie einer spritzgussfähigen Leichtmetalllegierung oder auch aus einem Kunststoff gefertigt sein.
In einer vierten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzlich an den Flächen des Sperrschiebers 5, die zu dem Führungsschlitz 4 des Orbiter-Exzenterkolbens 3 exponiert sind, Gleitflächen eingerichtet, die eine Mikrostruktur mit Kavitäten aufweisen. Die Mikrostruktur dieser Gleitflächen entspricht ebenfalls in allen Ausgestaltungen der Kavitäten der zuvor erläuterten Mikrostruktur der Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. Ebenso entspricht eine Materialauswahl eines Metalls mit einer hartanodisierten Oberfläche für diese Gleitflächen der bevorzugten Materialauswahl für die Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. Hierbei ist das Material für diese Gleitflächen derart bereitgestellt, dass der Körper des Sperrschiebers 5 aus einem entsprechenden Metall, wie einem rostfreien Stahl gefertigt ist.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform sind zusätzlich an axialen Flächen des Orbiter-Exzenterkolbens 3, die zum axialen Luftspalt A exponiert sind, Gleitflächen eingerichtet, die eine Mikrostruktur mit Kavitäten aufweisen. Die Mikrostruktur solcher Gleitflächen entspricht ebenfalls in allen Ausgestaltungen der Kavitäten der zuvor erläuterten Mikrostruktur der Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform. Ebenso entspricht eine Materialauswahl eines Metalls mit einer hartanodisierten Oberfläche für solche Gleitflächen der bevorzugten Materialauswahl für die Gleitfläche 30 der ersten Ausführungsform.
Es ist zu beachten, dass die verschiedenen Ausführungsformen und deren alternative Varianten untereinander kombiniert und insbesondere zueinander ergänzt werden können, um eine Orbiter-Vakuumpumpe gemäß der Erfindung mit den zuvor beschriebenen Vorteilen zu schaffen.
Bezugszeichenliste

1: Pumpengehäuse
2: Pumpenkammer
3: Orbiter-Exzenterkolben
4: Führungsschlitz
5: Sperrschieber
6: Einlass / Einlassöffnung
7: Auslass / Auslassöffnung
8: Welle
9: Elektromotor
10: axiale Gleitflächen des Pumpengehäuses / des Pumpendeckels
11: Pumpendeckel
12: Exzenterscheibe
13: Kurbelzapfen
14: Schwenklager
17: Druckventil
19: Motordeckel
20: radiale Gleitfläche des Pumpengehäuses
30: radiale Gleitfläche des Orbiter-Exzenterkolbens
A: axialer Luftspalt
R: radialer Luftspalt
Z: vergrößerter Ausschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102015010846 A1 [0004]

Claims

Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe, aufweisend: ein Pumpengehäuse (1) mit einer zylindrischen Pumpenkammer (2); einen Orbiter-Exzenterkolben (3) mit einem Führungsschlitz (4) und einer zylindrischen Außenfläche, wobei ein zylindrischer Querschnitt des Orbiter-Exzenterkolbens (3) kleiner als ein zylindrischer Querschnitt der Pumpenkammer (2) ist; eine Welle (8) zum Antreiben des Orbiter-Exzenterkolbens (3) mittels eines exzentrischen Kurbelzapfens (13), der in den Orbiter-Exzenterkolben (3) eingreift; einen Sperrschieber (5), der in dem Führungsschlitz (4) des Orbiter-Exzenterkolbens (3) aufgenommen ist, wobei ein Ende des Sperrschiebers (5) zwischen einem Einlass (6) und einem Auslass (7) schwenkbar an dem Pumpengehäuse (1) gelagert ist; dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens an einem von einem radialen Luftspalt (R) und einem axialen Luftspalt (A), die in der zylindrischen Pumpenkammer (2) zwischen dem Orbiter-Exzenterkolben (3) und dem Pumpengehäuse (1) gebildet werden, wenigstens eine zum Luftspalt (R, A) exponierte Gleitfläche (10, 20, 30) eingerichtet ist; wobei die wenigstens eine Gleitfläche (10, 20, 30) eine Mikrostruktur aufweist, die Kavitäten zur Verringerung einer exponierten Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) umfasst.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 1; wobei die Kavitäten der Mikrostruktur eine geschlossene Kontur zur Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) aufweisen.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2; wobei die Kavitäten der Mikrostruktur in einer Tiefenrichtung zur umgebenden Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) eine Abmessung von 10 bis 100 µm aufweisen.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3; wobei die Kavitäten der Mikrostruktur in einer Richtung der Erstreckung einer Kontur zur umgebenden Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) eine Abmessung von 10 bis 1000 µm aufweisen.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4; wobei die Kavitäten der Mikrostruktur die Form einer Kugelkalotte, einer ellipsoiden Kalotte, eines Langlochs oder einer Rille aufweisen.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5; wobei die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) vermittels einer lasergestützten Materialaufschmelzung in die entsprechende Oberfläche des Pumpengehäuses (1) oder des Orbiter-Exzenterkolbens (3) eingebracht ist.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6; wobei ein Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) eingebracht ist, als ein Oberflächeneinsatz bereit gestellt ist, der in einen Bauteilkörper des Pumpengehäuses (1) oder des Orbiter-Exzenterkolbens (3) eingesetzt ist.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7; wobei die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) in einem metallischen Material eingebracht ist, das seitens des Pumpengehäuses (1) oder des Orbiter-Exzenterkolbens (3) bereitgestellt ist.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 8; wobei das metallische Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) eingebracht ist, vermittels einer Hartanodisierung oberflächengehärtet ist.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach Anspruch 8 oder 9; wobei das metallische Material, in dem die Mikrostruktur der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) eingebracht ist, als eine Sinterschicht bereit gestellt ist, die auf einem Material des Pumpengehäuses (1) oder des Orbiter-Exzenterkolbens (3) aufgesintert ist.
Trockenlaufende Orbiter-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 wobei; die wenigstens eine Gleitfläche (10, 20, 30) zusätzlich auch an wenigstens einer Fläche des Sperrschiebers (5) eingerichtet ist; wobei auch die wenigstens eine Gleitfläche (10, 20, 30) an dem Sperrschieber (5) die Mikrostruktur aufweist, die Kavitäten zur Verringerung einer exponierten Oberfläche der wenigstens einen Gleitfläche (10, 20, 30) umfasst.