DE1503544B2

DE1503544B2 - Drehkolbenvakuumpumpe

Info

Publication number: DE1503544B2
Application number: DE1503544A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dipl.-Phys. Dr. 6451 Bruchkoebel Wutz
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1965-02-04
Filing date: 1965-02-04
Publication date: 1974-09-19
Also published as: DE1503544A1; DE1503544C3; GB1132436A; CH430028A; US3387772A

Description

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenvakuumpumpe mit einem in einem Gehäusehohlraum mittels eines Exzenters geführten und in kreisende Bewegung versetzten sowie mit zahnartigen Ecken versehenen Drehkolben, welcher im Schlupfeingriff mit dem Gehäusehohlraum bzw. Arbeitsraum zusammenarbeitet, der eine zahnartige Ecke weniger aufweist als der Drehkolben, wobei zur Herstellung des Bewegungsablaufs eine Außenverzahnung und eine Innenverzahnung am Gehäuse und am Drehkolben vorgesehen sind, deren Übersetzungsverhältnis dem Verhältnis der Zahl der zahnartigen Ecken am Drehkolben und am Gehäuse entspricht.

An rotierende Vakuumpumpen, die als Vorvakuumpumpen einen Druck unter 20 Torr, vorzugsweise unter ΙΟ"¹ Torr, erzeugen sollen, werden sehr hohe Ansprüche gestellt, da sie imstande sein müssen, ein sehr großes Druckverhältnis zwischen Ansaug- und Atmosphärendruck (mindestens 40, z. B. bei einem Endvakuum von 1O^-40 Torr, aber bis rund 10⁷) zu erzeugen. Man benutzt in der Regel Drehschieberpumpen mit Drehzahlen, die bei kleinen Pumpen bis etwa 1500 Umdrehungen pro Minute betragen, oder Sperrschieberpumpen mit Drehzahlen von etwa 500 Umdrehungen pro Minute. Bei Drehschieberpumpen werden die Schieber mittels Federkraft oder Zentrifugalkräften an die Innenwand des Gehäuses gedrückt. Dies führt im Verein mit der hohen Drehzahl zu einer starken Abnutzung; auch können die Schieber schon bei relativ geringer Verschmutzung klemmen.

Die Sperrschieberpumpen können wegen der hin und her gehenden Bewegung des Sperrschiebers, der gleichzeitig zum Einlaß der abzusaugenden Gase dient, keinen vollständigen dynamischen Massenausgleich erreichen; dies beschränkt die verwendbaren höchsten Drehzahlen und läßt damit — bei gegebenen Außenmaßen — das Saugvermögen gewisse, relativ geringe Werte nicht übersteigen. Dabei ist an sich die Sperrschieberpumpe als Vakuumpumpe besonders geeignet; denn sie hat im Sperrschieber einen Einlaßkanal relativ großen Querschnitts, und die Bewegung der rotierenden Teile ist mit geringer Abnutzung verbunden, da der Sperrschieber nur in einem zugehörigen Sperrschieberlager mit geeigneter Passung hin und her geschoben wird. Der Kolben rotiert im Gehäuse mit geringem Spiel, das durch Öl abgedichtet wird. Die Pumpe arbeitet also mit sogenannter »schwimmender« Dichtung.

Es sind aber Trochoidenmaschinen, d. h. Rotationskolbenmaschinen mit Trochoidenquerschnitt für den Rotor oder den Gehäusehohlraum, bekannt, die infolge des möglichen dynamischen Massenausgleichs hohe Drehzahlen zulassen. Sie haben in Form des »Wankelmotors« auch im Automobilbau Eingang gefunden und bewähren sich hier offenbar gut. In der VDI-Zeitschrift, Bd. 102 (1960), Heft Nr. 8, S. 293 ff. wird auf die Vielfalt der möglichen Bauformen derartiger Trochoidenmaschinen hingewiesen. Es gelang jedoch bisher nicht, solche Trochoidenmaschinen als brauchbare Vakuumpumpen auszubilden und einzusetzen, obwohl einige Formen dieser Maschinen schon als Verdichter Verwendung fanden. Dies hängt offenbar damit zusammen, daß beim Verdichter meist nur eine Kompression vom Atmosphärendruck auf einige (z. B. 10) Atmosphären Überdruck gefordert wird, während bei einer rotierenden Vakuumpumpe als Vorpumpe eine Kompression von mindestens 10~² Torr auf etwa 760 Torr, also eine rund 100 OOOfache Verdichtung gefordert wird. Auch von den in der britischen Patentschrift 216 von 1883 und der britischen Patentschrift 583 035 gezeigten Drehkolbenmaschinen, welche nach der jeweiligen Beschreibung der Patentschriften als Kompressor oder Saug- bzw. Förderpumpe verwendbar sein sollen, ist nicht bekannt, daß sie als Vakuumpumpen versucht oder verwendet wurden und damit als solche geeignet sind.

Bei der in der britischen Patentschrift 216 von 1883 (insbesondere Fig. 5 und 6) gezeigten Ausführungsform einer Drehkolbenmaschine wird im Gehäusehohlraum ein im Querschnitt etwa die Form eines Bogenzweiecks mit zwei scharfen Ecken aufweisender und an einer Seite mit einer Innenverzah-

nung versehener Drehkolben mittels einer Exzenteroder Kurbelwelle in Umlaufbewegung versetzt und dabei mittels eines gehäusefesten Ritzels, das mit der Innenverzahnung kämmt, so geführt, daß er zugleich eine Drehbewegung um seine eigene Achse ausführt. Der allen Stellungen des Drehkolbens angepaßte Gehäusehohlraum weist dazu im Querschnitt etwa die Form einer Kardioiden-Kurve mit einer nach innen vorspringenden stumpfwinkeligen zahnartigen Ecke auf. Durch die im Querschnitt relativ dünne, mit vergleichsweise sehr spitzwinkligen Ecken versehene Form des Drehkolbens steht zwar ein relativ großer nutzbarer Förderraum zwischen dem Drehkolben und der Gehäusehohlraumwand zur Verfügung, den der Drehkolben schnell und mit ungleichförmiger Winkelgeschwindigkeit in bezug auf die ungefähre Achse des Hohlraums durchstreift, aber als Vakuumpumpe dürfte sich eine solche Drehkolbenmaschine kaum eignen, da mit dem sehr spitzwinklige Ecken aufweisenden Kolben die bei einer Vakuumpumpe erforderliche Abdichtung zwischen Ansaugraum und Ausstoßraum (Druckverhältnis bis zu 10⁵) nicht verwirklicht werden kann, zumal auch eine Ölverdichtung in dieser Schrift nicht offenbart ist. Das gilt insbesondere dann, wenn der Kolben dieser vorbekannten Drehkolbenmaschine eine solche Stellung aufweist, bei der sich eine der beiden spitzwinkligen Ecken des Kolbens und die zahnartige Ecke der Ge-Musehohlraumwand gegenüberstehen.

Bei einer Drehkolbenmaschine der eingangs genannten Art, wie sie aus der britischen Patentschrift 583 035 bekannt ist, hat der Drehkolben im Querschnitt etwa die Form eines Dreiecks mit nach außen gebogenen Seiten und abgerundeten Ecken. Die Querschnittsform des Kolbens ist dabei von einer Hypotrochoiden abgeleitet, stellt gleichsam eine nach innen gerückte Äquidistante zu einer Hypotrochoiden dar. Die Querschnittskontur des dazugehörigen Gehäusehohlraums bzw. Arbeitsraums für den Drehkolben entspricht der Hüllkurve aller Drehkolbenstellungen und weist dabei zwei nach innen vorspringende, zahnartige, abgerundete Ecken auf. Das "Übersetzungsverhältnis der zur Herstellung des Bewegungsablaufs für den Drehkolben an diesem vorgesehenen Innenverzahnung zur Außenverzahnung eines gehäusefesten Ritzels beträgt dabei 3 : 2. Dementsprechend weist die bekannte, hauptsächlich als Verdichter gedachte Maschine auch je zwei umfangsseitige Einlaß- und Auslaßöflmingen auf. Als Vakuumpumpe für höhere Leistung dürfte diese Maschine kaum geeignet sein, weil bei einer derartigen 3 : 2-Maschine nur relativ kleine Ansaug- und Auslaßöffnungen verwirklicht werden können, um einen Kurzschluß zwischen diesen Öffnungen zu vermeiden. Bei Verdichtern ist der Querschnitt der Ansaugöffnung wenig kritisch; die Leistung von Vakuumpumpen hängt jedoch wesentlich von der Größe des Querschnitts der Ansaugöffnung ab.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Vermeidung der Nachteile der weiter oben erwähnten Drehschieber- und Sperrschiebervakuumpumpen eine Vakuumpumpe zu schaffen, die eine »schwimmende Dichtung« ermöglicht, einen dynamischen Unwuchtausgleich zuläßt, damit für höhere Drehzahlen geeignet ist und ein großes Ansaugvermögen aufweist, wobei speziell eine Drehkolbenmaschine der eingangs erwähnten Art derart ausgebildet werden soll, daß die vorerwähnten erwünschten Eigenschaften bei ihrer Verwendung als Vakuumpumpe erreicht werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Drehkolben in an sich bekannter Weise im Querschnitt die Form einer Ellipse hat, welche einer Hypotrochoiden mit Durchmesserverhältnis für die erzeugenden Kreise von 2: 1 entspricht, daß die Wand des Arbeitsraums im Querschnitt als Hüllkurve aller Drehkolbenstellungen mit

ίο einer festen zahnartigen Ecke als Berührungspunkt zwischen ihm und dem Drehkolben ausgebildet ist und daß die Ansaugöffnung und die Auslaßöffnung des Arbeitsraums nahe neben dessen zahnartiger Ecke liegen.

Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß von der Vielzahl der möglichen Bauformen für Trochoidenmaschinen die in der vorerwähnten Weise ausgebildete Maschine als Vakuumpumpe besonders gut geeignet ist. Die Vorteile dieser Vakuumpumpe bestehen insbesondere darin, daß der Schöpfraum stets von Null aus jedesmal neu gebildet wird und daß sie dynamisch auswuchtbar ist und damit größere ■ Drehzahlen zuläßt. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist deshalb z. B. ein mehr als doppelt so großes Saugvermögen wie eine Sperrschieberpumpe gleichen Bauvolumens auf.

Weitere Merkmale der Erfindung sind noch in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die in der bereits zitierten VDI-Zeitschrift veröffentlichte Darstellung der Vielfalt der möglichen Bauformen für Trochoidenmaschinen Bezug genommen. Hypo- und Epitrochoiden entstehen folgendermaßen: Rollt ein Kreis außen auf einem kleineren Kreis ab, so beschreibt ein fest mit dem Rollkreis verbundener Punkt eine Epitrochoide. Es entstehen nur dann geschlossene Bahnkurven, wenn das Durchmesserverhältnis i von Roll- und Abrollkreis sich wie zwei aufeinanderfolgende ganze Zahlen verhält, also:

i= 1:2; 2:3; 3:4 usw.

Rollt ein Kreis von innen auf einem festen Kreis ab, so beschreibt ein fest mit dem Rollkreis verbundener Punkt eine Hypotrochoide. Geschlossene Hypotrochoiden entstehen nur dann, wenn das Durchmesserverhältnis K der erzeugenden Kreise eine ganze Zahl ist. Für ein Durchmesserverhältnis K=2 ist die Hypotrochoide z. B. mit einer Ellipse identisch, für K—3 ähnelt die Hypotrochoide einem abgestumpften und ausgebauchten Dreieck, für K=4 einem abgestumpften Viereck.

Die möglichen Bauformen können deshalb in vier Gruppen aufgeteilt werden:

FaU	Rotor	Gehäuse
1 60 ₂ 3 4	innere Hüllkurve Epitrochoide innere Hüllkurve Hypotrochoide	Epitrochoide äußere Hüllkurve Hypotrochoide äußere Hüllkurve

Die als »Wankelmotor« bekannte Maschine entspricht dem Fall 1. Hier geschieht die Abdichtung der einzelnen Kammervolumina bekanntlich durch Dichtleisten am Rotor. Eine solche Maschine ist als

Vakuumpumpe nicht geeignet, da diese eine Abdichtung an einer bestimmten Stelle des Gehäuses zwischen Ansaug- und Ausstoßöffnung erfordert. Aus demselben Grund ist der Fall 3 ebenfalls nicht verwendbar.

Eine Abdichtung an einer bestimmten, fest an dem Gehäuse befindlichen Stelle liefern nur die Fälle 2 und 4 mit einer Trochoiden als Rotor und einer äußeren Hüllfigur als Gehäuse, d. h. einem Gehäuse mit mindestens einer festen Abdichtungsstelle. Sie stellt eine (nach innen gerichtete) zahnartige »Ecke« der Gehäusehohlraumwand dar. Für z"=l: 2 gibt es beim Fall 4 eine solche »Ecke«, für ι = 2 : 3 deren zwei, für ζ = 3 :4 deren drei, im Falle 3 jeweils eine »Ecke« mehr.

Der Fall 2 scheidet für die Verwendung als Vakuumpumpe aus folgendem Grunde aus: Zwischen den Ecken (mindestens zwei für den einfachsten Fall /=1:2) besitzt die Hohlraumwand bzw. Innenumfangswand des Gehäuses nach außen gewölbte Bogen. Sie werden vom Rotor nacheinander erfüllt oder freigegeben. Dies entspricht- ungefähr der Bewegung des Kolbens in einer Kolbenpumpe, zeigt also alle Nachteile dieser Pumpenform. Vor allem besitzt diese Pumpe ein schädliches Restvolumen. Dies würde die Arbeit als Vakuumpumpe mit dem erforderlichen großen Kompressionsverhältnis (> 50 000) unmöglich machen, d. h., sie könnte nur ein sehr schlechtes Vakuum erzeugen. Jeder der erwähnten Bogenräume, die als Förderräume dienen, bedarf wie bei einer Kolbenpumpe zweier Ventile, eines Ansaug- und eines Ausstoßventils. Da ein Ansaugventil bei der gewünschten großen Zahl von Umdrehungen aber nur einen jeweils relativ kleinen Ansaugquerschnitt freigeben kann, würde eine solche Pumpe auch aus diesem Grunde kein gutes Vakuum erzeugen können bzw. ein geringes Saugvermögen infolge von Drosselverlusten haben.

Der Fall 4 unterscheidet sich von dem eben diskutierten Fall 2 aber grundsätzlich. Bei ihm werden die freien Räume zwischen Rotor und Gehäuse nicht wie im Fall 2 immer wieder an denselben Stellen erzeugt. Die freien Räume rotieren, so daß sie an einer Stelle, d. h. an einer Seite eines festen Punktes, entstehen und an der anderen Seite verschwinden. Dadurch gibt dieser Fall 4 die Möglichkeit, eine Vakuumpumpe zu schaffen, wobei gemäß der Erfindung sich diejenige Ausführungsform als besonders geeignet erwiesen hat, bei der der Rotor die Form einer Hypotrochoiden mit K=2 hat.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Rotor, dessen Umrißkontur die Form einer Hypotrochoiden mit K= 2 hat,

F i g. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Vakuumpumpe mit einem Rotor nach Fig. 1 und

F i g. 3 einen Längsschnitt durch das Ausführungsbeispiel nach F i g. 2.

In der F i g. 1 ist ein Rotor 16 dargestellt, dessen Umrißkurve durch eine Hypotrochoide mit K=2 gebildet wird, die bekanntlich einer Ellipse entspricht. Seine Bewegung wird durch die beiden Kreise 9 und 10 bestimmt, die aufeinander abrollen. Die Kreise 9 und 10 weisen ein Durchmesserverhältnis von 2: 1 auf. Zur Schaffung des Rotors bzw. Drehkolbens einer Pumpe wird ein Punkt 13 festgelegt, und zwar als Dichtungs- oder Berührungspunkt zwischen einem Einlaß 14 und einem Auslaß 15. Aus kinematischen Gründen wird der innere Kreis 10 festgehalten und der äußere Kreis 9 auf ihm abgerollt. Die richtige Form der Wand des Hohlraums des Gehäuses 19, also des Rotorarbeitsraums, ist in F i g. 1 noch nicht gezeigt. Die Querschnittskontur bzw. Umgrenzung dieses Hohlraums muß noch festgelegt werden. Jeder Punkt des Rotors beschreibt

ίο eine Epitrochoide mit /=1:2. Die Form der Gehäusehohlraumwand ergibt sich deshalb als Hüllkurve aller Rotorstellungen und ist für /=1:2 ein »Eineck«, also ein Hohlraum mit einer nach innen gerichteten zahnartigen Ecke. Sie ist aus F i g. 2 ersichtlich. Der hypotrochoidenförmige bzw. ellipsenförmige Kolben dagegen weist zwei abgestumpfte »Ecken« bzw. Zähne auf.

In den Fig. 2 und 3 ist ein Ausführungsbeispiel für eine arbeitsfähige Vakuumpumpe dargestellt.

Hierbei sind die aufeinander abrollenden Kreise 9 und 10 der F i g. 1 als Zahnräder ausgebildet. Das kleine Zahnrad 20 der halbschematischen F i g. 2 ist fest angeordnet. Auf ihm wälzt sich der innenverzahnte, gegenüber dem Zahnrad 20 die doppelte Zähnezahl aufweisende Zahnkranz 21 ab und nimmt den ellipsenförmigen Trochoiden-Drehkolben 22 mit. Seine Umf angsfläche bzw. Umrißkontur 23 wird analog zum Rotor 16 gemäß F i g. 1 durch eine Hypotrochoide mit K=2 gebildet, die einer Ellipse entspricht. Die Hohlraumwand des umgebenden Gehäusekörpers 24 hat die Form eines »Einecks« 25. Der Zahnkranz 21 befindet sich an einem Ende eines Rotorhohlraums, in den das feste Zahnrad 20 hineinragt und dadurch mit dem Zahnkranz kämmt.

Die »Ecke« des Gehäusehohlraums erscheint in F i g. 2 als Punkt 26, der dem Punkt 13 in F i g. 1 entspricht und die Umf angsfläche 23 des Drehkolbens 22 (je nach den gewählten Passungen und Herstellungstoleranzen) fast berührt. Auf der einen Seite des Punktes 26 befindet sich die Ansaugöffnung 27, an der die Ansaugleitung 29 ausmündet. Auf der anderen Seite des Punktes 26 liegt die Auslaßöffnung 28, die mit einem Auslaßventil 30 versehen sein kann. Die anschließende Kammer 31 dient in diesem Falle der Aufnahme des Dichtungsöls 32. Die abgesaugten Gase werden über die Ausstoßleitung 33 in eine nicht gezeigte weitere Leitung gefördert.

Im Längsschnitt durch die Vakuumpumpe, also in Fig. 3, ist zu sehen, daß das Gehäuse aus dem Mittelteil 24 und den Stirnwänden 34 und 35 besteht. Der Rotor 22 wird von der Antriebswelle 36 über den fest auf ihr sitzenden Exzenter 37 angetrieben. Die Welle 36 und das von ihr durchsetzte kleine Zahnrad 20, das an der Stirnwand 34 befestigt ist, sind zueinander koaxial.

Die Welle 36 ist auf einer Seite in der Stirnwand

34 und auf der anderen Seite in der Stirnwand

35 gelagert. Sie ragt durch letztere hindurch und ist mittels einer bekannten Wellendichtung 38 abgedichtet. Auf dem äußeren Ende der Welle 36 ist das Gegengewicht 39 angebracht, das die Unwucht des Rotors 22 in bezug auf die Welle bzw. Pumpendrehachse statisch ausgleicht. Zum dynamischen Ausgleich kann die Welle 36 auch durch die Stirnwand 34 hindurchgeführt werden und dort ein weiteres Gegengewicht tragen.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Vakuumpumpen arbeiten mit Öldichtung, auch überlagert

das Öl das Ventil. Die Abdichtung zwischen dem Kolben und dem Gehäuse erfolgt dabei also nur mittels Pumpenöl. Weiterhin kann die dargestellte Vakuumpumpe auch mit einer an sich bekannten Gasballasteinrichtung ausgerüstet sein.

Eine Trochoidenvakuumpumpe kann an sich auch ohne Öldichtung und eventuell auch ohne Auslaßventil arbeiten. Sie gehört zu jenen Vakuumpumpen-

arten, die wie eine Wälzkolbenpumpe infolge möglicher hoher Drehzahlen eine große volumetrische Förderung ergeben. Die nicht ölgedichteten Spalte zwischen den Außenflächen der Rotoren und den Innenflächen der Gehäuse können wegen der größeren freien Weglänge der Moleküle bei höherem Vakuum als genügend dicht gelten, wenn noch eine übliche Vorpumpe nachgeschaltet wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 538/95

Claims

Patentansprüche:

1. Drehkolbenvakuumpumpe mit einem in einem Gehäusehohlraum mittels eines Exzenters geführten und in kreisende Bewegung versetzten sowie mit zahnartigen Ecken versehenen Drehkolben, welcher im Schlupfeingriff mit dem Gehäusehohlraum bzw. Arbeitsraum zusammenarbeitet, der eine zahnartige Ecke weniger aufweist als der Rotor, wobei zur Herstellung des Bewegungsablaufs eine Außenverzahnung und eine Innenverzahnung am Gehäuse und am Rotor vorgesehen sind, deren Übersetzungsverhältnis dem Verhältnis der Zahl der zahnartigen Ecken am Drehkolben und am Gehäuse entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise der Drehkolben (16, 22) im Querschnitt die Form einer Ellipse hat, welche einer Hypotrochoiden mit Durchmesserverhältnis für die erzeugenden Kreise von 2: 1 entspricht, daß die Wand (25) des Arbeitsraums im Querschnitt als Hüllkurve aller Drehkolbenstellungen mit einer festen zahnartigen Ecke (26) als Berührungspunkt zwischen ihm und dem Drehkolben (16, 22) ausgebildet ist und daß die Ansaugöffnung (27) und die Auslaßöffnung (28) des Arbeitsraums nahe neben dessen zahnartiger Ecke (26) liegen.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung an den Dichtstellen zwischen dem Drehkolben (16, 22) und der Arbeitsraumwand (25) nur mittels Dichtungs- und Schmieröl erfolgt.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie in an sich bekannter Weise an der Auslaßöffnung (28) ein Auslaßventil (30) aufweist.

4. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer an sich bekannten Gasballasteinrichtung versehen ist.

5. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ohne Dichtungsmittel, also auch ohne Dichtungsflüssigkeit, im Arbeitsraum betreibbar ist, wenn ihr noch eine übliche Vorpumpe als Niedervakuumstufe nachgeschaltet ist.