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Die Erfindung bezieht sich auf eine umlaufende Verdrängerpumpe und einen Rotor einer solchen Pumpe. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Roots-Pumpen (auch als Roots-Gebläse bekannt).
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Roots-Pumpen weisen typischerweise ein Paar ineinander greifender, mit Nocken versehener Rotoren auf, die in einem Gehäuse umlaufen und bewirken, dass Strömungsmittel in Taschen eingefangen werden, welche die Nocken umgeben, und vom Pumpeneinlass zum Pumpenauslass befördert wird. Die Rotoren berühren einander nicht wirklich, so dass kein Schmiermittel erforderlich ist. Das macht Roots-Pumpen in Anwendungsfällen wünschenswert, wo eine Kontaminierung des Strömungsmittels ein Problem darstellt, beispielsweise bei der Halbleiterverarbeitung.
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Ein vereinfachtes Schema einer typischen Roots-Pumpe 100 ist in 1 gezeigt. Eine Pumpenkammer 101 ist durch eine Mehrzahl von Statorkomponenten einschließlich einem Statorgehäuse 102 und zwei quer verlaufenden Endwänden 104 gebildet. Die Endwände 104 haben Öffnungen 106, durch welche zwei Rotorwellen 108, 110 verlaufen. Die Wellen sind an jedem Ende durch Lager 112 abgestützt. Ein Motor 114 treibt die Drehung einer Welle 108 an, und ein Getriebemechanismus 116 überträgt die Drehkraft auf die andere Welle 110. Der Getriebemechanismus bewirkt, dass die Wellen in Synchronisation miteinander in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.
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Auf den Wellen sind Paare von Rotornocken 118, 120 und 122, 124 montiert. Die radiale Spitze der Nocke 122 ist durch die Nocke 120 verdeckt und daher mit gestrichelten Linien bezeichnet. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Pumpe längs der Linie II-III in welchem die Rotornocken deutlicher sichtbar sind. Während die Rotoren umlaufen, streichen die Nocken an der Innenoberfläche 122 der Pumpenkammer 101 vorbei und pumpen dadurch Strömungsmittel aus dem Kammereinlass 128 zu einem Kammerauslass 130. Die Toleranzen zwischen den Rotornocken und der bestrichenen Oberfläche 126 muss eng gesteuert werden, ebenso auch die Toleranzen zwischen den Rotoren, da ansonsten Spalte erzeugt werden, durch welche Strömungsmittel passieren kann, wodurch die Effizienz der Pumpe vermindert wird. Typische Toleranzen liegen im Bereich von 0,1 Millimeter.
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Typische Roots-Pumpen haben eine annehmbar hohe Pumpenkapazität, aber für manche Anwendungen ist es wünschenswert, die Kapazität der Pumpe weiter zu steigern. Dies kann erreicht werden, während die Nockenspitzengeschwindigkeit aufrecht erhalten wird, durch Vorsehen einer größeren Pumpe mit größeren Nocken. Jedoch ist dies insoweit nachteilig, als die Pumpen teurer werden, und wenn ein Unfall passiert, beispielsweise wenn die Rotoren aufeinander prallen, kann die gesteigerte Energie der Nocken ausreichend sein, damit die Nocken durch das Pumpengehäuse hindurch brechen und Schaden oder Verletzung erzeugen.
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Alternativ kann die Kapazität der Pumpe erhöht werden, indem man die Rotoren schneller umlaufen lässt. Eine typische Nockenspitzengeschwindigkeit während des Umlaufs ist kleiner als 100 m/s, und oftmals kleiner als 80 m/s. Eine signifikante Erhöhung der Geschwindigkeit an der Spitze der Nocken auf beispielsweise 130 m/s würde es ermöglichen, die Nocken kleiner zu machen, und die Kosten der Pumpe zu reduzieren. Jedoch selbst dann, wenn die Nocken weniger massiv sind, bewirkt die erhöhte Drehzahl eine Steigerung der Nockenenergie, und im Falle eines Unfalls kann ebenfalls ein Schaden oder eine Verletzung bewirkt werden. Es sollte außerdem beachtet werden, dass eine Steigerung der Drehzahl eine größere Zunahme der kinetischen Energie als eine Steigerung der Masse bewirkt, da die Energie proportional zur Masse ist, aber proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit ist.
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Herkömmliche Rotoren sind gewöhnlich aus einem massiven Materialblock hergestellt, typischerweise aus Eisenguss. Solche Rotoren können in verschiedener Weise hergestellt werden, einschließlich des Gießens massiver Nocken und einer Welle einstückig miteinander, oder des Gießens massiver Nocken und Befestigen der Nocken an einer Welle zur Bildung des Rotors.
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Bekannte Nocken können durch Gießen eines massiven Nocken und anschließendes Bohren eines Lochs darin zur Reduzierung seines Gewichts hergestellt werden.
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Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Steigerung der Pumpenkapazität solcher umlaufender Verdrängerpumpen durch weitere Reduzierung des Gewichts der Rotoren für eine gegebene Pumpengröße. Die vorliegende Erfindung bezweckt auch die Lösung bekannter Probleme des Verwendens hohler Nocken, insbesondere die Probleme des sicherstellens, dass die Nockenwände stark genug bleiben, um betrieblichen Beanspruchungen stand zu halten und sich nicht außerhalb der Toleranz zu verformen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Vakuumpumpenrotor zur Verwendung in einer Vakuumpumpe mit einem Roots-Pumpenmechanismus vorgesehen, wobei der Rotor mindestens zwei hohle Nocken aufweist, wobei jede Nocke eine äußere Wand, die ein Nockenprofil definiert, einen im allgemeinen innerhalb der äußeren Wand befindlichen hohlen Raum, und mindestens eine Verstärkungsrippe innerhalb des Hohlraums aufweist, um während der Drehung erzeugten Beanspruchungen auf die Nocken standzuhalten.
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Die oder jede Verstärkungsrippe kann entlang einer Innenwand der Nocken verlaufen. Die oder jede Verstärkungsrippe kann ein veränderliches Ausmaß haben und kann innerhalb des Hohlraums in Abhängigkeit von den im Betrieb auf die Nocken ausgeübten variierenden Beanspruchungen verteilt sein.
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Die äußere Wand kann eine veränderliche Dicke haben und ist an einem radial inneren Teil dicker als an der Nockenspitze.
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Die äußere Wand der Nocken kann eine solche Dicke haben, dass sich die Nocken unter Zentrifugalbelastung verformen, wenn der Rotor im Betrieb gedreht wird, und die Verformung ist größer als Fertigungstoleranzen. Die Nockenprofile können eine optimale Konfiguration in einem ersten Zustand haben, in welchem der Rotor im Betrieb gedreht wird, und in einem zweiten Zustand, wenn der Rotor nicht gedreht wird und das Nockenprofil sich nicht in einer optimalen Konfiguration befindet, und wobei der Nocken sich aus dem zweiten Zustand in den ersten Zustand verformt, wenn die Spitzengeschwindigkeit der Nocken größer als 100 m/s ist.
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Vorzugsweise beträgt das Verhältnis von der Dicke der Wand zu einem Radius an der Nockenspitze weniger als 1:20. Die Wanddicke kann weniger als 5 Millimeter betragen, wenn der Radius der Nockenspitze mindestens 100 Millimeter beträgt.
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Jeder hohle Nocken kann eine Mehrzahl von hohlen Nockenabschnitten aufweisen, die in axialer Folge entlang des Rotors verbunden sind und zusammen den Nocken bilden.
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Jeder der hohlen Nockenabschnitte kann einen Flansch haben, der sich umfangsmäßig und radial einwärts um mindestens ein axiales Ende des Abschnitts erstreckt, um benachbarte Abschnitte miteinander zu verbinden.
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Ein oder mehrere Löcher können in den Flanschen vorgesehen sein, um die hohlen Nockenabschnitte durch Befestigungselemente aneinander zu befestigen.
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Jeder Nocken kann weiter zwei Endflächen zum Abschließen des Hohlraums an jedem axialen Ende des Nockens aufweisen.
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Der Rotor kann eine Welle aufweisen, und die Nocken können Mittel aufweisen, mittels derer der Nocken an der Welle befestigt werden kann, wobei die Nocken und die Welle so geformt sind, dass sie ein etwa kontinuierliches Profil der mindestens zwei Nocken und der Welle bilden.
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Der hohle Nocken und die Welle des Rotors können dafür ausgebildet sein, dass sie mittels einer Schwalbenschwanz- oder ähnlichen Verbindung zusammengesetzt werden können, so dass die Radialbewegung des hohlen Nockenabschnitts mit Bezug auf die Welle des Rotors minimiert wird.
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Der Rotor kann Entlüftemittel aufweisen, damit der Druck innerhalb des Hohlraums sich im wesentlichen mit dem Druck außerhalb der hohlen Nocken ausgleichen kann. Die Entlüftemittel können ein Filter zum Ausfiltern von Ablagerungen aus Gas aufweisen, das durch die Entlüftemittel in den Hohlraum befördert wird.
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Die Erfindung beinhaltet auch eine Vakuumpumpe mit einem Rotor, wie oben beschrieben.
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Die Pumpe kann eine Mehrzahl von Pumpenstufen umfassen, die jeweils eine Pumpenkammer und mindestens zwei Nocken aufweisen.
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Mindestens eine der Pumpenstufen kann einen Nocken mit einer Mehrzahl von Nockenabschnitten aufweisen, die in axialer Folge miteinander verbunden sind.
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Die Verstärkungsrippen in den Nockenhohlräumen können sich in jeweils radialen Ebenen relativ zu den Achsen der Rotorwellen erstrecken, und die Radialebenen der Nocken eines Rotors sind nicht fluchtend mit den Radialebenen des anderen Rotors.
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Die Teile der Nocken zwischen radialen Ebenen können so angeordnet sein, dass sie sich verformen, wenn die mit den radialen Ebenen fluchtenden Teile der Nocken aufschlagen, um Energie der Rotoren im Fall eines zufälligen Rotoraufschlags zu absorbieren.
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Die vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Vakuumpumpe, wobei das Verfahren das Vorsehen des Rotors mit mindestens zwei hohlen Nocken umfasst, von denen jeder Nocken eine äußere Wand hat, die ein Nockenprofil und einen Hohlraum im wesentlichen innerhalb der äußeren Wand definiert, und wobei innerhalb des Hohlraums mindestens eine Verstärkungsrippe angeordnet ist, um der während der Drehung auf die Nocken erzeugten Beanspruchung stand zu halten.
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Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung einer bekannten Roots-Pumpe zeigt;
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2 einen Querschnitt durch die bekannte Roots-Pumpe nach 1 zeigt;
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3 eine schematische Darstellung einer Roots-Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 einen Querschnitt durch die Roots-Pumpe nach 3 zeigt;
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5 eine ausgeschnittene Darstellung eines hohlen Nockens zeigt, der Teil der in den 3 und 4 dargestellten Roots-Pumpe bildet;
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6 eine isometrische Darstellung eines hohlen Nockenabschnitts gemäß der vorliegenden Erfindung und eine Endplatte zeigt;
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7 einen Querschnitt durch einen Rotor mit hohlen Nockenabschnitten, wie in 6 abgebildet, zeigt;
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8 verformte und nicht verformte Zustände eines Rotornockens zeigt;
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9 eine schematische Darstellung einer mehrstufigen Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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10 eine modifizierte Anordnung der Verstärkungsrippen in den Nockenhohlräumen der Rotoren zeigt.
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Die 1 und 2 zeigen eine typische Roots-Pumpe. Diese Figuren werden oben im einleitenden Teil dieses Dokuments beschrieben, da sie Teil des Standes der Technik bilden.
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3 zeigt eine Pumpe nach der vorliegenden Erfindung. Einige Merkmale sind sowohl der Erfindung als auch der bekannten Pumpe gemeinsam, und diese Merkmale sind durch gemeinsame Bezugszahlen bezeichnet. Eine Pumpe 150 weist eine Pumpenkammer 151 auf, die durch eine Mehrzahl von Statorkomponenten einschließlich eines Statorgehäuses 102 und zwei quer verlaufenden Endwänden 104 gebildet ist. Die Endwände 104 haben Öffnungen 106, durch welche zwei Rotorwellen 108, 110 verlaufen. Die Wellen sind an jedem Ende durch Lager 112 abgestützt. Ein Motor 114 treibt die Drehung einer Welle 108 an, und ein Getriebemechanismus 116 überträgt die Drehkraft auf die andere Welle 110. Der Getriebemechanismus bewirkt, dass die Wellen synchron miteinander in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.
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An den Wellen sind Paare von Rotornocken 160, 162 und 164/166 montiert. Bei dieser schematischen Darstellung sind die Rotoren in einer Konfiguration dargestellt, um die Beschreibung der Ausführungsform der Erfindung zu unterstützen, um dünne Wände 208 und Hohlräume 210 zu zeigen. Alle Rotornocken sind hohl, jeder Nocken hat eine dünne gekrümmte Außenwand 208, die einen Hohlraum 210 umgibt. Des weiteren sind alle Rotornocken von axial modularer Konstruktion. Die dünne Wand 208 hat eine Dicke in einem Verhältnis von weniger als 1:20 zum Spitzenradius des Nockens. Vorzugsweise ist das Verhältnis kleiner als 1:40, und mehr vorzugsweise um 1:100. Für eine Pumpe mit einem Nockenspitzenradius von 200 Millimeter ist die Dicke vorzugsweise kleiner als 10 Millimeter, mehr vorzugsweise kleiner als 5 Millimeter, und idealerweise etwa 2 Millimeter bis 4 Millimeter dick. Bei diesem Beispiel ist jeder Nocken aus drei hohlen Nockenabschnitten gebildet, obwohl 2, 4 oder mehr hohle Nockenabschnitte stattdessen verwendet werden können, je nach der gewünschten axialen Länge des Rotors. Der Nocken 166 ist aus hohlen Nockenabschnitten 202, 204 und 206 und zwei Endplatten 212 gebildet, wobei eine Endplatte an jedem axialen Ende des Nockens angeordnet ist. Die hohlen Nockenabschnitte können eine gleiche axiale Länge haben oder können von verschiedenen axialen Längen sein. Zur leichten Fertigung ist es gewöhnlich wünschenswert, hohle Nockenabschnitte von gleicher axialer Länge zu verwenden. Bei diesem Beispiel werden die hohlen Nocken aus Legierungsstahl für hohe Festigkeit und gute Temperaturbeständigkeit gearbeitet. Andere Materialien wie beispielsweise Aluminium könnten stattdessen verwendet werden. Außerdem können die hohlen Nockenabschnitte durch andere bekannte Herstellungsverfahren hergestellt werden. Die hohlen Nockenabschnitte haben einen Flansch 214, 216 an jedem axialen Ende, um das Verbinden der hohlen Nockenabschnitte miteinander zu ermöglichen. Dies wird mehr im einzelnen mit Bezug auf 5 beschrieben. Alternativ kann der Flansch 214, 216 an einer Endplatte 212 befestigt sein, wenn der hohle Nockenabschnitt an einem axialen Ende des Rotors angeordnet werden soll.
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4 zeigt einen Schnitt durch die Pumpe nach 3 entlang der Linie A-A, worin die hohlen Rotornocken deutlicher sichtbar sind. Die in 4 gezeigten Rotoren befinden sich nicht in der gleichen Konfiguration wie die in 3 gezeigten, wie bei Kenntnis von Roots-Pumpen ersichtlich ist. Während die Rotoren umlaufen, streichen die hohlen Nocken 160, 162, 164, 166 an der Innenoberfläche 126 der Pumpenkammer 151 vorbei und pumpen dadurch die Strömungsmittel aus einem Kammereinlass 128 zu einem Kammerauslass 130.
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5 zeigt die Verbindung zwischen den hohlen Nockenabschnitten 202 und 204 mehr im einzelnen. Der hohle Nockenabschnitt 202 hat einen Flansch, der in Umfangsrichtung und radial einwärts um das axiale Ende des hohlen Nockenabschnitts 202 verläuft. In ähnlicher Weise hat der hohle Nockenabschnitt 204 einen Flansch 216, der umfangsmäßig und radial einwärts um das axiale Ende des hohlen Nockenabschnitts 204 verläuft. Der Flansch 216 hat eine Lippe 215, die es ermöglicht, dass der Flansch 216 den Flansch 214 überlappt. Ein Loch (in 6 gezeigt) ist in jedem der Flansche vorgesehen, um das Befestigen der hohlen Nockenabschnitte 202, 204 unter Verwendung einer Schraube 220 zu ermöglichen. Es ist wichtig, dass diese Löcher korrekt fluchtend sind, so dass die äußeren Wände der hohlen Nockenabschnitte bündig miteinander bleiben, wenn sie verschraubt werden, und so, dass die Verbindung so weit wie möglich den inneren Hohlraum 10 gegen die Pumpenkammer 151 abdichtet. Um sicherzustellen, dass eine strömungsmitteldichte Abdichtung erreicht wird, kann zusätzlich ein Dichtungsmittel an der Verbindung vorgesehen werden. Die Lippe 215 ist optional, aber sie hilft beim Erzielen einer gut abgedichteten Verbindung. Wenn Fertigungs- oder andere Beschränkungen bestehen, kann die Lippe weggelassen werden. In diesem Fall hat der Flansch 216 die gleiche Form wie der Flansch 214, und die Flansche können, wie oben beschrieben, miteinander verschraubt werden.
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6 zeigt einen hohlen Nockenabschnitt 204 mehr im Einzelnen. Eine dünne äußere Wand 208 bildet einen Hohlraum 210, der an beiden axialen Enden offen ist. Verstärkungsrippen 226 sind vorgesehen, um der dünnen äußeren Wand eine erhöhte Festigkeit zu geben, um Beanspruchungen standzuhalten, wenn die Pumpe sich in Betrieb befindet, und um das gewünschte Profil der Nocken im Betrieb aufrechtzuerhalten. Die Rippen verlaufen um die innere periphere Fläche der gekrümmten Wand 208 und sind entsprechend der während des Umlaufs zu erwartenden Beanspruchungen verteilt. In dieser Hinsicht ist ersichtlich, dass das Maß um welches die Rippen von der Innenwand des Nockens vorspringt, über den peripheren Verlauf des Nockens variiert. Der radial innere Teil der Rippen springt am meisten vor, wo die Arbeitsbeanspruchungen am höchsten sind, und wie die Beanspruchungen abnehmen, springen die Rippen in geringerem Ausmaße vor. Die Rippen sind mit Löchern 224 versehen, um den Rotor auszuwuchten, beispielsweise durch Hinzufügen von Schrauben und Mutter. Alternativ können die Löcher an geeigneten Stellen der Rippen gebohrt werden, um Masse zu entfernen und dadurch die Nocken auszuwuchten. An jeden axialen Ende des hohlen Nockenabschnitts verläuft ein Flansch 214 umfangsmäßig um die Innenoberfläche der gekrümmten Wand. Der Flansch 214 kann zur Erleichterung der Fertigung identisch mit den Verstärkungsrippen 226 sein. Löcher 222 sind vorgesehen, um das Verschrauben des Flanschs 214 mit dem Flansch eines benachbarten hohlen Nockenabschnitts zu ermöglichen, wie in 5 gezeigt ist. Alternativ kann der Flansch 214 an einer Endplatte 212 angeschraubt sein, wenn der hohle Nockenabschnitt an einem axialen Ende des Rotors angeordnet ist. Eine Endplatte 212 ist in 6 gezeigt und so geformt, dass sie in die Ausnehmung paßt, die durch eine Wand 213 in Flansch 214 gebildet ist. Die Endplatte 212 hat eine Durchgangsbohrung 227, damit der Hohlraum des Nockens entlüftet werden kann und der Druck in dem Hohlraum sich mit dem Druck in der Pumpenkammer ausgleichen kann. Wenn der Gasdruck in dem Hohlraum aufgrund unzureichender Abdichtung größer als in der Pumpenkammer ist, sickert das Gas aus dem Hohlraum aus und verringert die Pumpeneffizienz. Ein Filtermedium 225 wie beispielsweise eine Glasfasermatte verhindert, daß feste Ablagerungen, die aus einem gepumpten Prozessgas generiert werden, in den Hohlraum eintreten und sich dort anhäufen. Angesammelte Ablagerungen würden die Nockenmasse erhöhen und zu einer Unwucht des Nockens führen.
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Hochfeste Schrauben 230 und entsprechende Löcher (nicht dargestellt) sind vorgesehen, damit der hohle Nockenabschnitt an der Rotorwelle verschraubt werden kann. Ein Schwalbenschwanz 228 ist ebenfalls vorgesehen, der in eine komplementär geformte Nut in der Rotorwelle passt, um eine Schwalbenschwanzverbindung zu bilden. Die Schwalbenschwanzverbindung ist nützlich, da sie die Ausrichtung der hohlen Nockenabschnitte während des Zusammenbaus des Nockens unterstützt. Des weiteren bildet sie auch ein Sicherheitssystem insoweit, dass sie bei einem Brechen der den hohlen Nockenabschnitt an der Rotorwelle fixierenden Schraube (z. B. beim Abscheren aufgrund Ermüdung oder bei einem Rotoraufschlag), die Schwalbenschwanzverbindung verhindert, daß die Nocken sich von der Rotorwelle lösen und ernsthaften Schaden anrichten können.
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7 zeigt einen Pumpenrotor mit zwei hohlen Nocken 164 und 166 und einer Rotorwelle 110. Die hohlen Nocken sind aus hohlen Nockenabschnitten 204a, 204b gebildet und haben jeweils dünne gekrümmte Wände 208a, 208b, die einen Hohlraum 210a, 210b umschließen. Ein Flansch 214a, 214b ist vorgesehen, um den hohlen Nockenabschnitt an entweder einen anderen hohlen Nockenabschnitt oder an einer Endplatte befestigen zu können, je nach Bedarf. Löcher 222 sind in den Flanschen 214a, 214b vorgesehen, um die Befestigung zu erleichtern. Hochfeste Schrauben 230 werden benutzt, um die hohlen Nockenabschnitte mit der Rotorwelle 110 zu verschrauben. Die hohlen Nockenabschnitte haben jeweils einen Schwalbenschwanz 228a, 228b, der in eine komplementär geformte Nut in der Rotorwelle passt, um eine Schwalbenschwanzverbindung zu bilden.
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Die Konfiguration der Nocken, die eine dünne Wand und einen Hohlraum haben, reduziert die Masse der Nocken, während das äußere Nockenprofil aufrechterhalten bleibt. Da die Masse reduziert ist, können die Rotoren schneller umlaufen, ohne dass die Menge der in den umlaufenden Nocken gespeicherten Energie zunimmt. Beispielsweise können die Rotoren mit einer Nockenspitzengeschwindigkeit von mehr als 100 m/s und vorzugsweise um etwa 130 m/s umlaufen. Bei bekannten Konstruktionen würde ein Umlaufen der Rotoren bei solchen Geschwindigkeiten die gespeicherte Energie in den Rotoren oberhalb akzeptabler Grenzen steigern, mit der Gefahr der Beschädigung oder Verletzung im Fall eines Unfalls. Es sollte auch beachtet werden, dass ein Drehen eines dünnwandigen hohlen Nockens mit Geschwindigkeiten um etwa 130 m/s die Verwendung der oben erörterten Verstärkungsrippen erfordert, die zum Absorbieren der erhöhten Beanspruchungen der Nocken notwendig sind. Selbst mit den Verstärkungsrippen verformen sich die Nocken bei hohen Drehgeschwindigkeiten aufgrund der Zentrifugalbelastung. Die dadurch verursachte Deformation ist größer als Fertigungstoleranzen. In dieser Hinsicht kann die Deformation an der Nockenspitze 0,5 bis 1 Millimeter betragen, während Fertigungstoleranzen 0,1 bis 0,2 Millimeter betragen können. Daher sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung so ausgelegt, dass die Nocken einen optimalen Pumpzustand einnehmen, wenn sie bei hohen Drehzahlen gedreht werden. Das heißt, die Nocken verformen sich unter Zentrifugalbelastung bei hohen Drehzahlen, um eine optimale Konfiguration einzunehmen. Bekannte Pumpen verformen sich unter der Belastung, aber weniger als die Herstellungstoleranzen von beispielsweise bis 0,1 bis 0,2 Millimeter.
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Daraus folgt notwendigerweise, dass bei niedrigen Geschwindigkeiten die hohlen Nocken nicht in einem optimalen Pumpzustand sind und daher Spalte zwischen den Nockenprofilen und zwischen den Nockenprofilen und der bestrichenen Oberfläche der Pumpenkammer vorhanden sind. Diese Spalte bewirken Leckage und reduzieren die Pumpeneffizienz, jedoch ist die reduzierte Effizienz bei niedrigen Drehzahlen ein akzeptabler Nachteil für das gesteigerte Pumpen bei hohen Drehzahlen.
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8 zeigt in durchgezogenen Linien einen nicht deformierten Zustand eines hohlen Nockens, wenn die Pumpe steht, und in gestrichelten Linien das Außenprofil des Nockens, wenn er sich in deformiertem Zustand befindet und die Pumpe mit hohen Drehzahlen umläuft. Die in 8 gezeigte Deformation ist zum Zwecke der Erläuterung stark übertrieben.
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Mehr in Einzelnen, der Nocken verformt sich radial auswärts an der Nockenspitze 264, wenn der Nocken unter Zentrifugalkraft gestreckt wird. Die Nockenseiten 265 verformen sich einwärts zur Mitte des Nockens hin. Die Wanddicke des Nockens variiert und ist an den Seiten dicker als an der Nockenspitze, was dazu hilft, die größeren Beanspruchungen auf den Nocken zum Drehzentrum hin zu vermeiden, die radial auswärts abnehmen. In gleicher Weise stehen die Verstärkungsrippen in einem größeren Maß in den Hohlraum an der Nockenbasis vor und an der Seite als an der Nockenspitze.
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Diese Nockenkonfiguration ermöglicht die Verwendung viel dünnerer Nockenwände (und daher Nocken mit leichterer Masse), als wenn ein sich nicht verformendes Design angewendet würde. Des weiteren ist die Rotorwelle 110 so ausgelegt, dass sie das Außenprofil der hohlen Nockenabschnitte vervollständigt, wenn die Pumpe in Betrieb ist, um ein optimales Profil für den Rotor zu erzeugen, wie in 7 gezeigt ist.
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9 zeigt eine mehrstufige Pumpe 300 mit vier Pumpenkammern 308, 306, 304 und 302. Die erste Pumpenkammer 308 hat drei hohle Nockenabschnitte, die miteinander verbunden sind, um jeden Nocken zu bilden, die zweite Pumpenkammer 306 hat zwei hohle Nockenabschnitte, die miteinander verbunden sind, um jeden Nocken zu bilden, und die dritte und die vierte Pumpenkammern 304, 302 haben nur einen hohlen Nockenabschnitt pro jeweiligen Nocken. Innerhalb jeder der Pumpenkammern hat jeder der Nocken eine Endplatte 212 an jedem axialen Ende, so dass der Hohlraum 210 innerhalb jedes Nockens vollständig abgeschlossen ist. Jede der Pumpenkammern ist durch eine Mehrzahl von Statorkomponenten einschließlich eines Statorgehäußes 102 und zwei transversalen Endwänden 104 gebildet. Die Endwände 104 haben Öffnungen 106, durch welche zwei Rotorwellen 108, 110 verlaufen. Die Wellen sind an jedem Ende durch Lager 112 abgestützt. Ein Motor 114 treibt die Drehung einer Welle 108 an, und ein Getriebemechanismus 116 überträgt die Drehleistung auf die andere Welle 110. Der Getriebemechanismus bewirkt, daß die Wellen synchron miteinander in entgegengesetzten Richtungen umlaufen.
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Die Pumpenkammer 308 ist ähnlich der Pumpenkammer 151, die in 3 abgebildet ist, und ist schematisch gezeigt, um die Erfindung zu beschreiben. Innerhalb der Pumpenkammer 308 sind Rotorwellen 108, 110 mit daran montierten Paaren von Rotornocken 160, 162, 164, 166. Alle diese Rotornocken sind hohl, jeder Rotornocken hat eine dünne, gekrümmte äußere Wand 208, die einen Hohlraum 210 umgibt. Des weiteren sind alle Rotornocken von axial modularer Konstruktion. Die dünne Wand 208 ist etwa 2 Millimeter bis 4 Millimeter dick. Bei diesem Beispiel ist jeder Nocken aus drei hohlen Nockenabschnitten gebildet, obwohl 2, 4 oder mehr hohle Nockenabschnitte stattdessen verwendet werden können, je nach der gewünschten axialen Länge des Rotors. Die hohlen Nockenabschnitte haben Flansche 214, 216 an jedem axialen Ende, um das Befestigen der hohlen Nockenabschnitte aneinander zu ermöglichen. Dies wird mehr im Einzelnen mit Bezug auf 5 beschrieben. Alternativ kann der Flansch 214, 216 an einer Endplatte 212 befestigt sein, wenn der hohle Nockenabschnitt an einem axialen Ende des Rotors angeordnet wird.
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Die Pumpenkammer 306 ist in der Konstruktion ähnlich der Pumpenkammer 308, mit der Ausnahme, dass die axiale Länge der Kammer 306 kürzer ist und daher nur zwei hohle Nockenabschnitte erforderlich sind, um jeden Nocken zu bilden. In ähnlicher Weise sind die Pumpenkammern 304, 302 im Aufbau ähnlich den Pumpenkammern 308, 306, mit der Ausnahme, dass ihre axialen Längen kürzer sind und deshalb nur ein hohler Nockenabschnitt mit zwei Endplatten 212 erforderlich ist, um jeden Nocken zu bilden.
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Die Endwände 104, die zwischen den Pumpenkammern angeordnet sind, trennen die Pumpenkammern voneinander und sind dafür ausgebildet, Strömungsmittel vom Auslaß einer stromaufwärtigen Pumpenkammer in den Einlaß der benachbarten stromabwärtigen Pumpenkammer strömen zu lassen. Die Endwände 104, die an jedem axialen Ende des Pumpenstapels angeordnet sind, trennen den Pumpenstapel von zwei anderen Komponenten der Pumpe, wie beispielsweise Getriebe und Motor, und sind dafür ausgelegt, Strömungsmittel in den Einlaß der ersten (der stromaufwärtigsten) Pumpenkammer 308 einströmen und aus dem Auslaß der letzten (der stromabwärtigsten) Pumpenkammer 302 austreten zu lassen.
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Im Betrieb wirkt jede der Pumpenkammern zum Pumpen von Strömungsmittel von ihrem Einlaß zu ihrem Auslaß. Der Auslaß einer Pumpenkammer steht über eine Endwand 104 in Strömungsverbindung mit dem Einlaß der benachbarten stromabwärtigen Pumpenkammer, so dass die durch die Pumpe erzielte Kompression kumulativ ist.
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Vier Pumpenkammern sind in 9 gezeigt, aber es können mehr oder weniger Pumpenkammern benutzt werden, je nach Bedarf. Die Pumpenkammern, die in 9 gezeigt sind, haben den gleichen Durchmesser, aber, falls gewünscht, können die Pumpenkammern voneinander verschiedene Durchmesser haben. Des weiteren braucht jede Pumpenkammer selbst keinen konstanten Durchmesser haben, sondern kann konisch sein.
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Alle obigen Beispiele zeigen die Endflächen 212 getrennt von den den hohlen Nockenabschnitten ausgebildet und mit ihnen verbunden, um den abgeschlossenen hohlen Nocken zu bilden. Alternativ kann eine der Endflächen 212 einstückig mit den hohlen Nockenabschnitten ausgebildet sein. Idealerweise sollte die axiale Länge der hohlen Nockenabschnitte so gewählt sein, um den Fertigungsprozeß zu optimieren, so dass die hohlen Nockenabschnitte einschließlich ihrer Flansche und Rippen leicht bearbeitet und zusammengesetzt werden können. Des weiteren ist die axiale Länge der hohlen Nockenabschnitte idealerweise nicht zu lang, da sonst der Zugang zu den Schrauben, welche die hohlen Nockenabschnitte mit der Rotorwelle verbinden, beschränkt sein kann.
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10 zeigt eine modifizierte Anordnung von Verstärkungsrippen in jeweiligen Rotoren 402, 404 für eine einstufige Pumpe. Die Anordnung ist ebenso bei mehrstufigen Pumpen anwendbar. Zum Zwecke dieser Erläuterung sind die beiden Rotoren voneinander getrennt gezeigt, wohingegen in der Praxis die Nocken sich überlappen würden, wie oben mehr im Einzelnen beschrieben ist.
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Der Rotor 402 weist Nocken 403, 405 auf, und der Rotor 404 weist Nocken 407, 409 auf. Die Verstärkungsrippen 406, 408 des Rotors 402 sind jeweils in Nockenhohlräumen 410, 412 gelegen und erstrecken sich in Radialebenen R1, R3, R5, R7, R9, R11 und R13 relativ zur Achse A1. Die Verstärkungsrippen 414, 416 des Rotors 404 sind in jeweiligen Nockenhohlräumen 418, 420 angeordnet und verlaufen in Radialebenen R2, R4, R6, R8, R10 und R12 relativ zur Achse A2. Die Radialebenen R1, R3, R5, R7, R9, R11 und R13 des Motors 402 fluchten nicht mit den Radialebenen R2, R4, R6, R8, R10, und R12 des Rotors 404. Es versteht sich, daß die Teile der Nocken, die fluchtend mit ihren stützenden Verstärkungsrippen sind, stärker als die Teile der Nocken sind, die zwischen den Verstärkungsrippen in der Axialrichtung liegen. Beispielsweise mit Bezug auf die Zeichnung, ein Teil 422 des Nockens 405, der etwa fluchtend mit der Radialebene R3 ist, ist stärker als ein Teil 424, der zwischen Radialebenen R1 und R3 liegt. In gleicher Weise ist ein Teil 428 des Nockens 407, der etwa fluchtend mit der Radialebene R2 liegt, stärker, als ein Teil 430, der zwischen Radialebenen R2 und R4 liegt. Der stärkere Teil 422 des Nockens 405 fluchtet mit dem verformbaren Teil 430 des Nockens 407, und der stärkere Teil 428 des Nockens 407 fluchtet mit dem verformbaren Teil 428 des Nockens 405. Dementsprechend werden im Falle einer Hochgeschwindigkeitskollision zwischen Rotoren die verformbaren Teile eines Nockens durch die starken Teile des anderen Nockens verformt, wodurch sie die hohe gespeicherte Energie der Rotoren aufnehmen. Auf diese Weise können die weniger elastischen Teile verformt werden und als Knautschzone dienen, um die Möglichkeit des Durchbrechens von Nockenfragmenten durch das Pumpengehäuse, die Verletzung oder Schaden verursachen, zu verringern.
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Wie in 10 gezeigt ist, sind die Verstärkungsrippen des Rotors 402 ausgerichtet und die Verstärkungsrippen des Rotors 404 sind ausgerichtet, aber die Verstärkungsrippen eines Rotors sind nicht ausgerichtet mit den Verstärkungsrippen des anderen Rotors. Die Verstärkungsrippen der Nocken des einen Rotors können ausgerichtet sein, da sie eine etwa feststehende relative Beziehung haben und nicht zusammenprallen. Jedoch versteht es sich, dass die Ausrichtung der Verstärkungsrichtung der Noppen eines einzigen Rotors kein Erfordernis ist, um Knautschzonen zum Absorbieren der gespeicherten Energie von Rotoren zu schaffen, wie oben beschrieben.
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Man kann sehen, daß die vorliegende Erfindung Rotoren mit einem hohen Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht bereitstellt. In den Zeichnungen beherbergen die Pumpenkammern zwei Rotoren, die ineinandergreifende Nocken haben, aber die Erfindung ist in gleicher Weise auf andere Konfigurationen anwendbar, wie beispielsweise Rotoren mit drei oder mehr Nocken.
