DE3118297C2 - Zahnradpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe zum Pumpen von Gasen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Pumpen zum Komprimieren oder Fördern von Gasen wie beispiels­ weise Vakuumpumpen werden in der Industrie und in Labors in einer großen Vielfalt von Anwendungsfällen eingesetzt. Ab­ hängig von dem speziellen Anwendungsfall umfassen die Merk­ male, die man sich üblicherweise bei einer Vakuumpumpe wünscht, eine lange Betriebsdauer oder Lebensdauer, eine hohe Pumpkapazität zum Fördern relativ großer Gasmengen in kurzer Zeit und die Fähigkeit, niedrige Drücke von minde­ stens etwa 10^-3 Torr zu erreichen. Insbesondere in indu­ striellen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß die Pumpe verschleißfest und unempfindlich gegen Fremdstoffe wie Schmutz, Wasser oder Wasserdampf in dem zu fördernden Gas ist und durch diese Fremdkörper nicht blockiert werden kann. Vakuumpumpen werden beispielsweise oft verwendet, um Kühlsysteme zu evakuieren, bevor ein Kühlmittel, wie bei­ spielsweise unter dem Warenzeichen Freon bekannte Fluor­ kohlenstoffe eingefüllt werden. Bei diesem Anwendungsfall kann das abgepumpte Gas Wassertröpfchen, Wasserdampf oder Staub sowie auch andere Fremdstoffe enthalten, welche den Wirkungsgrad der Ölschmierung in der Pumpe herabsetzen und zu einem erhöhten Verschleiß und einer möglichen Leckströ­ mung führen, insbesondere bei den oben genannten niedrigen Druckwerten.

Eine Art von Vakuumpumpe, die in solchen industriellen An­ wendungsfällen verwendet wurde, ist eine Drehschieberpumpe, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 782 868 beschrieben ist. Typischerweise verwenden Drehschieberpumpen einen ex­ zentrischen Rotor in einer zylindrischen Kammer. Der Rotor weist üblicherweise zwei radial gleitende Schieber auf, die in ständigem Kontakt mit der Oberfläche der Kammer stehen, um eine Pumpenkammer zwischen dem Rotor und der zylindri­ schen Kammerwand zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Rotors abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Auch wenn diese Pumpen im allgemeinen befriedigend gearbeitet haben, erfordert der aufgrund der ständigen Berührung zwischen den Schiebern und der Kammerwand bei hoher Geschwindigkeit auf­ tretende Verschleiß eine kontinuierliche und großzügige Schmierung, wobei die Kammerwand und die Schieber einem hohen Verschleiß durch in das Öl eindringende Fremdstoffe ausgesetzt sind, welche die Schmierfähigkeit des als herab­ setzen.

Eine andere Art von Pumpe, die zum Pumpen bei den hier ge­ nannten niedrigen Drücken verwendet wird, ist die im all­ gemeinen als Drehkolbenpumpe bezeichnete Pumpe. Diese Pumpe verwendet ein exzentrisch gelagertes Element, das mit einer Basis rotiert und einen oszillierenden Schieber trägt. Aufgrund der exzentrischen Lagerung können Schwin­ gungen auftreten, die so stark sind, daß sie eine nach­ teilige Auswirkung auf die Antriebskomponenten haben, und so die nutzbare Lebensdauer der Pumpe reduzieren. Darüber hinaus verursachen die Vibrationen Lärm und machen es schwie­ rig, die Pumpe an einem starren System zu befestigen.

Eine andere Art von bekannten Pumpen, die jedoch nicht zum Pumpen von Gasen eingesetzt werden, werden als Zahnrad­ pumpen bezeichnet. Diese Art von Pumpe verwendet einen mit einer Verzahnung versehenen Innenrotor, der in einem ring­ förmigen, ebenfalls mit einer Verzahnung versehenen Außen­ rotor rotiert. Die Zähne des Innenrotors stehen in konti­ nuierlichem Kontakt mit der Oberfläche des Außenrotors, um zwischen jedem Paar von Zähnen eine Pumpenkammer zu be­ grenzen, die sich bei einer Drehung des Motors abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Zahnradpumpen als solche sind wohl bekannt und sind insbesondere zum Pumpen von Ölen, Hydraulikfluiden und anderen Flüssigkeiten eingesetzt worden. Verglichen mit anderen Pumpen, beispielsweise einer Dreh­ schieberpumpe, hat die Zahnradpumpe relativ wenig bewegte Teile, ist einfach herzustellen und zusammenzubauen und weist eine geringe Differenz-Umlaufgeschwindigkeit zwischen den Rotoren auf, wodurch der Verschleiß herabgesetzt wird. Die derzeit erhältlichen Zahnradpumpen weisen jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf, wenn sie zum Pumpen von Gasen eingesetzt werden. So verwenden beispielsweise die üblichen Zahnradpumpen das Öl oder Fluid, das gepumpt wird, zur Schmie­ rung und haben daher keine eigene Schmiereinrichtung, die erforderlich wäre, wenn Gas gepumpt werden soll. Dies in Verbindung mit der üblichen Anordnung und Ausbildung der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung bei den herkömmlichen Zahnradpumpen führt dazu, daß Gas zwischen den bewegten Teilen der Pumpe austreten kann, so daß die Pumpe Gase bei niedrigen Drücken nicht fördern kann.

Aus der DE-PS 4 51 437 ist ferner eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art bekannt. Um beim Pumpen von Gasen mit dieser Zahnradpumpe eine bestmögliche Abdichtung der Zahnräder gegeneinander und gegenüber den axialen Gehäuse-Stirnwänden zu erzielen, befindet sich in ei­ nem von der Antriebswelle für den Außenrotor (das Außenzahn­ rad) durchlaufenen Raum ein Ölreservoir. Um aus diesem Ölre­ servoir Öl zu Dichtungszwecken zwischen die rotierenden Zahn­ räder bzw. deren Stirnwände und die Gehäusewände zu bringen, besteht bei der bekannten Pumpe eine Leitungsverbindung von der Auslaßseite, also der Druckseite zu dem Ölreservoir. Fer­ ner besteht von diesem Ölreservoir in dem Umlaufraum der Zahnräder eine axiale Verbindung durch die Antriebsnabe für das Außenzahnrad hindurch. Auf diese Weise wird Öl aus dem Ölreservoir zwischen die Zahnräder gedrückt, wenn sich auf der Druckseite der Pumpe ein Überdruck aufbaut.

Da das Ölreservoir bei der bekannten Pumpe innerhalb der An­ triebsvorrichtung der Pumpe liegt, muß es sehr sorgfältig ge­ genüber der Welle abgedichtet werden, welche die Pumpe bzw. den Außenrotor der Pumpe antreibt. Dies ist technisch zwar möglich, bewirkt aber bei der üblichen Stopfpackung, die auch bei der bekannten Pumpe vorgesehen ist, einen insbesondere dann nicht zu unterschätzenden Leistungsverlust des Motors, wenn es sich um eine kleine tragbare Pumpe handeln soll.

Ferner besteht bei der bekannten Pumpe der Nachteil, daß die Saug- und Drucköffnungen beide innerhalb eines Gehäusedeckels auf derselben axialen Seite der Pumpe liegen. Diese Bauart ist bei der bekannten Pumpe deshalb notwendig, weil dort das Außenzahnrad über eine Scheibe angetrieben wird, so daß für die Anordnung sowohl der Druck- als auch der Saugöffnungen nur dieselbe Stirnseite, nämlich der Gehäusedeckel verbleibt. Es leuchtet aber ein, daß dann, wenn die genannten beiden Öffnungen auf derselben Stirnseite der Pumpe liegen, entweder erhebliche Dichtungsschwierigkeiten zwischen den Öffnungen bestehen oder eine Dichtheit nicht gewährleistet werden kann.

Aus der DE-OS 29 42 696 ist eine Drehkolben-Luftpumpe be­ kannt, deren Schmierung lediglich durch Anschluß an das Druckölsystem der sie antreibenden Kraftmaschine gewährlei­ stet ist.

Schließlich zeigt die US-PS 3 272 130 eine mehrstufige Zahn­ radpumpe mit angetriebenem Innenrotor, bei der die Saugöff­ nung und die Drucköffnung auf verschiedenen Seiten angeordnet sind. Diese Pumpe dient zum Pumpen von Flüssigkeiten, so daß sich die Abdichtungsprobleme nicht in derselben Weise wie bei einer ölgedichteten Pumpe für Gase stellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art hinsichtlich der Abdichtung durch ein Schmiermittel zu verbessern und zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des An­ spruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Das erfindungsgemäße Ölschmier- und Dichtungssystem erlaubt die Verwendung der erfindungsgemäßen Pumpe zum Pumpen von gasförmigen Materialien bei relativ niedrigen Drücken. Da­ durch, daß die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung an ver­ schiedenen Stirnseiten des Pumpengehäuses angeordnet sind, wird der Abstand zwischen den Öffnungen vergrößert und da­ durch eine bessere Abdichtung erreicht bzw. die Gefahr eines Durchblasens zwischen den Öffnungen verringert. Mit der er­ findungsgemäßen Lösung kann eine Zahnradpumpe geschaffen wer­ den, die kompakt und relativ leicht ist und die einerseits die bekannten Vorteile einer Zahnradpumpe, d. h. eine geringe Relativgeschwindigkeit zwischen den bewegten Teilen sowie ei­ ne hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit hat und die anderer­ seits für das Pumpen von Gasen bei sehr niedrigen Drücken selbst bis zu einem molekularen Niveau genutzt werden kann.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Zahnrad­ pumpe sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die folgende Beschreibung erläutert in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausfüh­ rungsbeispieles. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungs­ gemäßen Zahnradpumpe,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der in der Fig. 1 dargestellten Zahnradpumpe,

Fig. 2a eine Frontansicht des Mittelstückes des in der Fig. 2 dargestellten Pumpenblockes,

Fig. 2b einen Horizontalschnitt längs Linie 2b-2b in der Fig. 2a,

Fig. 3 eine Ansicht der zusammengebauten Zahnrad-Pumpen- Rotorelemente längs Linie 3-3 in Fig. 2,

Fig. 4 eine Ansicht der zusammengebauten Zahnrad­ pumpen-Rotorelemente längs Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Innenoberfläche der Pumpenendplatte längs Linie 5-5 in Fig. 2,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt längs Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 bis 10 vertikale Endansichten auf die zusammengebauten Zahnradpumpen-Rotorelemente, welche zu einem Teil die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe zeigen, und

Fig. 11 ein schematisches Schaltbild einer Geschwindig­ keitssteuer- und -schutzschaltung für die er­ findungsgemäße Zahnradpumpe.

In den Figuren ist als Ausführungsbeispiel eine Zweistufen­ vakuumpumpe 20 dargestellt mit einer Zahnradpumpen-Rotoran­ ordnung 22 zum Pumpen gasförmiger Materialien und dgl. Für jede Pumpenstufe verwendet die Rotoranordnung 22 einen mit einer Außenverzahnung versehenen Innenrotor 24 und einen mit einer Innenverzahnung versehenen ringförmigen Außenrotor 26, der in einer von zwei axial parallelen,aber gegeneinander ver­ setzten Rotorkammern 28 in jedem Ende eines Pumpenblockes 30 angeordnet ist. Im folgenden wird an die Bezugszeichen, die sich auf die erste und die zweite Pumpenstufe beziehen, je­ weils die Ziffer 1 bzs. 2 angehängt, also beispielsweise Rotorkammer 28-1.

Die Zahnradpumpen-Rotoranordnung 22 und der Pumpenblock 30 sind auf einer Seite einer Befestigungsplatte 34 und innerhalb eines Gehäuses 36 angeordnet. Das Gehäuse 36 enthält ein Ölbad, in dem die Rotoranordnung und der Block während des Betriebes eingetaucht sind. Die Rotoranordnung 22 wird von einem Elektromotor 38 angetrieben, der auf der anderen Seite der Befestigungsplatte 34 angeordnet und befestigt ist. Der Elektromotor 38 treibt die Anordnung durch eine abgedichtete Öffnung 40 für eine zentrale Welle an.

In den Fig. 7 bis 10, in denen die Zahnradpumpenelemente in den verschiedenen Drehstellungen dargestellt sind, kann man erkennen, daß der Innenrotor 24-1 auf einer Antriebs­ welle 42 gelagert ist, die exzentrisch innerhalb des Außen­ rotors 26-1 angeordnet ist. Eine Drehung des Rotors 24-1 durch den Elektromotor 38 über die Welle 42, wobei die Zähne 44 und 46 des Innenrotors bzw. des Außenrotors miteinander kämmen, bewirkt, daß auch der Außenrotor innerhalb der Rotor­ kammer 28-1 rotiert. Der Innenrotor 24-1 hat einen Zahn weniger als der Außenrotor 26-1, so daß die Zähne des Innen­ rotors kontinuierlich mit der Innenoberfläche des Außenrotors in Berührung stehen und eine Pumpenkammer 48-1 zwischen je­ dem Paar von Rotorzähnen begrenzen, wie dies durch den dunklen oder schraffierten Bereich dargestellt ist. Bei der Drehung des Innenrotors 24-1 expandiert bzw. kontrahiert sich die Pumpenkammer 48-1 während jeder Umdrehung des Innen­ rotors und des Außenrotors, wie dies in der Folge der Fig. 7 bis 10 dargestellt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die allgemeinen Vor­ teile des Zahnradpumpenprinzips für das Pumpen von Gasen und dgl. verwendet werden, indem man eine längliche Gaseinlaß­ öffnung 50-1 verwendet, die sich über einen relativ großen Winkel erstreckt, so daß sie mit jeder Pumpenkammer 48-1 während des größten Teiles einer Umdrehung in Verbindung steht, während sich die Pumpenkammer 48-1 ausdehnt. Ferner wird eine Auslaßöffnung 52-1 verwendet, die einen Winkel­ abstand von der Einlaßöffnung 50-1 hat und sich über einen wesentlich kleineren Winkel B erstreckt. Die Auslaßöff­ nung 52-1 ist so angeordnet, daß sie mit der Pumpenkammer 48-1 nur unmittelbar vor oder am Ende der Kompressions­ phase in Verbindung steht, die einer Kontraktion der Pumpen­ kammer 48-1 entspricht. Es sollte bemerkt werden, daß die Einlaßöffnung 50-1 und die Auslaßöffnung 52-1 an entgegengesetzten Seiten der Rotoranordnung vor­ gesehen sind und daß die in den Fig. 7 bis 10 durch Strich­ punktierte Linien wiedergegebene Einlaßöffnung 50-1 in der Pumpenhalterungsplatte 34 (Fig. 2) ausgebildet ist. Sie liegt daher in Wirklichkeit oberhalb der Papieroberfläche. Obwohl die Einlaßöffnung 50-1 normalerweise kein Teil der Endansicht ist, wurde sie in den Fig. 7 bis 10 zu Erläuterungszwecken und zur besseren Illustration des relativen Winkelabstandes zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung dargestellt. Dies kann man besser anhand der Fig. 2 verstehen, welche die tatsächliche Vorrichtung und die Einlaßöffnung sowie die Auslaßöffnung in einer perspektivischen Darstellung und nicht in einer Endansicht zeigt.

Zur Schmierung sowie zur Abdichtung zwischen relativ zu­ einander bewegten Teilen der Rotoranordnung 22 wird Öl in die Pumpenkammer 48-1 eingeführt, indem man die von der Rotation der Pumpe selbst erzeugten Differentialdrücke aus­ nützt. Die Öldichtung wirkt mit der relativen Form von Einlaßöffnung und Auslaßöffnung sowie ihrem relativen Ab­ stand in dem Sinne zusammen, daß die Pumpe zum Pumpen von Gasen bei sehr niedrigen Drücken verwendet werden kann. Dadurch wird Öl aus dem umgebenden Ölbad in die Pumpenkammer durch einen Kanal 54 in der Be­ festigungs- oder Halterungsplatte 34 oder einen entsprechenden Kanal 54′ in einer Gleitplatte 56 gezogen, der eine Verbin­ dung zwischen dem Ölbad am einen Ende und der abgedichteten Wellenöffnung 40 am anderen Ende herstellt. Der während der Expansion der Pumpenkammer 48-1 erzeugte Sog zieht Öl in den Wellenbereich, von dem Wellenbereich durch einen win­ zigen Raum zwischen dem Rotorelement 24-1 und der Gleit­ platte 56 zur Einlaßöffnung 50-1 und von dort in die Pumpen­ kammer 48-1. Das Schmieröl bedeckt die Oberflächen der be­ weglichen Teile und bewirkt eine Abdichtung zwischen ihnen, so daß bei relativ niedrigen Drücken gepumpt werden kann. Mit anderen Worten heißt dies, daß Öl durch die Einlaßöff­ nung 50-1 an einem Ende der Pumpenkammer 48-1 eingezogen wird und sich allmählich entlang der Rotorverzahnung des Innen­ rotors 24-1 bei der Drehung desselben bewegt, um schließlich durch die Auslaßöffnung 52-1 am anderen Ende auszutreten, wobei das Öl im wesentlichen einem spiraligen Weg durch die Rotoranordnung folgt, während es die Teile schmiert und gegen­ einander abdichtet. Der Strömungsweg durch die zweite Pumpen­ stufe ist ähnlich.

Die Pumpe 20 ist kompakt und relativ leicht, wodurch es möglich ist, sie als tragbares Gerät auszubilden. Sie ist ideal für Wartungsausrüstungen im Außendienst, bei­ spielsweise für Kühlsysteme und dgl. Wie man in Fig. 1 er­ kennt, besitzt die Pumpe 20 einen Handgriff 58, der bei­ spielsweise an der Halterungsplatte 34 befestigt sein kann und mit dessen Hilfe die Pumpe herumgetragen werden kann.

Die Pumpe wird durch eine direkte Verbindung zwischen der Antriebswelle 42 der Rotoranordnung und dem Elektromotor 38 durch die Halterungsplatte 34 hindurch angetrieben. Obwohl verschiedene Typen von Motoren verwendet werden können, wird ein Bürstenmotor gegenüber einem herkömmlichen Induktions­ motor bevorzugt, da er den Betrieb der Pumpe mit verschie­ denen Antriebsgeschwindigkeiten erlaubt.

Der Pumpenblock 30 kann einstückig ausgebildet sein. Er kann jedoch auch aus einem Stapel oder einer Anordnung dreier getrennter Teile bestehen, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Diese Anordnung wird bevorzugt, da sie die Herstellungs- und Bearbeitungskosten senkt. Bei dieser Anordnung ist ein Mittelstück (in den Fig. 2a und 2b dargestellt) zwischen zwei Endteilen angeordnet, welche Bohrungen zur Bildung der Rotorkammern 28-1 und 28-2 aufwei­ sen. Beide Innenrotoren 24-1 und 24-2 werden durch die gemein­ same Antriebswelle 42 angetrieben, die sich durch eine Wellen­ öffnung 60 in dem Mittelteil des Pumpenblockes zwischen den Rotorkammern erstreckt. Das andere Ende der Welle 42 verläuft durch ein nicht dargestelltes Lager in der Wellenöffnung 40 in der Halterungsplatte 34 zum Motor 38.

Die Rotorelemente 24-1, 26-1 und 24-2, 26-2 sind innerhalb der Rotorkammern 28-1 bzw. 28-2 so gelagert, daß sie im wesentlichen mit den Endflächen des Pumpenblockes 30 ab­ schließen, wobei jedoch ein ausreichendes Spiel für eine Drehung und Öldichtung vorhanden ist. Da die Halterungs­ platte 34 vorzugsweise aus Aluminium hergestellt ist, ist der Pumpenblock 30 von der Halterungsplatte 34 vorzugs­ weise durch eine Gleit- oder Verschleißplatte aus Stahl getrennt, auch wenn andere Verschleißoberflächen oder Überzüge verwendet werden können. Das andere Ende des Pumpenblockes ist durch eine Endplatte 62 aus Stahl ver­ schlossen. Die gesamte Anordnung aus Endplatte, Pumpen­ block, Rotorelementen und Gleitplatte ist an der Halterungs­ platte 34 durch nicht dargestellte Bolzen befestigt. Wie bereits oben festgestellt wurde, taucht die gesamte Anord­ nung in ein Ölbad, das in dem Pumpengehäuse 36 enthalten ist.

Wenn die Pumpe in Betrieb ist, wird Gas aus dem zu evaku­ ierenden Hohlraum durch eine Leitung oder einen Schlauch an­ gesaugt, der an eine in der Halterungsplatte 34 ausgebilde­ te Lufteinlaßöffnung 61 angeschlossen ist, die mit der halbmondförmigen länglichen gekrümmten Einlaßöffnung 50-1 in Verbindung steht. Die Verschleiß- oder Gleitplatte 56 weist eine mit der Einlaßöffnung 50-1 fluchtende halbmond­ förmige Öffnung auf, welche den Eintritt von Luft oder einem anderen von der Pumpe geförderten Gas in die Pumpenkammer 48-1 ermöglicht, die von den Rotorelementen 24-1 und 26-1 der ersten Pumpenstufe begrenzt wird.

Im folgenden wird kurz auf die Fig. 7 bis 10 Bezug ge­ nommen, welche den Pumpvorgang für die Pumpenkammer 48-1 der ersten Pumpenstufe darstellen. Wenn sich der Innenrotor 24-1 bei der dargestellten Ausführungsform im Uhrzeiger­ sinn dreht, treibt er den Außenrotor 26-1, der einen Zahn mehr als der Innenrotor aufweist, im Uhrzeigersinn mit einer gegenüber der Umlaufgeschwindigkeit des Innenrotors geringfügig kleineren Umlaufgeschwindigkeit. Dies ist ein Vorteil einer Zahnradpumpe: Geringe Umlaufgeschwindigkeits­ differenz zwischen dem Innenrotor 24-1 und dem Außenrotor 26-1. In der Fig 7 beginnt sich der dunkle Bereich, welcher die Pumpenkammer 48-1 darstellt, auszudehnen und saugt Gas von der Einlaßöffnung 50-1 an. Es sollte erwähnt wer­ den, daß die Pumpenkammer 48-1 zwischen den Rotoreleinenten an einem Ende durch die Gleitplatte 56 und am anderen Ende durch die Innenoberfläche der Rotorkammer geschlossen ist. Die Einlaßöffnung ist in strichpunktierten Linien zur Er­ läuterung dargestellt. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist sie jedoch tatsächlich Teil der Abstandsplatte und Halterungs­ platte und befindet sich in Wirklichkeit oberhalb der Papier­ ebene in der in der Fig. 7 dargestellten Draufsicht.

Wenn sich die Pumpe weiter im Uhrzeigersinn dreht, hat die Pumpenkammer 48-1, die sich auszudehnen beginnt, wenn sie zuerst mit der Vorlaufkante der Einlaßöffnung (Fig. 7) in Verbindung tritt, im wesentlichen die Expansionsphase voll­ endet, wenn sie außer Verbindung mit der Endkante der Einlaß­ öffnung gelangt (Fig. 8). Um diese Verbindung während des größten Teils der Expansionsphase aufrecht zu erhalten, ist die längliche Einlaßöffnung 50-1 so angeordnet, daß ihre vordere Kante (in Richtung der Rotordrehung betrachtet) 3° von der Stellung oder dem Punkt entfernt ist, an dem die Kontraktions- oder Kompressionsphase abgeschlossen ist. Die Einlaßöffnung erstreckt sich über einen Winkel A (Fig. 7, 10) der größer ist als der Winkel C zwischen einander be­ nachbarten Zähnen des Innenrotors 24-1. Vorzugsweise ist der Winkel A nicht größer als der Betrag (180°C/2).

Nachdem die Verbindung zwischen der Einlaßöffnung 50-1 und der Pumpenkammer 48-1 unterbrochen ist, führt eine weitere Drehung des Innenrotors 24-1 dazu, daß sich die Pumpenkammer 48-1 zusammenzieht (Fig. 9) und dabei das in der Kammer eingeschlossene Gas komprimiert. Erst wenn die Pumpenkammer nahezu vollständig kontrahiert ist und das Gasvolumen bei­ nahe auf sein Minimum komprimiert ist, tritt die Pumpen­ kammer in Verbindung mit der Auslaßöffnung 52-1 (Fig. 10). Die Auslaßöffnung befindet sich an dem der Einlaßöffnung 50-1 gegenüberliegenden Ende der Rotorkammer 28-1 und ist gegenüber der Einlaßöffnung vorzugsweise um einen Win­ kel zwischen 5° und 38° (Winkel D) versetzt. Dabei ist die erforderliche Winkelversetzung umso größer, je kleiner der Rotordurchmesser ist. Die Auslaßöffnung 52-1 ist automa­ tisch kleiner als die Einlaßöffnung 50-1, da sie sich über einen Winkel B erstreckt, der kleiner als der Winkel C zwi­ schen einander benachbarten Zähnen des Innenrotors ist. Der Winkel B ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem halben Winkel C, d. h. c/2. Die Auslaßöffnung kann eine beliebige Querschnittsform oder -geometrie innerhalb des oben defi­ nierten Bereiches aufweisen. Die dargestellte Ausführungs­ form verwendet jedoch eine kreisförmige Auslaßöffnung 52-1. Wenn die Pumpenkammer in Verbindung mit der Auslaßöffnung tritt, wird das komprimierte Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Auslaßöffnung gepreßt, die direkt mit der Einlaß­ öffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Verbindung steht (Fig. 2)
Vergleicht man die relativen Abmessungen der Rotorelemente der Stufen 1 und 2, so fällt auf, daß die Stufe 1 eine sehr viel größere Pumpenkapazität als die Stufe 2 der Pumpe besitzt. Wenn größere Gasvolumina von der ersten Stufe gepumpt werden als von der zweiten Stufe verarbeitet werden können, wie dies während der anfänglichen Evakuie­ rung eines Gasvolumens der Fall ist, kann das überschüssige Gas durch eine Umgehungsöffnung 63 (Fig. 2a und 2b) aus­ treten, die unmittelbar mit der halbmondförmigen Einlaß­ öffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Verbindung steht.

Die Umgehungsöffnung 63, die durch Bohren oder auf andere Weise in dem Mittelteil des Pumpenblockes hergestellt ist, ist normalerweise durch ein Überdruckventil, beispiels­ weise ein Hubventil der in der Fig. 6 dargestellten Art verschlossen, das so eingestellt ist, daß es unter dem durch das Pumpen großer Gasmengen entstehenden Druck öff­ net. Nachdem das Gas aus dem Pumpenblock ausgetreten ist, kann es über ein Standardentlüftungsventil 65 an die Um­ gebungsluft abgegeben werden.

Wie man in der Fig. 2 erkennt, steht die Auslaßöffnung 52-1 der ersten Pumpenstufe direkt mit der länglichen halbmond­ förmigen Einlaßöffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Ver­ bindung. Die Rotorkammer 28-2 der zweiten Pumpenstufe ist flacher als die Rotorkammer 28-1 der ersten Stufe und nimmt den Außenrotor 26-2 sowie den Innenrotor 24-2 der zweiten Stufe drehbar auf. Der innere Rotor 24-2 wird von der gemein­ samen Antriebswelle 42 angetrieben, die sich durch den Pumpenblock 30 erstreckt. Das Ende des Pumpenblockes ist von der Endplatte 62 bedeckt, die die Auslaßöffnung 52-2 für die zweite Pumpenstufe aufweist, wie man dies am besten in den Fig. 5 und 6 erkennt. Diese Auslaßöffnung ist entspre­ chend der Fig. 6 normalerweise durch ein federbelastetes Hubventil 64 verschlossen, das auf der Außenseite der End­ platte angeordnet ist. Dieses Hubventil, das auf verschie­ dene Art ausgebildet sein kann, wird gegen die Austritts­ öffnung 52-2 in seiner normalerweise geschlossenen Stellung durch eine Schraubenfeder 69 und ein diese übergreifendes Blatt oder einen federnden Rückhalter 71 gehalten und dient dazu, das Eindringen von Gas und Schmieröl in die Pumpenkammer zu verhindern. Andere Arten von Einwegeventile, wie beispielsweise Klappen- oder Zungenventilen können eben­ falls verwendet werden, ohne sich aus dem Bereich der vor­ liegenden Erfindung zu entfernen. Auch wenn die in der Endplatte vorgesehene Auslaßöffnung 52-2 kreisförmig ist, umfaßt sie einen zurückversetzten Bereich 66 an der Innen­ seite der Platte, der sich von der Auslaßöffnung unter einem Winkel so erstreckte daß er mit der Pumpenkammer 48-2 in der zweiten Stufe während der Kompressionsphase geringfügig früher in Verbindung tritt als die Auslaß­ öffnung in der ersten Stufe, jedoch im wesentlichen erst dann, wenn die Kompressions- oder Kontraktionsphase abge­ schlossen ist. Dies dient dazu, einen besseren Ausstoß aus der zweiten Stufe zu erreichen, wenn höhere Vakuum­ niveaus oder niedrigere Gasdrücke mit der Pumpe erreicht werden sollen.

Nachdem Gas in die zweite Pumpenstufe durch die Einlaßöff­ nung 50-2 eingetreten ist, ist die Arbeitsweise der Pumpen­ stufe im wesentlichen dieselbe wie bei der ersten Stufe, wobei die Geometrie der Öffnungen und ihre Anordnung ähn­ lich ist. Die Pumpenkammer 48-2, die zwischen dem Innenrotor 24-2 und dem Außenrotor 26-2 eingeschlossen ist, hat ihre Expansionsphase im wesentlichen vollständig abgeschlossen, wenn sie die Einlaßöffnung 50-2 passiert hat, und kontra­ hiert sich dann, so daß sie mit der Auslaßöffnung 52-2 in der Endplatte 62 unmittelbar vor oder am Ende der Kompressions­ phase in Verbindung tritt. Nach der anfänglichen Evakuierung großer Gasmengen und wenn nicht so viel Gas an der Quelle verblieben ist, daß das mittlere Druckentlastungsventil betätigt werden muß, strömt alles abgepumpte Gas durch die zweite Stufe und tritt durch das federbelastete Hubventil 64 in der Endplatte 62 aus.

Wie bereits weiter oben kurz beschrieben wurde, tauchen der gesamte Pumpenblock 30 und die Rotoranordnung 22 in ein Ölbad, das in dem Pumpengehäuse 36 enthalten ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist ein Ölkanal längs der linearen Nut oder des Kanals 54 in der Halterungsplatte 34 oder alternativ hierzu in der Gleitplatte 56 vorgesehen, der tangential von der Wellenöffnung 40 für die Antriebswelle ausgeht. Das Ende des Kanals 54 steht mit dem Ölbad über eine schmale Öffnung 68 in der Gleitplatte in Verbindung. Das heißt, daß die Öffnung 68 jenseits der Kante des Pumpen­ blocks 30 liegt und direkt für das den Pumpenblock 30 um­ gebende Schmiermittel zugänglich ist. Die Druckdifferenz, die von der expandierenden Pumpenkammer 48-1 erzeugt wird, saugt Öl durch die kleine Öffnung 68 und den tangentialen Kanal 54 zu der Wellenöffnung 40 und von dort durch das geringfügige Spiel zwischen den Rotorelementen 24-1, 26-1 und der Oberfläche der Gleitplatte 56 in die Einlaßöffnung 50-1, von wo das Öl in die Pumpenkammer gelangt. Diese kleine Ölmenge bildet einen Überzug auf den Kontaktflächen des Innenrotors und des Außenrotors und dichtet die geringfügigen Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen ab, um einen Gas-Leckfluß durch diese geringfügigen Zwischen­ räume hindurch zu verhindern und dadurch einen höheren Wir­ kungsgrad sowie das Erreichen niedrigerer Druckniveaus zu ermöglichen. Das Öl bewegt sich von der Einlaßöffnung 50-1 in derselben Hauptrichtung wie der Gasstrom entlang des Innenrotors 24-1 zu der Auslaßöffnung 52-1 und von dort in die zweite Stufe, um auch diese zu schmieren und abzu­ dichten. Wenn sich der Rotor dreht, folgt das Öl einer im wesentlichen spiralförmigen Bahn durch jede Pumpenstufe.

Gemäß einem weiteren Merkmal dieses Öldichtungsanordnung ist der Durchmesser der Antriebswelle 42 vorzugsweise we­ sentlich kleiner als der Zahnfußdurchmesser der Innen­ rotoren 24-1 und 24-2. Dadurch erhält man einen relativ breiten ununterbrochenen Bereich, der bei seiner Abdich­ tung durch einen Ölfilm dazu beiträgt, einen Umgehungs­ gasstrom zwischen der Endfläche des Innenrotors und der ihr zugewandten Oberfläche der Endplatte oder der Rotor­ kammer zu verhindern. Wesentlich kürzere oder schmalere Oberflächen würden keinen ausreichend breiten Ölfilm erge­ ben und dadurch eine Umgehungsgasströmung (manchmal auch als Leckströmung oder als "Durchblasen" bezeichnet) zwi­ schen den bewegten Teilen zulassen. Dadurch würde die Fähigkeit der Pumpe vermindert, niedrige Druckniveaus zu erreichen. Vorzugsweise hat das Verhältnis des Zahnfuß­ durchmessers des Innenrotors zum Durchmesser der Antriebs­ welle einen Wert zwischen 2 : 1 und 4 : 1 unter Einschluß dieser Grenzwerte. Es wird angenommen, daß bei diesem Verhältnis die Dichtungsanordnung ihre beste Wirkung entfaltet.

Um die Dichtung und die Dichtungsflächen zwischen einander benachbarten Pumpenteilen weiter zu ver­ größern, sind die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung bei der dargestellten Ausführungsform radial im wesentlichen zwischen dem Zahnfußkreis des Innenrotors und dem Zahnfußkreis des Außenrotors ange­ ordnet, wobei die Breite der Öffnungen vorzugsweise kleiner als die Differenz der Radien (R_o - R_i) der beiden genannten Kreise ist (Fig. 9). Dadurch wird die Dichtungsfläche zwi­ schen der Antriebswelle 42 und der inneren Umfangskante der Öffnungen maximal.

In der zweiten Stufe des Pumpenblockes ist eine Hilfs­ ölöffnung 53 (Fig. 4) vorgesehen, um die Schmierung und Abdichtung bei relativ hohen Druckverhältnissen zu ver­ bessern, wenn viel Öl aus der ersten Stufe durch das mitt­ lere Umgehungsventil abgeführt wird. Das Öl wird durch die Hilfsöffnung 53 in die zweite Stufe durch den Flüssig­ keitssog und die Druckdifferenz aufgrund der Rotation des Außenrotors angesogen.

Ein anderes Verfahren zum Einführen des Schmier- und Dich­ tungsöles in die Pumpenkammer besteht darin, eine Reihe kleiner Vertiefungen oder Taschen in den Endflächen des Innenrotors und/ oder Außenrotors vorzusehen, die während einer Drehung mit ölführenden Nuten in der Gleitplatte 56 in Verbindung treten. Diese Nuten erstrecken sich über die Kanten des Pumpenblockes hinaus, um mit dem Ölbad in Verbindung zu treten, in das die Pumpe eintaucht. Somit nehmen die Rotoren bei ihrer Drehung eine ausgewählte oder vorbestimmte Menge von Öl auf, wenn sie an den ölführenden Kanälen in der Gleitplatte vor­ beilaufen. Die Taschen geben dann das Öl an die Pumpenkammer durch den Sog ab, der an der Einlaßöffnung 50-1 erzeugt wird. Wenn die Pumpe angehalten wird, würde bei dieser Anord­ nung verhindert, daß durch das Vakuum in dem System Öl von der Pumpe zurück in das System oder die Quelle gesaugt würde.

Die dargestellte Zahnradpumpe 20 wird mittels einer in der Fig. 11 dargestellten elektrischen Mehrgeschwin­ digkeits-Schaltungsanordnung gesteuert. Eine Geschwindig­ keitswahlschalter 70 der Pumpe hat eine einer hohen Ge­ schwindigkeit der Pumpe entsprechende Stellung 72 und eine einer niedrigen Geschwindigkeit der Pumpe entsprechende Stellung 74, um die Pumpengeschwindigkeit zu variieren. Eine hohe Geschwindigkeit kann beispielsweise während der anfänglichen Evakuierung oder des Auspumpens verwendet werden. Der Schalter 70 verändert die Pumpengeschwindig­ keit, indem er einen Widerstand 76 oder zwei Widerstände 76 und 78 in Reihe mit einem Kondensator 80 schaltet. Die Widerstands-Kondensator-Kombination liegt parallel zu einem Triac 82 und einem Diac 84 und die verschiedenen Auf­ ladungsgeschwindigkeiten des Kondensators in den Schalt­ stellungen 72 bzw. 74 liefert verschiedene Einschaltinter­ valle für den Triac, der den Motor 38 erregt. Als einziger Schutz gegen eine Überhitzung, beispielsweise aufgrund einer übermäßig langen Betriebszeit mit hoher Geschwindigkeit ist ein Thermoschalter 86 parallel zu dem Schalter 70 ge­ schaltet. Er dient dazu, bei einer Überhitzung den Wider­ stand 77 in die Schaltungsanordnung einzuschalten, um die Ladungszeitkonstante der Schaltung zu verändern und die Pumpe zur Abkühlung in einen Betriebszustand mit einer niedrigeren Betriebsgeschwindigkeit zu bringen.

Claims (5)

1. Zahnradpumpe zum Pumpen von Gasen mit

• - einem Pumpengehäuse (30),
• - mindestens einem im Pumpengehäuse (30) drehbar ge­ lagerten Außenrotor (26) mit Innenverzahnung,
• - mindestens einem exzentrisch zum jeweiligen Außen­ rotor (26) drehbar gelagerten Innenrotor (24) mit einer in die Innenverzahnung des jeweiligen Außen­ rotors (26) eingreifenden und weniger Zähne als diese aufweisenden Außenverzahnung, von welchen Rotoren (24, 26) jeweils einer angetrieben ist,
• - mit einer in dem Pumpengehäuse (30) angeordneten Saugöffnung (50) und einer Drucköffnung (52), die jeweils mit entsprechenden Saug- und Druckleitungen verbunden sind,
• - wobei durch die von der Pumpe erzeugte Druckdiffe­ renz ein Schmiermittel aus einem Schmiermittel­ reservoir zwischen die Zähne der Rotoren (24, 26) und in stirnseitige Spalte zwischen den Rotoren (24, 26) und Stirnwänden des Pumpengehäuses (30) gelangt,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß durch Kanäle (68, 54) sowie über eine in einer Befestigungsplatte (34) des Pumpengehäuse (30) ausgebildete Wellenöffnung (40) und über die stirnseitigen Spalte zwischen den Rotoren (24, 26) und Stirnwänden des Pumpengehäuses (30) eine Verbindung zwischen der Saugöffnung (50) im Pumpengehäuse (30) und dem aus einem das Pumpen­ gehäuse umgebenden Ölbad gebildeten Schmiermittel­ reservoir besteht,
• - daß die Saugöffnung (50) und die Drucköffnung (52) an verschiedenen Stirnseiten des Pumpen­ gehäuses (30) bzw. an verschiedenen Gehäuse­ deckeln (34, 56) liegen und
• - daß der Innenrotor (24) durch eine Antriebs­ welle (42) antreibbar ist, während der Außen­ rotor (26) die Form eines beiderseits offenen Zylinders hat.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Vorderkante der Saugöffnung (50) und einer Hinterkante der Drucköffnung (52) in Drehrichtung ein Winkel von 5° bis 38° liegt.

3. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Saugöffnung (50) einen Winkel überdeckt, der größer ist als der Winkel zwischen zwei be­ nachbarten Zähnen des Innenrotors (24).

4. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucköffnung (52) einen Winkel überdeckt, der kleiner ist als der Winkel zwischen benach­ barten Zähnen des Innenrotors (24).