DE3402548A1

DE3402548A1 - Verdraengermaschine

Info

Publication number: DE3402548A1
Application number: DE19843402548
Authority: DE
Inventors: Berthold 5042 Erftstadt Fischer; Hans-Peter Dr. 5000 Köln Kabelitz; Andreas 5354 Weilerswist Schmitz
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1985-08-01

Description

Verdrängermaschine
Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängermaschine mit zwei Verdrängerelementen, die jeweils mit mindestens einem spiralförmigen Vorsprung ausgerüstet sind und damit ineinandergreifen. Außerdem bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines dieser Verdrängerelemente.
Verdichter, Vakuumpumpen und andere Verdrängermaschinen nach dem Spiralprinzip sind seit längerem bekannt (vgl. z. B. die DE-OSsen 26 17 290 und 28 01 206). Der Verdrängungsvorgang wird durch zwei Verdrängerelemente bewirkt, die meist in ähnlicher Weise aus einer Grundplatte mit aufgesetzten, spiralförmigen Wänden oder Ausnehmungen bestehen. Dabei greifen die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen beider Verdrängerelemente axial ineinander. Durch eine meist kreisförmige, aber rein translatorische Relativbewegung (Parallelführung) der beiden Verdrängerelemente wandern die KontaktRnkte zwischen den spiralförmigen Wänden bzw.
Ausnehmungen einsinnig, so daß je nach Drehsinn der Relativbewegung die Kontaktpinkte entweder radienmäßig von außen nach innen oder von innen nach außen wandern. Der Antrieb bzw. Abtrieb derartiger Verdrängermaschinen kann auf zwei Wegen erfolgen. Man kann ein Verdrängerelement festhalten; dann wird das zweite Element über einen Exzentertrieb, meist Kreiskurbeltrieb, in die gewünschte, meist kreisförmige Relativbewegung versetzt. Der zweite Weg besteht, sofern eine kreisförmige Relativbewegung angestrebt wird, darin, beide Verdrängerelemente drehbar zu lagern, wobei die Drehachsen um die gewünschte Exzentrizität versetzt sind (z. B. Evolventenpumpen).
Sobald die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen sich über einen Umfangswinkel von wenigstens 2 Xrerstrecken, besteht ständig in wenigstens einem Punkt der radiale Kontakt zwischen den spiralförmigen.Elementen. Sobald die spiralförmigen Wände und Ausnehmungen sich wenigstens über eine doppelte Umschlingung (Umfangswinkel 4 ) erstrecken, bestehen ständig mindestens zwei radiale Kontaktpunkte. Im letztgenannten Fall bilden sich zwischen zwei Kontaktpunkten sichelförmige Hohlräume, in denen ein Fluid infolge der vorerwähnten Relativbewegung einsinnig gefördert werden kann.
Der eins innig ablaufende Fördervorgang mit geringen Relativgeschwindigkeiten der Verdrängerelemente, wobei bestimmte Flächenbereiche der spiralförmigen Wände und Ausnehmungen stets nur dem Ansaug- oder dem Ausschubbereich zugeordnet sind, läßt den Einsatz von Pumpen und Verdichtern nach dem Spiralprinzip stets dort attraktiv erscheinen, wo hohe Verdichtungsverhältnisse ohne oder bei schwacher Schmierung erreicht werden sollen. Auch als Kraftmaschinen erscheinen aus ähnlichen Gründen Spiralverdrängermaschinen sinnvoll.
Schließlich sind ölfrei arbeitende Verdrängermaschinen aus Service-, Betriebskosten- und Umweltschutzgründen vorzuziehen. Es gibt auch Fälle, in denen bl nicht nur unerwünscht, sondern unzulässig ist, z. B. wegen Explosionsgefahr.
Es zeigt sich allerdings, daß die theoretisch erreichbaren hohen Verdichtungsverhältnisse und die einfache Arbeitsweise praktisch nur schwer zu realisieren sind, weil eine sichere und präzise Abdichtung in den radialen und axialen Kontaktpunkten bzw. Linien zwischen den spiralförmigen Wänden und Ausnehmungen nicht einfach zu bewerkstelligen ist. Dies ist besonders bei trockenlaufenden Vakuumpumpen mit kleinem Saugvermögen problematisch, da schon relativ kleine Undichtheiten die Kompressionsverhältnisse stark beeinflussen und diese Undichtheiten nicht mit einer Dichtflüssigkeit - in der Regel öl - verhindert werden können.
Eine der Hauptursachen für die nicht ausreichende Abdichtung zwischen einander berührenden Flächen der Verdrängerelemente ist eine nicht vermeidbare Fertigungsungenauigkeit bei der Herstellung der Verdränger. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängermaschine der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der der Einfluß der Fertigungsungenauigkeiten auf die Fördereigenschaften stark reduziert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Werkstoffpaarung im Bereich der einander berührenden Oberflächen der Verdrängerelemente so gewählt ist, daß das eine Verdrängerelement einem relativ hohen Verschleiß unterworfen ist, während das andere im wesentlichen verschleißfrei ist. "Relativ hoher Verschleiß" und "verschleißfrei" sollen dabei so verstanden sein, daß nach einer gewünschten STandzeit (z. B. nach 10 000 Stunden) das eine Verdrängerelement so weit verschlissen ist, daß es durch ein Austauschteil ersetzt werden muß, während das andere Verdränger element in dieser Zeit keinen meßbaren Verschleiß erfahren hat.
Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Verdrängermaschine paßt sich das verschleiß ende Verdrängerelement in den ersten Betriebs stunden dem verschleißfreienVerdrängerelement an, so daß sich Fertigungsungenauigkeiten durch Einlaufen ausgleichen. Danach treten während der Lebensdauer der Maschine durch Fertigungsungenauigkeiten bedingte Undichtigkeiten nicht mehr auf. Desweiteren ergibt sich durch die Erfindung der Vorteil, daß der aus relativ weichem Werkstoff bestehende, als Verschleißteil ausgebildete Verdränger in einfacher Weise spanabhebend bearbeitet werden kann, so daß gleichzeitig eine Reduzierung der Herstellkosten erzielt werden kann.
Als Werkstoff für das als.Verschleißteil ausgebildete Verdrängerelement ist Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluoraethylen (PTFE), z. B. gefüllt mit 25 Gewichtsprozenten Kohle, besonders geeignet. PTFE ist ein äußerst beständiges Material, das darüber hinaus mit einer Vielzahl von demgegenüber im wesentlichen verschleißfreien Werkstoffen geringe Trockenreibwerte hat.
Als Werkstoff für die Oberfläche des zweiten, im wesentlichen verschleißfreien Verdrängerlementes, kann z. B.
Nickel oder ein anderer Werkstoff mit vergleichbarer Härte und Reibeigenschaft gewählt werden. Nickel hat den Vorteil daß es in einfacher Weise in Form einer relativ dünnen Schicht auf Aluminium aufgetragen werden kann. Das verschleißfreie Verdrängerelement besteht deshalb vorzugsweise aus chemisch vernickeltem Aluminium.
Weitere Gründe für Undichtigkeiten in bekannten Verdränger maschinen sind thermischer Natur. Sie entstehen durch thermischen Verzug oder - bei der Wahl unterschiedlicher Werkstoffe - infolge der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten. Um diesen Nachteil beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung zu vermeiden, ist es zweckmäßig, für das verschleißende Verdrängerelement im wesentlichen den gleichen Werkstoff zu wählen wie für das verschleißfreie Verdrängerelement, vorzugsweise Aluminium, und dieses im Bereich der die Förderräume bildenden Oberflächen mit PTFE zu beschichten. Je dünner diese Schicht gewählt wird, desto geringer sind temperaturbedingte Nachteile. Die Beschichtung kann durch Aufschmelzen, Sintern oder Pressen (z. B. isostatisches Pressen) auf den Grundkörper aufgebracht werden. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß es nicht mehr erforderlich ist, den Grundkörper selbst spanabhebend zu bearbeiten. Er kann als Druckgußteil vorgefertigt sein und dann mit der Kunststoffschicht ausgerüstet werden, deren spanabhebende Bearbeitung - wie bereits erwähnt - relativ einfach ist.
Zweckmäßigerweise weisen die spiralförmigen, zu beschichtenden Vorsprünge des Grundkörpers Durchbrechungen auf, damit Kunststoffbrücken entstehen, die eine gute Verbindung des Stützkörpers mit seiner Beschichtung sicherstellen. Überraschenderweise haben diese Brücken keine nachteilige Beeinflussung der Abdichtungsqualitäten zur Folge.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine Verdrängermaschine 1, deren scheibenförmige Verdrängerelemente 2 und 3 mit ihren spiralförmigen Vorsprüngen 4 und 5 ineinandergreifen. Das Verdrängerelement 2 führt relativ zum Verdrängerelement 3 eine translatorische Kreisbewegung aus, die mittels der Kurbel 6 erzwungen wird. Bekannte Mittel zur Sicherung einer verdrehstarren Relativbewegung sind im einzelnen nicht dargestellt. Der scheibenförmige Bestandteil des Verdrängerelementes 3 bildet gleichzeitig einen Teil des Gehäuses 7, welches die beiden Stutzen 8 und 9 trägt. Die Bewegung des Verdrängerelementes 2 bewirkt die gewünschte Förderung des Mediums von einem der beiden Stutzen 8 bzw. 9 zum jeweils anderen (je nach Drehrichtung). Die dargestellte Maschine ist für die Verwendung als trockenlaufende Vakuumpumpe besonders geeignet.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet das Verdrängerelement 2 das verschleißende Verdrängerelement. Es besteht aus Aluminium und ist im Bereich der Oberflächen, die mit dem Verdrängerelement 3 Kontakt haben, mit Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluoraethylen, beschichtet.Diese Kunststoffschicht 11 befindet sich im Bereich der Stirnseiten und der seitlichen Begrenzungsflächen des Vorsprungs 4 sowie neben dem Vorsprung 4 auf der Scheibe selbst. Im Bereich der Stirnseiten des Vorsprungs 4 und auf der Scheibe selbst ist die Schicht zweckmäßigerweise 2 bis 3 mm stark, während sie im Bereich der seitlichen Begrenzungsflächen des Vorsprungs 4 eine geringere Stärke hat, z. B. vorzugsweise 0,5 bis 1 mm.
Das feststehende Verdrängerelement 3 ist als im wesentlichen verschleißfreies Verdrängerelement gestaltet. Es besteht aus thermischen Gründen zweckmäßigerweise ebenfalls aus Aluminium, das im Bereich der Oberflächen, die mit dem Verdrängerelement 2 Kontakt haben, eine Schicht aus hartem Material, vorzugsweise Nickel, aufweist. Die Dicke dieser Schicht liegt im 10 bis 100 Bereich und wurde deshalb im einzelnen nicht dargestellt.
Bei einem Ausführungsbeispiel dieser Art paßt sich das verschleißende Verdrängerelement 2 in den ersten Betriebsstunden dem verschleißfreien Verdrängerelement 3 an, so daß sich Fertigungsungenauigkeiten durch dieses Einlaufen ausgleichen. Damit auch nach dem Einlaufen ein dichter Kontaltder einander berührenden Oberflächen sichergestellt ist, ist für das kreisende Verdrängerelement 2 sowohl eine radiale als auch eine axiale Federanstellung vorgesehen.
Zur axialen Federanstellung ist zwischen der Kurbel 6 und dem Kurbellager 13 ein Tellerfederpaket 14 vorgesehen, mit dem der Ausgleich eines axialen Verschleiß es möglich ist.
Die radiale Federanstellung wird durch einen Rundschnurring 15 erzielt, der dem Außenring des Kurbellagers 13 anliegt und sich in der mit dem Verdrängerelement 2 verbundenden Hülse 16 abstützt.
Die Figuren 2, 3 und 4 lassen genauer den Aufbau und auch die Herstellungsweise des kreisenden, als Verschleißteil ausgebildeten Verdrängerelementes 2 erkennen. Aus der Drucksicht nach Fig. 2 ist ersichtlich, daß der spiralförmige Vorsprung 4 vor der Beschichtung mit Polytetrafluoraethylen eine Reihe Durchbrechungen-17 aufweist. In dieser Form kann das Verdrängerelement 2 als Aluminium-Druckgußteil vorgefertigt werden. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch ein solches Druckgußteil entsprechend der Linie I-I in Fig. 2.
Anschließend wird auf das Verdrängerelement 2 die gewünschte PTFE-Schicht z. B. durch Pressen aufgebracht.
Diese Schicht 11 ist in Fig. 2 gestrichelt angedeutet.
Aus Fig. 4, welche einen Schnitt durch das Verdrängerelement 2 entsprechend der Linie I-I in Fig. 2 nach der Beschichtung des Verdrängerelementes 2 darstellt, geht die Lage der Schicht genauer hervor. Sie bedeckt die Stirnseiten und seitlichen Begrenzungsflächen des spiralförmigen Vorsprungs 4 sowie die sich neben der Spirale erstreckenden Flächen des Verdrängerelementes 2. Im Bereich der Durchbrechungen 17 entstehen beim Aufbringen der Kunststoffschicht Brücken 18. Dadurch ist ein fester Halt der Beschichtung 11 auf dem Druckgußteil sichergestellt.

Claims

Verdrängermaschine ANSPRUCHE 1. Verdrängermaschine mit zwei Verdrängerelementen, die jeweils mit mindestens einem etwa spiralförmigen Vorsprung ausgerüstet sind und damit ineinandergreifen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Werkstoffpaarung im Bereich der einander berührenden Oberflächen der Verdrängerelemente (2, 3) so gewählt ist, daß das eine Verdrängerelement einem relativ hohen Verschleiß unterworfen ist, während das andere im wesentlichen verschleißfrei ist.
2. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Werkstoff für das verschleißende Verdrängerelement (2) Kunststoff, vorzugsweise Polytetrafluoraethylen, gewählt ist.
3. Verdrängermaschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Werkstoff für das verschleiß ende Verdrängerelement (2) Polytetrafluoraethylen, gefüllt mit 25 Gewichtsprozenten Kohle, gewählt ist.
4. Verdrängermaschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das verschleißende Verdrängerelement (2) einen Grundkörper aufweist, der im Bereich seines spiralförmigen Vorsprunges (4) mit Kunststoff beschichtet ist.
5. Verdrängermaschine nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grundkörper ein Druckgußteil ist.
6. Verdrängermaschine nach Anspruch 4 oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der spiralförmige Vorsprung (4) Durchbrechungen (17) aufweist.
7. Verdrängermaschine nach Anspruch 4, 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Grundkörper aus Aluminium besteht.
8. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das verschleiß freie Verdrängerelsent (3) eine Beschichtung aus hartem Material, z. B. Nickel, aufweist.
9. Verdrängermaschine nach Anspruch 8, d a d u r c h -g e k e n n z e i c h n e t , daß das verschleißfreie Verdrängerelement (3) bis auf seine Beschichtung aus Aluminium besteht.
10. Verdrängermaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem kreisenden und einem ruhenden VerdrängerelQmentt d a du r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß das kreisende Verdrängerelement (2) als Verschleißteil ausgebildet ist, während das ruhende Verdrängerelement (3) verschleißfrei ist.
11. Verdrängermaschine nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das ruhende Verdrängerelement (3) Bestandteil des Gehäuses (7) der Maschine ist.
12. Verfahren zur Herstellung eines verschleißenden Verdrängerelementes für eine Verdrängermaschine nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß ein aus einer Scheibe mit mindestens einem spiralförmigen Vorsprung (4) bestehender Grundkörper vorzugsweise mit Durchbrechungen (17) im spiralförmigen Vorsprung durch Gießen hergestellt wird, daß auf den spiralförmigen Vorsprung (4) und die danebenliegenden Scheibenbereiche eine Polytetrafluoraethylen enthaltende Kunststoff- -schicht (11) durch Aufschmelzen oder Aufsintern aufgebracht wird und daß die dadurch entstandenen Kunststoffoberflächen zur Erzielung der Endmaße spanabhebend bearbeitet werden.