DE3731837C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe der Spiralbauart nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-OS 21 60 582 ist eine Vakuumpumpe der Spiralbauart bekannt, die einen ersten Behälter, der mit einer Vakuumkammer kommuniziert, welche ausgepumpt werden soll, sowie einen zwei­ ten Behälter, der an den ersten Behälter grenzt und mit der Umgebung kommuniziert, umfaßt. Des weiteren weist diese Vaku­ umpumpe zwei Spiralen auf, die jeweils im ersten Behälter an­ geordnet sind. Die erste Spirale umfaßt eine flache, scheiben­ förmige Endplatte, eine Spiralwindung, welche sich rechtwink­ lig von einer Seite der Endplatte erstreckt, sowie eine Welle, welche sich rechtwinklig von der entgegengesetzten Seite der Endplatte erstreckt und in den zweiten Behälter ragt. Die er­ ste Spirale weist dabei eine Auslaßöffnung auf, die im wesent­ lichen im Zentrum der Endplatte sitzt, auf dieser einen Seite der Endplatte mündet und mit der Innenseite des zweiten Behäl­ ters durch einen im Zentrum der Antriebswelle angeordneten axialen Auslaßkanal und an dessen oberem Ende sich radial er­ streckende Auslaßkanäle kommuniziert. Die zweite Spirale um­ faßt eine flache, scheibenförmige Endplatte, welche parallel zur Endplatte der ersten Spirale sitzt, eine Spiralwindung, welche sich rechtwinklig von der einen Seite der Endplatte der zweiten Spirale erstreckt, sowie eine Weile, welche sich rechtwinklig von der entgegengesetzten Seite der Endplatte der zweiten Spirale erstreckt und parallel, aber nicht fluchtend mit der Welle der ersten Spirale angeordnet ist. Die erste und zweite Spirale sind ineinander eingepaßt und definieren meh­ rere Kompressionskammern, deren äußerste mit der Innenseite des ersten Behälters und deren innerste mit der Auslaßöffnung kommuniziert. Weiterhin sind bei dieser Vakuumpumpe der Spi­ ralbauart Antriebsmittel vorgesehen, um die erste und zweite Spirale synchron um deren jeweilige Achsen zu drehen. Schließ­ lich ist diese Vakuumpumpe der Spiralbauart noch mit einem Rückschlagventil versehen, um komprimiertes Gas durch die Aus­ laßöffnung und die Auslaßkanäle in den zweiten Behälter, aber nicht in die entgegengesetzte Richtung strömen zu lassen.

Ein großes Problem bei dieser Vakuumpumpe der Spiralbauart stellen die Leckverluste zwischen den sich aneinander angren­ zenden Druckkammern dar. Aufgrund der komplizierten Gestalt der Spiralwindungen ist es nämlich extrem schwierig, einen ho­ hen Differenzdruck zwischen der Saug- und der Druckseite einer solchen Vakuumpumpe der Spiralbauart zu erzielen. Zur Verbes­ serung der Abdichtung, Schmierung und Wärmeabfuhr ist in der DE-OS 21 60 582 u. a. ganz allgemein darauf hingewiesen, daß die Vakuumpumpe der Spiralbauart mit Öldurchsatz betrieben werden kann. Konstruktive Einzelheiten hierzu sind allerdings in der DE-OS 21 60 582 nicht offenbart.

Ausgehend vom oben genannten Stand der Technik liegt der Er­ findung die Aufgabe zugrunde, die Vakuumpumpe der Spiralbauart gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 weiterzubilden, um den erzielbaren Unterdruck zu erhöhen, Leckverluste zu ver­ meiden und insgesamt den Wirkungsgrad zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Maßnahmen des Pa­ tentanspruches 1 gelöst.

Durch die Ölzuführungsleitung in der Welle der ersten Spirale ist es möglich, Schmieröl aus dem Inneren des zweiten Behäl­ ters in das Innere mindestens einer der Kompressionskammern, die von den Spiralen gebildet werden, zuzuführen. Auf diese Weise verstärkt das Schmieröl den Unterdruck, welcher von der Vakuumpumpe der Spiralbauart erzeugt wird, da das Schmieröl Spalte zwischen den Spiralen abdichtet und Restgas in den Kom­ pressionskammern absorbiert.

Die Querschnittsfläche der Ölzuführungsleitung der Welle der ersten Spirale ist dabei vorzugsweise so bemessen, daß das Vo­ lumen von Öl, welches durch die Ölzuführungsleitung pro Umdre­ hung der Pumpe strömt, etwa gleich dem Volumen der zentrums­ nächsten Kompressionskammer ist. Durch eine solche Bemessung läßt sich ein maximaler Unterdruck durch die erfindungsgemäße Vakuumpumpe der Spiralbauart erzielen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine einzelne Ölzuführungsleitung in der Welle der ersten Spirale vorgesehen. Die Ölzuführungsleitung mündet dabei in eine Kom­ pressionskammer in der Nähe der Auslaßöffnung.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl von Ölzuführungsleitungen in der Welle der ersten Spirale ausgebildet. Die Ölzuführungsleitungen sind da­ bei symmetrisch bezüglich des Zentrums der Welle angeordnet und führen in eine Vielzahl von Kompressionskammern.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf bevorzugte Ausführungsformen, die anhand von Abbildungen näher erläutert werden. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen Vertikalschnitt durch eine Ausführungsform ei­ ner Vakuumpumpe der Spiralbauart;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines zentralen Abschnit­ tes aus Fig. 1;,

Fig. 3a bis 3c horizontale Schnittansichten der Spiralwindungen der Spirale nach Fig. 1 in vier verschiedenen Drehpositionen;

Fig. 4 einen Vertikallängsschnitt eines Abschnittes ei­ ner anderen Ausführungsform einer Vakuumpumpe der Spiralbauart mit zwei Rückschlagventilen auf der Aus­ laßseite;

Fig. 5 einen Vertikalschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Vakuumpumpe der Spiralbauart;

Fig. 6 einen vergrößerten Vertikalschnitt-Ausschnitt des Rückschlagventiles aus der Ausführungsform nach Fig. 5;

Fig. 7 einen Vertikalschnitt eines Abschnittes einer An­ triebsspirale einer Vakuumpumpe zur Darstellung einer alternativen Form des Ölzuführungskanales;

Fig. 8 einen Vertikal-Querschnitt durch einen Abschnitt der Antriebsspirale einer Vakuumpumpe zur Darstel­ lung einer anderen Form eines Ölzuführungskanals;

Fig. 9 einen Vertikalschnitt eines Abschnittes einer Antriebsspirale, die mit mehreren Ölzuführungs­ kanälen versehen ist;

Fig. 10 einen Horizontalschnitt der Antriebsspirale nach Fig. 9 und der getriebenen Spirale, welche in diese eingreift zur Darstellung der Ölzuführungs­ öffnungen;

Fig. 11 einen Vertikalschnitt einer weiteren Ausführungsform der Vakuumpumpe gemäß der vorlie­ genden Erfindung; und

Fig. 12 eine graphische Darstellung des erreichten Druckes in einer Vakuumkammer, die mit einer er­ findungsgemäßen Vakuumpumpe ausgepumpt wurde, als Funktion der Querschnittsfläche und des Ra­ dius eines einzelnen Ölzuführungskanales.

In den Abbildungen werden gleiche Teile mit denselben Be­ zugsziffern bezeichnet.

Wie in Fig. 1 gezeigt, sind eine angetriebene Spirale 1 und eine getriebene Spirale 2 in einem Gehäuse mit einem zylindrischen unteren Behälter 3 angeordnet. Die an­ getriebene Spirale 1 weist ein flache, scheibenförmige End­ platte 1a und eine Spiralwindung 1b auf, die sich rechtwinke­ lig von einer Fläche der Endplatte 1a erstreckt. Eine An­ triebswelle 1c mit Drehachse C 1 erstreckt sich rechtwinkelig vom Zentrum der anderen Fläche der Endplatte 1a. Im Zentrum der Antriebswelle 1c ist ein sich axial erstreckender Aus­ laßkanal 1e ausgebildet. Das obere Ende des Auslaßkanales 1e kommuniziert mit der Außenseite der Antriebswelle 1c über mehrere sich radial erstreckende Auslaßkanäle 1f, die in der Antriebswelle 1c ausgebildet sind. Das untere Ende des Auslaßkanales 1e kommuniziert mit einer Auslaßöffnung 1d, die sich zur unteren Fläche der Endplatte 1a in ihrem Zen­ trum öffnet.

Die angetriebene Spirale 2 weist ebenfalls eine flache, scheibenförmige Endplatte 2a und eine Spiralwindung 2b auf.

Die Spiralwindung 2b weist dieselbe Steigung auf, wie die Spiralwindung 1b der angetriebenen Spirale 1. Eine kurze Welle 2c erstreckt sich rechtwinkelig von der Außenfläche der Endplatte 2a. Die Drehachse C 2 der Welle 2c ist parallel aber nicht fluchtend mit der Drehachse C 1 der angetriebenen Spirale 1 angeordnet.

Eine Saugöffnung 4 durchbricht die Wand des unteren Behäl­ ters 3 und mündet in dessen Innenseite. Die Saugöffnung 4 wird über eine nicht dargestellte Leitung mit einer nicht gezeigten Vakuumkammer verbunden, die ausgepumpt werden soll. Das Innere des unteren Behälters 3 ist darum auf dem­ selben Druck wie die Vakuumkammer. Der untere Behälter 3 ist teilweise mit Schmieröl 30 gefüllt.

Ein zylindrisches Lagergehäuse 3a ist an der Bodenfläche des unteren Behälters 3 ausgebildet und ragt von diesem rechtwinkelig nach oben. Es beherbergt zwei Lager 11, welche die Welle 2c der angetriebenen Spirale 2 lagern. Die Lager 11 sind voneinander durch einen zylindrischen Abstandshalter 12 beabstandet.

Das obere Ende des unteren Behälters 3 ist mit dem Boden ei­ nes zylindrischen oberen Behälters 5 abgedeckt, der auf dem unteren Behälter 3 über Bolzen 6 gehalten ist. Die Verbin­ dung zwischen den zwei Behältern ist über einen O-Ring 7 ab­ gedichtet, der in einer ringförmigen Nut 3b liegt, welche in der oberen Fläche des unteren Containers 3 eingeformt ist. Der Bodenabschnitt des oberen Gehäuses 5 weist ein Loch in seinem Zentrum auf, das von einem zylindrischen Lagergehäuse 5a umgeben ist, das mit der Bodenfläche des oberen Behälters 5 einstückig ist. Die Antriebswelle 1c der angetriebenen Spirale 1 erstreckt sich durch das Lagergehäuse 5a in den oberen Behälter 5 und ist über ein Lager 13 im Lagergehäu­ se 5a gelagert. Eine federbelastete Packung 14 ist unter dem Lager 13 angeordnet und von unten über eine ringförmige Halteplatte 16 gehalten. Die Halteplatte 16 umgibt die An­ triebswelle 1c und ist an der Unterfläche des oberen Behäl­ ters 5 über Bolzen 17 gehalten. Die Packung 14 hindert Flüssigkeiten und Gase aus dem oberen Behälter 3 entlang der Außenseite der Antriebswelle 1c zu lecken. Der obere Behälter 5 ist teilweise mit Schmieröl 30 bis zu einem Pegel gefüllt, der oberhalb der radialen Auslaßkanäle 1f liegt.

Das obere Ende des oberen Behälters 5 ist über eine ringför­ mige Deckelplatte 8 verschlossen, die am oberen Behälter 5 über Bolzen 9 gehalten ist. Ein durchgehendes Loch, das als Auslaßöffnung 8a dient, ist in der Deckelplatte 8 ausgebil­ det. Das Innere des oberen Behälters 5 kommuniziert mit der Atmosphäre über eine Auslaßöffnung 8a. Eine Ölsperre 10 zum Abfangen von Schmieröl ist an der Unterseite der Deckel­ platte 8 befestigt und erstreckt sich vor dem inneren Ende der Auslaßöffnung 8a. Das Loch im Zentrum der Deckelplatte 8 unterstützt ein Lager 18, in welchem das obere Ende der Antriebswelle 1c gelagert ist.

Der Rahmen 19a eines Elektromotors 19 ist auf der oberen Fläche der Deckelplatte 8 über Bolzen 20 befestigt. Der Mo­ tor 19 weist eine drehende Ausgangswelle 19b auf, die koaxial zur Antriebswelle 1c liegt und mit dieser über eine Kupplung 21 fest verbunden ist. Die angetriebene Spirale 1 wird so direkt vom Elektromotor 19 in Drehung versetzt. Die Drehung der angetriebenen Spirale 1 wird auf die getriebene Spirale 2 über eine hier nicht gezeigte Kupplung übertragen, so daß die angetriebene Spirale 1 und die getriebene Spirale 2 synchron um ihre jeweiligen Achsen drehen.

Wie genauer aus Fig. 2 ersichtlich, welche eine vergrößerte Ansicht eines zentralen Abschnittes aus Fig. 1 zeigt, ist innerhalb der Auslaßöffnung 1d der angetriebenen Spirale 1 ein federbelastetes Rückschlagventil 22 angeordnet.

Das Rückschlagventil 22 weist ein hutförmiges Plättchen 23 auf, das innerhalb der Auslaßöffnung 1d von einem ringförmi­ gen Ventilsitz 24 abheben und auf diesen aufsetzen kann, der in der Nähe der Mündung der Auslaßöffnung 1d sitzt. Das Plättchen 23 wird in Richtung auf den Ventilsitz 24 über ei­ ne Druckfeder 25 vorgespannt. Das untere Ende der Feder 25 paßt über den oberen Abschnitt des Plättchens 23 und ruht auf einem Ring 26, während das obere Ende der Feder 25 über eine hohle Federführung 27 paßt, die auf der inneren Fläche der Auslaßöffnung 1d beim Einlaß zum axialen Auslaßkanal 1e sitzt. Ein O-Ring 28 zur Bildung einer luftdichten Dichtung ist in einer Ringnut angeordnet, die in der äußeren Fläche des Ventilsitzes 24 angebracht ist. Der Ventilsitz 24 wird von unten über einen Schnappring 29 an seinem Platz gehalten.

Die Fig. 3a bis 3d zeigen horizontale Querschnitte der Spi­ ralwindungen 1b und 2b aus Fig. 1 bei vier verschiedenen Drehpositionen während einer einzelnen Umdrehung der ange­ triebenen Spirale 1 und der getriebenen Spirale 2. Diese zwei Spiralwindungen stehen an mehreren Stellen S in tangen­ tialem Kontakt miteinander. Diese Stellen S sind immer sta­ tionär und liegen in einer einzigen Ebene, welche durch das Zentrum der Drehung C 1 der angetriebenen Spirale 1 und dem Zentrum der Drehung C 2 der getriebenen Spirale 2 liegt. Die Spiralwindungen definieren mehrere spiralige Kompres­ sionskammern C zwischen den Kontaktpunkten. Die Fig. 3a zeigt die zwei Spiralen bei einer Drehposition, die willkür­ lich als 0° angenommen wird, bei welcher das äußerste Ende der Spiralwindungen einer jeden Spirale momentan in Kontakt mit der äußeren Fläche der Spiralwindung der jeweils ande­ ren Spirale steht, so daß zwei Gastaschen ausgebildet wer­ den, von denen eine in der Abbildung punktiert angedeutet ist. In dieser Position gibt es sechs voneinander getrennte Gastaschen in den verschiedenen Kompressionskammern C, wel­ che durch die Spiralwindungen definiert werden.

Fig. 3b zeigt den Zustand, bei dem beide Spiralen entgegen dem Uhrzeigersinn um ihre jeweiligen Drehzentren um 90° aus der in Fig. 3a gezeigten Position gedreht sind. Die Fluid­ tasche hat sich hierbei in Richtung auf die Zentren der Spi­ ralen bewegt, wodurch sich ihr Volumen verkleinert.

Die Fig. 3c und 3d zeigen die Zustände, nach denen beide Spiralen im Gegenuhrzeigersinn um 180° bzw. 270° gedreht wurden (jeweils bezüglich zum Drehwinkel nach Fig. 3a ge­ rechnet). Wenn die Spiralen im Gegenuhrzeigersinn um zu­ sätzliche 90° drehen, so erscheinen sie wieder wie in Fig. 3a gezeigt. In jeder Position ist die Gastasche noch näher zur Auslaßöffnung 1d gebracht und in ihrem Volumen redu­ ziert. Nach zwei weiteren kompletten Drehungen aus dem Zu­ stand nach Fig. 3d hat sich die Gastasche bis zum Zentrum der angetriebenen Spirale 1 bewegt und wird aus der Auslaß­ öffnung 1d ausgestoßen.

Wenn der Elektromotor 19 angeschaltet ist, so drehen die angetriebene Spirale 1 und die getriebene Spirale 2 konti­ nuierlich in der oben beschriebenen Art und Weise um ihre jeweiligen Achsen. Auf diese Weise wird Gas kontinuierlich aus der hier nicht gezeigten Vakuumkammer herausgesaugt, über die Schrauben komprimiert und durch die Auslaßöffnung 1d ausgestoßen.

Das Schmieröl 30, das den unteren Behälter 3 teilweise füllt, bildet zusätzlich zur Schmierung des unteren Lagers 11 einen Film zwischen den Endplatten der Spiralen und den Endflä­ chen der Spiralwindungen, welche auf den Spiralplatten auf­ liegen bzw. diesen gegenüberstehen. Dieser Ölfilm fungiert als Dichtung und unterstützt die Verhinderung eines Gasleck­ stromes in radialer Richtung zwischen aneinandergrenzenden Kompressionskammern C, wenn das Gas komprimiert wird. Das Öl 30 bildet außerdem eine Dichtung entlang den Kontaktpunk­ ten S, an denen sich die Spiralwindungen berühren und unter­ stützt so das Verhindern von Leckströmen komprimierten Gases in Umfangsrichtung zwischen aneinandergrenzenden Kompres­ sionskammern C.

Wenn komprimiertes Gas die Auslaßöffnung 1d erreicht, so drückt es das Plättchen 23 des Rückschlagventiles 22 fort und fließt in den oberen Behälter 5 über den axialen Aus­ laßkanal 1e und die radialen Auslaßkanäle 1f. Beim Aufsto­ ßen des Rückschlagventiles 22 wird das komprimierte Gas durch die Imkompressibilität des Schmieröls unterstützt, das mitgerissen wird. Das abgeführte Gas strömt dann in den oberen Behälter 5, der ein großes Volumen aufweist und über die Ausströmöffnung 8a in die Atmosphäre. Öl 30, das vom ab­ geführten Gas mitgerissen wird, wird vom Gas über die Bar­ riere 10 getrennt und sammelt sich wieder im oberen Behäl­ ter 5, wo es das Lager 13 der Antriebswelle 1c schmiert. Das Rückschlagventil 22 hindert abgeführtes Gas vom Zurück­ fließen in die Kompressionskammern C und vergrößert darum den Unterdruck, der von der Pumpe erzeugt werden kann.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform einer Vakuumpumpe der Spiralbauart gezeigt, die mit zwei Rückschlagventilen für das abgeführ­ te Gas anstelle eines einzigen ausgestattet ist. Wie in der Ausführungsform nach Fig. 1 ragt die Antriebswelle 1c der Spirale 1 durch ein Lagergehäuse 5a im Bodenabschnitt des oberen Gehäuses 5 nach oben. Im Gegensatz zum Lagergehäuse 5a nach Fig. 2 erstreckt sich das in Fig. 2 gezeigte Lager­ gehäuse 5a dieser bevorzugten Ausführungsform über die ra­ dialen Auslaßkanäle 1f in der Antriebswelle 1c hinaus und hält ein unteres Lager 13 sowie ein oberes Lager 32. Diese Lager halten die Antriebswelle 1c und definieren obere und untere Enden einer ringförmigen Ausnehmung 5b, in der die radialen Auslaßkanäle 1f münden. Diese Ausnehmung 5b wird durch eine untere federbelastete Packung 14 luftdicht gehal­ ten, die zwischen dem unteren Lager 13 und einer oberen fe­ derbelasteten Packung 33 sitzt, welche wiederum über dem oberen Lager 32 angeordnet ist. Die obere Packung 33 wird über eine ringförmige Halteplatte 34 gesichert, die auf der Oberfläche des Lagergehäuses 5a über Bolzen gehalten ist.

Das Lagergehäuse 5a weist eine Auslaßöffnung 5c an seiner Seite auf. Ein Rückschlagventil 36 ist am äußeren Ende der Auslaßöffnung 5c angeordnet. Das Rückschlagventil 36 weist ein hutförmiges Plättchen 37 auf, das in der Auslaßöffnung 5c hin- und hergehen kann und auf einem Absatz sitzt, der in der Auslaßöffnung 5c ausgeformt ist. Das Plättchen 37 ist in Richtung auf den Absatz über eine Druckfeder 38 vorge­ spannt, die über den äußeren Abschnitt des Plättchens 37 paßt und berührt dort einen Ring 39. Das äußere Ende der Feder 38 paßt über eine zylindrische Federführung 40. Die Federführung 40 ist an einer Klammer 41 befestigt, die wie­ derum an der Außenfläche des Lagergehäuses 5a angebracht ist. Die Struktur dieser bevorzugten Ausführungsform ist im übri­ gen dieselbe wie die der Ausführungsform nach Fig. 1.

Die Wirkungsweise bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist dieselbe wie bei der zuvor gezeigten Ausfüh­ rungsform und umfaßt dieselben Vorteile. Darüber hinaus ge­ währleistet das obere Rückschlagventil 36 eine weitere Garan­ tie dafür, daß Gas welches von den Spiralen abgeführt wurde, nicht zurückfließen und wieder in die Kompressionskammern treten kann. Aus diesem Grund kann ein sehr hohes Vakuum er­ zielt werden.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Vakuumpumpe der Spiralbauart. Die Basisstruktur dieser bevor­ zugten Ausführungsform ist ähnlich derjenigen nach Fig. 1. Anstelle des federbelasteten Rückschlagventiles 22 findet ein Flatterventil 45 Verwendung, um die Auslaßöffnung 1d der angetriebenen Spirale 1 abzuschließen. Wie in Fig. 6 gezeigt, die eine vergrößerte Schnittdarstellung ist, umfaßt das Rück­ schlagventil 45 einen ringförmigen Körper 45a und eine Klap­ pe 45b, die einstückig am Körper 45a angelenkt ist. Der Körper 45a ist an den Boden eines axialen Auslaßkanales 1e angebracht, der in die Antriebswelle 1c der angetriebenen Spirale 1 eingeformt ist.

Die Antriebswelle 1c ist weiterhin mit einer sich axial er­ streckenden Ölzuführungsleitung 50 versehen, die sich zwi­ schen dem oberen Abschnitt der axialen Auslaßleitung 1e und der Unterfläche der Endplatte 1a der angetriebenen Spirale 1 erstreckt. Das untere Ende der Ölzuführungsleitung 50 mün­ det in eine der Kompressionskammern C in der Nähe der Aus­ laßöffnung 1d. Im übrigen ist diese Struktur identisch mit der nach der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Im Betrieb ist der axiale Auslaßkanal 1e mit Schmieröl 30 gefüllt. Ein Teil dieses Öls 30 wird in eine der Kompres­ sionskammern C über die Ölzuführungsleitung 50 gefüllt. Das Öl 30 füllt sowohl kleine Spalte zwischen den Spiralwindun­ gen selbst als auch zwischen den Spiralwindungen und den Endplatten, wodurch Leckverluste zwischen aneinandergrenzen­ den Kompressionskammern verringert und der von der Pumpe er­ zeugbare Unterdruck vergrößert wird. Weiterhin absorbiert Öl 30 Restgas, das in der Kompressionskammer verbleibt. Das Restgas wird mit hohem Wirkungsgrad von den Spiralen zusam­ men mit dem Öl 30 durch das Rückschlagventil 45 abgeführt. Dieser Mitreißeffekt von Öl 30 erhöht in ernormem Maß den Grad von Unterdruck, der durch die Pumpe erzeugbar ist. Im übrigen ist die Wirkungsweise dieser Pumpe identisch zu der nach der Ausführungsform gemäß Fig. 1. Auch wenn ein Flat­ terventil 45 bei dieser bevorzugten Ausführungsform benutzt wird, so ist es auch möglich, ein federbelastetes Rückschlag­ ventil nach der Art zu verwenden, wie es in Fig. 2 gezeigt ist.

In Fig. 5 mündet die Ölzuführungsleitung 50 an der Oberfläche der Endplatte 1a der angetriebenen Spirale 1, jedoch sind auch andere Anordnungen möglich. Fig. 7 zeigt einen Ab­ schnitt einer angetriebenen Spirale 1, die eine Ölzuführungs­ leitung 51 aufweist, welche um 90° nahe ihrem unteren Ende abgebogen ist und in eine Kompressionskammer durch die Sei­ te der Spiralwindung 1b der angetriebenen Spirale 1 mündet. Eine andere bevorzugte Ausführungsform einer angetriebenen Spirale 1 ist in Fig. 8 gezeigt, bei der eine Ölzuführungs­ leitung 52 an der Unterfläche einer Spiralwindung 1b einer Spirale mündet.

Im Prinzip gibt es keine Begrenzung für die Form einer Öl­ zuführungsleitung, solange diese nicht in einem Abschnitt der Spiralen mündet, welcher mit der Innenseite des unteren Behälters 3 kommuniziert. Das Öl, das aus dem oberen Behäl­ ter 5 eingeführt wird, stand mit der Atmosphäre in Kontakt und enthält Luft. Wenn dieses Öl in einen Raum eingeführt wird, welcher mit der Innenseite des unteren Behälters 3 kommuniziert, so bewirkt der extrem niedrige Druck inner­ halb des unteren Behälters 3 ein Ausperlen der Luft aus dem Öl in den unteren Behälter 3, wodurch dessen Druck erhöht und dem vorteilhaften Effekt des Schmieröls entgegengewirkt wird.

Wie in den Fig. 9 und 10 gezeigt, ist es auch möglich, meh­ rere Ölzuführungsleitungen zu verwenden. Fig. 9 zeigt einen Vertikalschnitt durch einen Abschnitt einer angetriebenen Schraube 1 mit einer Vielzahl von Ölzuführungsleitungen, Fig. 10 zeigt einen Horizontalschnitt durch die Spiralwin­ dung 1b der angetriebenen Spirale 1 aus Fig. 9 sowie die Spiralwindung 2b der getriebenen Spirale 2, die mit der an­ getriebenen Spirale 1 zusammenarbeitet. Die angetriebene Spirale 1 weist zwei sich axial erstreckende Ölzuführungs­ leitungen 53 auf, die an jeder Seite einer axialen Auslaß­ leitung 1e vorgesehen sind. Diese Ölzuführungsleitungen 53 erstrecken sich zwischen radialen Auslaßkanälen 1f und der unteren Fläche der Endplatte 1a der angetriebenen Spirale 1. Zwei radial sich erstreckende Ölzuführungsleitungen 54 er­ strecken sich innerhalb der Endplatte 1a zwischen der axialen Ölzuführungsleitung 53 und der äußeren Umfangsfläche der Endplatte 1a. Mehrere Ölzuführungsöffnungen 55 zweigen von den radialen Ölzuführungsleitungen 54 ab und münden an der Bodenfläche der Endplatte 1a in jeder der Kompressionskam­ mern C. Das äußere Ende der radialen Ölzuführungsleitungen 54 und die unteren Enden der Ölzuführungsöffnungen 55, die nicht benötigt werden, werden durch Stopfen 56 abgedichtet. Eine symmetrische Anordnung mehrerer Ölzuführungsöffnungen 55 um die Auslaßöffnung 1d macht es somit möglich, den Kom­ pressionskammern Öl gleichförmig zuzuführen.

Fig. 11 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine vierte bevor­ zugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie bei den zuvor gezeigten Ausführungsformen ist auch hier eine an­ getriebene Spirale 1 und eine getriebene Spirale 2 vorge­ sehen, die innerhalb eines abgedichteten unteren Behälters 60 sitzen. Die Drehachsen C 1 und C 2 der Spiralen sind paral­ lel aber nicht in Flucht. Der untere Behälter 60 umfaßt eine Basis 60a und einen zylindrischen oberen Abschnitt 60b, der auf der Basis 60a über Bolzen 61 befestigt ist. Eine luft­ dichte Dichtung zwischen der Basis 60a und dem oberen Ab­ schnitt 60b ist über einen O-Ring 62 erzielt, der in einer Nut sitzt, welche in der Bodenfläche des oberen Abschnittes 60b des unteren Behälters 60 angebracht ist. Die Basis 60a weist ein Lagergehäuse 60c auf, das an ihrer Oberfläche aus­ gebildet ist. Das Lagergehäuse 60c beinhaltet zwei Lager 62, die voneinander über einen Lager-Abstandshalter 73 beab­ standet sind und welche die Welle 2c der angetriebenen Spi­ rale 2 lagern. Eine Saugöffnung 63, die mit einer hier nicht gezeigten Vakuumkammer verbunden werden kann, durchbricht die Wand des oberen Abschnittes 60b des unteren Behälters 60. Der untere Behälter 60 ist teilweise mit Schmieröl 30 ge­ füllt.

Das offene obere Ende des unteren Behälters 60 ist über eine flache Basis 64a eines oberen Behälters 64 abgedeckt. Der obere Behälter 64 weist einen zylindrischen oberen Abschnitt 64b auf, der auf der Basis 64a sitzt und ist an dieser über Bolzen 65 festgesetzt, welche durch die Basis 64a hindurch­ führen und in den oberen Abschnitt 60b des unteren Behälters 60 eingeschraubt sind. Die luftdichte Abdichtung zwischen der Basis 64a des oberen Behälters und dem oberen Abschnitt 60b des unteren Behälters 60 ist durch einen O-Ring 66 ge­ bildet, der in einer Nut sitzt, welche in den oberen Ab­ schnitt 60b des unteren Behälters 60 eingeformt ist.

Ein Lagergehäuse 64c ist in der oberen Fläche der Basis 64a des oberen Behälters 64 angeformt. Das Lagergehäuse 64c bein­ haltet zwei Lager 74 und 77, welche das obere Ende der An­ triebswelle 1c der angetriebenen Spirale 1 lagern. Das un­ tere Lager 74 ist zwischen zwei federbelasteten Packungen 75 angeordnet. Das untere Ende der zwei Packungen 75 ist von unten über einen Schnappring 76 gehalten, der in einer Nut sitzt, welche im Lagergehäuse 64c eingeformt ist. Das obere Lager 77 wird von oben über eine ringförmige Halteplatte 78 gehalten, die an der Oberfläche des Lagergehäuses 64c über Schrauben 79 gehalten ist.

Die äußeren Enden von radialen Auslaßkanälen 1f, die in der Antriebswelle 1c angeordnet sind, münden in einer ringförmi­ gen Ausnehmung zwischen dem oberen Lager 77 und der oberen Packung 75. Mehrere Diagonal-Verbindungsbohrungen 64d, die in den Wänden des Lagergehäuses 64c angebracht sind, er­ strecken sich von dieser ringförmigen Ausnehmung zur Außen­ fläche des Lagergehäuses 64c.

Ein federbelastetes Rückschlagventil 22 wie das in Fig. 2, ist in der Auslaßöffnung 1d der angetriebenen Spirale 1 an­ geordnet. Komprimiertes Gas, das aus dem Rückschlagventil 22 ausgeblasen wird, gelangt durch eine axiale Auslaßlei­ tung 1e, die radialen Auslaßleitungen 1f und die Diagonal- Verbindungsbohrungen 64d und wird in den oberen Behälter 64 gelassen. Der obere Behälter 64 ist teilweise mit Schmieröl 30 bis zu einem Pegel gefüllt, der oberhalb der Verbindungs­ bohrungen 64d liegt.

Eine Auslaßöffnung 67 paßt in ein Loch, das in dem oberen Abschnitt 64a des oberen Behälters 64 ausgebildet ist. Die Auslaßöffnung 67 kommuniziert mit der Atmosphäre. Das offene obere Ende des oberen Behälters 64 ist von der Basis 69 eines Elektromotors 68 verschlossen. Die Motorbasis 69 ist auf der Oberfläche des oberen Behälters 64 über Bolzen 70 gehalten. Der Motor 68 weist eine Ausgangswelle 68a auf, welche mit der Antriebswelle 1c der angetriebenen Spirale 1a über eine Kupplung 71 verbunden ist, so daß die angetriebene Spirale 1 zusammen mit dem Motor 68 (bzw. dessen Läufer) dreht.

Die Drehung der angetriebenen Spirale 1 wird auf die getrie­ bene Spirale 2 über eine Kupplung 80 übertragen. Die Kupp­ lung 80 weist eine Vielzahl von Armen 80a auf, welche an der Endplatte 2a der angetriebenen Spirale 2 über Bolzen 81 befestigt sind. Die Arme 80a erstrecken sich rings um beide Spiralen nach oben und stehen in Gleiteingriff mit einer ebensolchen Vielzahl von Teilen 80b, die an der Ober­ fläche der Endplatte 1a der angetriebenen Spirale 1 sitzen. Diese Kupplung 80 ermöglicht es, die Spiralen synchron mit nichtfluchtenden Achsen zu drehen.

In der Antriebswelle 1c der angetriebenen Spirale 1 ist ein sich axial erstreckender Ölzuführungskanal 82 eingeformt. Das untere Ende des Ölzuführungskanals 82 mündet an der un­ teren Fläche der Endplatte 1a der angetriebenen Spirale 1 in der Nähe einer Auslaßöffnung 1d. Das obere Ende mündet in einer ringförmigen Ausnehmung zwischen dem unteren Lager 74 und der unteren Packung 75. Eine Ölzuführungsleitung 83, die im Lagergehäuse 64c ausgebildet ist, erstreckt sich zwi­ schen dieser ringförmigen Ausnehmung und der Außenfläche des Lagergehäuses 64c. Ein Kniestück 84 mit darin angebrachtem Kanal ist in die Mündung der Ölzuführungsleitung 83 eingepaßt, wobei die Leitung im Kniestück 84 mit der Ölzuführungsleitung 83 fluchtet. Das Kniestück 84 ist an der entgegengesetzten Seite der Antriebswelle 1c bezüglich der Auslaßöffnung 67 angeordnet und im Schmieröl 34 untergetaucht. Ein O-Ring 85 ist in eine Nut eingesetzt, welche im Kniestück 84 aus­ geformt ist, um Öl am Eintritt in die Ölzuführungsleitung 83 zu hindern, außer wenn es durch den Kanal im Kniestück 84 kommt. Das äußere Ende der Leitung im Kniestück 84 ist von einer Platte 86 verschlossen, die gegen die Endfläche des Kniestückes 84 über eine Blattfeder 87 gepreßt wird und deren eines Ende mit der Platte 86 und deren anderes Ende mit der Kupplung 71 verbunden ist. Die Platte 86 und die Blattfeder 87 bilden zusammen ein An-/Aus-Ventil zum Steuern der Zuführung von Schmieröl in die Kompressionskammern der Spiralen.

Wenn die Pumpe nicht in Betrieb ist, so wird die Platte 86 fest gegen die Fläche des Kniestückes 84 gepreßt, so daß kein Schmieröl 30 in die Ölzuführungsleitungen 82 und 83 ge­ langen kann. Wenn die Antriebswelle 1c vom Antriebsmotor 68 gedreht wird, so dreht sich die Platte 86 zusammen mit die­ ser und die auf die Platte 86 wirkenden Zentrifugalkräfte bringen diese zum Auswärtsschwingen, weg vom Kniestück, ent­ gegen der Kraft der Blattfeder 87, so daß Öl 30 in die Öl­ zuführungsleitungen 82 und 83 gelangen und in die Kompres­ sionskammern fließen kann, in welche die Ölzuführungsleitung 82 mündet. Wie bei den zuvor gezeigten, bevorzugten Ausfüh­ rungsformen unterstützt das Öl die luftdichte Abdichtung zwi­ schen aneinandergrenzenden Kompressionskammern und absor­ biert Restgas, so daß dadurch der von der Pumpe erzeugte Un­ terdruck verbessert werden kann. Bevor das Schmieröl 30 in den Ölkanal 82 in der Antriebswelle 1c kommt, sammelt es sich in der ringförmigen Ausnehmung zwischen dem unteren Lager 74 und der unteren der zwei Packungen 75. Ein Teil dieses Öls schmiert das untere Lager 74. Wenn die ringför­ mige Ausnehmung mit Öl gefüllt ist, so kann das Öl zuver­ lässig dem Ölzuführungskanal 82 zugeführt werden und zwar unabhängig von der Drehposition der Antriebswelle 1c. Die Wirkungsweise dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung ist im übrigen dieselbe, wie die der Ausführungsform nach Fig. 1.

Andere Typen von An-/Aus-Ventilen können verwendet werden, um die Ölzuführungsleitungen 82 und 83 zu öffnen, wenn die Pumpe arbeitet und zu verschließen, wenn die Pumpe gestoppt ist, so z.B. kann auch ein nockenbetätigtes Ventil oder ein Magnetventil Verwendung finden.

Das Maß für den Unterdruck, der von einer Spiralpumpe nach der vorliegenden Erfindung erzeugt werden kann, hängt ab von der Rate, mit welcher Schmieröl den Kompressionskammern zu­ geführt wird. Der höchste Unterdruck kann dann erzielt wer­ den, wenn das Volumen von Öl q, welches der zentralen Kom­ pressionskammer der Pumpe bei jeder Umdrehung der Pumpe zu­ geführt wird, im wesentlichen gleich dem Volumen V der zen­ tralen Kompressionskammer ist. Diese Bedingung kann dadurch erreicht werden, daß man die Querschnittsfläche der Ölzufüh­ rungsleitung, durch welche Öl in die zentrale Kompressions­ kammer gelangt, in geeigneter Weise bemißt.

Im Falle der in Fig. 5 gezeigten Pumpe, die hier als Bei­ spiel gewählt wird, ist eine einzelne Ölzuführungsleitung 50 mit kreisförmigem Querschnitt vorgesehen. Hier ist die Rate Q in Kubimetern pro Sekunde, mit welcher Öl in die Zentral­ komressionskammer der Pumpe über die Ölzuführungsleitung 50 gelangt, durch die folgende, an sich bekannte Formel (nach Hagenbach) für den Fluß durch ein Rohr gegeben:

Hierin bedeuten

r = Radius der Ölzuführungsleitung [m]
μ = Viskositätskoeffizient des Öls
= ρ · ν (kg/m × sek)
ρ = Dichte des Öls (kg/m³)
ν = kinematische Viskosität von Öl (m²/sek)
l = Länge der Ölzuführungsleitung (m)
ΔP = Differenzdruck (N/m²)

Wenn die Drehgeschwindigkeit der Pumpe N ups ist, dann ist die Menge von Öl q in Kubikmetern, welche pro Umdrehung zugeführt wird, gleich

q = Q/N (m³/u) (2)

Wie oben ausgeführt, soll das Volumen V der zentralen Kompressionskammer in etwa gleich q sein. Wenn man darum die Gleichungen 1 und 2 zusammenfaßt, so ergibt sich der optimale Radius r für die Ölzuführungsleitung 50 folgendermaßen:

Um die Genauigkeit der Gleichung 3 zu überprüfen, wurde eine Anzahl von Vakuumpumpen gemäß der vorliegenden Erfindung ge­ baut und verwendet, um eine Vakuumkammer auszupumpen. Die Pumpen wiesen alle eine einzelne Ölzuführungsleitung auf, welche in die zentrale Kompressionskammer der Pumpe führte und stimmten im übrigen in ihrer Struktur überein, wobei der Radius der Ölzuführungsleitung von Pumpe zu Pumpe variierte. Die Betriebsbedingungen waren wie folgt:

ρ = 883 kg/m³ at 20°C
= 7,1 × 10^-5 m²/sek
µ = ρν = 6,3 × 10^-2 kg/m sek
ΔP = 1 atm. = 1,033 × 9,8 × 10⁴ kg/m sek²
l = 0,045 m
N = 30 rps (= 1800 rpm)
V = 0,47 cc/rev.

Das Meßresultat ist in Fig. 12 gezeigt. In dieser Abbildung sind auf der Abszisse der Radius der Ölzuführungsleitung und auf der Ordinate der Druck in der Vakuumkammer aufge­ zeichnet. Wie aus der Abbildung ersichtlich ist, wurde das größte Vakuum dann erzeugt, wenn der Radius der Ölzufüh­ rungsleitung bei 1 mm lag. Dies stimmt mit dem theoretischen Optimalwert für r überein, der in Gleichung 3 gegeben ist und sich auch dort zu 1 mm errechnet.

Bei jeder der zuvor beschriebenen Ausführungs­ formen von Vakuumpumpen der Spiralbauart sind die Spiralen im unteren Behälter angeordnet und das von den Spiralen komprimierte Gas wird durch die Antriebswelle in den oberen Behälter gepumpt. Bei einer anderen, hier nicht gezeigten Ausführungs­ form sind die Auslaßöffnung und der Auslaßka­ nal in der getriebenen Spirale anstatt der angetriebenen Spirale vorgesehen. In diesem Fall werden die Spiralen im oberen Behälter angeordnet, der dann mit der Vakuumkammer kommuniziert. Komprimiertes Gas wird dann nach unten durch die getriebene Spirale in den unteren Behälter gepumpt, wel­ cher mit der Atmosphäre kommuniziert.

Weiterhin können die Achsen der Spiralen bei jeder der oben gezeigten Ausführungsformen hori­ zontal angeordnet werden, anstatt sie wie bei den zuvor ge­ zeigten Ausführungsformen vertikal anzuordnen. In diesem Fall verwendet man anstelle eines oberen und eines unteren Behälters einen Behälter, welcher die Spiralen umschließt und einen Behälter, der mit der Atmosphäre kommuniziert, wobei diese Behälter nebeneinander liegen.

Claims (7)

1. Vakuumpumpe der Spiralbauart, mit

• - einem ersten Behälter (3), der mit einer Vakuumkammer kommuniziert, die ausgepumpt werden soll;
• - einem zweiten Behälter (5), der an den ersten Behälter (3) grenzt und mit der Umgebung kommuniziert,
• - einer ersten Spirale (1), die in dem ersten Behälter (3) angeordnet ist und eine flache, scheibenförmige Endplatte (1a), eine Spiralwindung (1b), die sich rechtwinklig von einer Seite der Endplatte (1a) erstreckt und eine Welle (1c) aufweist, die sich rechtwinklig von der entgegenge­ setzten Seite der Endplatte (1a) erstreckt und in den zweiten Behälter (5) ragt, wobei die erste Spirale (1) eine Auslaßöffnung (1d) aufweist, die im wesentlichen im Zentrum der Endplatte sitzt und auf dieser einen Seite der Endplatte (1a) mündet und mit der Innenseite des zweiten Behälters (5) durch einen im Zentrum der An­ triebswelle (1c) angeordneten axialen Auslaßkanal (1e) und an dessen oberem Ende sich radial erstreckende Aus­ laßkanäle (1) kommuniziert;
• - einer zweiten Spirale (2), die im ersten Behälter (3) angeordnet ist und eine flache, scheibenförmige Endplatte (2a) aufweist, die parallel zur Endplatte (1a) der ersten Spirale (1) sitzt und eine Spiralwindung (2b) aufweist, die sich rechtwinklig von der einen Seite der Endplatte (2a) der zweiten Spirale (2) erstreckt, wobei eine Welle (2c) vorgesehen ist, die sich rechtwinklig von der entge­ gengesetzten Seite der Endplatte (2a) der zweiten Spirale (2) erstreckt und parallel, aber nicht fluchtend mit der Welle (1c) der ersten Spirale (1) angeordnet ist, wobei die erste Spirale (1) und die zweite Spirale (2) ineinan­ der eingepaßt sind und mehrere Kompressionskammern (C) definieren, deren äußerste mit der Innenseite des ersten Behälters (3) und deren innerste mit der Auslaßöffnung (1d) kommuniziert,
• - Antriebsmitteln (19) zum Drehen der ersten (1) und zwei­ ten (2) Spirale synchron um deren jeweilige Achsen (C1, C2); und
• - einem Rückschlagventil (22), um komprimiertes Gas durch die Auslaßöffnung (1d) und die Auslaßkanäle (1e, 1f) in den zweiten Behälter (5), aber nicht in die entgegenge­ setzte Richtung strömen zu lassen,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - der zweite Behälter (5) bis oberhalb der radialen Aus­ laßkanäle (1f) teilweise mit Öl gefüllt ist, und daß
• - die Welle (1c) der ersten Spirale (1) eine unterhalb der Oberfläche des Öls mündende Ölzuführungsleitung (50, 82) aufweist, um Öl aus dem zweiten Behälter (5) dem Inneren mindestens einer der Kompressionskammern (C) zuzuführen, wobei die Querschnittsfläche der Ölzuführungsleitung (50, 82) so bemessen ist, daß das Volumen von Öl, welches durch die Ölzuführungsleitung pro Umdrehung der Pumpe strömt, etwa gleich dem Volumen der zentrumsnächsten Kom­ pressionskammer (C) ist.

2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Rückschlagventil (36) vorgesehen ist, das in Serie mit dem ersten Rück­ schlagventil (22) liegt und zwischen der Auslaßöffnung (1d) und der Innenseite des zweiten Behälters (5) ange­ ordnet ist.

3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ölzuführungsleitung (50, 82) in eine der Kompressionskammern (C) in der Nähe der Auslaßöffnung (1d) mündet.

4. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ölzuführungsleitungen (53, 55) in der ersten Spirale (1) ausgebildet sind, wo­ bei die Ölzuführungsleitungen symmetrisch bezüglich des Zentrums der Welle (1c) der ersten Spirale (1) angeordnet sind und mit mehreren der Kompressionskammern (C) kommu­ nizieren.

5. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß AUF/ZU-Ventile (84, 86) vor­ gesehen sind, um die Ölzuführungsleitung (83) zu ver­ schließen, wenn die Pumpe außer Betrieb ist, und umge­ kehrt.

6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die AUF/ZU-Ventile eine Plat­ te (86) und eine Blattfeder (87) umfassen, deren eines Ende mit der Welle (1c) der ersten Spirale (1) und deren anderes Ende mit der Platte (86) verbunden ist, wobei die Form der Blattfeder (87) derart ausgebildet ist, daß die Platte (86) zwischen einer geschlossenen Position, in welcher sie gegen die Öffnung der Ölzuführungsleitung (83) im zweiten Behälter (5) gepreßt ist und diesen ver­ schließt, und einer geöffneten Position hin- und her­ schwingen kann, in welcher die Platte (86) von der Öff­ nung der Ölzuführungsleitung (83) im zweiten Behälter (5) abgehoben ist.