DE8809988U1

DE8809988U1 - Wälzkolben-Vakuumpumpe

Info

Publication number: DE8809988U1
Application number: DE8809988U
Authority: DE
Original assignee: Werner Rietschle Maschinen und Apparatebau GmbH
Current assignee: Werner Rietschle Maschinen und Apparatebau GmbH
Priority date: 1987-08-11
Filing date: 1988-08-04
Publication date: 1988-10-20

Description

PRINZ, LEISERrPUhfKE &..PARTNER

Patentanwälte - European Patent Attorneys Manzingerweg 7 ■ 8000 München 60

2. August 1988

WERNER RIETSCHLE

Maschinen- und Apparatebau GmbH

Roggenbachstrasse 58
7860 Schopfhelm

Unser Zeichen: R 12 39 GM

Wälzkolben-Vakuumpumpe

Die Erfindung betrifft eine Wälzkolben-Vakuumpumpe mit zwei gegensinnig in einer Pumpenkammer rotierenden Wälzkolben, mit einem Einlaßkanal, der an der Übergangsstelle zwischen den beiden zylinderteilförmigen Pumpenkammerhälften einmündet, und einem Auslaß, der dem Einlaß gegenüberliegt.

Bei den bekannten Wälzkolbenpumpen dieser Art ist die zwischen Einlaß und Auslaß erreichbare Druckdifferenz durch Rückströmungen in den zwischen den Wälzkolben gebildeten Arbeitsräumen begrenzt. Insbesondere tritt von der Auslaßseite her eine Rückströmung in die vom Einlaß herkommende und den Einlaßdruck aufweisende Arbeitskammer ein, wenn diese Arbeitskammer in den Bereich des Auslasses gelangt. Der Druck im Inneren dieser Arbeitskammer gelangt dann annähernd auf das auslaßseitig vorhandene Niveau, so daß an dem zugehörigen äußeren Dichtspalt des Wälzkolbens die volle Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß herrscht, was zu entsprechend hohen Verlusten führt und eine zusätzliche Erwärmung der Vakuumpumpe mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Wälzkolben-Vakuumpumpe die zwischen Einlaß und Auslaß erreichbare Druckdifferenz zu vergrößern.

Diese Aufgabe wird bei der erfindungsgemäßen Wälzkolben-Vakuumpumpe der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Auslaß durch zwei oder mehr beiderseits der Ubergangskante zwischen den beiden Pumpenkanunerhalf ten in die Pumpenkammer mündende Auslaßkanäle gebildet ist, die jeweils durch ein ungesteuertes Auslaßventil verschließbar sind, das auf Druckdifferenz zwischen der Pumpenkammer und dem Auslaßkanal ansprechend öffnet und schließt.

Bei der erfindungsgemäßen Wälzkolben-Vakuumpumpe wird aufgrund des Vorhandenseins der Auslaßventile ein Rückströmen von der Auslaßseite in die vom Einlaß herkommende Arbeitskammer verhindert, da die Auslaßventile nur öffnen, wenn der Druck in der Arbeitskammer den auslaßseitig vorhandenen Druck überschreitet. Der auslaßseitig vorhandene Druck ist bei Pumpen mit "offenem Druckkanal" annähernd gleich dem Atmosphärendruck. Weil bei der erfindungsgemäßen Wälzkolbens-Vakuumpumpe die Druckdifferenz am radial äußeren Dichtspalt zwischen Wälzkolben und Gehäuseinnenwand zeitweise erheblich niedriger ist als bei herkömmlichen Wälzkolben-Vakuumpumpen, treten geringere Leckverluste auf, so daß eine höhere Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß erreicht wird.

Für die Funktion der Auslaßventile ist es wichtig, daß sie auf Druckdifferenzen ansprechend sehr schnell öffnen und schließen. Vorzugsweise wird daher jedes Auslaßventil aus einem gehäusefesten Ventilsitz und einer mit diesem zusammenwirkenden, leichtgängig geführten Ventilklappe gebildet. Diese Ventilklappe besteht vorzugsweise aus einem Elastomermaterial, das relativ leicht ist und eine gewisse Verformung der Ventiikiappe zuläßt. Eine verformbare Ventilklappe aus Elastomennaterial, deren äußerer ümfangsrand

beim öffner des Auslaßventils vom Ventilsitz fort gewölbt wird, zeichnet sich durch besonders schnelles Ansprechen auf Druckdifferenzen und großen Strömungsquerschnitt aus.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die beiden Auslaßkanäle symmetrisch zur Ubergangskante zwischen den Fumpenkammerhälften angeordnet. Diese symmetrische Anordnung entspricht dem symmetrischen Aufbau der Wälzkolbenpumpe.

Eine weitere Steigerung der mit der erfindungsgemäßen Wälzkolben-Vakuumpumpe erreichbaren Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß wird durch eine bevorzugte Ausführungsform erreicht, bei welcher in wenigstens eine der Stirnwände und in jede der beiden Pumpe nkanunerhälf ten ein an eine Kühlmittelquelle angeschlossener Kühlmittel-Zufuhrkanal mündet und an jeden Wälzkolben eine Steuerscheibe drehfest angeschlossen ist, die wenigstens eine während der Drehung des zugehörigen Wälzkolbens mit der Mündungsöffnung des Kühlmittel-Zufuhrkanals in Deckung bringbare Steueröffnung aufweist und mih ihrer Fläche, in welcher diese Steueröffnung gebildet ist, die Mündungsöffnung verschließt. Durch die bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Wälzkolben-Vakuumpumpe erreichte erhöhte Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß ist eine Überhitzung infolge eines zu geringen Massenstromes zu befürchten. Der geringe Massenstrom kann die bei der Verdichtung anfallende Kompressionswärme n:· jht mehr abtransportieren. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Kühlmittel, vorzugsweise das Fördermedium, in die Pumpenkasuner eingeleitet, um überschüssige Wärme abzutransportieren, jedoch erfolgt die Einleitung in solcher Weise, daß keine schädliche Einwirkung auf das erzifel*.* ~ uum und das Fördervolumen auftreten kann. Die Einspeisung des Kühlmittels erfolgt jeweils während einer Phase, in welcher der Dichtspalt am radial äußeren Ende ■des Wälzkolbens den Einlaßbereich verlassen hat, so daß kein · Kühlmittel zur Einlaßseite gelangen kann.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen
und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In
der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine stark vereinfachte, schematische Darstellung des Bauprinzips einer herkömmlichen
Wälzkolben-Vakuumpumpe;

Fig. 2 eine Ansicht entsprechend Fig. 1, die jedoch |' die erfindungsgemäße Ausbildung der Wälzkol- :' ben-Vakuumpumpe zeigt; ;

Fig. 3 eine Weiterbildung der in Fig. 2 gezeigten || Ausführung; und fj

Fig. 4 einen axialen Teilschnitt bei der Ausfüh- :i rungsform nach Fig. 3. J

Bei der in Fig. 1 gezeigten, bekannten Wälzkolben-Vakuum- ' pumpe sind zwei Wälzkolben 1, 2 im Abstand voneinander in ' einer 8-förmigen Pumpenkammer 3 gegensinnig drehbar gela- ). gert. Die Pumpenkammer 3 besteht aus zwei gleichen und "' symmetrisch angeordneten Pumpenkammerhälften 3a, 3b. Die Pumpenkammerhälften 3a, 3b sind zylinderteilförmig und ! bilden am Übergang von einer Pumpenkammerhälfte in die andere zwei einander gegenüberliegende Kanten 4, 5. Symmetrisch zur Kante 4 mündet in den übergangsbereich zwischen beiden Pumpenkammerhälften 3a, 3b ein Einlaß 6. Symmetrisch zur Kante 5 liegt ein vom Übergangsbereich zwischen beiden Pumpenkammerhälften 3a, 3b ausgehender Auslas 7. Jeder Wälzkolben 1, % bildet an seinem radial äußeren Ende mindestens einen Dichtspalt 1a bzw. 2a, 2b mit der Umfangsflache der zugehörigen PumpenkammerhUlffce 3a bzw. 3b.

Im Betrieb sinsr solchen Wäljskolbstt=V£kuufiipiiSips werden zwischen den Wälzkolben 1, 2 und der Innenwandung der

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Pumpenkammer 3 verschiedene Arbeitskammern gebildet. Bei der in Fig. 1 gezeigten Drehstellung wird eine Arbeitskammer 3c zwischen dem Wälzkolben 2 und der Innenwandung der Pumpenkammerhälfte 3b gebildet. In dieser Arbeitskammer 3c herrscht annähernd derselbe Druck wie am Einlaß 6. Zwischen den beiden Wälskolben 1, 2 und der Innenwandung der Pumpenkammerhälfte 3a wird eine Arbeitskammer 3d gebildet, in der ein erhöhter Druck herrscht, da diese Ar beitskammer mit dem Auslaß 7 in Verbindung steht. Der Auslaß 7 kann zur Atmosphäre offen sein.

Wenn sich ausgehend von der in Fig. 1 gezeigten Stellung der Wälzkolben 2 um wenige Grad weiterdreht, bewegt er sich am Rand 5b der Auslaßöffnung 7 vorbei, woraufhin die Arbeitskammer 3c sich zum Auslaß 7 hin öffnet und mit der Arbeitskammer 3d in Verbindung kommt. Da die Arbeitskammer 3c unter geringerem Druck als der Auslaß 7 steht, tritt nun eine Gegenströmung vom Auslaß 7 in die Arbeitskammer 3c auf. Am Dichtspalt 2a stellt sich somit eine Druckdifferenz ein, die annähernd gleich der Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß 7 ist. Da bei Wälzkolben-Vakuumpumpen am radial äußeren Dichtspalt nur eine mäßige Dichtwirkung erreicht wird, tritt eine von der Druckdifferenz am Dichtspalt abhängige Leckströmung von beträchtlicher Größe auf. Durch diese Leckströmung wird die erreichbare Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß begrenzt. Außerdem hat sie eine Erhöhung der Temperatur der Vakuumpumpe zur Folge.

Durch die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Ausbildung der Wälzkolben-Vakuumpumpe wird die erreichbare Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß gesteigert. Die allgemeine/ anhand von Fig. 1 gegebene Beschreibung trifft auch für die Ausführung nach Fig. 2 zu, so daß sich eine Beschreibung übereinstimmender Merkmale erübrigt. Unterschiedlich ist die Gestaltung im Bereich des Auslasses. Der Auslaß besteht

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aus zwei oder mehreren symmetrisch zur Kante 5 angeordneten, parallelen Auslaßkanälen 10, 12. Die Mündungsöffnungen der Auslaßkanäle 10, 12 in der Innenwandung der Pumpenkammerhälften 3a, 3b liegen in einem gewissen Abstand von der Kante 5. An ihrem äußeren Ende sind Cie Auslaßkanäle 10, 12 jeweils mit einem Auslaßventil 14 bzw. 16 versehen. Jedes dieser Auslaßventile 14, 16 besteht aus einem am äußeren Ende oes zugehörigen Auslaßkanals 10 bzw. 12 gebildeten ringförmigen Ventilsitz 14a, 16a und aus einer mit diesem Ventilsitz zusammenwirkenden Ventilklappe 14b bzw. 16b. Die Ventilklappen 14b, 16b sind leichtgängig beispielsweise in einem sie mit Spiel umgebenden siebartigen Käfig -?4c bzw. 16c geführt. Die Ventilklappen 14b, 16b sind vorzugsweise als dünne, in einem gewissen Ausmaß verforabare Scheiben aus einem Elastomermaterial ausgebildet. Durch diese Ausbildung der Avis laß ventile 14, 16 wird eine hohe Ansprechgeschwindigkeit auf zwischen den beiden Seiten der Ventilklappen vorhandene Druckdifferenzen gewährleistet.

Im Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Wälzkolben-Vakuumpumpe bleiben die Auslaßventile* 14, 16 geschlossen, solange der auslaßseitige Druck größer ist als der Druck in der den betreffenden Auslaßventilen gegenüberliegenden Arbeitskammer« Beispielsweise ist in Fig. 2 das Auslaßventil 16 geschlossen, da in der Arbeitskammer 3c ein niedriger Druck herrscht, der annähernd gleich dem Druck am Einlaß ist. In der Arbeitskammer 3d herrscht hingegen ein leicht erhöhter Druck, so daß das Ventil 14 geöffnet sein kann. Wenn sich nun der. Wälzkolben 2 aus der in Fig. 2 gezeigten Stellung um einige Grad weiterdreht und die Arbeitskammern 3c und 3d an der Kante 5 miteinander in Verbindung gelangen, um anschließend ineinander überzugehen, erfolgt ein Druckausgleich zwischen diesen Arbeitskammern 3c, 3d, wodurch der Druck im Auslaßkanal 10 absinkt. Infolge des Druckabfalls im Auslaßkanal 10 schließt das Auslaßventil 14. Es tritt somit keine Rückströmung vom Auslaß in die Arbeitskammer 3c

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auf, so daß am Dichtspalt 2a eine gegenüber der Situation in Fig. 1 verminderte Druckdifferenz auftritt und folglich die Leckströmung zum Einlaß 6 vermindert wird. Aufgrund der verminderten Leckströmung wird eine höhere Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß erreicht.

. Für die Auslaßventile 14, 16 sind verschiedene Ausführungsformen möglich. Wichtig ist, daß die Ventilklapnen leichtöl gängig geführt sind und eine geringe Masse aufweisen, damit £ eine hohe Ansprechgeschwindigkeit erreicht wird. Die Aus- >;■ bildung der Ventilklappen 14b, 16b als dünne Scheiben aus f~ Elastomermaterial ist besonders vorteilhaft, weil eine p Vergrößerung des wirksamen Strömungsquerschnitts bei ge- % öffnetem Auslaßventil durch eine begrenzte Wölbung der elastisch verformbaren Vsntilklappen auftritt. Beim öffnungsvorgang wird der Außenrand der Ventilklappen vom zugehörigen Ventilsitz fort gewölbt.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Weiterbildung der Erfindung sind zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführung MaB-

;.; nahmen getroffen., um ein Kühlmittel einzuspeisen.

&ngr; Da sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung der Wälzkol-

ben-Vaküumpurope eine höhere Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß erreichen labt, tritt in erhöhtem Maße das Problem auf, daß wegen des geringen Massenstromes die bei der Verdichtung anfallende Kompressionswärme nicht über die geförderte Masse abtransportiert werden kann und eine Überhitzung der Pumpe auftritt. Durch die Einspeisung eines Kühlmittels wird die geförderte Masse vergrößert, so daß mehr Kompressionswärme abgeführt werden kann. Infolgedessen wird, für eine gegebene maximale Betriebstemperatur der Pumpe, eine zusätzliche Steigerung der Druckdifferenz zwischen Einlaß und Auslaß erreicht.

In wenigstens einer der beiden die Seiten der Pumpenkammer abschließenden Stirnwände sind zwei Mündungsöffnungen 20, 22 eines in der Zeichnung nur angedeuteten und ar eine

(nicht gezeigte) KUhlnittelquelle angeschlossenen Zufuhrkanals 24 angeordnet. Die Mündungsöffnungen 20, 22 liegen beispielsweise auf der LMngssynmetrieachse A der Pumpenkammer 3. Die Lage der MUndungsöffnungen 20, 22 innerhalb der zugehörigen Pumpenkammerhälften 3a, 3b ist von Bedeutung, weil vermieden werden muß, daß das eingeleitete Kühlmittel zum Einlaß 6 gelangt. Die Mündungsöffnungen 20, 22 müssen also in einem Bereich liegen, iri uem eine Arbeitskammer gebildet wird, welche durch den zugehörigen Wälzkolben vom Einlaß 6 abgesperrt ist. Dies ist beispielsweise für die Pumpenkammerhälf te 3b die Arbeitskammer 3c in Fig. 2 und Fig. 3. Die Mündungsöffnungen 20, 22 liegen also jeweils zwischen der Innenob>rflache der zugehörigen Pumpenkammerhälfte 3a, 3b und dem Drehzentrum des zugehörigen Wälzkolbens 1, 2, vorzugsweise auf einem auf das zugehörige Drehzentrum bezogenen Radius, der etwa halb so groß ist wie der Radius der Pumpenkammerhälften 3a, 3b. An jeden der Wälzkolben 1 , 2 ist eine kreisrunde Steuerscheibe 26, 28 drehfest angeschlossen. Diese Steuerscheiben 26, 28 liegen unmittelbar benachbart zu der Stirnwand der Pumpenkammer 3, in welcher die Mündungsöffnungen 20, liegen. Jede Steuerscheibe 26, 28 weist zwei einander diametral gegenüberliegende Steueröffnungen 30 gleicher Größe wie die Mündungsöffnungen 20, 22 auf. Diese Steueröffnungen 30 liegen auf demselben Radius wie die Mündungsöffnungen 20,22 sowie z.B. auf der Quer Symmetrieachse B des zugehörigen Wälzkolben 1 bzw. 2. Während der Drehung der Steuerscheiben 26, 28 mit den Wälzkolben 1, 2 sind die Mündungsöffnungen 20, 22 jeweils kurzzeitig in Deckung mit einer der Steueröffnungen 30 der Steuerscheiben 26, 28. Im Winkelbereich zwischen den Steueröffnungen 30 weisen die Steuerscheiben 26, 28 eine geschlossene Seitenfläche auf, welche die Mündungsöffnungen 20, 22 verschließt. Die Steuerscheiben 26, 28 und die Mündungsöffnungen 20, 22 wirken somit als Steuerschieber, der während der Drehung der Wälzkolben 1 , 2 kurzzeitig Kühlmittel über den Kühlmittelzufuhrkanal 24 in die Pumpenkainmer einströmen läßt. Da jede

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Stauerscheibe 26, 28 mit zwei Steueröffnungen 30 versehen ist, erfolgt die Einspeisung des Kühlmittels bei jeder vollständigen Umdrehung eines Wälzkolbens 1, 2 zweimal. Eine Beeinträchtigung der zwischen Einlaß und Auslaß erreichbaren Druckdifferenz durch das eingespeiste Kühlmittel ist nicht zu befürchten, weil die Einspeisung jeweils in eine Arbeitskammer erfolgt, die durch den zugehörigen

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also mit dem gepumpten Medium zum Auslaß befördert

Bei der gezeigten Ausführungsform sind die Mündungsöffnungen 20, 22 und entsprechend auch die Steueröffnungen kreisrund ausgebildet. Die Zeitspanne, über welche eine Einspeisung des Kühlmittels gewünscht wird, kann verlängert werden, indem die Mündungsöffnungen 20, 2 2 und/oder die Steueröffnungen 30 schlitzförmig ausgebildet werden.

Claims

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Patentanwälte · European Patent Attorneys Manzingerweg 7 · 8000 München 60
2. August 1983

WERNER RIETSCHLK

Maschinen- und Apparatebau GmbH

Roggenbachstrasse 58 7860 Schopfhelm

Unser Zeichen: R 12 39 GM

Schutaanspruche

1. Wälzkolben-Vakuumpumpe mit zwei gegensinnig in einer Pumpenkammer rotierenden Wälzkolben, mit einem Einlaß/ der an der Übergangsstelle zwischen den beiden zylinderteilförmigen Pumpenkauimerhälften einmündet, und einem Auslas, der dem Eingang gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß durch zwei oder mehr beiderseits der Ubergangskante (5) zwischen den beiden Pumpenkammerhälften (3a, 3b) in die Pumpenkammer (3) mündende Auslaßkanäle (10, 12) gebildet ist, die jeweils durch ein ungesteuertes Auslaßventil (14, 16) verschließbar sind, das auf Druckdifferenz zwischen der Pumpenkammer (3) und dem Auslaßkanal (10, 12) ansprechend öffnet und schließt.'

2. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßventile (14, 16) jeweils aus einem gehäusefesten Ventilsitz (14a, 16a) und einer mit diesem zusammenwirkenden, leichtgängig geführten Ventilklappe (14b, 16b) gebildet sind.
3. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilklappen (14b, 16b) als dünne, elastisch deformierbare Scheiben oder Platten aus einem Elastoinermaterial gebildet sind.

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4. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Auslaßkanäle (10, 12) symmetrisch zur Ubergangskante (5) zwischen den Pumpenkammerhälften (3a, 3b) angeordnet sind-
5. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßkanäle

(10, 12) in eine zumindest annähernd unter Atmosphären- ^:- druck stehende Umgebung führen.
6. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens eine der Stirnwände und in jede der beiden Pumpenkammerhälften

(3a, 3b) ein an eine Kühlmittelquelle angeschlossener Kühlmittel-Zufuhrkanal (24) mündet und daß an jeden Wälzkolben (1, 2) eine Steuerscheibe (26, 28) drehfest angeschlossen ist, die wenigstens eine während der Drehung des zugehörigen Wälzkolbens mit der Mündungsöffnung (20, 22) des Kühlmittel-Zufuhrkanals (24) in Deckung bringbare Steueröffnung (30) aufweist und mit ihrer Fläche, in weleher diese Steueröffnung (30) gebildet Ast, die benachbarte Mündungsöffnung (20, 22) verschließt.
7. Wälzko?,ben-Vakuumpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheiben (26, 28) zwei einander diametral auf gleichem Radius gegenüberliegende Steueröffnungen (30) aufweisen.
8. Wälzkolben-Vakuumpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß jede MUndungsöffnung (20, 22) und die zugehörige Steueröffnung (30) in Untfangsrichtung der zugehörigen pumpenkammerhälfte (3a, 3b) bzw. der zugehörigen Steuerscheibe (26, 28) so angeordnet sind, daß diese Mündungsöffnung (20, 22) mit der zugehörigen Steueröffnung (30) in Deckung gelangt; während der zugehörige Wälzkolben (1, 2) in der zugehörigen Pumpsnkammerhälfte (3a, 3b) eine von dem

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Einlaß (6) durch den Wälzkolben abgetrennte Arbeitskammer (3c) bildet, in welcher die MUndungsöffnung (20, 22) liegt.