EP1971781A1 - Vakuumpumpe - Google Patents

Vakuumpumpe

Info

Publication number
EP1971781A1
EP1971781A1 EP07703794A EP07703794A EP1971781A1 EP 1971781 A1 EP1971781 A1 EP 1971781A1 EP 07703794 A EP07703794 A EP 07703794A EP 07703794 A EP07703794 A EP 07703794A EP 1971781 A1 EP1971781 A1 EP 1971781A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
vacuum pump
displacer
housing
pump according
sealing element
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07703794A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Dreifert
Hans-Rochus Gross
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Leybold GmbH
Original Assignee
Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oerlikon Leybold Vacuum GmbH filed Critical Oerlikon Leybold Vacuum GmbH
Publication of EP1971781A1 publication Critical patent/EP1971781A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/08—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C18/10—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C18/107—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/04—Heavy metals
    • F05C2201/0433—Iron group; Ferrous alloys, e.g. steel
    • F05C2201/0436—Iron
    • F05C2201/0439—Cast iron
    • F05C2201/0442—Spheroidal graphite cast iron, e.g. nodular iron, ductile iron

Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump for generating a vacuum in a room
  • Vacuum pumps are used to evacuate rooms in which critical processes, in particular with regard to particles, take place. Such processes take place, for example, in semiconductor production, in vapor deposition processes, chemical processes, etc. In order to prevent the lubricant pump components from entering the space to be evacuated from the vacuum pump, there is a requirement to use dry-running vacuum pumps.
  • Scroll pumps are known as further dry-running vacuum pumps.
  • Scroll pumps comprise a stationary and an orbiting component which carry helical, intermeshing conveying means.
  • scroll pumps are expensive to manufacture and must be serviced frequently to ensure reliable continuous operation.
  • Dry running Koibenvakuumpumpen have the N bit! on that the production costs are high and also the construction volume is large. Furthermore, in such pumps, the noise and the vibrations occurring are disadvantageous.
  • a dry running vacuum pump which has an eccentrically mounted displacer.
  • a helical sealing element is arranged in a helical groove of the cylindrical displacer.
  • a crank is arranged eccentrically to the axis of rotation of the cylinder.
  • the system of rotating crank and orbital displacer is arranged in a cylindrical housing.
  • the vacuum pump described in WO 03/081048 is well suited for high flow rates, but has a complicated structure.
  • the object of the invention is to provide a vacuum pump, the economic use is guaranteed even in dry running, especially at low pumping speed.
  • the vacuum pump according to the invention has a housing with a cylindrical interior. In the interior of a displacer is arranged eccentrically. Between the displacer and the inner wall of the housing, a helical sealing element for forming at least one crescent-shaped delivery chamber is arranged.
  • the displacer and / or the housing are directly connected to a drive device, wherein, depending on the embodiment, preferably either the housing or the displacer is fixed.
  • An essential aspect of the invention consists in the fact that the displacer is mounted centrally, d, h. that the WeNe of the displacer, which is depending on whether the displacer is driven or not, is the drive or the bearing shaft, is arranged concentrically to the cylindrical displacer.
  • the displacer thus performs no orbiting but a rotating movement.
  • the displacer is stored concentrically according to the invention.
  • the vacuum pump is designed as a dry-running vacuum pump.
  • a particular advantage of the vacuum pump according to the invention is that it is a structurally simple design vacuum pump, in which only the housing or the displacer must be driven. This can be done by a simple connection of the displacer or the housing with an electric motor, for example via a belt drive or via an intermediate gear, or directly.
  • the vacuum pump according to the invention is particularly suitable as a low-speed vacuum pump, which preferably has maximum revolutions of less than 300 l / min and more preferably less than 200 l / min. Due to the structure and the geometry of the vacuum pump according to the invention, a good flow rate can be achieved despite the low speeds.
  • the sealing element slides in a vacuum pump with didactical sealing element on the inner wall of the cylindrical interior of the housing when the sealing element rotatably with connected to the displacer.
  • the sealing element is rotatably connected to the housing and slides on a lateral surface of the cylindrical displacer.
  • the inner wall of the housing or the lateral surface of the displacer consist of a sealing element made of a PTFE compound or peek in combination with a sliding surface of smoothed, in particular anolized aluminum.
  • the sealing element may also be made of spring steel, in particular coated spring steel.
  • the coating is especially made of PTFE compounds (PTFE with fillers), PEEK and PEEK compounds, PI (polyimides) and PI compounds, PPS (polyphenylene sulfide) and PPS compounds or epoxy resins with fillers.
  • mechanically and thermally highly resilient plastics are suitable. Relative speeds of up to 5 m / s can be realized for such a tribological system.
  • Ais materials for the sliding surface are in addition to the particular hard anodized aluminum gray cast iron, ductile iron and malleable cast iron and steels, especially stainless steels, suitable Preferably, these materials are coated with a wear protection layer, in particular CrN or TiN. To reduce the friction between the sealing element and the sliding surface, it is furthermore advantageous to provide coatings or glaze lacquers. These may be ceramic coatings as well as TIN, CrN, AICrN and CrC.
  • the roughness R z of the sliding surface is preferably less than 5, in particular less than 2 and particularly preferably less than 0.5.
  • the sealing element Due to the eccentricity between the displacer and the cylindrical interior of the housing, the sealing element is arranged in a groove and in this radially displaceable.
  • the groove is disposed in either the displacer or the housing.
  • the width and the depth of the groove are chosen such that in the operating state of the vacuum pump, on the one hand, a good radial displacement of the sealing element is ensured and on the other hand, the gap between the sealing element and groove is as low as possible to avoid leakage flows, which would reduce the pumping power of the vacuum pump ,
  • the expansion coefficients, and thus the thermal expansion of the components may differ. This applies in particular to a sealing element made of plastic,
  • a Kuhlefement is provided in order to dissipate the heat occurring on the uniform surface of the sealing element well.
  • the wear, in particular of the sealing element can be significantly reduced.
  • the Kühielernent is preferably connected in particular in the form of cooling fins with the housing.
  • the flow can be controlled as a function of the temperature, so that the vacuum pump at the beginning of the operation quickly comes to operating temperature and then operated in a narrow temperature range.
  • a hollow trained Verdrä ⁇ ger be provided, which in turn Kuhlrippen may be arranged in the cavity, which are flowed around by an air flow for cooling.
  • the bearings are arranged such that there is no connection to the negative pressure side of the vacuum pump. This ensures that lubricant, in particular designed as a rolling bearing, do not get into the room to be evacuated. In this case, preference is given to a flying mounting of the displacer.
  • the displacer it is for example possible to design the displacer as a hollow cylinder and to arrange the drive shaft for the displacer within the hollow cylinder and to connect with this.
  • the drive shaft of a hollow shaft which may be located within the cavity of the displacer, are surrounded.
  • the hollow axle is stationary and carries the bearings for supporting the drive shaft.
  • the helical sealing element preferably has a plurality of turns or revolutions. Accordingly, the helical groove has a plurality of threads.
  • internal compression is preferred. Such inner compression of the medium to be conveyed can be achieved by reducing the thread pitch of the groove or of the sealing element in the conveying direction. Preference is given here compression ratios of internal compression to external Compaction from 1/3 to 1/10.
  • a bypass valve is provided to prevent over compression in the compression area.
  • a mathematical analysis of the kinematics of the vacuum pump according to the invention shows that the relative speed with the third power has an influence on the achievable maximum pumping speed.
  • the relative speed is the relative speed between the sealing element and the Gleitfikiee.
  • the achievable maximum relative speed depends essentially on the material pairing, the surface good and the temperatures occurring at the contact points.
  • the rotational speed acts reciprocally quadratically on the possible pumping speed if the maximum relative speed is kept constant. It is thus possible to realize pumps with unusually low rotational speeds of less than 500 l / min 200 l / min compared with known vacuum pumps, although high pumping speeds can nevertheless be realized. Due to the structural design of the vacuum pump according to the invention, it is thus possible to achieve high pumping speeds at low speeds. Due to the required low speeds, the vacuum pump can be configured as a dry-running vacuum pump. At higher speeds maximum relative velocities would occur at the contact points, which lead to rapid wear. In particular, with the dry-running vacuum pump according to the invention, pumping speeds of about 0.1 m 3 / h to 30 m 3 / n can be achieved.
  • the sealing element is installed with radial bias. As a result, a good tightness can be achieved. Furthermore, this compensates the thermal expansion and easy interchangeability. For example, a radial bias can be caused by an elastomer in the groove bottom. Furthermore, a tangential clamping of the density element by providing a spring is possible.
  • Fig. 1 is a schematic sectional view of a first preferred embodiment
  • Fig. 2 is a schematic sectional view of a second preferred embodiment
  • Fig. 3 is a schematic perspective view of a vacuum pump with electric motor drive.
  • the vacuum pump has a fixed housing 10.
  • the housing 10 is closed with an inlet cover 12 and an outlet cover 14.
  • the inlet cover 12 has an inlet 16 which is connected to the space to be evacuated.
  • the outlet cover 14 has a connection 18, through which the gases extracted from the space to be evacuated are discharged. The gas thus passes from the space to be evacuated in the direction of the arrow 20 through the inlet 16 in a cylindrical interior 22 of the Housing 10 and leaves it through the arranged in the outlet cover 14 outlet port 18 in the direction of an arrow 24th
  • a cylindrical displacer 26 is arranged within the cylindrical space 22.
  • the displacer 26 is arranged centrically to a shaft 28.
  • the central axis 30 of the displacer thus corresponds to the central axis of the shaft 28.
  • the period 28 is arranged eccentrically in the cylindrical interior 22.
  • the central axis 32 of the inner space 22 thus has an eccentricity e to the central axis 30 of the Verdrä ⁇ gers 26 and the shaft 28 on.
  • the shaft 28 is passed through the cover 50 connected to the inlet cover 12.
  • the displacer 26 carries a helical or helical sealing element 34.
  • the density element 34 is arranged in a corresponding helical groove 36.
  • the sealing element 34 is non-rotatably and radially displaceably connected to the displacer 26, By rotating the displacer 26, the sealing element 34 is rotated relative to an inner wall 38 of the housing 10.
  • the displacer 26 is displaced radially, so that gas is conveyed in the direction of the arrows 20, 24.
  • the conveying of the gas takes place in that sickle-shaped conveying spaces between adjacent helical turns of the sealing element 34 promote the medium in Fig. 1 to the right.
  • the distance between adjacent helical turns of the sealing element 34 can decrease in the conveying direction, so that a compression or compression of the medium takes place.
  • the relative movement between the inner wall 38 of the inner space 22 and an outer surface 40 of the Dichtiementes 34 takes place. This heats both the housing 10 and the sealing element 34. It is therefore essential in this embodiment that the housing 10th has a good thermal conductivity and on its outside Kuhlrippen 42 are provided. To support the cooling, the cooling fins 42 can be additionally flown by air. io -
  • the shaft 28 connected to the displacer 26 is connected to a drive device 44 (FIG. 3), which is in particular an electric motor connected.
  • the shaft is supported by bearings 46, 48, preferably designed as roller bearings, which are arranged in the inlet cover 12 or outlet cover 14.
  • the bearings 46, 48 are held by cover 50 and are preferably designed as rolling bearings, grease lubricated and sealed or capped.
  • a good sealing seal 52 between the inlet cover 12 and the shaft 28 in order to avoid gas exchange between the environment and the space to be evacuated. This is particularly disadvantageous if the space to be evacuated is, for example, a room in which a production of heat or the like is carried out.
  • the contacting shaft seals can be made dry or grease lubricated. Gap seals can also be provided for small differences in pressure.
  • the single-gas bearing 48 can also be separated from the process medium in the pump chamber by a contacting shaft seal.
  • FIG. 2 In a further preferred embodiment (FIG. 2), similar or identical components are designated by the same reference numerals as in FIG.
  • the housing 10 is formed according to the embodiment in Fig "1 and closed with housing covers 12, 14.
  • the housing 10 also has a cylindrical opening in which a displacer 54 is arranged.
  • the displacer 54 has a cylindrical outer contour, wherein a helical sealing element 34 is arranged in grooves 36, so that the mode of operation of the second embodiment (FIG. 2) corresponds to that shown in FIG. 1.
  • the displacer 54 has a cylindrical opening 60 which in a cylindrical opening 62 of smaller diameter passes.
  • the cylindrical opening 60, 62 is arranged rotationally symmetrical to the displacer 54 and thus lies on the central axis of the displacer 54, the opening 62 is opposite concentrically a cylindrical opening 64 is provided, wherein the openings 62, 64 are interconnected by a further concentric opening.
  • a drive shaft 66 which has multiple steps, is disposed in the cylindrical openings 60, 62 and has a threaded stem 68 projecting into the opening 64.
  • the bearings 56, 58 are disposed within the cylindrical cavity 60 of the displacer 54 on the outside of the shaft 66.
  • a hollow shaft 74 is provided which carries the bearings 56, 58.
  • the hollow shaft 64 is rotatably connected to the lid 14.
  • the bearing 56 is biased by a spring 76.
  • the bearing 58 is held by a cover 78.
  • the displacers can also be mounted on the fly outside the housing.
  • the two-sided storage shown in Fig. 1 is particularly advantageous when a troughed system is provided.
  • a troughed system In a Weg fiitul vacuum pump, the suction takes place via a central intake manifold, wherein the gas is then conveyed in both directions by a correspondingly designed displacer to the side and ejected laterally from two Ausiassö réelleen.
  • a displacer has two sealing elements, which are also helical and transport the medium from the centrally arranged Ei ⁇ lassstutzen each outward.
  • the bearings are each arranged on the outlet side, so that this is also avoided that get lubricant of the warehouse in the room to be evacuated.
  • the bearings are sealed off from the delivery chambers by shaft seals or other sealing elements.
  • FIG. 3 shows a fully assembled vacuum pump with a drive element 44 designed as an electric motor.
  • the housing 10 with radially distributed cooling ribs 42 distributed on the circumference is clearly visible.
  • the inlet 16 and the outlet 18 are visible .
  • the shaft 28 connected to the displacer 26 is connected to the electric motor 44 via a belt drive 82.
  • the two components are arranged on a base plate 80. In the arrangement shown in Fig. 3 is an extremely compact and thus space-saving arrangement,
  • the axis of rotation is preferably the axis of the component with a groove.
  • Both the bore and the displacer are always circular in section.
  • the center line of the cylindrical displacer corresponds to the center line of the axis, in particular the axis of rotation of the displacer.
  • the groove base is always concentric with the component with groove,
  • a compression can also be effected by providing a reduction in the groove pitch in the conveying direction. Furthermore, a two-stage configuration of the vacuum pump is possible.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in einem zu evakuierenden Raum weist ein Gehäuse (10) mit einem zylindrischen Innenraum (22) auf. In dem Innenraum (22) ist exzentrisch ein Verdränger (26) angeordnet. Zwischen dem Verdränger (26) und einer Innenwand (38) des Gehäuses (10) ist ein wendelförmiges Dichtelement (34) zur Ausbildung mindestens eines sichelförmigen Förderraums vorgesehen. Das Gehäuse (10) oder der Verdränger (26) sind mit einer Antriebseinrichtung (44) zum Erzeugen einer relativen Drehbewegung zwischen dem Gehäuse ( 10) und dem Verdränger (26) verbunden. Erfindungsgemäß ist die Vakuumpumpe als trockenlaufende Vakuumpumpe ausgebildet.

Description

Vakuumpumpe
Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in einem Raum,
Vakuumpumpen werden zur Evakuierung von Räumen genutzt, in denen insbesondere hinsichtlich Partikeln kritische Prozesse ablaufen. Derartige Prozesse erfolgen beispielsweise in der Halbleiterproduktion, in Bedampfungsprozessen, chemischen Prozessen etc.. Um zu vermeiden, dass aus der Vakuumpumpe Schmiermϊtteibestandteile in den zu evakuierenden Raum gelangen, besteht die Forderung, trockenlaufende Vakuumpumpen einzusetzen.
Beispielsweise sind trockenlaufende Drehschieber-Vakuumpumpen bekannt, die jedoch den Nachteil aufweisen, dass an den reibenden Bauteilen, d, h., zwischen dem Schieber und der Schöpfrauminnenwand, hohe Reiativgeschwindigkeiten auftreten. Da bei akzeptablen Volumenströmen hohe Reiativgeschwindigkeiten auftreten, ist die Lebensdauer von Drehschieber- Vakuumpumpen relativ gering.
Als weitere trockenlaufende Vakuumpumpen sind Scrollpumpen bekannt Scrollpumpen umfassen ein ortsfestes und ein orbitierendes Bauteil, die spiralförmige, ineinander greifende Fördermittel tragen. Scrollpumpen sind jedoch in der Hersteilung teuer und müssen häufig gewartet werden, um einen zuverlässigen Dauerbetrieb zu gewährleisten. Trockenlaufende Koibenvakuumpumpen weisen den Nachtet! auf, dass die Herstellungskosten hoch sind und ferner das Bauvolumen groß ist. Ferner sind bei derartigen Pumpen die Geräuschentwicklung und die auftretenden Vibrationen nachteilig.
Aus WO 03/081048 ist eine trockenlaufende Vakuumpumpe bekannt, die einen exzentrisch gelagerten Verdränger aufweist. In einer schraubenlinienförmigen Nut des zylindrischen Verdrängers ist ein wendeiförmiges Dichtelement angeordnet. Innerhalb des hohl ausgebildeten Zylinders ist exzentrisch zur Drehachse des Zylinders eine Kurbel angeordnet Das System aus rotierender Kurbel und orbitierendem Verdränger ist in einem zylindrischen Gehäuse angeordnet. Die in WO 03/081048 beschriebene Vakuumpumpe ist für hohe Förderleistungen gut geeignet, weist jedoch einen komplizierten Aufbau auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vakuumpumpe zu schaffen, deren wirtschaftlicher Einsatz auch bei Trockenlauf, insbesondere bei kleinem Saugvermögen, gewährleistet ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1,
Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe weist ein Gehäuse mit einem zylindrischen Innenraum auf. In dem Innenraum ist exzentrisch ein Verdränger angeordnet. Zwischen dem Verdränger und der Innenwand des Gehäuses ist ein wendeiförmiges Dichtelement zur Ausbildung mindestens eines sichelförmigen Förderraums angeordnet. Der Verdränger und/oder das Gehäuse sind unmittelbar mit einer Antriebseinrichtung verbunden, wobei je nach Ausfuhrungsform vorzugsweise entweder das Gehäuse oder der Verdränger feststehend ist. Durch eine einfache Drehbewegung des Gehäuses oder des Verdrängers erfolgt auf Grund der Exzentrizität ein Fördern, beispielsweise eines Gases, aus einem zu evakuierenden Raum durch einen Einiass der Vakuumpumpe zu einem Auslass der Vakuumpumpe.
Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung besteht hierbei darin, dass der Verdränger mittig gelagert ist, d, h. dass die WeNe des Verdrängers, bei der es sich je nach dem ob der Verdränger angetrieben ist oder nicht, um die Antriebs- oder die Lagerwelle handelt, konzentrisch zu dem zylindrischen Verdränger angeordnet ist. Der Verdränger führt somit keine orbitierende sondern eine rotierende Bewegung durch. Der Verdränger ist erfindungsgemäß konzentrisch gelagert.
Erfindungsgemäß ist die Vakuumpumpe als trockenlaufende Vakuumpumpe ausgebildet. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe besteht darin, dass es sich um eine konstruktiv einfach aufgebaute Vakuumpumpe handelt, bei der lediglich das Gehäuse oder der Verdränger angetrieben werden muss. Dies kann durch eine einfache Verbindung des Verdrängers oder des Gehäuses mit einem Elektromotor, beispielsweise über einen Riementrieb oder über ein zwischengeschaitetes Getriebe, oder auch direkt, erfolgen. Die erfindungsgemäße Vakuumpumpe ist insbesondere als langsam laufende Vakuumpumpe geeignet, die vorzugsweise Maximalumdrehungen von weniger als 300 l/min und besonders bevorzugt weniger als 200 l/min aufweist. Auf Grund des Aufbaus und der Geometrie der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe kann trotz der geringen Drehzahlen ein guter Förderstrom erzielt werden.
Um die erfindungsgemäße trockenlaufende Vakuumpumpe zuverlässig und wartungsfreundlich betreiben zu können, ist es besonders vorteilhaft, eine geeignete Werkstoffpaarung zwischen dem wendeiförmigen Dichtelement und der Gleitfläche, an der das Dichtelement gleitet, zu verwirklichen. Je nach Ausgestaltung der Vakuumpumpe gleitet das Dichtelement bei einer Vakuumpumpe mit außenreibendem Dichtelement an der Innenwand des zylindrischen Innenraums des Gehäuses, wenn das Dichtelement drehfest mit dem Verdränger verbunden ist. Bei einer Vakuumpumpe mit innenreibendem Dichtelement ist das Dichtelement drehfest mit dem Gehäuse verbunden und gleitet an einer Mantelfläche des zylindrischen Verdrängers. Besonders bevorzugte Werkstoffpaarungen zwischen dem Dichtelement und einer Gleitfläche, d. h,, der Innenwand des Gehäuses oder der Mantelfläche des Verdrängers, bestehen aus einem Dichtelement aus einem PTFE-Compound oder aus Peek in Kombination mit einer Gleitfläche aus geglättetem, insbesondere anolisiertem Aluminium. Ferner kann das Dichtelement auch aus Federstahl, insbesondere beschichtetem Federstahl, hergestellt sein. Bei der Beschichtung handelt es sich insbesondere um PTFE Compounds (PTFE mit Füllstoffen), PEEK und PEEK Compounds, PI (Polyimide) und PI Compounds, PPS (Polyphenylen Sulfid) und PPS Compounds oder Epoxidharzen mit Füllstoffen. Generell sind mechanisch und thermisch hoch belastbare Kunststoffe geeignet. Für ein derartiges tribologisches System können Relativgeschwindigkeiten von bis zu 5 m/s realisiert werden. Ais Werkstoffe für die Gleitfläche sind neben dem insbesondere hart anodisiertem Aluminium Grauguß, Sphäroguß und Temperguß sowie Stähle, insbesondere rostfreie Stähle, geeignet Vorzugsweise sind diese Werkstoffe mit einer Verschleißschutzschicht, insbesondere CrN oder TiN beschichtet. Zur Verminderung der Reibung zwischen dem Dichtelement und der Gleitfläche ist es femer vorteilhaft, Beschichtungen oder Glettlacke vorzusehen. Hierbei kann es sich um keramische Beschichtungen sowie um TIN, CrN, AICrN und CrC handeln.
Hierbei ist die Rauhigkeit Rz der Gleitfläche vorzugsweise geringer als 5, insbesondere geringer als 2 und besonders bevorzugt geringer als 0,5.
Auf Grund der Exzentrizität zwischen dem Verdränger und dem zylindrischen Innenraum des Gehäuses ist das Dichtelement in einer Nut angeordnet und in dieser radial verschiebbar. Die Nut ist entweder in dem Verdränger oder dem Gehäuse angeordnet. Wenngleich die Reiativgeschwindigkeiten innerhalb des Dichtelementes und einer Nutwandung deutlich geringer sind, ist es dennoch vorteilhaft, auch die Iπnenwandung der Nut zu Verringerung der Reibung beispielsweise zu beschichten.
Die Breite und die Tiefe der Nut sind derart gewählt, dass im Betriebszustand der Vakuumpumpe einerseits ein gutes radiales Verschieben des Dichtelementes gewährleistet ist und andererseits der Spalt zwischen Dichtelement und Nut möglichst gering ist, um Leckageströme, die die Pumpleistung der Vakuumpumpe reduzieren wurden, zu vermeiden. Hierbei ist insbesondere je nach Werkstoffwahl zu berücksichtigen, dass sich die Ausdehnungskoeffizienten, und damit auch die Wärmedehnung der Bauteile unterscheiden können. Dies gilt insbesondere für ein Dichtelement aus Kunststoff,
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Kuhlefement vorgesehen, um die an der Gleichfläche des Dichtelementes auftretende Wärme gut abführen zu können. Hierdurch kann der Verschleiß, insbesondere des Dichtelementes, erheblich reduziert werden. Bei einer außengieitenden Vakuumpumpe, bei der das Dichtelement an der Innenwand des zylindrischen Innenraums des Gehäuses gleitet, ist das Kühielernent insbesondere in Form von Kühlrippen vorzugsweise mit dem Gehäuse verbunden. Hierbei ist es ferner möglich, um ein gutes Kuhlen sicherzustellen, die Kuhlrippen mit einem Luftstrom anzuströmen. Hierbei kann die Anströmung in Abhängigkeit der Temperatur gesteuert werden, so dass die Vakuumpumpe zu Beginn des Betriebs schnell auf Betriebstemperatur kommt und sodann in einem engen Temperaturbereich betrieben wird. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das Dichtelement aus einem Material hergestellt werden kann, das einen großen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und somit nur in relativ engen Temperaturbereichen ein zuverlässiges Abdichten bei gleichzeitig guten Gleiteigenschaften gewährleistet.
Bei einer Vakuumpumpe mit innenreibendem Dichtelement ist es insbesondere vorteilhaft, den Verdränger zu kühlen. Hierzu kann beispielsweise ein hohl ausgebildeter Verdräπger vorgesehen sein, wobei in dem Hohlraum wiederum Kuhlrippen angeordnet sein können, die von einem Luftstrom zur Kühlung umströmt werden.
Besonders bevorzugt ist es, die Lagerung des Gehäuses oder des Verdrängers auslassseitig vorzunehmen. Hierbei werden die Lager derart angeordnet, dass keine Verbindung mit der Unterdruckseite der Vakuumpumpe besteht. Hierdurch ist sichergestellt, dass Schmiermittel der insbesondere als Wälzlager ausgebildeten Lager, nicht in den zu evakuierenden Raum gelangen. Bevorzugt ist hierbei eine fliegende Lagerung des Verdrängers. Eine weitere Verbesserung der fliegenden Lagerung des Verdrängers, bei der die auf die Lager wirkenden Kippmomente verringert werden können, liegt in der bevorzugten Ausgestaltung innenliegender Lager. Hierzu ist es beispielsweise möglich, den Verdränger als Hohlzylinder auszugestalten und innerhalb des Hohlzylinders die Antriebswelle für den Verdränger anzuordnen und mit diesem zu verbinden. Um die in dem Hohlraum angeordnete Antriebswelle innenüegend zu lagern und dennoch zu gewährleisten, dass es sich um auslassseitige Lager handelt, kann die Antriebswelle von einer Hohlachse, die ggf. innerhalb des Hohlraums des Verdrängers angeordnet ist, umgeben werden. Die Hohlachse ist stationär und trägt die Lager zur Lagerung der Antriebswelle.
Das wendeiförmige Dichtelement weist vorzugsweise mehrere Windungen bzw. Umdrehungen auf. Dementsprechend weist auch die schraubenförmige Nut mehrere Gewindegänge auf. Um die Leistungsaufnahme der Vakuumpumpe möglichst gering zu halten und bei gleichzeitig kleinem Bauraum die Verdichtungstemperaturen niedrig zu halten, ist eine innere Verdichtung bevorzugt. Eine derartige innere Verdichtung des zu fördernden Mediums kann dadurch erreicht werden, dass in Förderrichtung die Gewindesteigung der Nut, bzw. des Dichtelementes verringert wird. Bevorzugt sind hierbei Verdichtungsverhältnisse von interner Verdichtung zu externer Verdichtung von 1/3 bis 1/10. Vorzugsweise ist ein Bypassventil vorgesehen, um eine Überkompression im Verdichtungsbereich zu vermeiden.
Eine mathematische Analyse der Kinematik der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ergibt, dass die Relativgeschwindigkeit mit der dritten Potenz Einfluss auf das erzielbare maximale Saugvermögen hat. Bei der Relativgeschwindigkeit handelt es sich um die Relativgeschwindigkeit zwischen dem Dichtelement und der Gleitfiäche. Die erzielbare maximale Relativgeschwindigkeit hängt im Wesentlichen von der Werkstoffpaarung, der Oberflächengute und den auftretenden Temperaturen an den Kontaktstellen ab.
Die Drehzahl hingegen wirkt reziprok quadratisch auf das mögliche Saugvermögen, wenn die maximale Relativgeschwindigkeit konstant gehalten wird. Es ist somit möglich, Pumpen mit gegenüber bekannten Vakuumpumpen ungewöhnlich niedrigen Drehzahlen von weniger als 500 l/min 200 l/min zu realisieren, wobei dennoch hohe Saugvermögen realisiert werden können. Auf Grund der erfindungsgemäßen konstruktiven Ausgestaltung der Vakuumpumpe ist es somit möglich, bei niedrigen Drehzahlen hohe Saugvermögen zu erzielen. Auf Grund der erforderlichen geringen Drehzahlen kann die Vakuumpumpe als trockenlaufende Vakuumpumpe ausgestaltet werden. Bei höheren Drehzahlen würden maximale Relativgeschwindigkeiten an den Kontaktstellen auftreten, die zu einem schnellen Verschleiß fuhren. So sind mit der erfindungsgemäßen trockenlaufenden Vakuumpumpe insbesondere Saugvermögen von etwa 0,1 m3/h - 30 m3/n erzielbar. Ferner ist wegen des einfachen Aufbaus der Vakuumpumpe eine kostengünstige Konstruktion möglich. Auf Grund der geringen Bauteilanzahl ist eine hohe Wartungsfreundlichkeit gegeben. Ferner ist insbesondere auf Grund der geringen Drehzahlen eine lange Lebensdauer gewährleistet. Ferner sind die Anforderungen an die Wuchtgute gering. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nur geringe Vibrationen auftreten und die Geräuschentwickluπg gering ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Dichtelement mit radialer Vorspannung eingebaut. Hierdurch kann eine gute Dichtigkeit erzielt werden. Femer erfolgt hierdurch ein Ausgleich der Wärmedehnung und eine einfache Austauschbarkeit. Beispielsweise kann eine radiale Vorspannung durch ein Elastomer im Nutgrund hervorgerufen werden. Des weiteren ist ein tangentiales Spannen des Dichteiernentes durch Vorsehen einer Feder möglich.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten bevorzugten
Ausführungsform einer Vakuumpumpe,
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht einer zweiten bevorzugten
Ausführungsform einer Vakuumpumpe und
Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer Vakuumpumpe mit elektromotorischem Antrieb.
Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung (Fig. 1) weist die Vakuumpumpe ein feststehendes Gehäuse 10 auf. Das Gehäuse 10 ist mit einem Einlassdeckel 12 und einem Auslassdeckel 14 verschlossen. Der Einlassdeckel 12 weist einen Einlass 16 auf, der mit dem zu evakuierenden Raum verbunden ist. Der Auslassdeckel 14 weist einen Anschluss 18 auf, durch den die aus dem zu evakuierenden Raum abgesaugten Gase abgegeben werden. Das Gas gelangt somit aus dem zu evakuierenden Raum In Richtung des Pfeils 20 durch den Einlass 16 in einem zylindrischen Innenraum 22 des Gehäuses 10 und verlässt diesen durch den in dem Auslassdeckel 14 angeordneten Auslassanschluss 18 in Richtung eines Pfeils 24.
Innerhalb des zylindrischen Raums 22 ist ein zylindrischer Verdränger 26 angeordnet. Der Verdränger 26 ist zentrisch zu einer Welle 28 angeordnet. Die Mittelachse 30 des Verdrängers entspricht somit der Mittelachse der Welle 28. Die Weile 28 ist exzentrisch in dem zylindrischen Innenraum 22 angeordnet. Die Mittelachse 32 des Innenraums 22 weist somit eine Exzentrizität e zur Mittelachse 30 des Verdräπgers 26 bzw. der Welle 28 auf. Im dargestellten Ausfuhrungsbeispiel ist die Welle 28 durch den mit dem Einlassdeckel 12 verbundenen Deckel 50 hindurchgeführt.
Der Verdränger 26 trägt ein wendel- bzw. schraubenlinienförmiges Dichtelement 34. Das Dichteiement 34 ist in einer entsprechenden wendeh bzw. schraubenlinienförmigen Nut 36 angeordnet. Das Dichtelement 34 ist drehfest und radial verschiebbar mit dem Verdränger 26 verbunden, Durch Drehen des Verdrängers 26 wird das Dichtelement 34 gegenüber einer Innenwand 38 des Gehäuses 10 gedreht. Gleichzeitig wird der Verdränger 26 radial verschoben, so dass ein Fördern von Gas in Richtung der Pfeile 20, 24 erfolgt. Das Fördern des Gases erfolgt dadurch, dass sichelförmig ausgebildete Förderräume zwischen benachbarten Wendelgängen des Dichtelements 34 das Medium in Fig. 1 nach rechts fördern. Der Abstand benachbarter Wendelgänge des Dichtelementes 34 kann in Förderrichtung abnehmen, so dass ein Komprimieren bzw. Verdichten des Mediums erfolgt.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Relativbewegung zwischen der Innenwand 38 des Innenraums 22 und einer Außenfläche 40 des Dichteiementes 34. Hierdurch erwärmt sich sowohl das Gehäuse 10 als auch das Dichtelement 34. Wesentlich ist daher bei dieser Ausfuhrungsform, dass das Gehäuse 10 eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und an seiner Außenseite Kuhlrippen 42 vorgesehen sind. Zur Unterstützung der Kühlung können die Kuhlrippen 42 zusätzlich von Luft angeströmt werden. _ io -
Die mit dem Verdränger 26 verbundene Welle 28 ist mit einer Antriebseinrichtung 44 {Fig. 3), bei der es sich insbesondere um einen Elektromotor handelt, verbunden. Im dargestellten Ausfύhrungsbeispie! erfolgt die Lagerung der Welle über vorzugsweise als Wälzlager ausgebildete Lager 46, 48, die in dem Einiassdeckel 12 bzw. Auslassdeckei 14 angeordnet sind. Die Lager 46, 48 sind durch Deckel 50 gehalten und sind vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet, fettgeschmiert und gedichtet bzw. gedeckelt. Insbesondere auf der Anlassseite ist es vorteilhaft, zwischen dem Einlassdeckel 12 und der Welle 28 eine gut abdichtende Dichtung 52 anzuordnen, um zu vermeiden, dass ein Gasaustausch zwischen der Umgebung und dem zu evakuierenden Raum stattfindet. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn es sich bei dem zu evakuierenden Raum beispielsweise um einen Raum handelt, in dem eine HaSbieiterproduktion oder ähnliches durchgeführt wird. Die kontaktierenden Wellendichtungen können trockeniaufend oder fettgeschmiert ausgeführt sein. Bei kleinen Druckdifferenzen können auch Spaltdichtungen vorgesehen werden, Auch das einiasssettige Lager 48 kann durch eine kontaktierende Wellendichtung vom Prozessmedium im Schöpfraum getrennt werden.
Es ist ebenso möglich, das Dichtelement 34 in einer in dem Gehäuse 10 angeordneten Nut anzuordnen, wobei die auftretenden
Relativgeschwindigkeiten sodann zwischen dem Dichtelement und einer Außenseite des Verdrängers 26 auftreten. Die hier auftretende Wärme ist jedoch schwieriger abzuführen. Zur Wärmeabfuhr könnte beispielsweise ein hohler Vedränger vorgesehen sein.
Ferner ist es möglich, einen stationären Verdränger und ein rotierendes Gehäuse vorzusehen. Dabei wäre die Bohrung in dem Gehäuse exentrisch zur Drehachse, um die das Gehäuse dreht. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform (Fig. 2) sind ähnliche oder identische Bauteile mit den selben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet.
Das Gehäuse 10 ist entsprechend der Ausführungsform in Fig„ 1 ausgebildet und mit Gehäusedeckeln 12, 14 verschlossen. Das Gehäuse 10 weist ebenfalls eine zylindrische Öffnung auf, in der ein Verdränger 54 angeordnet ist. Entsprechend Fig. 1 weist der Verdränger 54 eine zylindrische Außenkontur auf, wobei in Nuten 36 ein wendelförmiges Dichtelement 34 angeordnet ist, so dass die Funktionsweise der zweiten Ausführungsform (Fig. 2) derjenigen in Fig. 1 dargestellten Ausfuhrungsform entspricht.
Um eine Verbindung zwischen den Lagern des Verdrängers 54 mit dem zu evakuierenden Raum, bzw. der Einlassöffnung 16 zu vermeiden, erfolgt in der dargestellten Ausführungsform die Anordnung der Lager innerhalb des Verdrängers 54. Hierzu weist der Verdränger 54 eine zylindrische Öffnung 60 auf, die in eine zylindrische Öffnung 62 mit kleinerem Durchmesser übergeht. Die Zylindrische Öffnung 60, 62 ist rotationssymmetrisch zum Verdränger 54 angeordnet und liegt somit auf der Mittelachse des Verdrängers 54, Der Öffnung 62 gegenüberliegend ist konzentrisch eine zylindrische Öffnung 64 vorgesehen, wobei die Öffnungen 62, 64 durch eine weiteren konzentrische Öffnung miteinander verbunden sind.
Eine Antriebswelie 66, die mehrfache Abstufungen aufweist, ist in den zylindrischen Öffnungen 60, 62 angeordnet und weist einen Gewindezapfen 68 auf, der in die Öffnung 64 ragt. Zum drehfesten Verbinden der WeNe 66 mit dem Verdränger 54 ist der Gewindezapfen 68 über eine Mutter 70 fixiert und ferner eine Passfeder 72 vorgesehen. Die Lager 56, 58 sind innerhalb des zylindrischen Hohlraums 60 des Verdrängers 54 auf der Außenseite der Welle 66 angeordnet. Ferner ist in der zylindrischen Öffnung 60 eine Hohlachse 74 vorgesehen, die die Lager 56, 58 trägt. Die Hohlachse 64 ist drehfest mit dem Deckel 14 verbunden. Zur Lagedefinition ist das Lager 56 mittels einer Feder 76 vorgespannt. Das Lager 58 ist durch einen Deckel 78 gehalten. - IZ -
Da die Lager innenliegeπd, bzw. auslassseitig angeordnet sind, besteht keine Verbindung zu dem zu evakuierenden Raum, so dass durch den herrschenden Unterdruck keine Schmiermittei aus den Lagern herausgesogen und ggf- in den zu evakuierenden Raum gelangen können.
Neben den in den Fig. 1 - 2 dargestellten Lagerungen der Verdränger 26, 54 können die Verdänger auch fliegend außerhalb des Gehäuses gelagert werden.
Die in Fig. 1 dargestellte zweiseitige Lagerung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein zwetflutiges System vorgesehen ist. Bei einer zweifiutigen Vakuumpumpe erfolgt das Ansaugen über einen in der Mitte angeordneten Ansaugstutzen, wobei das Gas sodann in beide Richtungen durch einen entsprechend ausgebildeten Verdränger zur Seite gefördert und seitlich aus zwei Ausiassöffnungen ausgestoßen wird. Ein derartiger Verdränger weist zwei Dichtelemente auf, die ebenfalls wendeiförmig ausgebildet sind und das Medium von dem mittig angeordneten Eiπlassstutzen jeweils nach außen transportieren. Bei einem zweifiutigen System mit zweiseitiger Lagerung sind die Lager jeweils auslassseitig angeordnet, so dass hierbei ebenfalls vermieden ist, dass Schmiermittel der Lager in den zu evakuierenden Raum gelangen.
Je nach Lageranordnung sind die Lager gegenüber den Förderräumen durch Wellendichtungen oder andere Dichtelemente abgedichtet.
Die in Fig. 3 dargestellte perspektivische Ansicht zeigt eine fertig montierte Vakuumpumpe mit einem als Elektromotor ausgebildeten Antriebselement 44. Gut sichtbar ist hierbei das Gehäuse 10 mit am Umfang verteilten, im Wesentlichen radial angeordneten Kühlrippen 42. Ferner ist der Einlass 16 und der Auslass 18 sichtbar. Die mit dem Verdränger 26 verbundene Welle 28 ist über einen Riementrieb 82 mit dem Elektromotor 44 verbunden. Die beiden Bauteile sind auf einer Grundplatte 80 angeordnet. Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung handelt es sich um eine äußerst kompakte und somit platzsparende Anordnung,
Hinsichtlich der Kinematik der unterschiedlichen möglichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist festzuhalten, dass die Drehachse vorzugsweise die Achse des Bauteils mit Nut ist. Sowohl die Bohrung als auch der Verdränger sind im Schnitt stets kreisförmig. Die Mittellinie des zylindrischen Verdrängers entspricht der Mittellinie der Achse, insbesondere der Drehachse des Verdrängers. Vorzugsweise ist bei den unterschiedlichen Ausführungsformen der Nutgrund immer konzentrisch zu dem Bauteil mit Nut,
Eine Verdichtung kann ferner auch dadurch erfolgen, dass eine Verringerung der Nutsteigung in Förderrichtung vorgesehen ist. Ferner ist auch eine zweistufige Ausgestaltung der Vakuumpumpe möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumpumpe zur Erzeugung eines Vakuums in einem Raum, mit
einem Gehäuse (10) mit einem zylindrischen Innenraum (22),
einem in dem Innenraum (22) exzentrisch angeordneten Verdränger (26, 54),
einem zwischen dem Verdräπger (26, 54) und einer Innenwand (38) des Gehäuses angeordneten wendeiförmigen Dichtelement (34) zur Ausbildung mindestens eines sichelförmigen Förderraums und
einer mit dem Gehäuse (10) oder dem Verdränger (26, 54) verbundenen Antriebseinrichtung (44) zum Erzeugen einer relativen Drehbewegung zwischen dem Gehäuse (10) und dem Verdränger (26),
wobei die Vakuumpumpe trockenlaufend ausgebildet ist.
2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (26, 54) konzentrisch gelagert ist.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trockenlauf durch geeignete Werkstoffpaarungen zwischen dem Dichtelement (34) und einer Gieitfläche (38) mit guten Gleiteigeπschaften, insbesondere durch Verwendung von Werkstoffpaarungen von PTFE und/ oder Peek und/ oder gegelättetem, annodisiertem Aluminium, realisiert ist.
4. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand (38) des Innenraums eine Rauhigkeit Rz von 0, 1 bis 5, vorzugsweise von 0,5 bis 2 aufweist.
5. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichteiement (34) in einer Nut (36) radial verschiebbar gehalten ist, wobei die Nut (36) im Gehäuse ( 10) oder im Verdräπger (26) angeordnet ist.
6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (36) beschichtet ist.
7. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 6, gekennzeichnet durch ein mit dem Gehäuse (10) verbundenes Kühlelement (42) zur Kühlung der Gehäuse-Innenwand (38).
8. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlelement an einer Außenseite des Gehäuses (10) angeordnete Kühlrippen (42) aufweist.
9. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 8, dadurch gekennzeichnet, dass Lager (56, 58) zum drehbaren Lagern des Gehäuses (10) oder des Verdrängers (54) angeordnet sind.
10. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (54) fliegend gelagert ist.
11. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger (54) innenliegende Lager (56, 58) aufweist.
12. Vakuumpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdränger einen Hohlraum (60) aufweist, in dem eine mit dem Verdränger (54) verbundene Antriebswelle (66) angeordnet ist.
13. Vakuumpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hohlraum (60) eine die Antriebswelle (66) umgebende Hohlachse (74) zur Lageraufnahme vorgesehen ist.
14. Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des Gehäuses (10) oder des Verdrängers (26, 54) auf 500 l/min, insbesondere auf 200 l/min begrenzt ist.
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