EP2461040B1 - Vakuumpumpe und Verbindung von Welle und Drehkolben - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Anspruchs.
• In sehr vielen industriellen Anwendungen, beispielsweise in der Chemie oder in der Beschichtungstechnik, sind zweiwellige Vakuumpumpen mit berührungslos aufeinander abwälzenden Kolben unverzichtbarer Bestandteil des Vakuumsystems. Es kann sich dabei um ein- oder mehrstufige Vakuumpumpen handeln, deren Kolben beispielsweise Wälzkolben- oder Klauenprofile aufweisen. Bei mehrstufigen Pumpen ist es durchaus üblich, für unterschiedliche Pumpstufen unterschiedliche Profile auszuwählen.
• Ein Gestaltungspunkt solcher Vakuumpumpen ist die Verbindung von Welle und Kolben. Grundsätzlich ist es möglich, Welle und Kolben aus einem Stück zu fertigen, dies bedingt jedoch Nachteile bei der Gehäusegestaltung, beispielsweise enge Fertigungstoleranzen. Daher werden Welle und Kolben oft als eigenständige Bauteile hergestellt, die dann aneinander befestigt werden müssen.
• Ein Beispiel für eine Befestigung eines Kolbens auf einer Welle stellt die EP 0 368 124 A1 vor. Die Grundidee ist hier, die Welle durch eine Bohrung im Kolben hindurchzustecken und durch Verspannen von Kegelflächen in Richtung der Wellenachse eine Klemmwirkung zu erzielen. Nachteilig ist hieran, dass Montage und Demontage insbesondere bei einer mehrstufigen Pumpen schwierig und aufwändig sind. Zudem beruht die Befestigung ausschließlich auf Reibschluss, so dass durch kleinste Montagefehler bereits eine Verdrehung des Kolbens im Betrieb verursachen kann. Dies kann zu einer gegenseitigen Berührung der Kolben in einer Stufe führen.
• Als alternative Lösung ist eine Passfeder bekannt. Der Kolben weist eine Bohrung auf, durch die die Welle hindurchgesteckt wird. Welle und Kolben besitzen jeweils Nuten, die deckungsgleich positioniert werden. In dem entstehenden Freiraum, der sich über Welle und Kolben erstreckt, wird ein Formschlusselement angeordnet. Die Nut muss kolbenseitig bis mindestens zu einer der Stirnflächen geführt sein, damit das Formschlusselement eingefügt werden kann. Nachteil dieser Lösung ist die komplizierte und daher teuere Herstellung. Dies resultiert letztlich daraus, dass die kolbenseitige Nut und das kolbenseitige Profil sehr exakt zueinander ausgerichtet werden müssen.
• Zum Stand der Technik ( DE 36 89 054 T2 ) gehört ein Rotorzusammenbau für eine Rootspumpe, bei der ein Drehkolben eine durch diesen axial hindurch ausgebildete Axialbohrung aufweist. Der Drehkolben und eine Lagerwelle besitzen an ihren axialmittigen Teilen jeweils Stiftbohrungen. In diesen Stiftbohrungen kann ein Verriegelungsstift angeordnet werden. Auch die JP 3 290082 stellt eine Methode zur Befestigung von Drehkörpern bzw. Kolben auf einer Welle mittels Stiften und Stiftbohrungen vor. Die bekannten Pumpen können dahingehend verbessert werden, dass die Montage des Stiftes einfacher wird.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Verbindung zwischen Kolben und Welle einer Vakuumpumpe zu schaffen, die kostengünstig herzustellen ist und eine leichte Montage und Demontage ermöglicht.
  Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Anspruchs. Vertieft werden diese Vorteile durch die in den Unteransprüchen 2 bis 10 angegebenen Gestaltungen.
  Es ist vorgesehen, dass eine Kolbenausnehmung als an der Kolbenprofilfläche beginnender Kanal geformt ist, sich ein erster Abschnitt eines Formschlusselements in einer Wellenausnehmung befindet und ein zweiter Abschnitt des Formschlusselements mit dem Kanal einen Formschluss in Richtung der Wellenachse und des Wellenumfangs bildet. Die Vakuumpumpe kann als ein- oder mehrstufige Vakuumpumpe mit berührungslos aufeinander abwälzende Kolben ausgeführt sein, beispielsweise mit Wälzkolben-, Schrauben oder Klauenprofil. Sie kann zudem Gaseinlässe in mehr als eine der Stufen aufweisen. Der Kolben kann ein- oder mehrteilig ausgeführt sein. Die Vakuumpumpe kann mehr als zwei Wellen aufweisen.
• Das Formschlusselement bildet einen Formschluss in Richtung von Wellenachse und Wellenumfang. Dies erlaubt ein sicheres und hochgenaues Positionieren des Kolbens in diesen beiden Richtungen. Ermöglicht wird dies durch den Kanal, durch welchen hindurch das Formschlusselement in Position gebracht werden kann. Das hochgenaue Fertigen von Nut mit Bezug auf das Kolbenprofil entfällt, so dass die Herstellung einfacher und kostengünstiger ist. Das verbesserte Positionieren des Kolbens vereinfacht Montage und Demontage. Es erlaubt zudem, engere Spalte zwischen dem Gehäuse der Vakuumpumpe und den Kolben beziehungsweise zwischen den Kolben untereinander vorzusehen. Dies verbessert die Leistungsfähigkeit der Vakuumpumpe, da unerwünschte Rückströmungen durch diese Spalte von Ausstoß- und Ansaugseite verringert werden. Der Querschnitt des Kanals ist grundsätzlich nicht eingeschränkt, ist vorteilhaft jedoch rund ausgeführt, so dass der Kanal kostengünstig als Bohrung gestaltet werden kann. Der erste Abschnitt weist vorzugsweise einen maximalen Durchmesser auf, der es erlaubt, das Formschlusselement durch den Kanal hindurch zu bewegen.
  Insbesondere ist es von Vorteil, ein Sicherungselement vorzusehen, welches das Formschlusselement im Kanal positioniert und fixiert. Dies erlaubt eine freie Gestaltung des Formschlusselements mit Blick auf die Krafteinleitung von Kolben in Formschlusselement beziehungsweise Formschlusselement in Welle. Eine solche Gestaltung umfasst ebene Flächen an Formschlusselement und Welle.
  Gemäß einer Weiterbildung sind mehrere Kolben entlang der Wellenachse auf der Welle angeordnet. Die Verbindung erlaubt es hier, die axialen Spalte zwischen Gehäuse der Vakuumpumpe und Kolben durch die einfach axiale Fixierbarkeit des Kolbens sehr genau einzustellen. Es ist zudem sehr einfach, die Kolben mit sehr geringem Winkelversatz zueinander zu positionieren, da sowohl die Wellenausnehmungen zueinander als auch Kolbenprofil und Kanal präzise zueinander orientiert hergestellt werden können.
• An Hand von Ausführungsbeispielen und deren Weiterbildungen soll die Erfindung näher erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden.
• Es zeigen:

Fig. 1:

Schematischer Schnitt durch eine Vakuumpumpe;

Fig. 2:

Schnitt durch Welle und Kolben, senkrecht zur Wellenachse gemäß einem Beispiel, welches nicht unter den beanspruchten Schutzumfang fällt ;

Fig. 3:

Schnitt durch Welle und Kolben entlang I-I';

Fig. 4:

Schnitt entlang II-II';

Fig. 5:

Schnitt durch Welle und Kolben senkrecht zur Wellenachse gemäß Ausführungsbeispiel;

Fig. 6:

Schnitt durch Welle und Kolben entlang III-III';

Fig. 7:

Schnitt entlang IV-IV';

Fig. 8:

perspektivische Darstellung des Passstiftes gemäß Ausführungsbeispiel.

Fig. 9:

Schnitt durch eine Weiterbildung des Passstifts gemäß Ausführungsbeispiel.

• Eine zweiwellige Vakuumpumpe mit berührungslos aufeinander abwälzenden Kolben zeigt Fig. 1 in einem Schnitt in der Ebene der Wellen. Im Gehäuse 2 der Vakuumpumpe 1 sind erste Welle 4 und zweite Welle 6 in Lagern 10 und 12 sowie 14 und 16 drehbar unterstützt. In der Regel handelt es sich um Wälzlager mit Fett- oder Ölumlaufschmierung. Ein Antrieb 18, beispielsweise ein Asynchronmotor oder bürstenloser Gleichstrommotor, versetzt die erste Welle in Drehung. An dem dem Antrieb gegenüberliegenden Ende der ersten Welle ist ein Synchronzahnrad 22 innerhalb eines Getrieberaumes 20 auf der Welle angeordnet. Es wirkt mit einem zweiten Synchronzahnrad 24 auf der zweiten Welle zusammen und versetzt diese in eine Drehung mit gleicher Drehzahl und fester Phase aber umgekehrtem Drehsinn.
• Die Vakuumpumpe weist einen Einlass 26 auf, durch den Gas in die erste Pumpstufe 30 angesaugt wird. Dort wirken ein erster, mit der ersten Welle verbundener Kolben 40 und ein zweiter, mit der zweiten Welle verbundener Kolben 42 gasfördernd zusammen. Zwischen Gehäuse und Kolben bildet sich ein Dichtspalt 38 aus, zwischen den beiden Kolben einer Pumpstufe ein Dichtspalt 38'. Der Leitwert dieser Dichtspalte bestimmt die Rückströmung gegen die Förderrichtung und damit die vakuumtechnischen Eigenschaften.
• Gas wird aus der ersten Pumpstufe ausgestoßen und mittels eines ersten Übergabekanals 52 an die zweite Pumpstufe 32 übergeben. In dieser wirken die Kolben 44 und 46 zusammen. Durch einen zweiten Übergabekanal 54 gelangt das Gas schließlich in die dritte Pumpstufe 34, wird dort von den Kolben 48 und 50 gefördert und letztlich über den Auslass 28 aus der Vakuumpumpe ausgestoßen. Die Zahl der Pumpstufen hängt von der Zielsetzung der Vakuumpumpe ab, beispielsweise Saugvermögen und insbesondere erreichbarem Enddruck. Die nachfolgend beschriebene Verbindung von Kolben und Welle ist bei einstufigen und mehrstufigen Vakuumpumpen einsetzbar, bringt bei mehreren Stufen jedoch zusätzliche Vorteile. Bei mehreren Stufen gilt es, die Spalte zwischen Kolben und Gehäuse der Vakuumpumpe auch bei thermischer Ausdehnung von Welle und Kolben möglichst eng einstellen zu können, wozu eine exakte Positionierbarkeit wichtig ist. Die im Folgenden beschriebene Verbindung erlaubt dies, da sie eine sehr gute axiale Positionierbarkeit der Kolben ermöglicht.
• Ein Beispiel, welches nicht unter den beanspruchten Schutzumfang fällt, ist in den Fig. 2 bis 4 in verschiedenen Ansichten gezeigt. In Fig. 2 ist ein Schnitt senkrecht zur Wellenachse 100 gezeigt, während Fig. 3 den Schnitt entlang der Linie I-I' zeigt. Einen Schnitt nach Linie II-II' zeigt schließlich Fig. 4.
• Wie in Fig. 2 dargestellt, weist der Kolben 40 ein zentrales Loch 58 auf, in welchem die Welle 4 aufgenommen ist. Der Kolben ist gemäß einer Wälzkolbengeometrie gestaltet und in der Fig. 2 mit einem etwa achtförmigen Querschnitt dargestellt. Entlang des Umfangs begrenzt die Kolbenprofilfläche 66 den Kolben. Ein ausgezeichneter Bereich des Kolbens ist der Kolbenkopf 68, der während einer Umdrehung auf einem Teil der Bahn zusammen mit dem Gehäuse und auf einem anderen Teil der Bahn zusammen mit dem zusammenwirkenden Kolben den Dichtspalt bildet. Von der Kolbenprofilfläche ausgehend ist ein Kanal 60 vorgesehen, der sich bis zum zentralen Loch erstreckt. Er kann vorteilhaft als Bohrung ausgeführt sein und ein Gewinde 64 aufweisen, welches mit einem Gegengewinde auf einem Formschlusselement 70 in Eingriff steht. Das Formschlusselement erstreckt sich mit einem zweiten Abschnitt 74 im Kanal und mit einem ersten Abschnitt 72 reicht es in die Wellenausnehmung 62 hinein. Der zweite Abschnitt bildet mit dem Kanal einen Formschluss sowohl in Richtung der Wellenachse 100 als auch in Umfangsrichtung 102, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist. In Richtung der Wellenachse bildet der erste Abschnitt einen Reibschluss mit der Wellenausnehmung, wodurch der Kolben axial auf der Welle fixiert ist. Wie in Fig. 4 im Detail dargestellt, ist die Ausdehnung 72 der Wellenausnehmung in Richtung der Wellenachse größer als die des ersten Abschnitts, der einen etwa runden Querschnitt besitzt.
• Vorzugsweise füllt das Formschlusselement den Kanal bis zum Kolbenkopf aus, so dass das im Kanal zwischen Formschlusselement und Kolbenprofilfläche enthaltene Totvolumen klein gehalten wird.
• Die Fig. 5 bis 8 stellen ein Ausführungsbeispiel dar. Es zeigt Fig. 5 einen Schnitt senkrecht zur Wellenachse 100 durch Kolben 40 und Welle 4. Ein Schnitt gemäß der Linie III-III' ist in Fig. 6 angegeben, während Fig. 7 den Schnitt nach der Linie IV-IV' aus Fig. 6 zeigt. Fig. 8 schließlich ist eine perspektivische und schematische Darstellung des Formschlusselements selbst.
• Kolben 40 und Welle 4 sind wie im ersten Beispiel gestaltet. Der Kolben besitzt eine Wälzkolbengeometrie mit einem grob achtförmigen Querschnitt und wird durch die Kolbenprofilfläche 66 gegenüber dem Schöpfraum begrenzt. Im Bereich des Kolbenkopfes, in welchem die Kolbenprofilfläche den größten Abstand zur Wellenachse 100 aufweist, beginnt ein Kanal 60, welcher vorzugsweise als Bohrung mit einer Kanalachse 104 und einem Innengewinde 64 gestaltet ist. Ein Formschlusselement 80 weist zwei Abschnitte auf, wobei der erste Abschnitt 82 einen Formschluss mit einer Wellenausnehmung 62 bildet. Der zweite Abschnitt 84 ist derart gestaltet und im Kanal angeordnet, dass er mit diesem einen Formschluss in Umfangsrichtung 102 und Richtung der Wellenachse 100 bildet.
• Auf der der Welle gegenüberliegenden Seite des Formschlusselements ist ein Sicherungselement 78 im Kanal angeordnet. Dieses Sicherungselement besitzt ein Gewinde, welches mit dem Gewinde des Kanals im Eingriff steht. Hierdurch wird eine Vorspannkraft auf das Formschlusselement erzeugt, die dieses gegen die Welle presst. Dies sorgt für einen Reibschluss, welcher eine Festlegung des Kolbens in axialer Richtung bewirkt. Die Wellenausnehmung besitzt eine Ausdehnung 76 in Richtung der Wellenachse, welche größer als die des ersten Abschnittes ist, so dass der Kolben vor Erzeugen der Vorspannkraft auf der Welle verschiebbar ist. Der erste Abschnitt bildet einen Formschluss in Umfangsrichtung 102. Das Sicherungselement verhindert außerdem die Verschiebung des Formschlusselements im Kanal durch die bei Drehung des Kolbens auftretenden Fliehkräfte.
• In einer Weiterbildung füllt das Sicherungselement den Kanal bis zum Kolbenkopf weitgehend aus, so dass das schädliche Volumen klein gehalten wird, in welchem Gas eingeschlossen und von Ausstoß- zu Ansaugseite transportiert wird.
• Die perspektivische Darstellung in Fig. 8 erläutert weitere Details des Formschlusselements gemäß Ausführungsbeispiel.
• Im ersten Abschnitt 82 weist das Formschlusselement ebene Kontaktflächen 94 und 94' auf, welche im montierten Zustand mit der Wellenausnehmung zusammenwirken. Vorteilhaft ist es, die Kontaktfläche parallel zu einer durch Kanalachse 104 und Wellenrichtung 100 aufgespannten Ebene und parallel zueinander auszurichten. Hierdurch ergibt sich ein flächiger Kontakt zwischen erstem Abschnitt und Wellenausnehmung, wobei die einwirkenden Kräfte im wesentlichen senkrecht auf der Ebene stehen und in Umfangsrichtung 102 wirken. Die Flächenpressung auf das Material ist im Vergleich zu einem Linienkontakt deutlich geringer, was die Langzeitstabilität der Verbindung verbessert, da plastische Verformung unter Dauerlast verhindert wird. Eine Fase 92 an einer unteren Stirnfläche 96 erleichtert die Montage, da ein Verkanten verhindert wird. Die untere Stirnfläche bildet im montierten Zustand einen Reibschluss mit der Wellenausnehmung. Die Kontaktflächen sorgen für einen Formschluss in Umfangsrichtung und einen Reibschluss in Wellenrichtung.
• Alternativ können die Kontaktfläche 94 und 94' eben sein und einen spitzen Winkel miteinander bilden. Zwar entsteht eine eher linienartige Pressung zwischen Wellenausnehmung und Kontaktflächen, dafür ist die Montage erleichtert. Sollten die vakuumtechnischen Anforderungen eine geringe dynamische Belastung der Verbindung von Welle und Kolben erlauben, kann der Montagevorteil den Pressungsnachteil überwiegen. In einer Weiterbildung sind diejenigen Flächen der Wellenausnehmung, die im montierten Zustand die Kontaktflächen berühren, parallel zu diesen ausgeführt. Es bildet sich im montierten Zustand ein Reibschluss aus, der das Formschlusselement und darüber den Kolben in axialer Richtung fixiert.
• Der zweite Abschnitt 84 ist als zylindrischer Körper gestaltet. Ein obere Stirnfläche 86 steht im montierten Zustand mit dem Sicherungselement in Berührung. Hier ist eine Bohrung mit einem Innengewinde 88 vorgesehen, welches durch den Kanal zugänglich ist. Somit kann das Formschlusselement mittels eines mit diesem Innengewinde in Eingriff stehendem Werkzeug sehr leicht montiert und wieder demontiert und dem Kanal entnommen werden. Sowohl Herstellung als auch Trennen der Verbindung von Welle und Kolben werden erheblich vereinfacht. Eine Fase 90 zwischen oberer Stirnfläche und Zylinder unterstützt dies, in dem sie ein Verkanten und Verklemmen im Kanal insbesondere während der Demontage verhindert.
• Der erste Abschnitt 82 kann weitere Ausgestaltungen erfahren. So sind Kegelspitze, Kegelstumpf, Keil und Keilstumpf günstige Gestaltungen. Inbesondere kann eine Kegel- oder Keilspitze verwendet werden, um im Grund der Wellenausnehmung über den Anpressdruck einen plastischen Eindruck zu hinterlassen, der eine axiale Verschiebung durch Formschluss verhindert.
• Im Falle einer zylindrischen oder kegelstumpfförmigen Ausgestaltung kann der Formschluss auch durch die Gestaltung gemäß Fig. 9 geschaffen werden. Die untere Stirnfläche 96 des ersten Abschnitts 82 des Formschlusselements 80 weist eine Schneidkante 98 auf. Durch Vorspannen des Formschlusselements im Kanal schneidet diese Schneidkante in die Wellenausnehmung und bildet so einen Formschluss.
• Für beide Beispiele gilt, dass der Kanal vorzugsweise im Bereich des Kolbenkopfs beginnt. Er kann derart von dem Punkt mit dem größten Abstand zur Wellenachse versetzt sein, dass er nicht im engsten Bereich des Dichtspalts zu liegen kommt. Hierdurch wird der Einfluss auf die vakuumtechnischen Eigenschaften des Kolbens verringert.
• Beide Beispiele sind vorteilhaft für mehrstufige Vakuumpumpen. Aufgrund von Fertigungstoleranzen kann im Stand der Technik ein Winkelversatz zwischen den Kolben auf einer Welle auftreten, d.h. die Kolben 40, 44 und 48 sind zueinander verdreht auf der Welle befestigt. Dies verschlechtert die Spalte. Die Verbindung gemäß der Ausführungsbeispiele verhindert dies, da ein Kanal, insbesondere eine Bohrung, mit sehr geringen Toleranzen und Verdrehspiel relativ zu dem Kolbenprofil positioniert werden kann. Gleiches gilt für eine Mehrzahl von axial zueinander versetzten Wellenausnehmungen.

Claims (10)

1. Vakuumpumpe (1) mit einer Welle (4, 6), aufweisend eine Wellenachse (100) und einen Wellenumfang (102), einem Kolben (40, 42, 44, 46, 48, 50), aufweisend eine Kolbenprofilfläche (66) und ein Loch (58) zur Aufnahme der Welle, einer auf der Welle vorgesehenen Wellenausnehmung (62), einer im Kolben vorgesehenen Kolbenausnehmung, und einem Formschlusselement (80), welches sich mit einem ersten Abschnitt (82) in der Wellenausnehmung und einem zweiten Abschnitt (84) in der Kolbenausnehmung befindet, bei der die Kolbenausnehmung als an der Kolbenprofilfläche beginnender Kanal (60) geformt ist und der zweite Abschnitt mit dem Kanal (60) einen Formschluss in Richtung der Wellenachse (100) und des Wellenumfangs (102) bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschlusselement ein durch den radialen Kanal zugängliches Innengewinde (88) aufweist.
2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenausnehmung eine größere Ausdehnung (76) entlang der Wellenachse als der erste Abschnitt besitzt, so dass der erste Abschnitt entlang der Wellenachse in der Wellenausnehmung verschiebbar ist.
3. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sicherungselement (78) vorgesehen ist, welches das Formschlusselement fixiert und eine senkrecht zur Wellenachse stehende Druckkraft auf das Formschlusselement ausübt.
4. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt ebene und zueinander und zu einer durch eine Kanalachse (104) und der Wellenachse (100) aufgespannten Ebene parallele Kontaktflächen (94, 94') umfasst.
5. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Formschlusselement eine untere Stirnfläche (96) aufweist, die mit einer Grundfläche der Wellenausnehmung einen Reibschluss bildet.
6. Vakuumpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf der unteren Stirnfläche (96) eine Schneidkante (98) vorgesehen ist.
7. Vakuumpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (82) ebene und einen spitzen Winkel miteinander bildende Kontaktflächen umfasst.
8. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenprofilfläche ein Wälzkolbenprofil besitzt.
9. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Welle mehrere Kolben (40, 42, 44, 46, 48) angeordnet sind.
10. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (60) als Bohrung ausgeführt ist.

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