EP3045728B1

EP3045728B1 - Spiralvakuumpumpe

Info

Publication number: EP3045728B1
Application number: EP15186607.6A
Authority: EP
Inventors: Armin Conrad
Original assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Current assignee: Pfeiffer Vacuum GmbH
Priority date: 2014-11-27
Filing date: 2015-09-24
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2035-09-24
Also published as: DE102014117400A1; EP3045728A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiralvakuumpumpe.
Spiralvakuumpumpen, auch Scrollpumpen oder Spiralfluidfördereinrichtungen genannt, sind Vakuumpumpen, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Eine Spiralvakuumpumpe besteht aus zwei ineinander gesteckten Spiralzylindern (archimedische Spiralen). Eine dieser Spiralen steht fest, die andere bewegt sich über einen Exzenterantrieb (Exzentergetriebe, Exzenterwelle) auf einer kreisförmigen Bahn. Man spricht von einer zentralsymmetrischen Oszillation ("Wobbein"). Zwischen den Spiralen entstehen so einzelne abgeschlossene halbmondförmige Hohlräume, die ihr Volumen nach innen immer weiter verkleinern. Dadurch wird das zu pumpende Fluid, beispielsweise Gas, außen angesaugt, innerhalb der Pumpe verdichtet und über eine Öffnung in der Spiralmitte ausgestoßen.
Die Höhe der Spiralwände, deren Abstand sowie die Drehzahl definieren die Saugleistung einer Spiralvakuumpumpe.
Die oszillierende Bewegung der bewegten Spirale wird in der Praxis häufig durch eine Exzenterwelle erzeugt. Die bewegbare Spirale umkreist dabei die Achse der Antriebswelle, wenn die Antriebswelle dreht. Die bewegbare Spirale muss daran gehindert werden, sich um die eigene Achse zu drehen. Hierzu sind häufig ein bis drei Drehverhinderungsmechanismen vorgesehen. Eine derartige Scrollpumpe ist zum Beispiel aus dem Stand der Technik ( DE 199 14 770 A1 ) bekannt. Diese zum Stand der Technik gehörende Scrollpumpe weist den Nachteil auf, dass die Pumpe einen relativ großen Bauraumbedarf aufweist, da der Antrieb für die Welle als gesonderter Motor ausgebildet ist.
Zum Stand der Technik ( EP 0 798 463 A2 ) gehört eine Scrollpumpe, die ebenfalls einen großen Bauraumbedarf aufweist.
Darüber hinaus gehört zum Stand der Technik ( US 5,123,818 A ) ein Kompressor für einen Kühlschrank. Der Kompressor weist zwei Scrollscheiben auf, die ineinandergreifend ausgebildet sind. Zwischen den beiden Scrollscheiben ist der Elektromotor mit einem rotierenden Läufer angeordnet. Die Scrollscheiben werden über eine Drehsicherung an einer Rotation gehindert. Diese zum Stand der Technik gehörende Vorrichtung baut sehr groß, da der zwischen den Scrollscheiben angeordnete Motor einen hohen Platzbedarf aufweist.
Weiterhin gehört zum Stand der Technik (JPH01 219378 A) ein Kompressor, der eine Scrollscheibe aufweist, die ebenfalls über einen Rotor eines Elektromotors angetrieben wird. Da der Motor außerhalb der Scrollscheibe angeordnet ist, ist die Baulänge dieser Vorrichtung ebenfalls sehr groß.
Das der Erfindung zugrunde liegende technische Problem besteht darin, eine Spiralvakuumpumpe anzugeben, deren Pumpleistung gegenüber dem Stand der Technik bei kleinem Bauraumbedarf der Pumpe erhöht wird. Darüber hinaus soll eine Spiralvakuumpumpe angegeben werden, die preiswert in der Herstellung bei zuverlässigem und dauerhaftem Betrieb ist.
Dieses technische Problem wird durch eine Spiralvakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Spiralvakuumpumpe mit einer feststehenden ersten Spirale und einer darin eingreifenden orbitierenden zweiten Spirale, wobei die erste Spirale an einen Stator angeordnet ist und wobei die zweite Spirale an einer orbitierenden Scheibe angeordnet ist, wobei wenigstens ein Stator und wenigstens zwei orbitierende Scheiben vorgesehen sind, wobei zum Antrieb ein Elektromotor vorgesehen ist, der in und/oder an wenigstens einer orbitierenden Scheibe und korrespondierend zu der wenigstens einen Scheibe in der Spiralvakuumpumpe integriert ist, der als ein in aktiviertem Zustand eine orbitierende Bewegung der Scheibe relativ zum Stator und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale bezüglich der ersten Spirale bewirkender Elektromotor ausgebildet ist und bei der die Spiralvakuumpumpe wenigstens zweistufig ausgebildet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass die wenigstens zwei orbitierenden Scheiben winkelversetzt zueinander angeordnet sind.
Durch die zweistufige Ausbildung ist zum einen gewährleistet, dass die Pumpleistung der Pumpe deutlich erhöht wird.
Ist gemäß der Erfindung ein Stator vorgesehen und beidseitig des Stators sind zwei orbitierende Scheiben angeordnet, findet ein Massenausgleich statt, wenn die Scheiben beispielsweise diametral gegenüberliegend angeordnet werden.
Wesentlich ist, dass durch die Anordnung von einem Stator mit mehreren Scheiben oder mehreren Statoren mit wenigstens zwei Scheiben die Leistung der erfindungsgemäßen Spiralvakuumpumpe deutlich erhöht werden kann. Hierbei wirkt sich vorteilhaft aus, dass in dem wenigstens einen Stator und der wenigstens einen orbitierenden Scheibe der Elektromotor integriert ist, da hierdurch ein einfacher Aufbau der Spiralvakuumpumpe möglich ist.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens zwei orbitierenden Scheiben winkelversetzt zueinander angeordnet sind. Durch diese Anordnung ist es möglich, Unwuchten oder auch gasdynamische Kräfte beim Antrieb der Scheiben zu vermeiden.
Die Lagerung der wenigstens einen orbitierenden Scheibe mittels der wenigstens zwei im Stator kugelgelagerten Wellen weist den Vorteil auf, dass die beiden Wellen einen Drehverhinderungsmechanismus darstellen, ohne dass zusätzliche Drehverhinderungsmechanismen vorgesehen sein müssen. Darüber hinaus ist die Kugellagerung der Wellen zusätzliche Drehverhinderungsmechanismen vorgesehen sein müssen. Darüber hinaus ist die Kugellagerung der Wellen eine relativ verschleißarme und sehr zuverlässige Art der Lagerung.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens zwei orbitierende Scheiben mit jeweils einer Spirale vorgesehen sind und dass der Stator wenigstens zwei Spiralen aufweist und dass die Spiralen des Stators und die Spiralen der zwei orbitierenden Scheiben ineinander eingreifend angeordnet sind.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass es sich hierbei um ein zweistufiges Pumpsystem handelt, wodurch die Leistung der erfindungsgemäßen Spiralvakuumpumpe vergrößert wird. Die Pumpstufen können in Parallel- oder Reihenschaltung angeordnet sein.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Stator scheibenförmig ausgebildet und dass auf beiden Grundflächen der Scheibe des Stators jeweils eine Spirale angeordnet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass ein zweistufiges Pumpsystem mit einem Stator und zwei orbitierenden Scheiben ausgebildet werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass wenigstens zwei Statoren vorgesehen sind. Hierdurch lassen sich noch weitere Pumpstufen aufbauen.
Es besteht auch die Möglichkeit, dass zwischen den Statoren jeweils eine orbitierende Scheibe angeordnet ist und dass die Scheibe auf beiden Grundflächen jeweils eine Spirale aufweist. Hierdurch erhält man ein zweistufiges Pumpsystem, welches durch Anordnung weiterer Scheiben zu einem drei- oder vierstufigen Pumpsystem ausgebaut werden kann.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, die wenigstens zwei Scheiben radialsymmetrisch zueinander anzuordnen. Das bedeutet, dass die wenigstens zwei Scheiben derart angeordnet sind, dass der Schwerpunkt sämtlicher Scheiben zusammengenommen im Zentrum des wenigstens einen Stators, beziehungsweise axial versetzt zum Zentrum des wenigstens einen Stators angeordnet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei orbitierende Scheiben vorgesehen sind, die in Bezug auf die Rotationsachse diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass keine Unwuchten auftreten, sondern ein Massenausgleich stattfindet. Unwuchten würden eine besondere Beanspruchung der Lager nach sich ziehen. Das Gesamtsystem ist vorteilhaft nach außen ausgewuchtet.
Eine vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass in und/oder an der wenigstens einen Spiralvakuumpumpe statorseitig Permanentmagnete und in und/oder an der wenigstens einen orbitierenden Scheibe Elektromagnete angeordnet sind, oder umgekehrt. Durch diese Ausführungsform wird der platzsparende Elektromotor gebildet.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass in und/oder an der Spiralvakuumpumpe Elektromagnete angeordnet sind und die orbitierende Scheibe als Reluktanzläufer ausgebildet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass sie besonders einfach und preiswert aufgebaut ist.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Pumpstufen der Spiralvakuumpumpe parallel und/oder in Reihe geschaltet sind.
Bei der Serienschaltung wird die Kompression durch das Produkt der einzelnen Kompressionen der einzelnen Pumpstufen bestimmt, das bedeutet: $K_{Ges} = \prod_{i = 1}^{n} K_{0 i}$
und das gesamte Saugvermögen ist $S_{Ges} = 1 \cdot S_{0}$
mit K _0i = Kompression der einzelnen Pumpstufen
und S ₀ = Saugvermögen der einzelnen Pumpstufen.
Bei einer Parallelschaltung ist $K_{Ges} \approx K_{0}$
$S_{Ges} = n \cdot S_{0}$
mit n = Anzahl der Pumpstufen,
mit K ₀ = Kompression der einzelnen Pumpstufen.
Eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass auf oder an jeder Welle jeweils zwei orbitierende Scheiben angeordnet sind.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass jeweils eine durch den Stator greifende Welle vorgesehen ist, die auf beiden Seiten des scheibenförmigen Stators jeweils eine orbitierende Scheibe trägt. Hierbei sind die Wellen in Kugellagern oder Gleitlagern im Stator gelagert.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Welle wenigstens einen Versatz aufweist. Durch diesen Versatz wird die orbitierende Bewegung der Scheiben erreicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die wenigstens eine Welle einen im Stator angeordneten Wellenabschnitt aufweist und dass ein in der orbitierenden Scheibe angeordneter Wellenabschnitt axial versetzt zu dem in dem Stator angeordneten Wellenabschnitt ausgebildet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass für die orbitierende Bewegung der Scheibe kein gesonderter Exzenter erforderlich ist, sondern dass die Wellen, die zur Lagerung der orbitierenden Scheiben dienen, gleichzeitig die Exzentrizität bestimmen.
Durch die Anordnung von zwei oder mehr Wellen, vorzugsweise drei Wellen, ist gleichzeitig eine Verdrehsicherung der orbitierenden Scheibe gegeben.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass die Wellen einen im Stator angeordneten ersten Wellenabschnitt aufweisen und dass ein in einer ersten orbitierenden Scheibe angeordneter zweiter Wellenabschnitt axial versetzt zu dem in dem Stator angeordneten Wellenabschnitt ausgebildet ist und dass ein in einer zweiten orbitierenden Scheibe angeordneter dritter Wellenabschnitt versetzt zu den ersten beiden Wellenabschnitten ausgebildet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform sind zwei orbitierende Scheiben einem Stator zugeordnet. Die axial versetzten Wellenabschnitte gewährleisten, dass die Scheiben vorteilhaft diametral gegenüberliegend sich orbitierend relativ zu dem Stator bewegen. Durch die Anordnung von wenigstens zwei, vorzugsweise drei Wellen, ist ein Schutz gegen ein Verdrehen der Statorscheiben gewährleistet.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass wenigstens eine Drehverhinderungsvorrichtung vorgesehen ist. Ist die wenigstens eine orbitierende Scheibe lediglich mit einer Welle gelagert, besteht grundsätzlich die Möglichkeit, dass sich die orbitierende Scheibe um die eigene Achse dreht, was nicht erwünscht ist, da der ordnungsgemäße Eingriff der Spiralen des feststehenden Teiles und der orbitierenden Scheibe gewährleistet sein muss. Aus diesem Grunde ist es sinnvoll, eine Drehverhinderungsvorrichtung einzusetzen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Drehverhinderungsvorrichtung als wenigstens ein Wellbalg ausgebildet. Die orbitierende Scheibe und damit die bewegbare Spirale müssen daran gehindert werden, sich um die eigene Achse zu drehen. Dies kann über einen Wellbalg erfolgen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an Stirnflächen der wenigstens einen Spirale eine Dichtung vorgesehen. An den Stirnflächen, das heißt auf der Oberseite der Spiralwände, erfolgt meist eine Dichtung zur Gegenfläche. Diese Dichtung ist vorteilhaft aus Kunststoff gebildet. Es können auch andere Materialien vorgesehen sein. Bevorzugt werden Mischungen aus verschiedenen Kunststoffen eingesetzt. Vorteilhaft weisen die Dichtungen einen rechteckigen Querschnitt (so genanntes "Tip Seal") auf. Mit zunehmender Betriebsdauer verschleißt die Dichtung. Damit die Dichtwirkung auch bei zunehmendem Verschleiß gewährleistet ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dichtung als eine nachführbare Dichtung ausgebildet ist. Besonders vorteilhaft ist die Dichtung auf einem elastischen Trägermaterial angeordnet. Ist ein elastisches Trägermaterial, beispielsweise ein Schaum unterhalb der Dichtung angeordnet, wird durch die Elastizität des Trägermaterials die Dichtung nachgeführt und die Vorspannung bleibt auch bei fortgeschrittenem Verschleiß erhalten. Es besteht auch die Möglichkeit, dass die Dichtung als eine aufgrund eines Gasdruckes nachführbare Dichtung ausgebildet ist. Weist die Dichtung einen rechteckförmigen Querschnitt auf, kann aufgrund eines Gasdruckes eines in einem Spalt angeordneten zu fördernden Gases die Dichtung mit der erforderlichen Anpresskraft an die Gegenfläche angepresst werden.
Auf der Gegenfläche oder der korrespondierenden Fläche ist vorteilhaft eine so genannte Hardcoat-Beschichtung angeordnet. Es handelt sich hierbei um eine Beschichtung, die besonders hart ausgebildet ist und die vorteilhaft eine glatte Oberfläche aufweist, damit der Verschleiß der weichen Oberfläche der Spirale oder einer in der Spirale angeordneten Dichtung möglichst gering bleibt. An Stelle der Hardcoat-Beschichtung kann auch eine andere harte Beschichtung vorgesehen sein.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Dichtung an einer Stirnfläche wenigstens eine Struktur auf. Derartige Strukturen sind vorteilhaft in der Stirnfläche der Dichtungen angeordnet. Die Strukturen können beispielsweise einen sägezahnartigen Querschnitt oder auch schwalbenschwanzförmige Querschnitte aufweisen.
Zwischen diesen Dichtungen und der Gegenfläche verbleiben geringe Spalte. Die Ausbildung der Strukturen und die Ausbildung von sehr geringen Spalten zwischen der Dichtung und der Gegenfläche bewirken ebenfalls eine Dichtwirkung.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die Dichtung als eine mit der Gegenfläche einen Spalt bildende Dichtung ausgebildet ist. Diese Art der Dichtung ist in vielen Fällen ausreichend, wenn der Spalt klein genug gewählt wird. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass dadurch, dass zwischen der Dichtung und der Gegenfläche ein Spalt verbleibt, kein Verschleiß der Dichtung auftritt.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Kühlvorrichtung vorgesehen ist. Die Kühlvorrichtung dient der Kühlung der wenigstens einen Pumpstufe.
Durch die Relativbewegung der Spiralen zueinander und der damit verbundenen Reibung entsteht in Verbindung mit der Kompression des Gases eine nicht unerhebliche Abwärme. Hohe Temperaturen tragen zu einem erhöhten Verschleiß der Dichtung bei. Daher wird die Wärme vorteilhaft über eine erzwungene Konvektion (Lüfter) von der Spirale weggeführt. Die Erwärmung der Bauteile und die damit verbundene Wärmedehnung muss bei der Auslegung der Spalte zwischen den Spiralen berücksichtigt werden.
Es besteht auch die Möglichkeit, insbesondere in dem Fall, dass dem Stator auf beiden Grundflächen eine Spirale zugeordnet ist und eine Kühlung über Konvektion wegen der schwierigen Zugänglichkeit schlecht möglich ist, beispielsweise in dem Stator Kanäle vorzusehen, durch die ein Kühlmittel geleitet wird. Diese Art der Kühlung kann beispielsweise mit einer Kühlung über eine erzwungene Konvektion der orbitierenden Spiralen kombiniert werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist an der Auslassseite wenigstens ein Rückschlagventil angeordnet. Dieses verhindert ein Zurückbelüften der Pumpe nach dem Abschalten des Antriebes. Hierdurch kann auch ein Drehen der Spirale entgegen der festgelegten Drehrichtung vermieden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass wenigstens ein Gasballastventil vorgesehen ist. Hierdurch wird von der Atmosphärenseite Gas in den Pumpraum gepumpt, um eine Kondensation des Gases zu vermeiden. Vorteilhaft wird der Gasballast durch den Stator zugeführt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Stator einen ersten Ring aufweist und dass die orbitierende Scheibe einen zweiten Ring aufweist und dass in dem ersten Ring und in dem zweiten Ring ein Elektromotor integriert ist, der als ein in aktiviertem Zustand eine orbitierende Bewegung des ersten Ringes relativ zum zweiten Ring und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale bezüglich der ersten Spirale bewirkender Elektromotor ausgebildet ist.
Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass der Elektromotor in den beiden Ringen untergebracht werden kann, ohne die Spirale baulich zu behindern.
Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Stator einen Ring aufweist und dass in dem Ring und in der orbitierenden Scheibe der Elektromotor integriert ist, der als ein im aktivierten Zustand eine orbitierende Bewegung der Scheibe relativ zu dem Ring und damit orbitierende Bewegung der zweiten Spirale bezüglich der ersten Spirale bewirkender Elektromotor ausgebildet ist. Diese Ausführungsform weist den Vorteil auf, dass an der orbitierenden Scheibe kein zusätzlicher Ring angeordnet werden muss, sondern die Magnete in der Scheibe, beispielsweise am äußeren Rand integriert sind. Der Ring des Stators ist vorteilhaft am Außendurchmesser des Stators angeordnet, derart, dass der Ring die orbitierende Scheibe umschließt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der zugehörigen Zeichnungen, in denen verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Spiralvakuumpumpe nur beispielhaft dargestellt sind, ohne die Erfindung auf diese Ausführungsbeispiele zu beschränken. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1: einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer Spiralvakuumpumpe;
Fig. 2: einen Längsschnitt durch eine zweiflutige Spiralvakuumpumpe in Parallelschaltung;
Fig. 3: einen Längsschnitt durch eine zweistufige Spiralvakuumpumpe mit Reihenschaltung;
Fig. 4: einen Längsschnitt durch eine zweiflutige Spiralvakuumpumpe;
Fig. 5: einen Längsschnitt durch eine zweiflutige und zweistufige Spiralvakuumpumpe mit insgesamt vier Stufen;
Fig. 6: einen Längsschnitt durch eine zweiflutige Spiralvakuumpumpe;
Fig. 7: einen Längsschnitt durch verschiedene Dichtungsstrukturen;
Fig. 8: eine Ansicht eines Stators mit zwei orbitierenden Scheiben.

Fig. 1 zeigt eine Spiralvakuumpumpe 1 mit einer ersten Stufe 2 und einer zweiten Stufe 3. Die erste Stufe 2 besteht aus einer orbitierenden Scheibe 4 und einem Stator 5. Die orbitierende Scheibe 4 trägt eine Spirale 6. Der Stator 5 trägt eine Spirale 7. Die Spiralen 6 und 7 sind ineinandergreifend angeordnet. Die Spirale 6 dichtet zu dem Stator 5 ab. Der Stator 5 kann hierzu eine so genannte Hardcoat-Beschichtung oder eine andere harte Beschichtung an einer Gegenfläche 8 aufweisen. Die orbitierende Scheibe 4 ist in drei Wellen 9, von denen in Fig. 1 lediglich zwei Wellen dargestellt sind, orbitierend gelagert. Die Wellen 9 sind in einem Stator 10 mittels Kugellagern 11 drehbar gelagert.
Die zweite Stufe 3 weist ebenfalls eine orbitierende Scheibe 12 sowie einen Stator 13 auf. Die Scheibe 12 trägt eine Spirale 14, der Stator 13 trägt eine Spirale 15. Die Spiralen 14, 15 sind ebenfalls ineinandergreifend angeordnet. Die orbitierende Scheibe 12 ist mittels der Wellen 9 in der Statorscheibe 10 kugelgelagert. Die Wellen 9 weisen einen Wellenabschnitt 16 auf, der in dem Stator 10 gelagert ist. Die Wellen 9 weisen darüber hinaus jeweils zwei Wellenabschnitte 17, 18 auf, die einen Versatz zu dem Wellenabschnitt 16 aufweisen. Durch den Versatz 17, 18 wird die orbitierende Bewegung der Scheiben 4, 12 verursacht.
Der Antrieb der orbitierenden Bewegung erfolgt mittels eines Elektromotors, der aus einem Motorstator 19 und Motororbiter 20 besteht. Der Motororbiter 20 besteht gemäß Fig. 1 aus Permanentmagneten. Der Motorstator 10 weist erregbare Elektromagnete auf, die bei entsprechender Bestromung die orbitierende Bewegung der Scheiben 4, 12 und damit der Spiralen 6, 14 bewirken. Wird dabei der Elektromotor, das heißt die Elektromagnete 19 desselben bestromt, so wirkt der Elektromotor als Antrieb, so dass das in den Zwischenräumen zwischen den beiden Spiralen 6, 7; 14, 15 angeordnete Gas komprimiert wird. Das Gas wird von einem Einlass 21 jeder Stufe 2, 3 zu einem Auslass 22 transportiert und hierbei komprimiert.
Zur Abdichtung von Pumpräumen 23 ist in jeder Pumpstufe jeweils ein Wellbalg 24 vorgesehen. In den Auslässen 22 ist jeweils ein Rückschlagventil 25 angeordnet. Das Rückschlagventil 25 verhindert ein Zurückbelüften der Spiralvakuumpumpe 1 nach dem Ausschalten des Antriebes 18, 19. Somit kann ein Drehen der Spiralen 6, 7; 14, 15 entgegen der festgelegten Drehrichtung vermieden werden.
Darüber hinaus ist ein Gasballastventil 26 in jeder Pumpstufe vorgesehen. Durch das Gasballastventil 26 wird von Atmosphärenseite in den Pumpraum 23 Gas gepumpt, um eine Kondensation des zu pumpenden Gases zu vermeiden.
Durch die Relativbewegung der Spiralen 5, 6; 14, 15 und der damit verbundenen Reibung entsteht in Verbindung mit der Kompression des Gases eine nicht unerhebliche Abwärme. Hohe Temperaturen tragen zu einem erhöhten Verschleiß der Bauteile, insbesondere von Dichtungen (in Fig. 1 nicht dargestellt) zwischen der Spirale 6 und der Gegenfläche 8 sowie der Spirale 14 und der Gegenfläche 27 bei. Aus diesem Grunde sind Lüfter 28, die lediglich schematisch dargestellt sind, vorgesehen, um die Wärme über eine erzwungene Konvektion abzuführen.
Da die orbitierenden Scheiben 4, 12 mittels drei Wellen 9 gelagert sind, wird keine Drehverhinderungsvorrichtung benötigt. Die Wellbalge 24 dienen lediglich zur Abdichtung der Pumpräume 23.
Die Wellen 9 sind über Kugellager 11 drehbar in den Scheiben 4, 12 gelagert.
Der Elektromotor 19, 20 kann auch derart aufgebaut sein, dass der Motororbiter 20 aus einem weichmagnetischen Material, beispielsweise Eisen besteht. Die im Motorstator 19 angeordneten Elektromagnete können beispielsweise als Spulen ausgebildet sein. Grundsätzlich besteht auch die Möglichkeit, die Motororbiter 20 aus Elektromagneten zu bilden und den Motorstator 19 beispielsweise aus Permanentmagneten oder aus einem weichmagnetischen Material.
Fig. 2 zeigt eine Vakuumpumpe 1, die als zweiflutige Pumpe ausgebildet ist. Die Pumpe 1 ist lediglich schematisch dargestellt. Die Pumpe 1 weist einen Stator 10 auf, in dem die Welle 9 mittels der Kugellager 11 drehbar angeordnet ist. Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist lediglich eine Welle 9 vorgesehen, um die orbitierenden Scheiben 4, 12, die die Spiralen 6, 14 tragen, drehbar zu lagern. Da lediglich eine Welle 9 vorgesehen ist, dienen die Wellbalge 24 als Drehverhinderungsmechanismus, damit die orbitierenden Scheiben 4, 12 sich nicht um die eigene Achse verdrehen.
Die Pumpe 1 gemäß Fig. 2 weist einen Einlass 21 auf. Das Gas wird durch die Pumpstufen 2, 3 in Richtung des jeweiligen Auslasses 22 gefördert und dort ausgestoßen.
Zur Kühlung der Statoren 5, 12 können wiederum Lüfter (in Fig. 2 nicht dargestellt) vorgesehen sein. Zusätzlich sind in der Statorscheibe 10 Kanäle 29 ausgebildet, durch die ein Kühlmedium zum Abtransport der Abwärme geführt werden kann.
Die Pumpe gemäß Fig. 2 ist als zweiflutige Pumpe mit einer Parallelschaltung ausgebildet.
Fig. 3 zeigt die Pumpe 1, die als zweistufige Pumpe mit einer Reihenschaltung ausgebildet ist. Die Pumpe 1 mit ihren Bauteilen ist lediglich schematisch dargestellt. Da lediglich das Prinzip der Reihenschaltung dargestellt werden soll, sind weder Welle noch Antrieb dargestellt. Die Pumpe 1 gemäß Fig. 3 weist einen Einlass 21 auf. Das Gas wird von der Pumpstufe 2, das heißt den Spiralen 6, 7 zu einem Zwischenauslass 30 gepumpt. Durch eine Führung 31 wird das Gas in einen Außenbereich der zweiten Pumpstufe 3 geleitet und in der Pumpstufe 3 von den Spiralen 14, 15 in Richtung des Auslasses 22 gefördert.
Der Wellbalg 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel wiederum eine abdichtende Funktion auf und kann zusätzlich eine Drehverhinderungsfunktion aufweisen. In der Pumpe 1 sind die Scheiben 32, 33 als feststehende Scheiben ausgebildet. Die Scheibe 34 ist als orbitierende Scheibe ausgebildet. Das bedeutet, dass die Spiralen 6, 14 durch die orbitierende Scheibe 34 eine orbitierende Bewegung in den feststehenden Spiralen 7, 15 ausführen.
Fig. 4 zeigt eine zweiflutige Vakuumpumpe 1, die ebenfalls lediglich schematisch dargestellt ist. Auf die Darstellung von Abdichtungen, Antrieb und Welle wurde bei der schematischen Darstellung verzichtet. Gemäß Fig. 4 sind die Scheiben 32, 33 ebenfalls als feststehende Scheiben ausgebildet. Die Scheibe 34 ist als orbitierende Scheibe ausgebildet. Die Scheibe 32 trägt die Spirale 7, die Scheibe 33 trägt die Spirale 15. Die orbitierende Scheibe 34 trägt die Spiralen 6 und 14. Die Spiralen sind lediglich schematisch dargestellt, stehen jedoch im Eingriff, derart, dass ein Gas gefördert werden kann. Die Scheibe 34 ist über die Welle 9 in der Scheibe 33 mittels des Kugellagers 11 gelagert. Zur Abdichtung des Kugellagers 11 ist ein Wellbalg 24 vorgesehen. Das Gas tritt durch die Einlassöffnung 21 in die Pumpe 1 ein und verteilt sich dort gemäß den Pfeilen A. In der Scheibe 34 ist ein Durchlass 35 vorgesehen, durch den das Gas von der Pumpstufe 3 in die Pumpstufe 2 gelangt. Aus der Pumpstufe 2 tritt das Gas durch die Auslassöffnung 22 aus.
Fig. 5 zeigt eine weitere Pumpe 1, die zweiflutig und zweistufig ausgebildet ist. Insgesamt sind vier Pumpstufen 2, 3; 36, 37 vorgesehen. Die Scheiben 32, 33 sind als feststehende Scheiben ausgebildet. Die Scheibe 32 bildet gleichzeitig den Stator, in dem die Welle 9 kugelgelagert (Kugellager nicht dargestellt) angeordnet ist. Die Scheibe 32 bildet auch den Stator der Pumpstufe 36. Darüber hinaus bildet eine Scheibe 38 einen Stator für die Pumpstufe 37. Die Scheibe 39 ist als orbitierende Scheibe ausgebildet.
Die Spiralvakuumpumpe 1 weist einen Einlass 21 auf. Das Gas wird entsprechend den Pfeilen A in die Pumpstufen 3, 37 geführt. Durch Zwischenauslässe 30 und Führungen 31 gelangt das Gas in die durch jeweils einen Wellbalg 24 abgedichteten Pumpstufen 2, 36. Von dort wird das Gas durch eine Führung 41 dem Auslass 22 zugeführt.
Fig. 5 zeigt eine Vakuumpumpe 1 mit einer Statorscheibe 10 und zwei orbitierenden Scheiben 4, 12. Die Scheiben 4, 12 sind mittels einer Welle 9 orbitierend gelagert. Die Welle 9 ist mittels Kugellagern (in Fig. 6 nicht dargestellt) in der Scheibe 10 drehbar gelagert. Das Gas gelangt durch einen Einlass 21 in die Spiralvakuumpumpe 1. Über eine Führung 41 wird das Gas dem Auslass 22 zugeführt. Es ist in jeder Pumpstufe 2, 3 jeweils ein Wellbalg 24 zur Abdichtung und als Drehverhinderungsmechanismus vorgesehen. Das Gas wird in Richtung der Pfeile von dem Einlass 21 in Richtung des Auslasses 22 gefördert.
Die orbitierende Scheibe 4 weist eine Spirale 6 auf, die orbitierende Scheibe 12 weist eine Spirale 14 auf. Der Stator 10 weist zwei Spiralen 40, 53 auf.
Die Pumpen gemäß den Fig. 2 bis 6 sind lediglich schematisch dargestellt. Diese Pumpen weisen wie die Pumpe gemäß Fig. 1 für die Lagerung der Welle oder der Wellen 9 jeweils Kugellager auf. Die Spiralen greifen derart ineinander, dass eine Gasförderung möglich ist. Hierzu dichten die Spiralen 6, 7; 14, 15 zu Gegenflächen 8, 27 ab.
Fig. 7 zeigt die Scheibe 5 mit der Spirale 7 sowie die Scheibe 4 mit der Spirale 6. In Fig. 7 sind mehrere Möglichkeiten der Abdichtung der Spiralen 6, 7 zu den Scheiben 4, 5 dargestellt.
Der Spiralabschnitt 42 weist eine strukturierte Oberfläche auf. Im vorliegenden Fall ist die Oberfläche im Querschnitt sägezahnartig ausgebildet. Durch einen entsprechend gewählten engen Spalt 43 dichtet der Spiralabschnitt 42 gegenüber der Gegenfläche 44 der Scheibe 4 ab.
Der Spiralabschnitt 45 der Spirale 6 weist ein elastisches Trägermaterial 46 auf sowie eine Dichtung 47. Die Dichtung 47 liegt an der Gegenfläche 8 an und dichtet so gegen die Gegenfläche 8 ab. Durch das elastische Trägermaterial 46 wird die Dichtung 47 bei Verschleiß der Dichtung 47 nachgeführt. Die Gegenfläche 8 weist vorteilhaft eine so genannte Hard-Coat-Beschichtung auf, um den Verschleiß zu minimieren.
Der Spiralabschnitt 48 weist ebenfalls eine Dichtung 49 auf. Die Dichtung 49 ist in einem Kanal 50 des Spiralabschnittes 48 angeordnet, das heißt in der feststehenden Spirale 7. Die Dichtung 49 dichtet gegen die Gegenfläche 44 ab.
Die Dichtung 49 ist im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet, wie in Fig. 7 dargestellt. Die Länge L ist größer als die Breite B der Dichtung 49. Die Dichtung 49 ist in dem Kanal 50 derart angeordnet, dass im Bereich der schmalen Seite mit der Breite B ein Spalt 51 und im Bereich der Längsseite der Dichtung 49 ein Spalt 51 verbleibt.
Das bedeutet, dass die Dichtung 49 in radialer Richtung flexibler ausgebildet ist. In die Spalte 51, 52 gelangt das zu fördernde und komprimierende Gas. Hierdurch wird die Dichtung 49 bei Verschleiß der Dichtung automatisch nachgeführt, so dass eine Dichtwirkung zwischen der Dichtung 49 und der Gegenfläche 44 über einen langen Zeitraum gewährleistet ist.
Wie in den Fig. 1 bis 6 dargestellt, ist die Pumprichtung des Gases immer von radial außen nach radial innen vorgesehen.
Fig. 8 zeigt den Stator 10. Vor der Zeichenebene des Stators 10 ist die orbitierende Scheibe 4 angeordnet, die auf dem Wellenabschnitt 17 sitzt. Hinter der Statorscheibe 10 ist die orbitierende Scheibe 12 angeordnet, die auf dem Wellenabschnitt 18 angeordnet ist. Die Scheiben 4, 12 sind diametral einander gegenüberliegend angeordnet, damit bei dem Antrieb der Scheiben 4, 12 keine Unwucht auftritt, das heißt, dass ein Massenausgleich vorliegt.

Bezugszahlen

1: Spiralvakuumpumpe
2: Pumpstufe
3: Pumpstufe
4: orbitierende Scheibe
5: Stator
6: Spirale
7: Spirale
8: Gegenfläche
9: Welle
10: Stator
11: Kugellager
12: orbitierende Scheibe
13: Stator
14: Spirale
15: Spirale
16: Wellenabschnitt
17: Wellenabschnitt
18: Wellenabschnitt
19: Motorstator
20: Motororbiter
21: Einlass
22: Auslass
23: Pumpräume
24: Wellbalg
25: Rückschlagventil
26: Gasballastventil
27: Gegenfläche
28: Lüfter
29: Kanäle
30: Zwischenauslass
31: Führung
32: Scheibe feststehend
33: Scheibe feststehend
34: Scheibe orbitierend
35: Durchlass
36: Pumpstufe
37: Pumpstufe
38: Scheibe feststehend
39: Scheibe feststehend
40: Spirale
41: Führung
42: Spiralabschnitt
43: Spalt
44: Gegenfläche
45: Spiralabschnitt
46: elastisches Trägermaterial
47: Dichtung
48: Spiralabschnitt
49: Dichtung
50: Kanal
51: Spalt
52: Spalt
53: Spirale
A: Pfeile
B: Breite
L: Länge

Claims

Spiralvakuumpumpe (1) mit einer feststehenden ersten Spirale (7, 15) und einer darin eingreifenden, orbitierenden zweiten Spirale (6, 14), wobei die erste Spirale (7, 15) an einem Stator (5, 13) angeordnet ist und wobei die zweite Spirale (6, 14) an einer orbitierenden Scheibe (4, 12) angeordnet ist, wobei wenigstens ein Stator (5, 13, 32, 33, 38) und wenigstens zwei orbitierende Scheiben (4, 12, 34, 39) vorgesehen sind, und dass zum Antrieb ein Elektromotor (19, 20) vorgesehen ist, der in und/oder an wenigstens einer orbitierenden Scheibe (4, 12, 34, 39) und korrespondierend zu der wenigstens einen Scheibe (4, 12, 34, 39) in der Spiralvakuumpumpe (1) integriert ist, der als ein in aktiviertem Zustand eine orbitierende Bewegung der Scheibe (4, 12, 34, 39) relativ zum Stator (5, 13, 32, 33, 38) und damit die orbitierende Bewegung der zweiten Spirale (6) bezüglich der ersten Spirale (7) bewirkender Elektromotor (19, 20) ausgebildet ist, und dass die Spiralvakuumpumpe (1) wenigstens zweistufig ausgebildet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei orbitierenden Scheiben (4, 12) winkelversetzt zueinander angeordnet sind.
Spiralvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei orbitierende Scheiben (4, 12) mit jeweils einer Spirale (6, 14) vorgesehen sind, und dass der Stator (10) wenigstens zwei Spiralen (40, 53) aufweist, und dass die Spiralen (40, 53) des Stators (10) und die Spiralen (6, 14) der zwei orbitierenden Scheiben (4, 12) ineinander eingreifend angeordnet sind.
Spiralvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (5, 13, 32, 33, 38) scheibenförmig ausgebildet ist, und dass auf beiden Grundflächen der Scheibe des Stators (10) jeweils eine Spirale (6, 14) angeordnet ist.
Spiralvakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Statoren (5, 13, 32, 33, 38) vorgesehen sind, insbesondere dass zwischen den Statoren (32, 38; 32, 33) jeweils eine orbitierende Scheibe (39, 34) angeordnet ist, und dass die Scheibe (39, 34) auf beiden Grundflächen jeweils eine Spirale (54) aufweist.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens zwei Scheiben (4, 12) radialsymmetrisch zueinander angeordnet sind.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei orbitierende Scheiben (4, 12) vorgesehen sind, die in Bezug auf die Rotationsachse diametral gegenüberliegend zueinander angeordnet sind.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an der Spiralvakuumpumpe (1) statorseitig Permanentmagnete und in und/oder an der wenigstens einen orbitierenden Scheibe (4, 12) Elektromagnete (20) angeordnet sind, oder umgekehrt.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder an der Spiralvakuumpumpe (1) Elektromagnete (20) angeordnet sind und die orbitierende Scheibe (4, 12) als Reluktanzläufer ausgebildet ist.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Drehverhinderungsvorrichtung (24) vorgesehen ist, insbesondere dass die Drehverhinderungsvorrichtung als wenigstens ein Wellbalg (24) ausgebildet ist.
Spiralvakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Stirnflächen der wenigstens einen Spirale (6, 7) eine Dichtung (47, 49) vorgesehen ist, insbesondere dass die Dichtung (47, 49) aus Kunststoff gebildet ist, bevorzugt, dass die Dichtung (47, 49) als eine nachführbare Dichtung ausgebildet ist, besonders bevorzugt, dass die Dichtung (49) als eine aufgrund eines Gasdruckes nachführbare Dichtung (49) ausgebildet ist.
Spiralvakuumpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Gegenfläche (8, 44) zu der Dichtung (47, 49) eine Hardcoat-Beschichtung oder eine andere harte Beschichtung angeordnet ist.