EP3940234B1

EP3940234B1 - Pumpe und verfahren zur herstellung einer gleitschicht

Info

Publication number: EP3940234B1
Application number: EP21199962.8A
Authority: EP
Inventors: Bernd Koci; Jonas Becker; Sebastian Latta
Original assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Current assignee: Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date: 2021-09-29
Filing date: 2021-09-29
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2041-09-29
Also published as: JP7592670B2; CN116085259A; EP3940234A3; CN116085259B; EP3940234A2; JP2023050117A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere Vakuumpumpe, die beispielsweise zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Förderelemente, mindestens eine auf einem der beiden Förderelemente angeordnete Dichtung umfasst. Erfindungsgemäß ist eine zumindest bereichsweise auf insbesondere wenigstens eines der Förderelemente aufgebrachte Gleitschicht vorgesehen. Zudem betrifft die Erfindung die Verwendung von mit einer Gleitschicht versehenen Bauteilen und mindestens einer Dichtung zur Herstellung von Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen als auch ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht.
Zur Abdichtung eines Förderraumes von Pumpen, insbesondere Vakuumpumpen, können generell Fluide wie Fette oder Öle herangezogen werden. Eine Kolbenpumpe beispielsweise weist grundsätzlich einen Spalt zwischen dem Förderraum und dem Kolben auf. Dieser Spalt wird bei einer fluidgedichteten bzw. -geschmierten Ausführung während des Betriebs der Pumpe von einem Fluid, meist Öl oder Fett, gefüllt, wobei das Fluid als Dichtung zwischen dem Kolben und dem Förderraum wirkt. Weiterhin können Fehlstellen in der Oberflächenstruktur (Risse, Löcher, Poren, etc). spaltwirksam sein. Insbesondere weisen einige Beschichtungen (Lacke, Eloxalschichten, etc.) Fehlstellen auf. Nachteilig bei derartigen Pumpen ist, dass die mit der Pumpe geförderten Medien wie Gase oder Dämpfe mit den als Dichtung eingesetzten Fluiden reagieren können, was insbesondere die Dichtwirkung herabsetzen kann. Ein weiteres Problem besteht insbesondere bei Vakuumpumpen in einer Verunreinigung des Rezipienten durch die eingesetzten Fluide.
Aus diesem Grund werden vor allem für Vakuumpumpen sogenannte trockene Lösungen bevorzugt, bei denen die geförderten Medien nicht mit Fluiden in Kontakt kommen. Hierbei werden grundsätzlich gleitende oder schleifende Dichtungen aus chemisch beständigen Materialien, üblicherweise Kunststoffe, eingesetzt. Bei einer Kolbenpumpe beispielsweise werden derartige Dichtungen in der Regel am Kolben angeordnet. Während des Betriebes schleift die Dichtung an einer Innenwand eines Zylinders, um den resultierenden Förderraum möglichst hermetisch abzudichten. Ein anderes Beispiel einer üblicherweise ebenfalls trocken, d.h. ohne fluide Schmiermittel, betriebenen Pumpe ist eine Scroll- oder Spiralpumpe. Scrollpumpen weisen sichelförmige Schöpfräume auf, die durch einen im Querschnitt spiralförmigen Rotor im Eingriff mit einem gleichartigen spiralförmigen Stator gebildet werden, wobei der Rotor durch einen exzentrischen Antrieb in eine orbitierende Bewegung versetzt wird. Zur Abdichtung der Förderräume sind an den Spiralstirnseiten jeweils Dichtungen vorgesehen, wobei die stirnseitige Dichtung des Rotors gegen den Stator schleift und umgekehrt.
Nachteilig bei derartigen gleitenden oder schleifenden Dichtungen ist, dass diese in der Regel, bedingt durch die ständige Gleitreibung, einem sehr starken Verschleiß unterliegen und oft nur eine begrenzte Lebensdauer aufweisen. Insbesondere kann es im Schöpfraum nach einiger Betriebszeit zu einem Abrieb der Dichtungen in Form von Staub kommen. Mit zunehmendem Verschleiß nimmt die Dichtwirkung der schleifenden Dichtung ab, wodurch sich der erreichbare Enddruck verschlechtert.
Zur Verringerung des Verschleißes können Gleit- bzw. Schutzschichten vorgesehen sein, wie sie zum Beispiel in EP 3 153 706 A1 beschrieben sind. Derartige Gleitschichten können eine durch anodische Oxidation in einem säurehaltigen, insbesondere Oxalsäure, Schwefelsäure oder Gemischen daraus, enthaltenden Elektrolyten gebildete Oxidschicht umfassen. Diese Gleitschichten/Schutzschichten erhöhen darüber hinaus die Korrosions- und Verschleißbeständigkeit des Grundmaterials. Zwischen den sichelförmigen Schöpfräumen befinden sich sehr enge Spalte (wenige 0,01 mm). Im Falle eines Kontaktes beider schöpfraumbildenden Bauteile oder eingedrungener Festkörper sorgt die harte Gleit- und Schutzschicht für eine längere Lebensdauer des Grundmaterials. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass derartige Oxidschichten aufgrund ihrer porösen Struktur erforderliche Enddrücke und Gasdichtigkeiten nicht bzw. erst nach längerer Laufzeit (sogenannte Einlaufzeit) erreichen lassen. Versuche haben zwar gezeigt, dass insbesondere bei neu beschichteten Bauteilen durch einen Ausheizprozess der beschichteten Bauteile verringerte Einlaufzeiten bzw. verbesserte Enddrücke erreicht werden können, jedoch besteht weiterhin Verbesserungsbedarf hinsichtlich der erzielbaren Enddrücke sowie einer Verringerung der Einlaufzeiten.
Weitere bekannte Pumpen sind in US 5 492 460 A , in US 4 453 898 A sowie in EP 3 617 512 A1 offenbart.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe bereitzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile überwindet oder zumindest eine Verbesserung gegenüber bekannten Lösungen darstellt.
Diese Aufgabe wird durch eine Pumpe sowie durch ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Pumpe handelt es sich vorzugsweise um eine Vakuumpumpe. Die Pumpe umfasst eine Gleitschicht, die eine Oxidschicht sowie eine aus einem fluorhaltigen Polymer gebildete Versiegelung umfasst, wobei die Oxidschicht zumindest teilweise von der Versiegelung bedeckt und/oder mit der Versiegelung imprägniert ist, wobei die Versiegelung eine Polyurethanschicht ist, die aus einem Polyurethan gebildet ist, welches perfluorierte Segmente aufweist und/oder wobei die Versiegelung ein Fluoralkylsiloxan enthält und/oder wobei die Versiegelung aus einem Polyurethan gebildet ist, welches Polyether-Segmente aufweist, und/oder wobei die Versiegelung aus einem Polyurethan gebildet ist, welches perfluorierte Polyether-Segmente aufweist.
Die Gleitschicht, wie hierin genannt kann mehrere Eigenschaften erfüllen. Insbesondere beim Einsatz in Scrollpumpen, z.B. Scrollvakuumpumpen, erfüllt die Gleitschicht zwei Funktionen: 1) Gleitschicht/Optimierung des tribologischen Systems. 2) Schutzschicht; Schutz des Grundmaterials vor Beschädigungen, Verschleiß und Korrosion. Versuche haben gezeigt, dass ohne eine harte Oberflächenbeschichtung an Scrollpumpen das Grundmaterial innerhalb kürzester Zeit beschädigt werden kann.
Die Oxidschicht ist vorzugsweise durch anodische Oxidation gebildet, insbesondere in einem säurehaltigen Elektrolyten. Vorzugsweise weist der Elektrolyt Oxalsäure und/oder Schwefelsäure auf, wobei Schwefelsäure noch weiter bevorzugt ist. Bei der Oxidschicht handelt es sich vorzugsweise um um ein Eloxal, das durch eine elektrolytische Oxidation von Aluminium gebildet wurde. Diese Oxidschicht kann die oben genannten multifunktionalen Eigenschaften hinsichtlich Gleit- und Schutzwirkung aufweisen.
Es hat sich herausgestellt, dass eine erfindungsgemäße Pumpe mit einer Gleitschicht, die eine Oxidschicht und eine Versiegelung, z.B. in Form einer Polyurethanschicht oder -imprägnierung, umfasst, niedrigere Enddrücke ermöglicht, als Gleitschichten, wie sie beispielsweise in EP 3 153 706 A1 beschrieben sind. Die für den Verschleißschutz aufgebrachte harte Oxidschicht weisen Poren, Fehlstellen und thermisch verursachte Risse auf. Die Poren sind hauptsächlich senkrecht zur Schicht angeordnet, wobei es auch innerhalb der Schicht einige horizontal zur Schicht angeordnete Verästelungen gibt, welche die senkrechten Poren miteinander verbinden. Neben den Poren weisen derartige harte Oxidschichten weitere Fehlstellen, z. B. in Form von Einschlüssen und Rissen auf. Fehlstellen und Poren stellen mikroskopische Kanäle dar, durch die Gase strömen können. Weiterhin können aus diesen Stellen Stoffe, z. B. Wasser, ausgasen. Hierdurch wird die Gasdichtigkeit verringert, was sich unerwünscht auf die erzielbaren Enddrücke auswirkt. Dies bedeutet, dass die die erforderlichen Enddrücke und Gasdichtigkeiten nicht bzw. erst nach längerer Laufzeit erreichbar sind. Während des sogenannten Einlaufprozesses werden Poren und Fehlstellen weitestgehend an relevanten Stellen durch den Verschleiß der Dichtung geschlossen. Weiterhin findet eine Ausgasung der eingeschlossenen Medien, z. B.
Beschichtungsrückstände, statt. Es hat sich herausgestellt, dass sich durch die Versiegelung die erforderlichen Enddrücke wesentlich schneller erreichen lassen, wobei gleichzeitig ein hoher Verschleißschutz beibehalten wird. Dies lässt sich mutmaßlich damit erklären, dass bei der erfindungsgemäßen Pumpe in der Oxidschicht enthaltene Poren durch die Versiegelung verschlossen sind und ein Gasfluss innerhalb der Gleitschicht oder ein Ausgasen aus der Gleitschicht unterbunden oder zumindest verringert ist.
Vorzugsweise umfasst die Pumpe, insbesondere Vakuumpumpe, ferner zumindest zwei relativ zueinander bewegliche Förderelemente, die derart angeordnet sind, dass sie unter Ausbildung von zumindest einem Förderraum dichtend zusammenwirken, wenigstens eine auf einem der beiden Förderelemente angeordnete Dichtung. Hierbei ist die Gleitschicht zumindest bereichsweise auf wenigstens eines der Förderelemente aufgebracht und wirkt mit der jeweiligen Dichtung zusammen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Pumpe um eine Spiral- oder Scrollpumpe, insbesondere Spiral- oder Scrollvakuumpumpe, bei welcher die Gleitschicht zumindest bereichsweise auf zumindest eines der Spiralelemente aufgebracht ist.
Bei der Spiral- oder Scrollpumpe, insbesondere Spiral- oder Scrollvakuumpumpe handelt es sich vorzugsweise um eine, bei welcher die Förderelemente zwei relativ zueinander bewegbare Spiralelemente sind, die jeweils auf einem Träger eine spiralförmig um eine Achse verlaufende Wand mit einer freien Stirnseite aufweisen und derart angeordnet sind, dass die Wände unter Ausbildung von Förderräumen dichtend ineinandergreifen, wobei die Dichtungen auf den freien Stirnseiten der Wände angeordnet sind.
Gemäß einer noch weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Pumpe um eine Kolbenpumpe, insbesondere Kolbenvakuumpumpe, mit zumindest einem Zylinder mit einer Zylinderinnenwand und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben. Bei den Förderelementen handelt es sich hierbei um den Zylinder und einen darin bewegbaren Kolben, wobei die Dichtung am Kolben und/oder an einer Zylinderinnenwand angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die die Gleitschicht zumindest bereichsweise auf die Zylinderinnenwand und/oder den Kolben aufgebracht.
Vorzugsweise ist bei der erfindungsgemäßen Pumpe das fluorhaltige Polymer, welches in der Versiegelung enthalten ist, ein Polymer, das entweder vollständig fluoriert ist, d.h. ein perfluoriertes Polymer, oder eines welches perfluorierte Segmente aufweist. Als besonders geeignet haben sich Versiegelungen erwiesen, die ein fluorhaltiges Polyurethan enthalten, insbesondere ein Polyurethan, welches perfluorierte Segmente aufweist. Es hat sich gezeigt, dass mit derartigen Polyurethanen mit perfluorierten Segmenten niedrige Enddrücke bei gleichzeitig kurzen Einlaufzeiten möglich sind, wobei gleichzeitig eine hohe Verschleißbeständigkeit beibehalten wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es ebenfalls bevorzugt, dass die Versiegelung aus einem Polyurethan gebildet ist, welches Polyether-Segmente aufweist. Auch Polyurethane mit Polyether-Segmenten haben sich als besonders geeignet erwiesen hinsichtlich niedriger Enddrücke sowie kurzer Einlaufzeiten und hoher Verschleißbeständigkeit. Dementsprechend ist es noch weiter bevorzugt, dass die Polyurethanschicht aus einem Polyurethan gebildet ist, welches perfluorierte Polyether-Segmente aufweist. Mit den perfluorierten Polyether-Segmente lassen sich besonders geringe Enddrücke sowie kurze Einlaufzeiten erzielen, bei gleichzeitig sehr guter Verschleißbeständigkeit. Die perflouorierten Polyethersegmente können in der Dispersion zur Herstellung der Versiegelung als Polyol-Präpolymer oder als Diisocyanat-Präpolymer vorliegen. Bei den perfluorierten Polyethersegmenten kann es sich beispielsweise um Segmente auf Basis von perfluoriertem Polyethylenglycol oder perfluoriertem Polypropylenglycol handeln, vorzugswese auf Basis von perfluoriertem Polyethylenglycol. Die Gleitschicht der erfindungsgemäßen Pumpe weist vorzugsweise wenigstens ein fluoriertes Polymer auf, welches von PTFE unterschiedlich ist. PTFE ist aufgrund seiner Korngröße und der damit verbundenen verhältnismäßig hohen Gasdurchlässigkeit nicht ideal zur Versiegelung der porösen Oxidschicht. Folglich kann zwar PTFE enthalten sein, in diesem Fall sollte jedoch wenigstens ein weiteres Polymer enthalten sein, welches sich von PTFE unterscheidet.
Bei der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Pumpe kann die Versiegelung, z.B. in Form einer Polyurethanschicht, durch Auftragen einer Dispersion, z.B. einer Polyurethandispersion, auf die Oxidschicht erhältlich sein. Die Versiegelung kann entweder in Form einer wässrigen Dispersion aufgebracht sein oder in Form einer Lösungsmittelbasierten Dispersion aufgebracht sein. Bei einer Lösungsmittelbasierten Dispersion ist das Lösungsmittel vorzugswese ein C₁ bis Cs-Alkohol ist, insbesondere ein C₃ bis C₆-Alkohol, beispielsweise ein C₄-Alkohol. Vorzugsweise ist die Versiegelung erhältlich durch Auftragen einer wässrigen Polyurethandispersion, insbesondere einer wässrigen ionischen Polyurethandispersion, bevorzugt einer anionischen Polyurethandispersion. Als besonders vorteilhaft haben sich Dispersionen von anionischen Polyurethanen auf Basis eines perflourierten Polyether ( PFPE ) Gerüstes gezeigt. Beispielhafte geeignet anionische Polyurethan-Dispersionen sind erhältlich unter dem Handelsnamen Fluorolink von Solvay.
Das Auftragen der Dispersion kann mittels Sprühen, Tauchen, Rakeln oder Rotationsbeschichtung (engl. Spin coating) erfolgen. Ein Auftragen mittels Sprühen oder Tauchen hat sich als vorteilhaft erwiesen hinsichtlich der einfachen Durchführbarkeit, wobei ein Sprühen hinsichtlich Gleichmäßigkeit und der Erzeugung besonders dünner Schichten besonders vorteilhaft ist. Durch das Auftragen mittels Rakeln oder Rotationsbeschichtung lassen sich ebenfalls sehr gleichmäßige dünne Beschichtungen erzeugen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Dispersion selektiv auf aufgetragen, insbesondere auf dichtenden Flächen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Dicke der Versiegelung, z.B. in Form einer Polyurethanschicht, nicht auf eine besondere Dicke bschränkt. Jedoch haben sich Versiegelungen mit einer Dicke von 0,1 µm bis 35 µm als vorteilhaft erwiesen, hinsichtlich der Ausgeglichenheit von geringem Enddruck und kurzer Einlaufzeit einerseits sowie einer hohen Verschleißbeständigkeit andererseits. Bevorzugter beträgt die Dicke der Versiegelung 0,5 bis 25 µm, noch bevorzugter von 0,8 bis 20 µm, noch weiter bevorzugter von 1,0 bis 15 µm, äußerst bevorzugt von 1,5 bis 10 µm. Höchst bevorzugt sind Schichtdicken der Versiegelung von kleiner gleich 5 µm. Auch kann die Versiegelung Poren der Oxidschicht imprägnieren, ohne dass eine erkennbare zusammenhängende Schicht aus fluorhaltigem Polymer die Oxidschicht bedeckt. Die Imprägnierung kann Fehlstellen, die Poren der Oxidschicht verbinden, ausfüllen und somit die Gasdichtigkeit erhöhen. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe ist es bevorzugt, dass die Versiegelung, z.B. in Form einer Polyurethanschicht, die Oxidschicht im Wesentlichen vollständig oder vollständig bedeckt. Die vollständige oder im Wesentlichen vollständige Bedeckung verschließt die in der Oxidschicht enthaltenen Poren, sodass ein Bypass des geförderten Mediums durch die Gleitschicht unterbunden wird. Somit lassen sich besonders niedrige Enddrücke bei geringen Einlaufzeiten erreichen.
Zur Verbesserung der Verschleißbeständigkeit ist es bevorzugt, dass bei der erfindungsgemäßen Pumpe in der Gleitschicht ein Haftvermittler enthalten ist. Der Haftvermittler ist in der Regel eine reaktive Verbindung, die die Anbindung der Versiegelung, vorzugsweise in Form einer Polyurethanschicht, an die Oxidschicht verbessert. Dem Fachmann sind derartige Haftvermittler bekannt. Es kann sich beispielsweise um Epoxid-Verbindungen, Siloxan-Verbindungen, von Aziridin abgeleitete Verbindungen, um Melamin-Verbindungen oder um Verbindungen mit blockierten Isocyanaten handeln. Als besonders geeignete Haftvermittler haben sich Epoxid-Silane sowie Polyaziridine erwiesen. Derartige Haftvermittler können in der als Polyurethanschicht- und/oder -imprägnierung ausgebildeten Versiegelung enthalten sein, beispielsweise indem sie einer Polyurethandispersion zugesetzt werden, die zur Erzeugung der Polyurethanschicht verwendet wird. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass der Haftvermittler vor aufbringen der Versiegelung auf die Oxidschicht aufgetragen wird. In diesem Fall wirkt der Haftvermittler als eine Grundierung auf der Oxidschicht.
Vorzugsweise umfasst die erfindungsgemäße Pumpe Förderelemente aus einem Grundwerkstoff, der zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist und auf dem die Gleitschicht aufgebracht ist. Vorzugsweise bestehen die Förderelemente aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Besonders bevorzugt ist der Grundwerkstoff eine Aluminiumlegierung des Typs AlMgSi. Ferner vorteilhaft sind Aluminiumlegierungen des Typs AIMgSiMn, AIMgSiPb oder AlZnMg. Aluminium und Aluminiumlegierungen haben sich als besonders geeignet herausgestellt, einer anodischen Oxidation in einem säurehaltigen Elektrolyten unterzogen zu werden und eine erfindungsgemäße Gleitschicht auszubilden. Der Elektrolyt weist hierbei vorzugsweise Oxalsäure, Schwefelsäure oder ein Gemisch hiervon auf. Weiter bevorzugt weist der Elektrolyt Schwefelsäure auf.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitschicht, umfassend die folgenden Schritte:

a) Erzeugen einer Oxidschicht, insbesondere durch anodische Oxidation, in einem, vorzugsweise säurehaltigen, Elektrolyten; und
b) Beschichten der Oxidschicht mit einer Versiegelung. Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Herstellungsverfahren für eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.

Es versteht sich, dass die Oxidschicht in Schritt A auf einem Substrat, z.B. einem Förderelement einer Pumpe, wie oben beschrieben, erzeugt wird.
Vorzugsweise werden in Schritt b) in der Oxidschicht enthaltene Poren und Fehlstellen von der Versiegelung verschlossen. Hierdurch entsteht eine Gleitschicht, bei welcher Querverbindungen zwischen den Poren und Fehlstellen der Oxidschicht blockiert sind, wodurch sich die Gasdichtigkeit erhöht. Bei der in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Versiegelung handelt es sich insbesondere um eine solche, wie sie oben in Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Pumpe beschrieben ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist Bestandteil der Herstellung einer Pumpe, insbesondere einer Vakuumpumpe, wie sie hierin beschrieben ist.
Es versteht sich, dass die einzelnen Aspekte der Erfindung, und zwar auch diejenigen Aspekte, die nachstehend anhand der Figuren beschrieben werden, jeweils untereinander vorteilhaft kombinierbar sind. Jedoch wird die Erfindung durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnungen sowie der Beispiele erläutert.

Fig. 1: zeigt eine Scrollpumpe in einer Schnittansicht.
Fig. 2: zeigt ein Elektronikgehäuse der Scrollpumpe.
Fig. 3: zeigt die Scrollpumpe in perspektivischer Ansicht, wobei ausgewählte Elemente freigestellt sind.
Fig. 4: zeigt einen in die Pumpe integrierten Drucksensor.
Fig. 5: zeigt ein bewegliches Spiralbauteil der Pumpe.
Fig. 6: zeigt das Spiralbauteil von einer anderen, der in Fig. 5 sichtbaren Seite gegenüberliegenden Seite.
Fig. 7: zeigt eine Einspannvorrichtung für ein Spiralbauteil.
Fig. 8 und 9: zeigen jeweils eine Exzenterwelle mit einem Ausgleichsgewicht von unterschiedlichen Scrollpumpen.
Fig. 10: zeigt ein Gasballastventil mit einem Betätigungsgriff in perspektivischer Ansicht.
Fig. 11: zeigt das Ventil der Fig. 10 in einer Schnittansicht.
Fig. 12: zeigt einen Teilbereich des Spiralbauteils der Fig. 5 und 6.
Fig. 13: zeigt einen Querschnitt des Spiralbauteils durch die Spiralwand in einem äußeren Endbereich.
Fig. 14: zeigt eine Luftleithaube der Scrollpumpe der Fig. 1 in perspektivischer Ansicht.
Fig. 15: zeigt ein Abdrückgewinde in einer Schnittdarstellung.
Fig. 16: zeigt eine Detaildarstellung der Spiral- oder Scrollpumpe aus Fig. 1.
Fig. 17: zeigt eine elektronenmikroskopische Querschnittsansicht einer Oxidschicht.
Fig. 18: zeigt eine stärker vergrößerte elektronenmikroskopische Querschnittsansicht der Oxidschicht von Fig. 16.
Fig. 19: zeigt eine elektronenmikroskopische Aufsicht auf die Oxidschicht von Fig. 16 und 17.
Fig. 20: zeigt die Entwicklung des Vakuums bei Einsatz einer Scrollpumpe mit unterschiedlich beschichteten bzw. unbeschichteten Förderelementen.

Auch wenn die vorliegende Erfindung nicht auf Scrollpumpen 20 beschränkt ist, hat sie sich als sehr geeignet dafür erwiesen. Prinzipiell kann die erfindungsgemäße Pumpe auch eine Kolbenpumpe sein (in den Figuren nicht dargestellt). Auch für die Abdichtung von allgemeinen beschichteten Bauteilen (z.B. statische Abdichtung an Oxidschichten, z. B. O-Ring-Abdichtung) ist eine Versiegelung, wie hierin beschrieben, bevorzugt. Die Fig. 1 zeigt eine als Scrollpumpe 20 ausgebildete Vakuumpumpe. Diese umfasst ein erstes Gehäuseelement 22 und ein zweites Gehäuseelement 24, wobei das zweite Gehäuseelement 24 eine pumpaktive Struktur aufweist, nämlich eine Spiralwand 26. Das zweite Gehäuseelement 24 bildet also ein feststehendes Spiralbauteil der Scrollpumpe 20. Die Spiralwand 26 wirkt mit einer Spiralwand 28 eines beweglichen Spiralbauteils 30 zusammen, wobei das bewegliche Spiralbauteil 30 zum Erzeugen einer Pumpwirkung über eine Exzenterwelle 32 exzentrisch erregt wird. Dabei wird ein zu pumpendes Gas von einem Einlass 31, welcher im ersten Gehäuseelement 22 definiert ist, zu einem Auslass 33 gefördert, welcher im zweiten Gehäuseelement 24 definiert ist.
Die Exzenterwelle 32 ist durch einen Motor 34 angetrieben und durch zwei Wälzlager 36 gelagert. Sie umfasst einen exzentrisch zu ihrer Rotationsachse angeordneten Exzenterzapfen 38, der über ein weiteres Wälzlager 40 seine exzentrische Auslenkung an das bewegliche Spiralbauteil 30 überträgt. An dem beweglichen Spiralbauteil 30 ist zwecks Abdichtung außerdem ein in Fig. 1 linksseitiges Ende eines Wellbalgs 42 befestigt, dessen rechtsseitiges Ende an dem ersten Gehäuseelement 22 befestigt ist. Das linksseitige Ende des Wellbalgs 42 folgt der Auslenkung des beweglichen Spiralbauteils 30.
Die Scrollpumpe 20 umfasst einen Lüfter 44 zur Erzeugung eines Kühlluftstromes. Für diesen Kühlluftstrom ist eine Luftleithaube 46 vorgesehen, an der der Lüfter 44 auch befestigt ist. Die Luftleithaube 46 und die Gehäuseelemente 22 und 24 sind derart geformt, dass der Kühlluftstrom im Wesentlichen das gesamte Pumpengehäuse umströmt und somit eine gute Kühlleistung erreicht.
Die Scrollpumpe 20 umfasst ferner ein Elektronikgehäuse 48, in dem eine Steuerungseinrichtung und Leistungselektronikkomponenten zum Antrieb des Motors 34 angeordnet sind. Das Elektronikgehäuse 48 bildet außerdem einen Standfuß der Pumpe 20. Zwischen dem Elektronikgehäuse 48 und dem ersten Gehäuseelement 22 ist ein Kanal 50 sichtbar, durch den ein vom Lüfter 44 erzeugter Luftstrom am ersten Gehäuseelement 22 und auch am Elektronikgehäuse 48 entlanggeführt ist, sodass beide wirksam gekühlt werden.
Das Elektronikgehäuse 48 ist in Fig. 2 näher veranschaulicht. Es umfasst mehrere gesonderte Kammern 52. In diesen Kammern 52 können Elektronikkomponenten vergossen werden und sind somit vorteilhaft abgeschirmt. Bevorzugt kann beim Vergießen der Elektronikkomponenten eine möglichst minimale Menge des Vergussmaterials verwendet werden. Zum Beispiel kann zuerst das Vergussmaterial in die Kammer 52 eingebracht werden und anschließend die Elektronikkomponente hineingedrückt werden. Vorzugsweise können die Kammern 52 so ausgeführt sein, dass verschiedene Varianten der Elektronikkomponenten, insbesondere verschiedene Bestückungsvarianten einer Platine, in dem Elektronikgehäuse 48 angeordnet werden können und/oder vergossen werden können. Für bestimmte Varianten können dabei auch einzelne Kammern 52 leer bleiben, also keine Elektronikkomponente aufweisen. So kann auf einfache Weise ein sogenanntes Baukastensystem für verschiedene Pumpentypen realisiert werden. Das Vergussmaterial kann insbesondere wärmeleitend und/oder elektrisch isolierende ausgebildet sein.
An einer in Bezug auf Fig. 2 hinteren Seite des Elektronikgehäuses 48 sind mehrere Wände oder Rippen 54 ausgebildet, die mehrere Kanäle 50 zum Leiten eines Kühlluftstromes definieren. Die Kammern 52 ermöglichen außerdem eine besonders gute Wärmeabfuhr von den in ihnen angeordneten Elektronikkomponenten, insbesondere in Verbindung mit einem wärmeleitenden Vergussmaterial, und hin zu den Rippen 54. Die Elektronikkomponenten lassen sich somit besonders wirksam kühlen und ihre Lebensdauer wird verbessert.
In Fig. 3 ist die Scrollpumpe 20 als Ganzes perspektivisch dargestellt, wobei jedoch die Luftleithaube 46 ausgeblendet ist, sodass insbesondere das feststehende Spiralbauteil 24 und der Lüfter 44 sichtbar sind. An dem feststehenden Spiralbauteil 24 sind mehrere, sternförmig angeordnete Ausnehmungen 56 vorgesehen, die jeweils zwischen den Ausnehmungen 56 angeordnete Rippen 58 definieren. Der vom Lüfter 44 erzeugte Kühlluftstrom führt durch die Ausnehmungen 56 und vorbei an den Rippen 58 und kühlt so das feststehende Spiralbauteil 24 besonders wirksam. Dabei umströmt der Kühlluftstrom zunächst das feststehende Spiralbauteil 24 und erst anschließend das erste Gehäuseelement 22 bzw. das Elektronikgehäuse 48. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, da der pumpaktive Bereich der Pumpe 20 aufgrund der Kompression im Betrieb eine hohe Wärmeentwicklung aufweist und daher hier vorrangig gekühlt wird.
Die Pumpe 20 umfasst einen in diese integrierten Drucksensor 60. Dieser ist innerhalb der Luftleithaube 46 angeordnet und in das feststehende Spiralbauteil 24 eingeschraubt. Der Drucksensor 60 ist über eine nur teilweise dargestellte Kabelverbindung mit dem Elektronikgehäuse 48 und einer darin angeordneten Steuerungseinrichtung verbunden. Dabei ist der Drucksensor 60 in die Steuerung der Scrollpumpe 20 eingebunden. Zum Beispiel kann der Motor 34, der in Fig. 1 sichtbar ist, in Abhängigkeit von einem vom Drucksensor 60 gemessenen Druck angesteuert werden. Z.B. beim Einsatz der Pumpe 20 in einem Vakuumsystem als Vorpumpe für eine Hochvakuumpumpe kann beispielsweise die Hochvakuumpumpe nur dann eingeschaltet werden, wenn der Drucksensor 60 einen ausreichend niedrigen Druck misst. So kann die Hochvakuumpumpe vor einer Beschädigung geschützt werden.
Fig. 4 zeigt den Drucksensor 60 und seine Anordnung am feststehenden Spiralbauteil 24 in einer Querschnittsdarstellung. Für den Drucksensor 60 ist ein Kanal 62 vorgesehen, der hier in einen nicht pumpaktiven Außenbereich zwischen den Spiralwänden 26 und 28 der feststehenden bzw. beweglichen Spiralbauteile 24 und 30 mündet. Somit misst der Drucksensor einen Ansaugdruck der Pumpe. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise auch ein Druck zwischen den Spiralwänden 26 und 28 in einem pumpaktiven Bereich gemessen werden. Je nach Position des Drucksensors 60 bzw. des Kanals 62 können also zum Beispiel auch Zwischendrücke gemessen werden.
Der Drucksensor 60 erlaubt, zum Beispiel über die Ermittlung einer Kompression, insbesondere eine Erkennung eines Verschleißzustandes der pumpaktiven Komponenten, insbesondere eines auch als Tip Seal bezeichneten Dichteelements 64. Weiterhin kann der gemessene Ansaugdruck auch zu einer Regelung der Pumpe verwendet werden (u. a. Pumpendrehzahl). So kann beispielsweise ein Ansaugdruck softwareseitig vorgegeben werden und durch Variation der Pumpendrehzahl ein Ansaugdruck eingestellt werden. Auch ist denkbar, dass abhängig vom gemessenen Druck ein verschleißbedingter Druckanstieg durch Drehzahlsteigerung kompensiert werden kann. Somit kann ein Tip Seal-Wechsel verschoben werden bzw. größere Wechselintervalle realisiert werden. Die Daten des Drucksensors 60 können also generell z.B. zur Verschleißbestimmung, zur situativen Steuerung der Pumpe, zur Prozesskontrolle, etc. verwendet werden.
Der Drucksensor 60 kann zum Beispiel optional vorgesehen sein. Anstelle des Drucksensors 60 kann beispielsweise ein Blindstopfen zum Verschließen des Kanals 62 vorgesehen sein. Ein Drucksensor 60 kann dann beispielsweise bei Bedarf nachgerüstet werden. Insbesondere im Hinblick auf die Nachrüstung, aber auch generell vorteilhaft, kann vorgesehen sein, dass der Drucksensor 60 beim Anschließen an die Steuerungseinrichtung der Pumpe 20 automatisch erkannt wird.
Der Drucksensor 60 ist im Kühlluftstrom des Lüfters 44 angeordnet. Hierdurch wird auch er vorteilhaft gekühlt. Dies hat außerdem zur Folge, dass keine besonderen Maßnahmen für eine höhere Temperaturbeständigkeit des Drucksensors 60 zu treffen sind und folglich ein kostengünstiger Sensor eingesetzt werden kann.
Außerdem ist der Drucksensor 60 insbesondere derart angeordnet, dass die äu-ßeren Abmessungen der Pumpe 20 durch ihn nicht vergrößert sind und die Pumpe 20 folglich kompakt bleibt.
In den Fig. 5 und 6 ist das bewegliche Spiralbauteil 30 in verschiedenen Ansichten gezeigt. In Fig. 5 ist die spiralförmige Struktur der Spiralwand 28 besonders gut sichtbar. Neben der Spiralwand 28 umfasst das Spiralbauteil 30 eine Grundplatte 66, ausgehend von der sich die Spiralwand 28 erstreckt.
Eine der Spiralwand 28 abgewandte Seite der Grundplatte 66 ist in Fig. 6 sichtbar. An dieser Seite umfasst die Grundplatte unter anderem mehrere Befestigungsausnehmungen, etwa zur Befestigung des Lagers 40 und des Wellbalgs 42, die in Fig. 1 sichtbar sind.
Außen an der Grundplatte 66 sind drei über den Umfang der Grundplatte 66 beabstandete und gleichmäßig über den Umfang verteilte Haltevorsprünge 68 vorgesehen. Die Haltevorsprünge 68 erstrecken sich dabei radial nach außen. Die Haltevorsprünge 68 weisen insbesondere alle die gleiche radiale Höhe auf.
Zwischen zwei der Haltevorsprünge 68 erstreckt sich ein erster Zwischenabschnitt 70 des Umfangs der Grundplatte 66. Dieser erste Zwischenabschnitt 70 weist eine größere radiale Höhe auf als ein zweiter Zwischenabschnitt 72 und als ein dritter Zwischenabschnitt 74. Der erste Zwischenabschnitt 70 ist einem äußersten 120°-Abschnitt der Spiralwand 28 gegenüberliegend angeordnet.
Bei der Herstellung des beweglichen Spiralbauteils 30 werden bevorzugt die Grundplatte 66 und die Spiralwand 28 aus einem Vollmaterial gemeinsam spannend hergestellt, d. h. die Spiralwand 28 und die Grundplatte 66 sind einteilig ausgebildet.
Zum Beispiel bei einer Schlichtbearbeitung kann das Spiralbauteil 30 an den Haltevorsprüngen 68 direkt eingespannt sein. Im Rahmen ein und derselben Einspannung kann zum Beispiel auch die in Fig. 6 gezeigte Seite der Grundplatte 66 bearbeitet werden, insbesondere die Befestigungsausnehmungen eingebracht werden. Grundsätzlich kann im Rahmen dieser Einspannung auch die spanende Herstellung der Spiralwand 28 aus dem Vollmaterial erfolgen.
Das Spiralbauteil 30 kann zu diesem Zweck beispielsweise mit einer Einspannvorrichtung 76 eingespannt sein, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist. Diese weist ein hydraulisches Dreibackenfutter 78 zur direkten Anlage an den drei Haltevorsprüngen 68 auf. Außerdem weist die Einspannvorrichtung 76 eine durchgehende Ausnehmung 80 auf, durch die ein Werkzeugzugang zu dem Spiralbauteil 30, insbesondere zu der in Fig. 6 gezeigten Seite desselben, ermöglicht ist. Somit können Bearbeitungsvorgänge von beiden Seiten während einer Einspannung erfolgen, insbesondere wenigstens eine Schlichtbearbeitung der Spiralwand 28 und ein Einbringen von Befestigungsausnehmungen.
Die Kontur der Haltevorsprünge 68 und der Spanndruck der Einspannvorrichtung 76 sind bevorzugt so gewählt, dass keine kritischen Verformungen des Spiralbauteils 30 stattfinden. Die drei Haltevorsprünge 68 sind bevorzugt so gewählt, dass die äußere Dimension, also der maximale Durchmesser des Spiralbauteils 30 nicht vergrößert werden. Somit kann zum einen Material und zum anderen Zerspanungsvolumen eingespart werden. Die Haltevorsprünge 68 sind insbesondere so ausgeführt und/oder an einer solchen Winkelposition angeordnet, dass die Zugänglichkeit der Verschraubung des Wellbalgs 42 gegeben ist. Die Anzahl der Verschraubungspunkte des Wellbalgs 42 ist bevorzugt ungleich der Anzahl der Haltevorsprünge 68 am beweglichen Spiralbauteil 30.
An der Exzenterwelle 32 der Fig. 1 sind zwei Ausgleichsgewichte 82 zum Ausgleich einer Unwucht des erregten Systems angebracht. Der Bereich des in Fig. 1 rechtsseitigen Ausgleichgewichts 82 ist in Fig. 8 vergrößert dargestellt. Das Ausgleichsgewicht 82 ist an der Exzenterwelle 32 festgeschraubt.
Ein ähnlicher Bildausschnitt ist in Fig. 9 für eine andere Scrollpumpe gezeigt, die bevorzugt derselben Baureihe der Pumpe 20 der Fig. 1 angehört. Die der Fig. 9 zugrunde liegende Pumpe weist insbesondere andere Dimensionen auf und benötigt daher ein anderes Ausgleichsgewicht 82.
Die Exzenterwellen 32, die Ausgleichsgewichte 82 und die Gehäuseelemente 22 sind so dimensioniert, dass an der jeweils gezeigten Befestigungsposition nur eine bestimmte Art der zwei gezeigten Arten von Ausgleichsgewichten 82 an der Exzenterwelle 32 montierbar ist.
Die Ausgleichsgewichte 82 sind in den Fig. 8 und 9 zusammen mit bestimmten Abmessungen des für sie vorgesehenen Bauraumes bemaßt, um zu verdeutlichen, dass das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 9 nicht an der Exzenterwelle 32 montierbar ist und umgekehrt. Es versteht sich, dass die angegebenen Maße rein beispielhaft genannt sind.
So beträgt in Fig. 8 ein Abstand zwischen einer Befestigungsbohrung 84 und einem Wellenabsatz 86 9,7 mm. Das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 8 ist in der entsprechenden Richtung kürzer ausgebildet, nämlich 9 mm lang, kann also problemlos montiert werden. Das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 9 weist jeweils gemessen von der Befestigungsbohrung eine Längserstreckung von 11 mm auf. Somit ist das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 9 nicht an der Exzenterwelle 32 der Fig. 8 montierbar, da der Wellenabsatz 86 mit dem Ausgleichsgewicht 82 bei einer versuchten Montage kollidiert bzw. da somit das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 9 nicht vollständig in Anlage mit der Exzenterwelle 82 der Fig. 8 gebracht werden kann. Dadurch, dass das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 9 in beiden bemaßten Dimensionen größer ist als der Abstand von Befestigungsbohrung 84 und Wellenabsatz 86 in Fig. 8, ist auch eine Montage in umgedrehter Richtung verhindert. Zudem verhindert die Dimension von 21,3 mm des Ausgleichsgewichts 82 der Fig. 8 eine umgedrehte und folglich falsche Montageausrichtung des ansonsten richtigen Ausgleichsgewichts 82.
In Fig. 9 beträgt ein Abstand in Längsrichtung zwischen der Befestigungsbohrung 84 und einer Gehäuseschulter 88 17,5 mm. Das Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 8 mit seiner Erstreckung von 21,3 mm würde beim Einschieben der Exzenterwelle 32 der Fig. 9 mit der Gehäuseschulter 88 kollidieren, sodass keine vollständige Montage möglich wäre. Die falsche Montage ist zwar zunächst möglich, wird aber zuverlässig erkannt. Bei einer um die Achse der Befestigungsbohrung 84 verdrehten Montage des Ausgleichsgewicht 82 der Fig. 8 an der Exzenterwelle 32 der Fig. 9 würde die Erstreckung von 21,3 mm mit der Wellenschulter 86 kollidieren, die nur in einem Abstand von 13,7 mm von der Befestigungsbohrung 84 angeordnet ist.
Die Ausgleichsgewichte 82, insbesondere ein motorseitiges Ausgleichsgewicht 82, sind allgemein so ausgeführt, dass eine Verwechslung des Ausgleichsgewichts mit solchen anderer Baugrößen bei der Montage und/oder beim Service vermieden wird. Die Ausgleichsgewichte werden bevorzugt mittels Durchgangsschrauben befestigt. Ähnliche Ausgleichsgewichte verschiedener Pumpengrößen sind insbesondere so ausgeführt, dass aufgrund angrenzender Absätze auf der Welle, der Positionen von Gewinde und Durchgangsbohrung des Ausgleichsgewichts sowie von Absätzen innerhalb des Gehäuses eine Montage des falschen Ausgleichsgewichts verhindert wird.
In den Fig. 10 und 11 ist ein Gasballastventil 90 der Scrollpumpe 20 gezeigt. Dieses ist auch in der Gesamtdarstellung der Pumpe 20 in Fig. 3 sichtbar und am feststehenden Spiralbauteil 24 angeordnet.
Das Gasballastventil 90 umfasst einen Betätigungsgriff 92. Dieser umfasst einen Kunststoffkörper 94 und ein Basiselement 96, welches bevorzugt aus Edelstahl hergestellt ist. Das Basiselement 96 umfasst eine durchgehende Bohrung 98, die einerseits zum Anschluss und Einleiten eines Ballastgases vorgesehen ist und andererseits ein Rückschlagventil 100 umfasst. Die Bohrung 98 ist außerdem in den Darstellungen mittels eines Stopfens 102 verschlossen. Anstelle des Stopfens 102 kann beispielsweise auch ein Filter vorgesehen sein, wobei das Ballastgas bevorzugt Luft sein kann und über den Filter insbesondere direkt in das Ventil 90 eintritt.
Der Betätigungsgriff 92 ist mit drei Befestigungsschrauben 104 an einem drehbaren Element 106 des Ventils 90 befestigt, die in einer jeweiligen Bohrung 108 angeordnet sind und von denen in der gewählten Schnittdarstellung der Fig. 11 nur eine sichtbar ist. Das drehbare Element 106 ist mit einer nicht dargestellten, durch eine Bohrung 110 verlaufende Befestigungsschraube am zweiten Gehäuseelement 24 drehbar befestigt.
Zur Betätigung des Ventils 90 wird ein manuell am Betätigungsgriff 92 angelegtes Drehmoment an das drehbare Element 106 übertragen und dieses somit gedreht. Somit gelangt die Bohrung 98 in Kommunikation mit einem Inneren des Gehäuses. Für das Ventil 90 sind dabei drei Schaltstellungen vorgesehen, nämlich die in Fig. 10 dargestellte, welche eine Sperrstellung ist, und jeweils eine nach rechts und nach links verdrehte Stellung, in denen die Bohrung 98 mit unterschiedlichen Bereichen des Inneren des Gehäuses in Kommunikation steht.
Die Bohrungen 108 und 110 sind durch einen Deckel 112 verschlossen. Die Dichtwirkung des Gasballastventiles 90 beruht auf axial verpressten O-Ringen. Bei Betätigung des Ventils 90 wird eine Relativbewegung auf die O-Ringe ausgeübt. Gelangen Verschmutzungen, wie etwa Partikel, an die Oberfläche eines O-Rings, so birgt dies die Gefahr eines frühzeitigen Ausfalls. Der Deckel 112 verhindert ein Eindringen von Verschmutzungen und ähnlichem an die Schrauben des Griffes 92.
Dieser Deckel 112 wird über eine Übermaßpassung dreier Zentrierelemente befestigt. Konkret weist der Deckel 112 für jede Bohrung 108 einen nicht dargestellten Einsteckzapfen auf, mit denen der Deckel 112 in den Bohrungen 108 gehalten ist. Die Bohrungen 108 und 110 sowie die darin angeordneten Befestigungsschrauben sind somit vor Verschmutzungen geschützt. Insbesondere bei der in der Bohrung 110 angeordneten, nicht dargestellten Befestigungsschraube, die eine Drehbewegung erlaubt, kann so ein Verschmutzungseintrag in die Ventilmechanik wirksam minimiert werden und so die Lebensdauer des Ventils verbessert werden.
Der Kunststoff-Griff mit umspritztem Edelstahl-Basisteil sorgt für eine gute Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig niedrigen Herstellkosten. Weiterhin bleibt der Kunststoff des Griffs aufgrund der eingeschränkten Wärmeleitung kühler und lässt sich dadurch besser bedienen.
Für den Lüfter 44, wie er beispielsweise in den Fig. 1 und 3 sichtbar ist, ist bevorzugt eine Drehzahlregelung vorgesehen. Der Lüfter wird mittels PWM abhängig von Leistungsaufnahme und Temperatur des Leistungsmoduls gesteuert, welches z.B. im Elektronikgehäuse 48 untergebracht ist. Die Drehzahl wird analog zur Leistungsaufnahme eingestellt. Die Regelung wird jedoch erst ab einer Modultemperatur von 50 °C zugelassen. Falls die Pumpe in Temperaturbereiche eines möglichen Deratings (temperaturbedingte Leistungsreduktion) hineinkommt, wird automatisch die max. Lüfterdrehzahl angesteuert. Mit dieser Regelung wird ermöglicht, dass bei kalter Pumpe ein minimaler Geräuschpegel erreicht wird, dass im Enddruck bzw. bei geringer Last ein niedriger Geräuschpegel - entsprechend dem Pumpengeräusch - herrscht, dass eine optimale Kühlung der Pumpe bei gleichzeitig niedrigem Geräuschpegel erreicht wird, und dass vor einer temperaturbedingten Leistungsreduktion die max. Kühlleistung sichergestellt wird.
Die maximale Lüfterdrehzahl kann, insbesondere situativ, anpassbar sein. Z. B. kann es für eine hohe Wasserdampfverträglichkeit zielführend sein, die maximale Lüfterdrehzahl herabzusetzen.
In Fig. 12 ist das bewegliche Spiralbauteil 30 teilweise und gegenüber Fig. 5 vergrößert dargestellt. Eine Schnittansicht des Spiralbauteils 30 entlang der in Fig. 12 angedeuteten Linie A:A ist in Fig. 13 schematisch und nicht maßstabsgerecht dargestellt.
Die Spiralwand 28 weist an ihrem der Grundplatte 66 abgewandten und einer Grundplatte des hier nicht dargestellten, festen Spiralbauteils 24 zugewandten Ende eine Nut 114 zur Einlage eines hier ebenfalls nicht dargestellten Dichtungselements 64 auf, nämlich eines sogenannten Tip Seals. Die Anordnung im Betriebszustand ist z.B. in Fig. 4 gut sichtbar. Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe ist ein Tip Seal vorgesehen, welcher in schleifenden Kontakt mit der Gleitschicht steht.
Die Nut 114 ist nach außen und nach innen durch zwei gegenüberliegende Seitenwände begrenzt, nämlich durch eine innere Seitenwand 116 und eine äußere Seitenwand 118. In einem ersten Spiralabschnitt 120 ist die äußere Seitenwand 118 dicker ausgeführt als die innere Seitenwand 116 im ersten Spiralabschnitt 120 und dicker als beide Seitenwände 116 und 118 in einem anderen, zweiten Spiralabschnitt 122.
Der erste Spiralabschnitt 120 erstreckt sich vom in Fig. 12 angedeuteten Ort bis zum äußeren Ende der Spiralwand 28, wie es beispielsweise auch in Fig. 5 angedeutet ist. Der erste Spiralabschnitt 120 erstreckt sich hier beispielhaft über etwa 163°.
Der erste Spiralabschnitt 120 bildet einen äußeren Endabschnitt der Spiralwand 28. Dabei ist der erste Spiralabschnitt 120 zumindest teilweise, insbesondere vollständig in einem nicht pumpaktiven Bereich der Spiralwand 28 angeordnet. Insbesondere kann der erste Spiralabschnitt 120 den nicht pumpaktiven Bereich der Spiralwand 28 zumindest im Wesentlichen vollständig ausfüllen.
Wie es in Fig. 5 sichtbar ist, kann bevorzugt der erste Zwischenabschnitt 70 zwischen zwei Haltevorsprüngen 68, welcher eine größere radiale Höhe hat, als andere Zwischenabschnitte 72 und 74, dem ersten Spiralabschnitt 120 gegenüberliegend angeordnet sein. Eine durch die dickere Seitenwand 118 eingebrachte Unwucht kann somit durch das größere Gewicht des ersten Zwischenabschnitt 70 ausgeglichen werden.
Für eine geringe Systembelastung der Lager und anderer Bauteile sollte das bewegliche Spiralbauteil allgemein bevorzugt ein geringes Eigengewicht besitzen.
Daher werden die Spiralwände generell sehr dünn ausgeführt. Weiterhin ergeben sich bei dünneren Wänden geringere Pumpenabmessungen (signifikanter Außendurchmesser). Die Seitenwände der Tip Seal-Nut sind in der Folge besonders dünn. Das Verhältnis der TipSeal-Wanddicke zur gesamten Spiralwanddicke beträgt z.B. höchstens 0,17. Aufgrund der Tip Seal-Nut ist jedoch die Spiralwandspitze sehr empfindlich gegenüber Stößen beim Handling, wie etwa bei der Montage oder beim Wechseln des Tip Seal. Durch leichte Stöße, z. B. auch beim Transport, kann die Seitenwand der Nut nach innen gedrückt werden, sodass sich das Tip Seal nicht mehr montieren lässt. Zur Lösung dieses Problems umfasst die Nut eine unsymmetrische Wanddicke, insbesondere eine nach außen lokale Aufdickung der Spiralwand. Dieser Bereich ist bevorzugt nicht pumpaktiv und kann daher mit einer größeren Toleranz gefertigt werden. Durch die einseitige Aufdickung an der, insbesondere letzten halben, Windung werden Schädigungen deutlich reduziert. An übrigen Stellen des Bauteils ist bevorzugt eine Aufdickung der Spiralwand nicht notwendig, da die Wand durch überstehende Elemente des Bauteils geschützt ist.
Die in Fig. 1 gezeigte Luftleithaube 46 definiert einen Luftstrom, wie er durch einen gestrichelten Pfeil 124 angedeutet ist. Der Lüfter 44 ist mit einer Steuerungseinrichtung in dem Elektronikgehäuse 48 über ein nicht dargestelltes Kabel, welches durch die Luftleithaube 46 verläuft, und über eine Steckverbindung verbunden. Diese umfasst eine Buchse 126 und einen Stecker 128. Die Buchse 126 ist am Elektronikgehäuse 48 gelagert und/oder an einer in dem Elektronikgehäuse 48 angeordneten Platine befestigt. Die Buchse 126 ist beispielsweise auch in den Fig. 2 und 3 sichtbar. Der Stecker 128 ist über das nicht dargestellte Kabel mit dem Lüfter 44 verbunden.
Die Steckverbindung 126, 128 ist durch eine Trennwand 130 von dem Luftstrom 124 getrennt. Der Luftstrom 124, der zum Beispiel Stäube oder ähnliche Verschmutzungen enthalten kann, wird somit von der Steckverbindung 126, 128 ferngehalten. Somit wird einerseits die Steckverbindung 126, 128 selbst geschützt und es wird andererseits verhindert, dass die Verschmutzungen durch die für die Buchse 126 vorgesehene Öffnung im Elektronikgehäuse 48 in dieses hinein und zur Steuerungseinrichtung und/oder Leistungselektronik gelangen.
Die Luftleithaube 46 ist in Fig. 14 separat und perspektivisch dargestellt. Es ist unter anderem die Trennwand 130 mit dem dahinter definierten, für den Stecker 128 vorgesehenen Raum sichtbar. Die Trennwand 130 umfasst eine hier als V-förmige Kerbe ausgeführte Ausnehmung 132 zur Durchführung eines Kabels vom Stecker 128 zum Lüfter 44.
Z.B. zur Kostenersparnis können kostengünstige Steckverbinder ohne Abdichtung (z.B. kein IP-Schutz) zum Einsatz kommen, da die Trennwand 130 dafür sorgt, dass die angesaugte Luft nicht über den Durchbruch des Steckverbinders 126, 128 an die Elektronik gelangt. Das Kabel des Lüfters wird durch die V-förmige Kerbe 132 seitlich durch die Trennwand 130 geführt. Die Kerbe 132 weist einen seitlichen Versatz zu dem Steckverbinder 126, 128 auf, wodurch eine Labyrinthwirkung und somit eine weitere Verringerung der Leckage von Kühlluft zu dem Steckverbinder 126, 128 erreicht werden. Durch eine Trennwand 130 innerhalb der Luftleithaube 46 wird außerdem die Luftführung in den Kanal 50 zwischen Elektronikgehäuse 48 und Pumpengehäuse 22 verbessert. Es entsteht weniger Verwirbelung und Gegendruck für den Lüfter 44.
Die Fig. 15 zeigt einen Anlagebereich zwischen dem ersten Gehäuseelement 22 und dem zweiten Gehäuseelement bzw. feststehenden Spiralbauteil 24 in einer schematischen Schnittdarstellung. Das zweite Gehäuseelement 24 ist mit einer Übergangspassung 134 teilweise in das erste Gehäuseelement 22 eingesteckt. Dabei ist eine Abdichtung mittels eines O-Rings 136 vorgesehen. Die Übergangspassung 134 dient zum Beispiel auch der Zentrierung des zweiten Gehäuseelements 24 gegenüber dem ersten Gehäuseelement 22.
Zu Wartungszwecken, zum Beispiel zum Austausch des Dichtungselements 64, muss das zweite Gehäuseelement 24 zum Beispiel demontiert werden. Dabei kann es vorkommen, dass die Übergangspassung 134 oder der O-Ring 136 klemmen, wenn das zweite Gehäuseelement 24 nicht gerade genug herausgezogen wird. Zur Lösung dieses Problems ist ein Abdrückgewinde 138 vorgesehen. Bevorzugt kann auch zumindest im Wesentlichen radial gegenüberliegend ein zweites Abdrückgewinde vorgesehen sein. Zum möglichst geraden und geführten Lösen des zweiten Gehäuseelements 24 kann eine Schraube in das Abdrückgewinde 38 eingeschraubt werden, bis die Schraube aus diesem heraus hervorsteht und in Anlage mit dem ersten Gehäuseelement 22 gelangt. Durch weiteres Einschrauben werden die Gehäuseelemente 22 und 24 voneinander weggedrückt.
Zum Abdrücken können zum Beispiel die zur Befestigung des zweiten Gehäuseelements 24 am ersten Gehäuseelement 22 vorgesehenen Befestigungsschrauben 142 verwendet werden, wie sie beispielsweise in den Fig. 1 und 3 bezeichnet sind. Zu diesem Zweck weist das Abdrückgewinde 138 bevorzugt die gleiche Gewindeart auf, wie für die Befestigungsschrauben 142 vorgesehene Befestigungsgewinde.
Am zweiten Gehäuseelement 22 ist eine Senkung 140 vorgesehen, die dem Abdrückgewinde 138 zugeordnet ist. Falls beim Einschrauben der Schraube in das Abdrückgewinde 138 Abriebpartikel ausgetragen werden, sammeln sich diese in der Senkung 140. Somit wird verhindert, dass derartige Abriebpartikel zum Beispiel eine vollständige Anlage der Gehäuseelemente 22 und 24 aneinander verhindern.
Bei der Montage des festen Spiralbauteils 24 müssen die Schrauben wieder herausgedreht werden, da sonst ein vollständiges Verschrauben (Richtiger Sitz auf der Planfläche des Gehäuses) des feststehenden Spiralbauteils 24 am ersten Gehäuseelement 22 womöglich verhindert ist. Leckage, Schiefstellung und Verringerung der Pumpperformance können die Folge sein. Zur Vermeidung dieses Montagefehlers verfügt die Luftleithaube 46 über wenigstens einen, insbesondere zusätzlichen, in Fig. 14 gezeigten Dom 144, der ein Montieren der Luftleithaube 46 nur dann ermöglicht, wenn die zum Abdrücken verwendeten Schrauben, insbesondere die Befestigungsschrauben 142, wieder entfernt worden sind. Denn die Luftleithaube 46 mit dem Dom 144 ist derart ausgebildet, dass sie mit einem Schraubenkopf einer etwaig in das Abdrückgewinde 138 eingeschraubten Abdrückschraube kollidieren würde, sodass die Luftleithaube 46 nicht vollständig montierbar wäre. Insbesondere kann die Luftleithaube 46 nur bei vollständig demontierten Abdrückschrauben montiert werden.
Fig. 16 zeigt schematisch eine Detaildarstellung der Spiral- oder Scrollpumpe 20 gemäß den vorherigen Figuren, in dem Bereich, wo die Dichtung 150 den mit der Gleitschicht 152 versehenen Träger 154, in Form der Grundplatte 66, berührt. Insbesondere erfolgt die Anordnung der Spiralelemente 26, 28 derart, dass die Dichtung 150 gegen den Träger 154, in Form der Grundplatte 66, gepresst wird. Das Anpressen der Dichtung an die Grundplatte erfolgt über die Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Spiralelemente 26, 28. Die Dichtung 150 ist über eine Grenzfläche 151 mit den Spiralelemten 26, 28 verbunden. Die Oxidschicht und die Versiegelung der Gleitschicht 152 sind nicht separat dargestellt, da die Versiegelung in die Poren und Fehlstellen der Oxidschicht eingedrungen ist und diese verschließt. Ein zusätzlicher Schichtaufbau findet nicht unbedingt statt. Die vorzugsweise fluorpolymerhaltige Versieglung fördert nicht nur die Trockenschmiereigenschaften der Gleitschicht 152 und vermindert zusätzlich deren Verschleiß, sondern verbessert auch die Gasdichtigkeit der Gleitschicht 152, wodurch sich eine Verbesserung der erreichbaren Enddrücke sowie zu Verkürzung der Einlaufzeit ergibt.
Die Träger 154, in Form der Grundplatte 66, und die spiralförmigen Wände 26, 28 sind jeweils einstückig ausgebildet und bestehen aus einer Aluminiumlegierung des Typs AlMgSi. Bei der Oxidschicht der Gleitschicht 152 handelt es sich um eine durch anodische Oxidation in einem Schwefelsäureelektrolyten erzeugte Aluminiumoxidschicht. Die Gleitschicht 152 ist insbesondere auf allen den Förderräumen zugewandten Flächen der Spiralbauteile 24, 30 aufgebracht. Bei der in Fig. 6 dargestellten Dichtung 150 (Tip Seals) handelt es sich beispielsweise um Polytetrafluorethylen, das Polyimidpartikel enthält und durch Heißformpressen und anschließendes Sintern hergestellt wurde. Die mittlere Teilchengröße der Polyimidpartikel beträgt 25µm.
Bei der Versiegelung handelt es sich vorzugsweise um eine als wässrige anionische Polyurethandispersion aufgebrachte Versiegelung, wobei das Polyurethan perfluorierte Polyethersegmente enthält. Die perfluorierten Polyethersegmente können als Polyol-Präpolymer oder als Diisocyanat-Präpolymer vorliegen. Bei den perfluorierten Polyethersegmenten kann es sich beispielsweise um Segmente auf Basis von perfluoriertem Polyethylenglycol oder perfluoriertem Polypropylenglycol handeln, vorzugswese auf Basis von perfluoriertem Polyethylenglycol. Zur Verbesserung der Anbindung der Versiegelung an die Oxidschicht wurde der Polyurethandispersion ein Haftvermittler zugesetzt. Beispielhaft wurde ein Epoxy-Silan oder ein Polyaziridin zugegeben. Es können stattdessen oder zusätzlich auch andere Haftvermittler, wie Melamine oder blockierte Isocyanate zugegeben werden. Die Versiegelung kann ebenfalls auf Acrylat-basiert oder Sol-Gel-basiert sein, wobei bei Acrylat-basierten bzw. Sol-Gel-basierten Versiegelungen der Einsatz eines Haftvermittlers, wie zuvor beschrieben, ebenfalls bevorzugt ist.
Die erfindungsgemäße Pumpe kann einzelne oder mehrere der oben unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 16 beschriebenen Merkmale aufweisen, wobei bei einer erfindungsgemäßen Pumpe beliebige Kombinationen dieser Merkmale realisiert sein können.
In Fig. 17 ist eine Elektronenmikroskopieaufnahme eines Querschnitts gezeigt, welcher eine Oxidschicht 156 mit einer Dicke von 39,08 µm zeigt, die auf einer Grundplatte 66 aufgebracht ist. Der Maßstab in Fig. 17 zeigt eine Länge von 10 µm. Die Oxidschicht 156 weist Risse 158 und Fehlstellen 158 auf, welche die Gasdichtigkeit beeinträchtigen. Eine noch weiter vergrößerte Ansicht ist in Fig. 18 gezeigt, bei welcher die Porenstruktur als auch die Fehlstellen, welche die Poren miteinander verbinden, erkennbar sind. Der Maßstab in Fig. 18 zeigt eine Länge von 200 nm. Die poröse Struktur der Oxidschicht 156 lässt sich auch anhand von Fig 19 erkennen, welche eine elektronenmikroskopische Aufsicht auf die Oxidschicht von Fig. 17 und Fig. 18 zeigt, wobei die Poren 160 als dunkle, vertikal verlaufende Streifen, erscheinen und auch sehr kleine Fehlstellen 158 als dunkle Flecken erkennbar sind, die benachbarte Poren 160 miteinander verbinden. Der Maßstab in Fig. 18 zeigt eine Länge von 200 nm. Es sind sehr kleine Poren 160 als auch grö-ßere Poren160 sowie Risse 158 und deren Verästelungen zu erkennen. In den Figuren 17 bis 19 sind nur jeweils wenige Poren und Fehlstellen mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Wirkung der Gleitschicht der erfindungsgemäßen Pumpe ist anhand des in Fig. 20 gezeigten Graphen erkennbar. Auf der Abszissenachse (X-Achse) ist die Zeit in Stunden aufgetragen, auf der Ordinatenachse der Druck in hPa. Jeweils unter identischen Bedingungen wurde mit Scrollvakuumpumpen ein Unterdruck erzeugt, wobei die Entwicklung des jeweiligen Unterdrucks über die Zeit aufgezeichnet wurde.
Bei allen Linien A bis D wurde jeweils eine Pumpe vom Typ HiScroll eingesetzt, die sich nur darin unterscheiden, dass bei Linie A die Förderelemente keine Beschichtung aufweisen. Bei Linie B weisen die Förderelemente eine, wie in EP 3 153 706 A1 beschriebene Beschichtung auf, wobei zur Erzeugung der Oxidschicht ein Schwefelsäureelektrolyt verwendet wurde, d.h. eine anodisch hergestellte Oxidschicht. Bei Linie C handelt es sich um eine HiScroll Pumpe, wie bei Linie B, jedoch wurde die Beschichtung vor Beginn der Vakuumerzeugung für einige Zeit ausgeheizt. Linie D zeigt die Entwicklung des Vakuums mit einer erfindungsgemä-ßen Vakuumpumpe, bei welcher die Oxidschicht zusätzlich mit einer Versiegelung versehen ist.
Wie anhand Linie A erkennbar ist, lässt sich zwar mit unbeschichteten Förderelementen sehr schnell ein niedriger Enddruck erzielen, jedoch ist dieser aufgrund des Verschleißes der Förderelemente nicht stabil. Ein stabiler, jedoch selbst nach langer Einlaufphase verhältnismäßig hoher Enddruck ist erreichbar, wenn die Förderelemente eine anodische Beschichtung aufweisen. Dies wird anhand von Linie B deutlich. Bei der Pumpe von Linie B wurde nach kurzer Laufzeit der Versuch unterbrochen und eine Versiegelung auf die Oxidschicht aufgebracht. Bei Fortsetzung des Versuchs fällt auf, dass der Druck wesentlich schneller abfällt und ein deutlich niedrigerer Enddruck erreicht wird. Linie C zeigt, dass sich durch ein Ausheizen der Förderelemente, wie sie bei Linie B bis zur Unterbrechung des Versuchs eingesetzt wurde, ein geringerer Enddruck erreichen lässt, jedoch lassen sich auch durch ein Ausheizen die in der Oxidschicht enthaltenen Fehlstellen nicht entfernen, sodass durch Risse, wie in den Fig. 17 bis 19 sichtbar, ein gewisses Zurückströmen des Fördermediums möglich ist. Die erreichbaren Enddrücke sind zwar besser als bei den unausgeheizten Förderelementen. Allerdings besteht auch hier ein Verbesserungsbedarf. Die versiegelten Förderelemente, wie sie bei Linie D eingesetzt wurden ermöglichen einen deutlich geringeren Enddruck als bei den Linien B (bis zur Unterbrechung des Versuchs) und C, wobei das erzielte Vakuum anders als bei Linie A stabil ist. Bei den Linien B und C ist mit einer deutlich längeren Einlaufzeit zu rechnen bis zum Erreichen der niedrigeren Enddrücke. Mit der erfindungsmäßen Versiegelung wird somit tendenziell nicht nur der erreichbare Enddruck verbessert, sondern auch die Einlaufzeit deutlich reduziert. Dies verdeutlicht die bemerkenswerten Effekte, die aufgrund der Versiegelung der Porenstruktur der Oxidschicht hinsichtlich kurzen Einlaufzeiten, niedrigen Enddrücken und hohen Verschleißbeständigkeiten erzielt werden.

Bezugszeichenliste

20: Scrollpumpe
22: erstes Gehäuseelement
24: zweites Gehäuseelement/feststehendes Spiralbauteil
26: Spiralwand
28: Spiralwand
30: bewegliches Spiralbauteil
32: Exzenterwelle
34: Motor
36: Wälzlager
38: Exzenterzapfen
40: Wälzlager
42: Wellbalg
44: Lüfter
46: Luftleithaube
48: Elektronikgehäuse
50: Kanal
52: Kammer
54: Rippe
56: Ausnehmung
58: Rippe
60: Drucksensor
62: Kanal
64: Dichtungselement
66: Grundplatte
68: Haltevorsprung
70: erster Zwischenabschnitt
72: zweiter Zwischenabschnitt
74: dritter Zwischenabschnitt
76: Einspannvorrichtung
78: Dreibackenfutter
80: Ausnehmung
82: Ausgleichsgewicht
84: Befestigungsbohrung
86: Wellenabsatz
88: Gehäuseschulter
90: Gasballastventil
92: Betätigungsgriff
94: Kunststoffkörper
96: Basiselement
98: Bohrung
100: Rückschlagventil
102: Stopfen
104: Befestigungsschraube
106: drehbares Element
108: Bohrung
110: Bohrung
112: Deckel
114: Nut
116: innere Seitenwand
118: äußere Seitenwand
120: erster Spiralabschnitt
122: zweiter Spiralabschnitt
124: Luftstrom
126: Buchse
128: Stecker
130: Trennwand
132: Ausnehmung
134: Übergangspassung
136: O-Ring
138: Abdrückgewinde
140: Senkung
142: Befestigungsschraube
144: Dom
150: Dichtung
152: Gleitschicht
154: Träger

Claims

Pumpe, insbesondere Vakuumpumpe, umfassend eine Gleitschicht (152),
wobei die Gleitschicht (152) eine, insbesondere durch anodische Oxidation in einem säurehaltigen Elektrolyten gebildete, Oxidschicht sowie eine Polymer basierte Versiegelung umfasst, und

wobei die Oxidschicht zumindest teilweise von der Versiegelung bedeckt und/oder mit der Versiegelung imprägniert ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Versiegelung eine Polyurethanschicht ist, die aus einem Polyurethan gebildet ist, welches perfluorierte Segmente aufweist und/oder

dass die Versiegelung ein Fluoralkylsiloxan enthält und/oder

dass die Versiegelung aus einem Polyurethan gebildet ist, welches Polyether-Segmente aufweist, und/oder dass die Versiegelung aus einem Polyurethan gebildet ist, welches perfluorierte Polyether-Segmente aufweist.
Pumpe nach Anspruch 1,
wobei es sich um eine Spiral- oder Scrollpumpe (20), insbesondere Spiral- oder Scrollvakuumpumpe, mit als Spiralelemente ausgebildeten Förderelementen (24, 30) handelt, wobei die Gleitschicht (152) zumindest bereichsweise auf zumindest eines der als Spiralelemente ausgebildeten Förderelemente (24, 30) aufgebracht ist.
Pumpe nach Anspruch 1,
wobei es sich um eine Kolbenpumpe, insbesondere Kolbenvakuumpumpe, mit zumindest einem Zylinder mit einer Zylinderinnenwand und einem in dem Zylinder bewegbaren Kolben handelt, wobei die Gleitschicht zumindest bereichsweise auf die Zylinderinnenwand und/oder den Kolben aufgebracht ist.
Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oxidschicht porös ist und die Versiegelung Poren (160) und/oder Risse (158) und/oder Fehlstellen (158) der Oxidschicht zumindest zum Teil verschließt.
Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versiegelung eine Dicke von 10 µm oder weniger, insbesondere von 0,5 bis 5 µm, aufweist.
Pumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4,
wobei die Versiegelung eine Dicke von 5 bis 25 µm oder von 25 bis 35 µm aufweist.
Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Versiegelung die Oxidschicht im Wesentlichen vollständig oder vollständig bedeckt.
Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Haftvermittler in der Versiegelung und/oder als Grundierung auf der Oxidschicht vorgesehen ist.
Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Förderelemente einen Grundwerkstoff umfassen, der zumindest teilweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet ist und auf den die Gleitschicht (152) aufgebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Pumpe nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, mit Herstellung einer Gleitschicht (152), umfassend die folgenden Schritte:
a) Erzeugen einer Oxidschicht, insbesondere durch anodische Oxidation, in einem, vorzugsweise säurehaltigen, Elektrolyten; und

b) Beschichten der Oxidschicht mit einer Versiegelung.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Versiegelung entweder in Form einer wässrigen Dispersion aufgebracht wird oder in Form einer Lösungsmittelbasierten Dispersion aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Lösungsmittel in der Lösungsmittelbasierten Dispersion ein C₁ bis Cs-Alkohol ist, insbesondere ein C₃ bis C₆-Alkohol, beispielsweise ein C₄-Alkohol.