EP4711617A2 - Scrollpumpe - Google Patents

Scrollpumpe

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Publication number
EP4711617A2
EP4711617A2 EP26155129.5A EP26155129A EP4711617A2 EP 4711617 A2 EP4711617 A2 EP 4711617A2 EP 26155129 A EP26155129 A EP 26155129A EP 4711617 A2 EP4711617 A2 EP 4711617A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
face
spacer element
orbiter
stator
spiral
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP26155129.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Sebastian Arnold
Jonas Becker
Mert Kan CELIKKALE
Stefan Kallenborn
Heiko Schäfer
Wolfgang Söhngen
Jan Hofmann
Sebastian Latta
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Original Assignee
Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pfeiffer Vacuum Technology AG filed Critical Pfeiffer Vacuum Technology AG
Priority to EP26155129.5A priority Critical patent/EP4711617A2/de
Publication of EP4711617A2 publication Critical patent/EP4711617A2/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F04C18/00—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C18/02—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F04C18/0207—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F04C18/0215—Rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
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    • F04C18/0246—Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
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    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00—Material properties
    • F05C2251/14—Self lubricating materials; Solid lubricants

Definitions

  • the invention relates to a scroll pump with a stator comprising a stator spiral component and an orbiter comprising an orbiter spiral component that engages with the stator spiral component.
  • a scroll pump is a positive displacement pump that compresses against atmospheric pressure and can be used, among other things, as a compressor.
  • a scroll vacuum pump can be used to create a vacuum in a container connected to the gas inlet.
  • Scroll vacuum pumps are also known as spiral vacuum pumps or spiral conveying devices.
  • a pump stage of a scroll pump comprises two nested or interlocked spiral cylinders, for example, Archimedean spiral cylinders, which are hereinafter also referred to as spiral components.
  • Each spiral cylinder includes at least one equidistant spiral wall with a support plate provided on one end face of the spiral wall.
  • the outer turns of the spiral cylinder can be formed by wall sections that are each at a constant circumferential distance from the center of the spiral components. Although these wall sections do not strictly constitute spiral sections, in this context they are considered part of the spiral component and referred to as its turns.
  • the spiral cylinders are nested inside each other in such a way that the two spiral cylinders partially enclose crescent- or sickle-shaped volumes.
  • One of the two spiral components is immobile or fixed within the housing.
  • the pump is arranged, whereas the other spiral component, together with its carrier plate, can be moved on a circular path via an eccentric drive, which is why this movable spiral component together with its carrier plate is also called an orbiter.
  • the movable spiral component thus performs a so-called centrally symmetrical oscillation, which is also referred to as "wobbling” or “orbiting".
  • a crescent-shaped volume enclosed between the spiral cylinders migrates increasingly inwards within the spiral components during the orbiting of the movable spiral component, whereby process gas is conveyed by means of the migrating volume from a radially outer gas inlet to a gas outlet located radially in the center of the spiral.
  • a first seal also known as a tip seal
  • a tip seal is, for example, a plastic compound, such as PTFE (polytetrafluoroethylene), with a rectangular cross-section.
  • a second seal also called a tip seal
  • a tip seal can be provided on the end face of the stationary spiral or stationary spiral cylinder that faces a moving wall.
  • tip seals allow the crescent-shaped volumes enclosed by the scroll cylinders to be sealed at the end faces of the scroll cylinders.
  • the tip seals prevent internal backflow within the scroll pump or within the scroll contour in the axial direction, thus reducing, for example, the ultimate pressure achievable with a scroll vacuum pump.
  • Tip Seals are only establish indirect contact between the moving and stationary spiral components. Indirect in this context means that the spiral components themselves do not touch, thus preventing wear.
  • the Tip Seals close the gap between the spiral components in an axial direction perpendicular to the eccentric rotation of the moving spiral component. In other words, instead of contacting an end face of the spiral components, the Tip Seal contacts an opposing wall.
  • the defined wear pattern of the tip seals prevents wear on the spiral components, as there is no contact between them. Contact between the spiral components could cause permanent damage to the scroll pump and reduce its operational reliability.
  • the tip seals require a complex manufacturing process for the scroll pump, as a recess or groove must be machined into the respective end faces of the spiral components to accommodate the individual tip seal. This process demands tight tolerances, which increases the manufacturing costs of the scroll pump. This applies both to the machining of the groove or recess and to the manufacturing of the individual tip seals themselves.
  • wear particles can be released from a scroll pump into the surrounding atmosphere during the pumping process, causing a certain amount of dust pollution. Such emissions of wear particles should be avoided in terms of environmental protection and sustainability.
  • the scroll pump requires maintenance after a certain period, with the operating time until maintenance being determined by the material properties of the tip seals. In other words, the tip seals limit the operating time available before the scroll vacuum pump requires maintenance.
  • One object of the invention is to create a scroll pump that eliminates the need for tip seals and similar seals between spiral components, while still achieving sufficient operational reliability and the required ultimate pressure of the scroll pump.
  • the scroll pump according to the invention which is in particular a scroll vacuum pump, comprises a stator, which includes a stator spiral component, and an orbiter, which includes an orbiter spiral component that engages with the stator spiral component.
  • the orbiter spiral component is further configured to perform an eccentric movement about an axis of rotation relative to the stator. This axis of rotation defines an axial direction within the scroll pump.
  • the stator spiral component has a stator end face, while the orbiter spiral component has an orbiter end face that is axially opposite and spaced apart from the stator end face.
  • At least one spacer element is arranged on the stator end face or the orbiter end face, projecting axially beyond the stator end face or orbiter end face on which it is arranged.
  • the spacer element also has a predefined axial distance relative to the opposite stator end face or orbiter end face, i.e., relative to the stator end face or orbiter end face on which the spacer element is not arranged.
  • the spacer element comprises a material that differs from the respective material on the stator end face and the orbiter end face by at least one tribological property.
  • the tribological property can relate, for example, to the hardness and/or the coefficient of sliding friction of the materials.
  • the spacer element may have a lower hardness than the material on the surface opposite the spacer element, i.e., the material on the stator end face or the orbiter end face.
  • the spacer element material in combination with the material of the opposite surface, may exhibit a lower coefficient of sliding friction than would be the case if the material of the opposite surface were interacting with itself.
  • tip seals can be omitted within the scroll pump according to the invention.
  • the scroll pump can therefore be free of a tip seal. This means that such a scroll pump generally has no seal in the form of a tip seal between the stator and the orbiter that contacts the respective opposing end faces.
  • the scroll pump can therefore also be referred to as a tip-sealless scroll pump.
  • tip seals are located at the tips or ends of spiral walls within the scroll pump and contact a wall of the opposite spiral component, they require tight manufacturing tolerances. This applies both to the dimensions of the tip seals themselves and to the dimensions of the grooves or recesses in which they are located.
  • the at least one spacer element can be arranged in any region on the end face of one of the spiral components, wherein the end face for arranging the spacer element comprises both the spiral walls and surfaces on support plates to which the spiral walls are attached and which face the other spiral component.
  • tip seals have a long, cord-like contour along the spiral component to which they are attached.
  • simpler contours can be used or implemented for the spacer element of the scroll pump described here.
  • the spacer element projects axially beyond the end face of the stator or orbiter on which it is mounted, the predefined distance between the spacer element and the opposite face is smaller than the distance between the stator end face and the orbiter end face.
  • a gap must always be maintained between the tip of the spiral wall of each spiral component and the opposite support plate of the other spiral component to ensure that the respective base bodies of the stator spiral component and the orbiter spiral component do not touch during operation of the scroll pump.
  • such a gap must be as small as possible, i.e., have the narrowest possible width, in order to minimize backflow within the scroll pump and to achieve the intended ultimate pressure of the scroll pump.
  • the gap width between the stator spiral component and the orbiter spiral component i.e., for example, between the respective tip of each spiral wall and the surface of the opposite support plate, should be less than 50 ⁇ m.
  • the gap width between the stator spiral component and the orbiter spiral component can change continuously during operation of the scroll pump. Such a change depends on the pressure and temperature distribution within the spiral components, as well as other factors, such as the rotational speed of the scroll pump. Therefore, contact between the spiral components could occur during operation of the scroll pump, even though the spiral components are designed to be in contact with each other. They were initially mounted without contact, meaning there is no contact between them when the scroll pump is switched off.
  • the spacer element according to the invention is therefore designed to allow a defined contact between the spiral components during operation of the scroll pump in such a way that no contact occurs between the base bodies of the stator spiral component and the orbiter spiral component. Instead, a defined, brief contact may only occur between the at least one spacer element and the opposite wall.
  • Wear therefore does not occur on the base bodies of the scroll components, but rather on the spacer element, which differs from the material of the stator scroll component and the orbiter scroll component due to at least one tribological property of its material.
  • the spacer element has a lower hardness than the material of the opposing surface and/or forms a tribological system with a reduced coefficient of sliding friction together with the opposing surface, less wear occurs on the spacer element compared to contact between the scroll components themselves, i.e., compared to contact between their base bodies. This further extends the service life of the scroll pump before maintenance is required.
  • the at least one spacer element can be arranged as an additional element in a recess or groove of the stator spiral component, which is recessed into the corresponding end face. After being attached to the stator spiral component or the orbiter spiral component, the at least one spacer element protrudes, for example, less than 0.1 mm relative to the surrounding surface.
  • an outer contour of the spacer corresponds in particular to the shape of the recess or groove.
  • the spacer can also be manufactured as a single, solid element from a material that is softer or has a lower hardness than the material of the opposing surface on the stator spiral component or the orbiter spiral component.
  • a coating of the softer or lower-hardness material can be applied to a base body to manufacture the spacer.
  • the predefined distance between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face is less than a threshold value that depends on a target end pressure of the scroll pump.
  • the target end pressure of the scroll pump is the pressure that the scroll pump is intended to achieve during operation with respect to its specific application. If the scroll pump is designed as a scroll vacuum pump, the target end pressure is, for example, a minimum pressure or vacuum required for a specific application of the pump.
  • the threshold value provided for the predefined distance can also depend on other parameters, such as the temperature of the scroll pump.
  • the gap width between the stator spiral component and the orbiter spiral component should be as small as possible to minimize backflow within the scroll pump, and should be, for example, less than 50 ⁇ m. This means that the predefined distance between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face must be smaller than the gap width between the stator spiral component and the orbiter spiral component to prevent contact between the base bodies of the stator spiral component and the orbiter spiral component.
  • the stator end face or orbiter end face opposite the spacer element has a region that differs from the rest of the spiral component, i.e., the stator spiral component or orbiter spiral component, by at least one material property.
  • a coating can be applied to the end face opposite the spacer element, which causes the end face in the region of the coating to differ from the rest of the surface of the stator spiral element or orbiter spiral element, for example, with regard to hardness and/or coefficient of sliding friction.
  • the spacer element can form a tribological system with the area on the opposite face, exhibiting optimized sliding properties, such as a minimization of the specific wear rate or the coefficient of sliding friction.
  • the area on the opposite face with which the spacer element comes into contact can have a greater hardness and strength than both the spacer element and the base body of the spiral element onto which the coating is applied. Nevertheless, the coating can still exhibit good sliding properties, i.e., a reduced coefficient of sliding friction relative to the spacer element compared to the base body of the respective spiral component.
  • the coating has a lower surface roughness within the area on the opposite end face that can come into contact with the spacer element.
  • aluminum oxide ceramics, sliding lacquers with solid lubricant additives, and hard metal coatings can be used as coatings for the area on the opposite end face.
  • a counter-element can be arranged on the stator end face or orbiter end face opposite the spacer element, which projects axially beyond the stator end face or orbiter end face on which it is arranged and is oriented with respect to at least one material property differs from that of the stator end face or the orbiter end face on which it is located.
  • a counter element associated with the spacer element can be attached to the opposite end face of the stator spiral component or the orbiter spiral component.
  • the counter element can thus be considered a second spacer element, which, together with the spacer element opposite it, defines a minimum gap width between the stator spiral component and the orbiter spiral component.
  • the spacer element and the counter element can briefly touch in a defined manner to prevent contact between the base bodies of the stator spiral component or the orbiter spiral component.
  • the axial distance between the spacer element and the counter element can be smaller than the minimum axial distance between the stator end face and the orbiter end face. This allows the spacer element and counter element to briefly touch during operation of the scroll pump before the stator end face and the orbiter end face actually make contact.
  • the material of the spacer element and the material of the counter element can be selected such that the spacer element and the counter element form a tribological system in which the specific wear rate and/or coefficient of sliding friction for these elements is lower than for the materials of the stator end face and the orbiter end face.
  • the spacer element and the counter element can form a tribological system with optimized sliding properties, i.e., with a minimized specific wear rate and/or a minimized coefficient of sliding friction.
  • the specific wear rate and/or the coefficient of sliding friction of such a tribological system can be lower than a predetermined threshold and/or lie within a predefined range.
  • stator spiral component and the orbiter spiral component each comprise a support element and a spiral or spiral wall, respectively.
  • the spacer element is arranged in a radial direction, perpendicular to the axial direction, outside the respective spiral of the stator spiral component and the orbiter spiral component. This ensures that any potential contact between the spacer element and the opposite end face of the stator or the orbiter occurs in an area outside the respective spirals, thus preventing damage or deformation of the spirals due to such contact.
  • the spacer element can be formed as a ring-shaped component extending around the entire circumference of the orbiter or stator, located outside the stator and orbiter spirals.
  • multiple ring segments can be provided, distributed circumferentially around the axis of rotation and extending around the entire circumference of the stator or orbiter spiral component. These ring segments can be arranged at regular angular intervals.
  • multiple spacers can be designed as several circular components distributed at regular angular intervals around the circumference of the stator or orbiter spiral component.
  • the surface of the spacer element that comes into contact with the opposite end face of the stator spiral component or the orbiter spiral component can be flat and parallel to the opposite surface.
  • other surface contours are possible for the spacer element, for example, a convex shape.
  • a spacer element is located between the spacer element and the spacer element of the stator spiral component or the orbiter spiral component, on which The spacer element is arranged in a releasable, force-fit connection.
  • a connection can be implemented, for example, as a screw connection, in which a screw hole is provided in the stator spiral component or in the orbiter spiral component, to whose respective end face the spacer element is to be attached.
  • the spacer element has a corresponding countersunk hole, so that the screw connection presses the spacer element axially against the end face to which it is to be attached.
  • a spring system can be provided for the releasable, force-fit connection, in which the spacer element is pressed into the groove or recess in which the spacer element is to be attached by several springs in a radial direction perpendicular to the axial direction.
  • the detachable, force-fit connection of the spacer element to the corresponding spiral component has the advantage that the spacer element can be replaced while the rest of the spiral component can continue to be used.
  • the scroll pump additionally includes an adjusting device configured to regulate the axial distance between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face to a predefined distance.
  • the predefined distance is thus a setpoint for the distance or distance between the spacer element and the opposite end face in the axial direction.
  • the axial distance between the spacer element and the The actual value of the opposite frontal surface can be recorded or estimated using another device, for which some examples are explained below.
  • each contact can reduce the extent or distance by which the spacer element protrudes from the end face of the stator or orbiter. This can cause the spacer element to gradually lose its functionality during operation, potentially necessitating its replacement.
  • the adjustment device which can restore the predefined distance between the spacer element and the opposite end face by readjusting the distance between them, the predefined distance between the spacer element and the opposite end face can be maintained even though the spacer element is subject to a certain amount of wear. This extends the service life of the scroll pump and the operating time available before maintenance is required.
  • the adjusting device can include a pressure chamber arranged in conjunction with the spacer element such that the pressure chamber exerts a force on the spacer element in the axial direction.
  • the pressure chamber can be arranged axially behind the spacer element, i.e., on the opposite side or rear of the spacer element with respect to the area of the spacer element that can come into contact with the opposite end face.
  • the spacer element can, for example, have a wedge-shaped profile and be clamped radially perpendicular to the axial direction by means of a spring system.
  • the springs of this system can thus act on an inclined contact surface of the spacer element, exerting a force on the spacer element in both the radial and axial directions.
  • the axial force exerted by the springs acts as a counterforce to the force exerted by the pressure chamber, which arises from the pressure difference between the pressure chamber and the area on the opposite side of the spacer element. This creates a force equilibrium in the axial direction, which holds the spacer element in a desired position.
  • the pressure in the pressure chamber can be adjusted via a controllable valve, the opening degree of which can be determined depending on the detected wear and the contact pressure of the springs.
  • the pressure or pressure differential across the spacer element can be increased, thereby shifting the spacer element towards the opposite end face and readjusting its distance relative to this face until a new equilibrium of forces with the spring force is achieved.
  • the pressure chamber must be sealed off from the pressure or vacuum area of the scroll pump.
  • a supply line for gas into the pressure chamber can be provided via the surrounding atmosphere, for example via an outlet of the scroll pump, or via an integrated pressure vessel.
  • the adjustment device can alternatively include at least one adjusting screw that is functionally coupled to the spacer element in order to adjust the predefined distance in the axial direction between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face.
  • the spacer element is mounted on a special screw, which is called an adjusting screw and has, for example, two threads.
  • the two threads can include a mounting thread located at one end of the adjusting screw, opposite the screw head of the adjusting screw, and connected to the spacer. Furthermore, the two threads can include a fine thread that engages with a mating thread on the spiral component to which the spacer is attached.
  • the fine thread allows for precise adjustment of the axial position of the adjusting screw and thus of the spacer.
  • the diameter of the fine thread is, in particular, larger than the diameter of the mounting thread.
  • a seal is also required for each thread of the two threads of the adjusting screw.
  • the spacer can be manually adjusted using the adjusting screw.
  • the positioning of the spacer can also be automated using an additional tool, allowing for adjustments as needed during operation of the scroll vacuum pump.
  • the adjusting device can have at least one actuator that is functionally coupled to the spacer element and configured to adjust the axial position of the spacer element.
  • an actuator can be part of a control loop.
  • the wear of the spacer element can be detected by measuring the axial distance between the spacer element and the opposite end face. A difference between the measured axial distance and the predefined distance, i.e., between the actual and target values, can provide a control signal to the actuator, allowing it to adjust the axial position of the spacer element based on this control signal and therefore depending on the measured axial distance.
  • the system adjusts for wear of the spacer element. By detecting the actuator's position, it can determine when the spacer element's wear exceeds a predefined limit and the spacer element should be replaced.
  • the actuator can be, for example, a bimetallic, electric, or piezoelectric actuator.
  • the scroll pump also includes a detection device configured to detect each contact between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face and to record the number of contacts between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face.
  • the detection device can detect the wear of the spacer element, which depends on the number of contacts between the spacer element and the opposite end face and is, for example, proportional to the number of contacts. By detecting the wear of the spacer element based on the contacts between the spacer element and the opposite face, the remaining operating time of the scroll pump before maintenance is required can be determined. Maintenance of the scroll pump may be necessary, for example, if the number of contacts between the spacer element and the opposite end face exceeds a predetermined value.
  • the detection device can be configured to detect contact between the spacer element and the opposite stator end face or orbiter end face by means of a switching operation triggered by the contact.
  • a switching operation can be electrical or mechanical, e.g., similar to that of a tactile switch.
  • electrical contact between the spacer and the opposite stator end face or orbiter end face can be detected.
  • electrical contacts can be provided on the spacer and the opposite end face, so that a short circuit occurs between these two contacts upon contact. This allows the number of contacts to be recorded, or the cumulative charge flowing across the contact can be measured, which can be a measure of the spacer's wear.
  • either the spacer or the opposing spiral component can have an insulated area on its respective end face, thus insulating a corresponding surface. If, due to wear between the spacer and the opposing spiral component, this insulated area is worn away after a certain number of contacts, an electrical contact may occur, indicating a certain degree of wear. In this case, a warning can be issued so that appropriate maintenance of the scroll pump can be carried out.
  • the detection device can include an accelerometer and/or a non-contact displacement sensor.
  • a certain, relatively low level of vibration can occur, which forms a reference level for the accelerometer.
  • increased vibrations occur, which can be recorded by the accelerometer.
  • a predefined value for vibration acceleration or velocity, detectable by the accelerometer is exceeded, contact between the spacer element and the opposite scroll component can be detected.
  • the non-contact displacement sensor can be used.
  • a displacement sensor uses a measuring head to detect the axial distance between the spacer element and the opposing spiral component. This allows contact between them to be detected in order to determine the wear between the spacer element and the opposing spiral component.
  • the detection device can be configured to record certain operating parameters of the scroll pump in order to approximate or estimate the axial gap width or distance between the spacer element and the opposing scroll component.
  • the axial distance can change with a change in suction pressure, expansion of the scroll components due to heating, or a change in the drive speed of the scroll pump's orbiter.
  • the change in these parameters can be related to and approximated by a mathematical function corresponding to the change in the gap width or axial distance. As soon as the axial gap width falls below a predetermined value, contact between the spacer element and the opposing scroll component is assumed to have occurred.
  • the Fig. 1 Figure 1 shows a vacuum pump designed as a scroll pump 10.
  • This pump comprises a first housing element 12 and a second housing element 14 connected to it by screws 15.
  • the second housing element 14 has a pump-active structure, namely a stationary spiral wall or spiral 16.
  • the second housing element 14 thus forms a stationary spiral component or stator of the scroll vacuum pump 10.
  • the spiral wall 16 interacts with a spiral wall or spiral 18, which is formed on a movable support plate 20 and together with this plate forms the orbiter 21 of the scroll vacuum pump 10.
  • the orbiter 21 is driven eccentrically via an eccentric shaft 22 to generate a pumping action. This causes a process gas to be pumped to... a flow is conveyed from an inlet 24, which is defined in the first housing element 12, to an outlet 26, which is defined in the second housing element 14.
  • the two outer turns of the spiral wall 18 are formed by wall sections that are each located at a constant circumferential distance from the center of the spiral 18. Although these wall sections do not strictly constitute spiral sections, in the context of the present invention they are considered part of the spiral 18 and referred to as turns thereof. The principles of the present invention apply equally to embodiments in which the spiral turns widen continuously from the center of the spiral towards its free end.
  • the eccentric shaft 22 is driven by an electric motor 28 and supported by two rolling bearings 30.
  • the eccentric shaft 22 includes an eccentric pin 32 arranged eccentrically to its axis of rotation, which transmits its eccentric deflection to the movable spiral component 20 via another rolling bearing 34.
  • the movable support plate 20 also has a sealing element for the drive.
  • Fig. 1 The left-hand end of a bellows 36 is attached, while the right-hand end is attached to the base of the first housing element 12. The left-hand end of the bellows 36 follows the deflection of the movable support plate 20.
  • the bellows 36 surrounding the eccentric shaft 22 is flexible but torsionally rigid and, because it is attached to the support plate 20 on one side and to the first housing element 12 on the other, prevents the support plate 20 or the orbiter 21 from rotating about itself.
  • the scroll vacuum pump 10 further comprises a fan 38 for generating a cooling airflow 46.
  • An air guide hood 40 is provided for this cooling airflow 46, and the fan 38 is attached to this hood.
  • the air guide hood 40 and the housing elements 12 and 14 are shaped such that the cooling airflow 46 essentially flows around the entire pump housing, thus achieving good cooling performance.
  • the scroll vacuum pump 10 further comprises an electronics housing 42, in which a control unit and power electronics components for driving the motor 28 are arranged.
  • the electronics housing 42 also forms a base for the pump 10.
  • a channel 44 is formed between the electronics housing 42 and the first housing element 12, through which the airflow 46 generated by the fan 38 is guided along the first housing element 12 and also along the electronics housing 42, so that both are effectively cooled.
  • the scroll vacuum pump 10 also includes a suction area 48, which is fluidically connected to the inlet 24 and to the pump-active area of the spirals 16, 18.
  • FIG. 2 Figure 1 shows a schematic representation of a section of a vacuum pump according to the invention, which is designed as a scroll pump 200.
  • a stator spiral component 210 comprising a support plate or support element 212 and a spiral 214
  • an orbiter spiral component 220 comprising a support plate 222 and a spiral 224
  • the scroll pump 200 of the scroll pump 10 is shown.
  • Fig. 1 very similar, so that the description of Fig. 1 This also applies to the Scroll Pump 200.
  • Spiral 214 can also be called the stator spiral, while spiral 224 can be called the orbiter spiral.
  • spiral 224 can be called the orbiter spiral.
  • the two spirals 214 and 224 form a pump-active region 230 in which the orbiter spiral 224 performs an orbiting movement relative to the stator spiral 214.
  • the stator spiral component 210 further comprises a stator end face 216, while the orbiter spiral component 220 comprises an orbiter end face 226.
  • the orbiter spiral component 220 performs an orbiting motion around a rotational axis 232, which defines, so to speak, the central axis for this orbiting motion.
  • the rotational axis 232 also defines an axial direction in which the walls of the spirals 214 and 224 extend relative to each other.
  • a spacer element 240 is arranged on the orbiter end face 226, which is mounted in a groove or recess 228 of the orbiter spiral component 220.
  • the spacer element 240 projects axially beyond the orbiter end face 226, but by less than 0.1 mm.
  • the stator spiral component 210 also has a groove or recess 218 in which a mating element 250 is mounted.
  • the mating element 250 is thus formed in the stator end face 216, so that a surface of the mating element 250 facing the spacer element 240 forms part of the stator end face 216.
  • the stator end face 216 also extends over the mating element 250.
  • a gap with a width h1 in the axial direction is formed between the spacer element 240 and the counter element 250.
  • this gap width h1 is smaller than a gap width h2, which is the axial gap between the orbiter end face 226 and a tip of the opposite stator spiral 214.
  • the same gap width h2 exists axially between the orbiter spiral 224 or its tip and the opposite stator end face 218 (see figure). Fig. 2 ).
  • a special feature of the scroll pump 200 according to the invention is that no seals, also known as tip seals in known scroll pumps, are attached to the respective axial tips of the stator spiral 214 and the orbiter spiral 224.
  • the tip seals indirectly establish contact between the respective spiral components.
  • “Indirect” in this case means that there is no mechanical contact between the respective base bodies of the spiral components, but only between the respective tip seals, which are attached to the axial tip of the respective spiral, and the opposite end face of the orbiter or the stator.
  • the tip seals close the gap between the spiral components and seal the volume inside the spirals from the outside. Internal backflow within the spiral contour is thus prevented by the tip seals. This allows the desired ultimate pressure of known scroll pumps to be achieved.
  • the gap width h2 between the tip of the respective spiral 214, 224 and the opposite end face 216, 226 must be sufficiently small to achieve the desired final pressure of the scroll pump 200.
  • the gap width h2 should be less than 50 ⁇ m.
  • the gap width h2 between the stator spiral component 210 and the orbiter spiral component 220 can change continuously during operation of the scroll pump 200. This change depends on the pressure and temperature distribution within the spiral components 210 and 220, as well as on other factors. for example, from the rotational speed of the scroll pump 200. Due to the change in the gap width h2 during the operation of the scroll pump 200, contact between the spiral components 210, 220 can occur because of a small gap width h2 of less than 50 ⁇ m during operation of the scroll pump 200, even though the spiral components were initially mounted without contact, i.e. with the scroll pump 200 switched off, and there is originally no contact between them.
  • the spacer element 240 and the counter element 250 are provided, between which in the axial direction there is the predefined distance or gap width h1, which is less than the gap width h2 between the respective tips of the spirals 214, 224 and the opposite end face 216, 226.
  • contact first occurs between the spacer element 240 and the counter element 250 before contact can occur between the respective base bodies of the spiral components 210, 220 across the gap width h2. Instead of contact between the spiral components 210, 220, a defined axial contact is thus permitted between the spacer element 240 and the counter element 250. This results in defined wear between the spacer element 240 and the counter element 250 during operation of the scroll pump 200.
  • the spacer element 240 comprises a material that differs from a given material in at least one tribological property.
  • the stator end face 216 and the orbiter end face 226 differ. If, for example, the respective base body of the stator spiral component 210 and the orbiter spiral component 220 consists of hard anodized aluminum, the spacer element 240 comprises a softer material, i.e., a material with a lower hardness than the spiral components 210, 220.
  • the material of the spacer element 240 can, for example, comprise a polymer.
  • the counter element 250 can have a material that is harder than the material of the spacer element 240.
  • the counter element 250 can, for example, consist of a ceramic material.
  • the materials of the spacer element 240 and the counter element 250 are selected such that these two elements form a tribological system with optimized sliding properties in order to minimize a specific wear rate or the coefficient of sliding friction between them.
  • the emissions of wear particles generated during the operation of the scroll pump 200 by contact between the spacer element 240 and the counter element 250 are significantly reduced compared to known scroll pumps with tip seals. This is because contact between the spacer element 240 and the counter element 250 occurs only occasionally, as an "exceptional case.” For most of the operating time, the gap width h1 between the spacer element 240 and the counter element 250 is maintained. Furthermore, the choice of materials for the spacer element 240 and the counter element 250, due to their tribological properties, contributes to a reduction in wear particle emissions.
  • materials with low hardness or low strength combined with good sliding properties are suitable for selecting the material for the spacer element 240.
  • the material of the spacer element 240 can therefore also be described as a sacrificial material, since it is more prone to wear. is worn away faster than the material of the opposite surface of the counter element 250.
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PVDF polytetrafluoroethylene
  • PEEK polyetheretherketone
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene copolymer
  • PET-G polyethylene terephthalate glycol
  • carbon graphite carbon graphite
  • any other thermoplastic polymers with added solid lubricants thermoplastic polymers with added solid lubricants.
  • the spacer element 240 is manufactured in one piece from a solid material.
  • the spacer element 240 can also consist of any suitable material as the base body and a coating made of the aforementioned materials.
  • the counter element 250 should be made of a hard and strong material while simultaneously exhibiting good sliding properties.
  • the counter element 250 or more generally, the surface on the stator spiral component 210 opposite the spacer element 240, should have a low surface roughness.
  • aluminum oxide ceramics, sliding lacquers with solid lubricant additives, and hard metal coatings can be selected as solid materials or coatings for the counter element 250.
  • Fig. 3 shows possible forms of the spacer element 240, namely in Fig. 3A, 3B and 3C in top view as well as in Fig. 3D, 3E and 3F other shapes in a side or section view.
  • Fig. 4 In contrast, it shows an arrangement of a specific embodiment of the spacer element 240 on the orbiter end face 226 of the orbiter spiral component 220.
  • the spacer element 240 can be viewed as circular in top view ( Fig. 3A ), essentially rectangular ( Fig. 3B ) or ring-shaped ( Fig. 3C ) be designed.
  • Fig. 3A essentially rectangular
  • Fig. 3C ring-shaped
  • several spacer elements 240 can be distributed over the circumference of the end face 226 of the orbiter spiral component 220, as is the case, for example, in Fig. 4 is shown.
  • the representation of the space between the respective spacing elements 240 is as follows: Fig. 4 a constant angular distance of approximately 90°.
  • the representation of Fig. 4 corresponds to a top view of the end face 226 of the orbiter spiral component 220 of Fig. 2 , in which the upper and lower spacer elements are 240 of Fig. 4 can be recognized.
  • spacer element 240 is ring-shaped, as in Fig. 3C As shown, this extends over the entire circumference of the orbiter end face 226.
  • the spiral 224 of the orbiter spiral component is located in the inner area of the ring shape 243 of the spacer element 240.
  • Fig. 3D shows a rectangular shape 244 in the side view of the spacer element 240
  • Fig. 3E a conical side view 245
  • Fig. 3F Figure 246 shows a trapezoidal side view of the spacer element 240.
  • Fig. 3A or Fig. 3B a cylindrical or cuboid spacer element 240.
  • the surface of the spacer element 240 which can come into contact with the counter element 250, is flat and runs parallel to the contact surface on the counter element 250 or on the opposite stator spiral component 210 (see figure). Fig. 1 ).
  • the contour of the surface of the spacer element 240 is convex, so that a smaller area of the spacer element 240 can come into contact with the opposing counter-element 250 or stator spiral component 210 than in the embodiments of Fig. 3D and Fig. 3F .
  • the four spacer elements 240 are arranged on the orbiter end face 226 of the orbiter spiral component 220 in a region of the orbiter support plate 222, i.e., radially outside the orbiter spiral 224. Any potential contact between the spacer element 240 and the opposite stator end face 216 can therefore only occur in a region outside the stator spiral 216 and the orbiter spiral 226. This prevents damage or deformation of the spirals 216 and 226 due to contact between them.
  • FIG. 5 and 6 Figure 1 shows two embodiments for fastening the spacer element 240 in the recess or groove 228 of the orbiter spiral component 220. In both embodiments, there is a releasable force-fit connection between the spacer element 240 and the orbiter spiral component 220.
  • Fig. 5A shows a top view of the spacer element 240, which is attached to the orbiter end face 226 of the orbiter spiral component 220 by means of a spring system in the groove or recess 228.
  • Fig. 5B shows a sectional view along line AA in Fig. 5A .
  • Two springs 510 are provided in each of four extensions of the groove 228, with each pair of springs 510 acting on a respective stop element 520, which is in contact with the spacer element 240.
  • Two pairs of springs 510 act oppositely to each other in a radial direction perpendicular to the axial direction described above within the scroll pump 200 (see Figure 1).
  • Fig. 2 while two further pairs of springs 510, together with corresponding stop elements 520, act in a direction perpendicular to the aforementioned pairs of springs 510, i.e., in a further radial direction perpendicular to the first radial direction.
  • the spacer element 240 is thus formed by four pairs springs 510, which act on a respective stop element 520, are clamped or pressed in directions perpendicular to each other.
  • FIG. 6 In the embodiment of Fig. 6 In contrast, there is a screw connection between the spacer element 240 and the orbiter spiral component 222.
  • Figure 1 shows a top view of the spacer element 240, which is arranged in the groove or recess 228 of the orbiter spiral component 222.
  • Fig. 6B shows, in turn, a sectional view along line AA of Fig. 6A .
  • the orbiter spiral component has a screw bore 610, while the spacer element 240 has a corresponding countersunk bore 620.
  • a screw 630 is installed in both bores 610 and 620 to create the releasable, force-fit connection between the spacer element 240 and the orbiter spiral component 222. Due to the releasable, force-fit connection of the spacer element 240 with the orbiter spiral component 222, as shown in Figs. 5 and 6 As shown, the spacer element 240 can be replaced, while the rest of the orbiter spiral component 222 can continue to be used.
  • the spacer element 240 can be used in the embodiments of Figs. 5 and 6
  • the spacer element 240 is designed such that its surface has a coating of a material that is intended to be subject to wear through contact with the opposite surface of the counter element 250 or, more generally, the stator spiral component 210.
  • the spacer element 240 can be replaced when it has experienced a certain amount of wear, and the base material of the spacer element 240 can be recycled and subsequently reused.
  • the scroll pump 200 further comprises a detection device 700, which is provided for a Contact between the spacer element 240 with the counter element 250 (cf. Fig. 2 ) or generally with the opposite stator end face 216 of the stator spiral component 210. Furthermore, the detection device 700 is provided for determining and displaying a number of such contacts.
  • the detection device 700 comprises a data acquisition and evaluation unit 702 and a display unit 704.
  • the data acquisition and evaluation unit 702 is connected via several cable connections to measuring devices (not shown) that are arranged in and on the scroll pump 200 and are designed to measure a respective operating parameter of the scroll pump 200.
  • These measuring devices for a respective operating parameter of the scroll pump 200 are therefore an integral part of the detection device 700, since without these measuring devices, no contact between the spacer element 240 and an opposing surface on the counter element 250 or any other surface on the stator spiral component 210 can be detected.
  • the acquisition and evaluation unit 702 has several inputs 710, 720, 730, 740, which are connected via respective cable connections 712, 722, 732, 742 to a respective measuring device in or on the scroll pump 200.
  • Input 710 and the corresponding cable connection 712 are intended for recording the drive speed of the scroll pump.
  • Cable connection 712 is therefore connected to a tachometer inside the scroll pump 200, which measures the speed of the motor of the scroll pump 200, for example, motor 28 (see figure).
  • Fig. 1 The input 720 of the acquisition and evaluation unit 702 and the cable connection 722 are designed to detect the suction pressure of the scroll pump.
  • the cable connection 722 is therefore connected to a pressure gauge designed to measure the suction pressure in the area of the inlet 24 (see figure).
  • Cable connection 732 is connected to an accelerometer (not shown) located inside the scroll pump 200, i.e., within its housing.
  • the accelerometer measures vibrations of the scroll pump 200 and transmits corresponding information in the form of vibration data via input 730 to the acquisition and evaluation unit 702.
  • Input 740 of the acquisition and evaluation unit 702 is also used to acquire temperature data from the scroll pump 200. Therefore, cable connection 742 is connected to one or more temperature sensors on or in the scroll pump 200.
  • the scroll pump 200 exhibits a relatively low level of vibration, which serves as a reference level for the accelerometer.
  • a specific value for vibration acceleration or velocity during normal operation can be detected by the accelerometer and transmitted to the acquisition and evaluation unit 702 via cable connection 732 and input 730.
  • expected values from other known scroll pumps can be stored in the acquisition and evaluation unit 702 and serve as a reference level.
  • the sensing and evaluation unit 702 is also designed to record the number of such contacts between the spacer element 240 and to count the contact with the opposite stator spiral component 210 or with the counter element 250. A counter within the detection and evaluation unit 702 is incremented each time such contact is detected.
  • the measurement data from the other measuring devices i.e., the drive speed, the intake pressure, and one or more temperatures at or in the scroll pump 200, can additionally be used to approximate or estimate an axial gap width or axial distance between the spacer element 240 and the opposite stator spiral component 210 or the counter element 250.
  • This axial distance h1 changes when the drive speed, the intake pressure, and/or one or more of the temperatures change (see Figure 1).
  • Fig. 1 between the spacer element 240 and the opposite surface on the counter element 250.
  • Changes in drive speed, intake pressure, and/or temperature can be related to and approximated by a mathematical function with a change in the gap width or axial distance between the spacer element 240 and the opposite surface. As soon as the estimated axial gap width falls below a predetermined value, contact is assumed to have occurred between the spacer element 240 and the opposite stator spiral component 210 or the counter element 250.
  • the number of such contacts between the spacer element 240 and the opposite surface on the counter element 250 or the stator spiral component 210 is determined by the detection and evaluation unit 702 by incrementing a corresponding counter each time a contact occurs.
  • the detection and evaluation unit 702 determines the number of contacts redundantly, i.e., firstly, based on the vibration data measured by the accelerometer and transmitted via the cable connection 732 and the input 730, and secondly, based on the measurement data acquired via cable connections 712, 722, 742 and the corresponding inputs 710, 720, 740.
  • the acquisition and evaluation unit 702 has an output 750, which is connected via a cable connection 752 to the display unit 704 of the detection device 700.
  • the display unit 704 includes a display 760, which outputs the number of contacts between the spacer element 240 and the opposite surface since the last maintenance of the scroll pump 200.
  • the counter of the recording and evaluation unit 702 is reset to zero when the spacer element 240 is replaced.
  • the display unit 704 determines a condition or status of the spacer element 740, which is output via a status indicator 762.
  • the status indicator 762 comprises three states that reflect the wear of the spacer element 240 according to the number of contacts with the opposite surface.
  • the spacer element 240 remains operational due to its low wear. In this state, the spacer element 240 is in its initial state, indicated by a green light on status indicator 762. If the number of contacts exceeds the predefined value, the spacer element 240 remains operational, but maintenance of the scroll pump 200 should be performed in the near future, during which the condition of the spacer element 240 should be checked. If the predefined value for the contacts between the spacer element 240 and the opposite surface is exceeded, status indicator 762 displays a The corresponding condition is indicated by a yellow light, which recommends maintenance of the Scroll Pump 200.
  • the spacer element 240 exhibits such wear that safe operation of the scroll pump 200 cannot be guaranteed.
  • the scroll pump 200 should be switched off either manually or automatically to prevent damage.
  • the corresponding condition, with the recommendation to switch off the scroll pump 200, is indicated by a red light on status indicator 762.
  • the recording and evaluation unit 702 of the detection device 700 can also be connected to other measuring devices (in Fig. 7 (not shown) are connected to or attached to the scroll pump 200 to demonstrate contact between the spacer element 240 and an opposite end face such as the end face 216 of the stator spiral component 210.
  • the scroll pump 200 can have a measuring device that detects contact between the spacer element 240 and the counter element 250 or the spiral component 210 by means of a switching process triggered by the contact.
  • a switching process can be electrical or mechanical, i.e., similar to that of a tactile switch.
  • the measuring device can, for example, detect an electrical contact between the spacer element 240 and the counter element 250 or the stator spiral component 210.
  • electrical contacts can be provided on the spacer element 240 and the opposite surface, such that that a short circuit occurs between the two contacts upon contact, making the contact immediately detectable.
  • the number of contacts can be determined, or the charge flowing across the contact can be measured cumulatively, which represents a measure of the wear of the spacer element 240.
  • either the spacer element 240 or the opposite surface can have an insulated area, so that a corresponding surface is insulated. If this insulated area is worn away due to a certain number of contacts between the spacer element 240 and the opposite surface, an electrical contact can occur again, thus indicating a certain degree of wear. In this case, the detection and evaluation unit 702 directly determines a specific number of contacts between the spacer element 240 and the opposite surface.
  • a non-contact displacement sensor can use a measuring head to detect the axial distance between the spacer element 240 and the opposite surface. Based on this axial distance, contact between the spacer element 240 and the opposite surface can then be detected in order to determine the wear between them.
  • the spacer element 240 touches the opposite end face 216 of the stator spiral component or the counter element 250 during operation of the scroll pump 200, the dimension or distance by which the spacer element 240 protrudes beyond the end face 226 of the orbiter spiral component 220 decreases with each contact. This reduces the difference between the distance h1 and the distance h2 (see figure). Fig. 2 ), so that the spiral components 210, 220 or their end faces 216, 226 can touch in an undefined manner as soon as this difference a certain value is undershot. Consequently, the spacer element 240 may gradually lose its functionality during operation of the scroll pump 200, so that a replacement of the spacer element may be necessary.
  • the scroll pump 200 has an adjusting device 800, which is designed to adjust or regulate the axial distance between the spacer element 240 and the opposite surface of the counter element 250 or the stator spiral component 210 to a predefined distance.
  • Figures 8 to 11 show four different embodiments of the adjusting device 800.
  • the predefined distance is a target value for the distance between the spacer element 240 and the opposite end face 216 in the axial direction (see figure). Fig. 2 ).
  • the actual axial distance between the spacer element 240 and the opposite surface can be recorded as an actual value, for example, using various measuring devices, some of which have already been explained above in connection with the detection device 700 for the contact of the spacer element 240 and the opposite end face 216.
  • the adjusting device 800 comprises a pressure chamber 810 located behind the spacer element 240, i.e., on the opposite side of the area of the spacer element 240 that can come into contact with the counter element 250 or the stator spiral component 210.
  • a pressure p1 of a gas in the pressure chamber 810 is greater than a pressure p2 on the opposite side of the spacer element 240, so that the pressure chamber 810 exerts a force 811 in the axial direction on the spacer element 240.
  • the spacer element 240 has a wedge-shaped profile with a chamfered surface 812, which is clamped by means of a spring system.
  • Springs 814 of the spring system act radially perpendicular to the axial direction on a respective stop element 815, which has an inclined contact surface. The inclined contact surface rests against the chamfered surface 812 of the wedge-shaped spacer element 240.
  • the spring system exerts forces 816 in the axial direction on the spacer element 240, which act as a counterforce to the force 811 exerted on the spacer element 240 by the pressure chamber 810 due to the pressure difference.
  • a force equilibrium is created in the axial direction, which holds the spacer element 240 in a specific position.
  • the pressure p1 in the pressure chamber 810, and thus the force 811 on the spacer element 240 in the axial direction is adjusted via an adjustable valve 818.
  • the degree of opening of the adjustable valve 818 is automatically adjusted in response to the wear of the spacer element 240, for example, based on the number of contacts detected by the detection device 700 (see Figure 700). Fig. 7 ) detected between the spacer element 240 and the opposite surface.
  • the pressure p1 in the pressure chamber 810 is thus readjusted according to the determined wear of the spacer element 240 or based on the distance between the end face of the spacer element 240 and the opposite end face 216, and thereby set to the predefined distance. However, this can only occur as long as the wear of the spacer element 240 has not yet exceeded a critical value, which is indicated, for example, by the status indicator 762 of the display unit 704 (see). Fig. 7 ) is displayed.
  • the pressure chamber 810 is furthermore sealed off from the pump-active area of the scroll pump 200 or the vacuum area within it, in order to prevent disturbances in the operation of the scroll pump 200. to avoid this.
  • the gas is supplied to the pressure chamber 810 either from the surrounding atmosphere, for example from the outlet area of the scroll pump 200, or via an integrated pressure vessel located inside the scroll pump 200.
  • the adjusting device 800 has an adjusting screw 820 comprising two threads 822 and 824.
  • the first thread, or mounting thread, 822 is located at one end of the adjusting screw 820 opposite a screw head 826.
  • the adjusting screw 822 is connected via the mounting thread 822 to the spacer element 240, which has a corresponding thread for the mounting thread 822.
  • the second thread, or fine thread, 824 engages with a corresponding thread in a bore within the orbiter spiral component 220 (see figure). Fig. 2 ) engages.
  • the fine thread 824 is used to precisely adjust the axial position of the adjusting screw 822 and thus of the spacer element 240.
  • the diameter of the fine thread 824 is larger than the diameter of the mounting thread 822. It is necessary that the threads of the mounting thread 822 and the fine thread 824 are sealed against the vacuum area of the scroll pump 200.
  • the positioning of the adjusting screw 822, and thus of the spacer element 240, can be carried out manually or automatically with the aid of an additional tool element. With the aid of such a tool element, the adjusting screw 820, or rather its head 826, is adjusted in response to the determined wear or the number of contacts (see figure). Fig. 7 The spacer element 240 is automatically adjusted to the opposite end face 216 in order to readjust the axial position of the spacer element 240. The area of the screw head 826 of the adjusting screw 820 is sealed from other areas within the scroll pump 200 by means of a sealing element 828.
  • the adjusting device 800 comprises an actuator 830, which is functionally coupled to the spacer element 240 and is designed to adjust the axial position of the spacer element 240.
  • a capacitive distance control is implemented and is therefore part of a control loop.
  • the corresponding measurement signal can be used as a control signal 832 for the actuator 830 to adjust the axial position of the spacer element 240 as a function of the control signal 832 and thus as a function of the wear of the spacer element 240 or its distance relative to the opposite face.
  • the instantaneous position of the actuator 830 is detected, this position can be used to determine when the spacer element 240 should be checked or replaced.
  • suitable actuators are bimetallic, electric, or piezoelectric actuators.

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Abstract

Eine Scrollpumpe umfasst einen Stator und einen Orbiter mit jeweiligen Spiralbauteilen (210;220), die ineinander eingreifen. Der Orbiter führt bezogen auf den Stator eine exzentrische Bewegung um eine Drehachse herum aus, die eine axiale Richtung definiert. Jeweilige Stirnflächen (216;226) der Spiralbauteile liegen in der axialen Richtung einander gegenüber und sind voneinander beabstandet. An einer dieser Stirnflächen (216;226) der Spiralbauteile ist mindestens ein Abstandselement (240) angeordnet, das über die Stirnfläche, an der es angeordnet ist, in axialer Richtung hervorsteht und bezogen auf die gegenüberliegende Stirnfläche einen vordefinierten Abstand aufweist. Das Abstandselement (240) umfasst ein Material, das sich durch mindestens eine tribologische Eigenschaft von einem jeweiligen Material an den Stirnflächen (216;226) der Spiralbauteile (210;220) unterscheidet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Scrollpumpe mit einem Stator, der ein Stator-Spiralbauteil umfasst, und einem Orbiter, der ein Orbiter-Spiralbauteil umfasst, das in das Stator-Spiralbauteil eingreift.
  • Eine Scrollpumpe ist eine gegen Atmosphärendruck verdichtende Verdrängerpumpe, die sich unter anderem als Kompressor einsetzen lässt. Eine Scrollvakuumpumpe kann zur Erzeugung eines Vakuums in einem an den Gaseinlass angeschlossenen Rezipienten verwendet werden. Scrollvakuumpumpen werden auch als Spiralvakuumpumpen oder Spiralfördereinrichtungen bezeichnet.
  • Eine Pumpstufe einer Scrollpumpe weist zwei ineinander verschachtelte bzw. ineinander gesteckte, beispielsweise archimedische Spiralzylinder auf, welche nachfolgend auch als Spiralbauteil bezeichnet werden. Jeder Spiralzylinder umfasst zumindest eine äquidistante Spiralwand mit einer an einer Stirnseite der Spiralwand vorgesehenen Trägerplatte, wobei die äußeren Windungen des Spiralzylinders, beispielsweise die zwei oder drei äußersten Windungen des Spiralzylinders, durch Wandabschnitte gebildet werden können, die vom Mittelpunkt der Spiralbauteile jeweils einen in Umfangsrichtung konstanten Abstand aufweisen. Auch wenn diese Wandabschnitte somit streng genommen keine Spiralabschnitte bilden, werden sie im vorliegenden Kontext dem Spiralbauteil zugerechnet und als Windungen derselben bezeichnet.
  • Die Spiralzylinder sind dabei so ineinandergesteckt, dass die beiden Spiralzylinder abschnittsweise halbmond- bzw. sichelförmige Volumina umschließen. Eines der beiden Spiralbauteile ist dabei unbeweglich bzw. feststehend im Gehäuse der Pumpe angeordnet, wohingegen das andere Spiralbauteil mitsamt seiner Trägerplatte über einen Exzenterantrieb auf einer kreisförmigen Bahn bewegt werden kann, weshalb dieses bewegliche Spiralbauteil zusammen mit seiner Trägerplatte auch als Orbiter bezeichnet wird.
  • Das bewegliche Spiralbauteil führt somit eine sogenannte zentralsymmetrische Oszillation aus, was auch als "Wobbeln" oder "Orbitieren" bezeichnet wird. Ein zwischen den Spiralzylindern eingeschlossenes halbmondförmiges Volumen wandert während des Orbitierens des beweglichen Spiralbauteils innerhalb der Spiralbauteile zunehmend nach innen, wodurch mittels des wandernden Volumens Prozessgas von einem radial außenliegenden Gaseinlass zu einem radial in der Spiralmitte befindlichen Gasauslass gefördert wird.
  • An einer Stirnfläche der beweglichen Spirale bzw. des beweglichen Spiralzylinders, welche einer feststehenden Wand gegenübersteht, kann bei bekannten Scrollpumpen eine erste Dichtung angeordnet sein, die auch als Tip Seal bezeichnet wird. Bei einem Tip Seal handelt es sich beispielsweise um eine Kunststoffzusammensetzung, z.B. PTFE (Polytetrafluorethylen), mit einem rechteckigen Querschnitt. Ebenso kann an der Stirnfläche der feststehenden Spirale bzw. des feststehenden Spiralzylinders, welche einer beweglichen Wand zugewandt ist, eine zweite Dichtung vorgesehen sein, die ebenfalls als Tip Seal bezeichnet wird.
  • Durch diese beiden Dichtungen bzw. Tip Seals lassen sich die von den Spiralzylindern eingeschlossenen, halbmondförmigen Volumina an den Stirnflächen der Spiralzylinder abdichten. Durch das Verschließen des Spalts zwischen den Spiralbauteilen verhindern die Tip Seals interne Rückströmungen innerhalb der Scrollpumpe bzw. innerhalb der Spiralkontur in axialer Richtung, so dass sich beispielsweise der mittels einer Scrollvakuumpumpe erreichbare Enddruck verringern lässt.
  • Ein weiterer Vorteil der Tip Seals besteht darin, dass diese jeweils nur indirekt einen Kontakt zwischen dem beweglichen Spiralbauteil und dem feststehenden Spiralbauteil herstellen. Indirekt bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sich die Spiralbauteile selbst nicht berühren und dadurch kein Verschleiß an diesen auftritt. Ein Spalt zwischen den Spiralbauteilen wird mittels der Tip Seals in axialer Richtung abgeschlossen, die in einer Richtung senkrecht zur exzentrischen Drehbewegung des beweglichen Spiralbauteils verläuft. Mit anderen Worten berührt das jeweilige Tip Seal anstelle einer Stirnfläche der jeweiligen Spiralbauteile eine gegenüberliegende Wand.
  • Durch den definierten Verschleiß der Tip Seals wird somit ein Verschleiß der Spiralbauteile verhindert, da keine Berührung zwischen diesen auftritt. Eine Berührung der Spiralbauteile könnte eine dauerhafte Beschädigung der Scrollpumpe hervorrufen und die Betriebssicherheit der Scrollpumpe verringern.
  • Die Tip Seals erfordern jedoch einen aufwändigen Fertigungsprozess der Scrollpumpe, da eine Vertiefung bzw. Nut an den jeweiligen Stirnflächen der Spiralbauteile hergestellt werden muss, um das jeweilige Tip Seal in diese einzulegen. Bei diesem Vorgang müssen geringe Toleranzen eingehalten werden, wodurch die Kosten für die Fertigung der Scrollpumpe erhöht werden. Dies betrifft einerseits die Zerspanung der Nut bzw. Vertiefung und andererseits die Fertigung der jeweiligen Tip Seals an sich.
  • Außerdem bewirkt der kontinuierliche Verschleiß der jeweiligen Tip Seals, dass Verschleißpartikel in das Pumpsystem der Scrollpumpe gelangen. Dadurch sind bekannte Scrollvakuumpumpen normalerweise für hochreine Vakuumanwendungen ungeeignet, da der Rezipient einer Vakuumanlage mit einer herkömmlichen Scrollvakuumpumpe durch die Verschleißpartikel verunreinigt werden könnte.
  • Darüber hinaus können die Verschleißpartikel durch den Pumpvorgang aus einer Scrollpumpe heraus in die umgebende Atmosphäre gelangen und dort eine gewisse Staubbelastung hervorrufen. Eine solche Emission von Verschleißpartikeln sollte im Hinblick auf Umweltschutz und Nachhaltigkeit vermieden werden.
  • Da die Tip Seals zwar einen geringen, aber dennoch kontinuierlichen Verschleiß aufweisen, ist zusätzlich nach einer bestimmten Dauer eine Wartung der Scrollpumpe erforderlich, wobei die Betriebsdauer bis zur Wartung durch die Materialeigenschaften der Tip Seals festgelegt ist. Mit anderen Worten begrenzen die Tip Seals die Betriebsdauer, die bis zu einer Wartung der Scrollvakuumpumpe zur Verfügung steht.
  • Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Scrollpumpe zu schaffen, bei der auf Tip Seals und ähnliche Dichtungen zwischen Spiralbauteilen verzichtet werden kann und dennoch eine ausreichende Betriebssicherheit sowie ein geforderter Enddruck der Scrollpumpe erreichbar sind.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Scrollpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen angegeben.
  • Die erfindungsgemäße Scrollpumpe, bei der es sich insbesondere um eine Scrollvakuumpumpe handelt, umfasst einen Stator, der ein Stator-Spiralbauteil umfasst, und einen Orbiter, der ein Orbiter-Spiralbauteil umfasst, das in das Stator-Spiralbauteil eingreift. Das Orbiter-Spiralbauteil ist ferner ausgebildet, bezogen auf den Stator eine exzentrische Bewegung um eine Drehachse herum auszuführen. Diese Drehachse definiert eine axiale Richtung innerhalb der Scrollpumpe. Das Stator-Spiralbauteil weist eine Stator-Stirnfläche auf, während das Orbiter-Spiralbauteil eine Orbiter-Stirnfläche aufweist, die der Stator-Stirnfläche in der axialen Richtung gegenüberliegt und von dieser beabstandet ist.
  • An der Stator-Stirnfläche oder an der Orbiter-Stirnfläche ist erfindungsgemäß mindestens ein Abstandselement angeordnet, das über diejenige von der Stator-Stirnfläche oder der Orbiter-Stirnfläche, an der es angeordnet ist, in axialer Richtung hervorsteht. Das Abstandselement weist ferner in axialer Richtung bezogen auf die gegenüberliegende Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche einen vordefinierten Abstand auf, d.h. bezogen auf diejenige von der Stator-Stirnfläche oder der Orbiter-Stirnfläche, an der das Abstandselement nicht angeordnet ist. Das Abstandselement umfasst ein Material, das sich durch mindestens eine tribologische Eigenschaft von einem jeweiligen Material an der Stator-Stirnfläche und an der Orbiter-Stirnfläche unterscheidet.
  • Die tribologische Eigenschaft kann sich beispielsweise auf die Härte und/oder den Gleitreibungskoeffizienten der Materialien beziehen. Beispielsweise kann das Abstandselement eine geringere Härte als das Material an derjenigen Fläche aufweisen, die dem Abstandselement gegenüberliegt, d.h. als das Material an der Stator-Stirnfläche oder an der Orbiter-Stirnfläche. Alternativ oder zusätzlich kann das Material des Abstandselements in Kombination mit dem Material der gegenüberliegenden Fläche einen geringeren Gleitreibungskoeffizienten als für den Fall aufweisen, dass das Material der gegenüberliegenden Fläche mit sich selbst interagieren würde.
  • Aufgrund des mindestens einen Abstandselements können Tip Seals innerhalb der erfindungsgemäßen Scrollpumpe weggelassen werden. Die Scrollpumpe kann somit frei von einem Tip Seal sein. Dies bedeutet, dass eine solche Scrollpunpe zwischen dem Stator und dem Orbiter generell keine Dichtung in der Form eines Tip Seals aufweist, welche die jeweils gegenüberliegende Stirnfläche berührt. Die Scrollpumpe kann daher auch als Tip-Seallose Scrollpumpe bezeichnet werden.
  • Bei einer solchen Tip-Seallosen Scrollpumpe werden die Nachteile vermieden, die eingangs näher beschrieben sind. Da in der Vakuumpumpe anstelle des permanenten Verschleißes von Tip Seals ein erheblich geringerer Verschleiß des Abstandselements auftritt, wenn dieses die gegenüberliegende Stirnfläche nur kurzzeitig berührt, wird die Betriebsdauer verlängert, die bis zu einer erforderlichen Wartung der Scrollpumpe zur Verfügung steht. Darüber hinaus können erheblich weniger oder nahezu keine Verschleißpartikel in das Pumpsystem der Scrollpumpe und in die umgebende Atmosphäre gelangen.
  • Da solche Tip Seals, wie der Name schon sagt, an jeweiligen Spitzen oder Enden von Spiralwänden innerhalb der Scrollpumpe angeordnet sind und eine Wand des gegenüberliegenden Spiralbauteils berühren, erfordern die Tip Seals enge Toleranzen bei der Fertigung. Dies betrifft einerseits die Abmessungen der Tip Seals an sich und andererseits die Abmessungen von Nuten oder Vertiefungen, in denen die Tip Seals angeordnet sind.
  • Erfindungsgemäß kann das mindestens eine Abstandselement hingegen in einem beliebigen Bereich an der Stirnfläche eines der Spiralbauteile angeordnet sein, wobei die Stirnfläche zum Anordnen des Abstandselements sowohl die Spiralwände als auch Flächen an Trägerplatten umfasst, an denen die Spiralwände angebracht sind und die dem jeweils anderen Spiralbauteil gegenüberliegen. Dadurch bestehen für die Fertigung und das Anbringen des mindestens einen Abstandselements geringere Anforderungen an Toleranzen als bei der Fertigung und Anbringung von Tip Seals. Mit anderen Worten sind die Toleranzabstände, die bei der Fertigung und dem Einbau des Abstandselements einzuhalten sind, größer als bei der Fertigung und dem Einbau von Tip Seals. Dies ist auch dadurch bedingt, dass die Position des Abstandselements an der jeweiligen Stirnfläche flexibel ausgewählt werden kann, während die Position von Tip Seals durch deren inhärente Funktion als Dichtung festgelegt ist.
  • Außerdem weisen Tip Seals eine lange und schnurförmige Kontur entlang des Spiralbauteils auf, an dem sie angebracht sind. Im Vergleich zu Tip Seals können für das Abstandselement der hier beschriebenen Scrollpumpe hingegen einfachere Konturen verwendet bzw. realisiert werden. Insgesamt ist die erfindungsgemäße Scrollpumpe mit mindestens einem Abstandselement daher leichter und kostengünstiger zu fertigen als bekannte Scrollpumpen mit Tip Seals.
  • Da das Abstandselement in axialer Richtung über diejenige Stirnfläche des Stators oder Orbiters hervorsteht, an der es angeordnet ist, ist der vordefinierte Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Fläche kleiner als der Abstand zwischen der Stator-Stirnfläche und der Orbiter-Stirnfläche. Zwischen der Spitze der Spiralwand des jeweiligen Spiralbauteils und der gegenüberliegenden Trägerplatte des anderen Spiralbauteils muss stets ein solcher Spalt vorhanden sein, dass sich die jeweiligen Grundkörper des Stator-Spiralbauteils und des Orbiter-Spiralbauteils im Betrieb der Scrollpumpe nicht berühren.
  • Andererseits muss ein solcher Spalt möglichst klein sein, d.h. eine möglichst geringe Breite aufweisen, um Rückströmungen innerhalb der Scrollpumpe zu verringern und einen vorgesehenen Enddruck der Scrollpumpe erreichen zu können. Die Spaltbreite zwischen dem Stator-Spiralbauteil und dem Orbiter-Spiralbauteil, d.h. beispielsweise zwischen der jeweiligen Spitze der jeweiligen Spiralwand und der Fläche der gegenüberliegenden Trägerplatte, sollte beispielsweise kleiner als 50 µm sein.
  • Die Spaltbreite zwischen dem Stator-Spiralbauteil und dem Orbiter-Spiralbauteil kann sich jedoch während des Betriebs der Scrollpumpe kontinuierlich ändern. Eine solche Änderung hängt von der Druckverteilung und der Temperaturverteilung in den Spiralbauteilen sowie von weiteren Faktoren ab, beispielsweise von der Drehzahl der Scrollpumpe. Daher könnte eine Berührung der Spiralbauteile während des Betriebs der Scrollpumpe auftreten, obwohl die Spiralbauteile zunächst kontaktfrei montiert wurden und somit zwischen diesen im ausgeschalteten Zustand der Scrollpumpe kein Kontakt besteht.
  • Das erfindungsgemäße Abstandselement ist daher dafür vorgesehen, eine definierte Berührung zwischen den Spiralbauteilen während des Betriebs der Scrollpumpe auf eine solche Weise zuzulassen, dass keine Berührung zwischen den Grundkörpern des Stator-Spiralbauteils und des Orbiter-Spiralbauteils auftritt. Stattdessen darf eine definierte kurzzeitige Berührung ausschließlich zwischen dem mindestens einen Abstandselement und der gegenüberliegenden Wand erfolgen.
  • Ein Verschleiß tritt somit nicht an den Grundkörpern der Spiralbauteile, sondern an dem Abstandselement auf, das sich durch die mindestens eine tribologische Eigenschaft seines Materials von dem Material des Stator-Spiralbauteils und des Orbiter-Spiralbauteils unterscheidet. Wenn das Abstandselement beispielsweise eine geringere Härte als das Material der gegenüberliegenden Fläche aufweist und/oder zusammen mit der gegenüberliegenden Fläche ein tribologisches System mit verringertem Gleitreibungskoeffizienten bildet, tritt im Vergleich zu einer Berührung der Spiralbauteile an sich, d.h. im Vergleich zu einer Berührung von deren Grundkörpern, eine geringere Abnutzung an dem mindestens einen Abstandselement auf. Dadurch wird die Betriebsdauer zusätzlich verlängert, die für die Scrollpumpe zur Verfügung steht, bis eine Wartung erforderlich ist.
  • Das mindestens eine Abstandselement kann als zusätzliches Element in einer Vertiefung oder Nut des Stator-Spiralbauteils angeordnet sein, die in die entsprechende Stirnfläche eingelassen ist. Das mindestens eine Abstandselement steht nach der Anbringung an dem Stator-Spiralbauteil oder dem Orbiter-Spiralbauteil beispielsweise um weniger als 0,1 mm bezogen auf die umgebende Fläche hervor.
  • Wenn das Abstandselement in einer Vertiefung oder Nut des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils angeordnet ist, entspricht eine Außenkontur des Abstandselements insbesondere der Form der Vertiefung oder Nut. Darüber hinaus kann das Abstandselement ferner als einstückiges Vollelement aus einem Material hergestellt sein, das weicher ist bzw. eine geringere Härte aufweist als das Material der gegenüberliegenden Fläche an dem Stator-Spiralbauteil oder dem Orbiter-Spiralbauteil. Alternativ kann auch eine Beschichtung aus dem weicheren Material bzw. Material mit einer geringeren Härte auf einen Grundkörper aufgetragen werden, um das Abstandselement herzustellen.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist der vordefinierte Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche kleiner als ein Schwellenwert, der von einem Ziel-Enddruck der Scrollpumpe abhängt. Der Ziel-Enddruck der Scrollpumpe ist derjenige Druck, den die Scrollpumpe während des Betriebs bezogen auf ihre spezifische Anwendung erreichen soll. Wenn die Scrollpumpe als Scrollvakuumpumpe ausgebildet ist, ist der Ziel-Enddruck beispielsweise ein minimaler Druck bzw. Unterdruck, der für eine spezifische Anwendung der Pumpe erforderlich ist. Der Schwellenwert, der für den vordefinierten Abstand vorgesehen ist, kann ferner von weiteren Parametern wie z.B. der Temperatur der Scrollpumpe abhängen
  • Wie vorstehend erwähnt, sollte eine Spaltbreite zwischen dem Stator-Spiralbauteil und dem Orbiter-Spiralbauteil möglichst gering sein, um Rückströmungen innerhalb der Scrollpumpe zu minimieren, und beispielsweise weniger als 50 µm betragen. Dies bedeutet, dass der vordefinierte Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche kleiner als die Spaltbreite zwischen dem Stator-Spiralbauteil und dem Orbiter-Spiralbauteil sein muss, um eine Berührung zwischen den Grundkörpern des Stator-Spiralbauteils und des Orbiter-Spiralbauteils zu verhindern.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die dem Abstandselement gegenüberliegende Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche einen Bereich auf, der sich von dem restlichen Spiralbauteil, d.h. dem Stator-Spiralbauteil oder Orbiter-Spiralbauteil, durch mindestens eine Materialeigenschaft unterscheidet. Beispielsweise kann eine Beschichtung auf die dem Abstandselement gegenüberliegende Stirnfläche aufgetragen sein, durch die sich die Stirnfläche im Bereich der Beschichtung beispielsweise bezüglich der Härte und/oder des Gleitreibungskoeffizienten von der restlichen Oberfläche des Stator-Spiralelements oder Orbiter-Spiralelements unterscheidet.
  • Das Abstandselement kann in diesem Fall mit dem Bereich an der gegenüberliegenden Fläche ein tribologisches System bilden, das optimierte Gleiteigenschaften aufweist, beispielsweise eine Minimierung der spezifischen Verschleißrate oder des Gleitreibungskoeffizienten. Der Bereich an der gegenüberliegenden Fläche, mit dem das Abstandselement in Kontakt kommt, kann eine größere Härte und Festigkeit als das Abstandselement und auch als der Grundkörper des Spiralelements aufweisen, auf welches die Beschichtung aufgetragen ist. Dennoch kann die Beschichtung gute Gleiteigenschaften aufweisen, d.h. einen verringerten Gleitreibungskoeffizienten bezogen auf das Abstandselement im Vergleich zum Grundkörper des jeweiligen Spiralbauteils. Dies bedeutet, dass die Beschichtung beispielsweise eine geringere Oberflächenrauheit innerhalb des Bereichs an der gegenüberliegenden Stirnfläche aufweist, die mit dem Abstandselement in Kontakt kommen kann. Insbesondere können eine Aluminiumoxidkeramik, Gleitlacke mit Festschmierstoffzusätzen und Hartmetallbeschichtungen als Beschichtungen für den Bereich an der gegenüberliegenden Stirnfläche verwendet werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann an der dem Abstandselement gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche ein Gegenelement angeordnet sein, welches über diejenige von der Stator-Stirnfläche oder der Orbiter-Stirnfläche, an der es angeordnet ist, in axialer Richtung hervorsteht und sich bezüglich mindestens einer Materialeigenschaft von derjenigen von der Stator-Stirnfläche oder der Orbiter-Stirnfläche unterscheidet, an der es angeordnet ist. Mit anderen Worten kann ein dem Abstandselement zugeordnetes Gegenelement an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils angebracht sein.
  • Das Gegenelement kann somit als zweites Abstandselement angesehen werden, das zusammen mit dem ihm gegenüberliegenden Abstandselement eine minimale Spaltbreite zwischen dem Stator-Spiralbauteil und dem Orbiter-Spiralbauteil festlegt. Im Betrieb der Scrollpumpe können sich das Abstandselement und das Gegenelement definiert kurzzeitig berühren, um dadurch eine Berührung der Grundkörper des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils auszuschließen. Mit anderen Worten kann ein axialer Abstand zwischen dem Abstandselement und dem Gegenelement kleiner als ein minimaler axialer Abstand zwischen der Stator-Stirnfläche und der Orbiter-Stirnfläche sein. Dadurch können sich das Abstandselement und Gegenelement im Betrieb der Scrollpumpe kurzzeitig berühren, bevor sich die Stator-Stirnfläche und die Orbiter-Stirnfläche berühren.
  • Insbesondere kann ein Material des Abstandselements und ein Material des Gegenelements derart gewählt sein, dass das Abstandselement und das Gegenelement ein tribologisches System bilden, bei dem eine spezifische Verschleißrate und/oder ein Gleitreibungskoeffizient für diese geringer ist als für Materialien der Stator-Stirnfläche und der Orbiter-Stirnfläche. Das Abstandselement und das Gegenelement können darüber hinaus ein tribologisches System mit optimierten Gleiteigenschaften bilden, d.h. mit einer minimierten spezifischen Verschleißrate und/oder mit einem minimierten Gleitreibungskoeffizienten. Mit anderen Worten können die spezifische Verschleißrate und/oder der Gleitreibungskoeffizient eines solchen tribologischen Systems kleiner als ein vorbestimmter Schwellenwert sein und/oder in einem vordefinierten Bereich liegen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen das Stator-Spiralbauteil und das Orbiter-Spiralbauteil jeweils ein Trägerelement und eine Spirale bzw. eine Spiralwand. Das Abstandselement ist bei dieser Ausführungsform in einer radialen Richtung, die rechtwinklig zu der axialen Richtung verläuft, außerhalb der jeweiligen Spirale des Stator-Spiralbauteils und des Orbiter-Spiralbauteils angeordnet. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine mögliche Berührung zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche des Stators oder des Orbiters in einem Bereich außerhalb der jeweiligen Spiralen stattfindet, so dass eine Beschädigung oder Verformung der Spiralen aufgrund einer solchen Berührung der Spiralen vermieden werden kann.
  • Der Abstandselement kann bei einer solchen Anordnung außerhalb der Spiralen des Stators und des Orbiters als ein ringförmiges Bauteil geformt sein, das sich über den gesamten Umfang des Orbiters oder des Stators erstreckt. Alternativ können mehrere Ringsegmente vorgesehen sein, die sich in einer Umfangsrichtung um die Drehachse herum verteilt über den gesamten Umfang des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils erstrecken. Solche Ringsegmente können in regelmäßigen Winkelabständen angeordnet sein. Ferner können mehrere Abstandselemente als mehrere kreisförmige Bauteile ausgebildet sein, die in regelmäßigen Winkelabständen über den Umfang des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils verteilt sind.
  • Die Oberfläche des Abstandselements, die mit der gegenüberliegenden Stirnflä-che des Stator-Spiralbauteils oder des Orbiter-Spiralbauteils in Berührung kommt, kann eben ausgebildet sein und parallel zu der gegenüberliegenden Fläche verlaufen. Alternativ sind jedoch andere Oberflächenkonturen für das Abstandselement möglich, beispielsweise eine konvexe Form.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform liegt zwischen dem Abstandselement und demjenigen von dem Stator-Spiralbauteil oder dem Orbiter-Spiralbauteil, an dem das Abstandselement angeordnet ist, eine lösbare kraftschlüssige Verbindung vor. Eine solche Verbindung kann beispielsweise als eine Schraubverbindung realisiert sein, bei der eine Schraubenbohrung in dem Stator-Spiralbauteil oder in dem Orbiter-Spiralbauteil vorgesehen ist, an dessen jeweiliger Stirnfläche das Abstandselement angebracht werden soll. Das Abstandselement weist in diesem Fall eine entsprechende Senkbohrung auf, so dass das Abstandselement durch die Schraubverbindung in der axialen Richtung gegen die Stirnfläche angepresst wird, an der es angebracht werden soll. Alternativ kann für die lösbare kraftschlüssige Verbindung ein Federsystem vorgesehen sein, bei welchem das Abstandselement durch mehrere Federn in einer radialen Richtung senkrecht zur axialen Richtung in der Nut oder Vertiefung, in der das Abstandselement angebracht werden soll, verpresst ist.
  • Die lösbare kraftschlüssige Verbindung des Abstandselements mit dem entsprechenden Spiralbauteil hat den Vorteil, dass das Abstandselement ausgetauscht werden kann, während das restliche Spiralbauteil weiterhin verwendet werden kann. Bei dieser Ausführungsform ist es ferner vorteilhaft, wenn das Material, das an der Oberfläche des Abstandselements dem Verschleiß ausgesetzt werden soll, als Beschichtung aufgetragen ist. Das Abstandselement kann in diesem Fall ausgetauscht werden, wenn es einen gewissen Verschleiß erfahren hat, und das Grundmaterial des Abstandselements kann aufbereitet und anschließend wieder verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scrollpumpe zusätzlich eine Einstelleinrichtung, die ausgebildet ist, einen axialen Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche auf den vordefinierten Abstand zu regeln. Der vordefinierte Abstand ist bei dieser Ausführungsform somit ein Sollwert für den Abstand bzw. die Distanz zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche in axialer Richtung. Der axiale Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche kann als Istwert beispielsweise mit einer weiteren Einrichtung erfasst oder geschätzt werden, für welche im Folgenden einige Beispiele erläutert sind.
  • Wenn das Abstandselement während des Betriebs der Scrollpumpe die gegenüberliegende Stirnfläche des Stators oder des Orbiters berührt, kann bei jeder Berührung das Maß bzw. die Distanz, mit der das Abstandselement über die Stirnfläche des Stators oder Orbiters hervorsteht, verringert werden. Dadurch kann das Abstandselement während des Betriebs der Scrollpumpe allmählich seine Funktionalität verlieren, so dass ein Austausch des Abstandselements erforderlich werden könnte.
  • Mittels der Einstelleinrichtung, die den vordefinierten Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche wiederherstellen kann, indem die Distanz zwischen diesen nachgeregelt wird, kann jedoch der vordefinierte Abstand zwischen Abstandselement und gegenüberliegender Stirnfläche aufrechterhalten werden, obwohl das Abstandselement einem gewissen Verschleiß ausgesetzt ist. Dadurch können die Lebensdauer der Scrollpumpe und die Betriebsdauer, die bis zu einer erforderlichen Wartung zur Verfügung steht, verlängert werden.
  • Die Einstelleinrichtung kann eine Druckkammer aufweisen, die derart in Verbindung mit dem Abstandselement angeordnet ist, dass die Druckkammer eine Kraft in der axialen Richtung auf das Abstandselement ausübt. Die Druckkammer kann beispielsweise in axialer Richtung hinter dem Abstandselement angeordnet sein, d.h. bezogen auf die Fläche des Abstandselements, die mit der gegenüberliegenden Stirnfläche in Berührung kommen kann, auf der gegenüberliegenden Seite bzw. Rückseite des Abstandselements.
  • Das Abstandselement kann bei dieser Ausführungsform beispielsweise ein keilförmiges Profil aufweisen und in radialer Richtung senkrecht zu der axialen Richtung mittels eines Federsystems eingespannt sein. Federn dieses Federsystems können somit auf eine schräge Anlagefläche des Abstandselements einwirken und dadurch eine Kraft in radialer Richtung und in axialer Richtung auf das Abstandselement ausüben. Die axiale Kraft, die durch die Federn ausgeübt wird, wirkt als Gegenkraft zu der durch die Druckkammer ausgeübten Kraft, die aufgrund der Druckdifferenz zwischen der Druckkammer und dem Bereich auf der gegenüberliegenden Seite des Abstandselements entsteht. Dadurch entsteht ein Kräftegleichgewicht in axialer Richtung, durch welches das Abstandselement in einer gewünschten Position gehalten wird.
  • Der Druck in der Druckkammer kann über ein regelbares Ventil eingestellt werden, dessen Öffnungsgrad in Abhängigkeit von einem erfassten Verschleiß und dem Anpressdruck der Federn gegeben sein kann. Wenn ein gewisser Verschleiß erreicht wird, kann der Druck bzw. eine Druckdifferenz über das Abstandselement hinweg erhöht werden, wodurch das Abstandselement in Richtung der gegenüberliegenden Stirnfläche verschoben und sein Abstand bezogen auf diese nachgeregelt wird, bis ein erneutes Kräftegleichgewicht mit der Federkraft erreicht ist.
  • Bei dieser Ausführungsform muss die Druckkammer gegenüber einem Druck-oder Vakuumbereich der Scrollpumpe abgedichtet sein. Eine Zuleitung, über die Gas in die Druckkammer zugeführt wird, kann über die umgebende Atmosphäre, beispielsweise über einen Auslassbereich der Scrollpumpe, oder über einen integrierten Druckbehälter erfolgen.
  • Die Einstelleinrichtung kann alternativ mindestens eine Justierschraube aufweisen, die mit dem Abstandselement funktional gekoppelt ist, um den vordefinierten Abstand in axialer Richtung zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche einzustellen. Bei einer solchen Ausführungsform ist das Abstandselement an einer speziellen Schraube montiert, die als Justierschraube bezeichnet wird und beispielsweise zwei Gewinde aufweist.
  • Die zwei Gewinde können ein Montagegewinde umfassen, das sich an einem Ende der Justierschraube befindet, welches einem Schraubenkopf der Justierschraube gegenüberliegt, und mit dem Abstandselement verbunden ist. Ferner können die zwei Gewinde ein Feingewinde umfassen, welches mit einem Gegengewinde an dem Spiralbauteil in Eingriff steht, an dem das Abstandselement angeordnet ist. Mittels des Feingewindes lässt sich die axiale Position der Justierschraube und damit des Abstandselements präzise einstellen. Ein Durchmesser des Feingewindes ist insbesondere größer als ein Durchmesser des Montagegewindes. Für den jeweiligen Gewindegang der beiden Gewinde der Justierschraube ist ferner eine jeweilige Abdichtung erforderlich.
  • Mit Hilfe der Justierschraube kann das Abstandselement manuell nachgestellt werden. Die Positionierung des Abstandselements mittels der Justierschraube kann ferner auch automatisch mittels eines zusätzlichen Werkzeugs erfolgen, um das Abstandselement während des Betriebs der Scrollvakuumpumpe nach Bedarf nachzustellen.
  • Alternativ kann die Einstelleinrichtung mindestens einen Aktor aufweisen, der mit dem Abstandselement funktional gekoppelt und ausgebildet ist, eine axiale Position des Abstandselements einzustellen. Ein solcher Aktor kann Bestandteil eines Regelkreises sein. Der Verschleiß des Abstandselements kann erfasst werden, indem der axiale Abstand zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche erfasst wird. Eine Differenz zwischen dem erfassten axialen Abstand und dem vordefinierten Abstand, d.h. zwischen Ist- und Sollwert, kann ein Stellsignal für den Aktor festlegen, so dass dieser die axiale Position des Abstandselements anhand des Stellsignals und daher in Abhängigkeit von dem erfassten Verschleiß des Abstandselements nachregelt. Wenn die Position des Aktors erfasst wird, kann anhand dieser Position ermittelt werden, wann der Verschleiß des Abstandselements ein vorgegebenes Maß überschreitet und das Abstandselement ausgetauscht werden sollte. Als Aktor kann beispielsweise ein Bimetall-, ein elektrischer oder ein Piezoaktor verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Scrollpumpe ferner eine Nachweiseinrichtung, die ausgebildet ist, eine jeweilige Berührung zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche nachzuweisen und eine Anzahl der Berührungen zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche zu erfassen. Mittels der Nachweiseinrichtung kann der Verschleiß des Abstandselements erfasst werden, der von der Anzahl der Berührungen zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche abhängt und beispielsweise zu der Anzahl der Berührungen proportional ist. Durch das Erfassen des Verschleißes des Abstandselements anhand der Berührungen zwischen Abstandselement und gegenüberliegender Fläche kann eine noch zur Verfügung stehende Betriebsdauer der Scrollpumpe bis zu einer erforderlichen Wartung bestimmt werden. Eine Wartung der Scrollpumpe kann beispielsweise erforderlich sein, wenn die Anzahl der Berührungen zwischen Abstandselement und gegenüberliegender Stirnfläche einen vorbestimmten Wert überschreitet.
  • Ferner kann die Nachweiseinrichtung ausgebildet sein, die Berührung zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche anhand eines Schaltvorgangs nachzuweisen, der durch die Berührung ausgelöst wird. Bei einem solchen Schaltvorgang kann es sich um einen elektrischen Schaltvorgang oder um einen mechanischem Schaltvorgang handeln, z.B. um einen ähnlichen Schaltvorgang wie bei einem taktilen Schalter.
  • Beispielsweise kann ein elektrischer Kontakt zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche oder Orbiter-Stirnfläche nachgewiesen werden. Zu diesem Zweck können elektrische Kontakte an dem Abstandselement und an der gegenüberliegenden Stirnfläche angebracht sein, so dass bei einer Berührung ein Kurzschluss zwischen diesen beiden Kontakten auftritt. Dadurch kann die Anzahl der Berührungen erfasst werden, oder es kann die über den Kontakt geflossene Ladung kumulativ erfasst werden, die ein Maß für den Verschleiß des Abstandselements darstellen kann.
  • Alternativ kann entweder das Abstandselement oder das gegenüberliegende Spiralbauteil einen isolierten Bereich an der jeweiligen Stirnfläche aufweisen, so dass eine entsprechende Oberfläche isoliert ist. Wenn der isolierte Bereich aufgrund des Verschleißes zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil nach einer bestimmten Anzahl von Berührungen zwischen diesen abgetragen ist, kann ein elektrischer Kontakt auftreten, der ein gewisses Maß an Verschleiß angibt. In diesem Fall kann eine Warnung ausgegeben werden, damit eine entsprechende Wartung der Scrollpumpe durchgeführt werden kann.
  • Ferner kann die Nachweiseinrichtung einen Beschleunigungssensor und/oder einen berührungslosen Wegsensor umfassen. In einem regulären Betrieb der Scrollpumpe ohne Berührung zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Stirnfläche kann ein gewisses, relativ geringes Maß an Vibrationen auftreten, welches ein Bezugsniveau für den Beschleunigungssensor bildet. Bei einer Berührung zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil treten jedoch verstärkte Vibrationen auf, die mittels des Beschleunigungssensors aufgezeichnet werden können. Wenn ein vorgegebener Wert für eine Schwingungsbeschleunigung bzw. Schwingungsgeschwindigkeit überschritten wird, die mittels des Beschleunigungssensors erfasst werden kann, kann eine Berührung zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil nachgewiesen werden. Zusätzlich oder alternativ kann der berührungslose Wegsensor mittels eines Messkopfs den axialen Abstand zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil erfassen. Dadurch können wiederum Berührungen zwischen diesen detektiert werden, um den Verschleiß zwischen Abstandselement und gegenüberliegendem Spiralbauteil zu bestimmen.
  • Ferner kann die Nachweiseinrichtung ausgebildet sein, bestimmte Betriebsparameter der Scrollpumpe zu erfassen, um anhand dieser Betriebsparameter eine axiale Spaltbreite bzw. den axialen Abstand zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil zu approximieren bzw. zu schätzen. Beispielsweise kann sich der axiale Abstand bei einer Änderung des Ansaugdrucks, bei einer Ausdehnung der Spiralbauteile infolge einer Erwärmung oder bei einer Änderung der Antriebsdrehzahl des Orbiters der Scrollpumpe ändern. Die Ände-rung dieser Größen kann beispielsweise über eine mathematische Funktion mit der Änderung der Spaltbreite bzw. axialen Distanz in Beziehung gesetzt und approximiert werden. Sobald die axiale Spaltbreite ein vorbestimmtes Maß unterschreitet, wird angenommen, dass eine Berührung zwischen dem Abstandselement und dem gegenüberliegenden Spiralbauteil aufgetreten ist.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen, jeweils schematisch:
    • Fig. 1
    eine bekannte Scrollvakuumpumpe in einer Schnittdarstellung,
    Fig. 2
    einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen Scrollvakuumpumpe,
    Fig. 3
    mögliche Ausgestaltungen eines Abstandselements,
    Fig. 4
    eine Anordnung des Abstandselements an einer Trägerplatte eines Spiralbauteils,
    Fig. 5
    eine Befestigung des Abstandselements mittels Federn,
    Fig. 6
    eine Befestigung des Abstandselements mittels Schraube,
    Fig. 7
    eine erfindungsgemäße Scrollpumpe mit einer Einrichtung zum Nachweisen und Zählen von Berührungen zwischen dem Abstandselement und der gegenüberliegenden Fläche,
    Fig. 8
    ein Abstandselement mit Nachregelung seines axialen Abstands mittels Druckkammer,
    Fig. 9
    ein Abstandselement mit Nachregelung seines axialen Abstands mittels Justierschraube und
    Fig. 10
    ein Abstandselement mit Nachregelung seines axialen Abstands mittels eines Aktors.
  • Die Fig. 1 zeigt eine als Scrollpumpe 10 ausgebildete Vakuumpumpe. Diese umfasst ein erstes Gehäuseelement 12 und ein damit über Schrauben 15 verbundenes zweites Gehäuseelement 14, wobei das zweite Gehäuseelement 14 eine pumpaktive Struktur aufweist, nämlich eine feststehende Spiralwand bzw. Spirale 16. Das zweite Gehäuseelement 14 bildet also ein feststehendes Spiralbauteil bzw. einen Stator der Scrollvakuumpumpe 10. Die Spiralwand 16 wirkt mit einer Spiralwand bzw. Spirale 18 zusammen, die an einer beweglichen Trägerplatte 20 ausgebildet ist und zusammen mit dieser den Orbiter 21 der Scrollvakuumpumpe 10 bildet, der zum Erzeugen einer Pumpwirkung über eine Exzenterwelle 22 exzentrisch angetrieben wird. Dadurch wird ein zu pumpendes Prozessgas von einem Einlass 24, welcher in dem ersten Gehäuseelement 12 definiert ist, zu einem Auslass 26 gefördert, welcher in dem zweiten Gehäuseelement 14 definiert ist.
  • Die äußeren beiden Windungen der Spiralwand 18 werden durch Wandabschnitte gebildet, die vom Mittelpunkt der Spiralen 18 jeweils einen in Umfangsrichtung konstanten Abstand aufweisen. Auch wenn diese Wandabschnitte somit streng genommen keine Spiralabschnitte bilden, werden sie im Kontext der vorliegenden Erfindung der Spirale 18 zugerechnet und als Windungen derselben bezeichnet. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung gelten jedoch gleichermaßen für Ausgestaltungen, bei denen sich die Spiralwindungen vom Mittelpunkt der Spirale in Richtung ihres freien Endes kontinuierlich aufweiten.
  • Die Exzenterwelle 22 wird durch einen Elektromotor 28 angetrieben und durch zwei Wälzlager 30 gelagert. Die Exzenterwelle 22 umfasst einen exzentrisch zu ihrer Rotationsachse angeordneten Exzenterzapfen 32, der über ein weiteres Wälzlager 34 seine exzentrische Auslenkung an das bewegliche Spiralbauteil 20 überträgt.
  • An der beweglichen Trägerplatte 20 ist zur Abdichtung des Antriebs außerdem ein in Fig. 1 linksseitiges erstes Ende eines Wellbalgs 36 befestigt, dessen rechtsseitiges zweites Ende am Gehäusegrund des ersten Gehäuseelement 12 befestigt ist. Das linksseitige erste Ende des Wellbalgs 36 folgt der Auslenkung der beweglichen Trägerplatte 20. Der die Exzenterwelle 22 umgebende Wellbalg 36 ist biegsam, jedoch in sich torsionssteif ausgebildet und verhindert somit aufgrund der Tatsache, dass er einerseits an der Trägerplatte 20 und andererseits an dem ersten Gehäuseelement 12 befestigt ist, dass sich die Trägerplatte 20 bzw. der Orbiter 21 um sich selbst drehen kann.
  • Die Scrollvakuumpumpe 10 umfasst ferner einen Lüfter 38 zur Erzeugung eines Kühlluftstromes 46. Für diesen Kühlluftstrom 46 ist eine Luftleithaube 40 vorgesehen, an der auch der Lüfter 38 befestigt ist. Die Luftleithaube 40 und die Gehäuseelemente 12 und 14 sind derart geformt, dass der Kühlluftstrom 46 im Wesentlichen das gesamte Pumpengehäuse umströmt und somit eine gute Kühlleistung erreicht.
  • Die Scrollvakuumpumpe 10 umfasst ferner ein Elektronikgehäuse 42, in dem eine Steuerungseinrichtung und Leistungselektronikkomponenten zum Antrieb des Mo-tors 28 angeordnet sind. Das Elektronikgehäuse 42 bildet außerdem einen Standfuß der Pumpe 10. Zwischen dem Elektronikgehäuse 42 und dem ersten Gehäuseelement 12 ist ein Kanal 44 ausgebildet, durch den der vom Lüfter 38 erzeugte Luftstrom 46 am ersten Gehäuseelement 12 und auch am Elektronikgehäuse 42 entlanggeführt wird, sodass beide wirksam gekühlt werden.
  • Die Scrollvakuumpumpe 10 umfasst ferner einen Ansaugbereich 48, der fluidtechnisch mit dem Einlass 24 und mit dem pumpaktiven Bereich der Spiralen 16, 18 in Verbindung steht.
  • Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Abschnitts einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe, die als Scrollpumpe 200 ausgebildet ist. Im Abschnitt von Fig. 2 sind ein Stator-Spiralbauteil 210, das eine Trägerplatte bzw. ein Trägerelement 212 und eine Spirale 214 umfasst, und ein Orbiter-Spiralbauteil 220 dargestellt, das eine Trägerplatte 222 und eine Spirale 224 umfasst. Abgesehen von der Ausgestaltung der Spiralbauteile 210, 220 ist die Scrollpumpe 200 der Scrollpumpe 10 von Fig. 1 sehr ähnlich, so dass die Beschreibung von Fig. 1 auch für die Scrollpumpe 200 gültig ist.
  • Die Spirale 214 kann auch als Statorspirale bezeichnet werden, während die Spirale 224 als Orbiterspirale bezeichnet werden kann. Ebenso können die beiden Trägerplatten 212, 222 als Stator-Trägerplatte 212 bzw. als Orbiter-Trägerplatte 222 bezeichnet werden. Die beiden Spiralen 214, 224 bilden einen pumpaktiven Bereich 230, in welchem die Orbiterspirale 224 eine orbitierende Bewegung gegenüber der Statorspirale 214 ausführt.
  • Das Stator-Spiralbauteil 210 weist ferner eine Stator-Stirnfläche 216 auf, während das Orbiter-Spiralbauteil 220 eine Orbiter-Stirnfläche 226 aufweist. Im Betrieb der Scrollpumpe 200 führt das Orbiter-Spiralbauteil 220 eine orbitierende Bewegung um eine Drehachse 232 herum aus, die sozusagen die Mittelachse für diese orbitierende Bewegung definiert. Die Drehachse 232 definiert ferner eine axiale Richtung, in der sich die Wände der Spiralen 214, 224 gegeneinander erstrecken. Die Stator-Stirnfläche 216 und die Orbiter-Stirnfläche 226 erstrecken sich hingegen senkrecht zu der axialen Richtung, die durch die Drehachse 232 definiert ist, in einer radialen Richtung.
  • Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Scrollpumpe 200 ist an der Orbiter-Stirnfläche 226 ein Abstandselement 240 angeordnet, das in einer Nut bzw. Vertiefung 228 des Orbiter-Spiralbauteils 220 angebracht ist. Das Abstandselement 240 steht über die Orbiter-Stirnfläche 226 in axialer Richtung hervor, und zwar jedoch um weniger als 0,1 mm.
  • Das Stator-Spiralbauteil 210 weist ebenfalls eine Nut oder Vertiefung 218 auf, in der ein Gegenelement 250 angebracht ist. Das Gegenelement 250 ist somit in der Stator-Stirnfläche 216 ausgebildet, so dass eine dem Abstandselement 240 zugewandte Oberfläche des Gegenelements 250 einen Teil der Stator-Stirnfläche 216 darstellt. Mit anderen Worten erstreckt sich die Stator-Stirnfläche 216 auch über das Gegenelement 250.
  • Zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 ist ein Spalt mit einer Breite h1 in axialer Richtung ausgebildet. Diese Spaltbreite h1 ist jedoch kleiner als eine Spaltbreite h2, die ein Spalt zwischen der Orbiter-Stirnfläche 226 und einer Spitze der gegenüberliegenden Stator-Spirale 214 in axialer Richtung aufweist. Die gleiche Spaltbreite h2 liegt in axialer Richtung zwischen der OrbiterSpirale 224 bzw. deren Spitze und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche 218 vor (vgl. Fig. 2).
  • Eine Besonderheit der erfindungsgemäßen Scrollpumpe 200 besteht darin, dass an den jeweiligen axialen Spitzen der Statorspirale 214 und der Orbiterspirale 224 keine Dichtungen angebracht sind, die bei bekannten Scrollpumpe auch als Tip Seals bezeichnet werden. Die Tip Seals stellen bei bekannten Scrollpumpen indirekt einen Kontakt zwischen den jeweiligen Spiralbauteilen her. Indirekt bedeutet in diesem Fall, dass zwischen den jeweiligen Grundkörpern der Spiralbauteile kein mechanischer Kontakt besteht, sondern nur zwischen den jeweiligen Tip Seals, das an der axialen Spitze der jeweiligen Spirale angebracht ist und der gegenüberliegenden Stirnfläche des Orbiters oder des Stators. Durch die Tip Seals wird der Spalt zwischen den Spiralbauteilen verschlossen und das Volumen innerhalb der Spiralen gegenüber dem Außenbereich abgedichtet. Interne Rückströmungen innerhalb der Spiralkontur werden somit durch die Tip Seals verhindert. Dadurch kann ein gewünschter Enddruck der bekannten Scrollpumpen erreicht werden.
  • Bei der erfindungsgemäßen Scrollpumpe 200 hingegen, bei der keine Tip Seals vorgesehen sind, muss die Spaltbreite h2 zwischen der Spitze der jeweiligen Spirale 214, 224 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 216, 226 hinreichend klein sein, um den gewünschten Enddruck der Scrollpumpe 200 erreichen zu können. In praktischen Anwendungen sollte die Spaltbreite h2 kleiner als 50 µm sein.
  • Die Spaltbreite h2 zwischen dem Stator-Spiralbauteil 210 und dem Orbiter-Spiralbauteil 220 kann sich während des Betriebs der Scrollpumpe 200 kontinuierlich ändern. Diese Änderung hängt von einer Druckverteilung und einer Temperaturverteilung innerhalb der Spiralbauteile 210, 220 sowie von weiteren Faktoren ab, beispielsweise von der Drehzahl der Scrollpumpe 200. Aufgrund der Änderung der Spaltbreite h2 während des Betriebs der Scrollpumpe 200 kann folglich wegen geringen Spaltbreite h2 von weniger als 50 µm im Betrieb der Scrollpumpe 200 eine Berührung zwischen den Spiralbauteilen 210, 220 auftreten, obwohl die Spiralbauteile zunächst, d.h. bei ausgeschalteter Scrollpumpe 200, kontaktfrei montiert wurden und zwischen diesen ursprünglich kein Kontakt besteht.
  • Bei der erfindungsgemäßen Scrollpumpe 200 sollte jedoch während deren Betrieb kein Kontakt zwischen den Spiralbauteilen 210, 220 an sich auftreten, d.h. zwischen deren Grundkörpern, da ein solcher Kontakt zu einer dauerhaften Beschädigung der Spiralbauteile 210, 220 führen könnte. Um einen solchen Kontakt zwischen dem Stator-Spiralbauteil 210 und dem Orbiter-Spiralbauteil 220 zu verhindern, sind bei der Ausführungsform der Scrollpumpe 200, die in Fig. 2 dargestellt ist, das Abstandselement 240 und das Gegenelement 250 vorgesehen, zwischen denen in axialer Richtung der vordefinierte Abstand bzw. die Spaltbreite h1 besteht, der bzw. die geringer als die Spaltbreite h2 zwischen der jeweiligen Spitze der Spiralen 214, 224 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 216, 226 ist.
  • Während des Betriebs der Scrollpumpe 200 tritt daher zunächst ein Kontakt zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 auf, bevor ein Kontakt zwischen den jeweiligen Grundkörpern der Spiralbauteile 210, 220 über die Spaltbreite h2 hinweg auftreten kann. Anstelle der Berührung zwischen den Spiralbauteilen 210, 220 wird somit eine definierte Berührung in axialer Richtung zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 zugelassen. Dadurch tritt zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 während des Betriebs der Scrollpumpe 200 ein definierter Verschleiß auf.
  • Um den Verschleiß zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 zu minimieren, umfasst das Abstandselement 240 ein Material, das sich durch mindestens eine tribologische Eigenschaft von einem jeweiligen Material an der Stator-Stirnfläche 216 und an der Orbiter-Stirnfläche 226 unterscheidet. Wenn der jeweilige Grundkörper des Stator-Spiralbauteils 210 und des Orbiter-Spiralbauteils 220 beispielsweise aus hart anodisiertem Aluminium besteht, umfasst das Abstandselement 240 einen weicheren Werkstoff, d.h. ein Material mit einer geringeren Härte als die Spiralbauteile 210, 220.
  • Das Material des Abstandselements 240 kann beispielsweise ein Polymer umfassen. Im Gegensatz dazu kann das Gegenelement 250 ein Material aufweisen, das eine größere Härte als das Material des Abstandselements 240 aufweist. Das Gegenelement 250 kann beispielsweise aus einem keramischen Werkstoff bestehen. Die Materialien des Abstandselements 240 und des Gegenelements 250 sind jedoch derart gewählt, dass diese beiden Elemente ein tribologisches System mit optimierten Gleiteigenschaften bilden, um dadurch eine spezifische Verschleißrate bzw. den Gleitreibungskoeffizienten zwischen diesen zu minimieren.
  • Die Emissionen von Verschleißpartikeln, die während des Betriebs der Scrollpumpe 200 durch eine Berührung des Abstandselements 240 mit dem Gegenelement 250 auftreten, sind im Vergleich zu bekannten Scrollpumpen mit Tip Seals erheblich verringert, da zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 nur eine gelegentliche Berührung sozusagen als "Ausnahmefall" auftritt. Während des größten Teils der Betriebsdauer wird hingegen die Spaltbreite h1 zwischen Abstandselement 240 und Gegenelement 250 aufrechterhalten. Außerdem trägt die Wahl der Materialien des Abstandselements 240 und des Gegenelements 250 aufgrund deren tribologischer Eigenschaften zu einer Verringerung der Emissionen von Verschleißpartikeln bei.
  • Bei der Auswahl des Materials für das Abstandselement 240 kommen, wie bereits erwähnt, Materialien mit geringer Härte bzw. geringer Festigkeit in Kombination mit guten Gleiteigenschaften in Frage. Das Material des Abstandselements 240 kann daher auch als Opfermaterial bezeichnet, da es eher verschleißt bzw. schneller abgetragen wird als das Material der gegenüberliegenden Fläche des Gegenelements 250.
  • Konkrete Beispiele für solche Materialien sind PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF (Polytetrafluorethylen), PEEK (Polyetheretherketon), ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer), PET-G (Polyethylenterephtalat-Glycol), Kohlenstoffgraphit sowie beliebige weitere thermoplastische Polymere mit zugesetzten Festschmierstoffen. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass das Abstandselement 240 einstückig aus einem Vollmaterial hergestellt ist. Alternativ kann das Abstandselement 240 jedoch auch aus einem beliebigen geeigneten Material als Grundkörper und einer Beschichtung aus den vorstehend genannten Materialien bestehen.
  • Auf ähnliche Weise sollte das Gegenelement 250 oder allgemein ein Bereich an dem Stator-Spiralbauteil 210, mit dem das Abstandselement 240 in Berührung kommen kann, aus einem harten und festen Material bestehen und jedoch gleichzeitig gute Gleiteigenschaften aufweisen. Dies bedeutet, dass das Gegenelement 250 bzw. allgemein die dem Abstandselement 240 gegenüberliegende Fläche an dem Stator-Spiralbauteil 210 eine geringe Oberflächenrauheit aufweisen sollte. Als Vollmaterial oder für eine Beschichtung des Gegenelements 250 können beispielsweise eine Aluminiumoxidkeramik, Gleitlacke mit Festschmierstoffzusätzen sowie Hartmetallbeschichtungen gewählt werden.
  • Fig. 3 zeigt mögliche Formen des Abstandselements 240, und zwar in Fig. 3A, 3B und 3C in Draufsicht sowie in Fig. 3D, 3E und 3F weitere Formen in einer Seiten-oder Schnittansicht. Fig. 4 zeigt hingegen eine Anordnung einer bestimmten Ausführungsform des Abstandselements 240 an der Orbiter-Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220.
  • Das Abstandselement 240 kann in Draufsicht kreisförmig (Fig. 3A), im Wesentlichen rechteckig (Fig. 3B) oder ringförmig (Fig. 3C) ausgestaltet sein. Bei einer kreisförmigen Ausgestaltung 241 und einer nahezu rechteckigen Ausgestaltung 242 des Abstandselements 240 können mehrere Abstandselemente 240 über den Umfang der Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220 verteilt sein, wie dies beispielsweise in Fig. 4 dargestellt ist. Zwischen den jeweiligen Abstandselementen 240 besteht in der Darstellung von Fig. 4 ein konstanter Winkelabstand von etwa 90°. Die Darstellung von Fig. 4 entspricht einer Draufsicht auf die Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220 von Fig. 2, in der das obere und das untere Abstandselement 240 von Fig. 4 zu erkennen sind.
  • Wenn das Abstandselement 240 ringförmig ausgebildet ist, wie in Fig. 3C dargestellt ist, erstreckt sich dieses über den gesamten Umfang der Orbiter-Stirnfläche 226. In dem Innenbereich der Ringform 243 des Abstandselements 240 befindet sich die Spirale 224 des Orbiter-Spiralbauteils.
  • Fig. 3D zeigt eine Rechteckform 244 in der Seitenansicht des Abstandselements 240, während Fig. 3E eine konische Seitenansicht 245 und Fig. 3F eine trapezförmige Seitenansicht 246 des Abstandselements 240 zeigt. Im Falle des rechteckigen Querschnitts 244 von Fig. 3D ergibt sich somit für die kreisförmige Draufsicht 241 bzw. die im Wesentlichen rechteckige Draufsicht 242 von Fig. 3A bzw. Fig. 3B ein zylinderförmiges bzw. quaderförmiges Abstandselement 240.
  • Bei den Ausführungsformen von Fig. 3D und Fig. 3F ist die Oberfläche des Abstandselements 240, die mit dem Gegenelement 250 in Kontakt kommen kann, eben ausgebildet, und sie verläuft parallel zu der Kontaktfläche an dem Gegenelement 250 bzw. an dem gegenüberliegenden Stator-Spiralbauteil 210 (vgl. Fig. 1). Bei der Ausführungsform mit dem konischen Querschnitt 245 von Fig. 3E hingegen ist die Kontur der Oberfläche des Abstandselements 240 konvex ausgebildet, so dass eine kleinere Fläche des Abstandselements 240 mit dem gegenüberliegenden Gegenelement 250 bzw. Stator-Spiralbauteil 210 in Berührung kommen kann als bei den Ausführungsformen von Fig. 3D und Fig. 3F.
  • Bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform des Orbiter-Spiralbauteils 220 sind die vier Abstandselemente 240 an der Orbiter-Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220 in einem Bereich der Orbiter-Trägerplatte 222 angeordnet, d.h. radial außerhalb der Orbiterspirale 224. Eine mögliche Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche 216 kann daher nur in einem Bereich außerhalb der Statorspirale 216 und der Orbiterspirale 226 stattfinden. Dadurch kann eine Beschädigung oder Verformung der Spiralen 216, 226 aufgrund einer Berührung zwischen diesen vermieden werden.
  • Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen für die Befestigung des Abstandselements 240 in der Vertiefung oder Nut 228 des Orbiter-Spiralbauteils 220. Bei beiden Ausführungsformen besteht eine lösbare kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Abstandselement 240 und dem Orbiter-Spiralbauteil 220.
  • Fig. 5A zeigt eine Draufsicht auf das Abstandselement 240, das mittels eines Federsystems in der Nut oder Vertiefung 228 an der Orbiter-Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220 befestigt ist. Fig. 5B zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in Fig. 5A.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 5A sind jeweils zwei Federn 510 in vier Erweiterungen der Nut 228 vorgesehen, wobei jeweilige Paare der Federn 510 auf ein jeweiliges Anschlagselement 520 einwirken, das jeweils mit dem Abstandselement 240 in Kontakt steht. Jeweils zwei Paare von Federn 510 wirken entgegengesetzt zueinander in einer radialen Richtung senkrecht zur vorstehend beschriebenen axialen Richtung innerhalb der Scrollpumpe 200 (vgl. Fig. 2), während zwei weitere Paare von Federn 510 zusammen mit entsprechenden Anschlagselementen 520 in einer Richtung senkrecht zu den zuvor genannten Paaren von Federn 510 wirken, d.h. in einer weiteren radialen Richtung, die zur ersten radialen Richtung senkrecht steht. Insgesamt wird das Abstandselement 240 somit durch vier Paare von Federn 510, die auf ein jeweiliges Anschlagselement 520 wirken, in zueinander senkrechten Richtungen eingespannt bzw. verpresst.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 6 besteht hingegen eine Schraubverbindung zwischen dem Abstandselement 240 und dem Orbiter-Spiralbauteil 222. Fig. 6A zeigt wiederum eine Draufsicht auf das Abstandselement 240, das in der Nut oder Vertiefung 228 des Orbiter-Spiralbauteils 222 angeordnet ist. Fig. 6B zeigt wiederum eine Schnittansicht entlang der Linie A-A von Fig. 6A.
  • Das Orbiter-Spiralbauteil weist bei dieser Ausführungsform eine Schraubenbohrung 610 auf, während das Abstandselement 240 eine entsprechende Senkbohrung 620 aufweist. In den beiden Bohrungen 610, 620 ist eine Schraube 630 angebracht, um die lösbare kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Abstandselement 240 und dem Orbiter-Spiralbauteil 222 herzustellen. Aufgrund der lösbaren kraftschlüssigen Verbindung des Abstandselements 240 mit dem Orbiter-Spiralbauteil 222, wie diese in Fig. 5 und 6 gezeigt ist, kann das Abstandselement 240 ausgetauscht werden, während das restliche Orbiter-Spiralbauteil 222 weiterhin verwendet werden kann.
  • Darüber hinaus kann das Abstandselement 240 bei den Ausführungsformen von Fig. 5 und 6 derart ausgestaltet sein, dass es an seiner Oberfläche eine Beschichtung mit einem Material aufweist, die dem Verschleiß durch Berührungen mit der gegenüberliegenden Fläche des Gegenelements 250 oder allgemein des Stator-Spiralbauteils 210 ausgesetzt werden soll. Das Abstandselement 240 kann in einem solchen Fall ausgetauscht werden, wenn es einen gewissen Verschleiß erfahren hat, und das Grundmaterial des Abstandselements 240 kann aufbereitet und anschließend wieder verwendet werden.
  • In Fig. 7 ist schematisch dargestellt, dass die erfindungsgemäße Scrollpumpe 200 ferner eine Nachweiseinrichtung 700 umfasst, die dafür vorgesehen ist, eine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 mit dem Gegenelement 250 (vgl. Fig. 2) oder allgemein mit der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche 216 des Stator-Spiralbauteils 210 nachzuweisen. Ferner ist die Nachweiseinrichtung 700 dafür vorgesehen, eine Anzahl solcher Berührungen zu ermitteln und anzuzeigen.
  • Die Nachweiseinrichtung 700 umfasst eine Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 und eine Anzeigeeinheit 704. Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 steht über mehrere Kabelverbindungen mit Messeinrichtungen (nicht gezeigt) in Verbindung, die in und an der Scrollpumpe 200 angeordnet sind und ausgebildet sind, einen jeweiligen Betriebsparameter der Scrollpumpe 200 zu messen. Diese Messeinrichtungen für einen jeweiligen Betriebsparameter der Scrollpumpe 200 sind somit ein fester Bestandteil der Nachweiseinrichtung 700, da ohne diese Messeinrichtungen keine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und einer gegenüberliegenden Fläche an dem Gegenelement 250 oder einer anderen Fläche an dem Stator-Spiralbauteil 210 nachgewiesen werden kann.
  • Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 weist mehrere Eingänge 710, 720, 730, 740 auf, die über eine jeweilige Kabelverbindung 712, 722, 732, 742 mit einer jeweiligen Messeinrichtung in oder an der Scrollpumpe 200 in Verbindung stehen. Der Eingang 710 und die entsprechende Kabelverbindung 712 sind zur Erfassung der Antriebsdrehzahl der Scrollpumpe vorgesehen. Die Kabelverbindung 712 steht daher mit einem Drehzahlmesser innerhalb der Scrollpumpe 200 in Verbindung, der die Drehzahl des Motors der Scrollpumpe 200 misst, beispielsweise des Motors 28 (vgl. Fig. 1). Der Eingang 720 der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 und die Kabelverbindung 722 sind zum Erfassen des Ansaugdrucks der Scrollpumpe vorgesehen. Die Kabelverbindung 722 steht daher mit einem Druckmessgerät in Verbindung, das ausgebildet ist, den Ansaugdruck im Bereich des Einlasses 24 (vgl. Fig. 1) der Scrollpumpe 200 zu messen. Die Kabelverbindung 732 steht mit einem Beschleunigungssensor (nicht dargestellt) in Verbindung, der in einem Innenraum der Scrollpumpe 200, d.h. innerhalb deren Gehäuse, angeordnet ist. Mittels des Beschleunigungssensors werden Schwingungen der Scrollpumpe 200 gemessen und eine entsprechende Information in der Form von Schwingungsdaten über den Eingang 730 an die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 übertragen. Der Eingang 740 der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 ist ferner zur Erfassung von Temperaturdaten der Scrollpumpe 200 vorgesehen. Daher steht die Kabelverbindung 742 mit einem oder mehreren Temperatursensoren an oder in der Scrollpumpe 200 in Verbindung.
  • Im regulären Betrieb der Scrollpumpe 200, in dem keine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und einer gegenüberliegenden Fläche des Gegenelements 250 bzw. des Stator-Spiralbauteils 210 auftreten sollte, liegt ein relativ geringes Maß an Vibrationen der Scrollpumpe 200 vor, welches als Bezugsniveau für den Beschleunigungssensor dient. Beispielsweise kann ein bestimmter Wert für eine Schwingungsbeschleunigung bzw. Schwingungsgeschwindigkeit während des regulären Betriebs mittels des Beschleunigungssensors erfasst und über die Kabelverbindung 732 und den Eingang 730 an die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 übertragen werden. Alternativ können zu erwartende Werte anderer, bekannter Scrollpumpen in der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 gespeichert sein und als Bezugsniveau dienen.
  • Wenn eine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und dem gegenüberliegenden Stator-Spiralbauteil 210 bzw. dem Gegenelement 250 auftritt, treten verstärkte Vibrationen der Scrollpumpe 200 auf, die mittels des Beschleunigungssensors aufgezeichnet und über die Kabelverbindung 732 und den Eingang 730 durch die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 erfasst werden können. Anhand der über den Eingang 730 erfassten Daten ist in einem solchen Fall erkennbar, dass die Schwingungsbeschleunigung bzw. Schwingungsgeschwindigkeit, die mittels des Beschleunigungssensors erfasst wird, einen vorgegebenen Wert überschritten hat. Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 ist ferner dafür vorgesehen, die Anzahl solcher Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und dem gegenüberliegenden Stator-Spiralbauteil 210 bzw. mit dem Gegenelement 250 zu zählen. Ein Zähler innerhalb der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 wird jedes Mal dann erhöht, wenn eine solche Berührung nachgewiesen wird.
  • Die Messdaten der weiteren Messeinrichtungen, d.h. die Antriebsdrehzahl, der Ansaugdruck und eine oder mehrere Temperaturen an oder in der Scrollpumpe 200, können zusätzlich verwendet werden, um eine axiale Spaltbreite bzw. einen axialen Abstand zwischen dem Abstandselement 240 und dem gegenüberliegenden Stator-Spiralbauteil 210 bzw. dem Gegenelement 250 zu approximieren bzw. zu schätzen. Bei einer Änderung der Antriebsdrehzahl, des Ansaugdrucks und/oder einer oder mehrerer der Temperaturen ändert sich nämlich dieser axiale Abstand h1 (vgl. Fig. 1) zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche an dem Gegenelement 250. Änderungen der Antriebsdrehzahl, des Ansaugdrucks und/oder der Temperaturen können über eine mathematische Funktion mit einer Änderung der Spaltbreite bzw. axialen Distanz zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche in Beziehung gesetzt und approximiert werden. Sobald die geschätzte axiale Spaltbreite ein vorbestimmtes Maß unterschreitet, wird angenommen, dass eine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und dem gegenüberliegenden Stator-Spiralbauteil 210 bzw. dem Gegenelement 250 aufgetreten ist.
  • Die Anzahl solcher Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche an dem Gegenelement 250 bzw. dem Stator-Spiralbauteil 210 wird mittels der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 bestimmt, indem wiederum ein entsprechender Zähler bei dem Auftreten einer jeweiligen Berührung erhöht wird. Mittels der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 wird die Anzahl der Berührungen auf redundante Weise ermittelt, d.h. einerseits anhand der mittels des Beschleunigungssensors gemessenen und über die Kabelverbindung 732 sowie den Eingang 730 übertragenen Schwingungsdaten sowie andererseits anhand der Messdaten, die über die Kabelverbindungen 712, 722, 742 und die entsprechenden Eingänge 710, 720, 740 erfasst werden.
  • Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 weist einen Ausgang 750 auf, der über eine Kabelverbindung 752 mit der Anzeigeeinheit 704 der Nachweiseinrichtung 700 in Verbindung steht. Die Anzeigeeinheit 704 umfasst eine Anzeige 760, welche die Anzahl der Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche seit der letzten Wartung der Scrollpumpe 200 ausgibt.
  • Bei einer Wartung der Scrollpumpe 200 wird der Zähler der Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 dann auf Null zurückgesetzt, wenn das Abstandselement 240 während der Wartung ausgetauscht wird. Entsprechend der Anzahl der Berührun-gen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche ermittelt die Anzeigeeinheit 704 einen Zustand bzw. Status des Abstandselements 740, der mittels einer Statusanzeige 762 ausgegeben wird. Die Statusanzeige 762 umfasst drei Zustände, die den Verschleiß des Abstandselements 240 entsprechend der Anzahl der Berührungen mit der gegenüberliegenden Fläche widerspiegeln.
  • Liegt die Anzahl der Berührungen unterhalb eines ersten vordefinierten Werts, ist das Abstandselement 240 aufgrund eines bisher geringen Verschleißes weiterhin betriebsbereit, so dass sich das Abstandselement 240 in einem ersten Zustand befindet, von der Statusanzeige 762 mit einer grünen Leuchte angezeigt wird. Überschreitet die Anzahl der Berührungen den ersten vordefinierten Wert, ist das Abstandselement 240 zwar weiterhin betriebsbereit, es sollte aber in absehbarer Zukunft eine Wartung der Scrollpumpe 200 durchgeführt werden, bei dem der Zustand des Abstandselements 240 überprüft werden sollte. Wenn der erste vordefinierte Wert für die Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche überschritten ist, gibt die Statusanzeige 762 einen entsprechenden Zustand mittels einer gelben Leuchte aus, wodurch eine Wartung der Scrollpumpe 200 empfohlen wird.
  • Überschreitet die Anzahl der Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche jedoch auch einen zweiten vordefinierten Wert, der deutlich größer als der erste vordefinierte Wert ist, weist das Abstandselement 240 einen solchen Verschleiß auf, dass kein sicherer Betrieb der Scrollpumpe 200 gewährleistet ist. In diesem Fall sollte die Scrollpumpe 200 entweder manuell oder automatisch abgeschaltet werden, um Beschädigungen zu vermeiden. Der entsprechende Zustand mit der Empfehlung, die Scrollpumpe 200 auszuschalten, wird mittels der Statusanzeige 762 mit einer roten Leuchte angezeigt.
  • Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 der Nachweiseinrichtung 700 kann ferner mit weiteren Messeinrichtungen (in Fig. 7 nicht gezeigt) in Verbindung stehen, die an oder in der Scrollpumpe 200 angebracht, um eine Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und einer gegenüberliegenden Stirnfläche wie beispielsweise der Stirnfläche 216 des Stator-Spiralbauteils 210 nachzuweisen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Scrollpumpe 200 eine Messeinrichtung aufweisen, welche die Berührung zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 bzw. dem Spiralbauteil 210 anhand eines Schaltvorgangs nachweist, der durch die Berührung ausgelöst wird. Bei einem solchen Schaltvorgang kann es sich um einen elektrischen Schaltvorgang oder um einen mechanischem Schaltvorgang handeln, d.h. um einen ähnlichen Schaltvorgang wie bei einem taktilen Schalter.
  • Die Messeinrichtung kann beispielsweise einen elektrischen Kontakt zwischen dem Abstandselement 240 und dem Gegenelement 250 bzw. dem Stator-Spiralbauteil 210 nachweisen. Zu diesem Zweck können elektrische Kontakte an dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche angebracht sein, so dass bei einer Berührung ein Kurzschluss zwischen den beiden Kontakten auftritt, wodurch eine Berührung unmittelbar nachweisbar ist. Um den Verschleiß des Abstandselements 240 zu erfassen, kann entweder die Anzahl der Berührungen bestimmt werden, oder es kann die über den Kontakt geflossene Ladung kumulativ gemessen werden, die ein Maß für den Verschleiß des Abstandselements 240 darstellt.
  • Alternativ kann entweder das Abstandselement 240 oder die gegenüberliegende Fläche einen isolierten Bereich aufweisen, so dass eine entsprechende Oberfläche isoliert ist. Wenn dieser isolierte Bereich aufgrund des Verschleißes zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche aufgrund einer bestimmten Anzahl von Berührungen zwischen diesen abgetragen ist, kann wiederum ein elektrischer Kontakt auftreten, der somit ein gewisses Maß an Ver-schleiß angibt. Die Erfassungs- und Auswertungseinheit 702 ermittelt in diesem Fall direkt eine bestimmte Anzahl von Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche.
  • Außerdem kann ein berührungsloser Wegsensor mittels eines Messkopfs den axialen Abstand zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche erfassen. Anhand dieses axialen Abstands können wiederum Berührungen zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche detektiert werden, um den Verschleiß zwischen diesen zu bestimmen.
  • Wenn das Abstandselement 240 während des Betriebs der Scrollpumpe 200 die gegenüberliegende Stirnfläche 216 des Stator-Spiralbauteils oder des Gegenelements 250 berührt, verringert sich bei jeder Berührung das Maß bzw. die Distanz, mit der das Abstandselement 240 über die Stirnfläche 226 des Orbiter-Spiralbauteils 220 hinaussteht. Dadurch verringert sich die Differenz zwischen dem Abstand h1 und dem Abstand h2 (vgl. Fig. 2), so dass sich die Spiralbauteile 210, 220 bzw. deren Stirnflächen 216, 226 undefiniert berühren können, sobald diese Differenz einen bestimmten Wert unterschreitet. Folglich kann das Abstandselement 240 während des Betriebs der Scrollpumpe 200 allmählich seine Funktionalität verlieren, so dass ein Austausch des Abstandselements erforderlich werden könnte.
  • Um dies zu verhindern, weist die Scrollpumpe 200 eine Einstelleinrichtung 800 auf, die dafür vorgesehen ist, einen axialen Abstand zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche des Gegenelements 250 bzw. des Stator-Spiralbauteils 210 auf einen vordefinierten Abstand einzustellen oder zu regeln. In Fig. 8 bis 11 sind vier verschiedene Ausführungsformen der Einstelleinrichtung 800 dargestellt.
  • Der vordefinierte Abstand ist bei diesen Ausführungsformen ein Sollwert für die Distanz zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 216 in axialer Richtung (vgl. Fig. 2). Der tatsächliche axiale Abstand zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche kann als Istwert beispielsweise mit verschiedenen Messeinrichtungen erfasst werden, von denen einige bereits vorstehend im Zusammenhang mit der Nachweiseinrichtung 700 für die Berührung des Abstandselements 240 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 216 erläutert sind.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 8 umfasst die Nachstelleinrichtung 800 eine Druckkammer 810, die hinter dem Abstandselement 240 angeordnet ist, d.h. bezogen auf die Fläche des Abstandselements 240, die mit dem Gegenelement 250 oder dem Stator-Spiralbauteil 210 in Berührung kommen kann, auf der gegenüberliegenden Seite. Ein Druck p1 eines Gases in der Druckkammer 810 ist größer als ein Druck p2 auf der gegenüberliegenden Seite des Abstandselements 240, so dass die Druckkammer 810 eine Kraft 811 in axialer Richtung auf das Abstandselement 240 ausübt.
  • Das Abstandselement 240 weist bei dieser Ausführungsform ein keilförmiges Profil mit einer abgeschrägten Fläche 812 auf, die mittels eines Federsystems eingespannt ist. Federn 814 des Federsystems wirken in radialer Richtung senkrecht zur axialen Richtung auf ein jeweiliges Anschlagselement 815, das eine schräge Anlagefläche aufweist. Die schräge Anlagefläche liegt an der abgeschrägten Fläche 812 des Abstandselements 240 mit keilförmigem Profil an.
  • Durch die schräge Anlagefläche der Anschlagselemente 815 übt das Federsystem Kräfte 816 in axialer Richtung auf das Abstandselement 240 aus, die als Gegenkraft zu der Kraft 811 wirken, welche die Druckkammer 810 aufgrund der Druckdifferenz über das Abstandselement 240 auf dieses ausübt. Insgesamt entsteht ein Kräftegleichgewicht in axialer Richtung, durch welches das Abstandselement 240 in einer bestimmten Position gehalten wird. Der Druck p1 in der Druckkammer 810 und damit die Kraft 811 auf das Abstandselement 240 in axialer Richtung wird über ein regelbares Ventil 818 eingestellt. Der Öffnungsgrad des regelbaren Ventils 818 wird automatisch in Reaktion auf den Verschleiß des Abstandselements 240 eingestellt, beispielsweise anhand der Anzahl der Berührungen, welche die Nachweiseinrichtung 700 (vgl. Fig. 7) zwischen dem Abstandselement 240 und der gegenüberliegenden Fläche detektiert.
  • Bei der Ausführungsform der Nachstelleinrichtung 800 von Fig. 8 wird der Druck p1 in der Druckkammer 810 somit entsprechend dem ermittelten Verschleiß des Abstandselements 240 oder anhand des Abstands zwischen der Stirnfläche des Abstandselements 240 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 216 nachgeregelt und dadurch auf den vordefinierten Abstand eingestellt. Dies kann jedoch nur so lange erfolgen, wie der Verschleiß des Abstandselements 240 noch keinen kritischen Wert überschritten hat, der beispielsweise durch die Statusanzeige 762 der Anzeigeeinheit 704 (vgl. Fig. 7) angezeigt wird. Die Druckkammer 810 ist ferner gegenüber dem pumpaktiven Bereich der Scrollpumpe 200 bzw. dem Vakuumbereich innerhalb dieser abgedichtet, um Störungen im Betrieb der Scrollpumpe 200 zu vermeiden. Eine Zuleitung des Gases in die Druckkammer 810 erfolgt entweder aus der umgebenden Atmosphäre, beispielsweise aus dem Auslassbereich der Scrollpumpe 200, oder über einen integrierten Druckbehälter, der im Innenraum der Scrollpumpe 200 angeordnet ist.
  • Bei der Ausführungsform von Fig. 9 weist die Nachstelleinrichtung 800 eine Justierschraube 820 auf, die zwei Gewinde 822, 824 umfasst. Das erste Gewinde oder Montagegewinde 822 befindet sich an einem Ende der Justierschraube 820, das einem Schraubenkopf 826 gegenüberliegt. Über das Montagegewinde 822 ist die Justierschraube 822 mit dem Abstandselement 240 verbunden, das ein entsprechendes Gewinde für das Montagegewinde 822 aufweist. Das zweite Gewinde oder Feingewinde 824 steht mit einem entsprechenden Gewinde in einer Bohrung innerhalb des Orbiter-Spiralbauteils 220 (vgl. Fig. 2) in Eingriff. Mittels des Feingewindes 824 wird die axiale Position der Justierschraube 822 und damit des Abstandselements 240 genau eingestellt. Der Durchmesser des Feingewindes 824 ist größer als der Durchmesser des Montagegewindes 822. Es ist erforderlich, dass die Gewindegänge des Montagegewindes 822 und des Feingewindes 824 gegenüber dem Vakuumbereich der Scrollpumpe 200 abgedichtet sind.
  • Die Positionierung der Justierschraube 822 und damit des Abstandselements 240 kann manuell oder auch automatisch mit Hilfe eines zusätzlichen Werkzeugelements erfolgen. Mit Hilfe eines solchen Werkzeugelements wird die Justierschraube 820 bzw. deren Kopf 826 in Ansprechen auf den ermittelten Verschleiß bzw. die Anzahl der Berührungen (vgl. Fig. 7) des Abstandselements 240 mit der gegenüberliegenden Stirnfläche 216 automatisch geeignet eingestellt, um dadurch die axiale Position des Abstandselements 240 nachzuregeln. Der Bereich des Schraubenkopfs 826 der Justierschraube 820 ist gegenüber anderen Bereichen innerhalb der Scrollpumpe 200 mittels eines Abdichtelements 828 abgedichtet.
  • Bei der in Fig. 10 dargestellten Ausführungsform umfasst die Einstelleinrichtung 800 einen Aktor 830, der mit dem Abstandselement 240 funktional gekoppelt und dafür vorgesehen ist, die axiale Position des Abstandselements 240 einzustellen. Der Aktor 830 führt im Beispiel von Fig. 10 eine kapazitive Abstandsregelung durch und ist daher Teil eines Regelkreises. Wenn der Verschleiß des Abstandselements 240 oder dessen Distanz bezogen auf die gegenüberliegende Stirnfläche 216 erfasst wird, kann das entsprechende Messsignal als Stellsignal 832 für den Aktor 830 verwendet werden, um die axiale Position des Abstandselements 240 in Abhängigkeit von dem Stellsignal 832 und damit in Abhängigkeit von dem Verschleiß des Abstandselements 240 bzw. dessen Abstands bezogen auf die gegenüberliegende Fläche einzustellen. Wenn die momentane Position des Aktors 830 erfasst wird, kann anhand dieser Position bestimmt werden, wann das Abstandselement 240 überprüft oder ausgewechselt werden sollte. Beispiele verwendbarer Aktoren sind Bimetall-, elektrische oder Piezoaktoren.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Scrollvakuumpumpe
    12
    erstes Gehäuseelement
    14
    zweites Gehäuseelement
    15
    Schrauben
    16
    Spiralwand/Spirale
    18
    Spiralwand/Spirale
    20
    Trägerplatte
    21
    Orbiter
    22
    Exzenterwelle
    23
    Ringspalt
    24
    Einlass
    26
    Auslass
    28
    Motor
    30
    Wälzlager
    32
    Exzenterzapfen
    34
    Wälzlager
    36
    Wellbalg
    38
    Lüfter
    40
    Luftleithaube
    42
    Elektronikgehäuse
    44
    Kanal
    46
    Luftstrom
    48
    Ansaugbereich
    200
    Scrollpumpe
    210
    Stator-Spiralbauteil
    212
    Trägerplatte des Stators
    214
    Spirale des Stators
    216
    Stator-Stirnfläche
    218
    Nut oder Vertiefung in der Stator-Stirnfläche
    220
    Orbiter-Spiralbauteil
    222
    Trägerplatte des Orbiter-Spiralbauteils
    224
    Spirale des Orbiter-Spiralbauteils
    226
    Orbiter-Stirnfläche
    228
    Nut oder Vertiefung an der Orbiter-Stirnfläche
    230
    pumpaktiver Spiralenbereich
    232
    Drehachse
    240
    Abstandselement
    241
    Kreisform des Abstandselements
    242
    Rechteckform des Abstandselements
    243
    Ringform des Abstandselements
    244
    rechteckiger Querschnitt des Abstandselements
    245
    konischer Querschnitt des Abstandselements
    246
    kreisförmiger Querschnitt des Abstandselements
    250
    Gegenelement
    510
    Feder
    520
    Anschlagselement
    610
    Schraubenbohrung im Spiralbauteil bzw. in dessen Trägerplatte
    620
    Senkbohrung im Abstandselement
    630
    Schraube
    700
    Nachweiseinrichtung für die Berührung zwischen Abstandselement und gegenüberliegender Fläche
    702
    Erfassungs- und Auswertungseinheit
    704
    Anzeigeeinheit
    710
    Eingang für Daten der Antriebsdrehzahl
    712
    Kabelverbindung für Drehzahlmesser
    720
    Eingang für Daten des Ansaugdrucks
    722
    Kabelverbindung für Druckmessgerät
    730
    Eingang für Daten des Beschleunigungssensors
    732
    Kabelverbindung für den Beschleunigungssensor
    740
    Eingang für Temperaturdaten
    742
    Kabelverbindung für Temperatursensoren
    750
    Ausgang
    752
    Kabelverbindung zwischen Erfassungs- und Auswertungseinheit und Anzeigeeinheit
    760
    Anzeige für die Anzahl der Berührungen zwischen Abstandselement und gegenüberliegender Fläche
    762
    Statusanzeige für das Abstandselement
    800
    Einstelleinrichtung für das Abstandselement
    810
    Druckkammer
    811
    durch die Druckkammer auf das Abstandselement ausgeübte axiale Kraft
    812
    abgeschrägte Fläche des Abstandselements
    814
    Feder
    815
    Anschlagselement
    816
    durch Federn ausgeübte axiale Kraft
    818
    Gasventil
    820
    Justierschraube
    822
    Montagegewinde
    824
    Feingewinde
    826
    Schraubenkopf
    828
    Dichtungselement
    830
    Aktor
    832
    Stellsignal

Claims (15)

  1. Scrollpumpe (200), insbesondere Scrollvakuumpumpe, umfassend:
    einen Stator, der ein Stator-Spiralbauteil (210) umfasst,
    einen Orbiter, der ein Orbiter-Spiralbauteil (220) umfasst, das in das Stator-Spiralbauteil (210) eingreift und ausgebildet ist, bezogen auf den Stator eine exzentrische Bewegung um eine Drehachse (232) herum auszuführen, die eine axiale Richtung definiert,
    wobei
    das Stator-Spiralbauteil (210) eine Stator-Stirnfläche (216) aufweist und das Orbiter-Spiralbauteil (220) eine Orbiter-Stirnfläche (226) aufweist, die der Stator-Stirnfläche (216) in der axialen Richtung gegenüberliegt und von dieser beabstandet ist,
    an der Stator-Stirnfläche (216) oder an der Orbiter-Stirnfläche (226) mindestens ein Abstandselement (240) angeordnet ist, das über diejenige von der Stator-Stirnfläche (216) oder der Orbiter-Stirnfläche (226), an der es angeordnet ist, in axialer Richtung hervorsteht und in axialer Richtung bezogen auf die gegenüberliegende Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) einen vordefinierten Abstand (h1) aufweist, und
    das Abstandselement (240) ein Material umfasst, das sich durch mindestens eine tribologische Eigenschaft von einem jeweiligen Material an der Stator-Stirnfläche (216) und an der Orbiter-Stirnfläche (226) unterscheidet.
  2. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 1, wobei
    der vordefinierte Abstand (h1) zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) kleiner als ein Schwellenwert ist, der von einem Ziel-Enddruck der Scrollpumpe (200) abhängt.
  3. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei
    die dem Abstandelement (240) gegenüberliegende Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) einen Bereich aufweist, der sich von dem restlichen Spiralbauteil (210, 220) durch mindestens eine Materialeigenschaft unterscheidet.
  4. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei
    an der dem Abstandselement (240) gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) ein Gegenelement (250) angeordnet ist, welches in axialer Richtung über diejenige von der Stator-Stirnfläche (216) oder der Orbiter-Stirnfläche (226), an der es angeordnet ist, in axialer Richtung hervorsteht und sich bezüglich mindestens einer Materialeigenschaft von derjenigen von der Stator-Stirnfläche (216) oder der Orbiter-Stirnfläche (226) unterscheidet, an der es angeordnet ist.
  5. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 4, wobei
    ein Material des Abstandselements (240) und ein Material des Gegenelements (250) derart gewählt sind, dass das Abstandselement (240) und das Gegenelement (250) ein tribologisches System bilden, bei dem eine spezifische Verschleißrate und/oder ein Gleitreibungskoeffizient für diese geringer ist als für Materialien der Stator-Stirnfläche (216) und der Orbiter-Stirnfläche (226).
  6. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei
    das Stator-Spiralbauteil (210) und das Orbiter-Spiralbauteil (220) jeweils ein Trägerelement (212, 222) und eine Spirale (214, 224) umfassen und
    das Abstandselement (240) in einer radialen Richtung, die rechtwinklig zu der axialen Richtung verläuft, außerhalb der jeweiligen Spirale (214, 224) des Stator-Spiralbauteils (210) und des Orbiter-Spiralbauteils (220) angeordnet ist.
  7. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei
    zwischen dem Abstandselement (240) und demjenigen von dem Stator-Spiralbauteil (210) oder dem Orbiter-Spiralbauteil (220), an dem das Abstandselement (240) angeordnet ist, eine lösbare kraftschlüssige Verbindung vorliegt.
  8. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    ferner eine Einstelleinrichtung (800) umfassend, die ausgebildet ist, einen axialen Abstand zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegender Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) auf den vordefinierten Abstand (h1) zu regeln.
  9. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 8, wobei
    die Einstelleinrichtung (800) eine Druckkammer (810) aufweist, die derart in Verbindung mit dem Abstandselement (240) angeordnet ist, dass die Druckkammer (810) eine Kraft in axialer Richtung auf das Abstandselement (240) ausübt.
  10. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 8, wobei
    die Einstelleinrichtung (800) mindestens eine Justierschraube (820) aufweist, die mit dem Abstandselement (240) funktional gekoppelt ist, um den vordefinierten Abstand in axialer Richtung zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) einzustellen.
  11. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 8, wobei
    die Einstelleinrichtung (800) mindestens einen Aktor (830) aufweist, der mit dem Abstandselement (240) funktional gekoppelt und ausgebildet ist, eine axiale Position des Abstandselements (240) einzustellen.
  12. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    ferner eine Nachweiseinrichtung (700) umfassend, die ausgebildet ist:
    eine Berührung zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) nachzuweisen und
    eine Anzahl der Berührungen zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) zu erfassen.
  13. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 12, wobei
    die Nachweiseinrichtung (700) ausgebildet ist, die Berührung zwischen dem Abstandselement (240) und der gegenüberliegenden Stator-Stirnfläche (216) oder Orbiter-Stirnfläche (226) anhand eines elektrischen Kontakts nachzuweisen.
  14. Scrollpumpe (200) nach Anspruch 12 oder 13, wobei
    die Nachweiseinrichtung (700) einen Beschleunigungssensor und/oder einen berührungslosen Wegsensor umfasst.
  15. Scrollpumpe (200) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Scrollpumpe (200) frei von einem Tip Seal ist.
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