WO2018041556A1 - Vakuumpumpen-schraubenrotor - Google Patents

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WO2018041556A1
WO2018041556A1 PCT/EP2017/070065 EP2017070065W WO2018041556A1 WO 2018041556 A1 WO2018041556 A1 WO 2018041556A1 EP 2017070065 W EP2017070065 W EP 2017070065W WO 2018041556 A1 WO2018041556 A1 WO 2018041556A1
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vacuum pump
screw
displacement
screw rotor
displacement elements
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Thomas Dreifert
Dirk Schiller
Wolfgang Giebmanns
Roland Müller
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Leybold Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a vacuum pump screw rotor.
  • Screw vacuum pumps have two rotor elements in a pump chamber formed by a housing.
  • the rotor elements have a helical contour and are rotated in opposite directions to convey gases.
  • the displacer element of the rotor element that is to say the helical contour, has a changing incline.
  • the slope is large and the volume of the chambers formed per turn also large. The slope decreases in the direction of the outlet, so that the outlet or pressure side, a small pitch and low chamber volume per turn are formed.
  • the object of the invention is to provide a vacuum pump screw rotor, which is inexpensive to manufacture with low power consumption and low thermal stress on the pump. It is another object of the invention to provide a corresponding screw vacuum pump and a suitable manufacturing method.
  • the object is achieved by a vacuum pump screw rotor according to claim 1, a vacuum pump according to claim 12, and a manufacturing method according to claim 17.
  • the vacuum pump screw rotor according to the invention has at least two helical displacement elements arranged on a rotor shaft. By the displacement elements, the rotor element is formed. According to the invention, the at least two displacement elements have different pitches, wherein the pitch is constant per displacement element.
  • the vacuum pump screw rotor according to the invention has two displacement elements, wherein a first suction-side displacement element has a larger constant pitch and a second pressure-side displacement element has a smaller constant pitch.
  • each displacement element has at least one helical recess which has the same contour over its entire length.
  • the contours are preferably different per displacement element.
  • the single displacement element thus preferably has a constant pitch and a constant contour. This simplifies the production considerably, so that the production costs can be greatly reduced.
  • the contour of the suction-side displacement element that is to say in particular of the first displacement element in the pumping direction, is asymmetrical.
  • the flanks can be configured in such a way that the leakage surfaces, the so-called blow holes, in particular, completely disappear or at least have a small cross section.
  • a particularly suitable asymmetric profile is the so-called "Quimby profile”.
  • the pressure-side displacement element in particular the last displacement element in the pumping direction, is provided with a symmetrical contour.
  • the symmetrical contour has the particular advantage that the production is easier.
  • both flanks can be produced with a symmetrical contour by a rotating end mill or by a rotating side milling cutter in one step.
  • Such symmetrical profiles have only small blowholes, but these are continuous, ie not only provided between two adjacent chambers. The size of the blow hole decreases as the slope decreases.
  • such symmetrical profiles can be provided in particular in the pressure-side displacement element, since in a preferred embodiment, this has a smaller pitch than the suction-side displacement element and preferably also as the displacement elements arranged between the suction-side and pressure-side displacement elements.
  • symmetrical profiles Although the density of such symmetrical profiles is slightly lower, they have the advantage that the production is much easier. In particular, it is possible to use the symmetrical profile in a single step and preferably with a simple end mill or disc milling cutter. This reduces the costs considerably.
  • a particularly suitable symmetrical profile is the so-called "cycloid profile”.
  • a pressure-side that is, in particular in pumping last displacement element on a large number of turns on. Due to a high number of turns, a larger gap between the screw rotor and the housing can be accepted with consistent performance.
  • the gap can in this case have a cold gap width of 0.1 to 0.3 mm.
  • a large number of outlet turns or number of turns in the pressure-side displacement element is inexpensive to produce, since according to the invention this displacement element has a constant pitch and in particular also a symmetrical contour. As a result, a simple and inexpensive production is possible, so that the provision of a larger number of turns is acceptable.
  • this pressure-side or last displacement element has more than 8, in particular more than 10 and particularly preferably more than 12 turns.
  • the use of symmetrical profiles in a particularly preferred embodiment has the advantage that both flanks of the profile can be cut simultaneously with a milling cutter. In this case, a supporting of the Milling cutter through the respective opposite edge, so that deformation or bending of the milling cutter during the milling process and thereby caused inaccuracies are avoided.
  • the displacement elements and the rotor shaft are formed in one piece.
  • the pitch change between adjacent displacement elements is discontinuous or erratic.
  • the two displacement elements are arranged in the longitudinal direction at a distance from each other, so that between two displacement elements, a circumferential cylindrical chamber is formed, which serves as a tool outlet. This is particularly advantageous in integrally formed rotors, since the helix producing tool can be brought out in this area in a simple manner. If the displacement elements are manufactured independently of each other and then mounted on a shaft, the provision of a tool outlet, in particular of such a ring-cylindrical region is not required.
  • no tool outlet is provided between two adjacent displacement elements on the pitch change.
  • both flanks preferably have a defect or recess in order to be able to lead out the tool.
  • Such a defect has no appreciable influence on the compression capacity of the pump, since it is a locally very limited defect or recess.
  • the vacuum pump screw rotor according to the invention has in particular a plurality of displacement elements. These may each have the same or different diameters. It is preferred here that the Pressure-side displacement element has a smaller diameter than the suction-side displacement element.
  • displacement elements which are produced independently of the rotor shaft, they are mounted on the shaft, for example by press fits. In this case, it is preferable to provide elements such as dowel pins for fixing the angular position of the displacement elements to one another.
  • the screw rotor in the one-piece design of the screw rotor but also in a multi-piece configuration, it is preferable to produce this made of aluminum or an aluminum alloy. It is particularly preferred to produce the rotor from aluminum or an aluminum alloy, in particular AISi7Mg or AISi 17Cu4Mg.
  • the alloy preferably has a high silicon content of preferably more than 15% in order to reduce the expansion coefficient.
  • the aluminum used in a further preferred embodiment of the invention has a low expansion coefficient. It is preferred if the material has an expansion coefficient of less than 18 * 10 -6 / K.
  • the surface of the displacement elements is coated, wherein in particular a coating against wear and / or corrosion is provided. In this case, it is preferable to provide an anodic coating or another suitable coating depending on the field of application.
  • the invention relates to a screw vacuum pump.
  • This has two intermeshing vacuum pump screw rotors as described above.
  • the two screw rotors are arranged in a pump chamber formed by a pump chamber.
  • one of the two screw rotors is connected to a drive device such as an electric motor.
  • the two screw rotors can be connected via gears, which are arranged in particular on the rotor shafts be.
  • gears which are arranged in particular on the rotor shafts be.
  • Such a high internal compression is possible in particular due to the design of the two rotors with at least two compression elements each having a constant pitch and in particular a constant contour with a further high number of turns of the pressure-side displacement element.
  • This is possible in particular, although large gaps are permitted in the region of the pressure-side displacement element.
  • the large gaps in particular have the advantage that the thermal load is distributed more uniformly on the pressure-side displacement element.
  • the thermal expansion of the corresponding displacement element and thus the risk of contact of the displacement element is avoided on the inside of the housing.
  • the screw rotors have a lower coefficient of expansion than the housing.
  • the expansion coefficient of the housing is at least 5%, and more preferably at least 10% greater than that of the screw rotors.
  • the housing is made of an aluminum alloy with a lower silicon content than the silicon content in the material of the screw rotors. This ensures a higher thermal expansion of the housing relative to the screw rotors. This ensures in particular that during operation, ie. with increasing thermal load, the gap may indeed be lower, but always a sufficient gap between the outside of the displacement elements and the inside of the pump chamber remains.
  • the invention relates to a method for producing a screw rotor as described above.
  • the production takes place here in particular such that the displacement elements and the rotor shaft are integrally formed.
  • a base body for the screw rotor is provided.
  • the helical recesses for producing the displacement element are produced by means of a form milling cutter such as a milling cutter or disc milling cutter. This is done per displacement element in a separate step, since the slope and in particular the contour of the helical recesses are different per displacement element.
  • the recess be made with a single tool, in particular in a single operation. Furthermore, it is preferred that the tool images the outer contour of the recess, so that the production can preferably take place on both flanks in one work step. In the asymmetric part, the flanks must be machined by two different tools.
  • a tool outlet is produced, in particular in one-piece screw rotors, prior to the production of the helical recesses.
  • a ring-cylindrical recess can be made by milling or turning.
  • no such tool outlet is provided. Instead, a recess is provided in an edge of an adjacent displacement element. This creates the defect or recess when taking out the milling cutter.
  • the basic body used is in particular cylindrical, so that from a single body, the rotor shaft can be produced with it optionally subsequent shaft journals and in particular also the displacement elements. It is also possible to use a base body which is designed as a semi-finished and already recesses and / or has journal. The preparation of the body can be done for example by casting.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of a first preferred embodiment of a vacuum pump screw rotor
  • FIG. 2 is a schematic plan view of a second preferred embodiment of a vacuum pump screw rotor.
  • 3 is a schematic sectional view of displacement elements with asymmetrical profile
  • Fig. 4 is a schematic sectional view of displacement elements with symmetrical profile
  • the rotor has two displacement elements 10, 12.
  • a first suction-side extension element 10 has a large pitch of approximately 50-150 mm / revolution. The slope is constant over the entire extension element 10.
  • the contour of the helical recess is constant.
  • the second pressure-side displacement element 12 again has a constant pitch over its length and a constant contour of the recess.
  • the pitch of the pressure-side displacement element 12 is preferably in the range of 10 - 30 mm / revolution. be- - Lo rule the two displacement elements is a ring-cylindrical recess 14 is provided. This serves to realize a tool outlet due to the one-piece design of the screw rotor shown in FIG.
  • the integrally formed screw rotor has two bearing seats 16 and a shaft end 18. With the shaft end 18, for example, a gear is connected to the drive.
  • the two displacement elements 10, 12 are made separately and then fixed on a rotor shaft 20, for example by pressing. Although this production is somewhat more expensive, but the cylindrical distance 14 between two adjacent displacement elements 10, 12 as a tool outlet is not required.
  • the bearing seats 16 and the shaft ends 18 may be an integral part of the displacement elements.
  • a continuous shaft 20 can also be made of another material that differs from the displacement elements 10, 12.
  • FIG. 3 shows a schematic sectional view of an asymmetrical profile (eg a Quimby profile).
  • the illustrated asymmetrical profile is a so-called "Quimby profile”.
  • the sectional view shows two screw rotors that mesh with each other and whose longitudinal direction is perpendicular to the plane of the drawing. The opposite rotation of the rotors is indicated by the two arrows 15.
  • the profiles of the flanks 19 and 21 per rotor are configured differently.
  • the opposing edges 19, 21 must therefore be made independently. However, therefore, although somewhat more complex and difficult production has the advantage that no continuous blow hole is present, but only between two adjacent chambers is a short circuit.
  • Such an asymmetric profile is preferably provided in the suction-side displacement element 10.
  • FIG. 4 The schematic sectional view in Fig. 4 again shows a cross section of two displacement elements or two screw rotors, which in turn rotate in opposite directions (arrows 15). Relative to the axis of symmetry 17, the flanks 23 are designed to be symmetrical per displacement element.
  • a symmetrically designed contour is a cycloid profile.
  • a symmetrical profile, as shown in FIG. 4, is preferably provided in the pressure-side displacement elements 12.
  • FIG. 5 again is a one-piece design.
  • a recess or defect is provided in the flank of the displacement element 12.
  • displacement elements are provided. These may possibly also have different head diameters and corresponding foot diameters. In this case, it is preferred that a displacement element with a larger head diameter at the inlet, i. is arranged on the suction side in order to realize a greater pumping speed in this area and / or to increase the built-in volume ratio. Furthermore, combinations of the embodiments described above are possible. For example, one or more displacement elements may be made integral with the shaft or an additional displacement element independent of the shaft and then mounted on the shaft.
  • FIG. 5 A schematic sectional view of a vacuum pump (FIG. 5) shows in a housing 22 two vacuum pump screw rotors 26 arranged in a pump chamber 24. The two rotors are mounted in the housing via bearings 28. outsourced. With two shaft ends 18 each gear wheels 32 are connected. These mesh with each other, so that a synchronization of the two waves is guaranteed. One of the two gears 32 is connected to a drive device such as an electric motor.
  • the suction of the gas takes place in the region of the suction-side displacement elements 10, as shown by an arrow 34.
  • the expulsion of the gas takes place in accordance with as shown by an arrow 36 at the end of the second, pressure-side displacement element 12th

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Abstract

Ein Vakuumpumpen-Schraubenrotor weist auf einer Rotorwelle mindestens zwei schraubenlinienförmige Verdrängungselemente (10, 12) auf. Die mindestens zwei Verdrängungselemente (10, 12) weisen unterschiedliche aber je Verdrängungselement konstante Steigungen auf. Ferner weisen die Verdrängungselemente jeweils eine schraubenlinienförmige Ausnehmung mit jeweils über ihre gesamte Länge gleichbleibender Kontur auf. Hierbei weist ein saugseitiges Verdrängungselement (10) eine Ausnehmung mit asymmetrischer Kontur und ein druckseitiges Verdrängungselement (12) eine Ausnehmung mit einer symmetrischen Kontur auf.

Description

Vakuumpumpen-Schraubenrotor
Die Erfindung betrifft einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor.
Schrauben-Vakuumpumpen weisen in einem von einem Gehäuse ausgebildeten Schöpfraum zwei Rotorelemente auf. Die Rotorelemente weisen eine schraubenlinienförmige Kontur auf und werden zum Fördern von Gasen gegenläufig gedreht. Zur Erzielung einer hohen inneren Verdichtung, das heißt eines Volumenverhältnisses zwischen dem Einlass und dem Auslass der Pumpe ist es bekannt, dass das Verdrängerelement des Rotorelements, das heißt die schraubenlinienförmige Kontur eine sich ändernde Steigung aufweist. Auf der Einlassseite bzw. saugseitig ist die Steigung groß und das Volumen der ausgebildeten Kammern je Windung ebenfalls groß. Die Steigung nimmt in Richtung des Auslasses ab, so dass auslass- bzw. druckseitig eine geringe Steigung und auch geringe Kammer-Volumen je Windung ausgebildet sind. Durch Vorsehen einer veränderlichen Steigung kann eine geringe Leistungsaufnahme bei niedrigen Einlassdrücken und gleichzeitig eine geringe thermische Belastung der Pumpe realisiert werden. Das Vorsehen von sich ändernder Steigung erfordert einen aufwendigen und daher teuren Herstellungsprozess. Insbesondere muss das Herstellen wie das Fräsen oder Drehen der Windungen, d.h . der schrau- benlinienförmigen Ausnehmungen in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten erfolgen. Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor zu schaffen, der bei geringer Leistungsaufnahme und geringer thermischer Belastung der Pumpe kostengünstig herzustellen ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine entsprechende Schraubenvakuumpumpe sowie ein geeignetes Herstellungsverfahren zu schaffen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch einen Vakuumpumpen-Schraubenrotor gemäß Anspruch 1, eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 12, sowie ein Herstellungsverfahren gemäß Anspruch 17.
Der erfindungsgemäße Vakuumpumpen-Schraubenrotor weist mindestens zwei auf einer Rotorwelle angeordnete schraubenlinienförmige Verdrängungselemente auf. Durch die Verdrängungselemente ist das Rotorelement ausgebildet. Die mindestens zwei Verdrängungselemente weisen erfindungsgemäß unterschiedliche Steigungen auf, wobei je Verdrängungselement die Steigung konstant ist. Beispielsweise weist der erfindungsgemäße Vakuumpumpen- Schraubenrotor zwei Verdrängungselemente auf, wobei ein erstes saugseitiges Verdrängungselement eine größere konstante Steigung und ein zweites druckseitiges Verdrängungselement eine kleinere konstante Steigung aufweist. Durch das erfindungsgemäße Vorsehen von mehreren Verdrängungselementen, die jeweils eine konstante Steigung aufweisen, ist die Herstellung erheblich vereinfacht.
Erfindungsgemäß weist jedes Verdrängungselement mindestens eine schraubenlinienförmige Ausnehmung auf, die über ihre gesamte Länge dieselbe Kontur aufweist. Die Konturen sind vorzugsweise je Verdrängungselement unterschiedlich. Das einzelne Verdrängungselement weist somit vorzugsweise eine konstante Steigung und eine gleichbleibende Kontur auf. Dies vereinfacht die Herstellung erheblich, so dass die Herstellungskosten stark gesenkt werden können. Zur weiteren Verbesserung der Saugleistung ist die Kontur des saugseitigen Verdrängungselements, das heißt insbesondere des in Pumprichtung ersten Verdrängungselements asymmetrisch ausgebildet. Durch die asymmetrische Ausbildung der Kontur bzw. des Profils können die Flanken derart ausgestaltet werden, dass die Leckageflächen, die sogenannten Blaslöcher insbesondere vollständig verschwinden oder zumindest einen geringen Querschnitt aufweisen. Ein besonders geeignetes asymmetrisches Profil ist das sogenannte "Quimby- Profil". Ein derartiges Profil ist zwar relativ schwierig herzustellen, weist jedoch den Vorteil auf, dass kein durchgehendes Blasloch vorhanden ist. Ein Kurzschluss ist nur zwischen zwei benachbarten Kammern gegeben. Da es sich um ein asymmetrisches Profil mit unterschiedlichen Profilflanken handelt, sind für die Herstellung zumindest zwei Arbeitsschritte erforderlich, da die beiden Flanken aufgrund ihrer Asymmetrie in unterschiedlichen Arbeitsschritten hergestellt werden müssen.
Das druckseitige Verdrängungselement, insbesondere das in Pumprichtung letzte Verdrängungselement, ist mit einer symmetrischen Kontur versehen. Die symmetrische Kontur hat insbesondere den Vorteil, dass die Herstellung einfacher ist. Insbesondere können beide Flanken mit symmetrischer Kontur durch einen rotierenden Fingerfräser oder durch einen rotierenden Scheibenfräser in einem Arbeitsschritt hergestellt werden. Derartige symmetrische Profile weisen nur kleine Blaslöcher auf, diese sind jedoch durchgehend, d.h. nicht nur zwischen zwei benachbarten Kammern vorgesehen. Die Größe des Blaslochs verringert sich bei Verringerung der Steigung. Insofern können derartige symmetrische Profile insbesondere bei dem druckseitigen Verdrängungselement vorgesehen werden, da diese in bevorzugter Ausführungsform eine kleinere Steigung als das saugseitige Verdrängungselement und vorzugsweise auch als das zwischen dem saugseitigen und dem druckseitigen Verdrängungselement angeordnete Verdrängungselemente aufweist. Wenngleich die Dichtigkeit derartiger symmetrischer Profile etwas geringer ist, weisen diese den Vorteil auf, dass die Herstellung deutlich einfacher ist. Insbesondere ist es möglich, das symmetrische Profil in einem einzigen Arbeitsschritt und vor- zugsweise mit einem einfachen Fingerfräser oder Scheibenfräser herzustellen . Dies reduziert die Kosten erheblich. Ein besonders geeignetes symmetrisches Profil ist das sogenannte "Zykloiden-Profil".
Das Vorsehen mindestens zweier derartiger Verdrängungselemente führt dazu, dass die entsprechende Schraubenvakuumpumpe bei geringer Leistungsaufnahme niedrige Einlassdrücke erzeugen kann. Auch ist die thermische Belastung gering. Das Anordnen von mindestens zwei erfindungsgemäß ausgestalteten Verdrängungselementen mit konstanter Steigung und gleichbleibender Kontur in einer Vakuumpumpe führt zu im Wesentlichen gleichen Ergebnissen, wie bei einer Vakuumpumpe mit einem Verdrängungselement mit sich ändernder Steigung. Bei hohen eingebauten Volumenverhältnissen können je Rotor drei oder vier Vedrängungselemente vorgesehen werden.
Zur Verringerung des erzielbaren Einlassdrucks und/oder zur Verringerung der Leistungsaufnahme und/oder der thermischen Belastung weist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ein druckseitiges, das heißt insbesondere in Pumprichtung letztes Verdrängungselement eine große Anzahl an Windungen auf. Durch eine hohe Anzahl an Windungen kann ein größerer Spalt zwischen dem Schraubenrotor und dem Gehäuse akzeptiert werden bei gleichbleibender Performance. Der Spalt kann hierbei eine Kalt-Spaltweite von 0,1 - 0,3 mm aufweisen. Eine große Anzahl an Auslasswindungen bzw. Anzahl an Windungen bei dem druckseitigen Verdrängungselement ist kostengünstig herstellbar, da erfindungsgemäß dieses Verdrängungselement eine konstante Steigung und insbesondere auch eine symmetrische Kontur aufweist. Hierdurch ist eine einfache und kostengünstige Herstellung möglich, so dass das Vorsehen einer größeren Anzahl an Windungen akzeptabel ist. Vorzugsweise weist dieses druckseitige bzw. letzte Verdrängungselement mehr als 8, insbesondere mehr als 10 und besonders bevorzugt mehr als 12 Windungen auf. Das Verwenden symmetrischer Profile hat in besonders bevorzugter Ausführungsform den Vorteil, dass beide Flanken des Profils mit einem Fräser gleichzeitig geschnitten werden können. Hierbei erfolgt zusätzlich ein Abstützen des Fräsers durch die jeweils gegenüberliegende Flanke, so dass ein Verformen bzw. Verbiegen des Fräsers während des Fräsvorgangs und hierdurch hervorgerufene Ungenauigkeiten vermieden sind.
Zur weiteren Reduzierung der Herstellungskosten ist es besonders bevorzugt, die Verdrängungselemente und die Rotorwelle einstückig auszubilden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Steigungswechsel zwischen benachbarten Verdrängungselementen unstetig bzw. sprunghaft ausgebildet. Gegebenenfalls sind die beiden Verdrängungselemente in Längsrichtung in einem Abstand zueinander angeordnet, so dass zwischen zwei Verdrängungselementen eine umlaufende zylinderringförmige Kammer ausgebildet ist, die als Werkzeugauslauf dient. Dies ist insbesondere bei einstückig ausgebildeten Rotoren vorteilhaft, da das die Schraubenlinie herstellende Werkzeug in diesem Bereich auf einfache Weise herausgeführt werden kann. Sofern die Verdrängungselemente unabhängig voneinander hergestellt und sodann auf einer Welle montiert werden, ist das Vorsehen eines Werkzeugauslaufs, insbesondere eines derartigen ringzylindrischen Bereichs nicht erforderlich.
Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zwischen zwei benachbarten Verdrängungselementen am Steigungswechsel kein Werkzeugauslauf vorgesehen. In dem Bereich des Steigungswechsels weisen vorzugsweise beide Flanken eine Fehlstelle bzw. Ausnehmung auf, um das Werkzeug herausführen zu können. Eine derartige Fehlstelle hat keinen nennenswerten Einfluss auf die Verdichtungsleistung der Pumpe, da es sich um eine örtlich stark begrenzte Fehlstelle bzw. Ausnehmung handelt.
Der erfindungsgemäße Vakuumpumpen-Schraubenrotor weist insbesondere mehrere Verdrängungselemente auf. Diese können jeweils den gleichen oder unterschiedliche Durchmesser aufweisen. Bevorzugt ist es hierbei, dass das druckseitige Verdrängungselement einen kleineren Durchmesser als das saug- seitige Verdrängungselement aufweist.
Bei unabhängig von der Rotorwelle hergestellten Verdrängungselementen werden diese beispielsweise durch Presspassungen auf der Welle montiert. Hierbei ist es bevorzugt, Elemente wie Passstifte zur Festlegung der Winkelposition der Verdrängungselemente zueinander vorzusehen .
Insbesondere bei der einstückigen Ausgestaltung des Schraubenrotors aber auch bei einer mehrstückigen Ausgestaltung ist es bevorzugt, diesen aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung herzustellen . Besonders bevorzugt ist es, den Rotor aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung insbesondere AISi7Mg oder AISi l7Cu4Mg herzustellen . Die Legierung hat vorzugsweise einen hohen Silicium-Anteil von vorzugsweise mehr als 15 %, um den Ausdehnungskoeffizienten zu verringern .
Das verwendete Aluminium weist in einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung einen geringen Ausdehnungskoeffizienten auf. Bevorzugt ist es, wenn das Material einen Ausdehnungskoeffizienten von weniger als 18 * 10~6/K aufweist. In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Oberfläche der Verdrängungselemente beschichtet, wobei insbesondere eine Beschichtung gegen Verschleiß und/oder Korrosion vorgesehen ist. Hierbei ist es bevorzugt eine anodische oder eine andere geeignete Beschichtung je nach Anwendungsgebiet vorzusehen .
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Schraubenvakuumpumpe. Diese weist zwei miteinander kämmende Vakuumpumpen-Schraubenrotoren wie vorstehend beschrieben auf. Die beiden Schraubenrotoren sind in einem von einem Pumpengehäuse ausgebildeten Schöpfraum angeordnet. Üblicherweise ist eine der beiden Schraubenrotoren mit einer Antriebseinrichtung wie einem Elektromotor verbunden . Die beiden Schraubenrotoren können über Zahnräder, die insbesondere auf den Rotorwellen angeordnet sind, miteinander verbunden sein. Hierdurch erfolgt ferner eine Synchronisation der sich gegenläufig drehenden Schraubenrotoren. In besonders bevorzugter Ausführungsform ist es insbesondere aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schraubenrotoren möglich, eine innere Verdichtung der Schraubenvakuumpumpe von mindestens zwei insbesondere mindestens vier zu erzielen. Eine derart hohe innere Verdichtung ist insbesondere aufgrund der Ausgestaltung der beiden Rotoren mit mindestens zwei Verdichtungselementen mit jeweils konstanter Steigung und insbesondere auch konstanter Kontur bei ferner hoher Windungsanzahl des druckseitigen Verdrängungselements möglich. Dies ist insbesondere möglich, obwohl im Bereich des druckseitigen Verdrängungselements große Spalte zugelassen werden. Die großen Spalte weisen insbesondere den Vorteil auf, dass die thermische Belastung gleichmäßiger auf das druckseitige Verdrängungselement verteilt wird. Insbesondere ist auch die thermische Ausdehnung des entsprechenden Verdrängungselements und somit die Gefahr des Berührens des Verdrängungselements an der Innenseite des Gehäuses vermieden. Ein weiterer diesbezüglicher Aspekt besteht darin, dass die Schraubenrotoren einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse aufweisen. Insbesondere ist der Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses mindestens 5%, und besonders bevorzugt mindestens 10% größer als derjenige der Schraubenrotoren.
Bevorzugt ist es hierbei, dass das Gehäuse aus einer Aluminiumlegierung mit geringerem Siliciumanteil als der Siliciumanteil in dem Material der Schraubenrotoren hergestellt ist. Hierdurch ist eine höhere thermische Ausdehnung des Gehäuses gegenüber den Schraubenrotoren sichergestellt. Hierdurch ist insbesondere sichergestellt, dass im Betrieb, d.h . bei steigender thermischer Belastung, der Spalt zwar geringer werden kann, jedoch stets ein ausreichender Spalt zwischen der Außenseite der Verdrängungselemente und der Innenseite des Schöpfraums verbleibt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schraubenrotors wie vorstehend beschreiben. Die Herstellung erfolgt hierbei insbesondere derart, dass die Verdrängungselemente und die Rotorwelle einstückig ausgebildet sind. In einem ersten Schritt wird ein Grundkörper für den Schraubenrotor bereitgestellt. Die schraubenlinienförmigen Ausnehmungen zur Herstellung des Verdrängungselements werden mittels eines Formfräsers wie eines Fingerfräsers oder Scheibenfräsers hergestellt. Dies erfolgt je Verdrängungselement in einem gesonderten Schritt, da die Steigung und insbesondere die Kontur der schraubenlinienförmigen Ausnehmungen je Verdrängungselement unterschiedlich sind.
Bevorzugt ist es, dass bei Verdrängungselementen mit symmetrischer Kontur die Ausnehmung mit einem einzigen Werkzeug insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt. Des Weiteren ist es bevorzugt, dass das Werkzeug die Außenkontur der Ausnehmung abbildet, so dass die Herstellung vorzugsweise beider Flanken in einem Arbeitsschritt erfolgen kann. Beim asymmetrischen Teil müssen die Flanken von zwei verschiedenen Werkzeugen bearbeitet werden.
Bevorzugt ist es, dass insbesondere bei einstückig hergestellten Schraubenrotoren vor der Herstellung der schraubenlinienförmigen Ausnehmungen ein Werkzeugauslauf hergestellt wird. Eine derartige ringzylindrische Ausnehmung kann durch Fräsen oder Drehen hergestellt werden.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung wird kein derartiger Werkzeugauslauf vorgesehen. Stattdessen wird in einer Flanke eines benachbarten Verdrängungselements eine Ausnehmung bzw. Fehlstelle vorgesehen. Hierbei entsteht die Fehlstelle bzw. Ausnehmung beim Herausführen des Fräsers.
Der verwendete Grundkörper ist insbesondere zylindrisch ausgebildet, so dass aus einem einzigen Grundkörper die Rotorwelle mit sich daran gegebenenfalls anschließenden Wellenzapfen sowie insbesondere auch die Verdrängungselemente hergestellt werden können. Ebenso ist es möglich, einen Grundkörper zu verwenden, der als Halbzeug ausgebildete ist und bereits Ausnehmungen und/oder Lagerzapfen aufweist. Die Herstellung des Grundkörpers kann beispielsweise im Gussverfahren erfolgen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Schraubenrotors,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines Vakuumpumpen-Schraubenrotors,
Fig. 3 eine schematische Schnittansicht von Verdrängungselementen mit asymmetrischem Profil,
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht von Verdrängungselementen mit symmetrischem Profil und
Fig. 5 eine schematische Schnittansicht einer Schrauben-
Vakuumpumpe.
Bei der ersten bevorzugten Ausführungsform des Vakuumpumpen- Schraubenrotors weist der Rotor zwei Verdrängungselemente 10, 12 auf. Ein erstes saugseitiges Verlängerungselement 10 weist eine große Steigung von ca. 50 - 150 mm/Umdrehung auf. Die Steigung ist über das gesamte Verlängerungselement 10 konstant. Auch die Kontur der schraubenlinienförmigen Ausnehmung ist konstant. Das zweite druckseitige Verdrängungselement 12 weist über seine Länge wiederum eine konstante Steigung und eine konstante Kontur der Ausnehmung auf. Die Steigung des druckseitigen Verdrängungselements 12 liegt vorzugsweise im Bereich von 10 - 30 mm/Umdrehung. Zwi- - lo schen den beiden Verdrängungselementen ist eine ringzylindrische Ausnehmung 14 vorgesehen. Diese dient dazu, das aufgrund der einstückigen Ausgestaltung des in Fig. 1 dargestellten Schraubenrotors ein Werkzeugauslauf realisiert ist.
Ferner weist der einstückig ausgebildete Schraubenrotor zwei Lagersitze 16 und ein Wellenende 18 auf. Mit dem Wellenende 18 wird beispielsweise ein Zahnrad zum Antrieb verbunden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten bevorzugten Ausführungsform sind die beiden Verdrängungselemente 10, 12 gesondert hergestellt und sodann auf einer Rotorwelle 20 beispielsweise durch Aufpressen fixiert. Diese Herstellung ist zwar etwas aufwendiger, jedoch ist der zylindrische Abstand 14 zwischen zwei benachbarten Verdrängungselementen 10, 12 als Werkzeugauslauf nicht erforderlich. Die Lagersitze 16 und die Wellenenden 18 können integraler Bestandteil der Verdrängungselemente sein. Alternativ kann eine durchgehende Welle 20, auch aus einem anderen sich von den Verdrängungselementen 10, 12 unterscheidenden Werkstoff, hergestellt sein.
Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittansicht eines asymmetrischen Profils (z. B. ein Quimby-Profil). Bei dem dargestellten asymmetrischen Profil handelt es sich um ein sogenanntes "Quimby-Profil". Die Schnittansicht zeigt zwei Schraubenrotoren, die miteinander kämmen und deren Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene ist. Die gegenläufige Drehung der Rotoren ist durch die beiden Pfeile 15 angedeutet. Bezogen auf eine senkrecht zur Längsachse der Verdrängungselemente verlaufenden Ebene 17 sind die Profile der Flanken 19 und 21 je Rotor unterschiedlich ausgestaltet. Die einander gegenüberliegenden Flanken 19, 21 müssen somit unabhängig voneinander hergestellt werden. Die daher zwar etwas aufwändigere und schwierigere Herstellung hat jedoch den Vorteil, dass kein durchgehendes Blasloch vorhanden ist, sondern lediglich zwischen zwei benachbarten Kammern ein Kurzschluss besteht. Ein derartiges asymmetrisches Profil ist vorzugsweise bei dem saugseitigen Verdrängungselement 10 vorgesehen.
Die schematische Schnittansicht in Fig. 4 zeigt wiederum einen Querschnitt zweier Verdrängungselemente bzw. zweier Schraubenrotoren, die wiederum gegenläufig rotieren (Pfeile 15). Bezogen auf die Symmetrieachse 17 sind die Flanken 23 je Verdrängungselement symmetrisch ausgebildet. Bei dem in Fig. 4 dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel einer symmetrisch ausgestalteten Kontur handelt es sich um ein Zykloiden-Profil.
Ein symmetrisches Profil, wie in Fig. 4 dargestellt, ist vorzugsweise bei den druckseitigen Verdrängungselementen 12 vorgesehen.
Bei der weiteren in Fig. 5 dargestellten Ausführungsform handelt es sich wieder um eine einstückige Ausgestaltung. Zum Herausführen des Werkzeugs, wie eines Fingerfräsers ist in der Flanke des Verdrängungselements 12 eine Ausnehmung bzw. Fehlstelle vorgesehen.
Ferner ist es möglich, dass mehr als zwei Verdrängungselemente vorgesehen sind. Diese können ggf. auch unterschiedliche Kopfdurchmesser und entsprechende Fußdurchmesser aufweisen. Hierbei ist es bevorzugt, dass ein Verdrängungselement mit größerem Kopfdurchmesser am Einlass, d.h. saugseitig angeordnet ist, um in diesem Bereich ein größeres Saugvermögen zu realisieren und/ oder das eingebaute Volumenverhältnis zu vergrößern. Ferner sind Kombinationen der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen möglich. Beispielsweise können ein oder mehrere Verdrängungselemente einstückig mit der Welle oder ein zusätzliches Verdrängungselement unabhängig von der Welle hergestellt und sodann auf der Welle montiert werden.
Eine schematische Schnittansicht einer Vakuumpumpe (Fig. 5) zeigt in einem Gehäuse 22 zwei in einem Schöpfraum 24 angeordnete Vakuumpumpen- Schraubenrotoren 26. Die beiden Rotoren sind über Lager 28 im Gehäuse ge- lagert. Mit zwei Wellenenden 18 sind jeweils Zahnräder 32 verbunden . Diese kämmen miteinander, so dass eine Synchronisation der beiden Wellen gewährleistet ist. Eines der beiden Zahnräder 32 ist mit einer Antriebseinrichtung wie einem Elektromotor verbunden.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, erfolgt das Einsaugen des Gases im Bereich der saugseitigen Verdrängungselemente 10, wie durch einen Pfeil 34 dargestellt. Das Ausstoßen des Gases erfolgt entsprechend wie durch einen Pfeil 36 dargestellt am Ende des zweiten, druckseitigen Verdrängungselementes 12.

Claims

Patentansprüche
1. Vakuumpumpen-Schraubenrotor mit mindestens zwei auf einer Rotorwelle angeordneten schraubenförmigen Verdrängungselementen (10, 12), wobei die mindestens zwei Verdrängungselemente (10, 12) unterschiedliche, aber je Verdrängungselement konstante Steigungen aufweisen und die Verdrängungselemente (10, 12) jeweils mindestens eine schrauben- linienförmige Ausnehmung mit jeweils über ihre gesamte Länge gleichbleibender Kontur aufweisen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein saugseitiges Verdrängungselement (10) eine asymmetrische Kontur aufweist, und dass ein druckseitiges Verdrängungselement (12) eine symmetrische Kontur aufweist.
2. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Rotorelemente mit jeweils schraubenli- nienförmigen Verdrängungselementen vorgesehen sind, wobei die Verdrängungselemente unterschiedliche, aber je Verdrängungselement konstante Steigungen aufweisen.
3. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das druckseitige Verdrängungselement (10) mehr als 8, insbesondere mehr als 10 und besonderes bevorzugt mehr als 12 Windungen aufweist.
4. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckseitiges Verdrängungselement eingängig ausgebildet ist.
5. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle und die Verdrängungselemente (10, 12) einstückig ausgebildet sind.
6. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steigungswechsel zwischen benachbarten Verdrängungselementen (10, 12) unstetig (sprunghaft) ist.
7. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil des saugseitigen Verdrängungselements (10) zumindest an einer der Flanken biasiochfrei ausgebildet ist.
8. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Verdrängungselementen (10, 12) am Steigungswechsel ein Werkzeugauslauf vorgesehen ist.
9. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Verdrängungselementen (10, 12) am Steigungswechsel eine Fehlstelle in mindestens einer der Flanken des Verdrängungselements (10, 12) vorgesehen ist.
10. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Vakuumpumpen- Schraubenrotor aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung, insbesondere AISil7Cu4Mg hergestellt ist.
11. Vakuumpumpen-Schraubenrotor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminium einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten von insbesondere weniger als 18*10~61/K aufweist und insbesondere ein hoher Siliciumanteil von mindestens 15 % vorgesehen ist.
12. Schraubenvakuumpumpe, mit zwei miteinander kämmenden Schraubenrotoren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, einem die Schraubenrotoren umgebendes Gehäuse (22), und einer mit einem der beiden Schraubenrotoren verbundene Antriebsrichtung.
13. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verdichtung der Schraubenvakuumpumpe mindestens 2, insbesondere mindestens 4 beträgt.
14. Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenrotoren einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten als das Gehäuse (22) aufweisen, wobei der Ausdehnungskoeffizient des Gehäuses (22) insbesondere mindestens 5% und besonders bevorzugt mindestens 10% größer ist als derjenige der Schraubenrotoren.
15. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (22) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist.
16. Schraubenvakuumpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spalt zwischen den druckseitigen Verdrängungselementen und dem Gehäuse mit einer Höhe von 0,05 mm bis 0,5 mm, vorzugsweise 0,1 mm bis 0,3 mm, liegt.
17. Verfahren zur Herstellung eines Schraubenrotors nach einem der Ansprüche 1 bis 11 mit den Schritten :
Bereitstellen eines Grundkörpers des Schraubenrotors, Herstellen einer schraubenförmigen Ausnehmung eines ersten Verdrängungselements mittels eines Formfräsers oder einer Schleifscheibe, und
Herstellen einer weiteren schraubenförmigen Ausnehmung eines weiteren Verdrängungselements mittels eines weiteren Formfräsers oder Schleifscheibe.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung von Verdrängungselementen mit symmetrischem Profil mit einem einzigen Werkzeug, insbesondere in einem einzigen Arbeitsgang erfolgt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen benachbarten Verdrängungselementen vor der Herstellung der schraubenförmigen Ausnehmungen eine insbesondere zylinderringförmige Ausnehmung als Werkzeugauslauf hergestellt wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Verdrängungselementen zum Herausführen des Werkzeugs in mindestens einer Flanke eine Ausnehmung entsteht.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass je Verdrängungselement zur Herstellung der schraubenförmi- - I l ¬ gen Ausnehmung ein die Außenkontur der schraubenförmigen Ausneh mung abbildendes Werkzeug verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeich net, dass der Grundkörper zylindrisch ausgebildet ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper als Halbzeug mit bereits teilweise vorgeformten Ausnehmung und/oder Lagerzapfen ausgebildet ist.
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