DE10039006A1 - Zweiwellenvakuumpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit zwei Wellen (3, 4) und zwei auf den Wellen befestigten, zusammenwirkenden Rotoren (1, 2), wobei die Rotoren mittels der Wellen fliegend gelagert sind; um auch bei Temperaturveränderungen eine spielfreie Befestigung der Rotoren auf der Welle zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass die Wellen (3, 4) aus einem Werkstoff mit möglichst hohem Elastizitätsmodul, z. B. Stahl, und die Rotoren (1, 2) aus einem Werkstoff mit möglichst geringer Dichte, z. B. Aluminium oder einer Titanlegierung, bestehen und dass Mittel zur Sicherung einer spielfreien Befestigung der Rotoren (1, 2) auf den Wellen (3, 4) bei allen Betriebstemperaturen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit zwei Wellen und zwei auf den Wellen befestigten, zusammen wirkenden Rotoren, wobei die Rotoren mittels der Wellen fliegend gelagert sind.

Die Entwickler und Hersteller von Pumpen der genannten Art, insbesondere Schraubenpumpen, verfolgen das Ziel, dass solche Pumpen bei vertretbaren Herstellkosten mit möglichst hohen Drehzahlen und möglichst kleinen Spalt­ leckagen betrieben werden können, um den Zweck - Vaku­ umerzeugung - möglichst effektiv zu erreichen. Voraus­ setzungen dafür sind eine präzise Lagerung und eine - auch im warmen Zustand - spielfreie Befestigung der Ro­ toren auf den Wellen. Bezüglich der Lagerung ist zu be­ rücksichtigen, dass die Rotoren fliegend gelagert sein sollen. Das geschieht üblicherweise mit Hilfe von je­ weils zwei Lagern, zwischen denen sich ein Antriebsmo­ tor befindet. Gerade bei Schraubenvakuumpumpen hat sich diese Art der Lagerung als zweckmäßig erwiesen, da ihre Vorteile - keine Dichtung an der Saugseite, kostengüns­ tiger als zweiflutige Lösungen - die Nachteile - höhere Anforderungen an Welle und Lagerung - überwiegen.

Die fliegende Lagerung ist Ursache für Probleme mit der spielfreien Befestigung der Rotoren auf ihren Wellen. Es ist bekannt, dass es bei einer fliegenden Lagerung zweckmäßig ist, wenn sich der Schwerpunkt des rotieren­ den Systems möglichst in der Nähe des rotorseitigen La­ gers befindet. Dieses lässt sich dadurch erreichen, dass ein möglichst leichter Werkstoff für den Rotor ge­ wählt wird, z. B. Aluminium. Aluminium hat jedoch einen wesentlichen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten (ca. 23 × 10^-6/K) als Stahl (12 × 10^-6/K), der bei fliegenden Lagerungen als Wellenwerkstoff besonders geeignet ist. Stahl hat ein hohes Elastizitätsmodul, weshalb die Her­ stellung steifer Wellen möglich ist. Bei der Werkstoff­ paarung Stahl/Aluminium ist es schwierig, eine bei allen Betriebstemperaturen (zwischen Umgebungstempera­ tur und etwa 200°C) spielfreie Befestigung des Rotors auf der Welle zu realisieren. Es besteht zwar die Mög­ lichkeit, von der Ausdehnungsproblematik her günstigere Werkstoffe wie Stahl, Ti oder Keramik für den Rotor einzusetzen. Diese führen jedoch zu sehr schweren (St) oder teuren Rotoren (Ti, Keramik). Auch kommt Aluminium auf Grund des geringen E-Moduls nicht als Wellenwerk­ stoff in Frage.

Aus der DE-199 63 171 A1 ist eine Vakuumpumpe mit den eingangs genannten Merkmalen bekannt. Auf eine auch im warmen Zustand spielfreie Befestigung der Rotoren auf ihren Wellen wird nicht eingegangen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, die die Ziele der Hersteller und Entwick­ ler dieser Vakuumpumpen optimal erfüllen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeich­ nenden Maßnahmen der Patentansprüche gelöst.

Dadurch, dass die Wellen aus einem Werkstoff mit einem möglichst hohen Elastizitätsmodul (z. B. Stahl) beste­ hen, ist eine präzise Führung der Wellen und damit der Rotoren sicher gestellt, so dass die Spalte zwischen den Rotoren selbst und ihren Gehäusewandungen klein ge­ halten werden können. Diese Wirkung haben auch die Mit­ tel zur Sicherung einer spielfreien Befestigung der Ro­ toren auf den Wellen. Im Vergleich zum Wellenwerkstoff leichte Rotorwerkstoffe erlauben das Betreiben der Pum­ pen mit hohen Drehzahlen.

Die Mittel zur Sicherung der spielfreien Befestigung der Rotoren auf ihren Wellen bei allen Betriebstempera­ turen können verschieden ausgebildet sein. Bei größeren Differenzen der Ausdehnungskoeffizienten der beteilig­ ten Werkstoffe können die Rotoren und die Wellen so ausgebildet sein, dass die Spielfreiheit durch Warmzen­ trierung, Kaltzentrierung und/oder Reibzentrierung si­ chergestellt ist. Auch Bandagen, die die größere Aus­ dehnung des auf der Stahlwelle befestigten Aluminiumro­ tors verhindern, sind möglich. Schließlich kann - un­ terstützt oder allein - eine Kühlung vorhanden sein, die Temperaturschwankungen der Fügestellen begrenzt oder verhindert.

Wie bereits erwähnt, wäre es einfach, Werkstoffe mit etwa gleichen Ausdehnungskoeffizienten einzusetzen. Da­ zu haben die Erfinder vorgeschlagen, pulvermetallur­ gisch hergestellte Aluminiumlegierungen einzusetzen, deren Hauptbestandteile Cu oder Si in der Legierung sind. Stahl und Aluminiumlegierungen dieser Art haben etwa gleiche Ausdehnungskoeffizienten (Dichte des Werk­ stoffes - Masse), so dass durch Schrumpfverbindungen der üblichen Art eine spielfreie Befestigung der Roto­ ren auf den Wellen bei allen Betriebstemperaturen si­ chergestellt ist.

Um zu erreichen, dass der Schwerpunkt der jeweils aus einem Rotor und einer Welle bestehenden Systeme zur Er­ zielung hoher Drehzahlen möglichst nahe beim rotorsei­ tigen Lager liegt, können verschiedene Maßnahmen zweck­ mäßig sein:

• - Hohlbohrung im Rotor, in welche die Stahlwelle nur teilweise eingreift; falls es zur Führung einer Kühlflüssigkeit nötig ist, können dazu Bauteile mit geringen Dichten (z. B. Kunststoffe) in der Bohrung untergebracht sein.
• - Kurze Rotoren; dieses wird bei Schraubenpumpen in an sich bekannter Weise durch geeignete Stei­ gungsänderung und/oder durch tief eingeschnittene Rotorprofile erreicht.
• - Unterbringung des rotorseitigen Wellenlagers in einer lagerseitigen Aussparung im Rotor.
• - O-Anordnung der beiden Wellenlager und/oder Losla­ ger an der Rotorseite und Festlager an der dem Ro­ tor abgewandten Seite der Welle.

Weitere Vorteile und Einzelheiten sollen an Hand von in den Fig. 1 bis 5 schematisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:

In den Figuren sind die Rotoren mit 1 (bzw. 1 und 2 in Fig. 2) und deren Wellen mit 3 (bzw. 3, 4) bezeichnet. Die Rotoren sind fliegend gelagert und mit axialen Hohlbohrungen ausgerüstet, in die hinein sich die frei­ en Enden der Wellen 3, 4 erstrecken. Auf diesen Welle­ nenden sind die Rotoren 1, 2 jeweils spielfrei be­ festigt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 weist der Rotor 1 zwei stirnseitige Hohlbohrungen 5 und 6 auf, die etwa in der Mitte des Rotors 1 über eine engere Bohrung 7 miteinander verbunden sind. Im zusammengebauten Zustand ist die saugseitige Öffnung der Hohlbohrung 6 mit einer Scheibe 8 dicht verschlossen, die z. B. - wie darge­ stellt - in die Öffnung der Hohlbohrung mit Hilfe eines Gewindes 9 eingeschraubt ist.

In der lagerseitigen Hohlbohrung 5 endet bereits die Welle 1, die stirnseitig mit einem axial gerichteten Kragen 11 ausgerüstet ist. Im Bereich der engeren, die Hohlbohrungen 5 und 6 miteinander verbindenden Bohrung 7 ist der ringförmige, sich nach innen erstreckende Vorsprung 12 mit einem axial gerichteten Kragen 13 aus­ gerüstet, dessen Richtung und Durchmesser so gewählt sind, dass er dem Kragen 11 der Welle 1 von innen an­ liegt. Besteht die Welle 3 aus Stahl und der Rotor 1 aus Aluminium mit einem im Vergleich zu Stahl größeren Ausdehnungskoeffizienten und liegen die Kragen 11, 13 bei Umgebungstemperatur einander spielfrei an, ergibt sich eine Innenzentrierung, die auch bei höheren Tempe­ raturen spielfrei bleibt.

Zur Verbindung von Rotor 1 und Welle 3 sind axiale Bol­ zen 14 vorgesehen, die von der Hohlbohrung 6 her zu­ gänglich sind. Sie durchsetzen den Vorsprung 12 des Ro­ tors 1 und sind in den Kragen 11 der Welle einge­ schraubt. Zweckmäßig ist den Bolzenköpfen ein Ring 15 zugeordnet, der aus dem Wellenwerkstoff besteht. Da­ durch ergibt sich neben der Warmzentrierung noch eine Reibzentrierung.

Im übrigen sind Welle 3 und Rotor 1 zur Reduzierung der Temperaturprobleme mit einem Kühlkanalsystem ausgerüs­ tet. Dazu weist die Welle 3 eine zentrale Bohrung 16 auf. In dieser Bohrung 16 befindet sich ein Rohrab­ schnitt 17, der sich bis in die Hohlbohrung 6 hinein erstreckt und der Zuführung eines Kühlmittels dient. In der Hohlbohrung 6 bilden hohle (dünnwandige) und/oder leichte, auf dem Rohrabschnitt 17 befestigte Einbauten 18 einen äußeren Ringkanal 19, der u. a. über die Boh­ rung 7 mit einem äußeren Ringkanal 21 in der Hohlboh­ rung 5, gebildet von der Welle 3 und der Innenwandung der Hohlbohrung 5, verbunden ist. Über diese Ringkanäle 19, 21 und danach über den in der Welle befindlichen Ringkanal 23, gebildet vom Rohrabschnitt 17 und der In­ nenwandung der Bohrung 16, strömt das Kühlmittel zu­ rück. Eine umgekehrte Strömungsrichtung des Kühlmittels kann ebenfalls sinnvoll sein.

In Fig. 2 sind die Rotoren 1, 2 lagerseitig mit Kragen 25, 26 ausgerüstet, die die Wellen 3, 4 von außen um­ fassen. Hat der Rotorwerkstoff einen größeren Ausdeh­ nungskoeffizienten als die Wellen, kann es bei einer Außenzentrierung dieser Art zu Spielen zwischen Rotoren und Welle kommen, wenn die Temperaturen ansteigen. Um das zu vermeiden, sind Ringe 27, 28 vorgesehen, die ih­ rerseits die Kragen 25, 26 umfassen. Hat der Werkstoff der Ringe 27, 28 einen Ausdehnungskoeffizienten, der gleich oder sogar kleiner als der Ausdehnungskoeffizi­ ent des Wellenwerkstoffes ist, verhindern die Ringe 27, 28 bei ansteigenden Temperaturen eine Ausdehnung der Kragen 25, 26 und damit die unerwünschten Spiele.

Ein dem Kühlsystem nach Fig. 1 entsprechendes Kühlsys­ tem ist vorgesehen. Die Ringkanäle 21, 22 erstrecken sich bis in den Bereich der Kragen 25, 26. Sie reduzie­ ren die maximal auftretenden Betriebstemperaturen und beseitigen damit ebenfalls die Gefahr von Spielen.

Von außen sind die Ringe 27, 28 mit ringförmigen Nuten ausgerüstet, in denen sich nicht dargestellte Kolben­ ringe befinden. Sie bilden gemeinsam mit gehäusefesten Ringen 29, 30 Labyrinthdichtungen 31, 32, die die Auf­ gabe haben, das Eindringen von Schmiermitteldämpfen von den Lagern 33, 34 in die Förderräume 35, 36 der Schrau­ benpumpe zu verhindern.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Reibzen­ trierung realisiert. Dazu dient eine Scheibe 38, die zunächst die Aufgabe hat, die saugseitige Öffnung der Hohlbohrung 5 zu verschließen. Die Scheibe 38 ist über Bolzen sowohl mit der Welle 3 (Bolzen 39) als auch mit dem Rotor (mehrere Bolzen 41) fest verbunden. Hat das Rotormaterial einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Welle 3 und besteht die Scheibe 38 beispiels­ weise aus dem Wellenwerkstoff, dann verhindert die fe­ ste Bolzenverbindung bei ansteigenden Temperaturen die Entstehung eines Spiels.

Wie in Fig. 3 dargestellt, kann die Scheibe 38 mit ei­ nem axial gerichteten Kragen 43 ausgerüstet sein, der in die Hohlbohrung 5 eingreift. Dadurch kann gleichzei­ tig eine Warmzentrierung erreicht werden. Dazu ist es erforderlich, dass Rotor 1, Welle 3 und Scheibe 38 im warmen Zustand spielfrei montiert werden. Wegen der er­ wähnten Verhältnisse der Ausdehnungskoeffizienten bleibt diese Befestigung bei abnehmenden Temperaturen spielfrei. Dieses gilt auch für eine Rotor-/Welle-Be­ festigung ohne Scheibe 38.

Die Befestigung des Rotors auf der Welle kann auch mit­ tels einer Presssitzverbindung erfolgen. Bestehen der Rotor aus Aluminium und die Welle aus Stahl, dann ist es dabei zweckmäßig, dass die Umgebungstemperatur, bei welcher diese Presssitzverbindung hergestellt wird, et­ wa der maximalen Temperatur der Rotoren (1, 2) ent­ spricht, die beim Betrieb der Zweiwellenvakuumpumpe auftritt.

Eine Verbindung dieser Art ist bei allen während des Betriebs der Zweiwellenvakuumpumpe auftretenden Be­ triebstemperaturen spielfrei.

In Fig. 3 ist noch dargestellt, dass Kragen 43 und Stirnseite der Welle 3 einander aufliegen, vorzugsweise innerhalb einer äußeren Aussparung 44 in der Welle 3. Zwischen den einander zugewandten Auflageflächen von Kragen 43 und Welle 3 befindet sich ein Passring 45. Durch Einlegen von Passringen 45 mit verschiedenen Dic­ ken - oder auch durch Kragen 43 mit verschiedenen Höhen - kann die axiale Position des Rotors 1 zur Welle 3 be­ stimmt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, das Flanke-Flanke-Spiel des Rotors 1 zum zweiten, nicht dargestellten Rotor einzustellen. Die Scheibe 38 kann gleichzeitig zum Wuchtausgleich und/oder zur Drehmomen­ tenübertragung (z. B. als Zahnscheibe) dienen.

Fig. 3 zeigt schließlich die Möglichkeit, das rotor­ seitige Lager 33 in einer lagerseitigen Aussparung 47 im Rotor 3 anzuordnen. In die Aussparung 47 greift ein sich axial erstreckender Lagerträger 48 ein. Das Kühl­ kanalsystem (Bohrung 16 in der Welle 3, Rohrabschnitt 17) erstreckt sich bis zum Lager 33, um die Lagertempe­ raturen niedrig zu halten.

Um die gewünschten hohen Drehzahlen sicher zu errei­ chen, ist es zweckmäßig, wenn die beiden Wellenlager 33, 51 eine O-Anordnung aufweisen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist. Bei Lagern dieser Art wandert der Kraftangriffspunkt durch den Druckwinkel in Richtung Rotorschwerpunkt. Unter diesem Gesichtspunkt ist auch ein Loslager 33 an der Rotorseite und ein Festlager 51 an der dem Rotor abgewandten Seite der Welle 3 zweck­ mäßig. Fig. 5 zeigt diese Anordnung. Der Kraftan­ griffspunkt liegt in der Lagermitte.

Claims (18)

1. Vakuumpumpe mit zwei Wellen (3, 4) und zwei auf den Wellen befestigten, zusammen wirkenden Rotoren (1, 2), wobei die Rotoren mittels der Wellen flie­ gend gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellen (3, 4) aus einem Werkstoff mit mög­ lichst hohem Elastizitätsmodul, z. B. Stahl, und die Rotoren (1, 2) aus einem Werkstoff mit mög­ lichst geringer Dichte, z. B. Aluminium oder einer Titanlegierung, bestehen und dass Mittel zur Si­ cherung einer spielfreien Befestigung der Rotoren (1, 2) auf den Wellen (3, 4) bei allen Betriebs­ temperaturen Vorgesehen sind.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Kaltzentrierung, Warmzentrierung und/oder Reibzentrierung des Rotors (1, 2) auf seiner Welle (3, 4) vorgesehen sind.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Warmzentrierung aus axial sich er­ streckenden Kragenabschnitten (12, 13) am Rotor (1, 2) bzw. an der Welle (3, 4) bestehen und dass der Kragenabschnitt (13) des Rotors (1, 2) innen liegt.

4. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Reibzentrierung aus axial gerich­ teten Bolzen (14, 39, 41) bestehen, mit denen Ro­ tor (1, 2) und Welle (3, 4) miteinander verbunden sind.

5. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1, 2) hohl gebohrt ist und dass eine auf der Saugseite des Rotors angeordnete Scheibe (38) vorgesehen ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (38) mit einem in die Hohlbohrung (5) des Rotors (1, 2) eingreifenden Kragen (43) ausgerüstet ist, der eine Kaltzentrierung bewirkt.

7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kragen (43) und Welle (3) einander aufliegen, und zwar über einen Passring (45).

8. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1, 2) mit einem Kragen (25, 26) ausgerüstet ist, der die Welle (3, 4) umfasst, und dass eine Bandage (27, 28) vorgesehen ist, die ih­ rerseits den Kragen (25, 26) umfasst.

9. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass sich in Höhe der Pass­ stellen zwischen Welle (3, 4) und Rotor (1, 2) ei­ ne Kühlung befindet.

10. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe des Rotors (1, 2) und der Welle (3, 4) etwa gleich sind.

11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3, 4) aus Stahl und der Rotor (1, 2) aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Aluminiumlegierung besteht, deren Hauptbestand­ teile Cu oder Si in der Legierung sind.

12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass der Rotor (1, 2) einen Hohlraum aufweist und dass die Welle (3, 4) den Hohlraum nur teilweise durchsetzt.

13. Pumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich im von der Welle (3, 4) nicht besetzten Hohlraum leichte Bauteile (18) befinden, die eine Kühlmittelströmung führen.

14. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die Rotoren (1, 2) in axialer Richtung möglichst kurz sind und dass das Gewinde eine von der Saugseite zur Druckseite ab­ nehmende Steigung hat.

15. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass sich das rotorseitige Lager (33) in einer Aussparung (47) im Rotor (1, 2) befindet.

16. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass die beiden Lager (33, 51) der Welle (3, 4) eine O-Anordnung haben.

17. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Rotor (1, 2) benach­ barte Lager (33) ein Loslager und dass vom Rotor (1, 2) entfernt gelegene Lager (51) ein Festlager ist.

18. Verfahren zur Herstellung einer Einheit, bestehend aus einem hohl gebohrten, aus Aluminium bestehen­ den Rotor (1, 2) und einer die Hohlbohrung (5) im Rotor zumindest zum Teil durchsetzenden Welle (3, 4) aus Stahl, für eine Zweiwellenvakuumpumpe, da­ durch gekennzeichnet, dass zwischen dem Rotor (1, 2) und der Welle (3, 4) eine Presssitzverbindung hergestellt wird und dass die Umgebungstemperatur, bei welcher diese Presssitzverbindung hergestellt wird, etwa der maximalen Temperatur der Rotoren (1, 2) entspricht, die beim Betrieb der Zweiwel­ lenvakuumpumpe auftritt.