DE102008060539A1 - Two-shaft vacuum pump - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe mit einer ersten Welle (10), einem damit verbundenen ersten Kolben (12), einer zweiten Welle (14), einem damit verbundenen zweiten Kolben (16), einem Antrieb (54, 56), welcher wenigstens eine Welle in Drehung versetzt, wobei beide Wellen gegenläufig mit gleicher Frequenz drehend in Rotation versetzt sind, und wenigstens einem Lager (22, 24, 26, 28) zur drehbaren Unterstützung einer Welle. Um die Gefährdung durch eine Berührung der Kolben untereinander oder mit dem Gehäuse zu verringern, schlägt die Erfindung vor, dass zwischen Kolben und Lager eine Freigabestruktur vorgesehen ist.The invention relates to a vacuum pump having a first shaft (10), a first piston (12) connected thereto, a second shaft (14), a second piston (16) connected thereto, a drive (54, 56) which has at least one shaft rotated, wherein both shafts are rotationally offset in opposite directions at the same frequency, and at least one bearing (22, 24, 26, 28) for rotatably supporting a shaft. To reduce the risk of contact between the pistons with each other or with the housing, the invention proposes that a release structure is provided between the piston and the bearing.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.The The invention relates to a vacuum pump according to the preamble of the first Claim.

Zweiwellige Vakuumpumpen sind aus vielen industriellen Anwendungen nicht mehr wegzudenken. Beispielhaft seien für diese Anwendungen Metallurgie, Vakuumtrocknung und Chemietechnik genannt.Double wall Vacuum pumps are no longer used in many industrial applications indispensable. Examples of these applications metallurgy, Called vacuum drying and chemical engineering.

Der Grundaufbau dieser Vakuumpumpen sieht vor, zwei Wellen gegenläufig mit gleicher Drehzahl zu betreiben. Dies wird beispielsweise durch ein mechanisches Synchrongetriebe gewährleistet. Auf diesen Wellen sind Kolben vorgesehen, die zusammenwirken, Gasvolumina einschließen und vom Pumpeneinlass zum Pumpenauslass transferieren.Of the Basic structure of these vacuum pumps provides, two waves in opposite directions to operate at the same speed. This is done for example by a mechanical Synchronous transmission guaranteed. On these shafts pistons are provided, which cooperate, gas volumes lock in and transfer from the pump inlet to the pump outlet.

Obwohl in der Praxis selten, ist es denkbar, dass es zu einer gegenseitigen Berührung der Kolben kommt. Hierdurch wird schlagartig die in den Kolben gespeicherte Rotationsenergie freigesetzt. In der Folge kann es zu einer Gefährdung der Umgebung der Vakuumpumpe durch umherfliegende Bruchstücke, Teile oder austretende Gase kommen. Es besteht sogar noch die Forderung, höhere Saugvermögen mit zunehmend kompakteren Vakuumpumpen zu erreichen. In der Folge wird versucht, die Drehzahl der Wellen zu erhöhen. Höhere Drehzahlen bedeuten jedoch auch eine nichtlineare Steigerung der in den drehenden Teilen gespeicherten Rotationsenergie. Dementsprechend nimmt die Gefährdung der Umgebung der Vakuumpumpe zu.Even though rare in practice, it is conceivable that it is mutual contact the piston comes. As a result, the stored in the piston abruptly Rotational energy released. As a result, it may endanger the Surrounding the vacuum pump by flying fragments, parts or escaping gases come. There is even the requirement higher Pumping speed to achieve with increasingly compact vacuum pumps. Subsequently an attempt is made to increase the speed of the shafts. Higher speeds mean, however also a non-linear increase in the stored in the rotating parts Rotational energy. Accordingly, the risk to the environment of the vacuum pump increases to.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine zweiwellige Vakuumpumpe vorzustellen, in der die Gefährdung durch eine Kolbenberührung verringert ist.It It is therefore an object of the invention to present a two-shaft vacuum pump, in the endangerment by a piston contact is reduced.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vakuumpumpe mit den Merkmalen des ersten Patentanspruchs. Die abhängigen Ansprüche 2 bis 6 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.These Task is solved by a vacuum pump having the features of the first claim. The dependent ones claims 2 to 6 indicate advantageous developments of the invention.

Bei zweiwelligen Vakuumpumpen wie Klauen-, Schrauben- oder Wälzkolbenpumpen wird bei einer Berühung der Kolben ein Moment in die Lager eingeleitet. Der Kerngedanke der Erfindung ist, zwischen dem Punkt der Momenteinleitung, nämlich den sich berührenden Kolbenoberflächen, und den Wellenlagern eine Freigabestruktur vorzusehen. Diese unterbricht den Momentenfluss, indem durch sie eine Verdrehung von Kolben und Welle relativ zueinander zugelassen ist. Daher werden die Momente in deutlich verringertem Maße auf die Lager und in der Folge in verringertem Maße auf das Gehäuse übertragen. Hierdurch wird die Sicherheit bei einer Berührung der Kolben deutlich erhöht.at Two-shaft vacuum pumps such as claw, screw or Roots pumps is at a Berühung the piston a moment introduced into the bearings. The core idea the invention is, between the point of moment introduction, namely the touching Piston surfaces and to provide the shaft bearings with a release structure. This interrupts the moment flux, passing through them a rotation of pistons and Wave is allowed relative to each other. Therefore, the moments become to a significantly reduced extent on the bearings and in consequence to a lesser extent on that Housing transferred. hereby the safety is significantly increased when the pistons touch.

Vorteilhaft, da konstruktiv einfach, ist es, die Freigabestruktur in die Verbindung von Welle und Kolben zu legen. Bei zweiteilig gefertigten Rotoren, bei denen Welle und Kolben getrennt voneinander hergestellt werden, müssen immer Maßnahmen getroffen werden, die beiden Bauteile miteinander zu verbinden. Demzufolge ist der Aufwand sehr gering, indem diese Verbindung als Freigabestruktur gestaltet wird. In den Ansprüchen 3 und 4 sind konstruktiv einfache und kostengünstige Ausführungen angegeben.Advantageous, Being structurally simple, it is the release structure in the connection of shaft and piston to lay. For two-piece rotors, at which shaft and piston are made separately, have to always action be taken to connect the two components together. Consequently, the effort is very low by this connection as Release structure is designed. In the claims 3 and 4 are structurally simple and cost-effective versions specified.

In manchen Pumpen werden Welle und Kolben aus einem Stück hergestellt oder stoffschlüssig miteinander verbunden. Auch hier ist es vorteilhaft, da konstruktiv einfach und kostengünstig, den Übergang von Welle auf Kolben derart zu gestalten, dass bei einer Berührung der Kolben dieser Übergang nachgibt.In For some pumps, the shaft and piston are made in one piece or cohesively with each other connected. Again, it is advantageous because structurally simple and inexpensive, the transition From shaft to piston to make such that at a touch of the Piston this transition yields.

Eine Verformungszone in wenigstens einem der Kolben als Weiterbildung der Erfindung bewirkt eine weitere Erhöhung der Sicherheit. In dieser Verformungszone wird zusätzlich Bewegungsenergie durch plastische Verformung abgebaut, so dass die auf die Lager übertragenen Momente zusätzlich verringert werden.A Deformation zone in at least one of the pistons as a development The invention causes a further increase in security. In this Deformation zone becomes additional Movement energy degraded by plastic deformation, so that on transferred the stock Moments in addition be reduced.

Anhand eines Ausführungsbeispiels und seiner Weiterbildungen soll die Erfindung erläutert und die Darstellung ihrer Vorteile vertieft werden. Es zeigen:Based an embodiment and its developments, the invention is explained and the Presentation of their benefits will be deepened. Show it:

1: Schnitt durch eine zweiwellige Vakuumpumpe. 1 : Section through a twin-shaft vacuum pump.

2: Schnitt durch die Verbindung von Welle und Kolben in einer ersten erfindungsgemäßen Gestaltungsform. 2 : Section through the connection of shaft and piston in a first embodiment of the invention.

3: Schnitt durch die Verbindung von Welle und Kolben in einer zweiten erfindungsgemäßen Gestaltungsform. 3 : Section through the connection of shaft and piston in a second embodiment of the invention.

4: Schnitt durch die Verbindung von Welle und Kolben in einer dritten erfindungsgemäßen Gestaltungsform. 4 : Section through the connection of shaft and piston in a third embodiment of the invention.

5: Schnitt durch die Verbindung von Welle und Kolben in einer vierten erfindungsgemäßen Gestaltungsform. 5 : Section through the connection of shaft and piston in a fourth embodiment of the invention.

6: Querschnitt durch einen Kolben mit Verformungszone. 6 : Cross section through a piston with deformation zone.

Einen Schnitt entlang der Achsen einer Wälzkolbenvakuumpumpe zeigt 1. Im Gehäuse 1 der Vakuumpumpe befindet sich der Pumpraum 2. Dieser wird von einer ersten Welle 10 und einer zweiten Welle 14 durchsetzt. In Richtung der Wellenachsen ist er durch ein erstes Lagerschild 4 und ein zweites Lagerschild 5 begrenzt. In dem Bereich der Wellen, der den Pumpraum durchsetzt, sind ein erster Kolben 12 mit der ersten Welle und zweiter Kolben 14 mit der zweiten Welle verbunden.A section along the axes of a Roots vacuum pump shows 1 , In the case 1 the vacuum pump is the pump room 2 , This one is from a first wave 10 and a second wave 14 interspersed. Towards the Wellenach It is through a first end shield 4 and a second end shield 5 limited. In the area of the waves, which passes through the pump chamber, are a first piston 12 with the first shaft and second piston 14 connected to the second shaft.

Beide Wellen stützen sich durch Lageranordnungen drehbar in den Lagerschilden ab. Im ersten Lagerschild befinden sich das Loslager 22 der ersten Welle und das Loslager 26 der zweiten Welle. Im zweiten Lagerschild befinden sich das Festlager 24 der ersten Welle und das Festlager 26 der zweiten Welle.Both shafts are supported by bearing arrangements rotatably in the end shields. The first bearing plate contains the floating bearing 22 the first wave and the floating bearing 26 the second wave. The second bearing plate contains the fixed bearing 24 the first wave and the fixed camp 26 the second wave.

Auf der dem Pumpraum abgewandten Seite des ersten Lagerschildes ist ein Getrieberaum 3 vorgesehen, in den die Enden von erster und zweiter Welle hineinragen. Auf den Wellenenden sitzen ein erstes und ein zweites Synchronrad 18 und 20, welche die Drehung der ersten Wellen auf die zweite Welle übertragen, so dass die beiden Wellen gegenläufig mit gleicher Frequenz drehend in Rotation versetzt sind. Eine erste Schleuderscheibe 30 taucht in einen Schmiermittelvorrat und verteilt das Schmiermittel im Getrieberaum.On the side facing away from the pump chamber side of the first bearing plate is a gear compartment 3 provided, in which protrude the ends of the first and second shaft. On the shaft ends sit a first and a second synchronous wheel 18 and 20 , which transmit the rotation of the first waves to the second shaft, so that the two waves are rotationally offset in opposite directions at the same frequency. A first slinger 30 dips into a lubricant reservoir and distributes the lubricant in the gear compartment.

Auf der dem Pumpraum abgewandten Seite des zweiten Lagerschildes befindet sich ein Zwischenraum 8. Dieser wird von der ersten Welle durchsetzt, während die zweite Welle in ihm endet. Auf ihrem Ende ist eine zweite Schleuderscheibe 32 angeordnet, die ebenfalls in einem Schmiermittelvorrat eintaucht und eine Verteilung des Schmiermittels im Zwischenraum bewirkt.On the side facing away from the pump chamber side of the second bearing plate is a gap 8th , This is penetrated by the first wave, while the second wave ends in him. On her end is a second slinger 32 arranged, which also immersed in a lubricant supply and causes a distribution of the lubricant in the intermediate space.

Das den Zwischenraum durchsetzende Ende der ersten Welle endet im Motorgehäuse 6. Dort sind auf dem Wellenende Innenmagnete 44 befestigt. Das Wellenende mit den Innenmagneten ist von einem Spalttopf 40 umgeben, der mittels eines Spalttopfflansches am Gehäuse luftdicht angebracht ist. Ein Magneträger 48 trägt Außenmagnete 46, die mit den Innenmagneten kraft- und drehungsübertragend zusammenwirken. Der Magnetträger ist auf einer Motorwelle 50 angeordnet, welche in einem Motorlager 52 gelagert ist. Die ebenfalls auf der Motorwelle angeordneten Motormagnete 54 wirken mit Spulen 56 zusammen um elektrische Energie in mechanische Drehung umzusetzen.The gap passing through the end of the first shaft ends in the motor housing 6 , There are inside magnets on the shaft end 44 attached. The shaft end with the inner magnet is from a split pot 40 surrounded, which is mounted airtight by means of a split-top flange on the housing. A magnetic carrier 48 wears external magnets 46 , which cooperate with the inner magnet force and rotation transmitting. The magnet carrier is on a motor shaft 50 arranged in an engine mount 52 is stored. The motor magnets also arranged on the motor shaft 54 work with coils 56 together to convert electrical energy into mechanical rotation.

Vorteilhaft ist es, die Freigabestruktur in die Verbindung zwischen Welle und Kolben zu legen. Die 2 bis 5 stellen Beispiele für solche Verbindungen vor, wobei jeweils der Wellenstumpf, auf dem Loslager, Festlager, Synchronräder und Schleuderscheiben sitzen, und der Stirnbereich des Kolbens im Schnitt gezeigt sind. Die Maßnahmen sind auf beide Kolben 12 und 16 und den jeweiligen Verbindungen zu den Wellen 10 und 14 anwendbar.It is advantageous to place the release structure in the connection between the shaft and piston. The 2 to 5 provide examples of such compounds, each with the stub shaft, sitting on the floating bearing, fixed bearing, synchronizer wheels and centrifugal discs, and the end portion of the piston are shown in section. The measures are on both pistons 12 and 16 and the respective connections to the waves 10 and 14 applicable.

In 2 ist in der Schnittdarstellung die Welle 14 in einer zentralen Bohrung des Kolben 16 angeordnet. Die Welle weist eine Nut 61 auf, der eine Nut 62 am Kolben gegenübersteht. In die beiden Nuten 61 und 62 ist ein Bolzen 60 eingesetzt und bildet einen Formschluss. Dieser Bolzen ist so gestaltet, dass er den Kräften widerstehen kann, die bei Beschleunigen aus dem Stand und Abbremsen in den Stand auftreten. Bei abnormalen Kräften, die für eine Berührung der Kolben untereinander oder mit dem Gehäuse charakteristisch sind, verformt sich der Bolzen und lässt in der Folge eine Verdrehung von Kolben und Welle gegeneinander zu. Bei hohen Kräften schert der Bolzen komplett ab.In 2 is in the sectional view of the shaft 14 in a central bore of the piston 16 arranged. The shaft has a groove 61 on top of a groove 62 facing the piston. In the two grooves 61 and 62 is a bolt 60 used and forms a positive connection. This bolt is designed to withstand the forces that occur when accelerating from a standing position and braking to a standing position. With abnormal forces, which are characteristic for a contact of the pistons with each other or with the housing, the bolt deforms and consequently allows a rotation of piston and shaft against each other. At high forces, the bolt shears off completely.

In 3 weist der Kolben 76 einen hülsenartigen Fortsatz 70 auf. Dessen Innenseite wird mittels eines in seiner Umfangsrichtung geschlossenen Klemmringes 71 auf die Welle 74 gepresst. Der hierdurch entstehende Kraftschluss wird aufgehoben, wenn hohe Kräfte in den Kolben eingeleitet werden. Die Grenze der Klemmkräfte ist so bemessen, dass die Position von Kolben und Welle bei Beschleunigen aus dem Stand und Abbremsen in den Stand unverändert bleibt. Erst in den Kolben eingeleitete Kräfte, wie sie im bestimmungsgemäßen Gebrauch der Pumpe nicht auftreten, lösen die Verbindung.In 3 points the piston 76 a sleeve-like extension 70 on. Whose inside is by means of a closed clamping ring in its circumferential direction 71 on the wave 74 pressed. The resulting frictional connection is canceled when high forces are introduced into the piston. The limit of the clamping forces is such that the position of the piston and shaft remains unchanged during acceleration from standstill and braking in the state. Only in the piston introduced forces, as they do not occur in the intended use of the pump, solve the connection.

In 4 ist die Welle 84 in den Kolben 86 eingeklebt. Die Klebeverbindung ist dabei nach oben bereits genannten Gesichtspunkten gestaltet, gibt also nur bei ungewöhnlichen hohen Kräften nach.In 4 is the wave 84 in the pistons 86 glued. The adhesive bond is designed to already mentioned above points, so only after unusually high forces after.

Ein anderer Weg ist in 5 gezeigt. Welle 94 und Kolben 96 sind einstückig gestaltet. Der Kolben weist in seinem Inneren einen großen Hohlraum auf. Die Welle ist von einem Kranz von Bohrungen 95 umgeben, welche in einem dünnen Wandstück der Kolbenwand geformt ist. Dünnes Wandstück und Bohrungen bilden eine geschwächte Stelle und damit die Freigabestruktur. Die Stärke des Materials, die Dicke des dünnen Wandstücks und Größe und Anzahl der Bohrungen sind nach den oben beschriebenen Gesichtspunkten gewählt. Außergewöhnliche Kräfte werden durch Verformung aufgefangen, so dass sie nicht in die Fest- und Loslager eingeleitet werden. Alternativ zu den Bohrungen kann das Material des dünnen Wandstückes so gewählt werden, dass den genannten Bedingungen für die Freigabestruktur genügt wird. Materialwahl und Bohrungen können für sich alleine oder in Kombination miteinander eingesetzt werden.Another way is in 5 shown. wave 94 and pistons 96 are designed in one piece. The piston has a large cavity in its interior. The shaft is from a wreath of holes 95 surrounded, which is formed in a thin wall piece of the piston wall. Thin wall piece and holes form a weakened area and thus the release structure. The thickness of the material, the thickness of the thin wall piece and the size and number of holes are selected according to the aspects described above. Extraordinary forces are absorbed by deformation, so that they are not introduced into the fixed and floating bearings. As an alternative to the holes, the material of the thin wall piece can be chosen so that the said conditions for the release structure is satisfied. Material selection and drilling can be used alone or in combination with each other.

Zusätzlich zu den bisher beschriebenen Maßnahmen ist eine sinnvolle Weiterbildung der Erfindung, wenigstens eine Verformungszone in dem Kolben vorzusehen. 6 zeigt das Beispiel einer Verformungszone 107. Diese ist nahe der Oberfläche des auf der Welle 104 angeordneten Kolbens 106 vorgesehen. Sie umfasst wenigstens eine oder eine Mehrzahl von Bohrungen 108. Bei einer Berührung der Kolben werden die Bohrungen zusammengedrückt und das zwischen den Bohrungen befindliche Material verformt. Hierbei wird Bewegungsenergie abgebaut. Die Zahl und Größe der Bohrungen ist derart bemessen, dass die Verformung der Oberfläche aufgrund von Fliehkräften so klein ist, dass die Spalte zwischen den Kolben untereinander und zwischen Kolben und Gehäuse nicht aufgezerrt werden. Sie sind außerdem so bemessen, dass bei Berührung der Kolben eine plastische Verformung der Verformungszone erreicht wird. Alternativ oder zusätzlich zu den Bohrungen kann in der Verformungszone Material verwendet werden, mit dem eine plastische Verformung nach den in Bezug auf die Bohrungen genannten Gesichtspunkten erreicht wird. Diese Verformung nimmt einen Teil der bei einer Berührung freiwerdenden Energie auf, so dass die auf die Welle und deren Lagerung übertragenen Momente und Kräfte verringert werden. Um einen Einfluss der Bohrungen auf die vakuumtechnischen Daten der Wälzkolbenvakuumpumpe zu verringern, können in einer Weiterbildung die Bohrungen stirnseitig verschlossen werden. Die Verformungszone ist besonders wirkungsvoll bei Vakuumpumpen, deren Kolben nicht dem Verzahnungsgesetz folgen, beispielsweise den Wälzkolbenvakuumpumpen.In addition to the measures described so far, a useful development of the invention is to provide at least one deformation zone in the piston. 6 shows the example of a deformation zone 107 , This is near the surface of the on the shaft 104 arranged piston 106 intended. It includes at least one or one Majority of holes 108 , Upon contact of the pistons, the holes are compressed and the material located between the holes deformed. This kinetic energy is reduced. The number and size of the holes is such that the deformation of the surface due to centrifugal forces is so small that the gaps between the pistons are not distorted with each other and between the piston and the housing. They are also dimensioned so that upon contact of the piston plastic deformation of the deformation zone is achieved. As an alternative or in addition to the bores, material can be used in the deformation zone with which a plastic deformation is achieved according to the aspects mentioned in relation to the bores. This deformation absorbs some of the energy released upon contact so that the torques and forces transmitted to the shaft and its bearing are reduced. In order to reduce an influence of the holes on the vacuum-technical data of the Roots vacuum pump, the bores can be closed at the end in a further development. The deformation zone is particularly effective in vacuum pumps whose pistons do not follow the gearing law, for example the Roots vacuum pumps.

Claims (6)

Vakuumpumpe mit einer ersten Welle (10), einem damit verbundenen ersten Kolben (12), einer zweiten Welle (14), einem damit verbundenen zweiten Kolben (16), einem Antrieb (54, 56), welcher wenigstens eine Welle in Drehung versetzt, und wenigstens einem Lager (22, 24, 26, 28) zur drehbaren Unterstützung einer Welle, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Kolben und Lager eine Freigabestruktur vorgesehen ist.Vacuum pump with a first shaft ( 10 ), a first piston ( 12 ), a second wave ( 14 ), an associated second piston ( 16 ), a drive ( 54 . 56 ) which rotates at least one shaft and at least one bearing ( 22 . 24 . 26 . 28 ) for rotatably supporting a shaft, characterized in that a release structure is provided between the piston and the bearing. Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabestruktur eine derart gestaltete Verbindung zwischen Welle (10, 14; 74; 84) und Kolben (12, 16; 76; 86) umfasst, dass die Verbindung bei einer Berührung der Kolben gelöst wird.Vacuum pump according to claim 1, characterized in that the release structure comprises a connection designed in this way between shaft (10). 10 . 14 ; 74 ; 84 ) and pistons ( 12 . 16 ; 76 ; 86 ) that the connection is released upon contact of the pistons. Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabestruktur einen zwischen Welle (10, 14) und Kolben (12, 16) angeordneten Bolzen (60) umfasst.Vacuum pump according to claim 1 or 2, characterized in that the release structure between a wave ( 10 . 14 ) and pistons ( 12 . 16 ) arranged bolts ( 60 ). Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabestruktur einen Klemmring (71) und einen hülsenartigen Fortsatz (70) umfasst.Vacuum pump according to claim 1 or 2, characterized in that the release structure comprises a clamping ring ( 71 ) and a sleeve-like extension ( 70 ). Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Freigabestruktur eine stoffschlüssige Verbindung (82; 93) von Kolben (12, 16; 96) und Welle (10, 14; 94) umfasst, die derart gestaltet ist, dass die Verbindung bei einer Berührung der Kolben gelöst wird.Vacuum pump according to claim 1 or 2, characterized in that the release structure is a cohesive connection ( 82 ; 93 ) of pistons ( 12 . 16 ; 96 ) and wave ( 10 . 14 ; 94 ), which is designed such that the connection is released upon contact of the piston. Vakuumpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kolben (12, 16; 76; 86; 96; 106) eine Verformungszone (107) aufweist.Vacuum pump according to one of the preceding claims, characterized in that at least one piston ( 12 . 16 ; 76 ; 86 ; 96 ; 106 ) a deformation zone ( 107 ) having.