DE3118297A1

DE3118297A1 - Zahnradpumpe

Info

Publication number: DE3118297A1
Application number: DE19813118297
Authority: DE
Inventors: David E. 60194 Hoffman Estates Ill. Hanson
Original assignee: Sargent Welch Scientific Co 60077 Skokie Ill; Sargent Welch Scientific Co
Current assignee: Welch Vacuum Technology Inc (n D Ges D Staat
Priority date: 1980-05-09
Filing date: 1981-05-08
Publication date: 1982-03-04
Anticipated expiration: 2001-05-09
Also published as: DE3118297C2; CA1196615A; JPS575588A; FR2482208A1; GB2076059A; JPH0312236B2; GB2076059B; FR2482208B1

Description

Exemplar

Patentanwälte Dipl.-Ing. H. Wficb μ a-j ν, Βγρ^.-I'hys. Dr. K. Fincke

Dipl.-Ing. Γ. A.\7eicxmann, Dipt..-Chem3bL Dr. Ing. H. Liska

Te.

THrt 8000 MÜNCHEN 86, DEN „$. "|yjgj

POSTFACH 860 MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 98 39 21/22-

Sargent-Welch Scientific Company 7300 North Linder Avenue,

Skokie, Illinois 60077, U.S.A.

Zahnradpumpe

Die Erfindung betrifft Pumpen zum Pumpen von Gasen und insbesondere Vakuumpumpen und dergleichen.

Pumpen zum Komprimieren oder Fördern von Gasen wie beispielsweise Vakuumpumpen werden in der Industrie und in Labors in einer großen Vielfalt von Anwendungsfällen eingesetzt. Abhängig von dem speziellen Anwendungsfall umfassen die Merkmale, die man sich üblicherweise bei einer Vakuumpumpe wünscht, eine lange Betriebsdauer oder Lebensdauer, eine hohe Pumpkapazität zum Fördern relativ großer Gasmengen in kurzer Zeit und die Fähigkeit, niedrige Drücke von mindestens etwa 10 Torr zu erreichen. Insbesondere in industriellen Anwendungsfällen ist es wünschenswert, daß die Pumpe verschleißfest und unempfindlich gegen Fremdstoffe wie Schmutz, Wasser oder Wasserdampf in dem zu fördernden Gas ist und durch diese Fremdkörper nicht blockiert werden kann. Vakuumpumpen werden beispielsweise oft verwendet, um Kühlsysteme zu evakuieren, bevor ein Kühlmittel, wie beispielsweise unter dem Warenzeichen Freon bekannte Fluorkohlenstoffe eingefüllt werden. Bei diesem Anwendungsfall kann das abgepumpte Gas Wassertröpfchen, Wasserdampf oder Staub sowie auch andere Fremdstoffe enthalten, welche den Wirkungsgrad der ölschmierung in der Pumpe herabsetzen und zu einem erhöhten Verschleiß und einer möglichen Leckströmung führen, insbesondere bei den oben genannten niedrigen Druckwerten.

Eine Art von Vakuumpumpe, die in solchen industriellen Anwendungsfällen verwendet wurde, ist eine Drehschieberpumpe, wie sie beispielsweise in der US-PS 3 782 868 beschrieben ist. Typischerweise verwenden Drehschieberpumpen einen exzentrischen Rotor in einer zylindrischen Kammer. Der Rotor weist üblicherweise zwei radial gleitende Schieber auf, die in ständigem Kontakt mit der Oberfläche der Kammer stehen,

um eine Pumpenkammer zwischen dem Rotor und der zylindrischen Kammerwand zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Rotors abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Auch wenn diese Pumpen im allgemeinen befriedigend gearbeitet haben, erfordert der aufgrund der ständigen Berührung zwischen den Schiebern und der Kammerwand bei hoher Geschwindigkeit auftretende Verschleiß eine kontinuierliche und großzügige Schmierung, wobei die Kammerwand und die Schieber einem hohen Verschleiß durch in das Öl eindringende Fremdstoff^ ausgesetzt sind, welche die Schmierfähigkeit des Öls herabsetzen.

Eine andere Art von Pumpe, die zum Pumpen bei den hier genannten niedrigen Drücken verwendet wird, ist die im allgemeinen als Drehkolbenpumpe bezeichnete Pumpe. Diese Pumpe verwendet ein exzentrisch gelagertes Element, das mit einer Basis rotiert und einen oszillierenden Schieber trägt. Aufgrund der exzentrischen Lagerung können Schwingungen auftreten, die so stark sind, daß sie eine nachteilige Auswirkung auf die Antriebskomponenten haben, und so die nutzbare Lebensdauer der Pumpe reduzieren. Darüber hinaus verursachen die Vibrationen Lärm und machen es schwierig, die Pumpe an einem starren System zu befestigen.

Eine andere Art von bekannten Pumpen, die jedoch nicht zum Pumpen von Gasen eingesetzt werden, werden als Zahnradpumpen bezeichnet. Diese Art von Pumpe verwendet einen mit einer.Verzahnung versehenen Innenrotor, der in einem ringförmigen, ebenfalls mit einer Verzahnung versehenen Außenrotor rotiert. Die Zähne des Innenrotors stehen in kontinierlichem Kontakt mit der Oberfläche des Außenrotors, um zwischen jedem Paar von Zähnen eine Pumpenkammer zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Rotors abwechselnd ausdehnt und zusammenzieht. Zahnradpumpen als solche sind

wohl bekannt und sind insbesondere zum Pumpen von Ölen, Hydraulikfluiden und anderenFlüssigkeiten eingesetzt worden. Verglichen mit anderen Pumpen, beispielsweise einer Drehschieberpumpe, hat die Zahnradpumpe relativ wenig bewegte Teile, ist einfach herzustellen und zusammenzubauen und weist eine geringe Differenz-Umlaufgeschwindigkeit zwischen den Rotoren auf, wodurch der Verschleiß herabgesetzt wird. Die derzeit erhältlichen Zahnradpumpen weisen jedoch eine Vielzahl von Nachteilen auf, wenn sie zum Pumpen von Gasen eingesetzt werden. So verwenden beispielsweise die üblichen Zahnradpumpen das öl oder Fluid, das gepumpt wird, zur Schmierung und haben daher keine eigene Schmiereinrichtung, die erforderlich wäre, wenn Gas gepumpt werden soll. Dies in Verbindung mit der üblichen Anordnung und Ausbildung der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung bei den herkömmlichen Zahnradpumpen führt dazu, daß Gas zwischen den bewegten Teilen der Pumpe austreten kann, so daß die Pumpe Gase bei niedrigen Drücken nicht fördern kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnradpumpe anzugeben, die nicht die oben beschriebenen Nachteile aufweist und das Pumpen von Gasen ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Zahnradpumpe vorgeschlagen, die erfindungsgemäß gekennzeichnet ist durch Mittel zur Begrenzung einer Rotorkammer, einen in der Rotorkammer drehbar angeordneten Außenrotor, einen innerhalb des Außenrotors drehbar angeordneten Innenrotor mit Flächen, die in kontinuierlichem Kontakt mit dem Außenrotor stehen, um mindestens eine Pumpenkammer zwischen dem Innenrotor und dem Außenrotor zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Innenrotors ausdehnt und zusammenzieht, eine Gaseinlaßöffnung, die in der Rotorkammer derart angeordnet ist, daß sie mit der Pumpenkammer während eines wesentlichen Abschnitts der Zeit in

Verbindung steht, während der die Pumpenkammer sich ausdehnt, und eine Gasauslaßöffnung in der Rotorkammer, die in einem Abstand von der Einlaßöffnung derart angeordnet ist, daß sie mit der Pumpenkammer erst unmittelbar vor der vollständigen Kontraktion der Pumpenkammer in Verbindung tritt.

Vorzugsweise ist eine Zuführvorrichtung für öl vorgesehen, welche die Gaseinlaßöffnung der Pumpe mit einer Ölquelle verbindet. Aufgrund der Gestaltung und Anordnung der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung sowie der Schmierung und Abdichtung der Pumpe durch Öl zwischen den bewegten Oberflächen ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe Gas bei sehr niedrigem Druck zu pumpen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den ünteransprüchen und der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe,

Fig. 2 eine Explosionsdarstellung der in der Fig. 1 dargestellten Zahnradpumpe,

Fig. 2a eine Frontansicht des Mittelstückes des in der Fig. 2 dargestellten Pumpenblockes,

Fig. 2b ' einen Horizontalschnitt längs Linie 2b-2b in der Fig. 2a,

Fig. 3 eine Ansicht der zusammengebauten Zahnrad-Pumpen-Rotorelemente längs Linie 3-3 in Fig. 2,

3113297

Fig. 4 eine Ansicht der zusammengebauten Zahnradpumpen-Rotorelemente längs Linie 4-4 in Fig. 2,

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Innenoberfläche der Pumpenendplatte längs Linie 5-5 in Fig. 2,

Fig. 6 einen Vertikalschnitt längs Linie 6-6 in Fig. 5,

Fig. 7 bis 10 vertikale Endansichten auf die zusammengebauter Zahnradpumpen-Rotorelemente, welche zu einem Teil die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe zeigen, und

Fig. 11 ein schematisches Schaltbild einer Geschwindigkeitssteuer- und -schutzschaltung für die erfindungsgemäße Zahnradpumpe.

In den Figuren ist als Ausführungsbeispiel eine Zweistufenvakuumpumpe 20 dargestellt mit einer Zahnradpumpen-Rotoranordnung 22 zum Pumpen gasförmiger Materialien und dgl. Für jede Pumpenstufe verwendet die Rotoranordnung 22 einen mit einer Außenverzahnung versehenen Innenrotor 24 und einen mit einer Innenverzahnung versehenen ringförmigen Außenrotor 26, der in einer von zwei axial parallelen,aber gegeneinander ve: setzten Rotorkammern 28 in jedem Ende eines Pumpenblockes 30 angeordnet ist. Im folgenden wird an die Bezugszeichen, die sich auf die erste und die zweite Pumpenstufe beziehen, jeweils die Ziffer 1 bzs. 2 angehängt, also beispielsweise Rotorkammer 28-1.

Die Zahnradpumpen-Rotoranordnung 22 und der Pumpenblock 30 sind auf einer Seite einer Befestigungsplatte 34 und innerha!

3U8297

eines Gehäuses 36 angeordnet. Das Gehäuse 36 enthält ein Ölbad, in dem die Rotoranordnung und der Block während des Betriebes eingetaucht sind. Die Rotoranordnung 22 wird von einem Elektromotor 38 angetrieben, der auf der anderen Seite der Befestigungsplatte 34 angeordnet und befestigt ist. Der Elektromotor 38 treibt die Anordnung durch eine abgedichtete öffnung 40 für eine zentrale Welle an.

In den Figuren 7 bis 10, in denen die Zahnradpumpenelemente in den verschiedenen Drehstellungen dargestellt sind, kann man erkennen, daß der Innenrotor 24-1 auf einer Antriebswelle 42 gelagert ist, die exzentrisch innerhalb des Außenrotors 26-1 angeordnet ist. Eine Drehung des Rotors 24-1 durch den Elektromotor 38 über die Welle 42, wobei die Zähne 44 und 46 des Innenrotors bzw. des Außenrotors miteinander kämmen, bewirkt, daß auch der Außenrotor innerhalb der Rotorkammer 28-1 rotiert. Der Innenrotor 24-1 hat einen Zahn weniger als der Außenrotor 26-1, so daß die Zähne des Innenrotors kontinuierlich mit der Oberfläche des Außenrotors in Berührung stehen und eine Pumpenkammer 48-1 zwischen jedem Paar von Rotorzähnen begrenzen, wie dies durch den dunklen oder schraffierten Bereich dargestellt ist. Bei der Drehung des Innenrotors 24-1 expandiert bzw. kontrahiert sich die Pumpenkammer 48-1 während jeder Umdrehung des Innenrotors und des Außenrotors, wie dies in der Folge der Fig. bis 10 dargestellt ist.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können die allgemeinen Vorteile des Zahnradpumpenprinzips für das Pumpen von Gasen und dgl. verwendet werden, indem man eine längliche Gaseinlaßöffnung 50-1 verwendet, die sich über einen relativ großen Winkel erstreckt, so daß sie mit jeder Pumpenkammer 48-1 während des größten Teiles einer Umdrehung in Verbindung

steht, während sich die Pumpenkammer 34-1 ausdehnt. Ferner wird eine Auslaßöffnung 52-1 verwendet, die einen Winkelabstand von der Einlaßöffnung 50-1 hat und sich über einen wesentlich kleineren Winkel 13 erstreckt. Die Auslaßöffnung 52-1 ist so angeordnet, daß sie mit der Pumpenkammer 48-1 nur unmittelbar vor oder am Ende der Kompressionsphase in Verbindung steht, die einer Kontraktion der Pumpenkammer 48-1 entspricht. Es sollte bemerkt werden, daß die Einlaßöffnung 50-1 und die Auslaßöffnung 52-1 vorzugsweise an entgegengesetzten Seiten der Rotoranordnung vorgesehen sind und daß die in den Fig. 7 bis 10 durch Strichpunktierte Linien wiedergegebene Einlaßöffnung 50-1 in der Pumpenhalterungsplatte 34 (Fig. 2) ausgebildet ist. Sie liegt daher in Wirklichkeit oberhalb der Papieroberfläche. Obwohl die Einlaßöffnung 50-1 normalerweise kein Teil der Endansicht ist, wurde sie in den Fig. 7 bis 10 zu Erläuterungszwecken und zur besseren Illustration des relativen Winkelabstandes zwischen der Einlaßöffnung und der Auslaßöffnung dargestellt. Dies kann man besser anhand der Fig. 2 verstehen, welche die tatsächliche Vorrichtung und die Einlaßöffnung sowie die Auslaßöffnung in einer perspektivischen Darstellung und nicht in einer Endansicht zeigt.

Zur Schmierung sowie zur Abdichtung zwischen relativ zueinander bewegten Teilen der Rotoranordnung 22 wird Öl in die Pumpenkammer 48-1 eingeführt, indem man die von der Rotation der Pumpe selbst erzeugten Differentialdrücke ausnützt. Die öldichtung wirkt mit der relativen Form von Einlaßöffnung und Auslaßöffnung sowie ihrem relativen Abstand in dem Sinne zusammen, daß die Pumpe zum Pumpen von Gasen bei sehr niedrigen Drücken verwendet werden kann. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung wird Öl aus dem umgebenden ölbad in die Pumpenkammer durch einen Kanal 54 in der Befestigungs- oder Halterungsplatte 34 oder einem entsprechenden

Kanal 54 in der Gleitplatte 56 gezogen, der eine Verbindung zwischen dem Ölbad am einen Ende und der abgedichteten Wellenöffnung 40 am anderen Ende herstellt. Der während der Expansion der Pumpenkammer 48-1 erzeugte Sog zieht öl in den Wellenbereich, von dem Wellenbereich durch einen winzigen Raum zwischen dem Rotorelement 24-1 und der Gleitplatte 56 zur Einlaßöffnung 50-1 und von dort in die Pumpenkammer 48-1. Das Schmieröl bedeckt die Oberflächen der beweglichen Teile und bewirkt eine Abdichtung zwischen ihnen, so daß bei relativ niedrigen Drücken gepumpt werden kann. Mit anderen Worten heißt dies, daß öl durch die Einlaßöff-ε nung 50-1 an einem Ende der Pumpenkammer 48-1 eingezogen wird und sich allmählich entlang der Rotorverzahnung des Innen-" rotors 24-1 bei der Drehung desselben bewegt, um schließlich durch die Auslaßöffnung '52-1 am anderen Ende auszutreten, wobei das öl im wesentlichen einem spiraligen Weg durch die Rotoranordnung folgt, während es die Teile schmiert und gegeneinander abdichtet. Der Strömungsweg durch die zweite Pumpen- ^e stufe ist ähnlich.

Im folgenden sollen nun die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben werden, die lediglich zu Erläuterungszwecken eine besonders bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen. Die Pumpe 20 ist kompakt und relativ leicht, wodurch es möglich ist, sie als tragbares Gerät auszubilden. Sie ist ideal für Wartungsausrüstungen im Außendienst, beispielsweise für Kühlsysteme und dgl. Wie man in Fig. 1 erkennt, besitzt die Pumpe 20 einen Handgriff 58, der beispielsweise an der Halterungsplatte 34 befestigt sein kann und mit dessen Hilfe die Pumpe herumgetragen werden kann.

Die Pumpe wird durch eine direkte Verbindung zwischen der Antriebswelle 42 der Rotoranordnung und dem Elektromotor durch die Halterungsplatte 34 hindurch angetrieben. Obwohl

verschiedene Typen von Motoren verwendet werden können,
ein Bürstenmotor gegenüber einem herkömmlichen Induktionsmotor bevorzugt, da er den Betrieb der Pumpe mit verschiedenen Antriebsgeschwindigkeiten erlaubt.

Die verschiedenen Elemente einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpenanordnung sind am deutlichsten in der Fig. 2 dargestellt, welche eine zweifache oder Zweistufenpumpe zeigt
mit zwei Sätzen von Zahnradpumpenelementen 24-1, 26-1 und
24-2, 26-2, die in Reihe angeordnet sind, um einen höheren Pumpenwirkungsgrad und niedrigere Druckniveaus zu erreiche] Jeder Satz von Rotorelementen dreht sich innerhalb einer
von zwei zylindrischen Rotorkammern 28-1 und 28-2, die in
dem Pumpenblock 30 vorgesehen sind. Der Pumpenblock 30 kam einstückig ausgebildet sein. Er kann jedoch auch aus einem Stapel oder einer Anordnung dreier getrennter Teile besteh wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist. Diese Anordnung wi: bevorzugt, da sie die Herstellungs- und Bearbeitungskosten senkt. Bei dieser Anordnung ist ein Mittelstück (in den Fi< und 2b dargestellt) zwischen zwei Endteilen angeordnet, we Bohrungen zur Bildung der Rotorkammern 28-1 und 28-2 aufwe sen. Beide Innenrotoren 24-1 und 24-2 werden durch die gem same Antriebswelle 42 angetrieben, die sich durch eine WeI Öffnung 60 in dem Mittelteil des Pumpenblockes zwischen de Rotorkammern erstreckt. Das andere Ende der Welle 42 verlä durch ein nicht dargestelltes Lager in der Wellenöffnung 4 in der Halterungsplatte 34 zum Motor 38.

Die Rotorelemente 24-1, 26-1 und 24-2, 26-2 sind innerhalb der Rotorkammern 28-1 bzw. 28-2 so gelagert, daß sie im
wesentlichen mit den Endflächen des Pumpenblockes 30 abschließen, wobei jedoch ein ausreichendes Spiel für eine
Drehung und öldichtung vorhanden ist. Da die Halterungsplatte 34 vorzugsweise aus Aluminium hergestellt ist, ist

der Pumpenblock 30 von der Halterungsplatte 34 vorzugsweise durch eine Gleit- oder Verschleißplatte aus Stahl getrennt, auch wenn andere Verschleißoberflächen oder überzüge verwendet werden können. Das andere Ende des Pumpenblockes ist durch eine Endplatte 62 aus Stahl verschlossen. Die gesamte Anordnung aus Endplatte, Pumpenblockrotorelementen und Gleitplatte ist an der Halterungsplatte 34 durch nicht dargestellte Bolzen befestigt. Wie bereits oben festgestellt wurde, taucht die gesamte Anordnung in ein ölbad, das in dem Pumpengehäuse 36 enthalten ist.

Wenn die Pumpe in Betrieb ist, wird Gas aus dem zu evakuierenden Hohlraum durch eine Leitung oder einen Schlauch angesaugt, der an eine in der Halterungsplatte 34 ausgebildete Lufteinlaßöffnung 61 angeschlossen ist, die mit der halbmondförmigen länglichen gekrümmten Einlaßöffnung 50-1 in Verbindung steht. Die Verschleiß- oder Gleitplatte 56 weist eine mit der Einlaßöffnung 50-1 fluchtende halbmondförmige Öffnung auf, welche den Eintritt von Luft oder einem anderen von der Pumpe geförderten Gas in die Pumpenkammer 48-1 ermöglicht, die von den Rotorelementen 24-1 und 26-1 der ersten Pumpenstufe begrenzt wird.

Im folgenden wird kurz auf die Figuren 7 bis 10 Bezug genommen, welche den Pumpvorgang für die Pumpenkammer 48-1 der ersten Pumpenstufe darstellen. Wenn sich der Innenrotor 24-1 bei der dargestellten Ausführungsform im Uhrzeigersinn dreht, treibt er den Außenrotor 26-1, der einen Zahn mehr als der Innenrotor aufweist, im Uhrzeigersinn mit einer gegenüber der Umlaufgeschwindigkeit des Innenrotors geringfügig kleineren Umlaufgeschwindigkeit. Dies ist ein Vorteil einer Zahnradpumpe: Geringe Umlaufgeschwindigkeits-

differenz zwischen dem Innenrotor 24-1 und dem Außenrotor 26-1. In der Fig, 7 beginnt sich der dunkle Bereich, welcher die Pumpenkammer 48-1 darstellt, auszudehnen und saugt Gas von der Einlaßöffnung 50-1 an. Es sollte erwähnt werden, daß die Pumpenkammer 48-1 zwischen den Rotorelementen an einem Ende durch die Gleitplatte 56 und am anderen Ende durch die Innenoberfläche der Rotorkammer geschlossen ist. Die Einlaßöffnung ist in strichpunktierten Linien zur Erläuterung dargestellt. Wie bereits oben erwähnt wurde, ist sie jedoch tatsächlich Teil der Abstandsplatte und Halterungsplatte und befindet sich in Wirklichkeit oberhalb der Papierebene in der in der Fig. 7 dargestellten Draufsicht.

Wenn sich die Pumpe weiter im Uhrzeigersinn dreht, hat die Pumpenkammer 48-1, die sich auszudehnen beginnt, wenn sie zuerst mit der Vorlaufkante der Einlaßöffnung (Fig. 7) in Verbindung tritt, im wesentlichen die Expansionsphase vollendet, wenn sie .außer Verbindung mit der Endkante der Einlaßöffnung gelangt (Fig. 8). Um diese Verbindung während des größten Teils der Expansionsphase aufrecht zu erhalten, ist die längliche Einlaßöffnung 50-1 so angeordnet, daß ihre vordere Kante (in Richtung der Rotordrehung betrachtet) 3° von der Stellung oder dem Punkt entfernt ist, an dem die Kontraktions- oder Kompressionsphase abgeschlossen ist. Die Einlaßöffnung erstreckt sich über einen Winkel A (Fig. 7, 10) der größer ist als der Winkel C zwischen einander benachbarten Zähnen des Innenrotors 24-1. Vorzugsweise ist der Winkel A nicht größer als der Betrag (180°-C/2) .

Nachdem die Verbindung zwischen der Einlaßöffnung 50-1 und der Pumpenkammer 48-1 unterbrochen ist, führt eine weitere Drehung des Innenrotors 24-1 dazu, daß sich die Pumpenkammer 48-1 zusammenzieht (Fig. 9) und dabei das in der Kammer eingeschlossene Gas komprimiert. Erst wenn die Pumpenkammer

nahezu vollständig kontrahiert ist und das Gasvolumen beinahe auf sein Minimum komprimiert ist, tritt die Pumpenkammer in Verbindung mit der Auslaßöffnung 52-1 (Fig 10). Die Auslaßöffnung befindet sich an dem der Einlaßöffnung 50-1 gegenüberliegenden Ende der Rotorkammer 28-1 und ist gegenüber der Einlaßöffnung vorzugsweise um einen Winkel zwischen 5° und 38° (Winkel D) versetzt. Dabei ist die erforderliche WinkelverSetzung umso größer, je kleiner der Rotordurchmesser ist. Die Auslaßöffnung 52-1 ist automatisch kleiner als die Einlaßöffnung 50-1 , da sie sich über einen Winkel B erstreckt, der kleiner als der Winkel C zwischen einander benachbarten Zähnen des Innenrotors ist. Der Winkel B ist vorzugsweise kleiner oder gleich dem halben Winkel C, d.h. = c/2. Die Auslaßöffnung kann eine beliebige Querschnittsform oder -geometrie innerhalb des oben definierten Bereiches aufweisen. Die dargestellte Ausführungsform verwendet jedoch eine kreisförmige Auslaßöffnung 52-1. Wenn die Pumpenkammer in Verbindung mit der Auslaßöffnung tritt, wird das komprimierte Gas mit hoher Geschwindigkeit in die Auslaßöffnung gepreßt, die direkt mit der Einlaßöffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Verbindung steht (Fig. 2) .

Vergleicht man die relativen Abmessungen der Rotorelemente der Stufen 1 und 2, so fällt auf, daß die Stufe 1 eine sehr viel größere Pumpenkapazität als die Stufe 2 der Pumpe besitzt. Wenn größere Gasvolumina von der ersten Stufe gepumpt werden als von der zweiten Stufe verarbeitet werden können, wie dies während der anfänglichen Evakuierung eines Gasvolumens der Fall ist, kann das überschüssige Gas durch eine ümgehungsöffnung■63 (Fig. 2a und 2b) austreten, die unmittelbar mit der halbmondförmigen Einlaßöffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Verbindung steht.

Die Umgehungsöffnung 63, die durch Bohren oder auf andere Weise in dem Mittelteil des Pumpenblockes hergestellt ist, ist normalerweise durch ein überdruckventil, beispielsweise ein Hubventil der in der Fig. 6 dargestellten Art verschlossen, das so eingestellt ist, daß es unter dem durch das Pumpen großer Gasmengen entstehenden Druck öffnet. Nachdem das Gas aus dem Pumpenblock ausgetreten ist, kann es über ein Standardentlüftungsventil 65 an die Umgebungsluft abgegeben werden.

Wie man in der Fig. 2 erkennt, steht die Auslaßöffnung 52-1 der ersten Pumpenstufe direkt mit der länglichen halbmondförmigen Einlaßöffnung 50-2 der zweiten Pumpenstufe in Verbindung. Die Rotorkammer 28-2 der zweiten Pumpenstufe ist flacher als die Rotorkammer 28-1 der ersten Stufe und nimmt den Außenrotor 26-2 sowie den Innenrotor 24-2 der zweiten Stufe drehbar auf. Der innere Rotor 24-2 wird von der gemeii samen Antriebswelle 42 angetrieben, die sich durch den Pumpenblock 30 erstreckt. Das Ende des Pumpenblockes ist vo: der Endplatte 62 bedeckt, die die Auslaßöffnung 52-2 für die zweite Pumpenstufe aufweist, wie man dies am besten in den Fig. 5 und 6 erkennt. Diese Auslaßöffnung ist entsprechend der Fig. 6 normalerweise durch ein federbelastetes Hubventil 64 verschlossen, das auf der Außenseite der Endplatte angeordnet ist. Dieses Hubventil, das auf verschiedene Art ausgebildet sein kann, wird gegen die Austritts-Öffnung 52-2 in seiner normalerweise geschlossenen Stellung durch eine Schraubenfeder 69 und ein diese übergreifendes· Blatt oder einen federnden Rückhalter 71 gehalten und dient dazu, das Eindringen von Gas und Schmieröl in die Pumpenkammer zu verhindern.* Andere Arten von Einwegeventil« wie beispielsweise Klappen- oder Zungenventilen können ebei falls verwendet werden, ohne sich aus dem Bereich der vorliegenden Erfindung zu entfernen. Auch wenn die in der

Endplatte vorgesehene Auslaßöffnung 52-2 kreisförmig ist, umfaßt sie einen zurückversetzten Bereich 66 an der Innenseite der Platte, der sich von der Auslaßöffnung unter einem Winkel so erstreckt, daß er mit der Pumpenkammer 48-2 in der zweiten Stufe während der Kompressionsphase geringfügig früher in Verbindung tritt als die Auslaßöffnung in der ersten Stufe, jedoch im wesentlichen erst dann, wenn die Kompressions- oder Kontraktionsphase abgeschlossen ist. Dies dient dazu, einen besseren Ausstoß aus der zweiten Stufe zu erreichen, wenn höhere Vakuumniveaus oder niedrigere Gasdrücke mit der Pumpe erreicht werden sollen.

Nachdem Gas in die zweite Pumpenstufe durch die Einlaßöffnung 50-2 eingtreten ist, ist die Arbeitsweise der Pumpenstufe im wesentlichen dieselbe wie bei der ersten Stufe, wobei die Geometrie der öffnungen und ihre Anordnung ähnlich ist. Die Pumpenkammer 48-2, "die zwischen dem Innenrotor 24-2 und dem Außenrotor 26-2 eingeschlossen ist, hat ihre Expansionsphase im wesentlichen vollständig abgeschlossen, wenn sie die Einlaßöffnung 50-2 passiert hat, und kontrahiert sich dann, so daß sie mit der.Auslaßöffnung 52-2 in der Endplatte 62 unmittelbar vor oder am Ende der Kompressionsphase in Verbindung tritt. Nach der anfänglichen Evakuierung großer Gasmengen und wenn nicht so viel Gas an der Quelle verblieben ist, daß das mittlere Druckentlastungsventil betätigt werden muß, strömt alles abgepumpte Gas durch die zweite Stufe und tritt durch das federbelastete Hubventil 64 in der Endplatte 62 aus.

Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung, welches die Verwendung der erfindungsgemäßen Pumpe als Pumpe für gasförmige Materialien und für das Pumpen von Gasen bei

relativ niedrigen Drücken vorteilhaft macht, liegt in einem neuen ölschmier- und -dichtungssystem, das in der vorliegenden Erfindung verwirklicht wurde. Wie bereits weiter oben kurz beschrieben wurde, tauchen der gesamte Pumpenblock 30 und die Rotoranordnung 22 in ein Ölbad, das in dem Pumpengehäuse 36 enthalten ist. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 ist ein ölkanal längs der linearen Nut oder des Kanals 54 in der Halterungsplatte 34 oder alternativ hierzu in der Gleitplatte 56 vorgesehen, der tangential von der Wellenöffnung 40 für die Antriebswelle ausgeht. Das Ende des Kanals 54 steht mit dem Ölbad über eine schmale Öffnung 68 in der Gleitplatte in Verbindung. Das heißt, daß die Öffnung 68 jenseits der Kante des Pumpenblocks 30 liegt und direkt für das den Pumpenblock 30 umgebende Schmiermittel zugänglich ist. Die Druckdifferenz, die von der expandierenden Pumpenkammer 48-1 erzeugt wird, saugt öl durch die kleine Öffnung 68 und den tangentialen Kanal 54 zu der Wellenöffnung 40 und von dort durch das geringfügige Spiel zwischen den Rotorelementen 24-1, 26-1 und der Oberfläche der Gleitplatte 56 in die Einlaßöffnung 50-1, von wo das öl in die Pumpenkammer gelangt. Diese kleine Ölmenge bildet einen Überzug auf den Kontaktflächen des Innenrotors und des Außenrotors und dichtet die geringfügigen Zwischenräume zwischen den Kontaktflächen ab, um einen Gas-Leckfluß durch diese geringfügigen Zwischenräume hindurch zu verhindern und dadurch einen höheren Wirkungsgrad sowie das Erreichen niedrigerer Druckniveaus zu ermöglichen. Das öl bewegt sich von der Einlaßöffnung 50-1 in derselben Hauptrichtung wie der Gasstrom entlang des Innenrotors 24-1 zu der Auslaßöffnung 52-1 und von dort in die zweite Stufe, um auch diese zu schmieren und abzudichten. Wenn sich der Rotor dreht, folgt das öl einer im wesentlichen spiralförmigen Bahn durch jede Pumpenstufe.

Gemäß einem weiteren Merkmal dieses ö!dichtungsanordnung ist der Druckmesser der Antriebswelle 42 vorzugsweise wesentlich kleiner als der Zahnfußdurchmesser der Innenrotoren 24-1 und 24-2. Dadurch erhält man einen relativ breiten ununterbrochenen Bereich, der bei seiner Abdichtung durch einen Ölfilm dazu beiträgt, einen Umgehungsgasstrom zwischen der Endfläche des Innenrotors und der ihr zugewandten Oberfläche der Endplatte oder der Rotorkammer zu verhindern- Wesentlich kürzere oder schmalere Oberflächen würden keinen ausreichend breiten Ölfilm ergeben und dadurch eine Umgehungsgasströmung (manchmal auch als Leckströmung oder als "Durchblasen" bezeichnet) zwischen den bewegten Teilen zulassen. Dadurch würde die Fähigkeit der Pumpe vermindert, niedrige Druckniveaus zu erreichen. Vorzugsweise hat das Verhältnis des Zahnfußdurchmessers des Innenrotors zum Durchmesser der Antriebswelle einen Wert zwischen 2:1 und 4:1 unter Einschluß dieser Grenzwerte. Es wird angenommen, daß bei diesem Verhältnis die Dichtungsanordnung ihre beste Wirkung entfaltet.

Um die Dichtung und die Dichtungsflächen zwischen einander benachbarten Pumpenteilen erfindungsgemäß weiter zu vergrößern, sind die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung'vorzugsweise radial im wesentlichen zwischen dem Zahnfußkreis des Innenrotors und dem Zahnfußkreis des Außenrotors angeordnet, wobei die Breite der Öffnungen vorzugsweise kleiner als die Differenz der Radien (R - R.) der beiden genannten Kreise ist (Fig. 9). Dadurch wird die Dichtungsfläche zwischen der Antriebswelle 42 und der inneren Umfangskante der Öffnungen maximal. Es ist ferner zu bemerken, daß in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung sich an einander entgegengesetzten Enden der Pumpenkammer befinden, was dazu dient, den Abstand zwischen den Öffnungen zum Zwecke einer

verbesserten Abdichtung zu vergrößern und die Gefahr eines "Durchblasens" zwischen den Öffnungen zu verringern.

In der zweiten Stufe des Pumpenblockes ist eine Hilfsölöffnung 53 (Fig. 4) vorgesehen, um die Schmierung und Abdichtung bei relativ hohen Druckverhältnissen zu verbessern, wenn viel öl aus der ersten Stufe durch das mittlere Umgehungsventil abgeführt wird. Das Öl wird durch die HilfsÖffnung 53 in die zweite Stufe durch den Flüssigkeitssog und die Druckdifferenz aufgrund der Rotation des Außenrotors angesogen.

Ein anderes Verfahren zum Einführen des Schmier- und Dichtungsöles in die Pumpenkammer besteht darin, eine Reihe kleiner Vertiefungen in den Endflächen des Innenrotors und oder Außenrotors vorzusehen, die während einer Drehung mit ölführenden Nuten in der Gleitplatte 56 in Verbindung tret Diese Nuten erstrecken sich über die Kanten des Pumpenbloc hinaus, um mit dem Ölbad in Verbindung zu treten, in das die Pumpe eintaucht. Somit nehmen die Rotoren bei ihrer Drehung eine ausgewählte oder vorbestimmte Menge von öl au wenn sie an den ölführenden. Kanälen in der Gleitplatte vor beilaufen. Die Taschen geben dann das öl an die Pumpenkamm durch den Sog ab, der an der Einlaßöffnung 50-1 erzeugt wird. Wenn die Pumpe angehalten wird, würde bei dieser Ano nung verhindert, daß durch das Vakuum in dem System öl von der Pumpe zurück in das System oder die Quelle gesaugt wür

Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe 20 wird vorzugsweise mit einer in der Fig. 11 dargestellten elektrischen Mehrgeschw digkeits-Schaltungsanordnung gesteuert. Eine Geschwindigkeitswahlschalter 70 der Pumpe hat eine einer hohen Geschwindigkeit der Pumpe entsprechende Stellung 72 und eine einer niedrigen Geschwindigkeit der Pumpe entsprechende

Stellung 74, um die Pumpengeschwindigkeit zu variieren, eine hohe Geschwindigkeit kann beispielsweise während der anfänglichen Evakuierung oder des Auspumpens verwendet werden. Der Schalter 70 verändert die Pumpengeschwindigkeit, indem er einen Widerstand 76 oder zwei Widerstände 76 und 78 in Reihe mit einem Kondensator 80 schaltet. Die Widerstands-Kondensator-Kombination liegt parallel zu einem Triac 82 und einem Diac 84 und die verschiedenen Aufladungsgeschwindigkeiten des Kondensators in den Schaltstellungen 72 bzw. 74 liefert verschiedene Einschaltintervalle für den Triac, der den Motor 38 erregt. Als einziger Schutz gegen eine überhitzung, beispielsweise aufgrund einer übermäßig langen Betriebszeit mit hoher Geschwindigkeit ist ein Thermoschalter 86 parallel zu dem Schalter 70 geschaltet und dient dazu, bei einer überhitzung den Widerstand 77 in die Schaltungsanordnung einzuschalten, um die Ladungszeitkonstante der Schaltung zu verändern und die Pumpe zur Abkühlung in einen Betriebszustand mit einer niedrigeren Betriebsgeschwindigkeit zu bringen.

Zusammenfassend läßt sich sagen, daß mit den oben beschriebenen Merkmalen eine Zahnradpumpe, die normalerweise nur für das Pumpen von Flüssigkeiten wie beispielsweise hydraulische Flüssigkeiten verwendet werden kann, und die mit einer solchen Pumpe verbundenen Vorteile, d.h. eine geringe Relativgeschwindigkeit zwischen den bewegten Teilen, hohe Lebensdauer und Zuverlässigkeit für das Pumpen von Gasen bei sehr niedrigen Drucken selbst bis. zu einem molekularen Niveau genutzt werden können.

Claims

Patentansprüche

Zahnradpumpe zum Pumpen von Gasen, gekennzeichnet durch Mittel (30) zur Begrenzung einer Rotorkammer (28-1), einen in der Rotorkammer (28-1) drehbar angeordneten Außenrotor (26-1), einen innerhalb des Außenrotors (26-1) drehbar angeordneten Innenrotor (24-1) mit Flächen, die in kontinuierlichem Kontakt mit dem Außenrotor (26-1) stehen, um mindestens eine Pumpenkammer (48-1) zwischen dem Innenrotor (24-1) und dem Außenrotor (26-1) zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Innenrotors ausdehnt und zusammenzieht, eine Gaseinlaßöffnung (50-1), die in der Rotorkammer (48-1) derart angeordnet ist, daß sie mit der Pumpenkammer (48-1) während eines wesentlichen Abschnittes der Zeit in Verbindung steht, während der die Pumpenkammer (48-1) sich ausdehnt, und eine Gasauslaßöffnung (52-1) in der Rotorkammer (48-1), die in einem Abstand von der Einlaßöffnung(50-1) derart angeordnet ist, daß sie mit der Pumpenkammer erst unmittelbar vor der vollständigen Kontraktion der Puir.penkammer (48-1) in Verbindung tritt.
2. Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine ölzuführvorrichtung (68, 54) vorgesehen ist, welche eine Verbindung zwischen einer Ölquelle und der Gaseinlaßöffnung (50-1) bildet.
3. Zahnradpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Öl von der Ölquelle zu der Gaseinlaßöffnung (50-1) aufgrund einer durch den Betrieb der Pumpe erzeugten Druckdifferenz angesaugt wird.
4. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Einlaßöffnung (50-1) in Verbindung stehendes öl einer im wesentlichen spiralförmigen Bahn durch Ixe Pumpe folgt.
5. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrotor (24-1) von einer axial verlaufenden Welle (42) angetrieben wird, deren Durchmesser hinreichend kleiner als der Durchmesser des Zahiifußkreises der Verzahnung des Innenrotors (24-1) ist, um eine ausreichend große Fläche für eine Öldichtung bereitzustellen und dadurch eine Leckströmung von Gas zwischen den bewegten Teilen zu verringern.
6. Zahnradpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmessers des Zahnfußkreises des Innenrotors (24-1) zu dem Wellendurchmesser größer oder gleich 2:1 und kleiner oder gleich 4:1 ist.
7. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die. Vorderkante der Gaseinlaßöffnung (50-1) um einen Winkelbetrag von 5° bis 38° von der nächstgelegenen Kante der Auslaßöffnung. (22-1) entfernt ist.
8. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rotorkammern (28-1, 28-2) vorgesehen sind, daß die Auslaßöffnung (52-1) der einen der beiden Rotorkammern (28-1, 28-2) mit der Einlaßöffnung (50-2) der anderen der beiden Rotorkammern (28-1, 28-2) in Verbindung steht und daß die Auslaßöffnung (52-2) der anderen der beiden Rotorkammern (28-1, 28-2) mit der die Pumpe umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht.
9. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (52-2) normalerweise durch ein federbelastetes Ventil geschlossen ist.
10. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (38) zum Drehen der Rotoranordnung (24-1, 26-1) und eine Steueranordnung zur Abschaltung des Motors (38), wenn eine bestimmte Gasmenge abgepumpt worden ist.
11. Zahnradpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung einen Temperaturfühler (86) aufweist, der zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors (38) angeordnet ist.
12. Zahnradpumpe zum Pumpen von Gas, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch Mittel (30) zur Begrenzung einer zylindrischen Rotorkammer (28-1), einen in der Rotorkammer (28-1) drehbar angeordneten Außenrotor (26-1), einen innerhalb des Außenrotors (26-1) drehbar angeordneten, mit einer Verzahnung versehenen Innenrotor (24-1) mit Oberflächen, die in kontinuierlicher Berührung mit dem Außenmotor (26-1) stehen, um mindestens eine Pumpenkammer (48-1) zwischen den beiden Rotoren (24-1, 26-1) zu begrenzen, die sich bei einer Drehung des Innenrotors (24-1) ausdehnt und zusammenzieht, eine Gaseinlaßöffnung (50-1) in einem Ende der Rotorkammer (28-1), die so angeordnet ist, daß sie mit der Pumpenkammer (48-1) während eines wesentlichen Abschnitts der Zeit in Verbindung steht, während der sich die Pumpenkammer (48-1) ausdehnt, und eine Gasauslaßöffnung (52-1) in dem anderen Ende der Rotorkammer (28-1), die mit der Pumpenkammer (48-1) erst unmittelbar vor Abschluß der Kontraktionsphase der Pumpenkammer (48-1) in Verbindung tritt, wodurch ein Gasfluß durch die Pumpe einer

.4-

im wesentlichen spiralförmigen Bahn zwischen der Einlaßöffnung (50-1) und der Auslaßöffnung (52-1) folgt, wenn sich der Rotor dreht.
13. Zahnradpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Ölzuführvorrichtung (68, 54) vorgesehen ist, welche eine Verbindung zwischen einer Ölquelle und der Gaseinlaßöffnung (50-1) bildet.
14. Zahnradpumpe nach Anspruch 13,, dadurch gekennzeichnet,

daß öl von der Ölquelle zu der Gaseinlaßöffnung (50-1) aufgrund einer durch den Betrieb der Pumpe erzeugten Druckdifferenz angesaugt wird.
15. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenrotor (24-1) von einer axial verlaufenden Welle (42) angetrieben wird, deren Durchmesser hinreichend kleiner als der Durchmesser des Zahnfußkreises der Verzahnung des Innenrotors (24-1) ist, um eine ausreichend große Fläche für eine Öldichtung bereitzustellen und dadurch eine Leckströmung von Gas zwischen den bewegten Teilen zu verringern.
16. Zahnradpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Durchmesser des Zahnfußkreises des Innenrotors (24-1) zu dem Wellendurchmesser größer oder gleich 2:1 und kleiner oder gleich 4:1 ist.
17. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderkante der Gaseinlaßöffnung (50-1) um einen Winkelbetrag von 5° bis 38° von der nächstgelegenen Kante der Auslaßöffnung (22-1) entfernt ist.
18. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Rotorkammern (28-1, 28-2) vorgesehen sind, daß die Auslaßöffnung (52-1) der einen"der beiden Rotorkammern (28-1, 28-2) mit der Einlaßöffnung (50-2) der anderen der beiden Rotorkammern (28-1, 28-2) in Verbindung steht und daß die Auslaßöffnung (52-2) der anderen der beiden Rotorkammern (28-1 , 28-2) mit der die Pumpe umgebenden Atmosphäre in Verbindung steht.
19. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (52-2) normalerweise durch ein federbelastetes Ventil geschlossen ist.
20. Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 19, gekennzeichnet durch einen Elektromotor (38) zum Drehen der Rotoranordnung (24-1, 26-1) und eine Steueranordnung zur Abschaltung des Motors (38) , wenn eine bestimmte Gasmenge abgepumpt worden ist.
21. Zahnradpumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Steueranordnung einen Temperaturfühler (86) aufweist, der zur Steuerung des Betriebs des Elektromotors

(38) angeordnet ist.