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Technisches Feld
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, d.h. eine Pumpe
zur Erzeugung eines Vakuums oder eines vorbestimmten geringen Drucks
in einer damit verbundenen Umgebung.
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Technologischer Hintergrund
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Es
sind Vakuumpumpen bekannt, die nach dem Prinzip arbeiten, eine Betriebsflüssigkeit,
normalerweise Wasser, entlang einem gekrümmten oder gekurvten Pfad zu
bewegen, um ein gasförmiges
Fluid, Luft oder Gas durch Sog und Zentrifugalkraft aus einer Umgebung
abzutrennen, die mit der Kammer der bewegten Flüssigkeit kommuniziert.
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Insbesondere
sind Flüssigkeitsringvakuumpumpen
bekannt, welche im Wesentlichen ein zylindrisches Gehäuse oder
Außenkörper haben,
das eine oder mehrere mit einer ersten Umgebung verbundene Einlassöffnungen
aufweist, und ein oder mehrere Auslassöffnungen, die mit einer zweiten
Umgebung verbunden sind; und einen Rotor, der drehbar innerhalb
des Gehäuses
um eine hinsichtlich der Gehäuseachse
exzentrische Achse angeordnet ist und eine Anzahl von geformten,
im Wesentlichen radialen Blättern
oder Schaufeln aufweist. Im Betrieb ist das Gehäuse teilweise mit einer Betriebsflüssigkeit
gefüllt und
die Rotation des Rotors erzeugt einen Ring sich bewegender Flüssigkeit.
Weil der Rotor relativ zum Gehäuse
exzentrisch angeordnet ist, wird die Betriebsflüssigkeit über einen Winkelbereich des
Rotorweges gegen die Gehäusewandung
gedrückt,
womit das gasförmige
Fluid aus der ersten Umgebung und entlang eines anderen Winkelbereichs
des Rotorweges in Richtung auf das Zentrum des Gehäuses bewegt
wird, um das ausgetretene gasförmige
Fluid durch die Auslassöffnungen
in die zweite Umgebung zu entlassen. In anderen Worten, arbeitet
der Flüssigkeitsring
als Kompressionsmittel und führt
die gleiche Funktion aus wie ein sich hin- und her bewegender Kolben
in einem Hydraulikzylinder. Ähnliche Pumpen
sind ebenfalls bekannt aus der
DE 70 09 100 U .
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Pumpen
des obigen Typs sind relativ komplex und teuer, weil sie Rotoren
mit einer Anzahl von entsprechend geformten Blättern erfordern, um Schub auf
die Betriebsflüssigkeit
ausüben
zu können und
haben eine relativ geringe Effizienz, weil sie nur einen bescheidenen
Flüssigkeitsdurchsatz
haben, normalerweise um die 2–3
m3/h. Mit einem geringen Durchsatz tendiert
die Pumpe dazu, die zirkulierende Flüssigkeit ernstlich aufzuheizen,
womit deren Dampfdruck den Grad des erzielbaren Vakuums begrenzt.
Mit anderen Worten: Je höher
die Flüssigkeitstemperatur,
desto geringer das resultierende Vakuum.
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Offenlegung der Erfindung
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vakuumpumpe zu schaffen,
die eine einfache, günstige
Lösung
der vorstehend genannten Nachteile bietet, die üblicherweise mit den bekannten
Pumpen verknüpft
sind.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vakuumpumpe geschaffen, die ein äußeres Gehäuse aufweist,
welches wenigstens eine erste Öffnung
aufweist, die mit einer Umgebung verbunden ist, in welcher ein Vakuum
zu formen ist; und einen Rotor, der mit einer Betriebsflüssigkeit
versorgt wird und derart angeordnet ist, dass er sich um eine Achse
innerhalb des Gehäuses
dreht, um durch Bewegung der Betriebsflüssigkeit ein Vakuum in der
mit der ersten Öffnung
verbundenen Umgebung zu erzeugen; dadurch gekennzeichnet, dass der
Rotor eine Einrichtung zum Erzeugen eines schraubenförmigen Stroms
der Betriebsflüssigkeit
aufweist, um gasförmiges
Fluid durch Sog oder Ansaugung durch die erste Öffnung zu ziehen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
bevorzugtes nicht begrenzendes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung wird beispielsweise beschrieben mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen.
In diesen zeigen:
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1 eine
Seitenansicht einer Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
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2 und 3 entsprechend
vergrößerte axiale
Bereiche mit aus Klarheitsgründen
weggelassenen Teilen, in senkrechten Ebenen der Pumpe aus 1;
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4 einen
Schnitt entlang der Link IV-IV in 3, und
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5 ein
vergrößertes Detail
der Pumpe aus 3.
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Beste Ausführungsform der Erfindung
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Nummer 1 in
den 1 bis 3 zeigt als Ganzes eine Vakuumpumpe
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Die
Pumpe 1 enthält
im Wesentlichen eine Tragstruktur 2, die schematisch durch
eine unterbrochene Linie in 1 dargestellt
ist; ein röhrenförmiges bzw.
zylinderförmiges
Gehäuse 3 mit
der Achse A, welches vertikal an der Tragstruktur 2 getragen
ist und eine Öffnung 4 aufweist,
welche mit einer Zufuhrleitung 6 (in 1 nur
teilweise gezeigt) verbunden ist, welche eine Betriebsflüssigkeit
zuführt,
in diesem Fall Wasser, und eine Öffnung 5,
die mit einer Umgebung verbunden ist, in welcher ein Vakuum erzeugt werden
soll; und ein Rotor 7 mit der Achse A, der in dem Gehäuse 3 drehbar
um die Achse A angeordnet ist und durch Bewegung der Betriebsflüssigkeit
ein Vakuum in der mit der Öffnung 5 verbundenen
Umgebung erzeugt.
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Das
Gehäuse 3 enthält im Wesentlichen
einen zylindrischen Hauptabschnitt 8; und einen konisch
spitz zulaufenden unteren Endabschnitt 9, dessen Querschnitt
verglichen mit dem Hauptabschnitt 8 abnimmt und als Diffuser
agiert. Der Endabschnitt 9 des Gehäuses 3 ist mittels
einer Auslassleitung 10 mit einem Betriebsflüssigkeitstank 11 (der
schematisch in 1 durch eine unterbrochene Linie
dargestellt ist) verbunden, der vorzugsweise einen Teil eines rezirkulierenden
und kühlenden
Kreislaufs bildet, welcher die Leitung 10 mit der Zufuhrleitung 6 verbindet.
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Genauer
gesehen ist der Hauptabschnitt 8 des Gehäuses 3 durch
vier zylindrische, rohrförmige Körper 12, 13, 14, 15 gebildet,
welche entsprechende obere und untere Flansche 16, 17 aufweisen,
die radial nach außen
ragen und koaxial und in flüssigkeitsdichter
Weise mit Bolzen entlang der entsprechenden Flansche 16, 17 befestigt
sind. Insbesondere ist der rohrförmige
Körper 12 in
flüssigkeitsdichter
Weise mit dem unteren Endabschnitt 9 des Gehäuses 3 verbunden
und die rohrförmigen
Körper 13, 14, 15 sind
entlang der Achse A aufeinander folgend auf dem rohrförmigen Körper 12 angeordnet.
Wie es in den 1–3 gezeigt
ist, haben die rohrförmigen Körper 13, 14 entsprechende Öffnungen 5, 4,
aus denen jeweils ein Rohrverbindungsstück 19 zur Befestigung
einer mit der Umgebung verbundenen Leitung 21 vorsteht,
in welcher das Vakuum erzeugt werden soll, und einen Rohranschluss 20 zum
Anbringen einer Zufuhrleitung 6. Die rohrförmigen Körper 13, 14, 15 haben
im Wesentlichen die gleiche Länge
und sind kürzer
als der rohrförmige
Körper 12;
und der obere Flansch 16 des rohrförmigen Körpers 15 definiert
eine Stütz-
und Befestigungsfläche
für einen
an sich bekannten elektrischen Motor 22, der den Rotor 7 antreibt.
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Wie
es in den 2 und 3 gezeigt
ist, ist der Rotor 7 drehfest mit einer Ausgangswelle 23 des elektrischen
Motors 22 verbunden bzw. integriert, welche entlang der
Achse A verläuft
und in die rohrförmigen
Körper 14, 15 des
Gehäuses 3 hineinragt.
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Insbesondere
erstreckt sich die Welle 23 durch eine zylindrische Buchse 24,
welche sich innerhalb des rohrförmigen
Körpers 15 erstreckt
und von einer Platte 25 hervorsteht, an welcher sie befestigt ist
und, welche Platte zwischen dem Bodenflansch 17 des rohrförmigen Körpers 15 und
dem oberen Flansch 16 des rohrförmigen Körpers 14 festgelegt ist.
Insbesondere ist die Welle 23 in axial fester aber drehbarer
Weise mit der Buchse 24 mittels zweier Lager gehalten und
erstreckt sich durch eine zentrale Durchgangsöffnung in der Platte 25.
Um zu vermeiden, dass Betriebsflüssigkeit
aus dem rohrförmigen Körper 14 mit
der Öffnung 4 in
den rohrförmigen
Körper 15,
welcher den elektrischen Motor 22 trägt, leckt, ist ein erster Dichtring 30 zwischen
der Platte 25 und dem oberen Flansch 16 des rohrförmigen Körpers 14 vorgesehen
und zweiter Dichtring 31 ist vorgesehen zwischen der Welle 23 und
der Platte 25.
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Die
Welle 23 hat einen mit Gewinde versehenen Endabschnitt 32,
der in den rohrförmigen
Körper 14 hinein
ragt und mit einem Bolzen 33 an ein Stützteil 34 mit der
Achse A geschraubt und befestigt ist, und von welchem der Rotor 7 integriert
hervorsteht.
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Wie
es insbesondere in den 2, 3 und 5 gezeigt
ist, ist das Stützteil 34 innerhalb des
rohrförmigen
Körpers 14 eingeschlossen,
im Wesentlichen becherförmig
ausgebildet und enthält
eine scheibenförmige
obere Stirnwand 35, mit einem Durchgangsloch 36 entlang
der Achse A für,
d.h. zum Einsetzen des Endabschnitts 32 der Welle 23;
und eine im Wesentlichen zylindrische Seitenwand 37, welche
eine Anzahl an Fenstern 38 aufweist, durch welche die von
der Öffnung 4 in
das Gehäuse 3 eintretende
Betriebsflüssigkeit
fließt,
und welche an der der Endwand 35 gegenüberliegenden Seite eine Öffnung 39 definiert,
durch welche die Betriebsflüssigkeit
dem Rotor 7 zugeführt
wird. Insbesondere definiert die Seitenwand 37 an der Öffnnung 39 einen Endflansch 40,
der radial nach außen
vorsteht und mit Schrauben an einer Ringplatte 42 befestigt
ist, die für
eine Drehung vorgesehen ist, mit Zwischenanordnung einer Buchse
innerhalb des Bodenflansches 17 des rohrförmigen Körpers 14.
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Die
Platte 42 definiert eine zentrale Öffnung 44, die mit
der Öffnung 39 kommuniziert,
um es der Betriebsflüssigkeit
zu erlauben, zu dem Rotor 7 zu fließen und die eine periphere
Kante 45 aufweist, welche parallel zur Achse A sich erstreckt
und mittels Schrauben an dem Rotor 7 befestigt ist.
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Ein
wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt in dem Rotor 7,
der eine Verteilungsleitung 50 aufweist zum Verteilen der
Betriebsflüssigkeit,
welche von dem Rohr 6 durch die Öffnungen 39, 44 im
Tragteil 34 und in der Platte 42 zugeführt wird, und
die, wenn der Rotor 7 sich um die Achse A dreht, einen
schraubenförmigen
Strom der Betriebsflüssigkeit
erzeugt, um gasförmige
Fluide wie z.B. Luft durch Ansaugung oder Sog durch die Öffnung 5 zu ziehen.
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Insbesondere
erstreckt sich der Rotor 7 innerhalb des rohrförmigen Körpers 13,
liegt der Öffnung 5 gegenüber und
enthält
eine scheibenförmige Platte 51,
die mit der vorstehenden Seitenkante 45 der Platte 42 befestigt
ist, die den oberen Flansch 16 des rohrförmigen Körpers 13 in
drehbar und axial fester Weise greift und von welcher die Verteilungsöffnungen 50 hervorstehen.
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Insbesondere
steht die Verteilungsöffnung 50 von
der Platte 51 entlang der Achse A vor, hat einen längeren rechteckigen
Abschnitt, der sich entlang einem Durchmesser der Platte 51 erstreckt
und ist an einer Seitenkante einer diametralen Durchgangsöffnung 52 in
der Platte 51 befestigt, z.B. geschweißt. Die Öffnung 52 ist ebenfalls
rechteckig und nimmt im Querschnitt leicht von der der Platte 42 zugewandten
Seite ab und nimmt die gleiche Form an, wie der Abschnitt der Verteilungsöffnung 50 an
der Seite, von welcher dieser ausgeht.
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Die
Verteilungsleitung 50 hat einen Auslass 55, der
nahe der Öffnung 5 und
in Fließrichtung
der Betriebsflüssigkeit
stromabwärts
von dieser angeordnet ist.
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Der
Rotor 7 enthält
ebenfalls zwei Blätter 53, welche
von der Platte 51 entlang der Achse A und über die
gesamte Länge
der Verteilungsleitung 50 abstehen und entlang des gleichen
Durchmessers der Platte 51 orientiert sind, senkrecht zu
dem Durchmesser, von welchem die Verteilungsleitung 50 ausgeht.
Sie sind an den gegenüberliegenden
Seiten der Verteilungsleitung 50 befestigt, um mit diesem
ein kreuzförmiges
Flügelrad
zu bilden. Die Blätter 53 sorgen
im Wesentlichen für
eine Ausbalancierung des Rotors 7, wenn dieser sich dreht.
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Im
Betrieb fließt
die dem rohrförmigen
Körper 14 des
Gehäuses 3 entlang
des Rohrs 6 und durch die Öffnung 4 zugeführte Betriebsflüssigkeit
durch das Tragteil 34 und die in den Platten 42, 51 ausgebildeten Öffnungen 44, 52 in
die Verteilungsleitung 50.
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Durch
die Schwerkraft und die Rotation des Rotors 7 fließt die Betriebsflüssigkeit
von der Bodenseite der Verteilungsleitung 50, um in dem
Teil des Gehäuses 3 unter
der Öffnung 5 und
dem Rotor 7 einen schraubenförmigen Strom der Betriebsflüssigkeit zu
bilden, welches gasförmige
Fluid durch die Öffnung 5 mittels
Ansaugung zieht, um ein Vakuum in der Umgebung zu erzeugen, die
mit der Öffnung 5 verbunden
ist.
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Die
Vorteile der Pumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
werden klar aus der vorangegangenen Beschreibung.
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Insbesondere
ist die Pumpe 1 einfach und günstig zu produzieren, weil
sie z.B. nicht einen Rotor mit geformten Blättern erfordert.
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Darüber hinaus
kann die Pumpe 1, weil der Rotor 7 im Wesentlichen
eine Verteilungsleitung 50 umfasst, die sich um die Achse
A dreht, relativ hohe Betriebsdurchflussraten von ungefähr 200 m3/h handhaben, d.h. ungefähr das zehnfache der Menge, die
die früher
beschriebene Flüssigkeitsringpumpe handhaben
konnte, was deutlich die Aufheizung der Betriebsflüssigkeit
während
des Betriebes der Pumpe 1 reduziert und somit die Effizienz
deutlich anhebt.
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Weiterhin
ist die Pumpe 1, weil sie mit hohen Flussraten arbeitet,
praktisch unbeeinflusst von dem Dampfdruck der einströmenden Betriebsflüssigkeit.
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Selbstverständlich können an
der hier beschriebenen Pumpe 1 Änderungen vorgenommen werden,
ohne jedoch von dem Schutzbereich der beigefügten Ansprüche abzuweichen.