EP3388682B1 - Vakuumpumpe mit einem kühlkörper und verfahren zur herstellung des kühlkörpers - Google Patents

Vakuumpumpe mit einem kühlkörper und verfahren zur herstellung des kühlkörpers Download PDF

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EP3388682B1
EP3388682B1 EP17166278.6A EP17166278A EP3388682B1 EP 3388682 B1 EP3388682 B1 EP 3388682B1 EP 17166278 A EP17166278 A EP 17166278A EP 3388682 B1 EP3388682 B1 EP 3388682B1
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EP
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recesses
heat sink
recess
tool
face
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Erhard Harapat
Wolfgang Söhngen
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Pfeiffer Vacuum GmbH
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Pfeiffer Vacuum GmbH
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Publication date
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    • F05D2230/10—Manufacture by removing material

Definitions

  • the present invention relates firstly to a vacuum pump according to claim 1.
  • the invention relates to a manufacturing method according to claim 7.
  • An exemplary cooling body of a scroll pump of the prior art has a plurality of cooling ribs for convective heat exchange, which remain during the production of the cooling body by making recesses between the recesses.
  • the recesses are made in a workpiece for the heat sink using an end mill. This allows the formation of a relatively filigree and complex cooling fin structure in relation to a machining plane that runs perpendicular to an axis of rotation of the end mill.
  • the production of the heat sink with an end mill is time-consuming, however, and allows only limited freedom in the design of a recess base. Therefore, in the prior art, the recess base is designed to be flat.
  • This configuration also results in the recess base running perpendicular to all side walls of the cooling fins and other non-milled sections.
  • this can lead to a stagnation of cooling fluid, e.g. air, at least at certain points in the area of the perpendicularly meeting side walls and recess bottoms, especially if the cooling fluid is blown at right angles to the plane of the recess bottoms, i.e. if the end face of the heat sink is blown frontally.
  • cooling fluid e.g. air
  • the object of the invention is achieved by a vacuum pump according to claim 1, and in particular in that a gentle deflection area for the cooling fluid is formed at least at a transition from the end face into a respective recess.
  • the cooling fluid can be, for example, air.
  • air as the coolant, although other coolants are conceivable according to the invention.
  • the gentle deflection area avoids or reduces air congestion.
  • a fan acts on the heat sink with an air flow
  • the deflection area acts in such a way that the air flow is deflected from a first direction in a second, in particular to the first essentially perpendicular direction, so that the air can maintain a steady flow and the convective heat exchange is improved.
  • air currents are formed on the heat sink as part of the free convection, which through the deflection area can be advantageously deflected.
  • the deflection area according to the invention also results in less noise and less dynamic pressure.
  • a smooth transition is consequently to be understood in particular as a transition which is more flow-favorable and / or friction-reducing than conventional transitions, as have been described above with reference to the prior art.
  • the recesses are each designed as an elongated flow channel. This can in particular serve to improve the conduction of air away from the transition between the end face and the recess.
  • the recesses can each be straight. This simplifies their manufacture and improves the air conduction, since disruptive changes in direction are avoided.
  • the recesses can each have a width that is constant in relation to a length of the recess.
  • the recesses each have a height h and a width, the height h, in particular at least in an area running at least approximately parallel to the end face, being equal to or greater than the width.
  • the deflection area is partially circular. This allows a particularly gentle deflection with a low loss of kinetic energy in the air flow. In addition, such a deflection area can be easily produced.
  • a radius of the deflection area is equal to the radius of a disk-shaped tool used to produce the deflection area or greater than the radius of the tool.
  • the recesses are each designed as an incision or a groove.
  • the recesses are each made by at least one disk-shaped tool, in particular a disk milling cutter or a circular saw.
  • the shape of the deflection area can correspond to the shape of the tool.
  • the advantageous deflection area can be implemented automatically, as it were, through the choice of tool.
  • the shape and / or the size of the deflection area can also differ, for example, from the shape or the size of the tool, for example if these are moved at the same time with components perpendicular and parallel to the end face during the production of the heat sink.
  • Disk-shaped tools such as disk milling cutters and circular saws can have a large number of cutting edges due to their design. As a result, a large number of cutting edges are simultaneously in engagement with the workpiece at any point in time. This results in a comparatively high feed speed with a constant feed per cutting edge.
  • the recesses each extend from a central region of the cooling body to an edge region of the cooling body.
  • the recesses can thus ensure good air dissipation.
  • the recesses are arranged as a whole in a star shape, that is to say they each run radially from the inside to the outside. In this way, a particularly even distribution of the air and thus even cooling can be achieved.
  • At least some recesses can run parallel to one another at least over part of their length.
  • At least two recesses can intersect and / or at least one recess can open into at least one further recess.
  • At least one recess runs at least approximately parallel to a secant of a circle around a center of the end face.
  • a respective recess in particular in an edge region of the cooling body, has a gentle outlet.
  • the term outlet does not necessarily have to refer to an end of the recess in one direction of flow, but can also refer, for example, to an end of the recess opposite the deflection area.
  • the recess can be guided quite generally to an edge region of the cooling body or, alternatively, can be defined exclusively in the end face. An outlet can therefore open out, for example, into an edge surface or also gently into the end surface.
  • the transition can, for example, define an angle of less than 90 °, in particular between a recess base or an end of the deflection region and the end face.
  • the transition itself can be gentle and / or continuous, which would correspond to an angle of essentially 0 °.
  • the heat sink can be used, for example, as an element delimiting a pump section of the vacuum pump, in particular as a housing section for these, be trained.
  • the vacuum pump can be a scroll pump, for example.
  • the heat sink can, for example, be designed in one piece with a pump-active spiral structure of the scroll pump. This ensures particularly good heat dissipation from the active pumping area of the scroll pump.
  • a fan is provided in order to apply air to the heat sink.
  • the fan defines a direction of flow which is at least substantially perpendicular to the end face of the cooling body, and in particular can be at least substantially parallel to a main axis of the cooling body.
  • the object of the invention is achieved by a method for producing a heat sink for a vacuum pump according to claim 7.
  • the tool comprises a disk-shaped tool, for example a disk milling cutter or a circular saw.
  • a deflection area for a cooling fluid can be formed at at least one transition from the end face into the recess through the tool will.
  • a deflection area improves the cooling effect of the cooling body and offers further advantages, such as, for example, less noise development when the end face is blown with a cooling fluid.
  • the tool for making the recesses is moved with a radial component in relation to a main axis of the workpiece relative to the workpiece.
  • a main axis of the workpiece can in particular be a central axis and / or run perpendicular to the end face, that is, its normal.
  • the workpiece can, for example, have an essentially cylindrical shape and / or be an essentially round disk.
  • the main axis can be defined e.g. by a cylinder or center axis.
  • the tool for making the recess is moved with an axial component in relation to a main axis of the workpiece relative to the workpiece.
  • the tool is only moved with a radial and / or an axial component, that is to say without a tangential component in relation to an imaginary cylinder about the main axis.
  • machining processes are carried out each for making a recess or a set of recesses, the machining operations being carried out one after the other and, between the machining operations, the workpiece is rotated relative to the tool in relation to a main axis of the workpiece, for example via a dividing apparatus or a C-axis of a machine tool.
  • a respective machining process can be carried out in particular to produce a recess or a set of recesses.
  • the multiple machining operations differ in terms of a radial machining depth in relation to a main axis of the workpiece.
  • This allows recesses of different lengths to be formed.
  • This in turn can advantageously be used to make at least one recess with a second, smaller machining depth in the workpiece between two recesses with a first machining depth.
  • the area between the recesses with the first machining depth which tends to be greatest on the outside with respect to the main axis, can also be used as a cooling-active area.
  • the tool can be designed, for example, as a double or twin tool with two simultaneously effective individual tools arranged at a distance from one another in order to make a set of two recesses in the workpiece with one machining operation.
  • the individual tools can in particular be arranged in parallel. A tool with more than two individual tools is also conceivable.
  • a single machining process for example, several aligned recesses or sets of recesses can be produced.
  • a recess or a set of recesses can first be made and then a further recess or a further set of recesses can be made in the same machining process.
  • the machining process can be started with a radially inward delivery of the tool to form a first recess or a first set of recesses, the tool extending axially at a radially inner end of the first recess or the first set of recesses the workpiece is moved out and moved further in the initially selected radial direction, the tool then being axially retracted again into the workpiece to form a second recess or a second set of recesses and moving further in the initially selected direction that leads to this point in time is possibly a radial outward direction.
  • the tool has a disk diameter D and a disk height H, where D / H 4.
  • the tool has a disk diameter D and a shank with a shank diameter d, where D / d 1.5.
  • a heat sink 10 of a vacuum pump is shown in a perspective view.
  • the heat sink 10 has a plurality of cooling fins 12 which were formed by making recesses 14 by means of an end mill.
  • the recesses 14 lie in one plane with a respective recess base.
  • the cooling fins 12 and a central section 16 each have side walls which are perpendicular to this plane.
  • the complex cooling fin structure of the heat sink 10 can only be produced with great expenditure of time.
  • the vertical transitions between the cooling fins 12 or central section 16 and the respective recess bases lead to relatively poor air conduction, in particular to an accumulation of air in the area of the transitions.
  • this configuration results in a great deal of noise when blowing onto the cooling fin structure.
  • an inventive heat sink 20 of a vacuum pump is also shown in a perspective view.
  • the heat sink 20 has a plurality of recesses 22 which extend radially or in a star shape with respect to a main axis A of the heat sink 20.
  • the heat sink 20 has an essentially cylindrical basic shape, the main axis A coincides with a cylinder axis of the cylindrical basic shape.
  • a pump-active spiral of a scroll pump can be formed on the side of the cooling body 20 facing away, that is not visible, ie the cooling body 20 is then a component of a scroll vacuum pump.
  • the heat sink 20 has an end face 24 into which the recesses 22 are made, and comprises an edge face 28 which essentially corresponds to a cylinder jacket face.
  • a respective recess 22 has a gentle deflection area 32 for a cooling fluid, in particular air, at a transition 30 from the end face 24 into the recess 22.
  • the deflection region 32 is arranged at a radially inner end of the respective recess 22.
  • the respective recess 22 has a gentle outlet 34.
  • the recess 22 has a recess base 36.
  • a fan (not shown) which conveys air for forced convective cooling essentially along the main axis A against the end face 24.
  • a respective deflection area 32 acts in such a way that a corresponding part of the air flow is deflected and continues to flow radially outward through the respective recess 22.
  • the blown cooling air is thus distributed essentially in a star shape over the cooling body 20 in accordance with the orientation of the recesses 22 and is guided radially outward. In this way, a particularly uniform and effective heat dissipation is achieved and, in particular due to the gentle deflection areas 32, the development of noise is minimized.
  • a respective recess 22 was made in the workpiece by means of a machining process. After finishing the editing process, the Workpiece rotated around the main axis A relative to the tool and a next machining operation with radial infeed was carried out. Individual machining processes differ in a radial machining depth. Two groups of recesses were formed, the groups differing from one another with regard to a radial machining depth.
  • the deflection regions 32 of the recesses 22 can each have a recess base which is part-circular and thus has a deflection radius of curvature.
  • the radius of curvature of the circumference of the tool in particular a disk milling cutter or circular saw, can be less than or equal to this radius of curvature. If the radii are the same size, the gentle deflection area 32 results almost automatically when the tool is radially infeed in the direction of axis A. If the tool radius of curvature is smaller than the deflection radius, the tool is moved along a corresponding movement profile in order to produce the gentle deflection area 32.
  • the heat sink 20 of the Figs. 3 and 4 can not only be produced relatively easily, quickly and thus inexpensively by means of a tool which comprises at least one disk-shaped tool such as a disk milling cutter and / or a circular saw.
  • the heat sink 20 also has a relatively large cooling active surface, which leads to a particularly good cooling effect. Due to the larger surface and the additional deflection of the blown air, a significantly improved cooling performance with at the same time lower noise development can be expected.
  • a short recess 22 is formed between two long recesses 22 over an angular range of more than 270 °. All recesses 22 extend to the edge area 28, the inner ends of the short recesses 22 on a circle around the Center Z lie, which is larger than a circle around the center Z, on which the inner ends of the long recesses 22 lie.
  • a shank 40 which defines the axis of rotation U of this disk milling cutter has a diameter d, a machining disk 42 arranged on the shaft 40 and provided radially on the outside with a plurality of cutting edges 44 having a disk diameter D and a disk height H.
  • D / H 4 and D / d 1.5 are practically advantageous embodiments.
  • Fig. 4 shows an example of the profile of two recesses 22, each of which at the transition 30 from the end face 24 of the cooling body 22 has a gentle, ie particularly flow-favorable and friction-reducing deflection area 32, followed by a recess base 36 running parallel to the end face 24 and, in turn, an outlet 34 into the Have edge area 28.
  • the end face 24 lies above the recess base 36 at a height h.
  • the width of the recesses 22 can correspond to the height H of the disk 42 of the tool (FIG. 6), although this is not mandatory, ie the tool can in principle also be used to produce recesses whose width is greater than the height of the machining disk 42.
  • the height h of the recesses 22 is in each case at least equal to the width of the recesses 22.
  • the height h is preferably greater than the width.
  • the recesses 22 between the deflection area 32 and the outlet 34 are deeper than they are wide.
  • the radius R of the deflection area 32 of a recess 22 is preferably equal to the radius D / 2 of the machining disk 42, which is used to produce this recess 22, but can also be greater than this radius D / 2.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft erstens eine Vakuumpumpe nach Anspruch 1.
  • Die Erfindung betrifft zweitens ein Herstellungsverfahren nach Anspruch 7.
  • Ein Verfahren zur Herstellung eines Kühlkörpers für eine Zwangsölumlaufkühlung ist in der AT 377 644 B offenbart.
  • Ein beispielhafter Kühlkörper einer Scrollpumpe des Standes der Technik weist eine Mehrzahl von Kühlrippen zum konvektiven Wärmeaustausch auf, die bei der Herstellung des Kühlkörpers durch Einbringen von Ausnehmungen zwischen den Ausnehmungen verbleiben. Die Ausnehmungen werden dabei durch einen Schaftfräser in ein Werkstück für den Kühlkörper eingebracht. Dies erlaubt die Ausbildung einer relativ filigranen und komplexen Kühlrippenstruktur bezogen auf eine Bearbeitungsebene, die senkrecht zu einer Drehachse des Schaftfräsers verläuft.
  • Die Herstellung des Kühlkörpers mit einem Schaftfräser ist allerdings zeitaufwändig und erlaubt nur eine eingeschränkte Freiheit bei der Gestaltung eines Ausnehmungsgrunds. Daher wird der Ausnehmungsgrund im Stand der Technik plan ausgeführt.
  • Aus dieser Gestaltung ergibt sich ferner, dass der Ausnehmungsgrund senkrecht zu allen Seitenwänden der Kühlrippen und anderer nicht gefräster Abschnitte verläuft. Dies kann jedoch zumindest punktuell zu einem Stau von Kühlfluid, z.B. Luft, im Bereich der senkrecht aufeinander treffenden Seitenwände und Ausnehmungsgründe führen, insbesondere wenn das Kühlfluid senkrecht zur Ebene der Ausnehmungsgründe angeblasen wird, d.h. wenn die Stirnfläche des Kühlkörpers frontal angeblasen wird.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Kühlung einer Vakuumpumpe zu verbessern und die damit verbundene Herstellung des Kühlkörpers zu vereinfachen.
  • Der Gegenstand der Erfindung ist in den Ansprüchen 1 und 7 definiert.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Vakuumpumpe nach Anspruch 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass zumindest an einem Übergang von der Stirnfläche in eine jeweilige Ausnehmung ein sanfter Umlenkbereich für das Kühlfluid ausgebildet ist.
  • Das Kühlfluid kann z.B. Luft sein. Im Folgenden wird der Einfachheit halber auch lediglich auf Luft als Kühlmittel Bezug genommen, obwohl erfindungsgemäß andere Kühlmittel denkbar sind.
  • Durch den sanften Umlenkbereich wird ein Luftstau vermieden oder verringert. Insbesondere weil ein Gebläse den Kühlkörper mit einem Luftstrom beaufschlagt, wirkt der Umlenkbereich derart, dass der Luftstrom von einer ersten Richtung in eine zweite, insbesondere zur ersten im Wesentlichen senkrechte Richtung, umgelenkt wird, sodass die Luft einen stetigen Strom beibehalten kann und der konvektive Wärmeaustausch verbessert wird. Aber auch ohne Gebläse bilden sich im Rahmen der freien Konvektion an dem Kühlkörper Luftströmungen aus, die durch den Umlenkbereich vorteilhaft umgelenkt werden können. Der erfindungsgemäße Umlenkbereich hat außerdem eine geringere Geräuschentwicklung und einen geringeren Staudruck zur Folge.
  • Unter einem sanften Übergang ist folglich insbesondere ein Übergang zu verstehen, der strömungsgünstiger und/oder reibungsvermindernder ist als herkömmliche Übergänge, wie sie vorstehend mit Bezug auf den Stand der Technik beschrieben worden sind.
  • Bei einer Ausführungsform sind die Ausnehmungen jeweils als länglicher Strömungskanal ausgebildet. Dies kann insbesondere der verbesserten Leitung der Luft weg von dem Übergang zwischen Stirnfläche und Ausnehmung dienen.
  • Beispielsweise können die Ausnehmungen jeweils geradlinig sein. Dies vereinfacht ihre Herstellung und verbessert die Luftleitung, da störende Richtungsänderungen vermieden werden. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen jeweils eine in Bezug auf eine Länge der Ausnehmung konstante Breite aufweisen.
  • Gemäß einer Ausführungsform weisen die Ausnehmungen jeweils eine Höhe h und eine Breite auf, wobei die Höhe h, insbesondere zumindest in einem wenigstens näherungsweise parallel zur Stirnfläche verlaufenden Bereich, gleich der Breite oder größer als die Breite ist.
  • Bei einer Ausführungsform ist der Umlenkbereich teilkreisförmig ausgebildet. Dies erlaubt eine besonders sanfte Umlenkung mit einem geringen Verlust von kinetischer Energie in der Luftströmung. Zudem lässt sich ein solcher Umlenkbereich einfach herstellen.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein Radius des Umlenkbereiches gleich dem Radius eines zur Herstellung des Umlenkbereiches verwendeten scheibenförmiges Werkzeugs oder größer als der Radius des Werkzeugs.
  • Bei einer Weiterbildung sind die Ausnehmungen jeweils als ein Einschnitt oder eine Nut ausgebildet.
  • Zum Beispiel sind die Ausnehmungen jeweils durch zumindest ein scheibenförmiges Werkzeug, insbesondere einen Scheibenfräser oder eine Kreissäge, hergestellt. Dies erlaubt eine besonders einfache und damit kostengünstige Herstellung. Insbesondere kann die Form des Umlenkbereichs der Form des Werkzeugs entsprechen. So kann schon durch die Werkzeugwahl der vorteilhafte Umlenkbereich gewissermaßen automatisch realisiert werden. Die Form und/oder die Größe des Umlenkbereichs können aber auch beispielsweise von der Form bzw. der Größe des Werkzeugs abweichen, beispielsweise wenn diese bei der Herstellung des Kühlkörpers gleichzeitig mit Komponenten senkrecht und parallel zur Stirnfläche verfahren werden.
  • Scheibenförmige Werkzeuge wie z.B. Scheibenfräser und Kreissägen können bauartbedingt eine hohe Schneidenanzahl aufweisen. Folglich befinden sich zu jedem Zeitpunkt sehr viele Schneiden gleichzeitig in Eingriff mit dem Werkstück. Hierdurch ergibt sich bei konstantem Vorschub je Schneide eine vergleichsweise hohe Vorschubgeschwindigkeit.
  • Erfindungsgemäß erstrecken sich die Ausnehmungen jeweils von einem Zentralbereich des Kühlkörpers zu einem Randbereich des Kühlkörpers. Die Ausnehmungen können so für eine gute Luftableitung sorgen. Zusätzlich sind die Ausnehmungen insgesamt sternförmig angeordnet, verlaufen also jeweils strahlenförmig von innen nach außen. Hierdurch lassen sich eine besonders gleichmäßige Verteilung der Luft und somit eine gleichmäßige Kühlung erreichen.
  • In einer weiteren Ausführungsform können zumindest einige Ausnehmungen wenigstens über einen Teil ihrer Länge parallel zueinander verlaufen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform können sich wenigstens zwei Ausnehmungen schneiden und/oder kann wenigstens eine Ausnehmung in zumindest eine weitere Ausnehmung münden.
  • Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Ausnehmung zumindest näherungsweise parallel zu einer Sekante eines Kreises um ein Zentrum der Stirnfläche verläuft.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist eine jeweilige Ausnehmung, insbesondere in einem Randbereich des Kühlkörpers, einen sanften Auslauf auf. Der Begriff Auslauf muss sich hierbei nicht notwendigerweise auf ein Ausnehmungsende in einer Strömungsrichtung beziehen, sondern kann sich auch z.B. auf ein dem Umlenkbereich gegenüberliegendes Ende der Ausnehmung beziehen. Die Ausnehmung kann ganz allgemein zu einem Randbereich des Kühlkörpers geführt sein oder alternativ ausschließlich in der Stirnfläche definiert sein. Ein Auslauf kann also beispielsweise in eine Randfläche oder auch sanft in die Stirnfläche münden.
  • Der Übergang kann beispielsweise einen Winkel von weniger als 90°, insbesondere zwischen einem Ausnehmungsgrund bzw. einem Ende des Umlenkbereichs und der Stirnfläche, definieren. Insbesondere kann der Übergang selbst sanft und/oder kontinuierlich sein, was einem Winkel von im Wesentlichen 0° entsprechen würde.
  • Der Kühlkörper kann beispielsweise als ein einen Pumpabschnitt der Vakuumpumpe begrenzendes Element, insbesondere als ein Gehäuseabschnitt für diesen, ausgebildet sein. Die Vakuumpumpe kann beispielsweise eine Scrollpumpe sein. Dabei kann der Kühlkörper z.B. einteilig mit einer pumpaktiven Spiralstruktur der Scrollpumpe ausgebildet sein. Dies sorgt für eine besonders gute Wärmeableitung aus dem pumpaktiven Bereich der Scrollpumpe.
  • Erfindungsgemäß ist ein Gebläse vorgesehen, um den Kühlkörper mit Luft zu beaufschlagen. Das Gebläse definiert eine Strömungsrichtung, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche des Kühlkörpers ist, und insbesondere zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Hauptachse des Kühlkörpers sein kann.
  • Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers für eine Vakuumpumpe gemäß Anspruch 7 gelöst. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass das Werkzeug ein scheibenförmiges Werkzeug umfasst, beispielsweise einen Scheibenfräser oder eine Kreissäge.
  • Dies stellt ein besonders einfaches Herstellungsverfahren dar, insbesondere im Vergleich zur Herstellung mittels eines Schaftfräsers. Außerdem lassen sich scheibenförmige Werkzeuge wie Scheibenfräser und Kreissägen mit relativ hohen Vorschubgeschwindigkeiten betreiben, sodass der Herstellungsprozess weiter beschleunigt wird. Im Gegensatz hierzu ist die Vorschubgeschwindigkeit von Schaftfräsern insbesondere wegen der vergleichsweise geringen Schneidenanzahl relativ begrenzt, und zwar insbesondere dann, wenn zur Herstellung einer besonders filigranen Kühlrippenstruktur ein sehr schmaler Schaftfräser eingesetzt wird. Das Herstellungsverfahren der Erfindung ist aber nicht nur relativ schnell durchführbar und somit kostengünstig. Vielmehr lässt sich hier bei geeigneter Anordnung der Ausnehmungen auch eine besonders große kühlaktive Oberfläche ausbilden, wodurch ein besonders wirksamer Kühlkörper geschaffen wird.
  • Insbesondere kann an zumindest einem Übergang von der Stirnfläche in die Ausnehmung durch das Werkzeug ein Umlenkbereich für ein Kühlfluid ausgebildet werden. Wie oben näher beschrieben, verbessert ein solcher Umlenkbereich die Kühlwirkung des Kühlkörpers und bietet weitere Vorteile wie z.B. eine geringere Geräuschentwicklung beim Anblasen der Stirnfläche mit einem Kühlfluid.
  • Bei einer Ausführungsform erfolgt für jede Ausnehmung oder jeden Satz von Ausnehmungen genau eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück, bei der die Ausnehmung bzw. Ausnehmungen in das Werkstück eingebracht werden.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Werkzeug zum Einbringen der Ausnehmungen mit einer radialen Komponente in Bezug auf eine Hauptachse des Werkstücks relativ zu dem Werkstück verfahren.
  • Eine Hauptachse des Werkstücks kann insbesondere eine Zentralachse sein und/oder senkrecht zur Stirnfläche verlaufen, also deren Normale sein. Das Werkstück kann beispielsweise im Wesentlichen eine zylindrische Form aufweisen und/oder eine im Wesentlichen runde Scheibe sein. Dabei kann die Hauptachse z.B. durch eine Zylinder- oder Mittelpunktsachse definiert sein.
  • Sofern im Rahmen dieser Anmeldung auf eine Relativbewegung zweier Elemente Bezug genommen wird, versteht es sich, dass die Relativbewegung sowohl von entweder dem einen oder dem anderen Element als auch von beiden Elementen gleichzeitig realisiert werden kann.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Werkzeug zum Einbringen der Ausnehmung mit einer axialen Komponente in Bezug auf eine Hauptachse des Werkstücks relativ zu dem Werkstück verfahren. Insbesondere wird das Werkzeug nur mit einer radialen und/oder einer axialen Komponente verfahren, also ohne eine tangentiale Komponente in Bezug auf einen gedachten Zylinder um die Hauptachse.
  • Bei einer Weiterbildung werden mehrere Bearbeitungsvorgänge jeweils zum Einbringen einer Ausnehmung oder eines Satzes von Ausnehmungen durchgeführt, wobei die Bearbeitungsvorgänge nacheinander durchgeführt werden und zwischen den Bearbeitungsvorgängen das Werkstück in Bezug auf eine Hauptachse des Werkstücks relativ zu dem Werkzeug verdreht wird, beispielsweise über einen Teilapparat oder eine C-Achse einer Werkzeugmaschine . Dies erlaubt eine besonders schnelle Bearbeitung des Werkstücks. Ein jeweiliger Bearbeitungsvorgang kann insbesondere zur Herstellung einer Ausnehmung oder eines Satzes von Ausnehmungen durchgeführt werden.
  • Bei noch einer Weiterbildung unterscheiden sich die mehreren Bearbeitungsvorgänge in einer radialen Bearbeitungstiefe in Bezug auf eine Hauptachse des Werkstücks. Dadurch lassen sich Ausnehmungen unterschiedlicher Länge ausbilden. Dies wiederum kann vorteilhaft dafür genutzt werden, zwischen zwei Ausnehmungen mit einer ersten Bearbeitungstiefe zumindest eine Ausnehmung mit einer zweiten, geringeren Bearbeitungstiefe in das Werkstück einzubringen. So kann auch der Bereich zwischen den Ausnehmungen mit der ersten Bearbeitungstiefe, welcher tendenziell außen in Bezug auf die Hauptachse am größten ist, als kühlaktiver Bereich ausgenutzt werden.
  • Das Werkzeug kann beispielsweise als Doppel- oder Zwillingswerkzeug mit zwei gleichzeitig wirksamen, unter einem Abstand zueinander angeordneten Einzelwerkzeugen ausgebildet sein, um mit einem Bearbeitungsvorgang einen Satz von zwei Ausnehmungen in das Werkstück einzubringen. Hierdurch lassen sich mit einem Bearbeitungsvorgang zwei Ausnehmungen herstellen, wodurch das Herstellungsverfahren weiter beschleunigt werden kann. Die Einzelwerkzeuge können insbesondere parallel angeordnet sein. Denkbar ist auch ein Werkzeug mit mehr als zwei Einzelwerkzeugen.
  • Mit einem einzigen Bearbeitungsvorgang können beispielsweise auch mehrere fluchtende Ausnehmungen oder Sätze von Ausnehmungen hergestellt werden. So kann z.B. zunächst eine Ausnehmung bzw. ein Satz von Ausnehmungen eingebracht werden und anschließend im selben Bearbeitungsvorgang eine weitere Ausnehmung bzw. ein weiterer Satz von Ausnehmungen einbracht werden. Insbesondere kann der Bearbeitungsvorgang mit einer radial nach innen verlaufenden Zustellung des Werkzeugs zur Ausbildung einer ersten Ausnehmung bzw. eines ersten Satzes von Ausnehmungen begonnen werden, wobei das Werkzeug an einem radial inneren Ende der ersten Ausnehmung bzw. des ersten Satzes von Ausnehmungen in axialer Richtung aus dem Werkstück herausgefahren wird und weiter in der zunächst gewählten radialen Richtung verfahren wird, wobei anschließend das Werkzeug zur Ausbildung einer zweiten Ausnehmung bzw. eines zweiten Satzes von Ausnehmungen wieder axial in das Werkstück eingefahren wird und weiter in der zunächst gewählten Richtung verfahren wird, die zu diesem Zeitpunkt gegebenenfalls eine radiale Richtung nach außen ist.
  • Was die Ausgestaltung des Werkzeugs anbetrifft, so kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug einen Scheibendurchmesser D und eine Scheibenhöhe H aufweist, wobei D/H ≥ 4.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das Werkzeug einen Scheibendurchmesser D und einen Schaft mit einem Schaftdurchmesser d aufweist, wobei D/d ≥ 1,5.
  • Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der schematischen Zeichnung näher veranschaulicht.
    • Fig. 1
    zeigt einen Kühlkörper einer Vakuumpumpe, der mittels eines Schaftfräsers hergestellt wurde und nicht zur Erfindung gehört.
    Fig. 2
    zeigt schematisch in einem Schnitt längs der Drehachse ein Werkzeug in Form eines Scheibenfräsers mit einer an einem Schaft angeordneten Scheibe.
    Fig. 3
    zeigt eine Ausführungsform eines Kühlkörpers einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.
    Fig. 4
    zeigt teilweise den Kühlkörper von Fig. 3 in einem Schnitt längs der Hauptachse.
  • In Fig. 1 ist ein Kühlkörper 10 einer Vakuumpumpe in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. Der Kühlkörper 10 weist eine Mehrzahl von Kühlrippen 12 auf, die durch Einbringen von Ausnehmungen 14 mittels eines Schaftfräsers ausgebildet wurden. Die Ausnehmungen 14 liegen mit einem jeweiligen Ausnehmungsgrund in einer Ebene. Die Kühlrippen 12 und ein Zentralabschnitt 16 weisen jeweils Seitenwände auf, die zu dieser Ebene senkrecht sind.
  • Die komplexe Kühlrippenstruktur des Kühlkörpers 10 ist nur unter hohem Zeitaufwand herzustellen. Außerdem führen die senkrechten Übergänge zwischen Kühlrippen 12 bzw. Zentralabschnitt 16 und den jeweiligen Ausnehmungsgründen zu einer relativ schlechten Luftleitung, insbesondere zu einem Luftstau im Bereich der Übergänge. Zudem resultiert aus dieser Ausgestaltung eine starke Geräuschentwicklung beim Anblasen der Kühlrippenstruktur.
  • In den Fig. 3 und 4 ist dagegen ein erfindungsgemäßer Kühlkörper 20 einer Vakuumpumpe ebenfalls in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Kühlkörper 20 weist eine Mehrzahl von Ausnehmungen 22 auf, die sich radial bzw. sternförmig in Bezug auf eine Hauptachse A des Kühlkörpers 20 erstrecken. Der Kühlkörper 20 weist eine im Wesentlichen zylindrische Grundform auf, wobei die Hauptachse A mit einer Zylinderachse der zylindrischen Grundform zusammenfällt. An der in Fig. 3 abgewandten, also nicht sichtbaren Seite des Kühlkörpers 20 kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung eine pumpaktive Spirale einer Scrollpumpe ausgebildet sein, d.h. der Kühlkörper 20 ist dann ein Bestandteil einer Scroll-Vakuumpumpe.
  • Der Kühlkörper 20 weist eine Stirnfläche 24 auf, in die die Ausnehmungen 22 eingebracht sind, und umfasst eine Randfläche 28, welche im Wesentlichen einer Zylindermantelfläche entspricht.
  • Eine jeweilige Ausnehmung 22 weist an einem Übergang 30 von der Stirnfläche 24 in die Ausnehmung 22 einen sanften Umlenkbereich 32 für ein Kühlfluid, insbesondere Luft, auf. Der Umlenkbereich 32 ist an einem radial inneren Ende der jeweiligen Ausnehmung 22 angeordnet. An einem radial äußeren Ende weist die jeweilige Ausnehmung 22 einen sanften Auslauf 34 auf. Die Ausnehmung 22 weist einen Ausnehmungsgrund 36 auf.
  • Erfindungsgemäß ist ein nicht dargestelltes Gebläse vorgesehen, welches Luft zur erzwungenen konvektiven Kühlung im Wesentlichen entlang der Hauptachse A gegen die Stirnfläche 24 fördert. Dabei wirkt ein jeweiliger Umlenkbereich 32 derart, dass ein entsprechender Teil der Luftströmung umgelenkt wird und durch die jeweilige Ausnehmung 22 radial nach außen weiterströmt. Die angeblasene Kühlluft wird also entsprechend der Ausrichtung der Ausnehmungen 22 im Wesentlichen sternförmig über den Kühlkörper 20 verteilt und radial nach außen geführt. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige und effektive Wärmeabführung erreicht und, insbesondere aufgrund der sanften Umlenkbereiche 32, die Geräuschentwicklung minimiert.
  • Eine jeweilige Ausnehmung 22 wurde mittels eines Bearbeitungsvorgangs in das Werkstück eingebracht. Nach Beendigung des Bearbeitungsvorgangs wurde das Werkstück um die Hauptachse A relativ zu dem Werkzeug verdreht und ein nächster Bearbeitungsvorgang mit radialer Zustellung wurde durchgeführt. Dabei unterschieden sich einzelne Bearbeitungsvorgänge in einer radialen Bearbeitungstiefe. Es wurden dabei zwei Gruppen von Ausnehmungen ausgebildet, wobei sich die Gruppen hinsichtlich einer radialen Bearbeitungstiefe voneinander unterscheiden.
  • Die Umlenkbereiche 32 der Ausnehmungen 22 können jeweils einen Ausnehmungsgrund aufweisen, der teilkreisförmig ist und somit einen Umlenkkrümmungsradius aufweist. Der Krümmungsradius des Umfangs des Werkzeugs, insbesondere Scheibenfräser oder Kreissäge, kann kleiner oder gleich diesem Umlenkkrümmungsradius sein. Sind die Radien gleich groß, ergibt sich der sanfte Umlenkbereich 32 quasi automatisch beim radialen Zustellen des Werkzeugs in Richtung auf die Achse A. Ist der Werkzeugkrümmungsradius kleiner als der Umlenkkrümmungsradius, wird das Werkzeug entlang eines entsprechenden Bewegungsprofils verfahren, um den sanften Umlenkbereich 32 herzustellen.
  • Der Kühlkörper 20 der Fig. 3 und 4 lässt sich nicht nur relativ einfach, schnell und damit kostengünstig mittels eines Werkzeugs herstellen, welches zumindest ein scheibenförmiges Werkzeug wie z.B. einen Scheibenfräser und/oder eine Kreissäge umfasst. Der Kühlkörper 20 weist auch eine relativ große kühlaktive Oberfläche auf, was zu einer besonders guten Kühlwirkung führt. Durch die größere Oberfläche und die zusätzliche Umlenkung von angeblasener Luft ist also eine deutlich verbesserte Kühlleistung bei zugleich geringerer Geräuschentwicklung zu erwarten.
  • Beim Kühlkörper 20 gemäß Fig. 3 und 4 ist über einen Winkelbereich von mehr als 270° jeweils zwischen zwei langen Ausnehmungen 22 eine kurze Ausnehmung 22 ausgebildet. Alle Ausnehmungen 22 erstrecken sich bis zum Randbereich 28, wobei die inneren Enden der kurzen Ausnehmungen 22 auf einem Kreis um das Zentrum Z liegen, der größer ist als ein Kreis um das Zentrum Z, auf dem die inneren Enden der langen Ausnehmungen 22 liegen.
  • Was mögliche relative Abmessungen der Ausnehmungen 22 sowie eines scheibenförmiges Werkzeugs zu deren Herstellung anbetrifft, so wird auf die Fig. 2 und 4 verwiesen.
  • Gemäß Fig. 2 besitzt ein die Drehachse U dieses Scheibenfräsers festlegender Schaft 40 einen Durchmesser d, wobei eine am Schaft 40 angeordnete, radial außen mit einer Vielzahl von Schneiden 44 versehene Bearbeitungsscheibe 42 einen Scheibendurchmesser D und eine Scheibenhöhe H aufweist. In einer praktisch vorteilhaften Ausgestaltung gilt D/H ≥ 4 und D/d ≥ 1,5.
  • Fig. 4 zeigt beispielhaft das Profil zweier Ausnehmungen 22, die jeweils am Übergang 30 von der Stirnfläche 24 des Kühlkörpers 22 einen sanften, d.h. besonders strömungsgünstigen und reibungsvermindernden Umlenkbereich 32, darin anschließend einen parallel zur Stirnfläche 24 verlaufenden Ausnehmungsgrund 36 und wiederum daran anschließend einen Auslauf 34 in den Randbereich 28 aufweisen. Über dem Ausnehmungsgrund 36 liegt die Stirnfläche 24 in einer Höhe h. Die Breite der Ausnehmungen 22 kann der Höhe H der Scheibe 42 des Werkzeugs (Fig. 6) entsprechen, wobei dies aber nicht zwingend ist, d.h. mit dem Werkzeug können grundsätzlich auch Ausnehmungen hergestellt werden, deren Breite größer ist als die Höhe der Bearbeitungsscheibe 42. In einer praktisch vorteilhaften Ausgestaltung ist die Höhe h der Ausnehmungen 22 jeweils zumindest gleich der Breite der Ausnehmungen 22. Bevorzugt ist die Höhe h größer als die Breite. Mit anderen Worten sind die Ausnehmungen 22 zwischen Umlenkbereich 32 und Auslauf 34 tiefer als breit.
  • Der Radius R des Umlenkbereiches 32 einer Ausnehmung 22 ist bevorzugt gleich dem Radius D/2 der Bearbeitungsscheibe 42, die zur Herstellung dieser Ausnehmung 22 verwendet wird, kann aber auch größer als dieser Radius D/2 sein.
    • Bezugszeichenliste
    • 10
    Kühlkörper
    12
    Kühlrippe
    14
    Ausnehmung
    16
    Zentralabschnitt
    20
    Kühlkörper
    22
    Ausnehmung
    24
    Stirnfläche
    26
    Radius
    28
    Randfläche
    30
    Übergang
    32
    Umlenkbereich
    34
    Auslauf
    36
    Ausnehmungsgrund
    38
    Befestigungsaussparung
    40
    Schaft
    42
    Scheibe
    44
    Schneide
    A
    Hauptachse
    d
    Schaftdurchmesser
    D
    Scheibendurchmesser
    H
    Scheibenhöhe
    h
    Höhe der Ausnehmung
    R
    Radius des Umlenkbereiches
    U
    Drehachse

Claims (13)

  1. Vakuumpumpe, insbesondere Scrollpumpe,
    umfassend einen Kühlkörper (20), mit einer im Betrieb der Vakuumpumpe von einem Kühlfluid beaufschlagten Stirnfläche (24),
    wobei ein Gebläse vorgesehen ist, um den Kühlkörper (20) mit Luft zu beaufschlagen, wobei das Gebläse eine Strömungsrichtung definiert, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zur Stirnfläche (24) des Kühlkörpers (20) ist,
    wobei in der Stirnfläche (24) eine Kühlstruktur mit einer Mehrzahl von in die Stirnfläche (24) eingebrachten und sich entlang der Stirnfläche (24) erstreckenden Ausnehmungen (22) ausgebildet ist,
    wobei zumindest an einem Übergang (30) von der Stirnfläche (24) in eine jeweilige Ausnehmung (22) ein sanfter Umlenkbereich (32) für das Kühlfluid ausgebildet ist, der den vom Gebläse erzeugten Luftstrom von einer ersten Richtung, nämlich der Strömungsrichtung, in eine zweite Richtung, nämlich radial nach außen, umlenkt,
    wobei sich die Ausnehmungen (22) jeweils von einem Zentralbereich des Kühlkörpers (20) zu einem Randbereich des Kühlkörpers (20) sternförmig erstrecken, und
    wobei über einen Winkelbereich von mehr als 270° jeweils zwischen zwei langen Ausnehmungen (22) eine kurze Ausnehmung (22) ausgebildet ist.
  2. Vakuumpumpe nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmungen (22) jeweils als länglicher Strömungskanal ausgebildet sind und/oder dass die Ausnehmungen (22) jeweils geradlinig sind.
  3. Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmungen (22) jeweils eine in Bezug auf eine Länge der Ausnehmung (22) konstante Breite aufweisen und/oder dass die Ausnehmungen (22) jeweils eine Höhe (h) und eine Breite aufweisen, wobei die Höhe (h), insbesondere zumindest in einem wenigstens näherungsweise parallel zur Stirnfläche (24) verlaufenden Bereich, gleich der Breite oder größer als die Breite ist.
  4. Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Ausnehmungen (22) jeweils als ein Einschnitt oder eine Nut ausgebildet sind.
  5. Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Umlenkbereich (32) teilkreisförmig ausgebildet ist.
  6. Vakuumpumpe nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    zumindest einige Ausnehmungen (22) wenigstens über einen Teil ihrer Länge parallel zueinander verlaufen.
  7. Verfahren zum Herstellen eines Kühlkörpers (20) für eine Vakuumpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche mit den Schritten:
    Bereitstellen eines eine Stirnfläche (24) aufweisenden Werkstücks als Ausgangselement für den Kühlkörper (20), und
    Einbringen einer Mehrzahl von sich entlang der Stirnfläche (24) erstreckenden Ausnehmungen (22) in das Werkstück durch ein Werkzeug,
    wobei das Werkzeug scheibenförmig ausgebildet ist und insbesondere einen Scheibenfräser oder eine Kreissäge umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an zumindest einem Übergang (30) von der Stirnfläche (24) in die Ausnehmung (22) durch das Werkzeug ein Umlenkbereich (32) für ein Kühlfluid ausgebildet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    für jede Ausnehmung (22) oder jeden Satz von Ausnehmungen (22) genau eine Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück erfolgt, bei der die Ausnehmung (22) bzw. Ausnehmungen (22) in das Werkstück eingebracht werden.
  10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Werkzeug zum Einbringen der Ausnehmungen (22) mit einer radialen Komponente in Bezug auf eine Hauptachse (A) des Werkstücks relativ zu dem Werkstück verfahren wird.
  11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Bearbeitungsvorgänge jeweils zum Einbringen einer Ausnehmung (22) oder eines Satzes von Ausnehmungen (22) durchgeführt werden, wobei die Bearbeitungsvorgänge nacheinander durchgeführt werden und zwischen den Bearbeitungsvorgängen das Werkstück in Bezug auf eine Hauptachse (A) des Werkstücks relativ zu dem Werkzeug und/oder umgekehrt verdreht wird.
  12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Werkzeug einen Scheibendurchmesser (D) und eine Scheibenhöhe (H) aufweist, wobei D/H ≥ 4.
  13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 7 bis 12,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Werkzeug einen Scheibendurchmesser (D) und einen Schaft mit einem Schaftdurchmesser (d) aufweist, wobei D/d ≥ 1,5.
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