VAKUUMPUMPE MIT EINER GASBALLASTEINRICHTUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuumpumpe mit einer absperrbaren Leitung, über die Gasballast in den Schöpfraum der Pumpe zuführbar ist.

Bei Vakuumpumpen mit einer inneren Kompression besteht die Gefahr, daß angesaugte Dämpfe im Schöpfraum kondensieren. Eine Kondensation findet nicht statt, solange angesaugte Dämpfe nicht höher komprimiert werden als bis zu ihrem Sättigungsdampfdruck. Wird beispielsweise Wasserdampf auf einen darüberhinausgehenden Druck komprimiert, kondensieren Dämpfe in der Pumpe und emulgiert mit dem Pumpenöl. Die Schmiereigenschaften des Pumpenöles nehmen dadurch sehr schnell ab, so daß die Gefahr eines Fressens des Rotors besteht. Durch Einlassen von Gas, vorzugsweise Luft - Gasballast - in den Schöpfraum der Pumpe können angesaugte Dämpfe praktisch verdünnt und damit der Sättigungsdampfdruck erhöht werden, so daß die schädlichen Kondensationen nicht eintreten. Es ist bekannt, die Gasballasteinrichtung mit einem von Hand bedienbaren Ventil auszurüsten, so daß die Gasballastzufuhr abgesperrt werden kann, wenn sie nicht benötigt wird.

Aus der DE-A-702 480 und GB-A- 832 264 sind Vakuumpumpen mit Gasballasteinrichtungen allgemein bekannt. Die in Figur 1 dieses Dokumentes dargestellte Drehschiebervakuumpumpe weist eine Gasballasteinrichtung auf, bei der die zugeführt Gasmenge vom Ansaugdruck abhängt. Bei einem hohen Ansaugdruck ist das Ventil offen; mit abnehmenden Ansaugdruck wird auch die Gasballastzufuhr reduziert. Bei einem Ausfall einer Vakuumpumpe dieser Art - z.B. durch Ausfall des Antriebs - tritt mehr oder weniger schnell über die Gasballastzufuhr eine Belüftung des Rezipienten ein.

Es ist bekannt, die Belüftung von Rezipienten mit Hilfe von betriebsabhängig gesteuerten Saugstutzenventilen zu verhindern. Diese Lösungen sind jedoch aufwendig und kommen für preiswerte Ausführungen von Vakuumpumpen nicht infrage. Eine weitere Möglichkeit der Verhinderung der Belüftung des Rezipienten besteht darin, beim Ausfall der Pumpe für eine hermetische Abdichtung des Schöpfraumes der Pumpe zu sorgen. Eine Lösung dafür ist aus der älteren Anmeldung DE-A-42 08 194 bekannt. Bei dieser Lösung wird die Ölzufuhr zum Schöpfraum bei einem Ausfall der Pumpe unterbunden, um eine Verseuchung des Rezipienten mit Öldämpfen zu vermeiden. Voraussetzung für die Funktion dieser Lösung ist jedoch, daß eine Gasballasteinrichtung nicht vorhanden ist oder bereits vor dem Ausfall der Pumpe von Hand geschlossen wurde. Bekannte, sogenannte hermetisch dichte Vakuumpumpen haben bisher keine Vakuumsicherung bei eingeschaltetem Gasballast.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuumpumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Gefahr einer Belüftung des Rezipienten über die Gasballastzufuhr bei einem Ausfall der Pumpe nicht besteht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.

Dadurch, daß das betriebsabhängig arbeitende Steuerventil für die Gasballastzufuhr bei einem Ausfall der Pumpe schließt, kann eine Belüftung des Rezipienten über die Gasballastzufuhr nicht stattfinden. Bei Vakuumpumpen mit einer ebenfalls betriebsabhängig arbeitenden Ölpumpe wird das Steuerventil zweckmäßig durch den Öldruck betätigt. Der Öldruck ist ein einfaches und sicheres Indiz für den Betriebszustand der Vakuumpumpe. Im übrigen hermetisch dichte Pumpen benötigen zur Vakuumsicherung kein Saugstutzenventil.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den Figuren 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen

• Figur 1 eine Vakuumpumpe mit einem Gasballastzufuhr-Ventil nach der Erfindung,
• Figur 2 vergrößert das in Figur 1 dargestellte Gasballastzufuhr-Ventil und
• Figuren 3 und 4 eine weitere Ausführungsformen für ein Gasballastzufuhr-Ventil.

Die in Figur 1 dargestellte Drehschiebervakuumpumpe 1 umfaßt im wesentlichen die Baugruppen Gehäuse 2, Rotor 3 und Antriebsmotor 4.

Das Gehäuse 2 hat im wesentlichen die Form eines Topfes mit einer äußeren Wandung 5, mit dem Deckel 6, mit einem Innenteil 7 mit den Schöpfräumen 8,9 sowie der Lagerbohrung 11 und mit der Endscheibe 12 und dem Lagerstück 13, welche die Schöpfräume 8, 9 stirnseitig abschließen. Die Achse der Lagerbohrung 11 ist mit 14 bezeichnet. Exzentrisch dazu liegen die Achsen 15 und 16 der Schöpfräume 8, 9. Zwischen äußerer Wandung 5 und Innenteil 7 befindet sich der Ölraum 17, der während des Betriebs der Pumpe teilweise mit Öl gefüllt ist. Zur Kontrolle des Ölstandes sind im Deckel 6 zwei Ölaugen 18, 19 (maximaler, minimaler Ölstand) vorgesehen. Öleinfüll- und Ölablaßstutzen sind nicht dargestellt.

Innerhalb des Innenteils 7 befindet sich der Rotor 3. Er ist einteilig ausgebildet und weist zwei stirnseitig angeordnete Ankerabschnitte 21, 22 und einen zwischen den Ankerabschnitten 21, 22 befindlichen Lagerabschnitt 23 auf. Lagerabschnitt 23 und die Ankerabschnitte 21, 22 haben einen identischen Durchmesser. Die Ankerabschnitte 21, 22 sind mit Schlitzen 25, 26 für Schieber 27, 28 ausgerüstet. Diese sind jeweils von der zugehörigen Stirnseite des Rotors her eingefräst, so daß in einfacher Weise exakte Schlitzabmessungen erreicht werden können. Der Lagerabschnitt 23 liegt zwischen den Ankerabschnitten 21, 22. Lagerabschnitt 23 und Lagerbohrung 11 bilden die einzige Lagerung des Rotors. Diese Lagerung muß eine ausreichende axiale Länge haben, damit ein Taumeln des Rotors vermieden wird. Zweckmäßig beträgt die Länge der Lagerung mindestens 10 %, vorzugsweise mindestens 25 % der Länge des gesamten Rotors.

Der Ankerabschnitt 22 und der zugehörige Schöpfraum 9 sind länger ausgebildet als der Ankerabschnitt 21 mit dem Schöpfraum 8. Ankerabschnitt 22 und Schöpfraum 9 bilden die Hochvakuumstufe. Während des Betriebs steht der Einlaß der Hochvakuumstufe 9, 22 mit dem Ansaugstutzen 30 in Verbindung. Der Auslaß der Hochvakuumstufe 9, 22 und der Einlaß der Vorvakuumstufe 8, 21 stehen über die Gehäusebohrung 31 mit ihrer Achse 32 in Verbindung, die sich parallel zu den Achsen 15, 16 der Schöpfräume 8,9 erstreckt. Der Auslaß der Vorvakuumstufe 8, 21 mündet in den Ölraum 17, der den Ölsumpf 20 umfaßt. Dort beruhigen sich die ölhaltigen Gase und verlassen die Pumpe 1 durch den Auslaßstutzen 33. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die Einlaß- und Auslaßöffnungen der beiden Pumpenstufen in Fig. 1 nicht dargestellt.

Koaxial mit der Achse 14 der Lagerbohrung 11 ist das Lagerstück 13 mit einer Bohrung 35 für die Welle 36 des Antriebsmotors 4 ausgerüstet. Die Abdichtung der Welle 36 zum Lagerstück 13 erfolgt durch die Wellendichtringe 55 in den Aussparungen 56. Die Kupplung des Rotors 3 mit der Antriebswelle 36 erfolgt formschlüssig über Nocken und korrespondierende Aussparungen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 3 auf seiner der Welle 36 zugewandten Stirnseite mit einer länglichen Aussparung 38 ausgerüstet, die sich senkrecht zum Schieberschlitz 26 erstreckt. Mit einem Nocken 40 greift die Welle 36 in die Aussparung 38 ein. Der Nocken 40 der Welle 36 ist seinerseits mit der Aussparung 41 ausgerüstet, welche den Schieber 28 umgreift.

Die Pumpe nach Figur 1 ist mit einer Ölpumpe ausgerüstet. Diese besteht aus dem in die Endscheibe 12 eingelassenen Schöpfraum 45 mit dem darin rotierenden Exzenter 46. Dem Exzenter liegt ein Sperrschieber 47 an, der unter dem Druck der Spiralfeder 48 steht. Zur Unterbringung des Schöpfraumes 45 in die Endscheibe 12 ist diese mit einem Deckel 52 ausgerüstet. Mit Nocken 53 an der vorvakuumseitigen Stirnseite des Rotors 3 erfolgt der Antrieb des Rotors bzw. Exzenters 46 der Ölpumpe 45, 46. Über eine Bohrung 51 steht der Einlaß der Ölpumpe 45, 46 mit dem Ölsumpf 20 in Verbindung. Alle Stellen der Pumpe 1, die Öl benötigen, stehen mit dem Auslaß der Ölpumpe 45, 46 in Verbindung, u.a. das insgesamt mit 71 bezeichnete Ventilsystem, das sich ebenfalls in der Endscheibe 12 befindet und das in Figur 2 vergrößert dargestellt ist.

Bei dem in Figur 2 vergrößert dargestellten Ventilsystem 71 handelt es sich um ein Membranventil, dessen Membran 72 sich innerhalb einer Aussparung 73 in der Endscheibe 12 befindet. Sie ist im Bereich ihrer Peripherie mit Hilfe des Randes 75 einer nach außen gewölbten Kappe 76 und des Deckels 52 in der Aussparung 73 befestigt. In den von der Membran 72 nach außen abgeschlossenen Teilraum 77 mündet eine Leitung 78, die mit einem vom Betriebszustand der Pumpe 1 abhängigen Steuerdruck beaufschlagbar ist. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel (Figuren 1, 2) ist die Leitung 78 mit dem Auslaß der Ölpumpe 45, 46 verbunden, so daß während des Betriebs der Pumpe 1 im Teilraum 77 der Aussparung 73 ein erhöhter Öldruck vorhanden ist. Auch die Verwendung anderer Steuerdrücke einer Vakuumpumpe - z.B. der sich gegen ein Auspuff-Filter aufbauende Überdruck im Auslaß der Pumpe - ist möglich.

An der Membran 72 ist ein sich in den Teilraum 77 erstrekkendes zylindrisches Formstück 58 befestigt, in dessen freie Stirnseite ein Hohlnippel 59 eingelassen ist. Das Formstück 58 mit dem Hohlnippel 59 bildet das Verschlußstück eines mit einer Dichtung 60 ausgerüsteten Ventiles, dessen Sitz der Wandungsabschnitt 61 (Boden) des Teilraumes 77 ist. Zentral zum Nippel 59 mündet in den Wandungsabschnitt 61 eine Bohrung 62, die mit einer Gasballastzuführungsleitung 63 in Verbindung steht. In dieser Leitung befindet sich noch ein Ventil 64, mit dem die Gasballastzufuhr von Hand abgestellt werden kann. In den Wandungsabschnitt 67 mündet außerdem noch die Bohrung bzw. Leitung 102, die mit dem Schöpfraum in Verbindung steht. Die Mündung der Leitung 102 liegt außerhalb der Dichtung 60, so daß die Bohrungen 62, 102 mit Hilfe des Ventiles 59, 60, 61 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können. Um einen Öleintritt in die Gasballastleitung zu verhindern, ist noch das gehäusefeste Elastomerformstück 65 vorhanden, das das Verschlußstück 58, 59 dicht umgreift.

An der Membran 72 ist außerhalb des Teilraumes 77 ein Stützblech 66 von etwa der Größe des freien Bereichs der Membran befestigt. Eine Feder 96 befindet sich zwischen der Kappe 76 und dem Stützblech 66. Das Stützblech ist noch mit einem nach außen abgekanteten Rand 67 ausgerüstet, dem eine Stufe 68 in der Kappe 76 zugeordnet ist. Diese bildet einen Anschlag für den Rand 67. Die Lage der Stufe 68 ist so gewählt, daß eine Überdehnung der Membran 72 nach außen nicht eintreten kann.

Während des Betriebs der Pumpe herrscht im Teilraum 77 ein erhöhter Öldruck. Das Verschlußstück 58, 59 bewegt sich infolge dieses Druckes entgegen der Kraft der Feder 96 und öffnet damit die Verbindung zwischen den Bohrungen 62 und 102. Bei offenem Ventil 64 kann Gasballast in den Schöpfraum eintreten. Hält der Rotor 3 der Pumpe an und damit auch der Rotor 46 der Ölpumpe, läßt der Öldruck im Teilraum 77 nach. Das Verschlußstück 58, 59 bewegt sich in Schließrichtung und trennt die beiden Bohrungen 62 und 102 voneinander. Bei einem Ausfall der Pumpe ist deshalb die Gasballastzufuhr unterbrochen, auch wenn das Ventil 64 geöffnet ist.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 3 ist die Membran 72 gleichzeitig das Stellglied und das Verschlußstück des Ventils 71. Sie ist so ausgebildet, daß sie nur zwei stabile Positionen hat. In einer ihrer Stellungen ist sie ausgezogen dargestellt; die zweite Stellung ist jeweils gestrichelt dargestellt. Die besondere Eigenschaft des membranförmigen Verschlußgliedes 72, nur zwei stabile Positionen einnehmen zu können, wird durch Ausnutzung des Knackfroscheffektes erreicht. Vorzugsweise mit metallischen Membranen kann dieser Effekt erzielt werden. Metallische Membranen haben darüberhinaus den Vorteil einer längeren Lebensdauer als aus Kunststoff oder einem Elastomer bestehende Membranen, zumal dann, wenn diese als Verschlußglied mit einem Dichtsitz aus Kunststoff oder Elastomer zusammenarbeiten.

Die Membran 72 als Verschlußstück des Ventilsystems 71 nach Figur 3 hat zwei Funktionen. Ihr sind - auf beiden Seiten der Membran einander gegenüberliegend - zwei Sitze 81, 82 mit den Durchtrittsöffnungen 83, 84 zugeordnet, welche von den Elastomernippeln 85 , 86 gebildet werden. Der innerhalb des Teilraumes 77 angeordnete Nippel 86 stützt sich in der Scheibe 12 ab, während der außerhalb des Teilraumes 77 befindliche Nippel 85 von der Kappe 76 gehalten wird. Je nach der Größe des Steuerdruckes im Teilraum 77 liegt die Membran 72 entweder dem Nippel 85 oder dem Nippel 86. An der Membran 72 ist in ihrem zentralen Bereich ein Ventil stempel 97 befestigt, der den Durchtritt 83 durchsetzt. Außerhalb der Kappe 76 befindet sich ein vom Stempel 97 betätigtes Verschlußstück 98, dem der Dichtsitz 99 an der Kappe 76 zugeordnet ist und das sich in einer geschlossenen Kammer 100 befindet.

Bei einer Vakuumpumpe nach Figur 1 kann ein derartiges Ventil dazu verwendet werden, sowohl die Ölzufuhr als auch die Gasballastzufuhr zu einem Schöpfraum 8, 9 betriebsabhängig zu steuern. Während des Betriebs nimmt die Membran 72 die ausgezogen dargestellte Stellung ein. Der Durchtritt 84 ist offen. Gasballast kann durch die Öffnungen 93 in der Kappe 76, durch Bohrungen 101 im Nippel 85, der für die Membran 72 die Funktion eines Anschlags hat, durch den Durchtritt 83 und durch die Kammer 101 in die mit dem Schöpfraum in Verbindung stehende Leitung 102 mit dem Ventil 103 eintreten. Bei offenem Ventil 103 gelangt der Gasballast in den Schöpfraum. Ist ein Gasballast nicht erwünscht, wird das Ventil 103 geschlossen.

Bei einem Anhalten des Rotors 3 und damit auch des Rotors 46 der ölpumpe läßt der Öldruck im Teilraum 77 nach. Die Membran 72 und damit das Verschlußstück 98 nehmen die gestrichelt dargestellte Stellung ein. Ölzufuhr und Gasballastzufuhr sind unterbrochen.

Der Wechsel der Stellung der Membran 72 von ihrer einen Stellung in ihre andere hängt von der Ausbildung der Membran 72 selbst und vom Druck in Teilraum 77 ab. Die Geschwindigkeit des Druckaufbaus kann mit Hilfe einer Drossel 94 beeinflußt werden, die sich in der Leitung 95 befindet, die sich an den Durchtritt 84 anschließt (Fig. 2). Eine Beeinflussung des Schaltzeitpunktes der Membran kann außerdem durch eine Feder 96 erreicht werden, die auf die Membran 72 einwirkt. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist außerhalb des Teilraumes 77 eine Druckfeder 96 vorgesehen, die den Nippel 85 umgibt und die sich von innen auf der Kappe 76 sowie auf der Membran 72 abstützt.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4 ist ein den Teilraum 77 einschließendes, topfförmiges Gehäuse 105 mit seinem Boden 106 auf der Endscheibe 12 befestigt. Der Rand 74 der Membran 72 befindet sich zwischen der Kappe 76 und dem Gehäuse 105. An der Membran 72 ist ein Ventilstempel 107 befestigt, der den Boden 106 des Gehäuses 105 durchsetzt und in einer ebenfalls topfförmigen Aussparung 108 in der Endscheibe 12 endet. In den Boden 109 der Aussparung 108 mündet etwa zentral die Bohrung 102, die mit dem Schöpfraum in Verbindung steht. Im übrigen bildet der Boden 109 der Aussparung 108 einen die Mündung der Bohrung 102 umgebenden Ventilsitz, der mit der Dichtung 110 am Ventilstempel 107 zusammenarbeitet. Die Betätigung des Ventiles 109/110 erfolgt wie bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen mit Hilfe des Öldruckes.

Die Aussparung 108 erweitert sich zunächst über eine Stufe 111 und dann über einen konischen Abschnitt 112 nach außen. In Höhe des konischen Abschnittes 112 befindet sich im Boden 106 des Gehäuses 105 eine Ringnut 113, in die eine Bohrung 114 mündet. Diese verbindet die Gasballastzuführungsleitung 63 mit der Ringnut 113. Der Ringnut 113 und dem konischen Abschnitt 112 ist eine peripher zwischen Gehäuse 105 und Endscheibe 12 befestigte Ringmembran 115 zugeordnet. Diese bildet für den Gasballaststrom ein Rückschlagventil. Strömt Gasballast in der gewünschten Richtung, gibt die Ringmembran 115 die Ringnut 113 frei. Überbeanspruchungen der Ringmembran 115 verhindert der konische Abschnitt 112, an den sich die Ringmembran anlegt. Im Ruhezustand oder bei Überdruck im Raum 108 liegt die Ringmembran 115 der Ringnut 113 auf, so daß Öl oder Gas in umgekehrter Richtung nicht zu strömen vermag.