Vakuumpumpe mit einseitiger Lagerung der Pumpenrotoren

Die Erfindung betrifft eine Vakuumpumpe, vorzugsweise mit einem Saugvermögen unter 50 m³/h, mit einem Schraubenpumpenaggregat mit zwei schraubenförmigen, in gegenseitigem Eingriff stehenden Rotoren in einem geeignet geformten Schöpfraum eines Schraubenpumpenstators, der eine Saugseite mit einem Einlass und eine Druckseite mit einem Auslass aufweist, und mit einem Zwei-Wellen-Synchronantrieb mit zwei magnetisierten, sich nicht berührenden Zylindern, die auf die Rotoren tragenden Rotorwellen befestigt sind und diese infolge ihrer gegenseitigen magnetischen Wechselwirkung gegenläufig synchronisieren, und einer oder mehreren, die beiden magnetisierten Zylinder umgebenden Wicklungen eines Motorstators, die durch geeignete Bestromung wandernde Magnetfelder erzeugen dergestalt, dass sich die beiden magnetisierten Zylinder und damit die Rotorwellen gegenläufig synchron drehen, wobei die Lagerung der beiden Rotorwellen nur am Antrieb vorgesehen ist, insbesondere also keine Lagerung auf der vom Antrieb fernen Seite des Schöpfraums vorhanden ist.

Die Erfindung betrifft damit also eine Vakuumpumpe mit einem Schraubenpumpenaggregat, das im Schöpfraum ölfrei und berührungslos läuft. Eine solche Vakuumpumpe ist regelmäßig für ein Endvakuumbereich 10² Pa bis 10^-2 Pa vorgesehen (Feinvakuum).

Zahlreiche Prozesse in Forschung und Industrie erfordern ein Vakuum im Bereich 10² Pa bis 10^-2 Pa, wobei häufig auch kondensierende und/oder aggressive Dämpfe oder Gase gefördert werden müssen. Zur Erzeugung eines Unterdrucks in diesem Bereich werden oft flüssigkeitsgedichtete oder -geschmierte Vakuumpumpen wie beispielsweise ölgedichtete Drehschieberpumpen eingesetzt. Die Verwendung von solchen Pumpen, bei denen das gepumpte Medium mit Öl oder anderen Flüssigkeiten in Berührung kommt, hat zahlreiche Nachteile. So können die gepumpten Medien den Schmierstoff verunreinigen oder mit ihm reagieren, was die Schmier-und Dichtwirkung herabsetzt. Rückströmung von gasförmigen Komponenten oder Zersetzungsprodukten des Schmierstoffes in die Prozessanlage kann die dortigen Prozesse empfindlich stören.

Aus diesem Grund wird seit langem an der Entwicklung sogenannter "trockener" Vakuumpumpen gearbeitet, also von Pumpen, bei denen die gepumpten Medien nicht mit einer Flüssigkeit in Berührung kommen.

Bei höheren Drücken, d.h. im Bereich 10⁵ Pa bis 10² Pa, sind Membranvakuumpumpen sehr vorteilhaft, da der Schöpfraum durch die gasdicht eingespannte Membran hermetisch vom Antriebsbereich abgetrennt ist. Durch das begrenzte Verdichtungsverhältnis und die normalerweise nur durch die Gasströmung betätigten Ventile lassen sich jedoch Drücke unterhalb 50 Pa nur schwer erreichen.

Neben Feinvakuumpumpen wie Kolbenpumpen, Scrollpumpen, Klauenpumpen und Rootspumpen sind auch Schraubenvakuumpumpen bekannt.

Bei Schraubenvakuumpumpen (kurz: Schraubenpumpen) kämmen zwei schraubenförmige Rotoren berührungslos in einem geeignet geformten Schöpfraum eines Schraubenpumpenstators miteinander, so dass durch ihre gegenläufige Drehung Gas von einem Einlass zu einem Auslass gefördert wird.

Ein Vorteil von Schraubenpumpen ist eine hohe mögliche Verdichtung, da Schraubenpumpen intrinsisch vielstufig aufgebaut werden können, weil jeder Schraubengang als Stufe wirkt. Damit bieten Schraubenpumpen die Möglichkeit, mit nur einem Rotorpaar ein gutes Endvakuum zu erzielen.

Bei Schraubenpumpen ist eine sogenannte fliegende Lagerung des Rotorpaars möglich. Bei einer fliegenden Lagerung erfolgt die Lagerung nur von einer Seite des Rotorpaars aus. Der Schraubenpumpenstator selbst hat keine Lagerung des Rotorpaars. Das erlaubt eine einfache Demontage des Schraubenpumpenstators z.B. für Wartungs- und Reinigungszwecke.

Die EP 0 811 766 B1 zeigt eine Vakuumpumpe mit zwei Schraubenpumpenaggregaten und dazwischen den Antrieb der Rotorwellen, die für beide Schraubenpumpenaggregate als Träger der schraubenförmigen, miteinander im Eingriff laufenden Rotoren dienen. Beide Rotorpaare sind jeweils fliegend gelagert.

Nachteile einer fliegenden Lagerung der Rotoren sind ein höherer baulicher Aufwand sowie höhere Anforderungen bezüglich Stabilität und Genauigkeit der einzelnen Bauteile. Für Anwendungen mit kondensierenden oder korrosiven Medien überwiegen jedoch die Vorteile einer liegenden Lagerung der Rotoren.

Bisher bekannte Schraubenpumpen mit fliegend gelagerten Rotoren weisen meist ein Saugvermögen von über 100 m³/h auf und sind daher deutlich größer als für Laboranwendungen einsetzbar. Bei derartigen Pumpen ist die Lagerung mitunter in den Rotoren untergebracht. Für kompakte Schraubenpumpen mit einem Saugvermögen von deutlich unter 50 m³/h lässt sich dies kaum anwenden, da die Rotoren dafür zu klein sind. Kompakte Schraubenpumpen erfordern also andere technologische Ansätze.

Andere bekannte Bauformen von Schraubenpumpen mit fliegend gelagerten Rotoren sehen konventionelle Zahnrad-Getriebe mit Lagerung außerhalb der Rotoren und des Schöpfraums vor. Mitunter befindet sich zwischen diesen Lagern und dem Schöpfraum noch eine Abdichtung mit schleifenden Dichtungen, z.B. Wellendichtringen, oder mit Spaltdichtungen, oft mit Labyrinth und externer Spülgaszuführung.

Schleifende Dichtungen sind nachteilig, da verschleißend. Spaltdichtungen mit Labyrinth und externer Spülgaszuführung sind aufwendig, benötigen viel Platz und erfordern eine externe Spülgasversorgung. Für den typischen Einsatz herkömmlicher, groß bauender Schraubenpumpen, beispielsweise in Produktionsanlagen, stellt dies kein nennenswertes Problem dar. Auch durch diesen Aspekt ergeben sich aber für kompakte Schraubenpumpen mit einem Saugvermögen unter 50 m³/h andere Anforderungen.

Der Antrieb der Rotoren bei Zwei-Wellen-Pumpen (wie Roots-, Klauen- und Schraubenpumpen) erfolgt beispielsweise durch zwei synchron laufende Motoren oder durch ein Mittel zum Antrieb und zur Synchronisation der Rotoren ausgehend von einer einzelnen Antriebswelle wie beispielsweise ein Getriebe. Mechanische Getriebe sind groß, laut, teuer und schwer und erfordern eine Abdichtung des Zahnrad-Schmiermittels nach außen und zum Schöpfraum. Herkömmliche bekannte Antriebe mit zwei Motoren, die elektronisch synchronisiert sind, sind aufgrund der notwendigen präzisen Drehwinkelmessung und Steuerungselektronik aufwändig und lohnen sich bestenfalls für sehr groß bauende Schraubenpumpen.

Eine Vakuumpumpe mit einem Schraubenpumpenaggregat und einem derartigen Zwei-Wellen-Synchronantrieb zeigt die DE 195 22 560 A1, von der die vorliegende Erfindung ausgeht. Bei dieser Vakuumpumpe sind die Rotorwellen mit zusammenwirkenden Zahnrädern versehen, die die Synchronisierung der Rotorwellen bewirken oder zusätzlich zu einer elektronischen Synchronisation eine Notsynchronisation ermöglichen. Jede Rotorwelle ist mit einem Läufer eines Antriebmotors verbunden, dessen Stator in einem Motorgehäuse angeordnet ist.

Die Zahnräder der bekannten Vakuumpumpe können auch als Impulsgeberscheiben dienen, die von Sensoren abgetastet werden. Diese Sensoren stehen mit einer Regeleinrichtung in Verbindung, die die jeweilige Drehstellung der Rotoren gegenüber einem Sollwert überwacht und über den Antrieb korrigiert. Es handelt sich dabei um eine Synchronisation der Rotoren auf elektronischem Wege.

Alternativ zu dem Antrieb der aus der DE 195 22 560 A1 bekannten Vakuumpumpe kann ein Getriebe auch als sogenanntes magnetisches Getriebe ausgebildet sein. Hier erfolgt die Synchronisation der beiden Rotorwellen durch berührungslos aneinander vorbeilaufende Zylinder, Scheiben o.ä.. Durch entsprechende Magnetisierung oder aufgebrachte Magnete werden die zugeordneten Zylinder in Synchronisation gehalten. Da sich die Zylinder nicht berühren, läuft ein magnetisches Getriebe leise, verschleiß- und schmiermittelfrei. Nachteilig ist, dass zwischen den Zylindern hohe magnetische Anziehungskräfte wirken müssen.

Umgibt man ein solches magnetisches Getriebe mit geeignet angeordneten Spulen zur Erzeugung wandernder Magnetfelder und bestromt diese geeignet und ggf. entsprechend der Stellung der magnetisierten Zylinder, so erhält man einen synchronen Zwei-Wellen-Antrieb analog zu einem bürstenlosen DC-Antrieb oder Synchronmotor. Die magnetisierten Zylinder des Getriebes dienen dabei als Motor-Rotoren (JP-A-04-178143).

Die aus der EP 0 811 766 B1 bekannte Vakuumpumpe wendet einen magnetischen Synchron-Antrieb der zuvor erläuterten Art zum Antrieb der Schraubenpumpenaggregate an. Bei dieser Vakuumpumpe mit zwei Schraubenpumpenaggregaten und dem dazwischen sitzenden synchronen Zwei-Wellen-Antrieb befinden sich in den Schöpfräumen an den antriebsseitigen Rändern der Rotoren Dichtringe, die am Antrieb ortsfest gehalten sind und in Nuten in den Rotoren eingreifen. Sie bilden dort Spaltdichtungen oder schleifende Dichtungen ebenso wie an den Durchtrittsstellen der Rotorwellen.

Eine ähnliche Konstruktion einer Vakuumpumpe ergibt sich aus der WO 2004/031585 A1).

Grundsätzlich ist ein synchroner Zwei-Wellen-Antrieb mit magnetisierten Zylindern auf den die Rotoren tragenden Rotorwellen sehr kompakt und daher für Vakuumpumpen mit geringer Förderleistung von unter 50 m³/h sehr geeignet. Nachteilig ist es, wenn sich der Antrieb und die Lager im vom geförderten Gas berührten Bereich befinden. Eine solche Konstruktion ist für viele Anwendungen nachteilig, da häufig Gase mit gewissem Staub- oder Dampfanteil oder sogar korrosive Gase und Dämpfe gefördert werden müssen. Selbst wenn die Dämpfe an sich nicht korrosiv sind, können sie in kondensierter Form z.B. die Lager schädigen, indem die Lagerfette ausgewaschen werden oder ein Rosten der Lager verursacht wird. Sogar das Abpumpen von Behältern, die mit Umgebungsluft gefüllt waren, kann in der Vakuumpumpe zu Kondensation der Luftfeuchtigkeit führen, die weitere Folgeschäden verursacht.

Bei korrosiven Medien lassen sich Anordnungen wie oben offenbart nicht verwenden. Auch für Anwendungen, bei denen die geförderten Medien Partikel enthalten, sind solche Anordnungen nicht geeignet.

Deshalb ist gemäß Anspruch 1 vorgesehen, die Druckseite der Schraubenpumpe - auf der Atmosphärendruck herrscht - auf die Antriebsseite zu legen, und den Lagerungs-/Antriebsbereich auf Atmosphärendruck zu halten, so dass auf der Antriebsseite keine schleifenden Dichtungen - abgesehen von Schmiermittelabdichtungen innerhalb der Lager - erforderlich sind und eine gute Kühlung des Zwei-Wellen-Synchronmotors möglich ist. Da aber aufgrund der fliegenden Lagerung der Rotoren auch auf der Gaseinlassseite keine Drehdurchführungen und damit keine schleifenden Dichtungen erforderlich sind, ist es möglich, die gesamte Pumpe für praktisch berührungslosen Betrieb der Rotoren auszulegen. Eine solche Pumpe enthält an sich keine Verschleißteile. Sie kann praktisch als wartungsfrei bezeichnet werden.

Eine ähnliche Konstruktion zeigt wiederum die aus der DE 195 22 560 A1 bekannte Vakuumpumpe, bei der sämtliche die Lagerung und den Antrieb der Rotoren betreffenden Organe druckseitig angeordnet sind. Allerdings ist bei dieser Vakuumpumpe jeweils ein Lager der beiden Rotoren in einem Lagerkörper innerhalb des jeweiligen Rotors angeordnet.

Die für die leichte Demontierbarkeit des Schraubenpumpenstators vorteilhafte fliegende Lagerung der Rotoren bedingt, dass die Lagerung auf der Antriebsseite erfolgt und zwar außerhalb der Rotoren, da - wie oben erläutert - diese bei kompakten Pumpen, insbesondere solche mit einem Saugvermögen kleiner als 50 m³/h, zu klein sind für eine Lagerung innerhalb der Rotoren. Ein wesentlicher Parameter für die Größe einer Vakuumpumpe mit einem Schraubenpumpenaggregat ist der seitliche Abstand der Rotorwellen. Bei den hier im Fokus stehenden kompakten Pumpen liegt dieser bevorzugt zwischen 20 mm und 100 mm. Die weiteren Abmessungen einer solchen Vakuumpumpe ergeben sich dann konstruktiv aus diesem grundlegenden Abstandsmaß.

Ein kompakter Aufbau der zuvor beschriebenen Art stellt an die Präzision der Lagerung und an die Ausrichtung der Rotoren erhebliche Anforderungen. Die Dimensionen der Gesamtpumpe sind entsprechend klein, Damit sind die zulässigen Spalte zwischen den Rotoren und zum Gehäuse extrem eng. Sie liegen typischerweise nur im Bereich 0,02 mm bis 0,07 mm. Dementsprechend müssen die Rotoren außerordentlich präzise geführt sein, der Schraubenpumpenstator relativ zu den Rotoren korrekt ausgerichtet und auch die Winkelausrichtung der Rotoren zueinander exakt einstellbar sein.

Bei einer kompakten Vakuumpumpe der in Rede stehenden Art ist auch die Wärmeausdehnung der einzelnen Teile der Vakuumpumpe kritisch. Die Kompressionswärme und die Abwärme des Antriebs lässt die einzelnen Bauteile der Vakuumpumpe sehr heiß werden. Dies stellt hohe Anforderungen an die Maßgenauigkeit der Teile und insbesondere an die Lagerung der Rotorwellen. Hier muss man gegebenenfalls mit besonders aufwändigen Fertigungsmethoden arbeiten, um bei derart kompakten Vakuumpumpen die Anforderungen erfüllen zu können.

Etwas Erleichterung schafft die Verwendung von Spülgaszuführungen (wie oben beschrieben). Diese ist auf der Antriebsseite nicht nur für den Schutz des Antriebsund Lagerungsbereichs der Pumpe vor gepumpten Medien hilfreich, sondern auch zur Kühlung des Gases und der Schrauben im Bereich des druckseitigen Schraubenendes. In diesem Bereich wird ein Großteil der Kompressionswärme freigesetzt. Durch die Gasförderungsvorrichtung wird permanent kühles Spülgas an diesem Bereich vorbei gefördert, so dass heißes Gas abgeführt und der Bereich gekühlt wird.

Der Lehre der vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die aus der DE 195 22 560 A1 bekannte Vakuumpumpe mit einem Schraubenpumpenaggregat so auszugestalten und weiterzubilden, dass sie kompakt gebaut werden kann und eine präzise Führung der Rotoren bzw. Rotorwellen ermöglicht, sie aber trotz der daraus resultierenden hohen Anforderungen an die Fertigungsgenauigkeit der Bauteile mit üblichen Fertigungsmethoden hergestellt und montiert werden kann.

Das zuvor aufgezeigte Problem wird bei einer Vakuumpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei handelt es sich vorzugsweise um eine Vakuumpumpe mit einem Saugvermögen unter 50 m³/h.

Für die Gestaltung einer kompakten Vakuumpumpe beispielsweise für den Einsatz in Laboranwendungen, bei denen es auf kompakten Aufbau, flexiblen Einsatz und möglichst universelle Chemikalien- und/oder hohe Kondensatverträglichkeit ankommt, ergibt sich erfindungsgemäß als optimale Bauweise eine Schraubenpumpe mit fliegenden Rotoren, mit Synchronisation und Antrieb der beiden Wellen durch ein magnetisches Getriebe mit integriertem Synchronantrieb in Form von Spulen, die die magnetisierten Zylinder des Magnetgetriebes mittels geeigneter Bestromung direkt antreiben.

Zur Realisierung einer weitgehend spielfreien und exakten Lagerung der Schraubenrotoren weist die erfindungsgemäße Schraubenpumpe eine Lagerung der beiden Rotorwellen beispielsweise in Radial- oder Axialkugellagern auf. Die Rotorwellen haben je ein sogenanntes Festlager, bei dem ein Außenring fest im Gehäuse und ein Innenring fest auf der Rotorwelle montiert ist, sowie je ein sogenanntes Loslager, bei dem ein Außenring und/oder Innenring axial zum Gehäuse bzw. zur Rotorwelle verschiebbar montiert ist. Eine derartige Anordnung ist vorteilhaft, um u.a. die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen von Rotorwellen und Gehäuseteilen zu kompensieren.

Bei der erfindungsgemäßen Schraubenpumpe sind die beiden Festlager näher am Schöpfraum angeordnet, so dass die Rotorwellen hier mit möglichst geringem Spiel geführt sind. Die beiden Loslager sind erfindungsgemäß an der vom Schöpfraum abgewandeten Seite der Pumpe untergebracht, wobei die Loslager eine axiale Vorspannung mittels federnder Elemente aufweisen, um einen spielfreien Betrieb zu erreichen. Bevorzugt wirkt die Federkraft dabei parallel und in der gleichen Richtung wie die Gaskraft auf die Rotoren bei Endvakuum, so dass bei wechselnden Ansaugdrücken - und damit wechselnden Gaskräften auf die Rotoren - die Rotoren keinesfalls innerhalb des Lagerspiels axial verschoben werden können.

Diese Anordnung gewährleistet eine exakte und spielfreie Führung der Rotorwellen, eine Kompensation der thermischen Ausdehnung der Rotorwellen und Gehäuseteile, eine preiswerte und einfache Montage sowie die Möglichkeit, beispielsweise für eine Reparatur die antriebsseitige Lagerung ohne großen Aufwand wieder zu zerlegen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der hier beschriebenen Lehre der Erfindung sind die magnetisierten Zylinder des Antriebs auf den Rotorwellen jeweils zwischen voneinander beabstandeten Rotorwellenlagern angeordnet.

Nach weiter bevorzugter Lehre ist die Vakuumpumpe so konstruiert, dass zwischen dem Antrieb und dem Schöpfraum ein einteiliges oder mehrteiliges Gehäuselagerschild vorgesehen ist, das jeweils ein Lager der beiden Rotorwellen aufnimmt. Bevorzugt ist das jeweilige Festlager. Die Lager der Rotorwellen in diesem Gehäuselagerschild sind bevorzugt auf der vom Schöpfraum abgewandten Seite des Gehäuselagerschildes angeordnet. Ferner findet man antriebsseitig ein einteiliges oder mehrteiliges Motorlagerschild, das jeweils ein weiteres Lager der beiden Rotorwellen aufnimmt, bevorzugt das jeweilige Loslager mit der zuvor beschriebenen Vorspannungsanordnung mittels federnder Elemente. Zwischen beiden befindet sich der Schraubenpumpenstator, also das Bauteil des Pumpengehäuses, das den Schöpfraum ausbildet. Die Zylinder des Zwei-Wellen-Synchronantriebes sind vorteilhaft zwischen den Lagern der beiden Rotorwellen angeordnet, so dass die auftretenden magnetischen Kräfte mit kurzem Weg in die Lager übertragen werden können.

Weiter oben ist schon darauf hingewiesen worden, dass die erfindungsgemäße Konstruktion der Vakuumpumpe es erlaubt, auf schleifende Dichtungen weitestgehend oder vollständig zu verzichten. Insbesondere ist es nicht erforderlich, zwischen den Rotorwellenlagern im zentralen Gehäuselagerschild und dem Schöpfraum schleifende Dichtungen vorzusehen, da hier ohnehin Atmosphärendruck herrscht.

Nach einer bevorzugten Variante weist das Gehäuselagerschild Mittel zur exakten Ausrichtung von Schraubenpumpenstator auf der einen Seite sowie Motorlagerschild auf der anderen Seite auf. Die Position des Motorlagerschildes zum Gehäuselagerschild bestimmt die Ausrichtung der beiden Rotoren, da in diesen Elementen die Lagerung der Rotorwellen erfolgt. Diese müssen exakt parallel zueinander und mittig im Schraubenpumpenstator laufen. Der Schraubenpumpenstator muss daher exakt zentrisch und parallel zur Flucht aus Gehäuselagerschild und Motorlagerschild ausgerichtet sein.

Um eine exakte Ausrichtung von Schraubenpumpenstator zu Motorlagerschild zu gewährleisten, ist das Gehäuselagerschild bevorzugt so ausgelegt, dass zumindest ein Teil der diese Ausrichtung bestimmenden mechanischen Mittel gleichzeitig zur exakten Positionierung des Schraubenpumpenstators und des Motorlagerschildes dient.

Beispielsweise ist zumindest ein Teil dieser mechanischen Elemente so ausgeführt, dass deren Ausformung - beispielsweise durch mechanische Bearbeitung des Gehäuselagerschildes - von einer Seite, d.h. ohne Drehung des Gehäuselagerschildes während der Ausformung dieser mechanischen Elemente, erfolgen kann.

Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass Schraubenpumpenstator und Motorlagerschild mit Hilfe von Stiften relativ zum Gehäuselagerschild ausgerichtet werden, wobei die entscheidenden Elemente im Gehäuselagerschild - die Bohrungen für die Stifte - durchgehend sind und somit von einer Seite in das Gehäuselagerschild eingebracht werden können. Somit muss das Gehäuselagerschild während der Bearbeitung dieser mechanischen Elemente nicht umgedreht werden, was sich sehr positiv auf die Präzision dieser mechanischen Elemente auswirkt. Dadurch kann eine aufwendige Spezialbearbeitung entfallen.

Eine weitere Möglichkeit für solche mechanischen Elemente, die sowohl Schraubenpumpenstator als auch Motorlagerschild positionieren, wäre ein Zentrierrand am Gehäuselagerschild, doch sind auch andere Ausführungsformen denkbar.

In einer weiteren beispielhaften Variante liegt zumindest ein Teil dieser mechanischen Mittel auf einer Linie mit den Aufnahmebohrungen für die Rotorwellenlager. In der bevorzugten Ausführung dieser mechanischen Elemente in Form einer Verstiftung sind somit die Bohrungen für die Stifte in einer Linie mit den beiden Wellenlagerbohrungen angeordnet, so dass die Bearbeitungsvorrichtung von einer Bohrung zur nächsten nur in einer Richtung bewegt werden muss. Die Präzision wird weiter verbessert und die Anforderungen an die Bearbeitungsmaschine sind verringert. Gleichzeitig werden die Verfahrwege der Bearbeitungsmaschine bei dieser Anordnung minimiert.

Eine derartige Anordnung beinhaltet auch, dass die entsprechenden Elemente, wie beispielsweise Stiftbohrungen, in den Gegenstücken des Gehäuselagerschildes, dies sind das Motorlagerschild und der Schraubenpumpenstator, auf einer Linie mit den Lagerbohrungen im Motorlagerschild bzw. mit der Hauptachse des Schöpfraums liegen, mit entsprechenden Vorteilen für der Fertigung dieser Komponenten.

Weiter ist es zweckmäßig, dass, da beide Rotorwellen jeweils zwei axial voneinander beabstandete Lager aufweisen, der axiale Abstand dieser Rotorwellenlager das 0,3-fache bis 2-fache, vorzugsweise das 05,-fache bis 1,5-fache, der freien Länge der Rotorwellen im Schöpfraum beträgt.

Die zuvor geschilderten Verhältnisse schaffen eine Voraussetzung für eine exakte Lagerung der Rotorwellen bei einem kompakten Aufbau der Vakuumpumpen.

Weiter oben ist bereits darauf hingewiesen worden, dass der seitliche Abstand der Rotationsachsen der Rotorwellen ein Maß für die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe ist. Nach bevorzugter Lehre ist vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vakuumpumpe ein sehr kompakt bauendes Schraubenpumpenaggregat hat. Dafür ist vorgesehen, dass der seitliche Abstand der Rotationsachsen der Rotorwellen 20 mm bis 100 mm, vorzugsweise 25 mm bis 60 mm, beträgt.

Die Obergrenze der seitlichen Abstände der Rotorwellen ist der Obergrenze des Saugvermögens für die erfindungsgemäßen Vakuumpumpen zugeordnet. Ein typischer Wert für eine beispielhafte Vakuumpumpe gemäß der Erfindung hat einen seitlichen Abstand der Rotationsachsen der Rotorwellen von etwa 40 mm bei einem Saugvermögen von etwa 10 m³/h.

Nach weiter bevorzugter Lehre der Erfindung kann man die Vakuumpumpe antriebsseitig noch weiter dadurch vereinfachen und in ihrer Maßhaltigkeit optimieren, dass man ein den Motorstator umfassendes Motorgehäuse mit dem Gehäuselagerschild zusammen topfförmig einstückig ausführt und nur das Motorlagerschild separat anbringt. Als weiter bevorzugte Alternative wird man das Motorlagerschild mit dem den Motorstator umfassenden Motorgehäuse zusammen topfförmig einstückig ausführen und dieses topfförmige Einheit dann mit dem Gehäuselagerschild verbinden, insbesondere verzapfen (siehe die obigen Erläuterungen einer bevorzugten Variante der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe).

Im Folgenden wird die Erfindung nun anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1

ein erstes bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vakuumpumpe im Schnitt,

Fig. 2a

in perspektivischer Ansicht die Vakuumpumpe aus Fig. 1, das Motorgehäuse abgenommen, in einer Ausführung mit einer einteiligen Magnethalterung auf jeder Rotorwelle,

Fig. 2b

einen Schnitt durch die Vakuumpumpe gemäß Fig. 1 entlang der dortigen Schnittlinie II - II,

Fig. 3a

in perspektivischer Ansicht die Vakuumpumpe aus Fig. 1 von der Antriebsseite her,

Fig. 3b

in perspektivischer Ansicht die Vakuumpumpe aus Fig. 1 von der Seite des Schöpfraums her,

Fig. 4

in einer Stirnansicht die Vakuumpumpe aus Fig. 1 und 3, Ansicht von der Antriebsseite her bei abgenommenem Motorgehäuse.

Die im Folgenden beschriebenen Abbildungen zeigen schematisch und beispielhaft mögliche Ausführungen und Details der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe.

Fig. 1 zeigt eine teilweise Schnittansicht durch die erfindungsgemäße Schraubenpumpe 1. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Schraubenpumpenaggregat 2, einem Antriebsteil 3 sowie einem dazwischen liegenden Gehäuselagerschild 4. Das Schraubenpumpenaggregat 2 hat hier zwei in gegenseitigem Eingriff stehende schraubenförmige Rotoren 5, 5', in diesem Fall einstückig mit den Rotorwellen 6, 6' dargestellt. Die Rotoren 5, 5' laufen berührungslos in einem Schraubenpumpenstator 7 mit einem im wesentlich 8-förmigen Schöpfraum 7" und Kühlrippen 36 nach außen. In dem hier dargestellten Beispiel wird der Schöpfraum 7" durch einen Abschlussdeckel 8 mit einem Einlass 9 abgeschlossen. Durch die gegenläufig synchrone Rotation der beiden Rotoren 5, 5' wird Gas vom Einlass 9 zu einem Auslass 10 (hier nicht dargestellt) auf der Antriebsseite der Rotoren 5, 5' gefördert.

Der Antriebsteil 3 weist berührungslos laufende magnetisierte Zylinder 11, 11' auf. Ein Motorstator 12 umgibt die magnetisierten Zylinder 11, 11' im wesentlich 8-förmig. Die aus einem Permanentmagnet-Material mit geeigneten Eigenschaften bestehenden Zylinder 11, 11' sind geeignet magnetisiert, so dass ihre magnetische Wechselwirkung die Synchronisation der beiden Rotorwellen 6, 6' in Form eines magnetischen Getriebes bewirkt. Die im Motorstator 12 enthaltene Wicklung (nicht separat dargestellt) kann durch eine geeignete Steuerung (nicht dargestellt) bestromt werden, so dass die magnetisierten Zylinder 11, 11' - und somit die Rotorwellen 6, 6' sowie die Rotoren 5, 5' - in gegenläufige synchrone Rotation versetzt werden.

Die Rotorwellen 6, 6' weisen keine Lagerungen im Bereich des Schöpfraums 7" auf. Vielmehr ist ein erstes Lagerpaar 13, 13' im Gehäuselagerschild 4 untergebracht. Diese Lager 13, 13' sitzen in Lagerbohrungen 14, 14'. Sie sind als Festlager ausgeführt, d.h. Außenringe der Lager 13, 13' sind fest in den Lagerbohrungen 14, 14', und Innenringe sind fest auf den Rotorwellen 6, 6' montiert. Ein zweites Lagerpaar 15, 15' ist in Lagerbohrungen 16, 16' montiert, welche in einem hier einstückig dargestellten Motorlagerschild 17 angeordnet sind.

Im hier dargestellten Beispiel ist der axiale Abstand zwischen den einer Rotorwelle 6 bzw. 6' zugeordneten Lagern 13, 15 bzw. 13', 15' ähnlich groß wie die freie Rotorwellenlänge (ab den Lagern 13, 13' in den Schöpfraum 7" ragend).

Die zweiten Lager 15, 15' sind als Loslager ausgelegt. In dem hier dargestellten Fall sitzen jeweilige Außenringe der Lager 15, 15' axial verschiebbar aber mit geringem Spiel in den Lagerbohrungen 16, 16', wobei Federn 18, 18' die Lager 15, 15' geeignet vorspannen, so dass die Lagerung und damit die Rotorwellen 6, 6' spielfrei laufen. Die Federn 18, 18' drücken die Lager 15, 15' und damit die Rotorwellen 6, 6' mit den Rotoren 5, 5' in Richtung des Einlasses 9. Bei Unterdruck am Einlass 9 - also dem üblichen Betriebszustand - wirkt die Gaskraft auf die Rotoren 5, 5' infolge der Druckdifferenz vom Einlass 9 zum Auslass 10 in der selben Richtung wie die Federkraft.

In der hier dargestellten bevorzugten Ausführungsform sind die Lager 13, 13' auf der vom Schöpfraum 7" abgewandten Seite des Gehäuselagerschildes 4 vorgesehen, und zwischen diesen Lagern 13, 13' und dem Schöpfraum 7" sind keine schleifenden Dichtungen vorhanden.

Bevorzugt weist das Gehäuselagerschild 4 auf der einen Seite Mittel 19 zur exakten Positionierung des Schraubenpumpenstators 7 und auf der anderen Seite Mittel 20 zur exakten Positionierung des Motorlagerschildes 17 auf, wobei zumindest ein Teil dieser Mittel 19, 20 gleichzeitig zur exakten Positionierung für beide Hauptkomponenten dient. In diesem Beispiel sind diese Mittel in Form von Stiften 19, 19' sowie 20, 20', die in exakt angebrachten Bohrungen 21, 21' sitzen, ausgeführt.

Das dargestellte und bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt in Fig. 1, dass hier der Antrieb 3 ein den Motorstator 12 umfassendes Motorgehäuse 17' aufweist, das in diesem Fall mit dem Motorlagerschild 17 zusammen topfförmig einstückig ausgeführt ist. Das ergibt eine besonders präzise Positionierung des Motorlagerschildes 17. Neben den genau bearbeiteten Anlageflächen für Schraubenpumpenstator 7 und Motorlagerschild 17 am Gehäuselagerschild 4 gewährleisten die Verstiftungen 19, 20, 21 die exakte Ausrichtung des Motorlagerschildes 17 - und damit über die Lagerung der Rotorwellen 6, 6' auch der Rotoren 5, 5' - zum Schraubenpumpenstator 7. Beispielhaft sind die Bohrungen 21, 21' durchgehend und somit von einer Seite in das Gehäuselagerschild 4 einbringbar angeordnet. Zudem sind diese Bohrungen 21, 21' auf einer Linie mit den Lagerbohrungen 14, 14' ausgeführt (bei Blickrichtung parallel zu den Rotorwellen, siehe auch Fig. 2 und 4), so dass bei der Fertigung des Gehäuselagerschildes 4 die Bearbeitungsvorrichtung zur Anbringung dieser für die Ausrichtung der Rotorwellen 6, 6' des Schraubenpumpenstators 7 sowie des Motorlagerschildes 17 entscheidenden Elemente nur in einer Dimension verfahren werden muss.

Durch die erfindungsgemäße Ausführung des Gehäuselagerschildes 4 und der damit verbundenen Teile lässt sich die Vakuumpumpe sehr kompakt, mit wenigen Teilen und vergleichsweise einfach herstellen und montieren.

In Fig. 1 ebenfalls dargestellt sind Gasförderungsvorrichtungen 22, 22', die auf den Rotorwellen 6, 6' montiert sind und durch ihre Rotation Gas aus Zuführungen 23 für Spülgas ansaugen und in Richtung des Schöpfraums 7" blasen. Dadurch soll gefördertes Medium vom Lagerungs-/Antriebsbereich ferngehalten werden. Zudem wird durch den Spülgasstrom ständig kühles Gas an den im Betrieb heißen Bereich am druckseitigen Ende der Rotoren 5, 5' gebracht. Das durch die Kompression dort besonders erhitzte Gas wird permanent ausgetauscht und der Schöpfraum 7" von innen gekühlt. Die Verteilung der Spülluft rings um die Rotorwellen 6, 6' erfolgt durch Hohlräume 24, 24' um jede Rotorwelle 6, 6', wobei der Querschnitt der Öffnungen aus diesen Hohlräumen 24, 24' zum Schöpfraum 7" größer oder gleich ist wie der Querschnitt der Öffnungen zu den Lagern 13, 13'.

Beispielhaft sind auf den Stirnseiten der Rotoren 5, 5' Markierungen (nicht explizit dargestellt) angebracht, die die exakte Ausrichtung der Rotoren 5, 5' bei der Pumpenmontage ohne manuelle Ausrichtung erlauben.

In der hier dargestellten Ausführungsform bestehen die Halterungen der magnetisierten Zylinder 11, 11' jeweils aus einem ersten weichmagnetischen, im wesentlichen zylinderförmigen Teil 26, 26', auf dem die magnetisierten Zylinder 11, 11' befestigt sind, beispielsweise durch Klebung. Diese äußeren Teile 26, 26' sitzen passgenau, aber an sich leicht drehbar, auf inneren, im wesentlichen zylinderförmigen Teilen 27, 27', welche beispielsweise mittels Passungen 28, 28' zur Rotorwelle 6, 6' exakt geführt sind. Die Kraftübertragung von den inneren Teilen 27, 27' der Halterungen für die magnetisierten Zylinder 11, 11' auf die Rotorwellen 6, 6' erfolgt im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiels mittels mindestens jeweils eines Toleranzringes 29, 29', der jeweils in einem geeigneten Einstich auf der zugeordneten Rotorwelle 6, 6' angeordnet ist. Durch den Toleranzring 29, 29' ergibt sich eine Presspassung der inneren Teile 27, 27' auf der Rotorwelle 6, 6' und somit eine drehfeste Verbindung.

Für die Montage werden die beiden Rotoren 5, 5' mit ihren Rotorwellen 6, 6' exakt passend zueinander ausgerichtet, fixiert und im Gehäuselagerschild 4 montiert. Dies kann mittels einer geeigneten Vorrichtung erfolgen, beispielsweise unter Zuhilfenahme von Markierungen auf den Rotoren 5, 5', die die exakte Ausrichtung der Schraubengänge anzeigen. Zur Montage der Zylinder 11, 11' werden die vormontierten Einheiten aus den äußeren Teilen 26, 26' mit den Zylindern 11, 11' und den inneren Teilen 27, 27' auf den Rotorwellen 6, 6' montiert. Die äußeren Teile 26, 26' können zu diesem Zeitpunkt noch leicht auf den inneren Teilen 27, 27' gedreht werden, so dass sich die magnetisierten Zylinder 11, 11' relativ zueinander ausrichten können (Nord- zu Südpol). In dieser Lage werden die Zylinder 11, 11' mit ihren eigenen Halterungen, nämlich den äußeren Teilen 26, 26', beispielsweise durch Verschraubungen an den inneren Teilen 27, 27', fixiert.

In Fig. 1 sieht man von den Verschraubungen an den beiden Rotorwellen 6, 6' nur jeweils eine Fixierschraube 30, 30'. Genaueres sieht man dazu in Fig. 4, der Stimansicht von der Antriebsseite her bei abgenommenem Motorgehäuse 17, 17' und Motorlagerschild 17. Die Fixierschrauben 30, 30' sind mit scheibenförmigen Plättchen 31, 31' (Unterlegscheiben) zur Kraftverteilung versehen.

Fig. 2b zeigt einen Schnitt, der in Fig. 1 mit II-II identifiziert ist. Man erkennt hier den Aufbau der Halterungen für die magnetisierten Zylinder 11, 11' sehr gut. Innen liegen die Rotorwellen 6, 6'. Auf diesen befinden sich die dort fest angeordneten inneren zylinderförmigen Teile 27, 27' der Halterung. Darauf befinden sich koaxial angeordnet die äußeren Teile 26, 26', die dann ihrerseits die magnetisierten Zylinder 11, 11' tragen.

In einer alternativen Weise, die hier nicht dargestellt ist, kann man die relative Einstellbarkeit auch auf eine der beiden Halterungen beschränken. In einem solchen Fall wird man zuerst den magnetisierten Zylinder mit einer einteiligen festen Halterung auf seiner Rotorwelle montieren.

Anschließend kann dann der zweite magnetisierte Zylinder relativ zu dem ersten magnetisierten Zylinder mittels seiner einstellbaren Halterung ausgerichtet und fixiert werden.

Fig. 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das gegenüber dem in Fig. 1 und Fig. 2b dargestellten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Halterung der magnetisierten Zylinder 11, 11' modifiziert ist. Hier erkennt man nicht einstellbare, einteilige Halterungen 32, 32' der magnetisierten Zylinder 11, 11', die jedoch zum Zwecke der richtigen Montage bereits von vorneherein mit Markierungen 33, 33' in Form von quer verlaufenden Kerben versehen sind. Somit kann man hier die Zylinder 11, 11' direkt und ohne weitere Einstellung in ihrer korrekten Ausrichtung auf den Rotorwellen 6, 6' montieren. Der Vorteil einer solchen Konstruktion liegt in der geringeren Anzahl einzelner Bauteile der Halterungen. Die Montage nur mit Ausrichtung der Kerben 33, 33' ist dafür allerdings etwas schwieriger.

Die in Fig. 2a gegebene Darstellung der Schraubenpumpe 1, bei der das Motorgehäuse 17' mit dem Motorlagerschild 17 abgenommen ist, lässt auch noch die Stiftbohrungen 21, 21' für die Positioniermittel 20, 20' erkennen. Dabei sieht man gut, dass die Bohrungen 21, 21' auf einer Linie mit den Lagerbohrungen 14, 14' für die Lager 13, 13' der Rotorwellen 6, 6' im Gehäuselagerschild 4 liegen.

Fig. 3a und 3b zeigen schematische Außenansichten der erfindungsgemäßen Vakuumpumpe 1 mit den äußeren Hauptkomponenten Gehäuselagerschild 4, Motorlagerschild 17 und Motorgehäuse 17' und Schraubenpumpenstator 7, einmal von der Antriebsseite (Fig. 3a) und einmal von der Schöpfraumseite (Fig. 3b, Rippen 36 teilweise abgeschnitten) her. Man erkennt in Fig. 3a im Übrigen Stehbolzen 17", mit denen das mit dem Motorlagerschild 17 einstückige, topfförmige Motorgehäuse 17' am Gehäuselagerschild 4 befestigt ist.

Im dargestellten Beispiel weist das hier mit dem Motorgehäuse 17' einstückig dargestellte Motorlagerschild 17 Öffnungen 34 für einen Kühllufteintritt sowie Öffnungen 35 für einen Kühlluftaustritt auf. Durch einen geeigneten Kühlluftstrom, erzeugt beispielsweise durch ein Gebläse (nicht dargestellt), das achsparallel in der Verlängerung der Rotorwellen 6, 6' am Motorlagerschild 17 angeordnet ist und auf das Motorlagerschild 17 bläst, strömt Luft durch die Öffnungen 34 in das Motorgehäuse 17' und kühlt dort die magnetisierten Zylinder 11, 11' auf den Rotorwellen 6, 6' sowie den Motorstator 12, wobei die Kühlluft auch durch den Spalt zwischen den magnetisierten Zylindern 11, 11' und den Motorstator 12 strömen kann. Zudem strömt Luft außen am Motorstator 12 im Spalt zum Motorgehäuse 17' vorbei. Die erwärmte Kühlluft tritt an den Öffnungen 35 wieder aus.

Im hier gezeigten Beispiel weist auch das Gehäuselagerschild 4 zum Motorlagerschild 17 passende Öffnungen 35 auf, so dass die Kühlluft dort hindurchströmen kann. Durch die Kühlluft werden somit der Antrieb 3 und das Gehäuselagerschild 4 effektiv gekühlt. Praktischerweise wird der Kühlluftstrom so dimensioniert, dass ein Teil davon außen am Motorlagerschild 17, am Gehäuselagerschild 4 sowie am Schraubenpumpenstator 7 vorbeistreicht und somit auch diese Komponenten kühlt. Ggf. sind Mittel vorgesehen, um den Kühlluftstrom an der Pumpe entlang zu leiten.

Die Öffnungen 34 im Motorlagerschild 17 erlauben gleichzeitig einen Zugriff auf die Halterungen der Zylinder 11, 11' sowie deren Befestigungselemente 30, 30', so vorhanden.

Man kann vorsehen, dass der Schraubenpumpenstator 7 als Strangpressprofil aus einer Aluminiumlegierung ausgeführt ist und dass das den Schraubenpumpenstator 7 bildende Strangpressprofil beispielsweise im Innenbereich Längsnuten und/oder außen Mittel 36 zur verbesserten Wärmeübertragung an die Umgebungsluft aufweist. Bei den hier genannten Mitteln 36 zur verbesserten Wärmeübertragung an die Umgebungsluft handelt es sich im dargestellten Ausführungsbeispiel um in Längsrichtung des Schraubenpumpenstators 7 verlaufende Kühlrippen 36.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich bevorzugt um eine Vakuumpumpe mit einer Förderleistung von etwa 10 m³/h. Bei dieser ist vorgesehen, dass der seitliche Abstand der Rotationsachsen der Rotorwellen 6, 6' etwa 40 mm beträgt.

Typischerweise ist für Vakuumpumpen mit einer Förderleistung von weniger als 50 m³/h der seitliche Abstand der Rotationsachsen der Rotorwellen 6, 6' maximal 100 mm. Werte unter 20 mm für diesen seitlichen Abstand sind kaum zu realisieren.

Insgesamt baut die erfindungsgemäße Vakuumpumpe sehr kompakt. Sie ist für Laboranwendungen ganz besonders geeignet.

1

Schraubenpumpe

31, 31'

Platte

2

Schraubenpumpenaggregat

32, 32'

einteilige Halterung

3

Antriebsteil

33, 33'

Kerbe

4

Gehäuselagerschild

34

Kühllufteintritt/Öffnung

5, 5'

Rotor (schraubenförmig, gegenläufig)

35

Kühlluftaustritt/Öffnung

6, 6'

Rotorwelle

36

Längsrippe=Kühlrippen

7

Stator = Pumpenstator

7"

Schöpfraum

8

Abschlussdeckel

9

Einlass

10

Auslass

11, 11'

magnetisierter Zylinder

12

Motorstator

13, 13'

1. Lager von 6, 6'

14, 14'

1. Lagerbohrung

15, 15'

2. Lager von 6, 6'

16, 16'

2. Lagerbohrung

17

Motorlagerschild

17'

Motorgehäuse

17"

Stehbolzen

18, 18'

Feder

19, 19'

Positioniermittel = Stifte

20, 20'

Positioniermittel = Stifte

21, 21'

Stiftbohrung

22, 22'

Gasförderungsvorrichtung

23

Zuführung für Spülgas

24, 24'

Hohlraum

26, 26'

zylinderförmiges Teil, außen

27, 27'

zylinderförmiges Teil, innen

28, 28'

Passung

29, 29'

Toleranzring

30, 30'

Fixierschraube