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Vakuumdrehschieberpumpe Die Erfindung betrifft eine Vakuumdrehpumpe
mit in einem zylindrischen Hohlraum eines Pumpengehäuses exzentrisch angeordnetem
Rotor, welcher zwei den Förderraum in zwei Verdrängerzellen unterteilende Arbeitsschieber
in radialen Schlitzen gleitbar führt. Derartige als rotierende Verdrängermaschinen
arbeitende Drehschieberpumpen weisen bekanntlich eine sogenannte Unwucht auf, weil
der gemeinsame Schwerpunkt der Massen der beiden Schieber nicht in der Drehachse
liegt. Das Laufen mit Unwucht hat zur Folge, daß solche Pumpen entweder, wenn sie
fest mit dem Fundament verbunden verbunden sind, entsprechend große Massenkräfte
über die Lager auf das Fundament übertragen oder, wenn sie elastisch gelagert sind,
Schwingbewegungen relativ zum Fundament ausführen. In jedem Fall ergeben sich unerwünschte
Erschütterungen der Pumpe (und gegebenenfalls auch des Fundamentes), und der fehlende
Massenausgleich ist bekanntlich einer der Gründe, weshalb die Drehzahl für diese
Pumpen verhältnismäßig niedrig gewählt werden muß, was wiederum ein relativ geringes
volumetrisches Saugvermögen zur Folge hat.
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Neuere Beobachtungen weisen außerdem darauf hin, daß die nicht ausgewuchtete
Schieberbewegung eine der Ursachen für die starke Geräuschbildung bei Drehschieberpumpen
ist.
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Während die Unwucht bei einer anderen Type von Vakuumrotationspumpen,
nämlich bei den Drehkolbenpumpen, mit derselben Frequenz wieder Rotor rotiert und
daher durch an der Achse angebrachte Gegengewichte auf einfache Weise ausgeglichen
werden kann, sind die Massenkräfte bei Drehschieberpumpen von verwickelterer Art.
Infolge der Relativbewegung der Schieber zum Rotor ändert sich nämlich ihr Achsenabstand
und damit auch die Geschwindigkeit ihrer Bewegung periodisch. Die Massenkräfte der
einander gegenüberliegenden Schieber heben sich deshalb nicht gegenseitig auf, sondern
es bleibt eine resultierende Kraft (Unwucht) übrig, die durch äußere Kräfte, z.
B. eben durch das Fundament, ausgeglichen werden muß.
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Diese resultierende Massenkraft (Unwucht) zweier Schieber kann man
durch folgende Überlegungen bestimmen: ein System von Massen übt nach außen keine
Kraft aus, wenn ihr gemeinsamer Massenmittelpunkt (Schwerpunkt) in Ruhe ist. Wie
man nachweisen kann, bewegt sich dagegen der gemeinsame Schwerpunkt der beiden Schieber
einer Drehschieberpumpe auf einer Kreisbahn, deren Durchmesser gleich ist der halben
Differenz zwischen dem Durchmesser des zylindrischen Innenraums des Pumpengehäuses
einerseits und dem Durchmesser des die Schieber tragenden Rotors andererseits. Die
Bewegung des gemeinsamen Schwerpunktes auf dieser Kreisbahn erfolgt jedoch mit der
doppelten Winkelgeschwindigkeit der Bewegung des Rotors und kann also nicht wie
bei Drehkolbenpumpen durch Massen ausgeglichen werden, die mit der Rotorwelle fest
verbunden sind. Aus den dargelegten Gründen schien es bisher nur möglich, einen
teilweisen Massenausgleich zu erreichen. So wurde z. B. vorgeschlagen, bei einer
Drehschieberpumpe mit sternförmig angeordneten, zum Zweck teilweisen Massenausgleichs
rahmenartig ausgebildeten und mit Gegengewichten versehenen Schiebern eine ungerade
Anzahl von nicht durchgehenden Schiebern vorzusehen, deren einzelne Rahmen durch
Verbindung der Schieberplatten mit ihrem Gegengewicht durch je zwei hochkant zur
Sch.ieberfläche gestellte Streben gebildet werden, die symmetrisch zur Längsmittelachse
des Rahmens angeordnet sind. Nach einem anderen bekanntgewordenen Vorschlag sollen
die sich diametral gegenüberliegenden Schieber mit Gegengewichten versehen werden,
welche auf der anderen Seite der Drehachse in Aussparungen der gegenüberliegenden
Schieber hineinragen. Mit dieser letzteren Maßnahme wollte man in .erster Linie
eine Verringerung,des Anpreßdruckes der Schieber an die Innenwandung .der Pumpe
erzielen. Mit bloßen Gegengewichten zu den einzelnen Schiebern kann
man
jedoch so lange keine vollkommene Auswuchtung erzielen, als nicht durch einen besonderen
Mechanismus dafür Sorge getragen wird, daß trotz der fortwährenden Hin- und Herbewegung
der Schieber in den Führungsschlitzen des rotierenden Kolbens der Schwerpunkt ,des
aus Schiebern und Gegengewichten gebildeten Systems ständig in der Rotorachse liegt.
Eine Lösung dieser Aufgabe ist bisher nicht bekanntgeworden und wäre mechanisch
offenbar recht schwierig, denn es müßte, wenn sich ein Schieber von der Achse entfernt
oder dieser nähert, gleichzeitig auch das zugehörige Gegengewicht sieh entfernen
oder nähern. Bei einer starren Verbindung zwischen beiden findet aber gerade das
Gegenteil statt.
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Durch die Erfindung soll die Aufgabe des vollkommenen Unwuchtausgleichs
auf einfachste Weise gelöst werden. Dazu wird bei einer Vakuumdrehschieberpumpe
der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Rotor wenigstens
eine weitere, gegenüber den genannten Führungsschlitzen um 90° versetzte Ausnehmung
bzw. Bohrung aufweist, in welcher ein Paar von die zylindrische Hohlraumwand des.
Pumpengehäuses gleitend berührenden Bolzen radial beweglich angeordnet ist, deren
Gesamtmasse gleich der Masse der Arbeitsschieber ist.
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Bei Vakuumpumpen besteht das Problem der Verschleppung von Gasen von
der Kompressionsseite auf .die Vakuumseite. Ein Schieber einer Drehschieberpumpe,
der gerade die Ausstoßöffnung an der Innenwand .der Pumpe passiert hat, trennt (wegen
des unvermeidlichen sogenannten Totraumes) ein bestimmtes, auf Ausstoßdruck komprimiertes
Luftvolumen ab, komprimiert es im Verlauf der Weiterdrehung noch mehr, und die Folge
ist, daß ein Teil dieser Luft durch den Dichtungsspalt zwischen Rotor und Gehäusewand
hindurch auf die Ansaugseite gedrückt wird. Das gilt analog auch für den Fall, daß
der Totraum bei ölüberdeckten Pumpen vollständig mit Öl ausgefüllt wird, da dieses
Öl mit Luft von Atmosphärendruck gesättigt .ist und :diese Luft beim übertritt auf,die
Vakuumseite wieder in den Vakuumraum abgegeben wird. Bei Zweischieberpumpen ist
dieser störende Effekt geringer als bei Vierschieber-Pumpen-Die erfindungsgemäße
Lösung verbindet nun, wie ersichtlich den Vorteil geringerer Gasverschleppung bei
einer Zweischieberpumpe mit dem Vorteil des idealen Unwuchtausgleiches bei Vierschieberpumpen.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber einer
Vierschieberpumpe liegt in der geringeren Reibung von Bolzen im Vergleich zu Schiebern.
Weiter ist nicht zu übersehen, daß die erfindungsgemäße Lösung konstruktiv einfacher
ist und sich ein stabilerer Aufbau ergibt, wenn der Rotor ,nur zweidurchgehende
Durchbrechungen entlang einer ganzen Mantellinie anstatt deren vier aufzuweisen
braucht.
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An sich ist schon eine Flüssigkeitspumpe bekannt, bei welcher der
in einem zylindrischen Statorhohlraum :exzentrisch angeordnete Rotor fünf radial
bewegliche Arbeitsschieber, mit welchen in Umfangsrichtung gefördert wird, und zwischen
den Arbeitsschiebern in entsprechenden radialen Bohrungen fünf zylindrische Pumpenkolben
aufweist. Bezüglich dieser Kolben wirkt die Pumpe als Radialkolbenpumpe, wobei den
als Zylinder dienenden radialen Bohrungen des Rotors die Förderflüssigkeit von der
Rotormitte her über entsprechende Kanäle zu- und abgeleitet wird. Es ist hier also
eine rotierende Verdrängerpumpe mit einer Kolbenpumpe vereinigt. Zum Zweck eines
Massen- oder Unwuchtausgleiches hat der Erfinder dieser bekannten Pumpe die Kolben
nicht angeordnet.
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Ein Beispiel für eine Vakuumpumpe nach der Erfindung wird an Hand
der Zeichnung näher beschrieben, und zugleich wird deren Wirkungsweise erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Schnitt senkrecht zur Rotationsachse; F i. g.
2 zeigt einen Schnitt nach der Linie A-A der Fig. 1.
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In den Figuren bedeutet 1 das Pumpengehäuse mit der zylindrischen
Innenwand bzw. Hohlraumwand 2. Die Stirnseiten sind durch die Gehäusedeckel 3 und
4 abgeschlossen. In den Gehäusedeckeln 3 und 4 ist der Rotor 5 mittels der Kugellager
6 und 7 in bekannter Weise exzentrisch gelagert. Mit 8 ist die mit dem Rotor 5 starr
verbundene Antriebswelle bezeichnet. Das Pumpengehäuse weist Öffnungen 9 und und
10 zur Zu- und Ableitung des zu pumpenden Gases auf. Über der Ausstoßöffnung
10 befindet sich das durch ein Ölbad 11 überdeckte Ausstoßventil 12, welches
sich beim Betrieb unter dem Druck der in der Kompressionskammer der Pumpe komprimierten
Gase periodisch öffnet und schließt. Der Rotor 5 weist radiale Schlitze 13 und 14
auf, in denen die Arbeitsschieber 15 und 16 gleiten, so daß sie infolge der Zentrifugalkraft
ständig die Innenwand 2 berühren und so den Pumpeninnenraum in zwei rotierende Verdrängerzellen
oder Kammern unterteilen.
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Das Fördergas tritt durch die Öffnung 9 in die erste Kammer 17 ein,
die gerade als Ansaugkammer wirkt, und wird bei der weiteren Rotation, wenn die
erwähnte Kammer oder Verdrängerzelle die Stellung der Kammer 18 in F i g. 1 erreicht
hat, komprimiert und dann, wenn die Verdrängerzelle mit der Öffnung bzw. dem Kanal
10 in Verbindung kommt, durch diesen und das Ausstoßventil 12 ausgestoßen,
wie dies allgemein ;bekannt ist.
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In den radialen Bohrungen 23 und 23' des Rotors 5 gleiten die
Bolzenpaare 19/20 bzw. 21/22,
wobei sie wie die Arbeitsschieber 15
und 16 die Innenwand 2 des Pumpengehäuses berühren. Diese Bolzenpaare bzw. deren
Führungsbohrungen sind, wie :die Zeichnung zeigt, gegenüber den Arbeitsschiebern
um 90° versetzt und erzeugen bei ihrer durch den Rotor erzwungenen Drehung eine
der durch die Rotation der Arbeitsschieber erzeugten Massenkraft in jedem Augenblick
entgegengesetzte Massenkraft, so daß die Unwucht genau ausgeglichen wird. Zur Erreichung
dieses. Ziels genügte auch ein einziges um 90° gegenüber den Schiebern versetztes,
in der Mitte des Rotors -angebrachtes Bolzenpaar entsprechender Masse. Bei Verwendung
nur eines Bolzenpaares. muß die Masse jedes einzelnen Bolzens gleich sein der Masse
eines Schiebers, während bei der Anordnung von zwei Bolzenpaaren die Masse jedes
Bolzens nur halb so groß zu sein braucht, die Bolzen also handlicher werden. Jedenfalls
muß die Gesamtmasse aller Bolzen zusammengenommen gleich der Masse der Schieber
sein.
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In jederBohrung für ein Bolzenpaar kann noch eine Feder 24, 25 .angeordnet
sein, welche das Gleiten der Bolzen an der Innenwand des Pumpengehäuses
auch
beim Anfahren sicherstellt. Es ist notwendig, daß die Bolzen ständig an der Innenwand
gleiten und dadurch in periodisch wechselndem Abstand von der Rotorachse geführt
werden, damit sich eine Gegenunwucht richtiger Größe zur Unwucht der Schieber in
jedem Augenblick ergibt.
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Wie die praktische Erfahrung gezeigt hat, besitzen Pumpen nach :der
vorbeschriebenen Konstruktion eine außerordentliche Laufruhe, wie sie bisher bei
Vakuumdrehschieberpumpen mit zwei Schiebern völlig ausgeschlossen war. Diese Laufruhe
wirkt sich nicht nur in einer Verminderung des störenden Betriebsgeräusches und
in einer Erhöhung der Lebensdauer der Pumpe aus, sondern ermöglicht ohne weiteres
den Einsatz der Pumpe auch in Fällen, in denen mit Rücksicht auf andere Geräte ein
völlig erschütterungsfreier Betrieb gefordert wird, welcher mit Pumpen gewöhnlicher
Bauart nur durch kostspielige Maßnahmen (z. B. isolierte Aufstellung, flexible Verbindungen
mit den zu evakuierenden Rezipienten) erreicht werden konnte.