Drehschieber-Vakuumpumpe bzw. -Verdichter in Blockbauweise mit fliegend gelagertem Scheibenläufer-Synchronmotor
Die Erfindung betrifft Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hierbei kann es sich sowohl um ölumlauf geschmierte als auch um trocken laufende Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter handeln. Diese weisen üblicherweise eine horizontale Ausführung auf, wobei die im Rotor bewegbaren Schieber bei trocken laufenden Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichtern üblicherweise aus Graphit oder Graphit-Verbundwerkstoffen bestehen, während bei ölumlauf geschmierten Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichtern die Schieber auch aus Kunststoff oder Kunststoff-Verbundwerkstoffen bestehen können.
ölumlaufgeschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter in Blockausführung, d.h. mit fliegend gelagertem Rotor, werden üblicherweise mit Einphasen-Wechselstrommotoren oder Drehstrom-Asynchronmotoren betrieben. Derartige Pumpen und Verdichter werden seit Jahrzehnten erfolgreich eingesetzt und stehen in den verschiedensten Märkten in einem harten Verdrängungs- Wettbewerb.
Einwellige ölumlauf geschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter werden nur für kleine Förderströme, d.h. von ca. 2 m3/h bis zu max. 100 πvVh, in Blockbauweise gebaut. Oberhalb dieser Förderströme reicht die Oberfläche der Pumpen und Verdichter nicht mehr zur Wärmeabgabe der Verdichtungswärme aus. Man baut deshalb größere Vakuumpumpen und Verdichter vorrangig in konventioneller Bauweise mit einer Kupplung zwischen Antriebsmotor und Pumpenbzw. Verdichterstufe.
Stand der Technik ist weltweit die Nutzung von Wechselstrom- oder Drehstrom- antrieben, die wegen der erforderlichen kleinen Spalte zwischen Rotor und fest am
A-seitigen Lagerschild des Motors angebrachtem zylindrischen Gehäuse eine vergleichsweise aufwendige Feinabstimmung der Motorlagerung erfordern. Die
Antriebsmotoren unterliegen deshalb insbesondere bei qualitativ hochwertigen
Vakuumpumpen und Verdichtern nicht nur der beschriebenen Feinabstimmung, sondern sie müssen zudem die geforderten Genauigkeiten mit gleich bleibender
Qualität einhalten. Die Folge sind hohe Kosten und ein eingeschränkter
Anbietermarkt für derartige Motoren.
Hinzu kommt außerdem, dass Wechselstromantriebe und Drehstromantriebe insbesondere des hier eingesetzten Leistungsbereiches von 80 W bis 2 kW infolge des geringeren Wirkungsgrades nicht nur ein spürbar größeres Bauvolumen einnehmen, sondern auch den denkbaren Bauraum durch die gezwungenermaßen längliche Bauform nicht optimal ausnutzen.
Die beschriebenen ölumlauf geschmierten Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter in Blockbauweise lassen sich prinzipiell in zwei weitere Varianten unterteilen, nämlich
1 ) in ölumlauf geschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter mit seitlich zur Pumpen-Λ/erdichterstufe und zum Motor angeordnetem
Ölnebelabscheider. Diese Bauform kann wegen der größeren äußeren
Fläche für alle Baugrößen, d.h. von ca. 2 πrVh bis zu max. 100 m3/h,
verwendet werden. Außerdem kann der ölnebelabscheider sämtliche seiner äußeren Flächen, bis auf den inneren Bereich des Gaseintrittsflansches zur Pumpen-A/erdichterstufe, für die Wärmeabgabe nach außen nutzen, und
2) in ölumlauf geschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter mit axial zur Pumpen-Λ/erdichterstufe angeordnetem ölnebelabscheider. Bei dieser Bauform ist einer der axialen Gehäusedeckel das A-seitige Motorschild selbst, während der andere axiale Gehäusedeckel direkt mit dem ölnebelabscheider verbunden ist, so dass der Antriebsmotor, die Pumpen-/ Verdichterstufe und der ölnebelabscheider direkt axial aneinandergereiht sind. Dies bedeutet jedoch, dass dem ölnebelabscheider bzw. der Pumpen-/ Verdichterstufe eine der wesentlichen äußeren Flächen zur Wärmeabgabe fehlt. Aus diesem Grund, und weil diese Bauform auch bezüglich der Grundfläche für viele Anwendungen ein zu großes Verhältnis von Länge (axiale Ausdehnung) zur Breite aufweist, werden derartige Maschinen vorrangig nur in den Baugrößen von ca. 2 m3/h bis max. 12 nrvVh realisiert.
Bei kleinen ölumlauf geschmierten Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichtern besteht bereits bei der Herstellung häufig das Problem, dass infolge der fliegenden Lagerung des Rotors, der eng eingestellten Spalte (zwischen 0,02 bis 0,04 mm) und der relativ hohen Radialkräfte auf den Rotor beim Probelauf Geräusche erzeugt werden, deren Ursache unter anderem auch in Berührungen zwischen dem stehenden Gehäuse und dem Rotor liegen kann und die für den Benutzer nicht akzeptabel sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, Drehschieber-Vakuumpumpen bzw. -Verdichter der gattungsgemäßen Art zur Beseitigung der geschilderten Nachteile derart auszugestalten, dass die gesamte Baugröße der Maschine minimiert, die Prozesssicherheit bei der Herstellung erhöht und zugleich die Montage der Maschine nachhaltig vereinfacht ist.
Die Merkmale der zur Lösung dieser Aufgabe geschaffenen Erfindung ergeben sich aus Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Die Erfindung umfasst fliegend gelagerte, trocken laufende oder, vorzugsweise, Ölumlauf geschmierte Drehschieber-Vakuumpumpen und -Verdichter in Blockbauweise mit parallel, d.h. seitlich oder axial zur gemeinsamen Motor- und Pumpen- /Verdichterwelle angebautem Ölnebelabscheider.
Erfindungsgemäß wird die Lagerung vom Motor in die Pumpen-A/erdichterstufe verlegt, d.h. der Rotor selbst wird entweder mit einer Gleitlagerung oder mit Nadellagern direkt in den Gehäusedeckeln der Pumpen-Λ/erdichterstufe gelagert, wobei als Antrieb ein fliegend gelagerter Scheibenläufer-Synchronmotor mit bürstenlosem Läufer zur Anwendung gelangt. Auf Grund der Anordnung mit zwei Statorscheiben, je eine an einer der Stirnseiten des mit Permanentmagneten bestückten Scheibenläufers, gleichen sich die Axialkräfte fast vollständig aus und machen damit eine Abstützung durch ein Axiallager überflüssig.
Mit dieser verblüffend einfachen Anordnung gemäß der Erfindung wird nicht nur die gesamte Baugröße der Pumpe bzw. des Verdichters entscheidend minimiert und die erforderliche Genauigkeit für die Rotorführung erreicht, sondern es wird auch eine Wirkungsgradverbesserung des Motors von etwa 75 bis 80 % auf 85 bis 95 % erzielt. Damit kann auf eine direkte Kühlung des Motors durch einen Motorlüfter verzichtet werden.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird schließlich eine Vereinfachung der logistischen Handhabung der Vakuumpumpen bzw. Verdichter erreicht, und zwar dadurch, dass durch die Verwendung einfacher elektronischer Regelungen und sog. Multispannungsnetzteile die Komplexität, d.h. die Variantenvielfalt an Motoren je Baugröße von bisweilen mehr als 20 Varianten, bis auf eine Variante reduziert wird.
Der Erfindung liegt somit der Gedanke zu Grunde, in axialer Richtung an der Rotorwelle einen bürstenlosen Scheibenläufer-Synchronmotor anzubauen. Dieser kann in Ausgestaltung der Erfindung entweder zum Zweck des Axialkraftausgleichs einen doppelseitig zum Scheibenläufer aufgebauten Stator aufweisen oder aber nur mit einem einseitig zum Scheibenläufer aufgebauten Stator versehen sein, bei dem dann die auftretenden Axialkräfte durch ein Axiallager aufgenommen sind.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn erfindungsgemäß eine thermische Trennung in Form einer Gehäuseeinschnürung zwischen der Pumpen-Λ/erdichterstufe und dem Scheibenläufer-Synchronmotor eingearbeitet bzw. durch die Gehäuseform selbst realisiert ist.
Es liegt im Rahmen der Erfindung, dass zur Lageerkennung für die Regelung ein Hall-Sensor vorgesehen ist.
In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass um das Gehäuse der Pumpen-Λ/erdichterstufe herum ein ölnebelabscheider angeordnet ist, derart, dass insgesamt ein minimaler Bauraum bei quadratischer Grundfläche erreicht ist.
Erfindungsgemäß kann schließlich vorgesehen sein, dass gegenüber dem Scheibenläufer-Synchronmotor auf der Rotorwelle ein Lüfter angeordnet ist, mit dem die Verdichtungswärme aus der Maschine abgeführt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auf der Rotorwelle an der dem Scheibenläufer- Synchronmotor gegenüberliegenden Seite zur Pumpen-Λ/erdichterstufe ein Ventilatorlaufrad angebracht sein, das zur Kühlung der Pumpen-Λ/erdichterstufe mit Kühlluft dient.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgestaltete ölumlauf geschmierte Drehschieber- Vakuumpumpe in Blockbauweise mit fliegend gelagertem Scheibenläufer- Synchronmotor schematisch im Längsschnitt und
Fig. 2 im Querschnitt gemäß Linie H-Il nach Fig. 1.
Wie aus der Zeichnung ersichtlich, wird bei der dargestellten ölumlauf geschmierten Drehschieber-Vakuumpumpe das Fördermedium über eine Ansaugöffnung 1 tangential in den Arbeitsraum 9 eines Gehäuses 2 angesaugt und axial durch eine oder mehrere Bohrungen 3 zu einem ölnebelabscheider 4 gefördert.
Dieser ölnebelabscheider 4 ist über einen Gehäusezwischendeckel 5 direkt an die Pumpen-/Verdichterstufe angeflanscht. Im ölnebelabscheider 4 gelangt das Fördermedium zu einem Luftentölelement 15 und anschließend zum Gasaustritt 16.
Ein im Gehäuse 2 angeordneter Rotor 6 ist mit mehreren Schieberschlitzen 7 versehen, die, wie aus Fig. 2 ersichtlich, radial oder aber auch deaxiert außen in den Rotor 6 eingearbeitet sind. In den Schieberschlitzen 7 sind Schieber 8 verschiebbar angeordnet. Diese Schieber 8 trennen einzelne Förderkammern des Arbeitsraumes 9 voneinander ab.
Das Gehäuse 2 ist auf seiner linken Seite gemäß Fig. 1 vom Zwischendeckel 5 und auf seiner rechten Seite gemäß Fig. 1 von einem weiteren Deckel 10 begrenzt. An der Außenseite des Gehäusedeckels 10 ist das Gehäuse eines bürstenlosen Scheibenläufermotors befestigt. Dieser weist einen mit Permanentmagneten bestückten bürstenlosen Scheibenläufer 11 sowie zwei Statorscheiben 12 auf, in denen sich mehrpolige elektrische Wicklungen befinden. Der erforderliche Lagesensor für den Motorregler zur Ansteuerung der Motorwicklungen ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
Die einfache Lagerung des gesamten Rotors 6 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel mit Nadellagern 13 realisiert. Statt dessen ist es selbstverständlich auch möglich, Gleitlager anstelle der Nadellager 13 zu verwenden.
Die Abdichtung zum Motorraum erfolgt mit einem üblichen Radialwellendichtring 14.
Hinsichtlich vorstehend nicht näher erläuterter Merkmale der Erfindung wird im Übrigen ausdrücklich auf die Zeichnung sowie die Ansprüche verwiesen.