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WO1998007988A1 - Trockene vakuummaschine mit wellendurchführung - Google Patents

Trockene vakuummaschine mit wellendurchführung Download PDF

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WO1998007988A1
WO1998007988A1 PCT/EP1997/003072 EP9703072W WO9807988A1 WO 1998007988 A1 WO1998007988 A1 WO 1998007988A1 EP 9703072 W EP9703072 W EP 9703072W WO 9807988 A1 WO9807988 A1 WO 9807988A1
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WO
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shaft
machine according
sealing ring
bushing
lip
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PCT/EP1997/003072
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Josef Burghard
Eckhard Bez
Jürgen Meyer
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Leybold GmbH
Original Assignee
Leybold Vakuum GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C29/00—Component parts, details or accessories of pumps or pumping installations, not provided for in groups F04C18/00 - F04C28/00
    • F04C29/04—Heating; Cooling; Heat insulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C27/00—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C27/008—Sealing arrangements in rotary-piston pumps specially adapted for elastic fluids for other than working fluid, i.e. the sealing arrangements are not between working chambers of the machine
    • F04C27/009—Shaft sealings specially adapted for pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16J—PISTONS; CYLINDERS; SEALINGS
    • F16J15/00—Sealings
    • F16J15/16—Sealings between relatively-moving surfaces
    • F16J15/32—Sealings between relatively-moving surfaces with elastic sealings, e.g. O-rings
    • F16J15/324—Arrangements for lubrication or cooling of the sealing itself

Definitions

  • the invention relates to a dry vacuum machine, in particular a rotary piston vacuum pump, with the features of the preamble of claim 1.
  • Vacuum pumps are being used more and more frequently in technical fields, for example in semiconductor technology, which require the generation of an absolutely hydrocarbon-free vacuum. Only oil-free high and backing pumps can be used. With these pumps, means must be used that take over the lubrication and cooling functions of the oil. Oil lubrication in the scooping area of a rotary piston pump can be dispensed with, for example, if the piston rotates in the scooping area without contact. However, the tion of the heat that is generated both in the piston and in the area of the shaft sealing rings is particularly difficult, since the vacuum in the scooping chamber has the effect of particularly good thermal insulation for the piston, which rotates without contact.
  • the present invention has for its object to equip a vacuum machine of the type mentioned with improved means for heat dissipation.
  • a special task is to dissipate the heat generated in the area of the shaft bushing in such a way that it has no influence on the heat balance of the piston.
  • the general object is achieved in that the shaft at the level of the sealing ring lip is equipped with a bushing which projects into the outer space and is equipped with cooling surfaces there.
  • FIGS. 1 and 2. Show it:
  • Vacuum machine in which both the heat generated in the piston and in the area of the shaft sealing ring is conducted to the outside and
  • the figures each show a partial section through a rotary piston vacuum pump 1 with a piston 2, which rotates during operation in the pump chamber 3, formed by the pump chamber housing 4 with the partition 5.
  • the shaft 6 of the piston 2 is guided through an opening 7 in the partition 5 to the outside (outer space 8). Shaft bearings are not shown in detail.
  • the outwardly guided shaft 6 can be coupled to a drive motor, for example.
  • a shaft sealing ring 11 of conventional design In the opening 7 of the partition 5 there is a shaft sealing ring 11 of conventional design, the lip 12 of which faces the shaft 6.
  • a housing-fixed ring 13 surrounding the shaft 6 forms, together with the interior of the shaft sealing ring 11, a cavity 14 which is filled with a lubricating grease which lubricates the shaft sealing ring lip 12.
  • the ring 13 and the opening of the shaft sealing ring 11 face the pump chamber 3.
  • blades 16 which rotate together with the bushing 15 or the shaft 6.
  • the bushing 15 has direct thermal contact with the shaft 6 and with a running layer 17 assigned to the lip 12 of the shaft sealing ring, so that heat which arises both in the piston 2 and reaches the bushing 15 via the shaft 6 and also in the region of the running layer 17 the blades 16 is discharged to the outside.
  • a bushing 21 is provided which is thermally insulated from the shaft 6. This is achieved by means of an insulating layer 22 in the form of a tubular section, which is located between the bushing 21 and the shaft 6.
  • the bushes 15 and 21 as well as the blades 16 and the annular disk 23 must be made of a good heat-conducting material, for example aluminum or copper.
  • Plastic or aluminum oxide (Al 2 O 3) can be used as the material for the insulating layer 22.
  • the running layer 17 for the lip 12 of the shaft sealing ring 11 should be made relatively thin and hard and also consist of a good heat-conducting material, for example hardened aluminum or chrome.
  • the shaft 6 is equipped with an annular groove 25. It serves to receive a sealing ring 26, which serves to seal the scoop chamber 3 to the outside.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Applications Or Details Of Rotary Compressors (AREA)
  • Sealing With Elastic Sealing Lips (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine trockene Vakuummaschine (1), insbesondere Rotationskolbenvakuumpumpe, mit einer ölfreien Durchführung einer Welle (6) durch eine Trennwand (5), die den Schöpfraum (3) der Vakuummaschine (1) von einem äußeren Raum (8) trennt, wobei die Durchführung einen Wellendichtring (11) aufweist, dessen Lippe (12) der Welle (6) zugewandt ist; um die Abfuhr der entstehenden Wärme zu verbessern, wird vorgeschlagen, daß die Welle (6) in Höhe der Dichtringlippe (12) mit einer Buchse (15, 21) versehen ist, die in den äußeren Raum (8) hineinragt und dort mit Kühlflächen (16, 23) ausgerüstet ist.

Description

Trockene Vakuummasc ine mit Wellendurchführung
Die Erfindung betrifft eine trockene Va uummaschine, insbesondere Rotationskolbenvakuumpumpe, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Beim Betrieb von Rotationskolbenvakuumpumpen ist die Entstehung von Warme im Schöpfraum und im Bereich der Wellendichtringe unvermeidbar. Bei Rotationskolbenpumpen, bei denen im Schöpfräum Öl vorhanden ist, ist das Problem der Abführung der Wärme in einfacher Weise beherrschbar. Das in aller Regel im Kreislauf geführte Öl hat neben anderen Aufgaben die Wirkung, daß die im Schöpfraum rotierenden, kreisenden oder sich hin und her bewegenden Kolben geschmiert werden und daß die während des Betriebs der Maschine entstehende Wärme abgeführt wird.
Der Einsatz von Vakuumpumpen erfolgt immer häufiger in technischen Gebieten, zum Beispiel in der Halbleitertechnik, die die Erzeugung eines absolut kohlenwasser- stoffreien Vakuums fordern. Nur ölfreie Hoch- und Vorvakuumpumpen können verwendet werden. Bei diesen Pumpen müssen Mittel eingesetzt werden, die die Schmier- und Kühlfunktionen des Öls übernehmen. Auf eine Ölschmierung im Schöpfraum einer Rotationskolbenpumpe kann zum Beispiel verzichtet werden, wenn sich der Kolben berührungsfrei im Schöpfräum dreht. Allerdings ist die Abfüh- rung der Wärme, die sowohl im Kolben als auch im Bereich der Wellendichtringe entsteht, besonders schwierig, da das im Schöpfraum vorhandene Vakuum für den sich berührungsfrei drehenden Kolben die Wirkung einer besonders guten Wärmeisolierung hat.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vakuummaschine der eingangs erwähnten Art mit verbesserten Mitteln zur Wärmeabfuhr auszurüsten. Eine spezielle Aufgabe besteht darin, die im Bereich der Wellendurchführung entstehende Wärme derart abzuführen, daß sie auf den Wärmehaushalt des Kolbens keinen Einfluß hat.
Erfindungsgemäß wird die allgemeine Aufgabe dadurch gelöst, daß die Welle in Höhe der Dichtringlippe mit einer Buchse ausgerüstet ist, die in den äußeren Raum hineinragt und dort mit Kühlflächen ausgerüstet ist. Durch diese Maßnahmen wird erreicht, daß sowohl die im Kontaktbereich zwischen Dichtlippe und Laufbuchse entstehende Wärme als auch die vom Kolben über die Welle auf die Buchse übergehende Wärme in Richtung der Kühlflächen abgeführt wird. Die Kühlflächen können als Ringscheibe oder als Schaufelrad ausgebildet sein, so daß sie infolge ihrer Drehung einen intensiven Kontakt mit der im äußeren Raum vorhandenen Atmosphäre haben.
Die geschilderte Lösung setzt voraus, daß zwischen der Buchse und der Welle ein guter thermischer Kontakt besteht, damit auch die im Schöpfräum bzw. im Kolben entstehende Wärme zu den Kühlflächen geführt werden kann. Ist allerdings die Reibungswärme, die im Bereich des Wellendichtringes entsteht, so hoch, daß sie über die Buchse und über die Welle die Temperatur des Kolbens noch erhöhen würde, dann ist es zweckmäßig, zwischen der Laufbuchse und der Welle eine thermische Isolierung vorzusehen. Diese Isolierung bewirkt, daß im Bereich der Dichtlippe des Wellendichtringes entstehende Wärme nicht mehr von der Buchse auf die Welle übergeht, den Kolben also nicht erreichen kann. Zu einer Temperaturerhöhung des Kolbens trägt die im Bereich des Wellendichtringes entstehende Wärme nicht bei.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigen:
Figur 1 einen Teilschnitt durch eine trockene
Vakuummaschine, bei der sowohl die im Kolben als auch im Bereich des Wellendichtringes entstehende Wärme nach außen geführt wird und
Figur 2, eine Maschine, bei der nur im Bereich des Wellendichtringes entstehende Wärme nach außen geführt wird.
Die Figuren zeigen jeweils einen Teilschnitt durch eine Rotationskolbenvakuumpumpe 1 mit einem Kolben 2 , der während des Betriebs im Schöpfräum 3, gebildet vom Schöpfraumgehäuse 4 mit der Trennwand 5, rotiert. Die Welle 6 des Kolbens 2 ist durch eine Öffnung 7 in der Trennwand 5 nach außen (äußerer Raum 8) geführt. Wellenlagerungen sind im einzelnen nicht dargestellt. Die nach außen geführte Welle 6 kann zum Beispiel mit einem Antriebsmotor gekoppelt sein.
In der Öffnung 7 der Trennwand 5 befindet sich ein Wel- lendichtring 11 üblicher Bauart, dessen Lippe 12 der Welle 6 zugewandt ist. Ein gehäusefester, die Welle 6 umgebender Ring 13 bildet zusammen mit dem Innenraum des Wellendichtringes 11 einen Hohlraum 14, der mit einem der Schmierung der Wellendichtringlippe 12 dienenden Schmierfett gefüllt ist. Der Ring 13 und die Öffnung des Wellendichtringes 11 sind dem Schöpfräum 3 zugewandt. Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 1 befindet sich in Höhe des Wellendichtringes 11 eine Buchse 15, die sich gemeinsam mit der Welle 6 nach außen erstreckt. Dort ist sie mit Schaufeln 16 ausgerüstet, die gemeinsam mit der Buchse 15 bzw. der Welle 6 rotieren. Die Buchse 15 hat unmittelbaren thermischen Kontakt mit der Welle 6 und mit einer der Lippe 12 des Wellendichtrings zugeordneten LaufSchicht 17, so daß sowohl im Kolben 2 entstehende und über die Welle 6 zur Buchse 15 gelangende Wärme als auch im Bereich der Laufschicht 17 entstehende Wärme zu den Schaufeln 16 nach außen abgeführt wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 2 ist eine Buchse 21 vorgesehen, die gegenüber der Welle 6 wärmeisoliert ist. Dieses wird erreicht durch eine rohrabschnittförmige Isolierschicht 22, die sich zwischen Buchse 21 und Welle 6 befindet.
Infolge der Isolierschicht 22 wird erreicht, daß ein Wärmeübergang zwischen Welle 6 und Buchse 21 nicht stattfindet. Im Bereich der Lippe 12 des Wellendichtringes bzw. der Laufschicht 17 entstehende Wärme kann also nicht zum Kolben 2 gelangen. Nur die im Bereich der Dichtlippe 12 des Wellendichtringes 11 entstehende Wärme wird nach außen abgeführt. Anstelle der Schaufeln 16 nach Figur 1 trägt die Buchse 21 eine Kreisringscheibe 23, welche die gewünschten Kühlflächen bildet.
Die Buchsen 15 und 21 sowie die Schaufeln 16 bzw. die Kreisringscheibe 23 müssen aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff bestehen, zum Beispiel Aluminium oder Kupfer. Als Werkstoff für die Isolierschicht 22 kommt Kunststoff oder Aluminium-Oxid (AI2 O3) in Frage. Die LaufSchicht 17 für die Lippe 12 des Wellendichtringes 11 sollte relativ dünn und hart ausgebildet sein und außerdem aus gut wärmeleitendem Werkstoff, zum Beispiel gehärtetes Aluminium oder Chrom, bestehen. In Höhe der Buchse 15 bzw. 21 ist die Welle 6 mit einer Ringnut 25 ausgerüstet. Sie dient der Aufnahme eines Dichtringes 26, der der Abdichtung des Schöpfraumes 3 nach außen dient.

Claims

Trockene Vakuuπimaschine mit ellendurc fü rungPATENTANSPRÜCHE
1. Trockene Vakuummaschine (1), insbesondere Rotationskolbenvakuumpumpe, mit einer ölfreien Durchführung einer Welle (6) durch eine Trennwand (5) , die den Schöpfräum (3) der Vakuummaschine (1) von einem äußeren Raum (8) trennt, wobei die Durchführung einen Wellendichtring (11) aufweist, dessen Lippe
(12) der Welle (6) zugewandt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (6) in Höhe der Dichtringlippe (12) mit einer Buchse (15, 21) versehen ist, die in den äußeren Raum (8) hineinragt und dort mit Kühlflächen (16, 23) ausgerüstet ist.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Buchse (21) und Welle (6) eine thermische Isolierung (22) vorhanden ist.
3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht (22) aus Aluminiumoxid (AI2 O3) besteht.
4. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (15, 21) mit einer die Kühlflächen bildenden Ringscheibe (23) ausgerüstet ist .
5. Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (15, 21) mit einem die Kühlflächen bildenden Schaufelrad (16) ausrüstet ist .
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (15, 21) und die die Kühlflächen bildenden Bauteile (16, 23) aus gut wärmeleitendem Werkstoff (AI, Cu oder dergleichen) bestehen.
7. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (15, 21) im Bereich der Dichtringlippe (12) mit einer Laufschicht (17) ausgerüstet ist, die aus einem harten, gut wärmeleitenden Werkstoff (AI gehärtet, Chrom oder dergleichen) besteht.
8. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellendichtring (11) fettgeschmiert ist.
9. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Hohlraum (14) des Wellendichtringes
(11) ein Fettvorrat befindet.
10. Maschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der offenen Seite des Wellendichtringes (11) ein gehäusefester Ring (13) zugeordnet ist .
11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Welle (6) und der Buchse (15) bzw. der thermischen Isolierung
(22) eine Dichtung (26) vorhanden ist.
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