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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Vakuumpumpen vom Spiraltyp und insbesondere verbesserte
Spitzendichtungen, die ermöglichen,
dass die Vakuumpumpe vom Spiraltyp über ein relativ großes Druckdifferential
arbeitet.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Spiralpumpen
sind im US-Patent Nr. 801 182, herausgegeben 1905 an Creux, offenbart.
In einer Spiralpumpe läuft
ein beweglicher Spiralflügel bezüglich eines
ortsfesten Spiralflügels
innerhalb eines Gehäuses
um. Die Anordnung der Spiralflügel und
ihre relative Bewegung schließt
ein oder mehrere Volumina oder "Einschlüsse" eines Fluids zwischen den
Flügeln
ein und bewegt das Fluid durch die Pumpe. Das Creux-Patent beschreibt
die Verwendung der Dampfenergie, um die Flügel anzutreiben, um eine Drehkraftausbeute
zu erzeugen. Die meisten Anwendungen bringen jedoch eine Drehkraft
auf, um ein Fluid durch die Vorrichtung zu pumpen. Ölgeschmierte
Spiralpumpen werden als Kühlmittelverdichter
umfangreich verwendet. Andere Anwendungen umfassen Expander, die
entgegengesetzt zu einem Verdichter arbeiten, und Vakuumpumpen.
Bis heute wurden Spiralpumpen nicht umfangreich zur Verwendung als
Vakuumpumpen übernommen, hauptsächlich da
die Herstellungskosten für
eine Spiralpumpe signifikant höher
sind als für
eine ölgeschmierte
Flügelpumpe
mit vergleichbarer Größe.
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Spiralpumpen
müssen
eine Anzahl von häufig
widersprüchlichen
Entwurfszielen erfüllen.
Die Spiralflügel
müssen
so angeordnet sein, dass sie gegenseitig zusammenwirken, so dass
ihre relative Bewegung die Hohlräume
festlegt, die das Fluid innerhalb der Hohlräume transportieren und häufig verdichten.
Die Flügel
müssen
sich daher relativ zueinander bewegen, wobei zwischen benachbarten
Windungen Dichtungen ausgebildet sind. Beim Vakuumpumpen ist der
von der Pumpe erreichbare Vakuumpegel häufig durch die Tendenz begrenzt,
dass Hochdruckgas am Auslaß in
Richtung des Einlasses mit niedrigerem Druck rückwärts strömt und durch die Gleitdichtungen
zum Einlass durchsickert. Die Wirksamkeit und die Haltbarkeit der
Spiralflügeldichtungen
sind wichtige Bestimmungsgrößen der
Leistung und Zuverlässigkeit.
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Dichtungsmittel
für eine
Vorrichtung vom Spiraltyp, einschließlich eines Dichtungselements, das
mit einem Elastomerelement unterlegt ist, sind in PATENT ABSTRACT
OF JAPAN, Band 095, Nr. 007, 31. August 1995, und JP-07-109981 (NIPPON
DENSO Co., Ltd.), 25. April 1995, US-Patent Nr. 3 994 636, herausgegeben
am 30. November 1976 an McCullough et al., offenbart. Eine Dichtungsanordnung mit
einem Dichtungsstreifen, der durch eine Silikonkautschukröhre vorgespannt
ist, ist im US-Patent Nr. 4 883 413, herausgegeben am 28. November
1989 an Perevuznik et al., offenbart. Eine Dichtungsanordnung für eine Vakuumpumpe
vom Spiraltyp, einschließlich
eines Dichtungselements und eines Elastomerdichtungs-Belastungsbalgs,
der unter Druck gesetzt werden kann, ist im US-Patent Nr. 5 366
358, herausgegeben am 22. November 1994 an Grenci et al., offenbart.
Eine Pumpe vom Spiraltyp mit einer Dichtungsanordnung, einschließlich eines
Dichtungselements und eines Stützelements
aus einem weichen porösen
Material, ist im US-Patent Nr. 5 258 046, herausgegeben am 2. November
1993 an Haga et al., offenbart. Zusätzliche Dichtungsanordnungen für eine Vorrichtung
vom Spiraltyp sind im US-Patent Nr. 4 730 375, herausgegeben am
15. März
1988 an Nakamura et al., offenbart. Spitzendichtungen des Standes
der Technik umfassen typischerweise ein Dichtungselement, das eine
Gleitdichtung bildet, und ein Aktivatorelement, das das Dichtungselement
gegen eine gegenüberliegende
Oberfläche
drückt.
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Spitzendichtungen
beeinflussen die Leistung und Zuverlässigkeit von trockenen Spiralpumpen entscheidend.
Die Spitzendichtung ist typischerweise in einer Nut montiert, die
in die obere Kante eines Spiralflügels maschinell eingearbeitet
ist. Die Dichtung muss einen Gasaustritt über die Dichtung (quer zur
Dichtung) sowie axial entlang der Spitzendichtungsnut wirksam sperren.
Der Austritt in beiden Richtungen ermöglicht, dass das Gas in Richtung des
Pumpeneinlasses zurückströmt. Die
Dichtung muss eine angemessene Abdichtung für lange Zeiträume (typischerweise
mehr als 9000 Stunden) mit geringem Verschleiß, minimaler Reibung und über einen
Bereich von Betriebstemperaturen und -drücken bereitstellen. Die Spitzendichtungen
in Vakuumpumpen vom Spiraltyp des Standes der Technik weisen eine
Anzahl von Nachteilen auf, die Elastomermaterialeigenschaften, wirtschaftlich
erzielbare Bearbeitungstoleranzen und widersprüchliche Anforderungen von geringem
Leckverlust über
die Dichtung und diese hinab betreffen. Übliche Elastomere wie z. B. Kautschuk,
Buna N und Viton sind unkomprimierbare Materialien, d. h. die Materialdichte
bleibt unter Druckspannungen im wesentlichen konstant. Das vertikale
Quetschen eines Würfels
dieser Materialien führt
dazu, dass das Material horizontal ausbeult. Für eine Elastomerdichtung, die
sich in einer Nut befindet und keinen Platz hat, in dem sie sich
verformt, erträgt die
Dichtung sehr hohe vertikale Kräfte
mit im Wesentlichen keiner vertikalen Verformung. Um eine Dichtungsnut
unter den leichten Drücken,
die für
eine niedrige Reibung und lange Lebensdauer erforderlich sind, vollständig zu
füllen,
müssen
die Abmessungen der Dichtung, der Dichtungsnut und der Abstand zum
gegenüberliegenden
Spiralflügel
folglich sehr eng gesteuert werden. Praktisch müssen Kompromisse mit festen
Elastomeren hinsichtlich dessen, wie gut die Dichtungsnut blockiert
werden kann, gemacht werden. Dies begrenzt die Pumpenleistung.
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Feste
Elastomere wie z. B. Viton, Buna N und geformte Silikone sind auch
zu steif für
die Verwendung als Dichtungsaktivatorelemente in einer praktischen
Spiralpumpe. Ein typischer Elastizitätsmodul für diese Materialien beträgt 1379
bis 4826 kPa (200 bis 700 psi). Um eine Reibungserwärmung innerhalb
der Pumpe zu begrenzen, muss der Kontaktdruck niedrig gehalten werden,
idealerweise niedriger als etwa 34,5 kPa (5 psi). Wenn der Elastomerteil
der Dichtung 2,54 mm (0,1 Inch) dick ist, dann wird eine Belastung
von 34,5 kPa (5 psi) mit Buna N mit einer Durchbiegung von nur 0,0025
mm (0,001 Inch) erreicht. Die Toleranzen innerhalb der Pumpe müssen äußerst eng
gehalten werden, um konsistent eine Belastung von 34,5 kPa (5 psi)
zu erreichen. Die Dichtungsbelastung würde sich mit einem Dichtungsverschleiß und mit
einer Wärmeausdehnung
der Spiralkomponenten wesentlich ändern, wenn die Pumpe arbeitet.
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Eine
kommerziell erhältliche
trockene Spiralvakuumpumpe verwendet ungesinterte Teflonpaste als
Dichtungsaktivatorelement. Ein nützliches
Attribut von Teflonpaste besteht darin, dass sie ein nicht-homogenes
Material ist. Ein Bruchteil des Materials ist Luft und daher kann
seine Volumendichte durch Verdichtung erhöht werden. Wenn die Dichtung
in die Spitzendichtungsnut gepresst wird, gibt das Elastomer gleichzeitig
nach und drückt
sich zusammen, um die Dichtungsnut fast vollständig zu füllen. Das Material nimmt eine
permanente Verformung an, wenn es jedoch gelöst wird, federt es sehr wenig
zurück.
Dies blockiert einen Querleckverlust unter der Dichtung sowie entlang
der Spitzendichtungsnut wirksam. Der Aktivator kompensiert Abmessungsänderungen durch
Verformen und Zusammendrücken
mehr oder weniger ohne große
Veränderung
der Kraft. Dies steht im Gegensatz zu einem festen Elastomer, das einer
Verformung gut widersteht, wenn es dimensional begrenzt wird.
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Die
Konstruktion, die ein Teflonpasten-Aktivatorelement verwendet, weist
jedoch mehrere Nachteile auf. Wenn die Spiralpumpe gestartet wird, heizen
sich ihre internen Komponenten aufgrund von Reibung und Arbeit,
die an dem gepumpten Gas durchgeführt wird, allmählich auf.
Die Teflonpaste dehnt sich in der Nut relativ zum Umgebungsmetall aus
und drückt
die Dichtungsfläche
gegen ihre Gegenfläche.
Wenn eine neue Dichtung zum ersten Mal eingesetzt wird, drückt sich
die Teflonpaste ein bisschen weiter zusammen, wobei sie eine neue
permanente Verformung annimmt. Die zweckmäßige anfängliche Pastendichte, -breite
und -dicke werden so eingestellt, dass eine angemessene Dichtungskraft bei
normalen Betriebstemperaturen erhältlich ist. Folglich ist eine
erhöhte
Temperatur erforderlich, um eine ausreichende Kraft sicherzustellen,
um die Dichtung zweckmäßig zu aktivieren.
Das Aktivatorelement muss sich in einem thermisch ausgedehnten Zustand
befinden, um zweckmäßig zu funktionieren. Spiralpumpen,
die diese Art von Pastenelastomer verwenden und bei niedrigen Umgebungstemperaturen
gestartet werden, weisen häufig
einen schlechten Basisdruck für
viele Minuten auf, bis sich die Pumpe und die Dichtungen aufgewärmt haben.
Dieses Verhalten ist für
einige Anwendungen wie beispielsweise tragbare Leckerfassungssysteme
unannehmbar.
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Ein
weiterer Nachteil des Teflonpastenelastomers ist ein Verlust der
Dichtungsaktivierungskraft aufgrund von Verschleiß. Mit der
Zeit verschleißen sowohl
die Dichtung als auch die Gegenfläche und werden dünner. Der
Verschleiß ist
klein, in der Größenordnung
von 0,0075 mm (0,003 Inch) pro Betriebsjahr. Nach etwa einem Jahr
ist jedoch die Wärmeausdehnung
der Teflonpaste nicht mehr ausreichend, um die Dichtung gegen die
Gegenfläche
zu drücken.
Eine Verschlechterung des Pumpenbasisdrucks ergibt sich aus einem
erhöhten
Leckverlust über
die Oberseite der Dichtung. Obwohl eine große Menge an Dichtungsmaterial
verbleibt, müssen
die Dichtungen ausgetauscht werden.
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Ein
letzter Nachteil der Teflonpaste besteht darin, dass sie ziemlich
teuer ist. Das zur Herstellung von Dichtungen für eine Pumpe erforderliche
Material kostet etwa vierzig Dollar.
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Folglich
besteht ein Bedarf für
verbesserte Spitzendichtungsanordnungen für Vakuumpumpen vom Spiraltyp.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung wird eine Vakuumpumpvorrichtung bereitgestellt.
Die Vakuumpumpvorrichtung umfasst einen Spiralflügelsatz mit einem Einlass und
einem Auslass und einen exzentrischen Antrieb, der wirksam mit dem
Spiralflügelsatz
gekoppelt ist. Der Spiralflügelsatz
umfasst einen ersten Spiralflügel
und einen zweiten Spiralflügel,
die ineinander verschachtelt sind, um einen oder mehrere Höhlräume zwischen
den Flügeln
festzulegen. Mindestens einer des ersten und des zweiten Spiralflügels weist
eine Dichtungsnut entlang einer Kante desselben auf. Der exzentrische
Antrieb erzeugt eine Umlaufbewegung des ersten Spiralflügels relativ
zum zweiten Spiralflügel,
um zu bewirken, dass sich die Hohlräume zwischen den Flügeln in Richtung
des Auslasses bewegen. Die Vakuumpumpvorrichtung umfasst ferner
eine Spitzendichtung, die in der Dichtungsnut zwischen dem ersten und
dem zweiten Spiralflügel
angeordnet ist. Die Spitzendichtung umfasst ein Dichtungselement
und ein Aktivatorelement, das an dem Dichtungselement befestigt
ist. Das Aktivatorelement umfasst ein elastisches Material mit mehreren
komprimierbaren Poren, so dass das Aktivatorelement mit komprimierbaren
Poren komprimierbarer ist als das elastische Material allein, wenn
es durch die Dichtungsnut eingespannt ist.
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In
einem ersten Ausführungsbeispiel
umfasst das Aktivatorelement einen Schaum wie z. B. Urethanschaum
mit geringer Porosität.
Der Schaum weist vorzugsweise einen Elastizitätsmodul von nicht mehr als
etwa 40 psi auf.
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In
einem zweiten Ausführungsbeispiel
umfasst das Aktivatorelement ein Elastomermaterial und die komprimierbaren
Poren umfassen ein vorbestimmtes Muster von Poren, das in das Elastomermaterial
geformt werden kann. Die Poren können sich
zur Bodenfläche
der Dichtungsnut erstrecken. Das Elastomermaterial kann eine Silikonverbindung mit
einem niedrigen Elastizitätsmodul
umfassen. Das Elastomermaterial mit Poren weist vorzugsweise einen
Elastizitätsmodul
von nicht mehr als etwa 690 kPa (100 psi) auf.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Spitzendichtung zur Verwendung
in einer Pumpe vom Spiraltyp bereitgestellt. Die Pumpe vom Spiraltyp
umfasst einen ersten und einen zweiten Spiralflügel, die ineinander verschachtelt
sind, um einen oder mehrere Hohlräume zwischen den Flügeln festzulegen,
wobei mindestens einer des ersten und des zweiten Spiralflügels eine
Dichtungsnut entlang einer Kante desselben aufweist. Die Spitzendichtung
ist in der Dichtungsnut zwischen dem ersten und dem zweiten Spiralflügel angeordnet
und umfasst ein Dichtungselement und ein Aktivatorelement, das am
Dichtungselement befestigt ist. Das Aktivatorelement umfasst ein
elastisches Material mit mehreren komprimierbaren Poren, so dass
das Aktivatorelement mit komprimierbaren Poren komprimierbarer ist
als das elastische Material allein, wenn es durch die Dichtungsnut
eingespannt ist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird auf die zugehörigen Zeichnungen Bezug genommen,
die durch den Hinweis hierin aufgenommen werden und in denen gilt.
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1 ist
eine Querschnittsansicht eines Beispiels einer Vakuumpumpe vom Spiraltyp,
die für
den Einbau der Spitzendichtung der Erfindung geeignet ist;
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2 ist
eine Querschnittsansicht des ersten Spiralflügelsatzes entlang der Linie
2-2 von 1;
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3 ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht eines Spiralflügels, die ein erstes Ausführungsbeispiel
der Spitzendichtung der Erfindung darstellt;
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4 ist
eine vergrößerte teilweise
Querschnittsansicht eines Spiralflügels, die ein zweites Ausführungsbeispiel
der Spitzendichtung der Erfindung darstellt; und
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5 ist
eine Draufsicht auf das in 4 gezeigte
Aktivatorelement von unten.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Ein
Beispiel einer Vakuumpumpe vom Spiraltyp, die sich für den Einbau
der vorliegenden Erfindung eignet, ist in 1 und 2 gezeigt.
Eine trockene, zweistufige Vakuumpumpe ist gezeigt. Ein Gas, typischerweise
Luft, wird aus einer Vakuumkammer oder einer anderen Ausrüstung (nicht
dargestellt), die mit einem Vakuumeinlass 12 der Pumpe verbunden
ist, ausgepumpt. Ein Gehäuse 14 umfasst einen
Gehäuseteil 14b,
der eine erste Pumpenstufe 18 umschließt und teilweise festlegt,
und einen Gehäuseteil 14c,
der eine zweite Pumpenstufe 30 umschließt und teilweise festlegt.
Ein Auslasskanal 14d ist im Gehäuse der zweiten Stufe nahe
seinem Zentrum ausgebildet. Der Auslasskanal steht mit einem radial
gerichteten Hochdruck-Auslassdurchgang 16 im Gehäuseteil 14c in
Verbindung, welcher am äußeren Umfang
des Gehäuses
eine Entlüftung
zur Atmosphäre
vorsieht.
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Die
erste Spiralpumpenstufe 18 befindet sich innerhalb des
Gehäuses
mit einem Einlassbereich 18a, der mit dem Vakuumeinlass 12 verbunden
ist. Wie in 2 gezeigt, kann die Spiralpumpenstufe 18 aus
vier Paaren von verschachtelten spiralförmigen Spiralflügeln gebildet
sein. Jedes Flügelpaar
umfasst einen stationären
Flügel 19 und
einen umlaufenden Flügel 20.
Der Spiralflügel 19 ist
vorzugsweise einteilig mit dem Gehäuseteil 14b ausgebildet,
um die Wärmeübertragung
zu erleichtern und die mechanische Steifigkeit und Haltbarkeit der
Pumpe zu erhöhen.
Der Flügel 20 ist
vorzugsweise einteilig mit einer beweglichen Platte 22 ausgebildet.
Die Flügel 19 und 20 erstrecken
sich axial zueinander hin und sind verschachtelt, wie in 1 und 2 gezeigt.
Die Umlaufbewegung der Platte 22 und des Spiralflügels 20 erzeugt
eine Pumpwirkung des Gases vom Spiraltyp, welches im Einlassbereich 18a in
die Spiralflügel
einströmt.
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Die
freie Kante jedes Flügels 19 und 20 trägt eine
durchgehende Spitzendichtung 26, wie nachstehend im einzelnen
beschrieben. Die Flügel 19 und 20 erstrecken
sich axial in Richtung der Platte 22 bzw. des Gehäuseteils 14b, so
dass an der Kante jedes Flügels
eine Gleitdichtung besteht.
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Gas
verlässt
die Spiralpumpenstufe 18 an ihrem äußeren Umfang 18b,
wo es durch Kanäle 28, die
im Gehäuseteil 14b ausgebildet
sind, zu einem ringförmigen
Einlassbereich der zweiten Spiralpumpenstufe 30, die von
einer ringförmigen
Sammelkammer 29 umgeben ist, strömt. Die zweite Spiralpumpenstufe 30 umfasst
einen stationären
Spiralflügel 32 und
einen umlaufenden Spiralflügel 31,
von denen jeder eine Spitzendichtung 26 an seiner freien
Kante trägt.
Die Spitzendichtung stellt eine Gleitdichtung zwischen jedem Flügel und
einer gegenüberliegenden
Oberfläche
her. Die Spiralflügel
der ersten und der zweiten Pumpenstufe können verschiedene Flügelhöhen und
verschiedene Zahlen von Windungen aufweisen, um eine gewünschte Pumpenleistung
zu erzielen. Wenn der Spiralflügel 20 relativ
zum Spiralflügel 19 umläuft, bewegen
sich Hohlräume,
die zwischen den Spiralflügeln
gebildet sind, wie z. B. der in 2 gezeigte
Hohlraum P1, vom Einlass der Spiralpumpenstufe in Richtung des Auslasses
und pumpen Gas vom Einlass zum Auslass.
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Ein
exzentrischer Antrieb 40 für die Pumpenstufen 18 und 30 wird
durch einen Motor 42 angetrieben, der durch eine Kopplung 44 mit
einer Antriebswelle 46 verbunden ist, die in axial beabstandeten Lagern 48 und 50 montiert
ist. Der exzentrische Antrieb 40 erzeugt eine Umlaufbewegung
der Platte 22 bezüglich
einer Drehachse 46a der Antriebswelle 46. Zusätzliche
Einzelheiten hinsichtlich der Konstruktion und des Betriebs der
Vakuumpumpe vom Spiraltyp von 1 und 2 sind
im US-Patent Nr. 5 616 015, herausgegeben am 1. April 1997, angegeben. Es
ist selbstverständlich,
dass die Spitzendichtung der vorliegenden Erfindung in einer zweistufigen
Vakuumpumpe vom Spiraltyp verwendet werden kann, wie in 1 und 2 gezeigt
und vorstehend beschrieben, in einer einstufigen Vakuumpumpe vom Spiraltyp verwendet
werden kann oder in einer beliebigen anderen Vorrichtung vom Spiraltyp
verwendet werden kann.
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Gemäß der Erfindung
umfasst eine Spitzendichtung für
eine Vakuumpumpe vom Spiraltyp ein Dichtungselement und ein Aktivatorelement.
Das Dichtungselement stellt einen abgedichteten Gleitkontakt mit
einer gegenüberliegenden
Oberfläche der
Vakuumpumpe her. Das Aktivatorelement drückt das Dichtungselement mit
der gegenüberliegenden Oberfläche in Kontakt.
Das Aktivatorelement ist am Dichtungselement typischerweise durch
einen Klebstoff befestigt, um eine einheitliche Spitzendichtung auszubilden.
Das Aktivatorelement wird aus einem Elastomermaterial mit komprimierbaren
Poren hergestellt. Die Härte
des Elastomermaterials und die Größe und Geometrie der Poren
werden derart ausgewählt,
dass sich das Aktivatorelement leicht der Dichtungsnut anpasst,
so dass wenig Kraft erforderlich ist, um das Aktivatorelement bis
zu dem Punkt zu verformen, an dem die Dichtungsnut fast vollständig gefüllt ist.
Die komprimierbaren Poren können
keinen Leckverlustweg entweder über
die Dichtung oder entlang der Dichtungsnut darbieten. Das Elastomermaterial
mit komprimierbaren Poren weist einen niedrigen effektiven Elastizitätsmodul
auf, so dass eine niedrige gleichmäßige Belastung erzielt wird,
selbst nachdem die Dichtungsnut vollständig gefüllt ist.
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Ein
erstes Ausführungsbeispiel
der Spitzendichtung ist in 3 gezeigt.
Eine teilweise Querschnittsansicht einer Spitze eines Spiralflügels 19 ist dargestellt.
Die obere Kante des Spiralflügels 19 ist mit
einer Spitzendichtungsnut 100 typischerweise mit einem
rechteckigen Querschnitt versehen. Die Nut 100 folgt der
Kante des Spiralflügels 19 und
weist eine Spiralgestalt auf. Eine Spitzendichtung 102 ist
in der Nut 100 zwischen dem Spiralflügel 19 und der Platte 22 angeordnet.
Die Spitzendichtung 102 umfasst ein Dichtungselement 110 und ein
Aktivatorelement 112, das am Dichtungselement 110 mit
einem Klebstoff 114 befestigt ist. Eine Oberfläche 116 des Dichtungselements 110 berührt die
Platte 22 und gleitet bezüglich der Platte 22,
um eine Gleitdichtung zwischen dem Spiralflügel 19 und der Platte 22 während des
Betriebs der Spiralpumpe vorzusehen. Mit Bezug auf 1 ist
es selbstverständlich,
dass die Spiralflügel 20, 31 und 32 für eine verbesserte
Leistung der Vakuumpumpe vom Spiraltyp mit der in 3 gezeigten
Dichtungsanordnung versehen sein können.
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In
dem Ausführungsbeispiel
von 3 umfasst das Aktivatorelement 112 einen
Schaum mit komprimierbaren Poren 120. Das Schaummaterial kann
ein Urethanschaum sein. Ein bevorzugtes Material ist ein mikrozellulärer Urethanschaum,
der von Poron als Teil Nr. 4701-21 hergestellt wird. Die Poren innerhalb
des Schaums sind durch sehr kleine Durchgänge verbunden. Der Schaum wird
anfänglich
etwa 14% komprimiert, wenn er in einer Pumpe installiert wird. Dies
führt zu
einer Dichtungsbelastung von etwa 34,5 kPa (5 psi). Die anfängliche
Kompression des Schaums lässt
die Poren und Durchgänge
im Wesentlichen zusammenfallen, um im Wesentlichen keinen Leckverlust
durch die Schaummatrix zuzulassen. Der Elastizitätsmodul dieses Materials beträgt etwa
40 psi. Der vorstehend identifizierte Schaum kann mit einem Kontaktklebstoff
auf einer Seite erworben werden, der verwendet werden kann, um das Aktivatorelement 112 am
Dichtungselement 110 zu befestigen. Sowohl der Urethanschaum
als auch der Klebstoff können
die maximalen Betriebstemperaturen innerhalb einer trockenen Spiralpumpe,
etwa 93,3°C
(etwa 200 EF), aushalten.
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Ob
ein spezieller Schaum angemessen arbeitet oder nicht, ist eine Frage
eines empirisch-praktischen Tests. Offenzellige Schäume, wie
z. B. Poron 4723, wurden als angemessen arbeitend festgestellt, sind
jedoch aufgrund eines höheren
Elastizitätsmoduls
von etwa 893 kPa (70 psi) nicht bevorzugt.
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Die
anfängliche
Dichtungsbelastung von 5 psi wird durch zwei Mechanismen mit der
Zeit verringert. Erstens verschleißt das Dichtungselement 110 mit
der Zeit, wodurch die Kompression des Aktivatorelements 112 verringert
wird. Zweitens kriecht der Urethanschaum langsam bei erhöhten Temperaturen,
was auch die Dichtungsbelastung verringert. während des Dichtungseinbruchs
werden sowohl der Kontaktdruck als auch die Betriebstemperatur der Dichtung
und des Aktivators allmählich
verringert. Nach mehreren hundert Stunden Pumpenbetrieb wird eine
stabile, verschleißfeste
Dichtungs/Aktivator-Kombination erzeugt.
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Das
Dichtungselement 110 kann verschiedene verschleißfeste Dichtungsmaterialien
verwenden, wie z. B. gefüllte
oder ungefüllte
Polyimide, Teflon oder Polyethylen mit ultrahohem Molekulargewicht. Dieses
Material wird typischerweise zu einem zylindrischen Barren geformt
und dann auf die gewünschte Dicke
geschnitten. Der Schaum wird dann am Dichtungsmaterial befestigt
und der Schaum wird auf die gewünschte
Gesamtdichtungsdicke geschliffen, um eine Dichtungsplatte auszubilden.
Die Dichtungsplatte wird dann in die gewünschte Spiralform geschnitten.
Verschiedene Arten von Schaum, Klebstoff und Dichtungsmaterial können innerhalb
des Schutzbereichs der Erfindung verwendet werden. Das Aktivatorelement 112 kann
beispielsweise ein geschlossenzelliger Silikonkautschukschaum sein,
wie z. B. die von Furon unter ihrer CHR-Handelsmarke vertriebene
Art.
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In
einem Beispiel hatte die Spitzendichtung 102 eine Breite
parallel zur Dichtungsoberfläche 116 von
2,39 mm (0,094 Inch) und eine Dicke senkrecht zur Dichtungsoberfläche 116 von
2,84 mm (0,112 Inch). Das Dichtungselement 110 hatte eine
Dicke von 1 mm (0,045 Inch), der Klebstoff 114 hatte eine Dicke
von 0,05 mm (0,002 Inch) und das Aktivatorelement 112 hatte
eine Dicke von 1,65 mm (0,065 Inch). Das Aktivatorelement 112 war
Urethanschaum und das Dichtungselement war Polyethylen mit ultrahohem
Molekulargewicht. Die Kosten des Aktivators, die zum Aufbau einer
Pumpe erforderlich sind, sind etwa ein Zehntel derjenigen der ungesinterten
Teflonpaste. Der Aktivator ist ferner besser in der Lage, eine angemessene
Dichtungsbelastung aufrechtzuerhalten, wenn die Pumpe zum ersten
Mal gestartet wird und nachdem das Dichtungselement beträchtlich
verschlissen wurde.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Spitzendichtung
ist in 4 und 5 gezeigt. Gleiche Elemente
in 3–5 weisen
dieselben Bezugsziffern auf. Eine Spitzendichtung 140 umfasst
ein Dichtungselement 110 und ein Aktivatorelement 142.
Das Aktivatorelement 142 umfasst ein Elastomermaterial
mit niedrigem Elastizitätsmodul
mit geformten komprimierbaren Poren. Kommerziell erhältliche
Silikonverbindungen mit niedrigem Modul, wie z. B. Dow Corning Silastic,
weisen einen Elastizitätsmodul
von etwa 200 psi auf. Wenn Poren mit zweckmäßiger Geometrie in das Aktivatorelement 142 geformt
werden, kann der effektive Modul des Aktivatorelements von etwa
1380 kPa (200 psi) auf etwa 690 kPa (100 psi) verringert werden.
In dem Beispiel von 4 und 5 weist
das Aktivatorelement 142 zylindrische Poren 150 auf,
die sich von einer Bodenfläche
der Dichtungsnut 100 nach oben erstrecken. Die Abmessungen
der Poren 150 werden ausgewählt, um einen Leckverlustweg über die
Dichtung zu verhindern. Für
ein Aktivatorelement mit einer Breite W von 2,39 mm (0,094 Inch) und
einer Dicke T von 2,47 mm (0,058 Inch) können die zylindrischen Poren 150 Durchmesser
von 0,63 mm (0,025 Inch) und Höhen
von 1,27 mm (0,050 Inch) aufweisen.
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Eine
Form für
das Aktivatorelement 142 kann durch einen Stempel-EDM-Prozess
konstruiert werden. Eine Matrix von kleinen Löchern mit zweckmäßigem Durchmesser
und zweckmäßiger Tiefe
wird in eine flache Graphitplatte gebohrt. Die Platte wird dann
in einer Stempel-EDM verwendet, um eine Stahlplatte elektrisch maschinell
zu bearbeiten. Die Platte weist dann eine Matrix von kleinen Säulen auf, die
von einer Seite hervorragen. Die Platte wird in eine Kautschukformvorrichtung
eingesetzt, um beispielsweise eine Silikonelastomerplatte auf einer Platte
aus Dichtungsmaterial auf Teflonbasis zu formen. Das Teflonmaterial
wird typischerweise auf der Formseite für eine bessere Haftung geätzt. Die
geformte Dichtungsanordnung weist zylindrische Löcher auf, die im Silikonelastomer
ausgebildet sind. Die Dichtungsanordnung wird zu einer Spiralform
geschnitten und wird in der Dichtungsnut installiert.
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Die
Poren in der Unterseite des Aktivatorelements weisen keinen Leckverlustweg,
weder über die
Dichtung noch entlang der Dichtungsnut, auf. Wenn die Dichtungsanordnung
geschnitten wird, können
Poren an den Seiten der Dichtung freigelegt werden. Die Poren im
Elastomer sind jedoch klein genug, dass kein Leckverlustweg über die
Dichtung gebildet wird. Entlang der Dichtungsnut liegt das Elastomermaterial
zwischen den Poren vor, um die Breite der Dichtungsnut zu füllen und
dadurch den Leckverlust zu blockieren.
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Es
ist selbstverständlich,
dass die Poren 150 nicht notwendigerweise an der Unterseite
des Aktivatorelements 142 ausgebildet werden, wie in 4 gezeigt.
Die Poren 150 können
innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung an der Oberseite oder
auf den Seiten des Aktivatorelements ausgebildet werden oder können innerhalb
des Aktivatorelements liegen. Im Allgemeinen ermöglichen die Poren 150,
dass das Aktivatorelement 142 zusammengedrückt wird, selbst
wenn das Aktivatorelement die Nut 100 füllt.
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Obwohl
das gezeigt und beschrieben wurde, was derzeit als bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung betrachtet wird, ist es für Fachleute
offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen
darin vorgenommen werden können,
ohne vom Schutzbereich der Erfindung, wie durch die beigefügten Ansprüche festgelegt,
abzuweichen.