Verfahren zum Betrieb von mechanischen Vakuumpumpen und Vakuumpumpe zur Durchführung dieses Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von mechanischen Vakuumpumpen und eine mechanische Vakuumpumpe, bei welcher die Ab dichtung zwischen dem oder den bewegten Pumpen kolben und den Innenwänden des Pumpgehäuses durch Dichtungsspalte ohne Mithilfe eines flüssigen Dichtungsmittels erfolgt.
Es ist bekannt, das Gehäuse solcher Pumpen mit einem Kammern aufweisenden Mantel zu umgeben und beim Betrieb der Pumpen ein Kühlmedium durch diese Kammern hindurchzuleiten, welches dazu dient, die durch die Kompression der abgepumpten Gase entstehende Wärme abzuführen. Erfahrungsgemäss tritt hiebei die Schwierigkeit auf, dass die Pumpen beim Betriebe wegen ungleichmässiger thermischer Ausdehnung der Kolben und des Pumpgehäuses sich leicht verklemmen.
Bei Pumpen, bei denen die Ab dichtung mittels eines flüssigen Dichtungsmittels er folgt, ist dagegen die Gefahr des Verklemmens in weit geringerem Masse vorhanden, weil die Dichtungsflüs sigkeit als Wärmeübertrager zwischen Kolben und Ge- häuseinnenwand dient,
wodurch eine gleichzeitige und meist hinreichend gleichmässige Erwärmung und so mit Ausdehnung aller Teile bewirkt wird. Bei Va kuumpumpen ohne dichtenden Flüssigkeitsfilm aber kann die Wärme nur in weit geringerem Masse im wesentlichen nur durch Strahlung von den Kolben auf die Gehäuseinnenwand übertragen werden. Eine stark ungleichmässige Ausdehnung und daher die Ge fahr des Verklemmens ist die Folge.
Pumpen ohne Kühlung sind dar Gefahr des Ver- klemmens nicht weniger ausgesetzt. Bei ihnen wird zwar das Pumpgehäuse beim Betriebe stärker erwärmt als bei den mit Kühlwassermantel umgebenen Pum pen.
Jedoch erfolgt diese Erwärmung in sehr viel stär- karem Masse auf der Kompressionsseite als auf der Ansaugseite des Pumpgehäuses, wo es durch die an- gesaugten Gase gekühlt wird. Eine ungleichmässige Ausdehnung und daher wiederum die Gefahr des Ver- klemmens ist daher auch bei diesen Pumpen nicht sicher zu vermeiden.
Die zulässigen Differenzdrucke sind wohl etwas höher als bei einem wassergekühlten Gehäusemantel, aber doch nicht so hoch, & Lss der Einsatz der Pumpe im Druckbereich über etwa 5 Torr möglich wäre.
Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten ist vorge schlagen worden, die Kolben aus Invar anzufertigen, welcher Werkstoff einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt. Diese Lösung ist bei grossen Pumpen zu kostspielig.
Man hat auch versucht, dadurch Abhilfe zu schaf fen, dass man die bewegten Kolben durch ein durch strömendes Medium kühlte. Damit kann wohl die Temperatur der Kolben der mittleren Temperatur des Gehäuses angepasst werden, die Temperaturunter schiede am Gehäuse zwischen Ansaug- und Druck seite bleiben jedoch erhalten, und es müssen, um Ver klemmen zu vermeiden,
grosse Spaltweiten trotz der damit verbundenen unerwünscht grossen Leckverluste zugelassen werden.
Vorliegende Erfindung hat sich die Überwindung der genannten Schwierigkeiten zum Ziel gesetzt. Das erfindungsgemässe Verfahren zum Betrieb von mecha nischen Vakuumpumpen, bei denen die Abdichtung zwischen dem oder den bewegten Pumpenkolben und den Innenwänden des Pumpgehäuses durch Dich tungsspalte ohne Mithilfe eines flüssigen Dichtungs mittels erfolgt und sich in der Ausstossleitung der Pumpe unmittelbar an den Pumpraum eine Kühlvor- richtung für die abgepumpten Gase anschliesst,
ist da- durch gekennzeichnet, dass die beim Betrieb der Pumpe durch die Kompression der abgepumpten Gase erzeugte und auf das Pumpgehäuse übertragene Wärme zu einer gleichmässigen Beheizung desselben vermittels einer das Gehäuse umgebenden Wärmeiso lation benutzt wird.
Durch die Einhüllung der Pumpe in eine solche Wärmeisolation soll sowohl für eine gleichzeitige und allseitig in gleichem Masse erfolgende Ausdehnung von Kolben und Pumpgehäuse als auch für eine gleichmässige Erwärmung der verschiedenen Pumpen teile innerhalb der Pumpe selbst gesorgt sein. Die Abführung der in der Pumpe erzeugten Wärme findet dabei grösstenteils allein durch den Kühler in der Aus stossleitung der Pumpe statt.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich bei Pumpentypen verschiedener Bauart anwenden, so z. B. bei Pumpen des Roots- oder Cooksgebläsetyps.
Die Erfindung betrifft weiter eine mechanische Vakuumpumpe zur Durchführung dieses Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass das Pump gehäuse von einer Wärmeisolation umgeben ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Pumpe ist nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnung beschrieben. Die Figur zeigt einen Schnitt durch die Pumpe senkrecht zu den Achsen der rotie renden Kolben.
Die dargestellte Pumpe ist vom Rootsgebläsetyp. 1 und 2 bezeichnen die rotierenden Kolben und 3 das Pumpgehäuse. 4 ist die den zylindrischen Teil des Pumpgehäuses umgebende Wärmeisolation, welche beispielsweise aus einem Filzmantel besteht. In ent sprechender Weise können auch die Stirnseiten der Pumpe wärmeisoliert sein.
6 ist die Ansaugöffnung für die abzupumpenden Gase und 7 die Ausstossöffnung, an welche die Lei tung 8, die eine Kühlvorrichtung 9 für die abgepump ten Gase aufnimmt, angeschlossen ist. Die Kühlvor- richtung ist im Beispielsfalle als bekannter Waben kühler ausgebildet, welcher den Vorteil besitzt, dass das Gas, welches beim Ausstosshub vom Pumpraum in die Leitung 8 ausgestossen wird,
aber bekanntlich zum Teil wieder in den Pumpraum zurückströmt (so bald im weiteren Verlaufe der Kolbenrotation das nächstemal die Verbindung zwischen Ausstossleitung 8 und einer durch die Kolben gerade noch nicht voll ständig komprimierten Gasmenge zustande kommt), bei diesem überströmen über verschiedene Kanäle des Wabenkühlers zwangsweise geführt wird und so eine intensive Kühlung erfährt.
Des weiteren bezeichnen 10 und 11 die Wellen der rotierenden Kolben, die an den Stirnseiten des Pumpgehäu.ses in bekannter Art und Weise gelagert sind. Der Antrieb der Kolben erfolgt durch vakuum dicht durch die Stirnseiten durchgeführte Wellen, die ihrerseits über ein Getriebe durch einen Motor ange trieben werden.
Besonders hervorzuheben ist, dass eine Pumpe, wie sie beschrieben ist, auch dann nicht klemmt, wenn sie starken Temperaturänderungen unterworfen ist, wie sie bei Anfahren mit hoher Leistung oder gele- gentlich starker Schwankungen der Aussentemperatur vorkommen können. Unter solchen extremen Bedin gungen konnten demgegenüber die bekannten Pumpen mit oder ohne Kühlung des Gehäuses leicht versagen, trotzdem Kolben und Gehäuse mit Rücksicht auf die Temperaturunterschiede bei stationärem Betrieb di mensioniert wurden.
Die Stärke der Wärmeisolation, die das Pumpge- häuse umgibt, ist von der Bauart der Pumpe abhängig und kann durch einfache Vorversuche leicht ermittelt werden. Die Wärmeisolation wird zweckmässig überall so bemessen, dass ihre äussere Oberfläche beim Betrieb keine wesentlich über der äusseren Umgebungstempe ratur liegende Temperatur aufweist und insbesondere - falls eine gewisse Erwärmung über Umgebungs temperatur zugelassen wird - dass die Temperatur auf allen Teilen der Oberfläche der Wärmeisolation möglichst gleich ist. Das bedeutet, dass das Gehäuse auf der Ansaugseite der Pumpe stärker wärmeisoliert sein soll als auf der Kompressionsseite.
Oft genügt es sogar, überhaupt nur die Ansaug seite mit einer Wärmeisolation zu versehen. Der Ideal fall, der natürlich nicht zu verwirklichen ist, wäre der, dass jede Wärmeabfuhr über das Gehäuse und damit jeder Temperaturgradient in den Gehäuseteilen und also auch jede ungleichmässige Wärmeausdehnung derselben vermieden wird.
Für praktische Zwecke ge nügen jedoch die oben beschriebenen Massnahmen, um zu verhindern, dass die rotierenden Kolben infolge ungleichmässiger Ausdehnung sich verklemmen, denn welche Temperatur immer diese im Laufe eines län geren Betriebes annehmen, stets folgt das Gehäuse, dessen Wärmekapazität zweckmässigerweise gleich der Wärmekapazität der Rotoren gemacht wird, allen Temperaturschwankungen und Ausdehnungen, wo durch die Dichtungsspalte in richtiger Grösse erhalten bleiben.
Dass es möglich ist, Pumpen hoher Leistung und mit hohem Kompressionsverhältnis ohne die übliche Kühlung des Gehäuses, vielmehr sogar mit einer zu- sätzlichen Wärmeisolation desselben zu betreiben, war völlig überraschend. Stets wurde nämlich befürchtet, dass bei hohen Kompressionsverhältnissen, wie sie z. B. den Vakuumpumpen des Roots- und Cooks- gebläsctyps eigen sind, die ungleichmässige Erwär mung der Pumpe ohne Anwendung einer Kühlung sich nicht in den zulässigen Grenzen würde halten lassen.
Method for operating mechanical vacuum pumps and vacuum pumps for performing this method The present invention relates to a method for operating mechanical vacuum pumps and a mechanical vacuum pump, in which the seal between the moving pump or pumps and the inner walls of the pump housing through sealing gaps without the aid of a liquid sealant takes place.
It is known to surround the housing of such pumps with a jacket having chambers and to pass a cooling medium through these chambers during operation of the pumps, which coolant serves to dissipate the heat generated by the compression of the pumped-out gases. Experience has shown that the problem arises that the pumps easily jam during operation due to uneven thermal expansion of the pistons and the pump housing.
In the case of pumps that are sealed using a liquid sealant, on the other hand, the risk of jamming is far less because the sealing fluid acts as a heat exchanger between the piston and the inner wall of the housing.
whereby a simultaneous and usually sufficiently uniform heating and thus with expansion of all parts is effected. In the case of vacuum pumps without a sealing liquid film, however, the heat can only be transferred to a far lesser extent, essentially only by radiation, from the piston to the inner wall of the housing. The result is a very uneven expansion and therefore the risk of jamming.
Pumps without cooling are no less exposed to the risk of jamming. With them, the pump housing is heated more intensely during operation than with the Pum pen surrounded by a cooling water jacket.
However, this heating takes place to a much greater extent on the compression side than on the suction side of the pump housing, where it is cooled by the gases drawn in. Uneven expansion and therefore the risk of jamming cannot be reliably avoided with these pumps either.
The permissible differential pressures are probably somewhat higher than with a water-cooled housing jacket, but not so high that the pump could be used in the pressure range above about 5 Torr.
To eliminate these difficulties has been proposed to make the piston from Invar, which material has a very low coefficient of thermal expansion. This solution is too expensive for large pumps.
Attempts have also been made to remedy this by cooling the moving pistons with a medium flowing through them. This means that the temperature of the pistons can be adjusted to the mean temperature of the housing, but the temperature differences on the housing between the suction and pressure sides are retained, and in order to avoid jamming,
large gap widths are permitted despite the undesirably large leakage losses associated therewith.
The present invention aims to overcome the aforementioned difficulties. The method according to the invention for operating mechanical vacuum pumps, in which the seal between the moving pump piston or pistons and the inner walls of the pump housing is carried out by sealing gaps without the aid of a liquid sealant and a cooling device is located in the discharge line of the pump directly on the pump chamber for the pumped-out gases,
is characterized in that the heat generated during operation of the pump by the compression of the pumped-out gases and transferred to the pump housing is used for uniform heating of the same by means of a heat insulation surrounding the housing.
By enveloping the pump in such a thermal insulation, both a simultaneous expansion of the piston and the pump housing that takes place on all sides to the same extent as well as a uniform heating of the various pump parts within the pump itself should be ensured. The dissipation of the heat generated in the pump takes place largely solely through the cooler in the discharge line of the pump.
The inventive method can be applied to different types of pumps, such. B. Roots or Cooks fan type pumps.
The invention further relates to a mechanical vacuum pump for carrying out this method, which is characterized in that the pump housing is surrounded by thermal insulation.
An embodiment of a pump according to the invention is described below with reference to the accompanying drawing. The figure shows a section through the pump perpendicular to the axes of the rotating pistons.
The pump shown is of the Roots blower type. 1 and 2 designate the rotating pistons and 3 the pump housing. 4 is the thermal insulation surrounding the cylindrical part of the pump housing, which consists for example of a felt jacket. In a corresponding manner, the end faces of the pump can also be thermally insulated.
6 is the suction opening for the gases to be pumped and 7 is the discharge opening to which the Lei device 8, which receives a cooling device 9 for the pumped gases, is connected. In the example, the cooling device is designed as a known honeycomb cooler, which has the advantage that the gas that is expelled from the pump chamber into the line 8 during the expulsion stroke,
but it is known that it partially flows back into the pump chamber (as soon as the connection between the discharge line 8 and a gas volume that has not yet been fully compressed by the piston comes about as soon as the piston continues to rotate), this overflow is forced through various channels of the honeycomb cooler and experiences an intensive cooling.
Furthermore, 10 and 11 denote the shafts of the rotating pistons, which are mounted in a known manner on the end faces of the Pumpgehäu.ses. The pistons are driven by vacuum-tight shafts running through the end faces, which in turn are driven by a motor via a gear unit.
It should be particularly emphasized that a pump as described does not jam even if it is subject to strong temperature changes, as can occur when starting up with high output or occasionally strong fluctuations in the outside temperature. In contrast, under such extreme conditions, the known pumps with or without cooling the housing could easily fail, despite the fact that the piston and housing were dimensioned with regard to the temperature differences in stationary operation.
The strength of the thermal insulation that surrounds the pump housing depends on the type of pump and can easily be determined by simple preliminary tests. The thermal insulation is expediently dimensioned everywhere in such a way that its outer surface does not have a temperature significantly above the external ambient temperature during operation and in particular - if a certain heating above the ambient temperature is permitted - that the temperature on all parts of the surface of the thermal insulation is as equal as possible . This means that the housing on the suction side of the pump should be more thermally insulated than on the compression side.
Often it is even sufficient to provide heat insulation only on the intake side. The ideal case, which of course cannot be realized, would be that any heat dissipation via the housing and thus any temperature gradient in the housing parts and thus also any uneven thermal expansion thereof is avoided.
For practical purposes, however, the measures described above are sufficient to prevent the rotating pistons from jamming due to uneven expansion, because whatever temperature they assume in the course of a longer period of operation, the housing always follows, whose heat capacity is conveniently equal to the heat capacity of the Rotors is made, all temperature fluctuations and expansions, where are maintained by the sealing gap in the correct size.
It was completely surprising that it is possible to operate pumps with high performance and with a high compression ratio without the usual cooling of the housing, rather even with additional thermal insulation of the same. It was always feared that at high compression ratios, as they are, for. B. the vacuum pumps of the Roots and Cooks blower type are peculiar to the uneven heating of the pump without the use of cooling could not be kept within the permissible limits.