CH621854A5

CH621854A5 - Roots pump

Info

Publication number: CH621854A5
Application number: CH693277A
Authority: CH
Inventors: Otto Dr Winkler
Original assignee: Balzers Hochvakuum
Priority date: 1977-06-06
Filing date: 1977-06-06
Publication date: 1981-02-27
Also published as: NL7708450A; FR2393957A1; DE2821903A1; GB1571880A

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Weg zu finden, dass eine innere Verdichtung auf wesentlich höhere Verdichtungsfaktoren, ähnlich wie bei den erwähnten Vorpumpen, möglich wird, so dass nur kurzzeitig die volle Druckdifferenz zwischen Ausstoss- und Ansaugdruck an den Dichtungsspalten wirksam wird. Dabei sollte die Eigenschaft der Wälzkolbenpumpe, dass sie keinen schädlichen Totraum besitzt, der zur Uberführung eines Teils der verdichteten Gase auf die Ansaug The invention is based on the object of finding a way that an internal compression to much higher compression factors, similar to the aforementioned backing pumps, is possible, so that the full pressure difference between the discharge and suction pressure at the sealing gaps is only effective for a short time. The characteristic of the Roots pump, that it has no harmful dead space, should lead to the transfer of some of the compressed gases to the intake

3 3rd

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seite (neben den Spaltverlusten) führen würde, beibehalten werden. side (in addition to the gap losses) would be maintained.

Die erfindungsgemässe Wälzkolbenpumpe mit zwei parallelen, sich berührungslos aufeinander abwälzenden Wälzkolben, die über ein Zahnradpaar synchronisiert sind, mit mindestens 5 zwei symmetrisch auf dem Umfang verteilten Zahnleisten und entsprechenden Vertiefungen im Gegenkolben, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ausstoss des komprimierten Gases durch die in Förderrichtung vorne liegenden Flanken der Zahnleisten erfolgt. 10 The Roots pump according to the invention with two parallel Roots, which contactlessly roll on each other and are synchronized via a pair of gearwheels, with at least 5 two toothed strips distributed symmetrically on the circumference and corresponding recesses in the counter-piston, is characterized in that the compressed gas is discharged by the in the direction of flow front flanks of the toothed racks. 10th

Das Problem wird hiebei also dadurch gelöst, dass von den bekannten Wälzkolbenpumpen, mit sich berührungslos gegeneinander abwälzenden, durch Zahnräder miteinander synchronisierten Rotoren ausgegangen wird. Dabei werden jedoch nicht zwei gleichartige Kolben mit dem erwähnten lemniskatenförmi- 15 gen Profil verwendet, sondern Kolben mit zwei verschiedenartigen Abwälzprofilen. Einer dieser Wälzkolben trägt zwei oder mehrere auf dem Umfang eines zylindrischen Kerns parallel zur Achse in gleichen Abständen angeordnete Zahnleisten, die periodisch in entsprechende Vertiefungen des zweiten synchron 20 mitlaufenden Wälzkolbens eintauchen. Das Neue ist, dass hierbei das komprimierte Gas nicht wie bisher durch einen Aus-stosskanal im peripheren Pumpengehäuse nach aussen geleitet wird, sondern durch Öffnungen auf den in Förderrichtung liegenden Flanken der Zahnleisten in das Innere der Zahnleiste 25 ausgestossen wird und das verdichtete Gas vorzugsweise über eines oder mehrere Ausstossventile durch Kanäle zum Zentrum des Wälzkolbens geleitet und parallel zur Achse ausgestossen wird. The problem is thus solved in that the known Roots pumps, with contactlessly rotating rotors synchronized with each other by gears, are assumed. However, not two pistons of the same type with the lemniscate-shaped profile mentioned are used, but pistons with two different rolling profiles. One of these Roots carries two or more toothed racks arranged on the circumference of a cylindrical core parallel to the axis at equal intervals, which periodically dip into corresponding recesses of the second Roots running synchronously. What is new is that the compressed gas is not passed outwards through a discharge channel in the peripheral pump housing, as before, but is expelled into the interior of the toothed strip 25 through openings on the flanks of the toothed strips lying in the conveying direction, and the compressed gas is preferably discharged one or more ejection valves are guided through channels to the center of the Roots piston and ejected parallel to the axis.

30 30th

Durch entsprechende Formgebung lässt sich erzielen, dass das Zahnprofil und das Gegenprofil bei Erreichung des Endes des ringförmigen Teils des Verdichtungsraums sofort miteinander in Eingriff kommen und damit die Rückströmung des geförderten und komprimierten Gasvolumens in das nachfolgende Fördervolumen verhindert wird. Damit und durch die Anbringung des Ausstossventils nahe an der Oberfläche der Zahnflanke lässt sich der Totraum, auch ohne ölüberschichtung so weit verkleinern, dass er in der Grössenordnung von einem Tausendstel des Fördervolumens liegt, also im Vergleich zum ^ rückströmenden Gasvolumen fast vernachlässigbar wird. Durch zweckmässige Formgebung kann auch vermieden werden, dass bereits verdichtetes Gas wieder in den dahinter liegenden Förderraum zurückströmt und dadurch zusätzliche Rückströmungs-verluste verursacht. By means of appropriate shaping, it can be achieved that the tooth profile and the counter profile come into engagement with one another immediately when the end of the annular part of the compression space is reached, and thus the backflow of the pumped and compressed gas volume into the subsequent delivery volume is prevented. With this and by attaching the exhaust valve close to the surface of the tooth flank, the dead space can be reduced to such an extent that it is on the order of a thousandth of the delivery volume, even without oil overlay, so that it is almost negligible compared to the return gas volume. Appropriate shaping can also be used to prevent gas that has already been compressed from flowing back into the feed chamber behind it, thereby causing additional backflow losses.

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Auf diese Weise gelingt es, eine vollkommene innere Verdichtung zu verwirklichen und auch bei Verdichtung auf Atmosphärendruck den Leistungsbedarf niedrig zu halten und eine zu starke Erwärmung der Pumpe zu vermeiden. In this way, it is possible to achieve complete internal compression and to keep the power requirement low even when compressing to atmospheric pressure and to avoid excessive heating of the pump.

Im folgenden wird die Erfindung an Ausführungsbeispielen 50 näher erläutert: The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments 50:

Es zeigt: It shows:

Figur 1 einen Schnitt senkrecht zur Achse des Gehäuses eines ersten Ausführungsbeispiels ; 1 shows a section perpendicular to the axis of the housing of a first embodiment;

Figur 2 einen achsenparallelen Längsschnitt durch die 55 Pumpe nach Figur 1 ; 2 shows a longitudinal section parallel to the axis through the pump of FIG. 1;

Figur 3 einen Schnitt durch eine Zahnleiste dieser Pumpe, an deren in Förderrichtung vorne liegenden Stirnseite der Ausstoss des komprimierten Gases erfolgt ; ^ FIG. 3 shows a section through a toothed strip of this pump, on the front end of which, in the direction of conveyance, the compressed gas is ejected; ^

Figur 4 verschiedene Phasen des Verdichtungsvorganges der Pumpe nach Figur 1 ; FIG. 4 different phases of the compression process of the pump according to FIG. 1;

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine zweistufige Ausführungsform einer Pumpe, bei der beide Pumpstufen die Zahnleisten aufweisen ; 65 FIGS. 5 and 6 show a two-stage embodiment of a pump, in which both pump stages have the toothed racks; 65

Die Figuren 7 und 8 dagegen eine andere zweistufige Pumpe, bei der nur die ausstosseitige Stufe die Zahnleisten aufweist; FIGS. 7 and 8, on the other hand, show another two-stage pump, in which only the outlet-side stage has the toothed strips;

Figur 9 zeigt die bevorzugte Ausgestaltung einer Zahnleiste für höhere Arbeitsdrücke. Figure 9 shows the preferred embodiment of a toothed rack for higher working pressures.

In Figur 1 entspricht der Schnittlinie AA' in Figur 2 und Figur 2 der Schnittlinie BB' in Figur 1. In Figur 1 hat der Wälzkolben 1 drei Zahnleisten 3, die in Schlitzen des Rotors mit Sicherungsbolzen 4 festgeklemmt sind. Das Gas wird bei 5 angesaugt, wird im Raum 6 verdichtet und über Bohrungen oder Längsschlitze in der in Förderrichtung liegende Stirnseite der den Kompressionsraum begrenzenden Zahnleiste ausgestossen. In Figure 1, the section line AA 'in Figure 2 and Figure 2 corresponds to the section line BB' in Figure 1. In Figure 1, the Roots 1 has three toothed strips 3, which are clamped in the slots of the rotor with locking bolts 4. The gas is sucked in at 5, is compressed in space 6 and expelled through bores or longitudinal slots in the end face of the toothed strip delimiting the compression space in the conveying direction.

Figur 3 zeigt einen Schnitt durch eine Zahnleiste 3 in grösserem Massstab. Die Eintrittsöffnung 7 ist hier nach innen durch eine halbrohrförmige, dünne, federnde Ventilplatte 8 abgedeckt, die innerhalb des Kanals 9 mittels einer Klemmleiste 10 befestigt ist. Sobald die Verdichtung im Raum 6 (s. Fig. 1) und anschliessend beim Eintauchen der Zahnleiste in den Gegenkolben 2 (s. Fig. 1) einen höheren Druck als im Raum 9 erreicht, öffnet sich das Ventil. Das Gas wird durch die Bohrungen 11 zur Bohrung 12 in der Wälzkolbenachse ausgestossen und gelangt schliesslich zum Auspuff 13 (s. Fig. 2). Figure 3 shows a section through a rack 3 on a larger scale. The inlet opening 7 is covered inwards by a semi-tubular, thin, resilient valve plate 8, which is fastened within the channel 9 by means of a clamping strip 10. As soon as the compression in room 6 (see FIG. 1) and then when the rack is immersed in the counter-piston 2 (see FIG. 1) reaches a higher pressure than in room 9, the valve opens. The gas is expelled through the bores 11 to the bore 12 in the Roots axis and finally reaches the exhaust 13 (see FIG. 2).

In Figur 2 ist links vom Pumpengehäuse im Raum 14 das Getriebe mit den Zahnrädern 15 und 16 untergebracht. Es bewirkt die synchrone Drehung der beiden Wälzkolben 1 und 2. Der Antrieb erfolgt über die Achse 17. In Figure 2, the gear with the gears 15 and 16 is housed to the left of the pump housing in space 14. It causes the synchronous rotation of the two roots 1 and 2. The drive is carried out via the axis 17.

Rechts vom Pumpgehäuse ist der Ausstossraum 18. Die Räume 14 und 18 enthalten einen ölsumpf. Sie kommunizieren über die Bohrung 19 (s. Fig. 1). Mit Schleuderscheiben 20 und 21 wird das öl zu den Lagern und Zahnrädern transportiert. Weitere Schleuderscheiben 22, 23,24, 25 und Schikanen, sowie ölabweisende Teflonringe 26 sorgen dafür, dass kein Öl in den Pumpraum gelangen kann. Für eine noch bessere öl- und Vakuumabdichtung können auch Gleitringdichtungen am Wellendurchtritt aus dem Pumpenraum eingebaut werden. Mittels Bohrungen 27 wird ein Druckausgleich zwischen den Räumen 14 und 18 erreicht. To the right of the pump housing is the discharge chamber 18. Rooms 14 and 18 contain an oil sump. They communicate via the bore 19 (see FIG. 1). The oil is transported to the bearings and gears with centrifugal disks 20 and 21. Additional centrifugal disks 22, 23, 24, 25 and baffles, as well as oil-repellent Teflon rings 26 ensure that no oil can get into the pump chamber. For even better oil and vacuum sealing, mechanical seals can also be installed at the shaft passage from the pump room. A pressure equalization between the rooms 14 and 18 is achieved by means of bores 27.

In Figur 4 sind verschiedene Phasen des Verdichtungsvor-gangs dargestellt. Die Positionen a, b, c, d, e, f, der Zahnachse entsprechen den Positionen a', b', c', d', e', f', der entsprechenden Vertiefung im Gegenkolben. Man sieht, dass der Zahn in Position a, sobald er das Ende 28 des ringförmigen Förderraumes 6 erreicht hat, sofort mit der gegenüberliegenden Vertiefung (Position a') in Eingriff kommt, so dass das im Raum 29 verdichtete Gas nicht mehr in den dahinterliegenden Raum 6 zurückströmen kann. Various phases of the compression process are shown in FIG. The positions a, b, c, d, e, f, of the tooth axis correspond to the positions a ', b', c ', d', e ', f', the corresponding recess in the counter-piston. It can be seen that the tooth in position a, as soon as it has reached the end 28 of the annular conveying space 6, immediately engages with the opposite depression (position a '), so that the gas compressed in the space 29 no longer enters the space behind 6 can flow back.

Das Gasvolumen 29 wird weiter verdichtet. In Position e, e' ist die Verdichtung abgeschlossen. Bis zur Position f, f' ist der Ansaugraum 30 durch die Zahnflanke vom Verdichtungsraum 6 getrennt. Von da an wird die Abdichtung wieder durch die Spaltdichtung der beiden Wälzkolben bei 31 übernommen. The gas volume 29 is compressed further. The compaction is completed in position e, e '. Up to position f, f ', the suction space 30 is separated from the compression space 6 by the tooth flank. From then on, the seal is again taken over by the gap seal of the two roots at 31.

Bis kurz vor Position e, e' kommuniziert der Raum auf der Rückseite des Zahnes mit 6, in dem zu diesem Zeitpunkt nur eine geringe Verdichtung eingetreten ist, so dass nach Überschreiten der Position f, f ' keine nennenswerte Gasmenge aus diesem Raum zur Ansaugseite herübergefördert werden kann. Up until shortly before position e, e ', the space on the back of the tooth communicates with 6, in which only a slight compression has occurred at this point in time, so that after the position f, f' has been exceeded, no significant amount of gas is conveyed from this space to the suction side can be.

Aus Fig. 4 ist weiter ersichtlich, dass wenn die Pumpe bei Erreichung des Enddrucks auf Atmosphärendruck verdichtet, nur in einem sehr kurzen Moment, in den Positionen d, d' bis e, e' eine hohe Druckdifferenz zwischen Ausstoss- und Ansaugseite erreicht wird. Dementsprechend gering ist auch die rückströmende Gasmenge und dementsprechend nieder der erreichbare Enddruck. From Fig. 4 it can also be seen that when the pump compresses to atmospheric pressure when the final pressure is reached, a high pressure difference between the discharge and suction sides is achieved only in the positions d, d 'to e, e' for a very short moment. The amount of gas flowing back is correspondingly low and, accordingly, the achievable final pressure is low.

Figur 5 und 6 zeigen eine 2-stufige Ausführung einer erfin-dungsgemässen Pumpe. Die Ansaugstufe 32 und die Ausstoss-stufe 33 sind in ihrem Saugvermögen im Verhältnis 5 zu 1 abgestuft. Figur 5 entspricht dem Schnitt AA' in Figur 6 und Figur 6 dem Schnitt BB ' in Figur 5. FIGS. 5 and 6 show a two-stage design of a pump according to the invention. The suction level 32 and the exhaust stage 33 are graded in their suction capacity in a ratio of 5 to 1. Figure 5 corresponds to section AA 'in Figure 6 and Figure 6 to section BB' in Figure 5.

Die vakuumseitige Hauptstufe 32 unterscheidet sich von der The vacuum-side main stage 32 differs from that

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1-stufigen Ausführung nach Figur 1 und 2 dadurch, dass an den Ausstossöffnungen in den Zahnleisten, die hier als Schlitze ausgebildet sind, keine Ventile angebracht sind. Nur die Aus-stosskanäle 11 zur Achse sind mit Ventilen 34 abgedichtet, die dann in Aktion treten, wenn der Druck zwischen den beiden 5 Pumpstufen, z.B. beim Absaugen eines Vakuumbehälters, den Atmosphärendruck übersteigt. Sobald der Ansaugdruck unter 0,2 bar fällt, bleiben diese Ventile geschlossen und der Gastransport zur Ausstossstufe erfolgt allein über die Bohrungen 35 und 36 durch die Schlitze 37 und 38 in die Kammern 39 und 40. 10 1-stage design according to Figures 1 and 2 in that no valves are attached to the ejection openings in the toothed strips, which are designed here as slots. Only the discharge channels 11 to the axis are sealed with valves 34, which come into action when the pressure between the two 5 pump stages, e.g. when vacuuming a vacuum container that exceeds atmospheric pressure. As soon as the suction pressure falls below 0.2 bar, these valves remain closed and the gas is transported to the exhaust stage solely through the bores 35 and 36 through the slots 37 and 38 into the chambers 39 and 40. 10

Aus der Kammer 39 gelangt das Gas über eine Verhin-dungsleitung 41 (s. Fig. 5) im Gehäuse der Hauptstufe in den Ansaugraum 42 (s. Fig. 5) der ausstosseitigen Stufe 33. Das Gas verlässt diese Stufe nach weiterer Verdichtung wieder über Ausstossventile bei 43 und gelangt schliesslich durch die Hohl- 15 achse 44 und den Raum 47 zum Ausstossstutzen 45. Getrieberaum 46 und Ausstossraum 47 kommunizieren analog wie bei der 1-stufigen Ausführung miteinander. From the chamber 39, the gas passes through a connecting line 41 (see FIG. 5) in the housing of the main stage into the suction space 42 (see FIG. 5) of the stage 33 on the exhaust side. The gas leaves this stage again after further compression Ejection valves at 43 and finally reaches the ejection nozzle 45 through the hollow axis 44 and the space 47. The transmission space 46 and the ejection space 47 communicate with one another in the same way as in the 1-stage version.

Das Verhältnis des Schöpfraumvolumens zum Volumen des Pumpgehäuses ist bei Pumpen dieser Bauart etwas ungünstiger 20 als bei den bekannten Wälzkolbenpumpen mit zwei gleich grossen lemniskatenförmigen Verdrängern. Wenn man bei einem The ratio of the volume of the pump chamber to the volume of the pump housing is somewhat less favorable in pumps of this type than in the known Roots pumps with two equally large lemniscate-shaped displacers. If you are with one

2-stufigen Pumpsystem für Ansaugdrücke unter 10 mbar ein optimales Verhältnis zwischen Saugvermögen und Volumen bzw. Gewicht erreichen will, ist es deshalb, zumindest wenn ein 25 sehr hohes Saugvermögen angestrebt wird günstiger, beide Pumpentypen miteinander zu kombinieren. 2-stage pump system for suction pressures below 10 mbar wants to achieve an optimal ratio between pumping speed and volume or weight, it is therefore cheaper, at least if a very high pumping speed is sought, to combine both pump types with each other.

Figur 7 und 8 zeigen eine solche Kombination. Dabei entspricht Figur 7 dem Schnitt AA' in Figur 8 und Figur 8 dem Schnitt BB' in Figur 7. Die grössere vakuumseitige Pumpstufe 30 48 besitzt lemniskatenförmige Wälzkolben, während die Wälzkolben der ausstosseitigen Stufe 49 erfindungsgemäss gestaltet und auf die Wellenenden der Wälzkolben der grossen Stufe aufgeschoben sind. Figures 7 and 8 show such a combination. 7 corresponds to section AA 'in FIG. 8 and FIG. 8 to section BB' in FIG. 7. The larger vacuum-side pump stage 30 48 has lemniscate-shaped roots, while the roots of the discharge-side stage 49 are designed according to the invention and onto the shaft ends of the roots of the large stage are postponed.

Das Saugvermögen der ausstosseitigen Stufe ist etwa 8 mal 35 kleiner als dasjenige der grossen Stufe. Beide Stufen sind in einem einstückigen Gehäuse untergebracht. Die bei Wälzkolbenpumpen übliche Umwegleitung zwischen Ausstoss- und Ansaugseite, die als Nebenschluss mit einem im Anpressdruck einstellbaren Ventil dazu dient, eine Überlastung des Antriebs- 40 motors besonders beim Anfahrvorgang zu unterbinden, ist hier in den Gehäuseteil der kleineren Pumpstufe miteinbezogen, wodurch sich eine Gewichtsersparnis ergibt. The pumping speed of the exhaust stage is about 8 times 35 less than that of the large stage. Both stages are housed in a one-piece housing. The bypass line between the ejection and suction side, which is common in Roots pumps, and which serves as a shunt with a valve that can be set in the contact pressure to prevent overloading of the drive motor, especially during the start-up process, is included in the housing part of the smaller pump stage, which saves weight results.

In Figur 8 tritt das Gas am Ansaugstutzen 50 ein. Es verlässt 4J den Ausstossraum 51 bei 52 und gelangt in das Pumpengehäuse der zweiten Stufe 49. Figur 7 zeigt, wie das durch 52 eintretende Gas über den Kanal 53 zur Ansaugseite 54 dieser Pumpstufe gelangt, oder falls die Druckdifferenz zwischen Ansaug- und Ausstosseite der grossen Pumpstufe den Sollwert überschreitet, über das Ventil 55 mit einstellbarer Anpresskraft (s. Fig. 8) In Figure 8, the gas enters the intake port 50. It leaves 4J the discharge chamber 51 at 52 and enters the pump housing of the second stage 49. FIG. 7 shows how the gas entering through 52 reaches the suction side 54 of this pump stage via the channel 53, or if the pressure difference between the suction and discharge side of the large one Pump stage exceeds the setpoint, via valve 55 with adjustable contact pressure (see Fig. 8)

wieder zurück zur Ansaugseite dieser Stufe. back to the suction side of this stage.

Das in der kleinen Pumpstufe auf Atmosphärendruck verdichtete Gas tritt durch die in den Zahnleisten 56 eingebauten Ventile in die zur Hohlachse führenden Radialbohrungen 11 ein 5_ und verlässt die Hohlachse durch Schlitze 57, gelangt in den Raum 58 und schliesslich zum Ausstossstutzen 59. The gas compressed to atmospheric pressure in the small pump stage passes through the valves installed in the toothed strips 56 into the radial bores 11 leading to the hollow axis and leaves the hollow axis through slots 57, reaches the space 58 and finally to the discharge nozzle 59.

Man sieht, dass nur die Verlängerung des Gehäusemittelteils und die beiden auf die Achsen aufgeschobenen Wälzkolben der kleinen Stufe erforderlich sind, um aus einer 1-stufigen 60 Wälzkolbenpumpe des Roots-Typs ein auf Atmosphärendruck verdichtendes Pumpsystem mit hohem Wirkungsgrad herzustellen. Es ist weder eine zusätzliche Lagerung noch ein weiteres Getriebe und Antriebsaggregat erforderlich. Man benötigt auch keine vakuumdichte Durchführung für den Antrieb, da auf (,5 dieser Seite der Ausstossraum liegt. Im Vergleich zu den bisher gebräuchlichen Kombinationen von Rootspumpen und ölge-dichteten Vorpumpen ergeben sich, wenn man zudem berücksichtigt, dass auch die Verbindungsleitungen zwischen den Pumpen entfallen, erhebliche Einsparungen an Material und Herstellkosten. Auch der Raumbedarf ist wesentlich geringer. It can be seen that only the extension of the middle section of the housing and the two small-stage Roots pushed onto the axes are required to produce a high-efficiency pumping system that compresses to atmospheric pressure from a 60-stage Roots-type single-stage pump. There is no need for additional storage or another gear and drive unit. There is also no need for a vacuum-tight bushing for the drive, since the discharge space is located on (, 5 on this side. In comparison to the previously used combinations of root pumps and oil-sealed backing pumps, if one also takes into account that the connecting lines between the pumps are also taken into account considerable savings in material and manufacturing costs, and the space requirement is also significantly lower.

Die erfindungsgemässe Pumpe kann selbstverständlich auch als ölgedichtete Pumpe eingesetzt werden, wobei allerdings wegen der Reibungsverluste die Drehzahl herabgesetzt werden muss. Man erreicht aber durch die völlige Vermeidung eines schädlichen Totraums und geringere Rückströmungsverluste einen noch höheren Kompressionsfaktor und damit auch einen tieferen Enddruck. The pump according to the invention can of course also be used as an oil-sealed pump, although the speed must be reduced due to the friction losses. However, by completely avoiding a harmful dead space and reducing backflow losses, an even higher compression factor and thus a lower final pressure are achieved.

Der Vorteil einer derartigen ölgedichteten Pumpe im Vergleich zu den bekannten liegt darin, dass sie schon durch ihre Geometrie statisch und dynamisch ausgewuchtet ist, dass keine schwierigen Bearbeitungsvorgänge erforderlich sind und keine unter hohem Druck aufeinander gleitenden Flächen vorhanden sind. Die Pumpe kann deshalb, ohne dass eine störende Abnützung zu befürchten ist, auch aus Leichtmetall gebaut werden. Besonders vorteilhaft ist es dabei, einerlei ob mit oder ohne Ölabdichtung, den Unterschied der Ausdehnungskoeffizienten von Aluminiumlegierungen und Stahl auszunützen und nur das Gehäuse aus Leichtmetall herzustellen. Die Ausdehnung der aus Stahl oder Grauguss hergestellten Wälzkolben ist dann, The advantage of such an oil-sealed pump in comparison to the known pumps is that their geometry is balanced statically and dynamically, that no difficult machining operations are required and that there are no surfaces sliding on one another under high pressure. The pump can therefore also be made of light metal without fear of annoying wear. It is particularly advantageous, regardless of whether with or without an oil seal, to make use of the difference in the expansion coefficients of aluminum alloys and steel and only to manufacture the housing from light metal. The expansion of the roots made of steel or cast iron is then

trotz ihrer im Vergleich zum Gehäuse höheren Temperatur, nicht wesentlich grösser als diejenige des Gehäuses. Man kann somit kleinere Spaltweiten zulassen und dadurch die Rückströmungsverluste verringern oder die Pumpe ohne spezielle Massnahmen zur Kühlung höher belasten. despite its higher temperature compared to the housing, not significantly higher than that of the housing. It is thus possible to allow smaller gap widths and thereby reduce the backflow losses or to put a higher load on the pump without special measures for cooling.

Ein Kompromiss zwischen den beiden Betriebsarten mit und ohne Öldichtung ergibt sich, wenn so geringe Ölmengen eingespritzt werden, dass gerade noch der schädliche Totraum vollends beseitigt wird, und die Zahnschneide abgedichtet aber die seitlichen Dichtungsspalte noch nicht ausgefüllt werden. Auch dann wird der Kompressionsfaktor bereits beträchtlich erhöht und es sind immer noch relativ hohe Drehzahlen zulässig. There is a compromise between the two operating modes with and without an oil seal if the amount of oil injected is so small that the harmful dead space is just completely eliminated and the tooth cutting edge is sealed but the side seal gaps have not yet been filled. Even then the compression factor is already increased considerably and relatively high speeds are still permissible.

Die erfindungsgemässe Wälzkolbenpumpe kann nicht nur zur Vakuumerzeugung sondern auch zur Erzeugung von Überdruck eingesetzt werden. Das eingangs erwähnte Problem, das beim Einsatz von Wälzkolbenpumpen des Roots-Typs bei höheren Ausstossdrücken auftritt, nämlich die erhöhte Verdichtungsarbeit durch mangelnde innere Kompression tritt auch mehr oder weniger bei den bekannten Wälzkolbenkompressoren auf. Die vorgeschlagene neuartige Wälzkolbenpumpe bringt deshalb auch auf diesem Anwendungsgebiet wichtige Vorteile. Bei hohen Arbeitsdrücken ist es jedoch empfehlenswert, wie in Figur 9 dargestellt, die Zahnleiste in Richtung des Umfangs zu verbreitern, so dass ein längerer Abdichtungsspalt zwischen Zahn und Gehäuse entsteht, oder zumindest eine bewegliche Dichtleiste in die Zahnschneide einzulassen, die durch die Fliehkraft an die innere Gehäuseoberfläche angepresst wird und deshalb aus einem Kunststoff mit selbstschmierenden Eigenschaften bestehen sollte. Diese Ausführungsformen sind auch für die Förderung grosser Gasmengen bei massigem Unterdruck besonders geeignet. The Roots pump according to the invention can be used not only to generate a vacuum but also to generate excess pressure. The problem mentioned at the outset, which occurs when using Roots type Roots pumps at higher discharge pressures, namely the increased compression work due to a lack of internal compression also occurs more or less in the known Roots compressors. The proposed novel Roots pump therefore also has important advantages in this area of application. At high working pressures, however, it is advisable, as shown in Figure 9, to widen the toothed rack in the direction of the circumference, so that a longer sealing gap is created between the tooth and the housing, or at least to let a movable sealing strip into the tooth cutting edge, which is caused by the centrifugal force on the inner surface of the housing is pressed and should therefore consist of a plastic with self-lubricating properties. These embodiments are also particularly suitable for the delivery of large amounts of gas with a moderate negative pressure.

In Figur 9 ist die Zahnleiste 60 am Rotor mit Schrauben 61 befestigt. Das Gas verlässt den Kompressionsraum über den Austrittsschlitz 62, die Bohrungen 63 und die durchgehende Lochplatte 64 und das Ventil 65. Von dort gelangt das Gas in den Schlitz 66 und in die Ausstossbohrungen 67 zum Zentrum des Wälzkolbens. Bei den grossen zu fördernden Gasmengen müssen die Abgasleitungen grosse Querschnitte besitzen. Dies wird durch die Verbreiterung des Zahnprofils erleichtert. Aus diesem Grund wird auch das Ventil 65 zweckmässig mehr nach Innen verlegt, wo eine grössere Ventilfläche untergebracht werden kann. Das Ventil kann z.B. aus einer Gummiplatte mit Gewebeeinlage bestehen, die durch die Zentrifugalkraft an die Lochplatte angepresst wird. Sie ist mit einer Leiste im Ausstoss- In Figure 9, the rack 60 is attached to the rotor with screws 61. The gas leaves the compression space via the outlet slot 62, the bores 63 and the continuous perforated plate 64 and the valve 65. From there, the gas reaches the slot 66 and the ejection bores 67 to the center of the Roots piston. With the large amounts of gas to be conveyed, the exhaust pipes must have large cross sections. This is facilitated by the widening of the tooth profile. For this reason, the valve 65 is expediently moved more inwards, where a larger valve area can be accommodated. The valve can e.g. consist of a rubber plate with fabric insert, which is pressed against the perforated plate by centrifugal force. It is with a bar in the ejection

kanal 66 befestigt. Der Totraum ist hier zwar grösser als bei der Ausführung nach Figur 3. Bei kleinen Kompressionsfaktoren, wie sie beim Betrieb als Kompressor oder bei massigem Unterdruck auftreten, spielt er jedoch keine so wichtige Rolle. channel 66 attached. The dead space is larger here than in the embodiment according to FIG. 3. However, it does not play such an important role in the case of small compression factors, such as occur when operating as a compressor or in the case of a massive negative pressure.

In Figur 9 ist gestrichelt bei 69 und 70 auch die Lage des In FIG. 9, the position of the

5 621854 5 621854

Zahnprofils und der gegenüberliegenden Vertiefung nach Beendigung des Ausstosszyklus eingezeichnet. Man sieht, dass der Verdichtungsraum 6 und der Ansaugraum 30 in jeder Phase durch hohe Strömungswiderstände getrennt sind. Tooth profile and the opposite recess after completion of the ejection cycle. It can be seen that the compression chamber 6 and the suction chamber 30 are separated by high flow resistances in each phase.

C C.

5 Blatt Zeichnungen 5 sheets of drawings

Claims

621854

2nd

PATENT CLAIMS

1. Roots pump with two parallel, non-contact rolling roots, which are synchronized via a pair of gears, with at least two toothed racks 5 (3, 56, 60) distributed symmetrically on the circumference of the main piston (1) and corresponding recesses in the counter-piston (2) , characterized in that the compressed gas is expelled through the flanks of the toothed strips (3, 56, 60) located at the front in the conveying direction.

2. Roots pump according to claim 1, characterized in that the profile of the toothed strips (3, 56, 60) and the profile of the depressions are designed such that they immediately reach each other when the end of a ring-shaped part (6) of the compression chamber is reached come into engagement and thus prevent a backflow of the pumped and compressed gas 15 into said part (6).

3. Roots pump according to claim 1, characterized in that valves (8, 34, 65) are arranged behind the ejection openings of the toothed strips (3, 56, 60).

4. Roots pump according to claim 1, characterized in that it is designed as a dry runner.

5. Roots pump according to claim 1, characterized in that it is oil-sealed.

6. Roots pump according to claim 1, characterized in that it has two stages (48, 49), the suction-side 25 stage (48) having cooperating roots with lemniscate-like profiles as in a Roots-type roots pump.

7. Roots pump according to claim 6, characterized in that both stages (48, 49) have a common housing, 30 a common bearing and a common gear.

8. Roots pump according to claim 6, characterized in that the roots of the ejection stage (49) are pushed onto the shafts of the suction stage (48). 35

9. Roots pump according to claim 6, characterized in that the part of the pump housing in which the exhaust-side pump stage (49) is housed also contains the bypass line (53) for the suction-side stage (48).

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For the extraction of large quantities of gas, in particular for vacuum generation in chemical and metallurgical process engineering, multi-stage water vapor jet suction devices are preferably used today. With the appropriate number of stages, the pressure range from atmospheric pressure to pressures below 10 ~ 3 mbar can be covered. They are robust and insensitive to contamination, but require that water vapor of sufficiently high pressure and cooling water are available for the condensation of the vapor.

The installation of such a pump system and the control of the various stages depending on the suction pressure require high acquisition and installation costs, especially if a separate steam generator is required.

The operating costs for the energy to be used and for water supply and wastewater treatment are also considerable.

In this regard, mechanical pump systems are more advantageous. However, they have so far been neglected. The main reasons were concerns about their reliability in the case of high dirt accumulation due to their complicated structure, and the fact that until now there were no sufficiently large units available. For this reason, it was previously necessary to connect several pumps in parallel, so that the investment and installation costs were not much lower than for steam jet suction devices. With the increasing costs for energy and service water, however, there are the advantages of mechanical pump systems, i.e. Their higher efficiency, their lower cooling water requirements and their simpler control are becoming increasingly important, and the solution to the problem of developing larger units with high operational reliability is therefore becoming more and more topical.

If a high specific pumping speed, and thereby a favorable cost / performance ratio is to be achieved with rotating pumps, high speeds must be possible. These can only be achieved if the internal friction losses are small, a condition that has hitherto been best met by the Roots-type dry-running Roots pumps with rotors that have a lemniscate profile. Since the compression factor of this pump type against atmospheric pressure is too low, it can only be used in combination with other pump types that have higher compression factors at the working pressures common in process engineering.

The compression of the gases pumped by the Roots pump to atmospheric pressure has so far been carried out by water ring pumps or oil-sealed backing pumps. Water ring pumps can hardly be considered at today's high operating water costs. They also have the disadvantage that mostly two-stage Roots pump units have to be used because of their relatively high final pressure. So there remain the oil-sealed blocking slide, rotary slide, multiple slide or trochoid pumps; Because of their high friction losses, in order to keep the heating within the permissible limits, they have to be operated at a lower speed compared to roller pumps with a comparable pumping speed and therefore have a much less favorable cost / performance ratio.

It would be desirable to have a pump system that runs dry and compresses to atmospheric pressure, that achieves a high compression factor with few stages and that can be operated at high speed. If possible, it should be such that all stages are located on one axis in a common housing and only one drive means is required. The object of the present invention is to achieve this object.

The limitation of the use of Roots pumps of the type described above as a vacuum pump arises from the fact that no compression takes place inside the pump. Rather, as soon as it communicates with the discharge side, the gas volume delivered from the suction side is filled up to the discharge pressure and must then be pushed out of the pump chamber against this pressure. In doing so, much more compression work is done than with the pumps with internal compression mentioned above. In addition, because the full pressure difference between the discharge and suction pressure prevails at the seal gaps, the backflow losses are very high. They lead to a further deterioration in efficiency and, above all, impair the compression factor at higher pressures. A Roots-type Roots pump therefore only has a compression factor of about 5 against atmospheric pressure, even when the pumping speed goes to zero, and generates such a large amount of compression heat that it cannot be used in continuous operation without an additional cooling device.