CN109642573A - 螺杆真空泵 - Google Patents

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Abstract

一种螺杆真空泵包括形成泵送室的壳体(26)，其中壳体(26)由铝或铝合金制成。进一步提供布置在泵送室(46)中的两个螺杆转子，每个螺杆转子包括至少一个具有用于形成多个螺圈的螺旋形凹口的位移元件(10、12)，其中所述至少一个位移元件(10、12)由铝或铝合金制成。在其中具有5％至30％的出口压力的区域与转子的压力侧端(泵出口)之间，提供至少六个，特别是至少八个，并且特别优选地至少十个螺圈。

Description

螺杆真空泵
【技术领域】
本发明涉及一种螺杆真空泵。
【背景技术】
螺杆真空泵在壳体内包括泵送室，两个螺杆转子布置在该泵送室中。每个螺杆转子包括至少一个具有螺旋形凹口的位移元件。由此，形成多个螺圈。为了可以借助于螺杆真空泵实现低压力以及分别小于200mbar(绝对压力)的高真空，同时特定的功率输入较低，已知的螺杆真空泵具有高内部压缩。内部压缩限定从泵的入口到出口的输送量的减少。获得了低输出压力，特别是因为具有低高度的间隙形成在至少一个位移元件的外侧与泵送室的内侧之间。为了能够实现此类小间隙，必须保证螺杆转子的可靠的冷却。只有这样，特别是在发生高压差的螺杆真空泵的压力侧区域中，可以防止转子并且因此转子的至少一个位移元件的温度可能以如下方式上升：由于由温度造成的位移元件的膨胀，将导致位移元件的外侧与泵送室的内侧之间的相互接触。
在这方面，根据EP 1 242 743已知为转子提供内部冷却。针对转子的内部冷却将保证转子并且因此连接到转子或与转子一体形成的至少一个位移元件的有效冷却，因此使得可以实现小间隙高度。针对转子的此内部冷却非常复杂并且因此是昂贵的。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种螺杆真空泵，通过其可以实现特别是小于200mbar、并且特别优选地小于10mbar的高真空，同时可以省略针对转子的内部冷却。
根据本发明，以上目的通过根据技术方案1的螺杆真空泵实现。
本发明的螺杆真空泵包括壳体，该壳体限定泵送室，两个螺杆转子布置在泵送室中。根据本发明，壳体和转子由铝或铝合金制成。本文中，作为用于壳体的铝合金特别优选的是AlSi7Mg或AlMg0.75Si。特别地，螺杆转子的材料的膨胀系数低于壳体的材料的膨胀系数。特别优选地，螺杆转子的膨胀系数小于22*10-6 1/K，并且特别优选地小于20*10-6 1/K。
布置在泵送室中的两个螺杆转子包括至少一个具有螺旋形凹口的位移元件。螺旋形凹口限定多个螺圈。根据本发明，所述至少一个位移元件由铝或铝合金制成。优选地，由AlSi9Mg或AlSi17Cu4Mg生产所述至少一个位移元件。特别优选地，铝以及分别地铝合金具有特别是小于22*10-6 1/K，并且特别优选地小于20*10-6 1/K的较低膨胀系数。
特别优选地，螺杆转子并且特别地至少一个位移元件在每个螺杆转子中具有比壳体低的膨胀系数。本文中，特别优选地，壳体的膨胀系数比螺杆转子的膨胀系数并且分别地比至少一个位移元件的膨胀系数的大至少5％，并且特别优选地大至少10％。特别优选地，转子的合金具有优选地至少9％，特别优选地多于15％的高硅百分比，从而实现低热膨胀系数。
根据本发明，螺杆转子和至少一个位移元件以如下方式设计：在其中具有5％至20％的出口压力的区域与转子的压力侧端之间，提供至少6个，特别是至少8个，并且特别优选地至少10个螺圈。本文中，压力侧转子端是泵出口的区域。本文中，根据优选实施例，根据本发明，此区域中的大量的螺圈可以提供在每个转子提供的单个压力侧位移元件中。然而，还可以在此压力侧区域中，例如在两个位移元件上，提供对应的数量的螺圈。根据本发明，通过在根据本发明将仅发生每个螺圈待输送介质的相对低的压缩的区域中提供大量的螺圈，使得可以省略转子的内部冷却。这是可能的，特别是因为由于此区域中的相对低压缩，由压缩造成的此区域中位移元件的温度增加较低。此外，而且由于此区域中介质的相对高密度，所输送的介质自身将实现从位移元件到泵壳体的高热耗散。
此外，由于大量的螺圈，大表面积可用于朝向壳体的热交换。
特别优选地，至少6个，特别是至少8个，并且特别优选地至少10个螺圈提供在压力侧位移元件中。本文中，特别优选地，由压力侧位移元件实现的压力比(＝出口压力/压力侧位移元件之前的中间压力)小于20、特别是小于10、并且特别优选地小于5。因此，当在泵出口处压缩到大气压力时，由本发明提供的最后6个，特别是最后8个，并且特别优选地最后10个螺圈将以20的压力比实现从50mbar至1,000mbar的压缩。因此，在为10的压力比下，将发生从100mbar至1,000mbar的压缩，并且在为5的压力比下，将发生从200mbar至1,000mbar的压缩。
从具有5％-20％的出口压力的区域到输送方向上的最后的螺圈(即，实质上到泵出口)的距离优选地为转子长度的至少20％至30％。这具有如下优点：在相对大区域中，仍将仅发生极低压缩。由于低压缩，这又将造成相对低的温度增加。
此外，对于如由本发明提供的无内部冷却的螺杆转子的设计而言，优选地，压力侧位移元件在最少6个，特别是最少8个，并且特别优选地最少10个螺圈处具有多于50mbar的平均工作压力。在泵的最终压力运行中，即，在入口的封闭状态下，在泵的此区域中达到50mbar的压力(在时间上平均)。
根据本发明，因此还可以在无内部冷却的转子中并且在由铝或铝合金制成的壳体和至少一个由铝或铝合金制成的位移元件的情况下，在至少一个位移元件的表面与泵送室的内侧之间，特别是在压力侧区域中提供冷间隙，该冷间隙具有在从0.05mm至0.3mm，并且特别是0.1mm至0.2mm的范围内的高度。由于根据本发明6个，特别是8个，并且特别优选地10个最后的螺圈的上述设计，可以提供这样的相对大的间隙高度。
每个位移元件优选地包括至少一个螺旋形凹口，该螺旋形凹口沿着其整个长度具有相同的轮廓。优选地，对于每个位移元件而言轮廓是不同的。因此，相应的位移元件优选地包括恒定的螺距和统一的轮廓。因此，显著地便于制造，使得可以极大降低生产成本。
为了进一步改善吸入能力，吸入侧位移元件(即，在泵送方向上观察，特别是第一位移元件)的轮廓是不对称的。通过轮廓或型面的不对称形状，可以以如下方式设计侧面：泄漏表面(所谓的气孔)优选地被完全消除或者至少具有小的横截面。特别有用的不对称型面是所谓的“昆比(Quimby)型面”。虽然此型面相对难以制造，但是其具有不存在连续气孔的优点。短路仅存在于两个相邻的室之间。由于型面是具有不同型面侧面的不对称型面，因此其制造需要至少两个工作步骤，因为这两个侧面因其不对称性而必须在两个不同的工作步骤中生产。
压力侧位移元件(在泵送方向上观察，特别是最后的位移元件)优选地设置有对称轮廓。对称轮廓特别地具有制造将更简单的优点。特别地，可以通过使用旋转立铣刀或旋转侧铣刀在一个工作步骤中产生具有对称轮廓的两个侧面。尽管此类对称型面包括气孔，但是这些气孔是连续地提供的，即，不仅提供在两个相邻的室之间。气孔的大小随着螺距的减小而减小。因此，可以特别为压力侧位移元件提供此类对称型面，因为根据优选实施例，这些对称型面具有比吸入侧位移元件，并且优选地还比布置在吸入侧位移元件与压力侧位移元件之间的位移元件更小的螺距。虽然此类对称型面的密封性稍低，但是这些对称型面具有其制造明显更简单的优点。特别地，其使得可以通过使用简单的立铣刀或侧铣刀在单个工作步骤中产生对称型面。由此，成本显著降低。特别有用的对称型面是所谓的“摆线型面(cycloidal profile)”。
提供至少两个此类位移元件使得对应的螺杆真空泵可以在功率输入低时产生低入口压力。此外，热应力低。根据本发明设计的具有恒定螺距和统一的轮廓的至少两个位移元件在真空泵中的布置将基本上导致与具有具备变化的螺距的位移元件的真空泵中相同的结果。在高指定的体积比的情况下，可以提供三个或四个位移元件，这取决于转子。
为了减小可实现的入口压力和/或为了减小功率输入和/或热应力，根据特别优选实施例，规定压力侧位移元件(即，在泵送方向上观察，特别是最后的位移元件)包括大量的螺圈。因大量的螺圈，在螺杆转子与壳体之间可以接受较大的间隙，而性能将保持相同。本文中的间隙可以具有在从0.05mm至0.3mm的范围内的冷间隙宽度。大量的出口螺圈，并且分别地压力侧位移元件中的螺圈的生产是便宜的，因为根据本发明，此位移元件具有恒定的螺距，并且特别地还具有对称轮廓。这允许简单且便宜的生产过程，使得提供大量的螺圈是可接受的。优选地，此压力侧位移元件或最后的位移元件包括多于6个，特别地多于8，并且特别优选地多于10个螺圈。在特别优选的实施例中，对称型面的使用具有如下优点：通过使用铣刀，可以同时切割型面的两个侧面。在此过程中，铣刀附加地由相应的相反的侧面支撑，因此避免铣刀在此期间的变形或偏转并且避免导致不精确。
为了进一步降低制造成本，特别优选地，位移元件和转子轴形成为单件。
根据另一个优选实施例，以不统一的或突变的方式提供相邻的位移元件之间的螺距变化。可选地，两个位移元件在纵向方向上彼此相隔一定距离布置，使得在两个位移元件之间，形成环绕环形圆柱形室，其充当工具出口区域。这在具有单件式配置的转子中特别有利，因为在此区域中，可以以简单方式取出产生螺旋线的工具。在位移元件彼此独立制造并且然后安装在轴上的情况下，提供工具出口区域，特别是此环形圆柱形区域将不是必需的。
根据本发明的优选实施例，在两个相邻的位移元件之间在螺距变化处不提供工具出口区域。在螺距变化的区域中，优选地，两个侧面包括空隙或凹口，从而允许取出工具。此空隙对泵的压缩性能无显著影响，因为空隙或凹口是局部的，并且尺寸相当有限。
本发明的真空泵螺杆转子特别包括复数个位移元件。这些位移元件可以每次具有相同的直径或不同的直径。在这方面，优选地，压力侧位移元件具有比吸入侧位移元件更小的直径。
在位移元件独立于转子轴生产的情况下，位移元件将例如通过压合而安装在轴上。本文中，优选地，提供用于位移元件相对于彼此的角位置的固定的元件，诸如定位销。
特别是在螺杆转子的单件式设计的情况下，并且还在多件式设计的情况下，优选地，由铝或铝合金生产螺杆转子。特别优选地，由铝或铝合金，特别是由AlSi9Mg或AlMg0.7Si生产转子。所述合金优选地具有多于9％，特别是多于15％的硅百分比，以便降低膨胀系数。
根据本发明的另一个优选实施例，用于转子的铝具有低膨胀系数。优选地，材料具有小于22*10-61/K，特别是小于20*10-61/K的膨胀系数。根据另一个优选实施例，位移元件的表面被涂覆，特别提供抵抗磨损和/或抗腐蚀的涂层。本文中，取决于应用领域，优选地提供阳极涂层或另一合适的涂层。
特别优选地，螺杆转子特别是由铝或铝合金一体制造。螺杆转子还可以包括承载至少一个位移元件的转子轴。特别是在提供多个位移元件时，这具有如下优点：这些位移元件可以彼此独立地生产，并且然后特别是通过将其按压或收缩就位而将其连接到转子轴。本文中，为了各个位移元件的角位置的定义，可以提供装配键等。转子轴可以由钢制成并且承载至少一个由铝或铝合金制成的位移元件。
在每个螺杆转子优选地提供复数个位移元件的情况下，可以将位移元件设计为单件式构件。
根据本发明，优选地，螺杆转子没有内部冷却。在这方面，特别优选地，螺杆转子并不包括以下的通道：在该通道中冷却剂特别是液体冷却剂流动通过这些通道。然而，螺杆转子可以包括膛孔或通道，例如用于减少重量以及用于平衡等。特别地，优选地，螺杆转子是实心的。
此外，优选地，在压力侧位移元件的区域中，即，特别是在最后6个，特别是最后8个，并且特别优选地最后10个螺圈的区域中，在位移元件与壳体之间存在微小温度差。在正常操作中，此温度差优选地小于50K，并且特别是小于20K。正常操作应理解为从最终压力直到开放入口(大气吸入)的整个吸入压力范围。
此外，优选地，壳体在压力侧位移元件的区域中，即，特别是在最后6个，特别是最后8个，并且特别优选地最后10个螺圈的区域中具有小于20000W/m2，优选地小于15000W/m2，并且特别是小于10000W/m2的平均热通量密度。平均热通量密度是压缩性能与出口区域的壁表面积之间的比。
【附图说明】
在下文将通过优选实施例并且参考随附的附图来更详细解释本发明。
示出了以下各图：
图1示出了本发明的螺杆真空泵的螺杆转子的第一优选实施例的示意性平面图；
图2示出了本发明的螺杆真空泵的螺杆转子的第二优选实施例的示意性平面图；
图3示出了具有不对称型面的位移元件的示意性截面视图；
图4显示具有对称型面的位移元件的示意性截面视图；以及
图5示出了螺杆真空泵的示意性截面视图。
【具体实施方式】
图1和2中所示的螺杆转子可以用于如图5中所示的螺杆真空泵中。
根据真空泵螺杆转子的第一优选实施例，转子包括两个位移元件10、12。第一吸入侧位移元件10具有约10mm至150mm/转的大螺距。螺距沿着整个位移元件10是恒定的。而且，螺旋形凹口的轮廓是恒定的。第二压力侧位移元件12沿着其长度也具有恒定的螺距和恒定的凹口轮廓。压力侧位移元件12的螺距优选地在10mm至30mm/转的范围内。在两个位移元件之间，提供环形圆柱形凹口14。鉴于图1中所示的螺杆转子的单件式设计，所述凹口具有实现工具出口区域的目的。
此外，单件式螺杆转子包括两个轴承座16和轴端18。例如，用于驱动的齿轮连接到轴端18。
在图2中所示的第二优选实施例中，两个位移元件10、12单独地生产，并且将然后例如通过对其进行按压而固定在转子轴20上。此生产方法可能稍微更加复杂，但是避免针对在两个相邻位移元件10、12之间用于工具出口的圆柱形距离14的需要。轴承座16和轴端18可以是轴20的整体部件。另一选择为，连续轴20还可以由不同于位移元件10、12的另一材料生产。
图3示出了不对称型面(例如昆比型面)的示意性侧视图。所示的不对称型面是所谓的“昆比型面”。截面视图示出了两个螺杆转子，其彼此啮合并且其纵向方向垂直于附图的平面延伸。转子在相反方向上的旋转由两个箭头15指示。关于垂直于位移元件的纵向轴线延伸的平面17，两个侧面10和21的型面在每个转子中是不同的。因此，彼此相对的侧面19、21必须彼此独立地生产。然而，在为此原因而稍微更加复杂和困难的制造中，优点在于，并不存在贯通气孔，而是仅在两个相邻的室之间存在短路。
此对称型面优选地提供在吸入侧位移元件10中。
图4中的示意性侧视图又示出了两个位移元件以及分别也在相反方向上(箭头15)旋转的两个螺杆转子的截面视图。关于对称轴线17，侧面23在每个位移元件中具有对称设计。在图4中所示的对称设计的轮廓的优选实施例中，使用摆线型面。
如图4中所示的对称型面优选地提供在压力侧位移元件12中。
此外，可以提供多于两个位移元件。这些位移元件可以可选地具有不同的头部直径和对应的底部直径。本文中，优选地，具有较大头部直径的位移元件布置在入口处，即，在吸入侧上，以便在此区域中实现较大吸入能力和/或增加体积比。上述实施例的组合也是可能的。例如，两个或更多个位移元件可以与轴一体生产，或者附加的位移元件可以独立于轴而生产，并且然后安装在轴上。
在图5的示意图中，示出了本发明的螺杆真空泵的优选实施例，如图1所示的两个螺杆转子布置在壳体26中。真空泵壳体26包括入口28，气体通过入口28沿箭头30的方向被吸入。入口28连接到例如待排空的室。泵壳体26进一步包括压力侧出口32，气体通过压力侧出口32沿箭头38的方向被排出。优选地，本发明的螺杆真空泵将直接对着大气泵送，使得不再有预真空泵连接到出口32，而这也将是可能的。
在图示的示例性实施例中，两个压力侧位移元件12每个螺杆转子包括10个螺圈。特别地，在区域40中，即，沿输送方向观察，在压力侧位移元件12的第一螺圈的区域中，具有在出口32处具有的压力的5％至20％的压力。
在两个压力侧位移元件12的表面42与由泵壳体26限定的泵送室46的内表面44之间，形成间隙，该间隙的高度优选地在从0.05mm至0.3mm的范围内，并且特别是在从0.1mm至0.2mm的范围内。
在图示的示例性实施例中，真空泵壳体26由两个壳体盖47封闭。图4中的左壳体盖47包括两个轴承座，分别一个滚珠轴承48布置在轴承座中以用于支撑两个转子轴。在图4中的右手侧上，两个螺杆转子轴的轴颈50延伸穿过盖47。在外侧上，两个轴颈50上布置有相应的齿轮52。在图示的示例性实施例中，齿轮52彼此啮合，用于两个螺杆转子的相互同步。此外，同样在如图4中观察的右手盖47中，布置两个轴承48以用于支撑螺杆转子。
图5中的下部轴是驱动轴，其连接到驱动电机(未示出)。
根据本发明的特别好的结果可以通过因此尤其优选的以下技术规范获得：
壳体的材料 AlSi7Mg(铸造，膨胀系数22*10-6K-1)
或AlMg0,7Si(挤制，膨胀系数23*10-6K-1)
转子的材料 AlSi9Mg(铸造，膨胀系数21*10-6K-1)
或AlSi17Cu4Mg(铸造，膨胀系数18*10-6K-1)
转子的硅百分比至少9％，特别优选多于15％
壳体/转子的热膨胀系数至少大5％、特别优选大10％
吸入侧与压力侧位移元件之间的中间压力：
压力比
出口压力/中间压力
特别优选小于：
特别是小于
小于
冷间隙的高度 0.05mm至0.3mm
特别优选0.1mm至0.2mm

Claims (18)

1.一种螺杆真空泵，其包括：
限定泵送室的壳体(26)，其中所述壳体(26)由铝或铝合金制成，
布置在所述泵送室(46)中的两个螺杆转子，每个螺杆转子包括至少一个具有用于限定多个螺圈的螺旋形凹口的位移元件(10、12)，其中所述至少一个位移元件(10、12)由铝或铝合金制成，
其特征在于，
在其中具有5％至20％的出口压力的区域与所述转子的压力侧端(泵出口)之间，提供至少六个，特别是至少八个，并且特别优选地至少十个螺圈。
2.根据权利要求1所述的螺杆真空泵，其特征在于所述一个位移元件被设计为压力侧位移元件(12)，并且针对每个螺杆转子，提供至少一个另外的位移元件(10)。
3.根据权利要求2所述的螺杆真空泵，其特征在于所述压力侧位移元件(12)引起小于20，特别是小于10，并且特别优选地小于5的压力比。
4.根据权利要求2或3所述的螺杆真空泵，其特征在于所述压力侧位移元件(12)至少在6个螺圈中，特别是至少在8个螺圈中并且特别优选地至少在10个螺圈中具有多于50mbar的平均工作压力。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于，在所述位移元件(12)的表面(42)与所述泵送室(46)的内表面(44)之间形成间隙，所述间隙具有在从0.05mm至0.3mm，特别是0.05mm至0.2mm的范围内的高度。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述压力侧位移元件(12)在其整个长度上具有恒定的螺距。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述压力侧位移元件(12)的凹口在其整个长度上具有统一的特别是对称的轮廓。
8.根据权利要求2至7中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述压力侧位移元件(12)是单螺纹的。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于每个螺杆转子包括支撑所述至少一个位移元件(10、12)的转子轴。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于螺杆转子的位移元件(10、12)是一体形成的。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于由铝或铝合金制成的螺杆转子具有低膨胀系数，并且特别是小于22*10-6 1/K，并且特别优选地小于20*10-6 1/K的膨胀系数。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述螺杆转子，并且特别是所述至少一个位移元件(10、12)，针对每个螺杆转子具有比所述壳体(26)低的膨胀系数，其中所述壳体(26)的膨胀系数特别地至少比所述螺杆转子的膨胀系数大，并且分别地比所述至少一个位移元件(10、12)的膨胀系数大。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述螺杆转子并不具有转子内部冷却。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述螺杆转子并不包括具有冷却剂特别是液体冷却剂的通道，所述冷却剂特别是液体冷却剂流动通过所述通道。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于所述螺杆转子是实心的。
16.根据权利要求2至15中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于在正常操作中，在所述压力侧位移元件(12)的区域中，这些位移元件(12)与所述壳体(26)之间的温度差小于50K，特别是小于20K。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于，在所述压力侧位移元件(12)的区域中，平均热流密度小于20000W/m2，优选地小于15000W/m2，并且特别是小于10000W/m2。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的螺杆真空泵，其特征在于其中具有5％至20％的出口压力的区域直到所述压力侧位移元件(12)的最后的螺圈之间的距离至少在转子长度的从20％至30％的范围内。
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