DE10046768B4 - Screw vacuum pump with bypass valve - Google Patents

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Abstract

Schraubenvakuumpumpe mit einem Schöpfraumgehäuse (1), in dem sich zwei Rotoren mit äußeren Schraubengängen befinden, und mit einem unerwünschte Überdrucke im Schöpfraum verhindernden Bypass-Ventil, das eine Durchtrittsöffnung (2) in der Gehäusewandung (1) und ein der Druchtrittsöffnung außerhalb des Schöpfraumes zugeordnetes Verschlußstück (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (2) so bemessen ist, dass das Verschlussstück (3) des Ventils den Ventilsitz während des Beginns einer Evakuierungsphase nicht berührt.Screw vacuum pump with a pump chamber housing (1), in which there are two rotors with external screw flights, and with a bypass valve preventing unwanted overpressure in the pump chamber, which has a passage opening (2) in the housing wall (1) and a passage opening outside the pump chamber Closure piece (3), characterized in that the passage opening (2) is dimensioned such that the closure piece (3) of the valve does not touch the valve seat during the beginning of an evacuation phase.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe mit einem Schöpfraumgehäuse, in dem sich zwei Rotoren mit äußeren Schraubengängen befinden, und mit einem unerwünschte Überdrucke im Schöpfraum verhindernden Bypass-Ventil, das eine Durchtrittsöffnung in der Gehäusewandung und ein der Durchtrittsöffnung außerhalb des Schöpfraumes angeordnetes Verschlußstück umfasst.The invention relates to a screw vacuum pump with a pump chamber, in which there are two rotors with external screw threads, and with an undesirable overpressures in the pump chamber preventing bypass valve, which comprises a passage opening in the housing wall and a passage outside the pump chamber arranged closure piece.

Bypass- oder Überstömventile werden in Schraubenvakuumpumpen eingesetzt, deren Schraubengänge die geförderten Gase verdichten. Diese Wirkung tritt ein, wenn beispielsweise der Außendurchmesser des Rotors in Förderrichtung (sei es kontinuierlich oder stufenförmig) abnimmt. Eine innere Verdichtung der geförderten Gase tritt auch dann ein, wenn die Steigung und/oder die Tiefe der Gewindegänge in Förderrichtung kleiner werden. Bei Schraubenvakuumpumpen mit einer derartigen inneren Verdichtung kommt es zu Beginn einer Evakuierungsphase, d. h. wenn der Ansaugdruck etwa dem Atmosphärendruck entspricht, zu Kompressionen, die ein vielfaches des Atmosphärendruckes betragen können.Bypass or overflow valves are used in screw vacuum pumps whose screw threads compress the pumped gases. This effect occurs when, for example, the outer diameter of the rotor decreases in the conveying direction (whether continuously or stepwise). An internal compression of the conveyed gases also occurs when the pitch and / or the depth of the threads are smaller in the conveying direction. In screw vacuum pumps with such internal compression, it comes at the beginning of an evacuation phase, d. H. when the suction pressure is approximately equal to the atmospheric pressure, to compressions that can be many times the atmospheric pressure.

Es ist bekannt, mit Hilfe eines Bypass- oder Überströmventils Überkompressionen der beschriebenen Art zu verhindern. Bekannte Überstömventile weisen federbelastete Verschlußstücke auf. Sie öffnen, wenn sich in Höhe der Durchströmöffnung eine Gewindenut befindet, und schließen, wenn sich in Höhe der Durchströmöffnung der Kopf eines Gewindesteges befindet. Da Schraubenvakuumpumpen mit immer höheren Drehzahlen betrieben werden, ergibt sich infolge des ständigen Öffnens und Schließens ein hoher Verschleiß. Bei ungünstiger Auslegung des Feder-Masse-Systems treten häufig Schwingungen auf, die zum Ausfall des Ventils durch Federbruch führen. Nachteilig sind auch die mit dem Ventilverhalten verbundenen Geräuschentwicklungen.It is known to prevent with the help of a bypass or overflow valve over-compression of the type described. Known Überstömventile have spring-loaded locking pieces. They open when there is a thread groove at the level of the flow-through opening and close when the head of a threaded ridge is located at the height of the flow-through opening. Since screw vacuum pumps are operated at ever higher speeds, resulting from the constant opening and closing a high wear. In unfavorable design of the spring-mass system often occur vibrations that lead to failure of the valve by spring break. Also disadvantageous are the noise developments associated with the valve behavior.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenvakuumpumpe der eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Überströmventil die geschilderten Nachteile nicht mehr hat.The present invention has for its object to provide a screw vacuum pump of the type mentioned above, the overflow valve no longer has the disadvantages described.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst.According to the invention this object is achieved by the characterizing features of the claims.

Ist die Durchströmöffnung größer als die Breite des Zahnkopfes, wird erreicht, dass sie vom Kopf eines Gewindesteges nie vollständig verschlossen werden kann. In jeder der Drehwinkelphasen der Rotoren wirkt bei einem im Schöpfraum vorhandenen Überdruck eine Druckkraft auf das Verschlußstück des Ventils, so dass es seine Schließstellung nicht einnehmen kann. Wesentlich ist, dass es die Erfindung bei geeigneter Auslegung des dynamischen Kräftesystems erlaubt, das Verschlußstück in einem schwebenden Zustand zu halten. Diese Wirkung wird auch erreicht, wenn die Abmessung der Durchströmöffnung gleich oder gar etwas kleiner ist als die Breite des Zahnkopfes. Wesentlich ist, dass das Ventil infolge seiner Trägheit und wegen des Gaspolsters unter dem Ventil daran gehindert wird, vollständig zu schließen.If the flow opening is larger than the width of the tooth head, it is achieved that it can never be completely closed by the head of a threaded ridge. In each of the rotational angle phases of the rotors, a pressure force acting on the closure piece of the valve acts on the closure piece of the valve in the case of an overpressure present in the pumping chamber, so that it can not assume its closed position. It is essential that, with a suitable design of the dynamic force system, the invention allows the closure piece to be kept in a floating state. This effect is also achieved when the dimension of the flow opening is equal to or even slightly smaller than the width of the tooth head. What is essential is that the valve be prevented from closing completely due to its inertia and because of the gas cushion under the valve.

Der Verschleiß des Ventils ist im Vergleich zum Stand der Technik maßgeblich reduziert. Bei federbelasteten Ventilen ist die Wahrscheinlichkeit eines Federbruchs wesentlich kleiner. Besonders vorteilhaft ist es im Rahmen der Erfindung, dass auch gewichtsbelastete Ventile eingesetzt werden können.The wear of the valve is significantly reduced compared to the prior art. For spring-loaded valves, the likelihood of a spring break is much smaller. It is particularly advantageous in the context of the invention that also weight-loaded valves can be used.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass es bei einem Ventil mit der beschriebenen Zweckbestimmung nach dem Stand der Technik (b > d) nicht möglich ist, allein durch eine geeignete Auslegung des Feder-Masse-Systems einen ”schwebenden” Zustand des Verschlussstückes (q > 0) zu verwirklichen.The invention is based on the recognition that it is not possible in a valve with the described purpose of the prior art (b> d), solely by a suitable design of the spring-mass system, a "floating" state of the closure piece (q > 0).

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand von in den 1 bis 4 schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigenFurther advantages and details of the invention are intended to be based on in the 1 to 4 schematically illustrated embodiments will be explained. Show it

1a bis 1c eine Ausführung nach dem Stand der Technik, 1a to 1c an embodiment according to the prior art,

2 eine lageunabhängige Ausführung mit einer Schließkräfte erzeugenden Feder, 2 a position-independent design with a closing force generating spring,

3 und 4 gewichtsbelastete Ausführungen und 3 and 4 weighted versions and

5 ein Diagramm, das den schwebenden Zustand des Verschlussstückes eines erfindungsgemäßen Ventils erkennen lässt. 5 a diagram showing the floating state of the closure piece of a valve according to the invention.

In den Figuren sind die Wandung des Schöpfraumgehäuses mit 1, eine Durchtrittsöffnung (zylindrisch) mit 2, ihr Durchmesser mit d und das außerhalb des Schöpfraumgehäuses 1 befindliche Verschlussstück des Ventiles mit 3 bezeichnet. Ein Ventilsitz ist nur in 4 dargestellt. Bei den nur schematisch dargestellten Ausführungen nach den 1 bis 3 soll die Außenseite der Schöpfraumwandung diese Funktion haben.In the figures, the wall of the pump chamber housing with 1 , a passage opening (cylindrical) with 2 , its diameter with d and that outside the pump chamber housing 1 located closure piece of the valve with 3 designated. A valve seat is only in 4 shown. In the embodiments shown only schematically after the 1 to 3 the outside of the pump chamber wall should have this function.

Auf das z. B. tellerförmige Verschlussstück 3 wird eine in Schließrichtung wirkende Kraft ausgeübt. Bei den lageunabhängigen Ausführungen nach den 1 und 2 geschieht das mit Hilfe einer Feder 4. Bei den Ausführungen nach den 3 und 4 führt das Verschlussstück 3 eine im wesentlichen vertikal gerichtete Bewegung aus. Das Gewicht des Verschlussstückes 3 erzeugt eine in Schließrichtung wirkende Kraft. Im Schöpfraumgehäuse rotieren zwei Rotoren, von denen jeweils der Zahnkopf 5 eines Gewindesteges mit der Breite b dargestellt ist. Die Lage der Rotationsachse ist jeweils durch die strichpunktierte Linie 6 angedeutet.On the z. B. plate-shaped closure piece 3 a force acting in the closing direction is exerted. In the position independent versions after the 1 and 2 This is done with the help of a spring 4 , In the versions after the 3 and 4 leads the stopper 3 a substantially vertically directed movement. The weight of the closure piece 3 generates a force acting in the closing direction. Two rotors rotate in the pump chamber housing, of which each one has the tooth tip 5 a threaded ridge is shown with the width b. The position of the axis of rotation is indicated by the dot-dash line 6 indicated.

1a der Ausführung nach dem Stand der Technik zeigt den Zahnkopf 5 des Gewindesteges des Rotors in einer die Öffnung 2 vollständig freigebenden Stellung. Ein – nicht erwünschter – Überdruck im Schöpfraumgehäuse bewirkt, dass das Verschlussstück 3 von seinem Sitz abhebt und entgegen der von der Feder 4 ausgeübten Schließkraft um den Betrag q öffnet. Den Überdruck im Schöpfraum bewirkende Gase strömen aus, so dass eine Druckentlastung stattfindet. 1a The prior art embodiment shows the tooth tip 5 of the threaded ridge of the rotor in one the opening 2 fully releasing position. An - undesirable - overpressure in the pump chamber housing causes the closure piece 3 takes off from his seat and against the spring 4 exerted closing force by the amount q opens. The overpressure in the pump chamber causing gases flow out, so that a pressure relief takes place.

Die Drehbewegung des Rotors bewirkt, dass der Zahnkopf 5 die Öffnung 2 überstreicht. In 1b ist sie etwa zur Hälfte geöffnet. Das Verschlussstück 3 hat bereits seine Schließbewegung begonnen. In 1c hat der Zahnkopf 5 die Öffnung 2 vollständig verschlossen. Das Verschlussstück 3 hat seine Schließstellung eingenommen. Bei modernen Schraubenvakuumpumpen mit Rotor-Drehzahlen von 3000 bis 12000 1/min wechselt das Entlastungsventil entsprechend oft zwischen Offen- und Schließstellung. Bei eingängigen Profilen öffnet das Ventil 1 mal pro Umdrehung, bei zweigängigen Profilen 2 mal pro Umdrehung der Rotoren.The rotational movement of the rotor causes the tooth head 5 the opening 2 sweeps. In 1b it is about halfway open. The closure piece 3 has already begun its closing movement. In 1c has the tooth head 5 the opening 2 completely closed. The closure piece 3 has taken its closed position. In modern screw vacuum pumps with rotor speeds from 3000 to 12000 1 / min, the relief valve changes between open and closed position accordingly. For single-entry profiles, the valve opens 1 times per revolution, with two-speed profiles 2 times per revolution of the rotors.

Bei den erfindungsgemäßen Ausführungen nach den 2, 3 und 4 ist die Größe der Öffnung 2 so gewählt, dass sie vom Zahnkopf 5 nie vollständig verschlossen werden kann. Ist die Öffnung 2 zylindrisch, dann muss ihr Durchmesser d größer sein als die Breite b des Zahnkopfes 5. Wesentlich ist, dass die axiale Abmessung der Öffnung 2 größer ist als die Zahnkopfbreite b.In the embodiments according to the invention after the 2 . 3 and 4 is the size of the opening 2 chosen so that they are from the tooth head 5 never be completely closed. Is the opening 2 cylindrical, then their diameter d must be greater than the width b of the tooth head 5 , It is essential that the axial dimension of the opening 2 is greater than the tooth head width b.

In den 2 bis 4 befindet sich der Zahnkopf 5 jeweils unmittelbar vor der Durchtrittsöffnung 2. Wegen der erfindungsgemäßen Abmessungen können auch in dieser Stellung des Zahnkopfes 5 unter Überdruck stehende Schöpfraumgase das Verschlussstück in einer Offenstellung halten und ausströmen. Der Abstand des Verschlussstückes 3 von seinem Sitz unterschreitet einen minimalen Abstand q/min nicht. In allen weiteren Drehwinkel-Phasen des Rotors gibt der Zahnkopf 5 größere Bereiche der Öffnung 2 frei, so dass das Verschlussstück 3 ständig in einem schwebenden Zustand gehalten werden kann, und zwar so lange, bis ein im Schöpfraum abzubauender Überdruck nicht mehr vorhanden ist. Das Diagramm nach 5 zeigt die Abhängigkeit des Abstandes q (Ordinate) vom Rotor-Drehwinkel α (Abzisse). Der Wert qmin wird nicht unterschritten, solange ein Überdruck im Schöpfraum herrscht.In the 2 to 4 is the tooth head 5 respectively immediately before the passage opening 2 , Because of the dimensions of the invention can also in this position of the tooth head 5 Under pressure overflow chamber gases hold the plug in an open position and flow out. The distance of the closure piece 3 from its seat does not fall below a minimum distance q / min. In all other rotational angle phases of the rotor gives the tooth head 5 larger areas of the opening 2 free, leaving the stopper 3 can be kept constantly in a floating state, and that until a pressure to be degraded in the pump chamber is no longer present. The diagram after 5 shows the dependence of the distance q (ordinate) on the rotor rotation angle α (abscissa). The value qmin is not undershot, as long as there is an overpressure in the pump chamber.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass die Erfindung bei federbelasteten (2) und gewichtsbelasteten Ventilen (3, 4) verwirklicht werden kann. Beim Ventil nach 3 steht das tellerförmige Verschlussstück 3 mit einem in einer vertikalen Bohrung 7 geführten Schaft 8 in Verbindung. Das Verschlussstück 3 der Ausführung nach 4 ist eine Kugel, die im Gehäuse 9 geführt ist. Der Sitz der Kugel ist der die Öffnung 2 umgebende Rand einer Dichtung 10.A particular advantage is that the invention in spring-loaded ( 2 ) and weight-loaded valves ( 3 . 4 ) can be realized. At the valve after 3 stands the plate-shaped stopper 3 with one in a vertical hole 7 guided shaft 8th in connection. The closure piece 3 according to the execution 4 is a ball in the case 9 is guided. The seat of the ball is the opening 2 surrounding edge of a seal 10 ,

Auf die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Überströmventile kann u. a. durch die Wahl geeigneter Werkstoffe Einfluss genommen werden. Durch verschiedene Werkstoff-Kombinationen können die Öffnungs- und Schließeigenschaften mittels Gewicht, Strömungswiderstand des Tellers und Reibung in der Schaftführung so ausgelegt werden, dass das Ventil erfindungsgemäß nicht ganz schließt.On the properties of the overflow valves according to the invention u. a. be influenced by the choice of suitable materials. By different material combinations, the opening and closing properties can be designed by means of weight, flow resistance of the plate and friction in the shaft guide so that the valve does not close completely according to the invention.

Beispiele:Examples:

  • – Stahl-Ventilteller, Elastomer-Ventilsitz- Steel valve disc, elastomer valve seat
  • – Elastomer-Teller bzw. elastomerbeschichteter Teller, Metall-Ventilsitz- Elastomer plate or elastomer coated plate, metal valve seat

Für die Ausführung nach 3 gilt zusätzlich:

  • – Metall-Ventilschaft und kunststoffbeschichtete Stahl-/Aluminium-Führungsbohrung oder Gleitmetall-Führungsbohrung
  • – kunststoffbeschichteter Ventilschaft und Stahl-/Aluminium-Führungsbohrung
For the execution after 3 additionally applies:
  • - Metal valve stem and plastic coated steel / aluminum pilot hole or sliding metal pilot hole
  • - Plastic coated valve stem and steel / aluminum pilot hole

Zweckmäßige Werkstoff-Kombinationen bei der Ausführung nach 4 sind:

  • – Kugel aus Stahl oder Keramik, Elastomer-Ventilsitz, Kunststoff-Führung alternativ kunststoffbeschichtete Stahl-Führung oder Gleitmetall-Führung.
  • – Kunststoff-Kugel (z. B. aus PFPE-Compound), Elastomer-Ventilsitz, Metall-Führung
  • – Elastomer-Kugel, Metall-Ventilsitz, Metall-Führung.
Appropriate material combinations in the execution after 4 are:
  • - Ball made of steel or ceramic, elastomeric valve seat, plastic guide alternatively plastic-coated steel guide or sliding metal guide.
  • - Plastic ball (eg made of PFPE compound), elastomer valve seat, metal guide
  • - Elastomer ball, metal valve seat, metal guide.

Claims (6)

Schraubenvakuumpumpe mit einem Schöpfraumgehäuse (1), in dem sich zwei Rotoren mit äußeren Schraubengängen befinden, und mit einem unerwünschte Überdrucke im Schöpfraum verhindernden Bypass-Ventil, das eine Durchtrittsöffnung (2) in der Gehäusewandung (1) und ein der Druchtrittsöffnung außerhalb des Schöpfraumes zugeordnetes Verschlußstück (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (2) so bemessen ist, dass das Verschlussstück (3) des Ventils den Ventilsitz während des Beginns einer Evakuierungsphase nicht berührt.Screw vacuum pump with a pump chamber ( 1 ), in which there are two rotors with external screw threads, and with an undesirable overpressures in the pump chamber preventing by-pass valve, which has a passage opening ( 2 ) in the housing wall ( 1 ) and one of the Druchtrittsöffnung outside the pump chamber associated closure piece ( 3 ), characterized in that the passage opening ( 2 ) is dimensioned so that the closure piece ( 3 ) of the valve does not touch the valve seat during the beginning of an evacuation phase. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessung der Durchtrittsöffnung (2) zumindest auf ihrer schöpfraumnahen Seite in axialer Richtung etwa gleich, vorzugsweise größer ist als die Breite (b) des Zahnkopfes (5) des/der die Durchtrittsöffnung (2) überstreichenden Schraubenganges/-gänge. Pump according to claim 1, characterized in that the dimension of the passage opening ( 2 ) is at least on its close to the scooping space in the axial direction about the same, preferably greater than the width (b) of the tooth tip ( 5 ) of the passage (s) ( 2 ) sweeping threads / -gang. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchtrittsöffnung (2) zylindrisch ausgebildet ist und dass ihr Durchmesser (d) größer als die Breite (b) der sie überstreichenden Zahnköpfe (5) ist.Pump according to claim 1 or 2, characterized in that the passage opening ( 2 ) is cylindrical and that its diameter (d) is greater than the width (b) of the tooth tips passing over it ( 5 ). Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-Ventil als Feder-Ventil ausgebildet ist.Pump according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the bypass valve is designed as a spring valve. Pumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bypass-Ventil als gewichtsbelastetes Ventil ausgebildet ist.Pump according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the bypass valve is designed as a weight-loaded valve. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Oberflächen der beiden Partner Verschlussstück (3)/Ventilsitz aus hartem Werkstoff (Stahl, Keramik) und die Oberfläche des anderen Partners aus einem Kunststoff oder Elastomer bestehen.Pump according to one of the preceding claims, characterized in that one of the surfaces of the two partners is a closure piece ( 3 ) / Valve seat made of hard material (steel, ceramic) and the surface of the other partner made of a plastic or elastomer.
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