DE10129340A1

DE10129340A1 - Trockenverdichtende Spindelpumpe

Info

Publication number: DE10129340A1
Application number: DE2001129340
Authority: DE
Inventors: Ralf Steffens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-19
Filing date: 2001-06-19
Publication date: 2003-01-02
Also published as: WO2002103204A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine trockenverdichtende Spindelpumpe als Zweiwellenverdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von Gasen mit einem parallel angeordneten Spindelrotorpaar in einem Schöpfraum. Um eine einfachere und preiswertere Bauweise zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass das Spindelrotorpaar aus einem Werkstoff besteht, der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material für das dieses Spindelrotorpaar direkt umfassende Pumpengehäuse, wobei dieses Pumpengehäuse derart auszuführen ist, dass seine thermische Trägheit an die thermische Trägheit des Spindelrotorpaares angepaßt wird, indem die Wärmeabgabe für dieses Pumpengehäuse zeitlich verzögert und eingeschränkt erfolgt. Dazu wird entweder die Wärmeabgabe für dieses Pumpengehäuses über den Kühlluftstrom durch geeignete Längs- und Querverrippung und/oder Blechverkleidung bzw. Abschirmung eingeschränkt, oder über die Festlegung und Verteilung der Masse für das Pumpengehäuse wird dessen thermisches Verhalten eingestellt. Außerdem kann über einen äußeren Gehäusemantel mit einer Flüssigkeitszwischenfüllung die thermische Trägheit des Pumpengehäuses erhöht werden.

Description

Stand der Technik

Trockenverdichtende Pumpen gewinnen insbesondere in der Vakuumtechnik verstärkt an Bedeutung, denn durch zunehmende Verpflichtungen bei Umweltschutzvorschriften und steigende Betriebs- und Entsorgungskosten sowie erhöhte Anforderungen an die Reinheit des Fördermediums werden die bekannten naßlaufenden Vakuumsysteme, wie Flüssigkeitsringmaschinen und Drehschieberpumpen, immer häufiger durch trockenverdichtende Pumpen ersetzt. Zu diesen trockenverdichtenden Maschinen gehören Schraubenspindelpumpen, Klauenpumpen, Membranpumpen, Kolbenpumpen, Scroll-Maschinen sowie Wälzkolbenpumpen. Diesen Maschinen ist jedoch gemeinsam, dass sie die heutigen Ansprüche hinsichtlich Zuverlässigkeit und Robustheit sowie Baugröße und Gewicht bei gleichzeitig niedrigem Preisniveau immer noch nicht erreichen. Dies betrifft insbesondere den sehr stückzahlintensiven Saugvermögensbereich zwischen 40 und 160 m³/h, der zur Zeit noch eindeutig von den genannten naßlaufenden Vakuumpumpen der Flüssigkeitsringmaschinen und der ölgeschmierten Drehschieberpumpen beherrscht wird.
Trockenverdichtende Vakuumpumpen haben gegenüber diesen naßlaufenden Maschinen jedoch den prinzipiellen Vorteil in ihrer Rotordrehzahl nicht so stark eingeschränkt zu sein, wie die Verdrängermaschinen mit einer Betriebsflüssigkeit im Arbeitsraum. Damit kann neben einer Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades vorrangig eine deutliche Reduzierung der Kosten der Maschine erreicht werden. Bei Erhöhung der Drehzahl eines Trockenläufers steigt allerdings die Energiedichte der Maschine entsprechend deutlich an: Es wird damit also mehr Leistung bezogen auf das jeweilige Maschinengewicht umgesetzt. Dies ist insbesondere bei Vakuumpumpen schwierig, weil das Druckverhältnis als einfacher Quotient zwischen Einlaß- und Auslaßdruck vakuumspezifisch extrem hoch liegt, so dass physikalisch zwingend die Temperaturwerte sehr stark ansteigen. Gleichzeitig wird mit dem bei geringeren Einlaßdrücken auch unweigerlich abnehmenden Massenstrom des Fördermediums die über das Fördermedium abführbare Wärmemenge ebenfalls reduziert. Daher muß zwingend verhindert werden, dass die Maschine aus thermischen Gründen funktionskritisch wird: Durch die vorwiegend aus Kostengründen erhöhte Leistungsumsetzung im Arbeitsraum muß die Wärmebilanz für die relevanten Bauteile stets in Balance gehalten werden, weil andernfalls die Gefahr des Berührens/Anlaufens zwischen den Rotoren und dem Pumpengehäuse besteht, was zu einem Ausfall der gesamten Maschine führt.

In der Offenlegungsschrift DE 198 00 825 A1 wird ein Ansatz für eine Trockenverdichtende Schraubenspindelpumpe beschrieben, indem die rotorseitig aufgenommene Wärmemenge aus der Verdichtungsleistung mittels einer konisch hohlen Ausführung beider Rotorspindeln über einen permanenten Kühlmittelstrom abgeführt wird. Für die gewünschte Erhöhung der Energiedichte löst diese Erfindung zwar das thermische Problem eines Trockenläufers, gleichzeitig ist jedoch der gesamte Aufwand zur Umsetzung dieser Erfindung relativ hoch und insbesondere für kleinere Verdrängermaschinen mit geringeren Achsabstandswerten wird die technische Realisierbarkeit zunehmend schwieriger.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache und robuste sowie besonders preiswerte und kompakte trockenverdichtende Spindelpumpe zu erstellen, so dass durch das trockenverdichtende Verdrängerarbeitsprinzip bei der Vakuumerzeugung gegenüber dem Stand der Technik ein deutlicher Fortschritt erreicht wird.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Spindelrotorpaar aus einem Werkstoff besteht, der einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das Material für das dieses Spindelrotorpaar direkt umfassende Pumpengehäuse, wobei des weiteren dieses Pumpengehäuse erfindungsgemäß derart ausgeführt wird, dass seine thermische Trägheit erhöht wird, indem die Wärmeabgabe für das Pumpengehäuse zeitlich verzögert und eingeschränkt erfolgt. Der Unterschied der beiden Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den Werkstoffen für Rotorpaar und Pumpengehäuse ist dabei direkt abhängig von dem Grad dieser eingeschränkten Wärmeabgabe für das Pumpengehäuse.

Diese Einschränkung der Wärmeabgabe für das Pumpengehäuse kann beispielsweise durch eine einfache Veränderung der Gestaltung der äußeren Gehäuseverrippung erfolgen, so dass der äußere Kühlluftstrom weniger Wärme abführt, sowie durch Umhüllung des direkt das Rotorpaar umfassenden Pumpengehäuses mit einem äußeren Gehäusemantel, beispielsweise durch eine einfache Blechverkleidung als direkte Abschirmung der äußeren Wärmeabführung. Diese zumindest teilweise Abdeckung der Außenoberfläche mittels einer Blechverkleidung oder durch eine Abschirmung der direkten Kühlluftströmung über die angrenzenden Lagerdeckel mittels überstehender Außenkonturen paßt das thermische Verhalten des direkt das Spindelrotorpaar umfassenden Pumpengehäuses an das thermische Verhalten des Spindelrotorpaares an. Dies ist insbesondere bei raschen Zustandsänderungen im Pumpenbetrieb unabdingbar, wenn nach längerem stationären Betrieb schlagartig ein völlig andere Betriebspunkt für die Spindelpumpe angefahren wird. Bei ungünstiger Ausführung kann es zur Spielaufzehrung zwischen Pumpengehäuse und Spindelrotorpaar kommen, was praktisch einem Ausfall der gesamten Maschine entspricht.

Zu dieser notwendigen Angleichung des thermischen Verhaltens zwischen dem direkten Pumpengehäuse und dem Rotorpaar kann des weiteren zwischen dem direkt das Spindelrotorpaar umfassenden Pumpengehäuse und dem äußeren Gehäusemantel eine Flüssigkeitszwischenfüllung vorgesehen werden, so dass die thermische Trägheit des direkten Pumpengehäuses an die thermische Trägheit des Spindelrotorpaares angeglichen wird. Vorteilhafterweise kann diese Flüssigkeitsfüllung gleichzeitig als Ölvorrat zur Schmierung der angrenzenden Rotorlagerung und Verzahnung genutzt werden. Günstigerweise kann außerdem das Pumpengehäuse und das Mantelgehäuse als einfaches Strangpressprofil ausgeführt werden, um die Herstellkosten deutlich senken zu können.

Des weiteren kann die thermische Trägheit des direkten Pumpengehäuses durch eine hinreichend hohe Masse des Pumpengehäuses, beziehungsweise durch folgerichtige Massenverteilung innerhalb des Pumpengehäuses, in dem beschriebenen Sinne gezielt beeinflußt werden.

Eine beispielhafte Ausführungsform sieht vorzugsweise vor, dass das Spindelrotorpaar aus einem einfachen Stahl-Werkstoff hergestellt wird, wohingegen das dieses Spindelrotorpaar direkt umfassende Pumpengehäuse aus einer Aluminium-Legierung besteht.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Spindelpumpe nach der Erfindung mit einem Spindelrotorpaar (1, 2) und einem Schöpfraum (3). Stirnseitig abgeschlossen wird der Pumpenarbeitsteil auf der einen Seite durch den Lagerdeckel (4) mit Rotorlagerung (5) an den Rotorwellenenden und mit Schöpfraumwellenabdichtung (6, vereinfacht dargestellt). Auf der anderen Stirnseite wird der Pumpenarbeitsteil abgeschlossen durch das Antriebsgehäuse (7) ebenfalls mit Rotorlagerung (5) an den Rotorwellenenden sowie mit Schöpfraumwellenabdichtung (6) sowie einer einfachen Stirnradverzahnung (8) zur notwendigen Synchronisation zwecks berührungsfreier Abwälzung der beiden Spindelrotore (1, 2). (= bekannter Stand der Technik)
Das die Spindelrotore (1, 2) direkt umfassende Pumpengehäuse (9) ist erfindungsgemäß aus einem Material mit einem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der Werkstoff für das Spindelrotorpaar (1, 2). Zur erfindungsgemäßen Erhöhung der thermischen Trägheit für das Pumpengehäuse (9) sind beispielhaft in der Fig. 1 zusätzlich zur wärmeabgebenden Längsverrippung (10) in dem üblicherweise in Längsachsrichtung orientierten Kühlluftstrom noch Querverrippungen (11) vorgesehen, die eine zu schnelle Wärmeabgabe für das direkte Pumpengehäuse (9) hinreichend unterdrücken. Des weiteren wird mit der Abschirmung (12) für den genannten Kühlluftstrom die thermische Trägheit des Pumpengehäuses (9) ebenfalls der thermischen Trägheit der Spindelrotore (1, 2) angeglichen.
In der Fig. 2 sind weitere Maßnahmen zur Angleichung der thermischen Trägheit zwischen dem direkten Pumpengehäuse (9) und den Spindelrotoren (1, 2) beispielhaft dargestellt: Das Pumpengehäuse (9) wird von einem äußeren Gehäusemantel (14) umfaßt, wobei der Zwischenraum zwischen beiden Gehäusen mit einer Zwischenfluidfüllung (13) aufzufüllen ist. Die Wärmeabgabe für den Gehäusemantel (14) erfolgt vorzugsweise über eine Längsverrippung (15), die optimal zum Kühlluftstrom ausgeführt wird. Bezugszeichenliste 1/2 Spindelrotorpaar (rechts-/linkssteigend)
3 Schöpfraum
4 Lagerdeckel
5 Rotorlagerung
6 Schöpfraumwellenabdichtung (vereinfachte Darstellung)
7 Antriebsgehäuse
8 Stirnradverzahnung zur Rotorpaar-Synchronisation
9 Pumpengehäuse (direkt das Rotorpaar umfassend)
10 Längsverrippung für das Pumpengehäuse
11 Querverrippung für das Pumpengehäuse
12 Abschirmung der Kühlluftströmung
13 Zwischenfluidfüllung
14 Gehäusemantel
15 Längsverrippung für den Gehäusemantel

Claims

1. Trockenverdichtende Spindelpumpe als 2-Wellenverdrängermaschine zur Förderung und Verdichtung von Gasen mit einem parallel angeordneten Spindelrotorpaar (1, 2) in einem Schöpfraum (3) dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff für das Spindelrotorpaar (1, 2) einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als der Werkstoff für das dieses Spindelrotorpaar direkt umfassende Pumpengehäuse (9) und dass die thermische Trägheit für dieses Pumpengehäuse an die thermische Trägheit des Spindelrotorpaares angepaßt wird, indem die Wärmeabgabe für das Pumpengehäuse (9) zeitlich verzögert und eingeschränkt erfolgt.

2. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spindelrotorpaar (1, 2) aus einem einfachen Stahl-Werkstoff hergestellt wird, wohingegen das dieses Spindelrotorpaar direkt umfassende Pumpengehäuse (9) aus einer Aluminium-Legierung besteht.

3. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Wärmeabgabe für das Pumpengehäuse (9) über Längsrippen (10) und Querrippen (11) erfolgt.

4. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (9) mit einem äußeren Gehäusemantel (14) zumindest teilweise umhüllt wird.

5. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Gehäusemantel (14) als Blechverkleidung ausgeführt ist.

6. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlluftstrom für das Pumpengehäuse (9) durch eine Abschirmung (12) reduziert wird.

7. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Pumpengehäuse (9) und dem äußeren Gehäusemantel (14) eine Flüssigkeitszwischenfüllung (13) vorgesehen ist.

8. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitszwischenfüllung (13) als Ölvorrat für die Spindelpumpe dient.

9. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (9) und/oder der Gehäusemantel (14) als Strangpressprofil ausgeführt sind.

10. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (9) eine hinreichend hohe Masse erhält.

11. Trockenverdichtende Spindelpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (9) eine folgerichtige Massenverteilung erhält.