Stand der Technik
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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. Zur Zeit wird der Markt noch eindeutig
von den genannten naßlaufenden Vakuumpumpen der Flüssigkeitsringmaschinen und der
ölgeschmierten Drehschieberpumpen beherrscht.
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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. Gleichzeitig ist eine Verminderung
der erforderlichen Antriebsleistung erstrebenswert, was bei den trockenverdichtenden
Spindelpumpen als 2-Wellenverdrängermaschinen bekanntermaßen durch eine innere
Verdichtung realisiert wird. Dabei wird das einlaßseitig eingeschlossene
Arbeitskammervolumen während des Transportes längs der Rotorachse in Richtung Fördermediumauslaß
um einen gewissen Faktor verringert, beispielsweise durch eine Reduzierung der
Rotorspindelsteigung und/oder der Profilzahnhöhe. Je höher das Verhältnis von einlaß- zu
auslaßseitigem Arbeitskammervolumen ist, desto geringer ist die Leistungsaufnahme im
thermisch besonders kritischen Enddruckbetrieb, also bei der sogenannten "Nullförderung",
wenn es keinen Massenstrom des Fördermedium gibt, aber die volle Druckdifferenz anliegt.
Allerdings ergibt ein sehr hohes inneres Verdichtungsverhältnis (etwa ab Faktor 2 bis 3)
eine kritische Überverdichtung für höhere Ansaugdrücke, weil weiterhin das
Arbeitskammervolumen geometrisch längs der Rotorachse reduziert wird, so dass dann in Richtung
Gasaustritt Arbeitskammerdrücke deutlich oberhalb Atmosphärendruck abhängig von der Höhe
der inneren Verdichtung entstehen. Damit steigen sowohl die Leistungsaufnahme als auch
die Lagerbelastung und das Geräuschniveau unzumutbar an. Als bekannte Abhilfe werden
Bypass-Ventile vorgesehen, die bei höheren Drücken längs der Rotorachse automatisch,
beispielsweise über federbelastete Ventilkugeln, öffnen und dadurch den Überdruck in
Auslaßrichtung ablassen. Allerdings haben die Bypass-Ventile bei Trockenläufern häufig
Probleme mit Verkleben und Materialablagerung, so dass die Funktion beeinträchtigt wird.
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Des weiteren ist bei den bekannten trockenverdichtenden Spindelpumpen die
Leistungsumsetzung längs der Rotorachse so ungünstig verteilt, dass der größte Teil der
Verdichtungsleistung erst im letzten ausgangsseitigen Rotorendbereich umgesetzt wird, so dass
dort entsprechend hohe Temperaturen bei der Verdichtung auftreten.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfache und
robuste sowie besonders preiswerte Lösung für eine Trockenverdichtende Spindelpumpe
zu finden, die einerseits auf Bypass-Ventile verzichtet und andererseits dennoch ein hohes
inneres Verdichtungsverhältnis ermöglicht bei gleichzeitig günstigerer Verteilung der
Verdichterleistung längs der Rotorachse.
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Grundlage der folgenden Erfindung ist die Deutsche Patentanmeldung 101 02 341.3 mit
einem durch das Bearbeitungswerkzeug bestimmten Profilkonturverlauf für das Rotorpaar
einer Schraubenspindelpumpe.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Profilkonturverlauf für das
Spindelrotorpaar im Stirnschnitt längs der Rotorachse derart verändert wird, dass die
Profilkontur in Rotorlängsrichtung zur Auslaßseite hin mit zunehmend größeren
Flankenlückenöffnungen als partielle Flankenrücknahmen bei der Profilkonturabwälzung des Rotorpaares
im Sinne der Gasrückströmung ausgeführt wird. Dazu wird vorzugsweise in dem oberhalb
des Wälzkreises liegenden Kopfprofilbereich die tatsächlich gefertigte Flankenkontur
gegenüber dem gemäß Verzahnungsgesetz bestimmten theoretischen SOLL-Profilverlauf
im jeweiligen Stirnschnitt so zurückgenommen, dass über diese partielle Flankenrücknahme
in Rotorlängsachsrichtung zum Auslaß hin eine zunehmende Lückenbildung zwischen den
abwälzenden Profilflanken des Rotorspindelpaares im Stirnschnitt entsteht. Damit ergeben
sich unterschiedliche Stirnschnittverläufe längs der Rotorachse. Vorteilhafterweise läßt sich
diese gezielte Flankenrücknahme mit sehr geringem Aufwand durch den in der Deutschen
Patentanmeldung 101 02 341.3 beschriebenen Ansatz der werkzeugbestimmten
Profilkontur sehr einfach erreichen.
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Grundsätzlich wird die Rotorprofilabwälzung im Stirnschnitt über das Verzahnungsgesetz
beurteilt. Ausgehend vom Wälzkreis unterscheidet man zwischen einem Fußprofilbereich
unterhalb des Wälzkreises und einem Kopfprofilbereich oberhalb des Wälzkreises. Im
Stirnschnitt unterliegen dem Verzahnungsgesetz jeweils der Fußbereich des einen Spindelrotors
dem Kopfbereich des Gegenrotors und umgekehrt. Gegenüber dem bisherigen Stand der
Technik wird jedoch diese Profilkontur im Stirnschnitt über die gesamte Rotorlängsachse
nicht konstant beibehalten, sondern in Achsrichtung zum Auslaß hin wird das Flankenprofil
vorzugsweise im Kopfprofilbereich zunehmend mehr zurückgenommen, so daß über die
Gasrückströmung zwischen den einzelnen Arbeitskammern ein Druckabbau erfolgen kann.
Damit wird eine gewisse innere Bypass-Funktion erzeugt, so dass die bekannten äußeren
Bypass-Ventile entfallen können. Der Betrag der inneren Verdichtung kann hingegen im
Sinne der gewünschten Leistungseinsparung erhöht werden. Des weiteren vereinfacht sich
durch den Wegfall der Bypass-Ventile das Pumpengehäuse derartig, dass die Herstellung
der Pumpengehäuse problemlos auf einfaches Strangpressprofil umgestellt werden kann.
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Des weiteren wird durch diese erhöhte innere Leckage gleichzeitig die Verdichterleistung
längs der Spindelrotorachse im gewünschten Sinne besser verteilt, indem nicht mehr nur
am auslaßseitigen Rotorende der wesentliche Teil der Verdichterleistung umgesetzt wird,
sondern die Verdichterleistung über einen längeren Rotorbereich besser verteilt wird, so
dass die Wärmeabführung günstiger wird und die bekannten extremen Temperaturspitzen
besser vermieden werden können. Zur Gewährleistung des gewünschten
Kompressionsvermögens der Spindelpumpe wird die erhöhte innere Leckage durch eine höhere
Stufenzahl ausgeglichen. Damit steigt die Anzahl der abgeschlossenen Arbeitskammern zwischen
Ein- und Auslaß der Spindelpumpe, außerdem erhöht sich in der Regel die Rotorlänge.
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Im folgenden Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 ein Spindelrotor (1) dargestellt, der in der
eigentlichen Spindelpumpe gegenläufig mit einem Gegenspindelrotor abwälzt, dessen
Steigung genau invers orientiert ist, ansonsten aber aus Gründen der einfachen Herstellung
genau die gleichen Abmessungen und Profilflanken hat (= bekannter Stand der Technik).
Der Spindelrotor (1) hat die Länge l, den Außendurchmesser ∅D und die Profilzahntiefe h.
Einlaßseitig hat der Rotor die Spindelsteigung mEIN und auslaßseitig die Steigung mAUS mit
den jeweiligen Steigungswinkeln βEIN/AUS und einem Zwischenbereich, in dem die Steigung
mEIN auf die Steigung mAUS reduziert wird (= bekannter Stand der Technik).
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Das rotorfeste Koordinatensystem definiert in der x-y-Ebene den Stirnschnitt, wohingegen
die z-Achse längs der Rotorachse verläuft, wobei bei z = 0 die einlaßseitige Rotorstirnseite
und bei z = l die auslaßseitige Rotorstirnseite eindeutig definiert sind. In Anlehnung an die
Deutsche Patentanmeldung 101 02 341.3 ist beispielhaft das Werkzeug WZ zur Fertigung
der Profilflanken dargestellt, mit dem die erfindungsgemäße Profilgestaltung im Stirnschnitt
gemäß Fig. 2 besonders günstig umgesetzt werden kann.
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In der Fig. 2 sind beispielhaft verschiedene Stirnschnitte für einzelne z-Positionen
dargestellt, wobei vereinfachend jeweils lediglich eine einzelne Profilflankenseite dargestellt ist.
Durch einfache symmetrische Spiegelung wird entsprechend der Zähnezahl der komplette
Stirnschnitt erzeugt. In dieser Fig. 2 wird die Erfindung ganz anschaulich, indem die Profilstirnschnittflanken
der verschiedenen z-Positionen alle derart gedreht sind, dass sie in
dieser Darstellung alle gemeinsam durch den Profilpunkt C auf dem Wälzkreis (3) gehen.
Die Fußprofilflanke (5) verläuft zwischen dem Profilpunkt A auf dem Fußkreis (2) und dem
Punkt C auf dem Wälzkreis (3), wohingegen die zugehörige Kopfprofilkontur (6) zwischen
dem Punkt C und dem Profilpunkt E auf dem Kopfkreis (4) mit Durchmesser ∅D verläuft.
Beispielhaft ist die Erfindung für die Abwandlung am Kopfprofilvelauf dargestellt.
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Auf der Rotorspindeleingangsseite bei z = 0 entspricht der Stirnschnitt der Profilflanke
über Fußkontur (5) und Kopfprofil (6) noch exakt dem Verlauf gemäß Verzahnungsgesetz,
es gibt also noch keine Flankenrücknahme, so dass die Kopfprofilflanke des einen
Spindelrotors genau mit dem Fußverlauf des Gegenrotors gemäß Verzahnungsgesetz abwälzt.
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Für den folgenden Stirnschnitt bei z = z1 wird für den Kopfprofilverlauf (7) zwischen den
Profilpunkten C und E1 erfindungsgemäß schon deutlich die Flankenrücknahme erkennbar,
die mit im nächsten Stirnschnitt bei z = z2 für den Kopfprofilverlauf (8) zwischen den
Profilpunkten C und E2 bereits deutlich erhöht ist, um bei der geringsten Spindelsteigung mAUS im
letzten Stirnschnitt bei z = l für den Kopfprofilverlauf (9) zwischen den Punkten C und El
den maximalen Wert erreicht zu haben.
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Diese Rücknahme der Kopfprofilflanke kann beispielsweise im Stirnschnitt über den
Zentriwinkel γ beschrieben und erfasst werden. Diese Rücknahme der Profitflanke abhängig von
der z-Position im Stirnschnitt über den Wert für den Zentriwinkel γ umfasst in der x-y-Ebene
mehrere Winkelgrad und liegt vorzugsweise in einem Winkelbereich zwischen 5° und 25°.
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Selbstverständlich kann die Flankenrücknahme auch auf den Fußprofilbereich angesetzt
werden: separat oder kombiniert mit dem Kopfprofilbereich. Erfindungsgemäß entscheidend
ist jedoch in jedem Fall, dass diese Form der Flankenrücknahme in Abhängigkeit von der
z-Position mit abnehmender Spindelsteigung längs der Spindelrotorachse zunimmt. Damit
wird einerseits die Bypass-Funktion gezielt in das Spindelprofil verlagert, so dass höhere
Werte für das innere Verdichtungsverhältnis realisiert werden können, und gleichzeitig eine
neuartige Leistungsverteilung längs der Spindelrotorachse erreicht, indem nicht mehr wie
bisher einseitig am Rotorende der größte Teil der Verdichtungsleistung umgesetzt wird.
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Die Herstellung dieser erfindungsgemäßen Profilkontur erfolgt vorzugsweise entsprechend
der Deutschen Patentanmeldung 101 02 341.3 mit einem besonders einfachen Werkzeug
zur Profilbearbeitung.
Bezugszeichenliste
1 Spindelrotor mit
unterschiedlicher Steigung von mEIN auf mAUS abfallend
Rotorlänge l
Außendurchmesser ∅D
Profilzahntiefe h
2 Fußkreis des Spindelrotors
3 Wälzkreis des Spindelrotorpaares
4 Kopfkreis des Spindelrotors
5 Fußprofilflanke von Profilpunkt A bis Profilpunkt C
6 Kopfprofilflanke bei z = 0 ohne Flankenrücknahme gemäß Verzahnungsgesetz
von Profilpunkt C bis Profilpunkt E
7 Kopfprofilflanke bei z = z1 mit geringer Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis
Profilpunkt E1
8 Kopfprofilflanke bei z = z2 mit höherer Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis
Profilpunkt E2
9 Kopfprofilflanke bei z = l mit höchster Flankenrücknahme von Profilpunkt C bis
Profilpunkt El