DE10197271T5

DE10197271T5 - Schraubenvakuumpumpe

Info

Publication number: DE10197271T5
Application number: DE10197271T
Authority: DE
Inventors: Masashi Yoshimura
Original assignee: TAIKO KIKAI IND CO; TAIKO KIKAI INDUSTRIES Co Ltd
Current assignee: TAIKO KIKAI IND CO; TAIKO KIKAI INDUSTRIES Co Ltd
Priority date: 2001-09-27
Filing date: 2001-12-14
Publication date: 2004-09-23
Also published as: US7214036B2; JP3673743B2; US20040247465A1; TW588143B; JP2003097480A; KR100602866B1; WO2003031821A1; KR20040035885A

Abstract

Schraubenvakuumpumpe, die ein Paar Schraubenrotoren aufweist, die drehend miteinander in einem Pumpengehäuse in Eingriff sind, um ein Gas entlang einer Längsrichtung zu fördern, wobei jeder Rotor einen Querschnitt mit einem Profil aufweist, der eine Epitrochoide-Kurve, einen kreisförmigen Bogen und eine pseudoarchimedische Spiralkurve einschließt, wobei die Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass:
jeder Rotor drei Arten von spiralförmigen Zähnen aufweist, die in Reihe in einer Längsrichtung des Rotors angeordnet sind und sich im theoretischen Fördervolumen voneinander unterscheiden, und eine Umgehungsleitung, die mit einer Förderseite der Pumpe in Verbindung steht, über ein erstes Rückschlagventil mit einem ersten Zwischenraum verbunden ist, der zwischen den ersten spiralförmigen Zähnen und den zweiten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist und über ein zweites Rückschlagventil mit einem zweiten Innenraum in Verbindung steht, der zwischen den zweiten spiralförmigen Zähnen und den dritten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Schraubenvakuumpumpe, die ein Paar Mehrstufen-Schraubenrotoren aufweist, um ein Gas aufeinanderfolgend in einer Vielzahl von Stufen zu komprimieren.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In letzter Zeit ist es erwünscht, dass eine Vakuumpumpe eine geringere Energie (elektrische Leistung) erfordert, um die CO₂-Emission hinsichtlich einer Umweltkontrolle zu verringern. In Europa (EC) ist es erforderlich, dass eine Chemikalien-Gas-Vakuumpumpe gemäß einem Sicherheitsstandard eine Förderseitetemperatur von nicht größer als 135°C hat. Die Temperatur entspricht einer Temperaturstufe T4 des Standards, in welchem Acetaldehyd, Trimethylamin, Ethyl-Methyl-Ether, Diethyl-Ether usw. aufgelistet sind. Es ist erforderlich, dass diese Materialien eine Gastemperatur von nicht mehr als 135°C an einer Außenfläche derselben haben.
Eine herkömmliche Schraubenvakuumpumpe ist in der japanischen Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 63-36085, offenbart, welches eine Einzelstufen-Pumpe ist, die ein Paar Schraubenrotoren aufweist. Eine andere herkömmliche Schraubenvakuumpumpe ist in 5 gezeigt, welche eine Zweistufen-Pumpe ist, die ein Paar Schraubenrotoren aufweist.
Diese Vakuumpumpe 61 weist ein Paar linke und rechte Schraubenrotoren 63, 64 auf, die in einem Gehäuse 62 drehend miteinander im Eingriff sind. Der Schraubenrotor 63 dreht sich im Uhrzeigersinn, währenddessen sich der Schraubenrotor 64 im Gegenuhrzeigersinn dreht. Jeder der Rotoren 63, 64 weist spiralförmige Zähne 65, 66 auf, die sich voneinander in der Steigung unterscheiden. Der spiralförmige Zahn 65 hat eine größere Steigung und ist an der Seite einer Ansaugöffnung 67 angeordnet, die in dem Gehäuse 62 begrenzt ist, währenddessen der spiralförmige Zahn 66, der eine kleinere Steigung aufweist, auf der Seite einer Abgabeöffnung (nicht gezeigt) des Gehäuses 62 angeordnet ist.
Jeder der Schraubenrotoren 63, 64 wird an jedem Axialende derselben durch ein Lager 73 oder 68 gelagert. Die Schraubenrotoren 63, 64 können sich gegenüberliegend relativ zueinander über ein Steuerzahnrad 69, das an einem Ende derselben angeordnet ist, drehen. Eine Rotorwelle 70 ist im Betrieb mit einem Antriebsmotor gekoppelt.
Die Drehung der Schraubenrotoren 63, 64 komprimiert ein Gas, das in eine Kammer 71, die auf der Seite der ersten spiralförmigen Zähne 65 angeordnet ist, von der Ansaugöffnung 67 eingeführt wird. Das komprimierte Gas wird in eine Kammer 72 der zweiten spiralförmigen Zähne 66 transportiert, und das Gas wird in der Kammer 72 weiter komprimiert, um es von der Abgabeöffnung unter atmosphärischem Druck zu fördern.
Die herkömmliche Vakuumpumpe 61 erfordert jedoch, wie in einer Kennlinie von 6 dargestellt ist, eine vergleichsweise größere Leistung (Wellenantriebsleistung La), welches auf nachteilige Weise eine Gasabgabetemperatur auf mehr als 200°C erhöht. In 6 zeigt ein unterer Graph eine Wellenantriebsleistung (kW), während dessen ein oberer Graph einen Gasförderdurchsatz (1/Minute) zeigt. Die Horizontalkoordinaten entsprechen den Vakuumgraden (MPaA). Darüber hinaus besteht die Neigung, dass das Gas, das über die zwei Stufen komprimiert wird, einen beträchtlichen Druckverlust aufgrund eines Gasaustritts über einen Spalt zwischen dem Paar von Schraubenrotoren 63, 64 bewirkt. Dieses verringert auf unerwünschte Weise einen Gasförderdurchsatz S, wie in einem oberen Graph der Graphen von 6 gezeigt ist.
Schraubenvakuumpumpen, die eine solche Eigenschaft aufweisen, erfordern nicht nur eine größere Motorleistung, sondern komprimieren auch ein Gas auf unerwünschte Weise, so dass eine Gastemperatur von mehr als 135°C erzeugt wird. Insbesondere nehmen die Schraubenvakuumpumpen eine längere Förderzeit ein, wenn ein Gas von einem Vakuum auf einen atmosphärischen Druck komprimiert wird, was eine unerwünschte Funktion derselben ist.
Hinsichtlich der oben erwähnten Situation besteht ein Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Vakuumpumpe zu schaffen, die eine verringerte Leistung erfordert, und eine reduzierte C0₂-Emission verbessert. Die Vakuumpumpe hat eine Innengastemperatur (eine Temperatur auf einer Förderseite), die einen EN-Standard (nicht mehr als 135°C) erfüllt. Die Vakuumpumpe ist hinsichtlich der Sicherheit und seiner Gasabgabeleistung verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Um das Ziel zu erreichen, schließt eine Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1 der Erfindung ein Paar von Schraubenrotoren ein, die in einem Pumpengehäuse drehend miteinander in Eingriff sind, um ein Gas entlang einer Längsrichtung der Pumpe zu fördern. Jeder Rotor hat einen Querschnitt mit einem Profil, der eine Epitrochoide-Kurve, einen kreisförmigen Bogen und eine pseudo-archimedische Spiralkurve einschließt. Typischerweise hat jeder Rotor drei Arten von spiralförmigen Zähnen, die in Reihe in einer Längsrichtung des Rotors angeordnet sind, wobei sich die drei Arten von spiralförmigen Zähnen voneinander durch ein theoretisches Verdrängungsvolumen voneinander unterscheiden. Ein Umgehungsrohr, das mit einer Förderseite der Pumpe in Verbindung steht, ist über ein Rückschlagventil mit einem ersten Zwischenraum verbunden, der zwischen den ersten spiralförmigen Zähnen und den zweiten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist, und mit eine zweiten Zwischenraum verbunden, der zwischen den zweiten spiralförmigen Zähnen und den dritten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist.
In der so aufgebauten Pumpe wird ein Gas, das in das Pumpengehäuse eingeführt wird, an einer ersten Stufe durch die erste Art der spiralförmigen Zähne komprimiert, wobei ein Teil des Gases in die Umgehungsleitung über ein Rückschlagventil gefördert wird, wenn der Druck des Gases größer als ein vorbestimmter Wert (z.B. ein atmosphärischer Druck) wird. Das restliche Gas wird an einer zweiten Stufe durch die zweite Art spiralförmiger Zähne weiter komprimiert, wobei ein Teil des Gases in die Umgehungsleitung über ein Rückschlagventil gefördert wird, wenn der Druck des Gases größer als ein vorbestimmter Wert sowie in der ersten Stufe wird. Das restliche Gas wird in einer dritten Stufe durch die dritten spiralförmigen Zähne weiter komprimiert, um aus der Pumpe heraus gefördert zu werden. Jedes Rückschlagventil verhindert eine Gasrückströmung aus der Umgehungsleitung.
Diese Konfiguration schützt die Schraubenrotoren vor einer größeren Last, die anderweitig während der ersten bis dritten Stufe ausgeübt würde und begrenzt einen Temperaturanstieg des komprimierten Gases. Das Gas wird von einer Öffnung zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe, einer (Öffnung zwischen der zweiten Stufe und der dritten Stufe und einem Förderauslass der dritten Stufe gefördert. Somit ist die Gasfördergeschwindigkeit in den ersten bis dritten Stufen im Wesentlichen gleichförmig, was eine Gesamtzeit zum Fördern des Gases verringert.
Eine Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 2 ist eine, wie sie im Patentanspruch 1 beschrieben ist, und die Schraubenpumpe ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die drei Arten der spiralförmigen Zähne ein Verhältnis von 1,4 einer Gasströmungsrate in einer ersten Stufe bis zu einer zweiten Stufe haben, ein Verhältnis von 1,4 einer Gasströmungsrate in der zweiten Stufe bis zu der dritten Stufe haben und ein Verhältnis von 2 einer Gasströmungsrate in der ersten bis zu der dritten Stufe haben.
Bei der oben erläuterten Konfiguration ist ein Druckverhältnis des Förderdrucks Pd zum Ansaugdruck Ps gleich 2. Wenn Pd 760 Torr beträgt, ist Ps halb so groß wie Pd, was 380 Torr sind. Derweil ist eine Fördergastemperatur Td gleich Ts (Pd/Ps)^n-1/n, wobei Ts eine Ansauggastemperatur bezeichnet. Wenn der polytrope Exponent n gleich 1,6 ist, ist Td etwa 106°C, was niedriger als 135°C ist, um auf ausreichende Weise den EN-Standard zu erfüllen.
Eine Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 3 ist eine, wie sie im Anspruch 1 oder 2 beschrieben ist. Die Pumpe ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in der dritten Stufe in etwa einer Hälfte der Menge zur ersten Stufe komprimiert wird, bevor eine Förderöffnung sich öffnet, um das Gas zu fördern. Diese Konfiguration erzielt auf sichere Weise ein Gasströmungsverhältnis (annähernd 2) von der ersten Stufe zur dritten Stufe.
KURZE BESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN
1 ist eine Längsschnittansicht, die eine Ausführungsform einer Schraubenvakuumpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Querschnittsansicht, die Profile eines Paars von Schraubenrotoren der Vakuumpumpe zeigt;
3 sind P-V-Kurven, von denen sich jede auf eine Verdichtungsarbeit einer Schraubenvakuumpumpe der vorliegenden Erfindung oder eine herkömmliche Schraubenvakuumpumpe bezieht;
4 sind Kennlinien einer Gasförderrate und einer Wellenantriebsleistung der Schraubenvakuumpumpe nach der vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Längsschnittansicht, die eine herkömmliche Schraubenvakuumpumpe zeigt; und
6 sind Kennlinien einer Gasförderrate und einer Wellenantriebsleistung der herkömmlichen Schraubenpumpe.
BESTE ART, DIE DIE ERFINDUNG VERKÖRPERT
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erläutert.
1 zeigt eine Ausführungsform einer Schraubenvakuumpumpe, noch eindeutiger einer Schrauben-Trockenvakuumpumpe, gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Vakuumpumpe 1 weist ein Metallgehäuse 2 auf, in welchem ein Paar von Schraubenrotoren 3, 4 befindlich sind. Der Schraubenrotor 3 weist eine im Uhrzeigersinn verlaufende spiralförmige Schraube auf, währenddessen der Schraubenrotor 4 eine im Gegenuhrzeigersinn verlaufende spiralförmige Schraube aufweist, solcher Art, dass sich die Schrauben im drehenden Eingriff miteinander befinden. Jede der Schraubenrotoren 3, 4 weist drei Arten von Steigungen in Reihe in deren Längsrichtung auf. Dieses stellt erste bis dritte Kompressionsstufen 7, 8 und 9 zwischen einer Ansaugöffnung 5 und einem Abgabeauslass 6 innerhalb des Gehäuses 2 bereit. Mehr im einzelnen, ein Zwischenraum 10, der zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8 begrenzt ist, steht über ein Rückschlagventil 12 mit einem Leitungsrohr (Umgehungsrohr) 14 in Verbindung, das außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Außerdem steht ein Zwischenraum 11, der zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 begrenzt ist, über ein Rückschlagventil 13 mit dem Leitungsrohr 14 in Verbindung. Das Leitungsrohr 14 steht mit einem Rohr 15, das auf der Seite des Auslasses 6 angeordnet ist, in Verbindung.
Das Gehäuse 2 hat ein im Wesentliches elliptisches Profil und schließt zwei Rotorkammern 16, 17 ein, die einen im Wesentlichen brillenförmigen Querschnitt haben, der aus zwei Kreisen besteht, die sich teilweise einander überlappen. Das Gehäuse 2 weist einen Kühl-(Wasserkühl-)Mantel 18, an dessen Außenseite auf. Die parallelen Rotorkammern 16 und 17 nehmen drehend das Paar von linken und rechten Schraubenrotoren 3 und 4 auf. Jeder Rotor hat eine Außenumfangsfläche, die benachbart zu einer Innenfläche der Rotorkammer 16 oder 17 mit einem kleinen Zwischenraum zwischen diesen positioniert ist. Die Schraubenrotoren 3 und 4 sind benachbart zueinander mit einem kleinen Spalt dazwischen positioniert.
Der Schraubenrotor 3 oder 4 weist eine Welle 19 oder 20 auf, welche eine Trennwand 21 oder 22 durchdringt, die an einer in Längsrichtung vorderen oder hinteren Seite des Gehäuses 2 positioniert ist. Die Welle 19 oder 20 wird drehend durch ein Lager 25 oder 26 innerhalb eines Seitengehäuses 23 oder 24 gelagert. Die Welle 19 oder 20 ist mit dem Rotor 3 oder 4 mit einer Passfeder oder dergleichen verbunden. Der Abgabeauslass 6 steht mit einer Förderöffnung 6a auf der Seite der Trennwand 22 in Verbindung.
Das Seitengehäuse 23, das auf der Seite der Ansaugöffnung 5 angeordnet ist, nimmt ein Paar darin befestigter Rollenlager 25 auf, währenddessen das Seitengehäuse 24, das auf der Seite des Förderauslasses 6 angeordnet ist, ein Paar darin befestigter Kugellager 26 aufnimmt. Die Pumpe weist einen Abschlussdeckel 27 auf, in welchem ein Paar Steuerzahnräder 28 angeordnet sind. Jede der Wellen 19, 20 ist durch ein Dichtungselement auf der Seite der Trennwand 22 abgedichtet, um eine Luftdichtigkeit beizubehalten. Die Steuerzahnräder 28 greifen ineinander ein, so dass die Wellen 19 und 20 sich entgegengesetzt zueinander drehen können.
Eine Welle 19 der Wellen erstreckt sich aus dem Anschlussdeckel 27 heraus, um mit einem Motor (nicht gezeigt) über eine Kupplung gekuppelt zu werden. Die Drehung des Motors dreht den Rotor 3, der auf der Antriebsseite angeordnet ist, in Uhrzeigerrichtung, wie durch eine Pfeilspitze A gezeigt ist, so dass der Rotor 4, der auf einer Mitläuferseite angeordnet ist, sich im Gegenuhrzeigersinn dreht.
Jeder Rotor 3 oder 4 weist eine größere spiralförmige Schraubenteilung auf der Seite der Ansaugöffnung 5 auf und eine kleinere spiralförmige Schraubenteilung auf der Seite des Förderauslasses 6 auf. Derweil weist der Schraubenrotor eine spiralförmige Zwischengröße-Schraubenteilung in einem längsverlaufenden Zwischenteil derselben zwischen der Ansaugöffnung 5 und dem Förderauslass 6 aus. Die erste Stufe 7 ist auf der Seite der Ansaugöffnung 5 durch die spiralförmigen Zähne 29 der ersten Art, die die größere Teilung hat, definiert; die zweite Stufe 8 ist in dem Zwischenteil durch die spiralförmigen Zähne 30 der zweiten Art, die die Zwischengröße-Teilung haben, definiert; und die dritte Stufe 9 ist auf der Seite des Förderauslasses 6 durch die spiralförmigen Zähne 31 der dritten Art definiert, die die kleinere Teilung haben.
In der Ausführungsform hat die Rotorkammer 32 der ersten Stufe 7 eine Länge, die im Wesentlichen gleich oder ein wenig größer ist als die Rotorkammer 33 der zweiten Stufe 8, währenddessen die Rotorkammer 34 der dritten Stufe 9 eine Länge hat, die kürzer ist als die der Rotorkammer 33 der zweiten Stufe B.
Die Ansaugöffnung 5 ist an der ersten Windung des spiralförmigen Zahns 29 der ersten Stufe 7 positioniert, um mit der Rotorkammer 32 in Verbindung zu stehen, währenddessen die Förderöffnung 6a des Förderauslasses 6 in einer vorderen Endfläche 31b des spiralförmigen Zahns 31 der dritten Stufe 9 positioniert ist, um mit der Rotorkammer 34 in Verbindung zu stehen. Die Öffnung 6a ist mit der Außenseite der Pumpe über das Rohr 15 verbunden. Mit der Drehung der 4 schließt und öffnet abwechselnd die Endfläche 31b des spiralförmigen Zahns 31 die Förderöffnung 6a. Diese Förderöffnung 6a hat z.B. eine Halbmondform. Der Halbmond kann durch einen inneren Bogen mit kleinem Radius, einem äußerem Bogen mit größerem Radius und eine Linie definiert sein, die ein Ende des inneren Bogens und ein Ende des äußeren Bogens verbindet, wobei die anderen Enden der inneren und äußeren Bögen sich einander kreuzen.
Das Förderrohr 15 vereinigt sich mit der Rohrleitung 14, die sich in einer Längsrichtung des Pumpengehäuses erstreckt. Die Rohrleitung 14 steht mit dem Zwischenraum 11 in Verbindung, der zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 über das Rückschlagventil 13 begrenzt ist und steht auch mit dem Zwischenraum 10 in Verbindung, der zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8 über das Rückschlagventil 12 begrenzt ist. Die Rohrleitung 14 weist ein Ende 14a auf, das so gebogen ist, dass es einen rechten Winkel hat, um mit dem ersten Rückschlagventil 12 in Verbindung zu stehen. Die Rohrleitung 14 weist auch ein kurzes Rohr 14b auf, das an einem Längsmittelteil desselben angeordnet ist, um mit dem zweiten Rückschlagventil 13 in Verbindung zu stehen.
Die Rückschlagventile 12 und 13 sind mit einer Außenfläche des Pumpengehäuses 2 verbunden und durch ein Dichtungselement abgedichtet. Die Rückschlagventile 12 und 13 stehen mit dem Zwischenraum 10 oder 11 über einen Kanal 35 oder 36 des Pumpengehäuses 2 in Verbindung. Die Rückschlagventile 12 und 13 ermöglichen eine Gasströmung von dem Zwischenraum 10 oder 11 zu der Rohrleitung 14, während dessen die Rückschlagventile 12 und 13 eine Gasströmung von der Rohrleitung 14 zu den Zwischenräumen 10 und 11 verhindern. Die Rückschlagventile 12 und 13 öffnen sich, um so ein Gas aus dem Zwischenraum 10 oder 11 ausströmen zu lassen, wenn der Druck des Gases innerhalb des Zwischenraums 10 oder 11 größer als ein vorbestimmter Wert (z.B. ein atmosphärischer Druck) wird.
Der Zwischenraum 10 ist zwischen einer vorderen Endfläche 29b des spiralförmigen Zahns 29 der ersten Stufe 7 und einer hinteren Endfläche 30a des spiralförmigen Zahns 30 der zweiten Stufe 8 positioniert. Der Zwischenraum 11 ist zwischen einer vorderen Endfläche 30b des spiralförmigen Zahns 30 der zweiten Stufe 8 und einer hinteren Endfläche 31a des spiralförmigen Zahns 31 der dritten Stufe 9 positioniert. Jeder Zwischenraum 10 oder 11 hat eine längsverlaufende Länge, die annähernd einer halben Steigung des spiralförmigen Zahns 30 gleich ist. In jedem Zwischenraum 10 oder 11 ist eine Zwischenwelle 38 aufgenommen, die den gleichen Durchmesser aufweist wie ein Fuß 37 der Schraubenrotoren 3 und 4. Jede der Wellen 19 und 20 hat einen Durchmesser, der kleiner ist als die Zwischenwelle 38 oder der Fuß 37. Die Wellen 19 und 20 erstrecken sich von einem radial mittleren Teil des Schraubenrotors 3 oder 4. In einer zu dem Kanal 35 oder 36 180° entgegengesetzten Seite seitlich zusammenhängend mit den Zwischenräumen 10 oder 11 ist ein Hohlraum 39 oder 40 begrenzt, der durch einen Deckel verschlossen ist und durch ein Dichtungsstück abgedichtet ist.
Die Schrauben des Paares der Schraubenrotoren 3 und 4 sind entgegengesetzt zueinander gerichtet. Der antriebsseitige, im Uhrzeigersinn verlaufende spiralförmige Schrau benrotor 3 weist in Reihe dazu den schraubenförmigen Zahn 31 mit der kleineren Teilung der dritten Stufe 9 auf, den spiralförmigen Zahn 30 der mittleren Teilung der zweiten Stufe 8 und den spiralförmigen Zahn 29 mit der größeren Teilung der Stufe 7 auf. Derweil weist der abtriebsseitige, im Gegenuhrzeigersinn verlaufende spiralförmige Schraubenrotor 4 in Reihe den spiralförmigen Zahn 29 mit der größeren Steigung der ersten Stufe 7, den spiralförmigen Zahn 30 der mittleren Steigung der zweiten Stufe 8 und den spiralförmigen Zahn 31 mit der kleineren Steigung der dritten Stufe 9 auf. Jeder spiralförmige Zahn 29 bis 31 des Rotors 3 hat die gleiche Form wie der des Rotors 4.
Unter Bezugnahme auf 2 sind Querschnittskurven vorgesehen, in welchen das Paar der Schraubenrotoren 3 und 4 miteinander in Eingriff sind. Jede Kurve der spiralförmigen Zähne 29 bis 31 (zwischengesetzte Zähne 30 sind in 2 dargestellt) bestehen aus einem Viertelkreisbogen 43, der einen kleineren Radius aufweist entsprechend zu dem Fuß 37, aus einer pseudo-archimedischen Spiralkurve 44, die mit einem Ende des Kreisbogens 43 zusammenhängt, einer Epitrochoide-Kurve 45, die mit dem anderen Ende des Kreisbogens 43 zusammenhängt, und einem Kreisbogen 46 mit größerem Radius, der einem Außenumfang des spiralförmigen Zahns entspricht. Die archimedische Spiralkurve 44 schließt sich gleichförmig an den Kreisbogen 46 an, und die Epitrochoide-Kurve 45 schließt sich tangential gleichförmig an den Kreisbogen 46 an. In 2 bezeichnet die Bezugszahl 47 einen Drehmittelpunkt jedes Rotors.
Das Paar der Schraubenrotoren 3 und 4 drehen sich entgegengesetzt zueinander in dem Gehäuse, wie durch die Pfeilspitzen gezeigt ist. Ein Gas bewegt sich über eine Strecke in dem Gehäuse 2 ohne Kompression. Dann wird das Gas komprimiert, nachdem eine Endfläche des Rotors 4 die Förderöffnung 6a (1) verschließt, die in der Trennwand 22 begrenzt ist, die nahe dem Seitengehäuse 24 positioniert ist. Die Kompression wird während einer halben Drehung des Rotors 4 fortgeführt, bis die Förderöffnung 6a sich öffnet, um das komprimierte Gas zu fördern. Diese Arbeitsweise ist bekannter Stand der Technik, und auf seine Details wird auf die japanische Patentanmeldung, Offenlegungsschrift Nr. 63-36085, verwiesen.
Als nächstes wird die Arbeitsweise und die Theorie der Vakuumpumpe erläutert. In 1 wird mit der Drehung des Paares der Schraubenrotoren 3 und 4 ein Gas aus der Ansaugöffnung des Gehäuses 2 angesaugt, um das Gas durch das Paar der spiralför migen Zähne 29 der ersten Stufe 7 zu komprimieren. Das komprimierte Gas bewegt sich zu der zweiten Stufe B. Die Förderkapazität der zweiten Stufe 8 ist kleiner als die der ersten Stufe 7. Das heißt, ein Raum, der durch die spiralförmigen Zähne 30 der zweiten Stufe 8 begrenzt ist, ist kleiner als der der spiralförmigen Zähne 29 der ersten Stufe 7. Somit wird das Gas in der zweiten Stufe 8 weiter komprimiert. Wenn der Druck des komprimierten Gases größer als ein vorbestimmter Förderdruck ist, wird ein Teil des Gases aus dem Zwischenraum 10 über das Rückschlagventil 12 und die Rohrleitung 14 gefördert, währenddessen das verbleibende Gas sich zu der zweiten Stufe 8 bewegt.
Ein Druck Pm1 in dem Zwischenraum 10, welcher ein Druck des Gases zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8 ist, wird durch folgende Gleichung erhalten: Pm1 = Ps1 × Qs1/Qs2 × Tm1/Ts1 (1)wobei
Pst : ein Druck der Ansaugöffnung 5
Qs1: eine Gasansaugrate der ersten Stufe 7
Qs2: eine Gasansaugrate der zweiten Stufe 8
Tm1: eine Gastemperatur zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8
Ts1: eine Gastemperatur (absolute Temperatur) der Ansaugöffnung 5 ist.
Bevor Pm1 ein Wert wird, wie er durch die Gleichung (1) erhalten wird, wird das Gas teilweise auf die Seite des Förderauslasses 6 über das Rückschlagventil 12 und die Rohrleitung 14 gefördert, und das verbleibende Gas bewegt sich zu der zweiten Stufe B. Wenn Pm1 gleich einem Wert wird, der durch die Gleichung (1) erhalten wird, schließt das Rückschlagventil 12, so dass das gesamte Gas, das aus der Ansaugöffnung 5 angesaugt wird, sich zu der zweiten Stufe 8 bewegt.
In gleicher Weise zu der ersten Stufe 7 wird ein Druck Pm2 in dem Zwischenraum 11, welcher ein Druck des Gases zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 ist, durch die folgende Gleichung erhalten: Pm2 = Pm1 × Qs2/Qs3 × Tm2/Ts3 = Ps1 × Qs1/Qs2 × Tm1/Ts1 × Qs2 /Qs3 × Tm2/Tm1 = Ps1 × Qs1/Qs3 × Tm2/Ts1 (2) wobei
Qs3: eine Gasansaugrate der dritten Stufe 9 ist
Tm2: eine Gastemperatur zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 ist
Ts1, Qs1, Qs2, Tm1 und Ts1 gleich denen, wie sie oben definiert sind, sind.
Bevor Pm2 ein Wert wird, der durch die Gleichung (2) erhalten wird, wird das Gas teilweise auf die Seite des Förderauslasses 6 über das Rückschlagventil 13 und die Rohrleitung 14 gefördert, und das verbleibende Gas bewegt sich zu der dritten Stufe 9. Wenn Pm2 gleich einem Wert ist, der durch die Gleichung (2) erhalten wird, schließt das Rückschlagventil 13, so dass das gesamte Gas, das in die zweite Stufe 8 angesaugt wird, sich zu der dritten Stufe 9 bewegt.
3 zeigt parallel zwei P-V-(Verdichtungsarbeit-)Kurven von Vakuumpumpen nach der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Standes der Technik. Eine P-V-Kurve einer herkömmlichen Pumpe besteht aus Linien oder Kurven, die in Reihe die Punkte 0, V1, 1, 4 und Pd verbinden. Derweil besteht eine P-V-Kurve der Vakuumpumpe 1 nach der vorliegenden Erfindung aus Linien und Kurven, die in Reihe die Punkte 0, V1, 1, 2, m, 3, 4 und Pd verbinden.
In 3 bezeichnet P einen Druck; V ein spezifisches Volumen; Pd einen Förderdruck; Pm1 einen Druck zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8 (des Zwischenraums 10); Pm2 einen Druck zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 (des Zwischenraums 11); V1 ein spezifisches Volumen an einem Punkt der Ansaugseite (Kompressionsbeginnpunkt); V2 ein spezifisches Volumen an dem Zwischenraum 10; V3 ein spezifisches Volumen an dem Zwischenraum 11; und V4 ein spezifisches Volumen an einem Punkt der Vorderseite.
Der Druck der herkömmlichen Vakuumpumpe erhöht sich entlang einer Kurve zweiter Ordnung, welche annähernd einer Linie ist, von einer Ansaugseite (Bezugszahl 1 von 3) zu einer Vorderseite (Bezugszahl 4 von 3). Derweil fördert die Vakuumpumpe 1 (1) nach der vorliegenden Erfindung teilweise ein Gas in die Rohrleitung 14 über das Rückschlagventil 12 von den Zwischenräumen 10, wenn der Gasdruck der Kammer 32 in der ersten Stufe 7 größer als ein vorbestimmter Druck wird. Somit ist der Gasdruck (Pm1) in der Kammer 32 in der ersten Stufe 7 von Punkt 1 zum Punkt 2 kon stant (3). Dann wird das Gas in der Kammer 33 in der zweiten Stufe 8 bis zu Pm2 komprimiert, wie als Linie zwischen Punkt 2 und dem Punkt m gezeigt ist. Das Gas wird teilweise in die Rohrleitung 14 über das Rückschlagventil 13 aus dem Innenraum 11 gefördert, wenn der Gasdruck der Kammer 33 in der zweiten Stufe 8 größer als ein anderer vorbestimmter Druck wird. Als nächstes bleibt der Gasdruck (Pm2) in der Kammer 33 in der zweiten Stufe 8 vom Punkt m zum Punkt 3 konstant (3). Dann wird das Gas in der Kammer 34 in der dritten Stufe 9 entlang einer Kurve annähernd einer zweiten Ordnung vom Punkt 2 zum Punkt 4 von 3 komprimiert.
Entsprechenderweise spart die Vakuumpumpe nach der vorliegenden Erfindung Leistung (Energie) durch die schraffierten Bereiche von 3 verglichen mit der herkömmlichen Vakuumpumpe.
Wenn eine Ansaugseitetemperatur Ts1 40°C ist (313°K), wird eine Fördergastemperatur tm1 in der ersten Stufe durch die folgende Gleichung erhalten: tm1 = Ts1 × (Pmi/Ps1)n-1/n – 273 = 313 × 1,40,6/1,6 – 273 = 82 (°C)wobei n: ein Polytropenexponent ist.
Die Fördergastemperatur tm1 von 82°C in der ersten Stufe ist geringer als 135°C. Dieses erfüllt den EN-Standard.
Auf gleiche Weise wird eine Fördergastemperatur tm2 in der zweiten Stufe durch die folgende Gleichung erhalten: tm2 = Ts2 × (Pm2/Pm1)n-1/n – 273 = (273 + 82) × 1,40,6/1,6 – 273 ≒ 130 (°C).
Die Fördergastemperatur tm2 von 130°C in der zweiten Stufe ist geringer als 135°C. Dieses erfüllt den EN-Standard.
In der dritten Stufe können nahezu die gesamten erzeugten Kalorien verwendet werden, um eine Temperatur eines Kühlwassers in dem Mantel 18 zu erhöhen. Somit ist eine Fördergastemperatur in der dritten Stufe annähernd gleich der Fördergastemperatur tm2 in der zweiten Stufe. Entsprechenderweise haben die gesamten Gase, die aus der ersten und dritten Stufe gefördert werden, weniger als 135°C, um den EN-Standard zu erfüllen.
Als nächstes werden die Merkmale der Vakuumpumpe 1 gemäß der vorliegenden Erfindung kurz gefasst erläutert.
Die herkömmliche Vakuumpumpe komprimiert ein Gas in zwei Stufen. Ein Zwischendruck zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe übt einen Druck auf die Schraubenrotoren aus, was zusätzliche Energie erfordert. Um den Nachteil zu vermeiden, verwendet die Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Umgehungsrohrleitung 14 und die Rückschlagventile 12, 13, um teilweise das Gas zu fördern, um das Gas auf einem Druck nicht größer als den vorbestimmten Druck zu halten. Dieses verhindert, dass ein Druck größer als der vorbestimmte Druck auf die Schraubenrotoren 3 und 4 zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8 oder zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9 ausgeübt wird.
Jeder Rotor weist den spiralförmigen Zahn 29 der ersten Stufe 7, den spiralförmigen Zahn 30 der zweiten Stufe 8 und den spiralförmigen Zahn 31 der dritten Stufe 9 in Reihe von der Ansaugseite auf. Die Fördergastemperatur (Innentemperatur) wird so festgelegt, dass sie geringer als 135°C ist. Das Gas wird in der ersten bis dritten Stufe solcher Art komprimiert, dass ein Druckverhältnis des letztendlich geförderten Gases in der dritten Stufe gegenüber dem an der Ansaugseite so festgelegt ist, dass es 2 ist.
Pm1 bezeichnet einen Druck zwischen der ersten Stufe 7 und der zweiten Stufe 8; Pm2 bezeichnet einen Druck zwischen der zweiten Stufe 8 und der dritten Stufe 9; Ps bezeichnet einen Ansaugdruck; Pd bezeichnet einen Förderdruck; Q1 ein Volumen der Kammer 32 in der ersten Stufe 7, Q2 bezeichnet ein Volumen der Kammer 33 in der zweiten Stufe 8; T1 bezeichnet eine Temperatur in der Kammer 32; T2 bezeichnet eine Temperatur in der Kammer 33; R1 bezeichnet ein Verhältnis der Gasströmungsrate der ersten Stufe 7 zu der zweiten Stufe 8; und R2 bezeichnet ein Verhältnis einer Gasströmungsrate der zweiten Stufe 8 zur dritten Stufe 9: R1 = Pm1/Ps = Q1/Q2 × T2/T1 (3)R2 = Pm2/Ps = Q2/Q3 × T3/T2 (4) somit ist R1 × R2 = Pm2/Ps = Q1/Q3 × T3/T1 ≒ Qth1/Qth3 (5).
Tatsächlich ist R1 × R2 = 2, das heißt, Qth3 ist die Hälfte von Qth1, wobei
Qth1: ein theoretisches Fördervolumen von spiralförmigen Zähnen 29 in der ersten Stufe 7 ist
Qth3: ein theoretisches Fördervolumen von spiralförmigen Zähnen 31 in der dritten Stufe 9 ist
außerdem ist R1 × R2 = R² = 2,
somit ist R1 = R2 = R = √2 ≒ 1,4.
Ein Verhältnis eines theoretischen Fördervolumens der ersten Stufe 7 zu dem der zweiten Stufe 8 ist 1,4, und ein Verhältnis eines theoretischen Volumens der zweiten Stufe 8 zu dem der dritten Stufe 9 ist 1,4. Das heißt, das theoretische Fördervolumenverhältnis der ersten bis dritten Stufen 7, 8 und 9 ist 2 : 1,4 : 1.
Somit ist ein Verhältnis der Gasströmungsrate der ersten Stufe 7 zu dem der zweiten Stufe 8 1,4 und ein Verhältnis einer Gasströmungsrate der zweiten Stufe 8 zu dem der dritten Stufe 9 ist 1,4. Entsprechenderweise ist ein Verhältnis einer Gasströmungsrate der ersten Stufe 7 zu dem der dritten Stufe 9 etwa 2. Die Förderöffnung 6a (1) ist so konfiguriert, dass sie offen ist, um das Gas in der dritten Stufe 9, nachdem das Gas auf etwa die Hälfte des Volumens komprimiert ist, zu fördern.
Wenn ein Druckverhältnis von Pd/Ps 2 ist und Pd 760 Torr ist (oder 0,1 MPaA oder 1 atm) ist, ist Ps = Pd/2 = 380 Torr (oder 0,05 MPaA), wobei Ps einen Förderdruck bezeichnet und Ps einen Einsaugdruck bezeichnet.
Im Allgemeinen ist eine Fördergastemperatur Td = Ts (Pd/Ps)^n-1/n wobei n (Polytropenexponent) = 1,6 ist Td = 293 × 20,375 ≒ 106 (°C).
Diese Temperatur von 106°C ist niedriger als 135°C, wodurch der EN-Standard erfüllt wird.
Die Temperatur des geförderten Gases kann niedriger als 135°C sein, basierend auf einer Berechnung einer thermischen Umwandlung, wenn der Gasdruck auf der Ansaugseite etwa 380 Torr ist. Wenn die Vakuumpumpe arbeitet, wenn die Ansaugseite der Pumpe geschlossen ist, wird ein Kühlgas in eine Förderseite der Pumpe eingeführt, um deren Inneres zu kühlen. Das Kühlgas wird von einer Öffnung (nicht gezeigt) zugeführt, das in einer Innenfläche des Gehäuses in dem Gehäuse begrenzt ist, wobei die Öffnung durch die Bewegung des spiralförmigen Zahns geöffnet und geschlossen wird. Für dieses Kühlungsverfahren wird Bezug genommen auf die japanische Patentanmeldung, Offenlegungsnummer 63-36085.
Wie in einer Kennlinie von 4 dargestellt ist, erfordert die Vakuumpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung eine Förderzeit, die beträchtlich geringer ist, als die der herkömmlichen Pumpe (6), wodurch eine energiesparende Pumpe erzielt wird. In 4 zeigt ein unterer Graph eine Wellenantriebsleistung La (kW), und ein oberer Graph zeigt einen Gasförderdurchsatz S (1/Minute). Die Querkoordinaten entsprechen den Vakuumgraden (MPaA).
In 4 entspricht eine Wellenantriebsleistung La, die vom Punkt 1 zum Punkt 2 reicht, einer Wellenantriebsleistung zum Komprimieren des Gases durch die spiralförmigen Zähne in der ersten Stufe 7. Eine Wellenantriebsleistung La, die vom Punkt 2 zum Punkt 3 reicht, entspricht einer Wellenantriebsleistung zum Komprimieren des Gases durch die spiralförmigen Zähne 30 in der zweiten Stufe B. Eine Wellenantriebsleistung La, die vom Punkt 3 zum Punkt 4 reicht, entspricht einer Wellenantriebsleistung zum Komprimieren des Gases durch die spiralförmigen Zähne 31 in der dritten Stufe 9. Im Gegensatz zu der herkömmlichen Pumpe fördert die Rohrleitung 14 teilweise das Gas so, dass die Wellenantriebsleistung der zweiten Stufe 8 in einem niedrigeren Bereich gehalten wird.
Der Antriebswellenleistungsgraph ist im Allgemeinen ein Trapez mit einer oberen flachen Linie als Ganzes.
Außerdem ermöglicht, wie in der das Förderdurchsatzkurve des oberen Graphs von 4 gezeigt ist, das Vorsehen der Rohrleitung 14, dass eine Fördergasrate, die an den spiralförmigen Zähnen 29 in der ersten Stufe 7 erhalten wird, beibehalten wird, bis das Gas auf den vorbestimmten Druck in der dritten Stufe 9 komprimiert wird. Die Förderkapazität stirbt auf der Förderseite nicht ab im Gegensatz zur herkömmlichen Pumpe (der obere Graph von 6). Dieses verringert beträchtlich eine Zeit zum Fördern des Gases, um einen wirksamen Pumpvorgang zu ermöglichen, besonders, wenn das Gas unter atmosphärischem Druck gefördert wird.
Die Vakuumpumpe 1 (1) kann in einer anderen Ausführungsform so modifiziert werden, dass sie ein Paar obere und untere Schraubenrotoren statt der linken und rechten Schraubenrotoren 3 und 4 hat. Die Schraubenrotoren 3, 4 können spiralförmige Zähne in drei Stufen haben, welche separat ausgebildet sind und als ein Körper montiert sind. Die Steuerzahnräder 28 können statt auf der Förderseite auf der Ansaugseite positioniert sein. Das Konzept, dass das Gas in drei Stufen 7 bis 9 komprimiert wird, kann bei einer anderen Vakuumpumpe angewendet werden, die Schraubenrotoren aufweist, die ein Zahnradprofil verwenden, das sich von einem von 2 unterscheidet. Als Gas kann Luft ausgewählt werden.
INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT DER ERFINDUNG
Wie oben erläutert, schützten gemäß der vorliegenden Erfindung nach Patentanspruch 1 das Vorsehen der drei Arten von spiralförmigen Zähnen, der Umgehungsleitung und der Rückschlagventile, die Schraubenrotoren davor, dass sie nicht unter einer größeren Last sind, die während der ersten bis dritten Stufen anderweitig ausgeübt würde. Dieses ermöglicht eine verringerte Wellenantriebsleistung, um eine bessere Energieeinsparung zu haben, was zu einem Abzug der C0₂-Emission in einer Wärmeenergieanlage beiträgt. Das Pumpengehäuse behält einen vergleichsweise niedrigeren Innendruck bei, im Gegensatz zu dem herkömmlichen Stand der Technik, und begrenzt einen Temperaturanstieg der geförderten Gases. Dadurch kann die Vakuumpumpe sicherer verwendet werden, z.B. als eine Chemikalien-Vakuumpumpe. Außerdem wird die Gasförderrate in der ersten Stufe 7 gehalten, bis das Gas letztendlich gefördert ist, wodurch eine beträchtliche Verringerung der Zeit erfolgt, die zum Fördern des Gases eingenommen wird, um einen wirksamen Pumpvorgang zu ermöglichen, insbesondere dann, wenn das Gas unter atmosphärischem Druck gefördert wird.
Die Erfindung nach Anspruch 2 begrenzt einen Temperaturanstieg des geförderten Gases, wodurch der EN-Temperaturstandard für eine Chemikalien-Vakuumpumpe erfüllt wird. Dieses verhindert eine Gefahr, wie z.B. eine Entzündung des Chemikaliengases, was die Sicherheit der Pumpe verbessert.
Die Erfindung nach Anspruch 3 bestimmt die Gasströmungsraten der ersten bis dritten Stufe, um die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung nach den Ansprüchen 1 und 2 sicher aufzuweisen.
ZUSAMMENFASSUNG SCHRAUBENVAKUUMPUMPE
Eine Schraubenvakuumpumpe, welche dazu bestimmt ist, eine Energieeinsparung der Vakuumpumpe zu erzielen, um einen Temperaturanstieg zu unterdrücken und die Ausstoßzeit zu verringern, umfasst ein Paar von Schraubenrotoren, die miteinander kämmen und drehbar in einem Gehäuse aufgenommen sind, um Gas entlang der Axialrichtung zu fördern, wobei das Paar von Schraubenrotoren aufeinanderfolgend darin axial angeordnet drei Arten von spiralförmigen Zähnen aufweist, die sich in der theoretischen Fördermenge unterscheiden, und wobei ein Raum zwischen der ersten Art von spiralförmigen Zähnen und der zweiten Art von spiralförmigen Zähnen, und ein Raum zwischen der zweiten Art von spiralförmigen Zähnen und der dritten Art von spiralförmigen Zähnen über Rückschlagventile mit einem Umgehungsrohr, der zur Förderseite führt, verbunden ist. Was die Fördermengen durch die drei Arten der spiralförmigen Zähne betrifft, ist das Luftverhältnis zwischen den ersten und zweiten Hüben etwa 1,4, das Luftverhältnis zwischen den zweiten und dritten Hüben ist etwa 1,4, und das Luftverhältnis zwischen den ersten und dritten Hüben ist etwa 2. Sie ist so angeordnet, dass in dem dritten Hub das Gas auf etwa die Hälfte des ersten Hubs komprimiert wird, und dann eine Förderöffnung geöffnet wird, um das Gas zu fördern.

Claims

Schraubenvakuumpumpe, die ein Paar Schraubenrotoren aufweist, die drehend miteinander in einem Pumpengehäuse in Eingriff sind, um ein Gas entlang einer Längsrichtung zu fördern, wobei jeder Rotor einen Querschnitt mit einem Profil aufweist, der eine Epitrochoide-Kurve, einen kreisförmigen Bogen und eine pseudoarchimedische Spiralkurve einschließt, wobei die Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass: jeder Rotor drei Arten von spiralförmigen Zähnen aufweist, die in Reihe in einer Längsrichtung des Rotors angeordnet sind und sich im theoretischen Fördervolumen voneinander unterscheiden, und eine Umgehungsleitung, die mit einer Förderseite der Pumpe in Verbindung steht, über ein erstes Rückschlagventil mit einem ersten Zwischenraum verbunden ist, der zwischen den ersten spiralförmigen Zähnen und den zweiten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist und über ein zweites Rückschlagventil mit einem zweiten Innenraum in Verbindung steht, der zwischen den zweiten spiralförmigen Zähnen und den dritten spiralförmigen Zähnen begrenzt ist.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1, wobei die Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass die drei Arten der spiralförmigen Zähne ein Verhältnis von 1,4 einer Gasströmungsrate in der ersten Stufe zu der in der zweiten Stufe bereitstellen, ein Verhältnis von 1,4 einer Gasströmungsrate in der zweiten Stufe zu der in der dritten Stufe bereitstellen und ein Verhältnis von 2 einer Gasströmungsrate in der ersten Stufe zu der in der dritten Stufe bereitstellen.
Schraubenvakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Pumpe dadurch gekennzeichnet ist, dass das Gas in der dritten Stufe auf die Hälfte der Menge der ersten Stufe komprimiert wird, bevor die Förderöffnung sich öffnet, um das Gas zu fördern.