DE102004059486A1

DE102004059486A1 - Vakuum-Anlage

Info

Publication number: DE102004059486A1
Application number: DE200410059486
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Ing. Dreifert; Wolfgang Dipl.-Ing. Giebmanns; Bernhard Dipl.-Ing. Kliem; Lothar Dipl.-Ing. Ostrowsky
Original assignee: Leybold Vakuum GmbH; Leybold Vacuum GmbH
Current assignee: Leybold GmbH
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22
Also published as: WO2006061317A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuum-Anlage (10) mit einem ersten Behälter (12) mit einem ersten Vakuum-Arbeitsdruck und einem zweiten Behälter (14) mit einem zweiten Arbeitsdruck, der über dem ersten Arbeitsdruck liegt. Bei herkömmlichen Vakuum-Anlagen (10) werden zur Erzeugung der beiden verschiedenen Arbeitsdrücke mindestens zwei Vakuumpumpen eingesetzt. Aufgabe der Erfindung war es demgegenüber, den Aufwand zur Erzeugung der verschiedenen Arbeitsdrücke in einer Vakuum-Anlage (10) zu verringern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Vakuum-Schraubenpumpe (16) einen Gas-Zwischeneinlass (22) aufweist, der zwischen dem Haupteinlass (20) und dem Auslass (18) einer Schraubenpumpe (16) angeordnet ist. Auf diese Weise können mit der Schraubenpumpe zwei verschiedene Arbeitsdrücke erzeugt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vakuum-Anlage mit einem ersten Behälter mit einem ersten Vakuum-Arbeitsdruck und einem zweiten Behälter mit einem zweiten Arbeitsdruck, der über dem ersten Arbeitsdruck liegt.

In der Praxis sind häufig Vakuum-Anlagen anzutreffen, die für ihren Betrieb verschiedene Gasdrücke benötigen. Beispielsweise kann in einer Reinigungsanlage zur Reinigung von Werkstücken aus Metall, Kunststoff oder Glas zu Trocknungszwecken der Gasdruck in einem ersten Behälter wenige mbar betragen, während in einem zweiten Behälter der Arbeitsdruck oberhalb des Arbeitsdruckes in dem ersten Behälter liegt. Zur Erzeugung der zwei verschiedenen Arbeitsdrücke werden zwei getrennte Vakuumpumpen verwendet, von denen zur Erzeugung des niedrigeren Arbeitsdruckes in dem ersten Behälter häufig eine Vakuum-Schraubenpumpe Verwendung findet.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Vakuum-Anlage zu schaffen, bei der die Erzeugung der verschiedenen Arbeitsdrücke mit weniger Aufwand realisiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vakuum-Anlage weist die Vakuum-Schraubenpumpe, die mit ihrem Haupteinlass den Vakuum-Arbeitsdruck des ersten Behälters generiert und mit diesem verbunden ist, einen Gaszwischeneinlass auf, der mit dem zweiten Behälter zur Erzeugung des zweiten Arbeitsdruckes verbunden ist, und der zwischen dem Haupteinlass und dem Gas-Auslass angeordnet ist. Der Zwischeneinlass bei einer Schraubenpumpe kann auf einfache Weise durch eine Öffnung in dem die Schraubenrotoren radial umgebenden Gehäuse realisiert werden. Durch die entsprechende Wahl der axialen Position des Zwischeneinlasses wird auf einfache Weise der in dem angeschlossenen zweiten Behälter realisierbare Arbeitsdruck eingestellt. Wird ein relativ niedriger und nahe bei dem ersten Arbeitsdruck liegender zweiter Arbeitsdruck benötigt, liegt der Zwischeneinlass axial relativ nahe dem Gas-Haupteinlass der Schraubenpumpe; wird ein relativ hoher Druck oder gar ein Überdruck benötigt, liegt der Zwischeneinlass axial relativ nahe dem Gas-Auslass der Schraubenpumpe. Auf diese Weise kann mit einfachen Mitteln eine zweite Pumpe zum Erzeugen des zweiten Arbeitsdruckes für den zweiten Behälter der Vakuum-Anlage eingespart werden. Durch die einfache Möglichkeit eines Abgriffes eines zweiten Arbeitsdruckes, der zwischen dem ersten Arbeitsdruck und dem Auslassdruck bzw. geringfügig darüber liegt, ist die Schraubenpumpe in besonderer Weise geeignet dafür, in einer Vakuum-Anlage zwei verschiedene Arbeitsdrücke zur Verfügung zu stellen.

Vorzugsweise ist die axiale Länge der Zwischeneinlass-Öffnung der Schraubenpumpe kleiner als die axiale Länge des die Öffnung passierenden Zahnkopfes des betreffenden Schraubenrotors. Hierdurch wird sichergestellt, dass zwischen zwei benachbarten Arbeitskammern durch die Zwischeneinlass-Öffnung keine Verbindung hergestellt werden kann, wenn sich der betreffende Zahnkopf genau in der axialen Mitte der Zwischeneinlass-Öffnung befindet.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zwischeneinlass-Öffnung der Schraubenpumpe mindestens um den Betrag der jeweiligen Schraubensteigung entfernt von einer Haupteinlass-Öffnung und einer Auslass-Öffnung. Hierdurch wird sichergestellt, dass die Drücke am Haupteinlass und am Zwischeneinlass weitgehend unabhängig voneinander sind. Bei jeder Rotationsposition der Schraubenrotoren besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Haupteinlass und dem Zwischeneinlass. Auf diese Weise wird eine Kurzschluss-Strömung zwischen dem Haupteinlass und dem Zwischeneinlass verhindert. Das Gleiche gilt analog für den Zwischeneinlass und den Auslass der Schraubenpumpe.

Vorzugsweise ist die Zwischeneinlass-Öffnung der Schraubenpumpe im Schnittbereich der beiden Schraubenrotore vorgesehen. Auf diese Weise sind beide Schraubenrotore bzw. die von ihnen jeweils gebildeten Arbeitskammern an der Erzeugung des zweiten Arbeitsdruckes beteiligt. Hierdurch wird ein relativ hohes Saugvolumen am Zwischeneinlass realisiert. Alternativ kann die Zwischeneinlass-Öffnung auch außerhalb des Schnittbereiches der beiden Schraubenrotore angeordnet sein, so dass nur ein einziger Schraubenrotor mit der Erzeugung des zweiten Arbeitsdruckes befasst ist.

Vorzugsweise ist der zweite Arbeitsdruck des zweiten Behälters der Vakuum-Anlage ein Vakuum-Arbeitsdruck, d.h. liegt auch der zweite Arbeitsdruck unter atmosphärischem Druck. Alternativ kann der zweite Arbeitsdruck jedoch auch oberhalb des atmosphärischen Druckes liegen, so dass beispielsweise Druckluft für den zweiten Behälter zur Verfügung gestellt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Schraubenpumpe einen weiteren Gas-Zwischeneinlass zur Erzeugung eines dritten Arbeitsdruckes auf. Alternativ oder ergänzend kann ein weiterer Gas-Zwischeneinlass vorgesehen sein, der als Gasballast-Einlass dient. Der Gasballast-Einlass dient zur Zuführung eines Hilfsfluides in die Arbeitsräume, beispielsweise zur Pumpenkühlung, zur Reinigung und/oder zur Vermeidung von Kondensation von Bestandteilen des Hauptfluides.

Vorzugsweise weisen die Zähne der Schraubenrotoren jeweils eine sich zum Auslass hin verringernde Steigung auf. Die Schraubenrotoren weisen eine innere Verdichtung auf, d.h. das Volumen des in axialer Richtung wandernden Arbeitsraumes verkleinert sich vom Haupteinlass zum Auslass hin kontinuierlich oder diskontinuierlich. Eine Schraubenpumpe mit innerer Verdichtung stellt über ihre axiale Länge einen relativ großen Bereich an Arbeitsdrücken an dem Zwischeneinlass bereit, und ist daher in besonderer Weise geeignet für das Vorsehen eines Zwischeneinlasses zum Abgriff eines zweiten Arbeitsdruckes.

Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Vakuum-Anlage anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Vakuum-Anlage mit einer Vakuum-Schraubenpumpe in schematischer Darstellung,
2 die Vakuum-Schraubenpumpe der 1 im Längsschnitt,
3 einen Querschnitt der Vakuum-Schraubenpumpe der 1 und 2,
4 einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Vakuum-Schraubenpumpe,
5 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnittes der Vakuum-Schraubenpumpe der 1 bis 3 im Bereich des Zwischeneinlasses.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Vakuum-Anlage 10 dargestellt, die im Wesentlichen aus einem ersten Behälter 12, einem zweiten Behälter 14 und einer Vakuum-Schraubenpumpe 16 besteht. Die Schraubenpumpe 16 weist einen Gas-Auslass 18, einen Gas-Haupteinlass 20, sowie einen Gas-Zwischeneinlass 22 auf. Der Gas-Auslass 18 öffnet zur Atmosphäre. Der Haupteinlass 20 ist über eine Leitung 24 verbunden mit dem ersten Behälter 12. Der Zwischeneinlass 22 ist über eine Leitung 26 verbunden mit dem zweiten Behälter 14. Im Verlauf der Leitung 26 zwischen Einlass 22 und dem zweiten Behälter 14 ist ein Sperrventil 28 vorgesehen. Zwischen den beiden Behältern 12, 14 ist ebenfalls eine Leitung 30 vorgesehen, die durch ein Sperrventil 32 sperrbar ist.
Die Vakuum-Anlage 10 ist im vorliegenden Fall eine Reinigungsanlage zur Reinigung von Werkstücken, beispielsweise aus Metall, Kunststoff oder Glas. In der Vakuum-Anlage 10 wird zum Trocknen der Arbeitsdruck P1 in dem Behälter 12 auf wenige mbar abgesenkt. In dem zweiten Behälter 14 muss der Arbeitsdruck P2 auf einem Niveau gehalten werden, das zwischen dem Arbeitsdruck P1 in dem ersten Behälter 12 und dem Atmosphärendruck liegt.
In den 2 und 3 ist die Schraubenpumpe 16 der 1 in Schnittdarstellungen detailliert dargestellt. Die Schraubenpumpe 16 weist zwei Schraubenrotoren 34, 36 auf, die in einem Gehäuse 38 gegensinnig zueinander drehbar gelagert sind. Jeder Rotor weist einen schraubenförmig angeordneten Zahn 40, 42 auf, dessen Steigung vom Haupteinlass 20 zum Auslass 18 hin stetig abnimmt, wie in 2 erkennbar ist. Hierdurch verkleinert sich die bei drehenden Schraubenrotoren in axialer Richtung wandernde Arbeitskammer vom Haupteinlass 20 zum Auslass 18 hin stetig, wodurch eine sogenannte innere Verdichtung realisiert wird. Hierdurch ist es wiederum möglich, praktisch jeden beliebigen Arbeitsdruck, der zwischen dem Arbeitsdruck P1 am Haupteinlass 20 und dem Enddruck am Auslass 18 liegt, durch entsprechende axiale Positionierung des Zwischeneinlasses 22 abzugreifen. Im vorliegenden Fall wird der zweite Arbeitsdruck P2 ungefähr in der axialen Mitte der Rotoren 34, 36 abgegriffen, so dass in dem angeschlossenen zweiten Behälter 14 ein Arbeitsdruck P2 von ungefähr 100 mbar herrscht.
Wie in 3 dargestellt, ist die Öffnung 44 des Zwischeneinlasses 22 im Schnittbereich der beiden Schraubenrotoren 34, 36 vorgesehen. Hierdurch öffnet sich die Öffnung 44 des Zwischeneinlasses 22 zu beiden von den beiden Schraubenrotoren 34, 36 gebildeten Arbeitskammern 46, 48.
In der 4 ist eine andere Ausführungsform einer Schraubenpumpe 16' dargestellt, bei der der Zwischeneinlass 22' nicht im Schnittbereich der beiden Schraubenrotoren 34, 36, sondern im Bereich des Gehäuses eines einzigen Rotors 36 der beiden Rotoren 34, 36 angeordnet ist. Auf diese Weise ist der Zwischeneinlass 22' nur zu den Arbeitskammern geöffnet, die von einem einzigen Rotor 36 gebildet werden. Hierdurch ist das Saugvolumen des Zwischeneinlasses 22' entsprechend verringert, d.h. annähernd halbiert, gegenüber dem Saugvolumen der in 3 dargestellten Schraubenpumpe 16.
Wie in 2 erkennbar ist, ist die Zwischeneinlass-Öffnung 44 um ungefähr das Zweifache der Schraubensteigung entfernt von der Öffnung 21 des Haupteinlasses 20, sowie um mehr als den zweifachen Betrag der betreffenden Schraubensteigung entfernt von der Öffnung 19 des Auslasses 18. Hierdurch wird sichergestellt, dass in keiner Drehposition des Rotors 36 ein Kurzschluss zwischen dem Zwischeneinlass 22 und dem Haupteinlass 20 und/oder dem Auslass 18 auftreten kann.
Wie in 5 erkennbar ist, ist die Breite b des Zahnkopfes 50 des Schraubenzahnes 42 axial länger als die axiale Länge a der Zwischeneinlass-Öffnung 44. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass zwischen zwei Arbeitskammern 46 keine offene Verbindung auftreten kann, wenn der betreffende Schraubenzahn 42 die Öffnung passiert. Durch die beschriebenen Maßnahmen wird sichergestellt, dass der Druck am Haupteinlass und am Sekundäreinlass weitgehend unabhängig voneinander sind. Dennoch wird das Betriebsverhalten der Schraubenpumpe 16 durch Anschluss des Zwischeneinlasses 22 an den zweiten Behälter 14, d.h. durch ein Öffnen des Ventils 28, beeinflusst. Bei geöffnetem Zwischeneinlass 22 steigt der Druckverlauf zwischen Haupteinlass 20 und Auslass 18 geringfügig an, da die zusätzliche Gas-Masse in der Arbeitskammer 46 zu einem Anstieg der Gasdichte und damit zu einem Anstieg des Druckes führt. Bedingt durch den höheren Druck erhöhen sich die Rückströmverluste, wodurch auch der Druck in den Arbeitskammern 46 zwischen Haupteinlass 20 und Zwischeneinlass 22 ansteigt. Wenn sich die beschriebene Druckerhöhung bis zum Haupteinlass durchsetzt, wird durch den höheren Druck die Saugleistung verringert und der erste Vakuum-Arbeitsdruck P1 erhöht. Die druckerhöhende Wirkung des geöffneten Zwischeneinlasses hängt im Wesentlichen von der Qualität der Dichtung, d.h. von dem Maß der Dichtspalte zwischen den Schraubenrotoren zueinander und gegenüber dem Gehäuse 38, ab.
Steigt hingegen der erste Vakuum-Arbeitsdruck P1 am Haupteinlass 20 an, steigt aufgrund der inneren Verdichtung in den Arbeitskammern 46 auch der Druck am Zwischeneinlass 22 an. Dies kann im Extremfall dazu führen, dass der mittlere Druck am Zwischeneinlass 22 oberhalb des in dem zweiten Behälter 14 herrschenden Druckes liegt, so dass sich die Strömungsrichtung in Richtung zweiten Behälter 14 umkehren würde. Um einen Austritt des Gases aus dem Zwischeneinlass 22 zu verhindern, kann in der Leitung 26 zu dem zweiten Behälter 14 ein Rückschlagventil angeordnet sein. Durch die innere Verdichtung in der Schraubenpumpe 16 kann der Druck innerhalb der Schraubenpumpe auch auf einen Wert oberhalb des Druckes am Auslass 18 steigen. Bei entsprechender Anordnung des Zwischeneinlasses 22 kann für den zweiten Behälter 14 Druckgas zur Verfügung gestellt werden. Diese Anordnung kann für eine Anlage genutzt werden, bei der beispielsweise für Handhabungszwecke sowohl Luft abgesaugt, als auch Luft mit leichtem Überdruck zur Verfügung gestellt werden soll.

Claims

Vakuum-Anlage (10) mit einem ersten Behälter (12) mit einem ersten Vakuum-Arbeitsdruck P1 und einem zweiten Behälter (14) mit einem zweiten Arbeitsdruck P2, der über dem ersten Arbeitsdruck P1 liegt, und einer Vakuum-Schraubenpumpe (16) mit einem Gas-Haupteinlass (20) und einem Gas-Auslass (18), wobei der Haupteinlass (20) mit dem ersten Behälter (12) zur Erzeugung des ersten Arbeitsdruckes verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vakuum-Schraubenpumpe (16) einen Gas-Zwischeneinlass (22) aufweist, der mit dem zweiten Behälter (14) zur Erzeugung des zweiten Arbeitsdruckes verbunden ist und der zwischen dem Haupteinlass (20) und dem Auslass (18) angeordnet ist.
Vakuum-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Länge (a) der Zwischeneinlass-Öffnung (44) der Schraubenpumpe (16) kleiner ist als die axiale Länge (b) des die Öffnung (44) passierenden Zahnkopfes (50) des betreffenden Schraubenrotors (34, 36).
Vakuum-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischeneinlass-Öffnung (44) der Schraubenpumpe (16) mindestens um den Betrag der jeweiligen Schraubensteigung entfernt ist von der Haupteinlass-Öffnung (21) und der Auslass-Öffnung (19).
Vakuum-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischeneinlass-Öffnung (44) der Schraubenpumpe (16) im Schnittbereich der beiden Schraubenrotoren (34, 36) angeordnet ist.
Vakuum-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Arbeitsdruck P2 ein Vakuum-Arbeitsdruck ist.
Vakuum-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenpumpe (16) mindestens einen zweiten Gas-Zwischeneinlass aufweist.
Vakuum-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenpumpe einen weiteren Gas-Zwischeneinlass aufweist, der ein Gasballast-Einlass ist.
Vakuum-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenzähne (40, 42) der Schraubenrotoren (34, 36) der Schraubenpumpe (16) eine sich zum Auslass (18) hin verringernde Steigung aufweisen.
Vakuum-Schraubenpumpe (16) mit den Merkmalen nach einem der Ansprüche 1 bis 8 für eine Vakuum-Anlage (10) gemäß Anspruch 1.